Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các chấm lượng tử bán dẫn (Quantum Dots - QDs) phát quang là các tinh thể nano có kích thước nhỏ hơn hoặc tương đương bán kính Bohr của exciton, thể hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử với dải hấp thụ rộng, phổ phát xạ hẹp, đối xứng và độ bền quang cao. Phần lớn các nghiên cứu trước đây tập trung vào hệ chấm lượng tử chứa Cadimi (CdSe, CdTe, CdS) được chế tạo trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ cao nhằm đạt hiệu suất phát quang lớn. Tuy nhiên, Cadimi là kim loại nặng độc hại thuộc nhóm A (cùng với Hg, Pb), quy trình tổng hợp trong pha hữu cơ phức tạp, tiêu tốn năng lượng, thải ra môi trường các chất độc hại và gặp nhiều trở ngại về độ tương thích sinh học khi ứng dụng trong y sinh.

Để khắc phục các hạn chế trên, hướng nghiên cứu phát triển các vật liệu nano phát quang không chứa Cadimi như Kẽm Selenua (ZnSe, độ rộng vùng cấm $E_g \approx 2,67 - 2,71\text{ eV}$) được tổng hợp trực tiếp trong môi trường nước (hóa học xanh) trở nên cấp thiết. Tuy vậy, các chấm lượng tử gốc kẽm tổng hợp trong pha nước thường có nhược điểm là dễ bị kết tụ, mật độ khuyết tật bề mặt cao và hiệu suất huỳnh quang thấp hơn đáng kể so với tổng hợp trong pha hữu cơ. Việc cải biến cấu trúc thông qua pha tạp kim loại chuyển tiếp (như Mangan - $\text{Mn}^{2+}$), bọc thêm lớp vỏ bảo vệ ZnS hoặc tạo cấu trúc đa lớp lõi/vỏ đệm/vỏ (ZnSe/ZnS:Mn/ZnS) kết hợp với các chất ổn định bề mặt thích hợp nhằm nâng cao cường độ huỳnh quang, độ phân tán và khả năng liên hợp sinh học trong pha nước chính là khoảng trống khoa học mà luận án lựa chọn giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe, ZnSe:Mn, ZnSe:Mn/ZnS và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS trong môi trường nước có sử dụng ba loại chất ổn định bề mặt: axit 3-mercaptopropionic (MPA), Polyethylene glycol (PEG) và hồ tinh bột (HTB).
  2. Khảo sát đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể, hình thái học, thành phần hóa học và các tính chất quang học của các hệ vật liệu nano chế tạo được.
  3. Đánh giá khả năng ứng dụng trong y sinh của hạt chấm lượng tử có cường độ phát quang cao nhất thông qua việc gắn kết với kháng thể nhằm phát hiện nhanh các chủng vi khuẩn gây bệnh gồm Escherichia coli O157:H7 và Staphylococcus aureus kháng Methicillin (MRSA).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Các hệ chấm lượng tử bán dẫn phát quang đơn thành phần, pha tạp và cấu trúc lõi/vỏ: ZnSe, ZnSe:Mn, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS.
    • Các chất hoạt hóa và ổn định bề mặt: axit 3-mercaptopropionic (MPA - phân tử nhỏ mạch thẳng ngắn mang nhóm -SH và -COOH), Polyethylene glycol (PEG - polymer mạch thẳng dài không ion hóa) và hồ tinh bột (HTB - polysaccharide tự nhiên gồm amylose và amylopectin).
    • Phức hợp sinh học giữa chấm lượng tử với Protein A và kháng thể đặc hiệu (QD-Ab); hai chủng vi khuẩn mục tiêu: vi khuẩn Gram âm E. coli O157:H7 và vi khuẩn Gram dương MRSA.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Nano và Phụ gia Dầu khí (Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng), Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội và Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), hoàn thành và bảo vệ năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tiền đề

Luận án đã phân tích và tổng hợp các công trình tiêu biểu trong và ngoài nước liên quan đến chấm lượng tử ZnSe, pha tạp kim loại và bọc lớp vỏ:

  • Nghiên cứu pha tạp kim loại vào ZnSe:
    • J. Suyver và cộng sự [137] chế tạo tinh thể nano ZnSe:$\text{Mn}^{2+}$ bằng phương pháp thủy nhiệt, chứng minh cường độ phát quang tăng tỷ lệ thuận với nồng độ ion $\text{Mn}^{2+}$.
    • Norris và cộng sự [138] tổng hợp ZnSe keo pha tạp $\text{Mn}^{2+}$, đạt hiệu suất huỳnh quang (PLQY) 22% ở 295 K và 75% ở nhiệt độ dưới 50 K.
    • Sheraz Gul và cộng sự [139] tổng hợp hạt nano ZnSe:Cu trong dung môi hữu cơ (ODE, TBP, ODA) ở 200°C trong 16 giờ; việc đồng pha tạp Cu và $\text{Al}^{3+}$ đã loại bỏ lỗ trống quanh vị trí Cu, kéo dài thời gian sống huỳnh quang từ 10 ns lên 600 ns.
    • Ruishi Xie và cộng sự [54] tổng hợp chấm lượng tử ZnSe:Fe trong nước dùng chất ổn định mercaptoacetic axit (MAA), thu được hạt kích thước trung bình 4 nm, cấu trúc lập phương với PLQY đạt 35%.
  • Nghiên cứu cấu trúc lõi/vỏ và đa lớp vỏ:
    • Vanessa Wood và cộng sự (2009) [152] chế tạo hạt ZnSe/ZnS:Mn/ZnS trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ 270°C, cho đỉnh phát quang tại bước sóng 590 nm ứng với chuyển dời $^{4}\text{T}{1} \rightarrow {^{6}\text{A}{1}}$ của ion $\text{Mn}^{2+}$, hiệu suất huỳnh quang đạt 65% (so chuẩn Rhodamine 610) ứng dụng trong linh kiện AC-TFEL.
    • Bohua Dong và cộng sự (2010) [153] tổng hợp ZnSe/ZnS trong nước sử dụng chất ổn định L-glutathione nhưng quy trình đòi hỏi phải tách rửa phức tạp giữa các bước.
    • Lin Yang và cộng sự (2013) [154] chế tạo chấm lượng tử lõi/vỏ ZnSe:Fe/ZnSe bằng phương pháp thủy nhiệt ở 120°C trong 15 giờ; sau khi bọc vỏ ZnSe, hiệu suất lượng tử tăng từ 16% lên 37%.
    • Cooper và cộng sự [155] nghiên cứu hạt nano ZnSe/ZnS pha tạp $\text{Cu}^{+}$ hoặc đồng pha tạp $\text{Cu}^{+}/\text{Al}^{3+}$, $\text{Cu}^{+}/\text{Ga}^{3+}$, $\text{Cu}^{+}/\text{In}^{3+}$ trong dung môi trioctylphosphine (TOP) ở 120°C trong 16 giờ, làm dịch chuyển đỉnh phát xạ từ 437 nm sang 517 nm và thụ động hóa các bẫy bề mặt.
    • Ehsan Soheyli và cộng sự (2017) [156] tổng hợp chấm lượng tử ZnSe:Fe/ZnSe trong nước dùng chất ổn định N-acetyl-L-cysteine (NAC), đánh giá hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn Gram dương và Gram âm.
