Tài 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------- HÀ THỊ PHƢỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số : 9 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. TS. Trần Thu Hƣơng 2. GS. TS. Lê Quốc Minh Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Công trình được thực hiện 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. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thu Hương 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 Hà Thị Phƣợng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến tập thể giáo viên hướng dẫn, TS. Trần Thu Hương và GS.TS. Lê Quốc Minh, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Phòng Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu; Ban lãnh đạo Khoa Khoa học vật liệu và năng lượng; Ban Giám đốc Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các đồng nghiệp trong Bộ môn Hóa học, Trường Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi được tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cám ơn tập thể các anh, chị đang công tác tại Viện Khoa học vật liệu đã chia sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Lê Thị Vinh, Trường Đại học Mỏ Địa chất, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã luôn động viên, chia sẻ và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Hà Thị Phƣợng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4.........................................6 1.1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ...................................................6 1.1.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm ...........................................6 1.1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm ....................................................6 1.2. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược ........................................................11 1.2.1. Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược ....................................................11 1.2.2. Các thành phần của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược .........15 1.2.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ ..................................19 1.3. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh ..................................................................................21 1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt .........................................................................22 1.3.2. Phương pháp sol - gel ............................................................................25 1.3.3. Phương pháp vi sóng (Microwave) ........................................................26 1.4. Ứng dụng của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược trong y sinh ......27 1.4.1. Nhận dạng sinh học (bioimaging) ..........................................................28 1.4.2. Cảm biến sinh học (biosensing) .............................................................30 1.4.3. Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) .................................36 1.4.4. Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) ................................37 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................40 Chƣơng 2. CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ..................................................41 2.1. Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ ......................41 iv 2.2. Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+....................42 2.2.1. Phương pháp xử lý bề mặt......................................................................42 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 ...........44 2.3. Phân tích cấu trúc, hình thái học và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu...................................................................................................................46 2.3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X .....................................46 2.3.2. Phân tích cấu trúc phân tử bằng phương pháp phổ dao động...............47 2.3.3. Khảo sát hình thái học của vật liệu bằng kĩ thuật hiển vi điện tử quét phát xạ trường ..........................................................................................49 2.3.4. Nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu bằng phương pháp phổ huỳnh quang ..............................................................................................50 2.3.5. Kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang nhận dạng bằng kính hiển vi huỳnh quang .....................................................................................................51 Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................53 Chƣơng 3. CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NaYF4: Yb3+, Er3+ ..........54 3.1. Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ ......................54 3.1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) ................54 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 ................................................................56 3.1.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1..........................................................................59 3.2. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm - PEG .......62 3.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG ...........................62 3.2.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG...............................................................................................64 3.2.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG ........................................................................................................66 v 3.3. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 .....69 3.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 (quy trình 2).............................................................................69 3.3.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 2 ................................................................70 3.3.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 tổng hợp theo qui trình 2 .............................................75 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................77 Chƣơng 4. KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƢ MCF7 ....78 4.1. Xử lý bề mặt, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ ..........................................................................................................78 4.1.1. Xử lý bề mặt vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ bằng silica ............79 4.1.2. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS .........80 4.1.3. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng TPGS ............82 4.1.4. Liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 bằng acid folic .........84 4.2. Kết quả nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất phát quang của vật liệu đã chức năng hóa, liên hợp hóa................................................................87 4.2.1. Cấu trúc hình, thái học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica đã chức năng hóa, liên hợp hóa ............................................................................87 4.2.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica đã chức năng hóa, liên hợp hóa ...................................................89 4.2.3. Tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica đã chức năng hóa và liên hợp hóa ........................................................................92 4.3. Kết quả thử nghiệm dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 ......................................................95 4.3.1. Quy trình thử nghiệm .............................................................................95 4.3.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................97 Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................100 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................101 DANH MỤC CÁC CÔNG B KHOA HỌC......................................................103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................104 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Tên đầy đủ APTMS 3-aminopropyltrimethoxysilane DCC N, N’-Dicyclohexylcarbodiimide (C13H22N2) DMSO Dimethyl sulfoxide (C2H6OS) đ.v.t.đ Đơn vị tương đối EG Ethylene glycol ESA Hấp thụ trạng thái kích thích (excited-state absorption) ET Ethanol ETU Chuyển đổi ngược truyền năng lượng (Energy Transfer Upconversion) FA Acid folic (C19H19N7O6) FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát trường (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FRET Truyền năng lượng cộng hưởng Förster (Förster resonance energy transfer) FTIR Phổ hồng ngoại khai triển Fourier (Fourier Transform infrared spectroscopy) FWHM Độ rộng bán phổ của vạch nhiễu xạ cực đại (Full-width at half maximum intensity) GSA Hấp thụ trạng thái cơ bản (ground-state absorption) IR Hồng ngoại vii LRET Truyền năng lượng cộng hưởng quang huỳnh quang (Luminescence Resonance Energy Transfer) NHS N-Hydroxysuccinimide (C4H5NO3) RE3+ Ion đất hiếm hóa trị 3 PBS Phosphate Buffer Saline PEG Polyethylene glycol PL Huỳnh quang (photoluminescence) TEOS Tetraethyl orthosilicate (C8H20O4Si) TPGS D-alpha-tocopheryl poly ethylene glycol 1000 succinat UC Huỳnh quang chuyển đổi ngược (upconversion) UCL Phát quang chuyển đổi ngược (Upconversion Luminescence) UCNP Vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (Upconversion Nanophosphors) XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) viii Các kí hiệu Kí hiệu Tên đầy đủ  Bước sóng (wavelength) exc Bước sóng kích thích (excitation wavelength) 2θ Góc nhiễu xạ tia X Mw Khối lượng phân tử E Năng lượng ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45] ............................8 Bảng 1.2. Năng lượng phonon của các nền được sử dụng cho các vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược UCNP [22] ............................................16 Bảng 3.1. Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 .............56 Bảng 3.2. Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể α-NaYF4 của các mẫu M1, M2, M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt .........57 Bảng 3.3. Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể -NaYF4 của các mẫu M1, M2, M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt .........58 Bảng 3.4. Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Y3+/ Yb3+/ Er3+ = 79,5/ 20/ 0,5) có sử dụng PEG với trọng lượng phân tử =200; 4000; 6000; 20000 tổng hợp theo quy trình 1 ......................................................................................64 Bảng 3.5. Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ tổng hợp theo quy trình 2...............................................................................70 Bảng 3.6. Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể  -NaYF4 của mẫu EY2 tổng hợp theo quy trình 2 bằng phương pháp thủy nhiệt ......................72 x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f ...........................................9 Hình 1.2. Các quá trình phát quang .........................................................................9 Hình 1.3. Sơ đồ mức năng lượng của quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp và quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác ................................................................................10 Hình 1.4. Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược upconversion .........................................................................................11 Hình 1.5. Các quá trình chuyển đổi ngược thông qua (a) hấp thụ từ trạng thái được kích thích và (b) truyền năng lượng kế tiếp quá trình hấp thụ từ trạng thái được kích thích ..................................................................14 Hình 1.6. Các quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng dựa hoàn toàn vào chất tăng nhạy (a) và hồi phục chéo (b) .........................................14 Hình 1.7. Các quá trình chuyển đổi ngược phối hợp tâm tăng nhạy (a) và phối hợp tâm huỳnh quang (b) ......................................................................15 Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc α- NaYF4 (a) và cấu trúc β- NaYF4 (b) ........................17 Hình 1.9. Mô hình chế tạo các thanh và ống nano theo phương pháp khuôn mềm dựa vào quá trình tự lắp ráp các phân tử hoạt động bề mặt ............24 Hình 1.10. Ứng dụng của các UCNP cho cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau ........32 Hình 1.11. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “gián đoạn” trên UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich”(a) và xét nghiệm cạnh tranh (b) ........................34 Hình 1.12. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich” ..............................................................35 Hình 1.13. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng sự ức chế của các quá trình truyền năng lượng ...........................36 Hình 2.1. Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt .............................................41 Hình 2.2. Tủ sấy Venticell đặt tại phòng quang hóa điện tử - Viện KHVL..........42 Hình 2.3. Cấu tạo phức chất Eu:NTA:TOPO (a) và cấu trúc lõi - vỏ của phức Eu:NTA:TOPO (b) ......................................................................43 xi Hình 2.4. Sơ đồ liên hợp sinh học gắn kết các phân tử hoạt động sinh học với UCNP ....................................................................................................45 Hình 2.5. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể ..................46 Hình 2.6. Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 ...................................................46 Hình 2.7. Thiết bị đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 đặt tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới .......................................................................................48 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường ....................49 Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) ..............................49 Hình 2.10. Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang ................................................50 Hình 2.11. Hệ đo huỳnh quang tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học vật liệu ............................................................................................50 Hình 2.12. Thiết bị kính hiển vi huỳnh quang soi ngược Zeiss axio vert A1, đặt tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Khoa học và công nghệ - USTH, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam ...........................................................51 Hình 3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ (quy trình 1) ............................................................................................55 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) ..............................................................56 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) ..................................................................................59 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 ..........................................................................60 Hình 3.5. Sơ đồ năng lượng và các quá trình bức xạ, không bức xạ của vật liệu pha tạp Yb3+, Er3+ ..........................................................................61 Hình 3.6. Biểu đồ tỉ lệ cường độ 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.....................................................62 xii Hình 3.7. Quy trình tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG .........63 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) .......................................................................65 Hình 3.9. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 200 (a) và PEG 4000 (b) .................................................................................................65 Hình 3.10. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 6000 (a) và PEG 20000 (b) ...............................................................................................66 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. ..............67 Hình 3.12. Tỉ lệ cường độ 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 ..................68 Hình 3.13. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền (quy trình 2) ........................................................................69 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG20000 (EY2) tổng hợp theo quy trình 2 ...........................................................71 Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự 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) .........................................73 Hình 3.16. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (EY2) cấu trúc β-NaYF4 tổng hợp theo quy trình 2 ......................................................................74 Hình 3.17. Ảnh FESEM của mẫu EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) và EY4 (d) cấu trúc β-NaYF4 tổng hợp theo quy trình 2 ................................................74 Hình 3.18. Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui trình 2, kích thích tại exc = 980 nm .....................................................75 xiii Hình 4.1. Quy trình xử lí bề mặt vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ bằng silica ...............80 Hình 4.2. Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS ..................................................................................................81 Hình 4.3. Các giai đoạn phản ứng gắn nhóm NH2 trên bề mặt vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS ............................................................82 Hình 4.4. Công thức cấu tạo của TPGS.................................................................83 Hình 4.5. Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica bằng TPGS....83 Hình 4.6. Công thức cấu tạo của acid folic ...........................................................84 Hình 4.7. Quy trình liên hợp sinh học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silicaNH2 với FA ............................................................................................85 Hình 4.8. Phản ứng hình thành phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA [100] .......................................................................86 Hình 4.9. Quy trình gắn kết sinh học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silicaN=FA với tế bào ung thư MCF7 ...........................................................87 Hình 4.10. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+(a) và mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica (b) ủ ở 190 oC, 24 h...........................................................88 Hình 4.11. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica-TPGS (a), NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (b) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (c) ủ ở 190 oC, 24 h .....................................................................................89 Hình 4.12. Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+, Er3+@silica (2) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (3) .......................90 Hình 4.13. Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+, Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (3) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) .................................................................91 Hình 4. 14. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1) và mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2) tại exc = 980nm ........................92 Hình 4.15. Phổ huỳnh quang của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@ silica/TPGS tại exc = 980nm ..........................................................................................93 Hình 4.16. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA tại exc = 980nm......................................................94 xiv Hình 4.17. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silicaNH2 (3) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) tại exc = 980nm .......95 Hình 4.18. Quy trình thử nghiệm trên tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7 ủ với phức hợp nano NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA ........................97 Hình 4.19. Hình ảnh tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7 ủ với phức hợp nano quan sát dưới kính hiển vi điện tử huỳnh quang soi ngược ..........98 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 tử và đặc biệt trong lĩnh vực y sinh học [1-6]. Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã tạo ra công cụ đánh dấu huỳnh quang (fluorescent labelling) có hiệu quả và đang rất được quan tâm [7-9]. 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) [10-14]. Khi kích thích vật liệu này bằng 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 …[15]. Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, các UCNP có hai ưu thế cơ bản so với vật liệu phát quang thông thường. Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại giúp giảm 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 biến đổi tế bào, 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 bố về các loại UCNP, trong đó vật liệu nền oxit, florua của ytri và gadoli pha tạp ion đất hiếm Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ là nổi bật hơn cả [16-19]. 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, bền trong các điều kiện khác nhau. Vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị, an ninh, quang điện tử [20, 21] và đặc biệt trong y sinh như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing), trị liệu ung thư (cancer therapy) [20, 22-24]. Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro và in vivo của 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 bào ung thư [23, 25, 26]. 2 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 [27], làm chất dẫn thuốc [28], làm dầu dò nano [29] hoặc liên kết với các biomarker đánh dấu một số loại tế bào như tế bào ung thư phổi [30], tế bào Hela [9, 31]. Đặc biệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm có thể dánh dấu được các tế bào có kích thước m theo phương thức ngoại bào [32]. 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 bước chuyển quan trọng, tạo ra sức hút mới đối với các nhà khoa học. Năm 2009, nhóm nghiên cứu tại phòng Quang Hóa Điện tử, viện Khoa học vật liệu, viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tập trung nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong y sinh với mở đầu là đề tài Độc lập Nhà nước (2009 - 2012). Kết quả của đề tài đã được đánh giá là một trong các công trình đầu tiên chế tạo thành công phức hợp (complex) nano sinh y học phát hiện vi hình ảnh hai loại virut sởi và Rota trong vắc xin sản xuất công nghiệp [4]. 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, Yb, Tm, với các nền oxit của ytri [33, 34], nền natriytriflorua [35-38]. Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước và hình dạng cũng như các đặc tính và cơ chế của quá trình huỳnh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định hướng ứng dụng trong hiển thị, quang điện tử, in bảo mật và có một số kết quả nghiên cứu ứng dụng trong ngành năng lượng [35, 37, 39]. Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP trong phát hiện và điều trị ung thư vẫn chưa nhiều. Câu hỏi đặt ra làm thế nào để sử dụng vật liệu phát quang chuyển đổi ngược 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 3 huỳnh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát hiện các phân tử sinh học ứng dụng trong các bộ cảm biến và ảnh y sinh như thế nào? 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 Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh” 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 (complex tool) đánh dấu huỳnh quang vi hình ảnh. 3. Sử dụng được phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào quy trình ủ sinh học bắt cặp với tế bào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế bào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang phân giải cao. Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kế thừa các kết quả nghiên cứu của tập thể khoa học phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các thí nghiệm tổng hợp vật liệu và chế tạo phức hợp nano y sinh cũng được tiến hành tại phòng Quang Hóa Điện tử, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu và tại Bộ môn Hóa học, Đại học Y Hà Nội. Các thí nghiệm ủ sinh học giữa phức hợp nano y sinh và tế bào ung thư được tiến hành tại phòng thí nghiệm Xét nghiệm Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội USTH. 4 1. Sử 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 tử phát trường. Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang. 3. Khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang. Tính mới: i. Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:Yb3+, Er3+. Vật liệu có các đặc trưng: hình dạng que với kích thước chiều dài 300 nm ÷ 800 nm, đường kính cỡ 100 nm ÷ 200 nm; cấu trúc tinh thể hexagonal (β); phổ phát quang được kích thích bằng laser 980 nm gồm hai dải phát xạ đặc 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 thử 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 huỳnh quang bằng kính hiển vi huỳnh quang soi ngược đã quan sát được sự bắt cặp 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 bảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 4 chương: Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4. Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm. 5 Chƣơng 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+. Chƣơng 4: Kết quả chế tạo và thử nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư MCF7.