CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO YVO4:Eu3+ VÀ EuPO4.H2O THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU HUỲNH QUANG Y SINH TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Lê Thị Vinh CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO YVO4:Eu3+ VÀ EuPO4.H2O THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU HUỲNH QUANG Y SINH Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số: 62 44 01 27 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2017 Cơng trình hồn thành tại: Phịng Quang Hóa Điện tử - Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Quốc Minh TS Trần Thu Hương Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Năng Định Phản biện 3: PGS.TS Lục Huy Hoàng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học Viện họp Viện vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi …… … phút … , ngày … tháng … năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Hà Nội - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam MỞ ĐẦU Các vật liệu nano có nhiều ứng dụng bật ngành: điện tử, quang học, thông tin, lượng Đặc biệt, y sinh học vật liệu nano trở thành tảng phát triển công nghệ công cụ kiểu ba lĩnh vực chẩn đoán, điều trị nghiên cứu khoa học sống Các phương pháp phát sớm phân tử sinh học, chế tạo thuốc trúng đích điều trị bệnh phát triển mạnh góp phần hình thành ngành sinh y học nano đại Nhiều loại vật liệu nano nano bán dẫn, nano từ, nano kim loại nano phát quang chế tạo phát triển ứng dụng sinh y học Trong đó, vật liệu nano phát quang có ứng dụng trội chẩn đoán điều trị bệnh nan y bệnh ung thư, bệnh truyền nhiễm v.v Có bốn loại vật liệu nano phát quang nghiên cứu chất mầu hữu nano hoá, chấm lượng tử bán dẫn, vật liệu nano kim loại vật liệu nano phát quang chứa đất Thứ nhất, chất mầu hữu nano hoá với cường độ huỳnh quang mạnh, dễ phân tán nhiều môi trường, môi trường sinh lý Các chất mầu hữu có nhược điểm phát quang khơng bền tính chất phát quang phụ thuộc mạnh vào môi trường Tiếp đến, xuất chấm lượng tử bán dẫn (Quantum dot) ứng dụng nhiều ngành kinh tế kĩ thuật khác nhau, chúng có hiệu suất phát quang cao, bền, phổ phát quang phụ thuộc mạnh vào kích thước bề mặt Một vật liệu phát quang sử dụng phương pháp Quantum dot chế tạo từ CdS hay CdSe Các chấm lượng tử xử lý thích hợp phân tán tốt nước, tiền đề quan trọng để liên hợp sinh học Tuy nhiên, thành phần vật liệu chứa nguyên tố có tính độc với người mơi trường nên bị hạn chế Tiếp theo, vật liệu nano kim loại chủ yếu vật liệu nano bạc (Ag) vật liệu nano vàng (Au) Hiện nay, nano bạc ứng dụng diệt khuẩn nano vàng ứng dụng có hiệu làm tác nhân điều trị quang nhiệt Loại vật liệu thứ tư ứng dụng y sinh vật liệu nano phát quang chứa ion đất (RE-NPs) Ưu điểm RE-NPs có thời gian sống huỳnh quang dài, độ dịch chuyển Stock lớn, độ rộng phổ hẹp, thân thiện với thể người mơi trường thích hợp cho ứng dụng sinh y học Nổi bật phương pháp đánh dấu huỳnh quang nhận dạng phương pháp điều trị quang nhiệt, quang động dựa vào vật liệu RE-NPs Với tiến vượt bậc tổng hợp hóa học phát số vật liệu nano RE-NPs có hiệu suất phát quang cao Để tạo vật liệu nano dùng phương pháp như: phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp dung nhiệt, phương pháp vi sóng phương pháp khn mềm Trong nước, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ứng dụng làm phương tiện đánh dấu nhận dạng Các nghiên cứu tạo công cụ đánh giá chất lượng sinh phẩm, thực phẩm vacxin đạt thành khích lệ Một số nhóm nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu nano bán dẫn ứng dụng phân tích dư lượng thuốc trừ sâu, phát triển chấm lượng tử phức hợp nano vàng nano hóa chất mầu hữu v.v cộng đồng khoa học khu vực giới quan tâm Ngoài ra, nghiên cứu vật liệu RE-NPs Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đạt kết bật nghiên cứu định hướng ứng dụng, điển hình ứng dụng phân tích nhận dạng sinh y học vacxin Theo hướng nghiên cứu này, nhiều kết nghiên cứu thực thành cơng Hiện nay, hướng nghiên cứu chế tạo có điều khiển vật liệu lantanit phốt phát vanađat kích thước nano pha tạp với ion Eu (III) mối quan tâm hàng đầu chế tạo vật liệu nano phát quang chất lượng cao định hướng ứng dụng y sinh học Hơn nữa, nguyên tố đất Eu phát quang mạnh, vạch hẹp vùng màu đỏ thuận tiện ứng dụng quang điện tử sinh y học Chính vậy, Tơi lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sỹ: “Chế tạo, nghiên cứu tính chất vật liệu nano YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O thử nghiệm ứng dụng đánh dấu huỳnh quang y sinh” Mục tiêu: Làm chủ phương pháp tổng hợp có điều khiển vật liệu nano YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O dạng hạt dạng dây Thiết lập phụ thuộc cấu trúc, hình dạng hình thái học hai vật liệu nano phát quang nêu vào điều kiện tổng hợp hóa học dung dịch Thử nghiệm thành công ứng dụng vật liệu YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch, đặc biệt phát nhận dạng virut sản phẩm vacxin công nghiệp Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O Công cụ đánh dấu từ YVO4:Eu3+, EuPO4.H2O phân tử sinh học đặc hiệu Quá trình đánh dấu nhận dạng vacxin sởi nhằm xác định chất lượng sản phẩm vacxin công nghiệp Phương pháp nghiên cứu: Luận án nghiên cứu phương pháp thực nghiệm Vật liệu chế tạo phịng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Cấu trúc, hình thái học mẫu phân tích phép đo đại như: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại, ảnh hiển vi điện tử phát trường, ảnh hiển vi điện tử truyền qua Tính chất quang nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang Các phép đo phân tích hầu hết thực thiết bị đại có độ tin cậy cao Khảo sát khả ứng dụng vật liệu sở sản xuất Vĩnh Hưng xây dựng từ vốn đầu tư ODA Nhật Bản, nhà máy thuộc Trung tâm nghiên cứu sản xuất vacxin sinh phẩm y tế Polyvac thuộc Bộ Y tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn: + Góp phần vào phát triển Khoa học phát triển công nghệ nano lĩnh vực chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất + Đóng góp vào tìm kiếm phương pháp để phân tích tìm giải pháp giúp xác định tình trạng bệnh, nâng cao chất lượng sản xuất vacxin sinh phẩm y tế Tính mới: (i) Đã chế tạo thành cơng vật liệu nano đa dạng phát quang mạnh chứa đất YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O sở phương pháp tổng hợp nano có điều khiển Vật liệu nano YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O dạng có chiều dài nằm khoảng 200  500 nm, độ rộng 10  30 nm dạng hạt có kích thước 15 nm nhằm tăng cường khả ứng dụng y sinh (ii) Vật liệu EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG lần chế tạo thành công cách bọc vật liệu nano phát quang EuPO4.H2O với lớp mỏng silica chứa nhóm NH2 sau liên kết với IgG phản ứng ghép Kết thử nghiệm quy trình sản xuất cơng nghiệp ban đầu cho thấy vật liệu EuPO4.H2O@silicaGAT-IgG nhận dạng virut sởi Do đó, vật liệu có triển vọng sử dụng vật liệu nano phát quang chứa đất làm công cụ đánh dấu nhận dạng nhằm phục vụ quy trình sản xuất vacxin chất lượng cao ngành y sinh học Bố cục luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục ký hiệu chữ viết tắt, danh mục bảng, danh mục hình ảnh hình vẽ, danh mục cơng trình cơng bố liên quan đến luận án, phụ lục tài liệu tham khảo Nội dung luận án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan tình hình vật liệu nano phát quang chứa ion đất Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chương 3: Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu YVO4:Eu3+ Chương 4: Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu EuPO4.H2O Chương 5: Ứng dụng vật liệu nano chứa tác nhân phát quang Europi y sinh học vacxin