1.2 Vật liệu nano và chấm lượng tử
1.2.4 Chức năng hóa và biến tính bề mặt các chấm lượng tử
a. Chức năng hóa các chấm lượng tử
Bởi vì Qd thơng thường được tổng hợp từ các tiền chất cơ kim và muối nên chúng khơng có khả năng tan trong dung dịch nước, do đó, chức năng hóa bề mặt Qd bằng các ligand hữu cơ khơng những làm Qd có khả năng hòa tan trong dung dịch mà còn tăng khả năng liên kết sinh học. Việc gắn các nhóm chức khác nhau trên bề mặt các chấm lượng tử và làm chúng phân tán trong môi trường nước là quan trọng đối với các ứng dụng trong y - sinh. Các hạt nano đã chức năng hóa này cần phải luôn ổn định trong dung dịch nước, phải tránh được sự kết tụ đám và có thể gắn được các phân tử chức năng thích hợp lên bề mặt của hạt. Các kỹ thuật được sử dụng cho việc biến đổi và chức năng hóa bề mặt các hạt chấm lượng tử huyền phù là trao đổi ligand, biến đổi các ligand và sử dụng các lớp phủ bổ sung.
Các phân tử ligand liên kết với bề mặt các hạt chấm lượng tử giúp cho việc khống chế kích thước hạt trong quá trình chế tạo và ngăn ngừa sự kết tụ các hạt chấm lượng tử. Lực đẩy giữa các hạt chủ yếu là lực đẩy tĩnh điện. Tùy thuộc vào hệ hạt và dung môi mà các hạt phân tán, việc lựa chọn ligand tốt có thể làm các hạt ổn định lâu dài. Đầu tiên các phân tử ligand phải liên kết với bề mặt các hạt bằng lực hút, như lực hút tĩnh điện hoặc tương tác kỵ nước, hầu hết bằng một nhóm của một đầu phân tử ligand. Về tương tác của phân tử ligand với dung môi, các phân tử ligand phân cực hay tích điện sẽ tan trong các dung môi phân cực hoặc nước trong khi các hạt nano với các phân tử ligand không phân cực như các chuỗi hydrocacbon chỉ tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực, ví dụ trong hexane, toluene hay chloroform, các phân tử hữu cơ như TOPO, TOP hay HDA thường được sử dụng trong chế tạo chấm lượng tử. Các phân tử ligand có hai đầu ưa nước và kỵ nước, như poly ethylene glycol, và các hạt nano kết hợp với chúng hay
TRẦN THỊ THANH HỢP 19
các phân tử ligand khác có thể phân tán trong một số dung mơi có độ phân cực trung bình.
Ở trong các dung mơi hữu cơ, bề mặt các chấm lượng tử được bao bọc bởi các phân tử ligand kị nước để ngăn ngừa sự kết tụ các hạt. Các liên kết giữa bề mặt các hạt nano vô cơ và một đầu của phân tử ligand cho điện tử, như là nhóm thiol (-SH), amine hay phosphine làm cho các quá trình động học liên kết và khơng liên kết giữa các chấm lượng tử và các chất này xảy ra. Điều này dẫn đến kết luận quan trọng là các phân tử ligand có thể bị tách rời ra bằng cách rửa mạnh hay tác động mạnh bằng các ligand khác, điều này có thể làm tổn hại sự ổn định của các hạt nano, dẫn đến kết tụ và kết tủa.
Sự lựa chọn các phân tử ligand có thể phụ thuộc vào loại vật liệu của hạt nano và dung mơi. Nhìn chung, ngừời ta thấy rằng các phân tử liên kết mạnh tạo ra các hạt ổn định tốt hơn các hạt liên kết yếu, đặc biệt trong các bước tiến hành và làm sạch sau khi chế tạo hạt. Trong dung dịch nước, các phân tử ligand tích điện mạnh, chứa các nhóm acid cacboxylic và sulfonic, sẽ ổn định các hạt trong thời gian dài.
Trong luận văn này, Qds CdTe sử dụng đã được cacboxyl hóa gắn các nhóm – COOH lên bề mặt bằng cách chức năng hóa bề mặt Qds bằng hợp chất MPA (axit 3-mercaptopropionic) như hình 1.5:
b. Liên kết sinh học của QDs
Có thể chia ra làm 3 loại chính cho các phương pháp để ghép nối các phân tử sinh học lên.[13]
Cách đầu tiên và phổ biến nhất là: Gắn phân tử sinh học với một nhóm chức
năng trên bề mặt của QD - ligand. Ví dụ cho nhóm này là: Amin, thiols hoặc cacboxit.
Hình 1. 6: Liên kết hóa trị giữa Qds và các phân tử sinh học
Cách thứ 2: Là liên kết sinh học dựa trên hướng tương tác của các phân tử
sinh học với các nguyên tử trên bề mặt của QDs.
TRẦN THỊ THANH HỢP 21
Cách thứ 3: Là sử dụng tương tác tĩnh điện giữa bề mặt QDs và miền điện
tích trái dấu của protein hoặc các phân tử sinh học khác.
Hình 1. 8: Tương tác tĩnh điện giữa Qds với phân tử sinh học
Phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất là tạo liên kết hóa trị giữa phân tử sinh học với các nhóm hoạt tính trên bề mặt QDs (covalent modification). Ví dụ như các
nhóm amin, thiol và cacboxyl. Nhóm amin có thể được biến tính với este N-
hydroxysuccinimide (NHS) hoặc các phân tử hoạt hóa 1-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl) cacbodiimide (EDC). Các nhóm thiol cũng có thể hoạt động như là những vị trí cho sự biến tính bởi meleimit hoặc trao đổi nhóm thiol. Ngồi ra, các nhóm cacboxyl cũng có thể được hoạt động với EDC để cho gắn các phân tử có nhóm amin hoạt động. (hình 1.6)
Phương pháp thứ hai là tạo liên kết trực tiếp giữa phân tử sinh học với nguyên tử trên bề mặt Qd. Ví dụ như các phân tử lưu huỳnh hoặc kẽm của QDs. (hình 1.7)
Một ví dụ tiêu biểu của phương pháp thứ 3, protein (MBP) liên kết với maltozơ tích điện dương có thể tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm của Qds đã được chức năng hóa bởi DHLA. Loại biến tính này, cũng cho phép gắn các kháng thể lên Qd và làm sạch liên kết sinh sinh để ứng dụng cho các xét nghiệm sinh học sau. Công nghệ gen cũng được sử dụng để gắn leucine-zipper tích điện dượng lên
protein G, và sau đó sẽ được cố định lên Qds thông qua tương tác tĩnh điện, có thể được sử dụng để liên kết Fe của các kháng thể.