Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN VŨ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT CỦA HẠT NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thái Nguyên – 2018 MỞ ĐẦU Căn bệnh ung thư vấn đề nhức nhối ngành y học Bệnh ung thư sức khoẻ cộng đồng vấn đề ngày quan tâm hầu hết quốc gia giới Theo ước tính thống kê Tổ chức y tế giới (WHO) hàng năm tồn cầu có khoảng 9-10 triệu người mắc bệnh ung thư nửa số chết bệnhnày Các số ung thư lúc đáng sợ Ung thư gây chết 8,8 triệu người năm 2015 Khoảng 40% người Mỹ, vào thời điểm đời, thơng báo bị ung thư Với người dân châu Phi, ung thư bệnh chết chóc sốt rét Nhưng số thống kê chưa khiến người ta hết khiếp sợ tính thầm lặng liên tục tế bào đột biến gây ung thư Hình mở đầu Khối u tế bào ung thư máu di Tế bào ung thư gây nhiều nguy hiểm cho người, cho sống khả điều trị bệnh quái ác cịn gặp nhiều khó khăn số trường hợp gần khơng thể chữa trị Khi phải đối mặt với kẻ thù vậy, thật dễ hiểu người ta tập trung hi vọng vào khả tiến khoa học đột phá tìm cách chữa trị Hi vọng khơng phải đặt nhầm chỗ Các phương pháp phẫu thuật, hóa trị xạ trị thường dùng để điều trị ung thư Phẫu thuật cắt bỏ khối u ung thư, hóa trị bơm hóa chất theo mạch máu để điều trị ung thư (cả hai phương pháp không triệt để gây nguy hiểm cho người bệnh Xạ trị sử dụng phóng xạ để điều trị ung thư, lần xạ trị đắt đỏ có giá khoảng từ 50-60 triệu VNĐ.Tuy nhiên, nhược điểm chung ba phương pháp điều trị khơng chọn lọc, có nghĩa phương pháp diệt tế bào ung thư đồng thời gây tổn thương lớn đến tế bào lành, diệt tế bào lành lân cận phá hủy hệ thống miễn dịch Ví dụ bệnh ung thư vú phổ biến toàn giới nay, phương pháp để diệt tế bào ung thư cắt bỏ chúng, gây thẩm mĩ, thiếu nhân văn Song ung thư ngày trở nên bớt chết chóc vài thập niên gần nhờ vào hàng loạt tiến khoa học, từ xếp trình tự gen (genetic sequencing) đến liệu pháp điều trị trúng đích (targeted therapy) Vấn đề đặt là: cần diệt trúng đích tế bào ung thư (TBUT) mà không diệt tế bào lành lân cận Ngày nay, với bùng nổ khoa học công nghệ nano cho nhân loại thành tựu vô to lớn Đặc biệt, ứng dụng công nghệ nano vào khoa học sống ngày phát triển rộng rãi, việc sử dụng vật liệu nano ứng dụng Y-Sinh tăng độ nhạy chuẩn đoán điều trị hướng đích hướng nghiên cứu nhiều phịng thí nghiệm giới nước quan tâm phát triển Từ đó, tơi đưa ý tưởng dùng công nghệ nano để ứng dụng việc diệt tế bào ung thư Cụ thể dùng hiệu ứng quang nhiệt (quang biến đổi thành nhiệt) để đốtTBUT Tế bào lành thường sinh chết TBUT nhân lên chết Tuy nhiên, TBUT chết nhiệt độ thấp khoảng 40 độ C, nên cần làm nóng cục hạt nano đến nhiệt độ diệt TBUT Các hạt nano vàng ứng viên sáng giá cho lựa chọn Để đáp ứng vấn đề đặt trên, hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước khoảng 100 đến 200 nano mét lựa chọn nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt Chúng ta biết rằng, kích thước tế bào ung thư vào khoảng vài micro mét đến vài chục micro mét, với hạt nano vàng có thích thước từ vài chục đến vài trăm nano mét dễ dàng đưa hạt vàng vào khối u để tiếp cận vào tế bào ung thư Từ đó, ánh sáng kích thích có bước sóng phù hợp, hạt nano vàng hấp thụ lượng ánh sáng tới sinh nhiệt cục xung quanh chúng dẫn đến diệt tế bào ung thư cách xác Trên sở đó, tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt hạt nano vàng định hướng ứng dụng diệt tế bào ung thư” Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu hạt nano lai hóa vàng bán nguyệt với lõi hạt nano siêu thuận từ vỏ kim loại vàng Báo cáo phần mở đầu, gồm chương giới thiệu tổng quan, chương giới thiệu thực nghiệm chế tạo hạt nano