Các hạt nano trong cơ thể sống

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG oOo Các hạt nano trong cơ thể sống HVTH: Nguyễn Trung Độ LỚP: Vật lý điện tử K20 GV: PGS. Trần Hoàng Hải  Giới thiệu: Các hạt nano thường trong phạm vi kích thước của 1-100nm (1nm = 10 -9 m), và có thể có hình dạng và cấu tạo khác nhau. Kích thước của chúng rất nhỏ ảnh hưởng tính chất vật lý và hóa học rất khác với cùng một tài liệu dưới dạng khối. Các tính chất này bao gồm một bề mặt lớn đến trong cùng một tỷ lệ thể tích, tăng cường tập hợp hạt hoặc cản trở tùy thuộc vào loại biến đổi bề mặt, sự quang phát xạ, dẫn điện và dẫn nhiệt cao, và cải thiện hoạt động xúc tác bề mặt. Các hạt nano có cấu trúc rất bền và tính chất vật lý của chúng biến thể bởi biến của hình dạng hạt, kích thước và thành phần. Với kích thước nano với kích thước đặt thù phân tử sinh học và bào quan của tế bào. Điều này sẽ cho phép tương tác một một giữa các hạt nano và các phân tử sinh học. Các tính chất của các hạt nano làm cho họ tiềm năng cao để sử dụng trong các ứng dụng y tế khác nhau đặc biệt trong ống nghiệm chẩn đoán, nơi họ hứa hẹn tăng nhạy cảm, tốc độ, và hiệu quả chi phí. Ba hạt nano hứa hẹn rằng sẽ được thảo luận ở đây là: các chấm lượng tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và các hạt nano siêu thuận từ. Bảng 1 tóm tắt các thuộc tính chính của các hạt nano phổ biến Nhu cầu thường xuyên để cải thiện hiệu suất của các xét nghiệm chẩn đoán hiện tại cũng như phát triển các chiến lược thử nghiệm sáng tạo để đáp ứng những thách thức thử nghiệm mới. Việc sử dụng các hạt nano hứa hẹn sẽ giúp thúc đẩy trong ống nghiệm để chẩn đoán mức độ cao hơnvề hiệu suất. Chấm lượng tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và các hạt nano siêu thuận là những hứa hẹn nhất trong các ứng dụng cấu trúc nano cho ống nghiệm chẩn đoán. Các hạt nano có thể được kết hợp để moieties (một nửa)công nhận như là các kháng thể hoặc oligonucleotides để phát hiện các phân tử sinh học nhắm mục tiêu. Các hạt nano đã được sử dụng trong miễn dịch, immunohistochemistry (miễn dịch mô hóa học), chẩn đoán ADN, bioseparation (phân tách sinh học) của quần thể tế bào cụ thể, và hình ảnh di động. Chẩn đoán dựa trên các hạt nano có thể mở biên giới mới để phát hiện các khối u, các bệnh truyền nhiễm, khủng bố sinh học, các đại lý, và các bệnh thần kinh, đến tên một vài. Làm việc nhiều hơn là cần thiết để sử dụng tối ưu hóa đầy đủ của các hạt nanođể chẩn đoán lâm sàng và để giải quyết một số lo ngại về sức khỏe tiềm năng và rủi ro môi trường liên quan đến sử dụng của họ. Tuy nhiên, chúng tôi hình dung sự phát triển hơn nữa của các chẩn đoán dựa trên các hạt nano sẽ mang xét nghiệm độc đáo với độ nhạy và tăng cường khả năng ghép kênh cho các phòng thí nghiệm lâm sàng hiện đại. Bảng 1 Hạt nano Cấu trúc Phương pháp dò tín hiệu Thuận lơi. QDS Tinh thể nano thường bao gồm một lõi cadmium selenide ví dụ như bán dẫn (CdSe) được kèm theo trong một vỏ bán dẫn khác với một sulfua kẽm lớn hơn bandgap ví dụ như quang phổ (ZnS)- Một vỏ silica thứ ba có thể được thêm vào các tinh thể nano với độ hòa tan nước. Huỳnh quang đo lường sử dụng