Cảm biến sinh học dựa vào sự tập hợp

7. Cấu trúc luận văn

1.3.2. Cảm biến sinh học dựa vào sự tập hợp

Sự phụ thuộc của cộng hưởng plasmon hạt nanô kim loại vào sự có mặt của các các hạt nano ở gần nhau đã được sử dụng làm cảm biến cho nhận biết các phân tử sinh học. Mirkin và các đồng nghiệp đã sử dụng ADN lai để kích hoạt việc lắp ráp các hạt nano vàng. Trong thí nghiệm này, một hỗn hợp của các liên hợp oligonucleotide vàng nano-hạt nhân (Npoligonucleotide A và NP-oligonucleotide B) được tập hợp lại với nhau thành một nhóm 3 - chiều lắp ráp trong dung dịch bằng sợi ADN liên kết A'-B'. Do đó, sự hiện diện của sợi ADN với mục tiêu A'-B' có thể dễ dàng phát hiện (xuống đến nồng độ pM) bởi sự thay đổi màu đỏ khi quan sát. Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của dung dịch có thể thay đổi từ 520 nm đến ~ 560 nm. Phương pháp đã được mở rộng để phát hiện tương tác kháng nguyên kháng thể và các biểu hiện đặc hiệu của bệnh (ví dụ như ung thư tiền liệt tuyến) bằng cách sử dụng các hạt nano kim loại được chức năng hóa bề mặt thích hợp gắn với chất phân tích mục tiêu. Kỹ thuật này cũng đã được mở rộng cho việc sử dụng các thanh nano để phát hiện các phân tử sinh học, các thanh nano có nhóm chức dẫn được đưa đến các mục tiêu sinh học sẽ gây ra một sự dịch chuyển đỏ của phổ hấp thụ plasmon. Phương pháp này đã được sử dụng để phát hiện cysteine và glutathione xuống đến nồng độ micro mol [14, 27].

1.3.3. Thƣớc Plasmon

Vì có sự chuyển đổi đỏ trong phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon khi đưa 2 hạt nano kim loại vào gần nhau, do đó có thể sử dụng hiện tượng này để xác định khoảng cách giữa các phân tử sinh học khi gắn chúng với các hạt nano kim loại. Phương pháp này tương tác như việc xác định khoảng cách bởi hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) giữa 2 chất màu hữu cơ. Hiệu suất truyền năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa donor và acceptor theo lý thuyết Förster đã trở thành một công cụ rất hữu ích trong việc xác định khoảng cách và thay đổi khoảng cách giữa các các phân tử sinh học. Nếu sử dụng sự phụ thuộc vào khoảng cách của cộng hưởng plasmon của một cặp hạt nano kim loại, chúng ta cũng sẽ xác định được khoảng cách giữa 2 đối tượng sinh học gắn với các hạt nano kim loại đó. Do đó chúng ta sẽ có thước đo plasmon. Các thước đo nano bằng kim loại này có tín hiệu quang mạnh hơn so với các chất màu hữu cơ và không bị tẩy quang [14].

17

1.3.4. Tăng cƣờng tán xạ Raman bề mặt (SERS)

Tán xạ Raman là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon (lượng tử ánh sáng) và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình va chạm, năng lượng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lượng bằng năng lượng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lượng tử dao động. Dựa vào phổ năng lượng thu được, ta có thể có những thông tin về mức năng lượng dao động của nguyên tử, phân tử hay mạng tinh thể. Giống như các mức năng lượng của electron trong nguyên tử, các mức năng lượng dao động này cũng là đại lượng đặc trưng, có thể dùng để phân biệt nguyên tử này với nguyên tử khác. Chính vì thế, tính ứng dụng của phổ Raman là rất lớn.

Tuy nhiên, so với các quá trình tán xạ đàn hồi (năng lượng của photon không đổi) thì xác suất xảy ra tán xạ Raman là rất nhỏ. Để quan sát được vạch Raman, ta phải: tăng cường độ của vạch Raman và tách vạch Raman khỏi vạch chính. Việc tách phổ có thể thực hiện khá đơn giản bằng một kính lọc, hay phức tạp hơn một chút là phép biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong ngành quang học và quang phổ, người ta dùng một hệ giao thoa kế Michealson với một gương có thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gương có thể điều khiển chính xác nhờ hệ vân giao thoa của một laser có bước sóng cho trước. Dựa vào độ dịch của gương, ta có thể có hàm Fourier của nguồn sáng cần nghiên cứu. Để có được cường độ vạch Raman lớn, cách đơn giản nhất là chiếu chùm sáng tời với cường độ lớn ví dụ như dùng Laser để chiếu, nhưng cách này cũng không hiệu quả lắm.