phương pháp theo dõi đơn hạt Chương trình bày kết bàn luận Cuối kếtluận Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hạt nano kimloại Các hạt nano tinh thể kim loại gồm hạt nano chế tạo từ vật liệu kim loại Au, Ag, Pt, Cu, Co, hạt Au, Ag sử dụng nhiều ứng dụng quang Có phương pháp kích thích quang sử dụng để kích thích quang hạt kim loạilà: 1) Kích thích trực tiếp hạt nano kimloại 2) Kích thích gián tiếp thông qua tâm mầu gắn bề mặt hạt kim loại 3) Các trình quang xúc tác hỗn hợp nano (nanocomposite) bán dẫn-kimloại Khi kích thích ánh sáng tử ngoại nhìn thấy, hạt nano kim loại thể số tượng hấp dẫn bao gồm: phát quang, quang phi tuyến tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS) Nhờ tăng đáng kể tín hiệu Raman hiệu ứng trường gần, SERS sử dụng cơng cụ phân tích cực nhạy, kỹ thuật huỳnh quang Các phân tử sinh học ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần chúng gắn với hạt vàng Các hạt bạc có nhiều ưu lĩnh vực Điều kiện chủ yếu phép đo SERS giữ bề mặt mấp mô cách đồng lặp lại [Luận văn Ths Hòa] Đối với vật liệu vàng, chúng sử dụng từ 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dạng khối nhờ vào độ bền hóa học màu sắc rực rỡ trùng với màu ánh sáng mặt trời Tới kỷ thứ sau công nguyên hạt vàng tìm thấy cốc La mã Lycurgus hình 1.1 [1] Bắt đầu từ khoảng năm 1300 sau Công Nguyên, hạt keo vàng bắt đầu sử dụng rộng rãi y học kỹ thuật từ nhà giả kim học hịa tan vàng khối vào chất khác để tạo “chất lỏng mầu nhiệm” với màu sắc khác Từ tới nay, tìm thấy ứng dụng hạt keo vàng khắp nơi: nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào mầu sắc rực rỡ dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào hình dạng kích thước hạt, người ta tạo dung dịch với mầu sắc khác theo ý muốn cách khống chế hình dạng kích thước hạt[1] Hình 1.1 Cốc Lycurgus (a) Ảnh chụp cốc ánh sáng phản xạ (b) Ảnh chụp cốc ánh sáng truyền qua (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy tinh với kích thước khoảng 75nm Nhưng tới kỷ thứ 19, vào năm 1850 Faraday chế tạo hạt vàng nhận mầu sắc dung dịch chứa hạt vàng định kích thước hạt, chất mầu sắc làm sáng tỏ (hình 1.2) Hình 1.2 Mầu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt nano vàng [1] Năm 1897, Richard Zsigmondy nhà hóa học người Đức chứng minh màu đỏ tía men sứ (thường gọi màu Cassius) kết hợp hạt keo vàng axit Stannic Nhờ phát minh ông giải Nobel năm 1925 Năm 1908 Mie giải thích tính chất quang đặc biệt hạt vàng hấp thụ tán xạ plasmon bề mặt Tiếp theo đó, quan sát thấy mầu sắc dung dịch chứa hạt keonanovàngthayđổikhihìnhdạngcủachúngthayđổi.Điềunàyđượcgiải thích lý thuyết Gans Khi hình dạng hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng cao nhất) phổ hấp thụ plasmon chúng có đỉnh nhất, tính đối xứng hình dạng hạt giảm số đỉnh phổ hấp thụ tăng lên Ví dụ hạt nano vàng dạng có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon Vị trí đỉnh phổ tùy thuộc vào tỷ số hai trục (ngang dọc) hạt nano (xem hình 1.3) Hình 1.3 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước nano vàng với tỷ lệ tươngquan: R 2,7, R  3,3 Trong phần này, mơ tả thuộc tính quang học số vật liệu cao q vàng, có đặc tính plasmonic Đối với hạt nano kim loại quý kích thước nhỏ bước sóng ánh sáng kích thích, thuộc tính quang học bị chi phối mode cộng hưởng plasmon liên kết cục với tập thể electron dẫn gây tương tác với sóng điện từ Ví dụ, với hạt nano bạc vàng có tính chất plasmonic thú vị vùng thể nhìn thấy vùng hồng ngoại gần Sự trơ mặt hóa học tương thích sinh học vàng làm cho trở thành yếu tố ưa thích ứng dụng y sinh học, thấy chi tiết phần tiếptheo 1.1.1 Các hạt nano vànglõi-vỏ Từ phân tích đây, hạt nano vàng có cấu trúc lõi/vỏ (lõi hạt silica, vỏ vật liệu vàng) có nhiều ứng dụng lĩnh vực y-sinh học đặc trưng quang học lý thú Loại hạt nano nhiều nhóm giới tập trung nghiên cứu chế tạo ứng dụng lĩnh vực khácnhau Các hạt nano vàng lõi/vỏ hạt nano hình cầu tạo thành lõi điện môi phủ lớp vỏ kim loại mỏng mà thường làm vàng (xem hình 1.4) Các hạt nano vàng lõi/vỏ có nhiều cộng hưởng plasmon có bước sóng phụ thuộc mạnh vào kích thước tỷ số tương đối kích thước lõi độ dày lớp vỏ vàng Hình 1.4 cho thấy phổ dập tắt hạt lõi/vỏ với độ dày vỏ khác Bằng cách thay đổi độ dày vỏ, phổ cộng hưởng plasmon hạt nano vàng lõi/vỏ thay đổi qua dải rộng quang phổ rộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần [2] Trong vùng hồng ngoại gần (Near Infrared NIR), hấp thụ mô thường nhỏ nhất-được gọi cửa sổ trị liệu (Window of therapy) Hình 1.4 Mơ hình hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi slica, vỏ vàng) Phổ quang dập tắt tươngứng Hình 1.5 mô tả ảnh chụp dung dịch hạt keo nano vàng lõi/vỏ với độ dầy giảm dần từ trái qua phải tương ứng với phổ hấp thụ Plasmon từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần Tần số cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) xác định mức độ khớp nối mode dao động bề mặt kim loại, tương đương tỷ số độ dày lớp vỏ bán kính lõi trung bình Phổ dập tắt hạt nano lõi/vỏ lai hóa dao động cộng hưởng plasmon bên bên vỏ kim loại Một lý thuyết lai ghép mơ hình plasmon phát triển thuật toán với lý thuyết lai ghép orbital phân tử [3] Sự cộng hưởng quang học định vị nơi phổ nhìn thấy hồng ngoại gần [4] Hình 1.5 Ảnh chụp dung dịch chứa hạt keo nano vàng lõi vỏ với độ dầy giảm dần từ trái qua phải Phổ hấp thụ Plasmon nằm vùng khả kiến hồng ngoại gần Thay cộng hưởng plasmon đơn hạt nano kim loại hình cầu hạt nano vỏ/lõi có hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với các mode mặt đối xứng khơng đối xứng Các tính chất lõi điện mơi môi trường xung quanh làm thay đổi đáp ứng plasmonic Để chế tạo hạt nano loi/vỏ người ta chủ yếu sử dụng phương pháp Stober [5], alkyl silicat thủy phân thành axit dung dịch cồn để tạo lõi điện mơi hạt nano lõi/vỏ (xem hình 1.6) Hình 1.6 ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hạt nano lõi/vỏ vàng trình phát triển lớp vỏ vàng Sau đó, 3aminopropyltriethoxysilan thêm vào dung dịch dẫn đến phát triển lớp amin bề mặt hạt nano silic Sau đó, keo vàng đưa vào dungdịch.Hạtnanovàngcóthểdễdàngliênkếtvớicácphốitửaminvớilớp phủ khoảng 30% Cuối cùng, hỗn hợp axit clohiđric kali cacbonat khử natri borohydrit để phát triển vỏ vàng đồng từ hạt keo vàng Cơ sở keo silica-amin-vàng có tính mơ đun có hiệu đủ để áp dụng cho kim loại chuyển tiếp khác bạc Có thể thấy, hạt nano lõi/vỏ vàng ổn định nhiệt động học so với hạt nano cầu chuẩn Các hạt nano đặc biệt hữu ích việc ảnh tế bào cộng hưởng plasmon cho phép ghép kênh phức hợp, bề mặt chúng dễ dàng hợpsinh Hình 1.6 Ảnh TEM biểu diễn trình phát triển hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi hạt điện môi silic 120 nm, vỏ vàng (a) - Các hạt nano silic (b)-(f) Quá trình tiến triển lớp vỏ vàng bề mặt hạt silic f) Ảnh TEM hạt nano lõi/vỏ vàng sau hoàn thành việc chế tạo 1.1.2 Các hạt nano vàng bánnguyệt Gần đây, nano bán nguyệt (hoặc nano lưỡi liềm) khái niệm xuất lĩnh vực đầu dò nano plasmonic thực nhóm BioPOETS (biomoléculaire Polymer tech-nologie optoélectronique et de la Science) Khoa Kỹ sư sinh học giáo sư Luke Lee Đại học Berkeley đứng đầu [6] Các hạt nano bán nguyệt gồm hạt cách điện (ví dụ: hạt polystyrene hạt latex), hạt dễ dàng “bóc” khỏi lớp vỏ hay hạt chức hóa (như hạt nano từ, hạt nano huỳnh quang) Hình 1.7 thể ảnh TEM hạt nano bán nguyệt Hình 1.7 (a) Ảnh TEM đầu dò nano dùng cho ứng dụng tăng trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS- surface enhanced raman scattering), phần lõi hạt bóc (b) Hình ảnh mơ trường điện từ (EMElectrical mangetic) tần số cộng hưởng Plasmon kích thích ánh sáng tới [7] 10 phủ lớp kim loại vàng (như hình 3.2 bên trái), điều giải thích q trình dùng bút lơng qt hạt nano rời khỏi đế tác động mạnh làm cho lớp vàng bị bật khỏi hạt nano từ Khi rửa nam châm hiển nhiên hạt nano từ giữ lại đến mẫu cuối Hiện tượng kéo theo kết có số vỏ vàng (như “mũ” vàng) thu đơn lẻ mà khơng bao bọc hạt nano từ (hình 3.2 bên phải) Các hạt nano dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt phần 3.2 Phổ tán xạPlasmon Sử dụng cấu hình quang học chương để đo phổ tán xạ plasmon hạt nano chế tạo Khi hạt nano vàng lấy cách dùng polyme PDMS để đo phổ tán xạ, kiểm tra độ lớp polymer chắn hạt nano tách từ lam kính bị bám dính polymer tơi chế tạo hạt nano vàng bán nguyệt mà lõi hạt phát huỳnh quang (kích thước ~100 nm) Sau quan sát polymer kính hiển vi trường tối kính hiển vi huỳnh quang vùng quan sát Hình 3.3 cho thấy, hạt nano vàng bán nguyệt thực bị tách polymerPDMS Hình 3.3 Ảnh hạt nano vàng bán nguyệt (lõi hạt phát huỳnh quang) kính hiển vi huỳnh quang (a) kính hiển vi trường tối vùng quan sát (b) Từ hình 3.3 ta quan sát thấy rõ ràng rằng, vùng quan sát chế độ kính hiển vi trường tối (hình 3.3b) thứ bị tán xạ hiển thị ảnh hình 3.3a ảnh chế độ kính hiển vi huỳnh quang 33 có hạt phát quang (lõi hạt nano vàng bán nguyệt) hiển thị ảnh Trong ảnh khơng tìm thấy vài đốm sáng giống hình 3.3b Điều chứng tỏ lớp polymer tách tốt hạt nano vàng từ lam kính Trong thí nghiệm sử dụng cách để tách hạt nano vàng bán nguyệt (lõi hạt nano từ), đo phổ tán xạ chúng polymer Bằng cấu hình quang học trình bày trên, tiến hành đo phổ tán xạ Plasmon hạt nano vàng riêng lẻ polymer hai mặt khác Điều có nghĩa là, ánh sáng tán xạ từ hạt nano thu mặt polymer Kết thể hình 3.4 Hình 3.4 Phổ tán xạ Plasmon hạt nano vàng bán nguyệt riêng lẻ Hình bên trái phổ tán xạ hat nano vàng thu ánh sáng tán xạ từ phần vỏ vàng, hình bên phải phổ tán xạ hạt nano vàng bán nguyệt thu ánh sáng tán xạ mặt đối diện lớp vỏvàng Kết hình 3.4 cho thấy, phổ tán xạ hạt nano vàng bán nguyệt gồm hai đỉnh tương ứng với hai cộng hưởng plasmon bất đối xứng hình dạng hạt nano gây kích thích ánh sáng tới Bước sóng hai cực đại phổ trung bình vào khoảng 540nm 650nm Đây kết quan trọng thuận lợi việc lựa chọn bước sóng laser để tiến hành nghiên cứu tiếptheo 34 3.3 Hiệu ứng quangnhiệt Hiệu ứng quang nhiệt ánh sáng chuyển đổi thành nhiệt (light converts into thermal) Trong trường hợp này, ta làm nóng cục hạt nano tia laser điều chỉnh cường độ từ xa với bước sóng phù hợp Các thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt hạt nano vàng đơn thực mơi trường glycerol Đây mơi trường có hệ số nhớt phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ không hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy, điều không ảnh hưởng đến kết phép đo nhiệt độ cục hạt nano vàng sinh kích thích ánh sáng tới (phương trình25) (1233T)T  (T)12100exp g  9900 70T    (25)  Với g (T ) độ nhớt môi trường glycerol, T nhiệt độ tuyệt đối Từ kết phân tích phổ tán xạ plasmon mà lựa chọn bước sóng laser kích thích mẫu phù hợp hiệu suất chuẩn đổi quang-nhiệt cao định hướng tốt ứng dụng diệt tế bào ung thư Kết cho thấy phổ tán xạ plasmon hạt nano vàng bán nguyệt có cực đại (có đỉnh) tương ứng với hai bước sóng 540 nm 650 nm Cấu hình hệ quang học thiết kế mơ tả Hình 3.5 Với cấu hình quang học này, mẫu kích thích đồng thời laser xanh đỏ (bước sóng 532 nm 650 nm tương ứng), lựa chọn kích thích laser nhờ vào gương bán mạ di động Trong cấu hình quang học này, hai laser chuẩn trực nhờ vật kính có độ phóng đại nhỏ (X10) lỗ nhỏ (pinhole) kết hợp với thấu kính hội tụ tiêu cự cm Sau laser tương tác với mẫu bị chặn lại kính lọc sắc trước camera để tránh laser vào camera dẫn đến q ngưỡng bão hịa tín hiệu gây hỏng camera Khi laser (xanh đỏ) kích thích vào hạt nano, hấp thụ laser chiếu tới sinh nhiệt cục xung quanh bề mặt hạt nano Điều dẫn đến hạt nano chuyển động Brown nhanh tốc độ dịch chuyển phụ thuộc vào công suất laser chiếu độ nhớt môi trường chứa hạt nano Để quan sát dịch chuyển này, ánh sáng đèn halogen đồng thời chiếu đến mẫu từ giúp ta quan sát hạt nano cách dễdàng 35 Hình 3.5 Cấu hình quang học dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt hạt nano vàng bán nguyệt 3.3.1 Đo nhiệt độ cụcbộ Do hạt nano vàng có kích thước nhỏ (quãng vài chục đến vài trăm nano mét) nên nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt, hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu tới nóng cục xung quanh chúng nên coi đầu dò nano nhiệt Do cấu trúc vật liệu đầu dò nano nhiệt (gồm lõi vật liệu từ vỏ vàng) mà chúng điều khiển, đo đạc nhiệt độ từ xa cách dễ dàng [16] Ở đây, sử dụng phát triển phương pháp theo dõi hạt nano (single nanoparticle tracking) để xác định nhiệt độ cục hạt nano sinh Đây phương pháp mới, đại dựa thiết kế cấu hình quang học tiên tiến sử dụng camera nhanh CCD Andor Nguyên lý chung phương pháp theo dõi hạt nano mơ tả hình 3.6 Dưới tơi trình bày chi tiết phương phápnày 36 3.3.2 Kỹ thuật theo dõi đơn phân tử a) Cách tiếp cận Trong nghiên cứu này, cách tiếp cận sử dụng phương pháp: chuyển động dịch chuyển Brown, biết cầu nhỏ tự đắm chất lỏng chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên Các luật chuyển động dịch chuyển Brown phát triển Einstein sau Perrin người phát triển sâu Khi ta xét hạt dạng cầu nhỏ lơ lửng chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên chất lỏng chúng bị ảnh hưởng thơng số đặc trưng chất lỏng như; độ nhớt, nhiệt độ môi trường…Câu hỏi đặt là; sau khoảng thời gian (ví dụ khoảng thời gian hai ảnh đo đạc) hạt đâu? Hay khoảng cách trung bình khoảng thời gian mà hạt chuyển động có xác suất bao nhiêu? Chúng ta nhận thấy bình phương trung bình dịch chuyển tỷ lệ với thời gian Theo lý thuyết, bình phương trung bình dịch chuyển xác định từ công thức: r2 (t) 4Dt (26) Với τ thời gian hạt chuyển động Dtlà hệ số khuếch tán hạt nano môi trường glycerol Dtđược xác định bởi: D t kBT 6(T)R g h (27) Trong thực nghiệm, kB số Bolzmann, dễ dàng đo giá trị r2 (t) theo r (t) x2 (t)  y2 (t) (28) nhiệt độ phòng (t=23oC) nhờ vào thuật tốn nhóm MOSAIC phần mềm matlab Từ ta xác định Dtbằng cách làm khớp phương trình (28) với (26), từ tính bán kính thủy động lực học Rh hạt nano Kích thước Rh dùng để xác định nhiệt độ hạt nano theo công thức (27) kếthợpvớicơngthức(26)(vìkhinhiệtđộthayđổithìkíchthướccủahạtvẫn 37 giữ ngun) Nhiệt độ nhiệt độ cục nano sinh bề mặt hạt b) Quy trình theo dõi hạt nano chấtlỏng Theo dõi hạt công nghệ theo dõi chuyển động của phân tử phát quang (huỳnh quang chẳng hạn) dựa hệ ghi ảnh nhanh Chúng ta lưu lại quỹ đạo hạt đánh dấu, điều cho phép nhận tín hiệu/nhiễu tốt xác định vị trí hạt cần theo dõi Đây phương pháp phát triển để ảnh quỹ đạo phân tử huỳnh quang riêng lẻ có kích thước bé (do khuếch tán nhanh) ảnh quỹ đạo phân tử có nồng độ lớn Công nghệ đánh giá cao lĩnh vực nghiên cứu động học phân tử protein màng tế bào sinh học Như trình bày phần trên, kính hiển vi trường tối ứng cử viên sang giá cho quan sát tán xạ ảnh plasmon hạt nano vàng bán nguyệt Kỹ thuật theo dõi đơn phân tử lý tưởng cho việc làm bộc lộ đặc trưng hạt nano sử dụng để xác định dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc Để thuận lợi, chúng tơi ghi video gồm 1000 ảnh nhờ camera nhạy EM-CCD Andor Khoảng thời gian ảnh 0,3 s Quy trình kỹ thuật theo dõi đơn phân tử thong thường bao gồm 4bước: Hình 3.6 Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn phân tử 38 a) Ghi video kính hiển vi trường tối Video bao gồm 1000 ảnh khoảng thời gian ảnh 0,3s b) Xác định vị trí tương ứng với ảnh hiển thị Một chuỗi ảnh ghi lại camera, sau phân tích phần mềm ImageJ cách sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC [17] Có số thơng số cần lựa chọn phù hợp để phát hạt, như; radius of particle (pixel) – bán kích vết sáng ảnh khơng phải bán kính thực hạt nano; cutoff- số điểm để phân biệt hạt; percentile- để xác định điểm ảnh sáng coi hạt Tất điểm percentile phân bố cường độ hình ảnh coi hạt Đơn vị: phần trăm(%) c) Theo dõi dịch chuyển hạt thông qua việc nối lại đốm sáng phát d) Phân tích kết thuđược 3.3.3 Nano vàng bán nguyệt nguồn nhiệt cụcbộ Như phân tích, phần tơi trình bày kết hạt nano vàng bán nguyệt đơn lẻ làm nóng kích thích bước sóng laser phù hợp Các hạt nano vàng bán nguyệt sau chế tạo trình bày chương 2, chúng đặt mơi trường glycerol để làm thí nghiệm hiệu ứng quang nhiệt Dựa kết phổ tán xạ Plasmon để lựa chọn bước sóng phù hợp laser kích thích đến mẫu Trong đề tài này, tơi lựa chọn hạt nano có bán kính thủy động học (Rh) 82,5nm (kích thước đo nhiệt độ phịng t=22oC) mơi trường glycerol dùng để khảo sát tính chất quang nhiệt Hai laser sử dụng laser xanh (bước sóng 532nm) laser đỏ (bước sóng 650nm) kích thích mẫu với cơng suất khác Hình 3.7 thể phổ tán xạ trung bình 10 hạt nano vàng bán nguyệt vết hai laser sử dụng Bằngcáchápdụngphươngpháptheodõiđơnphântửởtrên,chúngtadễdàng tính bình phương dịch chuyển trungbình r (t) ,từđólàmkhớpsốliệu theo cơng thức (26) ý đến cơng thức (27) kết tìm nhiệt độ cho hạt nano Hình 3.8 biểu diễn kết thí nghiệm quang nhiệt theo cấu hình quang học hình 3.5 kích thích hạt nano có bán kính thủy động lựchọc82,5nmbằnglaserxanhvàlaserđỏ.Hình3.8achothấycácđườnglàm 39 khớp theo công thức 26 tốt với số liệu thực nghiệm cơng suất kích laser xanh thay đổi Tại giá trị cực đại (2,8.105W.cm-2 ) mật độ công suất laser xanh nhiệt độ lớn tương ứng hạt nano sinh bề mặt đạt 27,5oC Giá trị nhiệt độ chưa phải lớn ứng với cơng suất laser dùng, điều giải thích bước sóng 352nm laser sử dụng chưa trùng với đỉnh tán xạ Plasmon hạt nano nên hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt chưa cao Cũng với cấu hình quang học trên, laser đỏ sử dụng để kích thích hạt nano Kết cho thấy, mật độ công suất cực đại laser đỏ 2,8.104W.cm-2 nhỏ laser xanh lại cho thấy nhiệt độ sinh với hạt nano lớnhơn Hình 3.7 a)-Phổ tán xạ trung bình 10 hạt nano vàng bán nguyệt Hai đỉnh phổ bước sóng tán xạ 550nm 648nm tương ứng với hai mode dao động cộng hưởng Plasmon bề mặt nano vàng bán nguyệt b)-ảnh chụp vết laser xanh bên trái laser đỏ bên phải hội tụ mẫu Trên hình 3.7b đường làm khớp với số liệu thực nghiệm công suất laser khác Từ tính nhiệt độ cục hạt nano vàng bán nguyệt tương ứng với công suất laser khác Ứng với giá trị cực đạicủalaserđỏ2,8.104W.cm-2nhiệtđộsinhrasấpxỉ40oC.Kếtquảnàycho 40 thấy hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt trường hợp tốt Laser đỏ có bước sóng gần với cực đại thứ phổ tán xạ Plasmon hạt nano vàng Mật độ Mật độ Hình 3.8 Kết đo nhiệt độ cục hạt nano vàng bán nguyệt sinh chiếu laser xanh laser đỏ tương ứng (a)-các đường khớp số liệu thực nghiệm (sử dụng công thức 26) chiếu chiếu laser xanh (c) giá trị nhiệt độ sinh tương ứng (b) Bằng cách làm tương tự chiếu laser đỏ hạt nano vàngnày 41 3.4 Thử nghiệm tế bào sống ung thưvú Trên sở hiệu ứng quang nhiệt đơn hạt nano vàng bán nguyệt glycerol nghiên cứu trên, phần tơi trình bày thí nghiệm ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt tế bào sống ung thư vú phịng thí nghiệm (in vitro) Các tế bào ung thư ni cấy phịng thí nghiệm đảm bảo có chất lượng tốt hệ kính hiển vi nghiên cứu đặt môi trường nhiệt độ 37oC bổ sung 5% CO2 để chắn q trình làm thí nghiệm tế bào ung thư sống Các tế bào chuẩn bị đặt tiêu thủy tinh, sau hạt nano vàng bán nguyệt tiêm vào Khi hạt nano theo chế thẩm thấu bám màng tế bào Dưới tác dụng laser chiếu đến hạt nano vàng trở thành đầu dò nguồn nano nhiệt sinh xung quanh hạt nano Bước đầu làm thí nghiệm với tế bào ung thư tác dụng riêng laser xanh đỏ (led laser) khơng có mặt hạt nano vàng Kết cho thấy, hình thái bề mặt cấu trúc tế bào khơng có thay đổi đáng kể Chúng ta quan thấy tượng kính hiển vi trường sáng thời gian chiếu phút hình 4.1a 4.1b Tiếp theo, lặp lại thí nghiệm có mặt hạt nano vàng tế bào Thời gian chiếu laser phút Kết cho thấy rõ ràng có biến đổi hình thái bề mặt màng tế bào ung thư sau chiếu phút mật độ công suất 1,3.104/cm2 Quan sát hình 4.1c 4.1d cho thấy rõ thay đổi Điều chứng tỏ, tác dụng laser đỏ bước sóng 650 nm hạt nano vàng bán nguyệt hấp thụ lượng quang chuyển thành nhiệt gây nên biến đổi hình thái màng tế bào 42 Hình 4.1 Hiệu ứng quang nhiệt hạt nano vàng bán nguyệt tế bào sống ung thư vú a) b)- ảnh kính hiển vi trường sáng TBUT trước sau chiếu laser 650 nm khơng có mặt hạt nano c) d) ảnh kính hiển vi trường sáng TBUT trước sau chiếu laser 650 nm với có mặt hạt nano vàng bánnguyệt Dựa nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt phần trên, tơi kết luận nhiệt độ hạt nano sinh có chiếu laser đỏ tiệm cận đến 40 oC dẫn đến thay đổi hình thái màng tế bàosống Do điều kiện thời gian hạn hẹp, nên chưa thực đầy đủ thí nghiệm theo dự định Trong thời gian tới, dự kiến nghiên cứu cách đầy đủ có hệ thống hơn, như: nghiên cứu ảnh hưởng thời gian chiếu laser đến tế bào, ảnh hưởng liều lượng hạt nano có mặt tế bào Đặc biệt đo đạc, xác định nhiệt độ xác từ xa tế bào vấn đề lớn mà nhóm tác giả muốn hướng đến Đây vấn đề thời sự, thú vị rấtphứctạpbởivìmơitrườngtếbàolàmộtmơitrườngphứchợp(complex 43 media) Môi trường bị ảnh hưởng nhiều thông số vật lý, hóa học, sinh học mà hai yếu tố quan trọng hệ số nhớt hệ số đàn hồi Hiện nay, theo hiểu biết tơi chưa có nghiên cứu tìm mối liên hệ cụ thể minh bạch nhiệt độ độ nhớt hệ số đànhồi 44 KẾT LUẬN - Đề tài chế tạo thành công hạt nano vàng bán nguyệt hạt nano lai hóa tính chất từ tính chất quang Kích thước trung bình hạt nano vàng bán nguyệt là190nm - Phổ tán xạ Plasmon bề mặt hạt nano vàng có đỉnh bước sóng khoảng 555nm 648nm Kết phù hợp với lý thuyếtMie - vị trí đỉnh phổ phụ thuộc vào hình dạng kích thước hạt nano - Kết nghiên cứu quang nhiệt dùng laser xanh kích thích, nhiệt độ cục hạt nano vàng bán nguyệt glycerol sinh tăng 5,5oC laser đỏ nhiệt độ cục tăng tương ứng 18 oC so với nhiệt độ phòng Nhiệt độ cục tăng tuyến tính với mật cơng suất laser chiếu đến hạt nano Hiệu suất chuyển đổi quang thành nhiệt phụ thuộc vào việc lựa chọn bước sóng laser kích thích, phụ thuộc vào mật độ cơng suất laser chiếu vào hạtnano - Bước đầu thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt hạt nano chế tạo tế bào ung thư vú phịng thí nghiệm Kết cho thấy hạt nano mà nhóm chế tạo có hiệu ứng quang nhiệt tốt, nhiệt độ sinh từ hạt nano thay đổi hình thái cấu trúc màng tế bào ung thư Nếu số hạt nano cường độ laser chiếu đủ lớn diệt tế bào ung thư nhiệt độ hạt nano sinh chiếu sáng kích thích - Nghiên cứu thành cơng tính chất quang nhiệt hạt nano hứa hẹn mở hướng điều trị bệnh ung thư-Điều trị trúng đích Đây liệu pháp đầy hứa hẹn tương lai phát triển để thay cho phương pháp điều trị thông thường (phẫu thuật, xạ trị, hóa trị) Những lợi mà phương đem lại điều trị không xâm lấn nghĩa không ảnh hưởng đến tế bào lành,đây điểm mạnh công nghệ nano mà phương pháp truyền thống khơng cóđược 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Markus Niederberger, “Colloidal Gold”, Chem Rev 2006, pp.104-293 [2] C Loo, L Hirsch, A Lin, M.-H Lee, J Barton, N.J.Halas, J West, and R Dre-zek Nanoshell-enabled photonics-based imaging and therapy of cancer Tech Cancer Res, 3(1) :33–40., 2004 [3] E Prodan, C.Radloff, N J Halas, and P Nordlander A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures Science, 302(5644) :419– 422,2003 [4] S R D S.L.Westcott and N.J.Halas Nanoengineering of optical resonances Chemical Physics Letters, 288(2-4) :243–247,1998 [5] E Bohn, W Stober, and A Fink Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range J Coll Intrfc Sci., 26(1) :62–69,1968 [6] Y.Lu, G.L.Liu, J.Kim, Y.X.Mejia, and L.P.Lee Nanophotonic crescen t moon structures with sharp edge for ultrasensitive biomolecular detection by local electromagnetic field enhancement effect Nano Lett., 5(1) :119–124, 2005 [7] G.L.Liu, J.Kim, Y.Lu, and L.P.Lee Optofluidic control using photothermal na-noparticles Nat Mat., 5(1) :27–32,2005 [8] S.Link and M.El-Sayed Spectral properties and relaxation dynamics of surface plasmon electronic oscillations in gold and silver nanodots and nanorods J Phys Chem B, 103(40) :8410–8426,1999 [9] L Michael Nanostructures magnétiques pour le dianostic et la therapie : hyper-thernie, relatation magnétique et devenir dans l’organisme PhD thesis, ParisDi-derot,2011 [10] F.Perrin Etude math´ematique du mouvement brown de rotation PhD thesis, Faculté des sciences de Paris,1928 [11] Prashant K.Jain, Ivan H El-Sayed, “Au Nanoparticles TargetCancer”, Nanotoday February/Volume/Number1, February 2007, pp.18-29 [12] X Zhang, A.V.Whitney, J Zhao, E M.Hicks, and R Duyne Advances in contem-porary nanosphere lithographic techniques J.of Nanosc and Nanotech, :1–15,2006 46 [13] N.A.Mirin and N.J.Halas Light-bending nanoparticles Nano Lett.,9(3) :1255–1259, 2009 [14] Liu GL Et al “Optofluidic control using photothermal nanoparticles”, Nat Mat Vol 5, No.11, (2005), pp 27–32 [15] Nikolay A Mirin et al, “Light-Bending Nanoparticles” Nano Lett (2009), Vol.9, No 3,pp 1255–1259 [16] Xuan Hoa Vu et al, Determination of the dynamique parameters of an individual gold nanocrescent: Tạp chí nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Vol 47, No.2, 2017 47 ... ung thư cách xác Trên sở đó, tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt hạt nano vàng định hướng ứng dụng diệt tế bào ung thư? ?? Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu hạt nano. .. vào hạtnano - Bước đầu thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt hạt nano chế tạo tế bào ung thư vú phịng thí nghiệm Kết cho thấy hạt nano mà nhóm chế tạo có hiệu ứng quang nhiệt tốt, nhiệt độ sinh từ hạt. .. phương pháp chế tạo hạt nanovàng Trong đề tài này, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu hạt nano vàng, phần giới thiệu số phương pháp chế tạo hạt nano vàng Nhìn chung, hạt nano vàng chế tạo hai phương