Chế tạo, nghiên cứu tính chất của vật liệu nano YVO4.Eu3+ và EuPO4.H2O thử nghiệm ứng dụng đánh dấu huỳnh quang y sinh

Chế tạo, nghiên cứu tính chất của vật liệu nano YVO4.Eu3+ và EuPO4.H2O thử nghiệm ứng dụng đánh dấu huỳnh quang y sinh

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

LÊ THỊ VINH

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO YVO 4 :Eu 3+ VÀ EuPO 4 H 2 O THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU HUỲNH QUANG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2017

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i 

LỜI CẢM ƠN ii 

MỤC LỤC i 

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU vi 

DANH MỤC BẢNG viii 

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ ix 

MỞ ĐẦU 1 

Chương 1 5 

VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM 5 

1.1 Vật liệu nano 5 

1.1.1 Phân loại 5 

1.1.2 Chiến lược chế tạo vật liệu nano 7 

1.2 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm 7 

1.2.1 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm 7 

1.2.2 Vật liệu huỳnh quang chứa ion đất hiếm 8 

1.2.2.1 Cơ chế phát quang chứa ion đất hiếm 8 

1.2.2.2 Sự tách mức năng lượng ở phân lớp 4f của nguyên tố đất hiếm 9 

1.2.2.3 Ion Europi (Eu3+, Eu2+) 11 

1.3 Vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ 13 

1.4 Vật liệu nano phát quang EuPO4.H2O 18 

1.5 Công cụ đánh dấu huỳnh quang miễn dịch y sinh 21 

Kết luận chương 1 24 

Chương 2 25 

CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 25 

2.1 Các phương pháp hóa học chế tạo vật liệu 25 

2.1.1 Phương pháp thủy nhiệt 25 

2.1.2 Phương pháp vi sóng (Microwave) 26 

2.1.2.1 Quy trình tổng hợp YVO4:Eu3+ theo phương pháp vi sóng 28 

2.1.2.2 Quy trình tổng hợp EuPO4.H2O theo phương pháp vi sóng 29 

2.1.3 Phương pháp tổng hợp sử dụng chất tạo khuôn mềm 30 

2.1.4 Các hệ mẫu được chế tạo và nghiên cứu trong luận án 31 

2.2 Phân tích cấu trúc và hình thái bề mặt của vật liệu 32 

2.2.1 Phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X 32 

2.2.2 Phép chụp ảnh hiển vi điện tử quét 33 

2.2.3 Phép chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua 34 

2.2.4 Hệ đo phổ hồng ngoại 35 

2.3 Khảo sát tính chất quang của vật liệu 37 

2.3.1 Phép đo phổ huỳnh quang 37 

2.3.2 Phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch sinh hóa (FIA) 38 

Kết luận chương 2 39 

Chương 3 40 

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU YVO4:Eu3+ 40  3.1 Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo mẫu 40 

3.2 Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt 44 

3.3 Ảnh hưởng của độ pH 50 

3.4 Ảnh hưởng của thời gian vi sóng 53 

3.5 Ảnh hưởng của công suất với chất tạo khuôn mềm PEG 56 

Kết luận chương 3 60 

Chương 4 61 

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU EuPO4.H2O 61  4.1 Ảnh hưởng của nồng độ 61 

4.2 Ảnh hưởng của độ pH đến cấu tạo và tính chất của EuPO4.H2O 66 

4.2.1 Ảnh hưởng của độ pH của các mẫu [Eu3+]/ [PO43-] = 1/15 (EP 1-15) 66 

4.2.2 Ảnh hưởng của độ pH của các mẫu EuPO4 (1-1) 69 

Kết luận chương 4 72 

Chương 5 73 

ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO CHỨA TÁC NHÂN PHÁT QUANG EUROPI TRONG Y SINH HỌC VACXIN 73 

5.1 Xây dựng quy trình chế tạo công cụ đánh dấu nhận dạng huỳnh quang miễn dịch74  5.1.1 Bọc vỏ vật liệu nano phát quang (Ln- VLNPQ) bằng Silica 76 

5.1.2 Chức năng hóa vật liệu đã được bọc vỏ 77 

5.2.3 Liên kết thực thể nano và các phần tử sinh học 81 

5.2 Thử nghiệm phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch, ứng dụng nhận dạng virut sởi 83 

5.2.1 Quy trình thử nghiệm cho phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch 83 

5.2.1.1 Chuẩn bị tế bào 83 

5.2.1.2 Chuẩn bị mẫu và gây nhiễm 84 

5.2.1.3 Nhận dạng virut sởi bằng phương pháp miễn dịch huỳnh quang 85 

5.2.2 Kết quả thử nghiệm 86 

Kết luận chương 5 88 

KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN 89 

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC 91 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt

FTIR: Phổ hồng ngoại khai triển Fourier

ET: Truyền năng lượng

FESEM: Kính hiển vi điện tử quét phát trường (Field emission scanning electron microscopy) TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua

(Transmission Electron Microscope)

RE3+: Ion đất hiếm hóa trị 3

XRD: Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

T: Tứ giác (Tetragonal)

Hex.: Lục giác (Hexagonal)

M: Đơn tà (Monoclinic)

Sys./SG: Hệ tinh thể/Nhóm đối xứng không gian

PL: Phổ huỳnh quang (Photolumisnescence)

IR: Phổ hồng ngoại

RE-NPs: Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm

(Rere Earth NanoPhosphor) Ln-VLPQ: Vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ và EuPO4

NTA: Naphtoyltrifluoroacetone

TOPO: Trioctylphosphineoxide

DIC : Differential Interference Contrast)

HRTEM: High resolution TEM

FFT: Fast Fourier transform

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [53] 10 

Bảng 1.2 Một vài dạng cấu trúc và trạng thái ổn định của octho phốt phát LnPO4 [74] 19 

Bảng 2.1 Ký hiệu các mẫu vật liệu YVO4:Eu3+ sử dụng trong luận án 31 

Bảng 2.2 Ký hiệu các mẫu vật liệu EuPO4 sử dụng trong luận án 32 

Bảng 3.1 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng

phương pháp thủy nhiệt (YVE-HT) và phương pháp vi sóng (YVE-MW) 43 

Bảng 3.2 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của hệ YVO4:Eu3+ chế tạo bằng

phương pháp thủy nhiệt khi có các chất hoạt động bề mặt 46 

Bảng 3.3 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của hệ mẫu YVO4:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp vi sóng khi thay đổi thời gian 54 

Bảng 4.1 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của các mẫu EuPO4.H2O

với sự thay đổi [PO43-] ở pH =6 62 

Bảng 4.2 Tỉ lệ cường độ giữa đỉnh 7F1 và 7F2 của EuPO4.H2O khi thay đổi [PO43-] 65  Bảng 4.3 Tỉ lệ cường độ giữa đỉnh 7F1 (5D0 →7F1) và 7F2 (5D0 →7F2) của mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+]/[PO43-] =1/15 ở với pH khác nhau 69 

Bảng 4.4 Cường độ, tỉ lệ cường độ giữa các đỉnh phát xạ cực đại tương ứng của các vật liệu nano EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 khi thay đổi độ pH ở bước sóng 393 nm 71 

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 Vật liệu nhân tạo và vật liệu tự nhiên trong thang nano 6 

Hình 1.2 Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f 11 

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc năng lượng của ion Eu3+, Eu2+ trong mạng nền 12 

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của vật liệu YVO4 13 

Hình1.5 Phổ huỳnh quang của Eu3+ trong các vật liệu

YVO4: Eu3+ (a) và Na(Lu,Eu)O2 (b) [55] 14 

Hình 1.6 Sơ đồ hạt nano YVO4:Eu3+ hợp sinh BSA (a) và ảnh hiển vi huỳnh quang của hạt nano liên hợp (b) và cùng với tế bào cần đánh dấu (c) [36] 15 

Hình 1.7 Ảnh TEM của vật liệu YVO4:Eu3+có PEG (a) và (b)

vật liệu YVO4:Eu3+ không có PEG (c) [61] 15 

Hình 1.8 Ảnh SEM của mẫu YVO4:Eu3+ với độ pH khác nhau (A) 3.47, (B) 4.20, (C) 12, (D) 12.8 [67] 17 

Hình 1 9 Ảnh HRTEM (D) và ảnh FFT hình chèn của YVO4:Eu3+(D) [67] 17 

Hình 1.10 Phổ kích thích (a) và phổ huỳnh quang (b) của EuPO4.H2O [17] 19 

Hình 1.11 Ảnh TEM của mẫu thanh nano EuPO4.H2O(A-B) và TbPO4·H2O (C-D)

với độ phóng đại khác nhau [44] 20 

Hình 1.12 Hình ảnh hiển vi DIC của tế bào HUVEC [44] 20 

Hình 1.13 Sơ đồ minh họa quy trình chế tạo sensor miễn dịch ECL của màng EuPO4 / CS [78] 21 

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phân tích đánh dấu huỳnh quang miễn dịch 23 

