Nghiên cứu biến tính bề mặt QDs cdte ứng dụng cho chế tạo nanosensor

Các hạt này đã được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các ứng dụng đa dạng, ví dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện tử, các det

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGÔ TRỊNH TÙNG

HÀ NỘI, 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của mình đến TS Ngô Trịnh Tùng đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy tận tình giúp em hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô thuộc khoa Hóa học Trường đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị thuộc tập thể vật liệu polymer chức năng và hóa học nano, viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành nhiệm vụ của mình

Em xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cung cấp chấm lượng tử CdTe để em có thể tiến hành thực nghiệm phục vụ cho luận văn

Em cũng xin cảm ơn PGS.TS Toshiaki Taniike, cùng các bạn trong Lab Taniike của Viện Khoa học công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian em tiến hành nghiên cứu tại Viện

Cuối cùng, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Người viết

Trần Thị Thanh Hợp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ 3

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Hóa chất độc hại tồn dư trong thực phẩm 3

1.1.1 Clenbuterol 3

1.1.2 Rhodamine B 5

1.2 Vật liệu nano và chấm lượng tử 7

1.2.1 Tổng quan về chấm lượng tử 7

1.2.2 Tổng hợp chấm lượng tử 10

1.2.3 Tính chất của Qds phát huỳnh quang 16

1.2.4 Chức năng hóa và biến tính bề mặt các chấm lượng tử 18

1.3 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) 22

1.3.1 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng 22

1.3.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng 23

1.4 Nanosensor 26

1.4.1 Nanosensor là gì? 26

1.4.2 Một số loại cảm biến (nanosensor) sử dụng chấm lượng tử với hiệu ứng FRET…… 28

Chương 2 - THỰC NGHIỆM 34

2.1 Hóa chất sử dụng trong thí nghiệm 34

2.2 Sensor để xác định Rhodamine B 34

2.3 Nanosensor để xác định Clenbuterol 35

2.3.1 Vấn đề cần nghiên cứu 35

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của biosensor dựa vào hiệu ứng FRET để xác định Clenbuterol 38

2.3.3 Nghiên cứu biến tính bề mặt chấm lượng tử CdTe ứng dụng trong nanosensor 39

TRẦN THỊ THANH HỢP

2.3.4 Phản ứng diazo Clenbuterol 40

2.3.5 Phản ứng cộng hợp Clenbuterol với ligand 40

2.4 Các phương pháp nghiên cứu 41

2.4.1 Đo phổ hấp thụ UV-Vis 41

2.4.2 Đo phổ phát xạ huỳnh quang 42

2.4.3 Phương pháp đo phổ hồng ngoại 43

2.4.4 Phương pháp đo thời gian sống huỳnh quang 44

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Sensor xác định Rhodamine B 45

3.2 Nanosensor để xác định Clenbuterol 51

3.3 Diazo clenbuterol 55

3.4 Phản ứng cộng hợp của diazo clenbuterol với ligand 56

3.5 Mẫu thử sensor 59

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Các phương pháp tổng hợp QDs phổ biến nhất hiện nay 12

Bảng 1 2: So sánh tính chất của các chất huỳnh quang hữu cơ/protein và quantum dots [13] 16

Bảng 1 3: Bảng phân loại ba hướng chế tạo nanosensor thông dụng 27

Bảng 2 1: Nồng độ Rhodamine B của các mẫu 35

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 1: Công thức cấu tạo của Clenbuterol 3

Hình 1 2: Cấu trúc hóa học của một vài hợp chất nhóm β2- agonist 3

Hình 1 3: Công thức cấu tạo của Rhodamine B 5

Hình 1 4: Số lượng các bài báo được xuất bản liên quan đến QDs từ 1986 đến 2012 8

Hình 1 5: Mô hình cacboxyl hóa chấm lượng tử CdTe 19

Hình 1 6: Liên kết hóa trị giữa Qds và các phân tử sinh học 20

Hình 1 7: Tạo liên kết trực tiếp với Qds 20

Hình 1 8: Tương tác tĩnh điện giữa Qds với phân tử sinh học 21

Hình 1 9: Mô hình hiệu ứng FRET 22

Hình 1 10: Giản đồ Jablonski mô tả hiệu ứng FRET.[22] 23

Hình 1 11: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của một cặp chất cho và nhận Khu vực màu đỏ nâu là sự chồng chéo quang phổ giữa quang phổ huỳnh quang của các chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận.[28] 24

Hình 1 12: Quang phổ huỳnh quang của chất cho và chất nhận và dung dịch hỗn hợp của chất cho và chất nhận 25

Hình 1 13: Mô hình cơ chế hoạt động của Sensor hiệu ứng FRET dùng Qd của Mauro[32] 28

Hình 1 14: Mô hình và cơ chế hoạt động của Biosensor DNA nano Qd (a,b) và thiết bị kiểm tra (c).[29] 30

Hình 1 15: 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 cho các nhà tài trợ năng lượng và chấp nhận năng lượng, tương ứng 31

Hình 1 16: Minh họa sơ đồ của nanosensor QD-FRET để phân tích hoạt động của enzyme 32

Hình 2 1: Phổ hấp thụ của Clenbuterol và phổ phát xạ của Qds CdTe 36

Hình 2 2: Các hợp chất napthol, naphtyl có khả năng tạo hợp chất azo tiêu biểu 37

Hình 2 3: Mô hình phản ứng của Naphtylethylene diamine với Qd và diazo clenbuterol 38

Hình 2 4: Mô hình nanosensor 38

TRẦN THỊ THANH HỢP

Hình 2 5: Mô hình hoạt động của nanosensor khi có thêm chất cần nhận biết

Clenbuterol 39

Hình 2 6: Tương tác tĩnh điện giữa Qd và Naphtylethylene diamine 39

Hình 2 7: Phản ứng diazo clenbuterol 40

Hình 2 8: Phản ứng cộng hợp giữa Naphtylethylene diamin và diazo clenbuterol 40 Hình 2 9: Sơ đồ mô tả hệ đo quang phổ hấp thụ UV-Vis 41

Hình 2 10: Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang 42

Hình 2 11: Sơ đồ khối thiết bị đo thời gian sống huỳnh quang 44

Hình 3 1: Ảnh TEM của chấm lượng tử CdTe trong dung dịch 45

Hình 3 2: Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử CdTe được dùng trong luận văn này 45

