Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng mô hình vật lý cho sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ hạt GNP trong quá trình truyền năng lượng, Đề xuất một phương pháp chế tạo chấm lượng tử cacborn (CQD) dựa trên tương tác plasma - chất lỏng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI Nguyễn Minh Hoa MỘT SỐ CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỆC ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý toán Mã số: 44 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TỐN Hà Nội - 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học sư phạm Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Như Thảo TS Đỗ Hoàng Tùng Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Trường chấm luận án tiến sĩ họp Trường Đại học sư phạm Hà Nội vào hồi ngày tháng năm 20 MỞ ĐẦU Nhiều phương pháp chữa bệnh y học đại ln kèm đóng góp phương pháp vật lý, xem xét từ sở vật lý Chẳng hạn liệu pháp quang nhiệt trị liệu, quang động lực trị liệu, xạ trị kết hợp với GNP (Gold nanoparticle - hạt nano vàng), dựa vào hiệu ứng nhiệt để tiêu diệt tế bào bệnh Hơn tác nhân quang nhiệt nano vàng vật liệu carbon nghiên cứu ứng dụng tiềm y sinh Bên cạnh đó, để hỗ trợ việc sử dụng GNP thể sống, phải đảm bảo việc chế tạo GNP phải Do luận án này, tập trung nghiên cứu truyền lượng có GNP giới thiệu phương pháp thân thiện chế tạo chấm lượng tử carbon Cơ thể sống phương diện vật lý hệ nhiệt động mở, làm sở cho việc ứng dụng vật lý y học tảng yếu tố sinh học quan trọng Chẳng hạn tương tác ánh sáng, tương tác sóng siêu âm, tương tác xạ ion hóa, tương tác nhiệt độ đối tượng hệ thống sống Có thể thấy tương tác nhiệt hay hiệu ứng nhiệt ln có mặt loại tương tác Chính nhờ đặc điểm mà nhiều nghiên cứu tiềm phương pháp tiêu diệt tế bào ung thư nhiệt độ Một vấn đề quan trọng cho ứng dụng y sinh truyền lượng Một liệu pháp tiềm điều trị ung thư sử dụng GNP liệu pháp quang nhiệt, sử dụng lượng photon ánh sáng chuyển đổi thành nhiệt để tiêu diệt hay phá hủy cấu trúc tế bào, nhờ hiệu ứng plasmon GNP Cơ sở phương pháp sử dụng ánh sáng vùng hồng ngoại có bước sóng 650 nm bước sóng phổ hồng ngoại có khả sâu vào thể sóng ánh sáng khả kiến; hình dạng kích thước GNP phải điều chỉnh cho thõa mãn điều kiện trên; mật độ tập trung GNP khối ung thư phải đủ cao để tạo lượng nhiệt cần thiết Chúng giải hai vấn đề liên quan đến truyền lượng có ý nghĩa y sinh Thứ nhất, chúng tơi xây dựng mơ hình vật lý làm rõ vấn đề truyền lượng phụ thuộc vào kích thước GNP Thứ hai, chúng tơi xây dựng mơ hình biểu diễn mối liên hệ cường độ huỳnh quang nồng độ GNP Cung cấp sở vật lý cho liệu pháp chữa trị chẩn đoán kết hợp GNP Trong năm gần đây, việc nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu có kích thước nanomet thu hút nhiều quan tâm Các phương pháp chế tạo vật liệu nano truyền thống phương pháp “từ lên” phương pháp “từ xuống” Năm 2013 Akolkara Sankarana ứng dụng quy trình tương tác plasma - chất lỏng dựa tượng điện phân để chế tạo vật liệu nano Phương pháp hồn tồn khơng sử dụng hóa chất độc hại, khơng có độc tính tương tác tạo sản phẩm kích thước nano So với phương pháp chế tạo vật liệu nano thông thường, vật liệu chế tạo phương pháp dựa tương tác plasma - chất lỏng “sạch” nên dễ dàng dùng y tế Do luận án đề xuất phương pháp chế tạo vật liệu dựa tương tác plasma - chất lỏng để chế tạo chấm lượng tử carbon Từ phân tích, đánh giá nêu chúng tơi chọn đề tài “một số sở vật lý việc ứng dụng vật liệu nano y học đại” để nghiên cứu Luận án tập trung giải ba vấn đề, thứ đề xuất phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon, phần trình bày chương 2; thứ hai xây dựng mơ hình truyền lượng phụ thuộc kích thước GNP thứ ba xây dựng mơ hình thể phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ GNP Hai vấn đề chúng tơi trình bày cụ thể chương Từ chúng tơi xây dựng sở vật lý cho ứng dụng lĩnh vực y sinh Mục tiêu luận án Xây dựng sở vật lý số phương pháp chữa bệnh y học đại, cụ thể: - Xây dựng mơ hình vật lý cho hai chế truyền lượng FRET SET phụ thuộc kích thước GNP, - Xây dựng mơ hình vật lý cho phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ hạt GNP trình truyền lượng, - Đề xuất phương pháp chế tạo chấm lượng tử cacborn (CQD) dựa tương tác plasma - chất lỏng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong khuôn khổ luận án này, tập trung nghiên cứu lý thuyết liên quan đến truyền lượng, đề xuất mơ hình vật lý áp dụng cho GNP hình cầu Về thực nghiệm đề xuất phương pháp chế tạo CQD dựa tương tác plasma - chất lỏng Phương pháp nghiên cứu Về thực nghiệm: Dựa tương tác plasma - chất lỏng xây dựng quy trình chế tạo CQD Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết liên quan truyền lượng, kết hợp máy tính số sử dụng phần mềm Mathematica, xử lý số liệu phần mềm Origin, đối chiếu kết thu với liệu thực nghiệm kết nghiên cứu tác giả khác Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Về phương pháp: Kết luận án góp phần cung cấp sở chế tạo vật liệu CQD độc tính, an tồn cho thể sống; đồng thời cung cấp thông tin hiệu xác tính tốn truyền lượng Về ý nghĩa khoa học: Luận án có hỗ trợ thực nghiệm lý thuyết để giải vấn đề an toàn cho ứng dụng chẩn đoán điều trị bệnh Đây vấn đề quan tâm nghiên cứu kết luận án cung cấp sở vật lý cho số phương pháp chữa bệnh tiềm Vì đề tài mang tính khoa học có định hướng ứng dụng rõ ràng Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục cơng trình liên quan đến luận án cơng bố, tài liệu tham khảo phụ lục, phần nội dung luận án gồm ba chương Chương Trình bày tổng quan ứng dụng vật lý y học đại Chương Trình bày chấm lượng tử carbon tiềm ứng dụng chẩn đốn điều trị Chương Trình bày mơ hình hóa chế truyền lượng ứng dụng chẩn đoán điều trị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC ỨNG DỤNG MỚI CỦA VẬT LÝ TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI 1.1 Mối tương quan số đại lượng vật lý tác động sinh học 1.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên thể sống Tác động sinh học nhiệt độ giảm đau, phục hồi chức điều trị bệnh Tuy nhiên nhiệt độ tối đa an toàn khoảng 45°C 1.1.2 Ảnh hưởng sóng âm lên thể sống Tương tác siêu âm lên thể sống gây nên tác dụng học, tác dụng nhiệt từ gây nên tác dụng sinh học Cụ thể tăng tuần hoàn dinh dưỡng, giãn cơ, giảm đau, chữa bệnh thần kinh, khớp 1.1.3 Tương tác ánh sáng với thể sống Sự tác động ánh sáng lên thể sống gây nên phản ứng sinh lý chức phản ứng phá huỷ, biến tính 1.1.4 Ảnh hưởng xạ ion hóa lên thể sống Tác dụng xạ ion hóa lên thể sống xảy từ cấp độ phân tử đến tế bào 1.2 Tiềm ứng dụng cơng nghệ nano chẩn đốn điều trị 1.2.1 Trong chẩn đoán Việc sử dụng nano kim loại hỗ trợ chẩn đốn bệnh sớm xác 1.2.1.1 Chụp X - quang Trong kỹ thuật X - quang, chất tương phản thường sử dụng hạt nano để theo dõi trình sinh lý, giúp kéo dài thời gian lưu thơng máu cung cấp thời gian hình ảnh lâu 1.2.1.2 Kỹ thuật siêu âm Sử dụng hạt nano rắn thiết bị siêu âm chẩn đốn tăng cường hình ảnh siêu âm bậc xám 1.2.1.3 Kỹ thuật MRI Sử dụng hạt nano từ tính MRI tăng cường độ tương phản cho chẩn đoán ung thư, phát hình thành mạch máu, trình apoptosis biểu gen 1.2.1.4 Kỹ thuật PET/SPECT Các hạt nano đồng vị phát xạ dùng đầu dò giải mã q trình sinh học cách không xâm lấn, chẳng hạn mức độ hấp thụ khối u độ hoạt động enzyme khối u phát triển 1.2.1.5 Kỹ thuật CT Các tác nhân tương phản CT sử dụng hạt nano, ví dụ vàng bitmut, có khả tạo độ tương phản cao làm giảm tiếp xúc xạ tổng thể cho bệnh nhân 1.2.2 Trong điều trị Việc sử dụng hạt nano hạn chế tác dụng xạ tổng thể cho bệnh nhân, đồng thời nâng cao hiệu độ an toàn xạ trị Liệu pháp quang nhiệt sử dụng lượng photon chuyển đổi thành nhiệt để tiêu diệt tế bào hay phá hủy cấu trúc mà không gây ảnh hưởng tới tế bào lành lân cận GNP có hiệu ứng plasmon nên hấp thụ mạnh ánh sáng chuyển đổi lượng photon thành nhiệt cách nhanh chóng hiệu Vấn đề cần giải liệu pháp kích thước hình dạng vật liệu phải chế tạo cho thỏa mãn bước sóng kích thích 650 nm, mật độ nano vàng tập trung khối u phải đủ cao để tạo nhiệt phá hủy tế bào bệnh CHƯƠNG CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ 2.1 Chấm lượng tử carbon Gần số vật liệu chấm lượng tử bán dẫn sử dụng ứng dụng y sinh có chứa số tiền chất độc hại gây tổn hại đến sức khỏe người mơi trường Vì việc tìm kiếm lựa chọn loại vật liệu nano an toàn lĩnh vực y sinh vấn đề cấp thiết cho nhà nghiên cứu CQD có ưu điểm phân tán tốt nước, có dải hấp thụ quang rộng thường hấp thụ mạnh vùng tử ngoại, yếu vùng nhìn thấy phát xạ vùng nhìn thấy, khả tương thích sinh học cao, độ ổn định hố học cao, khơng độc hại dễ dàng chế tạo với giá thành thấp Do khả ứng dụng tốt việc đánh dấu sinh học, quang xúc tác, truyền lượng, quang điện tử cảm biến 2.1.1 Công nghệ chế tạo Chúng lựa chọn phương pháp plasma - chất lỏng áp suất khí có nhiều ưu điểm tổng hợp vật liệu nano như: tổng hợp nhanh, điều kiện phản ứng nhẹ nhàng tiêu hao lượng thấp Các cơng trình nghiên cứu phương pháp kết có khác biệt số đặc trưng CQD 2.1.2 Tính chất quang chấm lượng tử carbon 2.1.2.1 Tính chất hấp thụ CQD thường thể khả hấp thụ quang cực đại vùng UV (230 - 320 nm) với đuôi mở rộng đến vùng nhìn thấy 2.1.2.2 Tính chất quang huỳnh quang CQD có độ khơng nhấp nháy huỳnh quang độ ổn định quang cao chất màu hữu Phổ PL trải rộng từ ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần Sự phát xạ CQD phụ thuộc vào bước sóng kích thích Ngồi PL CQD bị dập tắt điện tử aceptor donor 2.1.3 Tiềm ứng dụng lĩnh vực chẩn đoán điều trị CQD chứng minh có nhiều đặc trưng độc đáo ứng dụng lĩnh vực chẩn đoán điều trị Kích thước nhỏ có tính tương thích sinh học cho phép chúng tham gia hiệu vào việc truyền dẫn thuốc đặc trị tiêu diệt tế bào bệnh Hơn CQD có tiềm xem phương án lựa chọn tốt để thay QD dựa kim loại nặng truyền thống Do vậy, nghiên cứu tiếp tục đề xuất số vấn đề nghiên cứu sau: Một cải thiện công nghệ chế tạo CQD phương pháp plasma – chất lỏng Hai khảo sát, biện luận kết tính chất quang nhận định đánh giá tiềm ứng dụng CQD chẩn đoán điều trị 2.2 Thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử carbon 2.2.1 Công nghệ chế tạo Sử dụng hệ micro – plasma Hình 2.7 Sơ đồ thiết kế hệ Micro - plasma để chế tạo CQD Công nghệ chế tạo: pha hỗn hợp tiền chất C12H22O11 NaOH với nồng độ tính tốn xử lý plasma thời gian 15 phút, lấy dung dịch để khảo sát đặc trưng mẫu 2.2.2 Phương pháp khảo sát 2.2.2.1 Hiển vi điện tử truyền qua Hình 2.9 Sự phân bố kích thước theo số hạt theo cường độ CQD thu từ phổ DLS 2.3.2 Tính chất hấp thụ quang huỳnh quang CQD Đỉnh hấp thụ 302,7 nm (4.09 eV) chuyển π-π*/σ-π* mạch vòng sp liên kết C=C n-π* liên kết C=O Hình 2.10 Phổ Abs đạo hàm bậc hai phổ Abs CQD CQD phát xạ ánh sáng màu xanh, đỉnh phát xạ 420 nm Hình 2.11 Dung dịch CQD sau Hình 2.12 Phổ Abs phổ kích thích ánh PL chuẩn hóa cường độ sáng trắng ánh sáng 405 nm CQD 10 Khi kích thích bước sóng từ 340 nm đến 460 nm với khoảng tăng 20 nm kết phổ phát xạ dịch chuyển đỏ Bước sóng phát xạ phụ thuộc tuyến tính vào bước sóng kích thích Điều có ý nghĩa ảnh (màu sắc) định lượng nhiệt khơng cần thay đổi kích thước hạt mà điều khiển bước sóng phát xạ Hình 2.13 Phổ Abs phổ PL Hình 2.14 Sự phụ thuộc vào CQD kích thích bước sóng kích thích bước sóng khác 20 nm từ bước sóng phát xạ CQD 340 nm đến 460nm Mối liên hệ bước sóng kích thích bước sóng phát xạ PL 142,1 0,83kt , (2.5) với x = R2 = 0,996 hệ số tương quan PL kt , PL bước sóng phát xạ huỳnh quang, kt bước sóng kích thích huỳnh quang Chính nhờ mối liên hệ nên ta điều khiển vị trí đỉnh cường độ phát xạ cách thay đổi bước sóng kích thích CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA CƠ CHẾ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ Trong chương này, chúng tơi trình bày tổng quan GNP, xây dựng hai mơ hình chế truyền lượng biện luận cho định hướng ứng dụng chẩn đoán điều trị 3.1 Hạt nano vàng 3.1.1 Giới thiệu hạt nano vàng 11 Kích thước GNP tương đồng với kích thước phân tử cấp độ tế bào Chính có nhiều ứng dụng lĩnh vực chẩn đoán, điều trị, kỹ thuật nano Hạt nano có tính chất khác trội so với vật liệu khối hai hiệu ứng hiệu ứng giam giữ lượng tử hạt tải điện, phonon hiệu ứng bề mặt Ưu điểm GNP cho ứng dụng nhờ có hiệu ứng plasmon bề mặt, đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm vùng ánh sáng nhìn thấy, hệ số hấp thụ X-ray cao, lực cao phân tử sinh học 3.1.2 Một số tính chất đặc trưng 3.1.2.1 Cộng hưởng plasmon bề mặt 3.1.2.2 Hấp thụ tán xạ plasmon bề mặt 3.1.2.3 Thuộc tính khơng xạ 3.1.3 Truyền lượng cộng hưởng 3.1.3.1 Hiệu ứng truyền lượng cộng hưởng FRET FRET trình truyền lượng không xạ, thông qua tương tác trường gần trường điện hai lưỡng cực D A, giới hạn khoảng cách quan sát 10 - 100 Å Trong trình FRET xem kết hợp lưỡng cực mômen chuyển dời hai chất phát quang có hiệu suất truyền lượng (EFRET) phụ thuộc vào bậc sáu khoảng cách D A k FRET ( R) R0 F , D R (3.9) D thời gian sống donor chưa có mặt acceptor, R khoảng cách donor acceptor, R0F khoảng cách Forster mà hiệu suất truyền lượng 50% Khi hiệu suất truyền lượng 12 EFRET ( R) , (3.10) R 1 R0 F R0F khoảng cách Forster định nghĩa khoảng cách mà lượng D truyền sang A nửa, giá trị Forster xác định xấp xỉ R0 60 3.1.3.2 Cơ chế truyền cộng hưởng lượng bề mặt SET Truyền lượng cộng hưởng bề mặt SET q trình truyền lượng khơng xạ từ chất phát quang đến hạt nano kim loại thông qua chế tương tác lưỡng cực dao động với bề mặt kim loại dẫn điện (dipole - plan), phân tử huỳnh quang ln đóng vai trò D nano kim loại ln đóng vai trò A Sự truyền lượng hiệu khoảng cách xa FRET cỡ 50 - 220 Å Sử dụng quy tắc vàng Fermi cho trình SET bao gồm lưỡng cực đơn mặt phẳng nên tỉ lệ truyền lượng xác định Yun R k SET ( R) S D R (3.13) Hiệu suất truyền lượng trình truyền lượng chế bề mặt [108] ESET ( R) , R (3.14) 1 R0 S D thời gian sống D chưa có mặt A, R khoảng cách D A, R0S khoảng cách mà hiệu suất truyền lượng 50% 13 3.1.3.3 Cơ chế truyền lượng cộng hưởng Coulomb Truyền lượng cộng hưởng Coulomb - CET trình truyền lượng tương tác cặp điện tử khoảng cách lớn so với kích thước chúng thơng qua tương tác trường xa Q trình xem q trình truyền lượng khơng xạ thơng qua tương tác mặt phẳng – mặt phẳng Hiệu quan sát tượng khoảng cách xa so với kích thước chúng Trong q trình CET xem xét tương tác mặt phẳng - mặt phẳng Tỉ lệ truyền lượng xác định sau kCET GDGA G planGplan 1 RR R Hiệu suất truyền lượng có dạng E R , R 1 R 0C (3.16) (3.17) R khoảng cách tương tác cặp D - A R0C khoảng cách mà lượng D giảm nửa 3.1.4 Tiềm ứng dụng chẩn đoán điều trị GNP 3.1.4.1 Liệu pháp quang động lực Đây liệu pháp chữa trị không xâm lấn sử dụng tia laser, chất cảm quang, oxy để phá hủy tế bào ung thư 3.1.4.2 Liệu pháp quang nhiệt Liệu pháp sử dụng lượng photon chuyển đổi thành nhiệt để tiêu diệt tế bào hay phá hủy cấu trúc tế bào bệnh, không ảnh hưởng tế bào lành lân cận Đây liệu pháp mở rộng liệu pháp quang động lực 3.1.4.3 Kỹ thuật hình ảnh 14 Trong kỹ thuật hình ảnh có kết hợp sử dụng GNP tăng cường tính ảnh 3.2 Mơ hình hóa truyền lượng phụ thuộc kích thước hạt 3.2.1 Đề xuất chế truyền lượng cộng hưởng chung Cơ chế truyền lượng chung kí hiệu GRET, hiệu lượng tử chuyển lượng viết sau EGRET R, y , y (3.18) R / RG với EGRET ( R, y ) hiệu suất truyền lượng chung, phụ thuộc vào bán kính R hạt nano, y gọi số lượng đảo ngược cho trình truyền lượng có giá trị dương; RG bán kính Forster chế chung mà nửa lượng kích thích D truyền cho A Ý nghĩa đại lượng y q trình truyền lượng ứng với trình với FRET RG R0 F ; y q trình SET RG R0 S ; y , trình CET RG R0C ; y Tốc độ truyền lượng trình GRET kGRET GD GA RGy (3.19) 3.2.2 Mô hình hóa chế truyền lượng phụ thuộc kích thước hạt Từ mơ hình đề xuất chúng tơi so sánh với kết phân tích từ liệu thực nghiệm Dữ liệu thực nghiệm truyền lượng cộng hưởng sử dụng A Au gắn đầu DNA D chất huỳnh quang gắn vào đầu lại DAN thơng qua liên kết –SH Các hạt GNP có kích thước 0,945 nm, 1,5 nm nm Hiệu suất truyền lượng chung phụ thuộc số lượng đảo ngược chung y , R RS EGRET EGFRET ( R, RS , y ) , 15 (3.23) RS bán kính hạt GNP hình cầu đóng vai trò A thí nghiệm Xuất phát từ phương trình (3.18) ta có y (d , RS ) Ln EGRET ( R, R S ) 1 1 Ln( R ) RG (3.24) trường hợp xác FRET yFRET trường hợp xác SET ySET Hình 3.11 Giá trị trung bình lượng đảo ngược chung y bán kính RS hạt GNP hình cầu Mơ hình lý thuyết chúng tơi đề xuất, giới hạn bán kính hạt GNP nm chế truyền lượng cộng hưởng từ D lưỡng cực huỳnh quang đến A hạt nano kim loại tương tự q trình FRET bán kính nhỏ tương tự SET trường hợp bán kính lớn 3.2.3 Mơ hình phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ hạt GNP 3.2.3.1 Lý thuyết thống truyền lượng RET chủ yếu liên quan đến cặp động lực tensor E1 - E1, tức trình chuyển đổi lưỡng cực điện D A Đối với trình chuyển đổi lưỡng cực điện (chuyển đổi El - El), FRET thơng thường có tỉ lệ truyền lượng tính 16 k DA d 18 02 c f D f A d 0 (3.25) ΓDA tỷ lệ truyền lượng từ D sang A, Γ0 tỷ lệ phân rã D khơng có A, ω tần số phát xạ, c tốc độ ánh sáng, độ điện thẩm chân không, f D f A phổ phát xạ chuẩn hóa tương ứng D A Kí hiệu D rA , rD , hàm truyền, hàm M - yếu tố ma trận tương tác, viết M G D D rA , rD , G A Sử dụng lý thuyết thống hàm M có dạng 2 M K G A GD R / c R / c R 4 (3.26) (3.27) Nhân 1/ R vào dấu ngoặc, ta 2 M K 2GA GD / c / c , R R R 4 (3.28) Trong phương trình (3.28), số hạng phụ thuộc quy luật R 6 4 2 , R , R tương tự kết tính q trình FRET, SET, CET Chúng tơi đề xuất RET bao gồm ba chế truyền lượng 3.2.3.2 Mơ hình GFRET Từ biểu thức (3.28) đưa vào đại lượng khoảng cách trung bình cặp D A kí hiệu R Hàm M viết lại 2 M K G G / c / c (3.29) A D R R R 4 Với phụ thuộc I ~ M Để đơn giản, giả sử R ~ nA nD 1/3 ta có 17 n 1/3 , (3.30) M 4 K 2GA GD An Bn 4/3 Cn 2/3 2 A, B (3.31) C số tham số Sử dụng điều kiện quang tuyến tính ta có GAGD cường độ ~ n, (3.32) I xác định công thức I n I aF n3 aS n7/3 aC n5/3 , (3.33) aF , aS , aC tham số đặc trưng cho đóng góp ba chế tương ứng FRET, SET CET; I cường độ chuẩn hóa n0 Đề xuất mơ hình GFRET Chúng tơi đề xuất đóng góp ba chế với tham số aF , aS , aC tham số thỏa mãn điều kiện I 0, aC 0, aS 0, aF Sự đóng góp chế RET Mơ hình GFRET đề xuất q trình RET thơng thường gồm ba chế truyền lượng với đóng góp cho việc tăng lượng huỳnh quang cho D nhờ chế CET, dập tắt huỳnh quang D thông qua chế FRET SET Kết củ a trình RET thể qua giá trị cường độ huỳnh quang chuẩn hóa, kí hiệu I C F S Hình 3.13 Sự phụ thuộc cường độ phát quang chuẩn hóa I C F S theo nồng độ tần số phát xạ 18 Dạng biểu diễn cường độ huỳnh quang chuẩn hóa I C F S theo nồng độ n tần số có dạng hình xoắn ốc “đặc biệt” bị cắt đơi Mơ hình khơng gian chiều nhìn từ phía ngồi lên, điều “đặc biệt” hình xoắn ốc phần đường cong giống nhánh parabol, phần ứng với tần số nhỏ, giá trị cường độ chuẩn hóa I C F S ln giảm giá trị nồng độ n tăng Phần rộng to hơn, đường vồng lên cao mở rộng tương ứng với vùng tần số cao, có dạng hình xoắn ốc bị cắt đôi Ban đầu cường độ I C F S tăng tăng n , số giá trị n0 đó, n n0 I C F S lại bắt đầu giảm Trong giá trị n0 giá trị nồng độ A mà giá trị I C F S đạt cực đại Với giả định đóng góp CET dương ( aC ), đóng góp FRET SET số âm aS 0, aF Hình 3.14 (a) Đồ thị mơ tả tỷ lệ đóng góp CET so với FRET; (b) tỷ lệ đóng góp SET so với FRET RET theo khoảng cách trung bình tần số phát xạ Đồ thị biểu diễn tỉ lệ đóng góp truyền lượng trình bày Hình 3.14 Kết cho thấy tỉ lệ đóng góp chế truyền lượng tương đối khác theo tần số phát xạ khoảng cách trung bình Ở chúng tơi so sánh đóng góp hai chế CET SET FRET, chế CET cho đóng góp đáng kể q trình RET tần số cao (xem Hình 3.14 (a)), đường đồ thị bắt đầu vồng lên nhanh cho thấy cường độ ban đầu I C F S bắt đầu tăng (tại giá trị tần số 0 ) sau giá trị 0 lại tăng nhanh; chế SET đóng góp nhiều tần số trung bình 19 khơng đáng kể tần số cao, thể qua dáng điệu vồng lên đồ thị thay đổi tần số cao khơng đáng kể (Hình 3.14 (b)) So sánh mơ hình với liệu thực nghiệm Sử dụng mơ hình so sánh với kết thực nghiệm với cặp D - A chất huỳnh quang GNP Cụ thể CdTe - GNP, RBDSNPs - GNP OBs – GNP với kích thước GNP 20 nm, CQD nm, Obs 100 nm Các kết cho thấy cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào nồng độ GNP đạt giá trị cực đại tương ứng với nồng độ định Hình 3.15 Mơ hình lý thuyết áp dụng cho hệ RET cặp A D khác nhau: (a) OBs - GNP, (b) QD CdTe - GNP, (c) RBDSNPs GNP Biện luận thơng số mơ hình Theo mơ hình thu ba giá trị aF , aS , aC tương ứng theo phương trình (3.33) đại lượng đặc trưng cho ba chế truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang FRET, SET CET Độ lớn giá trị giá trị định lượng lượng trình truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang Dấu (+) (-) thể cho chế truyền lượng cộng hưởng tăng cường dập tắt huỳnh quang có mặt GNP Từ (3.33) ta thấy chế FRET SET đóng góp vào q trình dập tắt huỳnh quang, CET đóng góp nhiều vào trình tăng cường huỳnh quang Hệ số a C 20 lớn ( a C ≫ 0) cho sở để giải thích cho quan sát thực nghiệm truyền lượng khổng lồ Đó hiệu ứng tăng cường huỳnh quang mạnh mẽ trình truyền lượng có GNP, hồn tồn khơng có phân tử chất màu Từ Hình 3.13 thấy tần số nhỏ ω < ω0, 0 giá trị tần số mà I C F S bắt đầu tăng, cường độ phát quang giảm tăng mật độ nồng độ n Ở tần số cao ω < ω0, ban đầu cường độ I C F S tăng n tăng số giá trị định n0 (ứng với I max ), sau với giá trị nồng độ n n0 I C F S giảm Điều đề cập mơ hình lý thuyết quan sát thấy thí nghiệm Khẳng định tính mơ hình đề xuất Nhận xét phù hợp I(n) so với liệu thực nghiệm Theo mơ hình RET đề xuất (3.33) so sánh với liệu thực nghiệm trình bày Chúng ta nhận thấy q trình RET mơ hình hóa phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ hạt GNP I(n), có phù hợp tốt mơ hình lý thuyết liệu thực nghiệm Gọi n0 giá trị nồng độ hạt GNP giá trị I max , trường hợp so sánh có kết luận: n n0 I n tăng, có nghĩa cường độ huỳnh quang tăng hay độ lớn lượng trình truyền lượng D tăng; n n0 I n giảm, có nghĩa cường độ huỳnh quang có xu hướng giảm dần hay độ lớn lượng trình truyền lượng D giảm dần Hạn chế mơ hình chưa giải thích thí nghiệm có hạt GNP chưa có tăng cường huỳnh quang 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án nghiên cứu mơ hình truyền lượng giới thiệu phương pháp thân thiện dùng để chế tạo chấm lượng tử carbon Chúng đề xuất hai mô hình vật lý dựa lý thuyết truyền lượng chế tạo thành công CQD với chất lượng mẫu tốt Các kết luận án góp phần cung cấp thêm số sở vật lý cho ứng dụng y sinh, đặc biệt chẩn đoán điều trị bệnh Cụ thể Chúng tơi xây dựng mơ hình phụ thuộc RET vào bán kính GNP, dựa chế truyền lượng so sánh với liệu thực nghiệm tác giả khác, cho thấy phù hợp tốt Đối với GNP có bán kính cỡ nm tương tự cấu trúc cluster phân tử tụ đám lại, chưa có cấu trúc tinh thể nên khơng có hiệu ứng plasmon bề mặt, tương tác phân tử chủ yếu theo quy luật FRET truyền thống ( R 6 ) Các GNP có bán kính lớn 1,5 nm có cấu trúc tinh thể , kích thước so sánh với bước sóng de Broglie điện tử lỗ trống, xuất hiệu ứng lượng tử tính chất đặc trưng GNP, bắt đầu có hiệu ứng bề mặt tính tốn chủ yếu theo quy luật SET ( R 4 ) Mơ hình có ý nghĩa y sinh, cụ thể cung cấp sở tính tốn định lượng nhiệt khối u xem xét truyền lượng khoảng cách nhỏ cỡ nm Xuất phát từ lý thuyết truyền lượng so sánh mô hình với liệu thực nghiệm, chúng tơi xây dựng mơ hình GFRET mơ tả tường minh phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ GNP Mơ hình cung cấp mối quan hệ định lượng vấn đề tăng cường huỳnh quang đóng góp chế CET thơng qua hệ số aC Bên cạnh mơ hình cho biết mối quan hệ định 22 lượng I n , điều khiển I theo n hay xác định giá trị n cường độ huỳnh quang đạt cực đại Kết cung cấp thêm sở vật lý cho ứng dụng ảnh (màu sắc hình ảnh) điều trị bệnh nhiệt y sinh Bằng phương pháp plasma - chất lỏng, sử dụng tiền chất saccarozơ NaOH, chế tạo thành công CQD Mẫu CQD thu có dạng tựa cầu đồng với kích thước trung bình khoảng nm Một tính chất quan trọng CQD thu từ việc khảo sát mẫu vị trí đỉnh PL phụ thuộc tuyến tính vào bước sóng kích thích Điều có nghĩa ta điều khiển vị trí đỉnh cường độ phát xạ cách thay đổi bước sóng kích thích mà khơng cần thay đổi kích thước chúng Kết quan trọng nghiên cứu ứng dụng y sinh, cụ thể điều khiển màu sắc ảnh (tăng độ nét, tránh trùng màu, nhòe màu) cường độ lượng Hơn phương pháp thực nghiệm có nhiều ưu điểm độ tinh khiết cao, chế tạo nhanh, đảm bảo an tồn, khơng sử dụng hóa chất độc hại, sản phẩm tốt, sản xuất dễ dàng quy mô lớn Phương pháp không gây tác hại đến môi trường tạo tiền đề cho việc ứng dụng vật liệu nano thể sống Đề tài phát triển mở rộng với việc nghiên cứu khảo sát chế truyền lượng nano có cấu trúc (lõi/vỏ), hình dạng khác (dạng thanh, sao) Đồng thời mở rộng nghiên cứu đối tượng CQD GNP cho ứng dụng y sinh 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyễn Minh Hoa, Chu Việt Hà, Đỗ Thị Nga, Nguyễn Trí Lân, Nguyễn Ái Việt (2016), “Simple Model for Gold Nano Particles Concentration Dependence of Resonance Energy Transfer Intensity”, Journal of Physics: Confrerence Series, 726 (1), 012009 Nguyễn Minh Hoa, Trần Hồng Nhung, Tô Thị Thảo, Lương Thị Thêu, Nguyễn Ái Việt (2017), “On the Concentration Dependence of Metallic Nano-Particles in Enhanced Forster Resonance Energy Transfer”, Journal of Physics: Confrerence Series, 856 (1), 012005 Đỗ Hồng Tùng, Trần Thị Thương, Nguyễn Đình Cơng, Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn Văn Khá, Lê Hồng Mạnh, Phạm Hồng Minh, Nguyễn Thị Thu Thủy, Nguyễn Minh Hoa (2017), “Facile synthesis of carbon quantum dots by plasma – liquid interaction method”, Communications in Physics, 27(4), pp 343-348 Nguyễn Minh Hoa, Lê Anh Thi, Trần Thị Nhàn, Đinh Như Thảo, Đỗ Hoàng Tùng (2018), “Nghiên cứu chế truyền lượng cộng hưởng sử dụng hạt nano vàng định hướng ứng dụng y sinh”, Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP Hà Nội 2, 55 (1), pp 42 - 48 24 ... Trình b y mơ hình hóa chế truyền lượng ứng dụng chẩn đoán điều trị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC ỨNG DỤNG MỚI CỦA VẬT LÝ TRONG Y HỌC HIỆN ĐẠI 1.1 Mối tương quan số đại lượng vật lý tác động sinh học 1.1.1... thân thiện chế tạo chấm lượng tử carbon Cơ thể sống phương diện vật lý hệ nhiệt động mở, làm sở cho việc ứng dụng vật lý y học tảng y u tố sinh học quan trọng Chẳng hạn tương tác ánh sáng, tương... luận án X y dựng sở vật lý số phương pháp chữa bệnh y học đại, cụ thể: - X y dựng mơ hình vật lý cho hai chế truyền lượng FRET SET phụ thuộc kích thước GNP, - X y dựng mơ hình vật lý cho phụ