NGUYỄN THANH HOÀNG
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE
(SPION-QD) Fe
3
O
4
-CdSe/CdS VỚI LỚP PHỦ POLYMER ĐA
CHỨC NĂNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y-SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS
Nguyễn Mạnh Tuấn. Với sự hướng dẫn tận tình của một người thầy trong suốt quá
trình thực hiện luận văn cùng những quan tâm, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện có thể trên
cương vị của một đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ths. Phạm Minh Tiến, PGS.TS Nguyễn Mạnh
Tuấn, TS. Cao Huy Thiện, PGS.TS Hồ Trung Dũng - lãnh đạo Viện Vật lý Thành phố
Hồ Chí Minh cùng toàn thể các đồng nghiệp đang công tác tại viện Hàn lâm Khoa học
& Công nghệ Việt Nam đã cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa
học.
Xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Đặng Mậu Chiến, TS. Tống Duy Hiển - ban giám


MỤC LỤC

Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt v
Danh mục các hình vẽ vi
Danh mục các bảng biểu x
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE (SPION-QDs)
(Fe
3
O
4
-CdSe/CdS) VỚI LỚP PHỦ POLYMER ĐA CHỨC NĂNG
1. Khái quát về vật liệu nanocomposite chứa thành phần Fe
3
O
4
4
1.1. Sơ lược về vật liệu nanocomposite 4

1.1.1. Khái niệm 4
1.1.2. Một số hiệu ứng đặc biệt của vật liệu nanocomposite 5
1.1.2.1. Hiệu ứng bề mặt 5
1.1.2.2. Hiệu ứng giam hãm lượng tử 6
1.1.2.3. Hiệu ứng kích thước 7

/CdSe-CdS/Poly(Glycidyl Methacrylate) 16
2.1. Polymer hydrogel thông minh nhạy cảm nhiệt độ 17
2.1.1. Sự trương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy nhiệt độ 18
2.1.2. Ứng dụng của polymer hydrogel thông minh (IHP) làm vật liệu chuyển
tải và phân phát thuốc 19
2.1.3. Các phương pháp chế tạo IHP 21
2.1.3.1. Phương pháp trùng hợp trong hệ không đồng nhất 21
2.1.3.2. Chế tạo từ dung dịch polymer 22
2.1.3.3. Polymer hydrogel bao hạt nano 23
2.1.3.4. Chức năng hóa bề mặt của hạt nano PHG 24
2.1.4. Poly(Glycidyl methacrylate) (PGMA) 24
2.2. Vật liệu thành phần: Hạt nano siêu thuận từ Fe
3
O
4
26
2.2.1. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ 28
2.2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano oxít sắt Fe
3
O
4
siêu thuận từ 30
2.2.2.1. Phương pháp đồng kết tủa 30
2.2.2.2. Phương pháp vi nhũ tương 31
2.3. Chấm lượng tử bán dẫn cấu trúc lõi vỏ CdSe/CdS 32
2.3.1. Chấm lượng tử bán dẫn (Quantum dot) 32
2.3.2. Tính chất quang của các chấm lượng tử 33
2.3.3. Chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ (core/shell) CdSe/CdS 36
2.3.3.1. Chấm lượng tử lõi CdSe 37
2.3.3.2. Chấm lượng tử vỏ CdS 38

2.4. Chế tạo chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdSe/CdS 57
2.5. Chế tạo thành phần hạt nano từ Fe
3
O
4
trong lớp vỏ
Amino-PGMA (M-PGMA) 58
2.6. Tổng hợp F-M-PGMA chứa thành phần chấm lượng tử CdSe/CdS 59
3. Các phương pháp phân tích 59
3.1. Phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD) 59
3.2. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier transform infrared
spectroscopy– FTIR) 60
3.3. Phổ từ ngoại - khả kiến (UV – Vis) 61
3.4. Quang phổ huỳnh quang (Photoluminescence – PL) 62
3.5. Từ kế mẫu rung(VSM) 63
3.6. Hiển vi điện tử quét (SEM) 64
3.7. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) 65
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD) 66
1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CdSe/CdS và F-M-PGMA 66
1.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe
3
O
4
, M-PGMA và F-M-PGMA 68
2. Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 69
3. Khảo sát đường cong từ hóa bằng từ kế mẫu rung (VSM) 72
3.1. Đường cong từ hóa của M-PGMA và F-M-PGMA 72
3.2. So sánh đường cong từ hóa của F-M-PGMA, M-PGMA với hạt