Hình 2.1 Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt 25 

Hình 2.2 Sóng điện từ 27 

Hình 2.3 Hệ thống thiết bị tổng hợp vi sóng 27 

Hình 2.4 Quy trình chế tạo vật liệu YVO4:Eu3+ bằng phương pháp vi sóng và thủy

nhiệt 28 

Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu EuPO4.H2O bằng phương pháp vi sóng 29 

Hình 2.6 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 30 

Hình 2.7 Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể 33 

Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia X D5000 do hãng SIEMEN 33 

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét 34 

Hình 2.10 Kính hiển vi điện tử quét FESEM 34 

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 35 

Hình 2.12 Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (JEOL-1010) 35 

Hình 2.13 Thiết bị đo phổ hồng ngoại IMPACT-410, NICOLET 37 

Hình 2.14 Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang 38 

Hình 2.15 Hệ đo huỳnh quang tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học Vật liệu 38 

Hình 2.16 Kính hiển vi huỳnh quang (Olympus BX40) 38 

Hình 3.1.Giản đồ XRD của mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt (YVE-HT) và chế tạo bằng phương pháp vi sóng (YVE-MW) 41 

Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt (YVE-HT) (a) và chế tạo bằng phương pháp vi sóng (YVE-MW) (b) ở pH = 6 42 

Hình 3.3 Phổ huỳnh quang của mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt (YVE-HT) và phương pháp vi sóng (YVE-MW) được kích thích tại bước sóng 325 nm 43 

Hình 3.4 Công thức cấu tạo của các chất hoạt động bề mặt HTAB (a); SDS (b); AOT(c) 45 

Hình 3.5 Giản đồ XRD của mẫu vật liệu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ủ 200 oC, trong 6 giờ với các chất hoạt động bề mặt, khi không có chất hoạt động bề mặt (đường 1), có thêm các chất hoạt động bề mặt HTAB (đường 2); SDS (đường 3); AOT (đường 4) 46 

Hình 3.6 Ảnh FESEM của các mẫu hệ YVO4:Eu3+ không có và có các chất hoạt động bề mặt là (a) YVE-HT, (b) YVE-HT/AOT, (c) YVE-HT/HTAB, (d) YVE-HT/SDS chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt tại 200 oC oC ủ trong 6 giờ 47 

Hình 3.7 Ảnh TEM của mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt có các chất hoạt động bề mặt AOT (YVE-HT/ AOT) chế tạo ở 200 oC ủ trong 6 giờ bằng phương pháp thủy nhiệt ở các thang đo khác nhau 20 nm (a) và 100 nm (b) 48 

Hình 3.8 Phổ huỳnh quang của các mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với các chất hoạt động bề mặt khác nhau: 1-YVE-HT, 2- YVE-HT/HTAB, 3- YVE-HT/SDS, 4- YVE-HT/AOT được kích thích tại 325 nm 49 

Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu mẫu YVO4:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp vi sóng ở độ pH khác nhau: pH = 4 (đường a), pH = 6 (đường b), pH =

12 (đường c) 50 

Hình 3.10 Ảnh SEM của các mẫu YVO4:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp vi

sóng với pH thay đổi: (a) YVEH4 (pH = 4), (b) YVEH6 (pH = 6), (c) YVEH8 (pH =

8), (d) YVEH10 (pH = 10) và (e) YVEH12 (pH = 12) 51 

Hình 3.11 Phổ huỳnh quang của các mẫu YVO4:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp vi sóng với pH thay đổi: pH = 4 (đường 1), pH = 6 (đường 2), pH = 8 (đường 3), pH = 10 (đường 4) kích thích tại bước sóng 325 nm 52 

Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu YVO4:Eu3+ với công suất 700 W

ở nhiệt độ 80 oC và thay đổi thời gian gia nhiệt là: 10 phút (YVE10), 20 phút (YVE20), 30 phút (YVE30) 53 

Hình 3.13 Ảnh FESEM của các mẫu YVO4:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp vi

sóng khi thay đổi thời gian: (a) YVET5 (5 phút), (b) YVET10 (10 phút), (c) YVET15 (15 phút (d) YVET20 (20 phút), (e) YVET25 (25 phút), (h) YVET30 (30 phút) 55 

Hình 3.14 Cấu trúc của PEG 56 

Hình 3.15 Ảnh FESEM của mẫu YVO4:Eu3+ và YVO4:Eu3+/PEG ở công suất khác

nhau: (a)YVEP3 (300W), (b)YVEP5 (500W), (c)YVEP7 (700W), (d)YVEP9

(900W) 56 

Hình 3.16 Phổ huỳnh quang của các mẫu YVO4:Eu3+ (a) và YVO4:Eu3+ /PEG (b)

được kích thích tại bước sóng 325 nm 57 

Hình 3.17 Phổ hồng ngoại của mẫu YVO4:Eu3+ và YVO4:Eu3+ /PEG ở công suất

700W, thời gian vi sóng 15 phút, gia nhiệt 80 oC với pH = 6 58 

Hình 4.1 Giản đồ XRD của hệ mẫu EuPO4 khi thay đổi [Eu3+]/[PO43-] (EP): EP 1-1,

EP 1-3, EP 1-5, EP 1-10, EP 1-15, EP 1-30 tại pH = 6 ở công suất 800W, thời gian

15 phút và nhiệt độ 80 oC Error! Bookmark not defined. 

Hình 4.2 Ảnh FESEM của các mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+] / [PO43- khác nhau:

(a) EP1-1, (b) EP 1-3, (c) EP 1-5, (d) EP 1-10, (e) EP 1-15, (f) EP 1-30 tại pH = 6 ở

công suất 800W, thời gian 15 phút và nhiệt độ 80 oC 63 

Hình 4.3 Phổ huỳnh quang của hệ mẫu EuPO4.H2O thay đổi nồng độ [PO43-]

ở công suất 800W, thời gian 15 phút và nhiệt độ 80 oC được kích thích tại bước sóng

393 nm 64 

Hình 4.4 Ảnh FESEM của các mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/15 chế

tạo khi thay đổi độ pH khác nhau: (a) EP(1-15) H2 (pH= 2), (b) EP(1-15) H4 (pH=

4), (c) EP(1-15) H6 (pH= 6), (d) EP(1-15) H8 (pH= 8), (e) EP(1-15) H10 (pH= 10), (f) EP(1-15) H12 (pH= 12) 67 

Hình 4.5 Phổ huỳnh quang của các mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] là 1/15

khi thay đổi độ pH khác nhau tại bước sóng 393 nm 68 

Hình 4.6 Ảnh SEM các mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ [Eu3+]/[PO43-] = 1/1 ở pH khác

nhau: 4, 6, 8, 12 tương ứng (a) EP(1-1) H4, (b) EP(1-1) H6, (c) EP(1-1) H8, (d)

EP(1-1) H12 70 

Hình 4.7 Phổ huỳnh quang của hệ mẫu EuPO4.H2Ođược chế tạo bằng phương pháp

vi sóng với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 với pH thay đổi từ 4 ÷ 12 tại bước sóng 393 nm

70 

Hình 5.1 Sơ đồ liên hợp sinh học nhằm gắn kết các phân tử hoạt động sinh học với

bề mặt các hạt nano 74 

Hình 5.2 Sơ đồ bọc vỏ vật liệu nano phát quang (Ln- VLNPQ) bằng Silica 76 

Hình 5.3 Sơ đồ gắn nhóm NH2 trên bề mặt vật liệu đã được bọc vỏ 77 

Hình 5.4 Ảnh FESEM của vật liệu YVO4:Eu3+(a) và YVO4:Eu3+@ silica -NH2 (b) 78  Hình 5.5 Ảnh TEM của vật liệu YVO4:Eu3+(a) và YVO4:Eu3+@ silica-NH2 (b) 78 

Hình 5.6 Phổ hồng ngoại của mẫu YVO4:Eu3+ và YVO4:Eu3+@Silica-NH2 79 

Hình 5.7 Phổ huỳnh quang của YVO4:Eu3+ và YVO4:Eu3+@Silica-NH2 80 

Hình 5.8 Phổ huỳnh quang của EuPO4.H2O và EuPO4.H2O@.Silica-NH2 81 

Hình 5.9 Sơ đồ Quy trình chế tạo công cụ đánh dấu nhận dạng theo phương pháp 82  huỳnh quang miễn dịch Ln-VLPQ@Silica-GAT-IgG 82 

Hình 5.10 Cơ chế của phản ứng cộng nucleophin (AN) 83 

Hình 5.11 Ảnh hiển vi quang học huỳnh quang của các mẫu: Mẫu 1a và 1b là mẫu tế bào lành không nhiễm virut sởi sử dụng kháng - kháng thể gắn HQ nhập khẩu Mẫu 2a và 2b là mẫu tế bào đã lây nhiễm virut sởi sử dụng kháng - kháng thể gắn HQ nhập khẩu; Mẫu 3a và 3b là mẫu tế bào đã lây nhiễm virut sởi sử dụng kháng - kháng thể gắn HQ EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG 87 

