Luận văn thạc sĩ: Chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể ứng dụng phát hiện virus cúm A

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể, ứng dụng phát hiện nhanh virus cúm A trong vật liệu nano.

• Người hướng dẫn: PGS. Chu Hoàng Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Chế Tạo Hạt Nano Vàng Gắn Kháng Thể Ứng Dụng Cho Phát Hiện Nhanh Virus Cúm A
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về hạt nano kim loại
• 1.2. Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt của hạt nano kim loại
• 1.3. Các loại hạt nano ứng dụng trong y sinh học
• 1.3.1. Các hạt nano kim loại
• 1.3.2. Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ
• 1.3.3. Hạt nano từ tính
• 1.3.4. Chấm lượng tử
• 1.3.5. Hạt nano vàng
• 1.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng
• 1.4.1. Phương pháp Turkevich
• 1.4.2. Phương pháp Brust
• 1.4.3. Phương pháp Perrault
• 1.4.4. Phương pháp Martin
• 1.4.5. Phương pháp rung siêu âm (sonolysis)
• 1.5. Các ứng dụng trong y sinh học của AuNPs
• 1.5.1. Đánh dấu sinh học
• 1.5.2. Phân phát thuốc và chuyển gen
• 1.5.3. Sensor sinh học
• 1.5.4. Kit chẩn đoán bệnh bằng que thử nhanh
• 1.6. Sơ đồ nguyên lý của que thử nhanh
• 1.7. Kháng thể
• 1.7.1. Giới thiệu chung
• 1.7.2. Giới thiệu về vùng biến đổi của kháng thể (Single Chain Variable Fragmet-scFv)
• 1.8. Bệnh cúm gia cầm A/H5N1
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.1.1. Phương pháp chế tạo dung dịch nano vàng (AuNPs)
• 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu
• 2.1.2.1. Thời gian phản ứng
• 2.1.2.2. Thay đổi lượng chất khử Na3C6H5Na3
• 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu kích thước, hình thái và cấu trúc hóa học của AuNPs
• 2.1.3.1. Phân tích bằng phổ hấp thụ UV
• 2.1.3.2. Phân tích bằng hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.1.3.3. Phân tích bằng phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR
• 2.1.4. Phương pháp gắn kháng thể kháng virus cúm A/H5N1 lên bề mặt hạt nano vàng
• 2.1.4.1. Tìm pH tối ưu cho phản ứng gắn kháng thể và nano vàng
• 2.1.4.2. Tạo phức hợp kháng thể gắn trên bề mặt hạt nano vàng (kháng thể/nano vàng)
• 2.1.5. Phương pháp phát hiện virus cúm A/H5N1 sử dụng phức hợp kháng thể/nano vàng
• 2.1.5.1. Thiết kế que thử nhanh đơn giản
• 2.1.5.2. Kiểm tra sự hoạt động của phức hợp kháng thể/nano vàng
• 2.1.5.3. Kiểm tra bằng Dot blot
• 2.1.5.4. Phương pháp que thử nhanh
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo hạt nano vàng
• 3.1.1. Kích thước, hình thái
• 3.1.2. Phân tích thành phần EDX
• 3.1.3. Đặc trưng quang học của AuNPs
• 3.1.4. Cấu trúc hóa học của AuNPs
• 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng AuNPs
• 3.2.1. Thời gian phản ứng
• 3.2.2. Thay đổi lượng chất khử natri citrate
• 3.2.3. Thời gian và điều kiện bảo quản hạt AuNPs
• 3.3. Tạo phức hợp AuNPs gắn kháng thể cúm A
• 3.3.1. pH tối ưu cho phản ứng gắn kháng thể/nano vàng
• 3.3.2. Tìm lượng kháng thể thích hợp cho phản ứng gắn
• 3.4. Kiểm tra phát hiện virus cúm A/H5N1 bằng phức hợp kháng thể/nano vàng
• 3.4.1. Kết quả phát hiện kháng nguyên virus cúm A bằng Dot blot
• 3.4.2. Kết quả kiểm tra thử nghiệm bằng que thử đơn giản
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể

Nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể là một lĩnh vực đang thu hút sự chú ý trong y sinh học. Virus cúm A là một trong những mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác virus này là rất cần thiết. Hạt nano vàng (AuNPs) có nhiều ưu điểm như tính nhạy cảm cao và khả năng gắn kết với các phân tử sinh học, giúp nâng cao hiệu quả phát hiện virus cúm A.

