(LUẬN văn THẠC sĩ) tổng hợp các hạt nano từ tính với các lớp kháng thể trên bề mặt ứng dụng trong chẩn đoán bệnh truyền nhiễm

TỔNG QUAN

Tổng quan về hạt nano từ

Mọi vật liệu từ đều phản ứng với từ trường bên ngoài, điều này được thể hiện qua độ từ hóa (M) Tỷ số χ = M/H được gọi là độ cảm từ, và dựa vào giá trị của độ cảm từ, các vật liệu từ có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

Vật liệu có độ từ tính χ nhỏ hơn 0 (khoảng –10^–6) được gọi là vật liệu nghịch từ, trong khi vật liệu có độ từ tính χ lớn hơn 0 (khoảng –10^–6) được gọi là vật liệu thuận từ Đặc biệt, những vật liệu có χ lớn hơn 0 với giá trị rất cao có thể được phân loại là vật liệu sắt từ.

Ngoài độ cảm từ, các thông số như từ độ bão hòa, từ dư và lực kháng từ cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất vật liệu Khi kích thước hạt giảm xuống vài chục nanomét, tính sắt từ biến mất và vật liệu chuyển thành siêu thuận từ, với từ dư và lực kháng từ bằng không Đặc điểm này rất quan trọng cho ứng dụng y sinh học, nơi hạt nano từ cần đáp ứng ba điều kiện: tính đồng nhất cao, độ bão hòa từ lớn và tính tương hợp sinh học, tức là không có độc tính.

Tính đồng nhất kích thước hạt nano phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, trong khi độ bão hòa từ và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất vật liệu Sắt (Fe) là vật liệu có độ bão hòa từ cao nhất ở nhiệt độ phòng và ổn định trong môi trường không khí, do đó, oxit sắt được nghiên cứu rộng rãi như một loại hạt nano từ tính.

1.1.2 Tính chất của hạt nano oxit sắt từ

1.1.2.1 Tính chất vật liệu nano

Vật liệu nano từ có những tính chất đặc biệt nhờ kích thước của chúng tương đương với kích thước tới hạn, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong các tính chất vật lý và hóa học Một số đặc trưng nổi bật của vật liệu nano từ bao gồm

- Độ cứng rất cao: các nhà nghiên cứu cho rằng độ cứng tăng lên là do hai yếu tố:

+ Do hiệu ứng kích thước nano hạn chế sự lan truyền của các sai lệch mạng trong vật liệu (làm cho vật liệu bị yếu đi)

+ Do hiệu ứng giam hãm lƣợng làm tăng độ cứng riêng của các hạt tinh thể

- Diện tích bề mặt lớn nhờ kích thước ở mức độ nano

- Tính siêu thuận từ hoặc tính thuận từ tùy vào kích thước của vật liệu nano

Hạt nano từ tính được chế tạo từ nhiều nguyên liệu khác nhau, bao gồm kim loại đơn chất như Co, Ni, Fe và hợp kim như Pt/Fe, Co-Sm Với kích thước nano (thường nhỏ hơn 10 nm), các hạt này hoạt động như những vùng từ (đô-men) và dưới nhiệt độ Curie, dao động nhiệt có đủ năng lượng để phá vỡ mô-men từ Tính chất của chúng tương tự như vật liệu thuận từ, nhưng khác ở chỗ vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetism) có mô-men từ của từng đô-men Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ bao gồm khả năng phản ứng từ mạnh mẽ và không còn từ tính khi không có từ trường bên ngoài.

- Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Không có hiện tƣợng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ bằng 0

Hình 1.1 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ

Hạt nano từ tính trong y sinh học chủ yếu được chế tạo từ sắt hoặc oxit sắt, nhờ tính tương thích sinh học và an toàn cho cơ thể ở hàm lượng thấp Hạt oxit sắt từ và nano từ với cấu trúc Fe/FexOy được sử dụng phổ biến do lớp oxit bảo vệ hạt khỏi ăn mòn Lớp hydroxit (–OH) hình thành từ phản ứng của các ion Fe n+ (n = 2,3) với phân tử H2O xung quanh, giúp hạt dễ dàng thực hiện các phản ứng gắn kết với các hoạt chất sinh học như protein, DNA, RNA một cách hiệu quả.

Tỷ lệ diện tích bề mặt và thể tích (S/V) lớn của các hạt nano là một yếu tố quan trọng, giúp chúng trở thành công cụ hiệu quả trong việc trích ly các hợp chất sinh học với hàm lượng thấp Nhờ ưu thế này, hạt nano có khả năng đạt hiệu suất cao trong quá trình trích ly.

Tính siêu thuận từ của oxit sắt từ Fe 3 O 4

Khi kích thước hạt oxit sắt Fe3O4 giảm xuống, chúng trở thành hạt đơn đômen vì kích thước nhỏ hơn nhiều so với độ rộng của vách đômen, khiến thời gian hình thành vách đômen trong hạt không đủ Ngay cả khi vật liệu có tính dị hướng lớn, việc thiết lập các vách đômen dày vài nanomet vẫn tiêu tốn năng lượng đáng kể Trong tình huống này, năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để vượt qua lực liên kết giữa các phân tử nhưng đủ để thay đổi hướng mômen trong toàn bộ tinh thể Kết quả là mômen từ trong tinh thể sẽ có sự sắp xếp ngẫu nhiên và bằng không khi không có từ trường ngoài.

Hiện tượng siêu thuận từ hạn chế khả năng ghi nhớ môi trường từ của các hạt từ nhỏ, khiến chúng mất đi bộ nhớ từ khi có tác động của từ trường ngoài Các mômen từ sẽ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của từ trường và tạo ra một độ từ hóa riêng Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các mômen từ trở lại sắp xếp ngẫu nhiên, dẫn đến việc vật liệu không còn từ tính nữa, với độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0.

Khi không có từ trường Khi có từ trường

Hình 1.2 Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ

Bảng 1.2 Một số giá trị lực kháng từ ở một số vật liệu từ tiêu biểu [7]:

Vật liệu Lực kháng từ (Oe)

Supermalloy Fe15,7Ni79Mo5Mn0,3 0,002

Ni1-xZnxFeO3, ferrite từ mềm siêu cao tần 15-200

Alnico (nam châm phổ biến) 1500-2000

Co-Pt-Cr màng mỏng từ cứng sử dụng trong ổ đĩa cứng 1700

NdFeB (nam châm đất hiếm mạnh nhất) 10000

Chất lỏng từ

Chất lỏng từ là dung dịch chứa các hạt có từ tính lơ lửng trong một môi trường chất lỏng Thành phần chính của chất lỏng từ bao gồm hạt từ tính (chất rắn), chất bao phủ bề mặt (chất hoạt hóa bề mặt, có thể là rắn hoặc lỏng) và dung môi (môi trường chứa hạt từ và chất bao phủ).

