MỞ ĐẦU Công nghệ nano là một công nghệ chủ chốt với nhiều ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu y sinh [13,15, 27, 36]. Trong những năm gần đây, huỳnh quang của các phức lantanit được tập trung nghiên cứu ngày càng nhiều do tính chất quang vật lý hấp dẫn của chúng [8, 10, 27, 28, 32, 33, 40, 43]. Ưu điểm của các phức lantanit có các đặc trưng như: thời gian sống huỳnh quang dài, độ dịch chuyển Stock lớn, độ rộng phổ hẹp rất hữu ích cho việc đánh dấu huỳnh quang, làm đầu dò, làm cảm biến cho việc xét nghiệm, siêu âm trong phòng thí nghiệm và chụp ảnh trên cơ thể người [6,15, 35]. Các lantanit kích thước nano có độ ổn định cao, dễ chế tạo và dễ chức năng hóa [22, 23].
Một trong các vật liệu huỳnh quang của các lantanit là các vật liệu nano dạng thanh chứa ion Tb3+ và Eu3+ có triển vọng lớn trong các ứng dụng y sinh học [31, 36, 39, 40, 44]. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào (1 - 100 nm), virus (20 - 450 nm), protein (5 - 50 nm), DNA (2 nm rộng và 10 - 100 nm chiều dài). Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus [1]. Ứng dụng của vật liệu nano trong sinh học rất rộng rãi như là phân tách tế bào, nhiệt trị, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân, ứng dụng trong hóa học xanh (phân tích và tổng hợp vật liệu) [40].
Trong phân tích y sinh, vật liệu nano có rất nhiều ưu điểm như giảm kích thước, khối lượng mẫu phân tích, làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, giảm thiểu lượng hóa chất phân tích, dẫn truyền thuốc. Trên thế giới các nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực vật liệu nanô và công nghệ nanô bắt đầu đạt được một số kết quả có tính đột phá không những trong nghiên cứu các quá trình sinh học mà còn góp phần quan trọng trong công tác khám chữa bệnh, nâng cao sức khoẻ cho cộng đồng [32]. Trong đó, đáng kể nhất là các cảm biến quang sinh y trên cơ sở vật liệu nanô phát huỳnh quang. Cảm biến quang sinh y ngày càng trở thành công cụ quan trọng để phát hiện các thành phần quan trọng của cơ thể sống như các phân tử protein, polipeptid, axit nucleic, hay các tổ chức sống vi mô như tế bào và virus.
Trong y tế chúng góp phần xác định sớm và rõ ràng căn nguyên bệnh để có các biện pháp phòng chống, chữa trị thích hợp và hiệu quả. Phương pháp đánh dấu sinh học bằng đồng vị bức xạ ngắn ngày do Yalow và Berson phát minh từ 1959 đã được ứng dụng từ lâu vì có độ nhậy rất cao (10-9 - 10-11), nhưng do tính nguy hiểm về chu kì bán huỷ của phóng xạ ngắn ngày, nên việc phổ cập rất hạn chế. Bên cạnh đó các phương pháp đánh dấu (label) z 4 hoặc nhuộm mầu (staining) bằng các vật liệu phát quang ngày càng được phát triển, đến nay đã trở thành một trong các công nghệ cảm biến sinh học quan trọng nhất trong lĩnh vực xét nghiệm sinh học, y tế [16, 38]. Các vật liệu phát quang thường dùng trong lĩnh vực đánh dấu huỳnh quang y sinh có thể chia làm 3 loại: các chất mầu hữu cơ, các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn, vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm.
Các chất mầu hữu cơ, như Fluorescence hay Rodamine, là các vật liệu truyền thống, hiện vẫn được dùng. Tuy nhiên, do không bền trong môi trường sinh học nên việc sử dụng chúng có phần bị hạn chế về độ nhạy, độ ổn định và tính chọn lọc [16, 18, 35]. Gần đây các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn loại ZnS hay CdSe, do tính chất huỳnh quang đặc biệt nổi trội, lại rất bền và tan tốt trong nước đã được tập trung phát triển thành công nghệ đánh dấu huỳnh quang sinh học rất có triển vọng [18, 21]. Tuy nhiên, các vật liệu nguồn ZnS hay CdSe lại có nhược điểm là tính độc hại cao nên việc ứng dụng chúng trong thực tế gặp nhiều khó khăn.
Chính vì vậy, vài năm gần đây việc tìm kiếm loại vật liệu mới không độc hại để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang nông y sinh ngày càng trở nên cấp thiết. Vì vậy một loại vật liệu có thể đáp ứng yêu cầu trên là vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm [38]. Lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nanô vào lĩnh vực y sinh ở nước ta, có thể nói đã có một kết quả bước đầu về vật liệu nano từ tính và vật liệu nano phát quang. Vật liệu nano từ tính chủ yếu ứng dụng oxit sắt nano trong y sinh đã được tiến hành ở nhiều viện nghiên cứu điển hình là các tác giả: PGS Nguyễn Hoàng Hải ĐHTN - ĐHQG Hà Nội, GS Nguyễn Xuân Phúc và PGS Lê Văn Hồng viện KHVLVN, PGS Trần Hoàng Hải Tp.