một fluorometer, kính hiển vi huỳnh quang, hoặc lĩnh vực kính hiển vi epifluorescence. - kích thước, phạm vi rộng - thu hẹp giải phổ phát xạ. - Photostability -quang tunability (kiểm soát của bước sóng phát xạ bằng cách điều khiển kích thước) -Multiplexing AuNP s Hoặc là một lõi điện môi (thường là vàng sulfide hay silica) kèm theo trong một vỏ vàng mỏng (gọi là vỏ nano) hoặc đơn giản là vàng hạt nano hình cầu. Một số phương pháp phát hiện có thể được sử dụng như đo màu, scanometric, điện tử và điện, ánh sáng phân tán, tăng cường bề mặt tán xạ Raman. -Quang tunability -quang mạnh tín hiệu. Hạt nano siêu thuận từ -Bao gồm các kim loại từ tính như sắt, hoặc hợp kim của các kim loại khác nhau. Máy đo từ -Độ nhạy cao do phát hiện các thay đổi tinh tế trong các nhân vật từ tính. 1. Chấm lượng tử (QDs): 1.1 Định nghĩa: Chấm lượng tử, được biết cũng như là một tinh thể nano, là chất hữu cơ huỳnh quang với đường kính đặc trưng là 2-10nm. Một chấm lượng tử là hạt nhân của chất bán dẫn được bao phủ bỡi lớp vỏ bán dẫn khác, có độ rộng vùng cấm lớn (vùng cấm là vùng năng lượng ngăn cách các vùng năng lượng, đó là vùng hóa trị và vùng dẫn). Chức năng lớp vỏ là để tăng hiệu suất lượng tử của QDot cũng như là tăng cường tính bền quang học. Chúng có phạm vi kích thích rộng (một QDot bất kì có thể được kích thích bỡi ánh sáng UV), vùng phát xạ hẹp mạnh và có tính bền quang học hơn. Các tính chất phát xạ của QDs có thể được điều kiển bằng cách thay đổi kích thước và thành phần của chúng. Mặc dù QDs thường không hòa tan trong nước, chúng có thể được thực hiện tương hợp sinh học bằng một vài chiến lược bao gồm bên trong là chất silanization và bao phủ bên ngoài lớp vỏ polymer vì vậy QDs được sử dụng trong các hệ thống sinh học. 1.2 Chế tạo QDs . Khi QDs hấp thụ ánh sáng có năng lượng cao hơn khoảng cách dải quang phổ của hạt nhân chất bán dẫn, một exciton (cặp electron-lỗ trống) được sinh ra. Sự hấp thụ được tăng ở các bước sóng ngắn hơn và kết quả một vùng phổ hấp thụ rộng được hình thành, đây là trái ngược với thông thường của chất huỳnh quang. Exciton có thời gian tồn tại (thời gian sống) 10-40 ns trái ngược với loại thuốc nhuộm hữu cơ điển hình như chất huỳnh quang chỉ vài nano giây. Khi trở về lại trạng thái năng lượng thấp hơn, một photon phát ra năng lượng, làm xuất hiện một vùng năng lượng hẹp, đó là dấu hiệu giống với huỳnh quang. Khi QDs này có bán kính nhỏ hơn bán kính Bohr exciton, đó là khoảng cách tách biệt tự nhiên giữa một electron và lỗ trong một cặp exciton, các mức năng lượng cho một photon lúc này là lượng tử hóa. Một mối quan hệ trực tiếp giữa giá trị của lượng tử năng lượng phát ra và kích thước của QDs tồn tại. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng giam cầm lượng tử, tên gọi là QDs , và nó cũng là nguồn gốc của quang phổ phát xạ kích thước được điều chỉnh của QDs. Các tín hiệu huỳnh quang tạo ra bởi QDs có thể được phát hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật khác nhau bao gồm cả kính hiển vi đồng tụ, kính hiển vi phản xạ bên trong, kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi rộng lĩnh vực lân quang và huỳnh quang. 