Phần kết luận: Trình bày kết luận án Các kết luận án cơng bố 08 cơng trình khoa học Chương 1: VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM 1.1 Vật liệu nano 1.1.1 Phân loại Vật liệu nano loại vật liệu có kích thước cỡ nanomet, thường nằm khoảng từ đến 100 nm Các tính chất vật liệu phát thang nano với hiệu ứng đặc biệt liên quan đến kích thước bề mặt Phân loại vật liệu nano dựa vào mục đích nghiên cứu ứng dụng 1.1.2 Chiến lược chế tạo vật liệu nano Có hai phương pháp để chế tạo vật liệu: phương pháp từ xuống phương pháp từ lên Hướng thứ tiếp cận từ xuống thường sử dụng phương pháp vật lý kiểu quang khắc, kèm với chùm ion, chùm hạt, chùm điện tử chế tạo vật liệu có kích thước cỡ 50 nm Hướng thứ hai hướng tiếp cận từ lên, chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học để lắp ghép đơn vị nguyên tử phân tử lại với nhằm thu cấu trúc nano Trong luận án này, sử dụng phương pháp vi sóng, phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu nghiên cứu 1.2 Vật liệu nano phát quang chứa ion đất 1.2.1 Đặc điểm chung nguyên tố đất Cấu hình electron chung nguyên tố đất hiếm: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2 (n = ÷ 14; m = 1) Đặc tính phát xạ ion đất ion tồn điện tử bên lớp vỏ 4f n (chứa tối đa 14 electron) chưa điền đầy, chúng bị kích thích lên mức lượng cao, sau chúng chuyển xuống mức lượng thấp xuống mức tạo trình phát quang 1.2.2 Vật liệu huỳnh quang chứa ion đất Vật liệu huỳnh quang cấu tạo từ hai phần chất chất pha tạp hay gọi tâm phát quang Chất vật liệu có độ bền lý hóa, ổn định cấu trúc có tính trơ quang học 1.2.2.1 Cơ chế phát quang chứa ion đất Đối với vật liệu huỳnh quang pha tạp ion đất chế phát quang ion đất pha tạp mạng chuyển mức điện tử nguyên tử Cơ chế phát quang vật liệu phụ thuộc vào cấu hình điện tử nguyên tố đất pha tạp 1.2.2.2 Sự tách mức lượng phân lớp 4f nguyên tố đất Xét ảnh hưởng trường tinh thể mạng Lớp điện tử 4f (chưa điền đầy) ion đất bao bọc lớp lấp đầy 5s25p6 hiệu ứng trường tinh thể xung quanh yếu, nên xem trường tinh thể nhiễu loạn Chính đặc điểm dẫn tới tượng phụ thuộc vào mạng RE, mạng khác có tách mức lượng khác phụ thuộc vào đối xứng khác mạng 1.2.2.3 Ion Europi (Eu3+, Eu2+) Europi (Eu) có cấu hình ngun tử [Xe] 4f7 5s2 5p6 6s2 Ion Eu2+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f7 5s2 5p6, phân lớp 4f có điện tử Ion Eu3+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f6 5s2 5p6, phân lớp 4f có điện tử, với lớp vỏ 4f6 cịn thiếu electron điền đầy nửa, nên lớp vỏ 4f6 sẵn sàng chấp nhận điện tử xuất trạng thái chuyển tiếp - điện tích có lượng thấp Ion Eu3+ cho phép chuyển mức hấp thụ phát xạ quang học gây trạng thái chuyển tiếp - điện tích 1.3 Vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ Ytri octhovanadat (YVO4) vật liệu tinh thể trục, vật liệu quang học lý tưởng, độ khúc xạ kép lớn, đối xứng kiểu tứ giác (tetragonal) (Hình 1.6) Vật liệu nano YVO4:Eu3+ phát huỳnh quang mạnh bước sóng 619 nm có triển vọng ứng dụng đánh dấu y sinh, hay in bảo mật Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể vật liệu YVO4 1.4 Vật liệu nano phát quang EuPO4.H2O EuPO4.H2O cấu trúc nano, cường độ phát quang mạnh thời gian sống dài, thân thiện với thể người mơi trường có triển vọng đánh dấu huỳnh quang y sinh Phổ huỳnh quang EuPO4.H2O phát quang với chuyển dời đặc trưng Eu3+: 5D0 → 7Fn (n = 1, 2, 3, 4), đỉnh phát xạ mạnh thu bước sóng 594 nm cấu trúc kiểu hecxagonal (lục giác) Qua nghiên cứu vật liệu hợp thức EuPO4.H2O dạng dây nano cho thấy, vật liệu đánh dấu nhận dạng tốt theo chế độ ngoại bào 1.5 Công cụ đánh dấu huỳnh quang miễn dịch y sinh Trên giới, có nhiều phương pháp phát sở hình ảnh nhận dạng đối tượng sinh học tế bào, virut, phân tử protein, peptit hay AND Hiện nay, sinh y học có số phương pháp phân tích xét nghiệm phổ biến phương pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) phương pháp miễn dịch huỳnh quang Trong phương pháp phân tích miễn dịch huỳnh quang với độ nhạy cao, xác dùng phổ biến Với phương pháp đánh dấu huỳnh quang sử dụng kính hiển vi huỳnh quang dùng để quan sát hiệu phát nhanh virut, tế bào bệnh nhằm chẩn đốn sớm, triển khai quy trình điều trị Vì vậy, cơng cụ đánh dấu có thành phần kháng thể tương ứng tiếp xúc với hệ tế bào lây nhiễm xảy phản ứng sinh học đặc hiệu kháng nguyên kháng thể - phản ứng miễn dịch Cơ chế phản ứng miễn dịch huỳnh quang (MDHQ) thơng qua Hình 1.8 Trong Hình 1.8 phần kí hiệu biểu thị: kháng thể (antibody), kháng - kháng thể (anti-antibody) kháng - kháng thể gắn kết với vật liệu phát quang (labelled anti-antibody) Thành phần cuối công cụ đánh dấu y sinh học Phần mô tả công cụ đánh dấu tương tác với phức hợp kháng nguyên/kháng thể có bề mặt virut dựa tương tác miễn dịch Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phân tích đánh dấu huỳnh quang miễn dịch Sản phẩm phản ứng miễn dịch liên quan đến virut có kích thước micromet Đơi chúng tạo thành mảng lớn với kích thước micromet Chương 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trong chương này, chúng tơi trình bày phương pháp chế tạo vật liệu nano YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O, dạng hạt, thanh, dây v.v.; kỹ thuật thực nghiệm để đo đạc khảo sát cấu trúc, tính chất quang học mẫu chế tạo 2.1 Chế tạo mẫu: Bảng 2.1 Ký hiệu mẫu vật liệu YVO4:Eu3+ sử dụng luận án Các mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp khác Ký hiệu mẫu YVEH6 YVEH8 YVEH10 YVEH12 YVET5 YVET10 YVET15 YVET20 YVET30 Vật liệu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp thủy nhiệt với chất hoạt động bề mặt Ký hiệu mẫu YVEH4 Vật liệu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi thời gian Ký hiệu mẫu YVE-MW (Vi sóng) Hệ mẫu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi nồng độ pH Ký hiệu mẫu YVE-HT (Thủy nhiệt) YVE-HT/HTAB YVE-HT/AOT YVE-HT/SDS Vật liệu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi công suất với chất tạo khuôn mềm (PEG) Ký hiệu mẫu YVEP3 YVEP5 YVEP7 YVEP9 Bảng 2.2 Ký hiệu mẫu vật liệu EuPO4.H2O sử dụng luận án Vật liệu EuPO4.H2O chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi nồng độ [PO43-] Ký hiệu mẫu EP1-3 EP1-5 EP1-10 EP1-15 EP1-30 Vật liệu EuPO4.H2O (1-15) chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi độ pH Ký hiệu mẫu EP1-1 EP1-15 H2 EP1-15 H4 EP1-15 H6 EP1-15 H8 EP1-15 H10 EP1-15 H12 Vật liệu EuPO4.H2O (1-1) chế tạo phương pháp vi sóng thay đổi độ pH Ký hiệu mẫu EP1-1 H2 EP1-1 H4 EP1-1 H6 EP1-1 H8 EP1-1 H10 EP1-1 H12 2.1.1 Qui trình tổng hợp mẫu YVO4:Eu3+ Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu YVO4:Eu3+ phương pháp thủy nhiệt vi sóng 2.1.2 Quy trình tổng hợp mẫu EuPO4.H2O Hình 2.2 Quy trình chế tạo vật liệu EuPO4.H2O phương pháp vi sóng 2.2 Các thiết bị phương pháp đo đạc thực nghiệm Cấu trúc tinh thể vật liệu nghiên cứu phương pháp nhiễu xạ tia X thiết bị D5000-SIEMEN Hình thái học mẫu xác định từ ảnh FESEM, TEM chụp thiết bị S-4800 HITACHI JEOL-1010 Phổ huỳnh quang vật liệu thể hệ phổ kế phân giải cao MicroSPEC-2356 với Laser He-Cd Phổ hồng ngoại thực hệ IMPACT-410, NICOLET Phương pháp đánh dấu huỳnh quang quan sát kính hiển vi huỳnh quang Olympus BX40 14 3.5 Ảnh hưởng công suất với chất tạo khuôn mềm PEG Để tổng hợp vật liệu có hình dạng mong muốn tiến hành thêm chất tạo khuôn mềm PEG (M = 20.000) với thời gian vi sóng 15 phút, nhiệt độ 80 oC pH = chế độ công suất khác 300W, 500W, 700W, 900W (ký hiệu mẫu YVEP3, YVEP5, YVEP7, YVEP9) (a) YVEP3 (b) YVEP5 (c)YVEP7 (d) YVEP9 3+ Hình 3.12 Ảnh FESEM mẫu YVO4:Eu YVO4:Eu3+/PEG công suất khác (a)YVEP3 (300W), (b)YVEP5 (500W), (c)YVEP7 (700W), (d)YVEP9 (900W) D0- F4 D0- F3 (2) 550 600 650 700 (1) YVO4:Eu3+/700W (2) YVO4:Eu3+/PEG/700W 40 30 20 (2) 1400 10 750 B−íc sãng (nm) Hình 3.13 Phổ huỳnh quang mẫu YVO4:Eu3+ (a) YVO4:Eu3+ /PEG (b) kích thích bước sóng 325 nm 1628 (1) (1) 0.0 50 §é trun qua (%) D0- F2 4.0k 2.0k 60 (1) YVE-MW (2) YVE-MW/PEG 6.0k D0- F1 C−êng ®é (®.v.t.®) 8.0k 4000 3468 3500 808 3000 2500 2000 1500 1000 500 Sè sãng (cm-1) Hình 3.14 Phổ hồng ngoại mẫu YVO4:Eu3+ YVO4:Eu3+ /PEG cơng suất 700W, thời gian vi sóng 15 phút, gia nhiệt 80 oC với pH = Ảnh FESEM Hình 3.12 cho thấy vật liệu kết hợp với PEG 500W bắt đầu xuất dạng dây Hình 3.13 phổ huỳnh quang mẫu dạng hạt dạng dây phát quang với chuyển dời đặc trưng Eu3+, đỉnh phát xạ mạnh 5D0 → 7F2 Hình 3.14 phổ hồng ngoại mẫu YVO4:Eu3+ mẫu YVO4:Eu3+ có PEG Các liên kết chất tạo khuôn mềm -CH2, -CH3, -C-O-H, -C-O-C-, -C-C- thể 15 phổ với số sóng tương ứng 1401 gần 700 cm-1 tất mẫu không quan sát thấy nhiều chứng tỏ khuôn mềm tháo bỏ, tan dung môi loại bỏ trình lọc rửa Việc cho thêm PEG tổng hợp vật liệu YVO4:Eu3+ cơng suất 700W, thời gian vi sóng 15 phút, gia nhiệt 80 oC với pH = hình thái học vật liệu thay đổi từ dạng hạt chuyển sang dạng dây, khơng có PEG điều khơng xảy Chương 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU EuPO4.H2O Trong chương trình bày kết nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu EuPO4.H2O 4.1 Ảnh hưởng nồng độ Mẫu vật liệu EuPO4.H2O khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ [Eu3+]/[PO43-] là: 1-1, 1-3, 1-5, 1-10, 1-15, 1-30 pH = 6, phương pháp vi sóng với cơng suất 800W thời gian 15 phút, nhiệt độ 80 oC (a) EP 1-1 (b) EP 1-3 (c) EP 1-5 (d) EP 1-10 (e) EP 1-15 (f) EP 1-30 Hình 4.1 Ảnh FESEM mẫu EuPO4 thay đổi tỷ lệ [Eu3+] / [PO43-]: (a) EP1-1, (b) EP 1-3, (c) EP 1-5, (d) EP 1-10, (e) EP 1-15, (f) EP 1-30 pH = công suất 800W với thời gian 15 phút nhiệt độ 80 oC Hình thái học mẫu EuPO4.H2O thay đổi [PO43-] pH = trình bày Hình 4.1 Kết ảnh FESEM cho thấy với thay đổi [PO43-] hình thái 16 học EuPO4.H2O thay đổi từ dạng sang dạng chuỗi hạt dần chuyển sang hạt Vật liệu có cấu trúc hecxagonal (Hình 4.2) Hình 4.3 phổ huỳnh quang mẫu EuPO4.H2O kích thích bước sóng 393 nm, dải phát xạ đặc trưng Eu3+ quan sát đỉnh phát xạ bước sóng 594, 619, 652 702 EuPO4 pH6 / exc = 393 nm C−êng ®é (®.v.t.®) 4.0x105 5 D0-7F2 D0-7F1 D0-7F3 D0-7F4 EP 1-30 EP 1-15 2.0x105 EP 1-10 EP 1-5 EP 1-3 EP 1-1 0.0 600 700 B−íc sãng (nm) Hình 4.2 Giản đồ XRD hệ mẫu EuPO4.H2O thay đổi [Eu3+]/[PO43-] (EP): EP 1-1, EP 1-3, EP 1-5, EP 1-10, EP 1-15, EP 1-30 pH = công suất 800W, thời gian 15 phút nhiệt độ 80 oC Hình 4.3 Phổ huỳnh quang hệ mẫu EuPO4.H2O thay đổi nồng độ [PO43-] công suất 800W, thời gian 15 phút nhiệt độ 80 oC bước sóng 393 nm Tuy nhiên, phổ huỳnh quang hệ vật liệu cho thấy cường độ phát quang hai chuyển dời 5D0 → 7F1 594 nm , 5D0 → 7F2 619 nm có thay đổi Nhóm tác giả cho hình thái học EuPO4 thay đổi nồng độ thay đổi Sau nghiên cứu mục đích ứng dụng vật liệu EuPO4.H2O, chọn tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 (EP 1-1) [Eu3+]/ [PO43-] = 1/15 (EP 1-15) cho thí nghiệm 4.2 Ảnh hưởng độ pH đến cấu tạo tính chất EuPO4 4.2.1 Ảnh hưởng độ pH mẫu EuPO4 (1-15) Hệ mẫu EuPO4·H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] chế tạo tỉ lệ 1/15 với pH thay đổi từ đến 12 công suất 800W, 15 phút 80 oC (ký hiệu mẫu EP 1-15 H2, H4, H6, H8, H10, H12) Kết chụp ảnh FESEM Hình 4.4 cho thấy tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] 1/15 pH: 2, 4, 6, 8, 10 12, mẫu có dạng chuỗi hạt chuỗi hạt ngắn dần Tỷ lệ [Eu3+] / [PO43-] = 1/15 pH = 12 hạt dần tách rời, thước hạt khoảng  15 nm Tương tự vai trò nồng độ, thay đổi pH làm thay đổi hình thái học vật liệu EuPO4.H2O dạng chuỗi hạt dần chuyển sang hạt Phổ huỳnh quang mẫu EuPO4·H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] =1/15 pH thay đổi kích thích bước sóng 393 nm trình bày Hình 4.5 17 (a) EP(1-15) H2 (b) EP(1-15) H4 (c) EP(1-15) H6 (d) EP(1-15) H8 (e) EP(1-15) H10 (f) EP(1-15) H12 Hình 4.4 Ảnh FESEM mẫu EuPO4·H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/15 chế tạo thay đổi độ pH khác nhau: (a) EP(1-15) H2 (pH= 2), (b) EP(1-15) H4 (pH= 4), (c) EP(1-15) H6 (pH= 6), (d) EP(1-15) H8 (pH= 8), (e) EP(1-15) H10 (pH= 10), (f) EP(1-15) H12 (pH= 12) Hình 4.5 Phổ huỳnh quang mẫu EuPO4·H2O với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] 1/15 với độ pH khác bước sóng 393 nm Kết cho thấy mẫu vật liệu chế tạo phát quang với chuyển dời đặc trưng Eu3+: 5D0 →7FJ (J = 1, 2, 3, 4) Trong đó, đỉnh phát xạ 594 nm gây chuyển dời lưỡng cực từ 5D0 →7F1 mạnh pH = 2, 4, 6, 8, 10 Tuy nhiên, 18 pH = 12 đỉnh phát xạ mạnh 5D0 →7F2 ion Eu3+, điều cấu trúc đối xứng ion kích hoạt 4.2.2 Ảnh hưởng độ pH mẫu EuPO4.H2O (1-1) Ảnh FESEM hệ mẫu EuPO4.H2O với tỷ lệ nồng độ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 pH thay đổi: 4; 6; 8; 12 chế tạo phương pháp vi sóng với cơng suất 800W thời gian 15 phút, nhiệt độ 80 oC trình bầy Hình 4.6 (a) EP(1-1) H4 (b) EP(1-1) H6 (c) EP(1-1) H8 (d) EP(1-1) H12 Hình 4.6 Ảnh SEM mẫu EuPO4 với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 pH khác nhau: 4, 6, 8, 12 tương ứng (a )EP(1-1) H4, (b )EP(1-1) H6, (c )EP(1-1) H8, (d )EP(1-1) H12 D0-7F2 D0-7F4 5 D0-7F3 EP 1-30 C−êng ®é (®.v.t.®) D0-7F1 2.0x105 EP 1-15 EP 1-5 EP 1-3 EP 1-1 0.0 600 B−íc sãng (nm) 700 Hình 4.7 Phổ huỳnh quang hệ mẫu EuPO4.H2O chế tạo phương pháp vi sóng với tỷ lệ [Eu3+]/ [PO43-] = 1/1 với pH thay đổi từ ÷ 12 bước sóng 393 nm Hình thái học vật liệu EuPO4.H2O có dạng chuỗi hạt chiều dài chuỗi ngắn dần Các mẫu vật liệu phát quang, đặc trưng Eu3+ ứng với bốn chuyển dời 5D0 → 7FJ (J = 1, 2, 3, 4), đỉnh phổ tương ứng có chuyển dời 5D0 → 7F1 lớn (Hình 4.7) 19 Chương 5: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO CHỨA TÁC NHÂN PHÁT QUANG EUROPI TRONG Y SINH HỌC VACXIN Sự tích hợp cơng nghệ nano công nghệ sinh học tạo vật liệu huỳnh quang kích thước nano ứng dụng vào mục đích dị, tìm phát phân tử sinh Chương trình bầy kết nghiên cứu chế tạo ứng dụng sử dụng vật liệu nano phát quang chứa đất nhằm phát nhận dạng virut sản phẩm vacxin sởi 5.1 Xây dựng qui trình chế tạo cơng cụ đánh dấu nhận dạng huỳnh quang miễn dịch 5.1.1 Bọc vỏ vật liệu nano phát quang (Ln- VLNPQ) Silica Các vật liệu nano phát quang cần phải có lớp vỏ bảo vệ tác động môi trường Đồng thời lớp vỏ bảo vệ phải tăng độ bền vật liệu, tính chất quang tính chất lý hố khác Hơn nữa, lớp vỏ cần tăng độ bền dịch keo nước, giảm thiểu tác động phụ sinh lý miễn dịch thúc đẩy xâm nhập vật liệu nano vào hệ sinh học Sơ đồ bọc vỏ vật liệu nano phát quang (Ln- VLNPQ) Silica Hình 5.1 Hình 5.1 Sơ đồ bọc vỏ vật liệu nano phát quang (Ln- VLNPQ) Silica 5.1.2 Chức hóa vật liệu bọc vỏ Sau vật liệu đươc bọc lớp vỏ silica, để chức hóa bề mặt vật liệu LnVLPQ đươc bọc vỏ cách gắn nhóm - NH2 dùng dung dịch 3-Aminopropyl trimethoxysilane (APTMS) (Hình 5.2) 20 Hình 5.2 Sơ đồ gắn nhóm NH2 bề mặt vật liệu bọc vỏ Kết ảnh FESEM vật liệu YVO4:Eu3+ YVO4:Eu3+@silica-NH2 thể Hình 5.3 Kết cho thấy vật liệu YVO4:Eu3+ (a) dạng hạt với kích thước < 15 nm, vật liệu YVO4:Eu3+@silica-NH2 (b) dạng hạt có kích thước lớn với đường kính khoảng 25 nm (a) YVO4:Eu3+ (b) YVO4:Eu3+@Silica-NH2 Hình 5.3 Ảnh FESEM vật liệu YVO4:Eu3+(a) YVO4:Eu3+@ silica -NH2 (b) Hình thái hoc vật liệu khẳng định lại qua ảnh TEM Hình 5.4 vật liệu YVO4:Eu3+ có kích thước hạt YVO4:Eu3+ < 15 nm, kích thước hạt YVO4:Eu3+@silica-NH2 khoảng 25 nm Bề mặt hạt nano YVO4:Eu3+ sau bọc vỏ có phần nhẵn dễ phân tán nước (a) YVO4:Eu3+ (b) YVO4:Eu3+@ silica -NH2 Hình 5.4 Ảnh TEM vật liệu YVO4:Eu3+(a) YVO4:Eu3+@ silica-NH2 (b) 21 3x10 D0- F3 2x10 (2) 1x10 60000 40000 D0-7F1 450 500 600 650 700 D0- F3 (2) 750 (1) 550 B−íc sãng (nm) Hình 5.5 Phổ huỳnh quang EuPO4.H2O EuPO4.H2O@.Silica-NH2 20000 550 D0-7F4 (1) (2)YVO4:Eu3+@silica-NH2 D0-7F2 5 D0- F4 D0- F2 4x10 80000 (2) EuPO4.H2O@silica-NH2 C−êng ®é (®vt®) 5x10 C−êng ®é (®vt®) (1) YVO4:Eu3+ (1) EuPO4.H2O exc = 393 nm D0- F1 6x10 600 650 700 750 B−íc sãng (nm) Hình 5.6 Phổ huỳnh quang YVO4.Eu3+ YVO4.Eu3+@.Silica-NH2 Các mẫu phát quang với chuyển dời đặc trưng Eu3+: 5D0→7FJ (J = 1, 2, 3, 4) (Hình 5.5 5.6) Đỉnh phát xạ mạnh bước sóng 594 nm gây chuyển rời lưỡng cực từ 5D0 →7F1 vật liệu EuPO4H2O (Hình 5.5) Đỉnh phát xạ 619 nm gây chuyển dời lưỡng cực điện 5D0 →7F2 vật liệu YVO4:Eu3+ (Hình 5.6) 5.1.3 Liên kết thực thể nano phần tử sinh học Sau gắn nhóm -NH2 bề mặt vật liệu bọc vỏ Vật liệu EuPO4@SiO2-NH2 tiếp tục gắn –IgG tạo thành sản phẩm kháng thể gắn huỳnh quang EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG (Hình 5.7) Hình 5.7 Sơ đồ Quy trình chế tạo cơng cụ đánh dấu nhận dạng theo phương pháp huỳnh quang miễn dịch Ln-VLPQ@Silica-GAT-IgG 5.2 Thử nghiệm phương pháp phân tích huỳnh quang miễn dịch, ứng dụng nhận dạng virut Sởi 5.2.1 Qui trình thử nghiệm 22 5.2.2 Kết thử nghiệm Với kết thu sau đợt thử nghiệm bước đầu cho thấy sản phẩm EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG mô tả Hình 5.8 Ảnh hiển vi quang học huỳnh quang mẫu tế bào lành mẫu chuẩn (MP - USA) sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang nhập thể mẫu 1a mẫu 1b Mẫu tế bào nhiễm virut sởi sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang nhập mẫu 2a mẫu 2b Và hình ảnh tế bào nhiễm virut sởi sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang EuPO4.H2O@silica-NH2-IgG thể mẫu 3a mẫu 3b Mẫu 1a Mẫu 2a Mẫu 3a Mẫu 1b Mẫu 2b Mẫu 3b Hình 5.8 Ảnh hiển vi quang học huỳnh quang của: Mẫu 1a Mẫu 1b dùng kháng - kháng thể gắn HQ nhập tế bào không nhiễm virut sởi; Mẫu 2a mẫu 2b sử dụng kháng - kháng thể gắn HQ nhập tế bào nhiễm virut sởi; Mẫu 3a mẫu 3b sử dụng kháng - kháng thể gắn HQ EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG tế bào nhiễm virut Sởi Với mẫu 1a mẫu 1b, tế bào lành chưa bị nhiễm vi rút sởi sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang nhập quan sát kính hiển vi huỳnh quang thấy ảnh dạng tế bào lớp, có màu xanh sáng, khơng bị co Mẫu 2a mẫu 2b, tế bào lây nhiễm virut sởi sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang nhập quan sát kính hiển vi huỳnh quang thấy có đám tế bào khổng lồ phát sáng đặc trưng virut sởi Mẫu 3a mẫu 3b sử dụng kháng thể gắn huỳnh quang EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG vào tế bào lây nhiễm virut sởi nhìn rõ dạng tế bào có đám tế bào khổng lồ phát sáng đặc trưng virut sởi tương đương với đám sáng mẫu 2a mẫu 2b Do đó, vật liệu nano phát quang EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG dùng làm tác nhân đánh dấu huỳnh quang qui trình phân tích miễn dịch nhận dạng đánh giá chất lượng sản phẩm virut/ vacxin Sởi 23 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Từ kết nghiên cứu đạt luận án, chúng tơi rút kết luận sau: Đã chế tạo thành công vật liệu nano phát quang chứa đất YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O sở phương pháp tổng hợp nano có điều khiển Quy trình tổng hợp ổn định, đặc biệt thay đổi hình thái học vật liệu nano giữ cấu trúc tinh thể đặc tính phát huỳnh quang cao Vật liệu YVO4:Eu3+ chế tạo phương pháp thủy nhiệt vi sóng có độ kết tinh tốt, hạt có kích thước nhỏ độ đồng cao Ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt làm giảm kích thước vật liệu xuống dưới15 nm Tổng hợp có điều khiển cách điều chỉnh độ pH, thời gian vi sóng, cơng suất vi sóng, cơng suất vi sóng với chất tạo khn mềm PEG làm thay đổi hình thái học vật liệu từ dạng hạt chuyển sang dạng dây Đã tổng hợp có điều khiển thành công hệ vật liệu nano EuPO4.H2O phương pháp vi sóng cách thay đổi nồng độ chất tham gia phản ứng độ pH Vật liệu nano EuPO4.H2O dạng có chiều dài nằm khoảng 200  500 nm, độ rộng 10  30 nm, dạng hạt có kích thước  15 nm Cấu trúc tinh thể vật liệu EuPO4.H2O dạng hạt có cấu trúc hexagonal Hai vật liệu nano YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O phát quang với chuyển dời đặc trưng ion Eu3+: 5D0 → 7FJ (J =  4) tương ứng với vạch phát xạ bước sóng 594, 619, 652 702 nm Tuy nhiên, tác dụng trường tinh thể vật liệu nền, đỉnh phát quang chuyển dời 5D0 → 7F2 YVO4:Eu3+ có giá trị lớn Ngược lại, EuPO4.H2O đỉnh phát quang mạnh lại chuyển dời 5D0 → 7F1 Ngoài ra, vật liệu dễ phân tán nước, tạo thành trạng thái keo bền vững, tạo tiền đề cho cơng đoạn xử lý để chúng tương thích với hệ sinh học Vì vậy, vật liệu thành cơng chức hóa bề mặt gắn kết với phần tử sinh học Một kết bật luận án tiến hành chế tạo tác nhân đánh dấu sinh học từ hai vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ EuPO4.H2O Đã thử nghiệm ứng dụng tác nhân đánh dấu nhận dạng dựa quy trình phân tích nhận dạng đánh giá chất lượng vacxin sản xuất công nghiệp Việt Nam Cụ thể, qua kết thử nghiệm cho thấy vật liệu EuPO4.H2O@silica-GAT-IgG nhận dạng virut sởi tương đương với sản phẩm nhập Do đó, vật liệu có triển vọng sử dụng làm công cụ đánh dấu nhận dạng virut sởi, 24 thay sản phẩm nhập nhằm phục vụ quy trình sản xuất vacxin chất lượng cao phát xác định nguyên nhân gây bệnh Các kết nghiên cứu luận án công bố 08 báo, 04 cơng bố tạp chí quốc tế thuộc hệ thống ISI, 01 công bố tạp chí quốc tế khơng thuộc ISI 01 cơng bố tạp chí Hóa học 02 báo cáo hội nghị nước, quốc tế 25 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Le Thi Vinh, W Strek, Hoang Thi Khuyen and Le Quoc Minh Fabrication and properties of high efficiency luminescent nanorods EuPO4•H2O by soft template method” Journal of rare earths, 29 (12), pp 1174, 2011 (IF: 1.7) Tran Thu Huong, Vu Duc Tu, Tran Kim Anh, Le Thi Vinh and Le Quoc Minh, Fabrication and characterization of YVO4:Eu3+ nanomaterials by the microwave technique Journal of rare earths, 29 (12), pp 1137, 2011 (IF: 1.7) Thu Huong Tran, Kim Anh Tran,Thu Hiền Phạm, Thi Vinh Le and Le Quoc Minh, Effect of the soft-template agents on size, shape and optical properties of YVO4:Eu3+ nanomaterials Adv Nat Sci: Nanotechnol, 3, pp 1-4, 2011 Lê Thị Vinh, Trần Thu Hương, Hoàng Thị Khuyên, Trần Kim Anh, Hà Thị Phượng Lê Quốc Minh, Ảnh hưởng Polyetylen glylcol đến cấu trúc tính chất quang vật liệu nano phát quang YVO4: Eu3+, Tạp chí Hóa học ISSN 0866-7174, T 51 (3AB), pp 535-539, 2013 Le Thi Vinh, Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Hoang Thi Khuyen, Ha Thi Phuong and Le Quoc Minh, Fabrication and optical characterization of the strong emission YVO4:Eu3+ multimorphological nanostructured materials, Proceedings of The 4th International Workshop on Nanotechnology and Application IWNA 2013, 14-16 November 2013, Vung Tau, Vietnam NMD-088-O, (ORAL), pp.264-267 T T Hương, L.T Vinh, T.K Anh, H.T Khuyên, H.T Phuong, and L.Q Minh, Fabrication and Optical characterization of multimorphological nanostructured materials containing Eu(III) in phosphate matrices for biomedical application New J Chem., 38 (5), pp 2114 – 2119, 2014 (IF: 3.2) Tran Thu Huong, Le Thi Vinh, Ha Thi Phuong, HoangThi Khuyen, Tran Kim Anh, Vu Duc Tu and Le Quoc Minh, Controlled fabrication of the strong emission YVO4:Eu3+ nanoparticles and nanowires by microwave assisted chemical synthesis, Journal of Luminescence, 173, pp 89-93, 2016 (IF: 2.7) Tran Thu Huong, Ha Thi Phuong, Le Thi Vinh, Hoang Thi Khuyen, Tran Kim Anh, Le Quoc Minh, Functionalized YVO4:Eu3+ nanophosphors with desirable properties for biomedical applications, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1, pp 295-300, 2016 26 27 26