1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THÙY
NGHIÊN CƯ
́
U CHÊ
́
TA
̣
O HẠT NANO CẤU TRÚC
LÕI VỎ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG Y – SINH
LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
NGƯƠ
̀
I HƯƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C: PGS.TS. TRẦN HỒNG NHUNG
TS. NGHIÊM THỊ HÀ LIÊN
H Nội-2012
5
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 4
MỤC LỤC 5
3
O
4
@SiO
2
18
1.3.2 Phƣơng pháp phủ lớp Au 19
1.4 Đặc trƣng của hạt nano 20
1.4.1 Tính chất từ 20
1.4.2 Tính chất quang 21
1.4 Các ứng dụng của hạt nanoshell 24
1.4.1 Dẫn truyền thuốc 24
1.4.2 Làm giàu và phân tách chọn lọc tế bào 25
1.4.3 Phối hợp đốt nhiệt, quang nhiệt 25
Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27
2.1 Chế tạo lớp bọc SiO
2
cho hạt nano từ để tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ 27
2.1.1 Hạt nano sắt từ Fe
3
O
4
27
2.1.2 Chế tạo hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
28
@SiO
2
@Au 64
3.2.2 Hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
chứa tâm mầu FITC 66
3.3 Hạt nano SiO
2
phát quang 68
3.4 Kết luận 68
KẾT LUẬN CHUNG 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
7
MỞ ĐẦU
Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng đƣợc phát
triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng y-sinh nhƣ
tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hƣớng đích đang là một hƣớng nghiên cứu
đƣợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nƣớc quan tâm phát triển. Các vật
liệu nano sử dụng trong y-sinh gồm 5 loại chính: chấm lƣợng tử, các hạt kim loại, các
hạt nano từ, các hạt nano silica chứa tâm mầu hữu cơ và các hạt nano đất hiếm. Hiện
nay, công nghệ chế tạo các vật liệu nano đơn đã có đƣợc những thành tựu nhất định; 5
loại vật liệu kể trên đều đã có thƣơng phẩm rất đa dạng và các nghiên cứu đang tập
trung tìm các ứng dụng các loại vật liệu đơn này trong y-sinh. Tuy vậy, các ứng dụng
thƣờng là đơn chức năng. Mặt khác, vật liệu nano lý tƣởng dùng trong y-sinh phải là
vật liệu đa chức năng: cả chẩn đoán và cả điều trị; vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và
mang thuốc. Do đó, các nghiên cứu về khoa học vật liệu đang hƣớng tới việc chế tạo
lớp vàng Au bằng hấp phụ. Việc sử dụng Silica làm lớp vỏ có nhiều tác dụng nhƣ: bảo
vệ các hạt nano lõi, chống lại tác động của môi trƣờng. Đồng thời, các hạt nano khi
đƣợc bọc lớp bảo vệ thì dễ dàng phân tán trong các môi trƣờng khác nhau (tuỳ thuộc
bản chất có cực hay không có cực của lớp vỏ bảo vệ). Hơn thế nữa, đối với các ứng
8
dụng trong y sinh, lớp bảo vệ này còn đóng vai trò nhƣ một lớp trung gian liên kết
giữa hạt với các hợp chất chức năng hoá bề mặt để có thể gắn kết với các phân tử sinh
học hoặc với các hợp chất thuốc.
Sử dụng các phƣơng pháp thích hợp, một số lƣợng lớn tâm màu (hữu cơ hoặc
vô cơ) có thể đƣa vào trong hoặc gắn lên bề mặt của một hạt nano silica đơn (từ hàng
chục tới hàng nghìn phân tử màu). Do đó các hạt nano silica chứa tâm màu có độ chói
và khuếch đại tín hiệu quang cao gấp nhiều lần so với phân tử màu đơn lẻ. Nếu lựa
chọn các ứng dụng phân tích sinh học thích hợp, các hạt nano silica có thể tạo ra
những cải thiện đáng kể trong độ nhạy phân tích. Hơn nữa, do bị cầm giữ trong nền
silica, các tâm màu đƣợc bảo vệ khỏi các ảnh hƣởng của môi trƣờng cũng nhƣ tác
động trực tiếp của ánh sáng nên phân hủy quang cũng đƣợc giảm thiểu. Độ bền quang
cao cho phép các hạt nano silica đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cƣờng độ
kích thích mạnh trong thời gian dài.
Với lớp vỏ Au kim loại, hạt nano dễ dàng hoạt hóa để gắn kết với các phân tử
sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông qua các
hợp chất có chứa nhóm –SH.
Phối hợp các vật liệu đơn: từ, kim loại vàng, silica và silica chứa mầu sẽ cho các
hạt nano cấu trúc lõi/vỏ đa lớp đa chức năng sử dụng trong cả chẩn đoán và cả điều trị;
vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và mang thuốc, vừa làm giàu, phân tách và chọn lọc tế
bào, vừa sử dụng phƣơng pháp đốt nhiệt và quang nhiệt.
Vì vậy, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu chế tạo lớp vỏ bọc SiO
2
cho hạt nano từ Fe
3
và Stober. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành và kích thƣớc hạt nhƣ
lƣợng sắt từ, lƣợng xúc tác NH
4
OH Sử dụng các hạt Fe
3
O
4
@SiO
2
chế tạo bằng
phƣơng pháp micell thuận để thử nghiệm chế tạo hạt nano đa chức năng
Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au. Sử dụng các hạt Fe
3
O
4
@SiO
2
chế tạo bằng phƣơng pháp Stober để
thử nghiệm chế tạo hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
vật liệu đó. Cùng một vật liệu nếu nó ở hai kích thƣớc khác nhau (vật liệu khối và kích
thƣớc nanomet) thì tính chất của vật liệu đó có thể thay đổi hoàn toàn về màu sắc, độ
cứng, khả năng chịu nhiệt… Chẳng hạn nhƣ vàng, nếu ở vật liệu khối thì nó có màu
vàng nhƣng khi kích thƣớc giảm xuống nano thì có màu đỏ. Không cần thay đổi thành
phần hóa học mà có thể thay đổi đƣợc tính chất của vật liệu điều này chỉ có ở vật liệu
nanomet, không có ở vật liệu khối.
Thứ ba là hiệu ứng kích thước lượng tử: Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ
có kích thƣớc theo một, hai hoặc cả ba chiều có thể so sánh với bƣớc sóng De Broglie
của các kích thƣớc cơ bản trong tinh thể. Trong các hệ này, các kích thƣớc cơ bản (nhƣ
điện tử, lỗ trống, exciton) chịu sự ảnh hƣởng của sự giam giữ lƣợng tử khi chuyển
động bị giới hạn dọc theo trục bị giam giữ. Hiệu ứng giam giữ lƣợng tử đƣợc quan sát
thông qua sự dịch đỉnh về phía sóng xanh trong phổ hấp thụ với sự giảm kích thƣớc
10
hạt. Khi kích thƣớc hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, thì có sự thay đổi mạnh
mẽ về cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý .
Các vật liệu ứng dụng trong sinh học phải đƣợc đáp ứng các yêu cầu về các tính
chất dƣợc lý, hóa học, vật lý, độ đồng nhất và khả năng phân tán của các hạt…và phải
có tính độc thấp. Mặt khác, các hạt nano phải có kích thƣớc đủ nhỏ để có thể dễ dàng
khuếch tán qua mô, thời gian lắng đọng dài, diện tích bề mặt hiệu dụng cao; các hạt
nano phải đƣợc bọc để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trƣờng và có khả năng
tƣơng thích sinh học với môi trƣờng…
1.1.2 Các hạt nano Fe
3
O
4
Hạt ôxit từ Fe
3
O
4
là một ferít
cấu trúc spinel đảo điển hình. Trong đó, một nửa các ion Fe
3+
nằm ở các lỗ trống tứ
diện và một nửa thì nằm ở các lỗ trống bát diện. Còn các ion Fe
2+
nằm ở các lỗ trống
bát diện còn lại. Ở các lỗ trống tứ diện một ion Fe
3+
liên kết với 4 ion O
2-
và ở các lỗ
trống bát diện, một ion Fe
2+
hoặc Fe
3+
liên kết với 6 ion O
2-
(Hình 1.1). Sự phân bố này
phụ thuộc vào bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình electron của các ion kim
loại và ion O
2-
và năng lƣợng tĩnh điện của mạng.