    • Ramin Yousef và cộng sự (2018) [157] chế tạo cấu trúc ZnSe/graphene nhằm tăng cường hiệu suất quang xúc tác.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù đã có các công bố về chấm lượng tử ZnSe, phần lớn các quy trình phát huỳnh quang cao đều sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, nhiệt độ phản ứng cao ($>200^\circ\text{C}$), thời gian kéo dài hoặc quy trình tổng hợp trong nước đòi hỏi ly tâm, rửa tách trung gian phức tạp. Chưa có công trình nào nghiên cứu tổng thể, so sánh đồng thời ba hệ chất ổn định bề mặt (MPA, PEG, HTB) trong việc chế tạo chấm lượng tử cấu trúc phức hợp ZnSe/ZnS:Mn/ZnS hoàn toàn trong môi trường nước ở nhiệt độ thấp, đồng thời thử nghiệm trực tiếp khả năng liên hợp kháng thể để phát hiện hai chủng vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm là E. coli O157:H7 và MRSA.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Hiệu ứng giam giữ lượng tử và cấu trúc vùng năng lượng: Khi kích thước hạt bán dẫn nhỏ hơn bán kính Bohr exciton ($r \le a_B$), chuyển động của điện tử và lỗ trống bị giam giữ theo cả 3 chiều không gian, làm các vùng năng lượng liên tục chuyển thành các mức gián đoạn. Độ rộng vùng cấm hiệu dụng ($E_g$) tăng lên khi kích thước hạt giảm, gây ra hiện tượng dịch chuyển xanh (blue-shift) trên phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang.
  • Cấu trúc tinh thể của ZnSe và ZnS:
    • ZnSe tồn tại ở hai dạng: cấu trúc lập phương kẽm blende (sphalerite) bền ở nhiệt độ dưới 950°C với hằng số mạng $a = 5,65\text{ \AA}$, năng lượng vùng cấm $E_g = 2,67\text{ eV}$; và cấu trúc lục phương wurtzite bền ở nhiệt độ cao ($1020 - 1150^\circ\text{C}$).
    • ZnS có cấu trúc lập phương ($a = 5,41\text{ \AA}$, $E_g = 3,67 - 3,68\text{ eV}$). Sự sai lệch hằng số mạng nhỏ giữa ZnSe và ZnS ($\sim 4,2%$) cùng vùng cấm rộng hơn của ZnS cho phép tạo lớp vỏ bao bọc hoàn hảo, giam giữ hạt tải trong lõi và giảm thiểu ứng suất tại mặt tiếp giáp.
  • Cơ chế phát quang của ion $\text{Mn}^{2+}$: Ion $\text{Mn}^{2+}$ có cấu hình electron $3d^5$, khi thay thế vị trí của $\text{Zn}^{2+}$ trong mạng tinh thể tứ diện sẽ nhận năng lượng kích thích truyền từ exciton của mạng chủ ZnSe và phát xạ huỳnh quang màu vàng cam đặc trưng tại bước sóng khoảng $580 - 590\text{ nm}$ qua chuyển dời nội tại $^{4}\text{T}{1}(\text{G}) \rightarrow {^{6}\text{A}{1}}(\text{S})$.
Thông số vật lý - tinh thể Kẽm Selenua (ZnSe) Kẽm Sulfua (ZnS)
Cấu trúc tinh thể chính Lập phương kẽm blende Lập phương sphalerite
Hằng số mạng tinh thể ($a$) $5,65\text{ \AA}$ $5,41\text{ \AA}$
Độ rộng vùng cấm ($E_g$) ở nhiệt độ phòng $2,67 - 2,71\text{ eV}$ $3,67 - 3,68\text{ eV}$
Khối lượng phân tử $144,37\text{ g/mol}$ $97,47\text{ g/mol}$
Nhiệt độ nóng chảy $1793\text{ K}$ $2103\text{ K}$

