Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học nano tinh thể silíc cho tổ hợp nano silíc và nano từ nhằm ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP TRẺ CẤP VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Tên đề tà

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP TRẺ CẤP VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

Tên đề tài:

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học nano tinh thể silíc cho tổ hợp nano silíc

và nano từ nhằm ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

Mã số: VAST.ĐLT.10 /13-14

Đơn vị chủ trì: Viện Vật Lý Thành Phố Hồ Chí Minh Chủ nhiệm đề tài: T.S Đoàn Thị Kim Dung

TPHCM – 2017

i

Mục lục

Mục lục i

Danh mục hình iii

Chữ cái viết tắt………v

Đại lượng và đơn vị v

Chương I: Tổng quan về hướng nghiên cứu 1

Nano tinh thể silic 4

Tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ 6

Ứng dụng của nano tinh thể silic và tổ hợp nano silic-nano từ: 6

Tình hình nghiên cứu trong nước 8

Ý nghĩa và tính mới của đề tài cho lĩnh vực nghiên cứu tại Việt Nam 10

Chương II: Nội dung nghiên cứu và phương pháp triển khai 11

I. Những nội dung nghiên cứu đã đăng kí 11

Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo nano tinh thể silic 11

Nội dung 2: Nghiên cứu phủ nano tinh thể silic 12

Nội dung 3: Nghiên cứu tính chất của nano tinh thể silic 12

Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính phát huỳnh quang 12

Nội dung 5 : Nghiên cứu độc tính và tính tương hợp sinh học của chấm và tổ hợp 13

II. Nội dung nghiên cứu bổ sung: 13

Ứng dụng của tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ trong lĩnh vực chụp ảnh sinh học 13

Chương III: Phương pháp thực nghiệm 14

I Hóa chất và vật tư 14

Hóa chất 14

Tế bào 14

II Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu 15

1 Phương pháp chế tạo nano tinh thể silic 15

ii

2 Phương pháp chế tạo nano từ 17

3 Nghiên cứu phương pháp phủ lớp tạo nanocomposit 17

III Nghiên cứu tính chất của vật liệu trong hệ sinh học 19

Tính quang học 19

Nghiên cứu tính chất từ 19

Nghiên cứu độc tính của nanocomposít 20

Nghiên cứu tính chất cơ bản của hạt nano tinh thể silíc, nanô từ và tổ hợp nanô composít 22

Chương IV: Kết quả nghiên cứu 23

I. Nội dung 1, 2 &3: 23

Nghiên cứu phương pháp tổng hợp, phủ lớp và nghiên cứu tính chất quang học của nano tinh thể silic 23

A Phương pháp tổng hợp và tính chất 23

B Phương pháp phủ nano tinh thể silic và tính chất 33

II. Nội dung 4: 35

Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính phát huỳnh quang 35

Tổng hợp nano từ và tính chất 35

III. Nội dung 5: 40

Xét nghiệm độc tính 40

IV. Ứng dụng nano composit trong nghiên cứu chụp ảnh 2 mốt 44

Vai trò của chụp ảnh đa mốt trong chẩn đoán và chữa trị bệnh: 44

Sản phẩm nghiên cứu đăng ký và kết quả 49

Kết luận 50

Kiến nghị 51

Lời cảm tạ 52

Phụ lục A: Quy trình chế tạo nanô tinh thể silíc 53

Phụ lục B: Quy trình chế tạo nano từ 56

Phụ lục C: Quy trình chế tạo tổ hợp nano composít 58

Tài liệu tham khảo 62

iii

Danh mục hình

Hình 1: Mô hình kết hợp các kỹ thuật hình ảnh đa mốt để cung cấp hình ảnh tổng thể của một vật thể với nhiều kích thước khác nhau 2 Hình 2: Chấm lượng tử được sử dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang 7 Hình3: Sử dụng chấm lượng tử làm chất đánh dấu trong kỹ thuật chẩn đoán bằng hình ảnh

Hình 4: Các bước chế tạo và chức năng hóa chấm lượng tử silicon 9 Hình 5: Thực nghiệm chế tạo nano tinh thể silic 16 Hình 6: Thực nghiệm phủ nano tinh thể silic 16 Hình 7: Cấu trúc phân tử của TEOS 18 Hình 8: Kính hiển vi đồng tiêu C1 19 Hình 9: Hệ đo cộng hưởng từ MRI 3T - Bruker 20 Hình 10: Mô tả thí nghiệm xác định độc tính của hạt nano ngoài cơ thể 21 Hình 11A: Quy trình chế tạo nano tinh thể silic 23 Hình 12: Phổ hấp thụ của nano tinh thể silíc 26 Hình 14: Phổ phát huỳnh quang trong dung môi nước của mẫu nano tinh thể silic 28 Hình 15: Phổ phát huỳnh quang trong vùng khả kiến của mẫu nano tinh thể silic 29 Hình 16: XRD của nano tinh thể silic, nano từ Fe3O4 và tổ hợp nano composit 30 Hình 17: Ảnh TEM của nano tinh thể silíc, nanô từ Fe3O4, ảnh phóng đại của nano từ

và ảnh của những nano composít Phân bố kích thước hạt nano tinh thể silíc và nano từ 32 Hình 18: Phổ phát huỳnh quang của nano tinh thể silic được phủ bằng một số hoạt chất

bề mặt khác nhau được kích thích bằng tia UV có bước sóng 325 nm 34 Hình 19: Phổ FTIR của nano tinh thể silíc được phủ bằng allylamine và 1, 3 hexadiene 34 Hình20: Quy trình tổng hợp nano từ 35 Hình 21: Đường cong từ hóa của nanô từ và nano composít 36 Hình 22: Mô tả quá trình chuẩn bị mẫu (a), ảnh công hưởng từ của dung dịch thay đồi theo nồng độ ion Fe (b) và sự phụ thuộc của độ hồi phục vào nồng độ ion Fe (c) 39 Hình 23: Độ ảnh hưởng của nano tinh thể silíc đối với sự sống của tế bào TIG1 trong 24 và

