Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài đã sử dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt và thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm) để chế tạo vật liệu; cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện t phát trường. Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ hu nh quang; khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn dịch hu nh quang.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

VIỆN HÀN LÂM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------- HÀ THỊ PHƯỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số : 9 44 01 27 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: 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 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trần Thu Hương 2. GS.TS. Lê Quốc Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học Viện họp tại Học Viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi …… giờ ….. phút ….., ngày ….. tháng ….. năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc gia Hà Nội. - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu nano và sản phẩm liên quan đến vật liệu nano có ứng dụng trên nhiều lĩnh vực như: khoa học vật liệu, năng lượng, môi trường, điện t và đ c iệt trong lĩnh vực y sinh học. Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã tạo ra công cụ đánh dấu hu nh quang có hiệu quả và đang rất được quan tâm. Đáng chú ý vài năm gần đây, nhiều loại vật liệu nano đã trở thành đối tượng thời sự của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, điển hình như vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược (UCNP). Khi kích thích vật liệu này ằng ánh sáng hồng ngoại sẽ thu được phát xạ trong vùng khả kiến. Do đó, chúng đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu mới và được công nhận trong nhiều lĩnh vực như: chăm sóc sức khỏe, an ninh, năng lượng. Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, các vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược có hai ưu thế cơ ản so với vật liệu phát quang thông thường. Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại giúp giảm thiểu tối đa khả năng tự phát quang của đối tượng và nâng cao độ tương phản của các vi hình ảnh. Hơn nữa, ánh sáng hồng ngoại thân thiện với cơ thể người, không gây iến đổi tế ào, có thể xuyên được vài milimet vào mô người nên sẽ tác dụng sâu hơn vào vùng tổn thương. Có rất nhiều công trình công ố về các loại vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược, trong đó vật liệu nền oxit, florua của ytri và gadoli pha tạp ion đất hiếm Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ là nổi ật hơn cả. Các nghiên cứu cho thấy, mạng nền NaYF4 kích thước nanomet sẽ tạo ra hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với hiệu suất phát quang cao, ền trong các điều kiện khác nhau. Vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị, an ninh, quang điện t , đ c iệt trong y sinh như nhận dạng hình ảnh, cảm iến sinh học, trị liệu ung thư. Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro và in vivo của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) pha tạp ion đất hiếm có độ tương phản cao.Vì thế vật liệu UCNP có tiềm năng lớn trong thiết kế, chế tạo các phức hợp nano sinh học có thể nhận dạng được rất chính xác một số loại tế ào ung thư. Trên thế giới, một số nhóm nghiên cứu đã tổng hợp vật liệu UCNP với kích thước từ vài chục đến vài trăm nm, phát quang vùng màu xanh, ứng dụng nhận dạng dấu vân tay, làm chất dẫn thuốc, làm dầu dò nano ho c liên kết với các iomarker đánh dấu một số loại tế ào như tế ào ung thư phổi, tế ào Hela. Đ c iệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm có thể đánh dấu được các tế ào có kích thước m theo phương thức ngoại ào. Do cấu trúc, tính chất phát quang và sự liên hợp sinh học là một trong số các yếu tố quyết định ứng dụng trong y sinh của vật liệu nên việc nghiên cứu các yếu tố này luôn có vai trò quan trọng trong chế tạo vật liệu. Các nghiên cứu tại Việt Nam về vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano nhưng cũng đã có những ước chuyển quan trọng, tạo ra sức hút mới đối với các nhà khoa học. Đối với vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo các UCNP chứa các ion Er, Y , Tm, với các nền oxit của ytri, nền natriytriflorua. Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước và hình dạng cũng như các đ c tính và cơ chế của quá trình hu nh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định hướng ứng dụng trong hiển thị, quang điện t , in ảo mật và có một số kết quả nghiên cứu ứng dụng trong ngành năng lượng. Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP trong phát hiện và điều trị ung thư vẫn chưa nhiều. Câu hỏi đ t ra làm thế nào để s dụng vật liệu UCNP vào trong y sinh học và lựa chọn giải pháp nào là thích hợp cho quá trình chức năng hóa, liên hợp hóa với các đối tượng hoạt động sinh học? Sự kết hợp của công nghệ nano và sinh học cho phép ứng dụng các vật liệu hu nh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát hiện các phân t sinh học ứng dụng trong các ộ cảm iến và ảnh y sinh như thế nào?
2 Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn chủ đề nghiên cứu vật liệu nano chứa đất hiếm phát quang ngược ứng dụng trong sinh y học làm nội dung cho luận án với tiêu đề: “Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF4 chứa ion đất hiếm Er và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh” 3+ Mục tiêu 1. Tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc tinh thể , dạng que, phát quang vùng màu đỏ. 2. Xác định được hình thái học, cấu trúc, tính chất quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+. Xây dựng được quy trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ nhằm ứng dụng cho y sinh. Từ đó, chọn được vật liệu thích hợp nhất để chế tạo công cụ phức hợp đánh dấu hu nh quang vi hình ảnh. 3. S dụng được phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào quy trình ủ sinh học bắt c p với tế ào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế ào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học hu nh quang phân giải cao. Phương pháp nghiên cứu: Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm. 1. S dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt và thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm) để chế tạo vật liệu. 2. Cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện t phát trường. Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ hu nh quang. 3. Khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn dịch hu nh quang. Tính mới: i. Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:Yb3+, Er3+. Vật liệu có các đ c trưng: hình dạng que với kích thước chiều dài 300 ÷ 800 nm, đường kính cỡ 100 ÷ 200 nm; cấu trúc tinh thể hexagonal (β); phổ phát quang được kích thích bằng laser 980 nm gồm hai dải phát xạ đ c trưng của ion Er3+ từ 510 nm ÷ 570 nm và 630 nm ÷ 700 nm. ii. Đã tổng hợp thành công hai hệ phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica/TPGS và NaYF4:Yb3+, Er3+@silica–N=FA có tính chất phát quang chuyển đổi ngược với vùng phát xạ ánh sáng đỏ trội. iii. Kết quả nghiên cứu th nghiệm, ứng dụng phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA để nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 thông qua kĩ thuật miễn dịch hu nh quang bằng kính hiển vi hu nh quang soi ngược đã quan sát được sự bắt c p của phức hợp nano với tế bào trên. Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục ảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công ố liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình ày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4. Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm. Chương 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+. Chương 4: Kết quả chế tạo và th nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh dấu nhận dạng tế ào ung thư MCF7.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NỀN NaYF4 1.1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm 1.1.1.Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 trong đó n: nhận các giá trị từ 0 ÷ 14; còn m chỉ nhận giá trị 0 ho c 1. Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện t hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn của chúng. Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong dải ước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng t cao. 1.1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm Vật liệu phát quang được cấu tạo từ hai thành phần chính: chất nền và chất pha tạp hay còn được gọi là các tâm phát quang. Chất nền có khả năng hấp thụ photon năng lượng cao và truyền năng lượng cho các tâm phát xạ thông qua quá trình truyền điện tich. Chúng thường là các vật liệu có độ bền về cơ lý hóa, ổn định về cấu trúc và có tính trơ về quang học, có tính trong suốt đối với bức xạ trong vùng nhìn thấy. Chất pha tạp thường là đất hiếm ho c kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc và bán kính nguyên t phù hợp với án kính, điện tích của cation nền. Ví dụ, với vật liệu phát quang NaYF4: Er3+ thì NaYF4 đóng vai trò mạng nền, Er3+ đóng vai trò tâm phát quang. 1.1.2.1. Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm Vật liệu phát quang khi được kích thích có khả năng phát quang. Sự phát hu nh quang xảy ra khi phân t hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) ho c dạng quang (photon). Ở trạng thái cơ ản Eo, phân t hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron. Khi nhận năng lượng, các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích E*. Đây là trạng thái không bền nên electron sẽ mau chóng hồi phục về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt E*’. Thời gian tồn tại của electron khi chuyển mức năng lượng từ E* → E*’ rất nhỏ (khoảng 10-9 đến 10-12 giây). Sau khi về trạng thái kích thích E*’, electron lại một lần nữa phục hồi về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng phonon. 1.1.2.2. Sự tách mức năng lượng ở phân lớp 4f của nguyên tố đất hiếm Trạng thái năng lượng của điện t 4f trong ion đất hiếm ít bị ảnh hưởng bởi trường tinh thể do chúng được che chắn bởi các điện t của phân lớp 5s,5p ở ên ngoài. Các điện t phân lớp 4f là các điện t không tương đương (điện t có 2 số lượng t có giá trị khác nhau, n = 4 và l = 3). Khi đó, các trạng thái nhiều điện t của chúng được kí hiệu là 2S+1L (với S là số lượng t spin tổng cộng và L là số lượng t quỹ đạo tổng cộng). Sau đó, xét đến sự ảnh hưởng của trường tinh thể của mạng nền, lớp điện t phân lớp 4f (chưa điền đầy) của ion đất hiếm được bao bọc bởi 2 phân lớp lấp đầy 5s25p6. Do vậy, sự ảnh hưởng của trường tinh thể xung quanh lên các điện t 4f là yếu nên có thể xem trường tinh thể là một nhiễu loạn. Do đó, các đ c trưng vật lí (quang học) của điện t 4f ít phụ thuộc vào mạng nền của nguyên tố đất hiếm RE. Ở những mạng nền có lực trường tinh thể khác nhau thì sự tách mức năng lượng (suy biến năng lượng) của ion RE là khác nhau. 1.1.2.3. Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm Đối với một hệ phát quang dựa trên các hợp chất đất hiếm thường có hai quá trình hu nh quang chính xảy ra bao gồm: bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt (activator) và bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion ho c nhóm các ion khác