Phương pháp tổng hợp thực nghiệm

Quy trình tổng hợp dựa trên phương pháp hóa keo trong pha nước (colloidal aqueous synthesis):

  • Tiền chất: Nguồn Zn từ $\text{ZnCl}_2$ hoặc $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$; nguồn Se được điều chế bằng cách khử bột Se kim loại bằng $\text{NaBH}_4$ trong nước tạo thành dung dịch $\text{NaHSe}$; nguồn Mn từ muối mangan; nguồn S từ $\text{Na}_2\text{S}\cdot 9\text{H}_2\text{O}$.
  • Chất ổn định bề mặt: Axit 3-mercaptopropionic (MPA, Merck 99,0%), Polyethylene glycol (PEG, Merck 99,0%), và Hồ tinh bột (Merck 99,0%).
  • Điều kiện phản ứng: Nhiệt độ dao động từ 40°C đến 90°C, pH được điều chỉnh trong khoảng từ 7,0 đến 11,0 bằng dung dịch $\text{NaOH}$ hoặc $\text{NH}_3$, thời gian phản ứng từ 1 đến 5 giờ.

Các phương pháp phân tích, đặc trưng hóa vật liệu

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể, độ tinh thể hóa và kích thước hạt theo công thức Scherrer.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định các nhóm chức của chất hoạt hóa bề mặt liên kết trên bề mặt hạt nano (nhóm -COOH, -SH, C-O-C, O-H).
  • Phổ tán xạ Raman: Khảo sát các mode dao động mạng tinh thể của ZnSe, ZnS và cấu trúc pha tạp.
  • Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) và Phổ huỳnh quang (PL): Khảo sát bờ hấp thụ, xác định năng lượng vùng cấm và vị trí, cường độ đỉnh phát xạ huỳnh quang dưới nguồn kích thích bước sóng 365 nm.
  • Hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PLQY): Đo đạc và tính toán đối chiếu với dung dịch chất chuẩn Rhodamine B / Rhodamine 610.
  • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái học, kích thước hình học và độ phân tán của hạt nano.
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) và Phổ quang điện tử tia X (XPS): Xác định định tính, định lượng thành phần nguyên tố (Zn, Se, Mn, S, C, O) và trạng thái liên kết hóa học.
  • Kỹ thuật sinh học: Điện di gel Polyacrylamide (SDS-PAGE) kiểm tra khả năng gắn kết giữa chấm lượng tử với Protein A/kháng thể; đo dòng chảy tế bào (Flow Cytometry) xác định nồng độ liên kết tối ưu; soi kính hiển vi huỳnh quang phát hiện vi khuẩn E. coli O157:H7 và MRSA.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu nano và các hiệu ứng cơ bản gồm hiệu ứng giam giữ lượng tử, hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới 10 nm, tỷ số nguyên tử trên bề mặt ($n_s/n$) tăng vọt (hạt 1 nm có tới 82,2% tổng số nguyên tử nằm trên bề mặt), làm tăng năng lượng tự do bề mặt và số lượng liên kết lơ lửng, đòi hỏi phải sử dụng chất ổn định bề mặt.

Chương này trình bày chi tiết tính chất tinh thể, quang học của ZnSe, ZnS và cơ chế hoạt động của ba hệ chất bảo vệ bề mặt:

  1. Axit 3-mercaptopropionic (MPA): Đầu thiol (-SH) tạo liên kết phối trí bền vững với ion kẽm trên bề mặt hạt, đầu carboxyl (-COOH) hướng ra ngoài tạo độ tan trong nước và cung cấp vị trí liên kết đồng hóa trị với phân tử sinh học.
  2. Polyethylene glycol (PEG): Chuỗi polyether $\text{H-(O-CH}_2\text{-CH}_2)_n\text{-OH}$ có khả năng đóng vòng 5 cạnh và phối trí với ion kim loại chuyển tiếp, tạo lực cản lập thể chống kết tụ, có độc tính thấp và tương thích sinh học cao.
  3. Hồ tinh bột (HTB): Polysaccharide tự nhiên thân thiện môi trường gồm amylose mạch thẳng (liên kết $\alpha$-1,4-glycoside) và amylopectin phân nhánh (liên kết $\alpha$-1,4 và $\alpha$-1,6-glycoside), có khả năng bọc cấu trúc nano, dễ phân hủy sinh học và an toàn.

Chương 1 cũng tổng kết các phương pháp tổng hợp nano (thủy nhiệt, đồng kết tủa, sol-gel, hóa keo) và phân tích nguyên lý hình thành cấu trúc lõi/vỏ đệm/vỏ nhằm thụ động hóa các bẫy khuyết tật bề mặt, giải tỏa ứng suất mạng do bất đối xứng hằng số mạng giữa ZnSe và ZnS.

CHƯƠNG 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết cao (Merck, Trung Quốc), trang thiết bị và quy trình thực nghiệm tổng hợp các hệ hạt nano trong môi trường nước:

  • Hệ chất ổn định MPA: Tổng hợp ZnSe-MPA ở 90°C, pH 7; pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ ở các tỷ lệ mol $1% - 10%$ tạo ZnSe:Mn-MPA; bọc lớp vỏ ZnS tạo ZnSe:Mn/ZnS-MPA; và phát triển cấu trúc ba lớp ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA.
  • Hệ chất ổn định PEG: Tổng hợp hạt nano ZnSe-PEG, pha tạp Mn tạo ZnSe:Mn-PEG, tạo cấu trúc ZnSe:Mn/ZnS-PEG và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-PEG ở nhiệt độ khảo sát thích hợp.
  • Hệ chất ổn định Hồ tinh bột (HTB): Tổng hợp ZnSe-HTB, ZnSe:Mn-HTB, ZnSe:Mn/ZnS-HTB và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-HTB ở nhiệt độ 40°C.

Chương này cũng thiết lập quy trình ghép nối sinh học: sử dụng chất hoạt hóa 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) để tạo liên kết peptide giữa nhóm carboxylate trên bề mặt chấm lượng tử với Protein A, sau đó liên hợp với kháng thể đặc hiệu kháng vi khuẩn E. coli và kháng thể kháng MRSA; tiến hành điện di SDS-PAGE, phân tích Flow Cytometry và quan sát huỳnh quang trên mẫu giả định.

CHƯƠNG 3. Kết quả và biện luận

Phần A: Khảo sát hệ chất ổn định bề mặt axit 3-mercaptopropionic (MPA)

  • ZnSe-MPA: Giản đồ XRD xác nhận cấu trúc lập phương kẽm blende với các mặt phản xạ (111), (220), (311). Phổ FT-IR cho thấy sự biến mất của dao động kéo dãn liên kết S-H (ở vùng $\sim 2560\text{ cm}^{-1}$), chứng minh nhóm thiol đã liên kết cộng hóa trị với ion $\text{Zn}^{2+}$ trên bề mặt hạt. Phổ UV-Vis và PL cho thấy thời gian phản ứng 3 giờ ở 90°C và pH 7 cho huỳnh quang phát xạ bờ vùng cấm rõ nét ở vùng ánh sáng xanh lam ($\sim 430 - 450\text{ nm}$).
  • ZnSe:Mn-MPA: Khi pha tạp $\text{Mn}^{2+}$, phổ PL xuất hiện đỉnh phát xạ mạnh tại bước sóng $\sim 585\text{ nm}$ đặc trưng cho chuyển dời $^{4}\text{T}{1} \rightarrow {^{6}\text{A}{1}}$ của $\text{Mn}^{2+}$. Nồng độ pha tạp tối ưu đạt được là 5% mol $\text{Mn}^{2+}/\text{Zn}^{2+}$. Ảnh TEM cho thấy hạt có hình cầu phân tán tương đối đều, kích thước trung bình khoảng $3,5 - 4,0\text{ nm}$. Phổ EDS xác nhận sự có mặt đồng thời của các nguyên tố Zn, Se, Mn, S, C, O.
  • ZnSe:Mn/ZnS-MPA và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA: Việc bọc thêm lớp vỏ ZnS làm tăng cường độ phát quang do các bẫy điện tử trên bề mặt được thụ động hóa. Đặc biệt, cấu trúc ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA (lõi ZnSe, vỏ đệm ZnS pha tạp Mn, vỏ ngoài ZnS) cho cường độ huỳnh quang vượt trội; phổ XPS xác nhận các trạng thái liên kết đặc trưng của $\text{Zn } 2p$, $\text{Se } 3d$, $\text{Mn } 2p$ và $\text{S } 2p$.

Phần B: Khảo sát hệ chất ổn định bề mặt Polyethylene glycol (PEG)

  • ZnSe-PEG và ZnSe:Mn-PEG: Hạt ZnSe-PEG thể hiện phổ phát quang vùng xanh lam. Khi pha tạp 5% $\text{Mn}^{2+}$, hạt ZnSe:5%Mn-PEG phát xạ mạnh ở bước sóng $\sim 588\text{ nm}$. Phổ FT-IR ghi nhận các dải hấp thụ đặc trưng của PEG như dao động kéo dãn C-O-C ($\sim 1100\text{ cm}^{-1}$) và O-H ($\sim 3450\text{ cm}^{-1}$). Kích thước hạt trung bình qua ảnh chụp TEM đạt khoảng $4,2\text{ nm}$.
  • ZnSe:Mn/ZnS-PEG và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-PEG: Quá trình bọc lớp vỏ ZnS làm tăng mạnh hiệu suất huỳnh quang. Phổ PL của mẫu cấu trúc đa lớp ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-PEG duy trì đỉnh phát xạ vàng cam bền vững dưới nguồn kích thích UV 365 nm, độ rộng nửa phổ hẹp và độ ổn định keo kéo dài.

Phần C: Khảo sát hệ chất ổn định bề mặt Hồ tinh bột (HTB)

  • ZnSe-HTB và ZnSe:Mn-HTB: Với hệ hồ tinh bột, phản ứng diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ thấp (40°C). Nồng độ pha tạp tối ưu của $\text{Mn}^{2+}$ trong hệ HTB là 3% mol. Giản đồ XRD giữ nguyên cấu trúc lập phương kẽm blende, không làm xuất hiện pha lạ của oxit mangan hay selenua mangan riêng biệt. Ảnh TEM cho thấy hạt nano có kích thước đồng đều khoảng $3,0 - 3,8\text{ nm}$.
  • ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB: Phổ Raman và phổ XPS xác nhận cấu trúc tinh thể và sự hình thành lớp vỏ ZnS. Hiệu suất huỳnh quang của các hạt bọc tinh bột đạt giá trị cao ở điều kiện tổng hợp 40°C, chứng minh hồ tinh bột đóng vai trò chất phân tán và bảo vệ sinh học tốt.
Hệ mẫu chấm lượng tử Chất ổn định Điều kiện tối ưu ($T$, pH, %Mn) Vị trí đỉnh phát xạ PL ($\lambda_{\text{max}}$) Kích thước hạt trung bình (TEM)
ZnSe-MPA MPA 90°C, pH 7,0 $\sim 440\text{ nm}$ (xanh lam) $3,2\text{ nm}$
ZnSe:5%Mn-MPA MPA 90°C, pH 7,0, 5% Mn $\sim 585\text{ nm}$ (vàng cam) $3,8\text{ nm}$
ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA MPA 90°C, pH 7,0, 5% Mn $\sim 585\text{ nm}$ (vàng cam) $4,5\text{ nm}$
ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG PEG 90°C, pH 7,0, 5% Mn $\sim 588\text{ nm}$ (vàng cam) $4,2\text{ nm}$
ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-PEG PEG 90°C, pH 7,0, 5% Mn $\sim 588\text{ nm}$ (vàng cam) $4,8\text{ nm}$
ZnSe:3%Mn-HTB Hồ tinh bột 40°C, pH 7,0, 3% Mn $\sim 580\text{ nm}$ (vàng cam) $3,5\text{ nm}$
ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB Hồ tinh bột 40°C, pH 7,0, 3% Mn $\sim 582\text{ nm}$ (vàng cam) $4,1\text{ nm}$

Phần D: Đánh giá khả năng ứng dụng trong y sinh của các hạt nano

  • Kiểm tra tương thích sinh học và liên hợp kháng thể: Kỹ thuật điện di SDS-PAGE xác nhận sự hình thành liên kết bền vững giữa hạt nano phát quang với Protein A và kháng thể đặc hiệu (Ab) mà không làm biến tính protein.
  • Tối ưu hóa tỷ lệ tương tác bằng Flow Cytometry: Phép đo dòng chảy tế bào xác định được tỷ lệ phối trộn nồng độ tối ưu giữa hạt nano phát quang (QD) và kháng thể (Ab), cho tín hiệu huỳnh quang phân tách rõ ràng giữa quần thể tế bào có gắn và không gắn đầu dò.
  • Phát hiện vi khuẩn mục tiêu: Phức hợp nano QD-Ab nhận diện và liên kết đặc hiệu trên màng tế bào của hai chủng vi khuẩn:
    • Vi khuẩn Gram âm Escherichia coli O157:H7.
    • Vi khuẩn Gram dương Staphylococcus aureus kháng Methicillin (MRSA).
    • Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang ghi nhận tín hiệu phát sáng mạnh, bao quanh định vị chính xác hình thái tế bào vi khuẩn trên các mẫu thử nghiệm giả lập.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công quy trình tổng hợp đồng thể trong môi trường nước (pha nước hoàn toàn) cho các cấu trúc chấm lượng tử không chứa Cadimi: ZnSe, ZnSe:Mn, ZnSe:Mn/ZnS và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS ở nhiệt độ thấp ($40 - 90^\circ\text{C}$), không cần qua các bước ly tâm và rửa trung gian phức tạp.
  2. Làm sáng tỏ ảnh hưởng của nồng độ pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ (tối ưu ở 3% đối với hồ tinh bột và 5% đối với MPA, PEG) cùng vai trò của lớp vỏ đệm ZnS:Mn và lớp vỏ bảo vệ ZnS trong việc hạn chế sự bất đối xứng hằng số mạng, thụ động hóa liên kết lơ lửng bề mặt và thúc đẩy quá trình truyền năng lượng từ exciton mạng chủ ZnSe sang tâm phát quang $\text{Mn}^{2+}$.
  3. Đánh giá và so sánh toàn diện cơ chế ổn định bề mặt của 3 nhóm chất: phân tử nhỏ mang nhóm chức kép (MPA), polymer tổng hợp mạch thẳng (PEG) và biopolymer tự nhiên (Hồ tinh bột), chứng minh khả năng kiểm soát kích thước hạt trong khoảng $3 - 5\text{ nm}$ với cấu trúc lập phương kẽm blende ổn định.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Đã chế tạo được phức hợp đầu dò sinh học huỳnh quang huỳnh quang nano (QD-Protein A-Kháng thể) có độ ổn định keo cao trong dung dịch đệm sinh lý PBS, tương thích sinh học tốt.
  2. Thiết lập quy trình phát hiện nhanh các chủng vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm (E. coli O157:H7 và MRSA) bằng kính hiển vi huỳnh quang và Flow Cytometry với độ nhạy và tính đặc hiệu cao, mở ra giải pháp thay thế các chấm lượng tử độc hại chứa Cadimi trong chẩn đoán y sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các thử nghiệm phát hiện vi khuẩn mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên các mẫu giả định (giả mẫu), chưa tiến hành phân tích trên các mẫu bệnh phẩm lâm sàng thực tế phức tạp (máu, dịch sinh học, mô sống).
  • Luận án chưa khảo sát sâu về động học phân hủy sinh học dài hạn và độc tính tế bào in vivo trên mô hình động vật sống đối với các hạt nano sử dụng chất ổn định PEG và MPA.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thử nghiệm phát hiện đồng thời nhiều tác nhân gây bệnh (vi khuẩn, virus, nấm) trong cùng một hệ mẫu bằng cách phối hợp các chấm lượng tử có bước sóng phát xạ khác nhau (đa màu).
  • Đánh giá độc tính tế bào chi tiết (in vitro MTT assay) và khảo sát quá trình chuyển hóa, đào thải của hạt nano in vivo để phục vụ các ứng dụng ghi ảnh phân tử và dẫn truyền thuốc hướng đích.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Khoa học vật liệu, Vật lý chất rắn, Quang điện tử và Quang tử, Hóa học vật liệu nano: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về tổng hợp keo trong pha nước, tính toán thông số mạng, đo đạc phổ huỳnh quang, XPS, Raman và kỹ thuật đánh giá hiệu suất lượng tử.
  • Nhà khoa học và chuyên gia công nghệ sinh học - y sinh: Tham khảo quy trình chức hóa bề mặt hạt nano bằng EDC, liên hợp Protein A với kháng thể đặc hiệu và phương pháp phân tích bằng Flow Cytometry cùng kính hiển vi huỳnh quang.
  • Cơ sở nghiên cứu và sản xuất vật liệu: Định hướng xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu phát quang thân thiện môi trường, chi phí thấp, không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn vật liệu ZnSe thay vì các chấm lượng tử truyền thống như CdSe hay CdTe?

Cadimi (Cd) trong CdSe/CdTe là kim loại nặng thuộc nhóm A có độc tính cao, quy trình tổng hợp truyền thống đòi hỏi dung môi hữu cơ độc hại ở nhiệt độ cao, gây ô nhiễm môi trường và cản trở ứng dụng sinh học. ZnSe là bán dẫn loại II-VI không chứa Cd, có độ rộng vùng cấm $2,67 - 2,71\text{ eV}$, ít độc hại, có thể tổng hợp trực tiếp trong nước ở nhiệt độ thấp, đáp ứng yêu cầu an toàn môi trường và tương thích sinh học.

2. Vai trò của ion $\text{Mn}^{2+}$ khi pha tạp vào mạng tinh thể ZnSe là gì?

Ion $\text{Mn}^{2+}$ đóng vai trò là tâm phát quang mới. Khi exciton hình thành ở mạng chủ ZnSe dưới tác dụng của nguồn kích thích, năng lượng được chuyển giao sang các mức năng lượng $3d^5$ của $\text{Mn}^{2+}$, tạo ra phát xạ huỳnh quang màu vàng cam tại bước sóng khoảng $580 - 590\text{ nm}$ qua chuyển dời $^{4}\text{T}{1} \rightarrow {^{6}\text{A}{1}}$, giúp tăng mạnh cường độ phát quang và hạn chế sự tự hấp thụ ánh sáng phát xạ.

3. Cấu trúc ba lớp ZnSe/ZnS:Mn/ZnS mang lại ưu điểm gì so với cấu trúc lõi đơn ZnSe:Mn?

Cấu trúc ZnSe/ZnS:Mn/ZnS gồm lõi ZnSe, lớp vỏ đệm ZnS pha tạp Mn và lớp vỏ ngoài ZnS. Cấu trúc này giúp giải tỏa ứng suất mạng do chênh lệch hằng số mạng giữa ZnSe ($5,65\text{ \AA}$) và ZnS ($5,41\text{ \AA}$), giảm thiểu mật độ bẫy khuyết tật bề mặt, ngăn chặn sự tắt quang do môi trường bên ngoài và nâng cao vượt bậc hiệu suất phát quang so với cấu trúc lõi đơn.

4. Điểm khác biệt trong việc sử dụng 3 chất ổn định bề mặt MPA, PEG và Hồ tinh bột là gì?

  • MPA: Phân tử nhỏ, đầu -SH liên kết ion kẽm, đầu -COOH tự do dễ dàng gắn liên kết peptide với Protein A/kháng thể qua phản ứng ghép EDC.
  • PEG: Polymer mạch thẳng không ion hóa, tạo hiệu ứng cản lập thể, chống kết tụ, có tính tương thích sinh học cao và hạn chế hấp phụ protein không đặc hiệu.
  • Hồ tinh bột (HTB): Polysaccharide tự nhiên, cho phép tổng hợp hạt nano thành công ở nhiệt độ thấp (40°C), an toàn sinh học tuyệt đối và dễ phân hủy sinh học.

5. Luận án đã phát hiện thành công những chủng vi khuẩn nào và bằng kỹ thuật gì?

Luận án đã liên hợp hạt chấm lượng tử với kháng thể đặc hiệu thông qua cầu nối Protein A để nhận diện và phát hiện thành công hai chủng vi khuẩn: vi khuẩn Gram âm Escherichia coli O157:H7 và vi khuẩn Gram dương Staphylococcus aureus kháng Methicillin (MRSA) bằng kỹ thuật đo dòng chảy tế bào (Flow Cytometry) và quan sát hình thái huỳnh quang dưới kính hiển vi huỳnh quang.

Kết luận

Luận án của tác giả Bùi Thị Diễm đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu tổng hợp thành công các hệ chấm lượng tử phát quang không chứa Cadimi ZnSe, ZnSe:Mn, ZnSe:Mn/ZnS và ZnSe/ZnS:Mn/ZnS trong môi trường nước bằng phương pháp hóa keo thân thiện môi trường sử dụng ba chất ổn định bề mặt MPA, PEG và hồ tinh bột. Các kết quả đặc trưng cấu trúc (XRD, TEM, FT-IR, XPS, Raman) và tính chất quang (UV-Vis, PL) đã khẳng định tính ưu việt của cấu trúc đa lớp trong việc thụ động hóa bẫy bề mặt và nâng cao cường độ phát quang tại bước sóng $580 - 590\text{ nm}$. Công trình đã chứng minh tính khả thi cao trong việc gắn kết chấm lượng tử với kháng thể đặc hiệu để phát hiện nhanh hai chủng vi khuẩn nguy hiểm E. coli O157:H7 và MRSA, đóng góp giá trị khoa học và thực tiễn quan trọng cho lĩnh vực vật liệu quang học và chẩn đoán y sinh.