MỞ ĐẦU

Các vật liệu nano đã có nhiều ứng dụng nổi bật trong các ngành: điện tử, quang học, công nghệ thông tin, năng lượng Đặc biệt, trong y sinh học vật liệu nano trở thành nền tảng phát triển các công nghệ và công cụ kiểu mới trong cả ba lĩnh vực chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu khoa học sự sống [1-3] Các phương pháp phát hiện sớm các phân tử sinh học, chế tạo thuốc trúng đích và điều trị bệnh đã phát triển mạnh góp phần hình thành ngành sinh y học nano hiện đại Nhiều loại vật liệu nano như nano bán dẫn, nano từ, nano kim loại và nano phát quang đã được chế tạo và phát triển các ứng dụng trong sinh y học Trong đó, vật liệu nano phát quang đã có những ứng dụng nổi trội trong chẩn đoán và điều trị bệnh nan y như bệnh ung thư, bệnh truyền nhiễm v.v Có bốn loại vật liệu nano phát quang đã được nghiên cứu: các chất mầu hữu cơ nano hoá, chấm lượng tử bán dẫn, vật liệu nano kim loại và vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm [1]

Thứ nhất, các chất mầu hữu cơ nano hoá có cường độ huỳnh quang mạnh, dễ phân tán trong nhiều môi trường, nhất là môi trường sinh lý Các chất mầu hữu cơ có nhược điểm phát quang không bền và tính chất phát quang phụ thuộc mạnh vào môi trường Tiếp đến, sự xuất hiện các chấm lượng tử bán dẫn (Quantum dot) có thể ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế kĩ thuật khác nhau, do chúng có hiệu suất phát quang cao, rất bền, phổ phát quang phụ thuộc mạnh vào kích thước và bề mặt Một trong các vật liệu phát quang sử dụng phương pháp này là các Quantum dot chế tạo từ CdS hay CdSe Các chấm lượng tử nếu được xử lý thích hợp có thể phân tán tốt trong nước, tiền

đề quan trọng để liên hợp sinh học [4] Tuy nhiên, do thành phần vật liệu chứa các nguyên tố có tính độc với con người và môi trường nên cũng bị hạn chế Tiếp theo, các vật liệu nano kim loại chủ yếu vật liệu nano bạc (Ag) [5] và vật liệu nano vàng (Au) [6] Hiện nay, nano bạc đã được ứng dụng diệt khuẩn [7] và nano vàng đã được ứng dụng rất có hiệu quả làm tác nhân điều trị quang nhiệt [8] Loại vật liệu thứ tư được ứng dụng trong y sinh là vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm (RE-NPs) Ưu điểm của RE-NPs có thời gian sống huỳnh quang dài, độ dịch chuyển Stock lớn, độ rộng phổ hẹp, thân thiện với cơ thể người và môi trường rất thích hợp cho các ứng dụng trong sinh y học [9] Nổi bật là phương pháp đánh dấu huỳnh quang nhận dạng

[10-12] và các phương pháp điều trị quang nhiệt, quang động [13] dựa vào vật liệu RE-NPs Với những tiến bộ vượt bậc về tổng hợp hóa học đã phát hiện một số vật liệu nano RE-NPs có hiệu suất phát quang cao [14] Để tạo ra những vật liệu nano trên có thể dùng các phương pháp như: phương pháp sol-gel [15], phương pháp dung nhiệt [16], phương pháp vi sóng [17] phương pháp khuôn mềm [18, 19]

Trong nước, các nghiên cứu chế tạo vật liệu nano và ứng dụng làm các phương tiện đánh dấu và nhận dạng Các nghiên cứu tạo ra các công cụ đánh giá chất lượng các sinh phẩm, thực phẩm và các vacxin đã đạt được các thành quả rất khích lệ Một số nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu nano bán dẫn ứng dụng phân tích dư lượng thuốc trừ sâu [20], phát triển các chấm lượng tử phức hợp [21] nano vàng và nano hóa các chất mầu hữu cơ [22] v.v được cộng đồng khoa học khu vực và thế giới quan tâm

Ngoài ra, các nghiên cứu về vật liệu RE-NPs của Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã đạt được những kết quả khá nổi bật về nghiên cứu cơ bản và định hướng ứng dụng [23, 24], điển hình ứng dụng trong phân tích nhận dạng sinh y học vacxin [9] Theo hướng nghiên cứu này, nhiều kết quả nghiên cứu đã được thực hiện thành công [25-28] Hiện nay, hướng nghiên cứu chế tạo

có điều khiển vật liệu lantanit trên nền phốt phát và vanađat [29] kích thước nano pha tạp với ion Eu (III) đang là mối quan tâm hàng đầu về chế tạo vật liệu nano phát quang chất lượng cao và định hướng ứng dụng trong y sinh học Hơn nữa, nguyên tố đất hiếm

Eu phát quang mạnh, vạch hẹp trong vùng màu đỏ rất thuận tiện trong các ứng dụng trong quang điện tử và sinh y học [30]

Chính vì vậy, Tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sỹ: “Chế tạo, nghiên cứu tính chất của vật liệu nano YVO 4 :Eu 3+ và EuPO 4 H 2 O thử nghiệm ứng dụng đánh dấu huỳnh quang y sinh”

3 Thử nghiệm thành công ứng dụng của vật liệu YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O trong phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch, đặc biệt phát hiện nhận dạng virut trong sản phẩm vacxin công nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu:

1 Vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O

2 Công cụ đánh dấu từ YVO4:Eu3+, EuPO4.H2O và các phân tử sinh học đặchiệu

3 Quá trình đánh dấu nhận dạng vacxin sởi nhằm xác định chất lượng sản phẩm vacxin công nghiệp

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm Vật liệu được chế tạo

tại phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại có độ tin cậy như: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại, ảnh hiển vi điện tử phát trường, ảnh hiển vi điện tử truyền qua Tính chất quang được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang

Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu tại cơ sở sản xuất Vĩnh Hưng, được xây dựng từ vốn đầu tư ODA Nhật Bản Nhà máy thuộc Trung tâm nghiên cứu sản xuất vacxin và sinh phẩm y tế, Polyvac thuộc Bộ Y tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

(i) Góp phần vào sự phát triển Khoa học cơ bản và phát triển công nghệ nano trong lĩnh vực chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm

(ii) Đóng góp vào sự tìm kiếm phương pháp mới để phân tích tìm giải pháp giúp

và xác định tình trạng bệnh nâng cao chất lượng sản xuất vacxin và sinh phẩm

y tế

Tính mới:

(i) Đã chế tạo thành công vật liệu nano đa dạng phát quang mạnh chứa đất hiếm YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O trên cơ sở phương pháp tổng hợp nano có điều khiển Vật liệu nano YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O dạng thanh có chiều dài nằm trong khoảng 200 

500 nm, độ rộng 10  30 nm và dạng hạt có kích thước dưới 15 nm nhằm tăng cường khả năng ứng dụng trong y sinh

(ii) Vật liệu EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG lần đầu tiên được chế tạo thành công bằng cách bọc vật liệu nano phát quang EuPO4.H2O với lớp mỏng silica chứa nhóm NH2 và sau đó liên kết với IgG bằng phản ứng ghép Kết quả thử nghiệm ở quy trình sản xuất công nghiệp ban đầu cho thấy vật liệu EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG có thể nhận dạng được virut sởi Do đó, vật liệu này rất có triển vọng sử dụng vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm làm công cụ đánh dấu nhận dạng nhằm phục vụ trong quy trình sản xuất vacxin chất lượng cao và trong ngành y sinh học

Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các ký hiệu và chữ viết

tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình ảnh và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 5 chương:

Chương 1: Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm

Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm

Chương 3: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu YVO4:Eu3+

Chương 4: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu EuPO4.H2O

Chương 5: Ứng dụng của vật liệu nano chứa tác nhân phát quang Europi trong y sinh học vacxin

Phần kết luận: Trình bày các kết quả chính của luận án

Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 08 công trình khoa học

Chương 1 VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM 1.1 Vật liệu nano

Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanomet, thường nằm trong khoảng từ 1 đến 100 nm Các tính chất mới của vật liệu được phát hiện ở thang nano với các hiệu ứng đặc biệt liên quan đến kích thước và bề mặt [31, 32] Các kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu nano có nhiều đặc tính vật lý, hóa học và cả sinh học khác biệt so với vật liệu kích thước micromet và vật liệu khối Các tính chất quang học, quang điện tử, xúc tác, tính chất từ hay điện cũng khác so với vật liệu cùng thành phần thông thường có kích thước cỡ micromet trở lên [33, 34] Do vậy, vật liệu nano

có nhiều ứng dụng nổi trội trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và kinh tế xã hội như công nghệ thông tin, điện tử, quang học, hiển thị, đặc biệt trong ngành quang điện

tử, quang tử và sinh y học [35, 36] Ngoài ra, còn có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt, các tính chất nhiệt, từ, điện, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… của vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước[37]

1.1.1 Phân loại

Vật liệu nano được phân loại dựa vào mục đích nghiên cứu và ứng dụng [38]

+) Phân loại theo bản chất của vật liệu (Hình 1.1)

Vật liệu nano tự nhiên: các vật liệu nano tự nhiên gồm các phần tử sinh học

(Protein, ADN, các virut, tế bào v.v.)

Vật liệu nano nhân tạo: các vật liệu nano nhân tạo gồm Fulleren C60, chấm

lượng tử, nano huỳnh quang đất hiếm, ống nano các bon, nano vàng, v.v

+) Phân loại theo hình dáng của vật liệu

Vật liệu nano không chiều là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nano, các hạt

nano, chấm lượng tử nano [39]

Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, thanh

nano, ống nano và dây nano [40]

Vật liệu nano hai chiều: vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên hai chiều, thường là các loại màng mỏng, giếng lượng tử [41]

Hình 1.1 Vật liệu nhân tạo và vật liệu tự nhiên trong thang nano

+) Phân loại theo mục đích ứng dụng

Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực điện tử: Các thiết bị điện tử được tạo ra từ

các vật liệu nano như các bộ vi xử lý có tốc độ cao, các linh kiện và thiết bị phát quang loại mới, các màn hình tinh thể lỏng, màn hình plasma, điện thoại di động, các

đơn vị nhớ [31]

Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực quang học, quang tử: Các hợp chất đất hiếm được sử dụng trong hiển thị huỳnh quang nhiều màu [42], thiết bị dẫn sóng [43]

Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp công nghệ cao: Các vật liệu

nano được sử dụng để chế tạo các loại pin mặt trời [13], các thiết bị xử lý ô nhiễm không khí, nguồn nước hay các thiết bị làm sạch nước bằng màng lọc nano, các điện cực cấu trúc nano, các loại sơn tự làm sạch với màu sắc phong phú, các chất lỏng từ thông minh [37]

Vật liệu nano ứng dụng trong y sinh: vật liệu nano đã xâm nhập sâu vào lĩnh vực sinh học và y học và đã tạo ra ngành mới đó là y sinh học nano Trong nghiên cứu vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm đã tạo ra các công cụ đánh dấu, nhận dạng rất hữu hiệu các phần tử sinh học, như protein, DNA và virut…[9, 44]

1.1.2 Chiến lược chế tạo vật liệu nano

Có hai phương pháp chính để chế tạo vật liệu: phương pháp từ trên xuống down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

(top-Hướng thứ nhất: hướng tiếp cận từ trên xuống tức là xuất phát từ các kích cỡ micromet Sau đó, làm giảm kích thước đặc trưng của vật liệu xuống kích thước nanomet Các sản phẩm chế tạo theo cách này có thể điều chỉnh kích thước khá tốt, đặc trưng vật lý rất rõ và thường sử dụng các phương pháp vật lý kiểu quang khắc, đi kèm với các chùm ion, các chùm hạt, chùm điện tử và có thể chế tạo các vật liệu có kích thước cỡ 50 nm Tuy nhiên, chất lượng hình thái học không cao, khá tốn kém và đòi hỏi phải có hệ thống máy móc thiết bị hiện đại [33]

Hướng thứ hai: hướng tiếp cận từ dưới lên, chủ yếu sử dụng các phương pháp hóa học để lắp ghép các đơn vị nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau nhằm thu được các cấu trúc nano Cách tiếp cận này vẫn còn tương đối mới, ngày càng thu hút sự chú

ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và không đòi hỏi các thiết bị hiện đại [33]

So với các phương pháp vật lý đã được thương mại hóa trong các ứng dụng công nghiệp để chế tạo ra các cấu trúc nano, các phương pháp hóa học đang chiếm ưu thế

về khả năng thu được các dạng cấu trúc nano có hình thái học tốt và tính đồng nhất cao Một số phương pháp như sol-gel, thủy nhiệt, khuôn mềm hiện là những phương pháp chủ yếu được sử dụng để tổng hợp các dạng cấu trúc nano khác nhau [45] Đặc điểm chính của các phương pháp là khả năng điều khiển quá trình kết tủa, các sản phẩm thu được có độ đồng đều, có thể điều khiển được kích thước dễ dàng [41] Trong luận án này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp vi sóng và phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu nghiên cứu

1.2 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm

1.2.1 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm

Các nguyên tố đất hiếm gồm tập hợp của mười bảy nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ 57 đến 71 trong bảng tuần hoàn của Mendeleev: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm,

Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu Những nguyên tố này có hàm lượng rất nhỏ trong Trái đất, được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích, các mỏ quặng và cát đen [46] Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f n5s25p65d m6s2

n: nhận các giá trị từ 0 ÷ 14; còn m chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1

Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng tử cao Huỳnh quang của các hợp chất đất hiếm đã được nghiên cứu do tính chất quang vật lí hấp dẫn [47-49] Do vậy, chúng có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, quang điện tử, quang tử, thông tin quang học và y sinh [50, 51]

1.2.2 Vật liệu huỳnh quang chứa ion đất hiếm

Vật liệu huỳnh quang được cấu tạo từ hai phần chính: chất nền và chất pha tạp hay còn gọi các tâm phát quang Chất nền có khả năng hấp thụ photon năng lượng cao

và truyền cho các tâm phát xạ thông qua các dao động mạng (phonon) 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, vùng bức xạ kích thích của các tâm phát quang (không có quá trình hấp thụ vùng bức xạ kích thích của các tâm phát quang cũng như không có quá trình phát xạ của mạng nền) Nó đóng vai trò là môi trường phân tán, giữ các tâm phát quang Chất pha tạp thường là đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc và bán kính nguyên tử phù hợp với mạng nền

Ví dụ: Vật liệu huỳnh quang pha tạpYVO4:Eu3+thì YVO4 là mạng nền, Eu3+ tâm phát quang Với vật liệu hợp thức EuPO4 ion Eu3+ đóng vai trò một thành tố của mạng nền đồng thời là tâm phát quang

1.2.2.1 Cơ chế phát quang chứa ion đất hiếm

Vật liệu huỳnh quang khi được kích thích có khả năng phát quang (huỳnh quang) Sự phát huỳnh quang xảy ra khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng quang (photon) Ở trạng thái cơ bản Eo, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron, để nhận năng lượng các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích E* (đây là một trạng thái không bền) Do đó, electron sẽ mau chóng nhường năng lượng dưới dạng nhiệt để về trạng thái kích thích có năng lượng thấp hơn

E*’, thời gian tồn tại của electron giữa mức năng lượng kích thích E* → E*’ rất nhỏ (khoảng 10-9 đến 10-12 giây) Sau khi về trạng thái kích thích E*’, electron lại một lần nữa phát năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn hiện tượng này gọi là huỳnh quang phân tử

Có nhiều cách kích thích khác nhau để vật liệu phát huỳnh quang, tùy theo cơ chế kích thích mà có các loại huỳnh quang như quang huỳnh quang được kích thích bởi bức xạ điện từ, điện huỳnh quang được kích thích bởi điện trường Cơ chế phát quang của ion đất hiếm trong mạng nền là chuyển mức của điện tử trong nguyên tử

Cơ chế này phụ thuộc vào cấu hình điện tử của các nguyên tố đất hiếm

1.2.2.2 Sự tách mức năng lượng ở phân lớp 4f của nguyên tố đất hiếm

Bảng 1.1 cho thấy bán kính ion của các nguyên tố đất hiếm nhỏ hơn so với các nguyên tố s, p cùng chu kỳ và giảm dần nên chúng tương tác rất yếu với phonon mạng và trường tinh thể Trạng thái năng lượng của điện tử 4f trong ion đất hiếm ít

bị ảnh hưởng bởi trường tinh thể Các điện tử phân lớp 4f là các điện tử không tương đương (điện tử có 2 số lượng tử có giá trị n = 4 và l = 3 khác nhau) Khi đó, các trạng thái nhiều điện tử của chúng được kí hiệu là 2S+1L (với S là số lượng tử spin tổng cộng

và L là số lượng tử quỹ đạo tổng cộng) Sự tách mức năng lượng của các trạng thái

2S+1L khác nhau mô tả sự tương tác tĩnh điện giữa các điện tử

Tiếp đến, xét đến tương tác spin - quỹ đạo các mức năng lượng 2S+1L lại được tách thành nhiều mức khác theo số lượng tử tổng cộng J và có các mức năng lượng

2S+1LJ Sau đó, xét đến sự ảnh hưởng của trường tinh thể của mạng nền, lớp điện tử phân lớp 4f (chưa điền đầy) của ion đất hiếm được bao bọc bởi 2 lớp lấp đầy 5s25p6 Do vậy, hiệu ứng của trường tinh thể xung quanh yếu nên có thể xem trường tinh thể là một nhiễu loạn Chính đặc điểm trên dẫn tới hiện tượng ít phụ thuộc vào mạng nền của RE Những mạng nền khác nhau sẽ có sự tách các mức năng lượng khác nhau phụ thuộc vào sự đối xứng khác nhau của các mạng nền [52] Nhiễu loạn của trường tinh thể đối với các điện tử 4f của ion RE3+ thể hiện thông qua thế năng tương tác hiệu dụng Ve Hiện tượng này gây nên sự tách suy biến góc và tạo ra các trạng thái năng lượng phụ thuộc vào L và S

Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [53]

