Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 nhằm ứng dụng trong sinh học

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng ag 4atp fe3o4 bọc sio2 nhằm ứng dụng trong sinh học, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Thị Nhung
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Nam
• Trường học: Đại học quốc gia hà nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 nhằm ứng dụng trong sinh học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khoa học và công nghệ nano
• 1.2. Hạt nano từ Fe3O4
• 1.2.1. Phương pháp nghiền
• 1.2.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.2.3. Phương pháp vi nhũ tương
• 1.2.4. Ứng dụng của hạt nano từ Fe3O4
• 1.2.4.1. Phân tách và chọn lọc tế bào
• 1.2.4.2. Dẫn truyền thuốc
• 1.2.4.3. Tăng thân nhiệt cục bộ
• 1.2.4.4. Lọc Asen
• 1.3. Hạt nano bạc

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag 4ATP Fe3O4 bọc SiO2

Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực sinh học. Hạt nano không chỉ có kích thước nhỏ mà còn mang lại nhiều tính năng vượt trội. Việc bọc SiO2 giúp tăng cường tính tương thích sinh học và bảo vệ các hạt nano khỏi tác động của môi trường. Hơn nữa, các hạt nano này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, cảm biến và xử lý môi trường.

1.1. Hạt nano và ứng dụng trong sinh học

Hạt nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, cho phép chúng tương tác tốt với các phân tử sinh học. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng như đánh dấu tế bào, dẫn thuốc và cảm biến sinh học. Đặc biệt, hạt nano từ Fe3O4 có tính siêu thuận từ, giúp dễ dàng tách và chọn lọc tế bào trong nghiên cứu y sinh.

1.2. Tính chất của hạt nano Ag 4ATP Fe3O4

Hạt nano Ag-4ATP/Fe3O4 có nhiều tính chất nổi bật như tính dẫn điện tốt, khả năng phát quang và tính tương thích sinh học cao. Việc bọc SiO2 không chỉ bảo vệ hạt mà còn tăng cường khả năng tương tác với các phân tử sinh học, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y sinh.

II. Thách thức trong nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng

Mặc dù nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Một trong những vấn đề lớn là việc đảm bảo tính đồng nhất và kích thước của các hạt nano. Ngoài ra, quy trình sản xuất hạt nano cần phải được tối ưu hóa để giảm chi phí và tăng hiệu quả.

2.1. Vấn đề về tính đồng nhất của hạt nano

Tính đồng nhất của hạt nano là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của chúng. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano trong quá trình chế tạo là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp chế tạo chính xác và hiệu quả.

2.2. Chi phí sản xuất hạt nano

Chi phí sản xuất hạt nano vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong thực tiễn. Cần có các phương pháp chế tạo đơn giản và tiết kiệm hơn để giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo chất lượng.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano Ag 4ATP Fe3O4 bọc SiO2 hiệu quả

Phương pháp vi nhũ tương đảo được sử dụng để chế tạo hạt nano Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano một cách hiệu quả. Hơn nữa, việc sử dụng các chất hoạt hóa bề mặt giúp tăng cường tính đồng nhất và ổn định của hạt nano.

3.1. Quy trình vi nhũ tương đảo

Quy trình vi nhũ tương đảo bao gồm việc tạo ra các giọt nước trong dầu, nơi các hạt nano được hình thành. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt nano từ 4-12 nm với độ đồng nhất cao, giúp tăng cường tính năng của hạt nano trong ứng dụng sinh học.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện chế tạo

Để đạt được hạt nano có tính chất tốt nhất, cần tối ưu hóa các điều kiện như nồng độ chất hoạt hóa bề mặt, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Việc này không chỉ giúp cải thiện tính đồng nhất mà còn tăng cường khả năng tương tác của hạt nano với các phân tử sinh học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano Ag 4ATP Fe3O4 bọc SiO2 trong sinh học

Hạt nano Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, bao gồm dẫn thuốc, cảm biến sinh học và phân tách tế bào. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả điều trị mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học.

