VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - HÀ THỊ PHƯỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số : 44 01 27 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Phòng Quang Hóa Điện tử - Viện Khoa học vật liệu Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Thu Hương GS.TS Lê Quốc Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học Viện họp Học Viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi …… … phút … , ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Hà Nội - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu nano sản phẩm liên quan đến vật liệu nano có ứng dụng nhiều lĩnh vực như: khoa học vật liệu, lượng, môi trường, điện t đ c iệt lĩnh vực y sinh học Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang tạo công cụ đánh dấu hu nh quang có hiệu quan tâm Đáng ý vài năm gần đây, nhiều loại vật liệu nano trở thành đối tượng thời nghiên cứu ứng dụng, điển vật liệu nano chứa ion đất phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) Khi kích thích vật liệu ằng ánh sáng hồng ngoại thu phát xạ vùng khả kiến Do đó, chúng trở thành đối tượng nghiên cứu công nhận nhiều lĩnh vực như: chăm sóc sức khỏe, an ninh, lượng Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược có hai ưu ản so với vật liệu phát quang thơng thường Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại giúp giảm thiểu tối đa khả tự phát quang đối tượng nâng cao độ tương phản vi hình ảnh Hơn nữa, ánh sáng hồng ngoại thân thiện với thể người, không gây iến đổi tế ào, xuyên vài milimet vào mô người nên tác dụng sâu vào vùng tổn thương Có nhiều cơng trình cơng ố loại vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược, vật liệu oxit, florua ytri gadoli pha tạp ion đất Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ ật Các nghiên cứu cho thấy, mạng NaYF4 kích thước nanomet tạo hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với hiệu suất phát quang cao, ền điều kiện khác Vật liệu hứa hẹn nhiều tiềm ứng dụng hiển thị, an ninh, quang điện t , đ c iệt y sinh nhận dạng hình ảnh, cảm iến sinh học, trị liệu ung thư Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro in vivo vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) pha tạp ion đất có độ tương phản cao.Vì vật liệu UCNP có tiềm lớn thiết kế, chế tạo phức hợp nano sinh học nhận dạng xác số loại tế ung thư Trên giới, số nhóm nghiên cứu 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, làm chất dẫn thuốc, làm dầu dò nano ho c liên kết với iomarker đánh dấu số loại tế tế ung thư phổi, tế Hela Đ c iệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm đánh dấu tế có kích thước m theo phương thức ngoại Do cấu trúc, tính chất phát quang liên hợp sinh học số yếu tố định ứng dụng y sinh vật liệu nên việc nghiên cứu yếu tố ln có vai trò quan trọng chế tạo vật liệu Các nghiên cứu Việt Nam vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, tiếp cận với công nghệ nano có ước chuyển quan trọng, tạo sức hút nhà khoa học Đối với vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược có số nhóm nghiên cứu chế tạo UCNP chứa ion Er, Y , Tm, với oxit ytri, natriytriflorua Các cơng trình chủ yếu nghiên cứu phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước hình dạng đ c tính chế trình hu nh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định hướng ứng dụng hiển thị, quang điện t , in ảo mật có số kết nghiên cứu ứng dụng ngành lượng Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP phát điều trị ung thư chưa nhiều Câu hỏi đ t làm để s dụng vật liệu UCNP vào y sinh học lựa chọn giải pháp thích hợp cho q trình chức hóa, liên hợp hóa với đối tượng hoạt động sinh học? Sự kết hợp công nghệ nano sinh học cho phép ứng dụng vật liệu hu nh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát phân t sinh học ứng dụng ộ cảm iến ảnh y sinh nào? Trên sở đó, tơi lựa chọn chủ đề nghiên cứu vật liệu nano chứa đất phát quang ngược ứng dụng sinh y học làm nội dung cho luận án với tiêu đề: “Tổng hợp khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion đất Er Yb3+ định hướng ứng dụng y sinh” 3+ Mục tiêu 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 Xác định hình thái học, cấu trúc, tính chất quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Xây dựng quy trình bọc vỏ, chức hóa, liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ nhằm ứng dụng cho y sinh Từ đó, chọn vật liệu thích hợp để chế tạo công cụ phức hợp đánh dấu hu nh quang vi hình ảnh S dụng phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào quy trình ủ sinh học bắt c p với tế đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế ung thư vú MCF7 in vitro kính hiển vi quang học hu nh quang phân giải cao Phương pháp nghiên cứu: Luận án nghiên cứu phương pháp thực nghiệm S dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm) để chế tạo vật liệu Cấu trúc, hình thái học mẫu phân tích phép đo đại có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại ảnh hiển vi điện t phát trường Tính chất phát quang nghiên cứu thơng qua phổ hu nh quang Khảo sát khả ứng dụng phức hợp nano y sinh kĩ thuật miễn dịch hu nh quang Tính mới: i Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:Yb3+, Er3+ Vật liệu có đ c trưng: hình dạng que với kích thước chiều dài 300 ÷ 800 nm, đường kính cỡ 100 ÷ 200 nm; cấu trúc tinh thể hexagonal (β); phổ phát quang kích thích laser 980 nm gồm hai dải phát xạ đ c trưng ion Er3+ từ 510 nm ÷ 570 nm 630 nm ÷ 700 nm ii Đã tổng hợp thành công hai hệ phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica/TPGS NaYF4:Yb3+, Er3+@silica–N=FA có tính chất phát quang chuyển đổi ngược với vùng phát xạ ánh sáng đỏ trội iii Kết nghiên cứu th 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 hu nh quang kính hiển vi hu nh quang soi ngược quan sát bắt c p phức hợp nano với tế bào Bố cục luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục chữ viết tắt ký hiệu, danh mục ảng, danh mục đồ thị hình vẽ, danh mục cơng trình cơng ố liên quan đến luận án tài liệu tham khảo, nội dung luận án trình ày chương: Chương 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chương 3: Các kết tổng hợp khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+ Chương 4: Kết chế tạo th nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh dấu nhận dạng tế ung thư MCF7 Chương TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NỀN NaYF4 1.1 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất 1.1.1.