Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF 4 chứa ion đất hiếm er 3+ và yb 3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --- HÀ THỊ PHƯỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

HÀ THỊ PHƯỢNG

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO

PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er 3+ VÀ Yb 3+

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

HÀ THỊ PHƢỢNG

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO

PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er 3+ VÀ Yb 3+

i

LỜI CAM ĐOAN

Công trình được thực hiện tại phòng Quang Hóa Điện tử – Viện Khoa học vật liệu – Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trần Thu Hương và GS.TS Lê Quốc Minh Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Hà Thị Phƣợng

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các đồng nghiệp trong Bộ môn Hóa học, Trường Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi được tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cám ơn tập thể các anh, chị đang công tác tại Viện Khoa học vật liệu đã chia sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Thị Vinh, Trường Đại học Mỏ Địa chất, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã luôn động viên, chia sẻ và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Nghiên cứu sinh

Hà Thị Phƣợng

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NỀN NaYF 4 6

1.1 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm 6

1.1.1 Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm 6

1.1.2 Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm 6

1.2 Quá trình phát quang chuyển đổi ngược 11

1.2.1 Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược 11

1.2.2 Các thành phần của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược 15

1.2.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ 19

1.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh 21

1.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 22

1.3.2 Phương pháp sol - gel 25

1.3.3 Phương pháp vi sóng (Microwave) 26

1.4 Ứng dụng của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược trong y sinh 27

1.4.1 Nhận dạng sinh học (bioimaging) 28

1.4.2 Cảm biến sinh học (biosensing) 30

1.4.3 Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) 36

1.4.4 Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) 37

Kết luận chương 1 40

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 41

2.1 Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ 41

iv 2.2 Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ 42

2.2.1 Phương pháp xử lý bề mặt 42 2.2.2 Phương pháp chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học 44

2.3 Phân tích cấu trúc, hình thái học và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu 46

2.3.1 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X 46 2.3.2 Phân tích cấu trúc phân tử bằng phương pháp phổ dao động 47 2.3.3 Khảo sát hình thái học của vật liệu bằng kĩ thuật hiển vi điện tử quét phát xạ trường 49 2.3.4 Nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu bằng phương pháp phổ huỳnh quang 50 2.3.5 Kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang nhận dạng bằng kính hiển vi huỳnh quang 51

Kết luận chương 2 53 Chương 3 CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ 54 3.1 Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ 54

3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ (Quy trình 1) 54

3.1.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF 4 :

Yb 3+ , Er 3+ tổng hợp theo quy trình 1 56

3.1.3 Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ ,

Er 3+ tổng hợp theo quy trình 1 59

3.2 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm - PEG 62

3.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ - PEG 62

3.2.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF 4 :

Yb 3+ , Er 3+ - PEG 64

3.2.3 Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ ,

Er 3+ - PEG 66

v

3.3 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 69

3.3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF 4 :Yb 3+ , Er 3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF 4 (quy trình 2) 69

3.3.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ tổng hợp theo quy trình 2 70

3.3.3 Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF 4 :Yb 3+ , Er 3+ cấu trúc β-NaYF 4 tổng hợp theo qui trình 2 75

Kết luận chương 3 77

Chương 4 KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƯ MCF7 78

4.1 Xử lý bề mặt, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ 78

4.1.1 Xử lý bề mặt vật liệu NaYF 4 chứa ion Yb 3+ và Er 3+ bằng silica 79

4.1.2 Chức năng hóa vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ @silica bằng APTMS 80

4.1.3 Chức năng hóa vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ @silica bằng TPGS 82

4.1.4 Liên hợp hóa vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ @silica-NH 2 bằng acid folic 84

4.2 Kết quả nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất phát quang của vật liệu đã chức năng hóa, liên hợp hóa 87

4.2.1 Cấu trúc hình, thái học của vật liệu NaYF 4 :Yb 3+ , Er 3+ @silica đã chức năng hóa, liên hợp hóa 87

4.2.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ @silica đã chức năng hóa, liên hợp hóa 89

4.2.3 Tính chất phát quang của vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+ @silica đã chức năng hóa và liên hợp hóa 92

4.3 Kết quả thử nghiệm dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 95

4.3.1 Quy trình thử nghiệm 95

4.3.2 Kết quả thử nghiệm 97

Kết luận chương 4 100

KẾT LUẬN CHUNG 101

DANH MỤC CÁC CÔNG B KHOA HỌC 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DMSO Dimethyl sulfoxide (C2H6OS)

đ.v.t.đ Đơn vị tương đối

ESA Hấp thụ trạng thái kích thích (excited-state absorption)

ETU Chuyển đổi ngược truyền năng lượng

(Energy Transfer Upconversion)

FA Acid folic (C19H19N7O6)

FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát trường

(Field Emission Scanning Electron Microscopy)

FRET Truyền năng lượng cộng hưởng Förster

(Förster resonance energy transfer)

FTIR Phổ hồng ngoại khai triển Fourier

(Fourier Transform infrared spectroscopy)

FWHM Độ rộng bán phổ của vạch nhiễu xạ cực đại

(Full-width at half maximum intensity)

GSA Hấp thụ trạng thái cơ bản (ground-state absorption)

vii

LRET Truyền năng lượng cộng hưởng quang huỳnh quang

(Luminescence Resonance Energy Transfer)

NHS N-Hydroxysuccinimide (C4H5NO3)

RE 3+ Ion đất hiếm hóa trị 3

PBS Phosphate Buffer Saline

PL Huỳnh quang (photoluminescence)

TEOS Tetraethyl orthosilicate (C8H20O4Si)

TPGS D-alpha-tocopheryl poly ethylene glycol 1000 succinat

UC Huỳnh quang chuyển đổi ngược (upconversion)

UCL Phát quang chuyển đổi ngược

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45] 8

Bảng 1.2 Năng lượng phonon của các nền được sử dụng cho các vật liệu nano

phát quang chuyển đổi ngược UCNP [22] 16

Bảng 3.1 Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 56

Bảng 3.2 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể α-NaYF4 của các mẫu M1, M2,

M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt 57

Bảng 3.3 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể -NaYF4 của các mẫu M1, M2,

