Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là chế tạo thành công vật liệu thanh nano GdPO4:Tb3+ và quả cầu nano Gd2O3:Eu3+; bọc thanh nano GdPO4:Tb3+ và quả cầu nano Gd2O3:Eu3+ bằng vỏ silica, chức năng hóa với nhóm chức NH2, chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA để ứng dụng trong y sinh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THỊ LIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO GdPO4:Tb3+ VÀ Gd2O3:Eu3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THỊ LIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO GdPO4:Tb3+ VÀ Gd2O3:Eu3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số: 944 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Thanh Hường 2. GS.TS. Lê Quốc Minh Hà Nội, 2020
i LỜI CAM ĐOAN Công trình được thực hiện tại phòng Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Hường và GS.TS. Lê Quốc Minh. Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Phạm Thị Liên
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thanh Hường và GS.TS. Lê Quốc Minh, những người Thầy đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi được tập trung nghiên cứu trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể các thầy cô và các anh chị em đồng nghiệp Viện Khoa học vật liệu: PGS.TS. Trần Kim Anh, TS. Nguyễn Vũ, TS. Hoàng Thị Khuyên, TS. Trần Thu Hương, TS. Trần Quốc Tiến, TS. Tống Quang Công, TS. Vũ Thị Nghiêm, NCS. Đỗ Khánh Tùng, TS. Lê Thị Vinh, TS. Hà Thị Phượng đã động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Vũ Xuân Nghĩa và TS. Nguyễn Ngọc Tuấn, Học viện Quân Y, đã giúp tôi hoàn thành các ứng dụng về y sinh trong luận án này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. Lại Ngọc Điệp và GS. Isabelle Ledoux, phòng thí nghiệm LPQM - Trường ENS Paris - Saclay, Pháp đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm, phép đo trong chuyến đi trao đổi nghiên cứu khoa học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Quỹ NAFOSTED đã tài trợ kinh phí cho chuyến đi trao đổi hợp tác nghiên cứu khoa học quốc tế này. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ nghiên cứu của các đề tài thuộc Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia Việt Nam (NAFOSTED) với mã số 103.03-2017.53 và 103.03-2015.85. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới anh em, bạn bè và đặc biệt là người thân trong gia đình đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 08 tháng 3 năm 2020 Tác giả Phạm Thị Liên
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ….......................................................................................................ii MỤC LỤC …............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ….........................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG …...................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ …...............................................................................x MỞ ĐẦU …................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM ........8 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano phát quang.................................................................8 1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm …............................................................10 1.2.1. Đặc tính phát quang của hợp chất đất hiếm …...........................................10 1.2.1.1. Một số đặc trưng của ion Gd3+ …..................................................14 1.2.1.2. Một số đặc trưng của ion Tb3+ …...................................................15 1.2.1.3. Một số đặc trưng của ion Eu2+, Eu3+ ….........................................17 1.2.2. Các chuyển dời cho phép trong các ion RE3+ …........................................18 1.2.3. Quá trình truyền năng lượng …................................................................20 1.3. Tính chất đặc trưng và ứng dụng của vật liệu chứa Gadolini ….........................23 1.3.1. Vật liệu Gadolini …............................................................................23 1.3.2. Vật liệu phát quang nền Gd2O3 ….......................................................25 1.3.3.Vật liệu nano phát quang nền GdPO4. ….............................................26 1.4. Đặc điểm tính chất của kháng nguyên nọc rắn và CEA………………………...28 1.4.1. Đặc điểm của kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra……….…....29 1.4.2. Đặc điểm của kháng nguyên CEA ung thư đại trực tràng ………..….31 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 …....................................................................................34 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM …..................................35 2.1. Các phương pháp hóa học chế tạo vật liệu ….....................................................35 2.1.1. Phương pháp thủy nhiệt ............................................................................36 2.1.1.1. Giới thiệu về phương pháp thủy nhiệt ….........................................36 2.1.1.2. Quy trình tổng hợp vật liệu GdPO4, GdPO4:Tb3+.............................38