Đặc điểm chung nguyên tố đất Cấu hình electron chung nguyên tố đất hiếm: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 n: nhận giá trị từ ÷ 14; m nhận giá trị ho c Tính chất quang ion đất chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện t hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn chúng Các nguyên tố đất có khả hấp thụ phát xạ ánh sáng dải ước sóng hẹp, thời gian sống trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng t cao 1.1.2 Vật liệu phát quang chứa ion đất Vật liệu phát quang cấu tạo từ hai thành phần chính: chất chất pha tạp hay gọi tâm phát quang Chất có khả hấp thụ photon lượng cao truyền lượng cho tâm phát xạ thông qua trình truyền điện tich Chúng thường vật liệu có độ bền lý hóa, ổn định cấu trúc có tính trơ quang học, có tính suốt xạ vùng nhìn thấy Chất pha tạp thường đất ho c kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc bán kính nguyên t phù hợp với án kính, điện tích cation Ví dụ, với vật liệu phát quang NaYF4: Er3+ NaYF4 đóng vai trò mạng nền, Er3+ đóng vai trò tâm phát quang 1.1.2.1 Cơ chế phát quang vật liệu phát quang chứa ion đất Vật liệu phát quang kích thích có khả phát quang Sự phát hu nh quang xảy phân t hấp thụ lượng dạng nhiệt (phonon) ho c dạng quang (photon) Ở trạng thái ản Eo, phân t hấp thụ lượng từ môi trường bên chuyển thành lượng electron Khi nhận lượng, electron chuyển lên mức lượng cao gọi trạng thái kích thích E* Đây trạng thái khơng bền nên electron mau chóng hồi phục mức lượng thấp đồng thời giải phóng lượng dạng nhiệt E*’ Thời gian tồn electron chuyển mức lượng từ E* → E*’ nhỏ (khoảng 10-9 đến 10-12 giây) Sau trạng thái kích thích E*’, electron lại lần phục hồi mức lượng thấp đồng thời giải phóng lượng dạng phonon 1.1.2.2 Sự tách mức lượng phân lớp 4f nguyên tố đất Trạng thái lượng điện t 4f ion đất bị ảnh hưởng trường tinh thể chúng che chắn điện t phân lớp 5s,5p ên Các điện t phân lớp 4f điện t không tương đương (điện t có số lượng t có giá trị khác nhau, n = l = 3) Khi đó, trạng thái nhiều điện t chúng kí hiệu 2S+1L (với S số lượng t spin tổng cộng L số lượng t quỹ đạo tổng cộng) Sau đó, xét đến ảnh hưởng trường tinh thể mạng nền, lớp điện t phân lớp 4f (chưa điền đầy) ion đất bao bọc phân lớp lấp đầy 5s25p6 Do vậy, ảnh hưởng trường tinh thể xung quanh lên điện t 4f yếu nên xem trường tinh thể nhiễu loạn Do đó, đ c trưng vật lí (quang học) điện t 4f phụ thuộc vào mạng nguyên tố đất RE Ở mạng có lực trường tinh thể khác tách mức lượng (suy biến lượng) ion RE khác 1.1.2.3 Các trình phát quang hợp chất đất Đối với hệ phát quang dựa hợp chất đất thường có hai q trình hu nh quang xảy bao gồm: xạ kích thích hấp thụ trực tiếp tâm kích hoạt (activator) xạ kích thích bị hấp thụ ion ho c nhóm ion khác 1.2 Quá trình phát quang chuyển đổi ngược 1.2.1 Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược Quá trình phát quang vật liệu bị kích thích photon ản dựa trình dịch chuyển Stokes anti-Stokes Hầu hết vật liệu phát quang thông thường phát xạ thể dịch chuyển Stokes, chúng phát photon có lượng thấp lượng photon kích thích bị kích thích nguồn photon có lượng cao Phát quang chuyển đổi ngược (dịch chuyển anti-Stokes) trình quang học phi tuyến nghiên cứu nhiều Quá trình phát quang chuyển đổi ngược thực nguồn kích thích laser cơng suất thấp ho c nguồn xạ không kết hợp (incoherent) đèn xenon, đèn halogen tiêu chuẩn, chí ánh sáng m t trời Nguyên lý chung phát quang chuyển đổi ngược minh họa sơ đồ Hình 1.4b thể khác biệt với q trình phát quang thơng thường Các chế phát quang chuyển đổi ngược khác xảy hiệu ứng độc lập ho c kết hợp nhiều hiệu ứng Trong đó, hai chế ản quan trọng chuyển đổi ngược trình hấp thụ lượng điện t trạng thái kích thích thơng qua hấp thụ từ trạng thái kích thích (Excited State Absorption ESA) chuyển đổi ngược truyền Hình 1.4 Sơ đồ phát quang thơng thường phát quang lượng (Energy Transfer chuyển đổi ngược upconversion Upconversion - ETU) 1.2.2 Các thành phần vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược 1.2.2.1.Vật liệu Vật liệu lý tưởng cần phải có độ ổn định hóa học tốt, lượng phonon thấp khuyết tật mạng nhỏ làm giảm tổn hao không xạ Nhiều vật liệu nghiên cứu cho UCNP pha tạp ion đất Ln3+ như: halogenua, oxide, phosphate, vanadate Cho đến nay, NaYF4 vật liệu phổ biến cho UCNP chứa ion đất 1.2.2.2 Tâm kích hoạt Vì mạng chủ khơng tham gia vào trình phát quang chuyển đổi ngược nên cần thêm tâm phát quang, gọi tâm kích hoạt Một số ion đất Ln3+ có khả phát quang chuyển đổi ngược chúng có lượng kiểu cấu trúc bậc thang (trừ La3+, Ce3+, Yb3+, Lu3+) Khoảng cách lượng bậc thang phải tương đương để ion nhảy lên mức lượng cao kích thích ánh sáng đơn sắc Cấu trúc mức lượng kiểu tìm thấy ion đất điển hình: erbium (Er3+), thulium (Tm3+), holmium (Ho3+) s dụng phổ biến trình phát quang chuyển đổi ngược UCL Trong luận án này, chúng tơi s dụng ion Er3+ làm tâm kích hoạt 1.2.2.3 Ion tăng nhạy Yb3+ dùng làm yếu tố tăng nhạy cho hu nh quang chuyển đổi ngược Er3+/Tm3+/Ho3+ thỏa mãn yếu tố: Trong phổ hấp thụ lượng Yb3+ có vùng hấp thụ mạnh  = 976 nm lượng sau hấp thụ lại cao lượng Er3+, Tm3+, Ho3+ nên dễ truyền lượng Khoảng cách lượng trình chuyển đổi 2F7/2 → 2F5/2 phù hợp với trình chuyển đổi f-f ion Er3+, tạo điều kiện truyền lượng hiệu từ Yb3+ sang ion 1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano phát quang chứa ion đất ứng dụng y sinh Phương pháp tổng hợp hóa học điều khiển kích thước hạt nano đồng thường lại tạo lượng nhỏ, thích hợp cho mục đích ứng dụng công nghệ tinh vi, điện t nano, quang học nano, hiển thị truyền hình phân giải cao, gần y sinh học Từ điều kiện phản ứng khác tổng hợp vật liệu nano có hình dạng đa dạng hạt, thanh, sợi, đĩa, v.v Một sản phẩm loại vật liệu nano phát quang chứa ion đất Y2O3:Eu3+; YVO4:Eu3+; NaYF4:Yb3+, Er3+ v.v Trong luận án này, chúng tơi trình bày phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất ứng dụng y sinh gơm: thủy nhiệt, sol-gel vi sóng 1.4 Ứng dụng vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) y sinh 1.4.1 Nhận dạng sinh học (bioimaging) Ảnh phát quang hữu ích để chẩn đốn sớm điều trị số ệnh nan y Các kỹ thuật ảnh hu nh quang đánh dấu hu nh quang nghiên cứu phát triển mạnh năm vừa qua với mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu nhờ tăng chất lượng ảnh nhận dạng sinh học UCNP có tiềm thay vật liệu phát quang truyền thống việc nhận dạng tế ệnh Do trình chuyển đổi ngược kích thích ằng nguồn sáng liên tục, vật liệu phát xạ chuyển đổi ngược thể tính chất đ c iệt cho phát xạ anti-Stokes lớn Vì vậy, nhận dạng sinh học, ảnh hu nh quang chuyển đổi ngược có khả loại ỏ gần tuyệt đối phát xạ q trình hu nh quang tự phát mơ sinh học Do có độ tương phản tạo ảnh cao, ứng dụng định dạng sinh học in vitro in vivo UCNP xác định với độ xác cao, điều kiện in vitro 1.4.2 Cảm biến sinh học (biosensing) Các UCNP pha tạp ion đất đóng vai trò quan trọng cảm iến quang sinh học Dựa vào tính chất phát xạ độc đáo phát xạ chuyển đổi ngược làm tín hiệu đầu ra, UCNP pha tạp ion đất s dụng đầu dò hu nh quang phát nhiều tác nhân môi trường ion kim loại, anion, phân t trung tính, DNA, protein nhiều loại chất khác cho phép xác định nhiệt độ Nhiều nghiên cứu cho thấy khả dịch chuyển đ c iệt ước sóng phát xạ phía ánh sáng nhìn thấy so với ước sóng kích thích nằm vùng ánh sáng hồng ngoại gần (vùng ức xạ tương thích sinh học khơng ảnh hưởng đến mơ tế ào), UCNP có tiềm lớn việc ứng dụng phát thực thể ho c phân t sinh hóa giúp theo dõi xác trình sinh lý ản Loại vật liệu nano hu nh quang cho phép đạt độ nhạy phát cao, định xứ sâu thể sống 1.4.3 Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) Trị liệu quang nhiệt s dụng phần t hấp thụ quang để phát sinh nhiệt từ ánh sáng hấp thụ nhằm loại ỏ tế ung thư Gần đây, trị liệu quang nhiệt tăng lên đáng kể coi giải pháp thay cho phương pháp trị liệu ung thư truyền thống phẫu thuật, xạ trị hay hóa trị liệu Nhiều loại vật liệu nano với độ hấp thụ cao áp dụng thành công ứng dụng 1.4.4 Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) PDT điều trị lâm sàng s dụng loại chất cảm quang để sản sinh ra oxy đơn phân t ( O2) tiêu diệt khối u Trị liệu PDT ao gồm thành phần: chất cảm quang, nguồn kích thích mơ vùng ệnh Dưới ánh sáng kích thích thích hợp (thường dải nhìn thấy), chất cảm quang kích thích từ trạng thái ản lên trạng thái kích thích, trạng thái xảy chuyển hệ chéo sang trạng thái ội a thời gian sống dài tương tác với nguyên t oxy lân cận sản sinh độc tố tế ( 1O2) PDT dùng cho trị liệu ung thư tuyến tiền liệt, ung thư phổi, đầu cổ, ho c ung thư da Tuy nhiên, PDT truyền thống ị giới hạn ởi độ xuyên sâu ánh sáng s dụng cho kích hoạt quang Ánh sáng hồng ngoại gần “c a sổ truyền qua quang học” (750 ÷ 1100 nm) mô cho phép xuyên sâu đáng kể so với ánh sáng nhìn thấy hệ số hấp thụ tán xạ ánh sáng cho hầu hết thành phần thể cực tiểu vùng Điều quan trọng UCNP iến đổi hiệu ánh sáng hồng ngoại gần xuyên sâu iến đổi sang ước sóng vùng nhìn thấy, từ kích thích chất cảm quang sản sinh độc tố (1O2), điều thích hợp cho việc áp dụng trị liệu PDT cho khối u nằm sâu thể Chương CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trong chương này, chúng tơi trình ày phương pháp thủy nhiệt s dụng để tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 kỹ thuật thực nghiệm để khảo sát cấu trúc, tính chất quang học trình bọc vỏ, chức hóa, liên hợp hóa vật liệu tổng hợp 2.1 Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Trong phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, phương pháp thủy nhiệt phương pháp hóa học hiệu để tổng hợp vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ nm Trong luận án s dụng phương để tổng hợp mẫu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+, q trình hình thành sản phẩm diễn dung dịch có tham gia nước xảy nhiệt độ 180 °C  200 oC hệ kín Ngồi ra, chất tạo khuôn mềm PEG (poly ethylene glycol) s dụng để tổng hợp vật liệu Sở dĩ PEG lựa chọn chúng có cơng thức chung C2nH4n(OH)2, với cấu trúc ete (≡C-O-C≡) luân phiên, đầu cuối chứa nhóm OH‾ Vì vậy, chúng dễ tan nước dung môi hữu phân cực, dễ dàng tạo mạng lưới (khuôn) dung dịch liên kết hydro - ete 2.2 Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ Để chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ trước tiên cần phải x lý bề m t vật liệu, sau thực q trình chức hóa liên hợp hóa vật liệu với tác nhân sinh học 2.2.1 Phương pháp xử lý bề mặt Đ c điểm ản phương pháp x lí bề m t vật liệu bọc thêm lớp bao quanh cá thể vật liệu nano tạo cấu trúc lõi vỏ nhằm làm giảm khuyết tật bề m t, qua giảm tác động dập tắt hu nh quang Lớp bọc phải có độ dầy đủ để vừa bảo vệ vật liệu trước tác động môi trường, vừa chống co cụm cá thể nano, tạo dung dịch bền dung môi, đ c biệt nước môi trường nuôi cấy sinh y học 2.2.2 Phương pháp chức hóa bề mặt vật