Giải bài toán gần đúng với phương trình SchrÖdinger, toán tử Hamilton tự do H

= HTD + Ve sẽ tìm được hàm sóng và năng lượng của ion RE3+ trong một mạng nền nhất định, với phân lớp 4f7 chưa lấp đầy nên L ≠ 0 Mô hình tách mức năng lượng của phân lớp 4f trong trường tinh thể của mạng nền thể hiện trên Hình 1.2

Hình 1.2 Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f

1.2.2.3 Ion Europi (Eu 3+ , Eu 2+ )

Europi (Eu) là nguyên tố đất hiếm thuộc họ Lantanit ở ô thứ 63 trong bảng tuần hoàn Mendeleev và có cấu hình nguyên tử [Xe] 4f7 5s2 5p6 6s2

Ion Eu3+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f6 5s2 5p6, phân lớp 4f có 6 điện tử Ion Eu2+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f7 5s2 5p6, phân lớp 4f có 7 điện tử Hình 1.3 là sơ đồ cấu trúc năng lượng của ion Eu3+ và Eu2+, dải năng lượng của các ion này chia thành 2 nhóm

Nhóm thứ nhất: Ion Eu2+ với trạng thái 4f7đã đầy một nửa, lớp vỏ ổ n đị n h này “khó chấp nhận cũng như bớt đi electron”, do đó không xuất hiện những trạng thái chuyển tiếp điện tích có năng lượng thấp mà trạng thái kích thích của Eu2+ nằm ở mức năng lượng cao thuộc dải năng lượng của trạng thái 4f65d1 Xét quá trình chuyển mức 4f - 5d của Eu2+, trạng thái 5d chịu ảnh hưởng mạnh bởi trường tinh thể mạng nền nên bị tách thành một dải Số lượng các mức năng lượng trong dải được xác định bởi sự đối xứng tinh thể ở vị trí của ion đất hiếm Khi có quá trình chuyển đổi hấp thụ 4f7 (8F7/2) → 4f65d1 xảy ra, sẽ có quá trình chuyển đổi phát xạ 4f65d1 → 4f7 (8F7/2) (chuyển mức phát xạ 5d → 4f) Do trạng thái 4f65d1 là dải năng lượng rộng bao gồm các mức năng lượng gần như liên tục nên cơ chế phát xạ của Eu2+

phát xạ vùng điện tích Vì vậy, Eu2+ cho phát xạ dải rộng Sự tách mức năng lượng của trạng thái 5d phụ thuộc vào trường tinh thể mạng nền tại vị trí Eu2+, trường tinh thể mạng nền khác nhau dẫn đến sự tách mức trạng thái 5d khác nhau Khoảng cách 4f - 5d thay đổi khi có chuyển tiếp phát xạ 5d - 4f xảy ra sẽ cho dải phát xạ tương ứng với vùng ánh sáng khác nhau

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc năng lượng của ion Eu 3+ , Eu 2+ trong mạng nền

Nhóm thứ hai: Ion Eu3+ với lớp vỏ 4f6 còn thiếu một electron nữa thì điền đầy một nửa, nên lớp vỏ 4f6 này sẵn sàng nhận một điện tử Do đó, xuất hiện các trạng thái chuyển tiếp - điện tích có năng lượng thấp Ion Eu3+ cho phép chuyển mức hấp thụ và phát xạ quang học gây ra bởi các trạng thái chuyển tiếp - điện tích này Đó

là sự dịch chuyển từ các mức năng lượng 4f - 4f, 7FJ - 5D0 Khác với mức 5d, mức 4f cũng chịu sự tác động của trường tinh thể nhưng yếu hơn nhiều Vì vậy, sự tách mức

do trường tinh thể của 4f cũng hẹp hơn nhiều so với mức 5d Không giống như quá trình chuyển tiếp 4f - 5d, nhưng sự dịch chuyển này cũng tương ứng với quá trình dịch chuyển quang học cho phép [54] Ion Eu3+ phát xạ do các mức năng lượng 7FJ

gần nhau Do vậy, Eu3+ cho phát xạ vạch trong vùng nhìn thấy Khi ion Eu3+ được kích

thích lên mức năng lượng cao, nó sẽ nhanh chóng hồi phục về mức năng lượng thấp

hơn và phát xạ các vạch trong vùng khả kiến tương ứng với các dịch chuyển từ mức bị

kích thích 5D0 tới các mức 7Fj (j = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) của cấu hình 4f6 Mức 5D0 không

bị tách bởi trường tinh thể (J = 0), sự tách các dịch chuyển phát xạ sinh ra sự tách

trường tinh thể trên các mức 7Fj

1.3 Vật liệu nano phát quang YVO 4 :Eu 3+

Ytri octhovanadat (YVO4) là vật liệu quang học lý tưởng với cấu trúc tinh thể

một trục Tinh thể YVO4 có thuộc tính cơ bản: độ khúc xạ kép lớn, đối xứng kiểu

tetragonal, thuộc nhóm không gian D4h Các thông số mạng tinh thể của YVO4

a = b = 7,12 Å; c = 6,29 Å; mật độ = 4,22 g/cm3 và không hút ẩm (Hình 1.4)

Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của vật liệu YVO 4

Hình 1.5 cho thấy, phát xạ của ion Eu3+ pha tạp vào hai vật liệu YVO4:Eu3+ và

Na(Lu,Eu)O2 nhưng có sự khác nhau về cấu trúc tinh thể Cấu trúc tinh thể của YVO4

không có đối xứng đảo, các vạch phát xạ của chuyển dời 5D0 →7F2 tại bước sóng 619

nm (được phép bởi chuyển dời lưỡng cực điện) Trong khi đó, cấu trúc của Na(Lu,

Eu)O2 có đối xứng đảo, các vạch phát xạ của chuyển dời 5D0 → 7F1 (được phép bởi

chuyển dời lưỡng cực từ và phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể)

Hình 1.5 Phổ huỳnh quang của Eu 3+ trong các vật liệu YVO 4 : Eu 3+ (a) và Na(Lu,Eu)O 2 (b) [55]

Vật liệu YVO4:RE3+ (RE3+ = Eu3+, Sm3+, Dy3+…) đã được nhiều nhóm tác giả đã và đang nghiên cứu ở kích thước cỡ nano để có những vùng phát xạ khác nhau đem lại những ứng dụng vật liệu phát quang với các màu sắc khác nhau [56-59] Một trong các ưu điểm của YVO4:Eu3+ để vật liệu này được ứng dụng trong

y sinh, vật liệu phát quang trong vùng màu đỏ Vật liệu được chế tạo ở nhiệt độ thường, tần số dao động phonon thấp, độ bền cơ học cao, đặc biệt thân thiện với

cơ thể con người và môi trường

Trên thế giới, chúng ta có thể điểm qua một vài thí dụ điển hình như nhóm nghiên cứu Zhang và cộng sự [60] năm 2006 chế tạo bột nano YVO4 pha tạp 5%

Eu3+ bằng phương pháp Sol - gel dùng axit xitric như là một tác nhân tạo phức càng cua, vật liệu thu được phát quang tốt Năm 2007, Kang và cộng sự [11] đã tổng hợp hạt nano YVO4:Eu3+ ứng dụng trong xét nghiệm miễn dịch Năm 2008, Giaume

và các cộng sự [36] đã chế tạo đã chế tạo YVO4 pha tạp Eu3+, chức năng hoá bề mặt nhằm liên hợp với guanidine thông qua lớp vỏ từ TPM hay GLYMO hoặc có thể gắn kết với BSA (bovine serum albumin) để xét nghiệm huỳnh quang miễn dịch phát hiện xác định tế bào (Hình 1.6) Hình 1.6a là kết quả hạt YVO4:Eu3+ được xử lý bằng hợp chất bọc vỏ là vật liệu lai từ silica có chứa nhóm propylamine Nhóm chức có nhiệm

vụ gắn kết với guanidine tạo liên hợp sinh học, điều kiện cần thiết để tiến hành đánh dấu huỳnh quang Các hình ảnh chụp qua kính hiển vi cho thấy các hạt YVO4:Eu3+

được dàn mỏng trên tấm thuỷ tinh (Hình 1.6b) Ảnh thu được khi YVO4:Eu3+ đã hợp sinh trong môi trường sinh học của tế bào (Hình 1.6c)

Hình 1.6 Sơ đồ hạt nano YVO 4 :Eu 3+ hợp sinh BSA (a) và ảnh hiển vi huỳnh quang của hạt nano

liên hợp (b) và cùng với tế bào cần đánh dấu (c) [36]

Đến năm 2009, Jia và cộng sự [56] đã chế tạo hạt nano pha tạp YVO4:Ln3+

(Ln: Eu, Dy, Sm) bằng phương pháp dung nhiệt Vật liệu tạo được có cường độ phát quang cao, kích thước hạt khoảng 20 nm hứa hẹn định hướng ứng dụng trong chiếu sáng, màn hình phẳng tivi, các linh kiện điện tử và trong y sinh

Hình 1.7 Ảnh TEM của vật liệu YVO 4 :Eu 3+ có PEG (a) và (b)

vật liệu YVO 4 :Eu 3+ không có PEG (c) [61]

