C ềơ ks ỡ
VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG
Chƣơng này trỡnh bày một số kết quả về tớnh chất quang của cỏc chấm lƣợng tử CdSe cấu trỳc l i v sau khi đó đƣợc biến đổi bề m t và chức n ng h a, nh m mục đớch sử dụng định hƣớng cho hai ứng dụng khỏc nhau, đ là:
i để c thể gắn với DNA của virut viờm gan B HBV [32], [58], [92]. Loại DNA mà chỳng tụi sử dụng do Viện Cụng nghệ sinh học, thuộc Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam cung cấp thỡ c nh m –H2PO4-, do vậy, chấm lƣợng tử muốn sử dụng đƣợc phải c nh m amine -NH3+ trờn bề m t để tạo liờn kết, và
ii để nh m phỏt hiện dƣ lƣợng thuốc trừ sõu b ng phƣơng phỏp quang, dựa trờn sự thay đổi cƣờng độ phỏt quang của cảm biến nano nanosensor c sử dụng chấm lƣợng tử [31], [72], [108].
Chỳng tụi đó nghiờn cứu phƣơng phỏp để biến đổi bề m t, chức n ng hoỏ cỏc chấm lƣợng tử để phõn tỏn đƣợc vào mụi trƣờng nƣớc, phự hợp với ứng dụng trong sinh học và nụng nghiệp. Chỳng tụi sử dụng phƣơng phỏp hoỏ học để gắn kết cỏc chấm lƣợng tử phỏt sỏng tốt (chấm lƣợng tử CdSe với cấu trỳc nhiều lớp v với một vài nh m chức n ng hoạt động hoỏ bề m t nhƣ -NH2, -COOH, -Si-OH, phõn tỏn đƣợc trong mụi trƣờng nƣớc, và mụi trƣờng theo yờu cầu phục vụ thớ nghiệm đƣợc thiết kế trƣớc với một loại thuốc trừ sõu và c thể kết hợp đƣợc với DNA của virus HBV. Nguyờn tắc cơ bản của phỏt hiện virus HBV dựa trờn liờn kết đ c trƣng giữa cỏc đầu d và DNA. Một đoạn đầu d đ c hiệu c nhúm thiol (-SH của DNA virus HBV đƣợc gắn lờn trờn bề m t bản phẳng b ng vàng. Trong quỏ trỡnh này liờn kết giữa nguyờn tố lƣu huỳnh S với nguyờn tố hydro H khụng bền đƣợc thay thế bởi liờn kết S-Au trờn bề m t bản vàng, giỳp tạo một đơn lớp oligonucleotide trờn bề m t này. Cỏc chấm lƣợng tử cần phải đƣợc biến đổi bề m t bởi nh m chức amine (-NH2 để gắn với DNA đ c trƣng của HBV c gốc phosphate -H2PO4) b ng
liờn kết cộng h a trị [37]. Sự bắt c p đ c hiệu giữa oligonuclotide đầu d với DNA của HBV giữ cỏc hạt chấm lƣợng tử lại trờn bề m t của phiến vàng. Tớn hiệu HQ khi đ đƣợc sử dụng nhƣ tớn hiệu chỉ thị sự c m t của DNA virus gõy bệnh c trong mẫu.
Nguyờn lý phõn tớch lƣợng vết chất thuốc trừ sõu sử dụng trong chƣơng này là dựa trờn sự ức chế hoạt tớnh của enzyme acetylcholinesterase AChE b ng phõn tử thuốc trừ sõu gốc hữu cơ c chứa phosphate, viết tắt là organophosphate, ký hiệu là OP [25], [41], [56], [95], [104]. Acetylcholinesterase (E.C. 3.1.1.7; AChE) là một loại enzyme đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong việc phỏt hiện cỏc thuốc trừ sõu carbamates và OP qua sự ức chế enzyme [8].
AChE là một enzyme cholinesterase quan trọng, t n tại trong sự phõn chia tế bào của cỏc sinh vật sống. N là một chất truyền dẫn tớn hiệu thần kinh phổ biến, b ng sự xỳc tỏc cho phản ứng thủy phõn của acetylthiocholine (ATCh) thành thiocholine TCh . Hoạt tớnh xỳc tỏc của AChE thỡ bị ức chế một cỏch đột ngột bởi ngay cả một lƣợng vết của thuốc trừ sõu OP c m t trong mụi trƣờng [66].
Cỏc nghiờn cứu chi tiết về AChE đó vạch r ra r ng hoạt tớnh của AChE c thể bị ức chế b ng cỏc loại thuốc trừ sõu đƣợc sử dụng trong sản xuất nụng nghiệp, y tế, cụng nghiệp và cỏc chất độc h a học dựng trong chiến tranh [66].
Trong cỏc cảm biến dựa trờn vật liệu nano chứa AChE, enzyme AChE đƣợc cố định lờn vật liệu nano nhƣ là CdS [104] ho c cỏc chấm lƣợng tử [25], [41], [56], [95]. Cỏc cảm biến nano này c độ đỏp ứng nhanh và ổn định, cực kỳ thớch hợp để xỏc định thuốc trừ sõu OP trong cỏc khoảng n ng độ rộng. Trong hầu hết cỏc cảm biến AChE, việc phỏt hiện OP dựa trờn sự ức chế hoạt tớnh của AChE bởi cỏc thuốc trừ sõu OP. Độ ức chế đƣợc tớnh b ng cỏch so sỏnh hoạt tớnh c n lại với hoạt tớnh ban đầu của enzyme [66]. Thụng thƣờng, AChE đƣợc thờm trực tiếp vào dung dịch để tiến hành cỏc nghiờn cứu về ức chế. Trong những n m gần đõy, AChE đƣợc gắn lờn cỏc bề m t của cỏc vật liệu nano khỏc nhau, cốt để cải thiện tớnh đỏp ứng và độ ổn định trong việc xỏc định lƣợng vết thuốc trừ sõu.
Trong vài n m trƣớc, cỏc phƣơng phỏp phõn tớch truyền thống đắt tiền và phức tạp, vớ dụ phƣơng phỏp sắc ký l ng hiệu n ng cao HPLC , bị hạn chế trong phỏt hiện thụng thƣờng, đ c biệt trong xột nghiệm ở cỏc cỏnh đ ng [57]. Về m t này, cỏc cảm biến sinh học đƣợc coi là ứng cử viờn phự hợp cho việc xỏc định thuốc trừ sõu t n dƣ trong mụi trƣờng, thực phẩm và cỏc sản phẩm nụng nghiệp.
Sự ức chế hoạt tớnh của enzyme AChE trực tiếp bởi sự c m t của thuốc trừ sõu đó đƣợc biết đến từ n m 1995 [18] dựa trờn cỏc cụng bố của cỏc tỏc giả C. Cremisini, S. Di Sario, J. Mela, R. Pilloton và G. Palleschi.
Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi dựng tổ hợp: chấm lƣợng tử đó đƣợc biến đổi bề m t với nh m -COOH của chất mercaptopropionic acid MPA - ATCh - AChE, trƣớc và khi c m t phõn tử hoạt tớnh thuốc trừ sõu. Cỏc kết quả thử nghiệm chế tạo tổ hợp đế với sự c m t của cỏc phõn tử hoạt tớnh của thuốc trừ sõu nhƣ Parathion Methyl PM sẽ đƣợc trỡnh bày trong chƣơng này. Việc sử dụng dung dịch thuốc trừ sõu làm chất ức chế quỏ trỡnh thủy phõn ATCh nhờ loại enzyme AChE cũng nhƣ sự thay đổi về cƣờng độ phỏt xạ của chấm lƣợng tử khi c m t enzyme và thuốc trừ sõu sẽ đƣợc trỡnh bày. Sự thay đổi tớnh chất quang của tổ hợp trờn sẽ đƣợc sử dụng cho việc phỏt hiện lƣợng vết thuốc trừ sõu, nh m phục vụ cho sản xuất nụng nghiệp.
Ngày nay, cỏc chấm lƣợng tử đó và đang đƣợc ứng dụng một cỏch nhanh ch ng trong nhiều l nh vực khỏc nhau, trong đ c l nh vực sinh học. Do c tớnh chất quang lý đ c biệt nhƣ phỏt xạ HQ phụ thuộc vào kớch thƣớc, chỉ với một loại chất bỏn dẫn, vớ dụ CdSe nhƣng với kớch thƣớc nm khỏc nhau, c thể tạo ra cỏc màu phỏt xạ khỏc nhau trong toàn bộ vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy, hiệu suất HQ cao và bền quang khi chiếu sỏng, trỏnh đƣợc hiện tƣợng bạc màu. Cỏc tớnh chất quang này đƣợc ứng dụng cho việc dỏn nhón đỏnh dấu HQ sinh học, làm đầu d cỏc quỏ trỡnh chuyển h a xỳc tỏc sinh học [60], [109].
Trong những n m gần đõy, cỏc phƣơng phỏp hiệu quả để tổng hợp và biến đổi h a học bề m t cỏc chấm lƣợng tử đó đƣợc phỏt triển. Sự kết hợp của cỏc chấm lƣợng tử với cỏc vật liệu sinh học vào mụi trƣờng tế bào c thể gắn liền chức n ng
d tỡm của cỏc phõn tử sinh học với cỏc tớnh chất quang lý đ c trƣng của cỏc chấm lƣợng tử, để nghiờn cứu và điều khiển cỏc quỏ trỡnh xảy ra bờn trong tế bào.
Do cỏc quỏ trỡnh chuyển h a sinh học, ho c c xỳc tỏc sinh học xảy ra trong mụi trƣờng nƣớc, nờn điều kiện tiờn quyết là phải bảo toàn đƣợc tớnh chất phỏt xạ của chấm lƣợng tử trong mụi trƣờng nƣớc. Một số phƣơng phỏp ổn định tớnh chất phỏt xạ HQ của chấm lƣợng tử trong mụi trƣờng nƣớc nhƣ thụ động h a bề m t cỏc chấm lƣợng tử b ng cỏc lớp bảo vệ nhƣ protein, phủ cỏc chấm lƣợng tử b ng lớp v SiO2 ho c cỏc polymer [11], [46], [98]. Trong nghiờn cứu của mỡnh, chỳng tụi đó sử dụng phƣơng phỏp trao đổi ligand để phõn tỏn cỏc chấm lƣợng tử trong nƣớc, r i dựng chỳng để gắn với cỏc phõn tử sinh học.
5.1. iến đổi ề m t cỏc chấm lƣợng tử CdSe cấu trỳc l i/vỏ v i cỏc nhúm amine nhúm amine
Chỳng tụi đó tiến hành amin h a cỏc mẫu chấm lƣợng tử theo nhƣ mụ hỡnh của hỡnh 2.8. Việc amine h a b ng chất AET này sẽ cho phộp cỏc chấm lƣợng tử tan trong nƣớc, nhờ chất này c hai đầu: một đầu c nh m -SH gắn liờn kết với bề m t chấm lƣợng tử, do trờn bề m t chấm lƣợng tử c v ZnS trong đ c cỏc liờn kết treo của cỏc ion Zn nờn S dễ gắn b ng ỏi lực h a học, c n đầu kia c nh m amine (- NH2 quay ra ngoài, làm hệ này tan đƣợc trong nƣớc. Phõn tử AET c cấu trỳc cụ thể nhƣ trong hỡnh 5.1.