4 1.2. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược 1.2.1. Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược Quá trình phát quang của vật liệu khi bị kích thích bởi photon cơ ản dựa trên các quá trình dịch chuyển Stokes và anti-Stokes. Hầu hết các vật liệu phát quang thông thường phát xạ thể hiện dịch chuyển Stokes, chúng phát ra các photon có năng lượng thấp hơn năng lượng của photon kích thích khi bị kích thích bởi các nguồn photon có năng lượng cao hơn. Phát quang chuyển đổi ngược (dịch chuyển anti-Stokes) là một trong những quá trình quang học phi tuyến được nghiên cứu khá nhiều. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược có thể được thực hiện bởi nguồn kích thích của laser công suất thấp ho c bằng các nguồn bức xạ không kết hợp (incoherent) như đèn xenon, đèn halogen tiêu chuẩn, thậm chí cả ánh sáng m t trời. Nguyên lý chung của sự phát quang chuyển đổi ngược được minh họa trong sơ đồ Hình 1.4b thể hiện sự khác biệt với quá trình phát quang thông thường. Các cơ chế phát quang chuyển đổi ngược khác nhau xảy ra do các hiệu ứng độc lập ho c kết hợp của nhiều hiệu ứng. Trong đó, hai cơ chế cơ ản quan trọng nhất là chuyển đổi ngược do quá trình hấp thụ năng lượng của các điện t ở trạng thái kích thích thông qua hấp thụ từ trạng thái được kích thích (Excited State Absorption - ESA) và chuyển đổi ngược truyền Hình 1.4. Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang năng lượng (Energy Transfer chuyển đổi ngược upconversion Upconversion - ETU). 1.2.2. Các thành phần của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược 1.2.2.1.Vật liệu nền Vật liệu nền lý tưởng cần phải có độ ổn định hóa học tốt, năng lượng phonon thấp và khuyết tật mạng nhỏ làm giảm tổn hao không bức xạ. Nhiều vật liệu nền đã được nghiên cứu cho UCNP pha tạp ion đất hiếm Ln3+ như: halogenua, oxide, phosphate, vanadate. Cho đến nay, NaYF4 là vật liệu nền phổ biến nhất cho UCNP chứa ion đất hiếm. 1.2.2.2. Tâm kích hoạt Vì các mạng chủ không tham gia vào các quá trình phát quang chuyển đổi ngược nên cần thêm một tâm phát quang, được gọi là các tâm kích hoạt. Một số ion đất hiếm Ln3+ có khả năng phát quang chuyển đổi ngược do chúng có năng lượng kiểu cấu trúc bậc thang (trừ La3+, Ce3+, Yb3+, và Lu3+). Khoảng cách năng lượng giữa các bậc thang đó phải tương đương nhau để các ion có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn khi được kích thích bằng ánh sáng đơn sắc. Cấu trúc mức năng lượng kiểu như vậy được tìm thấy trong các ion đất hiếm điển hình: erbium (Er3+), thulium (Tm3+), holmium (Ho3+) và được s dụng phổ biến trong các quá trình phát quang chuyển đổi ngược UCL. Trong luận án này, chúng tôi s dụng ion Er3+ làm tâm kích hoạt. 1.2.2.3. Ion tăng nhạy Yb3+ có thể dùng làm yếu tố tăng nhạy cho hu nh quang chuyển đổi ngược của Er3+/Tm3+/Ho3+ vì nó thỏa mãn 2 yếu tố: Trong phổ hấp thụ năng lượng của Yb3+ có vùng hấp thụ rất mạnh tại  = 976 nm và năng lượng này sau khi hấp thụ lại cao hơn năng lượng của Er3+, Tm3+, Ho3+ nên dễ truyền năng lượng hơn. Khoảng cách năng lượng của quá trình chuyển đổi 2F7/2 → 2F5/2 phù hợp với quá trình chuyển đổi f-f trong ion Er3+, tạo điều kiện truyền năng lượng hiệu quả từ Yb3+ sang ion này.
5 1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh Phương pháp tổng hợp hóa học điều khiển được kích thước hạt nano đồng đều nhưng thường lại chỉ tạo được lượng rất nhỏ, thích hợp cho các mục đích ứng dụng trong công nghệ tinh vi, như trong điện t nano, quang học nano, hiển thị và truyền hình phân giải cao, gần đây là trong y sinh học. Từ các điều kiện phản ứng khác nhau đã tổng hợp được các vật liệu nano có hình dạng đa dạng như hạt, thanh, sợi, đĩa, v.v. . . Một trong những sản phẩm đó là các loại vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm như Y2O3:Eu3+; YVO4:Eu3+; NaYF4:Yb3+, Er3+ v.v. Trong luận án này, chúng tôi trình bày 3 phương pháp hóa học chính tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh gôm: thủy nhiệt, sol-gel và vi sóng. 1.4. Ứng dụng của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) trong y sinh 1.4.1. Nhận dạng sinh học (bioimaging) Ảnh phát quang rất hữu ích để chẩn đoán sớm và điều trị một số ệnh nan y. Các kỹ thuật ảnh hu nh quang và đánh dấu hu nh quang đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trong những năm vừa qua với mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhờ đó tăng chất lượng ảnh nhận dạng sinh học. UCNP rất có tiềm năng thay thế các vật liệu phát quang truyền thống trong việc nhận dạng tế ào ệnh. Do quá trình chuyển đổi ngược được kích thích ằng nguồn sáng liên tục, các vật liệu phát xạ chuyển đổi ngược thể hiện tính chất rất đ c iệt cho phát xạ anti-Stokes lớn. Vì vậy, trong nhận dạng sinh học, ảnh hu nh quang chuyển đổi ngược có khả năng loại ỏ gần như tuyệt đối phát xạ nền do các quá trình hu nh quang tự phát của các mô sinh học. Do có độ tương phản tạo ảnh cao, các ứng dụng định dạng sinh học in vitro và in vivo của các UCNP có thể xác định với độ chính xác cao, nhất là trong điều kiện in vitro. 1.4.2. Cảm biến sinh học (biosensing) Các UCNP pha tạp ion đất hiếm đóng vai trò quan trọng trong cảm iến quang sinh học. Dựa vào tính chất phát xạ độc đáo của phát xạ chuyển đổi ngược làm tín hiệu đầu ra, các UCNP pha tạp ion đất hiếm được s dụng như đầu dò hu nh quang trong phát hiện nhiều tác nhân trong môi trường như các ion kim loại, các anion, phân t trung tính, DNA, các protein và nhiều loại chất khác cũng như cho phép xác định nhiệt độ. Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy rằng do khả năng dịch chuyển đ c iệt về ước sóng phát xạ về phía ánh sáng nhìn thấy so với ước sóng kích thích nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại gần (vùng ức xạ tương thích sinh học không ảnh hưởng đến các mô tế ào), các UCNP có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng phát hiện các thực thể ho c các phân t sinh hóa cũng như giúp theo dõi chính xác các quá trình sinh lý cơ ản. Loại vật liệu nano hu nh quang này cho phép đạt độ nhạy phát hiện cao, định xứ sâu trong cơ thể sống. 1.4.3. Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) Trị liệu quang nhiệt là s dụng các phần t hấp thụ quang để phát sinh ra nhiệt từ ánh sáng hấp thụ nhằm loại ỏ tế ào ung thư. Gần đây, trị liệu quang nhiệt tăng lên đáng kể và được coi là một giải pháp thay thế cho các phương pháp trị liệu ung thư truyền thống như phẫu thuật, xạ trị hay hóa trị liệu. Nhiều loại vật liệu nano với độ hấp thụ cao được áp dụng thành công trong ứng dụng này. 1.4.4. Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) PDT là một điều trị lâm sàng s dụng các loại chất cảm quang để sản sinh ra ra oxy đơn phân t ( O2) tiêu diệt khối u. Trị liệu PDT ao gồm 3 thành phần: chất cảm quang, nguồn kích thích và mô tại vùng 1 ệnh. Dưới ánh sáng kích thích thích hợp (thường là trong dải nhìn thấy), chất cảm quang được kích thích từ trạng thái cơ ản lên trạng thái kích thích, tại trạng thái này xảy ra sự chuyển hệ chéo sang trạng thái ội a thời gian sống dài và tương tác với nguyên t oxy ở lân cận sản sinh ra độc tố tế ào ( 1O2). PDT dùng cho trị liệu ung thư tuyến tiền liệt, ung thư phổi, đầu và cổ, ho c ung thư da. Tuy nhiên, PDT truyền thống ị giới hạn ởi độ xuyên sâu của ánh sáng s dụng cho sự kích hoạt quang. Ánh sáng hồng ngoại gần trong “c a sổ truyền qua quang học” (750 ÷ 1100 nm) của các mô cho phép xuyên sâu hơn đáng kể so với ánh sáng nhìn thấy vì hệ số hấp thụ và tán xạ của ánh sáng cho hầu hết các thành phần cơ thể là cực tiểu trong vùng này. Điều rất quan trọng là UCNP có thể iến đổi hiệu quả ánh sáng hồng ngoại gần xuyên sâu iến đổi nó sang ước sóng vùng nhìn thấy, từ đó kích thích chất cảm quang sản sinh ra độc tố (1O2), điều này thích hợp cho việc áp dụng trị liệu PDT cho những khối u nằm sâu trong cơ thể.
