Luận án về tính chất vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion Er3+ và Yb3+ trong y sinh

Khám phá luận án tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ ứng dụng trong y sinh.

Trường đại học

Đại học Y Hà Nội

Chuyên ngành

Vật liệu nano

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2023

112
4
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: 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 hiếm

1.1.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm

1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm

1.3. Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm

1.4. Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm

1.5. Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược

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

1.5.2. Phát quang chuyển đổi ngược truyền năng lượng (ETU)

2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

3. CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƯỢC NaYF4: Yb3+, Er3+

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

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion đất hiếm

Vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu y sinh. Vật liệu nano này có khả năng phát quang hiệu quả, đặc biệt là trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Các ion đất hiếm như Er3+ và Yb3+ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất quang học của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy, NaYF4 có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng phát quang cao, làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong y sinh. Việc sử dụng ion đất hiếm trong vật liệu này không chỉ nâng cao hiệu suất phát quang mà còn giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến tế bào sống. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm nhận dạng hình ảnh sinh học và cảm biến sinh học, cho thấy giá trị thực tiễn của vật liệu này trong y sinh.

1.1. Đặc điểm của vật liệu nano phát quang

Vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion Er3+ và Yb3+ có những đặc điểm nổi bật về cấu trúc và tính chất quang học. Cấu trúc tinh thể của NaYF4 cho phép hấp thụ và phát xạ ánh sáng hiệu quả, tạo ra các dải phát xạ đặc trưng. Tính chất quang học của vật liệu này được cải thiện nhờ sự hiện diện của các ion đất hiếm, giúp tăng cường khả năng phát quang trong vùng khả kiến. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng của vật liệu nano có thể nâng cao hiệu suất phát quang, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh và quang điện tử. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng, vật liệu này có thể được sử dụng để phát hiện tế bào ung thư với độ nhạy cao, nhờ vào khả năng phát quang vượt trội của nó.

1.2. Ứng dụng trong y sinh

Vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion Er3+ và Yb3+ có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y sinh. Việc sử dụng vật liệu nano này trong nhận dạng hình ảnh sinh học cho phép phát hiện và theo dõi tế bào ung thư một cách chính xác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu này có thể được sử dụng để phát hiện các loại tế bào ung thư như tế bào ung thư vú MCF7. Ứng dụng y sinh của vật liệu này không chỉ dừng lại ở việc phát hiện mà còn mở ra khả năng điều trị thông qua việc kết hợp với các phương pháp điều trị hiện đại. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và y sinh học tạo ra những cơ hội mới cho việc phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến tế bào khỏe mạnh.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Luận án đã áp dụng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu nano phát quang NaYF4: Yb3+, Er3+. Các thí nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm uy tín, sử dụng các kỹ thuật hiện đại như giản đồ nhiễu xạ tia X và phổ huỳnh quang. Kết quả cho thấy, vật liệu nano phát quang NaYF4 có hình dạng que với kích thước từ 300 nm đến 800 nm, cấu trúc tinh thể hexagonal (β) và khả năng phát quang mạnh mẽ khi được kích thích bằng laser 980 nm. Tính chất vật liệu này đã được xác định rõ ràng, cho thấy khả năng phát xạ ánh sáng đỏ trội, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng trong y sinh.

2.1. Kết quả tổng hợp vật liệu

Quá trình tổng hợp vật liệu nano NaYF4: Yb3+, Er3+ đã thành công với các đặc điểm quang học vượt trội. Vật liệu được tổng hợp có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng phát quang cao, cho phép ứng dụng trong các lĩnh vực như quang điện tử và y sinh. Các thí nghiệm cho thấy, vật liệu này có thể phát xạ ánh sáng trong vùng khả kiến, điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các công cụ chẩn đoán y tế. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp đã giúp nâng cao hiệu suất phát quang, từ đó tạo ra những sản phẩm có giá trị thực tiễn cao trong nghiên cứu và ứng dụng.

2.2. Khảo sát tính chất quang học

Khảo sát tính chất quang học của vật liệu nano NaYF4: Yb3+, Er3+ cho thấy sự phát xạ mạnh mẽ trong vùng ánh sáng đỏ. Các dải phát xạ đặc trưng của ion Er3+ đã được ghi nhận, cho thấy khả năng phát quang hiệu quả của vật liệu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của vật liệu có thể ảnh hưởng đến tính chất quang học, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong y sinh. Các kết quả này không chỉ khẳng định giá trị của vật liệu trong nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực y tế.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục bảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 4 chương: Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4. Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm. 5 Chƣơng 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+. Chƣơng 4: Kết quả chế tạo và thử nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư MCF7.

6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4 1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm 1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm gồm tập hợp của mười bảy nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ 57 đến 71 trong bảng tuần hoàn của Mendeleev: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu và thêm nguyên tố ytri (Y). Những nguyên tố này có hàm lượng rất nhỏ trong Trái đất, được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích, các mỏ quặng và cát đen [40].

Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 n: nhận các giá trị từ 0 ÷ 14; còn m chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1. Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện tử hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn của chúng. Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng tử cao. Huỳnh quang của các hợp chất đất hiếm đã được nghiên cứu do tính chất quang vật lí hấp dẫn [5, 41, 42].