Năm 2010 Choi và các cộng sự [61] đã tổng hợp thành công vật liệu YVO4:Eu3+ khi có thêm polyetylen glycol (PEG có M = 400) theo phương pháp thủy nhiệt ủ ở 200 oC với thời gian gia nhiệt là 12 giờ Hình 1.7 là ảnh TEM của vật liệu YVO4:Eu3+ khi có PEG (a), (b) và vật liệu YVO4:Eu3+ khi không có PEG (c) Vật liệu thu được có cấu trúc tinh thể của YVO4 dạng tetragonal, kích thước hạt

khoảng 20 ÷ 30 nm Vai trò của PEG là tăng cường độ huỳnh quang và bảo vệ bề mặt của vật liệu

Đến năm 2012, nhóm Jia và các cộng sự [62] bằng con đường dung nhiệt (ủ

120 oC trong 24 giờ) đã tổng hợp vật liệu nano dạng hạt YVO4:Ln3+ (Ln = Eu, Dy) ở pH = 10 Vật liệu chế tạo được có cấu trúc tetragonal với kích thước hạt 70

÷ 100 nm và được ứng dụng trong y sinh Tiếp đến, nhóm Li và các cộng sự [63]

đã tổng hợp thành công vật liệu YVO4:Eu3+ bằng phương pháp thủy nhiệt khi sử dụng chất polyacrylamide hoặc polyacrylic acid ở nhiệt gần 100 oC thu được vật liệu

có dạng hình cầu, kích thước hạt 100 ÷ 200 nm và phát quang cao Ngoài ra, nhóm Ansari và các cộng sự [64] cũng đã chế tạo vật liệu huỳnh quang YVO4:Eu3+ ở dạng sợi bằng phương pháp thủy nhiệt ứng dụng trong chiếu sáng Bên cạnh đó, nhóm Q LuO và cộng sự [65] cũng đã chế tạo thành công vật liệu YVO4:Eu3+ có hai cấu trúc là cubic (lập phương) và hexagonal (lục giác) bằng phương pháp đúc nano (nanocasting) Vật liệu ở cả hai cấu trúc này đều có diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp lớn, phân bố đồng nhất và định hướng ứng dụng trong y sinh Để YVO4 có cấu trúc cubic tỷ lệ pha tạp Eu3+ là 8% mol, còn cấu trúc YVO4 hexagonal tỷ lệ pha tạp Eu3+ là 5% mol Ngoài

ra, nhóm tác giả Sun và các cộng sự [66] cũng đã tổng hợp vật liệu YVO4:Eu3+ khi cho thêm chất từ tính Fe3O4 với ứng dụng là vật liệu mang thuốc

Tiếp đến, năm 2013 nhóm Shao và các cộng sự [67] đã chế tạo vật liệu YVO4:

Eu3+ có thêm sự có mặt của etylenglycol (EG) bằng phương pháp thủy nhiệt Kết quả thu được hình thái học của vật liệu ở dạng hạt, dạng hoa (Hình 1.8) và có ứng dụng trong linh kiện quang điện tử (Hình 1.9) Cùng năm đó, nhóm Zhang và các cộng sự [68] đã tổng hợp vật liệu YVO4:Eu3+ đa lớp YVO4:Eu3+@nSiO2@mSiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt Ngoài pha tạp Eu3+, vật liệu YVO4:Eu3+ còn pha tạp với Ln3+ bằng

Yb3+, Er3+, Ho3+ Vật liệu chế tạo được YVO4: Ln3+@nSiO2@mSiO2 có cường độ phát quang cao và có ứng dụng trong y sinh

Hình 1.8 Ảnh SEM của mẫu YVO 4 :Eu 3+ với độ pH

khác nhau (A) 3.47, (B) 4.20, (C) 12, (D) 12.8 [67]

Hình 1 9 Ảnh HRTEM (D) và ảnh FFT hình chèn của YVO 4 :Eu 3+ (D) [67]

Năm 2014, Iso và các cộng sự [57] đã chế tạo được vật liệu nanocomposite của YVO4:Bi3+,Eu3+ nhúng trong silica Trong đó, vật liệu YVO4:Bi3+, Eu3+ được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa Vật liệu silica được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel dùng TAMS (Tetramethylammonium silicate) Kết quả thu được vật liệu YVO4:Bi3+, Eu3+ đã được nhúng silica, hình thái học của vật liệu chế tạo có đường kính d = 5.3  2 nm Cường độ phát quang cao, đỉnh phát xạ mạnh nhất ở bước sóng

619 nm có ứng dụng trong chiếu sáng Để tăng cường độ huỳnh quang nhóm Xie và các cộng sự [69] đã cải thiện tính chất huỳnh quang của YVO4:Eu3+ với cấu trúc lõi vỏ YVO4:Eu3+ 50%@YVO4 được ủ 800 oC Kết quả cho thấy cường độ huỳnh quang tăng

13 lần và hiệu suất phát quang tăng 14,4% Bên cạnh đó, ngoài ứng dụng trong y sinh, Wang và cộng sự [70] đã tổng hợp vật liệu YVO4 kết hợp Bi tạo ra vật liệu YVO4/

Y2O3:Eu3+, Bi3+ theo phương pháp khuếch tán nhiệt bề mặt (surface-confined thermal diffusion method) với ứng dụng phát ánh sáng trắng

Trong nước, đã có một số nhóm nghiên cứu vật liệu chứa Eu3+ nhằm mục đích ứng dụng trong chiếu sáng [71], trong in bảo mật [72], trong y sinh [9] Sau khi tìm hiểu các nghiên cứu trong nước và trên thế giới, chúng tôi thấy vật liệu nano YVO4:Eu3+ là loại vật liệu có nhiều ứng dụng phát sáng, y sinh … hứa hẹn tiềm năng chế tạo ra các công cụ đánh dấu và nhận dạng Tuy nhiên, để phản ứng đánh dấu và nhận dạng xảy ra nhanh sẽ phụ thuộc vào kích thước hạt, các phương pháp chế tạo phù hợp Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, các phương pháp chế tạo, cách sử

dụng các tiền chất cũng như các điều kiện và kỹ thuật xử lý mẫu khác nhau có những ảnh hưởng nhất định đến sự hình thành cấu trúc của vật liệu Những điểm còn hạn chế này của vật liệu đã và đang được quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm tác giả trên thế giới nhằm cải thiện tính chất, tiến tới khả năng ứng dụng cao của vật liệu Chính vì vậy YVO4:Eu3+ được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu

1.4 Vật liệu nano phát quang EuPO 4 H 2 O

Để tìm hiểu vật liệu EuPO4.H2O trước tiên chúng tôi xin giới thiệu sơ qua về vật liệu LnPO4 (Lantan phốt phát) Đây là vật liệu quan trọng cho các ứng dụng quang học vì chúng có tính chất quang mạnh, hiệu ứng phát xạ dài, hiệu suất lượng tử cao và mức độ dập tắt huỳnh quang theo nhiệt độ thấp [17, 73] Các vật liệu phát quang LnPO4 pha tạp ion đất hiếm có thời gian sống khá dài nên được ứng dụng nhiều trong

kỹ thuật chiếu sáng hiệu suất cao, trong các màn hình phẳng phân giải cao, trong đánh dấu bảo mật và đánh dấu huỳnh quang y sinh [44] Với phốt phát kim loại kiềm thổ có trong thành phần cấu trúc của xương /răng nên vật liệu LnPO4 là một ứng viên sử dụng phù hợp làm phần tử đánh dấu huỳnh quang y sinh trong cơ thể sống mà không gây độc hại [17, 44] LnPO4 thường tồn tại dưới dạng muối octho phốt phát LnPO4,

một vài dạng phức hệ thống Ln2O3-P2O5 bao gồm meta phốt phát Ln(PO3)3 và

penta phốt phát (hoặc ultra phốt phát) LnP5O14 [74] Lantan octho phốt phát tồn tại ở

cấu trúc monazite đối với các nguyên tố từ La tới Gd và cấu trúc xenotime đối với các nguyên tố từ Dy tới Lu và nguyên tố Y còn tồn tại dưới dạng muối khoáng ngậm nước, khi ủ ở nhiệt độ phù hợp thì các muối này sẽ chuyển về dạng cấu trúc monazite

và xenotime tương ứng Với ion đất hiếm hoá trị ba, bán kính ion giảm từ La tới Lu làm thay đổi kiểu cấu trúc của octho LnPO4, vị trí của Dy và Tb là ranh giới của sự chuyển cấu trúc này

Các ion Ln3+ có bán kính ion lớn, với cấu trúc monazite trong đó có 9 vị trí không đều, lân cận bởi các cation Ngược lại, với những ion đất hiếm có bán kính ion nhỏ hơn, thì chỉ còn 8 vị trí lân cận bởi oxy (cấu trúc xenotime YPO4 hoàn toàn tương tự với cấu trúc của ZrSiO4 với 1 kim loại và 8 vị trí lân cận) Trong cả hai kiểu phốt phát này, một vài loại bị bóp méo thành kiểu cấu trúc của các nhóm tứ diện PO43- liên kết với nhau [74] Bảng 1.2 cho thấy vật liệu có trạng thái cấu trúc ổn định tới 2000 oC

