Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý với đề tài "Hạt nano đa chức năng trên cơ sở $\text{Fe}_3\text{O}_4$ – $\text{Ag}$ – $\text{ZnS:Mn}$ và thử nghiệm phát hiện tế bào ung thư" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Chu Tiến Dũng tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (chuyên ngành Vật lý Chất rắn, mã số 62440104), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hoàng Nam và PGS. Trần Thị Hồng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu nano đơn thành phần vốn bộc lộ các hạn chế kỹ thuật trong môi trường sinh lý:

  • Hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ dễ bị oxy hóa và hòa tan trong môi trường axit yếu, làm suy giảm từ tính.
  • Hạt nano kim loại quý ($\text{Ag}$, $\text{Au}$) và chấm lượng tử bán dẫn ($\text{ZnS:Mn}$, $\text{CdSe}$, $\text{CdTe}$) dễ bị kết đám do hiệu ứng Ostwald ripening để giảm năng lượng bề mặt, đồng thời gặp khó khăn trong việc dẫn truyền và định hướng hướng đích khi thiếu lực điều khiển từ trường ngoài.
  • Các chất cản quang thương mại chứa gadolini ($\text{Gd}^{3+}$) dùng trong chụp cộng hưởng từ ($\text{MRI}$) có độc tính cao đối với cơ thể sống.

Mặc dù việc tích hợp các cấu phần từ tính, kim loại quý và bán dẫn tạo thành hệ hạt nano đa chức năng mang lại tiềm năng lớn trong chẩn đoán đa phương thức ($\text{MRI}$, ảnh huỳnh quang, hiển vi trường tối, phổ $\text{SERS}$) và điều trị tích hợp (nhiệt từ trị, quang nhiệt, quang động lực), các công trình trong và ngoài nước trước đó thường sử dụng điều kiện chế tạo phức tạp (nhiệt độ cao trên $200\text{–}300^\circ\text{C}$, áp suất cao, hóa chất độc hại). Điều này dẫn đến sự suy giảm tính chất siêu thuận từ (giảm từ độ bão hòa $M_s$, xuất hiện lực kháng từ $H_c$ và từ dư $M_r$ lớn), không đồng đều về hình thái và chi phí chế tạo cao, khó áp dụng vào điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu quy trình công nghệ hóa học đơn giản, thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ thấp nhằm tạo ra hạt nano đa chức năng có cấu trúc bền vững và giữ được các tính chất vật lý ưu việt là một yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo vật liệu nano composite đa chức năng chứa đồng thời hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và nano kim loại quý ($\text{Ag}$) hoặc nano bán dẫn ($\text{ZnS:Mn}$) bằng phương pháp hóa học đơn giản, chi phí thấp, bảo đảm:

  • Tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa $M_s$ cao của $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
  • Tính chất quang đặc trưng: cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ ($\text{LSPR}$), tán xạ Raman tăng cường bề mặt ($\text{SERS}$) của $\text{Ag}$, hoặc phát huỳnh quang ($\text{PL}$) mạnh, ổn định của $\text{ZnS:Mn}$.
  • Ứng dụng thử nghiệm trong việc phát hiện, bắt cặp, phân tách và đánh dấu tế bào ung thư nhờ chức năng hóa sinh học với kháng thể và aptamer.

Nội dung và giới hạn nghiên cứu

Luận án tập trung vào 4 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng từ tính – kim loại $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2$ và từ tính – bán dẫn $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2$ trên nền silica bằng phương pháp vi nhũ tương đảo và phương pháp Stöber.
  2. Nghiên cứu chế tạo nano composite đa chức năng từ tính – kim loại $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ thông qua phản ứng hóa khử ion phức $[-\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ hình thành với nhóm amin ($-\text{NH}_2$) được chức năng hóa bằng tiền chất $\text{APTES}$ trên bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm; khảo sát ảnh hưởng của $\text{pH}$ và thể tích tiền chất $\text{APTES}$.
  3. Nghiên cứu chế tạo nano composite đa chức năng $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ thông qua khử ion phức $[-\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ trên bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bọc silica chức năng hóa amin; khảo sát quy trình thủy phân – ngưng tụ đồng thời hai tiền chất $\text{TEOS}$ và $\text{APTES}$.
  4. Thử nghiệm gắn kết kháng thể $\text{anti-EGFR}$ và phân tử sinh học $\text{aptamer}$ lên các hệ hạt nano composite đã chế tạo để phát hiện, bắt cặp, phân tách và đánh dấu các dòng tế bào: tế bào ung thư da người $\text{SK-Mel 28}$, tế bào biểu mô da thường $\text{Hacat}$, và tế bào ung thư phổi $\text{A549}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$, hạt nano kim loại $\text{Ag}$, hạt nano bán dẫn pha tạp $\text{ZnS:Mn}$, vỏ bọc silica ($\text{SiO}_2$), các phức hệ composite $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2$, $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2$, $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$, $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$, và các phức hệ gắn kết sinh học với $\text{anti-EGFR}$, $\text{aptamer}$.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Khoa học Vật liệu (Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN), Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Enzym và Protein, Khoa Sinh học (Trường ĐHKHTN), Trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN) và Khoa Vật lý thuộc Trường Đại học Quốc gia ChungBuk (Hàn Quốc); công bố hoàn thành vào năm 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án đã tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan:

