Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu của tác giả Phạm Thị Liên có tiêu đề "Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ định hướng ứng dụng trong y sinh", thuộc chuyên ngành Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử (mã số 944 01 27), được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Hường và GS. Lê Quốc Minh vào năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực y sinh học, các công cụ đánh dấu và nhận dạng huỳnh quang đóng vai trò quan trọng đối với chẩn đoán và theo dõi quá trình bệnh lý. Các chất đánh dấu truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật:

  • Phương pháp đồng vị phóng xạ đòi hỏi thiết bị đắt tiền và tiềm ẩn rủi ro bức xạ.
  • Các chất màu huỳnh quang hữu cơ dễ bị mất màu huỳnh quang (photobleaching) dưới tác dụng của quang nhiệt hoặc môi trường sinh lý.
  • Chấm lượng tử bán dẫn chứa các kim loại nặng độc hại như As, Cd, Cr, Se.
  • Vật liệu nano cacbon có quy trình chế tạo chưa ổn định, độ lặp lại cấu trúc chưa cao.

Vật liệu nano phát quang pha tạp ion đất hiếm ($\text{RE-NP}$) trên mạng nền chứa Gadolini ($\text{Gd}^{3+}$) sở hữu các ưu điểm: phổ phát xạ dạng vạch hẹp, độ dịch chuyển Stokes lớn, thời gian sống huỳnh quang dài cỡ mili-giây, độ bền quang học cao và khả năng tương thích sinh học sau khi chức năng hóa bề mặt. Đồng thời, ion $\text{Gd}^{3+}$ có 7 electron độc thân ở phân lớp 4f, mang lại tính thuận từ mạnh thích hợp cho ứng dụng từ nhiệt hoặc cộng hưởng từ (MRI).

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định:

  • Việc kiểm soát kích thước, hình thái học đồng đều (dạng thanh đối với $\text{GdPO}_4$ và dạng cầu đối với $\text{Gd}_2\text{O}_3$) và khả năng phân tán trong môi trường nước/dịch sinh lý của vật liệu vẫn gặp nhiều khó khăn.
  • Phần lớn các công bố trong nước và quốc tế chỉ tập trung vào vật liệu đơn chức năng (chỉ quang học hoặc chỉ từ tính). Việc tích hợp đồng thời tính chất phát quang và hiệu ứng nhiệt từ trên cùng một hệ vật liệu nano nhằm kết hợp chẩn đoán và điều trị chưa được giải quyết trọn vẹn.
  • Thiếu các công cụ nano huỳnh quang miễn dịch có khả năng phát hiện nhanh nọc độc rắn hổ mang ngoài thực địa và nhận dạng sớm dấu ấn ung thư biểu mô đại trực tràng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Chế tạo có điều khiển vật liệu thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ có độ đồng đều cao về hình thái, kích thước và phân tán tốt trong nước.
  2. Bọc vỏ silica, chức năng hóa bề mặt bằng nhóm amin ($-\text{NH}_2$), chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn hổ mang và kháng thể kháng kháng nguyên ung thư biểu mô phôi (CEA).
  3. Thử nghiệm ứng dụng phức hợp nano huỳnh quang miễn dịch để phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang Naja atra, nhận dạng kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA trên dòng tế bào ung thư đại trực tràng HT-29; đồng thời khảo sát hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ phục vụ định hướng từ nhiệt trị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    1. Vật liệu nano phát quang $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$.
    2. Phức hợp nano liên hợp sinh học với kháng thể đặc hiệu IgG.
    3. Kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo và phân tích tính chất lý - hóa - quang - từ tại Phòng Quang Hóa Điện tử (Viện Khoa học vật liệu); thử nghiệm đánh dấu sinh học huỳnh quang miễn dịch trên nọc rắn và tế bào ung thư thực hiện tại Phòng thí nghiệm Sinh học phân tử (Học viện Quân Y). Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn thành năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong văn bản

Tác giả đã hệ thống hóa các mốc nghiên cứu trong và ngoài nước:

  • Phương pháp đánh dấu phóng xạ và chất màu hữu cơ: Phát minh đánh dấu đồng vị bức xạ ngắn ngày của Yalow và Berson (1959); các hạn chế về hiện tượng photobleaching của chất màu hữu cơ.
  • Nghiên cứu về $\text{GdPO}_4$ pha tạp đất hiếm: Hejuan Song và cộng sự (2013) tổng hợp $\text{GdPO}_4\cdot\text{H}_2\text{O:Tb}^{3+}$ dạng thanh và bó sợi bằng cách thay đổi pH và sử dụng glycine; Hernandez và cộng sự (2014) dùng phương pháp thủy nhiệt tổng hợp nano $\text{GdPO}_4$ ứng dụng trong MRI và hiển vi huỳnh quang; Yanli Wu và cộng sự nghiên cứu cấu trúc $\text{GdPO}_4\text{:Eu@SiO}_2\text{@mSiO}_2$ để đánh dấu tế bào ung thư phổi NCI-H460.
  • Nghiên cứu về $\text{Gd}_2\text{O}_3$ pha tạp đất hiếm: Yijin và cộng sự tổng hợp $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ dạng ống nano đánh dấu tế bào tủy xương chuột; Maalej và cộng sự tổng hợp $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ dạng phiến nano ứng dụng chụp MRI và đánh dấu tế bào ung thư cổ tử cung HeLa; Ya-Ru-Lu và cộng sự (2017) tổng hợp quả cầu nano lưỡng chức năng quang - từ dẫn thuốc kích thước 5–80 nm nhưng độ phân bố kích thước chưa đồng đều.
  • Nghiên cứu trong nước: Nhóm tác giả tại Viện Khoa học vật liệu đã chế tạo $\text{NaYF}_4\text{:Yb}^{3+},\text{Er}^{3+}\text{@silica-N=folic acid}$ nhận dạng tế bào ung thư vú MCF-7 (Trần Thu Hương); ứng dụng nano phát quang đất hiếm nhận dạng virus sởi, rota trong quy trình sản xuất vắc xin; các nghiên cứu chấm lượng tử và chất màu hữu cơ phân tích dư lượng thuốc trừ sâu.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây khi chế tạo $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ chủ yếu thu được cấu trúc dạng phiến hoặc dạng ống nano, gây cản trở khi thâm nhập qua màng tế bào, hoặc cấu trúc dạng cầu có phân bố kích thước rộng (5–80 nm). Đối với $\text{GdPO}_4$, việc kiểm soát tỷ lệ kích thước thanh nano vẫn còn biến động. Luận án giải quyết triệt để vấn đề tổng hợp có điều khiển để thu được:

  1. Thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ đồng đều cao về chiều dài và đường kính.
  2. Quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ có phân bố kích thước hẹp (đơn phân tán quanh mức 145–155 nm).
  3. Tích hợp tính chất phát quang mạnh với hiệu ứng nhiệt cảm ứng từ trong dải nhiệt độ điều trị (44–49 °C).
  4. Thiết lập quy trình liên hợp kháng thể huỳnh quang miễn dịch hướng tới phát hiện độc tố nọc rắn hổ mang và dấu ấn ung thư đại trực tràng HT-29.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm

  • Cấu hình điện tử ion đất hiếm ($\text{RE}^{3+}$): Các nguyên tố nhóm Lanta có cấu hình lớp ngoài $4f^n 5s^2 5p^6$. Phân lớp 4f chưa lấp đầy được che chắn bởi các lớp $5s^2$ và $5p^6$, giúp các mức năng lượng quang học ít bị ảnh hưởng bởi trường tinh thể mạng nền, tạo ra phổ phát quang dạng vạch hẹp, thời gian sống trạng thái kích thích dài.
  • Ion $\text{Gd}^{3+}$: Cấu hình $[\text{Xe}]4f^7$ với 7 electron độc thân. Trạng thái cơ bản $^8\text{S}{7/2}$, mức kích thích thấp nhất là $^6\text{P}{7/2}$ ứng với bước sóng hấp thụ/phát xạ khoảng 312–315 nm. Năng lượng truyền điện tích của $\text{Gd}^{3+}$ cao hơn các ion $\text{RE}^{3+}$ khác nên không gây dập tắt huỳnh quang, là mạng nền lý tưởng để truyền năng lượng cho các ion kích hoạt ($\text{Tb}^{3+}$, $\text{Eu}^{3+}$). 7 electron độc thân tạo nên tính chất thuận từ mạnh.
  • Ion $\text{Tb}^{3+}$: Chuyển dời phát xạ nội tại phân lớp 4f từ mức kích thích $^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_J$ ($J = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6$), phát xạ mạnh nhất ở vùng ánh sáng màu lục 543–545 nm ứng với chuyển dời $^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_5$.
  • Ion $\text{Eu}^{3+}$: Phát xạ từ mức kích thích $^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_J$ ($J = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6$). Chuyển dời lưỡng cực từ $^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_1$ (590–600 nm, cam) ít phụ thuộc trường tinh thể; chuyển dời lưỡng cực điện $^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_2$ (610–630 nm, đỏ) rất nhạy với đối xứng trường tinh thể quanh tâm $\text{Eu}^{3+}$.
  • Cơ chế truyền năng lượng và dập tắt huỳnh quang: Quá trình truyền năng lượng không phát xạ từ tâm donor (D - mạng nền $\text{Gd}^{3+}$) sang acceptor (A - $\text{Tb}^{3+}$ hoặc $\text{Eu}^{3+}$). Sự dập tắt nồng độ xảy ra theo hai cơ chế: lan truyền năng lượng đến bẫy dập tắt (energy migration) và phục hồi chéo giữa các cặp tâm (cross-relaxation).
  • Mạng nền tinh thể: $\text{GdPO}_4$ kết tinh ở cấu trúc hexagonal (hoặc monazite); $\text{Gd}_2\text{O}_3$ kết tinh ở cấu trúc lập phương tâm khối (cubic, nhóm không gian $Ia\text{-}3$) với số phối trí 6 ($[\text{GdO}_6]$), loại bỏ hoàn toàn các nhóm dao động dập tắt phát quang ($-\text{OH}$).
                             SƠ ĐỒ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG QUANG HỌC
                                                                   
              [ Photon UV / Kích thích ]                           
[ Vạch lục: 543 nm ]              [ Vạch đỏ: 610-630 nm ]

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm định lượng kết hợp phân tích cấu trúc, tính chất vật lý và xét nghiệm miễn dịch:

  • Phương pháp hóa học chế tạo vật liệu:
    1. Phương pháp thủy nhiệt: Tổng hợp thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ trong bình phản ứng kín chịu áp suất và nhiệt độ cao, khảo sát biến thiên pH từ 2 đến 12 và nồng độ pha tạp $\text{Tb}^{3+}$ (0–9% mol).
    2. Phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước: Tổng hợp quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ thông qua tạo kết tủa tiền chất cacbonat bazơ $\text{Gd}(\text{OH})\text{CO}_3\cdot\text{H}_2\text{O:Eu}^{3+}$ bằng tác nhân phân hủy nhiệt Urê ở 70–90 °C, sau đó ủ nhiệt ở 650 °C để chuyển pha oxit.
  • Quy trình xử lý bề mặt và liên hợp sinh học:
    • Bọc vỏ silica ($\text{SiO}_2$) bảo vệ bằng phương pháp sol-gel (sử dụng TEOS).
    • Chức năng hóa bề mặt bằng nhóm $-\text{NH}_2$ sử dụng 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES).
    • Gắn liên hợp cộng hóa trị với kháng thể đặc hiệu IgG thông qua chất liên kết chéo (EDC/NHS hoặc Glutaraldehyde - GDA) dựa trên phản ứng cộng Nucleophin ($A_N$).
  • Hệ thống thiết bị phân tích:
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM, Hitachi S4800) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM/HRTEM, JEM 2100): Khảo sát hình thái, kích thước hạt.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD, Equinox 5000): Xác định cấu trúc pha tinh thể.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Phân tích định tính và định lượng thành phần nguyên tố.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA/DTG): Xác định nhiệt độ phân hủy và chuyển pha.
    • Quang phổ huỳnh quang (PL) và kích thích huỳnh quang (PLE) (hệ Fluorolog FL3-2-2): Khảo sát đặc tính phát quang.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR, Nicolet iS10): Xác định liên kết hóa học, nhóm chức bề mặt và sự tạo phức với protein/kháng thể.
    • Từ kế mẫu rung (VSM) và hệ đo nhiệt cảm ứng từ cao tần: Đo đường cong từ hóa và khảo sát đường cong tăng nhiệt độ trong từ trường xoay chiều (tần số 390 kHz, cường độ 300 Oe).
    • Kính hiển vi huỳnh quang: Đánh dấu, ghi ảnh nhận diện phức hợp miễn dịch tại bước sóng kích thích 405 nm (vật kính 40x, thị kính 10x).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm

Chương 1 tổng thuật cơ sở lý thuyết về vật liệu nano, cấu tạo điện tử của 17 nguyên tố đất hiếm và tính chất quang học đặc thù của các ion $\text{Gd}^{3+}$, $\text{Tb}^{3+}$, $\text{Eu}^{3+}$. Tác giả phân tích chi tiết các quy tắc chọn lọc quang học đối với chuyển dời lưỡng cực điện, lưỡng cực từ và tứ cực điện; biểu diễn giản đồ mức năng lượng Dieke và sự tách mức Stark do trường tinh thể. Chương này cũng phân tích mô hình cấu trúc mạng nền $\text{Gd}_2\text{O}_3$ (pha cubic, monoclinic, hexagonal) và $\text{GdPO}_4$ (cấu trúc hexagonal với các kênh tinh thể dọc trục c).

Phần cuối chương phân tích đối tượng ứng dụng y sinh:

  • Độc tố nọc rắn hổ mang Naja atra: Cấu trúc phức tạp gồm hơn 20 thành phần protein, enzyme 5'-nucleotidase và độc tố polypeptide gây hoại tử mô và suy hô hấp. Nhu cầu chẩn đoán nhanh loài rắn ngoài thực địa để chỉ định đúng huyết thanh kháng nọc.
  • Kháng nguyên CEA trong ung thư đại trực tràng: CEA ($\text{C}{81}\text{H}{126}\text{N}{20}\text{O}{22}$) là glycoprotein màng tế bào có giá trị chỉ thị ung thư biểu mô đường tiêu hóa. Đánh giá ưu điểm của phương pháp huỳnh quang miễn dịch so với các kỹ thuật ELISA hay điện hóa phát quang.

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình công nghệ chế tạo mẫu và quy chuẩn đo lường:

  • Quy trình tổng hợp thủy nhiệt $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$: Khảo sát dung dịch muối $\text{Gd}(\text{NO}_3)_3$, $\text{Tb}(\text{NO}_3)_3$ và $\text{NH}_4\text{H}_2\text{PO}_4$ với việc điều chỉnh pH trong dải 2–12.
  • Quy trình tổng hợp nhiều bước $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$: Khảo sát tỷ lệ mol $[\text{Urê}]/[\text{Gd}^{3+} + \text{Eu}^{3+}]$ từ 20 đến 40, kiểm soát tốc độ kết tủa ở 85–90 °C để tạo quả cầu $\text{Gd}(\text{OH})\text{CO}_3\cdot\text{H}_2\text{O:Eu}^{3+}$, sấy ở 70 °C, 200 °C và ủ tinh thể ở 650 °C.
  • Quy trình chức năng hóa bề mặt: Bọc lớp vỏ $\text{SiO}_2$ trên thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và hạt cầu $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$, biến tính bằng APTES để gắn nhóm $-\text{NH}_2$, sau đó liên hợp với kháng thể IgG kháng nọc rắn và kháng thể IgG kháng CEA thông qua phản ứng ghép đôi carbodiimide/glutaraldehyde.
  • Thiết lập hệ thống đo đạc: Trình bày thông số kỹ thuật của các thiết bị FESEM, TEM, XRD, PL/PLE, FTIR, VSM, hệ đốt nhiệt cảm ứng từ và kính hiển vi huỳnh quang.