Hạt từ tính là thành phần quan trọng nhất trong chất lỏng từ, và tính chất đặc biệt của chất lỏng này chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của các hạt từ Các hạt từ tính có thể là sắt từ hoặc siêu thuận từ, trong đó hạt oxit sắt γ-Fe2O3 (maghemite) và Fe3O4 (magnetite) là những loại thường được sử dụng nhất.

Hình 1.3 Hình dạng chất lỏng từ

Chất hoạt hóa bề mặt giúp phân tán hạt nano trong dung môi, ngăn chặn sự kết tụ của chúng ngay cả khi có từ trường Ngoài ra, chất này còn bảo vệ hạt nano khỏi sự phát hiện của hệ miễn dịch, đồng thời tạo điều kiện cho việc hình thành các liên kết hóa học với các phân tử khác.

Tính lỏng của chất lỏng từ được quyết định bởi dung môi, có thể là chất phân cực như nước, cồn hoặc không phân cực như dầu, dung môi hữu cơ Độ nhớt và khả năng bay hơi của dung môi có sự khác biệt lớn, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Trong các ứng dụng sinh hóa, nước thường được lựa chọn làm dung môi do tính tương hợp sinh học của nó.

1.3.2 Đặc trƣng của chất lỏng từ

Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần, bao gồm hạt từ rắn, chất bao và chất lỏng mang, tương tác chặt chẽ với nhau Khi các thành phần này hòa quyện, chúng tạo thành một thể keo, dẫn đến sự cân bằng nồng độ hạt từ trong keo.

Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng nồng độ keo bao gồm hình dạng và kích thước của hạt từ tính, nồng độ hạt, cùng với sự tương tác giữa các hạt, bao gồm lực hấp dẫn và lực từ Ngoài ra, độ nhớt của chất lỏng, nhiệt độ môi trường và khả năng khuếch tán của hạt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái cân bằng này.

Khi các hạt từ hình cầu với đường kính dh được từ hóa trong một từ trường H không đổi, chúng có thể đạt được sự cân bằng nồng độ hạt sau khoảng thời gian t ≈ 3KTπηdh (μomG)², trong đó K là hằng số Boltzmann.

o: độ từ thẩm chân không m: mômen từ của hạt từ

G = H: độ biến thiên của từ trường từ hóa bên ngoài

1.3.3 Từ độ của chất lỏng từ

Từ độ của chất lỏng từ phụ thuộc từ tính của chất hạt từ, kích thước hạt, nồng độ hạt từ, nhiệt độ môi trường, từ trường từ hóa…

Từ độ bão hòa của chất lỏng từ: s 3

: Hệ số từ hóa của vật liệu

Phần thể tích của hạt từ trong chất lỏng tương ứng theo tỉ lệ: m

Các lớp bề mặt của hạt nano oxit sắt Fe 3 O 4

Hạt nano từ Fe3O4 thường kết đám trong chất lỏng do tương tác lưỡng cực mạnh và lực Van der Waals, đồng thời dễ bị oxi hóa Để ngăn ngừa hiện tượng này và tăng cường khả năng tương thích sinh học, cần thay đổi bề mặt của hạt nano từ Fe3O4 bằng các lớp vỏ là chất có hoạt tính bề mặt hoặc polymer.

1.4.1 Bọc silica lên bề mặt hạt nano oxit sắt

Silica, hay còn gọi là ôxít silicon với công thức hóa học SiO2, là một khoáng vật phổ biến trong tự nhiên, thường xuất hiện dưới dạng cát, thạch anh và trong cấu trúc tế bào của tảo silic Nó là thành phần chính của nhiều loại thủy tinh và chất nền như bê tông, đồng thời cũng là khoáng vật chiếm ưu thế nhất trong lớp vỏ trái đất.

Phủ SiO2 được sử dụng để cải thiện các tính chất của oxit sắt, tạo ra lớp bảo vệ ổn định cho lõi từ tính, ngăn chặn sự kết tụ và ngâm chiết trong môi trường axit Nó giúp điều chỉnh khoảng cách phân ly giữa các hạt, ổn định các tính chất từ, và kiểm soát sự phân bố kích thước của các đám nano từ tính Ngoài ra, SiO2 còn ảnh hưởng đến quá trình nung kết và ăn mòn, đồng thời bảo vệ chống lại sự oxi hóa trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí.

Lớp phủ silica không chỉ làm tăng kích thước hạt mà còn thay đổi tính chất từ của hạt nano từ Độ dày của lớp bọc silica, dao động từ 5 đến 200nm, có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi nồng độ amoniac và tỷ lệ giữa TEOS và nước.

Hình 1.4 Cấu trúc silica và bề mặt hạt từ

1.4.2 Phủ 3- aminopropyltriethoxysilane (APTES) lên các hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2

Để ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần được chức năng hóa bề mặt nhằm tiếp hợp với các đối tượng sinh học như DNA, kháng thể và enzyme Các nhóm chức phổ biến bao gồm amino, biotin, streptavidin, carboxyl và thiol Việc tạo ra các nhóm chức này trên bề mặt hạt nano được thực hiện thông qua nguyên tắc thủy phân organosilane, tạo lớp polymer trên bề mặt Organosilane có cấu trúc tổng quát là X-(CH2)n-SiRn(OR')3-n, trong đó X là nhóm chức cần thiết cho việc tiếp hợp, (CH2)n là lớp đệm hữu cơ và SiRn là nhóm liên kết với hydroxyl trên bề mặt hạt nano Alkoxysilane với nhiều nhóm chức X khác nhau đã được thương mại hóa, trong đó nhóm amino được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng sinh học Trong quá trình chức năng hóa, organosilane trải qua hai phản ứng đồng thời: thủy phân các nhóm silane alkoxy thành silanol hoạt tính và hóa rắn của silanol với nhóm –OH tự do trên bề mặt hạt nano, tạo ra các liên kết Si-O-Si bền vững.

Gần đây, phức chất chứa nhóm amino như APTES đã được ứng dụng rộng rãi để tăng cường khả năng bám dính giữa các vật liệu hữu cơ và vô cơ Nhóm chức 3-ethoxy trong mỗi phân tử APTES có khả năng thủy phân, tạo ra nhóm chức năng động (–OH) gắn kết với bề mặt hợp chất vô cơ Bên cạnh đó, nhóm –NH2 cũng ảnh hưởng đến bề mặt nhóm hydroxyl, tạo ra lực van der Waals giữa các phân tử APTES, dẫn đến hình thành lớp đơn phân tử theo trật tự nhất định Do đó, các phân tử APTES với cấu trúc đa lớp có khả năng gắn kết với nhiều gốc liên kết hóa học APTES được sử dụng như chất hoạt hóa bề mặt, làm tăng khả năng gắn kết giữa APTES và lớp polymer, cũng như giữa các lớp APTES với nhau.