1.3 Ứng dụng QDs QDs được sử dụng để đánh giấu trong xét nghiệm miễn dịch, nhuộm mô miễn dịch, và hình ảnh di động. Thực tế là nhiều QDs có thể được kích thích bởi một ánh sáng duy nhất làm cho chúng phù hợp hoàn thiện với nhiều chẩn đoán. Việc sử dụng các hạt dựa trên xét nghiệm với QDs cũng là xem xét trong [15]. Hình 1 trình bày một sơ đồ phát hiện đồng thời chất phân tích khác nhau sử dụng QDs kích thước khác nhau. Goldman và cộng sự phát triển một xét nghiệm miễn dịch đa hợp để phát hiện đồng thời của bệnh tả, chất ricin (một loại albumin có độc tính cao trong dầu), Shiga-như độc tố 1, và khuẩn tụ cầu B trong ruột sử dụng các kháng thể có liên quan liên hợp để QDs kích thước khác nhau (màu sắc phát xạ khác nhau). Có thể nhận ra nồng độ thấp nhất 10 ng/ml (bệnh dịch tả), 30 ng/ml (ricin), 300 ng/ml (shiga-hình 1), and 3 ng/ml (B). Klostranec và các cộng sự phát triển hệ thống chuẩn đoán đa hợp sử dụng một chip vi lỏng và kháng nguyên bao QDs và nhúng trong ống micro thủy tinh polystyrene (PS). Hệ thống phát hiện kháng thể chống lại virus viêm gan B, viêm gan virus C, và HIV, trong huyết thanh con người, với độ nhạy được xác nhận là một phần triệu triệu. Hệ thống yêu cầu ít hơn 100 ml mẫu và đã có một lượt với khoảng thời gian ít hơn 1h và lớn hơn 50 lần so với độ nhạy cảm hiện có được của phương pháp FDA, bằng cách sử dụng cùng một kháng nguyên và kháng thể. Hình. 1. Sơ đồ phát hiện đồng thời các mục tiêu khác nhau trong một mẫu huyết thanh bằng cách sử dụng QDs kích thước khác nhau, functionalized với moieties công nhận khác nhau: peptide protein (QD1), biotin (QD2), oligonucleotide (QD3), hoặc kháng thể (QD4). Viết tắt: B (biotin), S (streptavidin). Phát thải quang phổ của kích thước khác nhau-QDs (1-4) được hiển thị ở góc trên bên trái thứ. Đánh dấu Oligonucleotide(hợp chất gồm bazơ có chứa nitơ liên kết với một đường và một nhóm liên kết với nhau) với QDs không dẫn đến sự phân cắt DNA mà đôi khi xảy ra nếu chất hữu cơ huỳnh quang được sử dụng cho nhãn (dựa vào sự chiếu sáng khử màu mắc và sau gốc tự do cung cấp nhiều thông tin khác). Một sự kết hợp của hai màu sắc nano tinh thể với khí thải và sự khác nhau đã đượcsử dụng trong phát hiện khảo nghiệm của 10 đa hình đơn nucleotide (SNPs) của tế bào Crom. Các khảo nghiệm sử dụng QĐ-mã hóa nhựa mủ (gọi là Qbead hệ thống) và lưu lượng phát hiện tế bào Cr; kiểu gen SNP đã được xác nhận bởi các trình tự. Độ chính xác của hệ thống Qbead là 100% cho 194 kiểu gen SNP. Trong lĩnh vực hình ảnh, QDs đã được sử dụng để lập bản đồ hạch bạch huyết trọng điểm ở độ sâu 1 cm trong mô sử dụng ít kim loại photphit phủQDs phát ra ở vùng cận hồng ngoại. Điều này cho phép sử dụng cho các ứng dụng QDs trong phẫu thuật [20]. Mặc dù chúng được tiềm thầy ứng dụng lớn lao trong ống nghiệm, một trở ngại chính cho việc sử dụng QDscho hình ảnh trong cơ thể sống là thành phần của chất bán dẫn là có độc tính cao, và lỗ hổng về mặc cơ học của chúng không được tìm hiểu kĩ. 2. Hạt nano vàng: (viết tắt AuNPs) 2.1 Cấu trúc: AuNPs thường bao gồm một vỏ vàng mỏng xung quanh một lõi điện môi (một vật liệu cách điện, ví dụ như silica), gọi tắt là nanoshells hoặc chỉ là hạt nano vàng AuNPs (thường là hình cầu). Chúng có kích thước 0.8- 250 nm và được đặc trưng bởi hệ số hấp thụ cao. Kích thước và hình dạng của AuNPs xác định thông qua tính chất quang của nó. Đối với vỏ nano vàng, sự biến đổi độ dày tương đối của lõi và lớp vỏ bên ngoài cho phép thay đổi của cộng hưởng quang học của vàng, sự chuyển đổi xa ở vùng hồng ngoại giữa 2.2 Chế tạo: Nguồn gốc của các tính chất quang của AuNPs là hiện tượng được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Khi một bức xạ điện từ, có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với đường kính của AuNPs, số hạt va chạm, làm các hạt kết dính lại, dao động cộng hưởng của các điện tử qua các hạt nano kim loại. Những dao động được gọi là SPR, nằm trong phạm vi tần số nhìn thấy được và kết quả là hấp thụ quang học và tán xạ của hạt AuNPs rất mạnh mẽ[23]. Một hiện tượng liên quan chặt chẽ gọi là tương tác plasmon-plasmon cho phép sử dụng AuNPs như thiết bị đo màu để phát hiện phân tử sinh học. Một giải pháp là dùng chất keo của AuNPs hình cầu màu đỏ, tuy nhiên, khi các hạt nano tương tác, tổng hợp của các vùng lân cận hạt AuNPs(tương tác plasmon- plasmon ) thay đổi màu đỏ sang màu xanh. Như vậy các ràng buộc của AuNP- ký hiệu các thực thể để nhắm đối tượng tương ứng của chúng sẽ dẫn đến sự kết hợp của các hạt nano và một sự chuyển dịch phát hiện trong các tín hiệu quang Hình. 2. BCSA để phát hiện DNA. (A) hạt nano vàng và thăm dò từ tính microparticle chuẩn bị. Các hạt nano vàng chịu hai loại oligonucleotides, một trong đó là bổ sung cho trình tự mục tiêu quan tâm, khác nhau từ các khu vực được công nhận bởi microparticle từ, và khác đó là bổ sung vào một DNA mã vạch (tỷ lệ là 1:100) ( B) dựa trên các hạt nano DNA khuếch đại tín hiệu chương trình. Sao chép với sự cho phép từ Nam JM, Stoeva SI, Mirkin CA. Am J. Am Chem Soc. 2004; 126:5932-3. học [6,21-24]. Sự hấp thu mạnh mẽ của AuNPs cũng có thể được sử dụng trong việc phát hiện đo màu của các chất phân tích bằng phương pháp thay đổi chiết suất của môi trường được gây ra bởi sự hấp thụ của AuNPs. Cuối cùng, AuNPs có thể được sử dụng để phát triển phương pháp phát hiện điện hóa nhạy cảm kết hợp với xét nghiệm enzym. Một ví dụ là sự phát triển của cảm biến sinh học sử dụng enzyme amperometric AuNP biến đổi điện cực để xác định glucose 2.3 Ứng dụng: AuNPs có thể được sử dụng trong ghi nhãn DNA hoặc protein để phát hiện các chỉ tiêu sinh học với độ nhạy được tăng cường. Chúng chủ yếu sử dụng trong sự tạo ảnh, xét nghiệm miễn dịch, và các ứng dụng chẩn đoán phân tử Lin và cộng sự [27] sử dụng AuNPs cho sự phát triển của một vi kênh xét nghiệm miễn dịch phát hiện rằng kháng nguyên E. coli và H. pylori với một giới hạn được nhận thấy là 10 ng. Các AuNPs được liên hợp với kháng thể thứ cấp cụ thể cho các kháng thể chính biotinylated chống lại tác nhân gây bệnh. Mặc dù độ nhạy là khảo nghiệm so sánh với các thông thường chấm ELISA, hệ thống vi kênh là rất cao phải chịu sự thu nhỏ. Duan và các đồng sự [28] phát triển một xét nghiệm đã phát hiện đồng thời bệnh viêm gan B (HBV) và viêm gan virus C (HCV) sử dụng một con chip protein, phát hiện dựa trên hạt AuNP, và tăng cường bạc. Từ kháng nguyên HBV và HCV được cố định trên một chip kính để chụp HBV và HCV kháng thể trong huyết thanh của con người. Hạt AuNP được ký hiệu trên hạt cầu protein A sau đó đã được thêm vào để phát hiện bắt kháng thể và nhuộm chất bạc để khuếch đại các tín hiệu và phát hiện. Điều này tạo ra những đốm đen trên chip khảo nghiệm đã được nhìn thấy được bằng mắt thường. Tanaka và các cộng sự [29] được sử dụng kháng thể trung ký hiệu với AuNPs cho việc tăng cường một xét nghiệm miễn dịch. Các phát hiện khảo nghiệm nâng cao con người chorionic gonadotropin (thuộc màng đệm) và tuyến tiền liệt cụ thể tổng số trong huyết thanh kháng nguyên với giới hạn phát hiện thấp hơn 1 pg / ml và 0,2 ng / ml. Các ký hiệu hạt AuNP kết quả trong việc phát hiện tín hiệu đo màu, được tạo ra trong vòng chưa đầy 15 phút. Một ứng dụng chính của AuNPs sẽ là toàn bộ máu được phân tích, do sự thoát ra ở vùng gần hồng ngoại của chúng. Điều này đã được chứng minh bởi Hirsch và các cộng sự phát triển một xét nghiệm miễn dịch có khả năng phát hiện phụ nanogam / mL của chất phân tích khác nhau bao gồm lượng rất nhỏ IgG trong môi trường khác nhau trong vòng10-30 phút. AuNPs là những thành phần quan trọng của việc khảo nghiệm sinh học mã vạch (BCA), đã được đề xuất như là một thay thế trong tương lai để PCR,với độ nhạy zeptomolar để phát hiện DNA. Hình 2 minh họa việc sử dụng của BCA để phát hiện DNA. Các BCA cũng được sử dụng để phát hiện protein với độ nhạy attomolar[21]. Trong trường hợp này, BCA liên quan đến sự cô lập của kháng nguyên mục tiêu bằng một quá trình hình thành lớp kẹp giữa oligonucleotide liên quan đến biến đổi AuNPs và hạt vi mô từ tính. BCA rất nhạy là một kết quả của việc hấp thụ hiệu quả của kháng nguyên và quá trình khuếch đại xảy ra như là kết quả của số lượng lớn các sợi DNA mã vạch được phát hành cho từng kháng nguyên sự kiện ràng buộc. Cách tiếp cận này cho phép phát hiện 30 bản sao của một protein trong một hỗn hợp lớn các protein khác. Georganopoulou và các cộng sự [31] phát triển một BCA để đo lường một điểm đánh dấu khả năng hòa tan của bệnh Alzheimer; amyloidβ có nguồn gốc khuếch tán phối tử, trong các mẫu dịch não với độ nhạy attomolar [31,32].Ngoài ra, Namet và các cộng sự [33] phát triển một BCA để phát hiện interleukin - 2. Các khảo nghiệm bao gồm việc các phân tử được được kí hiệu bắt lại và lớp phủ sợi DNA mã vạch lên silica (không từ tính) hạt vi mô sau khi chụp lại kí hiệu. Các đầu dò được tách sợi DNA và mã vạch được giải thoát và phát hiệnbằng cách sử dụng DNA biến đổi đầu dò các hạt nano vàng. Thực tế phát hiện mục tiêu này dựa trên một sự thay đổi màu từ đỏ sang xanh dương. AuNPs cũng có thể có ích cho các ứng dụng hình ảnh, vì chúng không gây độc tế bào [1,6,13,34]. Sokolov và các cộng sự [35] sử dụng AuNPs (đường kính~ 12 nm) liên hợp với kháng thể đơn dòng chống lại yếu tố tăng trưởng thu nhận biểu bì (EGFR), đó là qua thể hiện trên bề mặt của tế bào ung thư biểu mô cổ tử cung (SiHa tế bào). Các hợp ràng buộc để EGFR và kết quả là một sự thay đổi màu đỏ phát hiện của ~ 6 nm trong vùng hấp thụ ánh sáng UV của chất keo AuNPs , cho