M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt 58

Bảng 3.4 Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Y3+/ Yb3+/ Er3+ = 79,5/ 20/ 0,5) có sử

dụng PEG với trọng lượng phân tử =200; 4000; 6000; 20000 tổng hợp

theo quy trình 1 64

Bảng 3.5 Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ tổng

hợp theo quy trình 2 70

Bảng 3.6 Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể  -NaYF4 của mẫu EY2

tổng hợp theo quy trình 2 bằng phương pháp thủy nhiệt 72

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f 9

Hình 1.2 Các quá trình phát quang 9

Hình 1.3 Sơ đồ mức năng lượng của quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp và quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác 10

Hình 1.4 Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược upconversion 11

Hình 1.5 Các quá trình chuyển đổi ngược thông qua (a) hấp thụ từ trạng thái được kích thích và (b) truyền năng lượng kế tiếp quá trình hấp thụ từ trạng thái được kích thích 14

Hình 1.6 Các quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng dựa hoàn toàn vào chất tăng nhạy (a) và hồi phục chéo (b) 14

Hình 1.7 Các quá trình chuyển đổi ngược phối hợp tâm tăng nhạy (a) và phối hợp tâm huỳnh quang (b) 15

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc α- NaYF4 (a) và cấu trúc β- NaYF4 (b) 17

Hình 1.9 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 24

Hình 1.10 Ứng dụng của các UCNP cho cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau 32

Hình 1.11 Sơ đồ xét nghiệm sinh học “gián đoạn” trên UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich”(a) và xét nghiệm cạnh tranh (b) 34

Hình 1.12 Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich” 35

Hình 1.13 Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng sự ức chế của các quá trình truyền năng lượng 36

Hình 2.1 Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt 41

Hình 2.2 Tủ sấy Venticell đặt tại phòng quang hóa điện tử - Viện KHVL 42

Hình 2.3 Cấu tạo phức chất Eu:NTA:TOPO (a) và cấu trúc lõi - vỏ của

phức Eu:NTA:TOPO (b) 43

xi Hình 2.4 Sơ đồ liên hợp sinh học gắn kết các phân tử hoạt động sinh học với

UCNP 45

Hình 2.5 Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể 46

Hình 2.6 Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 46

Hình 2.7 Thiết bị đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 đặt tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới 48

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường 49

Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 49

Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang 50

Hình 2.11 Hệ đo huỳnh quang tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học vật liệu 50

Hình 2.12 Thiết bị kính hiển vi huỳnh quang soi ngược Zeiss axio vert A1, đặt tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Khoa học và công nghệ - USTH, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam 51

Hình 3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ (quy trình 1) 55

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/Y3+ khác nhau: M1 (20,5/79); M2 (20,25/79,25); M3 (20/79,5) và M4 (19,75/79,75) 56

Hình 3.3 Ảnh FESEM của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/ Y3+ khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3); 19,75/ 79,75 (M4) 59

Hình 3.4 Phổ huỳnh quang của các mẫu với tỉ lệ Y3+/ Yb3+ khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3) và 19,75/ 79,75 (M4) tại λexc = 980 nm 60

Hình 3.5 Sơ đồ năng lượng và các quá trình bức xạ, không bức xạ của vật liệu pha tạp Yb3+, Er3+ 61

Hình 3.6 Biểu đồ tỉ lệ cường độ huỳnh quang của các mẫu với tỉ lệ Y3+/ Yb3+ khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3) và 19,75/ 79,75 (M4) tại λexc = 980 nm 62

xii Hình 3.7 Quy trình tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược chứa

ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG 63 Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(M3 - đường 1)

và các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200 (MP2 - đường 2); PEG 4000 (MP4 - đường 3); PEG 6000 (MP6 - đường 4); PEG

20000 (MP20 - đường 5) 65 Hình 3.9 Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 200 (a) và PEG

4000 (b) 65 Hình 3.10 Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 6000 (a) và PEG

20000 (b) 66 Hình 3.11 Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200

(MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 - đường 3) và PEG 20000 (MP20 - đường 4) tại λexc = 980 nm 67 Hình 3.12 Tỉ lệ cường độ huỳnh quang của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG

200 (MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 - đường 3) và PEG 20000 (MP20 - đường 4) tại λexc = 980 nm 68 Hình 3.13 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ

tự tạo nền (quy trình 2) 69 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG20000

(EY2) tổng hợp theo quy trình 2 71 Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự thay đổi tỉ

lệ Er3+/ Y3+ tổng hợp theo quy trình 2 (EY1 = 0,25/ 79,75; EY2 = 0,5/ 79,5; EY3 = 1,0/ 79,0; EY4 =2,0/ 78,0) 73 Hình 3.16 Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (EY2) cấu trúc β-NaYF4

tổng hợp theo quy trình 2 74 Hình 3.17 Ảnh FESEM của mẫu EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) và EY4 (d) cấu

trúc β-NaYF4 tổng hợp theo quy trình 2 74 Hình 3.18 Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui

trình 2, kích thích tại exc = 980 nm 75

xiii Hình 4.1 Quy trình xử lí bề mặt vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+bằng silica 80

Hình 4.2 Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silicabằng

APTMS 81

Hình 4.3 Các giai đoạn phản ứng gắn nhóm NH2 trên bề mặt vật liệu NaYF4:

Yb3+, Er3+@silicabằng APTMS 82

Hình 4.4 Công thức cấu tạo của TPGS 83

Hình 4.5 Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silicabằng TPGS 83

Hình 4.6 Công thức cấu tạo của acid folic 84

Hình 4.7 Quy trình liên hợp sinh học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+

@silica-NH2 với FA 85

Hình 4.8 Phản ứng hình thành phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+,

Er3+@silica-N=FA [100] 86

Hình 4.9 Quy trình gắn kết sinh học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+

@silica-N=FA với tế bào ung thư MCF7 87

Hình 4.10 Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+(a) và mẫu NaYF4:Yb3+,

Er3+@ silica (b) ủ ở 190 oC, 24 h 88

Hình 4.11 Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica-TPGS (a), NaYF4:

Yb3+, Er3+@silica-NH2 (b) và NaYF4: Yb3+,Er3+@silica-N=FA (c)

ủ ở 190 oC, 24 h 89

Hình 4.12 Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+,

Er3+@silica (2) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (3) 90

Hình 4.13 Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+,

Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (3) và NaYF4:

Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) 91

Hình 4 14 Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1)

và mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2) tại exc = 980nm 92

Hình 4.15 Phổ huỳnh quang của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@ silica/TPGS tại

exc = 980nm 93

Hình 4.16 Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+,

Er3+@silica-N=FA tại exc = 980nm 94

xiv Hình 4.17 Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+,

Er3+(1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+

@silica-NH2 (3) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) tại exc = 980nm 95 Hình 4.18 Quy trình thử nghiệm trên tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7