Chúng tôi sử dụng APTES để tạo ra nhóm amino trên bề mặt hạt nano, giúp gắn kết với các hạt nano kim loại và tăng cường sự tương tác giữa nhóm amin và hạt kim loại Việc chức năng hóa bề mặt hạt nano bằng APTES không chỉ cải thiện khả năng gắn kết kháng thể mà còn tăng hiệu quả gắn kết lên gấp nhiều lần so với các hạt nano chưa được hoạt hóa.

1.4.3 Các hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2 /NH 2 đƣợc hoạt hóa bởi glutaraldehyde

Sau khi bề mặt hạt nano được thay đổi bằng APTES, chúng được kích hoạt bởi GA để tạo ra các nhóm aldehyde Những nhóm aldehyde này sau đó liên kết với nhóm amino của kháng thể NS1 thông qua các liên kết đồng trị.

Ứng dụng hạt nano composite siêu thuận từ trong lĩnh vực y sinh học

Ngày nay, tính chất từ của các hạt sắt từ đã được chứng minh là thay đổi đột ngột do hiệu ứng kích thước lượng tử và sự giảm diện tích bề mặt của các hạt nano Các hạt vật liệu từ có đường kính giới hạn chỉ chứa một đơn đômen, dẫn đến trạng thái từ hóa không đổi và không tương tác với các đômen bên cạnh Kích thước tới hạn của hạt là kích thước đơn đômen của vật liệu Khi có từ trường ngoài, vật liệu chứa nhiều hạt nano thể hiện tính chất từ, nhưng độ từ hóa không đổi khi từ trường mất đi Đặc điểm này khiến các hạt nano siêu thuận từ trở thành sản phẩm nghiên cứu giá trị trong ứng dụng sinh học, với các ứng dụng được phân loại thành trong cơ thể (in vivo) và ngoài cơ thể (in vitro).

Trong nghiên cứu in vitro, kỹ thuật phân tách từ miễn dịch các tế bào, protein, DNA/RNA, vi khuẩn, vi-rút và các phân tử khác đã đạt được nhiều thành công lớn Nghiên cứu in vivo về vật liệu nano siêu thuận từ cũng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, với các ứng dụng liên quan trực tiếp đến cuộc sống hàng ngày, như trị liệu ung thư và chẩn đoán sớm tế bào ung thư Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm dẫn truyền thuốc, sản xuất dung dịch nâng nhiệt cục bộ (hyperthermia), chẩn đoán tác nhân tương phản trong ảnh cộng hưởng từ, tách chiết tế bào và chẩn đoán dịch bệnh.

Một trong những bất lợi lớn nhất của hóa trị liệu là tính không đặc hiệu của nó Các loại thuốc điều trị được tiêm tĩnh mạch và phân phối khắp cơ thể, dẫn đến tác động phụ không mong muốn khi chúng tấn công cả các tế bào bình thường, khỏe mạnh, bên cạnh việc nhắm vào các tế bào khối u.

Liệu pháp dƣợc cho các khối u ác tính đối mặt với thách thức lớn trong việc phân phối chính xác lượng thuốc đến vị trí mong muốn trong cơ thể và duy trì liều lượng phù hợp Việc dẫn truyền thuốc chính xác giúp giảm thiểu lượng thuốc cần thiết, từ đó giảm thiểu tác dụng phụ Sử dụng các hạt nano siêu thuận từ như hạt mang cung cấp phương pháp dẫn truyền thuốc hướng đích hiệu quả về mặt vật lý và hóa học Phương pháp này cho phép phân phối thuốc đến vị trí bệnh thông qua từ trường ngoài, đồng thời các bề mặt chức năng có khả năng chọn lọc các tế bào đặc biệt để đưa thuốc đến đúng địa chỉ.

Các hạt nano siêu thuận từ có tiềm năng lớn trong ứng dụng dẫn truyền thuốc, nhưng việc sử dụng chúng có thể gặp khó khăn do các đặc điểm khác nhau của hạt mang thuốc, như tính chất vật lý, nồng độ huyền phù và liều lượng tiêm Các loại thuốc kết hợp với hạt từ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn truyền Hơn nữa, kích thước hạt, nhóm chức năng trên bề mặt, cường độ từ trường ngoài, lộ trình tiêm và điều kiện sinh lý của bệnh nhân đều có thể tác động đến phương thức dẫn truyền thuốc Do đó, cần nhiều thời gian cho các nghiên cứu thử nghiệm trước khi ứng dụng vào cơ thể người.

Hình 1.6 Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính

Một nam châm mạnh bên ngoài tạo ra gradient từ trường, giúp kéo các hạt nano từ tính gắn với thuốc đến vị trí mục tiêu Tại đây, quá trình giải phóng thuốc diễn ra, làm tăng hiệu quả sử dụng thuốc lên nhiều lần.

1.5.2 Phương pháp đốt nhiệt từ [4]

Phương pháp điều trị ung thư bằng cách đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không gây hại cho các tế bào bình thường là một ứng dụng quan trọng của hạt nano từ tính Nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ đã được thực hiện vào năm 1957, đánh dấu bước tiến đáng kể trong lĩnh vực y học.

Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này dựa vào việc sử dụng các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 – 100nm, được phân tán trong các mô mục tiêu Khi tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz đủ lớn, các hạt nano sẽ phản ứng và tạo ra nhiệt, làm nóng các vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có khả năng tiêu diệt các tế bào ung thư, trong khi các tế bào bình thường vẫn được bảo vệ an toàn.

Nghiên cứu về kỹ thuật tăng thân nhiệt cục bộ đã được phát triển từ lâu, nhưng chưa có công bố thành công nào trên người Khó khăn chính là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng trong điều kiện từ trường ngoài mạnh Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ bao gồm lưu lượng máu và phân bố mô Thực nghiệm cho thấy tỉ số phát nhiệt khoảng 100 mW/cm³ là đủ cho hầu hết các trường hợp Tần số và biên độ từ trường thường dao động trong khoảng f = 0,05 – 1,2 MHz, H < 0,02T, với mật độ hạt nano cần thiết khoảng 5 – 10 mg/cm³.

