Luận án tiến sĩ: Vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ ứng dụng y sinh

Nghiên cứu chế tạo và phân tích tính chất vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ ứng dụng trong công nghệ tiên tiến. Tìm hiểu cấu trúc, hiệu suất quang học và

• Tác giả: Phạm Thị Liên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hường
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ ứng dụng y sinh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan vật liệu nano GdPO4 Tb3 và Gd2O3 Eu3

Vật liệu nano đất hiếm GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu ứng dụng y sinh nhờ đặc tính quang học vượt trội. GdPO4 (Gadolinium Phosphate) và Gd2O3 (Gadolinium Oxide) là các vật liệu nền lý tưởng do khả năng tương thích sinh học và độ bền hóa học cao. Khi được pha tạp ion đất hiếm Tb3+ (Terbium) và Eu3+ (Europium), chúng thể hiện các dải phát xạ sắc nét trong vùng khả kiến nhờ cấu hình điện tử 4f đặc biệt. Các ion đất hiếm này tạo ra hiệu ứng huỳnh quang mạnh mẽ, phù hợp cho các ứng dụng chẩn đoán hình ảnh y tế. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu nano để nâng cao hiệu suất quang học.

1.1. Đặc tính quang học của ion đất hiếm Tb3

Ion Tb3+ trong cấu trúc GdPO4 tạo ra các dải phát xạ đặc trưng tại bước sóng 490 nm, 545 nm, 585 nm và 620 nm tương ứng với chuyển dịch 5D4→7F6, 5D4→7F5, 5D4→7F4 và 5D4→7F3. Các phát xạ này nằm trong vùng khả kiến, đặc biệt mạnh tại 545 nm (màu xanh lục). Đặc tính này xuất phát từ cấu hình điện tử 4f5 của Tb3+, nơi các mức năng lượng không bị ảnh hưởng bởi môi trường nền do lớp vỏ 5s25p6 bảo vệ. Hiệu ứng tách mức năng lượng Stark trong trường tinh thể giúp mở rộng dải phát xạ, cải thiện độ nhạy trong ứng dụng y sinh.

1.2. Tính chất quang của vật liệu Gd2O3 Eu3

Gd2O3 pha tạp Eu3+ thể hiện dải phát xạ đỏ mạnh tại 612 nm (5D0→7F2) và 590 nm (5D0→7F1), cùng các vạch yếu tại 580 nm, 650 nm. Sự xuất hiện của các vạch phát xạ không đối xứng (5D0→7F2) là dấu hiệu của sự phá vỡ đối xứng cục bộ trong cấu trúc tinh thể. Eu3+ trong Gd2O3 có thời gian sống huỳnh quang kéo dài, thuận lợi cho các ứng dụng ghi nhãn sinh học. Khả năng điều chỉnh cường độ phát xạ thông qua nồng độ pha tạp giúp tối ưu hóa hiệu suất cho từng mục đích ứng dụng.

II. Phân tích thách thức trong chế tạo vật liệu nano

Chế tạo vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ đối mặt nhiều thách thức về kiểm soát kích thước, hình thái và tính đồng nhất. Các phương pháp tổng hợp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc duy trì độ tinh khiết pha tạp do sự phân tách pha không mong muốn. Đặc biệt, việc phân bố đồng đều ion Tb3+ và Eu3+ trong mạng tinh thể GdPO4 và Gd2O3 đòi hỏi điều kiện nhiệt độ và pH nghiêm ngặt. Ảnh hưởng của tạp chất từ nguyên liệu đầu vào có thể làm giảm hiệu suất quang học. Ngoài ra, khả năng tái lập quy trình chế tạo trên quy mô lớn vẫn là trở ngại lớn trong nghiên cứu ứng dụng thực tế.

2.1. Khó khăn trong kiểm soát kích thước hạt nano

Kích thước hạt nano ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang học do hiệu ứng bề mặt. Các hạt có kích thước dưới 100 nm thường thể hiện hiệu ứng huỳnh quang mạnh hơn do tăng diện tích bề mặt. Tuy nhiên, việc duy trì kích thước đồng đều trong quá trình tổng hợp thủy nhiệt hoặc sol-gel gặp nhiều khó khăn do sự phụ thuộc vào tốc độ kết tinh. Sự khác biệt về tốc độ hình thành mầm tinh thể dẫn đến phân bố kích thước rộng, làm giảm hiệu suất phát quang tổng thể.

