Dual-Functional Ag@SiO2 Nanocubes for Biomarker Detection - Nguyen Minh Kha (NTUST)

Phát hiện biomarker là yếu tố then chốt trong chẩn đoán và theo dõi bệnh. Nhiều biomarker mới có nồng độ rất thấp. Công cụ chẩn đoán truyền thống thường gặp khó khăn. Chúng không đủ nhạy để phát hiện những biomarker này. Điều này hạn chế khả năng chẩn đoán sớm và chính xác. Do đó, cần có các phương pháp phát hiện biomarker siêu nhạy. Các phương pháp này cần cung cấp thông tin chi tiết về các dấu hiệu sinh học phức tạp. Đây là động lực thúc đẩy nghiên cứu công nghệ nano y sinh. Việc phát triển giải pháp mới là rất quan trọng.

Công nghệ plasmonics cung cấp nền tảng quang học siêu nhạy. Nó ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế và cảm biến hình ảnh sinh học. Hiệu ứng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) là cơ sở của công nghệ này. LSPR tạo ra các trường điện từ mạnh gần bề mặt kim loại. Điều này giúp tăng cường đáng kể tín hiệu quang học. Nanohạt kim loại, như bạc (Ag), là thành phần chính. Chúng tạo ra hiệu ứng plasmonic mạnh mẽ. Ứng dụng plasmonics mở ra tiềm năng lớn. Nó giúp phát hiện các phân tử ở nồng độ cực thấp. Đây là yếu tố quyết định sự thành công trong chẩn đoán.

Nền tảng chức năng kép kết hợp SERS và MEPL. SERS cung cấp dấu vân tay Raman đặc trưng của phân tử. MEPL tăng cường cường độ quang phát xạ. Sự kết hợp này mang lại hai loại thông tin bổ sung. Nó giúp xác định biomarker với độ chính xác cao hơn. Các nanohạt Ag@SiO2 đóng vai trò trung tâm. Chúng hoạt động như chất nền plasmonic. Cả hai cơ chế đều được tối ưu hóa đồng thời. Mục tiêu là đạt được độ nhạy và độ đặc hiệu tối đa. Nanomaterials chức năng kép này là một bước tiến lớn. Chúng hứa hẹn cải thiện khả năng phát hiện và phân tích.

Nanocubes bạc (Ag NCs) được tạo ra thông qua phương pháp polyol. Phương pháp này kiểm soát hình dạng và kích thước hạt hiệu quả. Sau đó, bề mặt Ag NCs được biến tính. Các tác nhân ghép nối được sử dụng. MPTMS và APTMS là những lựa chọn chính. Chúng tạo ra các nhóm chức năng trên bề mặt bạc. Điều này giúp tăng cường khả năng bám dính của silica. Sự biến tính bề mặt này rất quan trọng. Nó ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của nanohạt Ag@SiO2 cuối cùng. Quá trình này đảm bảo lớp vỏ silica bám chắc chắn và đồng đều.

Tác nhân ghép nối đóng vai trò quan trọng. Chúng điều khiển độ dày và độ đồng đều của lớp vỏ silica. Sự hiện diện của chúng làm thay đổi đáng kể hạt nhân Ag NCs. APTMS và MPTMS có cấu trúc khác nhau. Do đó, chúng tạo ra hiệu ứng khác nhau. APTMS được chứng minh là vượt trội hơn. Nó cải thiện đáng kể khả năng tăng cường SERS và MEPL. Việc lựa chọn tác nhân ghép nối phù hợp là rất quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang học của nanohạt Ag@SiO2. Đây là một yếu tố then chốt trong công nghệ nano y sinh.

Độ dày lớp vỏ silica có ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng plasmonic. Lớp vỏ silica siêu mỏng khoảng 1.5 nm mang lại hiệu quả cao. Nó giúp tăng cường cường độ SERS lên 3 lần. So với Ag NCs không có vỏ silica. Độ dày này tạo ra khoảng cách tối ưu. Nó cho phép tương tác mạnh mẽ giữa hạt nhân bạc và các phân tử đích. Đồng thời, lớp vỏ silica bảo vệ hạt nhân bạc. Nó cải thiện độ ổn định của nanohạt. Việc kiểm soát chính xác độ dày vỏ là cần thiết. Điều này đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các cảm biến sinh học.

SERS là kỹ thuật phân tích siêu nhạy. Nó cho phép phát hiện phân tử thông qua phổ Raman tăng cường. Nanohạt bạc tạo ra các 'điểm nóng' plasmonic. Các điểm nóng này tăng cường trường điện từ cục bộ. Lớp vỏ silica siêu mỏng (~1.5 nm) tối ưu hóa khoảng cách. Nó đưa phân tử đích vào vùng có trường điện từ mạnh nhất. Điều này dẫn đến sự tăng cường tín hiệu Raman lên nhiều bậc. Cụ thể, Ag@SiO2 NCs với vỏ silica siêu mỏng cho cường độ SERS cao hơn 3 lần. So với Ag NCs không vỏ silica. Lớp vỏ này cũng bảo vệ phân tử khỏi sự dập tắt. Điều này duy trì độ nhạy cao của cảm biến sinh học.

MEPL là hiện tượng tăng cường quang phát xạ của các phân tử gần bề mặt kim loại. Lớp vỏ silica trong nanohạt Ag@SiO2 đóng vai trò kép. Nó kiểm soát khoảng cách giữa phân tử phát sáng và bề mặt bạc. Đồng thời, nó ngăn chặn sự dập tắt quang phát xạ. Sự dập tắt này thường xảy ra khi phân tử quá gần kim loại. APTMS modified Ag@SiO2 NCs cho thấy sự tăng cường MEPL đáng kể. Điều này tạo điều kiện cho cả hai chức năng hoạt động hiệu quả. Việc tối ưu hóa lớp vỏ silica là yếu tố then chốt. Nó giúp đạt được hiệu quả MEPL cao. Nanohạt nhân-vỏ Ag@SiO2 là nền tảng lý tưởng cho cả SERS và MEPL.

Một trong những thách thức của cảm biến plasmonic là độ ổn định. Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng duy trì độ nhạy kép. Việc trộn Ag@SiO2 NCs với lớp vỏ silica dày ~1 nm. Phương pháp này giúp duy trì độ nhạy SERS và MEPL. Cả hai đều đạt ~90% sau 12 tuần lưu trữ. Điều này chứng tỏ tính ổn định vượt trội của nanohạt Ag@SiO2. Lớp vỏ silica đóng vai trò bảo vệ. Nó giảm thiểu sự oxy hóa và suy thoái của hạt nhân bạc. Độ ổn định này rất quan trọng. Nó cho phép ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán phân tử thực tế.

Chân đế là yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến. Các tính chất của chân đế, như chỉ số khúc xạ và độ nhám, rất quan trọng. Chúng có thể tối ưu hóa hoặc hạn chế tương tác plasmonic. Chân đế có chỉ số khúc xạ thấp giúp giảm tổn thất ánh sáng. Độ nhám bề mặt phù hợp tạo điều kiện cho sự ghép nối plasmon. Sự sắp xếp của nanohạt trên chân đế cũng đóng vai trò. Cấu hình cạnh-cạnh có thể tạo ra các điểm nóng hiệu quả. Việc lựa chọn và thiết kế chân đế phù hợp là cần thiết. Nó giúp tối đa hóa độ nhạy và hiệu quả của các cảm biến sinh học.

Một chân đế đặc biệt đã được phát triển. Nó là alumina hình hoa trên lá nhôm khắc (f-Al2O3/e-Al). Chất nền này có độ nhám bề mặt được kiểm soát. Nó tạo ra một bề mặt lý tưởng cho nanohạt Ag@SiO2. Nanohạt tự lắp ráp theo cấu hình cạnh-cạnh. Sự sắp xếp này tối ưu hóa sự tương tác plasmonic. Chân đế f-Al2O3/e-Al cung cấp một con đường hiệu quả. Nó giúp ánh sáng laser ghép nối vào các điểm nóng plasmon. Điều này tăng cường cả tín hiệu SERS và MEPL. Việc chế tạo chân đế này mở ra khả năng mới. Nó giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến plasmonic.

Chân đế Ag@SiO2/f-Al2O3/e-Al cho thấy độ ổn định được cải thiện. Lớp vỏ silica siêu mỏng đóng vai trò giảm tốc độ khuếch tán oxy. Lớp điện môi Al2O3 hình hoa cũng góp phần bảo vệ. Điều này kéo dài đáng kể thời gian sử dụng của chất nền. Khả năng bảo quản lâu dài là rất quan trọng. Nó giúp giảm chi phí và tăng tính thực tiễn của công nghệ. Độ ổn định cao làm cho cảm biến plasmonic trở nên đáng tin cậy hơn. Điều này là một ưu điểm lớn trong các ứng dụng chẩn đoán phân tử. Nó đảm bảo hiệu suất nhất quán theo thời gian.

Creatinine và FAD là các phân tử sinh học quan trọng. Chúng là biomarker cho nhiều tình trạng sức khỏe. Các kỹ thuật SERS và MEPL không cần gắn nhãn đã được áp dụng. Chúng cho phép phát hiện các biomarker này trong nước tiểu. Phát hiện trong nước tiểu là phương pháp không xâm lấn. Nó ít gây khó chịu cho bệnh nhân hơn so với mẫu máu. Khả năng phát hiện với độ nhạy cao giúp chẩn đoán sớm. Nó cũng giúp theo dõi hiệu quả điều trị. Đây là một bước tiến quan trọng. Nó làm cho chẩn đoán phân tử trở nên dễ tiếp cận hơn.

Các cách tiếp cận được phát triển có tiềm năng lớn. Chúng có thể trở thành công cụ mã hóa mạnh mẽ. Điều này hỗ trợ phân tích sinh học thông lượng cao. Phân tích thông lượng cao cho phép xử lý nhiều mẫu cùng lúc. Nó tăng tốc độ và hiệu quả của các nghiên cứu lâm sàng. Phát hiện biomarker không xâm lấn và chi phí thấp là mục tiêu chính. Công nghệ nano y sinh này mang lại cơ hội chẩn đoán sớm. Nó cải thiện kết quả điều trị cho bệnh nhân. Điều này góp phần vào sự phát triển của y học cá nhân hóa.