Phương pháp SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) là phương pháp tăng cường độ vạch tán xạ Raman do hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon) bằng cách sử dụng các hạt nano kim loại. Hiện tượng xảy ra như sau: Khi sóng điện từ truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số sóng nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại, tương tác của sóng và plasma electron (một trạng thái mà tất cả các electron chuyển động như một thể thống nhất) làm sóng điện từ có thể thâm nhập vào môi trường (gần bề mặt) và định xứ ở đó. Dùng surface plasmon có thể tăng cường độ điện trường một cách cục bộ, vì thế, khi đưa nguyên tử cần đo phổ Raman vào khu vực điện trường cao đó, tương tác giữa nguyên tử và trường điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman có cường độ lớn hơn.

18

Phương pháp SERS phụ thuộc nhiều vào tính chất bề mặt kim loại và tần số plasma của kim loại. Nikoobakht và El-Sayed đã có kết quả nghiên cứu về một sự tăng cường SERS rất lớn của chất hấp phụ 2-aminothiophenol (2-ATP) dưới ảnh hưởng của thanh nano vàng. Sự tăng cường SERS cũng đã được quan sát thấy trong một dãy các thanh nano bạc đứng thẳng đứng trên nền thủy tinh. Sự tăng cường của SERS đã được quy cho sự liên kết điện từ mạnh giữa các thanh nano lân cận và kết quả sự giam giữ trường định xứ trong khoảng cách giữa các thanh nano, dưới sự phân cực ánh sáng vuông góc với trục dài của thanh. Các nghiên cứu của Huang và các cộng sự [14] sử dụng các cải tiến SERS kết quả từ các thanh nano để chẩn đoán các tế bào ung thư. Họ cho thấy rằng các thanh nano vàng được kết hợp với các kháng thể chống EGFR (Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì) được tiếp hợp trên bề mặt các tế bào ung thư, do mối liên kết cụ thể giữa các kháng thể trên bề mặt que và EGFR trên các tế bào ung thư. Sự tiếp hợp này của các thanh nano trên các tế bào ung thư đã làm tăng cường, sắc nét và phân cực SERS của các phân tử trong vùng lân cận của bề mặt thanh nano. Sự tăng mạnh cường độ của phổ SERS cho phép các tế bào ung thư được phân biệt với tế bào bình thường mà chỉ cho thấy yếu hoặc không có tín hiệu SERS nào.

1.4. Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu plasmonic

Các vật liệu cho hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt được gọi chung là các vật liệu plasmonic. Các tiến bộ quan trọng trong kỹ thuật chế tạo vật liệu nano giúp cho việc thực hiện kiểm soát tổng hợp kích thước, hình dạng, số chiều và cấu trúc liên kết bề mặt của vật liệu plasmonic, thường với độ chính xác nanomet. Các nghiên cứu cho thấy tính chất plasmonic của vật liệu phụ thuộc vào thành phần, thông số hình học, sự sắp xếp không gian và môi trường điện môi xung quanh.

Đối với các hạt nano kim loại, hiệu suất của kích thích plasmon định xứ LSPR phần lớn bị ảnh hưởng bởi hệ số điện môi của kim loại; trong khi phần thực phản ánh độ phân cực của vật liệu khi tiếp xúc với trường ngoài, thì phần ảo của hệ số điện môi biểu thị cường độ của LSPR và trường định xứ. Sự giảm cường độ trường định xứ của hạt nano kim loại có thể giải thích là do sự chuyển đổi giữa các vùng, va chạm electron-phonon và sự tán xạ electron với bề mặt. Nhiều nghiên cứu chỉ ra, plasmon

19

của các cấu trúc nanno bạc (Ag) cao nhất trong vùng tần số khả kiến và và hồng ngoại gần, trong khi các cấu trúc nano vàng lại có plasmon giảm đáng kể ở bước sóng dưới 600 nm. Các đặc tính do hệ số điện môi của bạc làm cho bạc trở thành vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng trong vùng phổ nhìn thấy từ ~ 350–650 nm. Tuy nhiên, trong thực tế, việc sử dụng các cấu trúc nano bạc sẽ bị hạn chế do khả năng dễ phản ứng bị oxy hóa bởi môi trường xung quanh. Mặt khác, Au là một vật liệu có tính trơ cao (mặc dù cũng đắt hơn), do đó việc lựa chọn vật liệu cuối cùng phụ thuộc vào các yêu cầu cho từng ứng dụng cụ thể [29]. Từ các lý do này, các cấu trúc nano bạc phủ protein sẽ là đối tượng nghiên cứu cho nhiều ứng dụng của vật liệu plasmonic.

