Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF 4 chứa ion đất hiếm er 3+ và yb 3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - HÀ THỊ PHƢỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - HÀ THỊ PHƢỢNG TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số : 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Trần Thu Hƣơng GS TS Lê Quốc Minh Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Cơng trình thực phòng Quang Hóa Điện tử – Viện Khoa học vật liệu – Học viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Trần Thu Hương GS.TS Lê Quốc Minh Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Hà Thị Phƣợng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến tập thể giáo viên hướng dẫn, TS Trần Thu Hương GS.TS Lê Quốc Minh, người thầy tận tình hướng dẫn, hỗ trợ định hướng cho tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Phòng Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu; Ban lãnh đạo Khoa Khoa học vật liệu lượng; Ban Giám đốc Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất cho suốt q trình thực bảo vệ luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới đồng nghiệp Bộ mơn Hóa học, Trường Đại học Y Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi mặt để tơi tập trung nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cám ơn tập thể anh, chị công tác Viện Khoa học vật liệu chia sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ, giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Thị Vinh, Trường Đại học Mỏ Địa chất, giúp đỡ nhiều trình hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến người thân gia đình ln động viên, chia sẻ nguồn cổ vũ, giúp đỡ vượt qua khó khăn suốt q trình thực luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Hà Thị Phƣợng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4 .6 1.1 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất 1.1.1 Đặc điểm chung nguyên tố đất 1.1.2 Vật liệu phát quang chứa ion đất 1.2 Quá trình phát quang chuyển đổi ngược 11 1.2.1 Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược 11 1.2.2 Các thành phần vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược 15 1.2.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ 19 1.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất ứng dụng y sinh 21 1.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 22 1.3.2 Phương pháp sol - gel 25 1.3.3 Phương pháp vi sóng (Microwave) 26 1.4 Ứng dụng vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược y sinh 27 1.4.1 Nhận dạng sinh học (bioimaging) 28 1.4.2 Cảm biến sinh học (biosensing) .30 1.4.3 Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) 36 1.4.4 Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) 37 Kết luận chƣơng 40 Chƣơng CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 41 2.1 Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ 41 iv 2.2 Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+ 42 2.2.1 Phương pháp xử lý bề mặt 42 2.2.2 Phương pháp chức hóa bề mặt vật liệu liên hợp hóa vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học 44 2.3 Phân tích cấu trúc, hình thái học nghiên cứu tính chất phát quang vật liệu 46 2.3.1 Phân tích cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X .46 2.3.2 Phân tích cấu trúc phân tử phương pháp phổ dao động .47 2.3.3 Khảo sát hình thái học vật liệu kĩ thuật hiển vi điện tử quét phát xạ trường 49 2.3.4 Nghiên cứu tính chất phát quang vật liệu phương pháp phổ huỳnh quang 50 2.3.5 Kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang nhận dạng kính hiển vi huỳnh quang .51 Kết luận chƣơng 53 Chƣơng CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NaYF4: Yb3+, Er3+ 54 3.1 Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4: Yb3+, Er3+ 54 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) 54 3.1.2 Kết nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 56 3.1.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 59 3.2 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có hỗ trợ chất tạo khn mềm - PEG .62 3.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 62 3.2.2 Kết nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG .64 3.2.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 66 v 3.3 Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 .69 3.3.1 Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ với thay đổi thứ tự tạo NaYF4 (quy trình 2) 69 3.3.2 Kết nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 70 3.3.3 Kết khảo sát tính chất phát quang vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ cấu trúc β-NaYF4 tổng hợp theo qui trình .75 Kết luận chƣơng 77 Chƣơng KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƢ MCF7 78 4.1 Xử lý bề mặt, chức hóa liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ Er3+ 78 4.1.1 Xử lý bề mặt vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ Er3+ silica 79 4.1.2 Chức hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica APTMS 80 4.1.3 Chức hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica TPGS 82 4.1.4 Liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 acid folic 84 4.2 Kết nghiên cứu hình thái học, cấu trúc tính chất phát quang vật liệu chức hóa, liên hợp hóa 87 4.2.1 Cấu trúc hình, thái học vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica chức hóa, liên hợp hóa 87 4.2.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica chức hóa, liên hợp hóa 89 4.2.3 Tính chất phát quang vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica chức hóa liên hợp hóa 92 4.3 Kết thử nghiệm dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 95 4.3.1 Quy trình thử nghiệm .95 4.3.2 Kết thử nghiệm 97 Kết luận chƣơng 100 KẾT LUẬN CHUNG 101 DANH MỤC CÁC CÔNG B KHOA HỌC 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Tên đầy đủ APTMS 3-aminopropyltrimethoxysilane DCC N, N’-Dicyclohexylcarbodiimide (C13H22N2) DMSO Dimethyl sulfoxide (C2H6OS) đ.v.t.đ Đơn vị tương đối EG Ethylene glycol ESA Hấp thụ trạng thái kích thích (excited-state absorption) ET Ethanol ETU Chuyển đổi ngược truyền lượng (Energy Transfer Upconversion) FA Acid folic (C19H19N7O6) FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát trường (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FRET Truyền lượng cộng hưởng Förster (Förster resonance energy transfer) FTIR Phổ hồng ngoại khai triển Fourier (Fourier Transform infrared spectroscopy) FWHM Độ rộng bán phổ vạch nhiễu xạ cực đại (Full-width at half maximum intensity) GSA Hấp thụ trạng thái (ground-state absorption) IR Hồng ngoại vii LRET Truyền lượng cộng hưởng quang huỳnh quang (Luminescence Resonance Energy Transfer) NHS N-Hydroxysuccinimide (C4H5NO3) RE3+ Ion đất hóa trị PBS Phosphate Buffer Saline PEG Polyethylene glycol PL Huỳnh quang (photoluminescence) TEOS Tetraethyl orthosilicate (C8H20O4Si) TPGS D-alpha-tocopheryl poly ethylene glycol 1000 succinat UC Huỳnh quang chuyển đổi ngược (upconversion) UCL Phát quang chuyển đổi ngược (Upconversion Luminescence) UCNP Vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược (Upconversion Nanophosphors) XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) viii Các kí hiệu Kí hiệu Tên đầy đủ  Bước sóng (wavelength) exc Bước sóng kích thích (excitation wavelength) 2θ Góc nhiễu xạ tia X Mw Khối lượng phân tử E Năng lượng ... QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NaYF4 : Yb3 +, Er3 + 54 3.1 Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất NaYF4 : Yb3 +, Er3 + 54 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu. .. NaYF4 :Yb3 +, Er3 + (1); NaYF4 :Yb3 +, Er3 +@silica (2) NaYF4 : Yb3 +, Er3 +@silica/TPGS (3) .90 Hình 4. 13 Phổ hồng ngoại mẫu NaYF4 :Yb3 +, Er3 + (1); NaYF4 :Yb3 +, Er3 +@silica (2); NaYF4 : Yb3 +, Er3 +@silica-NH2... hợp khảo sát tính chất vật liệu nano phát quang NaYF4 chứa ion đất Er3 + Yb3 + định hướng ứng dụng y sinh Mục tiêu Tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4 : Yb3 +, Er3 +