NA Numerical aperture: Khẩu độ

PMT Photomultiplier tubes: Đèn nhân quang điện

QDs Quantum dots: Chấm lượng tử

Kính hiển vi điện tử truyền qua Vibrational sample magnetometer: Từ kế mẫu rung X-ray powder diffraction: Nhiễu xạ bột tia X

v

Đại lượng và đơn vị

1

Chương I: Tổng quan về hướng nghiên cứu

Những năm gần đây, những thành tựu trong khoa học kỹ thuật đã góp phần rất lớn trong việc kiểm soát và phòng ngừa những bệnh hiểm nghèo như là ung thư Phần lớn các phương pháp chẩn đoán sơ bộ đều dựa vào các kỹ thuật hình ảnh để có thể phát hiện được sự hiện diện của những khối u bất thường và vị trí của chúng để có thể tiến hành chữa trị [1] Những kỹ thuật hình ảnh phổ biến hiện nay được sử dụng trong y khoa bao gồm ảnh cộng hưởng từ MRI, ghi hình cắt lớp bằng bức xạ positron PET, chụp cắt lớp vi tính CT, chụp ảnh huỳnh quang, v.v Tuy nhiên, những kỹ thuật này đều có những ưu điểm và khuyết điểm riêng của chúng, khiến cho việc chẩn đoán bằng một kỹ thuật riêng rẽ sẽ không cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết cho việc chẩn đoán sớm, và tăng khả năng điều trị thành công Đặc biệt là những năm gần đây, khi tế bào gốc được đưa vào như một liệu pháp điều trị ung thư và phục hồi chức năng và tái tạo các cơ quan sau khi điều trị ung thư, thì những đòi hỏi về một kỹ thuật hình ảnh mới cung cấp hình ảnh cho toàn thể quá trình chữa trị ngày càng cấp thiết Kỹ thuật MRI thường được sử dụng để tái tạo hình ảnh từ các mô mềm trong cơ thể và là một

kỹ thuật khá an toàn vì nó không sử dụng chất phóng xạ trong quá trình chụp ảnh MRI có độ phân giải vào khoảng 200 µm [2] khá tốt so với các kỹ thuật chụp ảnh toàn

cơ thể khác như PET hay CT [3] Tuy nhiên, MRI thiếu độ nhạy đối với những thay đổi ở cấp độ phân tử, vì vậy, để có thể tăng cường tính chính xác của quá trình chẩn đoán sớm, việc kết hợp những kỹ thuật hình ảnh khác như là PET hay ảnh huỳnh quang có thể tạo thành một kỹ thuật đa mốt ưu việt Những nghiên cứu đa mốt đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực trên thế giới như khoa học hình ảnh, vật liệu, y sinh [1] Để xây dựng những kỹ thuật hình ảnh đa mốt, hiện nay có hai phương pháp tiếp cận khác nhau thường được sử dụng Đầu tiên

là thiết kế và điều chỉnh hệ thiết bị của hệ thống các kỹ thuật hình ảnh khác nhau để có thể cùng đo đạc trên 1 mẫu vật cùng một vị trí hoặc thời điểm Phương pháp thứ hai là

2

thiết kế một chất đánh dấu có thể phát ra những tín hiệu dùng chung cho tất cả các kỹ thuật hình ảnh Chất đánh dấu có khả năng đáp ứng với kỹ thuật đa mốt thường được chế tạo từ các hạt nanô Trong thập kỷ vừa qua, công nghệ nano đã mang đến những tiến bộ vượt bậc trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y khoa Một loạt các kỹ thuật chẩn đoán cũng như những phương pháp điều trị mới dựa trên những thành tựu của công nghệ nano đã được nghiên cứu triển khai và đã thu được những thành tựu đáng khích lệ Hạt nano là một lĩnh vực nghiên cứu thu hút được rất nhiều sự quan tâm vì khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học do có kích thước gần bằng các phần tử sinh học như là protein hay DNA

Hình 1 : Mô hình kết hợp các kỹ thuật hình ảnh đa mốt để cung cấp hình ảnh tổng thể của một vật thể với nhiều kích thước khác nhau (EM: electron microscopy – Kính hiển vi điện tử; LM: light

microscopy – Kính hiển vi quang học; NIR: near infrared - ảnh hồng ngoại; MRI: magnetic resonance imaging - ảnh công hưởng từ)

Hiện nay, hạt nano dùng trong đánh dấu y sinh được nghiên cứu được phân loại thành

ba nhóm chính dựa trên tính chất phát quang hay khả năng tăng cường độ tương phản

3

của hình ảnh, bao gồm chấm lượng tử, hạt nano kim loại và nano từ tính Ứng dụng của các hạt nano này thường tập trung trong lĩnh vực chẩn đoán như là đánh dấu tế bào, cảm biến sinh học, hay phương pháp dẫn truyền thuốc để điều trị bệnh Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sử dụng trong hình ảnh đa mốt là xu hướng phổ biến hiện nay trên thế giới khi những nghiên cứu về y học tái tạo đang thu hút lượng lớn sự quan tâm đặc biệt là trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh và điều trị các bệnh nan y như là ung thư [4-10]

Nano từ thu hút rất lớn sự quan tâm của các nhà khoa học y sinh vì lợi thế của hạt này trong những nghiên cứu dò tìm vị trí, phân bố và trạng thái của những đơn tế bào cấy bên trong cơ thể [11] Dù vậy, nano từ chỉ có thể sử dụng được cho ảnh cộng hưởng từ

mà không có khả năng đáp ứng với các kích thích quang học vốn có lợi thế về độ nhạy

và độ phân giải khi sử dụng trong những kỹ thuật hình ảnh Vì thế, nano từ thường được sử dụng kết hợp với những hạt nano phát quang khác để có thể kết hợp MRI và những kỹ thuật khác như PET, SPECT, v.v

Nano tinh thể bán dẫn là lớp vật liệu đầy tiềm năng cho những ứng dụng chẩn đoán hình ảnh đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây vì khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như là transistor đơn electron, màn hình hiển thị huỳnh quang điện tử [12-15], v.v Nano tinh thể bán dẫn có một số

ưu thế trong ứng dụng đánh dấu tế bào sinh học bằng huỳnh quang so với những loại vật liệu khác như là phổ phát xạ hẹp, có khả năng làm giảm những hiệu ứng chồng chập phổ phát huỳnh quang, dải bước sóng kích thích rộng, hiệu suất lượng tử cao, và

có khả năng chống lại quang oxi hóa [16, 17] Kỹ thuật tổng hợp nano tinh thể bán dẫn thường rất phức tạp và đòi hỏi những điều kiện khác nhau Tùy vào nhu cầu sử dụng trong y tế hay trong công nghiệp, các thông số sau có thể được điều chỉnh để thu được sản phẩm theo yêu cầu: kích thước, khả năng phát huỳnh quang, độ bền của hạt, tác nhân phản ứng bề mặt, v.v

Hiện nay, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano tinh thể bán dẫn dùng làm chất đánh dấu huỳnh quang thay thế cho các chất huỳnh quang hữu cơ đang thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong và ngoài nước [18] Tuy nhiên, một trong những trở

có độc tính thấp hơn so với hầu hết những tinh thể bán dẫn còn lại Chính vì vậy, nano tinh thể silic trở thành một loại vật liệu thay thế đầy tiềm năng trong ứng dụng đánh dấu huỳnh quang

Hiện nay, sự tích hợp hai loại vật liệu nano từ và nano bán dẫn trong cùng một tổ hợp cũng đang trở thành một đề tài được quan tâm dựa trên tiềm năng phát triển của một phương thức chẩn đoán hình ảnh đa phương thức ( multimodal), kết hợp khả năng phát huỳnh quang của nano tinh thể bán dẫn và từ tính của nano từ [25, 26]

Nano tinh thể silic

Silic dạng khối là một nguyên tố bán dẫn được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực điện tử và y học ở dạng khối vì giá thành thấp và không độc hại Tuy nhiên, ở kích thước nano thì những hạn chế về tính chất quang học đã khiến cho những nghiên cứu

về nano tinh thể silic ít nhận được sự quan tâm, chú ý như những loại vật liệu bán dẫn khác [22, 23] Những phát hiện đầu tiên về tính chất phát huỳnh quang đầu tiên của silic ở kích thước nano bắt đầu vào năm 1990, và kể từ đó rất nhiều nghiên cứu chế tạo các dạng silic ở kích thước nano đã được thực hiện để tìm ra cơ chế phát huỳnh quang

và ứng dụng của nano tinh thể silicon

5

Để đáp ứng đầy đủ yêu cầu là một chất đánh dấu huỳnh quang, nano tinh thể silic phải đảm bảo được sự ổn định về tính chất phát huỳnh quang, khả năng phân tán trong môi trường nước và tương thích với môi trường sinh học xung quanh chúng Những yêu cầu này phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố:

 Kích thước và khả năng phát huỳnh quang phụ thuộc vào phương pháp chế tạo

 Độ ổn định quang học phụ thuộc vào tính chất bề mặt

 Độ độc hại phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và lớp bọc

Chấm lượng tử bao gồm một lõi bán dẫn tinh thể nano và lớp hoạt tính bề mặt, trong

đó lõi bán dẫn quyết định tính phát quang, trong khi lớp phủ đảm bảo tính ổn định quang học của lõi trong môi trường sinh học, ngăn cản sự ôxi hóa của lõi bởi môi trường ngoài Đối với nano tinh thể silic, do bề mặt của chúng có hoạt tính rất mạnh

mẽ nên chất hoạt tính bề mặt phải đảm bảo làm cho bề mặt của silicon trở nên thụ động hơn, quá trình quang oxi hóa sẽ diễn ra chậm hơn Vấn đề chọn lọc chất bọc có các đặc tính như ưa nước hay kị nước cũng là một vấn đề quan trọng tùy thuộc vào từng ứng dụng của nano tinh thể

Hiện nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã thành công trong việc chế tạo nano tinh thể silic chủ yếu theo hai phương pháp vật lý và hóa học Các phương pháp vật lý phần lớn liên quan đến sự hình thành màng mỏng oxít giàu silic (như là sự cấy ion, mài mòn bằng laser, phún xạ magnetrone hay là bốc bay) [27, 28] Mặc dù những phương pháp vật lý này là những phương pháp toàn diện để tạo ra nano tinh thể silic, nhưng chúng lại đòi hỏi cơ sở hạ tầng rất tốn kém trong khi hiệu suất thu được rất thấp với một lượng rất nhỏ vật liệu được tạo ra

Việc tổng hợp nano tinh thể silic theo các phương pháp hóa học là những cách thức mềm dẻo và hiệu quả hơn để tạo ra những nano tinh thể silic theo những kích thước khác nhau mà vẫn đảm bảo tính phát huỳnh quang Có rất nhiều những phương pháp hóa học được sử dụng để chế tạo nano tinh thể silic như là phương pháp sol-gel, phương pháp vi huyền phù, [29-36] v.v Trong đó, nhóm nghiên cứu của Kauzlarich và Tilley đã phát triển một loạt các phương pháp dựa trên quá trình khử clorua silic [37],

6

nhóm của Korgel tạo ra hạt nano silic bằng cách sử dụng dung môi siêu tới hạn hữu cơ

để phân hủy diphenylsilane ở áp suất và nhiệt độ cao [38]

Tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ

Hạt nano, đặc biệt là nano tinh thể bán dẫn và nano từ hiện đã được nghiên cứu rộng rãi vì những tính chất đặc thù và khả năng ứng dụng của chúng vào những phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh Hiện nay, mô hình tổ hợp mang cả hai tính chất phát quang và tính chất từ đã được giới thiệu và bắt đầu nghiên cứu Tổ hợp nano tinh thể bán dẫn và nano từ cung cấp cơ sở cho việc tích hợp nhiều chức năng chẩn đoán thành một thực thể hợp nhất Và phương pháp ứng dụng thiết thực nhất là việc hình thành phương pháp chẩn đoán multimodal cho ảnh cộng hưởng từ - quang học

Việc nghiên cứu chế tạo tổ hợp lai hóa nano tinh thể silic và nano từ đã được Keisuke Sato thử nghiệm thành công thông qua phương pháp phún xạ magnetron tại tần số vô tuyến và ngay sau đó, mẫu được ủ tại một nhiệt độ cao Sản phẩm thu được chỉ phát huỳnh quang khi hạt nano có kích thước 3nm, và khi kích thước đạt trên 5nm, hiện tượng phát huỳnh quang biến mất [39] Một phương pháp chế tạo tổ hợp bán dẫn – từ tính bằng cách pha tạp Mn-Si nano tinh thể bán dẫn đã được thực hiện [40] Các hạt nano tinh thể này phát huỳnh quang mạnh ở 441 nm với hiệu suất đạt đến 8,1%, và đã được thử nghiệm trong cả hai phương pháp chẩn đoán bằng cộng hưởng từ (MRI) và đánh dấu bằng huỳnh quang Phương pháp core-shell cũng đã được nghiên cứu để chế tạo tổ hợp lai hóa dựa trên việc kết hợp hai loại vật liệu trong một tinh thể nano

Ứng dụng của nano tinh thể silic và tổ hợp nano silic-nano từ:

1 Đánh dấu huỳnh quang:

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tìm kiếm và xác định một loại thực thể nào đó trong một phức hợp để định vị và xác nhận sự tồn tại của thực thể đó trong một môi trường sinh học nhất định Phương pháp đánh dấu tế bào huỳnh quang là cơ sở cho những phương pháp xét nghiệm bằng hình ảnh như hiện ảnh huỳnh quang, phân tích tế bào theo dòng chảy, và western blot [26] Thông thường, những chất đánh dấu huỳnh quang là các chất nhuộm hữu cơ hay những phân tử protein Tuy nhiên, những