Cấu trúc monazite và xenotime có sự bền nhiệt đặc biệt, thể hiện sự đơn pha cho đến nhiệt độ sôi của chúng Trên thực tế, việc tổng hợp với sự hạn chế về các cấu trúc này rất khó thực hiện để tổng hợp được chúng, nhiều hệ vật liệu LnPO4 cũng đã được chế tạo thành công để làm mạng nền cho nhiều ion kích hoạt [75, 76]

Bảng 1.2 Một vài dạng cấu trúc và trạng thái ổn định của octho phốt phát LnPO 4 [74]

La tới Gd LnPO4 Monazite Khoảng 2000 oC

Dy tới Lu, Y LnPO4 xenotime Khoảng 2000 oC

La tới Gd LnPO4.1/2H2O Rhabdophane Chuyển về dạng monazite

ở khoảng 500 oC

Dy tới Lu, Y LnPO4.2H2O Weinschenkite Chuyển về dạng xenotime

ở khoảng 300 oC Trên thế giới, Patra và các tác giả [17] tổng hợp thành công vật liệu LnPO4.nH2O (Ln = La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd và Tb) bằng phương pháp vi sóng, pH trong khoảng 1,8

 2,2

Hình 1.10 Phổ kích thích (a) và phổ huỳnh quang (b) của EuPO 4 H 2 O [17]

Hình thái học của vật liệu EuPO4.H2O ở dạng thanh (chiều dài thanh 6 ÷ 130 nm)

và dạng dây (chiều dài dây 70 ÷ 2200 nm) Cấu trúc của vật liệu EuPO4.H2O là tinh thể hecxagonal (lục giác) Vật liệu chế tạo được đều phát quang với chuyển dời đặc trưng của Eu3+: 5D0 → 7FJ (J = 1, 2, 3, 4) Các đỉnh phát xạ thu được tại các bước sóng

khoảng 586, 619, 652 và 697 nm tương ứng với các chuyển dời 5D0 → 7F1, 5D0 → 7F2,

5D0 → 7F3 và 5D0 → 7F4 Đỉnh phát xạ mạnh nhất tại bước sóng 590 nm gây ra do chuyển rời lưỡng cực từ 5D0 → 7F1 của vật liệu nano phát quang (Hình 1.10)

Sản phẩm chế tạo EuPO4.nH2O đã được Patra và các tác giả [44] tiếp tục chức năng hóa thành công vật liệu nano EuPO4.nH2O và đã tạo ra công cụ đánh dấu huỳnh quang ứng dụng trong y sinh Cụ thể, đã có kết quả sử dụng thanh nano TbPO4.H2O, EuPO4.nH2O liên hợp với tế bào HUVEC Tiếp đó, các đặc tính quang phổ huỳnh quang (FS), hiển vi tương phản giao thoa (DIC), hiển vi confocal và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã được khảo sát

Hình 1.11 Ảnh TEM của mẫu thanh nano

EuPO 4 H 2 O(A-B) và TbPO 4 ·H 2 O (C-D)

với độ phóng đại khác nhau [44]

Hình 1.12 Hình ảnh hiển vi DIC của tế bào HUVEC [44]

Hình 1.11 là ảnh TEM của mẫu thanh nano EuPO4.H2O (A-B) ở thang 20 nm và

100 nm TbPO4·H2O (C-D) với độ phóng đại ở 100 nm và 500 nm [44] Hình 1.12 là hình ảnh hiển vi DIC (differential interference contrast) của tế bào HUVEC với thanh nano và không có thanh nano trong đánh dấu tế bào ứng dụng làm vật liệu cảm biến quang y sinh A: HUVEC – Không có thanh nano, (B-D): HUVEC - EuPO4.H2O ở các nồng độ khác nhau (B: 20 mg/ml, C: 50 mg/ml và D: 100 mg/ml), và (EF): HUVEC - TbPO4.H2O ở các nồng độ khác nhau (E: 50 mg/ml và F: 100 mg/ml) Các thanh nano bên trong các tế bào được đánh dấu bằng mũi tên dấu trắng (B-D)

Y Chen và các cộng sự [77] bằng phương pháp thủy nhiệt đã tổng hợp thành công khi sử dụng Eu2O3 và H3PO4 làm nguyên liệu với sự có mặt của PEG (M = 200)

ở 120 °C trong 15 giờ Kết quả cho thấy PEG (M = 200) đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi hình thái học của vật liệu Nhóm cũng đã tạo ra được vật liệu EuPO4.H2O các hình dạng giống như hoa Bên cạnh đó, H Ma và các tác giả [78] đã chế tạo senser miễn dịch (immunosensor) đi từ thanh nano EuPO4.nH2O và phát hiện các kháng nguyên PSA (Prostate Specific Antigen) (Hình 1.13) Các nghiên cứu cho thấy chúng không gây tác dụng phụ có hại đến tế bào Chính vì vậy, các thanh nano có thể là vật liệu đầu để chế tạo các công cụ phát hiện và chẩn đoán ung thư sớm (ở giai đoạn ban đầu)

Hình 1.13 Sơ đồ minh họa quy trình chế tạo sensor miễn dịch ECL của màng EuPO 4 / CS [78]

Ở trong nước cũng có đã có nhóm nghiên cứu vật liệu LnPO4.nH2O ứng dụng trong y sinh, cụ thể đã chế tạo thành công dây nano TbPO4 kết hợp với vật liệu từ tính ứng dụng cho y sinh [79] Tuy nhiên, những nghiên cứu về vật liệu EuPO4.H2O còn chưa nhiều Qua các nghiên cứu về vật liệu hợp thức EuPO4.nH2O cho thấy ở dạng dây nano có thể đánh dấu nhận dạng tốt theo chế độ ngoại bào Chính vì vậy, EuPO4.nH2O cũng là vật liệu rất có triển vọng ứng dụng trong y sinh và được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu

1.5 Công cụ đánh dấu huỳnh quang miễn dịch y sinh

Trên thế giới, có nhiều phương pháp phát hiện các đối tượng sinh học như tế bào, virut, các phân tử protein, peptit hay AND hiện trên cơ sở hình ảnh nhận dạng v.v.[80] Hiện nay, trong sinh y học có một số phương pháp phân tích xét nghiệm phổ

biến như phương pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) hoặc phương pháp miễn dịch huỳnh quang FIA (Fluorescence Immuno Assay) Phương pháp phân tích miễn dịch huỳnh quang với độ nhạy cao, chính xác được dùng khá phổ biến Với phương pháp đánh dấu huỳnh quang và sử dụng kính hiển vi huỳnh quang được dùng

để quan sát phát hiện nhanh các virut, tế bào bệnh nhằm chẩn đoán sớm, triển khai các quy trình điều trị mới [81]

Nói riêng, lĩnh vực vật liệu nano phát quang đã đạt được một số thành tựu nổi bật sau: chụp hình ảnh các tế bào gây ung thư [82], phát hiện siêu nhạy các virut [83], phát hiện DNA [84], chế tạo tem đánh dấu [85], phân ly và tinh chế các phân tử sinh học các tế bào [86], phân phối thuốc [87] Đặc biệt, các vật liệu nano huỳnh quang dạng hạt hoặc thanh nano chứa các đất hiếm của Ytrie (Y) [88], Europi (Eu) [89], Terbi (Tb) [44, 90], Erbi (Er) và Yterbie (Yb) [91] đã được nghiên cứu và ứng dụng làm vật liệu cảm biến quang y sinh [44, 89]

Tất cả các loại virut đều có kích thước nằm trong thang nanomet Thực tế chúng hình thành một lớp vật liệu nano 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 nano nào được chế tạo ra từ các phòng thí nghiệm có thể so sánh được Hiện nay, quy trình sản xuất vacxin thường sử dụng loại tế bào chuẩn - tế bào vero, rồi cho lây nhiễm với các virut gây bệnh truyền nhiễm tương ứng Quá trình gây nhiễm sẽ sản sinh ra các kháng nguyên, chính là các mầm gây bệnh Vì vậy, nếu một công cụ đánh dấu nào đó có thành phần kháng thể tương ứng tiếp xúc với hệ tế bào lây nhiễm sẽ xảy ra phản ứng sinh học đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể - phản ứng miễn dịch Cơ chế của phản ứng miễn dịch huỳnh quang (MDHQ) thông qua Hình 1.14

Trong Hình 1.14 ở phần trên lần lượt là các kí hiệu biểu thị kháng thể (antibody), kháng- kháng thể (anti-antibody) và kháng-kháng thể gắn kết với vật liệu phát quang (labelled anti-antibody) Thành phần cuối chính là công cụ đánh dấu y sinh học Phần dưới mô tả công cụ đánh dấu tương tác với phức hợp của kháng nguyên/kháng thể có trên bề mặt của virut dựa trên tương tác miễn dịch Sản phẩm phản ứng miễn dịch liên quan đến virut có kích thước dưới micromet Đôi khi chúng có thể tạo thành mảng lớn với kích thước micromet

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phân tích đánh dấu huỳnh quang miễn dịch

Để phát hiện hình ảnh nhận dạng cần có các kính hiển vi quang học có khả năng phóng đại khoảng hàng chục ngàn lần Khi đó có thể phát hiện và nhận dạng rõ nét sản phẩm của phản ứng miễn dịch Sử dụng kính hiển vi quang học phân giải cao, ở độ phóng đại hàng chục nghìn lần trở lên, sẽ dễ dàng phát hiện các sản phẩm của phản ứng miễn dịch có đính vật liệu phát quang Từ việc phân tích hình dạng, mầu sắc và cường độ phát quang của các kết tập người ta đánh giá chất lượng của vacxin

Các kiến thức cơ bản liên quan đến tính chất phát quang, cơ chế và một số hiệu ứng phát quang cũng được trình bày cụ thể Bên cạnh đó, chương này cũng giới thiệu vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+, EuPO4.H2O Giới thiệu về công cụ đánh dấu huỳnh quang miễn dịch y sinh Từ đó xác định rõ mục tiêu của luận án tập trung nghiên cứu xây dựng phương pháp chế tạo có điều khiển các dạng cấu trúc nano khác nhau về khả năng phát quang của hệ vật liệu để tìm ra hệ vật liệu mới có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

Trong chương này, chúng tôi trình bày các phương pháp chế tạo các vật liệu nano YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O và các kỹ thuật thực nghiệm để đo đạc khảo sát cấu trúc, các tính chất quang học của các mẫu đã chế tạo

2.1 Các phương pháp hóa học chế tạo vật liệu

Các mẫu nghiên cứu trong luận án được chế tạo chủ yếu bằng các phương pháp thủy nhiệt và phương pháp vi sóng

2.1.1 Phương pháp thủy nhiệt

Bản chất của phương pháp thủy nhiệt là quá trình hình thành mẫu diễn ra ngay trong dung dịch có nước tham gia với vai trò của chất xúc tác, xảy ra ở nhiệt độ cao (>

100 °C), áp suất lớn (> 1at) và trong hệ kín (Hình 2.1) Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp hóa học hiệu quả để chế tạo vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ micro đến nano mét Phương pháp này tiết kiệm năng lượng, không gây hại môi trường vì phản ứng được tiến hành trong một hệ phản ứng kín [92, 93]

Hình 2.1 Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt

Với phương pháp thủy nhiệt, hóa chất được sử dụng để chế tạo các hệ vật liệu, các muối được cân theo đúng tỉ lệ % mol, hòa tan bằng nước tinh khiết và trộn vào nhau Eu(NO3)3.5H2O, Y(NO3)3.6H2O, NH4VO3 (hoặc Na3VO4)

Chất chuẩn pH: dung dịch HCl, dung dịch NH3, dung dịch NaOH tinh khiết Các chất hoạt động bề mặt: Sodiumdodecylsuffat (SDS), Dioctylsulfosuccinatesodiumsalt (AOT), Hexadecyltrimethyllammoniumbromide (HTAB) Nước khử ion và một số dung môi dùng cho quá trình làm sạch mẫu etanol (Các hóa chất đều tinh khiết 99,9% do hãng Merck sản xuất)

Khuấy từ được tiến hành trong một thời gian nhất định Quá trình tổng hợp vật liệu nano YVO4:Eu3+ bằng phương pháp thủy nhiệt theo phương trình phản ứng: Y(NO3)3 + NH4VO3 + Eu(NO3)3 → YVO4:Eu3+ + Sản phẩm khác (1)

Quy trình chế tạo mẫu YVO4:Eu3+ được trình bày trong sơ đồ Hình 2.4 ở pH = 6, với nhiệt độ ủ ở 200 oC trong 6 giờ (kết hợp cùng với chất hoạt động bề mặt) được mô

tả như sau:

Bước 1: Hòa tan một lượng Y(NO3)3.6H2O và Eu(NO3)3.5H2O với tỉ lệ YVO4:

Eu3+ là 3% về số mol và thêm chất hoạt động bề mặt vào trong 60 ml H2O, thực hiện khuấy từ trong 90 phút được dung dịch 1

Bước 2: Hòa tan lượng hóa chất đã tính toán NH4VO3 hoặc Na3VO4 vào 40 ml

H2O khuấy từ trong 30 phút thu được dung dịch 2

Bước 3: Nhỏ từ từ dung dịch 1 vào dung dịch 2 thu được kết tủa trắng đục Dung dịch thu được đem khuấy từ trong 90 phút, pH của dung dịch được điều chỉnh trong khoảng pH = 6 (chất điều chỉnh pH có thể dùng dung dịch NH3 hoặc NaOH 10%), tiếp tục đem khuấy từ trong 2 giờ và được chuyển vào Autoclave với nhiệt độ ủ ở 200 oCtrong 6 giờ Sản phẩm thu được đem ly tâm và sấy thu được bột YVO4:Eu3+

2.1.2 Phương pháp vi sóng (Microwave)

Vi sóng là sóng cực ngắn hay còn gọi là sóng siêu cao tần, sóng UHF Vi sóng được làm nóng không dùng sự truyền nhiệt thông thường, làm nóng rất chọn lọc, chỉ làm nóng vật chất trong bình chứ không làm nóng bình, tất cả mọi vị trí trong bình phản ứng đều nóng lên như nhau Vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chất ngay từ bên trong và làm tăng hoạt động những phân tử phân cực đặc biệt là nước Nước bị làm nóng do hấp thụ vi sóng bốc hơi tạo ra áp suất cao tại nơi bị tác dụng, đẩy nước đi từ tâm của vật đun ra đến bề mặt của nó

Vi sóng được ứng dụng trong tổng hợp hóa học làm giảm thời gian phản ứng,

giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc Trong phân tích mẫu có thể kết hợp với các phương pháp hiện đại khác Ngoài ra, vi sóng có tác dụng tăng cường khuấy trộn, tăng tiếp xúc pha làm tăng hiệu suất phản ứng Vi sóng hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, còn khi đưa ra quy mô công nghiệp, đầu tư cho thiết bị tạo vi sóng

là không nhỏ để có đủ công suất Do vậy, trong công nghiệp vi sóng chưa được ứng dụng rộng rãi Với những ưu điểm kể trên chúng tôi đã lựa chọn phương pháp vi sóng

để chế tạo vật liệu nano YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O trong luận án

Sử dụng phương pháp vi sóng, chúng tôi đã chế tạo vật liệu YVO4:Eu3+ và EuPO4.H2O với hóa chất ban đầu là Eu(NO3)3.5H2O, Y(NO3)3.6H2O, NH4VO3 (hoặc

Na3VO4), NH4H2PO4, các muối được cân theo đúng tỉ lệ % mol, hòa tan bằng nước tinh khiết và trộn vào nhau

Chất tạo khuôn mềm: PEG (Polyetylenglycol M = 20000) Chất chuẩn pH: dung dịch HCl, dung dịch NH3, dung dịch NaOH tinh khiết, nước khử ion và dung môi Etanol dùng cho quá trình làm sạch mẫu

Các hóa chất đều tinh khiết 99,99% do hãng Merck sản xuất Khuấy từ được tiến hành trong một thời gian nhất định

Hình 2.2 Sóng điện từ Hình 2.3 Hệ thống thiết bị tổng hợp vi sóng

2.1.2.1 Quy trình tổng hợp YVO 4 :Eu 3+ theo phương pháp vi sóng

Quá trình tổng hợp mẫu YVO4:Eu3+ bằng phương pháp vi sóng theo phản ứng: Y(NO3)3 + NH4VO3 + Eu(NO3)3 → YVO4:Eu3+ + Sản phẩm khác (2)

Quy trình chế tạo mẫu YVO4:Eu3+ bằng phương pháp vi sóng được trình bày trong sơ đồ ở Hình 2.4 Các vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ chế tạo theo phương pháp kết tủa trong nước, dưới tác dụng của vi sóng (có thể kết hợp với khuôn mềm PEG) được mô tả như sau:

Hình 2.4 Quy trình chế tạo vật liệu YVO 4 :Eu 3+ bằng phương pháp vi sóng và thủy nhiệt

Dung dịch 1: Hòa tan một lượng Y(NO3)3.6H2O và Eu(NO3)3.5H2O (có thể cho thêm PEG) vào trong 60 ml H2O và thực hiện khuấy từ trong 90 phút Dung dịch 2: Hòa tan lượng hóa chất đã tính toán NH4VO3 hoặc Na3VO4 vào 40 ml H2O khuấy từ trong 30 phút Nhỏ từ từ dung dịch 1 vào dung dịch 2 thu được kết tủa trắng đục, dung dịch thu được khuấy từ trong 90 phút, pH của dung dịch được điều chỉnh trong khoảng

4 ÷ 12 bằng dung dịch HCl, NH3 hoặc NaOH 10% Tỉ lệ giữa Y3+ và Eu3+ là YVO4:Eu3+ (3%) và tiếp tục đem khuấy từ trong 2 giờ, tiếp vào lò vi sóng trong thời gian từ 5 phút đến 30 phút ở 80 oC với công suất có thể thay đổi từ 300 W đến 900 W Sản phẩm đem ly tâm và sấy thu được bột YVO4:Eu3+