  • Nghiên cứu trong nước:
    • Nhóm Trần Hồng Nhung, Nguyễn Xuân Phúc (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) nghiên cứu hệ hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{SiO}_2/\text{Au}$ với đỉnh $\text{LSPR}$ trong vùng hồng ngoại gần ($>800\text{ nm}$) nhưng từ tính yếu ($M_s \approx 5\text{ emu/g}$ tại $5\text{ kOe}$), và sử dụng chấm lượng tử $\text{QD-655}$, $\text{CdTe}$ gắn kháng thể thể thực khuẩn đặc hiệu $\text{Her-2}$ để phát hiện tế bào ung thư.
    • Nhóm Trần Đại Lâm (Viện Hàn lâm KHCNVN) chế tạo nano $\text{Ag}/\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-CS}$ bằng phương pháp khử $\text{NaBH}_4$ phục vụ tăng nhiệt từ trị và kháng khuẩn $\textit{Pseudomonas aeruginosa}$.
    • Nhóm Lê Anh Tuấn (Đại học Bách khoa Hà Nội) chế tạo composite hai thành phần $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3\text{-Ag}$ bằng phương pháp thủy nhiệt ở $200^\circ\text{C}$ để kháng khuẩn và kháng ung thư phổi $\text{A549}$, song mẫu có $M_s$ rất thấp.
    • Nhóm Lê Thành Huy chế tạo composite $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ sử dụng bọc chất hoạt động bề mặt và khử bằng glucose dưới đèn tử ngoại, thu được $M_s$ thấp ($5\text{–}35\text{ emu/g}$) trong khi $H_c$ và $M_r$ lớn.
    • Nhóm Nguyễn Hoàng Lương (Trường ĐHKHTN) nghiên cứu hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2$ ứng dụng tách chiết và phát hiện virus.
  • Nghiên cứu quốc tế:
    • Cấu trúc lõi - vỏ: $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{CdS}$ (Gao et al., Lee et al.), $\text{Co/CdSe}$ (Kim et al.), $\text{FePt@CdS}$ (Gu et al.), $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Au}$ (Wang et al., Park et al.). Các quy trình này yêu cầu xử lý nhiệt phân, dung môi hữu cơ độc tính cao hoặc bức xạ tia gamma từ nguồn $^{60}\text{Co}$.
    • Cấu trúc quả tạ (dumbbell) và dị thể: Nhóm Sun, Yu và Lin chế tạo $\text{Au-Fe}_3\text{O}_4$ qua nhiệt phân $\text{Fe(CO)}_5$ ở $300^\circ\text{C}$; nhóm Sotiriou dùng nhiệt phân phun ngọn lửa chế tạo $\text{Ag/Fe}_2\text{O}_3$; nhóm Wu Z. dùng thủy nhiệt với ethylene glycol chế tạo $\text{CdS/Fe}_3\text{O}_4$.
    • Gói trên nền silica: Nghiên cứu vi nhũ tương đảo của Grasset ($\text{ZnFe}_2\text{O}_4@\text{SiO}_2$), Yang ($\text{CdTe@SiO}_2$), Han ($\text{Ag-Rh6G@SiO}_2$).
    • Ứng dụng y sinh: El-Sayed et al. gắn $\text{anti-EGFR}$ lên hạt nano vàng để nhận diện biểu mô ác tính $\text{HSC 3}$; Boca et al. khảo sát hạt nano $\text{Ag-CS}$ quang nhiệt tiêu diệt tế bào ung thư phổi $\text{NCI-H460}$; Shi et al. dùng chấm lượng tử phát hiện ung thư tuyến tiền liệt.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình trước đây đa phần gặp phải hạn chế: phương pháp phức tạp, giá thành cao, nhiệt độ tổng hợp cao làm biến đổi pha từ tính từ siêu thuận từ sang sắt từ với $M_s$ thấp, hoặc tương tác tĩnh điện giữa các cấu phần lỏng lẻo dễ bị tách rời trong môi trường phân tán. Luận án chọn giải quyết bài toán: Xây dựng quy trình hóa ướt đơn giản, có sự trợ giúp của sóng siêu âm tại nhiệt độ phòng/nhiệt độ thấp để liên kết các hợp phần $\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{Ag}$, $\text{ZnS:Mn}$ trực tiếp hoặc qua nền silica, đảm bảo giữ vững pha tinh thể, độ bão hòa từ cao ($M_s$), không có từ trễ ($H_c \approx 0, M_r \approx 0$), duy trì tín hiệu quang nhạy ($\text{SERS}, \text{PL}, \text{LSPR}$) và ứng dụng trực tiếp trên tế bào ung thư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Hiện tượng siêu thuận từ: Xuất hiện ở hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ có kích thước nhỏ hơn giới hạn đơn đômen từ ($<30\text{ nm}$). Năng lượng kích thích nhiệt ở nhiệt độ phòng vượt qua rào cản năng lượng dị hướng từ, làm mômen từ dao động hỗn loạn khi không có từ trường ngoài ($H_c = 0, M_r = 0$), nhưng đạt từ độ bão hòa kỹ thuật $M_s$ nhanh chóng khi có từ trường.
  2. Cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ ($\text{LSPR}$): Dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano kim loại ($\text{Ag}$) khi có trường điện từ của ánh sáng tới kích thích, tạo ra dải hấp thụ quang đặc trưng tại vùng bước sóng xấp xỉ $400\text{ nm}$ đối với $\text{Ag}$.
  3. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt ($\text{SERS}$): Hiện tượng khuếch đại tín hiệu tán xạ không đàn hồi của các phân tử gắn trên bề mặt kim loại quý (tăng cường từ $10^4$ đến $10^5$ lần) do sự tăng cường điện từ trường cục bộ sinh ra từ dao động plasmon và cơ chế truyền điện tích hóa học.
  4. Cơ chế huỳnh quang của chấm lượng tử $\text{ZnS:Mn}$: Pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ vào mạng nền $\text{ZnS}$ tạo mức năng lượng trung gian; khi bị kích thích, năng lượng tái tổ hợp chuyển mức tử ngoại sang mức chuyển dời quang học $^{4}T_1 \rightarrow {^{6}}A_1$ của ion $\text{Mn}^{2+}$, phát ra ánh sáng huỳnh quang màu vàng cam đặc trưng tại bước sóng khoảng $598\text{–}600\text{ nm}$.
  5. Động học thủy phân và ngưng tụ của Alkyl Silicate ($\text{TEOS}, \text{APTES}$): Phản ứng thay thế nhóm alkoxy bằng nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$), tiếp nối bởi phản ứng ngưng tụ giải phóng nước/cồn hình thành mạng lưới vô cơ $-\text{Si-O-Si}-$.
  6. Hiệu ứng xâm thực sóng siêu âm (Sonochemical effect): Sóng siêu âm dải tần số từ $20\text{ kHz}$ đến $10\text{ MHz}$ tạo ra các bọt khí âm cục bộ có kích thước khoảng $100\text{ nm}$. Khi bọt vỡ tạo áp suất cao ($\approx 1000\text{ bar}$) và nhiệt độ cao ($\approx 5000\text{ K}$) trong thời gian cực ngắn, phân tán đồng đều dung dịch, chống kết đám và đẩy nhanh tốc độ phản ứng hóa khử.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án kết hợp các phương pháp tổng hợp hóa học và hệ thống phép đo vật lý hiện đại:

Nhóm phương pháp Kỹ thuật / Thiết bị Mục đích sử dụng trong luận án
Tổng hợp vật liệu Đồng kết tủa hóa học Chế tạo hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và hạt nano bán dẫn $\text{ZnS:Mn}$
Vi nhũ tương đảo (Igepal CO-520/cyclohexane) & Stöber Gói đồng thời các hạt nano vào nền silica ($\text{SiO}_2$)
Hóa khử hỗ trợ sóng siêu âm Khử phức $[-\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ trên nhóm $-\text{NH}_2$ để tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$
Cấu trúc & Hình thái Nhiễu xạ tia X ($\text{XRD}$) Xác định thành phần pha tinh thể, tính toán hằng số mạng và kích thước tinh thể
$\text{TEM}$, $\text{HRTEM}$, $\text{SAED}$ Khảo sát hình thái, kích thước hạt, cấu trúc mạng tinh thể và nhiễu xạ điện tử chọn vùng
Phổ tán sắc năng lượng tia X ($\text{EDS}$) Phân tích định tính và định lượng thành phần nguyên tố ($\text{Fe}, \text{Si}, \text{Ag}, \text{Zn}, \text{S}, \text{Mn}$)
Phổ quang điện tử tia X ($\text{XPS}$) Xác định trạng thái liên kết hóa học, năng lượng liên kết của các nguyên tố ($\text{N1s}, \text{Ag3d}, \text{Fe2p}$)
Tính chất quang - từ Phổ biến đổi Fourier hồng ngoại ($\text{FTIR}$) Xác định các nhóm chức hóa học ($-\text{NH}_2, -\text{OH}, \text{Si-O-Si}, \text{Fe-O}$) và liên kết phối tử
Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến ($\text{UV-Vis}$) Xác định đỉnh hấp thụ plasmon ($\text{LSPR}$) và tính toán độ rộng vùng cấm ($E_g$)
Phổ tán xạ Raman & $\text{SERS}$ Khảo sát tín hiệu tăng cường tán xạ bề mặt với phân tử mẫu $\text{4ATP}$ và $\text{aptamer}$
Phổ phát huỳnh quang ($\text{PL}$) Đo phổ huỳnh quang với nguồn kích thích laser bước sóng $325\text{ nm}$
Từ kế mẫu rung ($\text{VSM}$) Đo đường cong từ hóa $M(H)$, xác định $M_s, H_c, M_r$ và khớp hàm Langevin
Thử nghiệm y sinh Hiển vi quang học trường sáng / trường tối Quan sát sự bắt cặp của hạt nano với tế bào, đo cường độ sáng bằng phần mềm ImageJ

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano, ứng dụng trong y - sinh học

Chương 1 cung cấp cơ sở tổng quan toàn diện về ba nhóm vật liệu nano đơn lẻ (từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$, kim loại quý $\text{Ag}/\text{Au}$, bán dẫn $\text{ZnS:Mn}/\text{CdSe}$), vật liệu nano đa chức năng, ảnh hưởng của sóng siêu âm và các cơ chế tương tác với tế bào ung thư:

  • Phân tích chi tiết tính chất siêu thuận từ của hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ kích thước $<30\text{ nm}$ và các ứng dụng phân tách tế bào, dẫn thuốc hướng đích, tăng độ tương phản $\text{MRI}$, và nhiệt từ trị trong dải nhiệt độ $42\text{–}45^\circ\text{C}$.
  • Trình bày bản chất vật lý của dao động plasmon bề mặt ($\text{LSPR}$), cơ chế tăng cường tán xạ $\text{SERS}$, và hiệu ứng quang nhiệt ($\text{PTT}$) của nano kim loại quý.
  • Trình bày tính chất quang của nano bán dẫn, so sánh ưu điểm huỳnh quang ổn định, dải phát xạ hẹp so với chất nhuộm hữu cơ truyền thống (như Rhodamine 6G), phân tích độc tính của các kim loại nặng ($\text{Cd}, \text{Te}, \text{Pb}$) và tính tương thích sinh học cao của bán dẫn trên cơ sở kẽm ($\text{ZnS}$).
  • Điểm luận các phương pháp chế tạo hệ hạt đa chức năng (lõi - vỏ, composite quả tạ, composite dạng hoa, nền silica) và tổng hợp cơ chế xâm thực sóng siêu âm trong việc tạo các điểm phản ứng cục bộ ($5000\text{ K}, 1000\text{ bar}$).
  • Khái quát về các biểu hiện thụ thể trên màng tế bào ung thư (như thụ thể $\text{EGFR}$, $\text{Her-2}$) và cơ chế nhận diện đặc hiệu qua tương tác kháng thể – kháng nguyên và liên kết sinh học với $\text{aptamer}$.

Chương 2: Thực nghiệm chế tạo, ứng dụng và các phương pháp khảo sát vật liệu

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm, hóa chất, thiết bị và các phương pháp phân tích:

  • Hóa chất chính: $\text{FeCl}_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$, $\text{FeSO}_4\cdot 7\text{H}_2\text{O}$, $\text{AgNO}_3$, $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$, $\text{Mn(CH}_3\text{COO)}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$, $\text{Na}_2\text{S}\cdot 9\text{H}_2\text{O}$, $\text{TEOS}$, $\text{APTES}$, chất hoạt động bề mặt Igepal CO-520, cyclohexane, 4-aminothiophenol ($\text{4ATP}$), kháng thể $\text{anti-EGFR}$, $\text{aptamer}$ (chuỗi oligonucleotide gắn nhóm $-\text{SH}$).
  • Quy trình công nghệ chế tạo:
    • Tổng hợp hạt nano đơn lẻ: $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học; $\text{ZnS:Mn}$ với tỉ lệ nồng độ pha tạp $\text{Mn}^{2+}$ từ $0%$ đến $12%$; $\text{Ag}$ chức năng hóa $\text{4ATP}$.
    • Chế tạo hạt nano đa chức năng trên nền silica $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2$ bằng vi nhũ tương đảo và phương pháp Stöber.
    • Chế tạo composite $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ nhờ chức năng hóa $-\text{NH}_2$ bằng $\text{APTES}$, tạo phức $[-\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ và khử hóa học dưới tác động của rung siêu âm.
  • Quy trình gắn kết sinh học và thử nghiệm tế bào:
    • Gắn kháng thể $\text{anti-EGFR}$ lên $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag-NH}_2$ (ký hiệu mẫu $\text{MF}$) để thử nghiệm với dòng tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$ và tế bào lành $\text{Hacat}$.
    • Gắn $\text{aptamer}$ lên bề mặt hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ thông qua liên kết cộng hóa trị giữa bạc và nhóm thiol ($-\text{SH}$) của aptamer để phát hiện tế bào ung thư phổi $\text{A549}$.
  • Chi tiết thông số hoạt động của 10 kỹ thuật thực nghiệm đo đạc: $\text{XRD}, \text{TEM/HRTEM/SAED}, \text{EDS}, \text{XPS}, \text{UV-Vis}, \text{FTIR}, \text{SERS}, \text{PL}, \text{VSM}$ và chụp ảnh hiển vi quang học trường sáng – trường tối.

