Ứng dụng phương pháp quang phổ phân giải theo thời gian nghiên cứu quá trình truyền năng lượng cộng hưởng

Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ từ đề tài KHCN cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thuộc Chương trình phát triển Vật lý tới 2020 cấp: “Ứng dụng phương pháp huỳnh quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÂN GIẢI THEO THỜI GIAN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG

CỘNG HƯỞNG

PHẠM THỊ HẰNG LỚP CAO HỌC LÝ K10.B1

THÁI NGUYÊN, 2018

i

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thanh Bình Thầy đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn PGS TS Vũ Thị Bích và Th.S Nguyễn Đình Công ở Viện Vật Lý Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, PGS TS Chu Việt Hà trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện

để em hoàn thành tốt luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn của mình tới toàn thể Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý trường Đại Học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại khoa, và các anh chị, các bạn học viện lớp K10B1 – lớp Cao học Vật lý đã trao đổi và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình tôi, bạn bè đồng nghiệp của tôi – những người đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ từ đề tài KHCN cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thuộc Chương trình phát triển Vật lý tới 2020 cấp:

“Ứng dụng phương pháp huỳnh quang phân giải thời gian và hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng FRET thử nghiệm phát hiện độc tố kháng sinh trong thực phẩm”

Tác giả luận văn

PHẠM THỊ HẰNG

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan 3

1.1.Vật liệu nano và ứng dụng 3

1.2 Hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Lịch sử phát triển FRET [11] 7

1.2.3 Ứng dụng hiệu ứng FRET và chấm lượng tử làm nanosensor 14

Chương 2 Kỹ thuật thực nghiệm 17

2.1 Kỹ thuật đo hấp thụ 17

2.2 Kỹ thuật đo huỳnh quang 19

2.3 Kỹ thuật đo huỳnh quang phân giải thời gian 20

2.3.1 Quang phổ phân giải thời gian và thời gian sống phát quang 20

2.3.2 Hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian - TCSPC 23

Chương 3: Kết quả và thảo luận 27

3.1 Quá trình truyền năng lượng giữa AuNPs với phân tử Rh6G 27

3.2 Quá trình truyền năng lượng giữa Rhodamin 6G và chấm lượng tử CdSe/ZnS 33

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

iii

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

FRET Fluorescence Resonance Energy Transfer

BRET truyền năng lượng cộng hưởng phát quang sinh

học TCSPC time-correlated single photon counting

SPR Surface Plasmon Resonance AuNPs hạt nanô vàng

Rh6G-CdSe/ZnS Chấm lượng tử CdSe/ZnS-Rhodamin 6G

AuNPs/Rh6G hạt nano vàng-Rhodamin 6G

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các mẫu nghiên cứu FRET giữa cặp Rh6G (Donor) và AuNPs (Acceptor) 29Bảng 3.2 Kết quả tính thời gian sống từ fitting đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm stretch exponent 33Bảng 3.3 Các mẫu nghiên cứu FRET giữa cặp Rhodamin 6G và chấm lượng tử CdSe/ZnS 34Bảng 3 4 Giá trị của tích phân vùng phổ chồng chồng lên nhau, (J ()), hiệu suất truyền năng lượng Förster, (E%), và khoảng cách cặp donor-acceptor (r) 36

v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình hiệu ứng FRET 6

Hình 1.2: Giản đồ Jablonski mô tả hiệu ứng FRET 10

Hình 1.3: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của một cặp chất Donor và Acceptor 11

Hình 1.4: Hiệu suất truyền năng lượng FRET được vẽ như hàm khoảng cách cặp donor-acceptor, khoảng cách R0 là khoảng cách mà hiệu suất truyền băng 50% 12

Hình 1.5: Quang phổ huỳnh quang của donor và acceptor và dung dịch hỗn hợp của donor và acceptor 13

Hình 1.6: Mô hình cơ chế hoạt động của biosensor DNA nano QDs (a,b) 15

Hình 1.7: Sơ đồ cảm biến FRET cơ bản để phát hiện các protease hoạt động 16

Hình 2.1: Máy đo phổ hấp thụ Shimazu UV2600 18

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang học UV-VIS-NIR 18

Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý của máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse 20

Hình 2.4: (a) Phép đo thời gian sống theo phương pháp miền thời gian;

(b) Phép đo thời gian sống theo phương pháp miền tần số 22

Hình 2.5: Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật TCSPC: một photon tín hiệu được ghi nhận tại mỗi chu kỳ xung kích thích, nhớ vào các cột thời gian (bin time), dựng lại biểu đồ tín hiệu theo thời gian (histogram) sẽ cho profile cường độ [17] 24