2.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính chất quang

Tạp chất từ nguyên liệu đầu vào (như Fe3+, Cu2+) có thể gây ra hiện tượng tắt huỳnh quang thông qua cơ chế tái hấp thụ năng lượng. Đặc biệt, ion Fe3+ tạo ra các mức năng lượng trung gian, thúc đẩy quá trình tái hợp không bức xạ. Trong GdPO4:Tb3+, tạp chất có thể chiếm chỗ ion Tb3+ trong mạng tinh thể, làm giảm mật độ tâm phát quang. Kiểm soát độ tinh khiết của nguyên liệu đầu vào là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu nano tiên tiến

Để khắc phục các thách thức nêu trên, nghiên cứu ứng dụng phương pháp thủy nhiệt kết hợp với xử lý nhiệt sau tổng hợp. Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt thông qua điều chỉnh nhiệt độ (150–220°C) và thời gian phản ứng (12–48 giờ). Sử dụng dung môi hữu cơ (ethylene glycol) và chất hoạt động bề mặt (CTAB) giúp ổn định hạt nano, ngăn ngừa sự kết tụ. Sau tổng hợp, xử lý nhiệt ở 600–900°C trong môi trường khí trơ (Ar) giúp cải thiện độ tinh thể, tăng cường hiệu suất quang học. Kết hợp phương pháp này với phân tích XRD, TEM và quang phổ huỳnh quang đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.1. Quy trình thủy nhiệt tổng hợp GdPO4 Tb3

Nguyên liệu ban đầu gồm Gd(NO3)3, (NH4)2HPO4, Tb(NO3)3 được hòa tan trong dung môi ethylene glycol. Dung dịch được khuấy đều ở 80°C trong 30 phút trước khi chuyển vào autoclave thủy nhiệt. Phản ứng diễn ra ở 180°C trong 24 giờ, tạo thành tiền chất hạt nano. Sau khi rửa sạch bằng ethanol, sản phẩm được sấy khô ở 80°C rồi nung ở 700°C trong 2 giờ. Kết quả XRD cho thấy cấu trúc monoclinic của GdPO4, trong khi TEM xác nhận kích thước hạt 30–50 nm.

3.2. Tổng hợp Gd2O3 Eu3 bằng phương pháp sol gel

Gd2O3:Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng Gd(NO3)3, Eu(NO3)3 và axit citric làm chất tạo phức. Dung dịch được khuấy ở 60°C cho đến khi tạo thành gel trong suốt. Gel sau đó được sấy khô ở 120°C rồi nung ở 800°C trong 4 giờ. Kết quả phân tích SEM cho thấy cấu trúc xốp với kích thước hạt 50–100 nm. Phương pháp này cho phép kiểm soát nồng độ Eu3+ từ 1–10% mol, tối ưu hóa cường độ phát xạ đỏ.

IV. Kết luận và định hướng ứng dụng y sinh

Nghiên cứu đã thành công trong chế tạo vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ với hiệu suất quang học vượt trội. Các vật liệu thể hiện dải phát xạ sắc nét, thời gian sống huỳnh quang kéo dài, phù hợp cho ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y tế. GdPO4:Tb3+ thích hợp cho ghi nhãn tế bào nhờ phát xạ xanh lục mạnh, trong khi Gd2O3:Eu3+ lý tưởng cho ứng dụng phát hiện khối u do phát xạ đỏ đặc trưng. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng trong sinh học phân tử, y học tái tạo và liệu pháp quang động. Các bước tiếp theo tập trung vào thử nghiệm sinh học trên mô hình động vật.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong y sinh

Vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ có thể sử dụng làm chất tương phản trong chụp MRI nhờ ion Gd3+ có khả năng tăng cường tín hiệu. Ngoài ra, khả năng phát huỳnh quang giúp chúng trở thành ứng cử viên sáng giá cho kỹ thuật hình ảnh huỳnh quang (fluorescence imaging) trong phẫu thuật. Đặc biệt, Gd2O3:Eu3+ có thể tích hợp vào hệ thống phân phối thuốc thông minh, cho phép theo dõi vị trí giải phóng thuốc trong cơ thể.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo để nâng cao hiệu suất quang học và giảm thiểu chi phí sản xuất. Các phương pháp mới như tổng hợp bằng vi sóng hoặc điện hóa sẽ được khảo sát. Ngoài ra, việc phát triển hệ thống ghi nhãn đa chức năng kết hợp cả huỳnh quang và từ tính là hướng đi tiềm năng. Hợp tác quốc tế sẽ được thúc đẩy để đẩy nhanh quá trình ứng dụng lâm sàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM 1. Giới thiệu về vật liệu nano phát quang Khái niệm về vật liệu và công nghệ nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet (nm). Ở vùng kích thước này, một số vật liệu thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt lý thú và khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Nguyên nhân của sự khác biệt này là do: (i) các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn ở kích thước nano; (ii) hiệu ứng bề mặt trong các vật liệu nano trở nên đáng kể; và (iii) kích thước của vật liệu khi đó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật lý, hóa học.

Các tính chất, hiệu ứng mới này đã thúc đẩy việc nghiên cứu để tạo ra các loại vật liệu nano mới đáp ứng cho nhiều nhu cầu ứng dụng thực tiễn khác nhau. Việc phân loại vật liệu nano cũng chỉ mang tính tương đối. Tuy nhiên, để làm rõ lĩnh vực nghiên cứu thì việc phân loại các vật liệu nano là cần thiết [85]. - Phân loại theo tính chất của vật liệu - Phân loại theo hình dáng của vật liệu - Phân loại theo mục đích sử dụng của vật liệu - Dựa vào mục đích ứng dụng của các vật liệu nano, người ta có một số loại vật liệu nano sau: Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực điện tử Vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực quang học, quang điện tử và quang tử Vật liệu nano ứng dụng trong công nghiệp Vật liệu nano ứng dụng trong sinh học, y tế, nông nghiệp và môi trường Các tính chất đặc trưng của vật liệu nano Các tính chất đặc trưng cho bản chất của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nano.

Ngoài ra còn có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa … của vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước. Trong các vật liệu nano thì các hợp chất oxit kim loại thu hút được nhiều sự quan tâm nhất vì chúng sở hữu các tính chất nổi bật mang lại hiệu quả ứng dụng cao. Chẳng hạn như các oxit kim loại hỗn hợp với pha perovskit có các tính chất lý hóa 9 rất đặc biệt, như tính chất xúc tác, tính vận chuyển oxi, tính sắt từ, tính áp điện và cách điện. Do đó chúng được dùng để chế tạo các mạch vi điện tử, các thiết bị áp điện, các oxit, pin nhiên liệu, các chất xúc tác hay các lớp phủ chống ăn mòn… Sự phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu nano với hiệu suất cao, chi phí thấp có ý nghĩa hết sức quan trọng hiện nay vì nhiều lý do.

Vật liệu bột chứa các hạt nano rất thích hợp để chế tạo các màng mỏng, đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp điện tử. Hơn nữa, các hạt nano còn đóng vai trò quyết định trong xu hướng chung nhằm giảm kích thước của các thiết bị, làm cho chúng nhỏ gọn, có hiệu suất cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Để tổng hợp các vật liệu nano, hiện nay có hai cách tiếp cận chủ yếu. Cách tiếp cận thứ nhất là phương pháp vật lý từ trên xuống (top-down), tức là xuất phát từ các vật liệu kích cỡ micromet, sau đó làm giảm kích thước của chúng xuống kích thước nanomet [86].

Với cách tiếp cận này, vât liệu nano thường được chế tạo bằng kỹ thuật nghiềnhoặc quang khắc sử dụng các chùm ion, hạt, điện tử hoặc laser. Vật liệu thu được có kích thước cỡ nanomet. Cách tiếp cận này có ưu điểm là ổn định, dễ điều khiển và lặp lại. Tuy nhiên, cách tiếp cận này khá tốn kém và đòi hỏi phải có hệ thống máy móc thiết bị hiện đại.

Cách tiếp cận thứ hai là phương pháp hoá học từ dưới lên (bottom-up), tức là chủ yếu sử dụng các phản ứng hóa học để lắp ghép các đơn vị nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau nhằm thu được các cấu trúc nano [2]. Một số phương pháp hoá học điển hình như sol-gel, thủy nhiệt, khuôn mềm, đã được chứng minh là có khả năng để tạo ra các loại vật liệu nano mong muốn. Đặc điểm chính của các phương pháp này là khả năng điều khiển quá trình kết tủa, vì vậy mà các sản phẩm thu được có độ đồng đều cao, có thể điều khiển được hình dạng và kích thước dễ dàng. Ưu điểm của phương pháp bottom-up so với top-down là có tính linh động cao, vật liệu thu được có chất lượng tốt, độ đồng nhất cao, nên các vật liệu nano được chế tạo hiện nay thường sử dụng phương pháp bottom-up.

Phương pháp tổng hợp vật liệu dưới lên và từ trên xuống minh họa dưới hình 1. Mô hình minh họa phương pháp tổng hợp vật liệu từ dưới lên và từ trên xuống 1. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm 1. Đặc tính phát quang của hợp chất đất hiếm Tất cả các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm Lanta đều có phân lớp điện tử 4f chưa lấp đầy, được bao bọc bởi các điện tử phân lớp 5s2 và 5p6.

Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu liên quan đến chuyển dời của điện tử trong phân lớp 4f. Hơn nữa do được bảo vệ bởi điện tử ở phân lớp ngoài nên tính chất phát quang của ion đất hiếm ít bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh. Ngoài ra, 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. Do vậy, chúng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, thông tin quang học và y sinh.

Đất hiếm gồm có 17 nguyên tố [88], trong đó có 15 nguyên tố thuộc họ lantan từ La (nguyên tố số 57) đến Lu (nguyên tố số 71) và 2 nguyên tố khác là Sc (nguyên tố số 21) và Y (nguyên tố số 39). Các nguyên tố đất hiếm thuộc họ lantan được đặc trưng bởi lõi của khí trơ Xe và phân lớp điện tử 4f không được lấp đầy [15]. Sự giống nhau về tính chất giữa các nguyên tố họ lantan và các nguyên tố scandi, ytri dẫn đến sự sắp xếp tất cả các nguyên tố này vào cùng một nhóm (nhóm 11 đất hiếm) mặc dù cấu hình điện tử của hai nguyên tố này không chứa phân lớp 4f giống như các nguyên tố họ lantan [89, 90]. Cấu hình điện tử của các nguyên tố đất hiếm có cấu tạo điện tử các lớp ngoài 4fn5d0-16s2 (n=0-14) được trình bày cụ thể ở bảng 1.

Cấu hình điện tử của các nguyên tử đất hiếm ở trạng thái cơ bản [91] Cấu hình điện tử Nguyên tố STT Lý thuyết Thực tế Sc 21 [Ar] 3d14s2 [Ar] 3d14s2 Y 39 [Kr] 4d15s2 [Kr] 4d15s2 La 57 [Xe] 5d16s2 [Xe] 5d16s2 Ce 58 [Xe]4f1 5d16s2 [Xe] 4f2 6s2 Pr 59 [Xe]4f2 5d16s2 [Xe] 4f3 6s2 Nd 60 [Xe]4f3 5d16s2 [Xe] 4f4 6s2 Pm 61 [Xe]4f4 5d16s2 [Xe] 4f5 6s2 Sm 62 [Xe]4f5 5d16s2 [Xe] 4f6 6s2 Eu 63 [Xe]4f6 5d16s2 [Xe] 4f7 6s2 Gd 64 [Xe]4f7 5d16s2 [Xe] 4f7 5d16s2 Tb 65 [Xe]4f8 5d16s2 [Xe] 4f9 6s2 Dy 66 [Xe]4f9 5d16s2 [Xe] 4f10 6s2 Ho 67 [Xe]4f10 5d16s2 [Xe] 4f11 6s2 Er 68 [Xe]4f11 5d16s2 [Xe] 4f12 6s2 Tm 69 [Xe]4f12 5d16s2 [Xe] 4f13 6s2 Yb 70 [Xe]4f13 5d16s2 [Xe] 4f14 6s2 Lu 71 [Xe]4f14 5d16s2 [Xe] 4f14 5d16s2 Các ion hóa trị III có cấu hình điện tử lớp vỏ là 4fn5d0-15p6, trong đó n=0, 1, 2.14 được trình bày cụ thể ở bảng 1.2 cho thấy các ion Sc3+, Y3+, La3+ có cấu hình điện tử tương ứng với cấu hình các khí trơ Ar, Kr, Xe. Các ion họ lantan từ Ce3+ đến Lu3+ có thêm từ 1 đến 14 điện tử lần lượt được điền vào phân lớp 4f so với cấu hình điện tử của Xe. Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản của các ion đất hiếm Số J hiệu Nguyên tố Điện tử S L Mức cơ Ion Σ(L + nguyên tương ứng 4f Σs Σl bản S) tử 21 Sc3+ Ar 0 0 0 39 Y3+ Kr 0 0 0 57 La3+ Xe 4f0 0 0 0 58 Ce3+ Xe 4f1 1/2 3 5/2 2 F5/2 59 Pr3+ Xe 4f2 1 5 4 3 H4 60 Nd3+ Xe 4f3 3/2 6 9/2 4 I9/2 61 Pm3+ Xe 4f4 2 6 4 5 I4 62 Sm3+ Xe 4f5 5/2 5 5/2 6 H5/2 63 Eu3+ Xe 4f6 3 3 0 7 F0 64 Gd3+ Xe 4f7 7/2 0 7/2 8 S7/2 65 Tb3+ Xe 4f8 3 3 6 7 F6 66 Dy3+ Xe 4f9 5/2 5 15/2 6 H15/2 67 Ho3+ Xe 4f10 2 6 8 5 I8 68 Er3+ Xe 4f11 3/2 6 15/2 4 I15/2 69 Tm3+ Xe 4f12 1 5 6 3 H6 70 Yb3+ Xe 4f13 1/2 3 7/2 2 F7/2 71 Lu3+ Xe 4f14 0 0 0 Dãy Lanta bắt đầu từ Lantan với cấu hình điện tử ở trạng thái cơ bản [Xe]5d16s2. Khi số hiệu nguyên tử tăng lên, các điện tử được điền vào lớp 4f.

Lớp này sẽ đầy đủ hơn khi số nguyên tử tăng dần từ 58 (Ce) đến 71 (Lu). Quá trình ion hóa các nguyên tử đất hiếm xảy ra theo xu hướng cho đi các điện tử ở lớp 6s, 5d do đó khi tồn tại ở dạng ion, cấu hình điện tử lớp 4f vẫn được bảo toàn. Mặt khác, các electron ở lớp 4f được bảo vệ bởi lớp vỏ 5s25p6 để tránh khỏi những tác động của môi trường ngoài [15]. Kết quả, chúng làm cho các mức năng lượng của lớp 4f có những đặc tính sau: + Khá bền và ít chịu ảnh hưởng của vật liệu nền.

13 + Không bị phân tách bởi vật liệu nền. + Ít bị trộn lẫn với các mức năng lượng cao. Vì ít tương tác với vật liệu nền, nên ở cấu hình 4f tồn tại rất ít hoặc không tồn tại các mức dao động tương ứng với năng lượng dịch chuyển của photon và sự hồi phục không bức xạ từ các mức kích thích rất yếu. Nói cách khác cấu hình 4f có thể giúp hạn chế hiệu ứng phonon.

Do đặc tính quan trọng này khi sử dụng các ion đất hiếm, dịch chuyển quang học thường xảy ra tương ứng với dải phát xạ hẹp (vùng khí hiếm. ) của bước sóng và có hiệu suất cao hơn so với các ion thông thường [ 89, 91]. Khi xảy ra sự tương tác giữa momen động lượng quỹ đạo và momen động lượng spin, các mức năng lượng được hình thành tuân theo nguyên tắc Russell- Saunders.