I. Tổng Quan Nghiên Cứu Đặc Tính Quang Hạt Nano Vàng
Công nghệ nano, đặc biệt là hạt nano vàng, đang thu hút sự quan tâm lớn của giới khoa học. Hạt nano vàng dễ tổng hợp, ít độc tính và có nhiều tính chất độc đáo như hiệu ứng plasmon cộng hưởng bề mặt. Nhờ đó, ứng dụng hạt nano vàng rất tiềm năng trong y sinh, từ tiêu diệt tế bào ung thư đến chẩn đoán bệnh. Trong các que thử nhanh, hạt nano vàng đóng vai trò chất chỉ thị, giúp xác định kết quả bằng mắt thường. Tuy nhiên, việc đảm bảo hoạt tính và độ ổn định của hạt nano vàng sau khi chức năng hóa là một thách thức lớn. Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu. Theo một phân tích gần đây từ các công trình công bố liên quan đến kỹ thuật sắc ký miễn dịch trên Scopus, có hơn 88% công trình liên quan sử dụng chất chỉ thị là nano vàng [4].
1.1. Giới Thiệu Chung Về Hạt Nano Vàng AuNPs
Hạt nano vàng (AuNPs) là vật liệu nano có kích thước từ 1-100nm, thể hiện tính chất lý hóa đặc biệt so với vàng khối. Chúng có màu sắc thay đổi theo kích thước và nồng độ do hiệu ứng plasmon cộng hưởng bề mặt. Hạt nano vàng có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và khả năng tương thích sinh học cao. Cấu trúc tinh thể của Au là lập phương tâm mặt, mỗi nguyên tử liên kết với 12 nguyên tử xung quanh với hằng số mạng: 4,0786 Å. [8]
1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Hạt Nano Vàng Trong Y Sinh
Hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh, bao gồm tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc, tạo ảnh sinh học và chẩn đoán bệnh. Khả năng chức năng hóa hạt nano vàng với kháng thể giúp phát hiện chính xác mầm bệnh. Trong các que thử nhanh, hạt nano vàng được sử dụng làm chất chỉ thị để xác định kết quả âm tính hoặc dương tính. Theo Shukla và cs [12] các hạt nano vàng không gây độc tế bào, làm giảm quá trình sản xuất các loại nitrite, oxy phản ứng và không làm phát sinh các cytokine tiền viêm TNF-alpha và IL1-beta .
II. Thách Thức Trong Phát Hiện Vi Khuẩn Bằng Hạt Nano Vàng
Mặc dù hạt nano vàng có nhiều ưu điểm, việc phát hiện vi khuẩn bằng phương pháp này vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những yếu tố quan trọng là đảm bảo hoạt tính và độ ổn định của hạt nano vàng sau khi chức năng hóa. Điều kiện gắn kết ảnh hưởng đến đặc tính quang của mẫu, đồng thời phải đảm bảo khả năng tạo màu để dễ dàng quan sát. Ngoài ra, cần kiểm soát độ sạch của hạt nano vàng để tránh gây độc cho tế bào và đảm bảo tính chính xác của phép đo. Để hƣớng tới những ứng dụng cụ thể của nano vàng chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa trong chẩn đoán nhanh tác nhân gây bệnh, đặc biệt là các tác nhân điển hình gây nhiễm trùng bệnh viện hay bệnh truyền nhiễm, với điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm và sự định hƣớng của Thầy hƣớng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề "Nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu" làm đề tài của luận văn.
2.1. Ảnh Hưởng Của Chức Năng Hóa Đến Đặc Tính Quang
Quá trình chức năng hóa bề mặt hạt nano vàng có thể làm thay đổi đặc tính quang của chúng. Việc gắn các phân tử khác lên bề mặt hạt nano vàng có thể ảnh hưởng đến hiệu ứng plasmon cộng hưởng, dẫn đến sự thay đổi màu sắc và phổ hấp thụ. Cần tối ưu hóa quy trình chức năng hóa để duy trì độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến sinh học.
2.2. Kiểm Soát Độ Ổn Định Của Hạt Nano Vàng Trong Dung Dịch
Độ ổn định hạt nano vàng trong dung dịch là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính chính xác của phép đo. Hạt nano vàng có thể bị kết tụ lại với nhau, làm giảm hiệu quả phát hiện vi khuẩn. Cần sử dụng các chất ổn định và kiểm soát các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ muối để duy trì độ ổn định hạt nano vàng.