nm nanomét
PGMA Poly(Glycidyl Methacrylate)
PHG Polymer Hydrogel
QDs Quantum Dots
SPION Superparamagnetic iron oxide nanoparticle
XRD X-Ray Diffraction
SEM Scanning Electron Microscope
TEM Transmission electron microscopy
PL Photoluminesscence
UV-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy
VSM Vibrating sample magnetometer

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1
Hình 1.1. Vật liệu nanocomposite chứa thành phần hạt nano từ Fe
3
O
4

Hình 1.2. Chấm lượng tử thể hiện tính chất trung gian giữa “bond- liên kết nguyên
tử” và “band-sắp xếp tuần hoàn các nguyên tử để có vùng năng lượng”
Hình 1.3. Mô hình vật liệu nanocomposite chứa hạt nano từ và/hoặc nhiều loại hạt
nano khác nhau với lớp phủ SiO
2
Hình 1.4. Mô hình vật liệu nanocomposite Fe
3
O
4
/SiO

2

Hình 1.9. Ảnh HRTEM, PL, UV-Vis và EDP của Fe
3
O
4
/CdSe/SiO
2

Hình 1.10.Ảnh TEM, đường cong từ hóa và phổ PL của vật liệu Fe
3
O
4
/CdTe/Chitosan
Hình 1.11. Độ nhả thuốc tích lũy (%) ở 2 giá trị pH khác nhau theo thời gian của vật
liệu Fe
3
O
4
/CdTe/Chitosan
Hình 1.12. Mô hình vật liệu nanocomposite Fe
3
O
4
/CdSe-CdS/Poly(Glycidyl Methacrylate)
Hình 1.13 Quá trình trương nở của viên nang thuốc PNIPAAM nhạy nhiệt độ
Hình 1.14. Quá trình chuyển pha và mô hình tạo mạng gel của IHP nhạy cảm nhiệt
độ Poly(organophosphazene)
Hình 1.15. Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng
Hình 1.16. Các vùng mô có thể sử dụng các hệ phân phát thuốc dựa trên hydrogel

Hình 1.37. Quan sát các mẫu bệnh phẩm dưới kính hiển vi huỳnh quang
Hình 1.38. Ảnh TEM và SEM của vi khuẩn Ecoli O157:H7 được bao bọc bởi
phức hợp kháng thể + hạt nano silica SiO
2

Hình 1.39. Ảnh huỳnh quang: (a) phức hợp hạt nano silica – kháng thể; (b) Vi khuẩn
gắn với phức hợp kháng thể - Silica; (c) Vi khuẩn gắn với phức hợp kháng thể - QDs
Hình 1.40. Phổ huỳnh quang của phức hợp hạt silica – kháng thể gắn kết với vi khuẩn
E.coli O157:H7
Hình 1.41. Mô hình cơ chế phân tách tế bào bằng từ trường
Hình 1.42. Cơ chế dẫn truyền thuốc nhắm đích nhằm điều trị ung thư
trong cơ thể người trên nền tảng vật liệu nanocompostie nhạy cảm nhiệt độ
Hình 1.43. Tạo ảnh sinh học bằng phương pháp phát huỳnh quang trên cơ thể chuột
Hình 1.44. Ảnh sinh học của tế bào ung thư quan sát dưới kính hiển vi quang học có
nguồn kích thích UV
CHƯƠNG 2
Hình 2.1. Các dụng cụ thí nghiệm
Hình 2.2. Một số thiết bị dùng trong thí nghiệm: (a) Cân phân tích, (b) máy khuấy từ,
(c) máy quay li tâm , (d) máy rung siêu âm
Hình 2.3. Sơ đồ khối quy trình chế tạo hệ vật liệu nanocomposite (SPION-QD)
Fe
3
O
4
-CdSe/CdS với lớp vỏ bọc polymer PGMA
Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp Poly(Glycidyl methacrylate) (PGMA)
Hình 2.5. Sơ đồ tổng hợp Amino-PGMA
Hình 2.6. Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử lõi CdSe
Hình 2.7. Thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS
Hình 2.8. Sơ đồ tổng hợp vật liệu M-PGMA