Các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ được phủ lớp tương thích sinh học có khả năng xâm nhập vào cơ thể bệnh nhân ung thư Chúng đi vào khối u qua các lỗ nhỏ ở tế bào nội mô của mạch máu nuôi dưỡng khối u Tại đây, các hạt nano liên kết với nhau nhờ enzym protease, tạo thành một khối hạt kết nối Khối hạt này phát ra tín hiệu mạnh, giúp xác định vị trí khối u thông qua cộng hưởng từ hạt nhân.

Phương pháp chẩn đoán nano sử dụng hạt nano hoặc đầu dò nano gắn kháng thể để phát hiện tế bào ung thư, vi-rút và vi khuẩn gây bệnh ở mức độ nano mét, nhờ vào sự liên kết đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể Mỗi kháng thể chỉ nhận diện một kháng nguyên duy nhất, giúp dung dịch chứa hạt nano hút các loại vi khuẩn và vi-rút khi trộn với huyết tương hoặc huyết thanh người Sau đó, các mẫu này được tách chiết và phân tích để chẩn đoán bệnh, giúp phát hiện sớm và tiết kiệm thời gian, chi phí Hiện nay, chẩn đoán nano đã được ứng dụng trong lâm sàng tại một số quốc gia, mang lại nhiều triển vọng cho y học.

1.5.4 Phân tách và chọn lọc tế bào

Trong y sinh học, việc tách biệt các thực thể sinh học khỏi môi trường xung quanh là cần thiết để tăng nồng độ cho phân tích hoặc các mục đích khác Phân tách tế bào bằng hạt nano từ tính là một phương pháp phổ biến được áp dụng trong quá trình này.

Quá trình phân tách đƣợc chia làm hai giai đoạn:

– Đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu;

– Tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường

Việc đánh dấu tế bào được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính, chủ yếu là hạt oxit sắt, được bao phủ bởi các hóa chất có tính tương hợp sinh học như dextran và polyvinyl alcohol (PVA) Hóa chất này không chỉ giúp tạo liên kết với các vị trí trên bề mặt tế bào mà còn tăng cường khả năng phân tán và ổn định của hạt trong dung môi Tương tự như trong hệ miễn dịch, các kháng thể và phân tử như hormone, axit folic sẽ tìm thấy các vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào Các kháng thể liên kết với kháng nguyên, tạo ra phương pháp đánh dấu tế bào hiệu quả và chính xác Các hạt từ tính này có thể tạo liên kết với nhiều loại tế bào, bao gồm tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước hạt từ tính có thể cần đạt vài trăm nanomet.

Quá trình phân tách tế bào được thực hiện thông qua một gradient từ trường ngoài, tạo ra lực hút đối với các hạt từ tính mang tế bào đã được đánh dấu Những tế bào không được đánh dấu sẽ không bị giữ lại và sẽ thoát ra ngoài Lực tác động lên các hạt từ tính được mô tả bởi một phương trình cụ thể.

Độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước) được ký hiệu là n, trong khi bán kính của hạt từ tính là R Ngoài ra, Dn thể hiện sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước.

Hình 1.7 Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất

Chất sinh miễn dịch – kháng nguyên

Chất sinh miễn dịch là bất kỳ chất nào khi đưa vào cơ thể động vật trong điều kiện thích hợp sẽ kích thích đáp ứng miễn dịch Kháng nguyên là chất gắn kết với các thành phần của đáp ứng miễn dịch như kháng thể hoặc tế bào lympho Mặc dù tất cả chất sinh miễn dịch đều là kháng nguyên, nhưng không phải tất cả kháng nguyên đều gây ra đáp ứng miễn dịch Ví dụ, hapten là các chất có khối lượng phân tử thấp, có khả năng gắn với kháng thể nhưng không kích thích sản xuất kháng thể Hapten bao gồm các phân tử đường, axit amin, polymer nhỏ và nhiều loại kháng sinh Điều kiện cần thiết để một chất được coi là chất sinh miễn dịch là

Để một chất có thể gây ra đáp ứng miễn dịch, nó cần phải đáp ứng ba tiêu chuẩn: tính lạ đối với cơ thể, khối lượng phân tử lớn và cấu trúc phân tử phức tạp Nếu thiếu một trong ba tiêu chuẩn này, chất đó cần phải gắn với một chất mang để tăng khối lượng phân tử hoặc tăng mức độ phức tạp của cấu trúc, chẳng hạn như hapten khi gắn với protein sẽ kích thích đáp ứng miễn dịch.

Tính đặc hiệu của kháng nguyên

Sự liên kết giữa kháng nguyên và kháng thể hay tế bào lympho mang tính đặc hiệu cao, tương tự như khóa và chìa Kháng thể và tế bào lympho không kết hợp với toàn bộ phân tử kháng nguyên mà chỉ với những phần nhất định gọi là quyết định kháng nguyên (epitope) Phần tương ứng trên kháng thể được gọi là vị trí kết hợp kháng nguyên (paratop) Trên tế bào lympho, phần tương ứng với quyết định kháng nguyên được gọi là thụ thể, ví dụ như thụ thể tế bào T (TCR) Mỗi epitope chỉ gắn với một paratop duy nhất, tạo ra một dòng kháng thể đặc hiệu, trong khi một kháng nguyên có nhiều epitope khác nhau có thể sinh ra nhiều dòng kháng thể tương ứng.

Kháng thể

Kháng thể (antibody) là các phân tử immunoglobulin, thuộc nhóm glycoprotein, được tiết ra bởi tế bào lympho B và tương bào để giúp hệ miễn dịch nhận diện và vô hiệu hóa các tác nhân lạ như vi khuẩn và vi-rút Mỗi kháng thể chỉ có khả năng nhận diện một epitope kháng nguyên duy nhất Ngoài ra, một số kháng thể tự nhiên có mặt trong các dịch khác của cơ thể, như sữa, nhưng bài viết này chỉ tập trung vào loại kháng thể miễn dịch.

Kháng thể, được biết đến như một loại protein (γ-globulin), có thể bị phá hủy bởi các tác nhân hóa học và vật lý như nhiệt độ và pH, vì chúng có khả năng làm biến tính protein.

Có 5 loại Ig là IgG, IgA, IgM, IgD, IgE

Cấu trúc của kháng thể miễn dịch:

Tất cả các loại immunoglobulin (Ig) đều có cấu trúc tương đồng, trong đó IgG là kháng thể phổ biến nhất trong lưu thông Do đó, chúng ta có thể coi IgG như một mô hình chung để nghiên cứu các lớp kháng thể khác.

IgG là một loại kháng thể có cấu trúc gồm 4 chuỗi peptid, bao gồm 2 chuỗi nhẹ (L) và 2 chuỗi nặng (H) được kết nối bởi cầu disulfur (S–S) Các chuỗi nặng và nhẹ có trình tự axit amin giống nhau theo từng cặp Mỗi chuỗi nhẹ chứa 212 axit amin, trong khi mỗi chuỗi nặng có khoảng 450 axit amin Toàn bộ phân tử IgG có cấu trúc đối xứng.

Dưới tác dụng của enzyme papain, phân tử được phân giải thành ba mảnh: hai mảnh nhỏ chứa hai chuỗi nhẹ và một nửa chuỗi nặng có đầu amin (–NH2), được gọi là đoạn Fab (Fragment of antigen binding) vì đây là nơi gắn với kháng nguyên Mảnh còn lại chứa hai nửa có đầu carboxyl (–COOH) của hai chuỗi nặng, không gắn với kháng nguyên nhưng có khả năng kết dính, được gọi là phần Fc (Fragment crystallizable).

Phân tử IgG có hai vị trí kết hợp kháng nguyên, chiếm khoảng 1% diện tích bề mặt của nó Những vị trí này nằm ở đầu amin của hai chuỗi nặng và nhẹ.

Hình 1.8 Cấu trúc của IgG

IgG cũng chứa một lƣợng nhỏ carbon hydrat nhƣng không liên quan đến vị trí kết hợp kháng nguyên.

Chẩn đoán sớm và chính xác bệnh truyền nhiễm bằng phương pháp ELISA có sử dụng hạt nano từ

có sử dụng hạt nano từ

ELISA (Enzym – Linked ImmunoSorbent Assay) là một kỹ thuật sinh hóa để phát hiện kháng thể hay kháng nguyên trong mẫu xét nghiệm

ELISA là một phương pháp xét nghiệm phổ biến nhờ vào những lợi ích nổi bật như dễ thực hiện, tốc độ nhanh, chi phí thấp và quy trình sản xuất đơn giản Ngoài ra, phương pháp này còn an toàn và đạt độ nhạy, độ đặc hiệu ở mức chấp nhận được.

Kĩ thuật ELISA gồm ba thành phần tham gia phản ứng là: kháng nguyên, kháng thể và cơ chất; thực hiện qua hai bước:

– Phản ứng miễn dịch học: là sự kết hợp giữa kháng nguyên và kháng thể

– Phản ứng giữa enzym và cơ chất: enzym sẽ biến đổi cơ chất và tạo tín hiệu có thể xác định đƣợc (ví dụ: huỳnh quang, màu sắc,…) [17]

Hình 1.9 Kĩ thuật ELISA có sử dụng các hạt nano từ

Sơ lƣợc về bệnh sốt xuất huyết

Sốt xuất huyết dengue, hay còn gọi là sốt dengue, là một bệnh do virus Dengue thuộc chi Flavivirus gây ra Tại Việt Nam, bệnh này thường được gọi chung là sốt xuất huyết, với biểu hiện nặng nhất là hội chứng sốc dengue.

1.9.2 Đặc điểm của virus gây bệnh sốt xuất huyết

Hình 1.10 Mô tả về cấu trúc của Virus Dengue

Virus Dengue, thuộc nhóm Flavivirus và họ Arbovirus nhóm B (Flaviviridae), có cấu trúc bao gồm một lớp vỏ lipoprotein bên ngoài bao bọc caspid và hệ gen ARN dương tính Virus này có 4 typ huyết thanh: 1, 2, 3 và 4, với nhân ARN chứa 3 gen protein cấu trúc: Protein C (lõi), Protein M (màng) và Protein E (vỏ), cùng với 7 protein không cấu trúc Protein E đóng vai trò quan trọng trong việc trung hòa virus và tương tác với các thụ thể.

NS1 là một glycoprotein và kháng nguyên kết hợp bổ thể, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng miễn dịch của cơ thể đối với nhiễm virus NS1 của virus Dengue có trọng lượng phân tử từ 46-50 kD, tồn tại dưới hai dạng: dạng kết hợp màng (mNS1) và dạng tiết (sNS1), quyết định tính đặc hiệu nhóm và loài Mặc dù chức năng của NS1 vẫn chưa được xác định đầy đủ, nhưng nó đã được nhận thấy tham gia vào quá trình sao chép RNA của virus, điều này là cần thiết cho sự tồn tại của virus.

+ NS2 là protein có kích thước lớn.

+ NS2a là protein liên kết màng, có kích thước nhỏ.

+ NS2b là protein liên kết màng, có kích thước nhỏ Vùng trung tâm của NS2B nhƣ là đồng yếu tố của protein NS3 có hoạt tính serine protease.

+ NS3 là protein có hoạt tính serin-protease và helicase Mã amin cuối cùng của NS3 là serine protease, cần thiết cho quá trình sao chép của virus [34]

+ NS4a là protein liên kết màng, có kích thước nhỏ.

+ NS4b là protein liên kết màng, có kích thước nhỏ.

Virus Dengue có nhiều kháng nguyên, bao gồm kháng nguyên đặc hiệu của từng typ và kháng nguyên chung của phân nhóm và nhóm Cả bốn typ huyết thanh virus Dengue có mối liên hệ gần gũi và có khả năng phản ứng chéo với nhau Tuy nhiên, kháng thể được tạo ra sau khi nhiễm một typ huyết thanh chỉ có phản ứng dương tính mà không trung hòa hoàn toàn các typ còn lại.

Sơ lƣợc về bệnh ung thƣ gan

Nghiên cứu về sinh bệnh học ung thư biểu mô tế bào gan đã chỉ ra rằng một số protein, đặc biệt là Glypican-3, đóng vai trò quan trọng trong sự tiến triển của bệnh Hsu và các cộng sự đã phát hiện rằng lượng ARN thông tin mã hóa Glypican-3 tăng cao đáng kể trong ung thư biểu mô tế bào gan so với gan bình thường và các tổn thương gan không ác tính Glypican-3, một sulfate proteoglycan heparan gắn với màng tế bào, được thể hiện trong hầu hết các trường hợp ung thư biểu mô gan nhưng không có trong tế bào gan bình thường hoặc tổn thương gan lành tính Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất Glypican-3 có thể được sử dụng như một loại huyết thanh và là dấu hiệu hoá mô của ung thư biểu mô tế bào gan.

1.11 Phương pháp đồng kết tủa dùng để tổng hợp hạt nano từ Fe 3 O 4

Phương pháp đồng kết tủa là một kỹ thuật lâu đời và đơn giản trong hóa học Phương pháp này sử dụng các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, và FeSO4, được hòa tan trong nước, sau đó phản ứng với dung dịch bazơ hydroxit như KOH hoặc NaOH.

Quá trình tạo hạt nano từ NH4OH cho phép tạo ra các hạt có kích thước từ 2 đến 30 nm, với khả năng điều chỉnh kích thước thông qua việc thay đổi pH, lượng nước, nồng độ dung dịch muối ban đầu và nhiệt độ Để đạt được hạt đồng nhất, quá trình cần chia thành hai giai đoạn: hình thành mầm và phát triển mầm Giai đoạn hình thành mầm diễn ra khi nồng độ chất gần đạt đến mức bão hòa, trong khi giai đoạn phát triển mầm chứng kiến sự giảm nồng độ dung dịch Có ba cơ chế phát triển mầm: hạt đồng nhất phát triển nhờ khuyếch tán (đường cong I), hạt phát triển từ sự kết hợp các phần tử nhỏ (đường cong II), và hạt hình thành từ sự kết hợp của nhiều mầm (đường cong III).

Hình 1.11 Cơ chế hình thành các hạt nano

Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 nhƣ sau: với tỉ phần mol Fe 3+ /Fe 2+ = 2: 1 trong môi trường kiềm có pH = 9 – 14

Fe 3+ + H2O → Fe(OH)x 3–x (thông qua quá trình mất proton) (2.1)

Fe 2+ + H2O → Fe(OH)y 2–y (thông qua quá trình mất proton) (2.2)

Fe(OH)x 3–x + Fe(OH)y 2–y → Fe3O4 (thông qua quá trình oxi hóa và dehydride hóa) (2.3)

Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình sau:

Magnetite dễ bị oxi hóa trong không khí thành maghemite (-Fe2O3) theo phương trình:

4 Fe3O4 + O2 → 6-Fe2O3 (2.5) Ở nhiệt độ cao, maghemite bị oxi hóa thành hematite (α- Fe2O3)

Mặc dù phương pháp đồng kết tủa đơn giản, nhưng sự kết tụ mạnh mẽ của các hạt hình thành hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo Do đó, cần thiết phải thực hiện biến đổi bề mặt để cải thiện tính năng Đặc biệt, trong lĩnh vực y sinh học, các hạt này cần được chức năng hóa bề mặt với các chất tương thích sinh học để đáp ứng yêu cầu ứng dụng.

1.12 Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO 2 lên hạt nano từ Fe 3 O 4

Có nhiều phương pháp để tạo lớp phủ SiO2 lên hạt nano oxit sắt từ, trong đó phương pháp Stober được phát triển bởi Stober, Fink và Bohn là một trong những phương pháp phổ biến Phương pháp này chủ yếu sử dụng để điều chế hạt cầu nano silica đơn phân tán thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) trong dung dịch bazơ chứa nước và rượu Để đạt được cấu trúc đặc sít hơn là mạng polymer, tỷ lệ thể tích nước/TEOS thường lớn hơn 20/1 và độ pH cần được duy trì ở mức cao.

Hình 1.12 Sơ đồ quá trình thủy phân và ngưng tụ TEOS

1.13 Phương pháp chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2 VỚI APTES

Phản ứng silane hóa bề mặt hạt nano lõi – vỏ Fe3O4@SiO2 bằng APTES diễn ra theo hai giai đoạn [20]:

Trong giai đoạn 1, phản ứng thủy phân diễn ra, dẫn đến việc nhóm alkoxit (–OC2H5) được thay thế bằng nhóm hydroxyl (–OH) Quá trình này tạo ra nhóm hoạt động silanol (Si–OH) trên phân tử APTES.

Trong giai đoạn 2, nhóm silanol trên bề mặt hạt nano sẽ tạo liên kết cộng hóa trị với nhóm silanol của APTES, hình thành liên kết Si–O–Si thông qua phản ứng khử nước.

Hình 1.13 Sơ đồ phản ứng gắn APTES lên hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2

1.14 Phương pháp tách miễn dịch từ (IMS)

Mặc dù các phương pháp nhanh thường được sử dụng, hầu hết chỉ tập trung vào khía cạnh phát hiện mà bỏ qua giai đoạn xử lý mẫu Việc phát hiện vi sinh vật gây bệnh trên các nền mẫu phức tạp thường gặp khó khăn nếu không có giai đoạn cô đặc và tinh chế Yêu cầu quan trọng nhất trong xử lý mẫu là phải có ái lực đặc hiệu cao để bắt giữ chọn lọc và cô đặc vi sinh vật mục tiêu.

Trong nhiều năm qua, tương tác giữa kháng nguyên và kháng thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các kỹ thuật phân tích miễn dịch và cảm biến sinh học Hiệu quả của các phức hợp hạt từ mang kháng thể phụ thuộc vào sự tương thích của kháng thể với bề mặt chất rắn từ tính Những cải tiến đáng kể trong sản xuất hạt từ đã thu hút sự quan tâm trong việc sử dụng chúng làm giá đỡ cho kháng thể, từ đó phục vụ cho quá trình tóm bắt và phân tách sinh học.

Hình 1.14 Phương pháp tách miễn dịch từ (IMS)

1.15 Phương pháp cố định kháng thể vào giá rắn

Khi lựa chọn phương pháp cố định kháng thể, cần xem xét nhiều yếu tố như loại giá rắn, nhóm chức trên phân tử kháng thể, nhóm phản ứng trên giá rắn và điều kiện cố định Nếu quá trình cố định không được thực hiện đúng cách, có thể dẫn đến các vấn đề như gắn đa điểm, định hướng không phù hợp hoặc che lấp không gian Một phương pháp cố định kháng thể thường gặp là cố định ngẫu nhiên, trực tiếp thông qua nhóm amin trên phân tử lysine.

Nhóm amin trên phân tử lysine xuất hiện phổ biến tại các vị trí dọc theo phân tử kháng thể và vùng gắn kháng nguyên Quá trình cố định ngẫu nhiên đa hướng này có thể làm giảm hoạt tính gắn kháng nguyên của kháng thể, dẫn đến dung tích gắn cuối cùng có thể thấp hơn mức dự kiến.

Trong hình 1.15, các tình huống có thể xảy ra khi kháng thể được gắn ngẫu nhiên vào pha rắn được mô tả rõ ràng Cụ thể, có ba trường hợp: a Kháng thể vẫn còn nguyên hoạt tính, b Kháng thể còn một phần hoạt tính, và c Kháng thể không còn hoạt tính.

1.16 Phương pháp xác định hàm lượng protein theo Bradford

Phương pháp xác định hàm lượng protein này có độ nhạy cao, cho phép phát hiện tới 1 µg protein, đồng thời sử dụng hóa chất đơn giản và tiết kiệm thời gian Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng ít bị ảnh hưởng bởi các hóa chất khác trong quá trình nghiên cứu protein.

Phương pháp xác định nồng độ protein sử dụng thuốc nhuộm Coomassie Brillant Blue dựa trên sự thay đổi bước sóng hấp thu khi thuốc nhuộm kết hợp với protein Trong môi trường axit, thuốc nhuộm có màu đỏ với bước sóng hấp thu cực đại 465 nm, và khi kết hợp với protein, màu chuyển sang xanh dương với bước sóng 595 nm Độ hấp thu tại bước sóng 595 nm tỷ lệ thuận với nồng độ protein Để xác định nồng độ protein trong mẫu, đầu tiên cần xây dựng đường chuẩn từ dung dịch protein chuẩn Sau khi thêm dung dịch protein vào thuốc nhuộm, màu sẽ xuất hiện sau 2 phút và bền trong 1 giờ Tiến hành đo phổ tử ngoại để thu được giá trị ODx, từ đó thực hiện đối chứng với HCl để lấy giá trị ODO Giá trị ∆OD = ODx – ODO được sử dụng để xác định nồng độ protein dựa trên đường chuẩn.

1.17 Các phương pháp phân tích

1.17.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu, giúp xác định pha, nhận dạng thành phần và đo kích thước trung bình của nhiều loại vật liệu khác nhau.

Phương pháp tạo lớp bao phủ Sio 2 lên hạt nano từ Fe 3 O 4

Có nhiều phương pháp tạo lớp phủ SiO2 lên hạt nano oxit sắt từ, trong đó phương pháp Stober do Stober, Fink và Bohn phát triển được sử dụng phổ biến Phương pháp này cho phép điều chế các hạt cầu nano silica đơn phân tán thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ tetraethylorthosilicate (TEOS) trong dung dịch bazơ gồm nước và rượu Để hình thành cấu trúc đặc sít hơn là mạng polymer, tỉ lệ thể tích nước/TEOS thường lớn hơn 20/1 và độ pH cần duy trì ở mức cao.

Hình 1.12 Sơ đồ quá trình thủy phân và ngưng tụ TEOS

Phương pháp chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2 VỚI APTES

Phản ứng silane hóa bề mặt hạt nano lõi – vỏ Fe3O4@SiO2 bằng APTES diễn ra theo hai giai đoạn [20]:

Trong giai đoạn 1, phản ứng thủy phân diễn ra, dẫn đến việc nhóm alkoxit (–OC2H5) được thay thế bằng nhóm hydroxyl (–OH) Quá trình này tạo ra nhóm hoạt động silanol (Si–OH) trên phân tử APTES.

Trong giai đoạn 2, nhóm silanol trên bề mặt hạt nano sẽ tạo liên kết cộng hóa trị với nhóm silanol của APTES, dẫn đến sự hình thành liên kết Si–O–Si thông qua phản ứng khử nước.

Hình 1.13 Sơ đồ phản ứng gắn APTES lên hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2

Phương pháp tách miễn dịch từ (IMS)

Mặc dù các phương pháp nhanh thường được áp dụng, hầu hết chỉ tập trung vào việc phát hiện mà bỏ qua giai đoạn xử lý mẫu trước phân tích Việc phát hiện vi sinh vật gây bệnh trên các nền mẫu phức tạp thường gặp khó khăn nếu thiếu giai đoạn cô đặc và tinh chế Yêu cầu quan trọng nhất trong xử lý mẫu là ligal cần có ái lực đặc hiệu cao để có thể bắt giữ chọn lọc và cô đặc vi sinh vật mục tiêu.

Tương tác giữa kháng nguyên và kháng thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các kỹ thuật phân tích miễn dịch và cảm biến sinh học trong nhiều năm qua Hiệu quả của các phức hợp hạt từ mang kháng thể phụ thuộc vào sự tương thích của kháng thể với bề mặt chất rắn từ tính Những cải tiến trong sản xuất hạt từ đã tạo ra sự quan tâm lớn đối với việc sử dụng chúng làm giá đỡ cho kháng thể, phục vụ cho quá trình tóm bắt và phân tách sinh học.

Hình 1.14 Phương pháp tách miễn dịch từ (IMS)

Phương pháp cố định kháng thể vào giá rắn

Khi lựa chọn phương pháp cố định kháng thể, cần xem xét nhiều yếu tố như loại giá rắn, nhóm chức trên phân tử kháng thể, nhóm phản ứng trên giá rắn và điều kiện cố định Nếu quá trình cố định không được thực hiện đúng cách, nó có thể dẫn đến các vấn đề như gắn đa điểm, định hướng không phù hợp hoặc che lấp không gian Cố định kháng thể có thể thực hiện ngẫu nhiên và trực tiếp thông qua nhóm amin trên phân tử lysine.

Nhóm amin trên phân tử lysine xuất hiện phổ biến dọc theo phân tử kháng thể và vùng gắn kháng nguyên Quá trình cố định ngẫu nhiên đa hướng có thể làm giảm hoạt tính gắn kháng nguyên của kháng thể, dẫn đến dung tích gắn cuối cùng thấp hơn mong đợi.

Khi kháng thể được gắn ngẫu nhiên vào pha rắn, có thể xảy ra ba tình huống chính: thứ nhất, kháng thể vẫn giữ nguyên hoạt tính; thứ hai, kháng thể còn lại một phần hoạt tính; và thứ ba, kháng thể không còn hoạt tính.

Phương pháp xác định hàm lượng protein theo Bradford

Trong các phương pháp xác định hàm lượng protein, phương pháp này nổi bật với độ nhạy cao, có khả năng xác định đến 1 µg protein Ngoài ra, quy trình thực hiện đơn giản và không tốn nhiều thời gian Một trong những ưu điểm lớn của phương pháp này là ít bị ảnh hưởng bởi các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu protein.

Phương pháp xác định nồng độ protein dựa trên sự thay đổi bước sóng hấp thu của thuốc nhuộm Coomassie Brillant Blue khi kết hợp với protein Trong môi trường axit, thuốc nhuộm có màu đỏ với bước sóng cực đại 465 nm, nhưng khi liên kết với protein, nó chuyển sang màu xanh dương và hấp thu ở 595 nm Độ hấp thu tại 596 nm tương ứng trực tiếp với nồng độ protein trong mẫu Để xác định protein, trước tiên cần xây dựng đường chuẩn từ dung dịch protein có nồng độ đã biết Sau khi thêm dung dịch protein vào thuốc nhuộm, màu sẽ xuất hiện sau 2 phút và duy trì ổn định trong 1 giờ Đo phổ tử ngoại của dung dịch cho giá trị ODx, độ hấp thụ tỷ lệ thuận với lượng protein Thực hiện đối chứng với HCl để có giá trị ODO, từ đó tính ∆OD = ODx – ODO Lượng protein trong mẫu được xác định dựa trên đường chuẩn từ giá trị ∆OD.