1.1. Tầm quan trọng của hạt nano vàng trong y sinh học

Hạt nano vàng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh học nhờ vào tính chất quang học đặc biệt của chúng. Chúng có khả năng phát hiện các kháng nguyên và kháng thể, giúp nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán.

1.2. Khái quát về virus cúm A và tác động của nó

Virus cúm A, đặc biệt là chủng H5N1, đã gây ra nhiều đợt dịch nghiêm trọng. Việc phát hiện sớm virus này có thể giúp ngăn chặn sự lây lan và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

II. Vấn đề và thách thức trong phát hiện virus cúm A

Phát hiện virus cúm A gặp nhiều thách thức, bao gồm độ nhạy và độ đặc hiệu của các phương pháp hiện tại. Các phương pháp truyền thống thường mất nhiều thời gian và không đảm bảo độ chính xác cao. Do đó, việc phát triển các phương pháp mới, như sử dụng hạt nano vàng, là rất cần thiết.

2.1. Những hạn chế của phương pháp phát hiện truyền thống

Phương pháp truyền thống thường yêu cầu thời gian dài và thiết bị phức tạp. Điều này làm giảm khả năng phát hiện nhanh chóng virus cúm A trong các tình huống khẩn cấp.

2.2. Nhu cầu cấp thiết về công nghệ mới

Công nghệ mới như công nghệ nano có thể cung cấp giải pháp hiệu quả hơn. Hạt nano vàng có thể được sử dụng để phát hiện virus một cách nhanh chóng và chính xác hơn.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể

Chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể là một quy trình phức tạp nhưng cần thiết để phát hiện virus cúm A. Các phương pháp chế tạo như Turkevich, Brust, và Perrault đã được nghiên cứu và áp dụng. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt nano.

3.1. Phương pháp Turkevich trong chế tạo hạt nano vàng

Phương pháp Turkevich là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo hạt nano vàng. Phương pháp này sử dụng natri citrate làm chất khử, tạo ra hạt nano với kích thước đồng nhất.

3.2. Phương pháp Brust và ứng dụng của nó

Phương pháp Brust cho phép tạo ra hạt nano vàng với kích thước nhỏ hơn và có khả năng gắn kết tốt với các phân tử sinh học. Điều này rất quan trọng trong việc phát hiện virus cúm A.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano vàng trong phát hiện virus cúm A

Hạt nano vàng gắn kháng thể đã được ứng dụng trong việc phát hiện virus cúm A một cách hiệu quả. Các thiết bị chẩn đoán nhanh sử dụng hạt nano vàng cho phép phát hiện virus chỉ trong vài phút. Điều này giúp nâng cao khả năng phản ứng nhanh trong các tình huống khẩn cấp.

4.1. Thiết kế que thử nhanh sử dụng hạt nano vàng

Que thử nhanh được thiết kế dựa trên nguyên tắc sắc ký miễn dịch, sử dụng hạt nano vàng để phát hiện sự có mặt của virus cúm A. Thiết bị này có thể cho kết quả chỉ trong vài phút.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy hạt nano vàng gắn kháng thể có độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong việc phát hiện virus cúm A. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các thiết bị chẩn đoán mới.

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

Nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng gắn kháng thể là một bước tiến quan trọng trong việc phát hiện virus cúm A. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong y sinh học. Việc phát triển các phương pháp chế tạo và ứng dụng hạt nano vàng sẽ tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về hạt nano vàng sẽ tiếp tục mở rộng, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh học và các lĩnh vực khác. Việc cải tiến công nghệ chế tạo sẽ giúp nâng cao hiệu quả phát hiện virus.

5.2. Tác động của công nghệ nano đến y tế

Công nghệ nano có thể cách mạng hóa cách thức phát hiện và điều trị bệnh. Hạt nano vàng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị chẩn đoán nhanh và hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Virus cúm A/H5N1 là một trong những tác nhân gây bệnh truyền nhiễm nguy hiểm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và ngành chăn nuôi gia cầm. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) tính đến năm 2010, đã có khoảng 507 ca mắc cúm A/H5N1 trên toàn cầu, trong đó tỷ lệ tử vong lên đến 60%. Việt Nam và Indonesia là hai quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất với số ca nhiễm và tử vong cao. Việc phát hiện nhanh và chính xác virus cúm A/H5N1 tại hiện trường là yếu tố then chốt trong công tác phòng chống dịch bệnh, giúp giảm thiểu thiệt hại kinh tế và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng (AuNPs) gắn kháng thể đặc hiệu nhằm phát hiện nhanh virus cúm A/H5N1. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi Việt Nam, với mục tiêu phát triển một phương pháp chẩn đoán nhanh, đơn giản, chi phí thấp và có thể ứng dụng rộng rãi tại các vùng miền. Việc ứng dụng công nghệ nano trong y sinh học, đặc biệt là sử dụng hạt nano vàng với hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt, mang lại độ nhạy cao và tính đặc hiệu trong phát hiện virus. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán mà còn mở ra hướng đi mới trong phát triển các kit chẩn đoán nhanh cho các bệnh truyền nhiễm khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) của hạt nano vàng và nguyên lý sắc ký miễn dịch đặc hiệu (immunochromatographic assays) trong que thử nhanh.

• Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR): Khi các photon ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano vàng kích thước từ 5-20 nm, các electron tự do dao động cộng hưởng tạo ra đỉnh hấp thụ đặc trưng trong vùng bước sóng khả kiến (khoảng 530 nm). Đặc tính này cho phép hạt nano vàng hoạt động như một sensor màu sắc nhạy bén, giúp phát hiện sự thay đổi môi trường xung quanh, đặc biệt khi gắn các phân tử sinh học như kháng thể.

• Nguyên lý sắc ký miễn dịch đặc hiệu: Que thử nhanh dựa trên sự tương tác đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể, kết hợp với hiện tượng mao dẫn trên màng nitrocellulose. Hạt nano vàng gắn kháng thể đóng vai trò làm chất đánh dấu quang học, tạo ra tín hiệu màu sắc dễ quan sát khi có sự hiện diện của virus.

Các khái niệm chính bao gồm: hạt nano vàng (AuNPs), kháng thể đơn dòng (monoclonal antibody), điểm đẳng điện (pI) của protein, và kỹ thuật gắn kháng thể lên bề mặt hạt nano thông qua liên kết amide giữa nhóm carboxyl (-COOH) và nhóm amine (-NH2).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng kháng thể scFv đặc hiệu với kháng nguyên HA của virus cúm A/H5N1, được cung cấp từ phòng Công nghệ tế bào thực vật. Mẫu virus cúm A/H5N1 được cung cấp bởi Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.

• Phương pháp chế tạo: Hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp Turkevich, dựa trên phản ứng khử ion Au3+ bằng natri citrate trong dung dịch nước, tạo ra các hạt nano vàng hình cầu kích thước khoảng 20 nm. Quá trình được kiểm soát bằng việc điều chỉnh thời gian phản ứng, lượng chất khử và điều kiện bảo quản.

• Phân tích vật liệu: Kích thước và hình thái hạt nano được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Thành phần hóa học được xác định qua phổ phân tích tán xạ tia X (EDX). Tính chất quang học được đánh giá bằng phổ hấp thụ UV-vis, trong khi cấu trúc hóa học bề mặt hạt nano được phân tích bằng phổ hấp thụ hồng ngoại Fourier (FTIR).

• Phương pháp gắn kháng thể: Kháng thể được gắn lên bề mặt hạt nano vàng dựa trên phản ứng liên kết amide giữa nhóm carboxyl trên hạt và nhóm amine trên kháng thể, với pH tối ưu được xác định dựa trên điểm đẳng điện của kháng thể. Bovine serum albumin (BSA) được sử dụng để block các vị trí trống trên bề mặt hạt, ngăn ngừa bắt cặp không đặc hiệu.