liệu liên hợp hóa vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học Để ứng dụng vật liệu UCNP chứa lanthanide y sinh học, vật liệu phải chức hóa ề m t để phân tán tốt nước liên hợp với phần t sinh học Việc chức hóa bề m t đóng vai trò quan trọng cầu nối tổng hợp ứng dụng UCNP y sinh học Có nhiều phương pháp chức hóa ề m t vật liệu UCNP pha tạp Ln3+ thực hiện, trao đổi phối t phương pháp tiếp cận đơn giản dễ dàng để có UCNP với độ hòa tan chức mong muốn Đây phương pháp phổ biến để chuyển đổi nhóm kị nước bề m t UCNP với nhóm ưa nước mà khơng ảnh hưởng đến tính chất hóa học quang học UCNP Q trình chức hóa thường s dụng số hợp chất amine (R-NH2), carboxylic acid (RCOOH), thioalkol (R-SH)… trình liên hợp hóa thường s dụng phần t sinh học folic acid, peptides, proteins, DNA, succinimid, biotin, 2.3 Phân tích cấu trúc, hình thái học nghiên cứu tính chất phát quang vật liệu Cấu trúc tinh thể vật liệu nghiên cứu phương pháp nhiễu xạ tia X thiết bị D5005SIEMEN, hệ đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 Hình thái học mẫu xác định từ ảnh FESEM chụp thiết bị S-4800 HITACHI JEOL-1010 Phổ hu nh quang chuyển đổi ngược vật liệu đo hệ iHR550 in-Yvon) với ước sóng kích thích 980 nm Kĩ thuật miễn dịch hu nh quang để nhận dạng tế ung thư thơng qua kính hiển vi hu nh quang soi ngược Ziess axio vert A1 Chương CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NaYF4: Yb3+, Er3+ Những kết tổng hợp khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 chứa Y 3+ Er3+ trình ày phân tích chương luận án Mục tiêu nghiên cứu nhằm tìm điều kiện thích hợp thu sản phẩm có hình thái học, kích thước, pha tinh thể, đỉnh phát hu nh quang mong muốn Đồng thời vật liệu có khả phân tán tốt nước 3.1 Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4: Yb3+, Er3+ 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4: Yb3+, Er3+ theo phương pháp thủy nhiệt trình bày Hình 3.1 Dung dịch NaOH Y3+ : 79,0 – 79,75% Yb3+ : 20,5 – 19,75 % Er3+ : 0,5% Dung dịch A C2H5OH + C2H4(OH)2 Khuấy từ 30 phút Dung dịch B Y3+ : Yb3+ : Er3+ Khuấy từ 120 phút Dung dịch C Dung dịch NaF 190 oC, 24h Dung dịch D Ly tâm, rửa, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4: Yb3+, Er3+ (quy trình 1) Các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình liệt kê Bảng 3.1 Bảng 3.1 Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình TT Kí hiệu mẫu % số mol Y3+ % số mol Yb3+ % số mol Er3+ M1 79,00 20,50 0,5 M2 79,25 20,25 0,5 M3 79,50 20,00 0,5 M4 79,75 19,75 0,5 3.1.2 Kết nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 3.1.2.1 Giản đỗ nhiễu xạ tia X vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M1 (20,5/79) – đường 1; M2 (20,25/79,25) – đường 2; M3 (20/79,5) – đường M4 (19,75/79,75) – đường tổng hợp theo quy trình trình bày Hình 3.2 Cường độ (đ.v.t.đ) (1) M1 (2) M2 (3) M3 (4) M4 Cubic NaYF4 Hex NaYF4 (4) (3) (2) (1) 20 40 60 2- Theta (®é) Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/Y3+ khác nhau: M1 (20,5/79); M2 (20,25/79,25); M3 (20/79,5) M4 (19,75/79,75) Kết Hình 3.2 cho thấy giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu xuất đỉnh nhiễu xạ vị trí góc 2: 28,3 o; 32,8 o; 46,9 o; 55,7 o; 58,4 ; 75,7 o, 78,06 o 87,50 o Đối chiếu với thẻ chuẩn JCPDS số 77-2042 tinh thể α –NaYF4 (cubic) thư viện ICDD, thấy vị trí đỉnh nhiễu xạ phù hợp với thẻ chuẩn tương ứng với họ m t phẳng mạng (hkl): (111), (200), (220), (311), (222); (331); (420), (422) Ngồi giản đồ XRD xuất đỉnh nhiễu xạ góc 2: 17,1 o; 29,9 o; 30,8 o ; 34,7 o; 43,5 o; 46,5 o; 53,2 o 55,3 o; 62,3 o; 71,03 o 86,7  Đối chiếu với thẻ chuẩn JCPDS số 28-1192 tinh thể  -NaYF4 (hexagonal) thư viện ICDD cho thấy, vị trí đỉnh nhiễu xạ phù hợp với thẻ chuẩn tương ứng với họ m t phẳng mạng (hkl): (100), (101), (200), (201), (210), (300), (211), (102), (220), (311), (321) Do đó, tinh thể NaYF4 có cấu trúc có hỗn hợp pha cubic α –NaYF4 pha hexagonal  -NaYF4 Kiểu mạng cubic α –NaYF4 với số mạng a = 5,470 Å, V = 163,67 Å3 Kiểu mạng hexagonal  -NaYF4 với số mạng a = 5,960 Å, c = 3,510 Å V = 107,98 Å3 Mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui trình có cấu trúc hỗn hợp pha cu ic α –NaYF4 pha hexagonal  -NaYF4 Ngoài đỉnh nhiễu xạ pha α -NaYF4 pha  -NaYF4 không quan sát thấy đỉnh lạ giản đồ XRD mẫu Các đỉnh nhiễu xạ sắc nét giản đồ cho thấy mẫu kết tinh Bằng việc s dụng quy trình tổng hợp thứ nhất, chúng tơi tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc hỗn hợp pha α- NaYF4 –NaYF4 11 Dung dịch NaOH (200; 4000; 6000; 20000) Dung dịch A C2H5OH + PEG Khuấy từ 30 phút Y3+ : Yb3+: Er3+ (79,5: 20,0: 0,5) Dung dịch B Khuấy từ + Dung dịch C Dung dịch NaF 190 oC, 24h Dung dịch D Ly tâm, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.7 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+có hỗ trợ chất tạo khn mềm PEG Danh sách mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG tổng hợp theo quy trình liệt kê Bảng 3.4 Bảng 3.4 Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Y3+/ Yb3+/ Er3+ = 79,5/ 20/ 0,5) có PEG với trọng lượng phân tử =200; 4000; 6000; 20000 tổng hợp theo quy trình TT Kí hiệu mẫu % Y3+ % Yb3+ % Er3+ M3 79,50 20 0,5 MP2 79,50 20 0,5 200 MP4 79,50 20 0,5 4000 MP6 79,50 20 0,5 6000 MP20 79,50 20 0,5 20000 MPEG 3.2.2 Kết nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 3.2.2.1 Giản đỗ nhiễu xạ tia X vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG (1) M3 (2) MP2 (3) MP4 (4) MP6 (5) MP20 Cường độ (đ.v.t.