Nanocube Ag@SiO2 Lõi Vỏ Định Hướng làm Nền Plasmonic Đa Chức Năng cho Phát hiện Biomarker

• Tác giả: Nguyen Minh Kha
• Người hướng dẫn: Prof. Bing-Joe Hwang
• Trường học: National Taiwan University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Orientated Ag@SiO2 Core-shell Nanocubes as Dual-functional Plasmonic Substrates for Biomarker Detection
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Taiwan

• Abstract
• Acknowledgement
• 1. TABLE OF CONTENTS
• 1.1. List of Figures
• 1.2. List of Tables
• 1.3. List of Acronyms
• 1.4. Overview about plasmonic technologies
• 1.5. Statement of the problem
• 1.6. Objective of the study
• 1.7. Significance of the study
• 1.8. Structure of the dissertation
• 2. A brief overview of SERS and MEPL
• 2.1. Light scattering and optical properties of metals
• 2.2. Normal Raman and surface-enhanced Raman scattering
• 2.3. Photoluminescence and metal-enhanced photoluminescence
• 3. The major concerns related to SERS and MEPL enhancements
• 3.1. Type of metal
• 3.2. Interacting objects, gaps, and coupled plasmon resonances
• 4. The research on SERS-MEPL bifunctional mode
• 4.1. Solutions for the integrated SERS and MEPL
• 4.2. Applications of SERS and MEPL
• 5. Controlling the fabrication of nanostructures for plasmonic applications
• 5.1. General nanofabrication techniques
• 5.2. Preparation of Ag nanostructures
• 5.3. Surface coating for protection of nanostructures
• 6. Materials and Methods
• 6.1. Fabrication of the plasmonic substrates
• 6.1.1. Synthesis of Ag NCs
• 6.1.2. Synthesis of Ag@SiO2 core-shell NCs
• 6.1.3. Fabrication of Ag@SiO2/f-Al2O3/e-Al and Ag@SiO2/Al2O3/Al substrates
• 6.1.4. Preparation of artificial urine
• 6.1.5. Preparation of SERS and MEPL measurements
• 6.2. Characterization and measurements
• 6.2.1. SERS and MEPL measurements
• 6.2.2. Calculation enhancement factor of the substrate
• 7. SERS and MEPL of Ag@SiO2 Nanocubes with Ultrathin Silica Shells
• 7.1. Results and discussion
• 7.1.1. Synthesis of Ag NCs
• 7.1.2. Ultra-coating silica shell for Ag NCs cores
• 7.1.3. The SERS and MEPL of the Ag@SiO2 NCs vs. Sensitivity and Stability of Bifunctional SERS-MEPL from the Mixture of Ag@SiO2 Nanocubes
• 8. Results and Discussion
• 8.1. Characterization of the Ag NCs and Ag@SiO2 NCs
• 8.2. Bifunctional SERS-MEPL activity of Ag@SiO2 NCs
• 8.3. The stability for dual SERS-MEPL activity
• 8.4. Direct label-free SERS-MEPL detection of the mixture of creatinine and flavin adenine dinucleotide
• 9. A Plasmonic Coupling Substrate Based on Ag@SiO2/f-Al2O3/e-Al for Sensitive Detection of Biomarkers in Urine
• 9.1. Results and discussion
• 9.1.1. Fabrication of the substrates and their characterization
• 9.1.2. SERS and MEPL activities of the substrates
• 9.1.3. Urinary biomarkers detection
• 10. Conclusion and Future Perspectives
• List of Figures
• List of Tables
• List of Acronyms

I. Tổng Quan Phát Hiện Biomarker Bằng Nanocube Ag SiO2 55 ký tự

Phát hiện sớm và chính xác biomarker là yếu tố then chốt trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Các phương pháp truyền thống thường gặp hạn chế về độ nhạy và tính đặc hiệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng Nanocube Ag@SiO2 lõi vỏ định hướng, kết hợp nền Plasmonic đa chức năng, nhằm cải thiện đáng kể khả năng phát hiện biomarker. Kỹ thuật này hứa hẹn mang lại cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩn đoán y sinh, mở ra cơ hội cho các xét nghiệm nhanh chóng, không xâm lấn và chi phí thấp. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết, quy trình thực hiện, kết quả đạt được và tiềm năng ứng dụng của phương pháp này.

1.1. Giới thiệu về Biomarker và ứng dụng trong y học

Biomarker đóng vai trò quan trọng trong y học hiện đại, cung cấp thông tin về tình trạng sinh lý, bệnh lý và phản ứng của cơ thể với điều trị. Việc phát hiện chính xác biomarker giúp chẩn đoán bệnh sớm, theo dõi tiến trình bệnh và đánh giá hiệu quả điều trị. Các loại biomarker bao gồm protein, DNA, RNA, các chất chuyển hóa và tế bào. Sự phát triển của các phương pháp phát hiện biomarker tiên tiến như sử dụng công nghệ nano mở ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện sức khỏe con người.

1.2. Tổng quan về Nanocube Ag SiO2 và nền Plasmonic

Nanocube Ag@SiO2 là một loại vật liệu nano có cấu trúc lõi vỏ, trong đó lõi là hạt nano bạc (Ag) và vỏ là lớp silica (SiO2). Cấu trúc này kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu: tính chất Plasmonic của bạc và tính ổn định, khả năng tương thích sinh học của silica. Nền Plasmonic là một cấu trúc được thiết kế để tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật liệu nano, từ đó khuếch đại tín hiệu phát hiện biomarker. Sự kết hợp giữa Nanocube Ag@SiO2 và nền Plasmonic tạo ra một hệ thống phát hiện biomarker cực kỳ nhạy và hiệu quả.

II. Thách Thức Phát Hiện Biomarker Độ Nhạy Chưa Cao 58 ký tự

Các phương pháp phát hiện biomarker truyền thống, như ELISA, PCR, thường gặp hạn chế về độ nhạy, đặc biệt khi nồng độ biomarker trong mẫu sinh học rất thấp. Điều này gây khó khăn trong việc chẩn đoán sớm các bệnh lý, đặc biệt là ung thư. Ngoài ra, các phương pháp này thường tốn thời gian và chi phí. Do đó, nhu cầu cấp thiết đặt ra là cần phát triển các kỹ thuật phát hiện biomarker mới, có độ nhạy cao, nhanh chóng, chính xác và chi phí hợp lý. Các nghiên cứu tập trung vào vật liệu nano và công nghệ nano hứa hẹn giải quyết vấn đề này.

2.1. Hạn chế của các phương pháp phát hiện Biomarker truyền thống

Các phương pháp phát hiện biomarker truyền thống thường dựa trên nguyên lý nhận diện biomarker bằng kháng thể hoặc các phân tử đặc hiệu khác. Tuy nhiên, các phương pháp này thường gặp phải các vấn đề như độ nhạy không cao, thời gian phân tích dài, yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí đắt đỏ. Đặc biệt, việc phát hiện biomarker ở nồng độ thấp trong các mẫu sinh học phức tạp là một thách thức lớn.

2.2. Yêu cầu về độ nhạy và độ đặc hiệu trong phát hiện Biomarker

Độ nhạy và độ đặc hiệu là hai yếu tố quan trọng nhất trong phát hiện biomarker. Độ nhạy thể hiện khả năng phát hiện biomarker ở nồng độ thấp, trong khi độ đặc hiệu thể hiện khả năng phân biệt biomarker mục tiêu với các chất khác trong mẫu. Một phương pháp phát hiện biomarker lý tưởng cần có cả độ nhạy và độ đặc hiệu cao để đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy.

2.3. Ảnh hưởng của mẫu sinh học phức tạp đến quá trình phát hiện

Mẫu sinh học, chẳng hạn như máu, nước tiểu hoặc dịch não tủy, thường chứa nhiều thành phần khác nhau, có thể gây ảnh hưởng đến quá trình phát hiện biomarker. Các thành phần này có thể gây nhiễu tín hiệu, ức chế phản ứng hoặc làm giảm độ nhạy của phương pháp. Do đó, cần có các biện pháp xử lý mẫu phù hợp để loại bỏ các thành phần gây nhiễu và tăng cường khả năng phát hiện biomarker.

III. Phương Pháp Nanocube Ag SiO2 Lõi Vỏ Giải Pháp 57 ký tự

Sử dụng Nanocube Ag@SiO2 lõi vỏ là một giải pháp đầy hứa hẹn để vượt qua các hạn chế của phương pháp truyền thống. Cấu trúc lõi bạc (Ag) mang lại tính chất Plasmonic mạnh mẽ, cho phép khuếch đại tín hiệu phát hiện biomarker thông qua hiện tượng tăng cường Raman bề mặt (SERS) và tăng cường huỳnh quang kim loại (MEPL). Lớp vỏ silica (SiO2) bảo vệ lõi bạc khỏi oxy hóa, tăng cường độ ổn định và khả năng tương thích sinh học của hạt nano. Việc định hướng các Nanocube trên nền Plasmonic giúp tối ưu hóa hiệu ứng khuếch đại tín hiệu.

3.1. Cơ chế tăng cường tín hiệu Plasmonic trong Nanocube Ag SiO2

Tính chất Plasmonic của lõi bạc trong Nanocube Ag@SiO2 là yếu tố then chốt tạo nên khả năng tăng cường tín hiệu phát hiện biomarker. Khi ánh sáng chiếu vào Nanocube, các electron trên bề mặt bạc dao động cộng hưởng, tạo ra trường điện từ mạnh mẽ xung quanh hạt nano. Trường điện từ này có thể khuếch đại tín hiệu Raman (SERS) hoặc huỳnh quang (MEPL) của biomarker gần đó.

3.2. Vai trò của lớp vỏ Silica trong bảo vệ và tương thích sinh học

Lớp vỏ silica (SiO2) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ lõi bạc khỏi oxy hóa, đảm bảo độ ổn định lâu dài của Nanocube. Ngoài ra, lớp vỏ silica còn tăng cường khả năng tương thích sinh học của hạt nano, giảm thiểu độc tính và giúp Nanocube dễ dàng tương tác với các phân tử sinh học trong mẫu.

3.3. Tối ưu hóa nền Plasmonic cho phát hiện Biomarker hiệu quả

Việc thiết kế và tối ưu hóa nền Plasmonic là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu quả phát hiện biomarker cao nhất. Nền Plasmonic có thể được chế tạo từ các vật liệu khác nhau, như kim loại, oxit kim loại hoặc polyme, và có cấu trúc khác nhau, như màng mỏng, hạt nano hoặc cấu trúc tuần hoàn. Mục tiêu là tạo ra một nền Plasmonic có khả năng khuếch đại tín hiệu biomarker mạnh nhất ở bước sóng ánh sáng sử dụng.

IV. Cải Tiến Định Hướng Nanocube Tăng Độ Nhạy SERS 59 ký tự

Việc định hướng các Nanocube Ag@SiO2 trên nền Plasmonic đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu ứng khuếch đại tín hiệu. Khi các Nanocube được định hướng theo một trật tự nhất định, chẳng hạn như cạnh kề cạnh, trường điện từ giữa các hạt nano sẽ tương tác với nhau, tạo ra các điểm nóng Plasmonic (hotspots) với cường độ tín hiệu cực cao. Kỹ thuật này giúp tăng cường đáng kể độ nhạy của phương pháp SERS, cho phép phát hiện biomarker ở nồng độ cực thấp.

4.1. Kỹ thuật định hướng Nanocube Ag SiO2 trên nền Plasmonic

Có nhiều kỹ thuật khác nhau để định hướng các Nanocube Ag@SiO2 trên nền Plasmonic, bao gồm sử dụng điện trường, từ trường, lực mao dẫn hoặc các tương tác hóa học. Mỗi kỹ thuật có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào vật liệu, cấu trúc và kích thước của Nanocube và nền Plasmonic.

4.2. Ảnh hưởng của hướng sắp xếp Nanocube đến cường độ tín hiệu SERS

Hướng sắp xếp của các Nanocube có ảnh hưởng lớn đến cường độ tín hiệu SERS. Khi các Nanocube được sắp xếp cạnh kề cạnh, khe hở giữa các hạt nano tạo ra các điểm nóng Plasmonic với cường độ tín hiệu cực cao. Các hướng sắp xếp khác, như đỉnh kề đỉnh hoặc mặt kề mặt, có thể tạo ra cường độ tín hiệu thấp hơn.

4.3. Thiết kế nền Plasmonic tối ưu cho định hướng Nanocube

Việc thiết kế nền Plasmonic cũng cần được điều chỉnh để phù hợp với kỹ thuật định hướng Nanocube. Nền Plasmonic có thể được thiết kế với các cấu trúc đặc biệt, như rãnh, lỗ hoặc các điểm neo, để giúp định hướng các Nanocube theo một trật tự nhất định.

V. Ứng Dụng Phát Hiện Biomarker Trong Mẫu Nước Tiểu 55 ký tự

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp phát hiện Biomarker bằng Nanocube Ag@SiO2 trong việc phân tích mẫu nước tiểu. Creatinine (CR) và Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) là hai biomarker được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu. Kết quả cho thấy phương pháp này có thể phát hiện CR và FAD trong nước tiểu với độ nhạy cao, mở ra tiềm năng cho các xét nghiệm chẩn đoán nhanh chóng, không xâm lấn và chi phí thấp. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các công cụ chẩn đoán bệnh tại chỗ (point-of-care).

5.1. Phát hiện Creatinine CR bằng SERS với Nanocube Ag SiO2

Creatinine (CR) là một biomarker quan trọng để đánh giá chức năng thận. Phương pháp SERS sử dụng Nanocube Ag@SiO2 cho phép phát hiện CR trong nước tiểu với độ nhạy cao, vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc chẩn đoán sớm các bệnh về thận.

5.2. Phát hiện Flavin Adenine Dinucleotide FAD bằng MEPL

Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) là một coenzyme quan trọng trong quá trình trao đổi chất. Phương pháp MEPL sử dụng Nanocube Ag@SiO2 cho phép phát hiện FAD trong nước tiểu, cung cấp thông tin về tình trạng dinh dưỡng và chuyển hóa của cơ thể.

5.3. Tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tại chỗ Point of care

Phương pháp phát hiện Biomarker bằng Nanocube Ag@SiO2 có tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị chẩn đoán bệnh tại chỗ (point-of-care), cho phép thực hiện xét nghiệm nhanh chóng và dễ dàng ngay tại giường bệnh, phòng khám hoặc thậm chí tại nhà. Điều này giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi kết quả xét nghiệm và cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.

VI. Tương Lai Phát Triển Nền Plasmonic Đa Chức Năng Hơn 59 ký tự

Nghiên cứu về phát hiện Biomarker bằng Nanocube Ag@SiO2 vẫn đang tiếp tục phát triển. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm: tối ưu hóa cấu trúc Nanocube và nền Plasmonic để tăng cường độ nhạy và độ đặc hiệu; phát triển các phương pháp định hướng Nanocube hiệu quả hơn; mở rộng ứng dụng sang phát hiện các loại biomarker khác nhau; và tích hợp phương pháp này vào các thiết bị chẩn đoán di động. Sự phát triển của nền Plasmonic đa chức năng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực chẩn đoán y sinh.

6.1. Tối ưu hóa cấu trúc Nanocube Ag SiO2 và nền Plasmonic

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc Nanocube Ag@SiO2 và nền Plasmonic để đạt được độ nhạy và độ đặc hiệu cao nhất. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm kích thước, hình dạng, thành phần và cấu trúc của Nanocube, cũng như vật liệu, cấu trúc và khoảng cách giữa các thành phần của nền Plasmonic.

6.2. Phát triển các phương pháp định hướng Nanocube hiệu quả

Việc phát triển các phương pháp định hướng Nanocube hiệu quả hơn là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các phương pháp mới cần đảm bảo tính chính xác, khả năng kiểm soát và khả năng mở rộng quy mô để đáp ứng nhu cầu thực tế.

6.3. Mở rộng ứng dụng sang phát hiện các loại Biomarker khác

Nghiên cứu trong tương lai sẽ mở rộng ứng dụng của phương pháp phát hiện Biomarker bằng Nanocube Ag@SiO2 sang phát hiện các loại biomarker khác nhau, bao gồm DNA, RNA, protein, tế bào và các chất chuyển hóa. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý khác nhau.