Hình 3 3: Phổ hấp thụ của chất màu rhodamine B ở các nồng độ khác nhau 46

Hình 3 4: Phổ huỳnh quang của Qds và hấp thụ của chất màu Rhodamine b 47

Hình 3 5: Mô tả tương tác tĩnh điện giữa QDs CdTe và Rhodamine B 48

Hình 3 6: Phổ huỳnh quang của cặp CdTe/Rhodamine B với nồng độ Rhodamine B 48

Hình 3 7: Đường biểu diễn phân rã huỳnh quang của CdTe trong sự không có 50

Hình 3 8: Phổ hấp thụ của Naphtylethylene diamin và phổ phát xạ của Qd 51

Hình 3 9: Phổ phát xạ của Qd và hỗn hợp Qd- Naphtylethylene diamin 52

Hình 3 10: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd- Naphtylethylene diamin vào pH 53

Hình 3 11: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd- Naphtylethylene diamin vào nhiệt độ 54

Hình 3 12: Phổ hấp thụ của hợp chất Diazo Clenbuterol 55

Hình 3 13: Phổ hấp thụ của hợp chất Clenbuterol- Naphtylethylene diamin 56

Hình 3 14: Phổ hấp thụ và phát xạ của chất cho (QD CdTe bước sóng phát xạ 530nm) và chất nhận (tổ hợp Clenbuterol- Naphtylethylene diamin) 57

Hình 3 15: Phổ trùng chập của chất cho và chất nhận 57

Hình 3 16: Phổ hồng ngoại của muối diazo 58

Hình 3 17: Sự thay đổi cường độ huỳnh quang theo nồng độ Clenbuterol 59

Hình 3 18: Tương quan giữa nồng độ Clenbuterol với cường độ phát xạ của nanosensor 60

FRET Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang

GC/MS Sắc ký khí ghép khối phổ

ELISA Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay

TRẦN THỊ THANH HỢP 1

MỞ ĐẦU

Khi xã hội ngày càng phát triển thì vấn đề sức khoẻ của con người ngày càng được chú trọng, trong đó vấn đề an toàn thực phẩm và vệ sinh môi trường được đặt lên hàng đầu vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của con người, hơn nữa đó cũng là vấn đề đáng quan tâm của các khu chế biến, sản xuất và xuất nhập khẩu thực phẩm Sự tồn dư của các chất độc hại có trong thực phẩm đang là vấn đề đáng

lo ngại đối với người tiêu dùng Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều kỹ thuật phân tích mới, hiện đại đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt trong đánh giá, kiểm định các chất gây độc trong thực phẩm Trong quá trình chế biến thực phẩm, để tạo cho thực phẩm màu sắc đẹp, bắt mắt, người ta sử dụng phẩm màu công nghiệp Phẩm màu công nghiệp nói chung, Rhodamine B nói riêng đều độc hại, bị cấm sử dụng trong thực phẩm vì khó phân huỷ Tuỳ từng cơ thể mà ảnh hưởng đến gan, thận hoặc tồn dư lâu ngày gây độc hại đến cơ thể con người, đặc biệt có thể gây ung thư

Đặc biệt trong thời gian gần đây vấn đề thịt lợn siêu nạc được tạo nạc bằng chất hóa học Clenbuterol rất nguy hiểm đối với sức khỏe con người Nếu ăn phải có thể gây ngộ độc cấp với các triệu chứng: run cơ, đau tim, tim đập nhanh, tăng huyết áp, choáng váng, thậm chí tử vong Chất độc thường tập trung trong nội tạng của gia súc như gan, cật, nước tiểu…và không bị phân hủy ở nhiệt độ cao khi đun nấu Vì vậy việc nghiên cứu xác định hàm lượng của Rhodamine B- một thành phần của phẩm nhuộm trong thực phẩm và Clenbuterol trong thịt là vấn đề cần thiết đối với sức khoẻ cộng đồng

Hiện nay, một hướng nghiên cứu mới trên thế giới đang tập trung vào việc ứng dụng khoa học và công nghệ nano mà ở đây là nanosensor nhằm phát hiện dư lượng chất hóa học độc hại còn tồn dư trong thực phẩm Để góp phần vào xu hướng phát

triển chung này tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu biến tính bề mặt QDs CdTe ứng dụng cho chế tạo nanosensor” Bằng sự thay đổi cường độ phát huỳnh quang của các

chấm lượng tử CdTe trong hiệu ứng FRET theo nồng độ của Rhodamine B và

Clenbuterol mà định lượng và định tính chúng Nanosensor dựa vào hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang với chất cho là QDs CdTe xác định dư lượng chất hóa học với độ nhạy cao, phương pháp đơn giản chính xác Kết quả thu được là

triển vọng phát triển và hoàn thiện nanosensor ứng dụng trong thực tế

TRẦN THỊ THANH HỢP 3

Chương 1- TỔNG QUAN

1.1 Hóa chất độc hại tồn dư trong thực phẩm

1.1.1 Clenbuterol

Hình 1 1: Công thức cấu tạo của Clenbuterol

 Tên Hóa học: Clenbuterol

 Tên hóa học do tổ chức IUPAC:

1-(4-amino-3,5-dichlorophenyl)-2-(tertbutylamino)ethanol

 Cấu trúc phân tử: C12H18Cl2N2O

 Khối lượng phân tử: 277,19 g/mol

Clenbuterol là một chất trong những hợp chất thuộc họ β- agonist (hình 1.2) - những hợp chất dùng trong chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi heo để kích thích heo tăng trưởng và cho thịt siêu nạc

Hình 1 2: Cấu trúc hóa học của một vài hợp chất nhóm β2- agonist

Clenbuterol có tác dụng dãn phế quản, dãn cơ trơn ở cuống phổi, điều khiển các chất dinh dưỡng hướng tới mô cơ Clenbuterol kích thích tuyến thượng thận, điều tiết sinh trưởng động vật, thúc đẩy quá trình phát triển cơ bắp, làm tăng lượng thịt nạc và đẩy nhanh việc phân giải mỡ, giảm tối đa lượng mỡ hình thành trong cơ thể, chỉ để lại một lớp rất mỏng Từ những năm 1980, clenbuterol đã được

bổ sung vào thức ăn chăn nuôi lợn, bò thịt, gà thịt nhằm kích thích sinh trưởng, tăng tỉ lệ thịt nạc, giảm chi phí thức ăn Tuy nhiên, lượng clenbuterol tồn dư trong thực phẩm làm rối loạn nhịp tim, run cơ, co thắt phế quản, phù nề, liệt cơ, tăng huyết áp gây nguy hiểm đối với sức khoẻ con người Clenbuterol trộn vào thức ăn gia súc nhằm tạo ra vật nuôi siêu nạc, mau lớn Clenbuterol có tác dụng đẩy nhanh quá trình đốt cháy mỡ, tăng cường phát triển cơ bắp nhưng dùng quá liều sẽ khiến