Hình 1.1. Vị trí tứ diện và bát diện
Hình 1.2. Cấu trúc spinel đảo của Fe
3
O
phƣơng giống Fe
3
O
4
nhƣng không có ion hoá trị 2, thuộc nhóm đối xứng
32
4
3
P
, hằng
Vị trí tứ diện
Vị trí bát diện
Oxy
Fe
11
số mạng a = b = c = 0.83474 nm, tồn tại 8 phân tử trong một ô cơ sở. Magnemite có
tính chất từ giống magnetite nhƣng có độ ổn định hoá học cao hơn[23].
Nếu kích thƣớc của hạt sắt từ giảm đến một giá trị nào đó, tính sắt từ và ferri từ
biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu
thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dƣ và lực kháng từ bằng không. Ở trạng thái
siêu thuận từ vật liệu hƣởng ứng mạnh với từ trƣờng ngoài nhƣng khi không có từ
trƣờng hạt nano ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn.
Dựa trên những đặc tính vật lý, hóa học, nhiệt học và cơ học, các hạt nano siêu
thuận từ mở ra tiềm năng lớn cho những ứng dụng y sinh nhƣ làm tác nhân tăng độ
tƣơng phản và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và phân phát thuốc. Tất cả các ứng
dụng trên đòi hỏi hạt nano từ phải có từ độ bão hòa lớn, tƣơng thích sinh học và đƣợc
chức năng hóa bề mặt. Trong khi đó, đặc điểm của hạt nano từ sau khi chế tạo là: diện
tích bề mặt lớn, sức căng bề mặt cao, không ổn định dễ bị kết tụ, độc tính cao. Hạt từ
có điểm đẳng điện là ở pH = 7 nên độ ổn định của Fe
3
chất màu lớn nhất đƣợc giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vì vậy, hạt nano
12
silica có thể có độ bền quang tƣơng đối tốt và không nhấp nháy. Nhƣ
̃
ng ƣu điê
̉
m nô
̉
i
bâ
̣
t na
̀
y la
̀
m cho chúng có ứng dụng rất lớn trong phân tích sinh học.
Hình 1.3. Các cách ph bin đ kt hợp tâm màu vào các ht nano silica
Hình 1.4. Sư
̣
pha
́
t xa
̣
huy
̀
nh quang cu
̉
a ca
Sự phụ thuộc màu sắc của các dung dịch vàng vào kích thƣớc và hình dạng hạt
đƣợc giải thích bằng sự hấp thụ và tán xạ của sóng điện từ trên bề mặt các hạt kim loại
hình cầu (Mie, 1908) – hấp thụ và tán xạ của plasmon.
13
Hình 1.5. Các phép phân tích ngày nay cho thấy các màu sắc các ht nano vàng phụ
thuộc vào kích thước của chúng [15]
Đặc tính ƣu việt của các hạt nano vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có
khả năng tƣơng hợp sinh học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hoá để gắn kết với các
phân tử sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông
qua các chất có chứa nhóm –SH. Với các đặc tính hoá học bề mặt đặc thù này, các
nghiên cứu đang tập trung sử dụng hạt nano vàng làm tâm mang cho các hệ thống
phân phối thuốc nano, ứng dụng cho chữa trị một số bệnh nhƣ ung thƣ, đái tháo
đƣờng Về khía cạnh vật lý, nhờ vào hiệu ứng plasmon cộng hƣởng nên các hạt nano
vàng có thiết diện tắt (hấp thụ và tán xạ) rất mạnh trong vùng nhìn thấy, các hạt nano
vàng đƣợc sử dụng nhiều trong các thí nghiệm theo dõi đơn phân tử và hiện ảnh các tế
bào ung thƣ. Với khả năng hấp thụ và tán xạ trải tới vùng hồng ngoại gần của các hạt
nano đó, ngƣời ta có thể tạo ảnh in vivo sâu trong cơ thể (10 cm) để phát hiện và tiêu
diệt các khối ung thƣ bằng liệu pháp quang nhiệt.
Xu hƣớng thế giới hiện nay là dùng các hạt nano vàng cấu trúc lõi vỏ: lõi là các
hạt nano từ hoặc nano silica, vỏ là lớp nano vàng hoặc ngƣợc lại để đa dạng hoá các
chức năng của các hạt nano. Một hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhƣ vậy có thể vừa làm chất
đánh dấu hiện ảnh, vừa mang thuốc hƣớng đích và vừa điều trị chọn lọc bằng hoá học
(thuốc nhả chậm) kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ….). Tuỳ
thuộc vào tính chất của từng loại ung thƣ (trên bề mặt nhƣ ung thƣ da hay nằm trong
cơ thể nhƣ ung thƣ vú…) ngƣời ta thiết kế và sử dụng loại hạt nano có cấu trúc thích
hợp nhằm nâng cao hiệu quả của việc chẩn đoán và điều trị.
14
lo
core
Trong các dạng này, vật liệu chọn làm lõi/vỏ, tỉ lệ và kiểu liên kết lõi/vỏ là các
yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc khác nhau của hạt nanoshell. Việc lựa chọn các
thành phần để làm lõi và vỏ đƣợc tiến hành phụ thuộc vào các tính chất mong muốn
của sản phẩm cuối cùng, hƣớng áp dụng và quy trình chế tạo. Có rất nhiều vật liệu hữu
cơ hay vô cơ để làm lõi đã đƣợc sử dụng chẳng hạn nhƣ chất keo, các bon hoạt hóa các
hợp chất hữu cơ, các chất xúc tác, dƣợc phẩm và thuốc, các chất tƣơng phản sử dụng
trong việc chuẩn đoán, các enzyme hoạt hóa Tỉ lệ lõi/vỏ là một yếu tố quan trọng
quyết định tính chất của hạt nanoshell. Việc điều chỉnh cả hai thông số độ dày của vỏ
và tỉ lệ lõi/vỏ là rất quan trọng đối với việc chế tạo hạt nano. Chẳng hạn, độ dày vỏ
thƣờng tác động đến tính chất đặc trƣng của phần lõi, sự giải phóng của chất hoạt tính
làm thay đổi thời gian tồn tại của sản phẩm cuối cùng. Kiểu liên kết lõi/vỏ có thể có
nhiều dạng, theo kiểu liên kết hóa học hay liên kết tĩnh điện.
Một trong các dạng nanoshell đang có xu hƣớng phát triển mạnh là loại cấu trúc
lõi là các hạt nano kim loại nhƣ sắt từ, Au, Ag…và vỏ là các chất khác với các chức
năng khác nhƣ: từ/vàng, từ/vàng/chất huỳnh quang, vàng/chấm lƣợng tử, từ/chấm
lƣợng tử…. Các cấu trúc nhƣ trên có vai trò thực hiện đa chức năng (multimodal) nhƣ
làm giàu/hiện ảnh, trị liệu nhiệt/quang nhiệt, trị liệu/hiện ảnh, làm giầu/hiện ảnh, đốt
nhiệt/quang nhiệt/hiện ảnh… Luận văn chỉ tập trung tìm hiểu hạt nano đa lớp với lõi
trong cùng là hạt nano từ bọc lớp điện môi silica SiO
2
phủ lớp vỏ vàng và lõi từ bọc
lớp silica có chứa chất mầu.
Hình 1.8. Cấu trúc ht nanoshell A) ht silica bọc từ ; B) ht silica bọc từ phủ lớp
vàng [19]
Để chế tạo đƣợc các cấu trúc nhƣ vậy thì phƣơng pháp chủ yếu là bọc các cấu
trúc nano kim loại lõi bằng silica, sau đó tạo lớp vỏ khác trên lớp silica. Trong trƣờng
hợp này, bề mặt của lớp silica sau đó đƣợc biến đổi hóa học để có các nhóm chức năng
nhƣ amin (NH
2
x
+ H
2
O R-Si(OR)
2-x
(OH)
x+1
+ ROH (1.2)
Trong đó x là 0, 1 và 2
Các thông số ảnh hƣởng chủ yếu đến quá trình thủy phân là pH, bản chất và
nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H
2
O/ precusor.
b) Phản ứng ngưng tụ.
Phản ứng ngƣng tụ cũng xảy ra theo cơ chế thế nucleophine lƣỡng phân tử SN2
xảy ra hoặc do sự loại ra một phân tử nƣớc do phản ứng giữa hai nho
́
m silanol hoặc do
loại ra một phân tử rƣợu do phản ứng giữa nho
́
m silanol và nho
́
m al koxit. Giai đoạn
ngƣng tụ này nhằm tạo ra cầu liên kết siloxane (≡ Si-O-Si ≡), đo
́
là một đơn vị cơ bản
của polime vô cơ.
c) Kết hợp và gel hoá.
Các quá trình ngƣng tụ liên tiếp tạo ra các hạt polime nhỏ là các đa diện đơn vị
Trong điều kiện loãng cao của các precursor, các hạt silica hình thành thay thế cho các
mạng gel rắn. Kích thƣớc hạt có thể điều khiển trong khoảng từ 50nm tới 2µm bằng
cách thay đổi nồng độ ammonia và tỷ lệ alkoxyde và nƣớc [21].
Phản ứng thủy phân và ngƣng tụ có thể viết ngắn gọn dƣới dạng sau:
Phản ứng thủy phân:
Si(OC
2
H
5
)
4
+ 4H
2
O → Si(OH)
4
+ 4C
2
H
5
OH (1.7)
Phản ứng ngƣng tụ:
Si(OH)
4
→ SiO
2
+ 2H
2
O (1.8)
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là tƣơng đối đơn giản, không cần dùng chất hoạt
động bề mặt cũng nhƣ dung môi sử dụng không độc và dễ dàng thay đổi. Hạn chế của
đƣợc xác định bởi bản chất của chất hoạt động bề mặt , loại và lƣợng precursor , tỷ lệ
dung môi/nƣơ
́
c, xúc tác…
Hai phƣơng pháp chế tạo micell thuận va
̀
micell đa
̉
o co
́
mô
̣
t số ƣu nhƣơ
̣
c điê
̉
m
sau: phƣơng pha
́
p micell thuận đơn gia
̉
n hơn , các ha
̣
t nano phân tán trong nƣớc ngay
sau khi chế ta
̣
o và dung môi la
̀
nƣơ
́
n (polydisperse), dính
vào nhau. Ngƣời ta cũng chế tạo đƣợc các hạt nanoshell cấu trúc từ/silica/vàng hoặc
từ/silica chứa chất mầu bằng phƣơng pháp micell.
1.3 Hạt nanoshell Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au
1.3.1 Phƣơng pháp tạo hạt Fe
3
O
4
@SiO
2
Sự ổn định (stability) của các vật liệu nano từ là rất quan trọng khi nghiên cứu từ
tính của chúng. Để cải thiện các đặc trƣng bề mặt và bảo vệ chúng khỏi phản ứng với
các tác nhân khác (để tạo oxit sắt, vì tất cả các oxit sắt không có từ tính), các vật liệu
nano từ Fe
3
O
4
đƣợc bọc với các vật liệu trơ. Silica thƣờng hay đƣợc chọn nhất vì lớp
19
bọc đó tạo sự ổn định và đơn phân tán cho các hạt nano từ. Lớp silica không có từ tính,
vì thế không làm ảnh hƣởng đến tính chất từ của lõi. Mặt khác, lớp silica dễ dàng biến
đổi hóa học bề mặt để tạo các nhóm chức năng nhằm đƣa tiếp một lớp vỏ lên mặt hạt
tạo hạt đa chức năng.
dung dịch mạ kim loại không điện ly, ở đó kim loại có thể bị khử trên bề mặt của hạt
silica. Quá trình này tạo ra một vỏ kim loại đồng nhất trên lõi điện môi, với độ dày
khác nhau, từ trong khoảng từ 5 đến 20 nm. Phƣơng pháp này cho phép điều chỉnh độ
dày lớp vỏ với độ chính xác tới từng nanomet, và do đó cho phép điều chỉnh các tính
chất quang học của nanoshell. Phụ thuộc vào lõi và chiều dày lớp vỏ kim loại khác
nhau mà có thể tạo ra dung dịch nanoshell với màu sắc khác nhau (Hình 1.11) [18]
Hình 1.11. Các dung dịch nanoshell to ra với các mầu sắc khác nhau
20
1.4 Đặc trƣng của hạt nano
1.4.1 Tính chất từ
Fe
3
O
4
là vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ là vật liệu có mômen từ tự phát ngay cả
khi không có từ trƣờng ngoài. Trong vật liệu sắt từ, các moment từ nguyên tử tƣơng
tác với nhau, dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng gọi là đômen từ. Ở
dƣới nhiệt độ Curie, trong các đômen, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song với
nhau, tạo nên từ độ tự phát của vật liệu.
Khi không có từ trƣờng, năng lƣợng dao động nhiệt làm cho mômen từ sắp xếp
hỗn độn, do đó từ độ tổng cộng của toàn khối bằng 0. Khi đặt trong từ trƣờng, các
mômen từ có xu hƣớng sắp xếp song song với hƣớng từ trƣờng ngoài, quá trình này
đƣợc gọi quá trình từ hóa. Quá trình này đƣợc đặc trƣng bằng đƣờng cong từ trễ (hình
1.12), thông qua đó ngƣời ta xác định đƣợc các thông số chính của vật liệu sắt từ nhƣ:
- Từ độ bão hòa M
s
: từ độ đạt đƣợc khi tất cả các mômen từ sắp
xếp song song với từ trƣờng ngoài.
- Độ từ dƣ MH
c
21
việc gắn các phân tử có hoạt tính sinh học khác nhau. Mặt khác, để phối hợp hạt nano
từ với các thành phần khác tạo cấu trúc lõi-vỏ đa chức năng (multimodal) thì phƣơng
thức chủ yếu đƣợc sử dụng là bọc hạt nano từ bằng một lớp silica, sau đó tạo một lớp
các thành phần chức năng khác nhƣ vàng, tâm mầu hoặc chấm lƣợng tử trên lớp silica
đó để tạo thành hạt đa lớp, đa chức năng.
1.4.2 Tính chất quang
1.4.2.1 Tính chất quang của các hạt nano silica chứa tâm mầu
Hạt nano silica có chứa tâm màu hữu cơ hiện nay đang có nhiều các ứng dụng
triển vọng trong các nghiên cứu đánh dấu sinh học. So với các chất màu hữu cơ thì các
hạt nano này có độ bền quang cao hơn vì có nền là silica bảo vệ. Độ chói của tín hiệu
huỳnh quang của các hạt nano silica có thể đƣợc điều khiển bằng số phân tử chất màu
trong mỗi hạt với mật độ chất màu lớn nhất đƣợc giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh
quang. Vì vậy, các hạt này có thể có độ bền quang tƣơng đối tốt và không nhấp nháy.
Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu có cƣờng độ huỳnh quang cao gấp hơn 40
lần ở trong dung môi [5]. Những ƣu điểm này làm cho chúng có ứng dụng đầy triển
vọng trong đánh dấu sinh học.
Dạng phổ quang học của các hạt nano silica chứa tâm màu nhìn chung không
thay đổi so với các chất màu hữu cơ tƣơng ứng tự do trong dung môi, tuy nhiên đỉnh
phổ có bị lệch do tƣơng tác của các phần tử màu với mạng nền chứa nó. Hình 1.13
trình bày phổ huỳnh quang của các hạt nano silica kích thƣớc 20 nm chứa chất màu
rhodamine B so sánh với chất màu tự do trong dung môi, đỉnh phổ hấp thụ và huỳnh
quang của các hạt nano này bị dịch về phía sóng dài khoảng 10 nm [20]. Do có mạng
Thoi gian (phut)
Hình 1.13. Ph hấp thụ và huỳnh quang của các
ht nano silica chứa rhodamine và
rhodamine tự do trong dung môi [20]
Hình 1.14. Cường độ huỳnh quang theo thời gian
chiu kích thích của các ht nano silica chứa
rhodamine B và rhodamine B tự do dưới kích
thích của laser 532, mật độ công suất 1.82
10
11
W/cm
2
[20]
22
Hình 1.14 là cƣờng độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B
và rhodamine B tự do theo thời gian chiếu ánh sáng kích thích. Sau khoảng 3 giờ chiếu
sáng, cƣờng độ huỳnh quang của rhodamine B tự do gần nhƣ bị dập tắt hoàn toàn
trong khi đó cƣờng độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B giảm
không đáng kể.
1.4.2.2 Tính chất quang của các hạt nano vàng
Plasmon: Dao động tập thể của các điện tử tự do ở các tần số quang học.
Plasmon bề mặt (surface plasmon): Dao động của điện tử tự do ở bề mặt của
hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới.
Cộng hƣởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR): cộng
hƣởng plasmon bề mặt là sự dao động tập thể đồng thời của tất cả các điện tử ―tự do‖
trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha dƣới tác dụng của ánh sáng kích thích
9
( ) 2 ( )
ext m
m
V
c
C
(1.9)
23
Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính đƣợc thiết diện tán xạ C
sca
và thiết diện hấp
thụ
abs
C
với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dƣới dạng:
42
2
22
12
27
(hiệu suất dập tắt
ext
Q
, hiệu suất
hấp thụ
abs
Q
) plasmon bề mặt theo các biểu thức [16]:
S
C
Q
sca
sca
,
S
C
Q
ext
ext
, (1.11)
Trong đó S là diện tích tƣơng ứng (với hạt cầu
2
Sr
,
r
độ. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào từ trƣờng, thể tích và tính chất
từ của hạt nanô. Các chất mang thƣờng đi vào các tĩnh mạch hoặc động mạch nên các
yếu tố nhƣ thông lƣợng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn, khoảng cách
từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trƣờng, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối
u đóng vai trò quan trọng.
Hình 1.18. Mô hình vận chuyn thuốc bằng các ht nanô từ
25
1.4.2 Làm giàu và phân tách chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, ngƣời ta phải thƣờng xuyên tách một loại thực thể sinh học
nào đó ra khỏi môi trƣờng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các
mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanoshell có từ tính là một trong
những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng. Quá trình phân tách đƣợc chia làm hai giai
đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể đƣợc đánh dấu
ra khỏi môi trƣờng bằng từ trƣờng [2]. Hạt nanoshell cấu trúc từ/Silica chứa chất mầu
hoặc từ/silica/vàng có thể đảm nhiệm cả hai giai đoạn trên; lớp vỏ vàng hoặc silica
chứa chất mầu gắn với phân tử đặc hiệu đóng vai trò đánh dấu. Còn lõi từ sẽ thực hiện
nhiệm vụ tách thực thể đã đƣợc đánh dấu.
Quá trình phân tách đƣợc thực hiện nhờ một gradient từ trƣờng ngoài. Từ
trƣờng ngoài hút các hạt nanoshell có từ tính mang các tế bào đƣợc đánh dấu. Các tế
bào không đƣợc đánh dấu sẽ không đƣợc giữ lại và thoát ra ngoài. Phƣơng pháp này
ứng dụng để điều trị và cô lập các tế bào ung thƣ, virut HIV, các hạt bạch cầu ra khỏi
vùng miễn dịch [22].