III. Phương Pháp Chế Tạo Hạt Nano Vàng Bằng Điện Hóa
Nghiên cứu này sử dụng phương pháp điện hóa để chế tạo hạt nano vàng sạch. Phương pháp này có ưu điểm là kiểm soát được độ tinh khiết, kích thước hạt và chi phí thấp. Hạt nano vàng được tạo ra trong nước cất 2 lần hoặc nước khử ion, đảm bảo độ sạch cao. Kích thước hạt có thể điều khiển được bằng cách thay đổi các thông số điện hóa. Phương pháp này hứa hẹn cung cấp nguồn hạt nano vàng ổn định cho các ứng dụng trong y sinh. Trong một đề tài luận văn nghiên cứu gần đây, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Trần Quang Huy, học viên Hoàng Long thực hiện thành công nghiên cứu chế 1 c tạo nano vàng sạch bằng phƣơng pháp điện hóa [5].
3.1. Quy Trình Điện Hóa Tổng Hợp Hạt Nano Vàng
Phương pháp điện hóa sử dụng điện cực vàng làm nguồn cung cấp ion vàng. Quá trình điện phân trong dung dịch điện ly thích hợp tạo ra hạt nano vàng. Kích thước và hình dạng hạt nano vàng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp, dòng điện và thời gian điện phân. Hạt nano thu đƣợc bằng phƣơng pháp này có thể kiểm soát đƣợc độ tinh khiết do đƣợc chế tạo trong nƣớc cất 2 lần hoặc nƣớc khử ion, kiểm soát đƣợc vật liệu ban đầu, có khả năng điều khiển đƣợc kích thƣớc và chí phí thấp.
3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Điện Hóa So Với Phương Pháp Khác
So với phương pháp khử hóa học, phương pháp điện hóa giúp kiểm soát tốt hơn độ tinh khiết và giảm thiểu chất tồn dư. So với phương pháp vật lý, phương pháp điện hóa có chi phí thấp hơn và dễ thực hiện hơn. Quan trọng nhất, phương pháp điện hóa cho phép điều khiển kích thước hạt nano vàng một cách chính xác. Phƣơng pháp này đã góp phần đảm bảo đƣợc chất lƣợng của nano vàng do khả năng kiểm soát đƣợc độ sạch của nguyên liệu đầu vào cũng nhƣ sản phẩm đầu ra, có thể điều khiển đƣợc kích thƣớc hạt nano và chí phí thấp, đảm bảo đƣợc tính chất lí hóa và thân thiện với môi trƣờng, đặc biệt không có chất tồn dƣ độc hại trong sản phẩm.
IV. Tối Ưu Hóa Chức Năng Hóa Hạt Nano Vàng Với Kháng Thể
Để phát hiện vi khuẩn một cách đặc hiệu, hạt nano vàng cần được chức năng hóa với kháng thể. Quá trình này đòi hỏi tối ưu hóa các điều kiện như nồng độ kháng thể, pH và thời gian ủ. Mục tiêu là gắn được lượng kháng thể tối ưu lên bề mặt hạt nano vàng mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính quang của chúng. Một trong những yêu cầu quan trọng khi gắn kết đƣợc với các phần tử sinh học, đặc biệt là khi đƣa vào cơ thể ngƣời hay động vật thì các hạt nano vàng điều chế đƣợc phải có độ sạch cao, không lẫn với các tạp chất hay chất tồn dƣ có nguy cơ phá hủy các phần tử sinh học hay gây độc cho cơ thể.
4.1. Ảnh Hưởng Của Nồng Độ Kháng Thể Đến Khả Năng Phát Hiện
Nồng độ kháng thể gắn trên hạt nano vàng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát hiện vi khuẩn. Nồng độ quá thấp có thể không đủ để bắt giữ vi khuẩn, trong khi nồng độ quá cao có thể gây kết tụ hạt nano vàng. Cần xác định nồng độ kháng thể tối ưu để đạt được độ nhạy cao nhất.