phép hình ảnh của các tế bào thể hiện EGFR. Mặc dù, nó không dùng cho ứng dụng chẩn đoán, có giá trị cho điều trị quang nhiệt (PTT) là một trong những nơi đầy hứa hẹn nhất cho việc sử dụng AuNPs, và minh họa mạnh mẽ tiềm năng của chúng trong y học. PTT sẽ cung cấp hiệu quả phá hủy vùng cư trú của khối u bằng sự liên kết các AuNPs để một nửa khối u nhận trực tiếp và sau đó là toàn bộ khối. Sau đó, các xung laser ngắn được hướng dẫn vào AuNPs được chuyển thành năng lượng nhiệt phá hủy các tế bào khối u mà thường ở các chỗ có sự nhạy cảm hơn so với tế bào bình thường [...]... [26,38] Loại bỏ các từ trường ngoài sẽ gây ra các hạt nano mất sự liên kết của chúng với các vùng và làm yếu sự từ hóa ngẫu nhiên của chúng Để làm cho các hạt nano siêu thuận từ tương hợp sinh học, chúng được phủ một lớp vật liệu như silic hoặc polyethylene glycol Vì các phân tử sinh học tương tác với nhau, bề mặt của các hạt nano có thể được sửa đổi bằng cách gắn các phối tử thích hợp như kháng thể, protein...3 Hạt nano siêu thuận từ: 3.1 cấu trúc Các hạt nano siêu thuận từ được làm bằng vật liệu từ tính như sắt, niken, coban, hoặc hợp kim của kim loại từ tính Các hạt nano thể hiện các hiện tượng siêu thuận từ nơi năng lượng nhiệt là đủ để thay đổi hướng từ hóa của các hạt nano 3.2 chế tạo Một hạt nano siêu thuận từ sẽ sinh ra một moment từ tính vô cùng... kháng thể để phát hiện các hạt virus Những hạt này sẽ hình thành cốt liệu chỉ trong sự hiện diện của virus mục tiêu, k thay đổi phát hiện trong thời gian thư giãn từ của proton trong các phương tiện truyền thông xung quanh Sao chép với sự cho phép của Rosi và M Chem rev 2005; 105:1547-62 3.3 ứng dụng Các hạt nano siêu thuận có thể được sử dụng cho nhiều xét nghiệm miễn dịch, và đại lý tương phản trong. .. nối của nhiều nguyên tử quay trong sự hiện diện của từ trường bên ngoài,mà không xảy ra bên trong các chất thuận từ bình thường mà mỗi nguyên tử bị ảnh hưởng bởi trường độc lập Trong sự hiện diện của một gradient từ trường ngoài (gradient là sự chênh lệch nồng độ), từ những khoảnh khắc lớn của tất cả các nguyên tử sắp xếp trong vùng này và do đó các hạt nano siêu thuận có thể được điều khiển để nắm bắt... Chem rev 2005; 105:1547-62 3.3 ứng dụng Các hạt nano siêu thuận có thể được sử dụng cho nhiều xét nghiệm miễn dịch, và đại lý tương phản trong hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), nơi họ đã lớn hơn nhiều so với các đại lý từ tính nhạy cảm tương phản MRI thông thường, chẳng hạn như gadolinium . phí. Ba hạt nano hứa hẹn rằng sẽ được thảo luận ở đây là: các chấm lượng tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và các hạt nano siêu thuận từ. Bảng 1 tóm tắt các thuộc tính chính của các hạt nano. Chấm lượng tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và các hạt nano siêu thuận là những hứa hẹn nhất trong các ứng dụng cấu trúc nano cho ống nghiệm chẩn đoán. Các hạt nano có thể được kết hợp để. LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG oOo Các hạt nano trong cơ thể sống HVTH: Nguyễn Trung Độ LỚP: Vật lý điện tử K20 GV: PGS. Trần Hoàng Hải  Giới thiệu: Các hạt nano thường trong phạm vi kích thước của