4.1. Dẫn thuốc và điều trị

Hạt nano có thể được sử dụng như các hạt mang thuốc, giúp tăng cường hiệu quả điều trị. Khi được gắn kết với thuốc, hạt nano có thể được tập trung tại vị trí cần thiết trong cơ thể nhờ vào từ trường, từ đó giải phóng thuốc một cách hiệu quả.

4.2. Cảm biến sinh học

Hạt nano Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 có thể được sử dụng trong các cảm biến sinh học nhờ vào tính nhạy cao và khả năng tương tác tốt với các phân tử sinh học. Điều này giúp phát hiện nhanh chóng và chính xác các chất chỉ thị trong các ứng dụng y sinh.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu hạt nano

Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực sinh học. Với những tính năng vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng, hạt nano này có thể góp phần quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới trong y sinh và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.1. Triển vọng nghiên cứu hạt nano trong tương lai

Nghiên cứu hạt nano sẽ tiếp tục phát triển với nhiều ứng dụng mới trong y sinh, môi trường và công nghệ. Việc cải tiến các phương pháp chế tạo và tối ưu hóa tính năng của hạt nano sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai.

5.2. Tác động của hạt nano đến sức khỏe con người

Mặc dù hạt nano mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng cần xem xét các tác động tiềm ẩn đến sức khỏe con người. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để đánh giá tính an toàn và hiệu quả của hạt nano trong các ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano trong y sinh học đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng vượt bậc với hơn 60 năm phát triển, đặc biệt là sự trỗi dậy của các hệ vật liệu tích hợp đa tính chất quang - từ. Trong chẩn đoán và điều trị bệnh học ở cấp độ tế bào, việc chế tạo các cấu trúc hạt nano lõi - vỏ truyền thống thường đòi hỏi điều kiện phòng sạch nghiêm ngặt, trang thiết bị phức tạp và chi phí sản xuất cao gấp 3 đến 5 lần so với vật liệu đơn chức năng. Hơn nữa, quá trình bọc vỏ đơn lẻ rất dễ làm triệt tiêu các đặc tính quý giá của vật liệu lõi hoặc gây khó khăn cho việc công nghiệp hóa quy mô lớn. Nhằm giải quyết rào cản này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý chất rắn tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc SiO2 bằng phương pháp vi nhũ tương đảo.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là tổ hợp thành công cụm hạt mang đồng thời hai tính chất then chốt: tính siêu thuận từ từ hạt Fe3O4 và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) từ hạt nano Ag chức năng hóa bởi phân tử 4-aminothiophenol (4-ATP), tất cả được bảo vệ trong lớp vỏ silica (SiO2) tương thích sinh học cao. Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn năm 2013 mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi tạo ra hệ vật liệu có kích thước cụm khoảng 150 nm, vỏ bọc silica mỏng chỉ 1 nm, từ độ bão hòa đạt 50.6 emu/g cùng hệ số tăng cường tín hiệu quang học từ 10^5 đến 10^6 lần. Kết quả này mở ra giải pháp vật liệu giá thành rẻ, hiệu quả vượt trội cho các quy trình tách chiết từ tính và đánh dấu quang phổ tế bào ung thư trong dải kích thước vi sinh từ 1 đến 5 µm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng các lý thuyết vật lý chất rắn và quang học bề mặt tiên tiến. Thứ nhất là lý thuyết siêu thuận từ (Superparamagnetism) đối với hạt nano oxit sắt từ Fe3O4. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn, năng lượng nhiệt thắng thế năng lượng dị hướng từ tinh thể theo hệ thức KV < 25 kBT (với K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt, kB là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối). Khi đó, vật liệu thể hiện độ cảm từ cực lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài nhưng có lực kháng từ Hc xấp xỉ bằng 0 và từ dư Mr triệt tiêu khi ngắt từ trường.

Thứ hai là lý thuyết cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) trên hạt nano kim loại quý. Dao động tập thể của các electron dẫn tự do tương tác đồng pha với điện trường sóng ánh sáng tới tạo ra sự phân cực lưỡng cực điện mạnh mẽ. Cường độ điện trường cục bộ tại bề mặt hạt nano bạc tăng vọt từ 10^5 đến 10^6 lần, khuếch đại mạnh mẽ các vạch tán xạ Raman không đàn hồi của các phân tử hấp phụ. Hệ thống khái niệm cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm: hiệu ứng siêu thuận từ, tán xạ Stokes - phản Stokes, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt, liên kết cộng hóa trị Ag-S và cấu trúc mixen đảo trong hệ vi nhũ tương nước trong dầu. Cấu trúc mạng tinh thể được đối sánh thông qua định luật Bragg (2d sinθ = nλ) và công thức tính kích thước tinh thể Debye - Scherrer (D = 0.9λ / B cosθ).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ việc tổng hợp và khảo sát các hệ mẫu hóa chất tinh khiết tại Trung tâm Khoa học Vật liệu. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các dung dịch hạt đơn lẻ Fe3O4 nồng độ 0.11 M và dung dịch Ag-4ATP nồng độ 0.016 M được phối trộn theo các tỷ lệ thể tích khác nhau (tỷ lệ 9/2 và 13.5/2) trong tổng thể tích pha ái nước cố định 20 ml. Phương pháp chọn mẫu phân chia theo tỷ lệ nồng độ được áp dụng có chủ đích nhằm đánh giá chính xác quy luật biến thiên từ tính và cường độ quang phổ khi tỷ phần oxit sắt thay đổi.

Quy trình phân tích sử dụng hệ thống thiết bị đo lường chuẩn hóa:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Siemens D5005, sử dụng bức xạ Cu-Kα1 với bước sóng λ = 1.54056 Å tại điện thế 35 kV, góc quét θ/2θ với bước đo 0.03° và thời gian dừng 1 giây/bước ở nhiệt độ 25°C. Phương pháp này được lựa chọn vì cho phép xác định chính xác cấu trúc mạng tinh thể và hằng số mạng.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoạt động tại thế gia tốc 80 kV đến 100 kV nhằm phân tích hình thái học, quan sát độ tương phản tán xạ điện tử và kích thước thực tế của hạt.
• Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) trên máy UV-2450PC dựa trên định luật Beer - Lambert để kiểm tra đỉnh cộng hưởng plasmon trong dải nồng độ từ 0.1 đến 10 ppm.
• Phổ SERS đo bằng chùm laser kích thích bước sóng 875 nm, điểm hội tụ 1 µm × 1 µm kết hợp đầu thu CCD camera để nhận diện các mode dao động phân tử.
• Từ kế mẫu rung (VSM) trong hệ đo PPMS với từ trường quét cực đại lên tới 9 Tesla để vẽ đường cong từ hóa M-H.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện thực nghiệm quan trọng:

• Thứ nhất, hạt nano Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa (tỷ lệ mol Fe3+/Fe2+ = 2 trong môi trường kiềm pH > 9 ở 70°C trong 20 phút) có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt nhóm không gian Fd3m. Giản đồ XRD xuất hiện 5 đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ là 30.2°, 35.3°, 43.2°, 53.2° và 57.2° tương ứng với các mặt mạng (220), (311), (400), (422) và (511). Hằng số mạng đo được đạt a = 8.442 Å (sai số 2.8%), kích thước hạt tính toán từ công thức Scherrer là 14.2 nm, hoàn toàn phù hợp với kích thước quan sát trên ảnh TEM phân bố tập trung từ 12 đến 13 nm.
• Thứ hai, hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp hóa khử (sử dụng 100 ml NaBH4 0.1 M khử 750 ml CH3COOAg 0.001 M với chất hoạt hóa bề mặt PVP nồng độ 50 g/l) có dạng gần cầu với kích thước 23 ± 2 nm theo XRD và 20 đến 25 nm theo TEM. Sau khi chức năng hóa với 40 ml dung dịch 4-ATP nồng độ 1 mM, phổ SERS ghi nhận đỉnh liên kết cộng hóa trị Ag-S sắc nét tại 392 cm^-1 cùng đỉnh dao động của nhóm amin tự do (-NH2) tại 1589 cm^-1.
• Thứ ba, hệ vi nhũ tương đảo (pha kị nước chứa 60 ml toluol, pha ái nước 20 ml, bổ sung 100 ml TEOS thủy phân qua rung siêu âm 4 giờ) đã tạo ra các cụm hạt đa chức năng được bọc kín bởi lớp vỏ silica mỏng 1 nm, kích thước tổng thể đạt khoảng 150 nm.
• Thứ tư, tính chất từ của tổ hợp hạt đa chức năng giảm dần theo tỷ lệ thể tích dung dịch Ag/Fe3O4 đưa vào. Tại tỷ lệ thể tích 9/2, hạt đa chức năng có tỷ phần khối lượng Fe3O4 đạt 50.6% và giữ mức từ độ bão hòa cao 50.6 emu/g so với mức 60.1 emu/g của Fe3O4 nguyên bản, đồng thời duy trì tính siêu thuận từ hoàn hảo.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo màng silica trong hệ vi nhũ tương đảo giúp giải thích sự thành công của cấu trúc đa nhân trong một vỏ bọc. Khi các giọt vi nhũ tương nước trong dầu tiếp xúc và hòa trộn dưới tác dụng của sóng siêu âm, các hạt Ag-4ATP và Fe3O4 được bẫy gọn trong không gian mixen. Quá trình thủy phân TEOS diễn ra trực tiếp tại bề mặt phân chia pha, hình thành lớp màng vô cơ SiO2 dày 1 nm bao quanh cụm hạt mà không phá vỡ liên kết Ag-S (392 cm^-1) hay làm biến tính các nhóm chức -NH2 (1589 cm^-1).

Kết quả phân tích đường cong từ hóa M-H trên hệ đo VSM được trình bày trực quan qua đồ thị hồi tuyến đi qua gốc tọa độ: độ từ dư Mr và lực kháng từ Hc đều xấp xỉ bằng 0. Bảng số liệu đối sánh từ độ thực nghiệm cho thấy sự suy giảm từ độ bão hòa từ 60.1 emu/g xuống 50.6 emu/g (tại tỷ lệ 9/2) tỷ lệ thuận với tỷ phần khối lượng hạt oxit sắt trong cấu trúc silica, chứng minh từ tính của lõi Fe3O4 không bị suy giảm do phản ứng hóa học mà chỉ bị pha loãng bởi khối lượng vỏ SiO2 và hạt Ag.

So với các nghiên cứu chế tạo hạt lõi-vỏ Fe3O4@Au hoặc Fe3O4@Ag đồng tâm đơn lẻ trên thế giới thường bị suy giảm plasmon bề mặt hoặc đòi hỏi chi phí đắt đỏ, phương pháp vi nhũ tương đảo này duy trì hệ số khuếch đại quang học SERS ở mức 10^5 đến 10^6 lần. Điều này khẳng định lớp vỏ silica trong suốt không cản trở tín hiệu quang học mà còn bảo vệ hạt nano bạc khỏi hiện tượng oxy hóa và già hóa Ostwald, mở ra khả năng tương thích sinh học cao trong môi trường dịch thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và ứng dụng cụ thể:

• Tối ưu hóa quy trình kiểm soát độ đồng đều kích thước cụm nano: Nhóm nghiên cứu vật liệu cần điều chỉnh nồng độ chất hoạt hóa bề mặt và thời gian rung siêu âm trong khoảng 6 đến 9 tháng tới nhằm thu hẹp dải kích thước cụm hạt từ 150 nm về khoảng 80 đến 100 nm, hướng đến độ đồng đều phân bố kích thước đạt trên 90%.
• Thử nghiệm gắn kết kháng thể đặc hiệu lên nhóm chức amin: Các phòng thí nghiệm y sinh học phân tử cần triển khai phản ứng ghép cặp kháng thể Ber-EP4 với gốc -NH2 trên bề mặt hạt trong thời gian 12 tháng, đặt mục tiêu hiệu suất liên kết đạt trên 85% để nhận diện chính xác tế bào ung thư da (BCC).
• Xây dựng quy trình phân tách tế bào in-vitro bằng từ trường ngoài: Viện nghiên cứu y dược kết hợp cùng các chuyên gia vật lý thực hiện thử nghiệm bắt giữ và tách lọc tế bào đích trong dải kích thước 1 đến 5 µm trong giai đoạn 2026-2027, đảm bảo tỷ lệ thu hồi tế bào sống đạt tối thiểu 95% sau 30 phút xử lý.
• Chuẩn hóa quy trình chế tạo ở quy mô bán công nghiệp: Doanh nghiệp công nghệ sinh học và các trung tâm nghiên cứu cần hợp tác chuyển giao công nghệ trong thời hạn 18 tháng, tối ưu hóa các thông số thủy phân TEOS để cắt giảm 40% chi phí sản xuất hạt nano đa chức năng so với các bộ kít nhập ngoại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Nắm bắt phương pháp luận tổng hợp vật liệu nano bằng các kỹ thuật hóa ướt (đồng kết tủa, hóa khử, vi nhũ tương đảo) và quy trình xử lý dữ liệu nhiễu xạ tia X, phân tích hằng số mạng tinh thể.
• Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Y sinh học và Dược học nano: Tiếp cận giải pháp chế tạo hạt mang nano siêu thuận từ tích hợp đánh dấu quang phổ SERS để ứng dụng vào hệ dẫn truyền thuốc trúng đích, tăng thân nhiệt cục bộ điều trị khối u ở 42°C và chẩn đoán hình ảnh tế bào ung thư.
• Kỹ sư phát triển cảm biến quang học và quan trắc môi trường: Vận dụng hiệu ứng tăng cường bề mặt SERS với hệ số khuếch đại 10^5 đến 10^6 lần để thiết kế cảm biến đo vết nồng độ nitrite hoặc ứng dụng hạt Fe3O4 diện tích bề mặt lớn để hấp phụ và tách lọc ion asen trong xử lý nước sạch.
• Chuyên viên R&D tại các doanh nghiệp công nghệ sinh học: Khai thác quy trình công nghệ chế tạo vật liệu nano đa chức năng bọc silica có giá thành thấp để nghiên cứu, phát triển các dòng sản phẩm hạt từ phân tách phân tử sinh học và chẩn đoán in-vitro thương mại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hạt nano Fe3O4 kích thước 12 đến 14 nm lại thể hiện tính siêu thuận từ?

Khi kích thước hạt Fe3O4 giảm xuống dưới 15 nm, năng lượng nhiệt ở nhiệt độ phòng vượt qua năng lượng dị hướng từ tinh thể (KV < 25 kBT). Các mômen từ nguyên tử chuyển động hỗn loạn khiến hạt không còn từ dư (Mr = 0) và lực kháng từ (Hc = 0) khi ngừng áp dụng từ trường ngoài, ngăn chặn hiện tượng vón cục hạt trong dịch lỏng.

Nhóm chức 4-ATP đóng vai trò gì trong cấu trúc hạt nano bạc?

Phân tử 4-aminothiophenol liên kết hóa học bền vững với bề mặt bạc thông qua cầu nối cộng hóa trị Ag-S (đỉnh 392 cm^-1), cung cấp tín hiệu tán xạ Raman tăng cường đặc trưng tại 1077 cm^-1 và 1144 cm^-1. Đồng thời, đầu tự do mang nhóm amin -NH2 (đỉnh 1589 cm^-1) tạo hoạt tính sinh học để liên kết với các kháng thể.

