Luận án tiến sĩ về nanocubes AgSiO2 coreshell như nền tảng plasmonic cho phát hiện biomarker

• Tác giả: Nguyen Minh Kha
• Người hướng dẫn: Prof. Bing-Joe Hwang
• Trường học: National Taiwan University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Nanocubes AgSiO2 Coreshell: Nền tảng plasmonic đa chức năng cho phát hiện biomarker
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Taipei

Mục lục chi tiết

• Abstract
• Acknowledgement
• 1. Table of Contents
• 2. List of Figures
• 3. List of Tables
• 4. List of Acronyms
• 5. Overview about plasmonic technologies
• 5.1. Statement of the problem
• 5.2. Objective of the study
• 5.3. Significance of the study
• 5.4. Structure of the dissertation
• 6. A brief overview of SERS and MEPL
• 6.1. Light scattering and optical properties of metals
• 6.2. Normal Raman and surface-enhanced Raman scattering
• 6.3. Photoluminescence and metal-enhanced photoluminescence
• 7. The major concerns related to SERS and MEPL enhancements
• 7.1. Type of metal
• 7.2. Interacting objects, gaps, and coupled plasmon resonances
• 8. The research on SERS-MEPL bifunctional mode
• 8.1. Solutions for the integrated SERS and MEPL
• 8.2. Applications of SERS and MEPL
• 9. Controlling the fabrication of nanostructures for plasmonic applications
• 9.1. General nanofabrication techniques
• 9.2. Preparation of Ag nanostructures
• 9.3. Surface coating for protection of nanostructures
• 10. Materials and Methods
• 10.1. Fabrication of the plasmonic substrates
• 10.1.1. Synthesis of Ag NCs
• 10.1.2. Synthesis of Ag@SiO2 core-shell NCs
• 10.1.3. Fabrication of Ag@SiO2/f-Al2O3/e-Al and Ag@SiO2/Al2O3/Al substrates
• 10.1.4. Preparation of artificial urine
• 10.1.5. Preparation of SERS and MEPL measurements
• 10.2. Characterization and measurements
• 10.2.1. SERS and MEPL measurements
• 10.2.2. Calculation enhancement factor of the substrate
• 11. SERS and MEPL of Ag@SiO2 Nanocubes with Ultrathin Silica Shells
• 11.1. Results and discussion
• 11.1.1. Synthesis of Ag NCs
• 11.1.2. Ultra-coating silica shell for Ag NCs cores
• 11.1.3. The SERS and MEPL of the Ag@SiO2 NCs vs. Sensitivity and Stability of Bifunctional SERS-MEPL from the Mixture of Ag@SiO2 Nanocubes
• 12. Results and Discussion
• 12.1. Characterization of the Ag NCs and Ag@SiO2 NCs
• 12.2. Bifunctional SERS-MEPL activity of Ag@SiO2 NCs
• 12.3. The stability for dual SERS-MEPL activity
• 12.4. Direct label-free SERS-MEPL detection of the mixture of creatinine and flavin adenine dinucleotide
• 13. A Plasmonic Coupling Substrate Based on Ag@SiO2/f-Al2O3/e-Al for Sensitive Detection of Biomarkers in Urine
• 13.1. Results and discussion
• 13.1.1. Fabrication of the substrates and their characterization
• 13.1.2. SERS and MEPL activities of the substrates
• 13.1.3. Urinary biomarkers detection
• 14. Conclusion and Future Perspectives

Tóm tắt

I. Giới thiệu về công nghệ plasmonic

Công nghệ plasmonic đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu sinh học và y học. Nanocubes AgSiO2 với cấu trúc Coreshell mang lại khả năng phát hiện biomarker một cách nhạy bén. Sự kết hợp giữa tính chất plasmon và các ứng dụng trong y học đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát hiện và chẩn đoán bệnh. Các nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu nano có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của các phương pháp chẩn đoán hiện tại. Đặc biệt, việc sử dụng AgSiO2 trong các ứng dụng này cho phép phát hiện các biomarker như creatinine và flavin adenine dinucleotide (FAD) trong nước tiểu, mang lại phương pháp chẩn đoán không xâm lấn và chi phí thấp.

1.1. Tính chất và ứng dụng của plasmonic

Plasmonic là một công nghệ quang học nhạy bén, cho phép phát hiện các tín hiệu quang học yếu thông qua phát hiện sinh học. Cảm biến sinh học dựa trên plasmonic có thể phát hiện các biomarker với độ nhạy cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng vật liệu plasmonic như Ag@SiO2 không chỉ cải thiện độ nhạy mà còn tăng cường độ ổn định của các cảm biến. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tương tác ánh sáng với các cấu trúc nano có thể tạo ra các điểm nóng plasmon, từ đó tăng cường tín hiệu SERS và MEPL, giúp phát hiện biomarker một cách hiệu quả.

II. Nghiên cứu về SERS và MEPL

Nghiên cứu về SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) và MEPL (Metal-Enhanced Photoluminescence) đã chỉ ra rằng việc kết hợp hai phương pháp này có thể tạo ra một nền tảng mạnh mẽ cho việc phát hiện biomarker. AgSiO2 với cấu trúc Coreshell cho phép tối ưu hóa cả hai hiệu ứng này, mang lại độ nhạy cao trong việc phát hiện các biomarker trong nước tiểu. Các thí nghiệm cho thấy rằng Ag NCs được tổng hợp bằng phương pháp polyol có thể cải thiện đáng kể hiệu suất SERS và MEPL khi được phủ một lớp silica mỏng. Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh độ dày của lớp silica có thể ảnh hưởng đến hiệu suất phát hiện.

2.1. Tính năng của Ag SiO2 trong phát hiện biomarker

Ag@SiO2 không chỉ cung cấp một nền tảng plasmonic mà còn cho phép phát hiện các biomarker như creatinine và FAD với độ nhạy cao. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất plasmon của Ag NCs có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh các tác nhân liên kết và độ dày của lớp silica. Kết quả cho thấy rằng Ag@SiO2 NCs có thể duy trì độ nhạy lên đến 90% sau 12 tuần lưu trữ, cho thấy tính ổn định của nền tảng này trong các ứng dụng thực tế.

III. Ứng dụng trong y học

Việc phát hiện biomarker trong y học là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ plasmonic. AgSiO2 Coreshell không chỉ giúp phát hiện các biomarker mà còn có thể được sử dụng trong các phương pháp chẩn đoán không xâm lấn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng cảm biến plasmonic có thể cải thiện độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện các biomarker trong nước tiểu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các công nghệ mới trong chẩn đoán bệnh, đặc biệt là trong các lĩnh vực như ung thư và bệnh tiểu đường.

3.1. Tương lai của công nghệ plasmonic trong y học

Công nghệ plasmonic có tiềm năng lớn trong việc phát triển các phương pháp chẩn đoán mới. Việc kết hợp giữa công nghệ nano và cảm biến sinh học có thể tạo ra các công cụ chẩn đoán mạnh mẽ, giúp phát hiện sớm các bệnh lý. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các vật liệu plasmonic và phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện biomarker.