iv 2.1.2. Phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước …..........................................39 2.1.2.1. Giới thiệu về phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước ................39 2.1.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu Gd2O3:Eu3+….......................................40 2.1.3. Chế tạo phức hợp nano y sinh của GdPO4:Tb3+; Gd2O3:Eu3+….................41 2.1.3.1. Xử lý bề mặt vật liệu …....................................................................42 2.1.3.2. Chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang với phần tử hoạt động sinh học......................................42 2.1.3.3. Bọc vỏ vật liệu thanh nano GdPO4:Tb3+ bằng silica ……....……... 43 2.1.3.4. Chức năng hóa thanh nano GdPO4:Tb3+@silica bằng nhóm NH2…...44 2.1.3.5. Chế tạo phức nano của GdPO4:Tb3+@silica-NH2 với kháng thể kháng nọc rắn (IgG)………………………………………………………..44 2.1.3.6. Bọc vỏ vật liệu Gd2O3:Eu3+ bằng silica ….......................................46 2.1.3.7. Chức năng hóa vật liệu Gd2O3:Eu3+@silica bằng nhóm NH2 ..........46 21.3.8. Chế tạo phức hợp giữa Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể kháng CEA (IgG)…………………………………………………47 2.2. Các phương pháp phân tích vật liệu …...............................................................49 2.2.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) …......................................49 2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................51 2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X ….................................................................53 2.2.4. Phương pháp quang phổ huỳnh quang ……….........................................54 2.2.5. Phương pháp quang phổ hồng ngoại …....................................................57 2.2.6. Phép đo tính chất từ trên hệ từ kế mẫu rung …..........................................59 2.2.7. Đốt nóng cảm ứng từ ….............................................................................60 2.2.8. Phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch …...................................61 2.8.9. Kính hiển vi huỳnh quang……………………………………………….63 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 …...................................................................................66 CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO GdPO4:Tb3+ VÀ ỨNG DỤNG PHỨC HỢP NANO CỦA GdPO4:Tb3+ PHÁT HIỆN KHÁNG NGUYÊN NỌC ĐỘC RẮN HỔ MANG………...................................................67 3.1. Các kết quả phân tích cấu trúc, hình thái, tính chất quang, từ của vật liệu............67 3.1.1. Kết quả phân tích FESEM của vật liệu ……….….....................................67
v 3.1.1.1 Ảnh FESEM của vật liệu GdPO4…………………………………67 3.1.1.2 Ảnh FESEM của vật liệu GdPO4:Tb3+…………………………....68 3.1.2. Kết quả phân tích TEM của vật liệu GdPO4:Tb3+@silica.........................69 3.1.3. Kết quả nhiễu xạ tia X …...........................................................................70 3.1.4. Kết quả phân tích huỳnh quang .................................................................71 3.1.4.1. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4 …........................................71 3.1.4.2. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4:Tb3+....................................72 3.1.4.3. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4:Tb3+ bọc silica, gắn nhóm chức amin và kháng thể IgG ….......................................................74 3.1.5. Kết quả đo phổ hồng ngoại …...................................................................75 3.1.6. Tính chất từ của hệ vật liệu GdPO4, GdPO4:Tb3+ …..................................76 3.2. Ứng dụng của phức hợp nano của GdPO4:Tb3+ phát hiện kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra ...…........................................................................................79 3.2.1. Đánh giá kết quả gắn vật liệu nano-kháng thể IgG bằng quang phổ hồng ngoại …...........................................................................................80 3.2.2. Đánh giá khả năng của phức hợp GdPO4:Tb3+@ silica-NH2-IgG trong phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang Naja atra...........................81 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................83 CHƯƠNG IV: CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Gd2O3:Eu3+ VÀ ỨNG DỤNG PHỨC HỢP NANO CỦA Gd2O3:Eu3+ PHÁT HIỆN KHÁNG NGUYÊN CEA CỦA TẾ BÀO UNG THƯ ĐẠI TRỰC TRÀNG........................84 4.1. Các kết quả phân tích cấu trúc, hình thái, tính chất quang, từ của vật liệu …….84 4.1.1. Kết quả đo FESEM …..............................................................................84 4.1.2. Kết quả đo TGA …...................................................................................88 4.1.3. Kết quả đo TEM của vật liệu Gd2O3:6%Eu3+ …......................................90 4.1.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X …......................................................................92 4.1.5. Kết quả phân tích EDX ….........................................................................94 4.1.6. Kết quả đo phổ hồng ngoại của vật liệu …...............................................95 4.1.7. Kết quả đo huỳnh quang …......................................................................96 4.1.7.1. Phổ kích thích huỳnh quang …......................................................96 4.1.7.2. Phổ huỳnh quang của vật liệu Gd2O3:X%Eu3+…...........................97
vi 4.1.7.3. Phổ huỳnh quang của vật liệu khi bọc silica …..............................99 4.2. Ứng dụng phức hợp nano của Gd2O3:Eu3+ phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng................................................................................101 4.2.1. Đánh giá khả năng phát hiện kháng nguyên CEA tinh khiết bằng phức hợp nano.…….............................................................................101 4.2.2. Đánh giá khả năng phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 bằng phức hợp nano…...............................104 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4………………………………………………………..108 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN …............................................................109 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC …..................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO …................................................................................112
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Chữ viết tắt Tên đầy đủ AN Cộng Nucleophin APTES 3-Aminopropyltriethoxysilane CEA Carcinoembryonic Antigen Cross-relaxation CR Phục hồi chéo Electric dipole ED Lưỡng cực điện Energy-dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X EDC Ethylcarbodiimide hydrochloride Fetal bovine serum FBS Huyết thanh thai bò Field emission scanning electron microscopy FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Fourier Transform-Infrared Spectroscopy FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier GDA Glutaraldehyde IgG Immunoglobulin G Magnetic dipole MD Lưỡng cực từ Magnetic Resonance Imaging MRI Ảnh cộng hưởng từ NHS N-hydroxysuccinimide Photoluminescence PL Quang phát quang Photoluminescence Excitation PLE Kích thích phát quang PBS Phosphate Buffered Saline Rare Earth based Nanophosphor RE-NP Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm Scanning Electron Microscope SEM Kính hiển vi điện tử quét Specific Absorption Rate SAR Công suất hấp thụ riêng
viii Chữ viết tắt Tên đầy đủ Specific Loss Power SLP Công suất tổn hao riêng Transmission electron microscopy TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Ln-VLNPQ Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm Vibrating Sample Magnetometer VSM Từ kế mẫu rung X-ray Diffraction XRD Nhiễu xạ tia X
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Cấu hình điện tử của các nguyên tử đất hiếm ở trạng thái cơ bản...…..….11 Bảng 1. 2. Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản của các ion đất hiếm......................12 Bảng 1. 3. Một vài dạng cấu trúc và trạng thái ổn định của octho photphat LnPO4……………………………………………..……………………………….27 Bảng 3. 1. Các thông số thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ………………………… 78 Bảng 4.1. Đường kính trung bình của Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+, Gd(OH)CO3.H2O:5%Eu3+ theo tài liệu tham khảo, Gd2O3:6%Eu3+, Gd2O3:6%Eu3+@Silica………………………………...…………………………..91 Bảng 4.2. Tỷ lệ trọng lượng của các nguyên tố trong mẫu Gd2O3: 6%Eu3+ và Gd2O3: 6%Eu3+ @ silica của mẫu ủ tại 650oC………………………………………..…….94 Bảng 4.3. Kết quả phát hiện CEA của phức hợp nano Gd2O3:Eu3+@Silica-NH2- IgG…………………………………………………………………………..........102 Bảng 4.4. Kết quả phát hiện tế bào ung thư của hạt nano Gd2O3:Eu3+@Silica-NH2- IgG……………………………………………………………………………..…104