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát của hệ TCSPC 25

Hình 3.1: Ảnh HRTEM của AuNPs 28

Hình 3.2: Phổ hấp thụ của hạt AuNPs trong 28

Hình 3.3: Phổ PL của các mẫu AuNPs/Rh6G, kích thích = 488nm 30

Hình 3.4 Hiệu suất FRET phụ thuộc vào tỉ lệ N giữa Acceptor và Donor (tam giác đỏ), so sánh với lý thuyết Förster tại tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương) 30

Hình 3.5: Đường cong suy giảm huỳnh quang của Rh6G 32

Hình 3.6: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ khác nhau 34

Hình 3.7: Phổ huỳnh quang phân giải thời gian của các mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ thành phần khác nhau đo tại đỉnh phát xạ 563 nm với bước sóng kích thích 405 nm 35

1

MỞ ĐẦU

Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang hay truyền năng lượng cộng hưởng Förster được đặt tên của nhà khoa học Theodor Förster - người đã tìm ra hiệu ứng truyền năng lượng giữa hai chất màu hữu cơ, chất huỳnh quang [1] Trong một thời gian dài, mục tiêu chính của phương pháp dựa vào FRET là xác định khoảng cách giữa các phân tử tương tác bằng cách xác định sự thay đổi cường độ huỳnh quang của chất cho (donor) hoặc chất nhận (acceptor), từ đó xác định hàm lượng thành phần của donor-acceptor [2,5] Sau này với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang, ảnh thời gian sống huỳnh quang, FRET trở thành công cụ nghiên cứu cấu trúc, tương tác giữa các phân tử trong tế bào FRET là nguyên nhân gây ra sự dập tắt huỳnh quang của donor nhưng phần lớn năng lượng phát xạ bởi acceptor FRET có các thuộc tính của truyền năng lượng và dập tắt cơ học [4] Khi hiệu ứng FRET xảy ra, acceptor với một tập hợp các mức năng lượng quỹ đạo gần hoặc thấp hơn mức kích thích của donor, có nghĩa là phổ phát xạ của donor phải chồng chập lên phổ hấp thụ của acceptor, quá trình truyền năng lượng có thể đo được thông qua thời gian sống huỳnh quang Xác định FRET qua thời gian sống huỳnh quang có một

số ưu điểm so với phương pháp xác định cường độ phổ đồng thời tránh được trường hợp không phải FRET (quá trình tái hấp thụ) Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày kết qủa nghiên cứu truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang là cặp donor-acceptor là: chất màu Rhodamin 6G và hạt nano vàng; Rhodamin 6G và chấm lượng

tử CdSe/ZnS trong môi trường dung môi nước

Luận văn với tiêu đề: “Ứng dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian

nghiên cứu quá trình truyền năng lượng cộng hưởng” Ngoài phần mở đầu, kết luận

được chia làm 3 chương:

− Chương 1: Tổng quan tìm hiểu tài liệu về FRET, ứng dụng FRET: trình bày

lich sử phát triển nghiên cứu FRET, lý thuyết FRET và một số ứng dụng của

nó

2

− Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: Chuẩn bị mẫu đo, các phương pháp thực

nghiệm được sử dụng trong luận văn như đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang

− Chương 3 Trình bày các kết quả truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh

quang của 2 cặp donor-acceptor là: chất màu Rhodamin 6G và hạt nano vàng; Rhodamin 6G và chấm lượng tử CdSe/ZnS trong môi trường dung môi nước

có tính đột biến lớn Công nghệ và Vật liệu nano cũng là hướng nghiêu cứu ưu tiên trong định hướng phát triển khoa học công nghệ của Đảng và Nhà Nước ta trong thời gian tới Về bản chất vật liệu nano là loại vật liệu làm việc ở cấp độ nguyên tử phân tử nên nó có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu ở dạng khối Vật liệu nano cho thấy khả năng ứng dụng rất phong phú và đa dạng, vật liệu nano có thể thay thế các loại vật liệu truyền thống hoặc sử dụng tính chất mới của vật liệu nano để tạo ra ứng dụng mới Với ưu điểm là kích thước rất bé (1-100nm) vật liệu nano có thể dễ dàng xâm nhập vào các tế bào sống Đây chính là chìa khoá để mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong lĩnh vực y-sinh học Vật liệu nano có thể kết hợp với các chất hợp sinh để đưa vào trong cơ thể, tế bào sống mà không bị đào thải và bám vào tế bào đích Đây chính

