Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xác định hàm lượng phức chất huỳnh quang europi (III) trong quá trình chế tạo vật liệu nano y sinh đa chức năng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên cứu xác định hàm lượng phức chất huỳnh quang europi (III) trong quá trình chế tạo vật liệu nano y sinh đa chức năng” được thực hiện với mong muốn xác định phức chất huỳnh quang trong vật liệu nano đa chức năng hướng đến ứng dụng điều trị các bệnh ung thư. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xác định hàm lượng phức chất huỳnh quang europi (III) trong quá trình chế tạo vật liệu nano y sinh đa chức năng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- BÙI MINH THẮNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG PHỨC CHẤT HUỲNH QUANG EUROPI (III) TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Y SINH ĐA CHỨC NĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- BÙI MINH THẮNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG PHỨC CHẤT HUỲNH QUANG EUROPI (III) TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Y SINH ĐA CHỨC NĂNG Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440112.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Thị Ánh Hƣờng 2. TS. Hoàng Thị Khuyên Hà Nội - 2020
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hƣớng dẫn PGS.TS.Nguyễn Thị Ánh Hƣờng và TS.Hoàng Thị Khuyên đã giao đề tài, tận tình truyền thụ kiến thức khoa học và hƣớng dẫn về chuyên môn trong suốt quá trình em học tập, nghiên cứu, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn khoa học này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại bộ môn Hóa Phân tích, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã truyền đạt cho em kiến thức để em hoàn thành các môn học trong khóa học này. Em xin gửi lời cám ơn tới Ban lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các thầy cô công tác tại phòng Quang hóa Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm, động viên giúp em hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Bùi Minh Thắng
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………………..… DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………………..... DANH MỤC BẢNG…………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH……………………………………………………………………. MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN…………………………………………………………..3 1.1.Vật liệu huỳnh quang chứa phức chất đất hiếm Europi (III)………………………3 1.1.1. Cơ chế phát quang Eu3+………………………………………………….3 1.1.2. Phức chất huỳnh quang đất hiếm Europi (III)…………………………...3 1.1.3. Vật liệu nano đa chức năng……………………………………………...4 1.2. Ứng dụng hình ảnh y sinh………………………………………………………...7 1.3. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu……………………………………………….9 1.3.1. Phƣơng pháp nghiền……………………………………………………..9 1.3.2. Phƣơng pháp thủy nhiệt……………………..…………………………..9 1.3.3. Phƣơng pháp đồng kết tủa……………………………………...............10 1.3.4. Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng……………………………………………..10 1.3.5. Phƣơng pháp khử…………………………………………….................11 1.3.6. Phƣơng pháp sinh học……………………………………….................11 1.3.7. Phƣơng pháp sol-gel……………………………………………………11 1.4. Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng Europi và phức chất…………...….........13 1.4.1. Phƣơng pháp phân tích dòng chảy (FIA)………………………………13 1.4.2. Phƣơng pháp điện hóa………………………………………………….14 1.4.3. Phƣơng pháp điện di mao quản………………………………………...14 1.4.4. Phƣơng pháp sắc kí…………………………………………………….15 1.4.5. Các phƣơng pháp quang phổ …………………………………………..15
