Đang tải... (xem toàn văn)
Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano Plasmon bề mặt và công nghệ nano
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI TRẦN VĂN MINH PLASMON BỀ MẶT VÀ CÔNG NGHỆ NANO Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt HÀ NỘI, 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội dƣới hƣớng dẫn khoa học GS.TSKH. Nguyễn Ái Việt. Sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình, nghiêm túc GS suốt trình thực luận văn giúp tác giả trƣởng thành nhiều cách tiếp cận vấn đề mới. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn lòng kính trọng sâu sắc GS. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, phòng Sau đại học, thầy cô giáo nhà trƣờng thầy cô giáo dạy Cao học chuyên ngành Vật lí lí thuyết vật lí toán giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình học tập nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn Viện vật lí Việt Nam, gia đình, ngƣời thân, bạn bè giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học Thạc sĩ hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 18 tháng 06 năm2014 Học viên Trần Văn Minh LỜI CAM ĐOAN Luận văn đƣợc hoàn Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn hƣớng dẫn khoa học GS.TSKH. Nguyễn Ái Việt. Trong trình nghiên cứu hoàn thành luận văn kế thừa thành khoa học nhà khoa học. Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 18 tháng 06 năm 2014 Học viên Trần Văn Minh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết thƣờng Ký hiệu surface plasmon polarition SPP surface plasmon SP Công nghệ nano CNNN Nanotecnology Initiative NNI Công nghệ sinh học CNSH Total internal reflection TIR radiating plasmon RP Non - radiating plasmon NRP Losy surface waves LSWs surface plasmon resonance SPR Optical coherence tomography OCT Epithelial growth factor receptor EGFR Polyethylene glycol PEG MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VÁC CHỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU . 1. Lý chọn đề tài . 2. Mục đích nghiên cứu . 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 4. Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu . 5. Phƣơng pháp nghiên cứu . 6. Giả thuyết khoa học CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ PLASMON BỀ MẶT . 1.1. Định nghĩa Plasmon . 1.2. Plasmon bề mặt 1.3. Tần số plasmon độ dài lan truyền sóng plasmon (lý thuyết điện từ học) . CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ NANO Y - SINH 13 2.1. Công nghệ nano . 13 2.2. Công nghệ sinh học nano dùng y – sinh 15 2.3. Ứng dụng hạt nano từ tính y - sinh . 16 2.3.1. Phân tách chọn lọc tế bào . 16 2.3.2. Dẫn truyền thuốc . 17 2.3.3.Tăng thân nhiệt cục 19 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT TRONG Y SINH 21 3.1. Sự phụ thuộc tính chất quang vào kích thƣớc hạt nano kim loại . 21 3.1.1. Tính chất quang học 21 3.1.2. Sự phụ thuộc tính chất quang vào hình dạng hạt – lý thuyết Gans 21 3.1.3. Tính chất quang bề mặt kim loại . 23 3.2. Lý thuyết Mie mô tả phụ thuộc hấp thụ tán xạ quang vào kích thƣớc hạt nano vàng 34 3.3. Hạt nano kim loai vàng 39 3.4. Một số ứng dụng tính chất quang hạt nano vàng y sinh . 44 3.4.1. Sử dụng hạt nano vàng làm chất đánh dấu tăng độ tương phản ảnh . 45 3.4.2. Hạt vàng sử dụng băng thử nhanh . 47 3.4.4. Hạt nano vàng để phát tế bào ung thư vú . 49 3.4.5. Sử dụng hạt vàng nano làm tăng độ tương phản ảnh chụp mạch máu thiết bị Micro CT X quang 50 3.4.6. Trong lĩnh vực mỹ phẩm 51 KẾT LUẬN 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 MỞ ĐẦU 1. Lý chọn đề tài Công nghệ nano đề cập việc nghiên cứu các thiết bị (device) mà thân chúng chi tiết cấu thành chúng có kích thƣớc nằm vùng từ 1-1000 nm. Vì vùng kích thƣớc cấu trúc nguyên tử, phân tử cấu trúc sinh học nên công nghệ nano không lĩnh vực kỹ nghệ vật lý mà hóa học sinh học. Đặc biệt, kết nghiên cứu phần tƣ kỷ vừa qua chứng tỏ triển vọng tiềm tàng ứng dụng công nghệ vật liệu nano cho y học, thể chỗ hình thành lĩnh vực khoa học liên ngành đƣợc quan tâm Nano Y học (Nanomedicine). Y học đòi hỏi phát diệt trừ u, mụ; tác nhân gây bệnh nhƣ vi khuẩn, virus đại tác nhân cấp độ phân tử, gen. Phát yêu cầu độ nhạy cao, chữa trị phải giảm thiểu hiệu ứng phụ. Vật liệu hạt kích thƣớc nano có số đặc tính vật lý thú vị triển vọng ứng dụng lớn cho mục đích chẩn đoán chữa trị bệnh theo xu hƣớng mong muốn trên. Các loại hạt vô đƣợc chức hóa bề mặt đánh dấu miễn dịch tăng độ nhạy phân tích chẩn đoán bệnh lên hàng vài bậc với thời gian đƣợc rút ngắn. Hạt nano vàng đƣợc biết đến từ thời cổ đại tính chất màu lý thú sử dụng trang trí đồ dùng thuỷ tinh kính xây dựng. Gần đây, chúng đƣợc quan tâm nghiên cứu mạnh số tính đặc biệt có tiềm lớn cho việc ứng dụng y sinh. Đặc tính ƣu việt hạt nano vàng ổn định cấu trúc, không độc, có khả tƣơng hợp sinh học cao chúng dễ dàng hoạt hoá để gắn kết với phân tử sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA phân tử thuốc thông qua chất có chứa nhóm –SH. Với đặc tính hoá học bề mặt đặc thù này, nghiên cứu tập trung sử dụng hạt nano vàng làm tâm mang cho hệ thống phân phối thuốc nano, ứng dụng cho chẩn đoán chữa trị số bệnh nhƣ ung thƣ, đái tháo đƣờng… . Bởi có độ ổn định lớn, đồng thời có thiết diện hấp thụ lớn vùng nhìn thấy nhờ vào hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt nên hạt vàng đƣợc sử dụng làm chất thị sensor chuẩn đoán bệnh nhanh từ năm 1980. Các protein liên kết bề mặt hạt vàng với sức liên kết lớn liên kết đúng, tạo gắn kết protein - hạt vàng với độ ổn định cao bền lâu dạng lỏng dạng khô. Que thử ung thƣ sử dụng hạt vàng làm chất thị vấn đề đƣợc giới quan tâm. Khoa học công nghệ nano thuật ngữ đƣợc sử dụng rộng rãi khoa học vật liệu ngày đối tƣợng chúng vật liệu nano có tính chất kì lạ khác biệt với tính chất vật liệu khối mà ngƣời ta nghiên cứu trƣớc đó. Cụ thể hạt nano kim loại. Hạt nano kim loại thu hút nhiều nghiên cứu khả ứng dụng to lớn hạt nano nhiều lĩnh vực. Hạt nano kim loại vàng, bạc đƣợc sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Nổi tiếng cốc Lycurgus đƣợc ngƣời La Mã chế tạo vào khoảng kỉ thứ trƣớc công nguyên. Chiếc cốc có đặc tính đặc biệt thay đổi màu sắc tùy thuộc vào cách ngƣời ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục nhìn ánh sáng phản xạ cốc nhƣng lại có màu đỏ ánh sáng từ cốc xuyên qua thành cốc. Bằng phép phân tích ngày cho thấy cốc có hạt nano vàng bạc. Tuy nhiên năm 1857, Michael Faraday nghiên cứu cách hệ thống hạt nano vàng việc nghiên cứu tính chất ứng dụng hạt nano kim loại thật bắt đầu. Để biết đƣợc tính chất đặc biệt hạt nano màu sắc hạt nano phụ thuộc nhiều vào kích thƣớc hình dạng chúng. Chính lí em bƣớc đầu tìm hiểu tƣợng thay đổi màu sắc hạt nano đề tài “Plasmon bề mặt công nghệ nano”. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu Plasmon bề mặt ứng dụng công nghệ nano y – sinh. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tƣợng plasmon bề mặt đặc tính hạt nano vàng. - Nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính y – sinh. - Nghiên cứu đặc tính hạt nano vàng ứng dụng y – sinh. 4. Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano kim loại. - Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng hạt nano kim loại y – sinh. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tổng hợp, phân tích, khái quát tài liệu thu đƣợc. - Nghiên cứu lí thuyết, sở lí luận. - Dịch nghiên cứu tài liệu liên quan tạp chí. 6. Giả thuyết khoa học - Đƣa ứng dụng công nghệ nano vào y – sinh. - Có thể ứng dụng tính chất hạt nano vàng vào lĩnh vực khoa công nghệ. CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ PLASMON BỀ MẶT 1.1. Định nghĩa Plasmon Là dao động tập thể điện tử tự do. Plasmon "giả hạt" (chuẩn hạt) dùng để mô tả dao động tập thể electron chất rắn. Hình 1.1. Một chùm laser hồng ngoại tập trung lên cánh tay kính hiển vi lực nguyên tử sinh plasmon bề mặt graphene. Ảnh: Basov Lab/UCSD. 1.2. Plasmon bề mặt Plasmon-polariton (surface plasmon polariton, thƣờng đƣợc gọi plasmon bề mặt): dao động điện tử tự bề mặt kim loại dƣới kích thích ánh sáng. Hình 1.2. Minh họa tạo thành dao động plasmon bề mặt. Điện trƣờng sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực điện tử dẫn (điện tử tự do) lõi ion nặng hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế biên hạt nano phần hoạt động nhƣ lực hồi phục (restoring force). Bằng cách đó, dao động lƣỡng cực điện tử với chu kỳ T đƣợc tạo nên. 40 khí đất, ánh sáng xanh bị tán xạ phân tử nitrogen, oxygen không khí cho ta bầu trời xanh lơ. Vàng có màu vàng quen thuộc thể khối, nhƣng cấp nanomét SPR gây hấp thụ sóng bƣớc sóng định đó, tán xạ hiển thị sóng bƣớc sóng lại (thí dụ, ánh sáng màu xanh bị hấp thụ ánh sáng đỏ hiển thị ngƣợc lại). Vì vậy, hạt nano vàng không màu vàng mà hiển thị màu xanh, xanh lục, đỏ, tím, tuỳ vào kích cỡ hạt. Đặc tính SPR gây ý đặc biệt đến nhà vật liệu học họ nhanh chóng thiết kế hạt nano vàng với nhiều độ lớn khác để hấp thụ sóng xảy vùng rộng lớn dải rộng từ tia tử ngoại đến tia hồng ngoại. Trong ứng dụng y học hạt nano vàng, phát huỳnh quang gần nhƣ bị bỏ quên nhƣng SPR đƣợc áp dụng rộng rải cho nhiều kết bất ngờ. Sự hấp thụ tán xạ ánh sáng qua SPR hạt nano vàng để quan sát chẩn đoán tế bào ung thƣ miệng. Bề mặt hạt nano vàng (đƣờng kính 35 nm) đƣợc kết hợp kháng thể có chức bám vào tế bào ung thƣ. Nhờ vậy, hạt nano có "ái lực" với tế bào ung thƣ lần nhiều với tế bào mạnh khoẻ bình thƣờng. Dƣới ánh sáng trắng, tế bào ung thƣ đƣợc thắp sáng quan sát kính hiển vi quang học thông thƣờng. Phải nói tiện lợi sử dụng dụng cụ thí nghiệm tốn ƣu điểm phƣơng pháp này. Một ƣu điểm bật khác dung dịch hạt nano phun lên mô tế bào kết nhìn thấy tức khắc. Hơn nữa, hạt nano vàng cho thấy khác biệt bƣớc sóng hấp thụ tế bào ung thƣ tế bào khoẻ mạnh. Kết quan trọng giúp y sĩ phân biệt "đá vàng", tế bào tốt xấu việc trị liệu phẫu thuật. Trong SPR, hấp thụ ánh sáng hạt nano tiến hƣớng ánh sáng đỏ (bƣớc sóng dài) hạt to. Tận dụng liên hệ này, nhóm nghiên cứu Rice University (Mỹ) phủ vàng lên hạt nano silica (SiO2) tạo loại hạt lai nano hấp thụ tia hồng ngoại. Bƣớc sóng hấp 41 thụ đƣợc điều chỉnh với độ xác cao qua tƣơng quan độ lớn hạt nano silica độ dày lớp phủ vàng vật liệu lai hấp thụ vùng rộng lớn tia hồng ngoại có bƣớc sóng từ 800 đến 2.200 nm. Đây phƣơng pháp chế tạo vật liệu lai nano đơn giản nhƣng đầy tính sáng tạo. Ta không cần phải dùng 100 % vàng tốn mà sử dụng silica không mang độc tính làm chất độn, vừa uyển chuyển điều chỉnh bƣớc sóng hấp thụ qua hai biến số đƣờng kính silica độ dày vàng. Silica vật liệu vô vô phong phú, giá rẻ thành phần cát thủy tinh. Từ thập niên 60 kỷ trƣớc, hạt silica đƣợc chế tạo dễ dàng với kích thƣớc từ 50 nm đến μm (2.000 nm). Silica đƣợc quan "Food and Drug Administration" (FDA, Mỹ) đánh giá vật liệu an toàn cho thể. Phủ vàng lên hạt nano silica thí dụ nhiều phƣơng pháp cải biến bề mặt hạt silica cho áp dụng y học nano. Trên phƣơng diện y học, hạt lai nano vàng/silica giải đƣợc khó khăn vật liệu cổ điển việc tạo ảnh hồng ngoại trị liệu nhiệt. Trong liệu pháp y khoa vật liệu cảm ứng với tia hồng ngoại (tức nhiệt) mang đến nhiều ƣu điểm tia tử ngoại hay laser mang lƣợng cao. Đặc biệt, vùng cận hồng ngoại (bƣớc sóng 800 - 1.100 nm) có khả xuyên qua mô nhƣng gây tổn hại tia tử ngoại hay ánh sáng thấy đƣợc. Chẳng hạn, phƣơng pháp trị liệu ung thƣ quang nhiệt (photothermal therapy) đòi hỏi tập trung nhiệt nhắm vào mô tế bào bệnh khái niệm phổ quát đƣợc nghiên cứu áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, khối u ung thƣ nằm vùng sâu thể, việc áp đặt nguồn nhiệt gần mục tiêu việc bất khả thi. Ngƣời ta đƣa vào thể phân tử hấp thụ nguồn hồng ngoại để phát nhiệt "tại chỗ" tế bào, nhƣng chúng hiệu hấp thụ cao phát nhiệt tan biến nhanh chóng. Sự xuất 42 hạt lai nano vàng/silica làm cục diện thay đổi. Kết nghiên cứu nhóm nghiên cứu Rice University (Mỹ) đƣa đến hình thành hạt nano lai vàng/silica với đƣờng kính lõi silica 119 nm độ dày lớp phủ vàng 12 nm. Ở kích thƣớc này, hạt hấp thụ mạnh tia cận hồng ngoại bƣớc sóng 800 nm. Hạt lai nano đƣợc tiêm vào chuột vừa phát quang cho việc tạo ảnh mô tế bào, vừa phát nhiệt cho việc trị liệu ung thƣ. Tiến xa nữa, nhóm nghiên cứu giáo sƣ Hyeon đại học Seoul (Seoul National University, Hàn Quốc) cải biến thêm bề mặt silica hạt nano siêu từ tính oxít sắt đƣợc kết hợp, sau phủ vàng tạo bề mặt phức hợp, đa (hình 3.9). Hạt nano silica có đƣờng kính 100 nm, hạt oxít sắt nm bề dày lớp phủ vàng 15 nm. Bề mặt phức hợp có hai tác dụng tế bào ung thƣ: lớp phủ vàng hấp thụ tia hồng ngoại cho việc trị liệu nhiệt hạt nano oxít sắt có công dụng gia tăng độ tƣơng phản cho phƣơng pháp tạo ảnh cộng hƣởng từ hạch MRI. Hình 3.9: Bề mặt phức hợp hạt nano silica, (1) hạt nano silica trần; (2) kết hợp với hạt oxít sắt (3) phủ lớp nano vàng. Câu chuyện nano vàng thiếu sót không nói đến que nano (nanorod). SPR hiệu bề mặt que nano vàng hạt nano. Bƣớc sóng hấp thụ nhạy cảm với đƣờng kính chiều dài que khiến cho que nano vàng trở nên vật liệu nano quan trọng nhiều ứng dụng. Đặc điểm quan trọng vật liệu nano kim loại có độ nóng chảy tùy 43 thuộc vào kích thƣớc. Độ nóng chảy kim loại số mà lƣợng khả biến, thấp kích thƣớc nhỏ. Vàng khối có độ nóng chảy khoảng 1.064 °C, nhƣng giảm nhanh đến 200 °C thấp hạt nano chứa vài nguyên tử vàng. Vì vậy, hấp thụ tia laser que nano nóng chảy co lại thành dạng cầu. Một nhóm nghiên cứu Đài Loan lần áp dụng biến hình để tải phân tử DNA vào tế bào. DNA đƣợc kết hợp với que nano vàng dƣới kích hoạt tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt trình DNA đƣợc phóng thích vào tế bào chất (Hình 3.10). Hình 3.10. Phân tử DNA kết hợp với que nano vàng cho vào tế bào. Khi kích hoạt tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt đồng thời phóng thích DNA. Khám phá cho tiềm ứng dụng thú vị; ta cần dùng tia hồng ngoại để phóng thích nhân tố di truyền vào tế bào vật tải không mang độc tính. Tuy nhiên, theo suy luận ngƣời viết để có áp dụng thực tiễn que nano cần phải đƣợc thiết kế với đƣờng kính cực nhỏ, nhỏ nm để giảm độ nóng chảy que gia tăng hiệu suất phóng thích. Khi độ nóng chảy cao (> 200 °C), khả phá hủy phát nhiệt từ que làm biến chất tế bào; que nano trở thành vật tác hại tế bào khỏe mạnh vật tải hữu dụng trƣờng hợp này. 44 3.4. Một số ứng dụng tính chất quang hạt nano vàng y sinh Đặc tính ƣu việt hạt nano vàng ổn định cấu trúc, không độc, có khả tƣơng hợp sinh học cao chúng dễ dàng hoạt hoá để gắn kết với phân tử sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA phân tử thuốc thông qua chất có chứa nhóm –SH. Với đặc tính hoá học bề mặt đặc thù này, nghiên cứu tập trung sử dụng hạt nano vàng làm tâm mang cho hệ thống phân phối thuốc nano, ứng dụng cho chữa trị số bệnh nhƣ ung thƣ, đái tháo đƣờng Về khía cạnh vật lý, nhờ vào hiệu ứng plasmon cộng hƣởng nhờ hạt nano vàng có thiết diện tắt (hấp thụ tán xạ) mạnh vùng nhìn thấy, hạt nano vàng đƣợc sử dụng nhiều thí nghiệm theo dõi đơn phân tử ảnh tế bào ung thƣ. Với khả hấp thụ tán xạ trải tới vùng hồng ngoại gần hạt nano đó, ngƣời ta tạo ảnh in vivo sâu thể (10 cm) để phát tiêu diệt khối ung thƣ liệu pháp quang nhiệt. Lĩnh vực khác không phần ý nghĩa sinh học y học. Các phân tử nano vàng có đặc tính tự phát nhiệt dƣới tác dụng xạ laser. Đặc tính đƣợc sử dụng luân phiên hay bổ sung cho liệu pháp tia X chữa trị số bệnh ung thƣ. Các nhà khoa học viện nghiên cứu MaxPlanck nghiên cứu phá huỷ mô khoẻ mạnh cách sử dụng viên thuốc trị ung thƣ bên khối u. Để đƣa chất vào vị trí, nhà khoa học tạo viên nhộng nhỏ với kích thƣớc vài nano met. Vỏ viên nhộng đƣợc cấu tạo nhiều lớp polymer mỏng đặt lên nhau, cho phép chúng vƣợt qua dễ dàng lớp màng bên màng tế bào. Trên bề mặt viên nhộng phân tử nano đƣợc sử dụng từ nguyên tử vàng bạc. Khi hấp thụ vào tế bào khối u, viên nhộng di chuyển tia hồng ngoại. Sức nóng đẩy phân tử vàng bạc di chuyển khiến viên nhộng vỡ phá vỡ kết cấu 45 tế bào ác tính. Hiện nghiên cứu chuột chứng minh đƣợc tính hiệu công nghệ này. Ở trạng thái phân tử nano vàng có khả cố định nguyên tử sinh học (kháng nguyên kháng thể). Vì vậy, phân tử vàng sử dụng nhiều xét nghiệm sinh học hay chuẩn đoán y khoa. 3.4.1. Sử dụng hạt nano vàng làm chất đánh dấu tăng độ tương phản ảnh Chẩn đoán/ phát ung thƣ sử dụng kỹ thuật ảnh quang học nhƣ OCT (optical coherence tomography) hay hiển vi đồng tiêu phản xạ ảnh hiển vi mô tế bào thƣờng bị hạn chế khả phát thay đổi tế bào mô sinh chất ung thƣ. Một tiến vƣợt bậc dùng chất đánh dấu cung cấp tín hiệu đặc trƣng phân tử mô bệnh tính chất phân tử giải phẫu bệnh. Hạt vàng có thiết diện tán xạ plasnmon mạnh (vài bậc cao chất đánh dấu thông thƣờng), chúng đƣợc nghiên cứu sử dụng nhƣ đầu dò chất đánh dấu quang học để phát ung thƣ ảnh. Các tế bào bệnh đƣợc phân biệt nhiều cách: DNA, biểu hô hấp, thụ thể bề mặt, protein… Một phƣơng pháp thƣờng dùng phản ứng miễn dịch. Sokolov et al sử dụng hạt vàng 15 nm gắn kết với kháng thể đặc hiệu để ảnh tế bào ung thƣ biểu mô đốt sống cổ (SiHa) đƣợc biết đến nhƣ biểu mức epithelial growth factor receptor (EGFR). Ảnh tán xạ tế bào ung thƣ đƣợc đánh dấu hạt vàng cho thấy thụ thể kháng nguyên ung thƣ loại chủ yếu nằm màng tế bào, chứng tỏ khả ảnh phân tử phƣơng pháp này, điều mà ảnh hiển vi truyền qua đƣợc. Mặt khác, sử dụng kỹ thuật sinh thiết thông thƣờng không phát đƣợc tế bào ung thƣ điều kiện. Các nghiên cứu cho thấy tán xạ cộng hƣởng plasmon từ hạt vàng đủ mạnh để sử dụng laser đỏ thông thƣờng (laser pointer) thay laser công suất lớn để 46 ảnh tế bào. El-Sayed et al sử dụng hạt vàng kích thƣớc ~ 35 nm đƣợc gắn kết với kháng thể đặc hiệu EGFR kỹ thuật hiển vi trƣờng tối với ánh sáng trắng thông thƣờng để phân biệt tế bào ung thƣ vòm họng ác tính với tế bào lành. Mặt khác, khả hấp thụ cộng hƣởng plasmon đƣợc sử dụng nhƣ phƣơng pháp phát định lƣợng đặc trƣng phân tử tế bào đƣợc đánh dấu quang phổ vi hấp thụ. Các phổ vi hấp thụ hạt nano vàng gắn kết với kháng thể kháng EGFR dịch khoảng nm phức hệ bám phân tử đích kháng nguyên ung thƣ. Cƣờng độ phổ vi hấp thụ cộng hƣởng plasmon phản ánh trực tiếp số lƣợng phân tử đích cho thấy số lƣợng phức hệ vàng đích kháng nguyên ung thƣ cao tế bào lành gấp - lần khác loại ung thƣ. Kỹ thuật hiển vi trƣờng tối sử dụng hạt vàng cho phép ảnh đa kênh với nguồn sáng trắng đơn giản. Điều cho thấy sử dụng hạt vàng làm chất phản quang cho kỹ thuật ảnh quang học nhƣ OTC, đồng tiêu phản xạ, kích thích đa photon… hứa hẹn phƣơng pháp ảnh ung thƣ mức độ phân tử, tế bào. Huang et al sử dụng nano vàng gắn kết với kháng thể kháng EGFR để ảnh diệt tế bào ung thƣ ánh sáng hồng ngoại ~ 800 nm. Ảnh hiển vi trƣờng tối kích thích ánh sáng trắng cho thấy tế bào ác tính HOC HSC đƣợc phân biệt rõ với tế bào lành HaCaT. Việc sử dụng nano vàng gắn kết với kháng thể kháng EGFR để ảnh phân tử tế bào ung thƣ áp dụng để ảnh điều trị loạt loại ung thƣ rắn khác nhƣ: não, dày, vú, bàng quan, phổi, con, cổ tử cung, buồng trứng, tuyến tiền liệt, thận, thực quản…. Với loại ung thƣ có biểu thái EGFR màng tế bào. Bên cạnh khả hấp thụ tán xạ mạnh, nano vàng làm tăng trƣởng huỳnh quang cho phép ảnh in vivo vùng nhìn thấy sử dụng hiển vi kích thích hai photo. Xu hƣớng giới dùng hạt nano vàng cấu 47 trúc lõi vỏ: lõi hạt nano từ nano silica, vỏ lớp nano vàng ngƣợc lại để đa dạng chức hạt nano. Một hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhƣ vừa làm chất đánh dấu ảnh, vừa mang thuốc hƣớng đích vừa điều trị chọn lọc hoá học (thuốc nhả chậm) kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ….). Tuỳ thuộc vào tính chất loại ung thƣ (trên bề mặt nhƣ ung thƣ da hay nằm thể nhƣ ung thƣ vú…) ngƣời ta thiết kế sử dụng loại hạt nano có cấu trúc thích hợp nhằm nâng cao hiệu việc chẩn đoán điều trị. 3.4.2. Hạt vàng sử dụng băng thử nhanh Kỹ thuật chẩn đoán bệnh nhanh kỹ thuật phân tích miễn dịch băng thử đƣợc sử dụng để nhận biết có mặt bệnh cần phân tích, dựa tƣợng mao dẫn dòng chất lỏng băng thử dựa phản ứng miễn dịch. Băng thử đƣợc tẩm trƣớc phức hệ kháng thể đặc hiệu với bệnh cần phát đƣợc gắn kết với thị màu. Hình (3.11) trình bày cấu trúc băng thử bệnh nhanh với chất thị mầu hạt nano vàng. Hình 3.11. Cấu trúc băng thử nhanh Băng thử đƣợc chế tạo chế tạo đặc biệt theo nguyên lý mao dẫn: protêin mầm bệnh gắn chất thị màu đƣợc tẩm lên phần đỏ băng. Khi nhỏ bệnh phẩm lên, có bệnh xảy liên kết đặc hiệu dung dịch bệnh phẩm kéo theo hạt thị màu chảy theo đƣờng mao dẫn tới cuối băng, đọng lại 48 vạch thị có mầu. Nếu bệnh, liên kết kháng nguyênkháng thể không xảy ra, dung dịch bệnh phẩm chạy tới cuối băng nhƣng không kéo theo chất thị màu, vạch thị mầu ( hình 3.12) Hình 3.12. Hạt vàng băng thử nhanh Có hai loại hạt thƣờng đƣợc sử dụng làm chất chị thị phép thử nhanh sử dụng kỹ thuật lateral-flow tests, hạt mầu latex hạt vàng. Những phát triển lateral-flow tests thƣờng chọn hạt nano vàng chúng có nhiều ƣu điểm so với hạt latex nhƣ: độ nhạy, độ ổn định cao hơn, không độc, dễ chế tạo với độ xác độ lặp lại cao nên giá thành rẻ hơn. 3.4.3. Nhận biết tế bào ung thư Các hạt nano vàng nhiễu xạ hấp thu ánh sáng tốt nên đƣợc sử dụng để nhận biết tế bào ung thƣ. Nhiều tế bào ung thƣ có protein thụ thể tác nhân phát triển biểu bì (EFGR) toàn bề mặt tế bào tế bào khỏe mạnh không bộc lộ protein này. Bằng cách kết hợp hay kết dính hạt vàng nano vào kháng thể EFGR, nhà nghiên cứu làm cho hạt vàng tự gắn vào tế bào ung thƣ. 49 Hình 3.13. Nhận biết tế bào ung thư Khi thêm dung dịch có hạt vàng nano gắn kháng thể EFGR vào tế bào ung thƣ tế bào khỏe mạnh, tế bào ung thƣ tự phát sáng tế bào khỏe mạnh không liên kết với hạt nano vàng nên không phát sáng. 3.4.4. Hạt nano vàng để phát tế bào ung thư vú Hạt nano vàng, bạc đƣợc sử dụng y sinh học để đánh dấu tế bào. Nhờ kích thƣớc hạt nano nhỏ nhiều bƣớc sóng ánh sáng chiếu vào mà xuất hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt làm cho khả tán xạ ánh sáng hạt nano kim loại mạnh. Các hạt nano kim loại quý nhƣ vàng, bạc, bạch kim bền môi trƣờng làm việc, thân thiện với thể đối tƣợng đƣợc ứng dụng nhiều nhất. Nguyên tắc ứng dụng hạt nano kim loại quý đánh dấu tế bào nhƣ sau: Hạt nano vàng đƣợc gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thƣ vú anti-HER2, sau gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thƣ. Nhờ liên kết kháng nguyên-kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt tế bào. Chiếu ánh sáng lên tế bào khả tán xạ mạnh hạt nano vàng mà tế bào ung thƣ đƣợc phân biệt với tế bào thƣờng khả tán xạ. Kết cho thấy không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thƣ hạt 50 nano vàng không gắn lên tế bào ung thƣ. Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên tế bào. Dƣới ánh sáng hiển vi trƣờng tối, tế bào phát sáng mạnh, khác biệt hẳn với tế bào hạt nano vàng gắn kết. 3.4.5. Sử dụng hạt vàng nano làm tăng độ tương phản ảnh chụp mạch máu thiết bị Micro CT X quang Những cải thiện tác nhân tƣơng phản X-ray 25 năm nay. Những tác nhân có giới hạn to lớn tạo ảnh y học: tạo ảnh thời gian ngắn, gây độc tố, độ tƣơng phản kém hạt vàng khắc phục đƣợc điều đó. Vàng có độ hấp thu cao iot, đạt độ tƣơng phản tốt với lƣợng X-ray tốt hơn. Những hạt vàng làm máu chậm tác nhân iot, cho thời gian tạo ảnh lâu hơn. Những hình ảnh thuốc tới thể hình CT cho thấy hiệu keo nano vàng nhƣ tác nhân dự trữ máu cho hình CT X-ray. Polyethylene glycol (PEG) bao phủ hạt vàng tạo thành hạt nano cầu với kích thƣớc 38nm. Những hạt nano vàng - PEG cho khả tƣơng thích cao không độc hại với chuột. Ngƣời ta định dạng hình ảnh ổn định để hình dung hệ thống mạch máu, 24h sau tiêm. Những hình ảnh CT sử dụng hạt nano vàng cho hình dung rõ ràng cấu trúc khối u mạch máu. 51 Hình 3.14. Hình X - ray chụp chân sau chuột. Với (a) trước tiêm, (b) phút sau tiêm vào tĩnh mạch hạt nano vàng, (c) phút sau tiêm tác nhân tạo độ tương phản iod với lượng tương đương 3.4.6. Trong lĩnh vực mỹ phẩm Từ tuổi 30 trở đi, da phụ nữ bắt đầu xuất dấu hiệu lão hóa nhƣ thiếu độ căng mịn bắt đầu có nếp nhăn. Tiến trình lão hóa diễn nhanh tuổi 40 với xuất rõ rệt vết nhăn, da khô, sần, sắc diện không đồng đều. Nguyên nhân tiến trình sản sinh collagen yếu dần khiến da dần độ căng đàn hồi. Các sợi tạo keo nhƣ elastin collagen tế bào trung bì giảm mạnh. Do vậy, để trì săn tƣơi trẻ cho da, bạn phải có chế độ chăm sóc định kỳ bổ sung dƣỡng chất collagen để nuôi tế bào gốc da phát triển nhằm ngăn ngừa lão hóa. Kết hợp vàng - bạc để tạo lớp phủ lên vật liệu nhằm chống vi khuẩn. 52 Serum vàng Nano đƣợc tinh luyện từ trình phân rã chuyển hóa thành dạng phân tử cực nhỏ để dễ dàng thấm sâu vào tế bào đáy da, kích thích chúng hoạt động, loại bỏ tế bào già yếu sản sinh nhanh tế bào giúp nuôi dƣỡng da khoẻ mạnh. Đồng thời, liệu trình lúc kết hợp với serum collagen để bổ sung dƣỡng chất kích thích sợi keo collagen tăng khả đàn hồi, xóa nhanh vết nhăn, rãnh sâu bề mặt da đồng thời nuôi dƣỡng da trẻ hóa từ tế bào gốc, trì săn cho da ngăn chặn hình thành nếp nhăn mới. Ngoài ra, liệu trình kết hợp với serum bù nƣớc dƣỡng ẩm chứa nhiều thành phần khoáng chất nguyên tố vi lƣợng đƣợc tinh chế từ thảo dƣợc có tác dụng ngăn ngừa viêm nhiễm, phục hồi nhanh vùng da bị tổn thƣơng, cung cấp dƣỡng chất, tăng cƣờng độ ẩm để trẻ hóa da từ ngoài. Hình 3.15. Kem ứng dụng nano vàng Vi điện tử nano vàng phát đợt sóng, cho phép chất dinh dƣỡng cung cấp cho da đƣợc hấp thu nhiều sâu vào mô liên kết. Những hạt nano vàng xâm nhập không qua da mà vào mô mạch liên kết, chúng bị hấp thụ sâu vào da cung cấp khoáng chất cho da. Chúng tự sinh tia hồng ngoại xa để bảo vệ thể ngƣời tiếp xúc với tác nhân ánh sáng có hại cho da nhƣ tia tử ngoại. 53 KẾT LUẬN Các công việc thực hiện: - Nghiên cứu tổng quan Plasmon bề mặt công nghệ nano. - Tìm hiểu ứng dụng công nghệ nano y sinh ứng dụng hạt nano từ tính y sinh. - Tìm hiểu đƣợc đặc tính hạt hạt nano vàng ứng dụng y sinh. - Nắm đƣợc đặc tính phụ thuộc tính chất quang vào kích thƣớc hạt nano kim loại. - Nghiên cứu cụ thể hạt nano vàng. Kiến nghị: - Tiếp tục nghiên cứu đặc tính đặc biệt hạt nano đƣa vào ứng dụng ngành công nghệ cao sống. 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Ngạc An Bang, Phùng Thị Thơm, Nguyễn Trọng Thành “Một số tính chất quang hạt vàng có kích thƣớc nanomet”, Khoa Vật lýĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội, 2008. [2] Vũ Thị Thùy Dƣơng (2011), “Chế tạo nghiên cứu tính chất quang màng mỏng hạt nano ormosil chứa chất màu hữu dung quang tử”, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý. [3] Chu Việt Hà (2006), “Chế tạo nghiên cứu tính chất quang chấm lƣợng tử giếng lƣợng tử CdSe”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý. [4] Lê Quang Huấn, Lã Thị Huyền (2009), “Kháng thể tái tổ hợp ứng dụng”, Nhà xuất Khoa Học Tự Nhiên. [5] Phạm Văn Tiến, “Tính chất quang hạt nano vàng dùng đánh dấu sinh học” Khoá luận tốt nghiệp vật lí kỹ thuật, 2007. [6] http://vi.wikipedia.org/wiki/ (Kháng nguyên, kháng thể) [7] http://thuvienkhoahoc.com [8] www.sinhhocvietnam.com/vn Tiếng Anh [9] Ancukiewicz D. (2008), “Enhanced Light Emission Using Plasmonic Gold Nanoparticles”, NNIN REU Research Accomplishments, p. 100-101 [10] Bakalova R, Zhelev Z, Ohba H et al. (2005), “Quantum dot-based western blot technology for ultrasensitive detection of tracer proteins”, J Am Chem Soc 127, pp 9328–9329 [11] Prashant K.Jain, Ivan H. El-Sayed, “Au Nanoparticles Target Cancer”, Nanotoday, February/Volume/Number1, February 2007, pp.18-29 55 [12] Takahiro Kawano, Masato Yamagata, Hironobu Takahashi, Yasuro Niidome, Sunao Yamada, Yoshiki Katayama, Takuro Niidome, “Stabilizing of plasmid DNA in vivo by PEG-modified cationic gold nanoparticles and the gene expression assisted with electrical pulses”, Journal of Controlled Release, 2006, Vol. 111, No. 3, pp. 382-389 [13] http://www.nanotoday.com [14] http://www.physorg.com/nanotech-news. [...]... đến mm và cấu tử sinh học(ribosom, tiên mao) có kích thước nano 2.2 Công nghệ sinh học nano dùng trong y – sinh Công nghệ sinh học nano (CNSH nano) là phạm trù khoa học mới xuất hiện gần đây dựa trên cơ sở kết hợp của công nghệ nano và sinh học Một mặt CNSH nano nghiên cứu sử dụng “bộ máy sinh học” để hoàn thiện hoặc sáng tạo công nghệ nano mới Mặt khác nó nghiên cứu sử dụng công cụ công nghệ nano để... dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại Nhƣ vậy, thuật ngữ plasmon hoặc plasmon bề mặt đƣợc sử dụng để mô tả các dao động tập thể của các điện tử trong kim loại Plasmon có ý nghĩa rằng các điện tử đƣợc tự do di chuyển trong kim loại theo cách thức tƣơng tự nhƣ của các ion trong một plasmon khí Plasmon bề mặt - polariton (surface plasmon polariton - SPP) là sự kết hợp của các surface plasmon. .. đến sự hấp thụ tại mặt phân cách kim loại – lăng kính vì ksp vẫn lớn hơn vectơ sóng của ánh sáng tới qua lăng kính Khi có sự thỏa mãn điều kiện phù hợp vectơ sóng, ánh sáng sẽ thâm nhập vào kim loại gây ra hiệu ứng plasmon Hình 3 4 Mô tả hình học cho cộng hưởng plasmon bề mặt trên biên phân cách kim loại - điện môi (A) và minh họa sóng plasmon bề mặt (B) Các plasmon bề mặt trên bề mặt kim loại tạo ra... tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đƣờng kính 200 nm Chữ nano, gốc Hy Lạp, đƣợc gắn vào trƣớc các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ƣớc giảm đi 1 tỷ lần(10-9) Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomet = 1 phần tỷ mét Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thƣớc của 1 phần tỷ mét Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet Công. .. ở mặt phân cách và suy giảm theo hàm mũ ở các hƣớng vuông góc với bề mặt 1.3 Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon (lý thuyết điện từ học) Xét mặt phân cách giữa hai môi trƣờng có hàm điện môi trái dấu, ví dụ nhƣ kim loại và không khí Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách sẽ gây nên một phân bố điện tích trên bề mặt kim loại Dao động của phân bố điện tích này là sóng plasmon. .. Sử dụng vi khuẩn nano (nanobacteria) chữa bệnh với kích thƣớc khoảng 25-200 nm do NanoBiotech Pharma chế tạo Công nghệ DNA nano sử dụng tính chất gỡ sợi và lai bắt cặp tƣơng hỗ của DNA trong thiết kế DNA array sử dụng trong nghiên cứu biểu hiện gen và protein (genomics và proteomics) CNSH nano nghiên cứu chế tạo công cụ phân tử sinh học, CNSH nano giúp xác định trình tự gen, tìm kiếm và sàng lọc nhanh... sóng plasmon trong hạt kim loại 13 CHƢƠNG 2 CÔNG NGHỆ NANO Y - SINH 2.1 Công nghệ nano Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu Vào thế kỷ VII trƣớc công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο” Đến thế thứ II sau công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ III sau công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn Tiền tố nano. .. CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT TRONG Y SINH 3.1 Sự phụ thuộc tính chất quang vào kích thƣớc của hạt nano kim loại 3.1.1 Tính chất quang học Các hạt nano vàng, bạc phân tich thấ y trong cố c Lycurgus là nguyên ́ nhân của sƣ̣ thay đổ i màu sắ c cố c Các hiện tƣợng quang ho ̣c đó bắt nguồn từ hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ... sinh học Thực chất CNSH nano là một sự thu nhỏ quá trình và thiết bị CNSH về mức độ nano Mặt khác, hạt nano sử dụng làm phƣơng tiện vận chuyển thuốc chữa bệnh hƣớng đích hoặc làm cảm biến sinh học cũng là thí dụ CNSH nano, vì trong trƣờng hợp này, công cụ của công nghệ nano đƣợc sử dụng cho mục đích sinh học Hiểu biết về hóa sinh học là cơ sở khoa học của CNSH nano Vì CNSH nano nghiên cứu các quá trình... tử vào sâu hơn nữa Nhƣng thuật ngữ công nghệ nano (nanotecchnology) mới bắt đầu đƣợc sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trƣờng đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử Vật liệu ở thang đo nano, bao gồm các lá nano, sợi và ống nano, hạt nano đƣợc điều chế bằng nhiều cách khác nhau Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ có những tính năng . nguyên tử sinh ra các plasmon trên bề mặt graphene. Ảnh: Basov Lab/UCSD. 1.2. Plasmon bề mặt Plasmon- polariton (surface plasmon polariton plasmon bề mặt . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 TRẦN VĂN MINH PLASMON BỀ MẶT VÀ CÔNG NGHỆ NANO Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số:. Plasmon bề mặt và công nghệ nano . 3 2. Mục đích nghiên cứu - y