2 Chẩn đoán hình ảnh động vật trong cơ thể sống in-vivo:

Hình ảnh trong cơ thể sống rất phức tạp bởi sự hấp thụ và tán xạ của các mô và khả năng tự phát huỳnh quang khi bị kích thích của chúng Da và mô hấp thụ và tán xạ thấp ở dải sóng hồng ngoại gần (700-1000 nm), vì thế khả năng phát huỳnh quang tại

8

vùng hồng ngoại gần của nano tinh thể bán dẫn là một ưu thế để có thể tăng cường tính hiệu thu được từ hình ảnh Sự tự phát huỳnh quang cũng phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích, chấm lượng tử có dải phổ hấp thụ rộng, nên người ta có thể lựa chọn bước sóng kích thích chấm lượng tử mà ở đó sự tự phát quang của mô là thấp

Hình3: Sử dụng chấm lượng tử làm chất đánh dấu trong kỹ thuật chẩn đoán bằng hình ảnh bên trong

cơ thể [42]

Một nghiên cứu ứng dụng khác của chấm lượng tử silicon hiện đang được tập trung nghiên cứu chính là sử dụng chấm lượng tử silicon làm chất đánh dấu trong kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ PET

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu phát triển kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh đa phương thức kết hợp giữa tính phát huỳnh quang và từ tính của vật liệu đánh dấu Viễn cảnh ra đời của một phương pháp chẩn đoán mới đa phương thức kết hợp giữa tính phát huỳnh quang và từ tính thật sự rất sáng sủa Đó là một trong các

lý do để phát triển tổ hợp nano tinh thể bán dẫn và nano từ

Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, việc nghiên cứu về nano tinh thể bán dẫn, đặc biệt là nano tinh thể silic đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trong nước Trong vài năm trở lại đây, một vài đơn vị nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý, Viện Vật Lý Tp.HCM và những đơn vị khác đã bắt tay vào nghiên cứu tổng hợp các nano tinh thể nano bán dẫn và đã thu được những kết quả rất khả quan Nhóm tác giả Phạm Hồng Dương [43] đã giới thiệu phương pháp chế tạo dây nano silic phát huỳnh quang màu

đỏ tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp chuyển pha khí xúc tác Au Buồng vi cộng

9

hưởng hoạt động trong vùng nhìn thấy trên cơ sở tinh thể quang tử silic xốp được nhóm tác giả Đỗ Thùy Chi [44] nghiên cứu chế tạo Hạt nano silic được chế tạo bằng phương pháp điện hóa và phương pháp khắc hóa học do nhóm tác giả Trần Quang Trung [45] thực hiện đã thu được hạt nano silic, có lõi Si và lớp vỏ SiO2 kị nước Tổ hợp thanh nano SiO2/SiC do nhóm tác giả Huỳnh Thị Hà [46] chế tạo đã thu được sản phẩm phát huỳnh quang xanh dương trong vùng 390-480 nm tại nhiệt độ phòng

Hình 4: Các bước chế tạo và chức năng hóa chấm lượng tử silicon

Nhóm nghiên cứu hạt nano tại Viện Vật Lý Tp.HCM đã bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực công nghệ nano từ năm 2002 với những kết quả ứng dụng trong y sinh học rất khả quan Chúng tôi đã chế tạo được hạt nano siêu thuận từ với độ từ hóa bão hòa cao Các hạt nano từ có rất nhiều ứng dụng trong y sinh học bởi vì những tính chất ưu việt của chúng ở kích thước nano Chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng hạt nano siêu thuận từ làm chất tăng cường độ tương phản trong ảnh chụp cộng hưởng từ, nghiên cứu phát hiện virus E-coli nhằm ngăn chặn dịch tiêu chảy, v.v Để phục vụ rộng rãi hơn cho các nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh học, chẩn đoán và điều trị các bệnh nan y như ung thư và mở rộng phạm vi nghiên cứu trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh, chúng tôi bắt đầu nghiên cứu về tinh thể nano bán dẫn khác nhau được chế tạo bằng những phương pháp khác nhau Tuy nhiên, nhận thấy được một tiềm năng còn bỏ ngỏ của tinh thể bán dẫn nano đối với những ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học do độc tính của Cadminium (một trong các thành phần chính để tạo thành chấm lượng tử), chúng tôi quyết định nghiên cứu khả năng thay thế các chấm lượng tử có chứa Cd bằng Si để tạo

Khử với tác nhân H

Với những nghiên cứu bước đầu, chúng tôi đã chế tạo được tinh thể nano silicon có kích thước 2  0.5 nm được bọc bằng hexadiene phát huỳnh quang ở 370 nm khi kích thích bằng nguồn sáng 340 nm

Ý nghĩa và tính mới của đề tài cho lĩnh vực nghiên cứu này tại Việt Nam

Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh là một kỹ thuật hiện đại có khả năng phát hiện những mầm bệnh bên trong cơ thể với độ chính xác rất cao Kỹ thuật này có thể thực hiện bên trong hay bên ngoài cơ thể tùy thuộc vào phương pháp xét nghiệm khác nhau, và đều sử dụng chất đánh dấu huỳnh quang Việc ứng dụng nano tinh thể bán dẫn làm chất đánh dấu huỳnh quang trong những kỹ thuật này còn khá hạn chế do những quan ngại về mức độ độc tính của lõi bán dẫn Nếu như những quan ngại này được xóa bỏ nhờ vào chất đánh dấu huỳnh quang bằng nano tinh thể bán dẫn có độ độc tính thấp, khả năng gây hại đến môi trường sinh học chung quanh không đáng kể thì sẽ mở ra triển vọng lớn cho những nghiên cứu ứng dụng tiếp theo, đặc biệt là trong việc chẩn đoán những căn bệnh ác tính như ung thư

Đây là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới hiện phát triển trên thế giới và kể cả ở Việt Nam Tuy nhiên, những nghiên cứu trong nước vẫn chưa thu được những kết quả xứng tầm Việc nghiên cứu chế tạo nano tinh thể bán dẫn silic dùng làm làm chất đánh dấu huỳnh quang trong y sinh học sẽ góp phần phát triển hướng nghiên cứu này ở nước ta và trên thế giới

11

Chương II: Nội dung nghiên cứu và phương

pháp triển khai

I Những nội dung nghiên cứu đã đăng kí

Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo nano tinh thể silic

Có rất nhiều phương pháp tổng hợp được giới thiệu, nhưng dựa trên điều kiện thực tế

và kinh nghiệm nghiên cứu của nhóm, việc chế tạo chấm lượng tử silicon sẽ dựa trên phương pháp vi huyền phù Phương pháp chế tạo được phân thành 2 giai đoạn sau: -a- Tổng hợp chấm lượng tử silicon

Các muối halogen của Si được khuấy trong hỗn hợp dung dịch của các chất hoạt động

bề mặt trong môi trường khí trơ để tránh sự hiện diện của quá trình oxi hóa Với sự hiện diện của tác nhân khử hyđrua, nano tinh thể silic được tạo ra và có bề mặt giới hạn bởi liên kết Si-H Những liên kết này giúp cho hạt nano tiếp tục phản ứng với những chất hoạt động bề mặt trong dung dịch để hình thành một lớp bọc

-b- Thụ động hóa bề mặt

Quá trình thụ động hóa bề mặt được tiến hành bằng cách cho thêm axit hexachloroplatinic với xúc tác trong vòng vài giờ Để tối ưu hóa phương pháp tổng hợp nano tinh thể silic, nhóm nghiên cứu đã thay đổi lượng chất tham gia phản ứng, chất xúc tác, thời gian phản ứng, v.v để tìm ra những thông số tổng hợp phù hợp và so sánh cường độ phát huỳnh quang để tìm được thông số cho điều kiện tối ưu Thông số chế tạo mẫu hạt phát quang tối ưu sẽ được sử dụng cho những nghiên cứu kế tiếp

12

Nội dung 2: Nghiên cứu phủ nano tinh thể silic

Một số polymer có nhóm chức khác nhau như hexadiene chứa nhóm –OH và olaylamine với nhóm –NH3 sẽ được dung để thử nghiệm để phủ lên bề mặt của hạt nano tinh thể silic và tính phát quang của hạt sẽ được đo đạc

Phương pháp tối ưu hóa sẽ xác định những thông số phủ có tính ổn định phát huỳnh quang cao nhất Hạt với lớp phủ tối ưu này sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tạo tổ hợp

Nội dung 3: Nghiên cứu tính chất của nano tinh thể silic

Để nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể silic, chúng tôi sẽ khảo sát tính phát huỳnh quang, độ ổn định và khả năng phát huỳnh quang Phép đo khả năng hấp thụ và phát huỳnh quang được thực hiện bằng các thiết bị Uv-Vis và Spectrofluorometer Tính chất cơ bản của nano tinh thể silic sẽ được nghiên cứu và hình dạng của nano tinh thể silic cũng sẽ được khảo sát

Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính phát huỳnh quang

Việc kết hợp hai loại hạt trong cùng một thực thể là một nghiên cứu rất phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo thành một hạt nano có hai đặc tính như là một số nhóm trên thế giới vừa đạt được Tuy nhiên, theo khả năng của phòng thí nghiệm tại Viện Vật Lý Tp.HCM, chúng tôi đã lựa chọn những phương pháp hóa học không đòi hỏi những thiết bị tốn kém để nghiên cứu chế tạo tổ hợp nano tinh thể bán dẫn và nano

từ bằng phương pháp tạo nano-composit

Đầu tiên, nano từ sẽ được tổng hợp riêng rẽ và phủ bằng một lớp phủ kị nước Những polimer này sẽ được chỉnh sửa cấu trúc cho phù hợp với yêu cầu tạo composit Nano tinh thể bán dẫn sau đó sẽ được tổng hợp và phát triển trên bề mặt lõi của những hạt

từ một lớp bọc bên ngoài sẽ được thực hiện để tạo thành một tổ hợp nano từ - nano bán dẫn phát huỳnh quang

Những tổ hợp tạo ra cần phải đảm bảo tính chất quang học và tính chất từ không thay đổi quá nhiều

13

Nội dung 5 : Nghiên cứu độc tính và tính tương hợp sinh học của chấm và tổ hợp Nghiên cứu về độc tính và tính tương hợp sẽ được thử nghiệm in vitro trên một vài dòng tế bào đơn lẻ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của hạt nano với sự sống và sinh trưởng của tế bào

II Nội dung nghiên cứu bổ sung:

Ứng dụng của tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ trong lĩnh vực chụp ảnh sinh học

Tổ hợp nano từ và nano tinh thể silic được sử dụng vào các kỹ thuật chụp ảnh phát huỳnh quang bằng kính hiển vi đồng tiêu và kỹ thuật chụp ảnh cộng hường từ MRI cùng với tế bào HeLa Các thông số hình ảnh cơ bản được thu thập và đánh giá để tiếp tục triển khai cho các ứng dụng của tổ hợp sau này Nghiên cứu này được thực hiện với sự hỗ trợ của một số giáo sư và nhà nghiên cứu tại trường đại học Osaka, Nhật Bản

14

Chương III: Phương pháp thực nghiệm

I Hóa chất và vật tư

Hóa chất

Clorít sắt (II) ngậm nước FeCl2·4H2O ≥99%, clorít sắt (III) ngậm nước FeCl3·6H2O

≥99.0%, dung dịch amoniắc NH4OH (28% NH3 trong H2O), silicon tetra chloride SiCl4 99%, tetraoctylammonium bromide (TOAB), toluene, lithium aluminum hydride LiAlH4 trong dung môi tetrahydrofuran (THF) 99%, dung dịch axít chloroplatinic

H2PtCl6, isopropanol khan, hexadiene, N,N-dimethylformamide, tetraethylorthosilicate (TEOS) được sản xuất tại công ty Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) Tất cả các hóa chất được mua trên đây là loại tinh chất và không cần trải qua công đoan chiết tách nào khác

Dung dịch Dulbecco’s Modified Eagle (DMEM) được sản xuất tại Sigma-Aldrich 10% (vol/vol) dung dịch fetal bovine serum được sản xuất bởi Nichirei Bioscience Inc (Tokyo, Japan), 1% (vol/vol) penicillin streptomycin từ Wako Ltd., và 25 µg/mL amphotericin B từ Sigma-Aldrich được hòa lẫn với DMEM để làm dung dịch nuôi cấy

tế bào Phosphate buffered saline (PBS (−)) và 4% paraformaldehyde sản xuất bởi Wako Ltd được sử dụng trong các thự nghiệm nghiên cứu độc tính của nano composit trên các loại tế bào khác nhau

Tế bào

Tế bào được sử dụng trong thực nghiệm kiểm tra độc tính của nano composít bao gồm HT1080 và TIG-1 HT1080 là một dòng tế bào u sarcoma xơ được sử dụng rộng rãi

15

trong những nghiên cứu y sinh Tế bào này được tạo ra từ những mô thu được từ phương pháp sinh thiết u sarcoma xơ tồn tại trong cơ thể nam bệnh 35 tuổi Bệnh nhân cung cấp mẫu tế bào chưa từng trải qua bất kỳ quá trình hóa trị hay xạ trị nào có thể dẫn đến sự đột biến của các mẫu tế bào thu được Dòng tế bào này mang một đột biến IDH1

