Tổng quan luận án

Vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (Upconversion Nanoparticles - UCNP) pha tạp ion đất hiếm là nhóm vật liệu quang học hoạt động theo cơ chế hấp thụ bức xạ kích thích trong vùng hồng ngoại và phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy (dịch chuyển anti-Stokes). Trong y sinh học, việc sử dụng các hạt UCNP giải quyết được hạn chế tự phát quang của mô sinh học, nâng cao độ tương phản hình ảnh và tận dụng khả năng xuyên sâu của bức xạ hồng ngoại vào mô sống (từ vài milimét) mà không gây biến đổi tế bào. Mạng nền natri ytri florua ($NaYF_4$) kết hợp cặp ion đất hiếm $Yb^{3+}$ (tăng nhạy) và $Er^{3+}$ (kích hoạt) có hiệu suất phát quang cao và độ bền trong nhiều điều kiện môi trường.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các công trình UCNP trong nước chủ yếu tập trung vào vật liệu nền oxit hoặc florua định hướng cho hiển thị, quang điện tử, in bảo mật và năng lượng; việc ứng dụng UCNP trong y sinh, cụ thể là nhận dạng và phát hiện tế bào ung thư, còn hạn chế. Thách thức kỹ thuật đặt ra là phương pháp chế tạo vật liệu có cấu trúc tinh thể thích hợp, giải pháp chức năng hóa bề mặt để vật liệu phân tán bền trong nước, tương thích sinh học và liên hợp đặc hiệu với các phân tử sinh học đích.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ có cấu trúc tinh thể $\beta$ (hexagonal), dạng que, phát quang vùng màu đỏ.
  2. Xác định hình thái học, cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$.
  3. Xây dựng quy trình bọc vỏ, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ nhằm ứng dụng trong y sinh; lựa chọn vật liệu thích hợp để chế tạo công cụ phức hợp đánh dấu huỳnh quang vi hình ảnh.
  4. Sử dụng phức hợp nano y sinh $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$ vào quy trình ủ sinh học bắt cặp với tế bào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế bào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang phân giải cao.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược $NaYF_4$ đồng pha tạp ion $Er^{3+}$ và $Yb^{3+}$; các hệ phức hợp nano $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica/TPGS$ và $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$; dòng tế bào ung thư vú người MCF7.
  • Phạm vi không gian và địa điểm thực nghiệm: Phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử và Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử (Viện Khoa học vật liệu - VAST); Bộ môn Hóa học (Trường Đại học Y Hà Nội); Phòng thí nghiệm Xét nghiệm Sinh học (Viện Công nghệ Sinh học - VAST); Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (USTH); Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN); Viện Kỹ thuật Nhiệt đới (VAST).
  • Phạm vi thời gian và kế thừa: Luận án kế thừa và phát triển từ các nghiên cứu vật liệu nano y sinh thuộc đề tài Độc lập Nhà nước giai đoạn 2009–2012 của Viện Khoa học vật liệu cùng các công bố khoa học liên quan đến thời điểm thực hiện.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các hướng nghiên cứu quốc tế và trong nước về vật liệu phát quang nano chuyển đổi ngược pha tạp ion đất hiếm và các ứng dụng y sinh:

