Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb3+ và Gd2O3:Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ LIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT 3+ 3+ LIỆU GdPO4:Tb VÀ Gd2O3:Eu ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số: 9.44.01.27 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2019
2. Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Thanh Hường Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Lê Quốc Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp cơ sở, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi giờ ’, ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm (RE-NP) nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu cả trong nước và trên thế 3+ 3+ giới. Đáng chú ý vật liệu GdPO4:Tb và Gd2O3:Eu đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau mà nổi bật là tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực MRI và nhận dạng đánh dấu huỳnh quang trong sinh học. Nhiều nhóm nghiên cứu trong nước tập trung vào việc chế tạo RE-NP làm các tác nhân đánh dấu và nhận dạng sinh học, tạo ra các công cụ đánh giá chất lượng các sinh phẩm, thực phẩm và các vắc xin. Tuy nhiên, đa số kết quả từ các nghiên cứu ứng dụng sinh học chủ yếu là công cụ một chức năng như vật liệu quang ứng dụng trong nhận dạng đánh dấu trong y sinh hoặc vật liệu từ ứng dụng trong nhiệt trị, MRI. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo một công cụ đa chức năng, đặc biệt là khả năng tích hợp chức năng quang và từ trên cùng một vật liệu nano nhằm nâng cao hiệu quả trong quy trình chẩn đoán – điều trị đang được quan tâm. Qua đó, các liệu trình trị liệu như sự dẫn thuốc hướng đích, hóa trị, nhiệt trị hay xạ trị sẽ được kết hợp với một hay nhiều chẩn đoán hình ảnh cả in vitro và in vivo. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác nhau như: ảnh cộng hưởng từ (MRI), đánh dấu huỳnh quang có thể gắn kết hợp với các tác nhân điều trị hay dẫn thuốc điều trị, thông qua hình ảnh kết hợp có thể kiểm soát, nhận biết các thông tin, cách thức và động lực học, quá trình nhằm tăng hiệu quả điều trị. Dựa trên các kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu và cập nhật tình hình trong nước và trên thế giới, luận án đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu là vật liệu huỳnh quang đất hiếm chứa ion kích hoạt
4. 2 Tb3+ và Eu3+ pha vào mạng nền là các hợp chất của Gadolini. Do các hợp chất của Gadolini vừa có tính chất quang vừa có tính chất từ, đáp ứng được mục đích tạo công cụ có hai chức năng quang - từ để ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị. Từ các vấn đề chưa được giải quyết trong và ngoài nước, nhóm nghiên cứu đã đặt mục tiêu của luận án là tổng hợp vật liệu có điều khiển với độ lặp lại về cấu trúc, hính thái học, phân tán bền trong nước và dịch sinh lý nhưng vẫn giữ được cường độ phát quang mạnh. Trên cơ sở đó, lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sỹ: “Nghiên cứu 3+ 3+ chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4:Tb và Gd2O3:Eu định hướng ứng dụng trong y sinh”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: 3+ - Chế tạo thành công vật liệu thanh nano GdPO4:Tb và quả cầu 3+ nano Gd2O3:Eu . 3+ 3+ - Bọc thanh nano GdPO4:Tb và quả cầu nano Gd2O3:Eu bằng vỏ silica, chức năng hóa với nhóm chức NH2, chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA để ứng dụng trong y sinh. - Bước đầu thử nghiệm ứng dụng phức hợp nano trên cơ sở thanh 3+ 3+ nano GdPO4:Tb và quả cầu nano Gd2O3:Eu sử dụng phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch nhằm xác định kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang và đánh dấu, nhận dạng kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Phần tổng quan về các khái niệm cơ bản, các tính chất đặc trưng của vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, vật liệu nano phát quang nền
5. 3 3+ 3+ GdPO4, Gd2O3 pha tạp Eu , Tb , các đối tượng định hướng ứng dụng trong y sinh. Tiếp theo là trình bày về các phương pháp thực nghiệm, các kết quả nghiên cứu, chế tạo, đo đạc, đánh giá, lý giải, so sánh và thảo luận, xác định điều kiện tối ưu tổng hợp vật liệu GdPO4, Gd2O3 pha tạp Eu3+, Tb3+. Khảo sát và xác định hiệu ứng đốt nhiệt cảm ứng từ của vật 3+ liệu GdPO4 và GdPO4:Tb . Chức năng hóa và liên hợp hóa, chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA. 3+ Cuối cùng, ứng dụng phức hợp nano của GdPO4:Tb phát hiện kháng 3+ nguyên nọc độc rắn hổ mang và phức hợp nano của Gd2O3:Eu phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. Phương pháp chế tạo vật liệu được sử dụng trong Luận án là phương pháp thủy nhiệt và tổng hợp hóa học nhiều bước. Hình thái học bề mặt, các đặc trưng cấu trúc, các tính chất quang tiến hành trên các thiết bị nghiên cứu hiện đại và chuyên dụng như hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), hệ đo quang iHR550, Acton SP2300i và Fluorolof FL3-2-2 Horiba (Mỹ). Tính chất từ được khảo sát bằng các phép đo từ độ phụ thuộc từ trường trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM). Phép đo đốt nóng cảm ứng từ được thực hiện trên hệ đo thương mại RDO-HFI (Viện KHVL). Thử nghiệm khả năng ứng dụng của vật liệu trong y sinh thực hiện tại phòng thí nghiệm Sinh học phân tử thuộc Học viện Quân Y. Những đóng góp mới của luận án: 3+ - Chế tạo thành công vật liệu nano GdPO4:Tb dạng thanh có chiều dài 300 - 500 nm, chiều rộng 10 - 30 nm bằng phương pháp thủy 3+ nhiệt và Gd2O3:Eu dạng cầu đường kính 145 - 155 nm bằng phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước.
6. 4 3+ 3+ - Đã bọc thanh nano GdPO4:Tb và quả cầu nano Gd2O3:Eu bằng vỏ silica, chức năng hóa với nhóm chức NH2 , chế tạo phức hợp nano gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA để phát hiện kháng nguyên nọc rắn hổ mang và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. - Đã khảo sát hiệu ứng đốt nhiệt cảm ứng từ của vật liệu GdPO4 và 3+ o GdPO4:Tb , với nhiệt độ đạt được trong khoảng 44 - 49 C ở từ trường 300 Oe, tần số 390 kHz trong thời gian 1500 giây. Kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp được có khả năng ứng dụng trong từ nhiệt trị. Luận án được chia thành 4 chương như sau: Chương 1: Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Các kết quả chế tạo vật liệu 3+ 3+ nano GdPO4:Tb và ứng dụng phức hợp nano của GdPO4:Tb phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang. Chương 4: Các kết quả chế 3+ tạo vật liệu nano Gd2O3:Eu và ứng dụng phức hợp nano của 3+ Gd2O3:Eu phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 7 công trình khoa học. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano phát quang 1.2. Vật liệu huỳnh quang chứa ion đất hiếm 1.2.1. Đặc tính phát quang của hợp chất đất hiếm 1.2.1.1. Một số đặc trưng của ion Gd3+ 1.2.1.2. Một số đặc trưng của ion Tb3+ 1.2.1.3. Một số đặc trưng của ion Eu2+, Eu3+
7. 5 1.2.2. Các chuyển dời cho phép trong các ion RE3+ 1.2.3. Quá trình truyền năng lượng (a) (b) Hình 1. 7. Sơ đồ truyền năng lượng của ion Gd3+ sang Tb3+(a), 3+ 3+ ion Gd sang Eu (b) 1.3. Tính chất đặc trưng và ứng dụng của vật liệu Gadolini 1.3.1. Vật liệu Gadolini 1.3.2. Vật liệu phát quang nền Gd2O3 1.3.3. Vật liệu nano phát quang nền GdPO4. 1.4. Đặc điểm tính chất của kháng nguyên nọc rắn và CEA 1.4.1. Đặc điểm của nọc rắn hổ mang Naja atra 1.4.2. Đặc điểm của kháng nguyên CEA ung thư đại trực tràng CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Các phương pháp hóa học chế tạo vật liệu 2.1.1. Phương pháp thủy nhiệt 2.1.1.1. Giới thiệu về phương pháp thủy nhiệt Tính chất của vật liệu có thể được điều chỉnh thông qua thay đổi các thông số sau: pH, nhiệt độ, tốc độ, thời gian của sự thủy phân, sự kết tinh ảnh hưởng hình thái học, độ lớn và tính chất của các sản phẩm cuối cùng.
8. 6 3+ Quy trình tổng hợp GdPO4:Tb 3+ Hình 2.4: Quy trình tổng hợp GdPO4: Tb 2.1.2 Phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước 2.1.2.1 Giới thiệu về phương pháp tổng hợp hóa học nhiều bước 3+ 2.1.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu Gd2O3:Eu 3+ Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp quả cầu nano Gd2O3: Eu 3+ 2.1.3. Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh GdPO4: Tb ; 3+ Gd2O3:Eu . 2.1.3.1. Phương pháp xử lý bề mặt 2.1.3.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang với phần tử hoạt động sinh học 3+ 2.1.3.3.Bọc vỏ vật liệu thanh nano GdPO4: Tb bằng Silica 3+ 2.1.3.4. Chức năng hóa thanh nano GdPO4:Tb @Silica bằng nhóm NH2
9. 7 Hình 2. 7. Sơ đồ thí nghiệm bọc và chức năng hóa bề mặt 3+ thanh nano GdPO4:Tb 3+ 2.1.3.5.Chế tạo phức hợp nano của GdPO4:Tb @Silica-NH2 với kháng thể kháng nọc rắn (IgG) Hình 2. 8. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách 3+ gắn kết GdPO4:Tb @silica-NH2 với kháng thể kháng nọc rắn (IgG) 3+ 2.1.3.6. Bọc vỏ vật liệu Gd2O3:Eu bằng silica 3+ 2.1.3.7. Chức năng hóa vật liệu Gd2O3:Eu @Silica bằng nhóm NH2 3+ Hình 2.9. Sơ đồ bọc Gd2O3:Eu bằng Silica và gắn nhóm NH2
10. 8 3+ 2.1.3.8. Chế tạo phức hợp nano của Gd2O3:Eu @Silica-NH2 với kháng thể kháng CEA. Hình 2. 10. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách 3+ gắn kết Gd2O3:Eu @silica-NH2 với kháng thể kháng CEA (IgG) 2.2. Các phương pháp phân tích vật liệu CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3+ 3+ GdPO4:Tb VÀ ỨNG DỤNG PHỨC HỢP NANO GdPO4:Tb PHÁT HIỆN KHÁNG NGUYÊN NỌC ĐỘC RẮN HỔ MANG 3.1. Các kết quả phân tích cấu trúc, hình thái, tính chất quang, từ của vật liệu 3.1.1. Kết quả phân tích FESEM 3.1.1.1 Ảnh FESEM của vật liệu GdPO4 3+ 3.1.1.2. Ảnh FESEM của vật liệu GdPO4: Tb Hình 3.2 cho thấy vật liệu thu được có dạng thanh nano chiều dài 300-500nm, chiều rộng 10-30 nm. Với tỷ lệ [Tb3+]/[Gd3+] là 7 % ảnh FESEM thu được có dạng thanh đồng đều nhất, không bị co cụm thành bó.
11. 9 3+ Hình 3. 2. Ảnh FESEM của vật liệu GdPO4:Tb với các tỷ lệ [Tb3+]/[Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9 % 3+ 3.1.2. Kết quả phân tích TEM của vật liệu GdPO4:Tb @silica 3+ Hình 3. 3. Ảnh TEM của vật liệu GdPO4:Tb sau khi bọc silica 3.1.3. Kết quả nhiễu xạ tia X 3+ Hình 3. 4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu GdPO4, GdPO4:Tb Hình 3.4 cho thấy hầu hết các đỉnh nhiễu xạ của vật liệu là đơn pha với cấu trúc tetragonal kiểu rhabdophane và các đỉnh đặc trưng phù hợp với thẻ chuẩn 98-004-3396 của Gadolinium phosphate. 3.1.4. Tính chất huỳnh quang 3.1.4.1. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4 3+ 3.1.4.2. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4:Tb Hình 3.6 chỉ ra các đỉnh hấp thụ 272 và 275 nm tương ứng với
12. 10 dịch chuyển 8S – 6I, đây cũng là vùng hấp thụ mạnh của Gd3+, đỉnh hấp thụ 305 và 310 nm tương ứng với dịch chuyển 8S – 6P là các đỉnh hấp thụ đặc trưng của Gd3+. Các dải kích thích tại các bước sóng 350, 367 và 377 nm có nguồn gốc từ các ion Tb3+ tương ứng với các chuyển dời điện tử f-f giữa các mức năng lượng thuộc cấu hình 4f. 3+ Hình 3.7 là các mẫu GdPO4:Tb (0- 9%) phát xạ ánh sáng xanh 3+ 5 7 với các chuyển dời đặc trưng của Tb : D4→ FJ (J = 6, 5, 4, 3). Ở 5 7 bước sóng 488, 543, 586 và 620 nm ứng với các chuyển dời D4→ F6, 5 7 5 7 5 7 3+ D4→ F5, D4→ F4 và D4→ F3 của Tb với dải phát xạ mạnh nhất ở bước sóng 543 nm. Hình 3. 6. Phổ PLE các mẫu Hình 3.7. Phổ PL của vật liệu 3+ 3+ GdPO4:Tb (0- 9%) GdPO4:Tb các tỷ lệ 0, 1, 3, 5, 7, 9 % kích thích bước sóng 272 nm 3+ 3.1.4.4. Phổ huỳnh quang của vật liệu GdPO4:Tb khi bọc silica, gắn nhóm chức amin và kháng thể IgG Cường độ phát quang của các mẫu giảm dần theo các bước sau khi chức năng hóa vật liệu, gắn kết với nhóm amin và IgG. Tuy nhiên cường độ phát quang không giảm nhiều sau bước cuối cùng gắn kết với IgG, đây là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vật liệu này trong phát hiện nhanh kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang.