4.2. Tối Ưu Hóa pH Và Thời Gian Ủ Trong Quá Trình Chức Năng Hóa
pH và thời gian ủ là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả chức năng hóa. pH thích hợp giúp kháng thể gắn kết tốt hơn với hạt nano vàng. Thời gian ủ cần đủ để kháng thể gắn kết hoàn toàn, nhưng không quá dài để tránh làm hỏng kháng thể. Quá trình chức năng hóa có thể dựa trên việc sử dụng bất kỳ một nhóm hoặc kết hợp các nhóm nhƣ oligo- hoặc polyethylene glycol (PEG), albumin huyết thanh bò (BSA), oligo hoặc polypeptide, oligonucleotides, antisense hoặc phân tử RNA nhạy, kháng thể, thụ thể tế bào và các phân tử.
V. Ứng Dụng Hạt Nano Vàng Trong Que Thử Phát Hiện Vi Khuẩn
Nghiên cứu này ứng dụng hạt nano vàng đã chức năng hóa để chế tạo que thử nhanh phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng. Que thử dựa trên nguyên lý sắc ký miễn dịch, cho phép xác định kết quả bằng mắt thường trong thời gian ngắn. Que thử có tiềm năng ứng dụng trong phát hiện nhanh vi khuẩn tại chỗ, giúp chẩn đoán và điều trị bệnh kịp thời. Trong các que thử nhanh chế tạo dựa trên nguyên lý và kỹ thuật sắc ký miễn dịch, nano vàng đƣợc sử dụng nhƣ chất chỉ thị để tạo vạch màu, chúng giúp xác định nhanh kết quả âm hay dƣơng tính bằng mắt thƣờng đối với bệnh hay triệu chứng nào đó.
5.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Que Thử Sắc Ký Miễn Dịch
Que thử sắc ký miễn dịch bao gồm một màng nitrocellulose có gắn kháng thể đặc hiệu với vi khuẩn mục tiêu. Khi mẫu bệnh phẩm được nhỏ lên que thử, vi khuẩn sẽ liên kết với kháng thể trên hạt nano vàng. Phức hợp này di chuyển dọc theo màng và bị bắt giữ bởi kháng thể cố định, tạo thành vạch màu. Nguyên lý tạo que thử sắc ký miễn dịch 21
5.2. Đánh Giá Độ Nhạy Và Độ Đặc Hiệu Của Que Thử
Độ nhạy và độ đặc hiệu là hai thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của que thử. Độ nhạy thể hiện khả năng phát hiện vi khuẩn ở nồng độ thấp, trong khi độ đặc hiệu thể hiện khả năng phân biệt vi khuẩn mục tiêu với các vi khuẩn khác. Cần thực hiện các thử nghiệm kiểm chứng để đảm bảo que thử có độ chính xác và độ tin cậy cao.
VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Hạt Nano Vàng
Nghiên cứu này đã thành công trong việc chế tạo hạt nano vàng sạch bằng phương pháp điện hóa và ứng dụng chúng để phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng bằng que thử nhanh. Kết quả cho thấy hạt nano vàng có tiềm năng lớn trong chẩn đoán bệnh và phát hiện nhanh mầm bệnh. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng trong điều trị bệnh và phát hiện vi khuẩn kháng thuốc. Để hƣớng tới những ứng dụng cụ thể của nano vàng chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa trong chẩn đoán nhanh tác nhân gây bệnh, đặc biệt là các tác nhân điển hình gây nhiễm trùng bệnh viện hay bệnh truyền nhiễm, với điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm và sự định hƣớng của Thầy hƣớng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề "Nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu" làm đề tài của luận văn.
6.1. Tiềm Năng Phát Triển Của Cảm Biến Sinh Học Nano Vàng
Cảm biến sinh học dựa trên hạt nano vàng có tiềm năng phát triển lớn trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến môi trường. Các nghiên cứu mới nhất tập trung vào việc tăng cường độ nhạy, độ chọn lọc và giảm chi phí của cảm biến sinh học. Các hạt nano vàng không gây 7 c độc tế bào, làm giảm quá trình sản xuất các loại nitrite, oxy phản ứng và không làm phát sinh các cytokine tiền viêm TNF-alpha và IL1-beta .
6.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Về Ứng Dụng Hạt Nano Vàng
Các hướng nghiên cứu mới về ứng dụng hạt nano vàng bao gồm điều trị bệnh bằng phương pháp quang nhiệt, dẫn thuốc trúng đích và phát triển các phương pháp phát hiện mầm bệnh nhanh chóng và chính xác. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc giải quyết vấn đề vi khuẩn kháng thuốc bằng cách sử dụng hạt nano vàng để tăng cường hiệu quả của kháng sinh.