Dòng tế bào TIG-1 được chiết ban đầu từ Viện lão khoa thủ đô Tokyo vào ngày 7/28/76 sử dụng mô phổi từ một bào thai 5 tháng tuổi bị sẩy Tế bào được giải phóng bằng cách tiêu hóa trypsin của một mẫu phổi được sử dụng để cấy sơ cấp Tế bào có hình dạng giống như những nguyên bào Kiểu hình nhân tế bào là 46, XX; nữ, lưỡng bội thường Chỉ số tăng trưởng gấp đôi cực đại đạt được cho đến khi lão hóa là 55 đến

79 lần

II Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu

1 Phương pháp chế tạo nano tinh thể silic

Mô tả thí nghiệm:

96 mL toluene khan và 1.5 g TOAB được hòa tan và cho vào trong một bình ba cổ Bình ba cổ được đậy kín và khí nitơ được thổi vào trong bình phản ứng để loại bỏ oxi Dung dịch được khuấy trong khoảng 60 phút Sau đó, hòa tan 0.5 g SiCl4 trong 2 mL toluene và một dung dịch thứ 2 gồm 2 mL chất khử LiBH4 2M trong tetrahydrofuran (THF) Hai dung dịch này được nhỏ giọt đồng thời vào bình ba cổ ban đầu Sau đó, phản ứng sẽ được tiếp tục diễn ra trong 3 giờ Sau đó, sử dụng một lượng vừa đủ methanol nhỏ vào bình phản ứng trong vòng 20 phút để dừng phản ứng

Quá trình gắn nhóm chức lên bề mặt của tinh thể silíc được tiếp tục bằng cách nhỏ vào bình phản ứng một hỗn hợp dung dịch bao gồm xúc tác 100 µL H2PtCl6 trong isopropanol khan và 1.3 mL hexadiene Phản ứng phủ được diễn ra trong một thời gian vừa đủ Cuối cùng, sản phẩm được rửa lại vài lần bằng N,N-dimethylformamide Sau

đó, phân tán sản phẩm thu được trong hexane và sấy chân không ở 50C Quá trình được lặp lại 2 lần để loại bỏ hoàn toàn dung môi thừa

16 Hình 5: Thực nghiệm chế tạo nano tinh thể silic

Hình 6: Thực nghiệm phủ nano tinh thể silic

17

2 Phương pháp chế tạo nano từ

Phương pháp chế tạo nano từ Fe3O4 phổ biến hiện nay là phương pháp đồng kết tủa Phương pháp này kết tủa đồng thời một hỗn hợp chứa muối sắt (II) và sắt (III) chlorite Muối sắt (II) ngậm nước FeCl2·4H2O và muối sắt (III) FeCl3·6H2O ngậm nước được hòa tan trong 50 mL nước cất theo tỉ lệ Fe2+: Fe3+ = 1:2 100 mL nước cất được cho vào bình 3 cổ và gia nhiệt đến 70C và khuấy bằng đầu siêu âm trong khi thổi khí N2gas để loại bỏ khí oxi trong bình phản ứng Dung dịch muối sắt và NH4OH được nhỏ giọt đồng thời vào bình phản ứng trong vòng 60 phút, pH của phản ứng được giữ cố định tại 8 Phản ứng tạo thành kết tủa Fe3O4 được diễn ra như sau:

FeCl2 + 2 FeCl3 + 8NH4OH  Fe3O4 + 8NH4Cl (1) Sản phẩm kết tủa màu đen được lắng và thu nhận bằng nam châm vĩnh cửu và rửa vài lần với nước cất Chi tiết quy trình chế tạo được trình bày trong phụ lục B

3 Nghiên cứu phương pháp phủ lớp tạo nanocomposít

Quy trình phủ hạt nano thường được thực hiện theo 2 phương pháp Phương pháp phủ đồng thời với quá trình tạo hạt có ưu điểm trong việc điều khiển kích thước hạt nhỏ và phân bố kích thước hạt hẹp, độ phân tán tốt và ổn định của lớp phủ dưới tác động hóa học của môi trường cũng được tăng cường đối với những hạt này Phương pháp thứ hai là phủ sau khi tạo hạt Hạt nanô sau khi tạo thành được xử lý bề mặt cho tương hợp với lớp phủ cao phân tử Quá trình phủ sau đó được diễn ra hoàn toàn độc lập với quá trình tạo hạt Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp phủ sau khi tạo hạt để tránh những ảnh hưởng phụ của dung môi lên tính chất quang học của nano composít

Chất phủ phù hợp để tạo nanocomposít cần phải đảm bảo tính chất quang và từ học của những hạt nano được duy trì Bên cạnh đó, những đặc tính khác cũng cần được đảm bảo như là độ phân tán, tính chống kết tụ, và khả năng phân tán trong môi trường trung tính để có thể sử dụng trong sinh học Dựa trên kinh nghiệm nghiên cứu của nhóm, chúng tôi đã chọn ra 3 loại lớp phủ đã được sử dụng cho những nghiên cứu về

18

hạt nano từ mà nhóm đã thực hiện trong những năm gần đây bao gồm dextran, chitosan, và SiO2 Sau khi nghiên cứu tính chất quang học, chúng tôi quyết định lựa chọn lớp phủ SiO2 để tạo nano composit

Quy trình phủ sử dụng silica

Khuynh hướng sử dụng lớp phủ silica cho hạt nano dựa vào đặc tính ổn định cao dị thường của nó đặc biệt là trong môi trường nước Ngoài ra, lớp phủ silica còn có ưu điểm là vật liệu và quá trình phủ đơn giản, dễ thực hiện, đặc biệt là lớp phủ này trong suốt về mặt quang học, thuận lợi cho những hạt nano phát huỳnh quang như chấm lượng tử Khác với những lớp phủ khác có thể phủ lên bề mặt hạt nano bằng chỉ một trong hai cơ chế là tương tác tĩnh điện hoặc hiệu ứng lập thể nhờ vào tương tác Van der Waals, lớp phủ silica có thể được thực hiện dựa trên cả hai tương tác trên Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu tính chất từ và quang của nano composít được phủ bởi silica, chi tiết quy trình phủ được trình bày tại phần phụ lục C.III

Hình 7: Cấu trúc phân tử của TEOS

Đối với ảnh thu nhận của hạt nano được cấy vào tế bào được chụp bằng hệ đồng tiêu quét laser gắn vào một kính hiển vi đảo C1 với vật kính 40x/1.49 oil immersion Apo Nikon Hệ được kích thích từ nguồn Argon laser làm lạnh phát huỳnh quang tại nhiều bước sóng khác nhau và tín hiệu phát ra từ hạt nano sẽ được phân loại thông qua những kính lọc và ghi lại bằng phần mềm EZ-C1 dành cho kính hiển vi đồng tiêu C1 của Nikon

20

châm tí hon khi có sự hiện diện của trường ngoài H Khi đó, momen từ μ sẽ định hướng theo trường ngoài và tạo nên một trường từ khổng lồ bên trong lòng chất lỏng chứa các hạt nano từ Trường từ này sẽ biến mất khi trường ngoài rời khỏi

Độ hồi phục cộng hưởng từ

Vì hạt nano từ có tác dụng tăng cường thời gian hồi phục T2 nên chúng tôi chỉ đo những thay đổi liên quan đến đại lượng này Hạt nanô composít được phân tán trong 0.2% (wt/vol) carboxymethyl cellulose với nồng độ Fe trong dung dịch nước nằm trong khoảng từ 0.1 đến 1 mg/mol T2 của nước tinh khiết được đo để làm mẫu chuẩn Thời gian hồi phục ngang T2 được đo ở 3 T bởi một Bruker AVANCE II T2 được đo theo một chuỗi spin-echo cắt đa lớp (TR = 4,000 ms, lớp cắt = 0.5 mm, FOV = 24 × 24

mm, ma trận = 128 × 128, trung bình = 1) với TE là 10 ms Nhiệt độ đo MRI được xác định là 25°C Giá trị hồi phục r2 được tính theo độ dốc của đường chuẩn tuyến tính từ giá trị hồi phục R2 theo nồng độ

Hình 9: Hệ đo cộng hưởng từ MRI 3T - Bruker

Nghiên cứu độc tính của nanocomposít

Xét nghiệm cấy tế bào thường được sử dụng rộng rãi để đánh giá độc tính của những loại hợp chất khác nhau trên hệ thống các tế bào Phương pháp đánh giá in vitro này có

21

khả năng lớn trong việc đánh giá độc tính của hợp chất đó đối với môi trường xung quanh tế bào và đối với những quá trình bên trong tế bào Những phương pháp nghiên cứu này bao gồm nghiên cứu sự nguyên vẹn của màng sinh chất bằng cách đo những hoạt tính của enzyme gây ra tác hại đối với tế bào Những phương pháp nghiên cứu hoạt tính chuyển hóa của những tế bào sống, v.v Những phương pháp phát huỳnh quang sinh học sử dụng enzyme luciferase để xúc tác tạo quá trình hình thành ánh sáng phát ra từ adenosine triphosphate (ATP) khi các tế bào được nhuộm màu với trypan blue hay trypan red sau khi ủ với các hợp chất thử nghiệm

Hình 10: Mô tả thí nghiệm xác định độc tính của hạt nano in vitro

Đối với tổ hợp nano tinh thể silíc và nano từ, chúng tôi sử dung xét nghiệm loại trừ bằng chất nhuộm màu trypan blue để đánh giá độc tính của nano tinh thể silíc và của tổ hợp (Si QDs+ Fe3O4)@SiO2 Xét nghiệm này dựa trên nguyên lý cơ bản rằng màng sinh chất tế bào nguyên vẹn sẽ ngăn chặn sự xâm nhập của những chất nhuộm màu đặc biệt, trong khi đó, những tế bào chết không thể ngăn chặn sự xâm nhập này nên chất nhuộm có thể dễ dàng đi sâu vào màng tế bào Chất nhuộm phổ biến cho xét nghiệm này là trypan blue Tế bào chết có thể bị nhuộm sau một khoảng thời gian ủ với chất nhuộm này Sau khi kiểm tra số lượng tế bào chết, dung phương pháp loại trừ chúng ta

22

sẽ có được số tế bào sống sót Trypan blue là một phân tử nhuộm màu khi tạo thành phức chất với các protein trên bề mặt màng sinh chất Xét nghiệm được tiến hành để tìm ra khả năng sống của tế bào HT1080 and TIG-1 được ủ chung với hạt nano trong đĩa cấy 96 giếng trong 24, và 48 giờ Đầu tiên, mỗi loại tế bào được cấy với mật độ

5000 tế bào/ lỗ ở 37C, trong môi trường ẩm 5% CO2 Sau 24 giờ, 5mg Si QDs và 5

mg (Si QDs+ Fe3O4)@SiO2 được hòa lẫn vào trong dung dịch nuôi cấy DMEM Sau

đó, hai dung dịch này sẽ được đưa vào trong đĩa cấy tế bào với nồng độ hạt nano là 10,

50, 100, 200, 300, 400 µg/mL Mỗi nồng độ được lặp lại 5 lần Sau 24, 48 giờ, 2 loại

tế bào được kiểm tra bằng xét nghiệm thiết bị đếm và loại trừ tế bào bị nhuộm màu để xác định tế bào sống

Nghiên cứu tính chất cơ bản của hạt nano tinh thể silíc, nanô từ và tổ hợp nanô composít

Những tính chất cơ bản của hạt nanô được xác định bởi các thiết bị TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua), FTIR (quang phổ chuyển đổi hồng ngoại Fourier), XRD (nhiễu xạ tia X) và các thiết bị phụ khác

Đối với ảnh TEM (Transmittance electron imaging: kỷ thuật chụp ảnh electron truyền qua): dung dịch chứa hạt nanô (dung môi ethanol) được nhỏ lên một lưới STEM và để khô ở nhiệt độ phòng Thiết bị TEM Hitachi Model H-7650 được sử dụng để xác định hình dạng, kích thước và phân bố kích thước của hạt nanô Sự phân bố kích thước hạt được thống kê dựa trên ảnh TEM của 200 hạt nanô Phầm mềm ImageJ và chức năng

“Phân tích hạt” (National Institutes of Health) được sử dụng để xây dựng giản đồ phân

bố hạt nanô trong đề tài này

Cấu trúc pha của hạt nanô được xách định bằng thiết bị nhiều xạ tia X (X-ray diffraction XRD) bức xạ Cu Kα1 (Rint2000, Rigaku)

23

Chương III: Kết quả nghiên cứu

I Nội dung 1, 2 &3:

Nghiên cứu phương pháp tổng hợp, phủ lớp và nghiên cứu tính chất quang học của nano tinh thể silic

A Phương pháp tổng hợp và tính chất

Tối ưu hóa phương pháp chế tạo nano tinh thể silic

Hình 11A: Quy trình chế tạo nano tinh thể silic

24

Quy trình chế tao nano tinh thể được giới thiệu ở hình 11 A Để tiến hành thực nghiệm, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của một vài thông số thí nghiệm ảnh hưởng đến tính phát huỳnh quang của nano tinh thể silic Sau khi thực hiện một số thí nghiệm

cơ bản, chúng tôi nhận thấy sự ảnh hưởng rất lớn của chất khử đối với tính phát huỳnh quang của nano tinh thể silic, vì vậy, chúng tôi thay đổi lượng chất khử để thu được nano tinh thể silic có tính phát huỳnh quang phù hợp nhất Nano tinh thể silic sau khi tổng hợp được có dạng bột màu trắng Khi phân tán đều 1 lượng nhỏ chất bột này vào dung môi như cồn và đặt dưới đèn UV sẽ nhận thấy được huỳnh quang phát ra từ mẫu

Hình 11B: Mẫu bột nano tinh thể silic thu được sau quá trình tổng hợp và mẫu phân tán trong nước phát huỳnh quang dưới đèn UV 275 nm

25

Khảo sát ảnh hưởng của chất khử LiBH4

Bảng 1: Thông số tổng hợp nano tinh thể silic với sự thay đổi về lượng chất khử Tính chất quang học

Tính chất quang học của nano tinh thể và tổ hợp được kiểm tra bằng phổ hấp thụ và phát huỳnh quang UV-Vis Hình 12 biểu diễn phổ hấp thụ của nano tinh thể silíc tại nhiệt độ phòng Phổ tinh thể silic xuất hiện 1 đỉnh tại 350 nm tương ứng với một biến đổi phonon Đỉnh xuất hiện gần 350 nm thể hiện cho quá trình chuyển tiếp tại vùng cấm trực tiếp của nano tinh thể silíc Ở kích thước micro, silicon có một vùng cấm gián tiếp vào khoảng 1.1 eV và một vùng cấm trực tiếp 3.4 eV Nhiều nghiên cứu đã chứng minh đặc trưng vùng cấm của nano tinh thể silíc là vùng trực tiếp và có thể tính toán dựa trên công thức [37]:

26

Hình 122: Phổ hấp thụ của nano tinh thể silíc

Đối với nano tinh thể silíc, trong nghiên cứu này, kích thước hạt khoảng 2 nm,

nhỏ hơn bán kính Bohr, vì vậy hiệu ứng hãm lượng tử vẫn có thể quan sát thấy Vùng hấp thụ xuất hiện tại bước sóng 350 nm trở đi có nghĩa là nano tinh thể silíc có vai trò chủ đạo trong quá trình hấp thụ ánh sáng trong quá trình phát huỳnh quang

Nguồn gốc của huỳnh quang từ nano tinh thể silíc xuất phát từ hiệu ứng giam hãm lượng tử của tinh thể có bán kính trong phạm vi 1-5 nm Nguồn gốc của phổ huỳnh quang phát xạ tại bước sóng gần 375 nm có thể bắt nguồn từ chuyển đổi trong vùng cấm trực tiếp

Tính chất quang học của nano tinh thể silíc phụ thuộc lớn vào kích thước, tuy nhiên, vì silíc là nguyên tố dễ bị oxi hóa, tính chất quang học của nano tinh thể silíc phụ thuộc rất nhiều vào hóa học bề mặt oxít Một cơ chế phát huỳnh quang khác ngoài hiệu ứng hãm lượng tử của nano tinh thể silíc là do các tâm phát xạ hình thành trong lớp bề mặt oxít xung quanh nano tinh thể silíc Vì vậy, trong quá trình phản ứng, để loại trừ sự

(3)

27

hiện diện của thành phần oxít, chúng tôi loại trừ tất cả sự hiện diện của oxi trong hóa chất, dung môi, môi trường phản ứng Ngay sau khi nano tinh thể được hình thành, bề mặt của hạt sẽ ngay lập tực được thụ động hóa bằng những liên kết hydrogen bằng cách sử dụng TOAB như là chất thụ động bề mặt Bề mặt của hạt nano sau đó được phủ bằng hexadiene hay olaylamine và có thể tiếp tục điều chỉnh để gắn thêm các nhóm chức khác Hình 13 thể hiện phổ phát huỳnh quang của nano tinh thể silíc dưới kích thích ở 325 nm và phát huỳnh quang ở 370 nm Khi sử dụng nguồn phát huỳnh quang ở 350 nm, đỉnh phát huỳnh quang dịch chuyển về gần với 400 nm

Hình 13: Phổ phát huỳnh quang của nano tinh thể silíc được kích thích bởi tia UV có bước

sóng 325 nm và 350 nm

28

Phổ phát huỳnh quang của tất cả các mẫu thu được biểu diễn ở hình 14 Tất cả các mẫu

có 1 đỉnh phát xạ rất mạnh ở vùng cực tím Tuy nhiên, một số mẫu xuất hiện các đỉnh phát huỳnh quang nằm gần vùng khả kiến Như đã quan sát ở bảng thông số 1 và hình

14, khi lượng chất khử tham gia nhỏ, phổ phát huỳnh quang tạo 1 đỉnh phát quang có thể nhận biết tại bước song gần 370 nm Khi gia tăng xúc tác, đỉnh phát xạ sẽ bị mờ dần và sẽ không còn phát xạ khi lượng chất khử gia tăng trên 0.3 ml Phổ phát huỳnh quang của những mẫu có đỉnh phát xạ tại vùng gần khả kiến được biểu diễn ở hình 15 Chúng tôi đã quyết định lựa chọn thông số chế tạo của mẫu 1 để tiếp tục nghiên cứu những tính chất tiếp theo

Phương pháp tối ưu hóa cường độ phát huỳnh quang sẽ được tiếp tục thực hiện trong những nghiên cứu sau này Các thông số của mẫu M 1 được sử dụng để chế tạo các mẫu nano tinh thể cho những nghiên cứu về tính chất quang học và quy trình phủ, cũng như tạo tổ hợp nano từ và nano tinh thể silic

Hình 134: Phổ phát huỳnh quang trong dung môi nước của mẫu nano tinh thể silic chế tạo với sự thay

đổi chất xúc tác được kích thích bằng tia UV 325 nm

29 Hình 145: Phổ phát huỳnh quang trong vùng khả kiến của mẫu nano tinh thể silic chế tạo với

sự thay đổi chất xúc tác được kích thích bằng tia UV có bước sóng 325 nm

30

Tính chất cơ bản của nano tinh thể silíc, nanô từ và nano composít

Hình 156: XRD của nano tinh thể silic, nano từ Fe 3 O 4 và tổ hợp nano composit

Cấu trúc pha của nano tinh thể silic, nano từ Fe3O4 và tổ hợp nano composit được biểu diễn tại hình 16 Nano tinh thể silíc có cấu trúc tinh thể lập phương Ba đỉnh tiêu biểu cho silic là mặt (111), (220), và đỉnh (311) có cường độ thấp hơn XRD của nano từ thể hiện một cấu trúc spinel với hằng số mặt mạng tương đồng với a= 8.39 A đối với nano từ và 8.40 Acho tổ hợp composít Hằng số mặt mạng được tính từ định luật nhiễu xạ Bragg từ cường độ của những cực đại liên tiếp