Với mục đớch tạo ra hạt nano silica dạng cầu, phõn tỏn trong nước, kớch thước vài chục nano một, cú cỏc nhúm chức năng như -NH2, -COOH, -SH, -OH trờn bề mặt. Phương phỏp micelle thuận đó được lựa chọn vỡ phương phỏp này cho hạt nano silica phõn tỏn trong nước, sử dụng dung mụi khụng độc (nước), kớch thước hạt cú thể thay đổi theo ý muốn. Cỏc nhúm chức năng được chế tạo theo hai cỏch:
1) Sử dụng precursor cú nhúm chức mong muốn để tạo phản ứng đồng trựng hợp với precursor gốc MTEOS. Nhúm chức này liờn kết trực tiếp với nguyờn tử Si, khụng tham gia vào cỏc quỏ trỡnh thủy phõn và ngưng tụ. Do đú hạt nhận được sẽ gồm một mạng nền silica cú cỏc lỗ xốp với cỏc nhúm chức khỏc nhau trờn bề mặt lỗ xốp và trờn bề mặt hạt. Cỏc phõn tử màu được phõn tỏn trong cỏc lỗ xốp.
2) Chế tạo cỏc hạt nano khụng cú cỏc nhúm chức năng trước, sau đú bọc bằng polyethylene glycol (PEG) với nhúm chức mong muốn. Bằng cỏch này hạt vừa được bọc PEG là một loại polymer cú tớnh tương thớch sinh học cao, vừa cú nhúm chức năng mong muốn.
Húa chất:
- Precursor: methyltriethoxysilane (MTEOS): CH3-Si-(OC2H5)3, >97%, Merck;
- Aminopropyltriethoxysilane (APTEOS - (C2H5)3-Si-C3H6-NH2), >98% Merck, đồng thời đõy cũng là đồng precursor;
- 3-(trimethoxysilyl)-1 propanthiol (PTTMEOS - (OCH3)3-Si-(CH2)3-SH), ≥95%, Merck;
- Chlorotrimethylsilane (CTMES - C3H9SiCl), ≥ 95%, Sigma-Aldrich;
- Hoạt động bề mặt: Aerosol-OT (AOT): C20H37O7NaS và đồng hoạt động bề mặt Butanone-2: C4H8O (Merck);
- Dimethyl Sulfoxide (DMSO): (CH3)2SO, 99,8% , Merck; - Dung dịch amoniac: NH4OH, 25 – 28 %, Sigma-Aldrich;
- Polyethylene glycol (PEG): SH – PEG – COOH, Creative PEGWorks; - Bovine serum albumin (BSA) - Sigma-Aldrich;
- Streptavidin (SA)- Sigma-Aldrich; - EDC…
- Màng bỏn thấm 10000 Molecular Weight CutOff (MWCO); - Nước khử ion và nước cất hai lần.
a) b) c)
d) e) f)
Hỡnh 2.1. Cấu trỳc húa học của cỏc chất precursor và hoạt động bề mặt
a) MTEOS b) APTEOS c) AOT
d) PTTMEOS e) Butanone-2 f) CTMES
a) Chế tạo và chức năng húa hạt nano silica chứa tõm màu RB với cỏc nhúm
chức năng: NH2 + OH và NH2
Sơ đồ thớ nghiệm được biểu diễn trong Hỡnh 2.2. Đầu tiờn hỗn hợp hoạt động bề mặt gồm AOT và butanone-2 được pha với nhau theo tỉ lệ 0,11 g AOT:200 àl butanone-2 hay tỉ lệ mol là 1:9, sau đú rung siờu õm cho tới khi dung dịch trong suốt về mặt quang học và đồng nhất về mặt húa học. Lấy 1860 àl dung dịch hoạt động bề mặt thu được như trờn cộng với 400 àl MTEOS precursor, khuấy từ cho dung dịch đồng nhất. Tiếp theo, 20 ml nước cất hai lần được thờm vào và khuấy từ 1 giờ để thu được hệ micelle: MTEOS/AOT (butanone-2)/nước. Sau đú 100 àl chất màu RB trong DMSO được cho thờm vào và khuấy từ 10 phỳt để chất màu phõn tỏn đều trong cỏc hệ micelle. Lỳc này sẽ thu được được hệ micelle: MTEOS + chất màu/AOT (butanone-2)/nước, mỗi hệ micelle này sẽ là một trung tõm phản ứng.
Đối với cỏc mẫu đối chứng, 100 àl dung dịch DMSO khụng cú chất màu được thờm vào dung dịch. Cuối cựng cho APTES và khuấy từ trong 20 giờ, ta thu được mẫu hạt silica/ormosil cú cỏc nhúm chức –NH2 và –OH trờn bề mặt. Ở đõy APTES vừa là xỳc tỏc, vừa cung cấp nhúm chức NH2. Để loại bỏ cỏc hợp chất cũn dư trong cỏc phản ứng và loại toàn bộ hoạt động bề mặt AOT và Butanone-2, dung dịch thu được được đưa vào tỳi bỏn thẩm thấu 10000MWCO và được rửa nhiều lần bằng nước cất hai lần (9 - 10 lần), mỗi lần rửa trong thời gian 6 giờ dưới tỏc dụng của mỏy khuấy từ.
Cỏc phương trỡnh phản ứng xảy ra trong quỏ trỡnh tạo hạt nano silica: - Phản ứng thủy phõn
CH3Si(OC2H5)3 + 3H2O →CH3Si(OC2H5)2-x(OH)x+1 + 3C2H5OH (2.1) NH2C3H6Si(OC2H5)3 + 3H2O → NH2C3H6-Si(OC2H5) + 3C2H5OH (2.2)
Hai phản ứng này xảy ra qua nhiều giai đoạn. Cỏc hợp chất trung gian với 1, 2 và 3 nhúm –OH được hỡnh thành liờn tiếp bởi phản ứng ở dạng sau:
CH3Si(OC2H5)3-x(OH)x + H2O →CH3Si(OC2H5)2-x(OH)x+1 + C2H5OH (2.3) NH2C3H6Si(OC2H5)3-x(OH)x + H2O → NH2C3H6-Si(OC2H5)2-x(OH)x+1 + C2H5OH (2.4) Trong đú x là 0, 1, 2
- Phản ứng ngưng tụ:
R-Si(OH)3 + (HO)3-Si-R’ → R(OH)2-Si-O-Si-(OH)2R’ + H2O (2.5) R-Si(OH)3 + (C2H5O)(HO)2-Si-R’ → R(OH)2-Si-O-Si-(OH)2R’ + C2H5OH (2.6) Trong đú: R- và R’- cú thể là CH3- hoặc -C3H6NH2
Hỡnh 2.2. Sơ đồ chế tạo hạt nano silica chứa tõm màu RB cú cỏc nhúm chức NH2,
APTES H2O RB/DMSO C 3H 9SiCl AOT, Butanone-2, MTEOS NH2 OH H2N HO NH2 NH2 NH2 H2N NH2 NH2
NH2+OH
- Phản ứng kết hợp và gel húa: Trong quỏ trỡnh ngưng tụ, cỏc hạt polymer nhỏ được tạo thành bởi quỏ trỡnh này sẽ kết hợp với nhau tạo thành cỏc đỏm cú tỷ trọng thấp, chỳng kết tụ với nhau tạo ra khung rắn phõn nhỏnh chiếm thể tớch nhỏ và càng ngày càng lớn dần lờn cho tới khi chiếm toàn bộ khoảng trống trong cỏc micelle.
Như vậy, trong phản ứng tạo hạt nano silica trờn thỡ APTEOS vừa là đồng precursor để tạo nhúm chức -NH2 trờn bề mặt, đồng thời tạo mụi trường bazơ làm xỳc tỏc cho phản ứng ngưng tụ. Sau khi chế tạo, trờn bề mặt cỏc hạt nano thu được tồn tại đồng thời hai nhúm chức năng NH2 (dưới dạng ion NH3+) và OH-, theo thời gian cỏc hạt nano sẽ bị kết đỏm do tương tỏc tĩnh điện giữa cỏc ion NH3+ và OH-. Do đú, để cú thể bảo quản được hạt nano trong thời gian dài, cần loại bỏ nhúm OH-
trờn bề mặt hạt. Trimethylsilyl chloride ((CH3)3–Si–Cl) được sử dụng cho mục đớch trờn. Phản ứng xảy ra như sau:
Hỡnh 2.3. Sơ đồ phản ứng loại bỏ nhúm OH trờn bề mặt hạt NH2+OH
b) Chế tạo và chức năng húa hạt nano silica chứa tõm màu với cỏc nhúm chức năng: OH và SH
Hỡnh 2.4. Sơ đồ chế tạo hạt nano silica cú cỏc nhúm chức –OH và -SH
NH4OH H2O RB/DMSO C 6H 16O 3 SiS AOT, Butanol-2, MTEOS OH OH OH HO OH SH SH SH SH SH (CH3)3–Si–Cl NH2 OH H2N HO NH2 NH2 H2N HO NH2 O-Si-(CH3)3 HCl
Để chế tạo cỏc hạt nano silica cú cỏc nhúm chức năng –OH, NH4OH được thay thế cho APTEOS làm xỳc tỏc trong quỏ trỡnh ngưng tụ. Để tạo hạt nano silica cú nhúm chức –SH, 3-trimethoxysilyl-1 propanthiol (C6H16O3SiS) đó được thờm vào để đồng trựng hợp với MTEOS. Sơ đồ chế tạo cỏc hạt nano cú nhúm chức –OH và –SH được trỡnh bày trong Hỡnh 2.4
Phản ứng tạo nhúm -SH trờn bề mặt hạt được mụ tả trờn Hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.5. Phương trỡnh phản ứng tạo nhúm –SH trờn bề mặt hạt nano
c) Bọc hạt nano silica bằng PEG đồng thời tạo nhúm chức -COOH
Mục đớch để chế tạo được cỏc hạt nano silica đơn phõn tỏn hơn, ổn định theo thời gian và thuận lợi cho việc ứng dụng gắn kết với phõn tử sinh học, chỳng tụi tiến hành bọc HS-PEG-COOH (PEG) cho hạt nano silica. Kết quả sẽ nhận được hạt nano silica vừa cú lớp bọc PEG vừa cú nhúm chức hợp sinh -COOH trờn bề mặt. PEG cú cụng thức phõn tử như Hỡnh 2.6.
Hỡnh 2.6. Cấu trỳc phõn tử SH – PEG – COOH
Quy trỡnh bọc PEG: Sau khi chế tạo được hạt nano silica với xỳc tỏc sử dụng là APTEOS (chưa rửa hoạt động bề mặt), PEG được bọc lờn hạt. Hũa tan PEG trong 100àl DMSO bằng rung siờu õm và vortex tới khi dung dịch trong suốt và đồng nhất. Sau đú cho 20 àl precursor PTTMEOS vào để phản ứng xảy ra trong 2 giờ. Dung dịch thu được sẽ được cho vào dung dịch hạt nano silica ở trờn và khuấy từ liờn tục 8 giờ ở nhiệt độ phũng. Kết quả thu được hạt nano silica vừa cú lớp bọc PEG vừa cú nhúm chức –COOH trờn bề mặt.
Phương trỡnh phản ứng: Khi cho PEG vào dung dịch precursor PTTMEOS, hai phõn tử này sẽ nối với nhau bằng cầu disulfide S-S.
(OCH3)3-Si-(CH2)3-SH + HS-PEG-COOH → (OCH3)3-Si-(CH2)3-S-S-PEG-COOH + H2 (2.7)
OH CH3OH + + Si OH OH OH Si OCH3 (CH2)3 OCH3 OCH3 SH Si OH O Si OCH3 (CH2)3 OCH3 SH
Khi cho dung dịch trờn vào dung dịch hạt nano sử dụng xỳc tỏc APTEOS, precursor PTTMEOS sẽ thủy phõn và sau đú sẽ kết hợp với cỏc nhúm –OH trờn bề mặt hạt nano/APTEOS để tạo thành một lớp silica thờm lờn hạt với cỏc phõn tử PEG bao quanh cú nhúm COO- trờn bề mặt.
Tớnh toỏn lượng PEG dựng để bọc hạt silica:
Giả sử nếu một phõn tử PTTMEOS phản ứng với một phõn tử PEG thỡ số phõn tử PTTMEOS bằng số phõn tử PEG. Như vậy cần một khối lượng PEG khỏ lớn, mà PEG cú giỏ thành cao nờn chỳng tụi khụng bọc đủ PEG theo số liệu tớnh toỏn. PEG được bọc theo tỉ lệ mol PEG:PTTMEOS là 8:100.