ủ với phức hợp nano NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA 97 Hình 4.19 Hình ảnh tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7 ủ với phức hợp

nano quan sát dưới kính hiển vi điện tử huỳnh quang soi ngược 98

1

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vật liệu nano và sản phẩm liên quan đến vật liệu nano có ứng dụng trên nhiều lĩnh vực như: khoa học vật liệu, năng lượng, môi trường, điện tử và đặc biệt trong lĩnh vực y sinh học [1-6] Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã tạo ra công cụ đánh dấu huỳnh quang (fluorescent labelling) có hiệu quả và đang rất được quan tâm [7-9]

Đáng chú ý vài năm gần đây, nhiều loại vật liệu nano đã trở thành đối tượng thời sự của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, điển hình như vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) [10-14] Khi kích thích vật liệu này bằng ánh sáng hồng ngoại sẽ thu được phát xạ trong vùng khả kiến Do đó chúng

đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu mới và được công nhận trong nhiều lĩnh vực như: chăm sóc sức khỏe, an ninh, năng lượng …[15]

Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, các UCNP có hai ưu thế cơ bản so với vật liệu phát quang thông thường Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại giúp giảm tối đa khả năng tự phát quang của đối tượng và nâng cao độ tương phản của các vi hình ảnh Hơn nữa, ánh sáng hồng ngoại thân thiện với cơ thể người, không gây biến đổi tế bào, có thể xuyên được vài milimet vào mô người nên sẽ tác dụng sâu hơn vào vùng tổn thương Có rất nhiều công trình công bố về các loại UCNP, trong đó vật liệu nền oxit, florua của ytri và gadoli pha tạp ion đất hiếm

Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ là nổi bật hơn cả [16-19] Các nghiên cứu cho thấy, mạng nền NaYF4 kích thước nanomet sẽ tạo ra hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với hiệu suất phát quang cao, bền trong các điều kiện khác nhau Vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị, an ninh, quang điện tử [20, 21] và đặc biệt trong y sinh như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing), trị liệu ung thư (cancer therapy) [20, 22-24] Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh

học in vitro và in vivo của UCNP pha tạp ion đất hiếm có độ tương phản cao.Vì thế

vật liệu UCNP có tiềm năng lớn trong thiết kế, chế tạo các phức hợp nano sinh học

có thể nhận dạng được rất chính xác một số loại tế bào ung thư [23, 25, 26]

2 Trên thế giới, một số nhóm nghiên cứu đã tổng hợp vật liệu UCNP với kích thước từ vài chục đến vài trăm nm, phát quang vùng màu xanh, ứng dụng nhận dạng dấu vân tay [27], làm chất dẫn thuốc [28], làm dầu dò nano [29] hoặc liên kết với các biomarker đánh dấu một số loại tế bào như tế bào ung thư phổi [30], tế bào Hela [9, 31] Đặc biệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm có thể dánh dấu được các tế bào có kích thước m theo phương thức ngoại bào [32] Do cấu trúc, tính chất phát quang và sự liên hợp sinh học là một trong số các yếu tố quyết định ứng dụng trong y sinh của vật liệu nên việc nghiên cứu các yếu tố này luôn có vai trò quan trọng trong chế tạo vật liệu

Các nghiên cứu tại Việt Nam về vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano nhưng cũng đã có những bước chuyển quan trọng, tạo ra sức hút mới đối với các nhà khoa học Năm 2009, nhóm nghiên cứu tại phòng Quang Hóa Điện tử, viện Khoa học vật liệu, viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tập trung nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong y sinh với mở đầu là đề tài Độc lập Nhà nước (2009 - 2012) Kết quả của đề tài đã được đánh giá

là một trong các công trình đầu tiên chế tạo thành công phức hợp (complex) nano sinh y học phát hiện vi hình ảnh hai loại virut sởi và Rota trong vắc xin sản xuất công nghiệp [4] Đối với vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo các UCNP chứa các ion Er, Yb, Tm, với các nền oxit của ytri [33, 34], nền natriytriflorua [35-38] Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước và hình dạng cũng như các đặc tính và

cơ chế của quá trình huỳnh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định hướng ứng dụng trong hiển thị, quang điện tử, in bảo mật và có một số kết quả nghiên cứu ứng dụng trong ngành năng lượng [35, 37, 39]

Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP trong phát hiện và điều trị ung thư vẫn chưa nhiều Câu hỏi đặt ra làm thế nào để sử dụng vật liệu phát quang chuyển đổi ngược UCNP vào trong y sinh học và lựa chọn giải pháp nào là thích hợp cho quá trình chức năng hóa, liên hợp hóa với các đối tượng hoạt động sinh học? Sự kết hợp của công nghệ nano và sinh học cho phép ứng dụng các vật liệu

3 huỳnh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát hiện các phân tử sinh học ứng dụng trong các bộ cảm biến và ảnh y sinh như thế nào?

Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn chủ đề nghiên cứu vật liệu nano chứa đất hiếm

phát quang ngược ứng dụng trong sinh y học làm nội dung cho luận án với tiêu đề:

“Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF 4 chứa ion đất hiếm Er 3+ và Yb 3+ định hướng ứng dụng trong y sinh”

Mục tiêu

1 Tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:

Yb3+, Er3+ có cấu trúc tinh thể , dạng que, phát quang vùng màu đỏ

2 Xác định được hình thái học, cấu trúc, tính chất quang của vật liệu NaYF4:

Yb3+, Er3+ Xây dựng được quy trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ nhằm ứng dụng cho y sinh Từ đó, chọn được vật liệu thích hợp nhất

để chế tạo công cụ phức hợp (complex tool) đánh dấu huỳnh quang vi hình ảnh

3 Sử dụng được phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào quy trình ủ sinh học bắt cặp với tế bào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế bào

ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang phân giải cao

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kế thừa các kết

quả nghiên cứu của tập thể khoa học phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Các thí nghiệm tổng hợp vật liệu và chế tạo phức hợp nano y sinh cũng được tiến hành tại phòng Quang Hóa Điện tử, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu và tại Bộ môn Hóa học, Đại học Y Hà Nội Các thí nghiệm ủ sinh học giữa phức hợp nano y sinh và tế bào ung thư được tiến hành tại phòng thí nghiệm Xét nghiệm Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội USTH