Do vậy, chúng có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, quang điện tử, quang tử, thông tin quang học và y sinh [43, 44]. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm Vật liệu phát quang được cấu tạo từ hai thành phần chính: chất nền và chất pha tạp hay còn được gọi là các tâm phát quang. Chất nền có khả năng hấp thụ photon năng lượng cao và truyền năng lượng cho các tâm phát xạ thông qua quá trình truyền điện tich. Chúng thường là các vật liệu có độ bền về cơ lý hóa, ổn định về cấu trúc và có tính trơ về quang học, có tính trong suốt đối với bức xạ trong vùng nhìn thấy.

Chất pha tạp thường là đất hiếm 7 hoặc kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc và bán kính nguyên tử phù hợp với bán kính, điện tích của cation nền. Ví dụ, với vật liệu phát quang NaYF4: Er3+ thì NaYF4 đóng vai trò mạng nền, Er3+ đóng vai trò tâm phát quang. Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm Vật liệu phát quang khi được kích thích có khả năng phát quang. Sự phát huỳnh quang xảy ra khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng quang (photon).

Ở trạng thái cơ bản Eo, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron. Khi nhận năng lượng, các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích E*. Đây là trạng thái không bền nên electron sẽ mau chóng hồi phục về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt (phonon) E*’. Thời gian tồn tại của electron khi chuyển mức năng lượng từ E* → E*’ rất nhỏ (khoảng 10-9 đến 10-12 giây).

Sau khi về trạng thái kích thích E*’, electron lại một lần nữa phục hồi về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng phonon. Sự tách mức năng lượng ở phân lớp 4f của nguyên tố đất hiếm Bảng 1.1 [45] cho thấy bán kính ion của các nguyên tố đất hiếm nhỏ hơn so với các nguyên tố s, p cùng chu kỳ và giảm dần nên chúng tương tác rất yếu với phonon mạng và trường tinh thể. Trạng thái năng lượng của điện tử 4f trong ion đất hiếm ít bị ảnh hưởng bởi trường tinh thể do chúng được che chắn bởi các điện tử của phân lớp 5s,5p ở bên ngoài. Các điện tử phân lớp 4f là các điện tử không tương đương (điện tử có 2 số lượng tử có giá trị khác nhau, n = 4 và l = 3).

Khi đó, các trạng thái nhiều điện tử của chúng được kí hiệu là 2S+1L (với S là số lượng tử spin tổng cộng và L là số lượng tử quỹ đạo tổng cộng). Sau đó, xét đến sự ảnh hưởng của trường tinh thể của mạng nền, lớp điện tử phân lớp 4f (chưa điền đầy) của ion đất hiếm được bao bọc bởi 2 phân lớp lấp đầy 5s25p6. Do vậy, sự ảnh hưởng của trường tinh thể xung quanh lên các điện tử 4f là yếu nên có thể xem trường tinh thể là một nhiễu loạn. Do đó, các đặc trưng vật lí (quang học) của điện tử 4f ít phụ thuộc vào mạng nền của nguyên tố đất hiếm RE.

Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45] Nguyên Điện Trạng Bán kính Số hiệu Ion tố tƣơng tử S L J thái cơ nguyên nguyên tử ứng 4f bản tử (Å) 21 Sc3+ Ar 39 Y3+ Kr 0 0 0 57 La3+ 58 Ce3+ 1 1/2 3 5/2 2 F5/2 1,061 59 Pr3+ 2 1 5 4 3 H4 1,034 60 Nd3+ 3 3/2 6 9/2 4 I9/2 1,013 61 Pm3+ 4 2 6 4 5 I4 0,995 62 Sm3+ 5 5/2 5 5/2 6 H5/2 0,964 63 Eu3+ 6 3 3 0 7 F0 0,950 8 64 Gd3+ 7 7/2 0 7/2 F7/2 0,938 Xe 65 Tb3+ 8 3 3 6 7 F6 0,923 6 66 Dy3+ 9 5/2 5 15/2 H15/2 0,908 67 Ho3+ 10 2 6 8 5 I8 0,894 4 68 Er3+ 11 3/2 6 15/2 I15/2 0,881 69 Tm3+ 12 1 5 6 3 H6 0,869 2 70 Yb3+ 13 1/2 3 7/2 F7/2 0,858 71 Lu3+ 14 0 0 0 1 S0 0,848 Ở những mạng nền có lực trường tinh thể khác nhau thì sự tách mức năng lượng (suy biến năng lượng) của ion RE là khác nhau. Mức độ suy biến năng lượng phụ thuộc vào đối xứng của trường tinh thể tại vị trí ion RE chiếm đóng [46]. Nhiễu loạn của trường tinh thể đối với các điện tử 4f của ion đất hiếm hóa trị 3 RE3+ thể hiện thông qua thế năng tương tác hiệu dụng. Hiện tượng này gây nên sự suy biến góc và tạo ra các trạng thái năng lượng phụ thuộc vào L và S.

Mô hình tách mức năng lượng của phân lớp 4f trong trường tinh thể của mạng nền thể hiện trên Hình 1. Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f [46] 1. Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm Vật liệu phát quang sau khi hấp thụ photon từ ánh sáng kích thích có năng lượng phù hợp sẽ phát quang theo hai dạng: phát quang kiểu huỳnh quang (fluorescence) với thời gian sống của bức xạ từ 10-9 ÷ 10-8 giây và phát quang kiểu lân quang (phosphorescence) với thời gian sống của bức xạ trên 10-7 giây. Các phát xạ kiểu huỳnh quang thường tuân theo cơ chế chuyển dời đơn mức (singlet) và phát xạ kiểu lân quang tuân theo cơ chế chuyển dời bội ba (triplet) (Hình 1.

Các quá trình phát quang Hầu hết các quá trình phát quang dựa trên cơ sở các hợp chất đất hiếm đều là các phát xạ kiểu phosphorescence với thời gian sống từ vài trăm µs đến vài ms. 10 Đối với một hệ phát quang dựa trên các hợp chất đất hiếm thường có hai quá trình huỳnh quang chính xảy ra bao gồm: bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt (activator) và bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác (Hình 1. Sơ đồ mức năng lượng của quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp và quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác [47] (i) Bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt thường xảy ra ở các hợp chất pha tạp đơn lẻ từng loại ion đất hiếm như Y2O3: Eu3+; Tb3+; Sm3+; Pr3+… Trong trường hợp này, tâm kích hoạt được nâng lên tới trạng thái kích thích A* sau đó quay về trạng thái cơ bản A bởi quá trình phát bức xạ R hay hồi phục không phát xạ NR (Hình 1. Trong quá trình hồi phục không phát xạ, năng lượng của trạng thái kích thích được dùng để kích thích dao động mạng (làm nóng mạng chủ).

Vì vậy, để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình hồi phục không bức xạ này [43]. Tại đây nó có xu hướng hồi phục về trạng thái cơ bản và truyền năng lượng cho ion kích hoạt A bằng quá trình truyền năng lượng (ET) và đưa ion này lên trạng thái kích thích A1*. Sau đó, ion kích hoạt A ở trạng thái kích thích A1* có xu hướng hồi phục không phát xạ dần về các mức có 11 năng lượng thấp hơn gần đó (A2*) và cuối cùng là quá trình hồi phục phát xạ về trạng thái cơ bản A (Hình 1. Quá trình phát quang chuyển đổi ngƣợc 1.

Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược Quá trình phát quang của vật liệu khi bị kích thích bởi photon cơ bản dựa trên các quá trình dịch chuyển Stokes và anti-Stokes. Dịch chuyển Stokes là hiện tượng bước sóng phát xạ dịch về phía sóng dài và ngược lại dịch chuyển anti-Stokes cho thấy bức xạ phát ra dịch về phía sóng ngắn. Hầu hết các vật liệu phát quang thông thường phát xạ thể hiện dịch chuyển Stokes (ví dụ như trên sơ đồ Hình 1.4a), chúng phát ra các photon có năng lượng thấp hơn năng lượng của photon kích thích khi bị kích thích bởi các nguồn photon có năng lượng cao hơn. Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng ta có thể quan sát thấy phát xạ dịch chuyển anti-Stokes, trong đó các photon phát ra có năng lượng cao hơn năng lượng photon kích thích (Hình 1.

Phát quang chuyển đổi ngược (dịch chuyển anti-Stokes) là một trong những quá trình quang học phi tuyến được nghiên cứu khá nhiều. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược có thể được thực hiện bởi nguồn kích thích của laser công suất thấp hoặc bằng các nguồn bức xạ không kết hợp (incoherent) như đèn xenon, đèn halogen tiêu chuẩn, thậm chí cả ánh sáng mặt trời. Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược upconversion [12] 12 Nguyên lý chung của sự phát quang chuyển đổi ngược được minh họa trong sơ đồ Hình 1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án "Luận án về tính chất vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion Er3+ và Yb3+ trong y sinh" nghiên cứu về các tính chất của vật liệu nano phát quang NaYF4, đặc biệt là sự ảnh hưởng của các ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ trong ứng dụng y sinh. Bài viết không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu này mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực y tế, như trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách mà vật liệu nano có thể cải thiện hiệu quả trong y sinh, từ đó nâng cao khả năng điều trị và chẩn đoán.

Nếu bạn quan tâm đến các nghiên cứu liên quan đến y sinh và vật liệu, hãy tham khảo thêm các bài viết như Nghiên cứu phương pháp định lượng andrographolide trong dược liệu xuyên tâm liên bằng HPTLC, nơi khám phá các phương pháp định lượng trong dược liệu, hay Khảo Sát Nhu Cầu Tư Vấn Sử Dụng Thuốc Của Bệnh Nhân Điều Trị Ngoại Trú Tại Bệnh Viện Đại Học Y Hà Nội Năm 2023, giúp bạn hiểu rõ hơn về nhu cầu tư vấn thuốc trong điều trị y tế. Những tài liệu này sẽ cung cấp thêm góc nhìn và kiến thức bổ ích cho bạn trong lĩnh vực y sinh.