13. 11 3+ 3+ Hình 3. 8. Phổ PL của vật liệu GdPO4:Tb (1), GdPO4:Tb @silica 3+ 3+ (2), GdPO4:Tb @silica –NH2 (3), GdPO4:Tb @silica –NH2-IgG (4) 3.1.5. Phổ hồng ngoại 3+ 3+ Hình 3.9. Phổ hồng ngoại của GdPO4:Tb (a), GdPO4:Tb @silica (b) 3+ 3+ GdPO4:Tb @silica-NH2 (c) và GdPO4:Tb @silica-NH2-IgG (d) Hình 3.9 cho thấy liên kết C-H tương ứng với số sóng gần 1400 -1 -1 cm , liên kết O-H của H2O tương ứng với số sóng trên 3500 cm và khoảng 1600 cm-1, dao động 1043, 622 và 545 cm-1 là các dao động 3- -1 đặc trưng của PO4 . Liên kết O-Si-O gần số sóng 1100-900 cm của đường (2), (3) và (4) trong hình 3.8 chứng tỏ đã bọc silica thành công. Liên kết N-H tương ứng với số sóng 3300-3500 cm-1 và 1590-1620 cm-1. Các kết quả này cho thấy các mẫu chế tạo đã được chức năng hóa bề mặt bằng các nhóm NH2. 3+ 3.1.6. Tính chất từ của hệ vật liệu GdPO4, GdPO4:Tb Từ hình 3.10 có thể thấy từ độ của vật liệu GdPO4 đạt giá trị cao
14. 12 nhất là 1,7 emu/g so với một số nhóm trên thế giới đã ứng dụng thành công trong tương phản MRI thì từ độ này cao gấp 2 lần so với nhóm L. Zhang và tương đương với nhóm của Xianzhu Xu và các cộng sự. Các mẫu khi pha thêm Tb3+ giá trị từ độ bị giảm đi, tuy nhiên với mẫu 3+ vật liệu có giá trị từ độ thấp nhất là GdPO4:9%Tb từ độ đạt 0,8 emu/g tương đương giá trị từ độ của nhóm tác giả L. Zhang. Vì vậy, mẫu vật 3+ liệu GdPO4:Tb hoàn toàn có thể ứng dụng vào tăng độ tương phản cộng hưởng từ MRI. Hình 3. 10. Đường cong từ độ Hình 3. 11. Đường cong đốt 3+ của vật liệu GdPO4:Tb với các nhiệt cảm ứng từ vật liệu 3+ 3+ 3+ tỷ lệ [Tb ]/[Gd ] là 0, 1, 3, 5, 7, GdPO4:Tb với các tỷ lệ 9% [Tb3+]/[Gd3+] là 0, 1, 3, 5, 7, 9% Các kết quả thu được ở hình 3.10 cho thấy các mẫu đạt nhiệt độ trong khoảng 42 – 49 oC (là khoảng nhiệt độ lý tưởng có thể tiêu diệt được tế bào ung thư). Từ các kết quả này có thể khẳng định các hệ vật liệu này có từ tính và có khả năng sử dụng trong đốt nhiệt trị liệu. 3+ 3.2. Ứng dụng của vật liệu GdPO4:Tb trong phát hiện kháng nguyên nọc rắn Naja atra Thí nghiệm phát hiện kháng nguyên nọc rắn của phức hợp nano 3+ GdPO4:Tb @silica-NH2-IgG được chỉ ra trong hình 3.12.
15. 13 Hình 3. 12. Sơ đồ quá trình phát hiện kháng nguyên nọc rắn bằng 3+ phức hợp nano huỳnh quang Gd2O3:Tb @silica-NH2-IgG 1. Gắn kháng nguyên nọc rắn lên giếng 6 đĩa. Đồng thời gắn phức hợp nano lên đĩa. 2. Ủ phức hợp nano đã gắn kháng thể kháng nọc rắn với kháng nguyên nọc rắn . 3. Sau khi rửa chỉ còn lại phức hợp nano có gắn kháng thể gắn với kháng nguyên nọc rắn. 4. Với nguồn kích thích tại bước sóng 405 nm, phức hợp nano phát quang màu xanh. 3.2.1. Đánh giá kết quả gắn vật liệu nano-kháng thể IgG dựa trên quang phổ hồng ngoại Đường (a) trong hình 3.13 chỉ ra dao động ở 3459 cm−1 tương ứng với liên kết O-H, liên kết N-H ở dao động 2078 cm−1. Từ bước sóng 1639 cm−1 đến 1442 cm−1 là đỉnh dao động của liên kết C=O (amide), và liên kết N-H uốn trong nhóm amine bậc nhất của nhóm carbonyl (C-N). Đường (b) cho thấy đỉnh ở 1389cm-1 chỉ ra sự hình thành liên kết C - N thông qua phản ứng của nhóm aldehyd (O = C - H) của liên kết GDA với NH2 của IgG. Do đó, có khẳng định sự kết hợp giữa các thanh nano phát quang với các kháng thể chống nọc độc đã được hình thành.
16. 14 Hình 3. 13. Phổ hồng ngoại của mẫu kháng thể IgG trước và sau khi gắn vật liệu phát quang 3+ 3.2.2. Đánh giá khả năng của phức hợp GdPO4:Tb @silica-NH2- IgG trong phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang Naja atra (a) (b) (c) Hình 3. 14. Hình ảnh của kháng nguyên nọc rắn Naja atra dưới ánh sáng nhìn thấy (a); Kháng nguyên Naja atra kết hợp với vật liệu nano quan sát với ánh sáng nhìn thấy (b); Kháng nguyên Naja atra kết hợp với vật liệu nano quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang bước sóng 405nm, độ phóng đại 40x, thị kính 10x (c) Các kết quả hình 3.14a, 3.14b cho thấy khi các giếng chỉ có kháng nguyên nọc rắn và kháng nguyên nọc rắn kết hợp với vật liệu nano chiếu dưới ánh sáng nhìn thấy thì không phát quang màu xanh. Trong khi đó giếng được ủ vật liệu phát quang nano gắn với kháng nguyên nọc rắn (3.14c) khi chiếu ánh sáng bước sóng 405nm thì phát quang màu xanh, điều này chứng tỏ đã có sự gắn kết giữa vật liệu phát quang gắn IgG và kháng nguyên, sau quá trình rửa phức hợp nano vẫn giữ được liên kết bền vững với kháng nguyên thông qua phản ứng miễn
17. 15 dịch của kháng nguyên và kháng thể. Trên cơ sở những kết quả này, có thể kết luận rằng phức hợp nano có khả năng phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang Naja atra, quá trình thử nghiệm này có thể rút ngắn thời gian cần thiết để chẩn đoán sớm và cải thiện hiệu quả điều trị do đó có thể hỗ trợ điều trị sớm vết cắn của rắn. CHƯƠNG IV: CÁC KẾT QUẢ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 3+ 3+ Gd2O3:Eu VÀ ỨNG DỤNG PHỨC HỢP NANO CỦA Gd2O3:Eu PHÁT HIỆN KHÁNG NGUYÊN CEA CỦA TẾ BÀO UNG THƯ ĐẠI TRỰC TRÀNG 4.1. Các kết quả phân tích cấu trúc, hình thái, tính chất quang, từ của vật liệu 4.1.1. Kết quả đo FESEM 3+ • Ảnh FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O:Eu theo tỷ lệ [Urê]/ [Gd3++ Eu3+] khác nhau 3+ Hình 4.1. FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O:Eu với tỷ lệ [Urê]/[Gd3+ + Eu3+] là 20 (a), 25 (b), 30 (c), 35 (d), 40 (e) Dựa vào hình ảnh FESEM thu được ở hình 4.1 có thể thấy rằng sản phẩm thu được là các quả cầu nano, khi tăng dần tỷ lệ nồng độ [Urê]/ [Gd3+ + Eu3+] đường kính quả cầu tăng. Với tỷ lệ nồng độ [Urê]/[Gd3+ + Eu3+] lần lượt là 20, 25, 30, 35, 40 đường kính quả cầu trung bình tương ứng là 140, 190, 210, 240 và 270nm. Sản phẩm quả
18. 16 cầu nano thu được đồng đều nhất ở tỷ lệ [Urê]/[Gd3+ + Eu3+] là 25, vì 3+ vậy tỷ lệ này được lựa chọn để tổng hợp Gd2O3 pha tạp Eu với các nồng độ Eu3+/ Gd3+ là 3,5; 5; 6; 7; 7,5 và 8%. 3+ o • Ảnh FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O: Eu khi sấy ở 70 C 3+ Hình 4.3. FESEM của vật liệu Gd(OH)CO3.H2O:Eu khi sấy ở nhiệt độ 70oC tỷ lệ [Urê]/[Gd3++Eu3+] là 0 (a); 3,5(b); 5(c); 6(d); 7(e); 7.5(f); 8%(g) Như chỉ ra trong hình 4.3, khi không pha tạp Eu3+ sản phẩm thu được là những quả cầu nano khá đồng đều với đường kính khoảng 157-173nm (hình 4.3a). Khi pha tạp Eu3+ với các tỷ lệ nồng độ mol khác nhau Eu3+/Gd3+ là 3,5; 5; 6; 7; 7,5; 8% sản phẩm là các quả cầu đồng đều, với đường kính từ 100-230nm. Phân tích sơ bộ các kết quả đo FESEM có thể nhận thấy với nồng độ Eu3+ pha tạp là 6% thu được các quả cầu nano đồng đều nhất đường kính 185-195nm, tỷ lệ nồng độ này sẽ được lựa chọn cho các thí nghiệm bọc vỏ silica tiếp theo. 4.1.2. Kết quả đo TGA của vật liệu Từ hình 4.4 ta thấy: giai đoạn 1: 25-200oC giảm 5,79% khối lượng do bay hơi phân tử nước. Giai đoạn 2: 200-380oC giảm 8,13% khối lượng do phân hủy các nhóm hydroxy (OH). Giai đoạn 3: 380- 550oC giảm 15,21% khối lượng do các nhóm cacbonat bị phân hủy. Giai đoạn 4: 550-1000oC giảm 28,49% khối lượng do các nhóm
19. 17 cacbonat bị phân hủy. Cả 4 giai đoạn đều có những điểm thu nhiệt mạnh của vật liệu tại các nhiệt độ 170, 319, 427 và 609oC. Đây có thể xem là các điểm chuyển pha của vật liệu và trên cơ sở kết quả đo TGA sẽ lựa chọn được nhiệt độ xử lý mẫu phù hợp nhằm thu được vật liệu có cấu trúc pha bền vững. Chính vì vậy chúng tôi lựa chọn nhiệt độ xử lý mẫu là 650oC, ở nhiệt độ này sản phẩm vật liệu thu được sẽ là 3+ Gd2O3:Eu . 3+ Hình 4. 4. Phổ TG và DTG của Gd(OH)CO3.H2O:Eu 3+ o Hình 4.5. FESEM của vật liệu Gd2O3:Eu khi ủ ở nhiệt độ 650 C với 3+ 3+ tỷ lệ [Eu ]/[Gd ] là 0 (a); 3,5(b); 5(c); 6(d); 7(e); 7.5(f); 8%(g) Hình 4.5 cho thấy đường kính quả cầu Gd2O3 (a) sau khi ủ ở 650oC có đường kính khoảng 104-130nm, đối với mẫu 3,5%Eu3+ (b) đường kính quả cầu nằm trong khoảng khoảng 105-143nm, 5%Eu3+(c)
20. 18 đường kính quả cầu khoảng 117-130nm, 6%Eu3+(d) đường kính quả cầu khoảng 145 -155nm, 7%Eu3+(e)đường kính quả cầu khoảng 136- 150nm, 7,5%Eu3+(f) đường kính quả cầu khoảng 99-130nm, 8%Eu3+ 3+ (g) đường kính quả cầu khoảng 176-200nm. Với tỷ lệ Gd2O3: 6%Eu đường kính quả cầu đồng đều nhất. 3+ 4.1.3. Kết quả đo TEM của vật liệu Gd2O3: 6%Eu Hình 4.6 cho thấy quả cầu được tổng hợp đồng đều, có đường kính khoảng 145-155nm kết quả này giống với kết quả đo FESEM (hình 4.6a). Đường kính quả cầu tăng lên đáng kể sau khi bọc silica khoảng 155-165nm, qua hình ảnh có thể nhìn thấy rõ lớp bọc silica bên ngoài quả cầu (hình 4.6b). 3+ Hình 4.6. Ảnh TEM của Gd2O3: 6%Eu (a) 3+ và Gd2O3: 6%Eu @silica (b). 4.1.4. Kết quả đo nhiễu xạ tia X của vật liệu 3+ Mẫu Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu gần như vô định hình khi ủ ở 200oC. Khi ủ ở 650oC, kết quả cho thấy tất cả các đỉnh có thể quan sát được ở 2θ: 28,70; 33,10; 47,60; 56,40; và 59.10º chính xác với thẻ chuẩn (JCPDS số 110604), tinh thể của vật liệu có pha cubic.
21. 19 3+ Hình 4. 8. Giản đồ nhiễu xạ XRD (a) Gd(OH)CO3.H2O:6%Eu tại 200oC và 650oC 4.1.5. Phân tích EDX của vật liệu Qua phân tích phổ EDX ta thấy mẫu gồm các phần tử hóa học là Gd, O, Eu chứng tỏ không có tạp chất. Kết quả EDX của vật liệu 3+ Gd2O3: Eu @silica, qua phân tích ta thấy với mẫu bọc Silica ngoài các nguyên tử Gd, O, Eu mẫu có thêm nguyên tử Si, thành phần của lớp vỏ silica, điều này chứng tỏ mẫu không có tạp chất nào khác. 4.1.6. Phổ hồng ngoại của vật liệu 3+ Hình 4. 11. Phổ hồng ngoại của vật liệu (a) Gd2O3:6%Eu ; 3+ (b) Gd2O3:6%Eu @Silica. 3+ Hình 4.11 là phổ hồng ngoại của vật liệu Gd2O3:6%Eu nung ở 650oC bọc và không bọc silica. Hình 4.11a cho thấy vùng hấp thụ đặc trưng của Gd2O3 được thể hiện ở liên kết 415,49; 449.66 và 542.9 cm-1. Dao động 543 cm-1 có thể được gán cho dao động căng
22. 20 của Gd-O, điều này xác nhận sự hình thành của Gd2O3. Vùng hấp thụ mạnh 3446 và 1634 cm-1 là liên kết đặc trưng của nhóm hydroxyl (OH) và nước hydrat hóa trong cấu trúc. Hình 4.11b là phổ hồng ngoại của 3+ -1 vật liệu Gd2O3:6%Eu @silica, vùng 1050 – 1250 cm và 650 – 800 cm-1 là dao động đặc trưng của liên kết OH và Si-O-Si. Kết hợp kết quả phân tích EDX và FTIR có thể khẳng định đã bọc được lớp silica ở vỏ ngoài của quả cầu nano. 4.1.7. Nghiên cứu tính chất quang 3+ Hình 4.12 thể hiện phổ PLE của mẫu Gd2O3:6%Eu được quan sát ở bước sóng phát xạ 611nm. 3+ Hình 4. 12. Phổ kích thích huỳnh quang của vật liệu Gd2O3:6%Eu Qua hình 4.12 nhận thấy dải hấp thụ mạnh tại bước sóng 266nm là do chuyển dời điện tử truyền điện tích (CTB) giữa Eu3+- O2-, đỉnh hấp thụ yếu 272, 275 nm tương ứng với dịch chuyển 8S – 6I, đỉnh hấp thụ 305 và 310 nm tương ứng với dịch chuyển 8S – 6P là các đỉnh hấp thụ đặc trưng của Gd3+. Các dải kích thích tại các bước sóng 394, 467 và 534 nm có nguồn gốc từ các tâm Eu3+ tương ứng với các chuyển dời điện tử f-f giữa các mức năng lượng thuộc cấu hình 4f6 của Eu3+. Hình 4.13 thể hiện phổ phát quang của vật liệu Gd2O3:X%Eu(X=3,5; 5; 6; 7; 8%) kích thích ở bước sóng 270 nm, đỉnh phát xạ mạnh ở bước sóng 611 nm tương ứng với chuyển dời của
23. 21 3+ 5 7 ion Eu từ Do → F2. Các đỉnh khác ở 590, 625, 650 và 705 nm có 5 7 cường độ thấp hơn và chúng tương ứng với các chuyển dời D0 → F1; 5 7 5 7 5 7 D0 → F2; D0 → F3; D0 → F4. Hình 4. 13. Phổ PL của vật liệu Gd2O3:X%Eu (X=3,5; 5; 6; 7; 8 %) Hình 4.14. Phổ PL Gd2O3:6%Eu@silica 1 lớp, 2 lớp, 3 lớp 3+ Hình 4.14 là phổ phát quang của Gd2O3:6%Eu bọc lớp vỏ silica ở độ dày khác nhau. Đầu tiên, vật liệu ủ ở 650oC sau đó bọc silica và sấy khô ở 70oC. Khi bọc silica tại dải phát xạ từ 611 đến 621nm thuộc 5 7 dịch chuyển D0 – F2 xảy ra sự tương tác trên quỹ đạo, trường tinh thể gây suy biến mức năng lượng làm tách vạch. Khi vật liệu được bọc 1 5 7 lớp silica xảy ra tách vạch tối đa trong dải phát xạ D0 – F2 do ở đối xứng trường tinh thể thấp. Khi bọc 2 lớp, 3 lớp ở đối xứng trường tinh thể cao tách vạch ít hơn. Khi trường tinh thể lớn năng lượng trung bình lệch về phía năng lượng cao do vậy đỉnh phát xạ 621nm tăng lên với độ dày silica tăng lên.
24. 22 3+ 4.2. Kết hợp vật liệu nano phát quang Gd2O3:Eu @Silica-NH2 với kháng thể đặc hiệu IgG phát hiện CEA 4.2.1. Đánh giá khả năng phát hiện kháng nguyên CEA tinh khiết bằng phức hợp nano. Hình 4.16. Sơ đồ quá trình phát hiện CEA bằng phức hợp nano 3+ huỳnh quang Gd2O3:Eu @Silica-NH2-IgG (a) (b) (c) (d) Hình 4. 17. Ảnh hiển vi huỳnh quang của các mẫu: ĐC1(a), đĩa 3(b), đĩa 4(c), đĩa 5(d) soi dưới kính hiển vi huỳnh quang bước sóng 405nm độ phóng đại 40x, thị kính 10x. Hình ảnh để phát hiện kháng nguyên CEA bằng phức hợp nano 3+ Gd2O3:Eu @silica-NH2-IgG được quan sát qua kính hiển vi huỳnh quang với độ phóng đại 40x, thị kính 10x (hình 4.17). Các thấy kết quả cho thấy: ở mẫu đối chứng 1 (hình 4.17a) chỉ cho hình ảnh của CEA tinh khiết không phát sáng màu đỏ. Đĩa đối chứng 2 không ghi nhận được hình ảnh do mẫu phức hợp nano bị mất đi trong quá trình rửa. Đối với các đĩa 3, 4 và 5 khi nồng độ phức hợp nano tăng dần từ 3 - 10mg/ml (hình 4.17b, c, d) có thể dễ dàng quan sát các điểm phát quang màu đỏ tăng dần, hình ảnh quan sát rõ nhất ở nồng độ phức hợp nano 10mg/ml. Điều này cho thấy đã xảy ra phản ứng miễn dịch huỳnh quang giữa phức hợp nano và kháng nguyên CEA.
25. 23 4.2.2.2. Đánh giá khả năng phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 bằng phức hợp nano Sau khi đánh giá kết quả phát hiện kháng nguyên CEA tinh khiết, thực hiện thí nghiệm trên tế bào ung thư đại trực tràng HT-29 có chứa kháng nguyên CEA. (a) (b) (c) (d) Hình 4. 18. Ảnh hiển vi huỳnh quang của các mẫu ĐC1 (a), đĩa 3 (b), đĩa 4 (c), đĩa 5 (d), soi dưới kính hiển vi huỳnh quang bước sóng 405nm, độ phóng đại 40x, thị kính 10x Các kết quả thu được cho thấy với đĩa đối chứng 1 (hình 4.18a) thu được hình ảnh chỉ có tế bào chứa kháng nguyên CEA không phát quang màu đỏ. Đĩa đối chứng 2 không quan sát được hình ảnh do các phần tử bị trôi không được gắn kết trong quá trình rửa. Đối với các đĩa 3, 4 và 5 (hình 4.18 b, c, d) tương ứng với các thể tích của phức hợp nano là 50µl (b), 75µl (c), 100µl (d) nồng độ 0,1g/ml ghi nhận được hình ảnh phát quang màu đậm dần theo thể tích của phức hợp nano tăng dần. Điều này chứng tỏ đã có gắn kết giữa phức hợp nano với kháng nguyên CEA của tế bào ung thư. Như vậy, có thể ứng dụng phức hợp nano này để phát hiện kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng.
26. 24 KẾT LUẬN Từ những kết quả nghiên cứu đạt được của luận án, chúng tôi rút ra những kết luận chính sau: 3+ 1. Đã chế tạo thành công vật liệu thanh nano GdPO4:7%Tb bằng phương pháp thủy nhiệt với kích thước chiều dài 300-500nm, chiều rộng 10-30nm, đơn pha với cấu trúc tetragonal kiểu rhabdophane. Đã khảo sát và xác định hiệu ứng đốt từ cảm ứng nhiệt của vật liệu 3+ GdPO4 và GdPO4:Tb trong dung dịch nước, tăng nhiệt lên 44 - 49oC, trong từ trường 20kOe thời gian 1500 giây. Đã chế tạo thành 3+ công quả cầu nano Gd2O3:6%Eu bằng phương pháp hóa học nhiều bước đường kính 145 - 155nm với độ đồng cao trên 95%. 3+ 2. Đã bọc lớp vỏ thanh nano GdPO4:7%Tb và quả cầu nano 3+ Gd2O3:6%Eu bằng vỏ silica, chức năng hóa với nhóm chức NH2, gắn với kháng thể kháng nọc rắn và kháng thể kháng CEA. 3. Đã tiến hành thử nghiệm sử dụng phức hợp nano 3+ GdPO4:7%Tb @silica-NH2-IgG vào việc phát hiện kháng nguyên nọc độc rắn hổ mang và thử nghiệm phức hợp nano 3+ Gd2O3:6%Eu @silica-NH2-IgG phát hiện kháng nguyên CEA tinh khiết và kháng nguyên CEA của tế bào ung thư đại trực tràng. Các kết quả đạt được cho thấy hệ vật liệu thanh hoặc quả cầu 3+ 3+ nano trên cơ sở GdPO4:7%Tb và Gd2O3:6%Eu có thể ứng dụng chế tạo các cấu trúc photonic, hiển thị, bảo mật, hiển thị huỳnh quang, đốt nhiệt từ trong sinh y học góp phần vào việc chẩn đoán sớm, nâng cao hiệu quả điều trị bệnh.
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Pham Thi Lien, Vu Duc Tu, Lai Ngoc Diep, Nguyen Thanh Huong, Hoang Thi Khuyen, Nguyen Thi Ngoc Anh, Vu Xuan Nghia, Tran Kim Anh, Robert 3+ Tomala and Le Quoc Minh, Characterization of Gd2O3: Eu nanocomplexes conjugate with IgG for the indentification of CEA tumor cell, Materials Transactions, 2020, Vol.61, No.8 Issue, 1575-1579. 2. Pham Thi Lien, Nguyen Thanh Huong , Tran Thu Huong, Hoang Thi Khuyen,Nguyen Thi Ngoc Anh, Nguyen Duc Van, Nguyen Ngoc Tuan, Vu Xuan Nghia, and Le Quoc Minh, Optimization of Tb3+/Gd3+ Molar Ratio for Rapid Detection of Naja Atra Cobra Venom by Immunoglobulin G- 3+ Conjugated GdPO4.nH2O:Tb Nanorods, Hindawi, Journal of Nanomaterial, Volume 2019, Article ID 3858439, 8 pages. 3. Tran Kim Anh, Nguyen Thanh Huong, Pham Thi Lien, Do Khanh Tung, Vu Duc Tu, Nguyen Duc Van, Wieslaw Strek, Le Quoc Minh Great enhancement of monodispersity and luminescent properties of Gd2O3:Eu and Gd2O3:Eu@Silica nanospheres, Materials Science & Engineering B 241 (2019) 1–8. 4. Nguyen Thanh Huong, Nguyen Manh Hung, Pham Thi Lien, Nguyen Duc Van, Pham Hong Nam, Nguyen Thanh Binh and Le Quoc Minh, Fabrication and Characterization of Luminescent Magnetic Bifunctional Nanocomposite Based on TbPO4⋅H2O Nanowires and Fe3O4 Nanoparticles, Journal of Electrotric Materials, Vol. 45(7), 2016, 3646-3650. 5. Nguyen Thanh Huong, Pham Thi Lien, Nguyen Manh Hung, Nguyen Duc Van, Tran Thi Thuy, Nguyen Thanh Binh and Le Quoc Minh, Conjugation of TbPO4.H2O-based nanawises with immunoglobulin G for bioimaging, Journal of Electrotric Materials, Vol. 45(5), 2016, 2463-2467. 6. Phạm Thị Liên, Nguyễn Thanh Hường, Hoàng Thị Khuyên, Trần Thu Hương, Lê Quốc Minh, Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phốt phát chứa đất hiếm (Tb3+) dạng thanh tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng khuôn mềm diethylene glycol, Tạp chí Hóa học, 57(4e12), 2019, 172- 175. 7. Phạm Thị Liên, Lê Thị Thùy Linh, Bùi Kỳ Anh, Dương Thu Hà, Nguyễn Thanh Hường, Vũ Xuân Nghĩa, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh, Nghiên cứu 3+ chế tạo vật liệu nano phát quang Gd2O3:Eu liên hợp với kháng thể IgG nhằm ứng dụng phát hiện sớm carcinoembryonic antigen (CEA) bằng phương pháp xét nghiệm in vitro, Tạp chí Hóa học, 55(3e12), 2018, 317-320.