Lớp vỏ silica (SiO2) mỏng 1 nm mang lại lợi ích gì cho tổ hợp nano?

Lớp vỏ silica đóng vai trò màng chắn bảo vệ hạt oxit sắt và hạt bạc khỏi sự oxy hóa của môi trường, ngăn chặn hiện tượng kết đám hạt theo thời gian. Ngoài ra, silica là chất vô cơ trơ có tính tương thích sinh học xuất sắc, giúp cụm nano 150 nm dễ dàng phân tán trong môi trường sinh lý mà không gây độc tế bào.

Phương pháp vi nhũ tương đảo có ưu điểm gì so với các kỹ thuật bọc phủ khác?

Phương pháp vi nhũ tương đảo nước trong dầu tạo ra các vi hạt nước kích thước nano đóng vai trò như các lò phản ứng siêu nhỏ được bao bọc bởi chất hoạt hóa bề mặt. Kỹ thuật này cho phép gom nhiều hạt Fe3O4 và Ag-4ATP vào chung một vỏ bọc silica một cách đồng đều, thực hiện ở điều kiện êm dịu, không đòi hỏi thiết bị chân không đắt tiền.

Khả năng ứng dụng của hạt nano đa chức năng trong nhận diện tế bào ung thư như thế nào?

Cụm nano Ag-4ATP/Fe3O4@SiO2 sau khi gắn kháng thể đặc hiệu sẽ bám trúng đích vào tế bào ung thư. Nhờ từ độ bão hòa 50.6 emu/g, mẫu bệnh phẩm được cô đặc bằng nam châm ngoài; sau đó đầu dò Raman sử dụng laser bước sóng 875 nm sẽ phát hiện vị trí khối u thông qua tín hiệu quang phổ khuếch đại gấp 10^5 đến 10^6 lần.

Kết luận

• Luận văn đã chế tạo thành công hệ hạt nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe3O4 bọc trong vỏ SiO2 bằng phương pháp vi nhũ tương đảo với kích thước cụm khoảng 150 nm và độ dày vỏ silica 1 nm.
• Hạt nano oxit sắt Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa đạt kích thước 12 đến 14 nm, cấu trúc lập phương tâm mặt Fd3m, thể hiện tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa cao 60.1 emu/g.
• Hạt nano bạc kích thước 20 đến 25 nm được chức năng hóa bền vững với phân tử 4-ATP qua liên kết Ag-S (392 cm^-1), duy trì nhóm amin tự do -NH2 (1589 cm^-1) và cho hệ số khuếch đại SERS đạt 10^5 đến 10^6 lần.
• Tổ hợp hạt đa chức năng duy trì đồng thời tính chất siêu thuận từ (Ms = 50.6 emu/g ở tỷ lệ thể tích 9/2) và tính chất quang phổ Raman tăng cường bề mặt, đảm bảo khả năng định hướng từ trường và đánh dấu sinh học.
• Đóng góp chính của đề tài là xây dựng quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp, mở ra lộ trình nghiên cứu thử nghiệm in-vivo và chuẩn hóa ứng dụng y sinh trong vòng 12 đến 18 tháng tới. Quý độc giả, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác trực tiếp quy trình công nghệ này để phát triển các thế hệ kít chẩn đoán ung thư và phân tách tế bào hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh mẽ kể từ khi nó xuất hiện tới nay và đã tạo ra diện mạo mới cho không chỉ các ngành khoa học cơ bản mà còn cho các ngành khoa học ứng dụng trong thực tế đời sống.Một trong những hướng phát triển mạnh mẽ là vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong nghiên cứu đánh dấu, chữa trị y sinh bởi bên cạnh việc chúng có kích thước phù hợp với kích thước các phân tử sinh học chúng còn có các tính chất vật lý đặc biệt tại các kích thước này [1, 2]. Một trong những tính chất đặc biệt đó là tổng diện tích bề mặt tăng vọt khi kích thước vật liệu gỉảm xuống đến kích cỡ nano, giúp cho diện tích tiếp xúc giữa vật liệu và các phân tử sinh học tăng dẫn tới hệ quả là sự tăng vọt độ nhạy của các phép đo, cảm biến [3, 4]. Hình thái, kích thước của các hạt kim loại như vàng, bạc… được điều khiển để chúng có dạng thanh [5], dạng cầu [6] hoặc kim tự tháp [7]… phục vụ cho các mục đích khác nhau như đánh dấu và điều trị trong y sinh. Các vật liệu bán dẫn cũng được nghiên cứu ở các hình thái khác nhau như tetrapod, dạng cầu để tăng diện tích tiếp xúc với các enzyme, cơ chất chỉ thị trong các nghiên cứu tăng độ nhạy của cảm biến điện hóa.

Ngoài ra, để tăng độ khả năng ứng dụng trong sinh học, các vật liệu nano còn được bọc bởi nhiều lớp polymer khác nhau như polyethylene glycol [8, 9, 10, 11, 12], chitosan, polyalanine … Những lớp vỏ này bên cạnh việc bảo vệ các hạt nano khỏi tác động của môi trường, giảm tính độc hại [13, 14, 15] còn tạo ra các gốc hữu cơ có tính tương thích sinh học cao như amin (-NH2), carboxyl (-COOH), … Song song với việc thay đổi kích thước các vật liệu nano đơn chức năng và thay đổi các lớp vỏ bọc hữu cơ tương thích sinh học, các loại vật liệu đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ cũng liên tục được phát triển sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng. Các lớp vỏ kim loại quý như Au, Ag, [16] … được sử dụng để tăng độ bền hóa học của các hạt từ, đồng thời cũng tăng khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ có các gốc thiol (-SH). Các lớp vỏ bán dẫn chứa sulfide như ZnS được tạo ra trên bề mặt các vật liệu huỳnh quang bán dẫn vừa để tăng khả năng phát huỳnh quang đồng thời cùng tăng khả năng tương tác với các gốc phân tử có lưu huỳnh. Trong những năm gần 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung đây, mặc dù số lượng các nhóm nghiên cứu cũng như các công trình công bố trên thế giới về việc chế tạo các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ tăng vọt, nhưng vẫn không thiếu những thách thức.

Đầu tiên, để chế tạo ra được cấu trúc lõi vỏ hoàn hảo, thường cần có điều kiện thí nghiệm ngặt nghèo, qui mô phòng thí nghiệm phải đảm bảo độ sạch và vì vậy nên giá thành chế tạo rất cao, đi đôi với việc khó khăn trong công nghiệp hóa. Bởi vậy, nhóm nghiên cứu đã định hướng sử dụng phương pháp đơn giản là vi nhũ tương đảo để nghiên cứu tổ hợp các hạt nano đa chức năng vừa có tính từ và vừa cho tín hiệu đặc trưng có thể đánh dấu của các hạt nano kim loại. Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp tổ hợp hạt nano đa chức năng từ các hạt nano đơn lẻ là hạt nano từ Fe3O4 và hạt nano Ag chức năng hóa bề mặt bởi nhóm chức 4-ATP (aminothiophenol). Các hạt đơn lẻ này được tổ hợp trong một lớp vỏ SiO2 [16, 17] chung để giúp hạt nano đa chức năng mang tính tương thích sinh học cao.

Các hạt nano đơn chức năng được chế tạo riêng lẻ và được tổ hợp lại băng phương pháp vi nhũ tương đảo. Sau khi được tổ hợp, hạt nano đa chức năng được khảo sát từ tính và tính chất quang bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt cho thấy các tính chất của hạt nano đơn chức năng vẫn thể hiện rõ rệt. Kết quả này đã mở ra triển vọng cho việc chế tạo các hạt nano đa chức năng với giá thành rẻ và có tiềm năng rất lớn trong ứng dụng thực tế. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Chƣơng 1: Tổng quan 1.

Khoa học và công nghệ nano Khoa học và công nghệ nano là một ngành khoa học còn rất trẻ với tuổi đời không quá 60 năm (từ 1954) nhưng những năm gần đây ngành khoa học công nghệ nano thu hút được sự quan tâm trên rất nhiều các lĩnh vực bởi tính chất thú vị của nó. Khi kích thước của vật liệu nhỏ và đạt đến ngưỡng đủ nhỏ - nanomet - thì chúng có những tính chất đặc biệt thú vị. Các vật liệu sắt từ như Fe3O4, CoPt, FeCo. ởkích thước nano sẽ mang tính chất của vật liệu siêu thuận từ.

Tương tự vậy, trong các vật liệu bán dẫn như ZnO, TiO2, ZnS, PbS,. ở các kích thước nhỏ đạt đến bán kính tương tác exciton xuất hiện sự thay đổi của năng lượng chuyển mức dẫn đến khả năng phát quang của vật liệu (quantum dots – chấm lượng tử). Các kim loại dẫn điện tốt còn có thêm một tính chất mới rất thú vị đó là cộng hưởng plasmon bề mặt khi kích thước vật liệu đạt đến thang đo nano. Các tính chất kể trên không chỉ mở ra nhiều định hướng nghiên cứu cho các ngành khoa học cơ bản mà còn đem lại rất nhiều cơ hội cho các ngành nghiên cứu ứng dụng.

Bên cạnh sự xuất hiện của các tính chất mới, khi kích thước của vật liệu càng nhỏ diện tích bề mặt của chúng càng lớn. Điều này trở thành một lợi thế rất lớn cho các vật liệu có cấu trúc nano trong các ngành khoa học ứng dụng cỡ phân tử như xử lí môi trường, sinh học phân tử. Diện tích bề mặt tăng đầu tiên giúp cho khả năng liên kết của vật liệu với các vật liệu khác. Trên bề mặt của vật liệu có các phần tử bắt cặp tốt với các chất chỉ thị đặc trưng, hoặc thậm chí với các chất bụi bẩn thông qua các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion.

tạo cơ hội ứng dụng cho việc xử lí chất thải, lọc nước và vệ sinh môi trường. Bằng cách xử lý bề mặt để vật liệu có thêm những tính chất mới phù hợp với mục đích ứng dụng như chức năng hóa bề mặt, phủ bề mặt bằng một lớp vật liệu khác có hoạt tính mới. vật liệu nano còn được ứng dụng vào trong các ngành khoa học khác như y sinh, chế tạo cảm biến. Diện tích bề mặt tăng, kích thước nhỏ là lợi thế trong việc giảm thiểu kích thước của sản phẩm, cũng như làm tăng độ nhạy của các phép đo trong các ứng dụng.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 1. Hạt nano từ Fe3O4 Các vật liệu từ thông thường đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau.Vật liệu có < 0 (~ -10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ.

Vật liệu có > 0 (~10-6) được gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferri từ. Ở đây, vật liệu có từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ. Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa MS (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư Mr (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ HC (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ).

Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nano mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferri từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ gần như bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính).

Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng. Ngoài ra sắt ở một nồng độ nhỏ không độc đối với cơ thể người cộng thêm tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính ứng dụng trong y sinh. Một trong các tính chất quan trọng của hạt nano từ là tính siêu thuận từ có được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt thắng thế so với trạng thái trật tự từ.

Kích thước chuyển sắt từ-siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung KV< 25 kBT Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nano, kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ. Với một kích thước nhất định thì khi nhiệt độ thấp hạt nano thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ. Nhiệt độ mà ở đó hạt nano chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB. Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường ngoài nhưng khi không có từ trường hạt nano ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn.