Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về dây nano.
Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong số những lĩnh vực đó thì từ y sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã đƣợc dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã đƣợc phát triển, nhƣ phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng nhƣ một loạt các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng.
Hầu hết các hạt từ tính sử dụng có dạng hình cầu, thƣờng bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá các phối tử độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện nhiều chức năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta cần phải tuân thủ một số điều kiện nhƣ: phải điều khiển môi trƣờng hoá học hoặc giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trƣờng hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã đƣợc tính đến.
Dây nano từ tính là một dạng của hạt từ tính. Dây nano còn gọi là thanh nano, có cấu trúc dị hƣớng gần nhƣ một chiều với tỷ số giữa đƣờng kính và chiều dài rất cao[3]. Các dây nano từ tính sở hữa các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối là hạt hình phỏng cầu và màng mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính đƣợc sử dụng trong sinh y là các thanh kim loại hình trụ đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp điện hoá trên các tấm xốp có các lỗ kích thƣớc nano.
Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến 500 nm, chiều dài của chúng có thể đƣợc kiểm soát lên tới 60 µm. Cần lƣu ý rằng cả dây nano từ đơn thành phần và dây nano từ nhiều đoạn đều đƣợc sử dụng rộng rãi trong cả nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế. Có thể biến đổi các tính chất từ quan trọng nhƣ nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trƣờng bão hòa, từ dƣ, định hƣớng trục dễ từ 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu hoá bằng cách thay đổi đƣờng kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/ không từ tính của dây nano nhiều đoạn[5]. Nhiều nỗ lực đã đƣợc thực hiện để phát triển các phƣơng pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể ứng dụng đƣợc trong các lĩnh vực khác.
Các dây nano tạo mảng và phân tán. Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều đƣợc sử dụng ở dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc.1(a) chỉ ra một ví dụ về mảng dây nano Ni có đƣờng kính khoảng 200 nm. Cần lƣu ý rằng dây nano Ni biểu diễn trên hình 1.1(a) đƣợc tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên.1(b) biểu diễn dây nano Co phân tán rời rạc có đƣờng kính 70nm. Trong các ứng dụng y sinh, các dây nano thƣờng bị treo lơ lửng trong các dung dịch[1,2].1: (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm.
12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu 1. Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp.2:(a) Dây nano Ni một đoạn ; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn; (c) Dây nano nhiều lớp Co-Cu. Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã đƣợc nghiên cứu chuyên sâu, cũng do đó mà các nhà nghiên cứu đã khám phá đƣợc nhiều chức năng vốn có của chúng[7].2(a) biểu diễn một phần dây nano Ni một đoạn. Cần lƣu ý rằng, dây nano một đoạn có thể đƣợc làm từ nguyên tố đơn lẻ nhƣ kim loại, hợp kim hoặc oxit.2(b) biểu diễn một phần dây nano Ni - Au hai đoạn.
Tầm quan trọng của dây nano từ tính. Một số ứng dụng của dây nano từ tính. Những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano đƣợc các nƣớc trên thế giới quan tâm phát triển nhằm hƣớng tới phục vụ đời sống. Những tính chất ƣu việt của vật liệu nano đã giúp cho những vật liệu có rất nhiều ứng dụng quan trọng.
13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu 1. Thao tác phân tử sinh học. Các dây nano từ tính có thể đƣợc sử dụng trong phân tách các phân tử sinh học hiệu suất cao. Cả các dây nano từ tính một đoạn và dây nano từ tính nhiều đoạn đều đƣợc sử dụng để phân tách tế bào.
Nói chung, các dây nano từ tính tốt hơn các hạt nano từ tính trong việc phân tách tế bào. Có thể thao tác các phân tử sinh học bằng cách sử dụng các dây nano từ tính dƣới tác động của từ trƣờng ngoài, điều này là cơ sở của nhiều ứng dụng y sinh của các dây nano từ tính.3 là trƣờng hợp phân tách tế bào bằng cách sử dụng các dây nano nhiều đoạn[9].3: Sơ đồ phân tách các protein His đã được đánh dấu từ các protein chưa được đánh dấu (a) và (b) phân tách các kháng thể poly–His từ các kháng thể khác. Hệ thống cảm biến sinh học treo. Nhƣ biểu diễn trên hình 1.2, có thể sử dụng các dây nano nhiều lớp nhƣ một chất nền trong bộ điều khiển cảm biến sinh học để xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian.