Trong lĩnh vực Vật liệu nano phát quang phải kể đến PGS Nguyễn Ngọc Long, GS Nguyễn Hoàng Lương ĐHQG, GS Nguyễn Quang Liêm, PGS Phạm Thu Nga, PGS Nguyễn Xuân Nghĩa đã chế tạo được các vật liệu quantum dot bán dẫn và các đặc tính quang điện tử nổi trội của chúng. Theo một hướng khác, tập thể khoa học của PGS Trần Kim Anh và GS Lê Quốc Minh đã kiên trì nghiên cứu phát triển các phương pháp tổng hợp mới vật liệu nanô chứa các đất hiếm như Y, Eu, Tb, Er, Yb, Gd v. và tập trung nâng cao hiệu suất phát quang của chúng. Hiện tại tập thể khoa học đã bắt đầu làm chủ được công nghệ chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, cụ thể là các vật liệu chứa các nguyên tố Eu, Tb, Y, Er, Gd và Yb phát huỳnh quang mạnh.
Nghiên cứu chế tạo các thanh nanô chứa các ion đất hiếm mới được nghiên cứu trong vài năm gần đây nhằm ứng dụng trong y sinh học mở ra một z 5 hướng nghiên cứu nhiều triển vọng [31, 35, 37, 39]. Trên cơ sở đề tài độc lập cấp nhà nước của GS.TS Lê Quốc Minh “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanô chứa đất hiếm huỳnh quang mạnh nhằm liên hợp sinh học để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang có triển vọng ứng dụng trong nông y sinh”, thực hiện từ tháng 6 năm 2009 đến tháng 6 năm 2012, chúng tôi đã thực hiện đề tài luận văn “Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano Eu/TbPO4.H2O nhằm ứng dụng trong y sinh”, đây là một phần công việc trong đề tài của tập thể với mục đích: Tổng hợp dây nano chứa các ion đất hiếm Tb3+, Eu3+ có khả năng phát quang cao. Khảo sát khả năng tương thích sinh học nhằm ứng dụng trong việc đánh dấu huỳnh quang, thử nghiệm với virus sởi. Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nêu trên như: phương pháp sol gel, phương pháp dựa vào phản ứng nổ, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp khuôn mềm (Soft-template), phương pháp khuôn mềm có sự hỗ trợ của vi sóng áp suất cao, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp microwave [7, 11, 33].
Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng. Trong nghiên cứu này phương pháp microwave có ưu điểm là giảm thời gian phản ứng, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc, tránh mất mát năng lượng. Mục đích và phương pháp nghiên cứu: Chế tạo dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+/Tb3+ khác nhau bằng phương pháp Microwave. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất vật lý của dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O bằng các phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, FESEM, TEM và huỳnh quang.
Xử lý bề mặt dây nano, bọc các dây nano bằng silica và chức năng hóa bề mặt bằng việc gắn với nhóm amin. Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde). Ứng dụng thử nghiệm trong việc nhận dạng virus sởi. z 6 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu phát quang Vật liệu phát quang là loại vật liệu có thể chuyển đổi một số dạng năng lượng thành bức xạ điện từ ở trên và dưới mức bức xạ nhiệt.
Bức xạ điện từ này nằm từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, thường nằm trong vùng nhìn thấy. Vật liệu huỳnh quang có thể bị kích thích bởi nhiều loại năng lượng khác nhau: bức xạ điện từ, chùm điện tử phát ra từ cathode, kích thích vật liệu bằng hiệu điện thế hay dùng tia X để kích thích hoặc phản ứng hóa học. 1 Ion huỳnh quang A trong mạng của nó. HEAT: sự trở về không bức xạ tới trạng thái cơ bản.
Vật liệu huỳnh quang bao gồm một mạng chủ và một tâm huỳnh quang thường được gọi là tâm kích hoạt (hình 1. Ví dụ với vật liệu huỳnh quang là YVO4:Eu3+ [29] mạng chủ là YVO4, tâm kích hoạt là Eu3+. Các quá trình huỳnh quang trong hệ xảy ra như sau. Bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt (activator), tâm này được nâng lên tới trạng thái kích thích, A* (hình 1.
Trạng thái kích thích quay về trạng thái cơ bản bằng sự phát xạ R. Quá trình phát xạ bức xạ là có cạnh tranh với sự chuyển dời trở về không bức xạ tới trạng thái cơ bản NR. Trong quá trình này, năng lượng của trạng thái kích thích được dùng để kích thích các dao động mạng, có nghĩa là làm nóng mạng chủ. Để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình không bức xạ này.
2 Sơ đồ mức năng lượng của ion huỳnh quang A trong hình 1. Bức xạ kích thích có thể không bị hấp thụ bởi ion kích hoạt (A – activator) mà bởi các ion hoặc nhóm ion khác. Các ion này có thể hấp thụ ánh sáng kích thích rồi truyền năng lượng (ET) tới các ion kích hoạt, khi đó ion hấp thụ được gọi là ion tăng nhậy (S - sensitizer) (Hình 1. 3 Quá trình truyền năng lượng từ S tới A.
Dịch chuyển S→S* là hấp thụ, A2*→A là phát xạ. Mức A1* được tích lũy nhờ sự truyền năng lượng, sẽ tắt dần không phát xạ tới mức A2*. Điều này ngăn cản mức chuyển đổi ngược. Ví dụ như bột phát quang dùng cho đèn ống Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+.
Bức xạ tử ngoại không bị hấp thụ bởi Mn2+ mà bởi Sb3+. Dưới bức xạ tử ngoại, phát xạ gồm một phần màu xanh da trời của Sb3+ và một phần màu vàng của Mn2+. Bởi vì ion Mn2+ không bị kích thích một cách trực tiếp, năng lượng kích thích sẽ được truyền từ Sb3+ tới Mn2+.