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình minh họa phương pháp tổng hợp vật liệu từ trên xuống và từ dưới lên………………………………………………………………………...10 Hình 1.2. Phổ kích thích huỳnh quang của TbPO4………………………………….16 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc năng lượng của ion Eu3+, Eu2+ trong mạng nền …...............18 Hình 1.4. Giản đồ mức năng lượng (Dieke) của các ion đất hiếm RE3+......................19 Hình 1.5. Các bước của quá trình truyền năng lượng không phát xạ..........................21 Hình 1.6. Sơ đồ cho cơ chế dập tắt huỳnh quang theo nồng độ: (a) sự chuyển năng lượng theo một chuỗi các tâm đono và bẫy dập tắt; (b) sự phục hồi chéo giữa các cặp tâm.......................................................................................21 Hình 1.7. Sơ đồ truyền năng lượng của ion Gd3+ sang Tb3+(a), ion Gd3+ sang Eu3+(b).....................................................................................................22 Hình 1.8. Sơ đồ Obitan của gadolini……………………………………………….23 Hình 1.9. Mô hình biểu biễn ô đơn vị tương ứng với cấu trúc hexagonal, monoclinic và cubic của Gd(OH)3, GdOOH, Gd2O3 tương ứng..................................25 Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể của GdPO4 theo hướng [010] (a); sự liên kết thứ cấp khối cầu của ion Gd3+ trong GdPO4(b). ...........................................................27 Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể hexagonal GdPO4.nH2O (a), GdO8 dodecahedron (b), P-Gd octahedron (c), cấu trúc tinh thể không tính đến nguyên tử oxi(d)...28 Hình 1.12. Cấu trúc của nọc rắn…………………..……………………...…………30 Hình 1.13. Các dấu ấn ung thư hệ tiêu hóa .................................................................32 Hình 1.14. Cấu trúc CEA ..........................................................................................32 Hình 2. 1. Mối tương quan của áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số lấp đầy của hệ phản ứng kín………………..……………………………...………...37 Hình 2. 2. Thiết bị dùng trong phương pháp thủy nhiệt chế tạo vật liệu .....................38 Hình 2. 3. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp thanh nano GdPO4...........................................38 Hình 2. 4. Quy trình tổng hợp GdPO4:Tb3+ ...............................................................39 Hình 2. 5. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp quả cầu nano Gd2O3:Eu3+ ...............................41 Hình 2. 6. Cơ chế của phản ứng cộng nucleophin (AN)...........................................43 Hình 2. 7. Sơ đồ thí nghiệm chức năng hóa bề mặt thanh nano GdPO4:Tb3+ ..............44
xi Hình 2.8. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách gắn kết GdPO4:Tb3+@silica – NH2 với kháng thể kháng nọc rắn..........................45 Hình 2.9. Sơ đồ bọc Gd2O3:Eu3+ bằng silica và gắn nhóm NH2 ...............................46 Hình 2.10. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách gắn kết Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể kháng CEA.................................................48 Hình 2. 11. Sơ đồ ứng dụng vật liệu nano phát quang nhận dạng kháng nguyên tế bào ung thư ....................................................................................................48 Hình 2. 12.Sơ đồ cấu tạo máy SEM ...........................................................................50 Hình 2. 13. Hệ đo hiển vi điện tử quét tại Khoa học vật liệu (Hitachi S4800) …........51 Hình 2. 14. Sơ đồ cấu tạo máy TEM ..........................................................................52 Hình 2. 15. Hiển vi truyền qua phân giải cao JEM 2100 ............................................52 Hình 2. 16. Mô hình minh họa của định luật nhiễu xạ Bragg .....................................53 Hình 2.17. Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000…………………………………..54 Hình 2. 18. Cơ chế tạo huỳnh quang………………………………………………..55 Hình 2. 19. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ PL và phổ PLE của hệ Fluorolof FL3-2-2 tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng. ................................................................56 Hình 2. 