4

1 Sử dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt và thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm) để chế tạo vật liệu

2 Cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại

có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện tử phát trường Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang

3 Khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang

từ 510 nm ÷ 570 nm và 630 nm ÷ 700 nm

ii Đã tổng hợp thành công hai hệ phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+,

Er3+@silica/TPGS và NaYF4:Yb3+, Er3+@silica–N=FA có tính chất phát quang chuyển đổi ngược với vùng phát xạ ánh sáng đỏ trội

iii Kết quả nghiên cứu thử nghiệm, ứng dụng phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA để nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 thông qua

kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang bằng kính hiển vi huỳnh quang soi ngược đã quan sát được sự bắt cặp của phức hợp nano với tế bào trên

Bố cục của luận án:

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục bảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển

đổi ngược nền NaYF4

Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm

5

Chương 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát

quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+

Chương 4: Kết quả chế tạo và thử nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh

dấu nhận dạng tế bào ung thư MCF7

6

Chương 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG

CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NỀN NaYF 4 1.1 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm

1.1.1 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 và thêm nguyên tố ytri (Y) 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 [40]

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 hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn 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 [5, 41, 42] 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 [43, 44]

1.1.2 Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm

Vật liệu phát quang được cấu tạo từ hai thành phần chính: chất nền và chất pha tạp hay còn được gọi là các tâm phát quang

Chất nền có khả năng hấp thụ photon năng lượng cao và truyền năng lượng cho các tâm phát xạ thông qua quá trình truyền điện tich 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 Chất pha tạp thường là đất hiếm

7 hoặc kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc và bán kính nguyên tử phù hợp với bán kính, điện tích của cation nền Ví dụ, với vật liệu phát quang NaYF4: Er3+ thì NaYF4 đóng vai trò mạng nền, Er3+ đóng vai trò tâm phát quang

1.1.2.1 Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm

Vật liệu phát quang khi được kích thích có khả năng phát 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 Khi nhận năng lượng, các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích E* Đây là trạng thái không bền nên electron sẽ mau chóng hồi phục về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt (phonon) E*’ Thời gian tồn tại của electron khi chuyển mức năng lượng từ E* → E*’ rất nhỏ (khoảng 10-9

đến 10-12 giây) Sau khi về trạng thái kích thích E*’, electron lại một lần nữa phục hồi về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng phonon

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

Bảng 1.1 [45] 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 do chúng được che chắn bởi các điện tử của phân lớp 5s,5p ở bên ngoài Các điện tử phân lớp 4f là các điện tử không tương đương (điện tử có 2 số lượng tử có giá trị khác nhau, n = 4 và l = 3) 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)

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 phân lớp lấp đầy 5s25p6 Do vậy, sự ảnh hưởng của trường tinh thể xung quanh lên các điện tử 4f là yếu nên có thể xem trường tinh thể là một nhiễu loạn Do đó, các đặc trưng vật lí (quang học) của điện tử 4f ít phụ thuộc vào mạng nền của nguyên tố đất hiếm RE

Điện

tử 4f

Trạng thái cơ bản

Bán kính nguyên

9

Hình 1.1 Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f [46]

1.1.2.3 Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm

Vật liệu phát quang sau khi hấp thụ photon từ ánh sáng kích thích có năng lượng phù hợp sẽ phát quang theo hai dạng: phát quang kiểu huỳnh quang (fluorescence) với thời gian sống của bức xạ từ 10-9 ÷ 10-8 giây và phát quang kiểu lân quang (phosphorescence) với thời gian sống của bức xạ trên 10-7 giây Các phát

xạ kiểu huỳnh quang thường tuân theo cơ chế chuyển dời đơn mức (singlet) và phát

xạ kiểu lân quang tuân theo cơ chế chuyển dời bội ba (triplet) (Hình 1.2)

Hình 1.2 Các quá trình phát quang

Hầu hết các quá trình phát quang dựa trên cơ sở các hợp chất đất hiếm đều là các phát xạ kiểu phosphorescence với thời gian sống từ vài trăm µs đến vài ms

10 Đối với một hệ phát quang dựa trên các hợp chất đất hiếm thường có hai quá trình huỳnh quang chính xảy ra bao gồm: bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt (activator) và bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ mức năng lượng của quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp và quá

trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác [47]

(i) Bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt thường xảy ra

ở các hợp chất pha tạp đơn lẻ từng loại ion đất hiếm như Y2O3: Eu3+; Tb3+; Sm3+;

Pr3+… Trong trường hợp này, tâm kích hoạt được nâng lên tới trạng thái kích thích

A* sau đó quay về trạng thái cơ bản A bởi quá trình phát bức xạ R hay hồi phục không phát xạ NR (Hình 1.3a) Trong quá trình hồi phục không phát xạ, năng lượng của trạng thái kích thích được dùng để kích thích dao động mạng (làm nóng mạng chủ) Vì vậy, để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình hồi phục không bức xạ này [43]

(ii) Đối với bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác thì các quá trình xảy ra như sau: ban đầu, các ion hấp thụ hay còn gọi là ion tăng nhạy (S) ở trạng thái cơ bản sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích (λexc) sẽ chuyển lên trạng thái kích thích (S*) Tại đây nó có xu hướng hồi phục về trạng thái cơ bản và truyền năng lượng cho ion kích hoạt A bằng quá trình truyền năng lượng (ET) và đưa ion này lên trạng thái kích thích A1* Sau đó, ion kích hoạt A ở trạng thái kích thích A1* có xu hướng hồi phục không phát xạ dần về các mức có

11 năng lượng thấp hơn gần đó (A2*) và cuối cùng là quá trình hồi phục phát xạ về trạng thái cơ bản A (Hình 1.3 b)

1.2 Quá trình phát quang chuyển đổi ngƣợc

1.2.1 Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược

Quá trình phát quang của vật liệu khi bị kích thích bởi photon cơ bản dựa trên các quá trình dịch chuyển Stokes và anti-Stokes Dịch chuyển Stokes là hiện tượng bước sóng phát xạ dịch về phía sóng dài và ngược lại dịch chuyển anti-Stokes cho thấy bức xạ phát ra dịch về phía sóng ngắn Hầu hết các vật liệu phát quang thông thường phát xạ thể hiện dịch chuyển Stokes (ví dụ như trên sơ đồ Hình 1.4a), chúng phát ra các photon có năng lượng thấp hơn năng lượng của photon kích thích khi bị kích thích bởi các nguồn photon có năng lượng cao hơn Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng ta có thể quan sát thấy phát xạ dịch chuyển anti-Stokes, trong

