Thoát khỏi lối mòn
Có lẽ chưa bao giờ ứng dụng của hạt nano vàng lại gần gũi với công chúng như hai năm đại dịch vừa qua, khi một sản phẩm có chứa nano vàng đã được cả tỉ người trên thế giới cùng sử dụng: kít thử phát hiện virus SARS-CoV-2. Nhưng không phải đến khi COVID-19 xuất hiện thì hạt nano vàng mới được dùng trong các que thử. Là một trong những loại hạt nano được sử dụng rộng rãi nhất trong những năm gần đây, hạt nano vàng đã “góp mặt” trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rất nhiều lĩnh vực như hóa học, phân tích sinh học, quang xúc tác trong xử lý môi trường, chẩn đoán và điều trị trong y sinh (hiện ảnh trường tối, các loại que thử khác nhau như que thử thai, thử virus), liệu pháp quang nhiệt trị, chuyển đổi năng lượng trong pin mặt trời thế hệ mới,….
Dẫu vậy, cho đến nay, mới chỉ có một số ít quy trình chuẩn và đơn giản để tạo hạt nano vàng thực sự sử dụng được. Lý do là bởi, một trong những yêu cầu tối quan trọng để hạt nano có thể đi vào thực tiễn là quy trình sản xuất ra chúng phải kiểm soát được chặt chẽ kích thước, hình dạng và độ đơn phân tán của các hạt nano vàng. “Các tính chất điện, quang và hóa/sinh được khai thác trong những ứng dụng của hạt nano vàng phụ thuộc rất lớn vào kích thước, hình dạng và độ đơn phân tán của các hạt nano, do đó việc kiểm soát các điều kiện này phải vô cùng chính xác”, PGS. TS Nghiêm Thị Hà Liên giải thích. “Nếu cần phải chế tạo một số lượng lớn hạt nano vàng thì với những yêu cầu kiểm soát nhiệt độ hay các điều kiện nghiêm ngặt khác, quá trình chế tạo hạt nano sẽ vô cùng phức tạp và khó khăn”, PGS. TS Hà Liên nhớ lại những trăn trở khởi nguồn nghiên cứu này.
Là người làm hạt nano vàng từ những năm 2007, chị nhận thấy yếu tố khiến các phương pháp chế tạo hạt nano vàng hiện nay phức tạp nằm ở chỗ: hầu hết các kỹ thuật đều tiếp cận theo cách “từ trên xuống” với các phương pháp vật lý như điện phân, dùng laser bắn phá từ vàng khối; hoặc đi “từ dưới lên” bằng các phương pháp hóa học từ khử ion vàng đến phản ứng để tạo hạt nano. “Vậy nếu nuôi các hạt nhỏ lớn dần, giống như gieo mầm, trồng cây thì sao?”, PGS.TS Hà Liên thầm nghĩ.
Ý tưởng này dần có hình hài rõ ràng sau một lần chị thử nghiệm và vô tình tạo được hạt nano theo một cách khác biệt. “Khi lấy chính ‘hạt mầm’ để vừa là nguyên liệu vừa là xúc tác, tôi nhận thấy hạt nano vàng có khả năng tự xúc tác”, PGS.TS Hà Liên nhớ lại, “nguyên lý tạo hạt có thể có nhiều cách hơn những lối đi truyền thống”. Tìm hiểu sâu hơn nữa, chị biết rằng quy trình chế tạo các hạt nano vàng bằng phương pháp nuôi mầm cũng đang trên đà trở thành một hướng đi tiềm năng trên thế giới trong những năm gần đây nhờ vào hiệu quả cao trong việc đáp ứng các yêu cầu về hình dạng và kích thước hạt. Song, “vẫn đề cũ vẫn chưa được giải quyết khi những phương pháp này đều phức tạp, yêu cầu nhiệt độ cao hoặc thời gian phản ứng kéo dài, đồng thời vẫn khó để điều khiển kích thước”, PGS.TS Hà Liên cho biết.
Chẳng hạn, trước đây đã có một quy trình phát triển hạt nano vàng có đường kính tới 200nm, sử dụng tiền chất là HAuCl4 và sử dụng natri citrat vừa là tác nhân khử vừa là tác nhân bảo vệ. Dù quy trình này cho phép điều chỉnh kích thước hạt trong khoảng rộng, tuy nhiên lại không tạo được hạt nhỏ hơn 10nm, thêm vào đó quy trình cũng yêu cầu phải gia nhiệt ở mức 90 – 100°C. Hay một kỹ thuật khác đã tạo được hạt nano vàng có độ đơn phân tán cao, song lại yêu cầu thời gian chế tạo dài từ 2-10 ngày, chưa kể đến khoảng điều chỉnh đường kính hạt cũng chỉ trong khoảng từ 30 – 100nm. Với những yêu cầu chặt chẽ về các chỉ tiêu của hạt nano vàng, những nhược điểm này không chỉ là một hạn chế về chi phí, mà đồng thời còn là một điểm yếu chí mạng đối với các phương pháp trước đây. “Phải làm sao để có một giải pháp nuôi mầm không cần theo dõi quá sát sao các điều kiện sản xuất thì mới có thể đạt được yêu cầu”, PGS. TS Hà Liên đặt mục tiêu.
Kiểm soát hình dạng và kích thước
Phân tích ưu nhược điểm của từng kỹ thuật, PGS.TS Hà Liên quyết định hướng mục tiêu đến việc nghiên cứu ra một quy trình chế tạo thực hiện được ở nhiệt độ phòng và có thời gian phản ứng ngắn. Nhưng mấu chốt để giải quyết được vấn đề này nằm ở đâu, khi các phương pháp trước đây đều đòi hỏi điều ngược lại? Với những kinh nghiệm nghiên cứu dày dặn, PGS.TS Hà Liên cho rằng, yếu tố nhiệt độ cao là do phụ thuộc vào tác nhân khử. “Nếu dùng tác nhân khử và điều kiện khác đi thì sẽ giảm được thế khử, giảm năng lượng phản ứng xuống, nhờ đó sẽ không phải gia nhiệt nữa”, chị lý giải. Đó cũng là lý do sau khi thử nghiệm nhiều lần, PGS.TS Hà Liên quyết định chọn andehit fomic (HCHO) làm tác nhân khử thay cho những chất ở các giải pháp trước.
Với phương pháp của nhóm, các hạt vàng sẽ được chế tạo và kiểm soát chỉ đơn giản thông qua việc thay đổi nồng độ tiền chất ở hạt mầm. Theo đó, các hạt nano vàng sẽ được chế tạo bằng cách sử dụng HAuCl4 (một chất phổ biến trong phương pháp nuôi mầm) để làm tiền chất; K2CO3 để kiểm soát độ pH của dung dịch và andehit fomic làm tác nhân khử. Cụ thể, mầm nano vàng sau khi được tổng hợp bằng phương pháp Duff Baiker (phương pháp cổ điển tạo ra các hạt nano vàng nhỏ) sẽ được bổ sung vào dung dịch vàng hydroxit, sau đó bổ sung từ từ chất khử là HCHO vào với lượng vừa đủ để khử vàng hydroxit thành vàng.
“Quá trình khử diễn ra trên bề mặt mầm nano vàng nên các mầm này có kích thước tăng dần với chất khử là HCHO”, PGS. TS Hà Liên cho biết. Và “do phản ứng khử là phản ứng xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ phòng nên dễ dàng tính được lượng HCHO bổ sung sao cho lượng này đủ để khử hoàn toàn vàng hydroxit thành vàng, CO2 và H2O, mà không còn dư tác nhân khử nữa”. Sau đó, có thể tùy ý sử dụng dung dịch chứa các hạt nano vàng thu được ở bước trước thay cho dung dịch mầm nano vàng và lặp lại nhiều lần bước này cho đến khi thu được hạt nano vàng có kích thước cần thiết. Nhờ cách tiếp cận ấy, “mình hoàn toàn có thể lựa chọn được việc dừng kích thước hạt nano ở mức nào”, PGS.TS Hà Liên nhấn mạnh.
Có thể sẽ có người đặt câu hỏi: nếu các hạt mầm chính là các hạt nano vàng có kích thước nhỏ, vậy tại sao không tạo ra các hạt mầm có kích thước lớn luôn mà lại phải tạo ra các hạt nano mầm rồi nuôi lớn dần lên? Câu trả lời nằm ở nguyên nhân: các phương pháp hóa học luôn có giới hạn và thường chỉ tạo ra sản phẩm ở một kích thước nhất định, “nếu lệch ra khỏi kích thước đó, các hạt nano sẽ không đồng đều”, PGS.TS Hà Liên giải thích.
Với cách làm mới, nhóm của PGS.TS Hà Liên có thể tạo ra các hạt nano vàng dạng cầu với đường kính bất kỳ nằm trong khoảng từ 5-220 nm. Không chỉ vậy, quy trình này còn không bị giới hạn kích thước mà còn có thể mở rộng để chế tạo các hạt nano có đường kính nằm ngoài khoảng trên, đồng thời cũng có thể được áp dụng cho những hạt nano có thành phần kim loại quý khác. Đáng chú ý, quá trình phát triển hạt nano của PGS.TS Hà Liên chỉ cần một khoảng thời gian ngắn từ 5-20 phút ở nhiệt độ phòng – tương đương với thời gian khi sử dụng phương pháp hồi lưu thực hiện phản ứng trong điều kiện nhiệt độ cao (90-100°C).
Để thử nghiệm hiệu quả thực tế, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano vàng có đường kính 5 nm làm hạt mầm để “nuôi” và tạo ra các hạt nano vàng có kích thước 40 nm, 55nm, 85nm và 100nm có độ đơn phân tán cao bằng cách kiểm soát nồng độ tương đối của các mầm vàng và tiền chất tạo vàng dưới các điều kiện phù hợp. Kết quả kiểm tra dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy các hạt đều có kích thước như mong muốn. Không chỉ có độ đồng đều về ngoại hình, “các hạt nano vàng này cũng không có tạp chất như sản phẩm của một số phương pháp thông thường, nhờ đó việc gắn kết phân tử sinh học lên các hạt khi ứng dụng vào trong thực tiễn cũng dễ dàng hơn”, PGS.TS Hà Liên cho biết.
Nhờ những điểm mới này, quy trình chế tạo các hạt nano vàng phân tán trong dung dịch nước bằng phương pháp nuôi mầm của PGS. TS Hà Liên đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0002024. Nhóm nghiên cứu cũng xuất bản được bài báo “Seeded Growth Synthesis of Uniform Gold Nanoparticles with Controlled Diameters up to 220 nm” trên tạp chí Journal of Electronic Materials vào năm 2021.
Và khi đã chủ động được việc sản xuất hạt nano vàng với số lượng lớn mà không cần phải mua, tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu vốn đắt tiền này càng trở nên rộng mở. Theo PGS. TS Hà Liên, một trong những ứng dụng gần nhất của hạt nano vàng là sử dụng làm chỉ thị màu trong các que thử, thiết bị y sinh. Tất nhiên, “dù mình có được một phương pháp đơn giản, hiệu quả nhưng mới chỉ là tạo ra hạt nano thôi, bây giờ muốn ráp với que thử thì cần phải có một đơn vị về sinh học làm ra kháng thể thì mới giải quyết được”, PGS.TS Hà Liên chia sẻ về một thách thức khiến quy trình này vẫn chưa ra được thị trường. Thách thức ấy là một vấn đề lớn bởi hiện nay, nước ta hầu như vẫn chưa chủ động được việc sản xuất kháng thể do quy trình sản xuất còn khó và đắt, theo PGS.TS Hà Liên, trong khi đây lại là thành phần có vai trò mấu chốt trong các que thử. Do đó, mong muốn của chị chính là làm sao kết hợp được với những đơn vị sản xuất que thử để nghiên cứu gắn kết kháng thể với hạt nano chỉ từ nguyên liệu ở Việt Nam. “Chúng tôi hy vọng ngày đó sẽ sớm đến”, PGS.TS Hà Liên kỳ vọng.