20. Hệ đo thiết bị phổ kế Fluorolof FL3-2-2 thực tế tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng ........................................................................................................57 Hình 2. 21. Thiết bị đo phổ hồng ngoại ngoại (Nicolet iS10, Thermo Scientific) ......59 Hình 2. 22. Hệ đo VSM (a) và sơ đồ nguyên lý (b). ...................................................60 Hình 2.23. Hệ thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ (a) và minh hoạ bố trí thí nghiệm đốt nóng cảm ứng từ (b). ................................................................................61 Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý phương pháp phân tích đánh dấu huỳnh quang miễn dịch…………………….……………………………………………….62 Hình 2.25. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi huỳnh quang……………..64 Hình 3.1. Ảnh FESEM của GdPO4 thay đổi pH (2, 4, 6, 8, 10, 12) ............................68 Hình 3.2. Ảnh FESEM của GdPO4:Tb3+ với các tỷ lệ [Tb3+/Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9%............................................................................................................69 Hình 3.3. Ảnh TEM của GdPO4:Tb3+ sau khi bọc silica……………………………70 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu GdPO4, GdPO4:Tb3+ ..........................70 Hình 3.5. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4 với các giá trị pH khác nhau. ...........71
xii Hình 3.6. Phổ kích thích các mẫu GdPO4:Tb3+ (0- 9%) ............................................72 Hình 3.7. Phổ PL của vật liệu GdPO4:Tb3+ với các tỷ lệ [Tb3+/Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9% kích thích bước sóng 272nm(a), 325nm(b) và 355nm(c)………...….73 Hình 3.8. Phổ PL của vật liệu GdPO4:Tb3+(1), GdPO4:Tb3+@silica(2), GdPO4:Tb3+@silica–NH2(3), GdPO4:Tb3+@silica –NH2-IgG (4) ...........75 Hình 3.9. Phổ hồng ngoại của GdPO4, GdPO4:Tb3+, GdPO4:Tb3+@silica-NH2 và GdPO4:Tb3+@silica-NH2-IgG ….............................................................76 Hình 3.10. Đường cong từ độ của vật liệu GdPO4:Tb3+ với các tỷ lệ [Tb3+/Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9%.............................................................................................77 Hình 3.11. Đường cong đốt nhiệt cảm ứng từ của vật liệu GdPO4:Tb3+ với các tỷ lệ [Tb3+/Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9%..................................................................78 Hình 3.12. Sơ đồ quá trình phát hiện kháng nguyên nọc rắn bằng phức hợp nano huỳnh quang GdPO4:Tb3+@silica - NH2..................................................80 Hình 3.13. Phổ hồng ngoại của mẫu kháng thể IgG trước và sau khi gắn vật liệu phát quang .......................................................................................................81 Hình 3.14. Hình ảnh của kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra dưới ánh sáng nhìn thấy (a); Kháng nguyên Naja atra kết hợp với vật liệu nano quan sát với ánh sáng nhìn thấy (b); Kháng nguyên Naja atra kết hợp với vật liệu nano quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang bước sóng 405nm với độ phóng đại 40x, thị kính 10x (c) ...........................................................................81 Hình 4.1. FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O:Eu3+ với tỷ lệ [Urê]/[Gd3+ +Eu3+] là 20 (a), 25 (b), 30 (c), 35 (d), 40 (e) …………………………...…...….85 Hình 4.2. Sự phụ thuộc đường kính của quả cầu nano theo tỷ lệ [Urê]/[Gd3+ +Eu3+]..86 Hình 4.3. FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O:Eu3+ khi sấy ở nhiệt độ 70 oC tỷ lệ [Urê]/[Gd3++Eu3+] là 0 (a); 3,5(b); 5(c); 6(d); 7(e); 7.5(f); 8 %(g) ...................................................................................................................87 Hình 4.4. Phổ TG và DTG của Gd(OH)CO3.H2O:Eu3+ .............................................88 Hình 4.5. FESEM của vật liệu Gd2O3:Eu3+ khi ủ ở nhiệt độ 650 oC tỷ lệ [Urê]/[Gd3++Eu3+] là 0 (a); 3,5(b); 5(c); 6(d); 7(e); 7.5(f); 8 %(g) .................................................................................................................89 Hình 4.6. Kết quả đo TEM của Gd2O3: 6%Eu3+ (a); Gd2O3: 6%Eu3+@silica (b) ......90
xiii Hình 4.7. Đường kính trung bình của Gd2O3:6%Eu3+ (a), Gd2O3:6%Eu3+@silica (b), Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+ (c) .................................................................91 Hình 4.8. Giản đồ nhiễu xạ XRD của Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+ tại 200 oC và 650oC…………………………………………………………………...92 Hình 4.9. Giản đồ nhiễu xạ XRD của M1: Gd2O3:6%Eu3+ mẫu ủ ở 650 oC không bọc silica; M2: Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+ sấy 70 oC sau đó bọc silica và ủ 650oC; M3: Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+ sấy 200 oC sau đó bọc silica và ủ 650oC; M4: Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu3+ ủ 650 oC sau đó bọc silica và sấy 200oC .......................................................................................................93 Hình 4.10. Phổ EDX của Gd2O3:Eu3+ (a) và Gd2O3: Eu3+@silica (b) của mẫu ủ tại 650oC.....................................................................................................94 Hình 4.11. Phổ hồng ngoại của vật liệu Gd2O3:6%Eu3+(a); Gd2O3:6%Eu3+@silica (b) ……………………………………………………….……………..…95 Hình 4.12. Phổ PLE của vật liệu Gd2O3:6%Eu3+ .......................................................96 Hình 4.13. Phổ PL của vật liệu Gd2O3:X%molEu (X=3,5; 5; 6; 7; 8%) kích thích bước sóng 394 nm (a) và 270 nm (b) ..............................................................98 Hình 4.14. Phổ PL của vật liệu khi ủ 650 oC với các lớp silica khác nhau ………....99 Hình 4.15. Phổ PL vật liệu khi bọc silica các nhiệt độ khác nhau ............................100 Hình 4. 16. Sơ đồ quá trình phát hiện CEA bằng phức hợp nano huỳnh quang Gd2O3:Eu3+@silica-NH2-IgG ................................................................102 Hình 4. 17. Ảnh hiển vi huỳnh quang của các mẫu trong dung dịch đệm (bước sóng kích thích 405 nm độ phóng đại 40x,thị kính 10x).…………......…… 104 Hình 4. 18. Ảnh hiển vi huỳnh quang của các mẫu kết hợp với tế bào CEA (bước sóng kích thích 405 nm, độ phóng đại 40x, thị kính 10x)......................106
1 MỞ ĐẦU Vật liệu nano phát quang (NP) đã trở thành công cụ quan trọng không thể thay thế trong y sinh học với hàng loạt các ứng dụng trong chẩn đoán và chữa trị bệnh [1- 5]. Trong lĩnh vực chẩn đoán, có thể kể đến các đầu dò phát quang kích thước nano có thể theo dõi các quá trình sinh học phân tử tế bào, đơn vị cơ sở của sự sống và cũng là căn nguyên của phần lớn bệnh tật [6, 7]. Các phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) và đặc biệt là phương pháp chụp ảnh tế bào bằng kính hiển vi huỳnh quang đã được đưa vào sử dụng trong các bệnh viện lớn [7, 8]. Trong lĩnh vực điều trị, nhiều phương pháp chữa trị mới như phương pháp quang động, quang nhiệt, quang từ ngày càng được quan tâm ứng dụng trong cận lâm sàng [9]. Vào giữa thế kỷ trước, năm 1959 phương pháp đánh dấu nhận dạng sinh học bằng đồng vị bức xạ ngắn ngày được phát minh bởi Yalow và Berson với ưu điểm là độ chính xác và độ nhạy rất cao. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là trang thiết bị rất đắt tiền cộng với ảnh hưởng của phóng xạ đối với bệnh nhân và người vận hành, nên khả năng ứng dụng của phương pháp này rất hạn chế. Bên cạnh đó các phương pháp đánh dấu (labelling) hoặc nhuộm màu (staining) bằng các chất màu hữu cơ với ưu điểm như phát quang mạnh, tan tốt trong nước, tương thích sinh học, độ nhạy cao và giá thành thấp đã được sử dụng phổ biến trong các bệnh viện và cơ sở nghiên cứu và sản xuất sinh phẩm y tế. Tuy vậy, phổ huỳnh quang của các chất mầu hữu cơ không ổn định dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt hoặc môi trường sinh lý, do hiệu ứng mất màu huỳnh quang (photobleaching) hạn chế việc sử dụng chúng cho các ứng dụng chuyên sâu và quá trình sinh lý phức tạp [10]. Hiện tại trong các vật liệu phát quang nano có triển vọng là vật liệu nano chấm lượng tử bán dẫn [11], vật liệu nano cacbon [12, 13] và vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm [14, 15] được xem như đầu dò quang học đầy triển vọng để ứng dụng trong y sinh. So sánh với chất màu hữu cơ, các chấm lượng tử bán dẫn với ưu điểm là cường độ huỳnh quang cao, ổn định, có thể linh hoạt lựa chọn bước sóng kích thích và phát quang. Tuy nhiên, các chấm lượng tử bán dẫn có mức độ độc tính cao, chủ yếu do sử dụng các kim loại độc hại (như Arsen, Cadmium, Crom và Selen) dễ gây độc cấp và mãn tính cho cơ thể. Gần đây, vật liệu nano cacbon cũng đang được sử dụng như đầu dò sinh học để đánh
2 dấu và nhận diện tế bào. Nhưng quy trình chế tạo chưa ổn định, cấu trúc vật liệu chưa có tính lặp lại dẫn đến tính chất của các vật liệu nano cacbon phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu đầu vào và điều kiện phản ứng, do đó cần được khảo sát và xây dựng qui trình chế tạo tối ưu mới đáp ứng được các nhu cầu cho ứng dụng thực tiễn [12, 13]. Để ứng dụng trong y sinh thì vật liệu phải có những đặc tính như phát quang mạnh, phân tán tốt trong nước và không độc hại với cơ thể con người. Các vật liệu nano phát quang pha tạp đất hiếm (RE-NP) đáp ứng tốt các yêu cầu trên do có hiệu suất phát quang cao và ổn định trong môi trường nước, phổ phát quang hẹp, độ dịch chuyển Stockes lớn, thời gian sống huỳnh quang dài và thân thiện với con người và môi trường [14, 15]. Rất nhiều các RE-NP đã được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau, trong đó phải kể đến là các oxit (Ln2O3), photphat (LnPO4) và vanadate (LnVO4) của các nguyên tố đất hiếm (Ln) như là Y, La, Ce, Eu, Tb và Gd. Thời gian qua đã có nhiều công trình sử dụng kính hiển vi quang học phân giải cao nhận dạng bằng hình ảnh các phân tử sinh học, các protein, ADN, các tế bào và cả virus trong mầm bệnh và thành tố của vắc xin sử dụng RE-NP làm đầu dò phát quang [14-17]. Nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực công nghê và vật liệu nano quang tử bắt đầu đạt được một số kết quả có tính đột phá không những trong nghiên cứu các quá trình sinh học mà còn góp phần quan trọng trong công tác khám chữa bệnh, nâng cao sức khỏe cho cộng đồng [18-25]. Để có thể ứng dụng trong y sinh người ta phải chức năng hóa bề mặt để RE-NP tương thích sinh học, ổn định và phân tán trong môi trường sinh lý [3, 26-30]. Sau đó, các thực thể nano đã chức năng hóa được gắn kết với tác nhân sinh học, bằng phản ứng cộng hợp với các phần tử khác nhau như kháng thể, protein, tế bào và thuốc trị bệnh v.v…[31]. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nhóm quan tâm đến việc nghiên cứu và phát triển RE-NP. Năm 2013, Hejuan Song và các cộng sự đã tổng hợp vật liệu GdPO4.H2O:Tb3+ dạng thanh và khối bằng việc thay đổi các điều kiện chế tạo. Nghiên cứu chỉ ra rằng với pH=2 và thêm chất tạo khuôn glyxin sẽ thu được vật liệu dạng thanh, trong khi đó pH=7-10 và không sử dụng glycine thì vật liệu tạo ra có dạng bó [32]. Tiếp đó vào năm 2014, nhóm của Hernandez đã dùng phương pháp thuỷ nhiệt để tổng hợp vật liệu kích thước nano GdPO4.H2O:Tb3+ (Eu3+) với các hình dạng khác nhau bằng việc thay đổi giá trị pH [33]. Bên cạnh đó, các RE-NP trên nền GdPO4
3 cũng cho thấy tiềm năng được ứng dụng trong MRI và kính hiển vi huỳnh quang [1]. Ngoài ra, nhiều nhóm trên thế giới cũng đã tổng hợp vật liệu nano phát quang Gd2O3:Eu3+ với nhiều ứng dụng khác nhau [35-46]. Trong nước, hiện nay các nghiên cứu tập trung nhiều vào việc chế tạo vật liệu nano phát quang làm các tác nhân đánh dấu và nhận dạng sinh học, tạo ra các công cụ đánh giá chất lượng các sinh phẩm, thực phẩm và các vắc xin đã đạt được các thành quả rất khích lệ. Một số nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu phát quang ứng dụng phân tích dư lượng thuốc trừ sâu, dựa trên các chấm lượng tử [47] và các chất màu hữu cơ [48] v.v... được cộng đồng khoa học khu vực và thế giới quan tâm. Ngoài ra, các nghiên cứu về RE-NP của Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đạt được những kết quả khá nổi bật về nghiên cứu cơ bản và định hướng ứng dụng, điển hình trong đánh dấu, nhận dạng virus sởi, rota trong quy trình chế tạo vắc xin [49, 50]. Tuy nhiên, đa số kết quả từ các nghiên cứu ứng dụng sinh học chủ yếu là công cụ một chức năng như vật liệu quang ứng dụng trong nhận dạng đánh dấu trong y sinh hoặc vật liệu từ ứng dụng trong nhiệt trị, tăng tương phản ảnh chụp cộng hưởng từ. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo một công cụ đa chức năng, đặc biệt là khả năng tích hợp chức năng quang và từ trên cùng một vật liệu nano nhằm nâng cao hiệu quả trong quy trình chẩn đoán - điều trị [51-58]. Theo xu hướng nghiên cứu này một số phòng thí nghiệm của Viện Khoa học vật liệu đã khởi động nghiên cứu kết hợp quang từ [51, 52, 59] nhằm tạo ra các công cụ đa chức năng trong chẩn đoán và điều trị đặc biệt là các phương pháp hiển thị sinh học và từ nhiệt [50, 57]. Dựa trên các kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu và cập nhật tình hình trên thế giới, chúng tôi đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là vật liệu huỳnh quang đất hiếm chứa ion kích hoạt Tb3+ và Eu3+ pha tạp trên mạng nền là các hợp chất của Gadolini. Các hợp chất oxit, photphat của gadolini là các mạng nền để tạo ra các vật liệu phát quang hiệu suất cao, thời gian sống huỳnh quang dài [60-63]. Mặt khác Gadolini và ion Gd3+ có bảy electron không bắt cặp vì vậy có tính chất siêu thuận từ mạnh [64]. Cho nên các hợp chất lai hữu cơ của ion Gd3+ thường sử dụng làm tác nhân tăng độ tương phản trong chụp MRI [65-67]. Xu hướng của y học hiện đại là nghiên cứu sự gắn kết hợp giữa chẩn đoán và điều trị [68]. Qua đó, các liệu trình trị
4 liệu như sự dẫn thuốc hướng đích, hóa trị, nhiệt trị hay xạ trị sẽ được kết hợp với một hay nhiều chẩn đoán hình ảnh cả in vitro và in vivo. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác nhau như: MRI, đánh dấu huỳnh quang có thể gắn kết hợp với các tác nhân điều trị hay dẫn thuốc điều trị, thông qua hình ảnh kết hợp có thể kiểm soát, biết được các thông tin, cách thức và động lực học quá trình nhằm tăng hiệu quả điều trị. Mạng nền photphat là loại vật liệu nền quang học tốt cho các ion đất hiếm Ln3+ khác nhau, thí dụ Eu2+, Eu3+ Tb3+, Er3+, Tm3+ và Ho3+ [69-73]. Các vật liệu này có khả năng phát quang ở các bước sóng khác nhau từ tử ngoại qua vùng khả kiến và trải rộng đến vùng hồng ngoại, cộng với hiệu suất huỳnh quang cao. Hơn nữa các nano phát quang của gadolini không độc với cơ thể người, khó bị mất màu do hiệu ứng photobleaching và phân hủy quang hóa (photochemical decomposition) nên khá thích hợp với các mục đích sử dụng trong sinh học, y học và đời sống [74, 75]. Trên thực tế các vật liệu của gadolini (III) như GdPO4, Gd2(CO3).H2O, NaGdF4 được ứng dụng rộng rãi làm đầu dò quang học, từ tính và nhiều ứng dụng y sinh học khác [44]. Về cấu tạo hình thái vật liệu GdPO4 dễ tạo thanh, bị hydrat hóa nên phân tán tốt trong nước [69]. Tuy nhiên, để đạt được sự đồng đều về đường kính và độ dài của thanh nano GdPO4 vẫn luôn là một thách thức. Hợp chất gadolini oxit pha tạp đất hiếm có thể phát huỳnh quang ở vùng ánh sáng xanh hay đỏ phụ thuộc vào loại tâm RE3+ (Tb3+, Eu3+, …) [76, 77]. Hợp chất gadolini oxit có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau [78-80]. Tuy vậy, trong lĩnh vực vật liệu kích thước nano các Gd2O3 dạng cầu đồng nhất cao là đối tượng được quan tâm không chỉ trong lĩnh vực quang tử mà còn trong y sinh học [81- 83]. Đến nay tổng hợp các quả cầu oxit đất hiếm kích thước nano đồng nhất cao vẫn là thách thức đối với nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Với vật liệu nền oxit đất hiếm, nhóm tác giả Yijin đã tổng hợp vật liệu Gd2O3:Eu3+ dạng ống nano ứng dụng trong đánh dấu y sinh với đối tượng là tế bào tủy xương của chuột [76]. Nhóm tác giả Maalej đã tổng hợp vật liệu Gd2O3:Eu3+ dạng phiến nano ứng dụng trong chụp MRI [83]. Tuy nhiên, cả hai nhóm tác giả này đều dừng ở việc tổng hợp được dạng ống và dạng phiến nano, khi ứng dụng vào y sinh nội bào trong chuột, dạng khối rất khó lách qua màng tế bào, vì vậy việc tổng hợp vật liệu Gd2O3:Eu3+ dạng cầu sẽ mở ra những ứng dụng khả quan trong y sinh. Năm 2017, nhóm tác giả Ya-Ru-Lu đã tổng hợp quả
5 cầu nano vừa có tính chất quang vừa có tính chất từ để dẫn thuốc với kích thước từ 5-80nm [84], quả cầu chế tạo được phân bố không đồng đều. Từ các vấn đề chưa được giải quyết của các nghiên cứu trong và ngoài nước, nhóm nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu của luận án là tổng hợp vật liệu có điều khiển với độ lặp lại tốt về cấu trúc, hính thái học, dễ phân tán trong nước và dịch sinh lý nhưng vẫn giữ được cường độ phát quang mạnh. Dựa trên sản phẩm chất lượng này có thể tiến hành các giai đoạn tiếp theo chế tạo các đầu dò đánh dấu và chụp hình ảnh sinh học (bioimaging) phát hiện và nhận dạng kháng nguyên nọc rắn hổ mang và tế bào ung thư đại trực tràng. Trên cơ sở nghiên cứu tình hình trong nước và thế giới, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sỹ: “Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh”. Mục tiêu: 1. Chế tạo được vật liệu thanh nano GdPO4:Tb3+ và quả cầu nano Gd2O3:Eu3+. 2. Bọc thanh nano GdPO4:Tb3+ và quả cầu nano Gd2O3:Eu3+ bằng vỏ silica, chức năng hóa với nhóm chức NH2 , chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA để ứng dụng trong y sinh. 3. Bước đầu thử nghiệm ứng dụng phức hợp nano trên cơ sở thanh nano GdPO4:Tb3+ và quả cầu nano Gd2O3:Eu3+ sử dụng phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch nhằm xác định kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang và đánh dấu, nhận dạng kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. Đối tượng nghiên cứu: 1. Vật liệu nano phát quang GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ 2. Công cụ đánh dấu GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ với các phần tử sinh học đặc hiệu. 3. Kháng nguyên nọc rắn hổ mang và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng.