Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano (Eu, Tb) PO4.H2O nhằm ứng dụng trong y sinh

- Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano (Eu, Tb) PO4.H2O nhằm ứng dụng trong y sinh.
- ngành: Vật liệu và linh kiện Nano (Chuyên ngành đào tạo thí điểm).
- Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde).
- Vật liệu sinh học.
- Một trong các vật liệu huỳnh quang của các lantanit là các vật liệu nano dạng thanh chứa ion Tb 3+ và Eu 3+ có triển vọng lớn trong các ứng dụng y sinh học .
- Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào (1 -100 nm), virus (20-450nm), protein (5-50 nm), DNA (2nm rộng và 10 -100 nm chiều dài).
- Ứng dụng của vật liệu nano trong sinh học rất rộng rãi như là phân tách tế bào, nhiệt trị, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân, ứng dụng trong hóa học xanh (phân tích và tổng hợp vật liệu) [40].
- Trong phân tích y sinh, vật liệu nano có rất nhiều ưu điểm như giảm kích thước, khối lượng mẫu phân tích, làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, giảm thiểu lượng hóa chất phân tích, dẫn truyền thuốc..
- Trên thế giới các nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực vật liệu nanô và công nghệ nanô bắt đầu đạt được một số kết quả có tính đột phá không những trong nghiên cứu các quá trình sinh học mà còn góp phần quan trọng trong công tác khám chữa bệnh, nâng cao sức khoẻ cho cộng đồng [32].
- Trong đó, đáng kể nhất là các cảm biến quang sinh y trên cơ sở vật liệu nanô phát huỳnh quang.
- Các vật liệu phát quang thường dùng trong lĩnh vực đánh dấu huỳnh quang y sinh có thể chia làm 3 loại: Các chất mầu hữu cơ, các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn, vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm..
- Các chất mầu hữu cơ, như Fluorescence hay Rodamine, là các vật liệu truyền thống, hiện vẫn được dùng.
- Gần đây các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn loại ZnS hay CdSe, do tính chất huỳnh quang đặc biệt nổi trội, lại rất bền và tan tốt trong nước đã được tập trung phát triển thành công nghệ đánh dấu huỳnh quang sinh học rất có triển vọng [18, 21].
- Tuy nhiên, các vật liệu nguồn ZnS hay CdSe lại có nhược điểm là tính độc hại cao của nên việc ứng dụng chúng trong thực tế gặp nhiều khó khăn.
- Chính vì vậy, vài năm gần đây việc tìm kiếm loại vật liệu mới không độc hại để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang nông y sinh ngày càng trở nên cấp thiết.
- Vì vậy một loại vật liệu có thể đáp ứng yêu cầu trên là vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm [38]..
- Rất gần đây các nghiên cứu vật liệu nanô chứa đất hiếm phát quang mạnh nhằm chế tạo cảm biến quang sinh y mới bắt đầu được quan tâm đầu tư..
- Cho đến nay, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nanô vào lĩnh vực y sinh ở nước ta, có thể nói đã có một kết quả bước đầu về nghiên cứu cơ bản đạt trình độ cao trong khu vực và quốc tế.
- Tất cả các tập thể khoa học nêu trên sau nhiều năm kiên trì và miệt mài nghiên cứu đã chế tạo được các vật liệu quantum dot bán dẫn và các đặc tính quang điện tử nổi trội của chúng.
- Kết quả nổi bật trong hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang nanô và ứng dụng đánh dấu sinh học có thể kể đến là kết quả đề tài cấp Viện KH&CN Việt nam do GS.TS Nguyễn Quang Liêm chủ trì, nghiệm thu năm 2007.
- Theo một hướng khác, tập thể khoa học của PGS Trần Kim Anh và GS Lê Quốc Minh đã kiên trì nghiên cứu phát triển các phương pháp tổng hợp mới vật liệu nanô chứa các đất hiếm như Y, Eu, Tb, Er, Yb, Gd v.v.
- Hiện tại tập thể khoa học đã bắt đầu làm chủ được công nghệ chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm các loại cụ thể chứa các nguyên tố Eu, Tb, Y, Er, Gd và Yb phát huỳnh quang mạnh.
- Trên cơ sở đề tài độc lập cấp nhà nước của GS.TS Lê Quốc Minh Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanô chứa đất hiếm huỳnh quang mạnh nhằm liên hợp sinh học để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang có triển vọng ứng dụng trong nông y sinh”, thực hiện từ tháng 6 năm 2009 đến tháng 6 năm 2012, chúng tôi đã thực hiện đề tài luận văn „Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano Eu/TbPO 4 .H 2 O nhằm ứng dụng trong y sinh’’ là một phần trong đề tài của tập thể với mục đích:.
- Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nêu trên như: phương pháp sol gel, phương pháp dựa vào phản ứng nổ, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp khuôn mềm (Soft-template), phương pháp khuôn mềm có sự hỗ trợ của vi sóng áp suất cao, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp microwave Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng.Trong nghiên cứu này phương pháp Microwave có ưu điểm là giảm thời gian phản ứng, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc, tránh mất mát năng lượng được chúng tôi sử dụng với mục đích cụ thể sau [33]:.
- Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO 4 .H 2 O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde)..
- Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất vật lý của dây nano (Eu,Tb)PO 4 .H 2 O bằng các phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, FESEM, TEM và huỳnh quang..
- CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu phát quang.
- Vật liệu phát quang là loại vật liệu có thể chuyển đổi một số dạng năng lượng thành bức xạ điện từ ở trên và dưới mức bức xạ nhiệt.
- Để có vật liệu huỳnh quang có thể bị kích thích bởi nhiều loại năng lượng khác nhau: bức xạ điện từ, chùm điện tử phát ra từ cathode, kích thích vật liệu bằng hiệu điện thế hay dùng tia X để kích thích hoặc phản ứng hóa học..
- 1 Ion huỳnh quang A trong mạng của nó.
- Vật liệu huỳnh quang bao gồm một mạng chủ và một tâm huỳnh quang thường được gọi là tâm kích hoạt (hình 1.1).
- Ví dụ với vật liệu huỳnh quang là YVO 4 :Eu 3+ [29] mạng chủ là YVO 4 , tâm kích hoạt là Eu 3.
- Các quá trình huỳnh quang trong hệ xảy ra như sau.
- Để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình không bức xạ này..
- 2 Sơ đồ mức năng lượng của ion huỳnh quang A trong hình 1.1..
- Tóm lại các quá trình vật lý cơ bản quan trọng trong vật liệu huỳnh quang là:.
- Hồi phục không bức xạ tới trạng thái cơ bản, quá trình này làm giảm hiệu suất phát quang của vật liệu..
- Truyền năng lượng giữa các tâm huỳnh quang..
- Trong công nghệ hiện đại, vật liệu huỳnh quang cũng có những ứng dụng hết sức to lớn như trong màn hình dao động ký, màn hình phẳng điện huỳnh quang mới hoặc các màn hình làm tăng hình ảnh dùng với thủy tinh… Trong công nghệ thông tin và viễn thông quang học, vật liệu huỳnh quang là vật liệu chính để chế tạo nguồn phát tín hiệu và mới đây đã thành công trong công nghệ khuếch đại sợi quang..
- Lĩnh vực nghiên cứu của vật liệu huỳnh quang rất đa dạng: các tinh thể huỳnh quang, các chất bán dẫn, các chất hữu cơ, các tâm huỳnh quang như các ion kim loại chuyển tiếp, đặc biệt các ion đất hiếm… Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang cũng như khả năng ứng dụng các vật liệu chứa các ion đất hiếm là một trong những hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm..
- 1.2 Vật liệu nano phát quang.
- 1.2.1 Vật liệu phát quang cấu trúc nano.
- Vật liệu phát quang cấu trúc nano là vật liệu huỳnh quang mà các nguyên tử, phân tử được sắp xếp các cấu trúc vật lí có kích thước cỡ nanomet.
- Vật liệu nano có nhiều hình dạng:.
- Nhiều tính chất phát quang của vật liệu phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó.
- Ở kích thước nano, cấu trúc tinh thể ảnh hưởng bởi số nguyên tử trên bề mặt, bởi hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử, do đó vật liệu có các tính chất mới lạ so với mẫu dạng khối.
- Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối là từ hai hiện tượng sau:hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng kích thước..
- 1.2.2 Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm 1.2.2.1 Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm.
- Vật liệu phát quang sau khi hấp thụ photon từ ánh sáng kích thích phù hợp sẽ phát quang theo hai dạng là phát quang kiểu fluorescence (dịch quang), thời gian sống của bức xạ cỡ từ 1-10 ns và phát quang kiểu phosphorescence (lân quang), thời gian sống của bức xạ cỡ trên 100 ns.
- 4 Các quá trình phát quang có thể có khi vật liệu được kích thích..
- Vì vậy, để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình hồi phục không bức xạ này.
- Gần đây có nhiều nhóm nghiên cứu đang rất quan tâm nghiên cứu các quá trình phát quang, đặc biệt là các hiệu ứng phát quang truyền năng lượng, phát quang chuyển đổi ngược… của các các vật liệu nano pha tạp các ion đất hiếm như Eu 3.