đ) Cubic-NaYF4 Hexa-NaYF4 (5) (4) (3) (2) (1) 30 40 50 60 70 2-Theta (®é) Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (M3 - đường 1) 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) 12 Cấu trúc vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ thêm PEG, ký hiệu: MP2 (MPEG = 200); MP4 (MPEG = 4000); MP6 (MPEG = 6000) MP20 (MPEG = 20.000), quan sát Hình 3.8 Kết phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 3.10 cho thấy cấu trúc pha mẫu M3 (đường 1), MP2 (đường 2), MP4 (đường 3), MP6 (đường 4) MP20 (đường 5) có cấu trúc hỗn hợp hai pha α,  -NaYF4 Các đỉnh nhiễu xạ giản đồ sắc nét cho thấy mẫu kết tinh Điều chứng tỏ có m t PEG mẫu không làm thay đổi cấu trúc pha vật liệu 3.2.2.2 Hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG Sau khảo sát cấu trúc vật liệu, tiếp tục khảo sát ảnh hưởng PEG đến hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Hình 3.9 3.10) (a) (b) Hình 3.9 Ảnh FESEM mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 200 (a) PEG 4000 (b) Ảnh FESEM Hình 3.9 mẫu MP2, MP4 Hình 3.10 mẫu MP6, MP20 cho thấy, mẫu có dạng khối vng với kích thước khoảng 100 nm ÷ 300 nm Điều chứng tỏ có m t tác nhân tạo khn mềm PEG khơng làm thay đổi hình thái học vật liệu (a) (b) Hình 3.10 Ảnh FESEM mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 6000 (a) PEG 20000 (b) 3.2.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG Phổ hu nh quang chuyển đổi ngược vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có chất tạo khn mềm PEG kích thích ước sóng λexc = 980 nm trình bày Hình 3.11 Quan sát phổ mẫu MP2, MP4, MP6, MP20 xuất đỉnh phát xạ vùng có ước sóng từ 400 - 700 nm Các đỉnh phát xạ ước sóng từ 510 - 570 nm từ 630 - 700 nm, ứng với chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 (520nm), 4S3/2 → I15/2 (540nm) 4F9/2 → 4I15/2 (650nm) ion Er3+ Điều cho thấy, có m t chất tạo khn mềm PEG, mẫu phát quang chuyển đổi ngược 4 - I 15/2 13 λexc = 980 nm (1) MP2 9/2 (2) MP4 F (3) MP6 - I 15/2 S 3/2 H11/2 - 4I15/2 Cường độ (đ.v.t.đ) (4) MP20 (4) (3) 500 550 600 650 Bước sóng (nm) 700 (1) (2) 750 Hình 3.11 Phổ huỳnh quang mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200 (MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 - đường 3) PEG 20000 (MP20 - đường 4) λexc = 980 nm Quan sát đỉnh phát xạ hai vùng màu đỏ màu xanh cho thấy phát xạ vùng màu đỏ chiếm ưu hơn, đ c iệt cường độ phát xạ vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 20000 phát màu đỏ cao hẳn cường độ phát xạ vật liệu nano NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG có trọng lượng phân t thấp kích thích ước sóng 980 nm Vật liệu cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4 có khả phát quang chuyển đổi ngược mạnh so với dạng -NaYF4 Để tổng hợp vật liệu có cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4, thay đổi số yếu tố như: thời gian phản ứng, nhiệt độ ủ, nồng độ chất tăng nhạy, nồng độ tâm phát quang, pH, v.v Trong luận án, để tổng hợp vật liệu có cấu trúc dạng hexagonal β-NaYF4 mong muốn, tiến hành thay đổi thứ tự tạo NaYF4 quy trình tổng hợp vật liệu 3.3 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 3.3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 (quy trình 2) Danh sách mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với có m t chất tạo khn mềm PEG 20000 tổng hợp theo quy trình (Hình 3.13) liệt kê Bảng 3.5 Bảng 3.5 Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình TT Kí hiệu mẫu % Y3+ % Yb3+ % Er3+ MPEG EY1 79,75 20,0 0,25 20.000 EY2 79,50 20,0 0,50 20.000 EY3 79,00 20,0 1,00 20.000 EY4 78,00 20,0 2,00 20.000 14 Dung dịch NaOH Dung dịch A Khuấy từ 30’ Dung dịch RE3+ (Yb3+ + Er3+) C2H5OH + PEG Y3+ + NaF Dung dịch B Khuấy từ 120’ Dung dịch C Dung dịch D Ly tâm, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+ Hình 3.13 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo (quy trình 2) 3.3.2 Kết khảo sát cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 3.3.2.1 Giản đỗ nhiễu xạ tia X vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình Mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 20000 tổng hợp theo quy trình phương pháp thủy nhiệt, ủ 190 oC với thời gian 24h, ký hiệu EY2 Trong quy trình chúng tơi thay đổi ước q trình chế tạo cách tiến hành tạo NaYF4 trước cho ion đất Yb3+ Er3+ vào Kết phân tích giản đồ XRD mẫu EY2 trình bày EY2 Hexagonal NaYF4 Hình 3.14 cho thấy góc 43,5 ; 46,5 ; 53,2 ; 55,3 ; 62,3 ; 71,03 ; 86,7 xuất đỉnh nhiễu xạ tương đương với cấu trúc pha hexagonal NaYF4 Các kết giản đồ XRD mẫu EY2 phù hợp với Cường độ (đ.v.t.đ) 2: 17,1  ; 29,9 ; 30,8 ; 34,7 ; kết thẻ chuẩn JCPDS số 00-028-1192 Ngoài đỉnh JCPDS No.28-1192 nhiễu xạ pha  -NaYF4, giản đồ XDR mẫu không quan sát thấy đỉnh lạ Điều cho thấy, mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 20000 tổng hợp theo quy trình có cấu trúc pha - NaYF4 theo mong muốn 30 40 50 60 70 - Theta (®é) Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG20000 (EY2) tổng hợp theo quy trình 15 Chúng tơi tiếp tục khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ (1) EY1 (2) EY2 (3) EY3 (4) EY4 Hex NaYF4 đến cấu trúc tinh thể mẫu tổng hợp theo quy trình Hình 3.15 Cường độ (đ.v.t.đ) trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu EY1 (0,25/ 79,75) – đường 1; EY2 (0,5/ 79,5) – đường 2; EY3 (1,0/ 79,0 ) – đường EY4 (2,0/ 78,0) – đường Kết cho thấy, với thay đổi tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ (4) (3) (2) (1) mẫu xuất đỉnh nhiễu xạ tương đương với cấu trúc pha hexagonal -NaYF4 chứng tỏ tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ không ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể vật liệu 20 40 60 - Theta (®é) Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ tổng hợp theo quy trình ( EY1 = 0,25/ 79,75; EY2 = 0,5/ 79,5; EY3 = 1,0/ 79,0; EY4 =2,0/ 78,0) Như vậy, việc thay đổi thứ tự tạo quy trình tổng hợp thu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc hexagonal  -NaYF4 mong muốn 3.3.2.2 Hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 Hình 3.16 ảnh FESEM mẫu