cơ thể mang bệnh và có thể dẫn đến tử vong

Việc ăn phải thịt lợn chứa chất Clenbuterol về lâu dài có thể gây biến chứng ung thư, ngộ độc cấp, run cơ, đau tim, tim đập nhanh, tăng huyết áp, choáng váng… Clenbuterol sẽ gây tổn hại cho hệ thần kinh, hệ tuần hoàn, thậm chí gây chết người Đối với gia súc như lợn, con vật khi ăn phải chất này chỉ có thể tồn tại được quá nửa tháng là phải giết mổ Thời gian bán phân huỷ trong cơ thể lâu (khoảng 30 giờ), vì vậy, đã bị cấm đưa vào thức ăn chăn nuôi ở Châu Âu từ năm 1996.Việt Nam cũng

đã cấm dùng chất này trong thức ăn chăn nuôi từ năm 2002 Tại Hồng Kông, người

sử dụng clenbuterol trong chăn nuôi bị phạt 50.000 đôla Hồng Kông và tù 6 tháng Các phương pháp được sử dụng cho việc xác định clenbuterol bao gồm HPLC, GC/MS, mao dẫn điện và xét nghiệm miễn dịch (Horne et al Năm 1998; Wasch et

al Năm 1998; Johansson et al 2004) Van Eenoo và Delbeke (2002) đã phát hiện clenbuterol khi sử dụng GC/MS, với giới hạn là 0,1 ng ml-1 trong nước tiểu ngựa Niegocki et al (2003) xử lý các mẫu bằng cách chiết pha-rắn, đạt được một giới hạn phát hiện là 0,5 ng ml-1 trong nước tiểu Để đơn giản hóa quá trình chiết clenbuterol

từ các mẫu thí nghiệm, một số phương pháp mới đã được thiết lập Roda et al (2000) đã báo cáo cách xác định clenbuterol với độ nhạy được cải thiện

TRẦN THỊ THANH HỢP 5

Hiện nay phân tích hàm lượng chất siêu vết ở dạng ppb, ppt chỉ có thể áp dụng sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) hoặc phương pháp ELISA Những phương pháp này thường yêu cầu sự chuẩn bị mẫu công phu và tốn nhiều thời gian, vì vậy gặp nhiều trở ngại trong chăn nuôi gia súc và thủy sản, khó khăn trong quản lý thị trường Chính vì lẽ đó một số phòng thí nghiệm ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung quốc đang nghiên cứu chế tạo Biosensor theo công nghệ nano để mục đích phát hiện nhanh, độ nhạy cao dư lượng Clenbuterol

1.1.2 Rhodamine B

Hình 1 3: Công thức cấu tạo của Rhodamine B

 Tên Hóa học: Rhodamine B

 Tên hóa học do tổ chức IUPAC:

[9-(2-carboxyphenyl)-6-diethylamino-3-xanthenylidene]-diethylammonium chloride

 Cấu trúc phân tử: C28H31ClN2O3

 Khối lượng phân tử: 479,02g/mol

Rhodamine B là một thuốc nhuộm lưỡng tính, độc hại, tan tốt trong methanol, ethanol, nước (khoảng 50 g/l) Độ hoà tan trong 100 gam dung môi: nước 0,78 gam (260C), rượu etylic 1,74 gam Dung dịch nước và rượu etylic có màu đỏ ánh xanh nhạt phát huỳnh quang màu đỏ mạnh, đặc biệt rõ trong các dung dịch loãng

Rhodamine B gây độc cấp và mãn tính Qua tiếp xúc, nó gây dị ứng hoặc làm mẩn ngứa da, mắt, Qua đường hô hấp, nó gây ho, ngứa cổ, khó thở, đau ngực

Qua đường tiêu hóa, nó gây nôn mửa, có hại cho gan và thận Nếu tích tụ dần trong

cơ thể nó gây nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ sinh sản, hệ thần kinh cũng như có thể gây ung thư Thực nghiệm trên chuột cho thấy Rhodamine B gây ung thư với liều lượng 89,5mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch, khi Rhodamine B

đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng có phần độc hại hơn loại Rhodamine B thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dầy, tại đây Rhodamine B và dẫn xuất của nó sẽ tác động mạnh mẽ đến các quá trình sinh hóa của tế bào gây ung thư gan, vì gan là cơ quan tạng đầu tiên lọc chất Rhodamine B Một số thực nghiệm khác cho thấy Rhodamine B tác động phá vỡ cấu trúc ADN và nhiễm sắc thể khi đưa vào nuôi cấy tế bào

Rhodamine B thường được sử dụng như một thuốc nhuộm tracer trong nước để xác định tốc độ và hướng của dòng chảy vận chuyển Được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ sinh học như kính hiển vi huỳnh quang, đếm tế bào dòng chảy, quang phổ huỳnh quang Rhodamine B đang được thử nghiệm để sử dụng như một bio maker trong vacxin bệnh dại cho động vật hoang dã, như gấu trúc, để xác định động vậthoang dã đã có thuốc phòng ngừa bằng cách cho Rhodamine B vào râu và răng của động vật Nó cũng được trộn vào thuốc diệt cỏ Ngoài ra Rhodamine B còn được sử dụng để tạo mầu và nhuộm mầu trong công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm, để xét nghiệm tế bào do tính bền mầu Rhodamine B được sử dụng trong sinh học như là một thuốc nhuộm huỳnh quang Tận dụng đặc tính phát quang của Rhodamine B, người ta dùng chúng để giúp kiểm soát lượng thuốc bảo vệ thực vật phun lên cây ớt, cây lấy dầu, Rhodamine B có thể thấm vào ớt nếu dính dầu trong máy ép ớt, phơi ớt trên sàn được sơn cũng có thể gây lây nhiễm chất nhuộm trên Ủy ban Gia vị còn khuyến cáo không đựng các túi cói nhuộm màu do nghi ngại chất nhuộm có thể thẩm lậu vào sản phẩm Mặt khác con đường thâm nhập hóa chất này vào các sản phẩm cây trồng hầu như không ai để ý đến từ trước đến nay và nhất là chúng lại diễn ra ở nhiều nước đang phát triển Ngoài ra, không chỉ với ớt bột hay các chất gia vị nói chung, chất tạo mầu

kỹ thuật chiết pha rắn và sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector huỳnh quang để xác định Rhodamine B trong nước bề mặt Giới hạn phát hiện của phương pháp là 10 pg/l Tại Việt Nam, viện kiểm nghiệm thuốc trung ương đã tiến hành phân tích Rhodamine B trên các mẫu dược liệu Kết quả phân tích cho thấy trong dược liệu có chứa Rhodamine B Tháng 4 năm 2011, Việt Nam cũng đã đề xuất TCVN 8670-