- Trong quá trình phát huỳnh quang truyền năng lượng, một ion bị kích thích ban đầu (donor - D) sẽ truyền năng lượng kích thích của mình cho một ion khác (acceptor - A) theo sơ đồ sau:.
- Giản đồ Dieke 1.3 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu.
- Nguyên tắc làm nóng vật: Làm nóng vật liệu không dùng sự truyền nhiệt thông thường không làm nóng vật liệu từ bên ngoài vào mà từ bên trong ra.
- Khi vi sóng đi tới vật liệu thì một phần nhỏ năng lượng của nó sẽ phản xạ lại còn lại thì sẽ bị vật liệu hấp thụ.
- Năng lượng này chuyển hóa thành nhiệt lượng và làm nóng vật liệu.
- Làm nóng từ trong ra ngoài nên vật liệu làm nóng đồng đều..
- Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O với các tỷ lệ Eu/Tb khác nhau để chọn mẫu có hiệu suất phát quang cao, sau đó tiến hành bọc, chức năng hóa bề mặt nhằm ứng dụng tốt trong y sinh..
- Vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O được tổng hợp bằng phương pháp Microwave..
- Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O với các tỷ lệ Eu/Tb khác nhau [25, 35]..
- Khảo sát các tính chất bề mặt, cấu trúc và tính chất phát quang của hệ vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O bằng các phép đo SEM, X-ray, huỳnh quang.
- Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O dạng thanh đẹp, phát quang tốt nhất và độ lặp lại cao bằng cách thay đổi các tỷ lệ Eu(NO 3 ) 3 /Tb(NO 3 ) 3 khác nhau với các tỷ lệ Eu:Tb .
- 2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất của vật liệu (Tb,Eu)PO 4 .
- 2.3.1 Phương pháp đo phổ huỳnh quang.
- Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ huỳnh quang (PL) trên hệ đo quang với máy đo phân giải cao, đo tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Vật liệu 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội.
- Khảo sát các tính chất bề mặt, cấu trúc và tính chất phát quang của hệ vật liệu (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O bằng các phép đo SEM, X-ray, huỳnh quang, phổ hồng ngoại..
- Để khảo sát tính chất bề mặt của vật liệu dây nano chúng tôi tiến hành chụp ảnh FESEM các mẫu (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O với các tỷ lệ nồng độ Eu 3+ :Tb 3+ lần lượt là 1:0.
- 1.5406 Å ) thuộc Viện Khoa học vật liệu..
- 3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu TbPO 4 .H 2 O, EuPO 4 .H 2 O, (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy hầu hết các đỉnh nhiễu xạ chỉ ra rằng cấu trúc của vật liệu là đơn pha với cấu trúc tetragonal kiểu rhabdophane..
- 3.4 Kết quả đo phổ huỳnh quang.
- Để khảo sát cường độ phát quang và xác định các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử trong vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O chúng tôi tiến hành đo phổ huỳnh quang của các mẫu đã chế tạo tại phòng Cooperman, Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam..
- 4 Phổ huỳnh quang của các mẫu (Eu,Tb)PO 4 .H 2 O với các tỷ lệ nồng độ Eu 3+ :Tb 3+ thay đổi từ 1/1 đến 1/16.
- Hình 3.4 là kết quả đo phổ huỳnh quang của các mẫu EuPO 4 .H 2 O và (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O kích thích ở bước sóng 370nm.
- 5 Phổ huỳnh quang của mẫu EuPO 4 .H 2 O và (Eu,Tb)PO 4 .H 2 O với các tỷ lệ nồng độ Eu 3+ :Tb 3+ là 1/2 đến 1/8.
- So với huỳnh quang của các nano đất hiếm Eu(III) thì các nano Eu(III) bọc vỏ chức năng hóa bề mặt cũng có khả năng phát quang mạnh, và quá trình bọc vỏ và gắn với nhóm chức hữu cơ amin không gây ảnh hưởng đến bản chất đặc trưng phát xạ huỳnh quang của vật liệu.
- Nhưng việc xuất hiện đám phát quang mới sẽ có thể ảnh hưởng tới mầu sắc đặc trưng cho công cụ đánh dấu chế tạo dựa trên vật liệu loại này.
- Tất cả các loại virút đều có kích thước nằm trong thang nanomet - thực tế chúng hình thành một lớp vật liệu nanô tự nhiên có cấu trúc rất phức tạp, nhưng lại có kích thước đồng đều và vi hình thái thống nhất mà hiện nay không một vật liệu nanô nào được chế tạo ra từ các phòng thí nghiệm có thể so sánh được..
- 8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phân tích đánh dấu huỳnh quang miễn dịch Chú thích tiếng Việt tương ứng: antibody: kháng thể.
- labelled anti-antibody: kháng-kháng thể bị gắn kết với vật liệu phát quang.
- complex between antigen/ antibodies and labelled anti-antibodies: Phức hợp giữa kháng nguyên/kháng thể và kháng-kháng thể gắn vật liệu phát quang..
- 3.5.1 Cơ sở phương pháp phân tích miễn dịch huỳnh quang (MDHQ).
- nghìn lần trở lên (>10.000), chúng ta dễ dàng phát hiện các sản phẩm của phản ứng miễn dịch có đính vật liệu phát quang.
- Vật liệu đối chứng là sản phẩm nhập ngoại của Hoa kì hoặc Nhật bản..
- Nhận xét ban đầu có thể thấy rằng công cụ đánh dấu đặc hiệu dựa trên vật liệu nanô phát quang có độ nhạy tương đương, ổn định trong sử dụng và lưu giữ tạo điều kiện thuận lợi để các kết quả phân tích dễ dàng lặp lại so với sản phẩm nhập ngoại đang sử dụng ở Trung tâm Polyvac.
- Trong đề tài „Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano Eu/TbPO 4 .H 2 O nhằm ứng dụng trong y sinh’’ chúng tôi đã thu được các kết quả sau:.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo thành công được vật liệu nano (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O dạng dây sử dụng phương pháp micrrowave.
- Khảo sát các tỷ lệ nồng độ của Eu 3+ /Tb 3+ thay đổi từ kết quả cho thấy với tỷ lệ Eu 3+ /Tb 3+ là 1/8, tính chất của vật liệu là tốt nhất..
- Bằng các phép đo hình thái học và cấu trúc của vật liệu xác định được chiều dài dây nano nằm trong khoảng 150nm - 400nm, chiều rộng khoảng 10-20 nm.
- Cấu trúc của vật liệu là đơn pha với cấu trúc tetragonal kiểu rhabdophane..
- Các kết quả đo huỳnh quang cho thấy các vật liệu dây nano thu được phát quang mạnh trong vùng đỏ với các chuyển dời đặc trưng của ion Eu 3+ từ mức 5 D 0 → 7 F n (n khi được kích thích tại bước sóng 370nm.
- Hệ vật liệu (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O@SiO 2 -NH 2 -GDA-IgG được xem như một công cụ trong việc đánh dấu huỳnh quang nhằm nhận dạng virut sởi..
- Thử nghiệm việc sử dụng công cụ đánh dấu huỳnh quang nhận dạng virut sởi..
- Các kết quả cho thấy hệ vật liệu này cho các hình ảnh tương đương với việc sử dụng các sản phẩm nhập ngoại, vật liệu có độ nhạy khá tốt và ổn định (tiêu bản bền ở nhiệt độ thấp từ 2 đến 3 tháng)..
- Thay đổi tỷ lệ NH 4 H 2 PO 4 /(Tb, Eu)(NO 3 ) 3 .H 2 O để thiết lập thêm dạng hạt của hệ vật liệu phát quang nano chứa đất hiếm, sau đó bọc và chức năng hóa bề mặt để so sánh tính chất quang với dạng dây của vật liệu phát quang (Tb,Eu)PO 4 .H 2 O và nghiên cứu nhiều ứng dụng khác..
- Cao Thị Ánh (2008), tổng hợp và nghiên cứu tính chất của các vật liệu dạng hạt có kích thước nanomet bằng phương pháp hóa học, khóa luận tốt nghiệp Vật lý Kỹ thuật..
- Ngyễn Mạnh Hùng (2012), chế tạo và tính chất của vật liệu nano tích hợp phát quang từ tính chứa dây nano TbPO4.H2O và oxit sắt, khóa luận tốt nghiệp Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano, Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội..
- Lâm Thị Kiều Giang (2011), nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều trên nền Ytri, Ziriconi và tính chất quang của chúng, luận án tiến sỹ KHVL..
- Nguyễn Thị Thùy Linh (2011), nghiên cứu tính chất huỳnh quang của vật liệu nano SnO 2 pha tạp Eu 3.
- Đinh Xuân Lộc, Nguyễn Vũ và Trần Kim Anh (2009), “Tổng hợp hạt Nano phát quang CePO 4 : Tb trong dung môi nhiệt độ sôi cao Diethylen glucol”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6 (SPMS-2009