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM………………………………………………………18 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu………………………….………………….…18 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu……………………………………………………18 2.1.2. Nội dung nghiên cứu………………………………………………...…18 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị…………………………………………………….19 2.2.1. Hóa chất………………………………………………………………..19 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị……………………………………………………..19 2.3.Quy trình chế tạo vật liệu………………………………………………...............20 2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu………………………………..22 2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)……………22 2.4.2. Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX)……………………………………23 2.4.3. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X……………………………………………24 2.4.4. Quang phổ hồng ngoại Fourier (FT-IR)……………...………………...25 2.4.5. Phƣơng pháp phân tích phổ huỳnh quang……………………………...25 2.5. Phân tích định lƣợng phức chất huỳnh quang Europi (III) trong vật liệu nano đa chức năng………………………………………………………………………..26 2.5.1. Phƣơng pháp xây dựng đƣờng chuẩn…………………………………..26 2.5.2. Xác định giới hạn phát hiện – Giới hạn định lƣợng……………………27 2.6. Đánh giá phƣơng pháp phân tích………………………………………………...28 2.6.1. Độ lặp lại………………………………………………………………..28 2.6.2. Độ tái lặp………………………………………………………………..28 2.6.3. Độ đúng của phƣơng pháp……………………………………………...29 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………………30 3.1. Đánh giá phƣơng pháp phân tích………………………………………………...30 3.1.1. Khảo sát độ tuyến tính……………………………………………….....30 3.1.2. Xây dựng đƣờng chuẩn………………………………………………...32 3.1.3. Kiểm tra sai số hệ thống của phƣơng pháp…………………………….32
3.1.4. Giới hạn phát hiện – Giới hạn định lƣợng……………………………..34 3.1.5. Độ lặp lại………………………………………………………………34 3.1.6. Độ tái lặp………………………………………………………………35 3.1.7. Độ đúng của phƣơng pháp……………………………………………..37 3.2. Nghiên cứu tối ƣu hóa điều kiện chế tạo vật liệu nano đa chức năng…….……..38 3.3. Kết quả đánh giá chất lƣợng vật liệu chế tạo……………………………………41 3.3.1. Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét phát trƣờng (FESEM)…………….41 3.3.2. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (X-Ray)……………………..42 3.3.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại Fourier (FT-IR)……………………43 3.3.4. Kết quả phân tích phổ huỳnh quang……………………………………44 3.3.5. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố EDX…………………………45 3.3.6. Kết quả phân tích định lƣợng xác định hàm lƣợng phức chất huỳnh quang Europi (III) trong vật liệu chế tạo………………………………………...46 3.3.6.1. Khảo sát độ tuyến tính trên nền mẫu vật liệu chế tạo.………...46 3.3.6.2. Xây dựng đƣờng chuẩn trên nền mẫu vật liệu chế tạo ……….48 3.3.6.3. Giới hạn phát hiện – Giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp trên nền mẫu………………..…………………………………...…48 3.3.6.4. Xác định hàm lƣợng Eu(NTA)3 trong vật liệu chế tạo………..49 KẾT LUẬN..………………………………………………………………………….51 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….52
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT NTA 1-(2-naphthoyl)-3,3,3- trifluoroaxeton TOPO Tri-n-octylphosphineoxit TESPA 3-aminopropyltriethoxysilane Eu(NTA)3 Phức chất huỳnh quang đất hiếm Europi với phối tử NTA Fe3O4/ Eu(NTA)3 Nano oxit sắt từ tích hợp phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3 UV Tử ngoại SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua EDX Phổ tán xạ năng lƣợng tia X FT-IR Quang phổ hồng ngoại fourier FIA Phƣơng pháp phân tích dòng chảy HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao UV-Vis Quang phổ hấp thụ phân tử Abs Độ hấp thụ quang LOD Giới hạn phát hiện LOQ Giới hạn định lƣợng
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Mối tƣơng quan giữa nồng độ Eu(NTA)3 và độ hấp thụ quang………….........31 Bảng 3.2. Kết quả so sánh giữa giá trị a và 0 của phƣơng trình đƣờng chuẩn Eu(NTA)3..33 Bảng 3.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng phức chất Eu(NTA)3……………...34 Bảng 3.4. Kết quả đánh giá độ lặp lại…………………………………………………….35 Bảng 3.5. Kết quả đánh giá độ tái lặp đƣợc thƣc hiện bởi ba KTV khác nhau…………..36 Bảng 3.6. Kết quả đánh giá độ tái lặp của phƣơng pháp………………………………....36 Bảng 3.7. Hiệu suất thu hồi của (Eu(NTA)3………………………………………….......37 Bảng 3.8. Kết quả phân tích thành phần EDX của mẫu nano Fe3O4/Eu(NTA)3…………….…45 Bảng 3.9. Mối tƣơng quan giữa nồng độ Eu(NTA)3 trong mẫu nano và độ hấp thụ quang…………………………………………………………………………...47 Bảng 3.10. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng của Eu(NTA)3 trong mẫu nano tổ hợp……………………………………………………………………………..49 Bảng 3.11. Nồng độ phức chất Eu(NTA)3 trong vật liệu chế tạo………………………...49
DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp oxit sắt từ…………………………..…………….20 Hình 2.2. Cấu trúc phức chất Eu(NTA)3………………………………………………21 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano đa chức năng Fe3O4/Eu(NTA)3……………22 Hình 2.4. Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể của chất rắn……………….….24 Hình 2.5. Sơ đồ hệ đo phổ huỳnh quang……………………………………………....26 Hình 3.1. Phổ hấp thụ UV-Vis của Eu(NTA)3 1,0.10-5 M…………………………….30 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Eu(NTA)3.........................31 Hình 3.3. Đƣờng chuẩn Eu(NTA)3…………………………………………………....32 Hình 3.4. Cấu trúc hạt nano Fe3O4/Eu(NTA)3…………….………………………..…38 Hình 3.5. Phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu nano Fe3O4 và Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM……..39 Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu nano Fe3O4/Eu(NTA)3 nghiên cứu ở các nồng độ khác nhau……………………………………………………..………...40 Hình 3.7. Ảnh chụp FESEM: (a)-Mẫu nano Fe3O4………………………………........41 (b)-Mẫu nano Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM …………….….41 Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nano Fe3O4 và Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM…...42 Hình 3.9. Phổ hồng ngoại FT-IR của mẫu nano Fe3O4 và Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM…...43 Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của mẫu nano Fe3O4 và Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM…….…43 Hình 3.11. Phổ tán xạ năng lƣợng EDX của mẫu nano Fe3O4/Eu(NTA)3-5mM……...46 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ Eu(NTA)3 trong mẫu nano tổ hợp………………………………………………………………….…...47 Hình 3.13. Đƣờng chuẩn Eu(NTA)3 trong mẫu nano…………………………….…...48 Hình 3.14. Đánh giá hiệu suất của quá trình chế tạo vật liệu …………………………50
MỞ ĐẦU Ung thƣ là căn bệnh nan y vô cùng nguy hiểm với nhiều thể loại và tiến triển bệnh rất phức tạp. Tổ chức Y tế Thế giới dự báo trong số 18 triệu ngƣời phát hiện mắc ung thƣ tính từ đầu năm 2018 sẽ có 9,6 triệu ngƣời tử vong (thông tin đƣợc Cơ quan Nghiên cứu Ung thƣ Quốc tế (IARC) thuộc Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đƣa ra ngày 12/9/2018) [46]. Cũng theo thống kê của WHO, Việt Nam là quốc gia có tỷ lệ tử vong khi mắc bệnh ung thƣ là tƣơng đối lớn (xếp vị 56/185 quốc gia và vùng lãnh thổ). Hiện nay, các phƣơng pháp điều trị ung thƣ phổ biến là hóa trị, xạ trị, phẫu thuật khối u và liệu pháp hormone, miễn dịch,… đặc biệt phải kể đến là các phƣơng pháp hiện đại ứng dụng sự phát triển của công nghệ nano. Những phân tử nano đƣợc thiết kế đặc biệt, sử dụng với nhiều mục đích khác nhau nhƣ: đánh dấu huỳnh quang miễn dịch, chụp ảnh tế bào, làm tác nhân tƣơng phản cho ảnh cộng hƣởng từ, phân phối thuốc hƣớng đích và nhiệt trị tiêu diệt các tế bào ung thƣ [19, 33, 42]…. Các ứng dụng này có thể xem nhƣ một bƣớc tiến vƣợt bậc trong lĩnh vực y sinh học vì có thể chẩn đoán chính xác và điều trị có hiệu quả một số bệnh ung thƣ, giảm thời gian cũng nhƣ chi phí trong quá trình điều trị bệnh. Gần đây, các phƣơng pháp tổng hợp hóa học trong dung dịch nhƣ phƣơng pháp khử, phƣơng pháp đồng kết tủa và phƣơng pháp sol-gel đã đƣợc áp dụng thành công trong tổng hợp các nano kim loại và nano tổ hợp đa chức năng. Một số hạt nano đa chức năng đƣợc chế tạo dựa trên cấu trúc lõi-vỏ gồm một lõi từ, lõi vật liệu kim loại quý Au, Ag hay lõi silica đƣợc chức năng hóa bề mặt tích hợp với các vật liệu huỳnh quang nhƣ các chất màu hữu cơ [27] hoặc chấm lƣợng tử [12, 32]... Tuy nhiên, các chất màu hữu cơ thì có độ ổn định quang hóa kém, còn các chấm lƣợng tử thì thƣờng đƣợc chế tạo từ các vật liệu độc hại cao [29]. So với những vật liệu này, các phức chất huỳnh quang đất hiếm có một số ƣu điểm nhƣ khả năng phát xạ huỳnh 1