tinh khiết ở cùng điều kiện
Hình 3.10. Đường cong từ hóa của Fe
3
O
4
/SiO
2
và Fe
3
O
4
/CdS
Hình 3.11. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của chấm lượng tử cấu trúc
lõi/vỏCdSe/CdS
Hình 3.12. Đồ thị phân bố kích thước hạt của chấm lượng tử CdSe/CdS
Hình 3.13. Phổ quang huỳnh quang của CdSe/CdS và F-M-PGMA
Hình 3.14. Ảnh SEM của các mẫu cùng ở thang đo 2
m

: (a). PGMA, (b). Amino-
PGMA, (c). M-PGMA, (d). F-M-PGMA
Hình 3.15. Ảnh SEM của vật liệu Fe
3
O
4
/PGMA


bào, DNA… tiệm cận với kích thước nguyên tử. Ánh xạ từ những kiến thức ấy, các
hướng nghiên cứu sâu sắc về vật liệu nano được triển khai rộng khắp trong giới khoa
học trên thế giới. Mỗi một công trình nghiên cứu là một điểm sáng góp phần vẽ nên bức
tranh diệu kỳ đầy màu sắc sinh động, vô cùng cuốn hút và hết sức trực quan về một thế
giới vi mô với những tính chất kỳ lạ, mới mẻ và đôi khi trở nên “lập dị” quá đỗi so với
một thế giới vĩ mô nhuộm đầy màu sắc cổ điển của cơ học Newton.
Đại diện cho cái thế giới vi mô có thừa sự huyễn hoặc ấy là các vật liệu nano với
sự lượng tử hóa đồng thời về cấu trúc không gian, vùng năng lượng cũng như các hiệu
ứng vật lý. Chính những “giới hạn” vật lý đó đã tạo nên những tính chất mới lạ mang
đầy tính thách thức và làm lu mờ các quy luật vật lý cổ điển của các loại vật liệu có cấu
trúc nano. Như một động lực mạnh mẽ thúc đẩy công nghiệp điện tử thoát khỏi vũng
lầy bão hòa, ống than nano cacbon và dây nano silic đóng vai trò quan trọng trong việc
chế tạo các linh kiện vi điện tử. Bên cạnh một vật liệu nano TiO
2
mở ra một triển vọng
mới cho khả năng xúc tác quang điện hóa mạnh mẽ với các ứng dụng tiềm năng làm
sạch môi trường, là các hạt nano kim loại với “bản hòa tấu” cộng hưởng plasmon bề mặt
được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong y-sinh học Nổi bật giữa bức tranh muôn màu
được “vẽ” lại dưới “ngòi bút” của cơ học lượng tử ấy, là vật liệu nano từ và vật liệu nano
bán dẫn. Với những đại diện tiêu biểu là vật liệu nano oxít sắt Fe
3
O
4
(Superparamagnetic
iron oxide nanoparticle) với sự tồn tại các biên giới mỏng manh - đô-men trên đà cực
2

tiểu hóa và các mômen từ đang quay cuồng theo chiều biến thiên của từ trường với một
sự “nhạy cảm” hết sức tinh tế… Cùng các loại chấm lượng tử bán dẫn (Quantum Dots)
với “rào cản” mang tên giếng thế đã dựng nên những “nhà giam lượng tử” cầm tù các

4
và chấm lượng tử có cấu trúc lõi vỏ CdSe/CdS
nhằm tăng hiệu suất huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe lõi, nhằm đính kèm
kháng nguyên/kháng thể, tăng tính linh hoạt và đặc hiệu trong cơ chế dẫn truyền thuốc,
đánh dấu tế bào…để định hướng ứng dụng trong y - sinh học.