là nguyên lý ứng dụng hạt nano đánh dấu nhận biết các tế bào bị bệnh nhằm chẩn đoán

và điều trị, nhằm giảm thiểu các hiệu ứng phụ so với những phương pháp truyền thống Cũng với tính chất này, vật liệu nano còn được sử dụng để dẫn truyền thuốc tới tận các tế bào bệnh, ức chế hoặc tiêu diệt các tế bào Nhiều phương pháp điều trị bệnh được xây dựng trên cơ sở sử dụng vật liệu nano như liệu pháp hoá trị (chemotherapy): chế tạo các hệ thống mang thuốc nano hướng đích làm tăng hiệu quả của thuốc và giảm các tác dụng phụ; liệu pháp nhiệt trị (thermal therapy): sử dụng nguyên tắc đốt nội với các nguồn nhiệt là các hạt từ, hạt kim loại kích thước bé hơn tế bào để bóc tách hoặc diệt tế bào ung thư; liệu pháp thực khuẩn thể (phage therapy) là phương pháp sử dụng các thực khuẩn thể đặc hiệu gắn với các hạt mang thuốc… Ngoài ra, tính chất quang của các hạt nano như chấm lượng tử, hạt nano vàng, các hạt nano silica chứa tâm màu hữu cơ và các hạt nano đất hiếm được sử dụng để đánh dấu, làm tăng độ tương phản ảnh, tăng độ nhạy cũng như độ chính xác của phép chuẩn đoán hình ảnh

4

Tại Việt Nam nghiên cứu về vật liệu nano đã được thực hiện gần hai chục năm qua, hàng ngàn dự án, đề tài khoa học các cấp đã được thực hiện, chúng ta đã thu được nhiều kết quả khoa học đáng khích lệ, nhiều công trình khoa học đã được công bố, nhiều kết quả đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế …bên cạnh những tính chất, thông số, đặc trưng vật lý của đơn hạt nano ở trạng thái dừng (steady state) của vật liệu nano được tập trung nghiên cứu thời gian gần đây, một tính chất khác của vật liệu nano là tính chất động học – tính chất của vật liệu khi có tương tác với môi trường bên ngoài ít được chú ý vì ở Việt Nam chúng ta chưa có đầy đủ phương tiện, máy móc để thực hiện các nghiên cứu này Gần đây tại viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam đã phát triển được một số thiết bị cho phép xác định được một số đặc tính động học của vật liệu nano

Vật liệu nano có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Chẳng hạn, ống nano cacbon, dây nano silic đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử, cũng như các chuyển mạch quang Các vật liệu gốm trên cơ sở tinh thể nano Si3N4, SiC có độ cứng siêu cao, ít bị mài mòn, được dùng trong cơ khí để chế tạo mũi khoan, dao cắt gọt, các ổ bi Vật liệu TiO2 anatase với kích thước cỡ nano mét cho thấy chúng là một chất xúc tác quang điện hóa mạnh, mở ra một khả năng ứng dụng làm vật liệu xúc tác, làm sạch môi trường: kính được phủ hạt tinh thể nano TiO2

sẽ không dính ướt; các loại sơn có pha hạt nano TiO2 sẽ có độ bám dính rất cao, làm cho lớp sơn bền lâu và không bám bụi Các hạt nano từ: Fe2O3, Fe3O4 được sử dụng

để đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường

Các hạt kim loại có cấu trúc nano cũng là một hướng tiếp cận trong các nghiên cứu khoa học–công nghệ nano Ở đây, tính chất hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt liên quan tới hệ điện tử tự do đặc biệt có ý nghĩa quan trọng Gần đây, hai loại hạt nano kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều là vàng (Au) và bạc (Ag) Vàng kích thước nano (khoảng một vài chục nm) có plasmon bề mặt cộng hưởng ở khoảng 530

nm Quá trình biến đổi photon–plasmon–photon (vùng phổ cộng hưởng ~530 nm) cho phép tiếp cận trực tiếp lĩnh vực nano–photonics, tận dụng được các ưu thế "nhanh" của quang tử (photonics) và "kích thước nano" của điện tử Plasmon bề mặt trong các hạt vàng còn được sử dụng để truyền năng lượng ánh sáng cho các tế bào, protein được

5

đánh dấu riêng, nhằm có được sự đốt nóng chọn lọc trong điều trị định vị các mô ung thư Các hạt nano bán dẫn (CdS, CdSe, CuInS2 ) được sử dụng trong đánh dấu sinh học, phát hiện các phân tử DNA, phát hiện ung thư, virút hay các ứng dụng trong pin mặt trời, chiếu sáng rắn [6]

1.2 Hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET)

1.2.1 Khái niệm

Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (Fluorescence Resonance Energy Transfer - FRET ) là một cơ chế truyền năng lượng xảy ra ở cấp độ nano thông qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực, đây là một hiện tượng vật lý quan trọng với nhiều lĩnh vực tiềm năng trong lĩnh vực quang điện tử và rất nhiều lĩnh vực khác FRET được đưa ra từ thập kỷ 50 của thế kỷ trước, hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực đặc biệt trong nghiên cứu y sinh học [7,8] FRET là hiệu ứng phụ thuộc vào khoảng cách truyền năng lượng từ một chất cho huỳnh quang (donor) tới một acceptor huỳnh quang (acceptor) phù hợp, là một trong số ít các công

cụ có sẵn để đo khoảng cách nanomet và xác định những thay đổi trong khoảng cách

cả trong in vitro lẫn trong cơ thể Do có độ nhạy với khoảng cách cao, nên hiệu ứng FRET đã được sử dụng để nghiên cứu động học, tương tác nguyên tử. [9,10,13]

Cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang liên quan đến các chất phát huỳnh quang mà ở đây là điện tử ở trạng thái kích thích, một phân tử huỳnh quang có thể truyền năng lượng kích thích của nó cho một acceptor không phát xạ gần đó thông qua các tương tác lưỡng cực-lưỡng cực tầm xa Lý thuyết truyền năng lượng được dựa trên khái niệm về một chất huỳnh quang kích thích như một dao động lưỡng cực có thể trải qua sự trao đổi năng lượng với một lưỡng cực thứ hai có tần số cộng hưởng tương

tự Vấn đề này, truyền năng lượng cộng hưởng tương tự như sự dao động cùng tần số Ngược lại, năng lượng bức xạ yêu cầu phát xạ và tái hấp thụ một photon phụ thuộc vào kích thước vật lý và tính chất quang học của mẫu vật, cũng như hình dạng của bề mặt

và quãng đường truyền sóng Không giống như các cơ chế bức xạ, truyền năng lượng cộng hưởng có thể mang lại một lượng đáng kể thông tin về cấu trúc liên quan đến các acceptor.[9,10,12]

6

Một cặp phân tử tương tác với nhau thông qua hiệu ứng FRET được gọi là một cặp donor- acceptor Hiện tượng FRET không qua trung gian là quá trình phát xạ photon Ngoài ra, nó thậm chí không yêu cầu chất màu nhận được phát huỳnh quang Mặc dù trong hầu hết các ứng dụng, các donor và acceptor đều có khả năng phát huỳnh quang. [13,14]

Tóm lại, FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer - FRET ) hay còn gọi

là hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang Ở đây truyền năng lượng cộng hưởng (RET) còn gọi là truyền năng lượng cộng hưởng điện tử (electronic energy tranfer – EET)

Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) là cơ chế mà trong đó một hạt nano có thể truyền năng lượng kích thích không bức xạ của nó cho một hạt nano độc lập khác ở một khoảng cách ngắn (khoảng cách nguyên tử)

Một cặp nguyên tử tạo ra một điện trường do sự tương tác lưỡng cực Đầu tiên

sự hấp thụ ánh sáng xảy ra ở nguyên tử cho (donor molecule), bắt đầu bị kích thích Trước khi donor có thể phát huỳnh quang và quay trở lại trạng thái ban đầu, nó đang ở trạng thái kích thích nên truyền năng lượng cho nguyên tử nhận (acceptor molecule) gần nhất có trạng thái năng lượng kích thích thấp nhất qua sự trao đổi của một photon

ảo Nguyên tử cho (the donor) trở về trạng thái cơ bản còn nguyên tử nhận trở lên trạng thái kích thích.[9,15,16]

Kết quả cuối cùng là nguyên tử nhận bắt đầu chuyển lên trạng thái kích thích nhờ vào quá trình gián tiếp nhận photon ảo, mặt khác đây cũng là hiện tượng xảy ra rất

tự nhiên [12] FRET là một hiện tượng tự nhiên đầy lý thú bởi vì nó không phụ thuộc vào sự tiếp xúc vật lý cũng như truyền điện tử

7

1.2.2 Lịch sử phát triển FRET [11]

Mặc dù các ứng dụng thực tế của FRET chỉ diễn ra sau năm 1950 nhưng quan sát hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang được thực hiện từ thực nghiệm năm 1900 và các nhà khoa học luôn tìm mọi cách để giải thích hiện tượng này Bắt đầu với lý thuyết về sóng điện từ (EM) và quang phổ, đồng thời với sự ra đời của

cơ học lượng tử (QM) Những lý thuyết này rất cần thiết cho quan sát và giải thích đúng về việc truyền năng lượng không bức xạ Khái niệm EM đưa ra chỉ vài thập kỷ trước khi quan sát được truyền năng lượng Lý thuyết đầu tiên cố gắng giải thích FRET là sử dụng lý thuyết EM cổ điển này Lý thuyết cơ học lượng tử đầu tiên của FRET đã được phát triển đồng thời với lý thuyết mới của Heisenberg, Schrodinger và Dirac (Heisenberg, 1925; Dirac, 1926; Schrodinger, 1926)

Thí nghiệm đầu tiên ghi lại các phép đo truyền năng lượng huỳnh quang cộng hưởng (quan sát phát xạ của nguyên tử donor) được Carlo và Franck thực hiện trên khoảng cách lớn hơn bán kính va chạm đã được thực hiện vào năm 1922 Carlo quan sát phát xạ từ Tali trong một hỗn hợp hơi thủy ngân và Tali, khi hỗn hợp hơi bị kích thích bởi bước sóng 253,6 nm, Bước sóng này chỉ có thể kích thích các nguyên tử thủy ngân nhưng lại thu được huỳnh quang của Tali Huỳnh quang của Tali được gọi là

“huỳnh quang cảm ứng” (sensitized fluorescence) nó quan sát được vì năng lượng từ các nguyên tử thủy ngân bị kích thích đã truyền cho nguyên tử tali

Các thí nghiệm tiếp theo của các tác giả khác thấy huỳnh quang cảm ứng xẩy ra với hơi của các kim loại kiềm như: bạc, cadmium, chì, kẽm và indi với sự có mặt của hơi thủy ngân Tầm quan trọng của sự cộng hưởng giữa năng lượng mức giữa các mức năng lượng của nguyên tử nhạy cảm đã được minh chứng rõ ràng bởi các thí nghiệm sau nay của Beuler và Josephi (1927-1929), cường độ huỳnh quang tăng với sự tham gia của hai loại nguyên tử Điều này phù hợp với nguyên lý Franck (1922): năng lượng điện tử của một nguyên kích thích không thể chuyển trực tiếp thành động năng của hạt

va chạm Nếu năng lượng kích thích đã chuyển thành nội năng dập tắt thì sẽ có những trạng thái kích thích với năng lượng được tăng cường

Cơ học lượng tử và lý thuyết truyền năng lượng [9,10]

Lý thuyết cơ học lượng tử để giải thích sự truyền năng giữa các nguyên tử ở khoảng cách xa hơn so với bán kính va chạm đã được đề xuất bởi Kallmann và

8

London (1928) Lý thuyết này giả thiết có sự cộng hưởng giữa các mức năng lượng của các nguyên tử tương tác Về cơ bản đây là phép tính nhiễu loạn bậc hai để tính toán năng lượng tương tác Họ tìm ra rằng chuyển dời giữa các mức năng lượng là các chuyển dời dipole, tiết diện hiệu dụng q của 2 nguyên tử tương tác tăng -2/3 ( là sự sai khác mức năng lượng kích thích) khi →0 tiết diện hiệu dụng tiến tới giá trị lớn hơn bán kính tán xạ Đây là cơ sở lý thuyết FRET cơ học lượng tử sau này, tương tự như mô tả của lực London-van der Waals

Lực London - Van Der Waals) và tương tác Debye-Keesom

Ý tưởng lưỡng cực-lưỡng cực (Dipole-Dipole) tương tác ở khoảng cách giữa các nguyên tử và phân tử đang được London áp dụng giải thích tương tác phân tử Vander Waals và truyền năng lượng Trước đó tương tác này cũng đã được Keesom (1912); Debye (1920-1921) sử dụng giải thích các tương tác giữa các phân tử có mối liên hệ giữa phân tử của London và FRET Sự khác nhau chính ở đây là năng lượng tương tác của lực Vander Waals và tốc độ thay đổi năng lượng của FRET Trong tương tác Vander Waals cả hai phân tử tương tác ở trạng thái cơ bản còn trong FRET một trong hai phân tử tương tác ở trạng thái kích thích Biểu thức lực London tương tác giữa hai nguyên tử liên quan đến cường độ dao động UV-Vis của chuyển dời quang học tương ứng, giống như FRET (Förster, 1951) Biểu thức đầy đủ cho tương tác London tổng của các chuyển dời quang học của hai nguyên tử tương tác Nếu cả hai nguyên tử đều ở trạng thái cơ bản, lực London luôn là lực hút, hơn nữa, nếu các nguyên tử tương tác không phải là hình cầu đối xứng có phân cực đẳng hướng, định hướng tương đối của chúng sẽ ảnh hưởng đến sự tương tác (giống như sự phụ thuộc định hướng của FRET) Tương tác van der Waals đơn giản (không tính đến thế năng liên quan đến hiệu ứng Casmir theo lý thuyết của London giảm theo R6, trong đó R là khoảng cách giữa các nguyên tử; điều này cũng giống nhau khoảng cách phụ thuộc như FRET giữa hai phân tử huỳnh quang

Lý thuyết của J Perrin và F Perrin

Mô hình J Perrin (1925): Ông giả thuyết rằng việc truyền năng lượng kích thích có thể nhảy từ một phân tử tới một phân tử khác thông qua tương tác giữa các dao động lưỡng cực của các phân tử gần nhau Theo lý thuyết cổ điển một phân tử kích thích sẽ dao động ở tần số  tương ứng với cường độ của năng lượng kích thích

lý do sau đây Năng lượng bị mất bởi donor chính xác bằng năng lượng thu được của acceptor Mỗi phân tử chỉ có một xác suất va chạm nhất định Điều này làm giảm khả năng cộng hưởng, bởi vì phải có hai lưỡng cực tương tác để có quá trình truyền năng lượng F Perrin đã sử dụng lý thuyết phổ va chạm mở rộng cho truyền năng lượng ở khoảng cách mới giảm xuống còn khoảng [(/ 2) (t/)]1/6 trong đó t là thời gian giữ hai lần va chạm;  là thời gian sống huỳnh quang

Lý thuyết của Förster's

Trên cở sở các công trình của các nhà khoa học tiền bối Theodor Förster đã phát triển lý thuyết truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang xuất bản và công bố qua hàng loạt công bố từ 1946-1951

1.2.3 Cơ sở lý thuyết của hiệu ứng FRET.[9,12]

Sự kích thích trên một ion có thể lan truyền sang một ion cùng loại khác sang một trạng thái cơ bản là một kết quả của sự truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) khi chúng được định xứ gần nhau Khoảng cách giữa các ion mà tại đó xác suất của quá

10

trình huỳnh quang và năng lượng trở nên cạnh tranh nhau là cỡ vài Angstrom Sơ đồ của quá trình truyền năng lượnđg cộng hưởng mô tả như hình dưới:

Hình 1.2: Giản đồ Jablonski mô tả hiệu ứng FRET

Trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, phân tử huỳnh quang donor hấp thụ năng lượng tưng ánh sáng tới chuyển lên trạng thái kích thích.[9]Năng lượng kích thích này truyền cho phân tử huỳnh quang acceptor lân cận Quá trình truyền năng lượng này tự nó sẽ làm giảm huỳnh quang của donor (dập tắt) và tăng cường độ huỳnh quang acceptor đồng thời giảm thời gian sống huỳnh quang donor

D + h → D*+

D* + A → D +A*

A* →A + h’

D: donor; A: acceptor; dấu “*” kí hiệu trạng thái kích thích

Một số điều kiện cần phải được thỏa mãn để cho FRET xảy ra đó là:

(i) Phổ phát xạ huỳnh quang của các phân tử donor phải chồng lên phổ hấp thụ hoặc kích thích của chất màu nhận Mức độ chồng chập lên nhau được gọi là phổ chồng lên nhau tích hợp (J)

(ii) Donor phải có cường độ huỳnh quang mạnh

(iii) Hai chất này (donor và acceptor) phải ở khoảng cách gần nhau (thường 1 đến 10 nanomet)

Acceptor Khu vực màu đậm là sự chồng quang phổ gữa quang phổ huỳnh quang của các donor và phổ hấp thụ của acceptor.[9]

Hiệu suất truyền năng lượng FRET tỉ lệ với nghịch đảo mũ 6 khoảng cách donor-acceptor

(1.1) Trong đó R0 là bán kính Förster – là khoảng cách mà ở đó năng lượng truyền được 50%

13

Trong đó DA là thời gian sống huỳnh quang của donor khi có mặt acceptor; D

là thời gian sống huỳnh quang của donor khi không có mặt acceptor

Tóm lại, tỷ lệ FRET phụ thuộc vào mức độ chồng chập quang phổ giữa các cặp

cho – acceptor (hình 1.3), hiệu suất lượng tử của các chất cho, định hướng tương đối

của các donor– acceptor, những khoảng cách chuyển tiếp lưỡng cực và khoảng cách từ các donor tới acceptor Bất kỳ quá trình nào có ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các cặp chất cho- acceptor cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của FRET

Phát hiện hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET):

Việc phát hiện và định lượng hiệu ứng FRET có thể được thực hiện trong một

số cách khác nhau Đơn giản chỉ cần hiện tượng này có thể được quan sát bởi một mẫu vật có chứa cả các donor và các phân tử acceptor với ánh sáng phát ra ở các bước sóng trung tâm gần với phát xạ Bởi vì FRET có thể dẫn đến giảm cường độ huỳnh quang của các phân tử donor cũng như tăng cường độ huỳnh quang của acceptor, nên khi xác định tỷ lệ số liệu của hai tín hiệu có thể phát hiện được hiệu ứng FRET có xảy ra hay không [12]

Ưu điểm của phương pháp này là một thước đo của sự tương tác có thể được thực hiện là độc lập với nồng độ tuyệt đối của cảm biến Bởi vì không phải tất cả các gốc acceptor đều phát huỳnh quang, nên chúng có thể được sử dụng như một phương tiện để dập tắt huỳnh quang Trong trường hợp này, những tương tác mà kết quả trong một phân tử các chất huỳnh quang cho đến gần phân tử như vậy sẽ dẫn đến một sự mất mát tín hiệu

Hình 1.5: Quang phổ huỳnh quang của donor và acceptor và dung dịch

hỗn hợp của donor và acceptor

14

Trong Hình 1.5, huỳnh quang của acceptor tăng gần sáu lần khi có sự hiện diện

của chất cho Trong trường hợp, như huỳnh quang các donor trở thành 1/3 huỳnh quang các chất cho Sự thay đổi cường độ huỳnh quang là bằng chứng hình ảnh rõ ràng của FRET Các quang phổ huỳnh quang đã được ghi nhận là sự phát huỳnh quang của donorvà nhận Đây là hiệu ứng FRET sử dụng các chất 3-octadecyl-2[3-octadecyl-2(3H)-benzothizolidene) metyl] benzoth) metyl] benzothiazolium perchlorate (chất cho), Octadecyl rhodamine B (acceptor)

1.2.4 Ứng dụng hiệu ứng FRET và chấm lượng tử làm nanosensor

Nanosensor là cảm biến được xây dựng ở cấp độ nano, với mục đích chủ yếu là

để thu thập số liệu về quy mô nguyên tử và chuyển nó thành dữ liệu có thể dễ dàng phân tích Các cảm biến này cũng có thể được định nghĩa là “Một cảm biến hóa học, cảm biến vật lý, cảm biến sinh học sử dụng các thành phần có kích thước nano, thông thường là từ kích thước micromet tới nanomet” Những cảm biến này có độ nhạy cực

kỳ cao và có thể phát hiện các hạt đơn lẻ hoặc thậm chí nồng độ cực thấp dư lượng một chất nguy hiểm tiềm tàng còn sót lại Vì hiện nay công nghệ này đã và đang được nghiên cứu ở rất nhiều hướng khác nhau nên rất khó để có thể cho một định nghĩa duy nhất về những gì chính xác là một nanosensor.[12]

15

phát huy Bằng phương pháp này, ta có thể kiểm chứng được DNA nhanh và độ chính xác cao[12,13,14] Hình 1.6 là mô hình cơ chế hoạt động của biosensor DNA nano

Hình 1.6: Mô hình cơ chế hoạt động của biosensor DNA nano QDs (a,b)

và hiệu ứng kiểm tra (c)

Nhìn chung, biosensor nano hiệu ứng FRET dùng chất phát huỳnh quang QDs

có nhiều ưu điểm so với huỳnh quang hữu cơ Vì vậy nhiều loại biosensor để xác định ảnh invivo được nghiên cứu chế tạo

• Sử dụng nanosensor trong nghiên cứu Enzim

Giáo sư Gae Baik Kim và Young-Pil Kim cùng các cộng sự taị đại học Hanyang Hàn Quốc cũng nghiên cứu và phát triển phép phân tích Enzim Protease bằng nanosensor sử dụng chấm lượng tử có hiệu ứng FRET Nghiên cứu này cho thấy việc phát triển hoạt động của protease dựa trên sự truyền năng lượng của các chấm lượng tử Bằng cách kết hợp một số loại protease vào thiết kế của dạng QDs có cấu trúc truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) và truyền năng lượng cộng hưởng phát quang sinh học (BRET), hoạt động của protease dẫn đến những thay đổi trong hiệu suất truyền năng lượng Đặc biệt là do đặc tính vượt trội của QDs, nó có thể

16

được xem như là một tác nhân nhận biết protease với độ nhạy cao Người ta dự đoán rằng QDs dựa trên FRET/BRET như một đầu dò sẽ có một tiềm năng lớn trong việc phân tích vai trò cơ bản của protease và có khả năng chế tạo loại thuốc ức chế protease như thuốc điều trị sinh học dạng nano [12,13,14]

FRET là kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến sinh-hóa hiện nay bởi độ nhạy cao, khả năng phục hồi trạng thái tốt, và khả năng quan sát trong thời gian thực Phương pháp thông thường để phát hiện để phát hiện hoạt động protein được dựa trên phát huỳnh quang với các liên kết peptide hữu cơ Ví dụ cho hoạt động protease là đầu dò tự động, đầu dò mang màu kép, và đầu dò dựa trên

các photon hiệu ứng FRET, như mô tả hình 1.7

Tuy nhiên, việc phát huỳnh quang hữu cơ thường gặp một vài vấn đề chẳng hạn như hình ảnh bị tẩy trắng, độ nhạy ảnh hưởng bởi môi trường, khó khăn trong việc phân tích tổ hợp donor và acceptor Như đã nói trên, những vấn đề trong các nghiên cứu về FRET có thể được khắc phục khi có phổ huỳnh quang thích hợp hoặc dập tắt

được sử dụng thích hợp với chấm lượng tử (QDs).(hình 1.7) Từ QDs có dải hấp thụ

rộng và phổ phát xạ hẹp cũng như sự ổn định quang cao, sẽ có thuận lợi trong việc theo dõi lâu dại và cho phép phát hiện, QDs thường được sử dụng như các donor trong khi các phân tử nhận năng lượng huỳnh quang (chất dập tắt) thường là một peptide được biến tính thích hợp [12-13-14]

Hình 1.7: Sơ đồ cảm biến FRET cơ bản để phát hiện các protease hoạt động

(A) Quá trình FRET thông thường (B) FRET sử dụng QDs D và A là chất cho và

nhận tương ứng

số trạng thái kích thích nj, từ đó có thể xác định được bước sóng kích thích hiệu quả cho quá trình quang huỳnh quang (j–i) quan tâm Môi trường vật chất hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Beer–Lambert:

I (ν) = I 0 (ν)e – α (ν )d (2.1)

trong đó: I 0 (ν) và I(ν) là cường độ ánh sáng tới và cường độ truyền qua mẫu vật chất, d là độ dày của mẫu và α(ν) là hệ số hấp thụ vật liệu đối với photon có năng lượng hν (hay hc/λ, với c là vận tốc ánh sáng)

Muốn xác định hệ số hấp thụ α(ν), người ta lấy in hai vế (2.1), được:

Ln [I 0 (ν) /(I (ν)] = α(ν)d𝛼(𝜈)𝑑 (2.2)

Phổ hấp thụ biểu diễn đồ thị hệ số hấp thụ α (hay độ hấp thụ A) theo bước sóng

hay năng lượng của photon đi qua vật chất Như vậy, hệ số hấp thụ lớn tại một bước sóng nào đó cho thấy photon có năng lượng tương ứng bị vật chất hấp thụ mạnh, phần ánh sáng truyền qua có cường độ yếu Ý nghĩa của hệ số hấp thụ bằng 1 là khi ánh sáng truyền qua một môi trường có độ dày 1 cm, cường độ sẽ bị suy giảm đi e (~2,7)

lần Hai đại lượng I 0 (ν) và I (ν) đo được bằng thực nghiệm

Phương pháp đo phổ hấp thụ trong từng vùng phổ đòi hỏi nguồn sáng phát xạ liên tục trong vùng phổ đó, một phổ kế hoặc là máy đơn sắc lựa chọn bước sóng hay tần số, thiết bị thu tín hiệu để đo sự truyền qua của ánh sáng đơn sắc Nguồn sáng thường được sử dụng là đèn hydrogen và deuterium đối với vùng tử ngoại và đèn dây tóc (volfram+halogen) cho vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần Trong thí nghiệm đo phổ hấp thụ, chúng tôi dùng đèn halogen phát xạ trong vùng nhìn thấy Bằng cách ghi phổ trải trong vùng năng lượng photon rộng, có thể biết được các quá trình hấp thụ xảy

ra tương ứng với các chuyển dời quang học