• Phương pháp phát hiện virus: Thiết kế que thử nhanh đơn giản với màng nitrocellulose có gắn kháng nguyên HA làm vạch test line. Phức hợp kháng thể/nano vàng được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của virus qua tín hiệu màu đỏ đặc trưng của hạt nano vàng. Hiệu quả được kiểm tra bằng phương pháp Dot blot và thử nghiệm que thử nhanh.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích hạt nano vàng kéo dài khoảng 20 phút cho mỗi mẫu, với các bước gắn kháng thể và kiểm tra hoạt tính thực hiện trong vòng vài giờ. Bảo quản mẫu được thực hiện ở 4°C để đảm bảo độ ổn định trong thời gian dài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước và hình thái hạt nano vàng: Qua phân tích SEM, các hạt nano vàng có hình cầu, kích thước dao động từ 15-40 nm, trong đó khoảng 80% hạt có kích thước từ 20-25 nm. Mẫu đạt độ phân tán tốt, không có hiện tượng kết đám, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

2. Thành phần hóa học: Phân tích EDX cho thấy thành phần chính là vàng nguyên chất chiếm khoảng 60%, còn lại là oxy (20%), natri (7%) và một số tạp chất kim loại khác do quá trình chuẩn bị mẫu. Điều này chứng tỏ mẫu AuNPs có độ tinh khiết cao.

3. Tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch AuNPs có đỉnh hấp thụ cực đại tại 523 nm với độ bán rộng khoảng 80 nm, đặc trưng cho hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Phổ FTIR xác nhận sự hiện diện của các nhóm carboxyl (-COOH) từ citrate bọc quanh hạt, giúp duy trì sự ổn định và tạo điều kiện gắn kháng thể.

4. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp: Thời gian phản ứng tối ưu là 20 phút, khi đó phổ hấp thụ UV đạt cực đại và không thay đổi đáng kể khi kéo dài thời gian. Lượng natri citrate ảnh hưởng đến kích thước hạt: tăng lượng citrate làm giảm kích thước hạt do tăng khả năng bọc bề mặt, tuy nhiên lượng quá nhiều có thể gây kết đám do mất cân bằng điện tích.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp Turkevich là hiệu quả trong việc tổng hợp hạt nano vàng có kích thước đồng đều và đặc tính quang học phù hợp cho ứng dụng sinh học. Việc kiểm soát thời gian phản ứng và lượng chất khử natri citrate là yếu tố then chốt để đạt được kích thước hạt mong muốn và độ ổn định cao.

Phổ hấp thụ UV-vis và FTIR minh họa rõ ràng sự hình thành lớp vỏ citrate trên bề mặt hạt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc gắn kháng thể thông qua liên kết amide. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ứng dụng AuNPs trong cảm biến sinh học và chẩn đoán nhanh.

Phương pháp gắn kháng thể được tối ưu hóa về pH và lượng kháng thể, đảm bảo hiệu suất gắn cao và ngăn ngừa bắt cặp không đặc hiệu nhờ sử dụng BSA. Các thử nghiệm Dot blot và que thử nhanh chứng minh phức hợp kháng thể/nano vàng hoạt động hiệu quả, cho phép phát hiện nhanh virus cúm A/H5N1 với tín hiệu màu sắc rõ ràng, dễ quan sát.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt nano, phổ hấp thụ UV-vis so sánh các điều kiện tổng hợp, và hình ảnh SEM minh họa hình thái hạt. Bảng tổng hợp các điều kiện phản ứng và kết quả phổ hấp thụ cũng giúp minh chứng cho sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp AuNPs: Điều chỉnh chính xác lượng natri citrate và thời gian phản ứng để duy trì kích thước hạt nano vàng trong khoảng 20-25 nm, đảm bảo độ phân tán cao và ổn định lâu dài. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano, thời gian: 3-6 tháng.

2. Phát triển quy trình gắn kháng thể chuẩn hóa: Xác định pH tối ưu và lượng kháng thể phù hợp để tăng hiệu suất gắn kết, đồng thời sử dụng BSA để giảm bắt cặp không đặc hiệu. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu sinh học phân tử, thời gian: 2-4 tháng.

3. Nâng cao độ nhạy và độ đặc hiệu của que thử nhanh: Thiết kế que thử với màng nitrocellulose chất lượng cao, tối ưu hóa mật độ kháng nguyên trên vạch test line để tăng khả năng phát hiện virus ở nồng độ thấp. Chủ thể thực hiện: đơn vị sản xuất kit chẩn đoán, thời gian: 6-9 tháng.

4. Kiểm soát điều kiện bảo quản và vận chuyển: Bảo quản mẫu AuNPs và que thử ở nhiệt độ 4°C, tránh ánh sáng trực tiếp để duy trì tính ổn định và hiệu quả trong thời gian dài. Chủ thể thực hiện: các trung tâm y tế và kho lưu trữ, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể ứng dụng các kết quả về tổng hợp và đặc tính hạt nano vàng trong phát triển các sản phẩm nano sinh học khác.

2. Chuyên gia y sinh học và công nghệ sinh học: Tham khảo quy trình gắn kháng thể và ứng dụng trong phát hiện nhanh virus, hỗ trợ phát triển các kit chẩn đoán mới.

3. Cơ sở sản xuất kit chẩn đoán y tế: Áp dụng công nghệ chế tạo que thử nhanh dựa trên hạt nano vàng để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và thời gian kiểm tra.

4. Ngành thú y và y tế công cộng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để triển khai các phương pháp phát hiện nhanh virus cúm A/H5N1 tại hiện trường, góp phần kiểm soát dịch bệnh hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano vàng có vai trò gì trong que thử nhanh?
   Hạt nano vàng hoạt động như một chất đánh dấu quang học nhờ hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt, tạo ra tín hiệu màu sắc rõ ràng khi có sự tương tác đặc hiệu với kháng nguyên, giúp phát hiện nhanh virus.

2. Tại sao cần gắn kháng thể lên bề mặt hạt nano vàng?
   Kháng thể gắn lên hạt nano vàng giúp tăng tính đặc hiệu trong phát hiện virus, nhờ khả năng liên kết chọn lọc với kháng nguyên virus cúm A/H5N1, từ đó tạo ra tín hiệu màu sắc dễ quan sát.

3. Phương pháp Turkevich có ưu điểm gì?
   Phương pháp Turkevich đơn giản, chi phí thấp, tạo ra hạt nano vàng hình cầu đồng đều kích thước khoảng 20 nm, phù hợp cho ứng dụng sinh học và dễ dàng điều chỉnh kích thước bằng cách thay đổi lượng chất khử.

4. Làm thế nào để đảm bảo độ ổn định của hạt nano vàng?
   Bảo quản hạt nano vàng ở nhiệt độ 4°C, tránh ánh sáng trực tiếp và sử dụng các chất hoạt động bề mặt như citrate để ngăn ngừa kết đám, duy trì tính ổn định lâu dài.

5. Que thử nhanh có thể sử dụng ở đâu?
   Que thử nhanh có thể sử dụng tại các cơ sở y tế, trạm thú y, hoặc ngay tại hiện trường dịch bệnh nhờ tính tiện dụng, thời gian cho kết quả nhanh và không đòi hỏi thiết bị phức tạp.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp hạt nano vàng kích thước 20-25 nm bằng phương pháp Turkevich với đặc tính quang học phù hợp cho ứng dụng sinh học.
• Xác định được điều kiện pH và lượng kháng thể tối ưu để gắn hiệu quả kháng thể lên bề mặt hạt nano vàng, đảm bảo tính đặc hiệu và ổn định.
• Thiết kế và thử nghiệm que thử nhanh đơn giản sử dụng phức hợp kháng thể/nano vàng cho phép phát hiện nhanh virus cúm A/H5N1 với tín hiệu màu sắc rõ ràng.
• Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng công nghệ nano trong chẩn đoán y sinh, đặc biệt trong phát hiện nhanh các bệnh truyền nhiễm nguy hiểm.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình tổng hợp, gắn kháng thể và bảo quản mẫu để nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và sản xuất triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các kit chẩn đoán thương mại dựa trên nền tảng công nghệ nano vàng gắn kháng thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về hạt nano kim loại Các hạt nano kim loại có ít nhất kích thước một chiều dao động trong khoảng 1- 100 nm [45]. Ở kích thước nano mét, chúng có những tính chất đặc biệt và khác biệt so với vật liệu khối cùng loại (tính chất điện, tính chất xúc tác, tính chất quang, tính chất từ, cấu trúc và tính chất cơ). Việc tổng hợp các hạt nano không chỉ được phát triển trong khoa học hiện đại ngày nay mà đã có từ rất lâu trong lịch sử loài người.

Các nhà giả kim học đã chế tạo được những hạt nano vàng và họ tin rằng đó là thứ thuốc giúp con người trường thọ [9]. Các loại hạt nano kim loại khác đã được dùng để trang trí các cánh cửa nhà thờ, cung điện cho các màu sắc rực rỡ của chúng. Những chiếc cốc Lycurgus (Roman ~ 400 AD, Myth of King Lycurgus) được làm bằng thủy tinh có pha thêm các hạt nano vàng và bạc. Cốc xuất hiện màu xanh khi phản xạ, màu đỏ khi ánh sáng truyền qua [60].

Ngày nay việc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng của các hạt nano kim loại đã góp phần tạo nên một bước tiến nhảy vọt trong khoa học cũng như đời sống do chúng sở hữu những thuộc tính vật liệu khác biệt, nổi trội và quý giá so với các vật liệu khối thông thường. Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt của hạt nano kim loại. Các hạt nano kim loại với kích thước nhỏ hơn bước sóng trong vùng khả kiến bộc lộ đặc tính tự nhiên liên quan đến cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào đặc tính hình học của hạt nano khi chúng bị kích thích bởi trường điện từ [25]. Trên bề mặt của hạt kim loại, plasmon là dạng sóng được truyền dọc theo bề mặt của vật dẫn ở phần chuyển tiếp giữa kim loại và vật liệu điện môi chứa hạt.

3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiện tượng Plasmon bề mặt ở mặt phân cách giữa kim loại và điện môi. Plasmon bề mặt (sóng điện từ) bị kích thích khi các photon của bước sóng tới đập vào khu vực chuyển tiếp kim loại/điện môi và kích thích dao động cộng hưởng ở bề mặt, tạo nên một dạng sóng truyền (plasmon bề mặt) [27, 50]. Đối với các hạt nano kim loại, kích thước nhỏ tạo ra một sự hấp thụ cường độ mạnh trong khu vực khả kiến/gần UV.

Các điện tử dẫn tạo nên một dao động chọn lọc đặc trưng, tạo nên dải Plasmon có thể quan sát trong khu vực gần 530 nm với các hạt nano kích thước từ 5-20 nm. Đặc tính này được gọi là dao động cộng hưởng Plasmon định xứ [31]. Tần số cộng hưởng Plasmon của các hạt nano phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ cục bộ. Một sự thay đổi nhỏ với chỉ số này sẽ dẫn đến việc dịch chuyển tần số dao động và do đó sẽ tạo nên sự dao động tỉ số khúc xạ.

Ví dụ, nếu bề mặt của hạt nano được nhúng trong trong dung dịch đệm lỏng và sau đó được nhúng trong dung dịch với tỉ số khúc xạ lớn hơn, điều này sẽ làm tăng tỉ số khúc xạ có thể được phát hiện bởi sự dịch chuyển trong cộng hưởng plasmon (hay kích thích) của hạt nano. Increaseinin Increase extinctionat absorbance at selected selectedwavelength wavelengthdue duetoto shift shiftininplasmon plasmonresonance resonance band band Extinction at Absorbance at selected wavelength wavelength Extinction Absorbance Wavelength Hình 1. Đỉnh hấp thụh Plasmon bị dịch chuyển dưới sự thay đổi của tác nhân bọc xung quanh hạt [31]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hiện tượng dịch chuyển đỉnh hấp thụ là do các tác nhân bọc xunh quanh hạt nano, sự dịch chuyển này có thể phù hợp với các ứng dụng trong chế tạo các sensor cảm biến sinh học bằng việc bọc chúng với kháng thể.

Độ nhạy cảm của plasmon bề mặt phụ thuộc vào đặc điểm hình thái (kích thước và hình dạng), môi trường điện môi (tác nhân bọc, môi trường xung quanh, chất nền), tương tác giữa các hạt (trạng thái co cụm).4 minh họa thuộc tính quang học của các hạt nano vàng và nano bạc được tổng hợp theo các quy trình khác nhau tạo ra các hình dạng và kích thước hạt nano khác nhau. Do đó, màu sắc dung dịch chứa các hạt nano do cộng hưởng plasmon cũng thay đổi, phổ hấp thụ UV thể hiện ở các đường hấp thụ với các đỉnh cực đại hấp thụ ở các vị trí bước sóng khác nhau. A) Các dung dịch nano vàng (AuNPs) và nano bạc (AgNPs) được chế tạo theo phương pháp Turkevich. B) Phổ hấp thụ UV tương ứng của các dung dịch [31].

Các loại hạt nano ứng dụng trong y sinh học 1. Các hạt nano kim loại Hạt nano kim loại là dạng phân tán của các pha rắn trong một môi trường chất lỏng, hầu hết các hạt nano kim loại với kích thước từ vài nm đến µm (Au [5], Ag [40], Pt [57], Pa [58], Cu, Fe, và Hg [22]). Các loại hạt nano kim loại quan trọng nhất được nghiên cứu và ứng dụng là nano vàng (AuNPs) và nano bạc (AgNPs). Các hạt nano vàng được hình thành từ một nguyên tử khởi đầu, sau đó được bao bọc bởi số lượng các nguyên tử vàng nhất định xung quanh, số lượng các hạt xung quanh được tính bởi công thức [10n2+2] [41], với n là số các lớp nguyên tử trong hạt.

Như vậy hạt nano vàng nhỏ nhất sẽ bao gồm 13 nguyên tử vàng (Au). Các hạt khác tương tự có cấu trúc gần với khối 20 mặt (icosahedrons) và khối 12 mặt (dodecahedrons) xấp xỉ dạng hình cầu cùng với đường kính tăng dần. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ Các hạt nano kim loại có cấu trúc lõi/vỏ (core/shell nanoparticles) có những đặc tính quang học rất đặc trưng.

Chúng có hai dao động cộng hưởng plasmon bề mặt tương ứng với dải điện tử của các thành phần kim loại tinh khiết trong cấu tạo hạt kim loại (của cả lõi và vỏ) [1]. Đặc tính quang học của các hạt nano kim loại được giải thích bằng lý thuyết Mie cho các hạt bị bọc bởi một lớp khác [10, 41]. So với các thể dị hướng, các hạt nano kim loại cấu trúc lõi vỏ được tổng hợp, ví dụ như dạng hợp kim bởi quá trình phát xạ laser, chỉ thể hiện một đỉnh Plasmon, nằm giữa các vùng hấp thụ của kim loại nguyên chất. Các hạt nano kim loại lõi- vỏ đóng vai trò rất quan trọng việc chẩn đoán sinh học [8].

Hơn nữa, các hạt nano kim loại thuần nhất bộc lộ một số khuyết điểm liên quan đến độ bền hóa học hoặc khi được sử dụng trong các dung môi khác nhau. Để ngăn chặn hiện tượng kết đám, các hạt huyền phù có thể được bọc bởi một lớp vỏ cách điện, ví dụ vỏ silica [34]. Sau khi bọc các hạt nano kim loại bằng lớp vỏ điện môi, chúng có thể được sử dụng trong các môi trường dung môi khác nhau. Độ dày của lớp vỏ silica trong suốt có thể được kiểm soát trong quá trình tổng hợp.

Việc thay đổi độ dày của lớp silica và chỉ số khúc xạ của dung môi cho phép kiểm soát thuộc tính quang học thông qua độ phân tán. Với việc tăng độ dày của lớp vỏ silica lên tới một kích thước nhất định, cường độ của dải plasmon tăng và đỉnh hấp thụ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn (redshift) do chỉ số khúc xạ cục bộ tăng xunh quanh hạt. Tuy nhiên, khi kích thước của cấu trúc vượt lên trên 80 nm, hiện tượng tán xạ trở nên đáng kể, tạo nên một sự gia tăng mạnh trong phổ hấp thụ của các bước sóng ngắn hơn (blue-shift) tương tự như đặc điểm của hạt nano vàng không có lớp vỏ silica. Kết quả tương tự đối với các lớp phân tử sinh học, hoặc polymer được hấp thụ lên bề mặt của các hạt nano kim loại.

Lớp vỏ polymer cũng sẽ làm thay đổi các thông số hình học, điện môi của hạt [23]. Một loại hạt nano composite khác có cấu trúc vỏ kim loại bọc xung quanh một lõi điện môi. Thuộc tính quang học của những hạt nano silica đơn phân tán (còn gọi là các hạt Stöber [55]) có thể bị ảnh hưởng bởi việc bọc xunh quanh một lớp vỏ kim loại mỏng và đồng đều. Khi giữ nguyên kích thước của lõi điện môi, sự dịch chuyển của hấp thụ quang tương đối nhạy với độ dày của lớp vỏ.

Hạt nano từ tính Các hạt nano từ hầu hết là các hợp chất của oxit sắt (Fe3O4 /magnetite Fe2O3 /maghemite) do đó không phải là những hạt kim loại nguyên chất. Tuy nhiên chúng là một trong những công cụ mạnh mẽ và hiệu quả nhất trong sinh học và y học. Có hai loại hạt nano từ tính: (1) các đầu magnetic chứa các hạt nano oxit sắt được bọc bởi mạng lưới polymer-silica và (2) các hạt oxit kim loại nguyên chất trong một dải nm. Các hạt oxit sắt ferromagnetic phân tán đơn domain được gọi là chất lỏng từ và có thể được sử dụng trong các ứng dụng sinh học nếu nó có tính hợp sinh cao.

Việc biến tính các đầu magnetic hoặc hạt nano, cho phép chúng có thể gắn với protein hoặc DNA và 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] do đó, sử dụng trong các ứnh dụng phát hiện, chẩn đoán và là tiềm năng trong việc ứng dụng chế tạo các công cụ chẩn đoán và chữa trị hiện đại, ví dụ như trong nhiệt trị tế bào ung thư [58] mà chỉ có các hạt nano từ tính hợp sinh học mới có thể được sử dụng. Hoặc việc sử dụng các hạt nano từ tính và các đầu từ (magnetic bead) làm tác nhân làm mạnh ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI) cũng như phát hiện các phân tử sinh học bằng các sensor từ tính. Một ứng dụng khác có thể kể đến là việc tách chiết các phân tử sinh học sử dụng hạt nano từ tính là một trong những kỹ thuật trong các phòng thí nghiệm đang được chuẩn hóa trên toàn thế giới vì ưu điểm tiện lợi, nhanh và rẻ tiền. Ho và các cộng sự (2010) sử dụng các hạt từ tính gắn kháng thể như một đầu dò ái lực hiệu quả cho việc làm giàu có chọn lọc các vi khuẩn từ mẫu dung dịch lỏng [16].

Chấm lượng tử Chấm lượng tử là những cấu trúc nano tinh thể có thể phát xạ khi bị kích thích trong một dải tần số ánh sáng nào đó. Các loại chấm lượng tử có cấu trúc nano như CdSe, CdS, CdTe trong khoảng 200- 10,000 nguyên tử, đặc điểm nổi bật của chấm lượng tử là thể hiện đặc tính quang học phụ thuộc mạnh vào kích thước và tính chất điện tử [2].