quang mạnh, dạng phổ phát xạ, thời gian sống huỳnh quang khá dài và khá thân thiện với môi trƣờng [2, 3, 26, 29]… Trong quá trình tổng hợp vật liệu, việc xác định hàm lƣợng các chất ở các giai đoạn chế tạo, đặc biệt là phức chất huỳnh quang, là rất cần thiết nhằm tối ƣu hóa và đánh giá hiệu suất của quá trình chế tạo. Để phân tích đặc trƣng của vật liệu, một số phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm: phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis), phƣơng pháp phân tích phổ huỳnh quang, quang phổ hồng ngoại,…Tuy nhiên việc định lƣợng phức chất huỳnh quang trong vật liệu lại chƣa đƣợc đề cập nhiều. Do đó, đề tài “Nghiên cứu xác định hàm lượng phức chất huỳnh quang europi (III) trong quá trình chế tạo vật liệu nano y sinh đa chức năng” đƣợc thực hiện với mong muốn xác định phức chất huỳnh quang trong vật liệu nano đa chức năng hƣớng đến ứng dụng điều trị các bệnh ung thƣ. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1.Vật liệu huỳnh quang chứa ion đất hiếm Europi (III) 1.1.1. Cơ chế phát quang Eu3+ Europi (Eu) là nguyên tố đất hiếm thuộc họ Lantanit ở ô thứ 63 trong bảng tuần hoàn và có cấu hình nguyên tử [Xe] 4f7 5s2 5p6 6s2. Ion Eu3+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f6 5s2 5p6. Eu3+ với lớp vỏ 4f6 còn thiếu một electron nữa để đạt trạng thái bán bão hòa nên có xu hƣớng nhận thêm một điện tử. Khi ion Eu3+ đƣợc kích thích lên mức năng lƣợng cao, nó sẽ hồi phục về mức năng lƣợng thấp hơn và phát xạ các vạch trong vùng khả kiến tƣơng ứng với các dịch chuyển từ mức bị kích thích 5D0 tới các mức 7 Fj (j = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) của cấu hình 4f6. Sự kích thích các ion Eu3+ cho phổ phát quang đặc trƣng của ion Eu3+ trong vùng 610 - 620 nm do mạng nền sẽ truyền năng lƣợng cho tâm kích hoạt làm thay đổi các chuyển dời nội bộ của 4f [11, 23, 27]. 1.1.2. Phức chất huỳnh quang đất hiếm Europi (III) Tính chất quang học của các phức chất đất hiếm đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật khác nhau nhƣ: khoa học môi trƣờng, công nghệ quang tử và sinh học tế bào,… Năm 2008, Guo-Jian Duan và nhóm nghiên cứu [21] đã tổng hợp đƣợc các phức chất của Eu(III), Tb(III) với axit (Z)-4-(4- metoxyphenoxy)-4-oxobut-2-enoic, trong đó nhóm cacboxylat phối trí chelat hai càng với các ion đất hiếm. Các phức chất này tạo ra ánh sáng đơn sắc với cƣờng độ phát quang mạnh, có thể quan sát đƣợc các đỉnh phát quang mạnh ở 616 nm đối với Eu(III) và 547 nm đối với Tb(III). Các phức chất của axit 2-hydroxynicotinic (H2nicO) với các ion đất hiếm Tb3+, Eu3+ đã đƣợc các Paula C.R. Soares-Santos cùng các cộng sự [37] nghiên cứu thành công. Phối tử HnicO- khi phối trí với các ion đất hiếm Tb3+, Eu3+ đã tạo ra hai phức chất có khả năng phát quang là [Tb(HnicO)2(m-HnicO)(H2O)].1,75H2O và 3
[Eu(HnicO)2(m-HnicO)(H2O)].1,25H2O. Thời gian phát quang của các phức chất Eu(III) và Tb(III) là 0,592 ± 0.007 ms và 0,113 ± 0,002 ms tƣơng ứng với trạng thái phát xạ là 5D0 và 5D4. Tác giả Nguyễn Thị Hiền Lan đã tổng hợp thành công 2 phức chất của Eu(III) với natri picolinat (năm 2014) [5] và natri 2-thiophenaxetat (năm 2015) [6]. Hai phức chất Na[Eu(Pic)4], Na[Eu(TPA)4] phát huỳnh quang mạnh và rực rỡ với 5 dải phát xạ hẹp ở vùng ánh sáng trông thấy. Harri Harma, Christina Graf, Pekka Hanninen [22] đã chế tạo hạt nano phát quang europium (III) với phối tử hữu cơ naphtoyltriﬂuoroacetone với cấu trúc lõi là phức chất europium (III) và vỏ là silica. Phức chất europium (III) đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp ngƣng tụ từ dung môi hữu cơ vào nƣớc. Các hạt nano có đƣờng kính 71 ± 5 nm và độ dày vỏ 11 nm, thể hiện các đỉnh phát xạ hẹp đặc trƣng và phát xạ mạnh nhất ở 614 nm dƣới bƣớc sóng kích thích 334 nm. Thời gian sống huỳnh quang dài là 517 µs. Nhƣ vậy, khả năng phát quang của phức chất europi (III) có thể đƣợc tăng cƣờng khi liên kết phối trí với các phối tử hữu cơ thích hợp. Trong các phối tử hữu cơ thì 2-naphthoyl trifluoacetone (NTA) là một β-dixeton có tác dụng nhƣ một ăng ten hấp thụ ánh sáng sau đó truyền năng lƣợng sang ion Eu3+. Phức chất đƣợc tạo thành có độ bền quang hóa tốt, khá thân thiên với môi và dễ dàng tƣơng thích sinh học [26]. Bởi vậy, Phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3 đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này. 1.1.3. Vật liệu nano đa chức năng Trong những năm gần đây, các hạt nano đa chức năng đang dần trở thành những vật liệu hứa hẹn có nhiều ứng dụng hữu ích và đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống. Những ứng dụng này bao gồm phân tích môi trƣờng, cảm biến sinh học, chẩn đoán và điều trị bệnh [12]… dựa trên các tính chất từ, quang và điện hóa của các chúng. 4
Yi-Bo Wang cùng các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu [49] đã tổng hợp đƣợc ba phức chất polime đa nhân là [Eu5(m3-OH)(oba)7(H2O)2]n.0,5H2O, [Ho5(m3- OH)(oba)7(H2O)2]n.0,5nH2O và [Yb6(oba)9(H2O)]n (H2oba là axit 4,4'- oxybis(benzoic) bằng các phản ứng thủy nhiệt. Trong đó, phức chất của Eu3+ có khả năng phát quang, còn phức chất của Ho3+ và Yb3+ thì có từ tính. B.I. Ipe và cộng sự [14] đã biến tính các hạt nano vàng bằng cách phủ các dẫn xuất monothiol của 2,2-dipyridyl lên bề mặt hạt nano. Phức chất đƣợc hình thành giữa ion Eu3+/Tb3+ với các phối tử xung quanh hạt vàng tạo ra vật liệu nano huỳnh quang. Các hạt nano AuNP-D-Eu(III) phát huỳnh quang màu đỏ và phức hợp AuNP-D-Tb(III) huỳnh quang xanh lá cây có tuổi thọ lần lƣợt là 0,36ms và 0,7ms. Những vật liệu nano đƣợc sử dụng làm cảm biến cho các cation kim loại thông qua sự ghi nhận về sự giảm cƣờng độ phát quang khi thay thế ion Eu 3+/Tb3+ bằng các ion kim loại nhƣ: Ca2+, Mg2+, Cu2+,… Hiện nay, các hạt nano làm từ oxit đất hiếm đang đƣợc nghiên cứu làm vật liệu mới để gắn nhãn huỳnh quang, bởi quang phổ phát xạ mạnh, tuổi thọ dài,… Các hạt nano pha tạp Gd2O3/Eu3+ với kích thƣớc ~ 4 nm đã đƣợc Ranu K. Dutta và Avinash C. Pandey [39] chế tạo theo phƣơng pháp đồng kết tủa. Vật liệu thu đƣợc có tính chất siêu thuận từ (với độ từ hóa χ = 6,1.10-4 emu/g) và phát huỳnh quang màu đỏ ở vùng nhìn thấy ở kích thích 395 nm. Kết quả này mở ra những ứng dụng của vật liệu trong chẩn đoán và điều trị bệnh nhƣ: dẫn truyền thuốc, làm tác nhân tƣơng phản trong chụp ảnh cộng hƣởng từ,… Mei-Ling Chen và nhóm nghiên cứu [34] đã kết hợp chấm lƣợng tử CdTe với ống nano cacbon (CNT) chứa oxit sắt từ với mục đích tạo ra một hệ vật liệu phục vụ cho quá trình điều trị ung thƣ. Fe3O4 đƣợc đƣa vào bên trong ống nano cacbon nhằm hạn chế sự oxi hóa của không khí và xu hƣớng kết tụ hạt làm giảm từ tính của vật liệu. Các chấm lƣợng tử (HQD) đƣợc phủ SiO2 gắn trên bề mặt của CNT giúp cho hạt nano phát huỳnh quang tốt khi lớp vỏ SiO2 làm giảm sự tắt dần huỳnh quang do các CNT gây ra. Ngoài ra, lớp vỏ SiO2 cũng làm giảm thiểu độc tính của các chấm 5
lƣợng tử CdTe. Sau khi phủ transferrin vật liệu có thể tích hợp thuốc doxorubicin hydrochlorit để đƣa chúng đến các tế bào mang bệnh bằng từ trƣờng. Ngoài độ ổn định quang học và khả năng dẫn thuốc hiệu quả, hệ vật liệu Fe3O4@CNT-CdTe còn cho thấy độc tính thấp rất phù hợp trong chẩn đoán và điều trị ung thƣ. Năm 2016, Le Thi Thu Huong và các cộng sự [26] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của axit folic đối với vật liệu nano Fe3O4/OCMC/Cur trong quá trình điều trị ung thƣ. Thử nghiệm trên chuột mang khối u cho thấy rằng khi folat gắn vào hệ vật liệu nano mang curcumin cho kết quả tốt hơn khi không có folat. Vật liệu không chỉ đóng vai trò dẫn thuốc curcumin đến đúng mục tiêu tế bào mang bệnh mà còn có khả nâng thân nhiệt cục bộ nhằm tiêu diệt tế bào ung thư theo phương pháp nhiệt trị. Vật liệu nano đa