1.4.3 Phối hợp đốt nhiệt, quang nhiệt
Hiệu ứng này dùng để chữa trị bệnh ung thƣ. Khả năng chịu nhiệt của các tế
bào ung thƣ kém hơn các tế bào khỏe mạnh và thƣờng bị tiêu diệt trong khoảng nhiệt
độ từ 42-45
0
C [7]. Dùng hiệu ứng đốt nhiệt, quang nhiệt có thể tiêu diệt tế bào ung thƣ
mà hoàn toàn không ảnh hƣởng tới tế bào khỏe mạnh nên đây là một trong những
tăng cƣờng plasmon bề mặt của chúng. Sự kết hợp của hạt nano vàng với các phối tử
hƣớng đích đặc biệt đối với các biomarker cho các tế bào ung thƣ cho phép tạo hình
ảnh phân tử đặc trƣng và việc dò tìm ung thƣ. Hơn nữa, hạt nano vàng, có khả năng
chuyển đổi ánh sáng hấp thụ đƣợc thành nhiệt tại chỗ, chúng có thể đƣợc khai thác đối
với việc điều trị lọc lựa ung thƣ bằng hiệu ứng quang nhiệt. Các nghiên cứu mới đây
đã cho thấy các tiến bộ trong nghiên cứu và sử dụng các hạt nano vàng dạng cầu
hƣớng đích lọc lựa trong chẩn đoán quang học và điều trị quang nhiệt ung thƣ. Bằng
cách thay đổi hình dạng và thành phần của hạt vàng, vùng tán xạ plasmon bề mặt có
thể đƣợc điều chỉnh cho tới vùng hồng ngoại gần, cho phép theo dõi hình ảnh in vivo
và điều trị quang nhiệt trong ung thƣ. Trong trƣờng hợp ứng dụng in vivo, các hạt
vàng bọc PEG thƣờng tích tụ trong khối u do hiệu ứng tăng khả năng thẩm thấu và duy
trì của hạt vàng (enhanced permeability and retention –EPR), đƣợc biết tới nhƣ ―tiêu
chí vàng – golden standard‖ cho việc thiết kế thuốc. So với các mô bình thƣờng cùng
loại, thành của các mạch máu trong các u ác tính bị dãn rộng tới 200nm, do đó các đại
phân tử hoặc các phân tử polyme thƣờng tràn vào các khối u qua các khe trên. Các mô
của khối u thƣờng giữ các đại phân tử trong thời gian dài, trong khi đó các mô bình
thƣờng nhanh chóng đào thải các phần tử ngoại lai. Phƣơng pháp bám đích khối u này
gọi là bám đích thụ động để so sánh với phƣơng pháp bám đích chủ động sử dụng liệu
pháp miễn dịch.
Liệu pháp quang nhiệt in- vivo cho các tổ chức nằm sâu trong cơ thể đòi hỏi
nguồn sáng hồng ngoại gần (NIR) vì chỉ loại ánh sáng này mới có khả năng đi sâu vào
cơ thể qua cửa sổ của da ( 800 – 900 nm) do đây là vùng cực tiểu của hấp thụ của hồng
cầu và nƣớc.
Nhóm Halas đã chứng minh rằng các hạt vàng lõi vỏ có thể dùng trong liệu
pháp quang nhiệt hồng ngoại bằng cả hai cách bám đích thụ động sử dụng hạt bọc
PEG và chủ động sử dụng hạt gắn kết kháng thể đặc hiệu. Các nghiên cứu đó cho thấy
rằng mật độ laser đòi hỏi để tạo ra các tổn thƣơng trên các tế bào bệnh sử dụng hiệu
ứng plasmon nhỏ hơn từ 10 – 25 lần mật độ đòi hỏi khi sử dụng các chất mầu hấp thụ
nhƣ indocyanine là chất cảm quang vẫn thƣờng đƣợc dùng trong vật lý trị liệu ung thƣ.
Hãng sản xuất
Chemicell GmbH
Chemicell GmbH
Sigma-Aldrich
2
Mã kí hiệu
FluidMAG-CT
FluidMAG-UC/A
Iron oxide (I, II)
3
Môi trƣờng phân tán
H
2
O
H
2
O
Toluene
4
Khối lƣợng/thể tích
25mg/ml
25mg/ml
5mg/ml
5
Loại lõi
Hạt từ
Hạt từ
Hạt từ
6
Lớp bọc
Nhóm chức năng
-COOH, Na
+
Tích điện âm
-COOH
Kích thƣớc, độ phân bố kích thƣớc và tính chất từ của hạt đƣợc khảo sát bằng
các phép đo TEM, VSM, X-ray…
Phụ thuộc vào đặc điểm của các chất lỏng từ nhƣ môi trƣờng phân tán, lớp vỏ
bọc , chúng tôi đã tìm ra quy trình thích hợp để bọc lớp silica cho mỗi loại hạt nano từ
nêu trên.
Copyright: Tài liệu đại học ©