1.5. Kết luận

Chương 1 đã trình bày tổng quát tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại: Hiệu ứng plasmon bề mặt, tần số cộng hưởng plasmon, sự phụ thuộc của tính chất plasmonic vào hình dạng của các cấu trúc nano kim loại. Các nghiên cứu cho thấy hệ các cấu trúc nano bạc phủ protein là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng y –sinh học.

20

Chƣơng 2

LÝ THUYẾT MIE VÀ GẦN ĐÚNG MÔI TRƢỜNG HIỆU DỤNG

2.1. Tổng quan về lý thuyết Mie cho tính chất quang của các cấu trúc nano

Tính chất quang của các hạt vật liệu kích thước nhỏ đã được nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỷ 20. Đây là một bài toán khó vì có nhiều thông số ảnh hưởng bao gồm kích thước, hình dạng, các điều kiện biên, tính chất bề mặt của vật liệu và mối tương quan của vật liệu với môi trường [8]. Năm 1908, Gustav Mie (người Đức) đã đưa ra lời giải về bài toán tính chất quang cho trường hợp đơn giản nhất là hạt cầu đơn kim loại. Bài toán của Mie dựa trên hệ phương trình Maxwell viết trong tọa độ cầu và đi kèm với các điều kiện biên thích hợp cho bề mặt để xác định một cách chính xác độ hấp thụ và tán xạ của hạt cầu. Những kết quả của lời giải bài toán Mie có thể giải thích được sự biến thiên của hệ số dập tắt và vị trí các đỉnh phổ trong các thí nghiệm hạt nano ngày nay. Từ năm 1912 đến 1915, lý thuyết Mie đã được Richard Gans phát triển để tính cho các hạt không phải hình cầu như hình ellipse, hình trụ, hình hộp chữ nhật, hay hình dẹt kiểu bánh mì [7]. Các tính toán này chỉ chính xác với điều kiện kích thước hạt là nhỏ so với bước sóng của ánh sáng chiếu tới. Hiện tại, lý thuyết Mie đang được phát triển để nghiên cứu nhiều tính chất quang khác như phổ quang học cho các hệ đa lớp, đánh giá định lượng sự tăng nhiệt độ của các hạt nano dưới tác dụng của laser cho ứng dụng điều trị ung thư, …[1]

Xét sự tán xạ của một sóng điện từ có cường độ điện trường ⃗ và cường độ từ trường ⃗⃗ đối với một hạt nano kim loại bán kính R được đặt trong một môi trường liên tục, đồng nhất có độ từ thẩm  và hàm điện môi là 2; hạt nano kim loại có hàm điện môi là ( ) ( ) ( ). Tham số được giả thiết là không phụ thuộc tần số, còn 1() là phức và là hàm của năng lượng. Ánh sáng có tần số  được chiếu tới hạt nano kim loại. Hệ phương trình Maxwell của sóng ánh sáng tương tác với hạt kim loại cầu được viết như sau [1]:

⃗⃗ ⃗

⃗⃗ (2.1) ⃗⃗ (2.2)

21 ⃗⃗ ⃗⃗

(2.3) ⃗⃗ (2.4)

Trong đó  và  lần lượt là hàm điện môi và độ từ thẩm của môi trường; là vectơ mật độ dòng điện. Hệ số khúc xạ được xác định theo biểu thức:

 2  0 0 ε + iσ n μ ε μ =

Trong đó  là điện dẫn xuất, 0 và 0 là hàm điện môi và độ từ thẩm của chân không, được liên hệ với tốc độ ánh sáng c bằng biểu thức

0 0 1 c

ε μ 

Cấu hình của trường điện từ tới hạt cầu này được mô tả bởi phương trình Helmholtz:

⃗⃗ ⃗⃗ (2.5)