chức năng quang từ với cấu trúc lõi-vỏ đang đƣợc nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây, bởi những ứng dụng thiết thực của chúng đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Nhóm tác giả Hoàng Thị Khuyên [1] đã tổng hợp và nghiên cứu về hệ vật liệu nano oxit sắt từ tích hợp phức chất huỳnh quang Eu(NTA)3. Kết quả cho thấy hạt nano đa chức năng Fe3O4@SiO2/Eu(NTA)3 thu đƣợc có kích thƣớc khoảng 35 nm và phân tán tốt trong môi trƣờng nƣớc. Khi đƣợc kích thích dƣới bƣớc sóng 355 nm, các hạt nano tổng hợp phát xạ mạnh ánh sáng đỏ và phổ huỳnh quang xuất hiện 5 đỉnh tƣơng ứng với các chuyển dời electron của ion Eu(III). Vật liệu có sự kết hợp của cả hai tính chất huỳnh quang và từ tính mạnh, có thể chức năng hóa và liên hợp sinh học nhằm ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học. Các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi-vỏ gồm một lõi từ (nhƣ Fe3O4, Fe2O3, hợp chất của gadoli,…), lõi kim loại quý (Au, Ag) đƣợc chức năng hóa bề mặt tích hợp với các vật liệu huỳnh quang nhƣ các chất màu hữu cơ, phức chất đất hiếm phát quang,... đang đƣợc nghiên cứu với nhiều triển vọng ứng dụng y sinh nhƣ: phân phối thuốc hƣớng đích, nhiệt trị ung thƣ, chẩn đoán hình ảnh,…. Trong đó, các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 đƣợc sử dụng phổ biến bởi độ từ hóa cao, không độc hại và tƣơng thích sinh học tốt. Bởi vậy, Fe3O4 đƣợc lựa chọn làm cấu trúc lõi từ cho vật liệu nano đa chức năng trong luận văn này. 6
1.2. Ứng dụng hình ảnh y sinh Kính hiển vi huỳnh quang và chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân MRI là hai kỹ thuật hình ảnh chính có tác động to lớn đến khoa học y sinh trong những năm gần đây. Không giống nhƣ các phƣơng pháp trƣớc đây phải trải qua quá trình xử lý các mẫu mô, hai kỹ thuật này cho phép chụp ảnh ngay trên các sinh vật sống, từ đó đƣa ra một bức tranh chân thực hơn các quá trình xảy ra ở bên trong cơ thể các loài sinh vật sống. Khi chụp ảnh cộng hƣởng từ cơ thể đƣợc đƣa vào vùng từ trƣờng mạnh để đồng hóa chiều chuyển động của các nguyên tử Hydro trong các phân tử nƣớc của cơ thể. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro có momen từ lớn do hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton. Bởi vậy nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nƣớc khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt đƣợc các mô đó. Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thƣơng bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nƣớc tại vị trí tổn thƣơng, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình đƣợc các thƣơng tổn. Khi thêm các hạt nano siêu thuận từ vào cơ thể sẽ làm lệch pha của proton với từ trƣờng xoay chiều, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trƣờng ở các mô, cơ quan khác nhau (do sự hấp thụ hạt nano ở từng mô mạnh hay yếu). Bởi vậy các hạt nano siêu thuận từ thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ tác nhân làm tăng độ tƣơng phản trong cộng hƣởng từ [10]. Hiện nay, quy trình sản xuất vacxin thƣờng sử dụng loại tế bào chuẩn rồi cho lây nhiễm với các virut gây bệnh truyền nhiễm tƣơng ứng. Quá trình gây nhiễm sẽ sản sinh ra các kháng nguyên, chính là các mầm gây bệnh. Vì vậy, nếu ta dùng một vật liệu nano phát quang có gắn thành phần kháng thể tƣơng ứng tiếp xúc với hệ tế bào lây nhiễm sẽ xảy ra phản ứng sinh học đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể -phản ứng miễn dịch. Khi đó ta có thể sử dụng các kính hiển vi quang học quan sát, phân tích cƣờng độ phát quang để theo dõi phản ứng miễn dịch cũng nhƣ đánh giá chất lƣợng vacxin [11]. 7
