Hạt nano silica là hạt nano trờn cơ sở nền silica chứa cỏc tõm màu, được chế tạo bằng phương phỏp sol-gel. Tõm màu trong nền silica được phõn tỏn trong cỏc lỗ
xốp của nền. Vỡ vậy nền silica cú hai vai trũ: thứ nhất là phõn tỏn tõm màu, thứ hai là bảo vệ tõm màu khỏi sự xõm nhập của mụi trường bờn ngoài và khỏi sự phõn hủy quang khi cú ỏnh sỏng kớch thớch. Do nền này cú nồng độ oxy tự do thấp hơn 3 bậc so với dung mụi, làm giảm thiểu sự phõn hủy quang đó được trỡnh bày ở mục 1.1.4 [24,52,57,72,78]. Do đú chất lượng nền là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới độ bền quang – phẩm chất vượt trội của hạt nano silica trong vai trũ là chất đỏnh dấu huỳnh quang.
1.2.4.2. Độ chúi và độ bền quang
a) Độ chúi
Cỏc hạt nano silica cú độ chúi rất cao do chỳng cú thể chứa một lượng lớn cỏc phõn tử màu bờn trong nền silica, vỡ vậy cường độ huỳnh quang của một hạt nano silica núi chung cú thể lớn gấp tới hàng nghỡn lần cường độ huỳnh quang của một phõn tử màu cựng chất trong dung mụi [52,57,72,78]. Đặc biệt, độ chúi này cú thể điều khiển được bằng sự thay đổi số phõn tử chất màu trong mỗi hạt nano silica, với mật độ chất màu lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Độ chúi cao này làm cho hạt nano silica chứa tõm màu đặc biệt thớch hợp cho cỏc phõn tớch sinh học yờu cầu độ nhạy cao mà khụng cần thờm cỏc chất tăng nhạy (reagent) hoặc cỏc bước khuếch đại tớn hiệu. Khi cỏc hạt nano pha chất màu được sử dụng như đầu dũ, việc nhận biết phõn tử sinh học được lấy tớn hiệu bằng một hạt nano tớch hợp hàng trăm đến hàng nghỡn phõn tử chất màu làm tăng mạnh tớn hiệu huỳnh quang so với việc sử dụng một phõn tử màu, cú thể gọi đú là hiệu ứng khuếch đại tớn hiệu. Việc tăng tớn hiệu này làm cho cỏc phộp phõn tớch trở nờn rất nhạy cho phộp theo dừi được cỏc quỏ trỡnh đơn phõn tử, điều khụng thể làm được với cỏc kỹ thuật đỏnh dấu huỳnh quang sử dụng cỏc phõn tử thụng thường.
b) Độ bền quang
Độ bền quang là một chỉ số đặc biệt quan trọng đối với việc sử dụng cỏc hạt nano vào ứng dụng trong sinh học. Cỏc phộp đo và quan sỏt trong sinh học thường diễn ra trong khoảng thời gian dài để cú thể theo dừi sự thay đổi của tế bào.
Như đó trỡnh bày trong phần 1.2.4.1, nền silica cú vai trũ như một lớp vỏ bảo vệ chất màu khỏi sự phõn hủy quang do oxy húa, do đú cỏc tõm màu chứa trong cỏc hạt silica cú độ bền quang lớn hơn nhiều so với những chất màu truyền thống tương ứng trong cựng một điều kiện. Điều này làm cho cỏc hạt nano silica chứa tõm màu rất phự hợp cho cỏc ứng dụng mà yờu cầu được kớch thớch với cường độ cao hoặc kộo dài.
Hỡnh 1.10. Tớnh chất của RuBpy pha trong hạt nano silica [27].
(a) Ảnh AFM của hạt nano silica chứa chất màu RuBpy chế tạo bằng phương phỏp micelle đảo, hạt cú đường kớch là 65±2 nm.
(b) Phõn bố kớch thước hạt silica, đường kớnh trung bỡnh hạt là 63.8 nm.
(c) Độ bền quang của RuBpy trong hạt nano silica so với chất màu RuBpy và FITC trong nước. Phộp đo này được kớch thớch bằng laser Argon/Krypton.
Hỡnh 1.10 (c) cho thấy, sau khi kớch thớch bằng laser Argon/Krypton 0,5W trong thời gian 80 s thỡ cường độ huỳnh quang của chất màu RuBpy và FITC giảm đến dưới 20%, trong khi cường độ huỳnh quang của RuBpy trong hạt silica vẫn duy trỡ ở mức 80% so với ban đầu [27].
c) Độ bền trong mụi trường sinh học
Vỡ nền silica cú tớnh trơ về mặt húa học nờn mụi trường sinh học (như dung mụi, cỏc chất tan trong dung dịch đệm…) khụng ảnh hưởng đến cỏc tõm màu chứa trong đú. Cỏc phõn tử màu được sử dụng trực tiếp trong cỏc ứng dụng sinh học thường bị phõn hủy do tỏc động của cỏc mụi trường bờn trong tế bào sống. Trong khi đú sự thay đổi độ pH của mụi trường cũng khụng làm hạt nano silica bị biến dạng, chỳng khụng bị tấn cụng bởi vi khuẩn, khụng bị trương phồng hoặc thay đổi độ xốp. Do đú, nền silica cũng cỏch ly cỏc phõn tử màu khỏi tỏc động của mụi trường sinh húa phức tạp bờn ngoài trong cỏc ứng dụng sinh học [52,57,72,78].
1.2.4.3. Thế Zeta
Thế Zeta là một thuật ngữ khoa học cho thế điện động trong hệ thống keo. Trong cỏc tài liệu húa keo, nú thường được ký hiệu bằng cỏch sử dụng từ Zeta Hy Lạp ( ζ ). Từ quan điểm lý thuyết, thế Zeta là điện thế giữa bề mặt hai lớp (DL) ở vị trớ mặt trượt so với một điểm trong khối chất lỏng ngoài giao diện. Núi cỏch khỏc, thế Zeta là hiệu điện thế giữa mụi trường phõn tỏn và lớp ổn định của chất lỏng gắn liền với hạt được phõn tỏn. Tầm quan trọng của thế Zeta là giỏ trị của nú liờn quan
đến sự ổn định của cỏc hạt keo trong mụi trường phõn tỏn. Thế Zeta cho thấy mức độ của lực đẩy giữa cỏc hạt tớch điện giống nhau liền kề trong mụi trường phõn tỏn.
Bảng 1.1. Độ ổn định của huyền phự theo thế Zeta
Thế Zeta [mV] Độ ổn định của huyền phự
Từ 0 đến ±5 Đụng đặc và vún cục nhanh Từ ±10 đến ±30 Bắt đầu mất ổn định
Từ ±30 đến ±40 Ổn định vừa phải Từ ±40 đến ±60 Ổn định tốt Độ lớn của thế Zeta đo được cú
thể dựng để phỏng đoỏn khoảng thời gian ổn định và khả năng phõn tỏn của cỏc hạt trong dung dịch. Nếu cỏc phõn tử hay hạt trong huyền phủ đủ nhỏ và cú thế Zeta õm hoặc dương cao, chỳng sẽ đẩy nhau và khụng cú xu hướng kết dớnh giữa cỏc hạt. Nhỡn chung, thế Zeta ζ tới hạn (cutoff) đối với dung dịch keo ổn định thường cú giỏ trị | ζ | > 30 mV, tại đú thế cú giỏ trị lớn hơn cú nghĩa là dung dịch cú độ ổn định lớn chống lại sự kết bụng và sa lắng [67,168].
Cỏc hạt silica được tổng hợp cú
thể được phõn tỏn tốt mà khụng cú bất kỳ sự kết đỏm nào do cú lớp điện tớch õm lớn trờn bề mặt được cung cấp bởi cỏc nhúm silanol (Si–OH hay Si–O-
).
Tuy nhiờn, cỏc nhúm chức năng trờn bề mặt hạt, cỏc lớp bọc tương thớch sinh học, pH hoặc nồng độ của dung dịch đệm thay đổi cú thể làm kết đỏm cỏc hạt lại với nhau. Cỏc đại phõn tử sinh học cũng cú thể ảnh hưởng tới tớnh ổn định, đặc biệt nếu chỳng đủ lớn để hấp phụ trờn bề mặt của cỏc hạt. Trờn cơ sở cỏc phộp đo thế Zeta, ta cú thể kiểm tra được phản ứng hợp sinh (gắn kết sinh học) đó được thực hiện hay chưa. Vớ dụ, giỏ trị thế Zeta sẽ thay đổi nếu một phõn tử được gắn vào hạt
Hỡnh 1.11. Biểu diễn thế Zeta của một
làm che cỏc điện tớch trờn bề mặt của hạt (trong trường hợp của protein) hoặc nếu tự phõn tử đú mang điện tớch đỏng kể (trong trường hợp của DNA) [67,168].
1.2.5. Cỏc hạt nano silica hợp sinh