6 Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trong chương này, chúng tôi trình ày phương pháp thủy nhiệt được s dụng để tổng hợp các vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4 và các kỹ thuật thực nghiệm để khảo sát cấu trúc, tính chất quang học và quá trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu đã tổng hợp. 2.1. Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Trong các phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, phương pháp thủy nhiệt là một trong những phương pháp hóa học hiệu quả để tổng hợp vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ nm. Trong luận án chúng tôi s dụng phương này để tổng hợp các mẫu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+, trong đó quá trình hình thành sản phẩm diễn ra ngay trong dung dịch có sự tham gia của nước xảy ra ở nhiệt độ 180 °C  200 oC và trong hệ kín. Ngoài ra, chất tạo khuôn mềm PEG (poly ethylene glycol) cũng được s dụng để tổng hợp vật liệu. Sở dĩ PEG được lựa chọn vì chúng có công thức chung là C2nH4n(OH)2, với cấu trúc ete (≡C-O-C≡) luân phiên, đầu và cuối chứa nhóm OH‾. Vì vậy, chúng rất dễ tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực, dễ dàng tạo mạng lưới (khuôn) trong dung dịch bằng các liên kết hydro - ete. 2.2. Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ Để chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ trước tiên cần phải x lý bề m t vật liệu, sau đó thực hiện quá trình chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu với các tác nhân sinh học. 2.2.1. Phương pháp xử lý bề mặt Đ c điểm cơ ản của phương pháp x lí bề m t vật liệu là bọc thêm một lớp bao quanh từng cá thể vật liệu nano tạo cấu trúc lõi vỏ nhằm làm giảm các khuyết tật ở bề m t, qua đó giảm được tác động dập tắt hu nh quang. Lớp bọc phải có độ dầy đủ để vừa bảo vệ vật liệu trước tác động của môi trường, vừa chống sự co cụm của các cá thể nano, tạo dung dịch bền trong dung môi, đ c biệt là nước và môi trường nuôi cấy sinh y học. 2.2.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học Để có thể ứng dụng được vật liệu UCNP chứa lanthanide trong y sinh học, các vật liệu phải được chức năng hóa ề m t để có thể phân tán tốt trong nước và liên hợp được với các phần t sinh học. Việc chức năng hóa bề m t đóng một vai trò quan trọng như một cầu nối giữa tổng hợp và ứng dụng của UCNP trong y sinh học. Có nhiều phương pháp chức năng hóa ề m t của vật liệu UCNP pha tạp Ln3+ đã được thực hiện, trong đó trao đổi phối t là một trong những phương pháp tiếp cận đơn giản và dễ dàng để có được UCNP với độ hòa tan và chức năng mong muốn. Đây cũng là phương pháp phổ biến nhất để chuyển đổi các nhóm kị nước trên bề m t UCNP với những nhóm ưa nước mà không ảnh hưởng đến tính chất hóa học và quang học của UCNP. Quá trình chức năng hóa thường s dụng một số hợp chất như các amine (R-NH2), carboxylic acid (R- COOH), thioalkol (R-SH)… còn quá trình liên hợp hóa thường s dụng các phần t sinh học như folic acid, peptides, proteins, DNA, succinimid, biotin, 2.3. Phân tích cấu trúc, hình thái học và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu Cấu trúc tinh thể của vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên thiết bị D5005- SIEMEN, hệ đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670. Hình thái học của mẫu được xác định từ ảnh FESEM chụp trên thiết bị S-4800 HITACHI và JEOL-1010. Phổ hu nh quang chuyển đổi ngược của vật liệu được đo trên hệ iHR550 in-Yvon) với ước sóng kích thích ở 980 nm. Kĩ thuật miễn dịch hu nh quang để nhận dạng tế ào ung thư thông qua kính hiển vi hu nh quang soi ngược Ziess axio vert A1.
7 Chương 3 CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NaYF4: Yb3+, Er3+ Những kết quả chính về tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 chứa Y 3+ và Er3+ sẽ được trình ày và phân tích trong chương này của luận án. Mục tiêu của các nghiên cứu là nhằm tìm điều kiện thích hợp thu được sản phẩm có hình thái học, kích thước, pha tinh thể, đỉnh phát hu nh quang như mong muốn. Đồng thời vật liệu có khả năng phân tán tốt trong nước. 3.1. Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ 3.1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ theo phương pháp thủy nhiệt được trình bày trên Hình 3.1. Dung dịch NaOH Y3+ : 79,0 – 79,75% Yb3+ : 20,5 – 19,75 % Dung dịch A C2H5OH + C2H4(OH)2 Er3+ : 0,5% Khuấy từ 30 phút Y3+ : Yb3+ : Er3+ Dung dịch B Khuấy từ 120 phút Dung dịch C Dung dịch NaF 190 oC, 24h Dung dịch D Ly tâm, rửa, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ (quy trình 1) Các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 được liệt kê trên Bảng 3.1. Bảng 3.1. Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 TT Kí hiệu mẫu % số mol Y3+ % số mol Yb3+ % số mol Er3+ 1 M1 79,00 20,50 0,5 2 M2 79,25 20,25 0,5 3 M3 79,50 20,00 0,5 4 M4 79,75 19,75 0,5
8 3.1.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 3.1.2.1. Giản đỗ nhiễu xạ tia X của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu M1 (20,5/79) – đường 1; M2 (20,25/79,25) – đường 2; M3 (20/79,5) – đường 3 và M4 (19,75/79,75) – đường 4 tổng hợp theo quy trình 1 được trình bày trên Hình 3.2. (1) M1 (2) M2 (3) M3 (4) M4 Cubic NaYF4 Cường độ (đ.v.t.đ) Hex NaYF4 (4) (3) (2) (1) 20 40 60 2- Theta (®é) Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/Y3+ khác nhau: M1 (20,5/79); M2 (20,25/79,25); M3 (20/79,5) và M4 (19,75/79,75) Kết quả trên Hình 3.2 cho thấy giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tại vị trí góc 2: 28,3 o; 32,8 o; 46,9 o; 55,7 o; 58,4 ; 75,7 o, 78,06 o và 87,50 o. Đối chiếu với thẻ chuẩn JCPDS số 77-2042 của tinh thể α –NaYF4 (cubic) trong thư viện ICDD, thấy vị trí các đỉnh nhiễu xạ phù hợp với thẻ chuẩn và tương ứng với các họ m t phẳng mạng (hkl): (111), (200), (220), (311), (222); (331); (420), (422). Ngoài ra trên giản đồ XRD còn xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ở tại các góc 2: 17,1 o; 29,9 o; 30,8 o ; 34,7 o; 43,5 o; 46,5 o; 53,2 o 55,3 o; 62,3 o; 71,03 o và 86,7 . Đối chiếu với thẻ chuẩn JCPDS số 28-1192 của tinh thể  -NaYF4 (hexagonal) trong thư viện ICDD cho thấy, vị trí các đỉnh nhiễu xạ phù hợp với thẻ chuẩn và tương ứng với các họ m t phẳng mạng (hkl): (100), (101), (200), (201), (210), (300), (211), (102), (220), (311), (321). Do đó, tinh thể NaYF4 có cấu trúc có hỗn hợp của pha cubic α –NaYF4 và pha hexagonal  -NaYF4. Kiểu mạng cubic α –NaYF4 với các hằng số mạng a = 5,470 Å, và V = 163,67 Å3. Kiểu mạng hexagonal  -NaYF4 với các hằng số mạng a = 5,960 Å, c = 3,510 Å và V = 107,98 Å3. Mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui trình 1 có cấu trúc hỗn hợp của pha cu ic α –NaYF4 và pha hexagonal  -NaYF4. Ngoài các đỉnh nhiễu xạ của pha α -NaYF4 và pha  -NaYF4 không quan sát thấy các đỉnh lạ ở giản đồ XRD của mẫu. Các đỉnh nhiễu xạ sắc nét trong giản đồ cho thấy các mẫu đã được kết tinh. Bằng việc s dụng quy trình tổng hợp thứ nhất, chúng tôi đã tổng hợp được vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc hỗn hợp pha α- NaYF4 và –NaYF4.
9 3.1.2.2. Hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb 3+, Er 3+ tổng hợp theo quy trình 1 Hình 3.3 trình ày ảnh FESEM của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Y 3+ /Y3+ lần lượt là 20,5/79 (mẫu M1); 20,25/ 79,25 (mẫu M2); 20,0/79,5 (mẫu M3) và 19,75/ 79,75 (mẫu M4). Kết quả cho thấy, các mẫu đều có dạng khối vuông với kích thước khoảng 100 nm  300 nm. M1 M2 M3 M4 Hình 3.3. Ảnh FESEM của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/ Y3+ khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3); 19,75/ 79,75 (M4) 3.1.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 Kết hợp các nghiên cứu về hình thái học và cấu trúc, chúng tôi tiếp tục khảo sát tính chất phát quang của hệ vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ trên thông qua khảo sát phổ hu nh quang. M1 kích thích= 980 nm 15/2 M2 M3 - I 4 M4 9/2 F 4 M3 Cường độ (đvtđ) 15/2 M4 - I 4 11/2 H 15/2 2 - I M2 4 3/2 S 4 M1 500 550 600 650 700 750 Bước sóng (nm) Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của các mẫu với tỉ lệ Y3+/ Yb3+ khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3) và 19,75/ 79,75 (M4) tại λexc = 980 nm
10 Kết quả phân tích phổ hu nh quang trên Hình 3.4 cho thấy khi kích thích ở ước sóng 980 nm, các mẫu đều có hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với phát xạ màu xanh (vùng 510 - 570 nm) và màu đỏ (vùng 630 - 700 nm) ứng với các chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 (520 nm); 4S3/2 → 4I15/2 (540 nm) và 4F9/2 → 4I15/2 (650 nm) đ c trưng của ion Er3+. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ trong đó Yb3+ là yếu tố tăng nhạy (sensitizer), Er3+ là yếu tố kích hoạt (activator) được thể hiện trên Hình 3.5 và được mô tả như sau: Sau khi hấp thụ năng lượng kích thích vùng hồng ngoại, ion Y 3+ sẽ chuyển từ trạng thái cơ ản 2F7/2 lên trạng thái 2F5/2 và truyền năng lượng cho ion Er3+ ở mức 4I11/2. Ở mức 4I11/2, ion Er3+ đồng thời hấp thụ hai loại năng lượng (của chính nguồn ơm và của ion Y ) và chuyển lên mức 4F7/2, sau đó hồi phục không phát 3+ xạ và hồi phục phát xạ về các mức năng lượng thấp hơn (giống trường hợp của Er3+). Quá trình truyền năng lượng từ Y 3+ (trạng thái 2F5/2) về Er3+ (trạng thái 4I11/2) phụ thuộc vào nồng độ ion donor (Y 3+ ) và ion acceptor (Er ). Thực nghiệm cho thấy, khi tăng nồng độ donor thì tỉ số cường độ phát xạ vùng màu xanh lá 3+ cây/màu đỏ sẽ giảm và điều này cũng phù hợp với một số nghiên cứu đã được công ố. Sau khi hồi phục không phát xạ về mức 4I9/2, điện t có thể tiếp tục hấp thụ năng lượng kích thích và chuyển lên mức 4G11/2 mới hồi phục không phát xạ về các mức có năng lượng thấp hơn và cuối cùng là phát xạ từ các mức 2H9/2, 2 H11/2, 4S3/2 và 4F9/2 về mức cơ ản 4I15/2. Như vậy từ các kết quả khảo sát phổ hu nh quang cho thấy, phát xạ vùng màu đỏ của mẫu M3 (NaYF4: Yb , Er3+ với tỉ lệ số mol Yb3+/Y3+ = 20,0/79,5 chiếm ưu thế. 3+ Hình 3.5. Sơ đồ năng lượng và các quá trình bức xạ, không bức xạ của vật liệu pha tạp Yb3+, Er3+ 3.2. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm - PEG 3.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự có m t của chất tạo khuôn mềm PEG được trình bày trên Hình 3.7.
11 Dung dịch NaOH (200; 4000; 6000; 20000) Dung dịch A C2H5OH + PEG Khuấy từ 30 phút Y3+ : Yb3+: Er3+ Dung dịch B (79,5: 20,0: 0,5) + Khuấy từ Dung dịch C Dung dịch NaF 190 oC, 24h Dung dịch D Ly tâm, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.7. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG Danh sách các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG tổng hợp theo quy trình này được liệt kê trên Bảng 3.4. Bảng 3.4. Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Y3+/ Yb3+/ Er3+ = 79,5/ 20/ 0,5) có PEG với trọng lượng phân tử =200; 4000; 6000; 20000 tổng hợp theo quy trình 1 TT Kí hiệu mẫu % Y3+ % Yb3+ % Er3+ MPEG 1 M3 79,50 20 0,5 2 MP2 79,50 20 0,5 200 3 MP4 79,50 20 0,5 4000 4 MP6 79,50 20 0,5 6000 5 MP20 79,50 20 0,5 20000 3.2.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 3.2.2.1. Giản đỗ nhiễu xạ tia X của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG (1) M3 (2) MP2 (3) MP4 (4) MP6 (5) MP20 Cubic-NaYF4 Cường độ (đ.v.t.đ) Hexa-NaYF4 (5) (4) (3) (2) (1) 30 40 50 60 70 2-Theta (®é) Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (M3 - đường 1) và các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với PEG 200 (MP2 - đường 2); PEG 4000 (MP4 - đường 3); PEG 6000 (MP6 - đường 4); PEG 20000 (MP20 - đường 5)
12 Cấu trúc của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ khi thêm PEG, ký hiệu: MP2 (MPEG = 200); MP4 (MPEG = 4000); MP6 (MPEG = 6000) và MP20 (MPEG = 20.000), được quan sát trên Hình 3.8. Kết quả phân tích trên giản đồ nhiễu xạ tia X trên Hình 3.10 cho thấy cấu trúc pha của các mẫu M3 (đường 1), MP2 (đường 2), MP4 (đường 3), MP6 (đường 4) và MP20 (đường 5) vẫn có cấu trúc hỗn hợp hai pha α,  -NaYF4. Các đỉnh nhiễu xạ trên giản đồ đều sắc nét cho thấy các mẫu được kết tinh. Điều này chứng tỏ sự có m t của PEG trong mẫu không làm thay đổi cấu trúc pha của vật liệu. 3.2.2.2. Hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG Sau khi khảo sát cấu trúc của vật liệu, chúng tôi tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của PEG đến hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Hình 3.9 và 3.10). (a) (b) Hình 3.9. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 200 (a) và PEG 4000 (b) Ảnh FESEM trên Hình 3.9 của các mẫu MP2, MP4 và Hình 3.10 của các mẫu MP6, MP20 cho thấy, các mẫu vẫn có dạng khối vuông với kích thước khoảng 100 nm ÷ 300 nm. Điều đó chứng tỏ sự có m t của tác nhân tạo khuôn mềm PEG không làm thay đổi hình thái học của vật liệu. (a) (b) Hình 3.10. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 6000 (a) và PEG 20000 (b) 3.2.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG Phổ hu nh quang chuyển đổi ngược của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có chất tạo khuôn mềm PEG kích thích tại ước sóng λexc = 980 nm được trình bày trên Hình 3.11. Quan sát các phổ trên các mẫu MP2, MP4, MP6, MP20 đều xuất hiện các đỉnh phát xạ trong vùng có ước sóng từ 400 - 700 nm. Các đỉnh phát xạ ước sóng từ 510 - 570 nm và từ 630 - 700 nm, ứng với các chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 (520nm), 4S3/2 → 4 I15/2 (540nm) và 4F9/2 → 4I15/2 (650nm) của ion Er3+. Điều này cho thấy, khi có m t chất tạo khuôn mềm PEG, các mẫu đều phát quang chuyển đổi ngược.
13 15/2 (1) MP2 λexc = 980 nm - I (2) MP4 4 9/2 (3) MP6 F 4 (4) MP20 Cường độ (đ.v.t.đ) H11/2 - 4I15/2 15/2 2 - I 4 3/2 S 4 (4) (3) (1) (2) 500 550 600 650 700 750 Bước sóng (nm) Hình 3.11. Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200 (MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 - đường 3) và PEG 20000 (MP20 - đường 4) tại λexc = 980 nm. Quan sát các đỉnh phát xạ giữa hai vùng màu đỏ và màu xanh cho thấy phát xạ vùng màu đỏ chiếm ưu thế hơn, đ c iệt cường độ phát xạ của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 20000 phát màu đỏ cao hơn hẳn cường độ phát xạ của vật liệu nano NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG có trọng lượng phân t thấp khi kích thích tại ước sóng 980 nm. Vật liệu cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4 có khả năng phát quang chuyển đổi ngược mạnh hơn so với dạng -NaYF4. Để tổng hợp được vật liệu có cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4, có thể thay đổi một số yếu tố như: thời gian phản ứng, nhiệt độ ủ, nồng độ chất tăng nhạy, nồng độ tâm phát quang, pH, v.v. Trong luận án, để tổng hợp được vật liệu có cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4 mong muốn, chúng tôi đã tiến hành thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 trong quy trình tổng hợp vật liệu. 3.3. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 3.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 (quy trình 2) Danh sách các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự có m t của chất tạo khuôn mềm PEG 20000 tổng hợp theo quy trình 2 (Hình 3.13) được liệt kê trên Bảng 3.5. Bảng 3.5. Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 2 TT Kí hiệu mẫu % Y3+ % Yb3+ % Er3+ MPEG 1 EY1 79,75 20,0 0,25 20.000 2 EY2 79,50 20,0 0,50 20.000 3 EY3 79,00 20,0 1,00 20.000 4 EY4 78,00 20,0 2,00 20.000
14 Dung dịch NaOH C2H5OH + PEG Dung dịch A Y3+ + NaF Khuấy từ 30’ Dung dịch RE3+ (Yb3+ + Er3+) Dung dịch B Khuấy từ 120’ Dung dịch C Dung dịch D Ly tâm, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.13. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền (quy trình 2) 3.3.2. Kết quả khảo sát cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 2 3.3.2.1. Giản đỗ nhiễu xạ tia X của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 2 Mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 20000 được tổng hợp theo quy trình 2 bằng phương pháp thủy nhiệt, ủ ở 190 oC với thời gian 24h, ký hiệu là EY2. Trong quy trình này chúng tôi đã thay đổi các ước trong quá trình chế tạo bằng cách tiến hành tạo nền NaYF4 trước khi cho các ion đất hiếm Yb3+ và Er3+ vào. Kết quả phân tích giản đồ XRD của mẫu EY2 trình bày trên EY2 Hình 3.14 cho thấy tại các góc Hexagonal NaYF4 2: 17,1  ; 29,9 ; 30,8 ; 34,7 ; 43,5 ; 46,5 ; 53,2 ; 55,3 ; Cường độ (đ.v.t.đ) 62,3 ; 71,03 ; 86,7 xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tương đương với cấu trúc pha hexagonal - NaYF4. Các kết quả giản đồ XRD của mẫu EY2 phù hợp với kết quả trên thẻ chuẩn JCPDS số 00-028-1192. Ngoài các đỉnh JCPDS No.28-1192 nhiễu xạ của pha  -NaYF4, trên giản đồ XDR của mẫu không 30 40 50 60 70 quan sát thấy đỉnh lạ. Điều này 2 - Theta (®é) cho thấy, mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG20000 với PEG 20000 được tổng hợp (EY2) tổng hợp theo quy trình 2 theo quy trình 2 có cấu trúc pha - NaYF4 theo mong muốn.
15 Chúng tôi tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ (1) EY1 (2) EY2 (3) EY3 đến cấu trúc tinh thể của các mẫu đã (4) EY4 Hex NaYF4 tổng hợp theo quy trình 2. Hình 3.15 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của Cường độ (đ.v.t.đ) các mẫu EY1 (0,25/ 79,75) – đường 1; EY2 (0,5/ 79,5) – đường 2; EY3 (4) (1,0/ 79,0 ) – đường 3 và EY4 (2,0/ (3) 78,0) – đường 4. Kết quả cho thấy, (2) với sự thay đổi tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ (1) các mẫu vẫn xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ tương đương với cấu trúc pha hexagonal -NaYF4 chứng tỏ tỉ 20 40 2 - Theta (®é) 60 lệ số mol Er3+/ Y3+ không ảnh hưởng Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự đến cấu trúc tinh thể của vật liệu. thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ tổng hợp theo quy trình 2 ( EY1 = 0,25/ 79,75; EY2 = 0,5/ 79,5; EY3 = 1,0/ 79,0; EY4 =2,0/ 78,0) Như vậy, việc thay đổi thứ tự tạo nền trong quy trình tổng hợp đã thu được vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc hexagonal  -NaYF4 mong muốn. 3.3.2.2. Hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 Hình 3.16 là ảnh FESEM của mẫu EY2 theo quy trình -NaYF4. Kết quả cho thấy mẫu có dạng que với chiều dài 300 nm ÷ 800 nm và đường kính 100 nm ÷ 200 nm. So sánh hình thái học của mẫu M3 (tổng hợp theo quy trình 1) trên Hình 3.3 với hình thái học của mẫu EY2 (tổng hợp theo quy trình 2) trên Hình 3.16 chúng tôi nhận thấy, hình thái học của vật liệu đã iến đổi từ dạng khối vuông sang dạng que khi thay đổi quy trình tổng hợp. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ đến hình thái học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG (mẫu EY1; EY2; EY3 và EY4). Kết quả ảnh FESEM của các mẫu trên Hình 3.17 cho thấy, sản phẩm đều có dạng que với chiều dài khoảng 300 nm  800 nm và đường kính khoảng 100 nm  200 nm. Như vậy, khi thay đổi tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+, hình thái học của các mẫu EY1  EY4 đều có dạng que và kích thước không bị ảnh hưởng nhiều. Hình 3.16. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (EY2) được tổng hợp theo quy trình 2 Như vậy, vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ khi được tổng hợp theo quy trình 1 (cấu trúc , β-NaYF4) đều có dạng khối vuông và khi được tổng hợp theo quy trình 2 (cấu trúc β-NaYF4 ) đều có dạng que.
16 (a) (b) (c) (d) Hình 3.17. Ảnh FESEM của mẫu EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) và EY4 (d) cấu trúc β-NaYF4 3.3.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 Tính chất quang của 3+ vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - (1) EY1- 0,25% Er F9/2- 4I15/2 (2) EY2 - 0,5% Er  kích thíchnm 3+ PEG cấu trúc β-NaYF4 với (3) EY3 - 1,0% Er 3+ 4 3+ (4) EY4 - 2,0% Er sự thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ đã S3/2- 4I15/2 H11/2- 4I15/2 được nghiên cứu. Hình 3.18 Cường độ (đvtđ) 4 trình bày phổ hu nh quang 2 (4) của các mẫu EY1, EY2, EY3 và EY4. Kết quả cho (3) thấy các mẫu đều phát quang vùng xanh và đỏ ứng (2) với các chuyển dời của Er3+, tỉ lệ phát màu đỏ của mẫu (1) EY2 mạnh nhất. 450 500 550 600 650 700 750 Bước sóng (nm) Hình 3.18. Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui trình 2, kích thích tại exc = 980 nm Hơn nữa, khi quan sát phổ hu nh quang của các mẫu trên Hình 3.18 còn nhận thấy, mẫu EY2 (tỉ lệ Er /Y = 0,5/79,50) có phát xạ vùng màu đỏ chiếm ưu thế hơn so với vùng màu xanh.Kết hợp các kết quả 3+ 3+ phân tích về cấu trúc, hình thái học, tính chất phát quang của các mẫu và để phù hợp cho mục đích tạo các phức hợp nano ứng dụng trong y sinh, chúng tôi đã chọn mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 20000 với tỉ lệ Er3+/Y3+ = 0,5/79,50 (mẫu EY2) để chức năng hóa, liên hợp hóa nhằm tạo công cụ đánh dấu nhận dạng tế bào cho mục đích ứng dụng trong y sinh.
17 Chương 4 KÉT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƯ MCF7 Trong chương này trình bày các kết quả chủ yếu về quá trình x lý ề m t, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+. Khảo sát vai trò của quá trình x lý ề m t, chức năng hóa và liên hợp hóa đến cấu trúc, hình thái học và tính chất quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+. Các kết quả th nghiệm an đầu dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế ào ung thư vú MCF7 cũng được mô tả để thấy rõ triển vọng ứng dụng của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ trong y sinh. 4.1. Xử lý bề mặt, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ 4.1.1. Xử lý bề mặt vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ bằng silica Phương pháp x lý bề m t (bọc vỏ) vừa giúp cải thiện cường độ phát quang, vừa giúp bảo vệ lớp vật liệu ên trong. Hơn nữa, lớp vỏ bọc còn làm tăng độ bền của dịch keo nước, giảm thiểu tác động phụ về sinh lý miễn dịch và thúc đẩy sự xâm nhập của vật liệu nano vào các hệ sinh học. Hiệu quả bọc vỏ bảo vệ bề m t và cải thiện tính chất phát quang còn phụ thuộc mạnh vào bản chất vật liệu bọc vỏ, độ dày lớp vỏ cũng như điều kiện phản ứng. Trong luận án này chúng tôi dùng silica để tiến hành bọc vỏ vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ đã tổng hợp được. TEOS + C2H5OH Khuấy từ 15 phút Dung dịch A CH3COOH + H2O Khuấy từ 30 phút NaYF4: Yb3+, Er3+ Dung dịch B + C2H5OH Khuấy từ 6 giờ Dung dịch Bột NaYF4:Yb3+, ly tâm, rửa, sấy NaYF4: Yb3+, Er3+@silica Er3+@silica Hình 4.1. Quy trình xử lí bề mặt vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ bằng silica
18 4.1.2. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS NaYF4: Yb3+, Er3+@silica APTMS + + C2H5OH + H2O C2H5OH Lắc, 20 phút Lắc, 20 phút Thủy phân Dung dịch 1 Dung dịch 2 Ngưng tụ silanol APTMS (3-aminopropyltrimethoxysilane) Khuấy từ, 12h Hỗn hợp dung dịch Ly tâm, rửa NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 Vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 Vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica Hình 4.2. Quy trình chức năng hóa vật Hình 4.3. Các gia đoạn phản ứng gắn nhóm NH2 trên bề mặt liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS APTMS 4.1.3. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng TPGS Hình 4.5. Quy trình chức năng hóa Hình 4.7. Quy trình liên hợp sinh học của vật liệu vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 với acid folic bằng TPGS 4.1.4. Liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 bằng acid folic Hình 4.7 mô tả quy trình liên hợp sinh học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 với acid folic (FA). Sau khi các mẫu đã được gắn kết thành công với tác nhân folat thu được phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA. Phản ứng tạo phức hợp được trình ày trên Hình 4.8.