2011 về việc xác định Rhodamine B bằng HPLC trên cơ sở của viện kiểm nghiệm

an toàn vệ sinh thực phẩm quốc gia đã xây dựng và thực nghiệm cho một số loại thực phẩm có nhuộm màu

1.2 Vật liệu nano và chấm lượng tử

Hình 1 4: Số lượng các bài báo được xuất bản liên quan đến QDs từ 1986 đến

2012

Các nano tinh thể chấm lượng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích thước nm Các hạt này đã được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các ứng dụng đa dạng, ví dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát sáng QD-LED, trong các ứng dụng y-sinh như hiện ảnh phân tử và tế bào [14], [25], [37], các cảm biến sinh học nano, nano-biosensor [26] Có thể nói, hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi bật của chấm lượng

tử trong các lĩnh vực kể trên Đặc tính nổi trội của các chấm lượng tử là hiệu ứng giam giữ lượng tử do kích thước giảm xuống còn cỡ nm Hiệu ứng này dẫn đến việc các hạt tải tích điện bị giam giữ về mặt không gian, ở bên trong thể tích rất bé của nano tinh thể Do hiệu ứng này, các nhà khoa học có thể sử dụng kích thước của các chấm lượng tử này để thay đổi, trong một khoảng rộng và chính xác, năng lượng của các trạng thái điện tử gián đoạn và các dịch chuyển quang học Kết quả là các nhà khoa học có thể thay đổi phát xạ ánh sáng từ các hạt chấm lượng tửnày, từ vùng phổ tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại gần và tới vùng phổ hồng ngoại giữa Các

TRẦN THỊ THANH HỢP 9

hạt chấm lượng tử này cũng tạo ra nhiều tính chất quang mới như là sự nhân các hạt tải carrier multiplication, đơn hạt nhấp nháy single - particle blinking và truyền tín hiệu phổ Như đã viết ở trên, nm là một phần tỷcủa mét (10-9m), là cột mốc đánh dấu ranh giới giữa lý thuyết cổ điển của Newton và lý thuyết cơ lượng tử, và như vậy, nhiều tính chất vật lý và hóa học duy nhất và khác biệt xuất hiện trong các hạt nano mà không có ở các vật liệu khối [9]

Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm đầu 1980 trong các phòng thí nghiệm của Louis Brus tại Bell Laboratories và của Alexander Efros và Alexei I Ekimov, ở Viện Công nghệ Vật lý A.F Ioffe ở St Peterburg [9] Thuật ngữ - chấm lượng tử đã được Mark A Reed đưa ra đầu tiên vào năm 1988 [24], trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang, mà các exciton của chúng bị giam giữ trong cả ba chiều không gian - sự giam giữ lượng tử Các điện tử và lỗ trống bị giam giữ một cách nghiêm ngặt khi bán kính của hạt chấm lượng tử nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton, kích thước điển hình cỡ

từ 2–20 nm Thông thường, chúng là các hệ hai thành phần, bao gồm một lõi của vật liệu bán dẫn rồi được bọc với một lớp vỏ của một chất bán dẫn khác Huỳnh quang (HQ) của chấm lượng tử được hình thành khi chấm lượng tử hấp thụ một photon có năng lượng cao hơn năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn lõi, dẫn đến việc một điện tử bị kích thích và được đưa lên vùng dẫn, để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị Như vậy, một cặp điện tử - lỗ trống (exciton) được tạo ra Thời gian sống phát xạ của chấm lượng tử thì dài, cỡ từ 10-40 ns, do đó làm tăng xác suất hấp thụ tại các bước sóng ngắn hơn và làm cho phổ hấp thụ mở rộng Do năng lượng vùng cấm quyết định bước sóng phát xạ photon, bởi vậy có thể kiểm soát bước sóng phát xạ qua kích thước của hạt nano năng lượng vùng cấm tỉ lệ nghịch với bình phương kích thước của chấm lượng tử) Các chấm lượng tửcó các tính chất vật lý đơn nhất theo kích thước nm và thành phần tạo ra chúng Chấm lượng tử được sử dụng trực tiếp trong các ứng dụng liên quan đến các tính chất quang của chúng, do

sự hấp thụ mạnh, phát xạ HQ mạnh và hẹp, thay đổi theo kích thước, có độ bền quang cao so với các chất mầu hữu cơ, tốc độ bị bạc màu chậm Phổ hấp thụ rộng

của các chấm lượng tử cho phép ta kích thích, tại cùng một bước sóng, kích thích cùng một lúc các chấm lượng tử với kích thước khác nhau, trong vùng phổ rộng Các chấm lượng tử này có thể thay thế các chất màu hữu cơ như Rhodamine 640 trong các ứng dụng hiện ảnh sinh học, vì chúng phát quang mạnh và ít bị bạc màu khi chiếu sáng so với chất mầu hữu cơ [33] Không giống như các đơn phân tử khác, các hạt chấm lượng tử chế tạo ra có thể được biến đổi bề mặt, để có các tính chất hay chức năng cần thiết, cho các ứng dụng khác nhau

1.2.2 Tổng hợp chấm lượng tử

Các công trình tiên phong từ những năm 1990 của P Alivisatos ở Đại học Berkley [6], [5], [20], của N.G Bawendi ở Viện Công nghệ Massachusetts [3], [2], [27] và của nhóm P Guyot-Sionnest ở Đại học Chicago, đã dẫn đến phương pháp mới chế tạo ra các chấm lượng tử bằng phép tổng hợp hoá học trong dung dịch Ta có thể chế tạo ra được hạt nano hình cầu kích thước vài nm, chứa cỡ vài nghìn nguyên tử