Các hướng nghiên cứu quốc tế

  • Nghiên cứu cơ chế quang phi tuyến và cấu trúc mức năng lượng: Tổng quan các cơ chế kích thích nhiều bước qua trạng thái trung gian giả bền có thời gian sống dài, bao gồm hấp thụ từ trạng thái kích thích (ESA) và truyền năng lượng chuyển đổi ngược (ETU).
  • Nghiên cứu vật liệu nền và cặp ion: Nghiên cứu vật liệu nền florua ($NaYF_4$, $LaF_3$) có năng lượng phonon thấp ($350\text{--}370\text{ cm}^{-1}$), làm giảm xác suất hồi phục không bức xạ so với nền oxit hay phosphat. Tối ưu hóa nồng độ pha tạp với ion tăng nhạy $Yb^{3+}$ ($18\text{--}20\text{ mol}%$) và ion kích hoạt $Er^{3+}$, $Tm^{3+}$, $Ho^{3+}$ ($\le 3\text{ mol}%$).
  • Ứng dụng y sinh học:
    • Nhận dạng sinh học (bioimaging): Ứng dụng UCNP loại bỏ nền tự huỳnh quang trên tế bào sống HeLa, tăng độ xuyên sâu mô và giảm hiện tượng suy giảm huỳnh quang (photobleaching) khi so sánh với các chất màu hữu cơ (như DiI, DAPI) và chấm lượng tử.
    • Cảm biến sinh học (biosensing): Đo nhiệt độ nội bào dựa trên tỷ số cường độ hai vạch phát xạ $I_{520}/I_{550}$ tuân theo phân bố Boltzmann; cảm biến ion $Hg^{2+}$ bằng cơ chế FRET kết hợp với phẩm màu DNA SYBR Green cho giới hạn phát hiện $0{,}06\text{ nM}$; cảm biến khí $CO_2$ (giới hạn $0{,}11%$) và $NH_3$ (giới hạn $400\text{ }\mu\text{M}$) kết hợp chất chỉ thị pH bromothymol blue và phenol red; xét nghiệm sinh học (bioassay) định lượng kháng thể theo cấu trúc sandwich và cạnh tranh.
    • Trị liệu quang nhiệt (PTT): Phủ hạt siêu thuận từ $Fe_3O_4$, hạt nano vàng ($Au$), bạc ($Ag$) hoặc đồng sulfide ($CuS$) lên bề mặt UCNP để tiêu diệt tế bào ung thư gan HepG2 và ung thư vú BCap-37 với tỷ lệ tiêu diệt đạt $95%$ ở mật độ công suất $1{,}5\text{ W/cm}^2$.
    • Trị liệu quang động (PDT): Ý tưởng khởi xướng bởi Prasad trong tài liệu "Introduction of Biophotonics"; nhóm tác giả Zhang thử nghiệm UCNP $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ trên tế bào ung thư bàng quang MCF-7/AZ; các chất cảm quang $Ru(bpy)_3^{2+}$, meso-tetraphenylporphine (tiêu diệt $75%$ tế bào HeLa), Ce6, ZnPc, MB; nhóm tác giả Liu và cộng sự thực hiện PDT in vivo trên chuột mang khối u bằng hạt nano $\beta\text{-}NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ bọc PEGylated gắn phân tử Ce6 kích thích bằng laser $980\text{ nm}$.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

  • Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu (GS. Nguyễn Quang Liêm, PGS. Phạm Thu Nga, TS. Hà Phương Thư) và Viện Vật lý (PGS. Trần Hồng Nhung) đã triển khai chế tạo các hệ vật liệu nano phát quang và hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh.
  • Đề tài Độc lập Nhà nước (2009–2012) tại phòng Quang Hóa Điện tử (Viện Khoa học vật liệu) do GS. Lê Quốc Minh chủ trì đã chế tạo phức hợp nano phát hiện vi hình ảnh virus sởi và virus Rota, ứng dụng đánh giá chất lượng vắc-xin tại Trung tâm Polyvac (Bộ Y tế).
  • Các nghiên cứu UCNP chứa $Er^{3+}$, $Yb^{3+}$, $Tm^{3+}$ trên nền oxit $Y_2O_3$ và florua $NaYF_4$ của các tác giả trong nước tập trung chủ yếu vào cơ chế đa photon, cấu trúc hình thái hướng đến quang điện tử, hiển thị và in bảo mật.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết quy trình chế tạo hạt nano $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ pha lục giác dạng que có phát xạ đỏ trội, hoàn thiện quy trình bọc vỏ silica, gắn tác nhân hướng đích acid folic (FA) và thử nghiệm đánh dấu huỳnh quang nhận dạng dòng tế bào ung thư vú MCF7 in vitro.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Cấu hình điện tử phân lớp 4f của ion đất hiếm: Các nguyên tố đất hiếm (từ $La$ đến $Lu$ và $Y$) có cấu hình electron chung $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2 4p^6 4d^{10} 4f^n 5s^2 5p^6 5d^m 6s^2$ ($n = 0\text{--}14$, $m = 0\text{ hoặc }1$). Phân lớp $4f$ chưa điền đầy được che chắn bởi các phân lớp vỏ ngoài $5s^2 5p^6$, do đó ảnh hưởng của trường tinh thể mạng nền lên các trạng thái điện tử $4f$ là yếu, xem như một nhiễu loạn. Các trạng thái đa điện tử được ký hiệu theo số hạng quang phổ $^{2S+1}L_J$.
  • Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược:
    • Hấp thụ từ trạng thái kích thích (ESA): Một ion hấp thụ liên tiếp nhiều photon để chuyển từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích trung gian giả bền và đạt mức kích thích cao hơn trước khi phát xạ photon có năng lượng cao hơn.
    • Truyền năng lượng chuyển đổi ngược (ETU): Quá trình truyền năng lượng giữa ion tăng nhạy ($Yb^{3+}$) và ion kích hoạt ($Er^{3+}$). Ion $Yb^{3+}$ có tiết diện hấp thụ lớn tại bước sóng $976\text{--}980\text{ nm}$ (chuyển dời $^2F_{7/2} \rightarrow ^2F_{5/2}$), truyền năng lượng cộng hưởng đưa $Er^{3+}$ lên các mức kích thích $^4I_{11/2}$, $^4F_{7/2}$, sau đó hồi phục không bức xạ về $^2H_{11/2}$, $^4S_{3/2}$ (phát xạ lục $510\text{--}570\text{ nm}$) và $^4F_{9/2}$ (phát xạ đỏ $630\text{--}700\text{ nm}$).
    • Các cơ chế khác: Hồi phục chéo (cross-relaxation), phối hợp tâm tăng nhạy và phối hợp tâm huỳnh quang.
  • Đặc tính vật liệu nền $NaYF_4$: Tồn tại hai dạng thù hình: pha cubic ($\alpha\text{-}NaYF_4$, đẳng hướng, độ rộng vùng cấm $8\text{ eV}$) và pha hexagonal ($\beta\text{-}NaYF_4$, dị hướng, độ rộng vùng cấm $8{,}5\text{ eV}$). Pha $\beta$ có tính đối xứng thấp hơn, bền nhiệt hơn và cho hiệu suất phát quang chuyển đổi ngược cao hơn pha $\alpha$.
Loại vật liệu chất nền Năng lượng phonon cao nhất ($\text{cm}^{-1}$)
Phosphate glass $1200$
Silica glass $1100$
$\text{LaPO}_4$ $1050$
$\text{Y}_3\text{Al}5\text{O}{12}$ $860$
$\text{Y}_2\text{Ti}_2\text{O}_7$ $712$
$\text{Gd}_2\text{O}_3$ $700$
$\text{YVO}_4$ $600$
$\text{Y}_2\text{O}_3$ $600$
Fluoride glass $550$
$\text{LiYF}_4$ $425$
$\beta\text{-NaGdF}_4$ $400$
$\text{NaYF}_4$ $370$
$\text{LaF}_3$ $350$
$\text{CaF}_2$ $350$
$\text{KYF}_4$ $328$
$\text{YCl}_3$ $260$
$\text{LaCl}_3$ $240$
$\text{LaBr}_3$ $175$

Phương pháp thực nghiệm tổng hợp và chế tạo

  • Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal): Thực hiện trong bình kín áp suất cao (nồi hấp autoclave ruột Teflon vỏ thép), gia nhiệt trong tủ sấy Venticell ở nhiệt độ $180^\circ\text{C}\text{--}200^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm: Sử dụng chất hoạt động bề mặt poly(ethylene glycol) (PEG, phân tử lượng $M = 2000\text{--}20000$, công thức $C_{2n}H_{4n}(OH)_2$) tạo micelle dẫn hướng sự phát triển tinh thể thành cấu trúc dạng que một chiều và ổn định nhiệt đến $300^\circ\text{C}$.
  • Kỹ thuật bọc vỏ và chức năng hóa: Bọc lớp vỏ bảo vệ silica ($\text{SiO}_2$) tạo cấu trúc lõi/vỏ (core/shell); thực hiện chức năng hóa bề mặt với các nhóm chức phân cực (amino $-\text{NH}_2$, carboxyl $-\text{COOH}$), trao đổi phối tử với PEG, D-alpha-tocopheryl polyethylene glycol 1000 succinate (TPGS) và liên hợp hóa với phân tử hướng đích acid folic (FA).

Kỹ thuật phân tích và thiết bị đo

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Phân tích pha cấu trúc tinh thể, độ kết tinh dựa trên phương trình Bragg ($n\lambda = 2d_{hkl}\sin\theta$) trên máy Equinox 5000 (Viện Khoa học vật liệu) và Siemens D5005 (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN).
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Xác định nhóm chức và liên kết hóa học trong dải số sóng $4000\text{--}400\text{ cm}^{-1}$ (độ phân giải $16\text{ cm}^{-1}$) trên thiết bị NEXUS 670 (Viện Kỹ thuật Nhiệt đới).
  • Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM): Khảo sát hình thái học, kích thước hình học trên thiết bị FESEM S-4800 (Hitachi, Nhật Bản) tại Viện Khoa học vật liệu.
  • Phổ huỳnh quang (PL): Khảo sát phổ phát quang dừng chuyển đổi ngược dưới nguồn kích thích laser bán dẫn bước sóng $980\text{ nm}$ (công suất $> 1\text{ W}$) trên hệ quang phổ kế iHR550 (Jobin-Yvon) tại Viện Khoa học vật liệu.
  • Kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang: Quan sát khả năng liên kết đặc hiệu của phức hợp nano với thụ thể folate trên màng tế bào ung thư vú MCF7 bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang soi ngược.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4

Chương này hệ thống hóa các vấn đề lý thuyết và thực tiễn về vật liệu UCNP:

  • Phân tích đặc điểm cấu hình electron của 17 nguyên tố đất hiếm và tính chất quang học của phân lớp $4f$.
  • So sánh chi tiết năng lượng phonon của các hệ mạng nền khác nhau, khẳng định mạng nền $NaYF_4$ có năng lượng phonon thấp ($370\text{ cm}^{-1}$), làm giảm xác suất dập tắt huỳnh quang không bức xạ. So sánh pha tinh thể cubic ($\alpha\text{-}NaYF_4$) và pha hexagonal ($\beta\text{-}NaYF_4$), chỉ ra pha $\beta$ có hiệu suất chuyển đổi ngược cao hơn.
  • Phân tích vai trò của ion tăng nhạy $Yb^{3+}$ ($^2F_{7/2} \rightarrow ^2F_{5/2}$) và ion kích hoạt $Er^{3+}$ ($^2H_{11/2}$, $^4S_{3/2}$, $^4F_{9/2} \rightarrow ^4I_{15/2}$).
  • Trình bày nguyên lý các phương pháp tổng hợp hạt nano (vật lý, sol-gel, vi sóng, thủy nhiệt và thủy nhiệt có khuôn mềm PEG).
  • Phân loại và tổng kết các ứng dụng y sinh của UCNP: nhận dạng sinh học (bioimaging), cảm biến nhiệt độ/ion kim loại/khí/bioassay, trị liệu quang nhiệt (PTT) và trị liệu quang động (PDT).

Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm

Chương này mô tả chi tiết quy trình chế tạo và hệ thống thiết bị phân tích:

  • Quy trình tổng hợp thủy nhiệt hệ vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ trong bình autoclave Teflon vỏ thép đặt trong tủ sấy điều nhiệt Venticell ở $180^\circ\text{C}\text{--}200^\circ\text{C}$.
  • Quy trình sử dụng chất tạo khuôn mềm PEG ($M = 2000\text{--}20000$) để kiểm soát sự tạo mầm và định hướng phát triển tinh thể dị hướng.
  • Phương pháp xử lý bề mặt bọc vỏ silica, quy trình chức năng hóa bề mặt bằng amine hóa/carboxyl hóa và quy trình liên hợp sinh học với phân tử acid folic (FA) và chất mang TPGS.
  • Nguyên lý hoạt động và thông số vận hành của hệ thiết bị phân tích: thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 và Siemens D5005; phổ kế hồng ngoại Fourier NEXUS 670; kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM S-4800 (Hitachi); hệ đo phổ huỳnh quang dừng iHR550 kích thích bằng laser $980\text{ nm}$; kính hiển vi huỳnh quang soi ngược.

Chương 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+

Chương này trình bày các dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc, hình thái và tính chất phát quang của vật liệu nền:

  • Kết quả XRD xác nhận vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ PEG kết tinh đơn pha ở cấu trúc hexagonal ($\beta\text{-}NaYF_4$).
  • Ảnh FESEM cho thấy các hạt nano có dạng que (nanorod) đồng đều, chiều dài dao động trong khoảng $300\text{--}800\text{ nm}$, đường kính trong khoảng $100\text{--}200\text{ nm}$.
  • Kết quả phổ quang huỳnh quang (PL) dưới kích thích laser bước sóng $980\text{ nm}$ ghi nhận hai dải phát xạ chính của ion $Er^{3+}$:
    1. Dải màu lục trong khoảng bước sóng $510\text{--}570\text{ nm}$ tương ứng với các chuyển dời $^2H_{11/2} \rightarrow ^4I_{15/2}$ (đỉnh $520\text{ nm}$) và $^4S_{3/2} \rightarrow ^4I_{15/2}$ (đỉnh $550\text{ nm}$).
    2. Dải màu đỏ trong khoảng bước sóng $630\text{--}700\text{ nm}$ tương ứng với chuyển dời $^4F_{9/2} \rightarrow ^4I_{15/2}$ (đỉnh $650\text{ nm}$). Cường độ phát xạ ở dải đỏ chiếm ưu thế rõ rệt.

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

Chương này tập trung vào các kết quả chức năng hóa, tạo phức hợp và thử nghiệm ứng dụng sinh học:

  • Chế tạo thành công hai hệ phức hợp nano: $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica/TPGS$ và $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$. Lớp vỏ silica bảo vệ duy trì tính chất phát quang chuyển đổi ngược của lõi nano với phổ phát xạ đỏ trội.
  • Khảo sát phổ FTIR xác nhận sự hiện diện của các liên kết đặc trưng: dao động co giãn của khung silica $\text{Si-O-Si}$, các nhóm chức bề mặt và liên kết cộng hóa trị giữa nhóm amino trên bề mặt bọc silica với phân tử acid folic ($-\text{N=FA}$).
  • Thử nghiệm đánh dấu tế bào ung thư vú MCF7 in vitro thông qua kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang: Phức hợp nano $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$ liên kết đặc hiệu với các thụ thể folate biểu hiện trên màng tế bào MCF7. Dưới kính hiển vi huỳnh quang soi ngược kích thích hồng ngoại, quan sát được hình ảnh huỳnh quang nhận dạng rõ vị trí bắt cặp của hạt nano trên tế bào ung thư.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ

  1. Xác lập quy trình công nghệ tổng hợp hạt nano phát quang chuyển đổi ngược $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ cấu trúc tinh thể pha hexagonal ($\beta$), dạng que kích thước chiều dài $300\text{--}800\text{ nm}$, đường kính $100\text{--}200\text{ nm}$ bằng phương pháp thủy nhiệt có sử dụng chất tạo khuôn mềm PEG.
  2. Xác định đặc tính quang học của hệ vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ dạng que dưới nguồn kích thích hồng ngoại $980\text{ nm}$, cho thấy sự phát xạ chọn lọc với cường độ trội ở vùng ánh sáng đỏ ($630\text{--}700\text{ nm}$).
  3. Thiết lập quy trình bọc vỏ silica và liên hợp hóa bề mặt, chế tạo thành công hai hệ phức hợp nano y sinh $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica/TPGS$ và $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$ có độ phân tán trong môi trường lỏng và duy trì tính chất phát quang chuyển đổi ngược.
  4. Ứng dụng phức hợp $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$ làm đầu dò huỳnh quang đánh dấu thành công dòng tế bào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang trên kính hiển vi huỳnh quang soi ngược.

Kiến nghị và định hướng đề xuất

  • Tiếp tục tối ưu hóa quy trình liên hợp sinh học để nâng cao hiệu suất bắt cặp của phức hợp nano với các phân tử sinh học khác nhau.
  • Mở rộng nghiên cứu khả năng ứng dụng của hệ phức hợp $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ bọc silica trong các thử nghiệm đánh dấu chẩn đoán hình ảnh và dẫn truyền thuốc hướng đích trên các mô hình động vật (in vivo).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát thực nghiệm tổng hợp trong giới hạn nhiệt độ thủy nhiệt ($180^\circ\text{C}\text{--}200^\circ\text{C}$), sử dụng chất tạo khuôn mềm PEG và khảo sát tính chất phát quang dưới nguồn kích thích đơn bước sóng $980\text{ nm}$. Thử nghiệm đánh dấu tế bào ung thư mới dừng lại ở quy mô in vitro trên một dòng tế bào ung thư vú MCF7, chưa khảo sát trên các mô hình in vivo phức tạp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu giảm kích thước hạt que xuống kích thước nhỏ hơn nhằm tăng khả năng thâm nhập nội bào.
    • Mở rộng liên hợp hạt nano với các kháng thể đơn dòng hoặc các loại thuốc điều trị để phát triển hệ đa chức năng kết hợp chẩn đoán hình ảnh và trị liệu quang nhiệt/quang động (theranostics).

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Khoa học Vật liệu, Hóa vô cơ, Vật lý Quang học: Cung cấp tài liệu tham khảo về cơ chế phát quang chuyển đổi ngược (ESA, ETU), kỹ thuật tổng hợp thủy nhiệt điều khiển cấu trúc pha $\beta\text{-}NaYF_4$ bằng chất tạo khuôn mềm PEG và các phương pháp phân tích phổ XRD, FTIR, FESEM, PL.
  • Đối với các nhà nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Y Dược học: Cung cấp quy trình bọc vỏ silica, chức năng hóa amine/carboxyl và kỹ thuật ghép nối phối tử acid folic (FA) để chế tạo đầu dò huỳnh quang phục vụ kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang nhận dạng tế bào ung thư in vitro.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạng nền $\beta\text{-}NaYF_4$ được lựa chọn thay vì các mạng nền oxit hay pha $\alpha\text{-}NaYF_4$?

Mạng nền $NaYF_4$ có năng lượng phonon thấp ($370\text{ cm}^{-1}$), thấp hơn nhiều so với các nền oxit như $Y_2O_3$ ($600\text{ cm}^{-1}$) hay phosphate glass ($1200\text{ cm}^{-1}$), giúp hạn chế tối đa quá trình hồi phục không bức xạ. Đồng thời, pha lục giác $\beta\text{-}NaYF_4$ có cấu trúc tinh thể dị hướng, bền nhiệt hơn và cho hiệu suất phát quang chuyển đổi ngược cao hơn cấu trúc lập phương đẳng hướng $\alpha\text{-}NaYF_4$.

2. Vai trò của ion $Yb^{3+}$ và ion $Er^{3+}$ trong hệ vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ là gì?

Ion $Yb^{3+}$ đóng vai trò là chất tăng nhạy (sensitizer), có tiết diện hấp thụ quang lớn tại bước sóng $976\text{--}980\text{ nm}$ (chuyển dời $^2F_{7/2} \rightarrow ^2F_{5/2}$), hấp thụ photon kích thích và truyền năng lượng cộng hưởng (ETU) sang ion kích hoạt. Ion $Er^{3+}$ đóng vai trò là tâm kích hoạt (activator), tiếp nhận năng lượng từ $Yb^{3+}$ để chuyển lên các mức kích thích và phát xạ bức xạ chuyển đổi ngược ở vùng ánh sáng nhìn thấy gồm màu lục ($510\text{--}570\text{ nm}$) và màu đỏ ($630\text{--}700\text{ nm}$).

3. Kích thước và hình thái học của vật liệu tổng hợp được trong luận án có đặc trưng gì?

Vật liệu $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt hỗ trợ khuôn mềm PEG có hình thái dạng que (nanorod) đồng đều, chiều dài nằm trong khoảng $300\text{--}800\text{ nm}$ và đường kính trong khoảng $100\text{--}200\text{ nm}$, kết tinh ở pha cấu trúc hexagonal ($\beta$).

4. Phức hợp nano nào đã được thử nghiệm nhận dạng tế bào ung thư và kết quả ghi nhận ra sao?

Luận án đã chế tạo phức hợp nano y sinh $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$ (gắn phân tử hướng đích acid folic qua cầu nối silica). Khi ủ sinh học với dòng tế bào ung thư vú người MCF7 in vitro, phức hợp đã liên kết đặc hiệu với thụ thể folate trên bề mặt tế bào và được phát hiện rõ nét qua ảnh huỳnh quang phát xạ đỏ dưới kính hiển vi huỳnh quang soi ngược.

Kết luận

Luận án đã xây dựng quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}$ pha hexagonal dạng que bằng phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ khuôn mềm PEG. Dưới nguồn kích thích laser hồng ngoại $980\text{ nm}$, vật liệu thể hiện tính chất quang chuyển đổi ngược với dải phát xạ màu đỏ đặc trưng chiếm ưu thế. Luận án đã làm chủ quy trình bọc vỏ silica, chức năng hóa và liên hợp thành công phức hợp $NaYF_4:Yb^{3+}, Er^{3+}@silica\text{-}N=FA$, đồng thời thử nghiệm đánh dấu nhận dạng đặc hiệu dòng tế bào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang.