Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý với đề tài "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh" do nghiên cứu sinh Đỗ Thị Huế thực hiện tại Viện Vật lý, Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (năm 2018), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nghiêm Thị Hà Liên và PGS. Trần Hồng Nhung. Luận án thuộc chuyên ngành Vật lý chất rắn, mã số 944 01 04.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học—đặc biệt là các kỹ thuật chẩn đoán độ nhạy cao và điều trị hướng đích—đang là hướng nghiên cứu trọng điểm. Các cấu trúc nano vàng sở hữu hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR), mang lại khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng mạnh gấp $10^4 - 10^6$ lần so với các phân tử phẩm màu hữu cơ thông thường. Bên cạnh đó, nano vàng có đặc tính không độc, độ bền cấu trúc cao, tương thích sinh học tốt và dễ dàng hoạt hóa bề mặt thông qua liên kết cộng hóa trị với các phân tử chứa nhóm thiol (-SH).

Tuy nhiên, việc ứng dụng các cấu trúc nano vàng trong thực tế y sinh gặp phải những rào cản kỹ thuật:

  • Các phương pháp tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu kích thước lớn (trên 50 nm) truyền thống thường cho độ phân tán kém, hình thái không đồng đều, hiệu suất thấp hoặc đòi hỏi điều kiện nhiệt độ cao và dung môi hữu cơ phức tạp.
  • Đối với cấu trúc nano lõi/vỏ silica/vàng ($\text{SiO}_2\text{/Au}$), việc kiểm soát lớp vỏ kim loại mỏng, đồng nhất, ít gồ ghề dưới 100 nm để đưa cực đại hấp thụ về dải hồng ngoại gần (NIR: 700–900 nm—vùng cửa sổ quang học của mô sống) đòi hỏi quy trình kiểm soát mầm phức tạp.
  • Đối với thanh nano vàng (Gold Nanorods - GNR), việc điều khiển tỷ lệ cạnh (Aspect Ratio - AR) nhằm tối ưu hóa hấp thụ chọn lọc ở dải hồng ngoại gần và khảo sát sự phụ thuộc quang học vào môi trường bao quanh cần một quy trình thực nghiệm đồng bộ, ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu chế tạo có kiểm soát các cấu trúc nano vàng với các dạng hình học khác nhau (dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng) và kích thước biến thiên, khảo sát đặc trưng quang học tương ứng, từ đó thử nghiệm ứng dụng trong hiện ảnh tế bào ung thư và chuyển đổi quang nhiệt tiêu diệt mô.

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu cụ thể

  1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano vàng dạng cầu với kích thước điều khiển trong dải rộng từ vài nanomet đến 200 nm bằng phương pháp nuôi mầm ở nhiệt độ phòng.
  2. Nghiên cứu quy trình chế tạo và khảo sát tính chất quang của cấu trúc nano lõi silica vỏ vàng ($\text{SiO}_2\text{/Au}$) với đường kính lõi và độ dày lớp vỏ thay đổi có kiểm soát.
  3. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của thanh nano vàng với tỷ lệ các cạnh thay đổi, đồng thời đánh giá độ nhạy của đỉnh plasmon với chiết suất môi trường.
  4. Chức năng hóa bề mặt các cấu trúc nano vàng bằng các phân tử tương thích sinh học và phân tử sinh học; thử nghiệm ứng dụng trong hiện ảnh tế bào ung thư vú BT-474 và thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt trên mẫu mô thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các hệ hạt nano vàng dạng cầu (kích thước 2–200 nm), cấu trúc nano lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ (đường kính lõi 40–150 nm, độ dày vỏ 5–30 nm), thanh nano vàng (chiều ngang ~10 nm, tỷ lệ cạnh biến thiên), cùng các phức hệ gắn kết sinh học (BSA, GSH, PEG, kháng thể kháng HER2).
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm nhóm NanoBioPhotonics, Trung tâm Điện tử Lượng tử thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian và đề tài liên quan: Luận án hoàn thành năm 2018, kế thừa và phát triển từ đề tài Nghiên cứu cơ bản thuộc Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 103: "Tương tác của các cấu trúc nano trong tổ hợp nano đa chức năng ứng dụng trong y sinh học".

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi màu sắc và tính chất quang của dung dịch keo kim loại bắt đầu từ công trình của Gustav Mie (1908), khi ông giải phương trình Maxwell cho tương tác sóng điện từ với hạt cầu kim loại. Tiếp đó, Richard Gans mở rộng lý thuyết Mie cho các hạt dạng ellipsoid và dạng thanh trụ, giải thích sự xuất hiện của hai mode dao động plasmon theo chiều ngang (TSPR) và chiều dọc (LSPR).

Về kỹ thuật tổng hợp hóa học:

  • Turkevitch (1951) thiết lập phương pháp khử muối vàng bằng trisodium citrate tạo hạt vàng cầu 15–25 nm. G. Frens (1972) phát triển phương pháp này để mở rộng kích thước hạt lên đến 150 nm thông qua việc thay đổi tỷ lệ chất khử và gia nhiệt.
  • Duff và Baiker phát triển quy trình tạo mầm vàng siêu nhỏ (1–3 nm) sử dụng tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC).
  • Stöber và cộng sự phát triển phương pháp thủy phân tetraethyl orthosilicate (TEOS) trong môi trường kiềm để tổng hợp hạt nano silica đơn phân tán.
  • Nhóm Halas và cộng sự tiên phong đề xuất mô hình lai plasmon (Plasmon Hybridization Model) cho cấu trúc hạt nano lõi điện môi/vỏ vàng ($\text{SiO}_2\text{/Au}$), chứng minh khả năng dịch chuyển đỉnh cộng hưởng vào vùng hồng ngoại gần (700–900 nm).
  • El-Sayed và cộng sự (2005, 2006) ứng dụng hạt nano vàng cầu và thanh nano vàng trong hiện ảnh tán xạ tế bào và nhiệt trị ung thư. Terry B. Huff và cộng sự công bố việc tiêu diệt tế bào ung thư biểu bì KB bằng thanh nano vàng kết hợp chiếu xạ laser hồng ngoại ở mật độ công suất $176\text{ W/cm}^2$.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu nano kim loại ứng dụng y sinh bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 2008–2010:

  • Nhóm nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Hoàng Lương chế tạo thanh nano vàng phục vụ hiện ảnh tế bào ung thư vú và cảm biến điện hóa phát hiện glucose.
  • Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Trần Hồng Nhung và TS. Nghiêm Thị Hà Liên (Viện Vật lý) chế tạo hạt nano vàng dạng cầu kích thước 15–40 nm, bọc các hợp chất sinh học như HS-PEG-COOH, BSA, streptavidin, thử nghiệm độc tính in vitro/in vivo trên chuột và bước đầu chế tạo cảm biến phát hiện kháng nguyên HER2.
  • PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội) ứng dụng hạt vàng trong cảm biến phát hiện virus gây bệnh.
  • TS. Hà Phương Thư (Viện Khoa học Vật liệu) nghiên cứu dẫn truyền thuốc hướng đích; PGS.TS Nguyễn Thế Bình nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp bốc bay/ăn mòn laser.

Khoảng trống và vị trí của luận án

Mặc dù đã có các nghiên cứu riêng lẻ, các công trình trong nước trước đó chưa có sự khảo sát hệ thống, đồng bộ về mặt quy trình công nghệ chế tạo cả ba cấu trúc nano vàng (cầu, thanh, lõi/vỏ) có dải kích thước kiểm soát rộng, cũng như chưa so sánh trực tiếp hiệu suất quang nhiệt và hiện ảnh giữa cấu trúc thanh và cấu trúc lõi/vỏ trên cùng một hệ thực nghiệm. Luận án của Đỗ Thị Huế giải quyết khoảng trống này bằng việc thiết lập các quy trình nuôi mầm ở nhiệt độ phòng, làm chủ việc điều khiển đỉnh hấp thụ plasmon trong dải cửa sổ quang học y sinh (700–900 nm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải tích

  1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR/LSP): Giải thích hiện tượng dao động tập thể, đồng pha của các điện tử dẫn tự do trên bề mặt kim loại dưới tác dụng của điện trường ánh sáng tới.
  2. Lý thuyết Mie: Mô tả tiết diện dập tắt ($\sigma_{\text{ext}}$), tiết diện hấp thụ ($\sigma_{\text{abs}}$) và tiết diện tán xạ ($\sigma_{\text{sca}}$) của hạt nano kim loại dạng cầu thông qua chuỗi khai triển sóng đa cực. Khi kích thước hạt $2R \ll \lambda$, gần đúng lưỡng cực tĩnh cho thấy: $$\sigma_{\text{ext}} = 9 \frac{\omega}{c} \varepsilon_m^{3/2} V \frac{\varepsilon_2(\omega)}{[\varepsilon_1(\omega) + 2\varepsilon_m]^2 + [\varepsilon_2(\omega)]^2}$$ Tiết diện tán xạ tỉ lệ với $R^6$, trong khi tiết diện hấp thụ tỉ lệ với $R^3$. Do đó, hạt kích thước nhỏ ưu thế về hấp thụ, hạt kích thước lớn ưu thế về tán xạ.
  3. Lý thuyết Gans: Áp dụng cho hạt nano dạng thanh ellipsoid, phân tách dao động plasmon thành hai mode: mode ngang (TSPR) và mode dọc (LSPR) phụ thuộc vào hệ số khử cực $P_j$ và tỷ lệ cạnh $AR = R_2/R_1$.
  4. Mô hình lai plasmon (Plasmon Hybridization Model): Áp dụng cho cấu trúc nano lõi/vỏ $\text{SiO}2\text{/Au}$, xem plasmon của hạt lõi/vỏ là sự tương tác lai hóa giữa hạt cầu đặc và hạt cầu rỗng, tạo ra mode liên kết (năng lượng thấp $\omega-$) và mode phản liên kết (năng lượng cao $\omega_+$).
  5. Động học hình thành mầm LaMer: Mô hình 3 giai đoạn (sinh nguyên tử, tạo hạt nhân bão hòa và phát triển mầm) giúp giải thích cơ chế nuôi mầm đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng.
  6. Lý thuyết DLVO và ổn định keo: Giải thích sự cân bằng giữa lực hút Van der Waals ($V_A$) và lực đẩy tĩnh điện của lớp điện tích kép ($V_R$) để duy trì độ bền phân tán của dung dịch keo.

Phương pháp thực nghiệm và quy trình chế tạo

  • Chế tạo hạt vàng dạng cầu: Phương pháp nuôi mầm nhiều bước ở nhiệt độ phòng. Mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker (~2 nm) hoặc mầm citrate (~16 nm). Dung dịch nuôi chứa $\text{HAuCl}_4$, $\text{K}_2\text{CO}_3$ (vàng hydroxide - GPS) và chất khử formaldehyde ($\text{HCHO}$ 37%).
  • Chế tạo cấu trúc nano lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$: Tổng hợp lõi silica bằng phản ứng thủy phân TEOS theo phương pháp Stöber, điều chỉnh kích thước bằng nồng độ $\text{NH}_4\text{OH}$; amin hóa bề mặt silica bằng APTES; gắn kết mầm vàng Duff-Baiker lên lõi silica amin hóa; phát triển vỏ vàng liên tục bằng dung dịch GPS và chất khử $\text{HCHO}$.
  • Chế tạo thanh nano vàng: Phương pháp nuôi mầm sử dụng chất hoạt động bề mặt Cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) làm khuôn định hướng mềm, ion $\text{Ag}^+$ ($\text{AgNO}_3$) điều khiển tốc độ phát triển bất đẳng hướng, và axit ascorbic (AA) làm tác nhân khử chọn lọc $\text{Au}^{3+}$ về $\text{Au}^+$.
  • Chức năng hóa bề mặt: Gắn kết các đại phân tử tương thích sinh học gồm Bovine Serum Albumin (BSA), Glutathione (GSH), Polyethylene glycol (thiol-PEG-acid) và kháng thể đơn dòng IgG/anti-HER2 qua liên kết hóa hấp phụ hoặc liên kết tĩnh điện.

Dữ liệu và kỹ thuật phân tích đo đạc

Kỹ thuật phân tích Thiết bị / Phương pháp Mục đích xác định trong luận án
Hiển vi điện tử truyền qua (TEM, HTEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua Xác định hình thái, kích thước, cấu trúc tinh thể và sự đồng đều của hạt cầu, thanh nano, cấu trúc lõi/vỏ.
Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) Đầu dò tích hợp trên kính hiển vi Phân tích định tính và định lượng thành phần nguyên tố ($\text{Au}, \text{Si}, \text{O}$) trong cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$.
Nhiễu xạ tia X (XRD) Máy nhiễu xạ tia X Xác định cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu nano vàng.
Tán xạ ánh sáng động (DLS) & Thế Zeta Hệ đo tán xạ laser phân tích hạt keo Đo đường kính thủy động, chỉ số đa phân tán (PdI) và điện thế bề mặt (Zeta potential) trước/sau chức năng hóa.
Hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Máy quang phổ FTIR Xác định các nhóm chức hóa học và kiểm tra liên kết của phân tử sinh học (BSA, PEG) lên bề mặt nano vàng.
Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) Máy quang phổ UV-Vis Khảo sát vị trí đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon (SPR, TSPR, LSPR) và độ suy hao quang học.
Kính hiển vi trường tối (Dark-field) Hệ hiển vi quang học trường tối Quan sát ảnh tán xạ ánh sáng của các cấu trúc nano vàng gắn kết đặc hiệu trên tế bào ung thư BT-474.
Thực nghiệm quang nhiệt Laser bán dẫn bước sóng 808 nm Khảo sát động học tăng nhiệt độ trên mẫu mô thịt theo thời gian, độ sâu mô và mật độ công suất chiếu xạ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết vật lý về tính chất quang của các hạt nano kim loại và vật liệu nano vàng. Tác giả trình bày chi tiết hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSP), sóng plasmon polariton bề mặt (SPP), bản chất dao động lưỡng cực và đa cực.

Chương này trình bày chi tiết ba nền tảng lý thuyết:

  • Lý thuyết Mie cho hạt cầu, phân tích sự phụ thuộc của hệ số suy hao $\gamma(R)$ vào kích thước hạt khi bán kính nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử ($20–30\text{ nm}$).
  • Lý thuyết Gans cho hạt dạng thanh, thiết lập biểu thức tính tiết diện dập tắt theo các trục tọa độ thông qua các thừa số khử cực $P_A, P_B, P_C$.
  • Mô hình lai plasmon cho cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}2\text{/Au}$, phân tích sự tách mức năng lượng thành hai mode $\omega+$ và $\omega_-$.

Chương 1 cũng tổng quan các phương pháp tổng hợp hóa học (phương pháp nuôi mầm, đường LaMer, cơ chế ổn định tĩnh điện DLVO và ổn định không gian bằng polymer), tổng quan các ứng dụng y sinh (hiện ảnh tế bào, nhiệt trị plasmon - PPTT) và nguyên lý hoạt động của các phép đo thực nghiệm (TEM, XRD, EDX, FTIR, DLS, UV-Vis, kính hiển vi trường tối).

Chương 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI MẦM

Chương 2 tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm chế tạo hạt nano vàng dạng cầu kích thước từ 2 nm đến 200 nm ở nhiệt độ phòng:

  • Chế tạo hạt mầm: Tổng hợp thành công hạt mầm Duff-Baiker siêu nhỏ ($d \approx 2\text{ nm}$) sử dụng chất khử THPC và mầm vàng citrate ($d = 16 \pm 1{,}5\text{ nm}$). Mầm Duff-Baiker có độ ổn định tốt khi bảo quản ở $4^\circ\text{C}$ sau 21 ngày.
  • Tối ưu hóa dung dịch nuôi: Xác định giá trị pH tối ưu của dung dịch vàng hydroxide (GPS: hỗn hợp $\text{HAuCl}_4$ và $\text{K}_2\text{CO}_3$) là $\text{pH} = 9{,}0–10{,}0$. Ở vùng pH này, phản ứng khử bằng formaldehyde diễn ra êm dịu, không xảy ra hiện tượng tự tạo mầm mới.
  • Quy trình nuôi mầm đa bước:
    • Từ mầm Duff-Baiker, qua 4 bước nuôi liên tiếp thu được các hạt có đường kính tăng dần: $30 \pm 3\text{ nm}$, $35 \pm 3\text{ nm}$, $45 \pm 5\text{ nm}$, $65 \pm 7\text{ nm}$.
    • Từ mầm citrate, thực hiện 18 bước nuôi liên tục (từ bước 5 đến bước 22), kiểm soát thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm, giữ cố định $3\ \mu\text{l}$ chất khử $\text{HCHO}$ 37% mỗi bước, đưa đường kính hạt lên tới $200\text{ nm}$.
  • Đặc trưng quang học: Với hạt đường kính từ 20 nm đến 100 nm, phổ UV-Vis chỉ xuất hiện một đỉnh cộng hưởng lưỡng cực duy nhất; đỉnh này dịch chuyển đỏ dần từ bước sóng 520 nm lên phía sóng dài khi kích thước hạt tăng. Khi đường kính hạt vượt quá 150 nm, phổ hấp thụ xuất hiện thêm đỉnh dao động tứ cực ở vùng năng lượng cao hơn, hoàn toàn phù hợp với dự đoán của lý thuyết Mie.

Chương 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au

Chương 3 trình bày quy trình 4 bước chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$:

  • Tổng hợp và amin hóa lõi silica: Khảo sát thể tích dung dịch $\text{NH}_4\text{OH}$ thêm vào phản ứng Stöber từ $900\ \mu\text{l}$ đến $1300\ \mu\text{l}$, kiểm soát chính xác đường kính hạt lõi $\text{SiO}_2$ trong khoảng từ 40 nm đến 150 nm (chỉ số PdI thấp, độ đồng đều cao). Bề mặt silica được chức năng hóa bằng nhóm amin ($-\text{NH}_2$) thông qua tác nhân APTES.
  • Gắn mầm vàng: Khảo sát sự hấp phụ của hạt mầm vàng Duff-Baiker lên lõi $\text{SiO}_2\text{-NH}_2$. Thời gian ủ tối ưu được xác định là từ 3 đến 4 giờ, đảm bảo mật độ bao phủ mầm đồng đều trên bề mặt silica mà không gây kết tụ hạt.
  • Phát triển vỏ vàng: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khử $\text{HCHO}$ và nồng độ dung dịch nuôi GPS. Ảnh SEM, HTEM và phân tích nguyên tố EDX minh chứng quá trình phát triển vỏ kim loại từ dạng các đảo vàng rời rạc (lớp vỏ 5 nm), liên kết dần (vỏ 7 nm) đến khi hình thành lớp vỏ vàng liên tục, bọc kín hoàn toàn lõi silica (độ dày vỏ 10–30 nm).
  • Tính chất quang của nanoshells: Bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa đường kính lõi (45, 65, 100, 110, 130, 150 nm) và độ dày lớp vỏ vàng, đỉnh cộng hưởng plasmon được điều khiển dịch chuyển liên tục trong dải bước sóng rộng từ 600 nm đến trên 1000 nm. Đặc biệt, luận án đã chế tạo thành công các hạt nanoshell có kích thước tổng thể dưới 100 nm sở hữu đỉnh hấp thụ plasmon tại vùng 700 nm.

Chương 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH

Chương 4 nghiên cứu công nghệ chế tạo thanh nano vàng (GNR) đơn phân tán bằng phương pháp nuôi mầm có khuôn định hướng CTAB:

  • Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng:
    • Tỷ lệ nồng độ mol $[\text{Ag}^+]/[\text{Au}^{3+}]$: Khảo sát tỷ lệ $[\text{Ag}^+]/[\text{Au}^{3+}]$ từ 0 đến giá trị tối ưu. Sự có mặt của ion $\text{Ag}^+$ đóng vai trò định hướng sự phát triển bất đẳng hướng; khi tăng nồng độ $\text{Ag}^+$, tỷ lệ cạnh $AR$ của thanh tăng lên, làm đỉnh hấp thụ LSPR dịch chuyển mạnh về phía hồng ngoại gần.
    • Nồng độ axit ascorbic (AA): Nồng độ AA quyết định tốc độ khử ion $\text{Au}^{3+}$ thành $\text{Au}^+$ và $\text{Au}^0$; tỷ lệ $[\text{AA}]/[\text{Au}^{3+}]$ thích hợp giúp đạt hiệu suất tạo thanh trên 90%, hạn chế tối đa sản phẩm phụ dạng hạt cầu.
  • Cấu trúc tinh thể: Ảnh HTEM độ phân giải cao và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận thanh nano vàng có cấu trúc đơn tinh thể phát triển dọc theo hướng tinh thể xác định.
  • Độ nhạy quang học với môi trường:
    • Đỉnh hấp thụ LSPR dịch chuyển tuyến tính về phía sóng dài khi chiết suất môi trường ($n$) tăng lên, tuân theo hệ thức thực nghiệm $\Delta \lambda_{\text{max}} = m \Delta n [1 - \exp(-2d/l)]$, với độ nhạy $m \approx 260\text{ nm/RIU}$.
    • Khảo sát sự dịch chuyển đỉnh LSPR khi thay đổi nồng độ CTAB bề mặt và khi bọc các phân tử tương thích sinh học như BSA, PEG, GSH.

Chương 5: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG

Chương 5 hiện thực hóa các định hướng ứng dụng y sinh của các cấu trúc nano vàng đã chế tạo:

  • Chức năng hóa sinh học:
    • Gắn kết thành công protein BSA lên hạt nano vàng (Au@BSA), xác nhận qua phổ FTIR với sự xuất hiện của các dải hấp thụ dao động Amide I và Amide II, đồng thời kiểm tra sự biến đổi thế Zeta. Lớp bọc BSA giúp dung dịch hạt giữ độ bền phân tán, không bị lắng tụ trong thời gian dài.
    • Gắn kết hạt nano với GSH, PEG và kháng thể đặc hiệu IgG/anti-HER2.
  • Hiện ảnh tế bào ung thư: Sử dụng kính hiển vi trường tối để quan sát tế bào ung thư vú BT-474 (loại tế bào biểu hiện quá mức thụ thể HER2 trên màng). Kết quả cho thấy:
    • Tế bào BT-474 đối chứng không ủ hạt hoặc chỉ ủ với phức hệ Au@BSA (đánh dấu không đặc hiệu) cho tín hiệu tán xạ nền rất yếu.
    • Tế bào BT-474 được ủ với phức hệ nano vàng gắn kháng thể đặc hiệu Au@IgG-HER2 phát tín hiệu tán xạ trường tối sáng rõ, định vị chính xác màng tế bào ung thư.
  • Ứng dụng chuyển đổi quang nhiệt (PPTT) trên mô:
    • Bố trí hệ thực nghiệm chiếu xạ laser bước sóng 808 nm lên các mẫu mô thịt được tiêm dung dịch thanh nano vàng và hạt nano lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ ở cùng độ hấp thụ quang học.
    • Khảo sát sự thay đổi nhiệt độ cực đại ($T_{\text{max}}$) theo thời gian chiếu sáng tại các chiều dày lớp mô khác nhau (1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm).
    • Kết quả xác nhận các hạt nano vàng hấp thụ mạnh bức xạ laser 808 nm và chuyển hóa hiệu quả thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ cục bộ của mô, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong liệu pháp quang nhiệt tiêu diệt khối u.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ

  1. Xây dựng quy trình nuôi mầm đa bước ở nhiệt độ phòng để chế tạo hạt nano vàng dạng cầu: Luận án đã làm chủ quy trình tổng hợp hạt cầu trong dải kích thước rộng từ 2 nm đến 200 nm với độ đơn phân tán cao và hình thái đồng đều. Quy trình này cho phép mở rộng xuất phát từ hạt mầm có kích thước bất kỳ, khắc phục hạn chế về sự không đồng đều của các phương pháp nhiệt phân truyền thống.
  2. Kiểm soát độ dày lớp vỏ hạt nanoshell $\text{SiO}_2\text{/Au}$: Xây dựng quy trình chế tạo hạt cấu trúc lõi/vỏ với khả năng kiểm soát độ dày lớp vỏ vàng trong khoảng 10–30 nm thông qua việc điều khiển mật độ mầm vàng Duff-Baiker siêu nhỏ trên bề mặt silica amin hóa. Lớp vỏ vàng tạo thành có độ mỏng và độ nhẵn bề mặt cao. Lần đầu tiên chế tạo thành công hạt $\text{SiO}_2\text{/Au}$ có kích thước tổng thể dưới 100 nm nhưng có đỉnh cộng hưởng plasmon định xứ tại vùng 700 nm.
  3. Làm chủ công nghệ chế tạo thanh nano vàng hiệu suất cao: Thiết lập quy trình chế tạo thanh nano vàng đơn tinh thể với hiệu suất tạo thanh cao, kiểm soát tỷ lệ cạnh $AR$ để điều khiển đỉnh LSPR trải dài trong vùng hồng ngoại gần (NIR), đồng thời xác định các tham số nhạy chiết suất quang học của thanh.
  4. Thực nghiệm ứng dụng y sinh đa phương thức: Gắn kết thành công các hạt nano chế tạo được với các phân tử sinh học (BSA, PEG, GSH, kháng thể kháng HER2); chứng minh tính khả thi của việc sử dụng phức hệ nano vàng trong hiện ảnh trường tối tế bào ung thư vú BT-474 và hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt làm nóng mô dưới bức xạ laser hồng ngoại 808 nm.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất chuẩn hóa quy trình gắn kết kháng thể đơn dòng lên bề mặt nano vàng bằng các chất liên kết dị chức (như Thiol-PEG-NHS/COOH) để nâng cao độ bền liên kết và khả năng nhận diện kháng nguyên đích.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa mật độ công suất chiếu laser và nồng độ hạt tiêm nhằm đạt ngưỡng nhiệt độ gây chết tế bào ung thư ($>42–45^\circ\text{C}$) mà không làm tổn thương các mô lành xung quanh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Các thử nghiệm hiện ảnh tế bào mới dừng lại ở mức độ in vitro trên dòng tế bào ung thư vú nuôi cấy BT-474.
  • Thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt chuyển đổi năng lượng laser 808 nm mới được tiến hành ex vivo trên các lát mô thịt thực nghiệm với các độ dày từ 1 mm đến 4 mm, chưa tiến hành trên khối u in vivo ở động vật sống.
  • Trong quy trình chế tạo thanh nano vàng, chất hoạt động bề mặt CTAB bám trên bề mặt có độc tính tế bào nhất định; việc loại bỏ và thay thế hoàn toàn CTAB bằng các polymer tương thích sinh học (như PEG) đòi hỏi các bước ly tâm rửa phức tạp có thể gây hao hụt hạt.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục tối ưu hóa quy trình trao đổi phối tử bề mặt để thay thế hoàn toàn CTAB trên thanh nano vàng bằng các phân tử tương thích sinh học cao.
  • Triển khai các thử nghiệm tiền lâm sàng in vivo trên mô hình chuột mang khối u để đánh giá toàn diện dược động học, độ tích tụ hướng đích, tính đào thải và hiệu quả tiêu diệt khối u kết hợp giữa hiện ảnh tán xạ và liệu pháp quang nhiệt.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật lý quang học, Quang tử nano (Nanophotonics), Khoa học vật liệu và Hóa học nano: Tham khảo quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp nuôi mầm, kỹ thuật amin hóa hạt silica, các công thức giải tích Mie, Gans và mô hình lai plasmon.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Y sinh học nano (Nanobiomedicine): Tham khảo các quy trình gắn kết phân tử sinh học (BSA, GSH, kháng thể HER2) lên bề mặt kim loại quý, kỹ thuật hiện ảnh quang học trường tối và phương pháp bố trí thực nghiệm chuyển đổi quang nhiệt bằng nguồn laser hồng ngoại gần.
  • Giảng viên đại học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về hiệu ứng plasmon bề mặt, tương tác bức xạ điện từ với hạt nano kim loại và công nghệ chế tạo vật liệu cấu trúc nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cấu trúc nano lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ và thanh nano vàng lại phù hợp cho ứng dụng y sinh hơn hạt nano vàng cầu thông thường?

Hạt nano vàng dạng cầu chỉ có đỉnh hấp thụ plasmon trong vùng ánh sáng nhìn thấy (520–580 nm), nơi ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ mạnh bởi hemoglobin và nước trong mô sống. Ngược lại, cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ (thông qua thay đổi tỷ lệ lõi/vỏ) và thanh nano vàng (thông qua thay đổi tỷ lệ cạnh $AR$) có thể điều chỉnh đỉnh cộng hưởng plasmon dịch chuyển vào vùng hồng ngoại gần (700–900 nm). Đây là vùng "cửa sổ quang học" của mô sống, cho phép ánh sáng laser xuyên sâu từ vài milimet đến vài centimet vào trong da và mô thịt.

2. Dung dịch nuôi GPS (Gold Plating Solution) trong quá trình chế tạo nanoshell $\text{SiO}_2\text{/Au}$ được chuẩn bị như thế nào và giá trị pH tối ưu là bao nhiêu?

Dung dịch nuôi GPS là dung dịch vàng hydroxide được chuẩn bị bằng cách hòa tan muối vàng $\text{HAuCl}_4$ vào nước cất có bổ sung muối $\text{K}_2\text{CO}_3$. Giá trị pH tối ưu của dung dịch nuôi được xác định trong khoảng $\text{pH} = 9{,}0–10{,}0$. Ở khoảng pH này, các ion vàng tồn tại dưới dạng phức hydroxide kém hoạt động, ngăn chặn quá trình tự tạo mầm tự phát trong dung dịch khi có mặt chất khử $\text{HCHO}$, đảm bảo vàng chỉ khử và kết tụ có chọn lọc lên bề mặt các hạt mầm đã gắn sẵn trên lõi silica.

3. Vai trò của hạt mầm vàng Duff-Baiker trong việc kiểm soát độ dày và độ nhẵn của lớp vỏ hạt nanoshell là gì?

Hạt vàng Duff-Baiker được tổng hợp bằng chất khử THPC có kích thước siêu nhỏ ($d \approx 2\text{ nm}$) và độ đồng đều cao. Khi gắn kết lên bề mặt hạt lõi silica đã amin hóa bằng APTES, các mầm Duff-Baiker phân bố dày đặc với mật độ cao. Nhờ đó, trong giai đoạn phát triển vỏ, các đảo vàng nhanh chóng liên kết và hợp mạng tạo thành lớp vỏ kim loại mỏng (10–30 nm), kín và ít gồ ghề hơn so với việc sử dụng các loại mầm kích thước lớn.

4. Kết quả thử nghiệm hiện ảnh tế bào ung thư vú BT-474 bằng kính hiển vi trường tối cho thấy điều gì?

Thực nghiệm cho thấy tế bào BT-474 đối chứng hoặc tế bào ủ với hạt nano vàng bọc BSA không đặc hiệu chỉ cho tín hiệu nền rất tối. Ngược lại, khi tế bào BT-474 được ủ với phức hệ hạt nano vàng chức năng hóa kháng thể đặc hiệu anti-HER2 ($\text{Au@IgG-HER2}$), các hạt nano liên kết chọn lọc mật độ cao lên các thụ thể HER2 biểu hiện trên màng tế bào. Dưới kính hiển vi trường tối, hiệu ứng tán xạ plasmon mạnh của nano vàng làm cho viền màng tế bào ung thư phát sáng rõ rệt, cho phép định vị tế bào ung thư với độ tương phản cao.

5. Sự khác biệt về đặc tính quang học giữa thanh nano vàng và cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ tại bước sóng 800 nm là gì?

Tại bước sóng 800 nm, hạt nano vàng dạng cầu hầu như không có tiết diện dập tắt. Trong khi đó, thanh nano vàng và cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ đều có tiết diện dập tắt lớn. Cấu trúc lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$ thể hiện đồng thời cả khả năng tán xạ mạnh và hấp thụ mạnh ánh sáng (thích hợp cho ứng dụng đa phương thức vừa hiện ảnh vừa quang nhiệt). Thanh nano vàng có chiều ngang nhỏ (~10 nm) có tiết diện dập tắt lớn gấp khoảng 3 lần cấu trúc lõi/vỏ và quá trình hấp thụ chiếm ưu thế tuyệt đối so với tán xạ, mang lại hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao hơn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Đỗ Thị Huế đã nghiên cứu có hệ thống công nghệ chế tạo và đặc trưng quang học của ba dạng cấu trúc nano vàng: dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ $\text{SiO}_2\text{/Au}$. Bằng phương pháp nuôi mầm ở nhiệt độ phòng, tác giả đã kiểm soát thành công kích thước hạt cầu (2–200 nm), độ dày vỏ nanoshell (10–30 nm) và tỷ lệ cạnh của thanh nano, đưa đỉnh hấp thụ plasmon cộng hưởng vào dải hồng ngoại gần (700–900 nm). Các cấu trúc nano sau khi chức năng hóa bề mặt với phân tử sinh học đã được chứng minh có khả năng ứng dụng trong hiện ảnh tán xạ chọn lọc tế bào ung thư vú BT-474 và gia nhiệt quang nhiệt trên mô dưới bức xạ laser 808 nm. Công trình đóng góp quy trình công nghệ ổn định cho lĩnh vực vật lý chất rắn và quang tử nano ứng dụng trong y sinh học tại Việt Nam.