Chương 3: Các kết quả chế tạo vật liệu nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và ứng dụng phức hợp nano của $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về cấu trúc, tính chất vật lý và thử nghiệm sinh học của hệ vật liệu $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$:

  • Hình thái học và cấu trúc: Ảnh FESEM chỉ ra pH là yếu tố quyết định hình thái $\text{GdPO}_4$. Tại pH = 2–4, vật liệu tạo dạng thanh nano rõ nét; khi tăng pH, cấu trúc chuyển dần sang dạng bó và kết tụ. Khi pha tạp $\text{Tb}^{3+}$ với tỷ lệ mol $[\text{Tb}^{3+}/\text{Gd}^{3+}]$ từ 0% đến 9%, vật liệu duy trì cấu trúc dạng thanh nano với chiều dài 300–500 nm, chiều rộng 10–30 nm. Ảnh TEM chứng minh lớp vỏ silica bọc đều đặn quanh thân thanh nano. Giản đồ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể đơn pha hexagonal của $\text{GdPO}_4$.
  • Tính chất quang học: Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) xuất hiện các đỉnh hấp thụ đặc trưng của mạng nền $\text{Gd}^{3+}$ ($^8\text{S}_{7/2} \rightarrow {}^6\text{I}_J$, $^6\text{P}_J$ tại 272 nm) và các mức chuyển dời nội tại của $\text{Tb}^{3+}$ tại 325 nm, 355 nm. Phổ huỳnh quang (PL) thể hiện các vạch phát xạ đặc trưng của $\text{Tb}^{3+}$ tại các bước sóng 488 nm ($^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_6$), 543 nm ($^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_5$, mạnh nhất - màu lục), 584 nm ($^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_4$) và 621 nm ($^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_3$). Cường độ phát quang đạt giá trị tối ưu tại nồng độ pha tạp $\text{Tb}^{3+}$ nhất định trước khi bị suy giảm do hiệu ứng dập tắt nồng độ. Sau các bước bọc silica, chức năng hóa amin và gắn kháng thể IgG, phổ PL vẫn duy trì các vạch phát xạ sắc nét.
  • Phổ hồng ngoại (FTIR): Xuất hiện các dao động đặc trưng của nhóm $\text{PO}_4^{3-}$ (liên kết P–O tại ~1050 $\text{cm}^{-1}$, 540–620 $\text{cm}^{-1}$), nhóm $\text{Si–O–Si}$ từ lớp vỏ silica (~1080 $\text{cm}^{-1}$), dao động biến dạng của nhóm $-\text{NH}_2$, và các dải hấp thụ amide I, amide II đặc trưng của protein kháng thể IgG sau khi liên hợp.
  • Tính chất từ và hiệu ứng nhiệt từ: Đường cong từ hóa VSM khẳng định tính chất thuận từ của vật liệu. Thử nghiệm đốt nóng cảm ứng từ trong từ trường xoay chiều 300 Oe ở tần số 390 kHz cho thấy nhiệt độ mẫu tăng từ nhiệt độ phòng lên khoảng 44–49 °C sau 1500 giây, nằm trong dải nhiệt độ thích hợp cho điều trị ung thư bằng nhiệt từ (hyperthermia).
  • Ứng dụng nhận dạng nọc rắn hổ mang Naja atra: Phức hợp $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}\text{@silica-NH}_2\text{-IgG}$ liên kết đặc hiệu với kháng nguyên nọc rắn. Dưới kính hiển vi huỳnh quang (bước sóng kích thích 405 nm, độ phóng đại 40x), mẫu phức hợp phát ra tín hiệu huỳnh quang màu xanh lục rõ rệt tại các vị trí bắt cặp kháng nguyên - kháng thể, chứng minh khả năng ứng dụng nhận diện nọc độc rắn.

