Luận án tổng hợp và khảo sát vật liệu nano NaYF4:Er3+,Yb3+ phát quang định hướng ứng dụng y sinh

1 MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu nano và sản phẩm liên quan đến vật liệu nano có ứng dụng trên nhiều lĩnh vực như: khoa học vật liệu, năng lượng, môi trường, điện tử và đặc biệt trong lĩnh vực y sinh học [1-6]. Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã tạo ra công cụ đánh dấu huỳnh quang (fluorescent labelling) có hiệu quả và đang rất được quan tâm [7-9]. Đáng chú ý vài năm gần đây, nhiều loại vật liệu nano đã trở thành đối tượng thời sự của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, điển hình như vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) [10-14]. Khi kích thích vật liệu này bằng ánh sáng hồng ngoại sẽ thu được phát xạ trong vùng khả kiến.

Do đó chúng đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu mới và được công nhận trong nhiều lĩnh vực như: chăm sóc sức khỏe, an ninh, năng lượng …[15]. Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, các UCNP có hai ưu thế cơ bản so với vật liệu phát quang thông thường. Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại giúp giảm tối đa khả năng tự phát quang của đối tượng và nâng cao độ tương phản của các vi hình ảnh. Hơn nữa, ánh sáng hồng ngoại thân thiện với cơ thể người, không gây biến đổi tế bào, có thể xuyên được vài milimet vào mô người nên sẽ tác dụng sâu hơn vào vùng tổn thương.

Có rất nhiều công trình công bố về các loại UCNP, trong đó vật liệu nền oxit, florua của ytri và gadoli pha tạp ion đất hiếm Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ là nổi bật hơn cả [16-19]. Các nghiên cứu cho thấy, mạng nền NaYF4 kích thước nanomet sẽ tạo ra hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với hiệu suất phát quang cao, bền trong các điều kiện khác nhau. Vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị, an ninh, quang điện tử [20, 21] và đặc biệt trong y sinh như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing), trị liệu ung thư (cancer therapy) [20, 22-24]. Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro và in vivo của UCNP pha tạp ion đất hiếm có độ tương phản cao.Vì thế vật liệu UCNP có tiềm năng lớn trong thiết kế, chế tạo các phức hợp nano sinh học có thể nhận dạng được rất chính xác một số loại tế bào ung thư [23, 25, 26].

2 Trên thế giới, một số nhóm nghiên cứu đã tổng hợp vật liệu UCNP với kích thước từ vài chục đến vài trăm nm, phát quang vùng màu xanh, ứng dụng nhận dạng dấu vân tay [27], làm chất dẫn thuốc [28], làm dầu dò nano [29] hoặc liên kết với các biomarker đánh dấu một số loại tế bào như tế bào ung thư phổi [30], tế bào Hela [9, 31]. Đặc biệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm có thể dánh dấu được các tế bào có kích thước m theo phương thức ngoại bào [32]. Do cấu trúc, tính chất phát quang và sự liên hợp sinh học là một trong số các yếu tố quyết định ứng dụng trong y sinh của vật liệu nên việc nghiên cứu các yếu tố này luôn có vai trò quan trọng trong chế tạo vật liệu. Các nghiên cứu tại Việt Nam về vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano nhưng cũng đã có những bước chuyển quan trọng, tạo ra sức hút mới đối với các nhà khoa học.

Năm 2009, nhóm nghiên cứu tại phòng Quang Hóa Điện tử, viện Khoa học vật liệu, viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tập trung nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong y sinh với mở đầu là đề tài Độc lập Nhà nước (2009 - 2012). Kết quả của đề tài đã được đánh giá là một trong các công trình đầu tiên chế tạo thành công phức hợp (complex) nano sinh y học phát hiện vi hình ảnh hai loại virut sởi và Rota trong vắc xin sản xuất công nghiệp [4]. Đối với vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo các UCNP chứa các ion Er, Yb, Tm, với các nền oxit của ytri [33, 34], nền natriytriflorua [35-38]. Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước và hình dạng cũng như các đặc tính và cơ chế của quá trình huỳnh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định hướng ứng dụng trong hiển thị, quang điện tử, in bảo mật và có một số kết quả nghiên cứu ứng dụng trong ngành năng lượng [35, 37, 39].

Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP trong phát hiện và điều trị ung thư vẫn chưa nhiều. Câu hỏi đặt ra làm thế nào để sử dụng vật liệu phát quang chuyển đổi ngược UCNP vào trong y sinh học và lựa chọn giải pháp nào là thích hợp cho quá trình chức năng hóa, liên hợp hóa với các đối tượng hoạt động sinh học? Sự kết hợp của công nghệ nano và sinh học cho phép ứng dụng các vật liệu 3 huỳnh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát hiện các phân tử sinh học ứng dụng trong các bộ cảm biến và ảnh y sinh như thế nào? Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn chủ đề nghiên cứu vật liệu nano chứa đất hiếm phát quang ngược ứng dụng trong sinh y học làm nội dung cho luận án với tiêu đề: “Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh” Mục tiêu 1. Tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+ có cấu trúc tinh thể , dạng que, phát quang vùng màu đỏ. Xác định được hình thái học, cấu trúc, tính chất quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+.

Xây dựng được quy trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ nhằm ứng dụng cho y sinh. Từ đó, chọn được vật liệu thích hợp nhất để chế tạo công cụ phức hợp (complex tool) đánh dấu huỳnh quang vi hình ảnh. Sử dụng được phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào quy trình ủ sinh học bắt cặp với tế bào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế bào ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang phân giải cao. Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kế thừa các kết quả nghiên cứu của tập thể khoa học phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Các thí nghiệm tổng hợp vật liệu và chế tạo phức hợp nano y sinh cũng được tiến hành tại phòng Quang Hóa Điện tử, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu và tại Bộ môn Hóa học, Đại học Y Hà Nội. Các thí nghiệm ủ sinh học giữa phức hợp nano y sinh và tế bào ung thư được tiến hành tại phòng thí nghiệm Xét nghiệm Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội USTH. Sử dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt và thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo khuôn mềm) để chế tạo vật liệu. Cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện tử phát trường.

Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang. Khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang. Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:Yb3+, Er3+. Vật liệu có các đặc trưng: hình dạng que với kích thước chiều dài 300 nm ÷ 800 nm, đường kính cỡ 100 nm ÷ 200 nm; cấu trúc tinh thể hexagonal (β); phổ phát quang được kích thích bằng laser 980 nm gồm hai dải phát xạ đặc trưng của ion Er3+ từ 510 nm ÷ 570 nm và 630 nm ÷ 700 nm.

Đã tổng hợp thành công hai hệ phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica/TPGS và NaYF4:Yb3+, Er3+@silica–N=FA có tính chất phát quang chuyển đổi ngược với vùng phát xạ ánh sáng đỏ trội. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm, ứng dụng phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA để nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 thông qua kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang bằng kính hiển vi huỳnh quang soi ngược đã quan sát được sự bắt cặp của phức hợp nano với tế bào trên. Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục bảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 4 chương: Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4. Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm.

5 Chƣơng 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+. Chƣơng 4: Kết quả chế tạo và thử nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư MCF7. 6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4 1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm 1.

Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm gồm tập hợp của mười bảy nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ 57 đến 71 trong bảng tuần hoàn của Mendeleev: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu và thêm nguyên tố ytri (Y). Những nguyên tố này có hàm lượng rất nhỏ trong Trái đất, được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích, các mỏ quặng và cát đen [40]. Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 n: nhận các giá trị từ 0 ÷ 14; còn m chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1. Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện tử hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn của chúng.

Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng tử cao. Huỳnh quang của các hợp chất đất hiếm đã được nghiên cứu do tính chất quang vật lí hấp dẫn [5, 41, 42]. Do vậy, chúng có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, quang điện tử, quang tử, thông tin quang học và y sinh [43, 44].