EY2 theo quy trình -NaYF4 Kết cho thấy mẫu có dạng que với chiều dài 300 nm ÷ 800 nm đường kính 100 nm ÷ 200 nm So sánh hình thái học mẫu M3 (tổng hợp theo quy trình 1) Hình 3.3 với hình thái học mẫu EY2 (tổng hợp theo quy trình 2) Hình 3.16 chúng tơi nhận thấy, hình thái học vật liệu iến đổi từ dạng khối vuông sang dạng que thay đổi quy trình tổng hợp Bên cạnh đó, khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+ đến hình thái học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG (mẫu EY1; EY2; EY3 EY4) Kết ảnh FESEM mẫu Hình 3.17 cho thấy, sản phẩm có dạng que với chiều dài khoảng 300 nm  800 nm đường kính khoảng 100 nm  200 nm Như vậy, thay đổi tỉ lệ số mol Er3+/ Y3+, hình thái học mẫu EY1  EY4 có dạng que kích thước khơng bị ảnh hưởng nhiều Hình 3.16 Ảnh FESEM mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (EY2) tổng hợp theo quy trình Như vậy, vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình (cấu trúc , β-NaYF4) có dạng khối vng tổng hợp theo quy trình (cấu trúc β-NaYF4 ) có dạng que 16 (a) (b) (c) (d) Hình 3.17 Ảnh FESEM mẫu EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) EY4 (d) cấu trúc β-NaYF4 3.3.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 Tính chất quang (1) EY1- 0,25% Er vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+  kích thíchnm (2) EY2 - 0,5% Er PEG cấu trúc β-NaYF4 với (3) EY3 - 1,0% Er (4) EY4 - 2,0% Er thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ nghiên cứu Hình 3.18 trình bày phổ hu nh quang (4) mẫu EY1, EY2, EY3 EY4 Kết cho (3) thấy mẫu phát quang vùng xanh đỏ ứng (2) với chuyển dời Er3+, tỉ lệ phát màu đỏ mẫu (1) EY2 mạnh 3+ F9/2- 4I15/2 3+ 3+ Cường độ (đvtđ) H11/2- 4I15/2 S3/2- 4I15/2 3+ 450 500 550 600 650 700 750 Bước sóng (nm) Hình 3.18 Phổ huỳnh quang mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui trình 2, kích thích exc = 980 nm Hơn nữa, quan sát phổ hu nh quang mẫu Hình 3.18 nhận thấy, mẫu EY2 (tỉ lệ Er /Y = 0,5/79,50) có phát xạ vùng màu đỏ chiếm ưu so với vùng màu xanh.Kết hợp kết phân tích cấu trúc, hình thái học, tính chất phát quang mẫu để phù hợp cho mục đích tạo phức hợp nano ứng dụng y sinh, chọn mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 20000 với tỉ lệ Er3+/Y3+ = 0,5/79,50 (mẫu EY2) để chức hóa, liên hợp hóa nhằm tạo cơng cụ đánh dấu nhận dạng tế bào cho mục đích ứng dụng y sinh 3+ 3+ 17 Chương KÉT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƯ MCF7 Trong chương trình bày kết chủ yếu trình x lý ề m t, chức hóa liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Khảo sát vai trò q trình x lý ề m t, chức hóa liên hợp hóa đến cấu trúc, hình thái học tính chất quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Các kết th nghiệm an đầu dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế ung thư vú MCF7 mô tả để thấy rõ triển vọng ứng dụng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ y sinh 4.1 Xử lý bề mặt, chức hóa liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ Er3+ 4.1.1 Xử lý bề mặt vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ Er3+ silica Phương pháp x lý bề m t (bọc vỏ) vừa giúp cải thiện cường độ phát quang, vừa giúp bảo vệ lớp vật liệu ên Hơn nữa, lớp vỏ bọc làm tăng độ bền dịch keo nước, giảm thiểu tác động phụ sinh lý miễn dịch thúc đẩy xâm nhập vật liệu nano vào hệ sinh học Hiệu bọc vỏ bảo vệ bề m t cải thiện tính chất phát quang phụ thuộc mạnh vào chất vật liệu bọc vỏ, độ dày lớp vỏ điều kiện phản ứng Trong luận án dùng silica để tiến hành bọc vỏ vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 chứa ion Yb3+ Er3+ tổng hợp TEOS + C2H5OH Khuấy từ 15 phút Dung dịch A CH3COOH + H2O Khuấy từ 30 phút Dung dịch B NaYF4: Yb3+, Er3+ + C2H5OH Khuấy từ Dung dịch NaYF4:Yb3+, Er3+@silica ly tâm, rửa, sấy Bột NaYF4: Yb3+, Er3+@silica Hình 4.1 Quy trình xử lí bề mặt vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ silica 18 4.1.2 Chức hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica APTMS APTMS + C2H5OH NaYF4: Yb3+, Er3+@silica + C2H5OH + H2O Lắc, 20 phút Lắc, 20 phút Dung dịch Thủy phân Dung dịch APTMS (3-aminopropyltrimethoxysilane) Ngưng tụ silanol Khuấy từ, 12h Hỗn hợp dung dịch Ly tâm, rửa NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 Vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 Vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica Hình 4.2 Quy trình chức hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica APTMS Hình 4.3 Các gia đoạn phản ứng gắn nhóm NH2 bề mặt vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica APTMS 4.1.3 Chức hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica TPGS Hình 4.5 Quy trình chức hóa vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica TPGS Hình 4.7 Quy trình liên hợp sinh học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 với acid folic 4.1.4 Liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 acid folic Hình 4.7 mơ tả quy trình liên hợp sinh học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 với acid folic (FA) Sau mẫu gắn kết thành công với tác nhân folat thu phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA Phản ứng tạo phức hợp trình ày Hình 4.8 19 R – NH2 NHS + DCC Carboxylic Acid Amide NHS ester 3+ (NaYF4:Yb , Er3+ @silica-N=FA) NHS: N-Hydroxysuccinimide (C4H5NO3) DCC: N, N’-Dicyclohexylcarbodiimide (C13H22N2) Hình 4.8 Phản ứng hình thành phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA Phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA tiếp tục th nghiệm gắn kết với tế để kiểm tra c p với tế MCF7 Quy trình gắn kết thể Hình 4.9 Hình 4.9 Quy trình gắn kết sinh học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA với tế bào ung thư MCF7 4.2 Kết nghiên cứu hình thái học, cấu trúc tính chất phát