3

Nội dung chính cần thực hiện:
- Chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn CdSe lõi.
- Chế tạo chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ CdS với lớp vỏ CdS bọc bên ngoài
lõi CdSe nhằm bảo vệ và giảm các sai hỏng trên bề mặt vật liệu lõi, tăng hiệu ứng giam
hãm lượng tử nhằm tăng hiệu suất huỳnh quang.
-Chế tạo hạt nano siêu thuận từ Fe
3
O
4
với kích thước trong khoảng dưới 20 nm,
có tính siêu thuận từ, độ từ dư bằng 0, lực kháng từ bằng 0 và độ từ hóa bão hòa cao để
đáp ứng được các yêu cầu trong các ứng dụng y - sinh học.
-Tổng hợp polymer thông minh đa chức năng nhạy cảm với nhiệt độ Poly
(Glycidyl Methacrylate) (vật liệu nền) với độ trong suốt cao nhằm hạn chế sự suy giảm
hiệu suất huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS được bọc bên trong, tính ưa
nước, thủy dược động học tốt, tính tương hợp sinh học cao, trương nở khi đến nhiệt độ
tới hạn làm tăng tính linh hoạt trong cơ chế dẫn truyền và nhả thuốc. Ngoài ra, diện tích
bề mặt lớn, sẽ tạo điều kiện đính được số lượng kháng nguyên/kháng thể nhiều hơn.
- Bọc các chấm lượng tử CdSe/CdS và hạt nano siêu thuận từ Fe
3
O
4

O
4
1.1.Sơ lược về vật liệu nanocomposite

1.1.1.Khái niệm
Vật liệu nanocomposite (hay vật liệu cấu trúc nano) là vật liệu tổng hợp từ hai hay
nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu riêng rẽ
ban đầu. Đồng thời chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm hoặc trong thành phần
vật liệu tồn tại cấu trúc nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Trong
đó kích thước & cấu trúc nano được hiểu khái quát là kích thước hạt vật liệu chiếm trong
vùng không gian khoảng một vài nm đến nhỏ hơn 100 nm. Hình 1.1. Vật liệu nanocomposite chứa thành phần hạt nano từ Fe
3
O
4


s
= 4n
2/3
. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử là
2/3
0
1/3
4 4
4
s
n r
n
f
n n r
n
   
(1.1)
Trong đó r
0
: là bán kính của nguyên tử
r: là bán kính của hạt nano
(1.1) cho thấy, kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì f tăng lên. Do nguyên
tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong
lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên
tử bề mặt (hiệu ứng bề mặt) tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f
này tăng lên đáng kể. Do f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục, nên sự thay đổi về
tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về
kích thước.
Hiệu ứng bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình hóa-lý, đặc biệt
đối với các vật liệu xúc tác, vì những liên kết hở của các nguyên tử trên bề mặt không


20

4.08x10
11

7.6

5 4.000 40 8.16x10
11

14.3
2 250 80 2.04x10
12

35.3
1 30 90 9.23x10
12

82.2

1.1.2.2. Hiệu ứng giam hãm lượng tử
Một cách cụ thể hơn, sự giam giữ ở đây là đối với các hạt tải điện (điện tử và lỗ
trống) trong vật liệu, xảy ra khi kích thước của vật liệu nhỏ xấp xỉ với bán kính Bohr.
Từ công thức xác định bán kính Bohr [r
B
=
2 2 *
. /( . )
e m


1.1.2.3. Hiệu ứng kích thước

Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều có một giới hạn về kích thước (kích
thước tới hạn). Khi kích thước hạt vật liệu giảm đến dưới kích thước này, các tính chất
khác lạ so với bức tranh của vật lý cổ điển bắt đầu được tìm thấy, ánh xạ và “vẽ” lại
bằng những “công cụ” lượng tử. Ví dụ điện trở của một dây dẫn kim loại tuân theo định
luật Ohm ở kích thước vĩ mô, nhưng nếu kích thước của dây dẫn giảm xuống nhỏ hơn
quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (vài chục đến vài trăm nm), lúc
này định luật Ohm bỗng trở thành một mô hình chứa đầy khiếm khuyết giữa các quy tắc
lượng tử. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu
khối đến vật liệu nano. Bảng 1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất
của vật liệu.
Bán dẫn khối Chấm lượng tử
Nguyên tử
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Hình 1.2. Chấm lượng tử thể hiện tính chất trung gian giữa “bond - liên kết
nguyên tử” và “band - sắp xếp tuần hoàn các nguyên tử để có vùng năng lượng”[33]
8


0.1-100
1-100
Cơ
Tương tác bất định xứ
Biên hạt
Bán kính khởi động đứt vỡ
Sai hỏng mầm
Độ nhăn bề mặt
1-1000
1-10
1-100
0.1-10
1-10
Xúc tác
Hình học topo bề mặt
Độ dài Kuhn
1-10
1-100
Siêu phân tử

Cấu trúc nhị cấp
Cấu trúc tam cấp
1-10
10-1000
Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10

1.2.Vật liệu nanocomposite Fe
3
O
4

được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính ứng
dụng trong y sinh học. Fe
2
O
3
với các pha
2 3
Fe O

 và
2 3
Fe O



thường không bền
trong không khí, dễ bị chuyển pha, hoặc bền nhưng có từ độ bão hòa thấp hơn Fe
3
O
4

nên người ta chủ yếu sử dụng Fe
3
O
4
.


2
được cung cấp từ quá trình thủy phân Tetraethyl
orthosilicate (TEOS) (Công thức phân tử: Si(OC
2
H
5
)
4
) biểu thị trên hình 1.4
Si(OC
2
H
5
)
4
+ 2 H
2
O → SiO
2
+ 4 C
2
H
5
OH

Hình 1.5. Ảnh TEM và đường cong từ hóa của vật liệu nanocomposite Fe
3
O
4
/SiO
2

11

Công trình của nhóm tác giả Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Jonathan Lee, Darren
Delai Sun (2011) đăng trên tạp chí Royal Society of Chemistry (ACS) ở hình 1.5 [62].
Các kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp được có kích thước khá nhỏ (~10-20 nm),
có tính siêu thuận từ, độ từ hóa bão hòa ~ 52 emu/g, lực kháng từ H
c
~0.
Công trình của nhóm tác giả Timur Sh Atabaev, Jong Ho Lee, Jun Jae Lee, Dong-
Wook Han, Yoon-Hwae Hwang
,
Hyung-Kook Kim, Nguyen Hoa Hong (2013)
“Mesoporous silica with fibrous morphology: a multifunctional core–shell platform for
biomedical applications” (Hình 1.6) [63]
Hình 1.6. Đường cong từ hóa của vật liệu Fe
3
O
4
và Fe
3
O
4
/SiO

4
/SiO
2
[75]

Nhìn nhận một cách khái quát thông qua một số công trình nghiên cứu tiêu biểu,
có thể nhận thấy vật liệu Fe
3
O
4
được bọc bằng lớp vỏ SiO
2
có kích thước nhỏ (~10 - 20
nm), độ từ hóa bão hòa cao, lực kháng từ H
c
= 0, độ từ dư B
r
~ 0, tính tương hợp sinh
học của SiO
2
khá tốt, kích thước hạt phù hợp với ngưỡng thâm nhập sinh học của cơ
thể, phù hợp với các mục đích ứng dụng trong y sinh học. Tuy nhiên, do tính trơ về mặt
hóa học nên hiệu suất của quá trình chức năng hóa bề mặt lớp vỏ SiO
2
để đính kháng
nguyên/kháng thể nhằm dò tìm/đánh dấu các phần tử sinh học không thật sự tốt, diện
tích bề mặt nhỏ nên số lượng kháng nguyên/kháng thể đính trên bề mặt không nhiều,
hình thành cơ chế dẫn thuốc nhưng không có cơ chế nhả thuốc, SiO
2
không tự phân hủy