Họ chỉ ra rằng, Qd CdSe kết tinh cao, độ phân tán hẹp có thể được tổng hợp

ở nhiệt độ cao sử dụng một hỗn hợp của các tiền chất cơ kim và dung môi/ các ligand trioctyl phosphine/trioctyl phosphine oxit (TOP/TOPO)[18] Phản ứng tương

tự cũng được sử dụng để chế tạo lớp vỏ bọc tâm CdSe với một lớp bán dẫn có dải vùng cấm rộng hơn như ZnS và CdS [7, 17] Bề mặt thụ động lớp thứ hai này giữ và làm tăng hiệu suất huỳnh quang [7, 8, 11] Peng và các đồng nghiệp đã chế tạo ra những sản phẩm chất lượng cao bằng cách sử dụng các tiền chất ít có khả năng tự cháy như CdO và Cd axetate [23] Đến nay, Qd lõi/vỏ CdSe/ZnS vẫn có giá trị nhất cho tất cả các ứng dụng sinh học [15, 7, 21, 16] Các Qd khác như ZnS, CdS, CdTe,

và PbSe với khoảng phát xạ từ vùng UV đến vùng IR cũng được tổng hợp, tuy nhiên không được ứng dụng phổ biến trong các xét nghiệm sinh học [15, 16, 21] Trong một báo cáo gần đây, Michalet đã đưa ra một miêu tả độc đáo về sự tương quan giữa một vài vật liệu cấu tạo Qd, kích cỡ tâm của Qds và cực đại phát xạ của chúng [15] Một vài loại Qds có thể phân tán tốt trong dung dịch nước và trong các

TRẦN THỊ THANH HỢP 11

dung môi hữu cơ, hoặc có thể ở dạng bột hay phân tán trong màng mỏng chất polymer đã được thương mại hóa từ Invitrogen Corporation (www.invitrogen.com) hoặc Evident Technologies (www.Evidenttech.com), tuy nhiên giá thành của chúng khá đắt

Bảng 1 1: Các phương pháp tổng hợp QDs phổ biến nhất hiện nay

Loại tổng

hợp

QDs (lõi/vỏ)

Các tiền chất Nhiệt độ

( 0 C)

Môi trường

Vỏ Tham khảo

Hạt keo CdS, CdSe, CdTe Cd(CH3)2 trong TOP Se, Te,

(TMS)2S, (TMS)2Se hoặc (BDMS)2Te trong TOP

Hines và Guyot Sionnest (1996)

CdSe/ZnS Cd(acetylacetonate)2, Se, HAD,

HDDO trong TOP/TOPO

340-350 Ar/N2 Zn(ET)2,

(TMS)2S trong TOP

(N-vinyl-2-pyrolidone)

Mn-doped ZnSe Zn(NO3)2, NaHSe, MnCl2, MPA 100 N2 - Wang C Et Al (2009)

Trong đó: BDMS tert-butyldimethylsilyl; HDA hexadecylamine; HDDO hexadecanediol; HPA hexylphosphonic axit; MPA 3-mercaptopropionic axit; TBP tributylphosphine; axit TGA thyoglycolic; TMS trimethylsilyl; TOA Trioctylamine; TOP trictylphosphine; oxit TOPO trioctylphosphine

1,2-Trong số các hợp chất bán dẫn nhóm II-VI, CdTe thu hút được nhiều sự quan tâm chú ý bởi vì nó là một vật liệu có nãng lượng vùng cấm 1.52 eV phù hợp cho phát xạ trong vùng phổ ánh sáng nhìn thấy bằng cách kiểm soát kích cỡ tương ứng với sự giam hãm lượng tử của các hạt mang điện Nó có thể phân biệt những loại khác kháng nguyên khác nhau với các kích cỡ Qd khác nhau [34, 36] Hơn nữa, so sánh với CdSe, Qd CdTe dễ dàng tổng hợp hơn trong pha nước, do đó, CdTe cũng

dễ dàng sử dụng trong các ứng dụng gắn nhãn sinh học như gắn các tế bào ưng thư, sensor vận chuyển thuốc và xác định cặn thuốc trừ sâu, cặn clenbuterol [35, 19, 31,

4, 12] Qd CdSe được tổng hợp trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ sôi cao và phải loại ligand khi ứng dụng cho biosensor Do sự ký kết hợp tác giữa hai đơn vị Viện Hóa học và Viện Khoa học Vật liệu, nên trong luận văn này QDs được sử dụng là CdTe (bước sóng phát xạ 530 nm) do viện Khoa học vật liệu cung cấp Tôi xin trình bày quy trình chế tạo Qd CdTe nhận được Các chấm lượng tử CdTe được tổng hợp theo nguyên tắc là các tiền chất (ion Cd2+, Te2) phản ứng trong dung môi nước với

sự có mặt của các ligand (axit MPA 3-mercaptopropionic hoặc axit MSA mercapto succinic) để tạo thành các hạt tinh thể, sau đó, những hạt tinh thể nhỏ bé này lớn dần lên MPA và MSA đóng vai trò quan trọng để chấm lượng tử có thể tồn tại ở dạng keo Cụ thể:

- Chuẩn bị dung dịch NaHTe (cho ion Te2-) bằng cách lấy 160 mg bột Te và

100 mg NaBH4 trong bình cầu 2 cổ, loại khí trong 30 phút và sau đó dẫn bình cầu với khí N2 và cuối cùng thêm 2ml dung dịch nước cất Để tăng tốc

độ phản ứng, sử dụng một máy phát siêu âm (40-50 kHz) trong 30 phút ở nhiệt độ 50 -600C Một dung dịch màu đỏ trong suốt của NaHTe được hình thành như phương trình phản ứng sau:

TRẦN THỊ THANH HỢP 15

2NaBH4 + Te + 2H2O = NaHTe + NaBO2 + 11/2H2

- Chuẩn bị dung dịch CdBr2 (cho ion Cd2+): 12.5 mM dung dịch CdBr2 được trộn lẫn với 18.75 mM dung dịch MPA với tỉ lệ Cd:MPA = 1:1.5 (mol/mol)

và pH của dung dịch này được điều chỉnh trong khoảng 7-12 bằng cách thêm dung dịch NaOH 1.0M

- Sau đó, dung dịch NaHTe 6.25 M được chuẩn bị (với tỉ lệ Cd:Te = 2:1) được thêm nhanh vào bình cầu chứa Cd tại nhiệt độ phòng dưới điều kiện khí N2 Hỗn hợp phản ứng ngay lập tức chuyển sang màu vàng chứng tỏ sự hình thành các tinh thể CdTe

Ngoài ra, Qd CdTe chất lượng cao cũng được điều chế theo cách khác từ TeO2

và CdBr2 với chất hoạt tính bề mặt MSA Trong phương pháp tổng hợp này, TeO2phản ứng với NaBH4 để hình thành NaHTe trong sự có mặt CdBr2, do đó các hạt CdTe được hình thành cùng một lúc Ưu điểm của phương pháp này là tránh tạo ra sản phẩm trung gian NaHTe và không cần khí trơ để bảo vệ trong suốt quá trình tổng hợp

Kích cỡ của Qd được kiểm soát bằng thời gian từ vài phút đến vài giờ ở nhiệt độ

1200C Mẫu Qd được giữ ở 40C trong bóng tối Các Qds được tổng hợp trong dung dịch nước có thể sử dụng trực tiếp trong thí nghiệm gắn nhãn huỳnh quang

1.2.3 Tính chất của Qds phát huỳnh quang

Bảng 1.2 trình bày tổng quan tính chất của một số Qd khi so sánh với các chất huỳnh quang dựa trên các chất hữu cơ và protein

Bảng 1 2: So sánh tính chất của các chất huỳnh quang hữu cơ/protein và quantum

Phổ rộng, tăng đều đến vùng UV từ bờ hấp thụ đầu tiên

Hệ số dập tắt Molar Biến đổi, thông thường

< 200,000 M-1 cm-1

Cao, gấp 10-100 lần chất huỳnh quang

Phổ phát xạ Rộng, phát xạ đuôi đỏ bất đối

xứng

Bề rộng hẹp, khoảng 25-40 nm

quang Ngắn, < 5ns

Dài, khoảng 10-20 ns hoặc lớn hơn

nguyên tố hay 3 nguyên tố)

Các khả năng đơn

Khả năng truyền năng

lượng huỳnh quang

(FRET)

Không bền, hầu hết dạng chất cho đơn – chất nhận đơn

Là các chất cho phát huỳnh quang mạnh, phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước trùng chập với chất màu là chất nhận, có thể có dạng chất cho đơn, chất nhận đa

Tính gián đoạn Không đáng kể Có thể khó giải quyết trong

TRẦN THỊ THANH HỢP 17

những trường hợp bị cô lập (phân tử đơn)

Tính hóa học

Khả năng phản ứng Có khả năng phản ứng Khả năng liên kết hóa học

bị hạn chế

Liên kết đa hóa trị Hiếm – hầu hết

bis-functional

Tốt, có thể liên kết một vài phân tử với Qd phụ thuộc kích cỡ

Các tính chất khác

Kích cỡ vật lý < 0.5 nm Đường kính 4-7 nm

Vài tính chất quang lý của Qd thì rõ ràng vượt trội khi so sánh với các chất huỳnh quang truyền thống Đầu tiên là khả năng thay đổi huỳnh quang như là một hàm của kích cỡ lõi và hệ số giam hãm lượng tử cho các liên kết nhị nguyên của vật liệu bán dẫn Những tính chất độc đáo này cho phép kiểm soát phổ phát xạ của Qd bằng cách kiểm soát kích cỡ lõi Tính chất thứ hai là phổ hấp thụ rộng bắt đầu từ màu xanh của phát xạ của Qd và tăng đều về phía vùng UV Thực tế, hệ số dập tắt molar của Qd thì lớn hơn 10 đến 100 lần so với các chất màu truyền thống và có thể đạt đến giá trị vài triệu.Rõ ràng rằng, Qd có thể được sử dụng để xác định đồng thời hoặc phối hợp các tín hiệu huỳnh quang Mà điều này khó có thể đạt được đối với các chất huỳnh quang truyền thống do sự trùng chập phổ hấp thụ/phát xạ Qd cũng

có hiệu suất lượng tử cao, khả năng chống chịu cao với cả dập tắt huỳnh quang và

sự phân hủy hóa học [13]

Các chấm lượng tử thì hầu hết có cường độ lớn hơn nhiều chất màu hữu cơ truyền thống Vật liệu tâm/ lõi CdSe-ZnS có đường kính từ 2 nm (bước sóng phát

xạ 480 nm) đến 8 nm (bước sóng phát xạ 660 nm) trong khi các tinh thể nano CdSe phát xạ đỏ có khoảng đường kính từ 4nm (650nm) đến > 9nm (850nm) Tuy

CdTe-nhiên, kích cỡ lõi không được coi như một yếu tố cho nhiều ứng dụng vốn có của

nó Các protein, peptide hoặc các chất hóa học có thể tấn công lên bề mặt của QD Sau đó, tổng hợp được Qd-conjugate, có được những tính chất đặc trưng

1.2.4 Chức năng hóa và biến tính bề mặt các chấm lượng tử

a Chức năng hóa các chấm lượng tử

Bởi vì Qd thông thường được tổng hợp từ các tiền chất cơ kim và muối nên chúng không có khả năng tan trong dung dịch nước, do đó, chức năng hóa bề mặt

Qd bằng các ligand hữu cơ không những làm Qd có khả năng hòa tan trong dung dịch mà còn tăng khả năng liên kết sinh học Việc gắn các nhóm chức khác nhau trên bề mặt các chấm lượng tử và làm chúng phân tán trong môi trường nước là quan trọng đối với các ứng dụng trong y - sinh Các hạt nano đã chức năng hóa này cần phải luôn ổn định trong dung dịch nước, phải tránh được sự kết tụ đám và

có thể gắn được các phân tử chức năng thích hợp lên bề mặt của hạt Các kỹ thuật được sử dụng cho việc biến đổi và chức năng hóa bề mặt các hạt chấm lượng tử huyền phù là trao đổi ligand, biến đổi các ligand và sử dụng các lớp phủ bổ sung Các phân tử ligand liên kết với bề mặt các hạt chấm lượng tử giúp cho việc khống chế kích thước hạt trong quá trình chế tạo và ngăn ngừa sự kết tụ các hạt chấm lượng tử Lực đẩy giữa các hạt chủ yếu là lực đẩy tĩnh điện Tùy thuộc vào hệ hạt và dung môi mà các hạt phân tán, việc lựa chọn ligand tốt có thể làm các hạt ổn định lâu dài Đầu tiên các phân tử ligand phải liên kết với bề mặt các hạt bằng lực hút, như lực hút tĩnh điện hoặc tương tác kỵ nước, hầu hết bằng một nhóm của một đầu phân tử ligand Về tương tác của phân tử ligand với dung môi, các phân tử ligand phân cực hay tích điện sẽ tan trong các dung môi phân cực hoặc nước trong khi các hạt nano với các phân tử ligand không phân cực như các chuỗi hydrocacbon chỉ tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực, ví dụ trong hexane, toluene hay chloroform, các phân tử hữu cơ như TOPO, TOP hay HDA thường được sử dụng trong chế tạo chấm lượng tử Các phân tử ligand có hai đầu ưa nước và kỵ nước, như poly ethylene glycol, và các hạt nano kết hợp với chúng hay

Sự lựa chọn các phân tử ligand có thể phụ thuộc vào loại vật liệu của hạt nano

và dung môi Nhìn chung, ngừời ta thấy rằng các phân tử liên kết mạnh tạo ra các hạt ổn định tốt hơn các hạt liên kết yếu, đặc biệt trong các bước tiến hành và làm sạch sau khi chế tạo hạt Trong dung dịch nước, các phân tử ligand tích điện mạnh, chứa các nhóm acid cacboxylic và sulfonic, sẽ ổn định các hạt trong thời gian dài Trong luận văn này, Qds CdTe sử dụng đã được cacboxyl hóa gắn các nhóm – COOH lên bề mặt bằng cách chức năng hóa bề mặt Qds bằng hợp chất MPA (axit 3-mercaptopropionic) như hình 1.5:

Hình 1 5: Mô hình cacboxyl hóa chấm lượng tử CdTe

b Liên kết sinh học của QDs

Có thể chia ra làm 3 loại chính cho các phương pháp để ghép nối các phân tử sinh học lên.[13]

 Cách đầu tiên và phổ biến nhất là: Gắn phân tử sinh học với một nhóm chức năng trên bề mặt của QD - ligand Ví dụ cho nhóm này là: Amin, thiols hoặc cacboxit

Hình 1 6: Liên kết hóa trị giữa Qds và các phân tử sinh học

 Cách thứ 2: Là liên kết sinh học dựa trên hướng tương tác của các phân tử sinh học với các nguyên tử trên bề mặt của QDs

Hình 1 7: Tạo liên kết trực tiếp với Qds

TRẦN THỊ THANH HỢP 21

 Cách thứ 3: Là sử dụng tương tác tĩnh điện giữa bề mặt QDs và miền điện tích trái dấu của protein hoặc các phân tử sinh học khác

Hình 1 8: Tương tác tĩnh điện giữa Qds với phân tử sinh học

Phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất là tạo liên kết hóa trị giữa phân tử sinh học với các nhóm hoạt tính trên bề mặt QDs (covalent modification) Ví dụ như các

nhóm amin, thiol và cacboxyl Nhóm amin có thể được biến tính với este

N-hydroxysuccinimide (NHS) hoặc các phân tử hoạt hóa dimethylaminopropyl) cacbodiimide (EDC) Các nhóm thiol cũng có thể hoạt động như là những vị trí cho sự biến tính bởi meleimit hoặc trao đổi nhóm thiol Ngoài ra, các nhóm cacboxyl cũng có thể được hoạt động với EDC để cho gắn các phân tử có nhóm amin hoạt động (hình 1.6)

1-Ethyl-3-(3-Phương pháp thứ hai là tạo liên kết trực tiếp giữa phân tử sinh học với nguyên

tử trên bề mặt Qd Ví dụ như các phân tử lưu huỳnh hoặc kẽm của QDs (hình 1.7)Một ví dụ tiêu biểu của phương pháp thứ 3, protein (MBP) liên kết với maltozơ tích điện dương có thể tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm của Qds đã được chức năng hóa bởi DHLA Loại biến tính này, cũng cho phép gắn các kháng thể lên

Qd và làm sạch liên kết sinh sinh để ứng dụng cho các xét nghiệm sinh học sau Công nghệ gen cũng được sử dụng để gắn leucine-zipper tích điện dượng lên

protein G, và sau đó sẽ được cố định lên Qds thông qua tương tác tĩnh điện, có thể được sử dụng để liên kết Fe của các kháng thể

1.3 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET)

1.3.1 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng

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

Hình 1 9: Mô hình hiệu ứng FRET

Một cặp hai nguyên tử tạo ra một điện trường qua 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 về trạng thái ban đầu,

nó đang ở trạng thái kích thích nên truyền năng lượng cho nguyên tử nhận (aceptor 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 (hình 1.9)

Kết quả cuối cùng là phần 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 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

TRẦN THỊ THANH HỢP 23

1.3.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng

Tư tưởng chính của lý thuyết về FRET có thể tóm lược trong một vài ý chính như sau:

Sự kích thích trên một ion có thể lan truyền sang một ion cùng loại khác ở trạng thái cơ bản như 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 trình huỳnh quang và năng lượng trở nên cạnh tranh nhau là cỡ vài Angstrom Sơ đồ của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng mô tả như hình dưới:

Hình 1 10: Giản đồ Jablonski mô tả hiệu ứng FRET.[22]

Trong quá trình phát huỳnh quang truyền năng lượng, một ion bị kích thích ban đầu (donor D) sẽ truyền năng lượng kích thích của nó cho một ion (aceptor) khác gần nhất theo sơ đồ sau: D* + A D + A* (dấu ‘ * ‘ ký 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 các chất cho phải chồng lên phổ

hấp thụ hoặc kích thích của chất màu nhận Mức độ chồng chéo lên nhau được gọi là quang phổ chồng lên nhau tích hợp (J)

(ii) Chất cho (donor) phải có cường độ phát huỳnh quang mạnh



(iii) Hai chất này (các chất cho và chất nhận) phải ở khoảng cách gần nhau

(thường 1 đến 10 nanomet)

(iv) Các proentations chuyển tiếp lưỡng cực của các chất cho và chất nhận phải

gần như song song với nhau

(v) Thời gian sống huỳnh quang của các phân tử các chất cho phải có khoảng

thời gian đủ để cho hiệu ứng FRET xảy ra

Hình 1 11: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của một cặp chất cho và nhận Khu vực màu đỏ nâu là sự chồng chéo quang phổ giữa quang phổ huỳnh quang của các

chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận.[28]

Tóm lại, tỷ lệ FRET phụ thuộc vào mức độ chồng chéo quang phổ giữa các cặp chất cho-chất nhận (hình 1.11), năng suất lượng tử của các chất cho, định hướng tương đối của các chất cho-chất nhận những khoảng cách chuyển tiếp lưỡng cực và khoảng cách từ các chất cho tới chất nhận Bất kỳ sự kiện hoặc quá trình có ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các cặp chất cho/chất nhận 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

TRẦN THỊ THANH HỢP 25

mẫu vật có chứa cả các chất cho và các phân tử chất nhận với ánh sáng phát ra ở các bước sóng trung tâm gần với phát xạ Bởi vì FRET có thể dẫn đến giảm phát huỳnh quang của các phân tử các chất cho cũng như tăng huỳnh quang của chất nhận, nên khi xác định tỷ lệ số liệu của hai tín hiệu có thể phát hiện được

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 chất nhận 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

Một phương pháp thay thế khác, ngày càng phổ biến nhanh chóng là để đo thời gian sống huỳnh quang của các chất cho trong sự hiện diện và vắng mặt của nhóm mang màu chất nhận FRET sẽ gây ra sự giảm thời gian phát huỳnh quang của chất cho

Hình 1 12: Quang phổ huỳnh quang của chất cho và chất nhận và dung dịch hỗn

hợp của chất cho và chất nhận

Trong hình trên, huỳnh quang của chất nhận tăng gần sáu lần trong sự hiện diện của chất cho Trong trường hợp như huỳnh quang các chất cho 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 chất cho và nhận Đây là hiệu ứng FRET sử dụng các chất 3-octadecyl-2[3-octadecyl-2(3H)-benzothizolidene) metyl] benzothiazolium perchlorate (chất cho), Octadecyl rhodamine B (chất nhận).[28]

1.4 Nanosensor

1.4.1 Nanosensor là gì?

Nanosensor là một 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 virus 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

Một trong những ví dụ đầu tiên của một nanosensor tổng hợp nhận tạo được xây dựng bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia vào năm 1999 Họ đã gắn một hạt vào cuối của một ống nano carbon và đo tần số rung động của ống nano cả hai trường hợp có và không có hạt đó Sự khác nhau giữa hai tần số cho phép các nhà nghiên cứu để đo khối lượng của hạt đính kèm

Các ống nano carbon đã được sử dụng để phát hiện ion các phân tử khí, ví dụ như ống nano được làm từ titan đã được sử dụng để phát hiện nồng độ khí quyển của hydro ở mức độ phân tử Nhiều hệ thống mà nanosensor được xây dựng chỉ để phù hợp cho một loại phân tử Đối với một loại phân tử cụ thể phù hợp với nanosensor, và ánh sáng được chiếu vào nanosensor, nó sẽ phản ánh bước sóng khác nhau của ánh sáng do đó nó cho màu sắc khác nhau Trong một nghiên cứu

Hiện nay có 3 hướng chế tạo sensor thông dụng như bảng 1.3: nanosensor vật

lý, nanosensor hóa học, nanosensor sinh học

Bảng 1 3: Bảng phân loại ba hướng chế tạo nanosensor thông dụng

Tương tác kháng nguyên/ kháng thể

Tương tác DNA Tương tác enzym

Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay, các loại cảm biến hiện đại

đã tích hợp các loại cảm biến riêng để tạo thành cảm biến hỗn hợp, và rất khó để có thể phân loại được nữa Rất nhiều dạng cảm biến mới được chế tạo như:

 Chemical nanosensors: là thiết bị nano có thành phần cảm biến bằng vật

liệu sinh học, mặt khác lại nhạy cảm với các chất hóa học

 Biological nanobiosensors:làcác thiết bị nanocóphầncảm biếnlàm bằng

vật liệusinh họcvànhạy cảm với cácvật liệu sinh học

 Physical nanobiosensors : là các thiết bị nanocóphầncảm biến bằng vật

liệusinh họcvànhạy cảm với cácđại lượng vật lý

1.4.2 Một số loại cảm biến (nanosensor) sử dụng chấm lượng tử với hiệu ứng FRET

Chấm lượng tử chất bán dẫn có cường độ phát quang rất mạnh so với các chất huỳnh quang hữu cơ Qd có hiệu suất lượng tử cao, độ hấp thụ quang mạnh, tính ổn định quang lớn Đồng thời ta có thể điều khiển bước sóng phát quang theo độ lớn kích thước của hạt Qds Với nhiều lợi điểm như vậy, nên chấm lượng tử được sử

dụng làm cảm biến sinh học để quan sát và chụp ảnh tế bào sinh học

a Nanosensor xác định hàm lượng Maltozơ

Mauro đã sử dụng Qd để chế tạo sensor theo hiệu ứng FRET bằng công nghệ tự lắp ghép phân tử Sơ đồ cơ chế hoạt động của sensor này như hình dưới [32]

Hình 1 13: Mô hình cơ chế hoạt động của Sensor hiệu ứng FRET dùng Qd của

Mauro[32]

Như mô hình trên, trên bề mặt của Qd phủ một lớp chất Protein: Bindung Protein (MBP) Chất này có khả năng tạo chức năng hoạt hoá bề mặt Qd trong dung dịch đường Sau đó cho thêm chất B-Cyclo.dextrin-Qsy9 với vai trò là chất dập tắt tín hiệu huỳnh quang (Quencher) Sensor này khi sử dụng để xác định hàm lượng Maltose Nếu trong môi tường có chất Maltol, tương tác giữa Maltol với tác nhân Quencher, đẩy chất dập tắt quencher ra xa khỏi Qd Kết quả theo hiệu ứng FRET, cường độ phát quang của chấm lượng tử gia tăng Lợi dụng kỹ thuật này, bằng việc sử dụng chấm lượng tử, người ta có thể chế tạo sensor lai tạo (Hybrid sensor)

Maitose-TRẦN THỊ THANH HỢP 29

b Nanosensor xác định DNA

Cũng từ nguyên lý của hiệu ứng FRET, các nhà khoa học đang trong giai đoạn tạo ra loại Sensor DNA nano bằng việc sử dụng Qd để xác định các DNA Trong kỹ thuật này, các nhà phát minh đã sử dụng Qd là chất CdSe-ZnS được chế tạo bằng kỹ thuật Core-Shell làm chất cho (Donor) Trên bề mặt của chấm lượng tử được biến tính hoạt hoá bằng chất Streptavisin Tiếp theo cho chất huỳnh quang Cy5.5 và Biotin tác dụng với chất Oligonucleotit tạo thành hai tác nhân hoạt hoá với vai trò khác nhau: tác nhân thông tin (Reporter probe) và tác nhân liên kết (Capture probe) Hai nhóm phân tử chức năng này liên kết với phân tử DNA cần xác định (mục đích DNA) Cụm phân tử hai chức năng thông tin và kết hợp có chứa DNA, liên kết với

Qd đã biến tính (Steptavidin Conjugated Qd), tạo thành biosensor DNA nano Biosenssor DNA nano này có nhóm biotin kết hợp với chất Steptavidin trên bề mặt

Qd Nhờ vậy hiệu ứng FRET được phát huy Bằng phương pháp này, ta có thể kiểm chứng được DNA nhanh và độ chính xác cao Hình 1.14 là mô hình cơ chế hoạt động của biosensor DNA nano.[24]