đó các photon phát ra có năng lượng cao hơn năng lượng photon kích thích (Hình 1.4b) Phát quang chuyển đổi ngược (dịch chuyển anti-Stokes) là một trong những quá trình quang học phi tuyến được nghiên cứu khá nhiều

Quá trình phát quang chuyển đổi ngược có thể được thực hiện bởi nguồn kích thích của laser công suất thấp hoặc bằng các nguồn bức xạ không kết hợp (incoherent) như đèn xenon, đèn halogen tiêu chuẩn, thậm chí cả ánh sáng mặt trời

Hình 1.4 Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược upconversion [12]

(a) (b)

12 Nguyên lý chung của sự phát quang chuyển đổi ngược được minh họa trong

sơ đồ Hình 1.4b thể hiện sự khác biệt với quá trình phát quang thông thường Tâm phát quang ở trạng thái cơ bản 1 có thể hấp thụ năng lượng từ photon kích thích hoặc quá trình truyền năng lượng từ tâm tương ứng khác để chuyển lên trạng thái kích thích 2 Sau đó, một photon kích thích khác hoặc một quá trình truyền năng lượng tương ứng nữa sẽ kích thích tâm phát quang chuyển lên trạng thái kích thích

3 Từ trạng thái kích thích 3 sẽ có chuyển dời bức xạ trở lại trạng thái cơ bản hoặc một số trạng thái năng lượng thấp khác, cho kết quả là phát xạ photon năng lượng cao hơn Quá trình hai photon thông thường như quá trình phát họa ba bậc hai (Second Harmonic Generation), hai photon từ nguồn kích thích sẽ kết hợp với nhau

để kích thích tâm phát quang chuyển trạng thái lên mức kích thích thứ ba Tuy nhiên đối với quá trình chuyển đổi ngược, đặc điểm quan trọng nhất giúp nó phân biệt với các quá trình hai hay nhiều photon thông thường là nó tạo được một trạng thái trung gian giả bền có thời gian sống dài tạo ra một sự đảo mật độ tích lũy giúp cho photon thứ hai dễ dàng kích thích tâm phát quang đưa nó lên trạng thái kích thích tiếp theo trước khi hồi phục phát xạ xuống trạng thái cơ bản Do sự tồn tại của trạng thái trung gian giả bền nên phát quang chuyển đổi ngược là quá trình quang phi tuyến có có hiệu suất cao hơn hẳn so với các quá trình khác Thông thường, trạng thái giả bền có năng lượng thấp hơn nằm trong vùng ứng với giải hấp thụ hồng ngoại và có tác dụng dự trữ năng lượng Trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn nằm trong vùng phát xạ khả kiến, đảm bảo cho việc phát quang chuyển đổi ngược [12]

Các cơ chế phát quang chuyển đổi ngược khác nhau xảy ra do các hiệu ứng độc lập hoặc kết hợp của nhiều hiệu ứng Trong đó, hai cơ chế cơ bản quan trọng nhất là chuyển đổi ngược do quá trình hấp thụ năng lượng của các điện tử ở trạng thái kích thích thông qua hấp thụ từ trạng thái được kích thích (Excited State Absorption - ESA) và chuyển đổi ngược truyền năng lượng (Energy Transfer Upconversion - ETU)

13

1.2.1.1 Phát quang chuyển đổi ngược thông qua hấp thụ từ trạng thái kích thích (ESA)

Chuyển đổi ngược ESA liên quan đến sự kích thích nhiều bước bằng cách hấp thụ tuần tự một hoặc nhiều photon từ trạng thái cơ bản để chuyển lên các trạng thái kích thích trung gian giả bền và cuối cùng được tích lũy ở trạng thái kích thích cao hơn Từ mức kích thích cao nhất, nguyên tử sẽ cho phép xảy ra chuyển dời quang học xuống mức cơ bản phát bức xạ chuyển đổi ngược (Hình 1.5a) Tuy nhiên, chuyển đổi ngược xảy ra theo cơ chế này thường có hiệu suất không cao

1.2.1.2 Phát quang chuyển đổi ngược truyền năng lượng (ETU)

ETU cho đến nay là quá trình chuyển đổi ngược hiệu quả nhất trong các vật liệu nano pha tạp ion đất hiếm Quá trình ETU này không phụ thuộc vào công suất bơm Các cơ chế chuyển đổi ngược liên quan đến truyền năng lượng được mô tả trên Hình 1.5b; Hình 1.6 và Hình 1.7 [12]

- Cơ chế thứ nhất mô tả trên Hình 1.5b được đề cập là truyền năng lượng kế tiếp quá trình hấp thụ từ trạng thái được kích thích Trong cơ chế này, tâm tăng nhạy hấp thụ photon chuyển trạng thái lên mức kích thích giả bền 2 từ mức cơ bản

1 Tại mức kích thích giả bền 2 này xảy ra quá trình truyền năng lượng từ tâm tăng nhạy sang mức giả bền của tâm kích hoạt Sau đó quả trình chuyển trạng thái lên mức kích thích cuối (mức 3) của tâm kích hoạt xảy ra và tâm này phát huỳnh quang chuyển đổi ngược để trở về trạng thái cơ bản

- Cơ chế chuyển đổi ngược tiếp theo là truyền năng lượng dựa hoàn toàn vào chất tăng nhạy như trên Hình 1.6a Ở đây, chỉ có tâm tăng nhạy hấp thụ photon để chuyển lên trạng thái kích thích giả bền và từ đó xảy ra các quá trình truyền năng lượng sang các mức kích thích 2 và 3 của tâm kích hoạt và từ mức kích thích cuối của tâm kích hoạt quá trình huỳnh quang xảy ra

14

Hình 1.5 Các quá trình chuyển đổi ngược thông qua (a) hấp thụ từ trạng thái được kích thích và (b) truyền năng lượng kế tiếp quá trình hấp thụ từ trạng thái được kích thích

- Huỳnh quang chuyển đổi ngược truyền năng lượng cũng có thể xảy ra theo

cơ chế “hồi phục chéo” như trên Hình 1.6b khi các tâm tăng nhạy và tăng nhạy và tâm kích hoạt đều hấp thụ photon để chuyển lên các mức kích thích giả bền 2 và từ

đó xảy ra quá trình truyền năng lượng từ tâm tăng nhạy sang tâm kích hoạt Đồng thời là quá trình đưa tâm kích hoạt lên trạng thái kích thích cuối cùng 3 trước khi phát xạ chuyển đổi ngược để trở về trạng thái cơ bản

Hình 1.6 Các quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng dựa hoàn toàn vào chất tăng

nhạy (a) và hồi phục chéo (b) [12]

- Hình 1.7a mô tả quá trình chuyển đổi ngược “phối hợp tâm tăng nhạy” Cơ chế truyền năng lượng và phát quang này có thể giải thích như sau: các ion lân cận hấp thụ photon chuyển lên các mức kích thích giả bền 2 Từ các mức kích thích giả

15 bền này xảy ra quá trình truyền năng lượng sang ion thứ 3 ở trạng thái kích thích cuối cùng và từ đây phát xạ chuyển đổi ngược về trạng thái cơ bản

như: halogenua, oxide, phosphate, vanadate (Bảng 1.2) [22]

Vật liệu nền oxide có tính ổn định hóa học tốt nhưng năng lượng phonon của chúng tương đối cao (> 500 cm-1) Vật liệu nền clorua, bromua và iodua tuy có năng lượng phonon < 300 cm-1 nhưng lại có tính hút ẩm và độ ổn định hóa học kém

Vật liệu florua (NaYF4 và LaF3) vừa có năng lượng phonon thấp (~ 350 cm-1

) vừa có độ ổn định hóa học cao nên khá phù hợp cho quá trình phát quang chuyển đổi ngược [22] Bên cạnh đó, các mạng nền chứa các cation với bán kính ion gần với các Ln3+

như Na+, Ca2+ và Y3+ có tác dụng ngăn chặn sự hình thành các khuyết

16 tật mạng và các ứng suất mạng Cho đến nay, NaYF4 là vật liệu nền phổ biến nhất cho UCNP chứa ion đất hiếm [48-51]

Bảng 1.2 Năng lượng phonon của các nền được sử dụng cho các vật liệu nano phát

quang chuyển đổi ngược UCNP [22]

Chất nền Năng lƣợng phonon cao nhất (cm -1 )

Ở dạng cubic (Hình 1.8a), các ion F- được chiếm bởi các nút mạng chứa

17 cation và lỗ trống (Na+ và Re3+) Ở dạng hexagonal (Hình 1.8b), các ion F- được chiếm bởi hai loại vị trí cation: một loại được chiếm bởi Na+

và loại thứ hai được chiếm ngẫu nhiên bởi Na+ và Re3+ Tuy cấu trúc dạng β-NaYF4 có đối xứng thấp hơn nhưng lại bền nhiệt hơn và có hiệu suất phát quang cao hơn cấu trúc dạng α-NaYF4 [53-56] Theo nghiên cứu của một số nhóm, vật liệu cấu trúc hexagonal β-NaYF4 có khả năng phát quang chuyển đổi ngược mạnh hơn so với cấu trúc cubic

-NaYF4 [52] Do đó, các nhà khoa học luôn muốn tìm các giải pháp để tổng hợp được loại vật liệu có cấu trúc β-NaYF4

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc α- NaYF 4 (a) và cấu trúc β- NaYF 4 (b) [52]

Quá trình chuyển từ cấu trúc α- NaYF4 sang cấu trúc β- NaYF4 phụ thuộc vào một số yếu tố: nhiệt độ phản ứng, thời gian tiến hành phản ứng, chất tạo khuôn mềm, dung môi, tỉ lệ nồng độ các hợp phần tham gia phản ứng…

1.2.2.2 Tâm kích hoạt

Vì các mạng chủ không tham gia vào các quá trình phát quang chuyển đổi ngược nên cần thêm một tâm phát quang, được gọi là các tâm kích hoạt Một số ion đất hiếm Ln3+

có khả năng phát quang chuyển đổi ngược do chúng có năng lượng kiểu cấu trúc bậc thang (trừ La3+, Ce3+, Yb3+, và Lu3+) [22, 57]

Khoảng cách năng lượng giữa các bậc thang đó phải tương đương nhau để các ion có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn khi được kích thích bằng ánh sáng

(b) (a)

18 đơn sắc Cấu trúc mức năng lượng kiểu như vậy được tìm thấy trong các ion đất hiếm điển hình: erbium (Er3+

), thulium (Tm3+), holmium (Ho3+) và được sử dụng phổ biến trong các quá trình phát quang chuyển đổi ngược UCL Trong luận án này, chúng tôi sử dụng ion Er3+ làm tâm kích hoạt Cấu hình điện tử của ion Er3+ có dạng (Xe) 4f115s25p6 Lớp 4f có 11 điện tử, momen quỹ đạo L = 6, momen spin S = 3/2

Phổ phát xạ của ion Er3+

trải rộng từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại, mở

ra triển vọng thay đổi bước sóng chuyển đổi năng lượng Khi kích thích ở gần 800

nm và 980 nm xảy ra quá trình phát xạ vùng màu xanh bước sóng từ 510 ÷ 570 nm

và vùng màu đỏ 630 ÷700 nm ứng với các chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 (đỉnh 520 nm); 4

F9/2 → 4I15/2 (đỉnh 650 nm) đặc trưng của ion Er3+

1.2.2.3 Ion tăng nhạy

Hiệu suất UCL tổng thể đối với các tinh thể nano pha tạp một loại tâm kích hoạt là tương đối thấp do nồng độ chất pha tạp thấp để tránh bị dập tắt huỳnh quang

do hiện tượng hồi phục ngang gây ra Khả năng phát quang UCL có thể được tăng cường bằng cách thực hiện quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng ETU [22] Việc bổ sung một ion tăng nhạy, có tiết diện hấp thụ lớn và chuyển năng lượng hấp thụ hiệu quả sang các chất kích hoạt lân cận [22, 57] Ion tăng nhạy được sử dụng trong luận án là ion Yb3+

Cấu hình điện tử của ion Yb3+ có dạng (Xe) 4f135s25p6 Lớp 4f có 13 điện tử, momen quỹ đạo L = 3, momen spin S = 1/2 Yb3+ có hai mức năng lượng với các trạng thái cơ bản và kích thích tương ứng với J = 7/2 và J = 5/2 nhận được từ tương tác spin quỹ đạo Vùng hấp thụ hồng ngoại của Yb3+ tại bước sóng 980 nm ứng với chuyển dời 5