Chương 4: Các kết quả chế tạo vật liệu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ và ứng dụng phức hợp nano của $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng

Chương 4 tập trung vào quy trình chế tạo quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$, khảo sát cấu trúc, quang học và thử nghiệm nhận dạng dấu ấn ung thư CEA:

  • Cấu trúc và hình thái học:
    • Ảnh FESEM và TEM cho thấy tiền chất $\text{Gd}(\text{OH})\text{CO}_3\cdot\text{H}_2\text{O:Eu}^{3+}$ và hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ sau khi ủ ở 650 °C đều có dạng hình cầu đồng đều, bề mặt nhẵn, đường kính trung bình nằm trong khoảng 145–155 nm. Tỷ lệ $[\text{Urê}]/[\text{Gd}^{3+} + \text{Eu}^{3+}]$ tối ưu trong dải 25–35 giúp kiểm soát độ đơn phân tán của quả cầu.
    • Phân tích nhiệt TGA/DTG cho thấy quá trình mất nước hấp phụ, phân hủy gốc cacbonat bazơ và chuyển pha hoàn toàn sang oxit diễn ra trước 650 °C.
    • Giản đồ XRD xác nhận mẫu ủ ở 650 °C đạt pha tinh thể lập phương tâm khối (cubic) của $\text{Gd}_2\text{O}_3$ với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) định lượng tỷ lệ trọng lượng các nguyên tố $\text{Gd}$, $\text{O}$, $\text{Eu}$ và $\text{Si}$ trong mẫu trước và sau khi bọc silica.
Thông số / Mẫu $\text{Gd}(\text{OH})\text{CO}_3\cdot\text{H}_2\text{O:6%Eu}^{3+}$ $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:6%Eu}^{3+}$ $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:6%Eu}^{3+}\text{@Silica}$
Hình thái hạt Quả cầu nano đồng đều Quả cầu nano Quả cầu nano có vỏ bọc
Đường kính trung bình ~160–170 nm 145–155 nm 165–175 nm
Cấu trúc pha tinh thể Vô định hình / Tiền chất cacbonat Cubic (Ia-3) Lõi Cubic, vỏ vô định hình
Đỉnh phát xạ chính Yếu do dập tắt bởi $-\text{OH}$ 610–630 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_2$) 610–630 nm (duy trì huỳnh quang mạnh)
  • Tính chất quang học:
    • Phổ PLE chỉ ra dải hấp thụ truyền điện tích ($\text{CTS}$) mạng nền $\text{O}^{2-} \rightarrow \text{Eu}^{3+}$ ở vùng tử ngoại (~250–270 nm) và các vạch hấp thụ trực tiếp của ion $\text{Eu}^{3+}$ tại 394 nm ($^7\text{F}_0 \rightarrow {}^5\text{L}_6$) và 465 nm ($^7\text{F}_0 \rightarrow {}^5\text{D}_2$).
    • Phổ PL khi kích thích tại 270 nm và 394 nm cho các vạch phát quang đặc trưng của $\text{Eu}^{3+}$: 580 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_0$), 592 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_1$), 613 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_2$, vạch mạnh nhất - màu đỏ), 650 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_3$) và 700 nm ($^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_4$). Khảo sát nồng độ pha tạp $\text{Eu}^{3+}$ từ 3,5% đến 8% mol xác định nồng độ tối ưu xung quanh 6% mol.
    • Phổ PL của mẫu bọc silica ở các độ dày và nhiệt độ xử lý khác nhau cho thấy cường độ phát quang đỏ vẫn được bảo toàn tốt.
  • Ứng dụng nhận dạng kháng nguyên CEA và tế bào ung thư HT-29:
    • Phức hợp nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}\text{@silica-NH}_2\text{-IgG}$ được thử nghiệm phát hiện kháng nguyên CEA tinh khiết trong dung dịch đệm PBS. Tín hiệu huỳnh quang màu đỏ phát xạ mạnh, ghi nhận rõ trên kính hiển vi huỳnh quang (kích thích 405 nm).
    • Thử nghiệm trên dòng tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 (chứa biểu hiện CEA bề mặt): Hình ảnh hiển vi huỳnh quang xác nhận các hạt nano phát quang màu đỏ bám kết đặc hiệu và bao quanh màng tế bào ung thư HT-29, trong khi các mẫu đối chứng không gắn kháng thể hoặc mẫu không có kháng nguyên không ghi nhận tín hiệu huỳnh quang đặc hiệu.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Chế tạo vật liệu có kiểm soát: Đã làm chủ quy trình công nghệ chế tạo thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ (chiều dài 300–500 nm, chiều rộng 10–30 nm) bằng phương pháp thủy nhiệt và quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ (đường kính 145–155 nm) bằng phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước có độ lặp lại cao và độ đồng đều kích thước tốt.
  2. Kỹ thuật chức năng hóa và tạo phức sinh học: Đã xây dựng quy trình bọc vỏ bảo vệ silica, gắn nhóm chức $-\text{NH}_2$ bằng APTES và liên hợp cộng hóa trị thành công với kháng thể IgG đặc hiệu kháng nọc rắn và kháng CEA, tạo phức hợp nano huỳnh quang bền vững trong môi trường sinh lý.
  3. Phát hiện hiệu ứng nhiệt từ: Khảo sát và xác định hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của hệ vật liệu $\text{GdPO}_4$ và $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$, đạt nhiệt độ 44–49 °C trong từ trường xoay chiều (300 Oe, 390 kHz, 1500 s), chứng minh tiềm năng tích hợp tính chất quang học và nhiệt từ trị trên cùng một hệ vật liệu nano nền Gadolini.
  4. Thử nghiệm y sinh thành công: Bước đầu ứng dụng phức hợp nano huỳnh quang miễn dịch nhận dạng thành công kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang Naja atra, kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA trên bề mặt tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 bằng kính hiển vi huỳnh quang.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa mật độ kháng thể gắn trên bề mặt hạt nano để nâng cao giới hạn phát hiện ($\text{LOD}$).
  • Đề xuất ứng dụng quy trình đánh dấu huỳnh quang miễn dịch bằng hạt nano đất hiếm vào các bộ kít xét nghiệm nhanh ngoài thực địa nhằm hỗ trợ xử trí cấp cứu tai nạn rắn cắn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thử nghiệm y sinh trong luận án mới dừng lại ở mức độ in vitro trong phòng thí nghiệm (trên dung dịch kháng nguyên tinh khiết và dòng tế bào nuôi cấy HT-29), chưa tiến hành thử nghiệm in vivo trên mô hình động vật sống.
  • Bước sóng kích thích huỳnh quang sử dụng trong phép đo hiển vi là 405 nm (vùng ánh sáng xanh tím/tử ngoại gần), có thể bị suy hao do độ xuyên sâu mô hạn chế và hiện tượng tự phát huỳnh quang nền của mô sinh học phức tạp nếu áp dụng chiếu chụp trực tiếp trong cơ thể.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng đánh giá độc tính tế bào (cytotoxicity) và tính tương thích sinh học của phức hợp nano trên các mô hình tế bào bình thường và động vật thực nghiệm.
  • Nghiên cứu kết hợp đồng thời khả năng phát hiện huỳnh quang, tăng độ tương phản ảnh cộng hưởng từ (MRI) và hiệu ứng nhiệt từ trị (hyperthermia) in vivo trên khối u động vật.
  • Thử nghiệm lâm sàng trên mẫu máu/huyết thanh thực tế của bệnh nhân bị rắn hổ mang cắn và bệnh nhân ung thư đại trực tràng.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chi tiết, có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Khoa học vật liệu, Quang tử học: Tham khảo quy trình tổng hợp kiểm soát hình thái tinh thể nano dạng thanh ($\text{GdPO}_4$) và dạng cầu ($\text{Gd}_2\text{O}_3$), cơ chế truyền năng lượng giữa ion mạng nền $\text{Gd}^{3+}$ và ion kích hoạt $\text{Tb}^{3+}/\text{Eu}^{3+}$, cùng phương pháp phân tích quang phổ huỳnh quang nâng cao.
  • Nhà nghiên cứu Công nghệ nano sinh học và Dược học: Tham khảo kỹ thuật xử lý bề mặt, quy trình bọc vỏ silica đồng đều, kỹ thuật chức năng hóa amin và liên hợp hóa học với kháng thể protein IgG nhằm chế tạo đầu dò sinh học.
  • Cán bộ nghiên cứu Y sinh học và Chẩn đoán y học: Tham khảo phương pháp huỳnh quang miễn dịch sử dụng hạt nano đất hiếm trong phát hiện protein độc tố và dấu ấn sinh học ung thư giai đoạn sớm.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước và hình thái cụ thể của các vật liệu nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ và $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ được chế tạo trong luận án là bao nhiêu?

Vật liệu $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt có dạng thanh nano với chiều dài 300–500 nm, chiều rộng 10–30 nm. Vật liệu $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ được chế tạo bằng phương pháp hóa học nhiều bước có dạng hình cầu đồng đều với đường kính trung bình trong khoảng 145–155 nm sau khi ủ ở 650 °C.

2. Lớp vỏ silica ($\text{SiO}_2$) và nhóm amin ($-\text{NH}_2$) đóng vai trò gì trên bề mặt hạt nano?

Lớp vỏ silica giúp bảo vệ bề mặt hạt nano, hạn chế hiện tượng dập tắt huỳnh quang do môi trường ngoài, tăng tính phân tán và độ bền hóa học trong môi trường sinh lý. Việc chức năng hóa bề mặt bằng nhóm $-\text{NH}_2$ (qua tiền chất APTES) tạo các tâm hoạt tính để liên kết cộng hóa trị với kháng thể đặc hiệu IgG thông qua phản ứng cộng Nucleophin.

3. Vị trí các đỉnh phát xạ huỳnh quang đặc trưng của $\text{Tb}^{3+}$ và $\text{Eu}^{3+}$ trong các vật liệu nghiên cứu nằm ở bước sóng nào?

Ion $\text{Tb}^{3+}$ trong mạng nền $\text{GdPO}_4$ phát bức xạ mạnh nhất ở bước sóng màu lục 543–545 nm (chuyển dời $^5\text{D}_4 \rightarrow {}^7\text{F}_5$). Ion $\text{Eu}^{3+}$ trong mạng nền $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phát bức xạ mạnh nhất ở bước sóng màu đỏ 610–630 nm (chuyển dời lưỡng cực điện $^5\text{D}_0 \rightarrow {}^7\text{F}_2$).

4. Kết quả khảo sát hiệu ứng đốt nóng cảm ứng từ của vật liệu $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ đạt được thông số nào?

Trong điều kiện từ trường xoay chiều có cường độ 300 Oe và tần số 390 kHz, nhiệt độ của mẫu $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ tăng từ nhiệt độ phòng lên mức 44–49 °C sau thời gian 1500 giây. Mức nhiệt này nằm trong khoảng nhiệt độ thích hợp cho điều trị từ nhiệt (hyperthermia).

5. Phức hợp nano liên hợp kháng thể trong luận án đã được thử nghiệm nhận dạng những đối tượng sinh học nào?

Phức hợp $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}\text{@silica-NH}_2\text{-IgG}$ được thử nghiệm phát hiện kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra. Phức hợp $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}\text{@silica-NH}_2\text{-IgG}$ được thử nghiệm nhận dạng kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA trên bề mặt dòng tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 thông qua quan sát ảnh hiển vi huỳnh quang.

Kết luận

Luận án của tác giả Phạm Thị Liên đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu thanh nano $\text{GdPO}_4\text{:Tb}^{3+}$ bằng phương pháp thủy nhiệt và quả cầu nano $\text{Gd}_2\text{O}_3\text{:Eu}^{3+}$ bằng phương pháp hóa học nhiều bước với độ đồng đều cấu trúc cao. Bề mặt vật liệu đã được bọc vỏ silica, gắn nhóm amin và liên hợp cộng hóa trị với kháng thể đặc hiệu IgG mà vẫn bảo toàn đặc tính phát quang mạnh dạng vạch hẹp của các ion đất hiếm. Hệ vật liệu nano đã được chứng minh khả năng đốt nóng cảm ứng từ đạt 44–49 °C và bước đầu ứng dụng nhận dạng thành công kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra cùng tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 bằng phương pháp huỳnh quang miễn dịch. Công trình đóng góp quy trình thực nghiệm rõ ràng trong chế tạo vật liệu nano phát quang đa chức năng nền Gadolini định hướng ứng dụng trong y sinh học.