Dây nano nhiều lớp bao gồm các lớp submicrometer của các kim loại khác nhau, và thông thƣờng đƣợc tổng hợp bằng cách mạ điện trong khuôn oxit nhôm 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu xốp. Nhiều biến đổi có thể xảy ra trong tổng hợp các dây nano, một số lƣợng lớn các dây nano đƣợc mã hóa có thể nhận biết dễ dàng chứa trong một mẫu mảng nhiều lớp. Tok và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng của các dây nano kim loại nhiều lớp trong mẫu treo cho xét nghiệm miễn dịch nhanh và chính xác[15].4: (a) Sự tương tự giữa một mã vạch tiêu chuẩn và một đoạn dây nano kim loại được mã hóa. (b) Sơ đồ xét nghiệm miễn dịch tầng trung gian được thực hiện trên một dây nano.
Phân phối gen. Phân phối gen bằng cách sử dụng các dây nano từ tính nhiều đoạn có rất nhiều thuận lợi. Các tính chất của các hệ thống phân phối gen thông thƣờng có thể không đƣợc kiểm soát trên quy mô nano, chúng bị giới hạn bởi hiệu quả chuyển nạp tƣơng đối thấp của chúng, giới hạn khả năng của hệ thống để kết hợp DNA ngoại lai bên trong một tế bào mục tiêu[11]. Tuy nhiên, trong chế tạo dây nano nhiều đoạn, có thể kiểm soát chính xác vật liệu của mỗi đoạn và các tính chất của chúng ở quy mô kích thƣớc nano.
Hơn nữa, các dây nano nhiều đoạn có thể cung cấp các chức 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu năng khác nhau trong khu vực không gian xác định, và do đó có thể kiểm soát chính xác sự bố trí kháng nguyên và sự kích thích của các phản ứng miễn dịch nhiều lớp.5: Chức năng hóa của các dây nano Au - Ni[9]. Dây nano được ủ với AEDP. Đoạn Ni liên kết với nhóm muối của axit cacbonxylic. Plasmit liên kết với nhóm amin có thêm một proton của AEDP.
Plasmit bất động bề mặt được cô đọng bằng CaCl2. Đoạn Au liên kết chọn lọc với transferring hodamine-tagged. đã nghiên cứu việc ứng dụng của các dây nano Au/Ni tổng hợp tĩnh điện cho mục đích điều trị[9].5 cho thấy các phƣơng pháp cho plastic DNA liên kết có chọn lọc và protein liên kết với các dây nano Au/Ni. Sau khi các dây nano đƣợc di chuyển ra khỏi mẫu, đoạn Ni của dây có chức năng với 3- [(2-aminoethyl) dithiol] – axit propionic (AEDP) thông qua đuôi axit cacbonxylic của nó.
Plasmit DNA sau đó liên kết tĩnh điện với các nhóm amin có thêm một proton của AED. Đoạn Au của dây nano sau đó có chức năng với transferrin (transferring là một protein tế bào mục tiêu và bị biến đổi hoá học với thiol). 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu 1. Các mũi kính hiển vi đầu dò quét có độ phân giải cao.
Độ phân giải của kính hiển vi đầu dò quét phụ thuộc nhiều vào dạng hình học và độ sắc nét của mũi (tip). Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) kích hoạt bằng các đầu ống nano cacbon (CNT). Mặt khác, khi dùng mũi kim loại có tính chất dẫn mạnh cho ta AFM dẫn điện (còn gọi là kính hiển vi lực điện, EFM), kính hiển vi quét điện thế bề mặt (SSPM), và kính hiển vi lực từ (MFM). Ví dụ, các mũi CNT có thể thu đƣợc bằng cách lắng đọng hơi hóa học từ một hạt chất xúc tác ở đầu và đƣợc dùng làm mũi cho AFM.
Các mũi kim loại khác có thể đƣợc chế tạo bằng cách khắc điện hóa một dây/mũi kim loại, phủ vật lý mũi CNT hoặc bằng cách tự lắp ráp.6 mô tả một ví dụ về mũi dây nano Co và sử dụng nó trong việc tạo ảnh của hiển vi lực từ (MFM). Độ phân giải của MFM phụ thuộc vào đƣờng kính của dây. Vì vậy, ta có thể cải thiện độ phân giải của MFM bằng cách giảm đƣờng kính dây. 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Thu 1.
Dán nhãn sinh học. Có lẽ ứng dụng đơn giản nhất của các dây nano kim loại (MNWs) nhiều đoạn là trong trƣờng hợp dán nhãn sinh học. Dây đƣợc tạo thành từ kim loại có tính chấp nhận sự cộng hƣởng gen nguyên sinh mạnh nhƣ Au, Ag và Cu. Các đoạn Ag nhìn sáng hơn trong (a) và tối hơn trong (b), (c) hình ảnh quang học của dây nano 3 kim loại[3].