19 + Trong phổ hấp thụ năng lượng của Yb3+ có vùng hấp thụ mạnh tại bước sóng 976 nm

+ Năng lượng này sau khi hấp thụ lại cao hơn năng lượng của Er3+, Tm3+,

Ho3+ nên dễ truyền năng lượng hơn

Khoảng cách năng lượng của quá trình chuyển đổi 2F7/2 → 2F5/2 phù hợp với quá trình chuyển đổi f-f trong Er3+, tạo điều kiện truyền năng lượng hiệu quả từ

Yb3+ sang ion này Hơn nữa tiết diện ngang hấp thụ của quá trình chuyển đổi này lớn hơn nhiều so với các loại Ln3+ khác, thuận lợi cho việc hấp thụ ánh sáng kích thích Đối với các vật liệu phát quang chuyển đổi ngược sử dụng ion Er3+, Tm3+hoặc Ho3+

làm ion kích hoạt, Yb3+ là ion tăng nhạy được sử dụng phổ biến nhất để nâng cao hiệu suất UCL khi kích thích ở 980 nm Hàm lượng chất tăng nhạy thường được giữ ở mức 18-20 % mol, hàm lượng chất kích hoạt thường không vượt quá 3

% mol [22, 58, 59]

1.2.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF 4 : Yb 3+ , Er 3+

Những năm gần đây, kết quả sử dụng vật liệu nano phát quang trong y sinh đã đạt những thành công có tính đột phá và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và chữa trị Đặc biệt, hướng sử dụng vật liệu nano phát quang đã đạt được một số thành tựu nổi bật như: giúp thu nhận hình ảnh các tế bào gây ung thư; phát hiện siêu nhạy các virút; phát hiện DNA; chế tạo tem đánh dấu; phân phối thuốc… Trên thế giới đã có nhiều công trình công bố về ứng dụng trong y sinh của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4 pha tạp ion đất hiếm, cụ thể vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ [12-14]

Các nghiên cứu cho thấy, mạng nền NaYF4 kích thước nanomet sẽ tạo ra hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với hiệu suất phát quang cao, bền trong các điều kiện khác nhau Vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng, đặc biệt trong y sinh như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing), trị liệu ung thư (cancer therapy)

Trong ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro và in vivo của vật liệu

20 nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+, ảnh phát quang đóng vai trò quan trọng Chúng rất hữu ích để chẩn đoán sớm và điều trị một số bệnh nan y Các

kỹ thuật ảnh huỳnh quang và đánh dấu huỳnh quang đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trong những năm vừa qua với mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhờ

đó tăng chất lượng ảnh nhận dạng sinh học Vì vậy, vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược rất có tiềm năng thay thế các vật liệu phát quang truyền thống trong việc nhận dạng tế bào bệnh Do quá trình chuyển đổi ngược được kích thích bằng nguồn sáng liên tục, các vật liệu phát xạ chuyển đổi ngược thể hiện tính chất rất đặc biệt cho phát xạ anti-Stokes lớn Ví dụ việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại ảnh huỳnh quang chuyển đổi ngược có khả năng loại bỏ gần như tuyệt đối phát xạ nền do các quá trình huỳnh quang tự phát của các mô sinh học Hiện nay, các vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đã được ứng dụng thành công trong nhận dạng nhiều mẫu sinh học

Trong nước, nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một số vật liệu nano ứng dụng trong chẩn đoán y sinh, điều trị và tăng cường sức khỏe như: Nhóm nghiên cứu của GS TS Nguyễn Quang Liêm (Viện Khoa học vật liệu), PGS TS Phạm Thu Nga (Viện Khoa học vật liệu), PGS TS Trần Hồng Nhung (Viện Vật lý),

TS Hà Phương Thư (Viện Khoa học vật liệu)… Đặc biệt, nhóm nghiên cứu của GS

Lê Quốc Minh đã bước đầu làm chủ quy trình chế tạo vật liệu và ứng dụng thành công vật liệu làm tác nhân đánh dấu nhận dạng đánh giá chất lượng vắc-xin sởi ở Trung tâm Polyvac (Bộ Y tế) Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung phát triển các đầu dò (probe) nhằm đánh dấu phát hiện sớm và nhận dạng đặc hiệu các tế bào ung thư

Để ứng dụng vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược làm công cụ phát hiện nhận dạng tế bào ung thư được, trước hết vật liệu phải thỏa mãn điều kiện: phân tán tốt trong nước, bền với các tác nhân sinh học và phát quang ổn định Sau đó, vật liệu phải được chức năng hóa và tương thích sinh học

Ở Việt Nam, với điều kiện sẵn có của phòng thí nghiệm, trên cơ sở các kết quả đạt được về tổng hợp vật liệu, nắm được qui trình chức năng hóa, liên hợp hóa vật

21 liệu, lần đầu tiên chúng tôi dự kiến sử dụng hệ vật liệu phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Er3+, Yb3+ làm công cụ đánh dấu phát hiện sớm tế bào ung thư MCF7 trong

kỹ thuật đánh dấu nhận dạng ảnh tế bào ung thư mong muốn góp phần vào cuộc chiến phòng và chống ung thư

1.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh

Việc tổng hợp các vật liệu nano dạng hạt, thanh, dây, ống có kích thước, phân bố và hình thái học theo mong muốn luôn là một thách thức lớn, không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản mà còn trong phát triển các công nghệ mới có tính đột phá Chính vì vậy, các phương pháp mới tổng hợp vật liệu nano vẫn là đối tượng chính của các cơ sở nghiên cứu khoa học và triển khai công nghệ nano, do đặc tính cốt lõi và tiềm năng ứng dụng các vật liệu kích thước nano rất phụ thuộc vào hình dạng và sự đồng đều của chúng Có hai phương thức để tổng hợp vật liệu nano: từ trên xuống và từ dưới lên Phương thức từ trên xuống thường sử dụng các phương pháp vật lí, phương thức từ dưới lên thường sử dụng các phương pháp tổng hợp hóa học [60-64]

Ưu điểm của các phương pháp vật lí là tổng hợp được lượng lớn các hạt nano nhưng sự đồng đều, kích thước hạt không cao do khó điểu khiển được kích thước hạt Phương pháp vật lí điển hình là phương pháp nghiền các hạt kích thích lớn cỡ micromet thành các hạt kích thước nanomet Kết quả thu được các hạt kích thước nano, lượng lớn, với đặc tính chấp nhận được và phù hợp với một số lĩnh vực ứng dụng truyền thống, nhưng có chất lượng tốt hơn hẳn Nhóm các phương pháp vật lý sol-khí (Aerosol) có thể tổng hợp các hạt vật liệu oxit kích thước nano Nhóm phương pháp này bao gồm công nghệ ngưng tụ từ pha hơi, phương pháp phun nung, lắng đọng hóa nhiệt của tiền chất kim loại - hữu cơ trong các buồng phản ứng ngọn lửa và các quá trình aerosol khác Tên của các phương pháp này thường phụ thuộc vào các nguồn năng lượng sử dụng để tạo nhiệt độ cao gây chuyển hóa khí - hạt Hiện nay, nó được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất một số sản phẩm bột kim loại, các loại oxit dùng trong nhiều công nghệ tiên tiến

22 Phương pháp tổng hợp hóa học điều khiển được kích thước hạt nano đồng đều nhưng thường lại chỉ tạo được lượng rất nhỏ, thích hợp cho các mục đích ứng dụng trong công nghệ tinh vi, như trong điện tử nano, quang học nano, hiển thị và truyền hình phân giải cao, gần đây là trong y sinh học Từ các điều kiện phản ứng khác nhau đã tổng hợp được các vật liệu nano có hình dạng đa dạng như hạt, thanh, sợi, đĩa, v.v .[6, 65-69] Bằng các phương pháp hóa học như thủy nhiệt, sol-gel, vi sóng, phản ứng nổ, đồng kết tủa, dung môi nhiệt độ sôi cao, có thể thu được nhiều loại sản phẩm khác nhau có tính đồng nhất cao Một trong những sản phẩm đó là các loại vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm như Y2O3:Eu3+; YVO4:Eu3+; CePO4:Tb3+; NaYF4:Yb3+, Er3+, Tm3+, v.v [29, 37, 56, 70-73]

Trong luận án này, chúng tôi trình bày một số phương pháp hóa học chính tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh

1.3.1 Phương pháp thủy nhiệt

Thủy nhiệt là một trong những phương pháp hóa học hiệu quả để chế tạo vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ m đến nm Bản chất của phương pháp thủy nhiệt là quá trình hình thành sản phẩm diễn ra ngay trong dung dịch có sự tham gia của nước với vai trò là chất xúc tác, xảy ra ở nhiệt độ trên 100 °C và trong hệ kín [37, 74]

Dung dịch trong phản ứng thủy nhiệt gồm nước và các tiền chất rắn Các tiền chất liên tục bị hòa tan, khiến cho nồng độ trong hỗn hợp lỏng ngày càng tăng lên Thậm chí khi vượt qua điểm giới hạn bão hòa thì các tiền chất vẫn tiếp tục bị hòa tan Độ rộng vùng quá bão hòa phụ thuộc vào áp suất (tăng khi áp suất tăng) và độ rộng vùng quá bão hòa của tiền chất kết tinh cũng lớn hơn so với tiền chất tinh thể Các phần tử cấu thành nên dung dịch ở giai đoạn này có kích thước nhỏ, do các phần tử kích thước to hơn đã bị thủy phân hoặc không bền trong điều kiện áp suất

và nhiệt độ cao Tại một điểm quá bão hòa nhất định xảy ra quá trình kết tinh tự phát, nồng độ chất trong dung dịch giảm và ta thu được sản phẩm Nhiệt độ, áp suất

và thời gian phản ứng là ba thông số vật lý chính trong phương pháp thủy nhiệt Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng cho sự hình thành sản phẩm cũng như ổn định

23 nhiệt động học của các pha sản phẩm Thời gian cũng là một thông số quan trọng bởi vì các pha ổn định diễn ra trong thời gian ngắn, còn các pha cân bằng nhiệt động học lại có xu hướng hình thành sau một khoảng thời gian dài Khi thay đổi các điều kiện phản ứng (pH, nhiệt độ, tốc độ, thời gian) có thể điều chỉnh được hình thái học,

độ lớn và tính chất của các sản phẩm cuối cùng Ưu điểm của phương pháp:

- Tiết kiệm năng lượng, không gây độc hại với môi trường

- Có khả năng điều chỉnh kích thước hạt bằng nhiệt độ

- Có khả năng điều chỉnh hình thái học của vật liệu

- Sản phẩm thu được có chất lượng cao, tinh khiết

- Có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau

- Tính đồng nhất của sản phẩm cao, dễ điều khiển tỉ lệ hóa học Điều này đặc biệt quan trọng trong tổng hợp các vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỉ lệ chính xác của các cấu tử trong vật liệu như các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao

Với các ưu điểm trên, phương pháp thủy nhiệt hiện đang được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu [75, 76]

* Phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ của chất tạo khuôn mềm

Phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ của chất tạo khuôn mềm là phương pháp tổng hợp vật liệu dựa vào các cấu trúc tự lắp ráp từ các chất hoạt động bề mặt, các oliglome, các polime dị thể hay các phân tử sinh học (các chuỗi AND, các virus hình que….) Khuôn mềm có thể tan trong nước hay trong các dung môi phân cực

và đóng vai trò như một mi-xen dẫn hướng cho quá trình hình thành, phát triển của các dạng cấu trúc nano khác nhau (Hình 1.9)

Hướng 2: quá trình hình thành của các mi-xen đảo hình trụ (D) xảy ra trước, quá trình hình thành của các vật liệu mong muốn xảy ra sau Các mi-xen đảo hình trụ đóng vai trò như các khuôn vật lý và các vật liệu mong muốn được bọc ở phía ngoài các mi-xen hình trụ đó (E) Cuối cùng là quá trình tháo bỏ các phân tử tự lắp ráp để hình thành nên các ống nano riêng rẽ (F)

Các tính chất và hình dạng của sản phẩm cuối được định hình bằng các điều kiện phản ứng và có thể điều khiển được quá trình hình thành các dạng cấu trúc nano khác nhau (hạt, lá, dây, thanh, ống…nano) bằng cách điều chỉnh các điều kiện phản ứng (như nhiệt độ, thời gian phản ứng, loại khuôn mềm…) Các khuôn mềm sau đó được tháo bỏ tách có chọn lọc với các dung môi thích hợp nhằm thu được các sản phẩm tinh khiết có cấu trúc nano Trong phần này, chúng tôi sử dụng phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG (poly ethylene glycol)