Lin và nhóm nghiên cứu [35] đã phát triển một hệ vật liệu silica (MSNs) đƣợc pha tạp với các ion europi (Eu) và ion gadolini (Gd) hình thành một hệ cấu trúc EuGd-MSNs. Các hạt nano phát ra huỳnh quang và từ tính có thể đƣợc sử dụng để chụp ảnh huỳnh quang y sinh, ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân (MRI) nhằm tìm ra vị trí và kích thƣớc khối u. Ngoài ra, ta có thể gắn axit folic lên bề mặt vật liệu giúp cho chúng có thể mang thuốc điều trị ung thƣ nhƣ camptothecin (CPT),... Khi nồng độ của glutathione trong nội bào tăng cao sẽ cắt đứt các liên kết disunfit để giải phóng thuốc và điều trị bệnh. Sweeney và cộng sự [41] sử dụng một hệ nano silica pha tạp oxit gadolini và tích hợp với tetramethylrhodamine-iso thiocyanate (TRITC) để cải thiện việc theo dõi quá trình thử nghiệm điều trị ung thƣ. Họ tiêm các tế bào ung thƣ bàng quang vào cơ thể chuột, và sau đó tiêm các hạt nano silica vào để kiểm tra sự khác biệt về tín hiệu MRI giữa các khối u và biểu mô. Những thay đổi trong tín hiệu MRI cho thấy các hạt nano đƣợc các tế bào khối u hấp thụ tốt hơn so với biểu mô bàng quang khỏe mạnh. Sự phân bố hạt trong các khối u cũng đƣợc kiểm chứng bằng kính hiển vi quang học. Kết quả này hứa hẹn một hệ vật liệu có khả năng sử dụng cho mục đích trị liệu, nhƣ chất mang thuốc điều trị ung thƣ và các công cụ chẩn đoán hình ảnh khối u mang bệnh. Monaco và cộng sự [28] đã tổng hợp hệ vật liệu nano quang từ lõi/vỏ Fe3O4@SiO2-Au. Các tín hiêu MRI đƣợc tăng cƣờng (dựa vào oxit sắt từ) và hình ảnh huỳnh quang do lớp vỏ Au tạo ra đã đem lại hiệu qua trong quá trình chẩn đoán ung thƣ buồng chứng. Để cải thiện khả năng tƣơng thích sinh học của chúng, các hạt nano đã đƣợc gắn vào các micelle polymer, đƣợc trang trí với các gốc axit folic và thử nghiệm in vivo để phát hiện hình ảnh cộng hƣởng từ và cộng hƣởng từ của ung thƣ buồng trứng. Các hạt nano nhiều lớp sau đó đƣợc nhúng vào các mixel polyme để cải thiện tính tƣơng hợp sinh học của chúng. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã kết hợp axit folic trên bề mặt giúp cho vật liệu có thể gắn thuốc phục vụ quá trình truyền dẫn thuốc hƣớng đích để điều trị bệnh. 8
1.3. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu Vật liệu nano đƣợc chế tạo theo hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ trên xuống (top-down) và từ dƣới lên (bottom-up). Phƣơng pháp từ trên xuống là phƣơng pháp tạo ra các hạt có kích thƣớc nano từ hạt kích thƣớc lớn hơn bằng cách nghiền, sử dụng kỹ thuật lazer,… để phá vỡ, phân tách vật liệu khối ban đầu. Phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các ion hoặc nguyên tử kết hợp với nhau bằng các tác nhân vật lý (phún xạ, phóng hồ quang điện,…) hoặc các phƣơng pháp hóa học (đồng kết tủa, sol-gel,…). Dƣới đây là một số phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất [8, 10, 48]. 1.3.1. Phương pháp nghiền Vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối của máy nghiền. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay. Quá trình nghiền diễn ra, các viên bi va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Đây đã trở thành một phƣơng pháp phổ biến để chế tạo vật liệu nano tinh thể vì tính đơn giản của nó, thiết bị tƣơng đối rẻ tiền và khả năng ứng dụng để tổng hợp các loại vật liệu với khối lƣợng lớn dùng cho các ứng dụng vật lý nhƣ truyền động từ môi trƣờng không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Tuy nhiên, sau khi nghiền, các hạt nano có tính đồng nhất không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Bởi vậy, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có đƣợc các hạt tƣơng đối đồng nhất. 1.3.2. Phương pháp thủy nhiệt Phƣơng pháp thủy nhiệt là một phƣơng pháp đã đƣợc biết đến từ lâu trong việc chế tạo vật liệu có cấu trúc tinh thể. Quá trình tổng hợp thủy nhiệt xảy ra ngay trong dung môi thích hợp (thƣờng là nƣớc) ở nhiệt độ cao (>100oC), áp suất lớn (>1atm) và diễn ra trong một hệ thống kín. Cho đến nay, phƣơng pháp này vẫn đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ngành khoa học và công nghệ với nhiều ƣu điểm nhƣ: Chế tạo đƣợc các sản phẩm có độ đồng đều cao với kích thƣớc nhỏ cỡ micro 9
đến nano mét; quy trình sản xuất đơn giản, tiết kiệm năng lƣợng, không gây hại môi trƣờng giúp giảm chi phí và tăng lợi nhuận,… 1.3.3. Phương pháp đồng kết tủa Phƣơng pháp đồng kết tủa là một phƣơng pháp dùng để chế tạo hỗn hợp các oxit kim loại. Hỗn hợp các ion kim loại từ các muối tan đƣợc trộn theo đúng hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp, sau đó đƣợc hòa tan trong nƣớc và cho phản ứng với dung dịch: NaOH, NH4OH,… để tạo kết tủa (dƣới dạng hidroxit, cacbonat, oxalat…). Cuối cùng tiến hành nhiệt phân sản phẩm rắn đồng kết tủa đó. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm nhƣ: tiến hành đơn giản, có thể tạo ra sản phẩm ở kích thƣớc nano với lƣợng khá lớn trong mỗi lần chế tạo,… Nhƣng phƣơng pháp có nhƣợc điểm là: tính đồng nhất hóa học của các oxit phức hợp phụ thuộc vào phản ứng kết tủa (tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại và ion tạo kết tủa, độ pH của dung dịch,… ảnh hƣởng đến tốc độ kết tủa các hợp chất). Ngoài ra, quá trình rửa kết tủa có thể kéo theo một thành phần nào đó làm cho sản phẩm thu đƣợc khác với mong muốn. Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, những hạn chế này không đáng kể so với những lợi ích mà nó mang lại. Bởi vậy, phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến để tổng hợp vật liệu nano, nhất là chế tạo các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4. 1.3.4. Phương pháp vi nhũ tương Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong việc tổng hợp vật liệu có kích thƣớc nano. Các chất hoạt động bề mặt đƣợc trộn vào một hỗn hợp dầu và nƣớc tạo thành một hệ vi nhũ. Ở nồng độ dầu cao, các giọt nƣớc bị ngăn cách với pha dầu bởi một lớp vỏ là các phân tử chất hoạt động bề mặt. Kiểu sắp xếp này đƣợc gọi là các mixen đảo. Các chất hoạt động bề mặt tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triển các mixen bị hạn chế, do đó các hạt nano đƣợc tạo thành trong pha nƣớc rất đồng nhất. Bởi vậy, chế tạo vật liệu nano theo phƣơng pháp này có thuận lợi so với các phƣơng pháp khác khi có thể điều khiển 10
đƣợc kích thƣớc hạt, đảm bảo độ đồng nhất cao dựa vào tỷ lệ lƣợng nƣớc và lƣợng chất hoạt động bề mặt. 1.3.5. Phương pháp khử Phƣơng pháp khử hóa học thƣờng dùng để tạo các hạt nano nhƣ: Au, Ag, Pt, Co, Fe,… Các hạt nano kim loại loại đƣợc hình thành trực tiếp từ dung dịch muối dƣới tác dụng của các tác nhân khử hóa học. Ứng với mỗi chất khử sẽ tạo ra các hạt nano có chất lƣợng, kích thƣớc, hình dạng khác nhau nhƣ: sodium citrate tạo hạt vàng kích thƣớc khoảng 20 nm, sodium acrylate thì hạt khoảng 11-17 nm, etylen glycol có thể tạo hạt vàng dạng hình cầu, hình que, hình tam giác,… với kích thƣớc 20-100 nm. Bởi vậy, việc lựa chọn hóa chất làm tác nhân khử là hết sức quan trọng. Gần đây, lò vi sóng đã đƣợc sử dụng để hỗ trợ cho quá trình khử ion kim loại. So với các phƣơng pháp gia nhiệt thông thƣờng, thì nhiệt vi sóng làm tăng nhiệt độ nhanh hơn khoảng 20 lần, giúp cho quá trình gia nhiệt đƣợc nhanh chóng và đồng đều trên toàn bộ hỗn hợp phản ứng. Điều này giúp gia tăng quá trình khử muối kim loại và quá trình tạo mầm tinh thể, kết quả giúp hình thành hạt nano có kích thƣớc nhỏ và đồng đều hơn. 1.3.6. Phương pháp sinh học Các phân tử sinh học nhƣ peptit, protein,… có khả năng tƣơng tác và tự tổ chức thành các cấu trúc xác định, lợi dụng điều này chúng ta có thể khai thác khả năng tự lắp ráp, chế tác của chúng để tạo ra nhiều loại vật liệu có hình dạng, kích thƣớc khác nhau. Ngoài ra, một số vi khuẩn, nấm, tảo,… đƣợc sử dụng làm tác nhân sinh học để khử các ion tạo ra hạt nano kim loại. Tuy thời gian chế tạo vật liệu khá dài (thƣờng trên 3 ngày) nhƣng có thể tạo ra một lƣợng lớn hạt nano với kích thƣớc nhỏ, thân thiện với môi trƣờng thì phƣơng pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục đƣợc nghiên cứu và sử dụng trong tƣơng lai. 1.3.7. Phương pháp sol-gel Sol-gel là một kỹ thuật để tạo ra một số sản phẩm có hình dạng mong muốn ở cấp độ nano. Quá trình sol-gel, bao gồm sự chuyển đổi của một hệ thống từ tiền chất 11