⃗⃗ ⃗⃗ (2.6)

Trong đó k là số sóng được xác định bởi:

( )

Điện trường ⃗ và từ trường ⃗⃗ được sử dụng cho các hàm biên độ tán xạ. Người ta tính được các hệ số dập tắt và tán xạ (là tiết diện dập tắt và tiết diện tán xạ) như sau:     ext 2 = 1 σ = 2 2 + 1 Re A + B x       (2.8)   2 2 sca 2 = 1 σ = 2 2 + 1 A + B x         (2.9)

Tiết diện hấp thụ được xác định:

abs = ext - sca (2.10) Với x được cho bởi: 2πRnm

x =

22

trong đó R là bán kính hạt, nm là chiết suất của môi trường,  là tần số góc của ánh sáng tới trong chân không, A và B là các hệ số tán xạ được biểu diễn theo hệ thức Ricatti-Bessel [1, 8] như sau:

                y x m y x = y ξ x m y ξ x         (2.12)                 x y m x y B = y ξ x m y ξ x        (2.13)

trong đó  x và ξ x  là các hàm trụ Ricatti-Bessel và m = n/nm, với n là chiết suất phức của hạt, nm là chiết suất thực của môi trường xung quanh. Dấu phẩy có nghĩa là phép lấy vi phân đối với các đối số trong ngoặc đơn. Trong các biểu thức này, là chỉ số chỉ các sóng từng phần; 1 tương ứng với dao động lưỡng cực, 2 tương ứng với dao động tứ cực…

Các ảnh hưởng của kích thước hạt lên bước sóng cộng hưởng plasmon có kết quả từ hai cơ chế phụ thuộc vào thang kích thước. Trong giới hạn 2R << (với R là bán kính hạt và  là bước sóng của ánh sáng trong môi trường) thì dao động của điện tử được xem là plasmon dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản:       i 3/2 ext 2 2 2 r 2 i σ ω ε ω = 9 ε V c ε ω + 2ε  + ε ω      (2.14)

trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu. Điều kiện cộng hưởng được đáp ứng khi

r() = -22 nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào . Điều này có nghĩa khi tiết diện dập tắt lớn nhất, ánh sáng truyền toàn bộ năng lượng của mình để kích thích sóng plasmon trong hạt kim loại.

Phổ hấp thụ UV-VIS của các hạt keo kim loại có thể được tính từ lý thuyết Mie. Độ hấp thụ A của một dung dịch keo chứa N hạt trong một đơn vị thể tích được cho bởi:

abs

Nσ A =

ln10 (2.15)

trong đó abs là tiết diện hấp thụ của kim loại và l là quang trình của ánh sáng. Cũng từ lý thuyết Mie người ta được tiết diện tán xạ sca như sau:

23 4 2 2 sca 2 2 2 r 2 i k V 27 σ = |ε - 1| 18π (ε + 2ε ) + ε       (2.16)

Mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ, tiết diện dập tắt, tiết diện hấp thụ với hiệu suất tán xạ Qsca hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabs được xác định qua biểu thức:

sca ext abs

sca ext abs

σ σ σ

Q = , Q = , Q =

S S S (2.17)

trong đó S là diện tích hạt cầu S = R2, R là bán kính hạt cầu. Các hiệu suất này cho thấy khả năng một hạt tán xạ ánh sáng ra ngoài tiết diện vật lý của nó. Chúng trở nên lớn hơn một đơn vị tại vị trí gần bề mặt hạt là do cường độ trường gần bề mặt của hạt có thể lớn hơn giá trị trường trung bình của ánh sáng tới môi trường xung quanh hạt. Khi xét sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang bởi kim loại chúng ta mong đợi hệ số hấp thụ (abs) gây ra sự dập tắt và hệ số tán xạ (sca) gây ra sự tăng cường.

Các phương trình trên đã được sử dụng rộng rãi để giải thích phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại nhỏ cả về định tính cũng như định lượng. Tuy nhiên đối với các hạt lớn (hơn 20 nm trong trường hợp đối với vàng) khi mà gần đúng lưỡng cực không còn, cộng hưởng lưỡng cực phụ thuộc một cách rõ ràng vào kích thước hạt do x là hàm của bán kính R.. Các hạt càng lớn, các mode bậc cao hơn càng trở nên quan trọng hơn do ánh sáng không thể phân cực các hạt nano một cách đồng nhất. Kết quả