Các phương pháp phân tích

1.17.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc, xác định pha, nhận dạng thành phần và đo kích thước trung bình của nhiều loại vật liệu khác nhau.

Khi tia X chiếu vào mẫu bột, các lớp tinh thể hoạt động như những tấm gương phản xạ chùm tia X Sự giao thoa giữa các tia phản xạ và các dòng nguyên tử trong tinh thể thể hiện qua định luật Bragg: nλ = 2dsinθ (với n = 1, 2, 3, ).

: bước sóng tia X( A 0 ); n: Bậc giao thoa; : Góc hợp bởi tia tới và mặt phẳng mạng; d: Hằng số mạng (khoảng cách giữa các lớp nguyên tử trong tinh thể)

Sự mở rộng đỉnh của thí nghiệm nhiễu xạ cung cấp thông tin quý giá về đường kính trung bình của hạt, được tính toán thông qua công thức Scherrer.

 = FWHM: độ bán rộng của vạch nhiễu xạ

Sản phẩm sau khi tổng hợp xong đƣợc đo nhiễu xạ tia X bằng máy Siemens Diffraktometer Viện Vật Lý Việt Nam

1.17.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại

FT-IR là phương pháp phân tích dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất, cho phép ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử Phương pháp này có khả năng phân tích với lượng mẫu rất nhỏ, cung cấp thông tin về cấu trúc, định tính và định lượng của chất cần nghiên cứu Đặc biệt, FT-IR có độ nhạy cao, ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày ở mức nano mét.

Sản phẩm sau khi tổng hợp đƣợc tiến hành đo tại Viện Địa Lý

Máy đo mẫu rung (Vibrating Specimen Magnetometer - VSM) là thiết bị thường được sử dụng để xác định tính chất từ của vật liệu dựa trên các yếu tố như từ trường, nhiệt độ và thời gian Nguyên lý hoạt động của VSM dựa vào sự dao động của mẫu trong từ trường, từ đó tạo ra một mômen từ xoay chiều thông qua đầu dò phù hợp.

Kế mẫu rung hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, trong đó sức điện động được sinh ra khi mẫu sắt từ dao động với tần số không đổi, dưới ảnh hưởng của từ trường đồng nhất và không đổi.

1.17.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là công cụ quan trọng trong việc phân tích hình dạng và cấu trúc của vật liệu nano TEM cho phép quan sát trực quan các đặc điểm của mẫu, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc vật liệu.

Mẫu phân tích là mẫu lỏng được phủ lên lưới đồng, nơi nano kim loại bám vào bề mặt lưới và được đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, JEM-1400 từ Nhật Bản tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia Vật liệu Polymer và Composite, ĐH Bách Khoa, Tp HCM Sau khi tinh chỉnh máy để có được ảnh TEM rõ nét nhất của hạt nano kim loại, các ảnh sẽ được chụp và lưu trữ dưới dạng file ảnh để gửi đến máy tính.

1.17.5 Phổ tử ngoại khả kiến

Phương pháp đó phổ UV – Vis là một phương pháp định lượng, xác định nồng độ của các chất thông qua độ hấp thụ của dung dịch

Ánh sáng có độ dài sóng xác định, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy (Vis) và ánh sáng không nhìn thấy (UV – IR), khi đi qua một vật thể hấp thu (thường là dung dịch), sẽ bị hấp thu một phần Từ lượng ánh sáng bị hấp thu này, ta có thể suy ra nồng độ của dung dịch.

1.17.6 Phân tích nhiê ̣t tro ̣ng lượng (TGA)

TGA là phương pháp xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi hoặc nhận vào trong quá trình chuyển pha, như một hàm của nhiệt độ.

Khi vật chất bị nung nóng, khối lượng của chúng sẽ bị mất đi do các quá trình như bay hơi hoặc từ các phản ứng hóa học giải phóng khí Một số vật liệu có thể nhận được khối lượng do chúng phản ứng với môi trường kiểm tra.

Phép đo TGA được sử dụng để xác định khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha, theo thời gian và nhiệt độ do quá trình khử nước hoặc phân ly Đường phổ TGA đặc trưng cho hợp chất hoặc hệ thống, phản ánh thứ tự các phản ứng hóa học diễn ra tại một khoảng nhiệt độ nhất định, liên quan đến cấu trúc phân tử Sự thay đổi khối lượng là kết quả của quá trình đứt gãy và hình thành nhiều liên kết vật lý và hóa học khi nhiệt độ tăng, dẫn đến sự bay hơi của các sản phẩm hoặc tạo thành các sản phẩm nặng hơn.

Nhiê ̣t đô ̣ sử du ̣ng bình thường khoảng 1200 o C Môi trường sử du ̣ng là khí trơ hoă ̣c khí tích cực

Phương pháp phân tích này bao gồm các quá trình như bay hơi, hủy cấu trúc, phân hủy cacbonat, oxi hóa sulphua, oxi hóa florua và tái hydrat hóa, tạo ra những đứt gãy hoặc hình thành các liên kết vật lý hóa học trong mẫu chất Đây là một phương pháp phân tích khối lượng, cung cấp thông tin chính xác để xác định thành phần khối lượng của các chất có mặt trong mẫu Đồng thời, phương pháp này cũng cho phép xác định thành phần độ ẩm, dung môi và chất phụ gia của vật liệu.

Trong luận văn này, chúng tôi thực hiện việc đo đạt mẫu bằng thiết bị TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua) tại PTN Trọng điểm QG Vật liệu Polyme và compozit Mẫu lỏng được phân tích sẽ được phủ lên lưới đồng, với nano kim loại bám vào bề mặt lưới, sau đó được đo bằng kính hiển vi JEM-1400 (Joel, Nhật Bản).

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) đƣợc ghi bởi máy quang phổ

TENSOR 27 (Brucker, Germany), đo tại phòng thí nghiệm Vật liệu kĩ thuật cao, F.17, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh và Viện Vật Lý Việt Nam Đường cong từ hóa được đo ở nhiệt độ phòng bởi từ kế mẫu rung (VSM)

MicroSense (USA) – Viện Vật lý TpHCM

Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) đƣợc đo bởi máy D8–ADVANCE (Bruker,

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

KẾT QUẢ VÀ ĐỀ NGHỊ