Chương 3: Hạt nano đa chức năng trên nền silica: Fe3O4-Ag@SiO2 và Fe3O4-ZnS:Mn@SiO2

Chương này công bố kết quả chế tạo thành công hai hệ hạt nano đa chức năng được bọc đồng thời trong vỏ silica:

1. Hệ từ tính - kim loại Fe3O4-Ag@SiO2

  • Chế tạo bằng phương pháp vi nhũ tương đảo ($\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2\text{-V}$) và phương pháp Stöber ($\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2\text{-S}$).
  • Giản đồ $\text{XRD}$ khẳng định sự cùng tồn tại của hai pha tinh thể: pha cấu trúc spinel đảo của $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và pha lập phương tâm mặt ($\text{fcc}$) của $\text{Ag}$. Hằng số mạng tính toán là $a = 8{,}38\text{ \AA}$ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) và $a = 4{,}08\text{ \AA}$ ($\text{Ag}$).
  • Ảnh $\text{TEM}$ cho thấy hạt có dạng hình cầu, lớp vỏ silica bọc kín chứa đồng thời các hạt lõi $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{Ag-4ATP}$ bên trong. Kích thước trung bình hạt silica là khoảng $60\text{–}70\text{ nm}$ đối với vi nhũ tương đảo và $100\text{–}120\text{ nm}$ đối với Stöber.
  • Phép đo $\text{VSM}$ tại nhiệt độ phòng chứng minh tính chất siêu thuận từ hoàn toàn ($H_c = 0, M_r = 0$), từ độ bão hòa kỹ thuật $M_s$ đạt $13{,}2\text{ emu/g}$ (mẫu vi nhũ tương) và $8{,}4\text{ emu/g}$ (mẫu Stöber).
  • Phổ $\text{UV-Vis}$ ghi nhận đỉnh hấp thụ $\text{LSPR}$ đặc trưng của $\text{Ag}$ tại bước sóng $420\text{ nm}$. Phổ $\text{SERS}$ khuếch đại rõ nét các vạch dao động đặc trưng của phân tử $\text{4ATP}$ (các đỉnh tại $1078\text{ cm}^{-1}, 1142\text{ cm}^{-1}, 1390\text{ cm}^{-1}, 1432\text{ cm}^{-1}, 1575\text{ cm}^{-1}$).

2. Hệ từ tính - bán dẫn Fe3O4-ZnS:Mn@SiO2

  • Khảo sát tỉ lệ pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ vào mạng nền $\text{ZnS}$ từ $0%$ đến $12%$:
    • Giản đồ $\text{XRD}$ cho thấy cấu trúc tinh thể sphalerite (zinc blende) lập phương.
    • Phổ $\text{PL}$ (kích thích $325\text{ nm}$) xác nhận cường độ huỳnh quang tại đỉnh phát xạ $598\text{ nm}$ ($^{4}T_1 \rightarrow {^{6}}A_1$) tăng dần theo nồng độ pha tạp và đạt cực đại tại nồng độ $10%\text{ Mn}^{2+}$ (mẫu $\text{ZnS:Mn10}$), sau đó giảm do hiện tượng dập tắt huỳnh quang nồng độ. Độ rộng vùng cấm quang học giảm từ $3{,}68\text{ eV}$ ($0%\text{ Mn}$) xuống $3{,}52\text{ eV}$ ($10%\text{ Mn}$).
  • Gói đồng thời $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{ZnS:Mn10}$ vào nền silica tạo thành hạt đa chức năng $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2$:
    • Cấu trúc pha khẳng định qua $\text{XRD}$ và $\text{Raman}$ (các mode dao động dọc quang học $\text{LO}$ và ngang quang học $\text{TO}$ của $\text{ZnS}$).
    • Đường cong từ hóa $\text{VSM}$ chứng minh hệ giữ nguyên tính chất siêu thuận từ với giá trị $M_s = 10{,}1\text{ emu/g}$ ($\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2\text{-S}$).
    • Phổ huỳnh quang vẫn duy trì đỉnh phát xạ mạnh tại bước sóng màu vàng cam đặc trưng ($598\text{ nm}$).

Chương 4: Vật liệu nano composite đa chức năng Fe3O4/Ag, Fe3O4@SiO2/Ag và thử nghiệm đánh dấu tế bào

Chương 4 trình bày các khảo sát công nghệ tổng hợp hạt nano composite dạng liên kết bề mặt, khảo sát độ bền nhiệt và kết quả thử nghiệm sinh học trên các tế bào:

1. Hệ nano composite Fe3O4/Ag

  • Khảo sát sự hình thành composite khi thay đổi $\text{pH}$ dung dịch phản ứng ($\text{pH} = 5, 7, 9, 11$):
    • Tại môi trường kiềm ($\text{pH} = 11$), phản ứng tạo phức và khử ion bạc diễn ra hoàn toàn, mật độ hạt nano bạc đính kết đồng đều và chặt chẽ nhất trên bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-NH}_2$.
    • Khảo sát ủ nhiệt ở $100^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$ chứng minh mẫu chế tạo tại $\text{pH} = 11$ có độ bền nhiệt vượt trội, bảo toàn pha $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{Ag}$, không bị oxy hóa thành hematite ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$), từ độ bão hòa $M_s$ đạt trên $45\text{ emu/g}$.
  • Khảo sát ảnh hưởng của lượng tiền chất $\text{APTES}$ ($x = 1; 3; 4{,}5; 6\text{ ml}$):
    • Phổ $\text{FTIR}$ và $\text{EDS}$ chỉ ra tại $x = 3\text{ ml}$, bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ được chức năng hóa nhóm $-\text{NH}_2$ tối ưu, cho phép hạt nano bạc tạo thành đính kết với mật độ đồng đều nhất, đạt tỉ lệ khối lượng $\text{Ag/Fe}$ lý tưởng mà vẫn duy trì $M_s$ cao ($52{,}8\text{ emu/g}$).

2. Hệ nano composite Fe3O4@SiO2/Ag

  • Tổng hợp thành công thông qua quy trình bọc silica tạo lõi-vỏ $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2$, chức năng hóa bề mặt bằng $\text{APTES}$ và khử ion phức bạc dưới sóng siêu âm.
  • Phát triển thành công quy trình thủy phân – ngưng tụ đồng thời hai tiền chất $\text{TEOS}$ và $\text{APTES}$ trong một giai đoạn, giúp rút ngắn thời gian phản ứng, đơn giản hóa quy trình công nghệ mà vẫn đảm bảo liên kết bền vững giữa hạt nano bạc với vỏ silica biến tính amin. Phổ $\text{XPS}$ đỉnh $\text{N1s}$ ($399{,}6\text{ eV}$) và $\text{Ag3d}$ ($368{,}2\text{ eV}$ và $374{,}2\text{ eV}$) khẳng định liên kết phối trí bền vững giữa $\text{Ag}$ và nhóm $-\text{NH}_2$.

3. Thử nghiệm phát hiện, đánh dấu và phân tách tế bào

  • Thử nghiệm trên dòng tế bào da ($\text{SK-Mel 28}$ và $\text{Hacat}$):
    • Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag-NH}_2$ gắn kháng thể $\text{anti-EGFR}$ (phức hệ $\text{MF-anti-EGFR}$) được ủ với tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$ (dòng tế bào biểu hiện biểu mô thụ thể $\text{EGFR}$ ở mức cao) và tế bào da thường $\text{Hacat}$ (biểu hiện $\text{EGFR}$ rất thấp).
    • Kết quả hiển vi trường tối cho thấy tế bào $\text{SK-Mel 28}$ được bao bọc dày đặc bởi các hạt nano đa chức năng, tán xạ ánh sáng mạnh với cường độ sáng trung bình trên một đơn vị diện tích (phân tích bằng ImageJ) cao gấp hơn $4\text{ lần}$ so với tế bào $\text{Hacat}$.
    • Hiệu suất gắn kết tế bào của hạt nano $\text{MF-anti-EGFR}$ đạt trên $80%$ đối với tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$.
  • Thử nghiệm trên tế bào ung thư phổi $\text{A549}$:
    • Gắn kết thành công chuỗi $\text{aptamer}$ đặc hiệu lên bề mặt $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ thông qua liên kết $\text{Ag-S}$, được xác nhận qua phổ $\text{FTIR}$ và phổ $\text{SERS}$.
    • Ảnh hiển vi trường tối sau thời gian ủ $1\text{ giờ}$ và $6\text{ giờ}$ chứng minh các phức hệ nano-aptamer nhận diện, bám dính đặc hiệu màng tế bào $\text{A549}$ và nhập bào vào nội bào chất. Cường độ sáng trường tối của tế bào tăng mạnh theo thời gian ủ.
    • Sử dụng từ trường ngoài (nam châm vĩnh cửu) chứng minh khả năng phân tách, làm giàu các tế bào ung thư đã bắt cặp với hạt nano ra khỏi dung dịch huyền phù một cách nhanh chóng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học và công nghệ cụ thể như sau:

  1. Đóng góp về phương pháp chế tạo:

    • Sử dụng thành công silica làm chất mang trơ quang - từ để gói đồng thời các hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ với hạt nano kim loại $\text{Ag}$ hoặc hạt nano bán dẫn $\text{ZnS:Mn}$ bằng phương pháp vi nhũ tương đảo và Stöber, tạo ra hệ hạt nano đa chức năng có cấu trúc phân tán đồng đều.
    • Thiết lập quy trình công nghệ hóa khử hỗ trợ bởi sóng siêu âm ở điều kiện êm dịu (nhiệt độ phòng) để chế tạo hạt nano composite đa chức năng $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ có cấu trúc bền vững và độ lặp lại cao.
    • Cải tiến quy trình tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$ thông qua việc thủy phân – ngưng tụ đồng thời $\text{TEOS}$ và $\text{APTES}$, giúp rút ngắn các bước thực nghiệm.

  2. Đóng góp về khảo sát tính chất vật liệu:

    • Xác định được điều kiện tối ưu để chế tạo composite $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ có cấu trúc bền nhiệt và tính chất vật lý vượt trội tại $\text{pH} = 11$ và lượng tiền chất $\text{APTES} = 3\text{ ml}$ ($M_s$ đạt $52{,}8\text{ emu/g}$, tính siêu thuận từ bảo toàn hoàn toàn).
    • Xác định được nồng độ pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ tối ưu vào mạng nền $\text{ZnS}$ là $10%$ để đạt cường độ phát quang cực đại tại bước sóng $598\text{ nm}$.

  3. Đóng góp về thử nghiệm ứng dụng y sinh:

    • Chức năng hóa thành công kháng thể $\text{anti-EGFR}$ lên hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$, chứng minh khả năng bắt cặp đặc hiệu và phân biệt rõ rệt giữa dòng tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$ và tế bào da thường $\text{Hacat}$ trên ảnh hiển vi trường tối.
    • Gắn kết thành công phân tử sinh học $\text{aptamer}$ lên các hệ hạt nano composite $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$, chứng minh hiệu quả bắt cặp, đánh dấu quang học và phân tách tế bào ung thư phổi $\text{A549}$ bằng từ trường ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các thử nghiệm đánh dấu, bắt cặp và phân tách tế bào mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm in vitro trong phòng thí nghiệm trên các dòng tế bào nuôi cấy ($\text{SK-Mel 28}$, $\text{Hacat}$, $\text{A549}$), chưa tiến hành đánh giá trên mô bệnh phẩm tươi hoặc thử nghiệm in vivo trên mô hình động vật sống.
  • Chưa khảo sát toàn diện độc tính tế bào dài hạn ($\text{cytotoxicity}$), động học hấp thu, phân bố sinh học và cơ chế đào thải của hạt nano composite đa chức năng trong cơ thể sống.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thử nghiệm gắn kết với các phân tử sinh học, kháng thể và aptamer khác nhau để phát hiện nhiều dòng tế bào ung thư phổ biến khác.
  • Đánh giá chi tiết độc tính sinh học của vật liệu nano composite trên các dòng tế bào thường và thử nghiệm in vivo trên động vật thí nghiệm (chuột).
  • Nghiên cứu kết hợp chẩn đoán hình ảnh đa phương thức ($\text{MRI}$, ảnh huỳnh quang sinh học, ảnh $\text{SERS}$) với các liệu pháp điều trị hướng đích (nhiệt từ trị, quang nhiệt trị liệu $\text{PTT}$ và dẫn truyền thuốc trị ung thư) trên cùng một hệ hạt nano đa chức năng.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng học thuật và kỹ thuật:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Vật lý Chất rắn, Khoa học Vật liệu, Hóa học Vật liệu: Cung cấp tài liệu quy chuẩn về phương pháp tổng hợp hóa ướt có hỗ trợ sóng siêu âm, kỹ thuật chức năng hóa bề mặt vô cơ/hữu cơ bằng silane ($\text{APTES}, \text{TEOS}$), và phương pháp phân tích xử lý dữ liệu từ tính ($\text{VSM}$, hàm Langevin), dữ liệu cấu trúc ($\text{XRD}, \text{HRTEM}, \text{SAED}, \text{XPS}$) và dữ liệu quang học ($\text{LSPR}, \text{SERS}, \text{PL}$).
  • Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Công nghệ Sinh học Nano và Y học Thực nghiệm: Tham khảo quy trình gắn kết cộng hóa trị giữa hạt nano kim loại/từ tính với kháng thể ($\text{anti-EGFR}$) và $\text{aptamer}$ biến tính thiol, phương pháp nhuộm hiển vi trường tối và kỹ thuật định lượng cường độ sáng tế bào qua phần mềm xử lý ảnh.
  • Kỹ sư phát triển cảm biến và vật liệu y sinh: Cung cấp quy trình công nghệ đơn giản, hóa chất phổ biến, chi phí thấp, định hướng khả năng chế tạo các bộ kít/que thử tách chiết và nhận diện tế bào đích hoặc virus phục vụ chẩn đoán nhanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại chọn kết hợp Fe3O4 với Ag và ZnS:Mn mà không dùng các chấm lượng tử CdSe hay kim loại Au?

$\text{Fe}_3\text{O}_4$ là hạt từ tính có tính tương thích sinh học cao và được $\text{FDA}$ chấp thuận sử dụng. Đối với hạt bán dẫn, tác giả chọn $\text{ZnS:Mn}$ vì mạng nền $\text{ZnS}$ không chứa các kim loại nặng độc hại như cadmi ($\text{Cd}$), chì ($\text{Pb}$) hay telu ($\text{Te}$) vốn có trong các hạt chấm lượng tử truyền thống ($\text{CdSe}, \text{CdTe}$). Đối với hạt kim loại quý, bạc ($\text{Ag}$) có giá thành thấp hơn vàng ($\text{Au}$), có đỉnh hấp thụ $\text{LSPR}$ trong vùng tử ngoại – khả kiến ($\approx 400\text{ nm}$) ít bị che khuất tín hiệu Raman trong vùng khả kiến, mang lại hệ số tăng cường tín hiệu $\text{SERS}$ vượt trội hơn so với $\text{Au}$.

2. Vai trò của sóng siêu âm trong quy trình hóa khử chế tạo nano composite Fe3O4/Ag là gì?

Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực (cavitation) sinh ra các bọt khí âm nano. Khi các bọt khí này vỡ, chúng tạo ra môi trường nhiệt độ cục bộ rất cao ($\approx 5000\text{ K}$) và áp suất lớn ($\approx 1000\text{ bar}$) trong thời gian cực ngắn. Năng lượng này giúp phân tán đồng đều các hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-NH}_2$, ngăn chặn hiện tượng kết tụ hạt nano bạc do hiện tượng Ostwald ripening, và bẻ gãy các liên kết hóa học để đẩy nhanh tốc độ phản ứng khử ion phức $[-\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ đính kết đều đặn trên bề mặt hạt từ.

3. Nồng độ pha tạp ion Mn2+ tối ưu trong mạng nền ZnS là bao nhiêu và cơ chế phát xạ huỳnh quang như thế nào?

Nồng độ pha tạp ion $\text{Mn}^{2+}$ tối ưu là $10%$ so với ion $\text{Zn}^{2+}$ (mẫu $\text{ZnS:Mn10}$). Cơ chế phát xạ xuất phát từ sự hấp thụ năng lượng của mạng nền $\text{ZnS}$ khi bị kích thích bởi laser $325\text{ nm}$, sau đó truyền năng lượng không bức xạ tới các tâm tái tổ hợp $\text{Mn}^{2+}$, dẫn đến chuyển dời quang học từ trạng thái kích thích $^{4}T_1$ xuống trạng thái cơ bản $^{6}A_1$ của cấu hình điện tử $3d^5$ trong ion $\text{Mn}^{2+}$, phát ra ánh sáng huỳnh quang màu vàng cam tại đỉnh $598\text{ nm}$. Vượt quá $10%$, khoảng cách giữa các ion $\text{Mn}^{2+}$ quá gần làm tăng tương tác trao đổi không bức xạ, gây ra hiện tượng dập tắt huỳnh quang nồng độ.

4. Bằng cách nào hạt nano Fe3O4/Ag gắn anti-EGFR có thể phân biệt được tế bào ung thư da SK-Mel 28 và tế bào lành Hacat?

Phân biệt dựa trên cơ chế miễn dịch học đặc hiệu: dòng tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$ có mức độ biểu hiện thụ thể yếu tố tăng trưởng thượng bì ($\text{EGFR}$) trên màng tế bào rất cao, trong khi tế bào da lành $\text{Hacat}$ biểu hiện thụ thể này rất thấp. Khi gắn kháng thể $\text{anti-EGFR}$ lên phức hệ $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag-NH}_2$, các kháng thể này sẽ nhận diện và liên kết chọn lọc mật độ cao lên màng tế bào $\text{SK-Mel 28}$. Dưới kính hiển vi trường tối, hiện tượng tán xạ ánh sáng plasmon mạnh của hạt nano bạc tạo ra độ tương phản sáng trên đơn vị diện tích của tế bào $\text{SK-Mel 28}$ cao gấp hơn $4\text{ lần}$ so với tế bào $\text{Hacat}$.

5. Sự gắn kết của aptamer lên bề mặt hạt nano composite được hình thành qua cơ chế nào và phục vụ mục đích gì?

$\text{Aptamer}$ được thiết kế là các chuỗi đơn oligonucleotide có đầu $5'$ chức năng hóa nhóm thiol ($-\text{SH}$). Nhóm $-\text{SH}$ tạo liên kết cộng hóa trị bền vững $\text{Ag-S}$ trực tiếp với các hạt nano bạc trên bề mặt composite $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ hoặc $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$. Phức hệ này nhận diện đặc hiệu màng tế bào ung thư phổi $\text{A549}$, giúp đánh dấu quang học rõ nét trên ảnh hiển vi trường tối và phổ $\text{SERS}$, đồng thời cho phép dùng nam châm để tách chiết tế bào ung thư ra khỏi hỗn hợp tế bào.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Chu Tiến Dũng đã xây dựng thành công quy trình công nghệ đơn giản, chi phí thấp có hỗ trợ của sóng siêu âm để tổng hợp các hệ hạt nano đa chức năng $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag@SiO}_2$, $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-ZnS:Mn@SiO}_2$, $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Ag}$ và $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{SiO}_2/\text{Ag}$. Các vật liệu tạo thành đồng thời bảo toàn tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa cao ($M_s$ đạt tới $52{,}8\text{ emu/g}$) và các tính chất quang học mạnh mẽ gồm tán xạ $\text{SERS}$, hấp thụ plasmon $\text{LSPR}$ và huỳnh quang $\text{PL}$ ổn định. Nghiên cứu đã chức năng hóa thành công hạt nano với kháng thể $\text{anti-EGFR}$ và $\text{aptamer}$, thử nghiệm chứng minh hiệu quả nhận diện, phân biệt và đánh dấu đặc hiệu các dòng tế bào ung thư da $\text{SK-Mel 28}$ và ung thư phổi $\text{A549}$ trên ảnh hiển vi trường tối, mở ra triển vọng ứng dụng trong kỹ thuật chẩn đoán y sinh và phân tách tế bào đích.