quang vật liệu chức hóa, liên hợp hóa 4.2.1 Cấu trúc, hình thái học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica chức hóa, liên hợp hóa (a) (b) Hình 4.10 Ảnh FESEM mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+(a) NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica (b) ủ 190 oC, 24 h 20 Kết ảnh FESEM Hình 4.10 cho thấy, với mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ khơng ọc silica (Hình 4.10a) vật liệu có hình dạng que, chiều dài khoảng 300 nm ÷ 800nm đường kính 100 nm ÷ 200nm khơng ị kết dính Với có m t silica, mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica (Hình 4.10 ), hình thái học vật liệu có dạng que với kích thước có tăng khơng đáng kể Hình thái học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica sau chức hóa, liên hợp hóa ằng cách gắn nhóm -NH2 ằng APTMS, gắn TPGS gắn FA quan sát kính hiển vi điện t phát trường thể Hình 4.11 Nhìn ảnh FESEM cho thấy có m t TPGS Hình 4.11a (NaYF4:Yb3+, Er3+@silica/TPGS), -NH2 Hình 4.11b (NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2) FA Hình 4.11c (NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA) cho thấy vật liệu có dạng que với chiều dài khoảng 300nm ÷ 800nm đường kính khoảng 200 ÷ 300nm Như vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+sau ọc ằng silica gắn nhóm TPGS ho c -NH2 ho c FA không ị thay đổi hình thái học (a) (b) (c) Hình 4.11 Ảnh FESEM mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica-TPGS (a), NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (b) NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (c) ủ 190 oC, 24 h 4.2.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica chức hóa, liên hợp hóa Phân tích phổ hồng ngoại FTIR cung cấp thêm ằng chứng tồn TPGS, -NH2 ho c FA vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ 776 573 1060 3+ 3+ (2) NaYF4:Yb , Er @silica 3646 3430 §é truyÒn qua (%) 2070 1640 3+ 3+ (3) NaYF4:Yb , Er @silica/TPGS 1010 3+ 3+ (1) NaYF4:Yb , Er 4000 3000 2000 1000 -1 Sè sãng (cm ) Hình 4.12 Phổ hồng ngoại mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (1), NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2) NaYF4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (3) 21 1008 950 1420 1312 (3) 1090 780 §é trun qua (%) 3440 1650 (4) 2070 Phổ hồng ngoại vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (đường 1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (đường 2) NaYF4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (đường 3) ghi vùng từ 4000 cm-1 ÷ 400 cm-1 (Hình 4.12) Khảo sát phổ hồng ngoại mẫu cho thấy TPGS cải thiện khả phân tán vật liệu nước số dung dịch đệm sinh học khác Điều phù hợp với số nghiên cứu công ố Từ kết cho TPGS gắn thành công vào vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ ọc silica Tương tự, vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ liên hợp hóa ằng FA, phổ hồng ngoại mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (đường 1); NaYF4:Yb3+, Er3+@silica (đường 2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (đường 3) NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (đường 4) khảo sát trình ày Hình 4.13 (2) (1) 549 3+ 3+ (1) NaYF4:Yb , Er 3643 3+ 3+ (2) NaYF4:Yb , Er @silica 3+ 3+ (3) NaYF4:Yb , Er @silica-NH 3+ 3+ (4) NaYF4:Yb , Er @silica-N=FA 4000 3000 2000 1000 Sè sãng (cm-1) Hình 4.13 Phổ hồng ngoại mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (3); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) Quan sát phổ hồng ngoại mẫu cho thấy liên kết hóa học phân t FA thành phần vô hình thành Những kết chứng tỏ phối t FA c p thành cơng vào NaYF4: Yb3+, Er3+@slica-NH2 4.2.3 Tính chất phát quang vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica chức hóa liên hợp hóa 4 F9/2 - I15/2 (1) NaYF4:Yb3+, Er3+ (2) NaYF4:Yb3+, Er3+@Silica Cường độ (đvtđ) kích thích = 980 nm 4S 3/2 - I15/2 (a) H 11/2 - I 15/2 (2) 500 550 600 650 Bước sóng (nm) 700 750 Hình 14 Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); exc = 980nm 22 Hình 14 trình ày phổ hu nh quang chuyển đổi ngược mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); exc = 980nm Kết cho thấy ọc silica, cường độ hu nh quang vật liệu tăng gấp 2,5 lần so với trước ọc Sau ọc silica, chúng tơi tiến hành chức hóa chúng ằng hai tác nhân TPGS APTMS 3+ 3+ 4 F11/2 - I15/2 H11/2 - I15/2 4 S3/2 - I15/2 Cường độ (đvtđ) NaYF4: Yb , Er @silica/TPGS kích thíchnm 500 600 550 650 700 Bước sóng (nm) Hình 4.15 Phổ huỳnh quang mẫu NaYF 4: Yb3+, Er3+@ silica/TPGS exc = 980nm Kết phổ hu nh quang vật liệu Hình 4.15 Hình 4.17 cho thấy vật liệu phát xạ màu xanh ước sóng (510 nm ÷ 570 nm) màu đỏ ước sóng (630 nm ÷ 700 nm) ứng với chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2; 4S3/2 → 4I15/2 4F9/2 → 4I15/2 ion Er3+ Tuy nhiên, gắn với FA, vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA phát quang UCL m c dù cường độ phát quang mẫu có yếu mẫu không gắn FA 3+ 3+ (a) NaYF4:Yb , Er F9/2- I15/2 3+ 3+ (b) NaYF4:Yb , Er @silica 3+ 3+ (c) NaYF4:Yb , Er @silica-NH2 Cường độ (đvtđ) 3+ 3+ (d) NaYF4:Yb , Er @silica-N=FA (c) 3/2- I15/2 (d) 4S (a) H 11/2 - I 15/2 (b) 500 550 600 650 Bước sóng (nm) 700 750 Hình 4.17 Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược mẫu NaYF4:Yb3+,Er3+(1); NaYF4:Yb3+,Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (3) NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) exc = 980nm 4.3 Kết th nghiệm dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 23 4.3.1 Quy trình thử nghiệm 4.3.2 Kết thử nghiệm Chúng s dụng phức hợp nano NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 không liên hợp với FA NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA gắn kết với tế ung thư vú MCF7 kiểm tra kính hiển vi hu nh quang soi ngược Zeiss