Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
493
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU QUANG TỬ
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN
BỆNH ĐÁI THÁO ĐƯỜNG
Lê Minh Thành, Nguyễn Hoài Nam
Trường Đại học Thủy lợi, email: thanhleminh@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU
Vật liệu tinh thể quang tử (Photonic
Crystals, PCs) là một loại vật liệu nhân tạo có
cấu trúc không gian tuần hoàn ở cấp độ nano
hoặc vi mô, được thiết kế để điều khiển sự
lan truyền của sóng ánh sáng. Cấu trúc dạng
này sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của
electron. PCs có thể kiểm soát các đặc tính
của ánh sáng như: bước sóng, hướng truyền,
độ phân cực, mật độ quang phổ. Trong PCs
có dạng vật liệu tinh thể quang tử kiểu opal
(Opal Photonic Crystals, OPCs), và trong
OPCs có dạng vật liệu tinh thể quang tử cấu
trúc đảo (Inveser Opal Photonic Crystals,
IOPCs), đây đều là những loại vật liệu mới ở
Việt Nam [1].
Bệnh võng mạc đái tháo đường là nguyên
nhân chính gây ra mù loà ở các nước phát
triển và dần trở nên phổ biến ở các nước đang
phát triển. Theo các nghiên cứu y học, nồng
độ của lipocalin (LCN) trong nước mắt người
bình thường là khoảng 1-2 mg/mL, còn nồng
độ của lipocalin của bệnh nhân mắc bệnh
võng mạc đái tháo đường là trên 2 mg/mL [2].
Một vài nghiên cứu vật liệu PCs đã được
công bố như phân bố chấm lượng tử lên PCs,
nhuộm huỳnh quang PCs, thay đổi kích thước
hạt để thay đổi vùng cấm quang PCs...[3].
Tuy nhiên, ở Việt Nam hầu như chưa có công
bố nào về việc chế tạo vật liệu PCs để định
hướng phát hiện bệnh võng mạc đái tháo
đường. Do vậy nghiên cứu này sẽ chế tạo vật
liệu PCs dạng IOPCs, và bước đầu thử
nghiệm phát hiện lipocalin trong mẫu nước
mắt giả định.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất, thiết bị, quy trình thí nghiệm
Các loại hóa chất sử dụng bao gồm: sub-
micron SiO2, polyethyleneglycol diacrylate
(PEGDA), 3-aminopropyl triethoxy silane 99%
(APTES), buffered oxide etchant (BOE),...
Thiết bị bao gồm: máy ly tâm 800-1 Centrifugal
Machine, máy siêu âm Ultrasonic Steri-
Cleaner, máy trộn xoáy Voatex Genie 2.
Hình 1. Sơ đồ quy trình chế tạo PCs, IOPCs
Quy trình chế tạo tinh thể quang tử dạng
PCs và IOPCs được mô tả tóm tắt trên Hình 1.
Vật liệu IOPCs được hình thành từ PCs bằng
cách dùng BOE để loại bỏ các hạt SiO2 trong
tinh thể, chỉ để lại các lỗ trống và cấu trúc của
PEGDA (các hạt SiO2 trong PCs sẽ bị ăn mòn
bởi BOE trong quá trình chế tạo IOPCs).
Quy trình gắn lipocalin (LCN) được mô tả
tóm tắt trên Hình 2.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
494
Hình 2. Sơ đồ quy trình gắn lipocalin (LCN)
lên vật liệu IOPCs
2.2. Khảo sát các tính chất vật liệu
Vật liệu PCs, IOPCs sau chế tạo và sau khi
gắn lipocalin được đem chụp bằng kính hiển
vi điện tử quét SEM Hitachi Regulus 8100, đo
khả năng phản xạ quang bằng thiết bị Raman
LabRAM HR800 (tại Viện Vật lý, Viện
HLKH&CN VN), đo phổ hồng ngoại trên
thiết bị đo hồng ngoại Fourier FTIR-SPEC2
(tại Viện Hóa học, Viện HLKH&CN VN).
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Kết quả hình thái bề mặt vật liệu
Hình 3a. Ảnh SEM của PCs SiO2
Hình 3b. Ảnh SEM của IOPCs PEGDA
Ảnh SEM của các vật liệu PCs và IOPCs,
được mô tả ở Hình 3. Từ Hình 3a có thể thấy,
các hạt SiO2 trong PCs có kích thước khoảng
300 nm được sắp xếp theo cấu trúc mạng tinh
thể lập phương tâm mặt 2 chiều, dạng thu
được là tinh thể quang tử 2D.
Ở Hình 3b, ảnh SEM của IOPCs. Trong
hình có một vài khiếm khuyết kẽ hẹp. Các kẽ
này là kết quả của một số tạp chất nằm ở vị
trí kẽ, hoặc do một vài SiO2 không nằm đúng
vị trí ô mạng.
3.2. Kết quả đo khả năng phản xạ quang
của vật liệu
Vật liệu được đo khả năng phản xạ quang
học bằng thiết bị Raman, kết quả được thể
hiện trên Hình 4.
Hình 4. Kết quả phản xạ quang của vật liệu
PCs và IOPCs bằng phương pháp Raman
Từ Hình 4 có thể thấy vật liệu PCs đã chế
tạo có bước sóng bức xạ cực đại thu được
thực tế là 665 nm, lệch một chút so với giá trị
lý thuyết (bước sóng ánh sáng của PCs theo
lý thuyết là 675 nm), điều này có thể được
giải thích vì hạt SiO2 trong quá trình chế tạo
không đồng đều về kích thước. Tuy nhiên,
với bước sóng 665 nm thu được hoàn toàn
phù hợp với ánh sáng màu đỏ mà vật liệu
phát ra khi chụp bằng điện thoại. Đối với vật
liệu IOPCs có bước sóng cực đại thu được
(563 nm) nhỏ hơn bước sóng cực đại của vật
liệu PCs, do đó vật liệu IOPCs có ánh sáng
màu lục, điều này phù hợp với kết quả hình
thái vật liệu là kích thước các lỗ trống trong
IOPCs nhỏ hơn kích thước các hạt SiO2.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
495
Như vậy vật liệu cả hai loại vật liệu PCs và
IOPCs đều có tính quang học tuân theo hiện
tượng phản xạ ánh sáng. Trong đó vật liệu PCs
có xu hướng dịch chuyển về bước sóng dài còn
vật liệu IOPCs lại có xu hướng dịch chuyển về
bước sóng ngắn, điều này gây ra sự thay đổi về
màu sắc quang tử của vật liệu, ứng với PCs
SiO2 có màu đỏ và IOPCs PEGDA có màu lục.
3.3. Khảo sát khả năng phát hiện lipocalin
Vật liệu sau khi chế tạo, được gắn APTES
lên bề mặt IOPCs, tiếp tục gắn thêm các
kháng thể mAb và pAb (mouse anti-lipocalin
monoclonal IgG, rabbit anti-lipocalin polyclonal
IgG), cuối cùng gắn lipocalin. Để kiểm tra
kết quả của quá trình trên, vật liệu sau khi
gắn đã được chụp phổ IR, chụp huỳnh quang
bằng kính hiển vi quang học, và đo phản xạ
quang bằng phương pháp Raman.
Kết quả chụp phổ IR của quá trình được
thể hiện trên Hình 5.
Hình 5. Kết quả chụp phổ IR của vật liệu
đã gắn lipocalin 0,003 µg/µL
Phổ IR cho thấy trong vật liệu đã xuất hiện
các peak ứng với các loại liên kết cần có trong
hợp chất chế tạo, thể hiện ở số sóng trong các
vùng như: νas,C-H = 2972cm-1, νs,C-H = 2901cm-
1, νC=C = 1646cm-1, νs,C-O-C = 1033cm-1, νC=O
=1718cm-1, δCH2 = 1242-1395cm-1, δC-H =
938cm-1, νas,N-H = 3672cm-1, νs,N-H = 3611cm-1,
δs,N-H = 851-938 cm-1, δO-H = 1449cm-1. Vật
liệu còn độ ẩm nên có cả số sóng của liên kết
O-H trong nước νO-H = 3749cm-1. Liên kết của
APTES và PEGDA được khẳng định bằng sự
xuất hiện các peak ở số sóng νC-O = 1250 cm-1
và νO-Si-O = 751 cm-1 do các APTES đơn lẻ sẽ
liên kết với nhau. Sự xuất hiện số sóng của
các nhóm -NH và -C=O trong phổ IR đã
chứng minh rằng có tồn tại các liên kết amit
đặc trưng cho các protein bao gồm kháng thể
(mAb, pAb) và lipocalin, tương ứng có cường
độ truyền quang rõ rệt.
Kết quả chụp huỳnh quang cho thấy nồng
độ lipocalin tăng dần độ phát sáng tăng.
Nồng độ lipocalin 0,03 µg/µL có diện tích
sáng cao gấp ba lần so với lipocalin 0,02
µg/µL và gấp bốn lần so với lipocalin 0,01
µg/µL. Đối với lipocalin 0,01 µg/µL có diện
tích sáng nhỏ hơn lipocalin 0,02 µg/µL 1,112
%. Như vậy, nồng độ lipocalin càng lớn thì
khả năng lipocalin bám vào vật liệu cũng
tăng lên, làm diện tích sáng tăng lên.
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã chế tạo được tinh thể quang
tử PCs SiO2 và IOPCs PEGDA. Đã gắn thành
công các kháng thể (mAb, pAb) và lipocalin
lên vật liệu IOPCs bằng phương pháp ELISA
sandwich. Vật liệu chế tạo được kiểm tra tính
chất bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Khả năng phát hiện lipocalin của vật liệu được
chứng minh bằng chụp phổ IR, đo huỳnh
quang bằng kính hiển vi quang học, và đo
phản xạ quang bằng phương pháp Raman. Kết
quả cho thấy vật liệu IOPCs có thể được dùng
để phát hiện được định tính (và định lượng
bước đầu) chất lipocalin trong mẫu nước mắt
người bệnh võng mạc đái tháo đường.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phong Pham Hong, et al.. (2024). Graphene
oxide-decorated hyrogel inverse opal photonic
crystal improving colorimetric and fluorescent
responses for rapid detection of lipocalin-1.
Photonics and Nanostructures - Fundamentals
and Applications. Vol.58, article id.101237.
[2] Madania Amorim, et al.. (2022). Putative
Biomarkers in Tears for Diabetic Retinopathy
Diagnosis, Frontiers in Medicine -
Ophthalmology, vol.9, fmed.2022.873483.