Hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ trong mô

Tạp chí Khoa học và Công nghệ 54 (1) (2016) 74-81 
1 
HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT CỦA HẠT NANO VÀNG CẤU TRÚC 
LÕI/VỎ TRONG MÔ 
Vũ Thị Thùy Dương1, 2, *, Trịnh Thị Thương1, Vũ Dương1, Nguyễn Thị Thùy1, 
Nghiêm Thị Hà Liên1, Đỗ Quang Hòa1, Trần Hồng Nhung1 
1Institute of Physics, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet Road, 
Cau Giay District, Hanoi, Vietnam 
2The Office of National Programmes on Science and Technology, Ministry of Science and 
Technology of Vietnam, 113 Tran Duy Hung Road, Cau Giay District, Hanoi, Vietnam 
*Email: vtduong@iop.vast.ac.vn 
Đến Tòa soạn: 12/01/2015; Chấp nhận đăng: 14/9/2016 
TÓM TẮT 
Bài báo đưa ra những kết quả nghiên cứu về hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng cấu 
trúc lõi/vỏ SiO2/Au và Fe3O4/SiO2/Au trong mô thịt khi được chiếu sáng bằng nguồn laser 
diode bước sóng 808 nm. Sau 10 phút chiếu laser, nhiệt độ trung bình của mẫu tiêm hạt 
SiO2/Au và Fe3O4/SiO2/Au với cùng lượng 1×108 hạt đạt được tương ứng là 58 °C ± 5 °C và 
50 °C ± 5 °C. Xác định được hiệu suất chuyển đổi quang - nhiệt η tương ứng với mỗi loại hạt 
Fe3O4/SiO2/Au và SiO2/Au là 16 % và 22 %. Kết quả này cho thấy hạt nano vàng cấu trúc 
lõi/vỏ có thể dùng được trong việc phá hủy mô bằng hiệu ứng quang - nhiệt. 
Từ khóa: hạt nano cấu trúc lõi-vỏ, hiệu ứng quang nhiệt. 
1. GIỚI THIỆU 
Các hạt nano kim loại như: hạt nano vàng, hạt nano bạc, thanh nano vàng, hạt nano vàng 
đa lớp,  đã được biết đến với các tính chất quang đặc biệt do hiệu ứng cộng hưởng plasmon 
bề mặt [1 - 4]. Hạt nano vàng đa lớp hay hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ (nanoshells) như: 
silica/vàng (SiO2/Au), từ/silica/vàng (Fe3O4/SiO2/Au) có phổ hấp thụ plasmon bề mặt với đỉnh 
dịch về phía sóng dài khi tỉ lệ lõi/vỏ càng lớn [4, 5, 8]. Bằng cách điều khiển tỉ lệ lõi/vỏ người ta 
đã chế tạo được các hạt nano vàng đa lớp có đỉnh hấp thụ plasmon nằm trong vùng hồng ngoại 
gần 800 – 900 nm ứng với vùng “cửa sổ da”. Do đó, người ta có thể phát hiện và tiêu diệt tế bào 
ung thư trong các khối u nằm sâu dưới da nhờ hiệu ứng quang nhiệt mà không làm ảnh hưởng 
đến tế bào lành [4 - 9]. 
Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng cấu trúc 
lõi/vỏ (SiO2/Au và Fe3O4/SiO2/Au) trong mô thịt được chiếu bằng laser liên tục bước sóng 808 
nm. Trên cơ sở các đường tăng và giảm nhiệt độ thu được, đã xác định hệ số chuyển đổi quang 
nhiệt cho từng loại hạt. Các kết quả cho thấy khả năng của các hạt nano vàng đa lớp trong vai 
trò tác nhân chuyển đổi năng lượng quang thành nhiệt trong vùng được chiếu sáng. 
75 
2. THỰC NGHIỆM 
2. 1. Chuẩn bị thí nghiệm 
Các hạt nano vàng đa lớp được sử dụng là hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng (SiO2/Au) 
và từ/silica/vàng (Fe3O4/SiO2/Au) được chế tạo tại phòng thí nghiệm Nanobiophotonic của Viện 
Vật lý [10,11]. Phổ hấp thụ của các mẫu được đo trên hệ UV-Vis –NIR (Shimadzu UV-2600) 
của phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Vật lý. Hình thái các hạt nano được khảo sát dựa trên 
ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử TEM (JEM-1010), Viện vệ sinh Dịch tễ. Hệ đo hiệu ứng 
quang - nhiệt của hạt nano vàng được dựng tại phòng thí nghiệm Nanobiophotonic của Viện Vật 
lý. 
2.2. Bố trí thí nghiệm 
Các nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng trong mô thịt được khảo sát 
trên hệ đo như mô tả trong Hình 1. Chùm laser bán dẫn (CW, 808 nm, 2 W) sau khi qua sợi cáp 
quang và được chuẩn trực trước khi chiếu vào mẫu, đặt cách mẫu một khoảng d không đổi. Cảm 
biến nhiệt (PT100, Hayashi Denko) được đặt trong mẫu gần vị trí tiêm hạt, tín hiệu của cảm 
biến được đưa vào bộ DAQ (Data Acquisition) nối với máy tính. Phép đo được điều khiển bằng 
phần mềm LabVIEW 8.6. Mẫu thí nghiệm được thực hiện trên mô thịt có kích thước 4×4 mm 
với các chiều dày thay đổi là 1, 2, 3, 4 mm. Mẫu tiêm hạt và mẫu đối chứng (không tiêm hạt) 
đều được chiếu laser, thời gian chiếu 10 phút, đường kính vết chiếu 1,5 mm, mật độ chiếu 7,3 
W/cm2. Các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng 28 0C. 
Hình 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng trên mô thịt, với NPs 
là vị trí được tiêm hạt nano trong mẫu. 
2.3. Quá trình chuyển đổi quang - nhiệt 
Khi có sự kích thích của ánh sáng tới, các điện tử trong hạt nano sẽ hấp thụ năng lượng và 
dao động, sau đó năng lượng của dao động của điện tử sẽ chuyển biến thành nhiệt khi tương tác 
Vũ Thị Thùy Dương và NNK 
76 
với các dao động mạng tinh thể. Nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano ra xung quanh dẫn đến nhiệt 
độ ở môi trường xung quanh hạt tăng lên. Quá trình sinh nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong 
trường hợp các hạt nano kim loại trong chế độ cộng hưởng plasmon. Khi hệ (gồm hạt nano vàng 
và môi trường chứa hạt) được chiếu sáng, thì mô hình cân bằng năng lượng tổng của một hệ 
được mô tả bởi phương trình cân bằng nhiệt [1, 8, 9]: 
outsurrinnpin
i
ipi QQQdt
dTCm −+=∑ ,,, (1) 
trong đó, Qin,pn - nhiệt lượng của hạt nano vàng do hấp thụ ánh sáng chiếu tới, Qsurr – nhiệt 
lượng của môi trường hệ do hấp thụ trực tiếp ánh sáng chiếu tới và Qout – nhiệt lượng mất mát 
do truyền nhiệt ra ngoài hệ. mi, Cp,i là khối lượng và nhiệt dung của các thành phần trong hệ, T(t) 
là nhiệt độ tại thời điểm t. Qin,pn được xác định theo công thức: 
( )ηλ .101
,
A
npin IQ −−= (2) 
với I là công suất ánh sáng chiếu vào mẫu, Aλ là độ hấp thụ của hạt tại bước sóng kích, η là hiệu 
suất chuyển đổi quang nhiệt của hạt. 
( )surrout TThSQ −= , (3) 
với h là hệ số truyền nhiệt của hệ, S là diện tích vùng truyền nhiệt từ hệ ra ngoài, Tsurr là nhiệt độ 
ngoài hệ. Tích hS được xác định bằng sự suy giảm nhiệt độ sau khi tắt nguồn chiếu. T là nhiệt 
độ môi trường của hệ. 
Tại trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt lượng hệ thu được bằng nhiệt lượng tỏa ra: 
surrinnpin QQ ,, + = ( ) )(.101 max, surrsurrinA TThSQI −=+− − ηλ (4) 
với Tmax là nhiệt độ cao nhất tại trạng thái cân bằng nhiệt. Do đó, hiệu suất chuyển đổi quang 
nhiệt của hạt nano trong hệ được tính là: 
)101(
)(
,max