axio vert A1 Kết Hình 4.19, phần ên trái kết quan sát chiếu ánh sáng thường, phần kết chiếu ánh sáng hu nh quang phần ên phải kết hợp hai phần Ảnh tế MCF7 đối chứng tế MCF7 ủ với phức hợp nano Hình 4.19 cho thấy: Với trường hợp tế MCF7 làm đối chứng tế MCF7 ủ với phức hợp NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 : ánh sáng thường chúng tơi quan sát hình ảnh tế MCF7, quan sát ánh sáng hu nh quang không thấy phát quang Điều chứng tỏ phức hợp NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-NH2 không c p với tế Tương tự, tế MCF7 ủ với phức hợp NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA 3h quan sát ằng ánh sáng thường thấy hình ảnh tế MCF7 Nhưng s dùng ánh sáng hu nh quang, quan sát chấm phát sáng rõ Điều khẳng định quan sát hình ảnh từ việc hợp kết thu chiếu ánh sáng thường ánh sáng hu nh quang Ánh sáng thường Ánh sáng huỳnh quang Ánh sáng hợp Tế bào MCF7 đối chứng Tế bào MCF7 ủ với NaYF4: 3+ Yb , Er 3+ @silica-NH2 Tế bào MCF7 ủ với NaYF4: 3+ 3+ Yb , Er @ silica-N=FA Hình 4.19 Hình ảnh tế bào MCF7 đối chứng tế bào MCF7 ủ với phức hợp nano quan sát kính hiển vi điện tử huỳnh quang soi ngược Như vậy, qua mẫu th nghiêm cho thấy, nhóm folate gắn vào tế bào MCF7 hay nói cách khác, phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA c p vào bề m t tế ung thư vú MCF7 Vị trí bắt c p phức hợp nano với tế ung thư quan sát kính hiển vi soi ngược Zeiss axio vert A1 Kết thu cho thấy, lần s dụng phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA gắn kết với tế ung thư vú MCF7 khảo sát kính hiển vi hu nh quang soi ngược Zeiss axio vert A1 chứng tỏ phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA s dụng làm công cụ đánh dấu nhận dạng tế ung thư vú MCF7 in vitro 24 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Luận án thực thành công, nghiên cứu cách hệ thống đạt số điểm tổng hợp vật liệu nano đất phát quang chuyển đổi ngược để chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA th nghiệm phức hợp nhằm đánh dấu nhận dạng vi hình ảnh tế ung thư vú MCF7 Kết nghiên cứu luận án có điểm sau: Đã tổng hợp thành công hệ vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF 4: Yb3+, Er3+ ằng phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ chất tạo khn mềm PEG Đ c iệt, tìm thấy có m t PEG với trọng lượng phân t 20.000, cường độ phát quang chuyển đổi ngược vật liệu mạnh Đã xây dựng qui trình tổng hợp thu vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược theo mong muốn kích thước, cấu trúc tinh thể, hình dạng, khả phân tán tính chất phát quang chuyển đổi ngược Cụ thể chọn lọc sản phẩm NaYF4: Yb3+, Er3+ có dạng que, chiều dài 300 nm ÷ 800 nm, đường kính 100 nm ÷ 200 nm, cấu trúc hexagonal (β), phát quang mạnh ổn định vùng màu xanh (510 nm ÷ 570 nm) vùng màu đỏ (630 nm ÷ 700 nm) ứng với chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 (đỉnh 520 nm); 4S3/2 → 4I15/2 (đỉnh 540 nm) 4F9/2 → 4I15/2 (đỉnh 650 nm) đ c trưng ion Er3+ kích thích ước sóng hồng ngoại 980 nm Đã xây dựng thực thành cơng quy trình ọc vỏ, chức hóa, liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ Trên sở đó, chế tạo hồn chỉnh hai phức hợp nano y sinh NaYF 4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (s dụng tác nhân TPGS) NaYF4: Yb3+, Er 3+@silica–N=FA (s dụng tác nhân APTMS liên hợp với acid folic) Hai phức hợp phát quang chuyển đổi ngược mạnh ổn định, tương thích sinh học cơng cụ thích hợp để đánh dấu hu nh quang vi hình ảnh s ố loại tế ung thư Đã th nghiệm khảo sát khả c p phức hợp nano y sinh NaYF 4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA, để đánh dấu nhận dạng tế ung thư vú MCF7 ằng kính hiển vi soi ngược có độ phân giải cao thơng qua kĩ thuật hu nh quang Kết cho thấy, phức hợp NaYF 4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA c p với tế MCF7 điều kiện th nghiệm in vitro Kết Luận án tạo sở cho nghiên cứu chế tạo loại vật liệu đất nano phát quang chuyển đổi ngược phức hợp nano sinh y đ c hiệu nhằm ứng dụng làm cơng cụ chẩn đốn chữa trị số ệnh ung thư nước ta DANH MỤ Ha Thi Phuong, Tran Thu Huong, Hoang Thi Khuyen, Le Thi Vinh, Do Thi Thao, Nguyen Thanh Huong, Pham Thi Lien and Le Quoc Minh “Synthesis and structural characterization of NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=Folic Acide nanophosphors for bioimaging” Journal of Rare earth, 2019 (IF=2,846), DOI: 10.1016/j.jre.2019.01.005 Hà Thị Phượng, Trần Thu Hương, Lê Thị Vinh Lê Quốc Minh “Tính chất quang vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Er3+, Yb3+@SiO2/TPGS ứng dụng cho y sinh” Tạp chí hóa học, 2017 T.55(3E12), 240-244 Hà Thị Phượng, Trần Thu Hương, Lê Thị Vinh, Trần Kim Anh Lê Quốc Minh, “Nghiên cứu tổng hợp tính chất vật liệu nano phát quang chuyển ngược NaYF4:Er(III)/Tm(III)/Yb(III)@O-cacboxylmetyl chitosan” Tạp chí hóa học, 2015 T.53(3E12), 158-162 Hà Thị Phượng, Trần Thu Hương, Lê Thị Vinh, Trần Kim Anh Lê Quốc Minh, “Ảnh hưởng chất tạo khn mềm đến cấu trúc, hình thái học vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:Er3+,Yb3+”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 9-SPMS 2015, TP Hồ Chí Minh, 2015, 531-533 ... thời vật liệu có khả phân tán tốt nước 3.1 Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4: Yb3+, Er3+ 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) Quy trình tổng hợp vật liệu nano. .. EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) EY4 (d) cấu trúc β -NaYF4 3.3.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ cấu trúc β -NaYF4 Tính chất quang (1) EY1- 0,25% Er vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+. .. NaYF4 quy trình tổng hợp vật liệu 3.3 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 3.3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 (quy trình