Các hạt nano trong cơ thể sống

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
oOo
Các hạt nano trong cơ thể sống
HVTH: Nguyễn Trung Độ
LỚP: Vật lý điện tử K20
GV: PGS. Trần Hoàng Hải
 Giới thiệu:
Các hạt nano thường trong phạm vi kích thước của 1-100nm (1nm = 10
-9
m), và
có thể có hình dạng và cấu tạo khác nhau. Kích thước của chúng rất nhỏ ảnh hưởng
tính chất vật lý và hóa học rất khác với cùng một tài liệu dưới dạng khối. Các tính
chất này bao gồm một bề mặt lớn đến trong cùng một tỷ lệ thể tích, tăng cường tập
hợp hạt hoặc cản trở tùy thuộc vào loại biến đổi bề mặt, sự quang phát xạ, dẫn điện
và dẫn nhiệt cao, và cải thiện hoạt động xúc tác bề mặt. Các hạt nano có cấu trúc rất
bền và tính chất vật lý của chúng biến thể bởi biến của hình dạng hạt, kích thước và
thành phần. Với kích thước nano với kích thước đặt thù phân tử sinh học và bào
quan của tế bào. Điều này sẽ cho phép tương tác một một giữa các hạt nano và các
phân tử sinh học. Các tính chất của các hạt nano làm cho họ tiềm năng cao để sử
dụng trong các ứng dụng y tế khác nhau đặc biệt trong ống nghiệm chẩn đoán, nơi
họ hứa hẹn tăng nhạy cảm, tốc độ, và hiệu quả chi phí. Ba hạt nano hứa hẹn rằng sẽ
được thảo luận ở đây là: các chấm lượng tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và
các hạt nano siêu thuận từ. Bảng 1 tóm tắt các thuộc tính chính của các hạt nano phổ
biến
Nhu cầu thường xuyên để cải thiện hiệu suất của các xét nghiệm chẩn đoán hiện
tại cũng như phát triển các chiến lược thử nghiệm sáng tạo để đáp ứng những thách
thức thử nghiệm mới. Việc sử dụng các hạt nano hứa hẹn sẽ giúp thúc
đẩy trong ống nghiệm để chẩn đoán mức độ cao hơnvề hiệu suất. Chấm lượng

tử (QDs), các hạt nano vàng (AuNPs), và các hạt nano siêu thuận là những hứa
hẹn nhất trong các ứng dụng cấu trúc nano cho ống nghiệm chẩn đoán. Các hạt
nano có thể được kết hợp để moieties (một nửa)công nhận như là các kháng
thể hoặc oligonucleotides để phát hiện các phân tử sinh học nhắm mục tiêu. Các hạt
nano đã được sử dụng trong miễn dịch, immunohistochemistry (miễn dịch mô hóa
học), chẩn đoán ADN, bioseparation (phân tách sinh học) của quần thể tế bào cụ
thể, và hình ảnh di động. Chẩn đoán dựa trên các hạt nano có thể mở biên
giới mới để phát hiện các khối u, các bệnh truyền nhiễm, khủng bố sinh học, các đại
lý, và các bệnh thần kinh, đến tên một vài. Làm việc nhiều hơn là cần thiết để sử
dụng tối ưu hóa đầy đủ của các hạt nanođể chẩn đoán lâm sàng và để giải quyết một
số lo ngại về sức khỏe tiềm năng và rủi ro môi trường liên quan đến sử dụng của
họ. Tuy nhiên, chúng tôi hình dung sự phát triển hơn nữa của các chẩn đoán dựa
trên các hạt nano sẽ mang xét nghiệm độc đáo với độ nhạy và tăng cường khả năng
ghép kênh cho các phòng thí nghiệm lâm sàng hiện đại.
Bảng 1
Hạt
nano
Cấu trúc Phương pháp dò
tín hiệu
Thuận lơi.
QDS Tinh thể nano thường bao
gồm một lõi cadmium
selenide ví dụ như bán dẫn
(CdSe) được kèm theo trong
một vỏ bán dẫn khác với một
sulfua kẽm lớn hơn bandgap
ví dụ như quang phổ (ZnS)-
Một vỏ silica thứ ba có thể
được thêm vào các tinh thể
nano với độ hòa tan nước.

Huỳnh quang đo
lường sử dụng
một fluorometer,
kính hiển vi
huỳnh quang,
hoặc lĩnh vực
kính hiển vi
epifluorescence.
- kích thước, phạm vi rộng
- thu hẹp giải phổ phát xạ.
- Photostability
-quang tunability (kiểm
soát của bước sóng phát xạ
bằng cách điều khiển kích
thước)
-Multiplexing
AuNP
s
Hoặc là một lõi điện môi
(thường là vàng sulfide hay
silica) kèm theo trong một vỏ
vàng mỏng (gọi là vỏ nano)
hoặc đơn giản là vàng hạt
nano hình cầu.
Một số phương
pháp phát hiện có
thể được sử dụng
như đo màu,
scanometric, điện
tử và điện, ánh

sáng phân tán,
tăng cường bề
mặt tán xạ
Raman.
-Quang tunability
-quang mạnh tín hiệu.
Hạt
nano
siêu
thuận
từ
-Bao gồm các kim loại từ
tính như sắt, hoặc hợp kim
của các kim loại khác nhau.
Máy đo từ -Độ nhạy cao do phát hiện
các thay đổi tinh tế trong
các nhân vật từ tính.
1. Chấm lượng tử (QDs):
1.1 Định nghĩa:
Chấm lượng tử, được biết cũng như là một tinh thể nano, là chất hữu cơ huỳnh
quang với đường kính đặc trưng là 2-10nm. Một chấm lượng tử là hạt nhân của
chất bán dẫn được bao phủ bỡi lớp vỏ bán dẫn khác, có độ rộng vùng cấm lớn (vùng
cấm là vùng năng lượng ngăn cách các vùng năng lượng, đó là vùng hóa trị và vùng
dẫn). Chức năng lớp vỏ là để tăng hiệu suất lượng tử của QDot cũng như là tăng
cường tính bền quang học. Chúng có phạm vi kích thích rộng (một QDot bất kì có
thể được kích thích bỡi ánh sáng UV), vùng phát xạ hẹp mạnh và có tính bền quang
học hơn. Các tính chất phát xạ của QDs có thể được điều kiển bằng cách thay đổi
kích thước và thành phần của chúng. Mặc dù QDs thường không hòa tan trong
nước, chúng có thể được thực hiện tương hợp sinh học bằng một vài chiến lược bao
gồm bên trong là chất silanization và bao phủ bên ngoài lớp vỏ polymer vì vậy

QDs được sử dụng trong các hệ thống sinh học.
1.2 Chế tạo QDs .
Khi QDs hấp thụ ánh sáng có năng lượng cao hơn khoảng cách dải quang
phổ của hạt nhân chất bán dẫn, một exciton (cặp electron-lỗ trống) được sinh ra. Sự
hấp thụ được tăng ở các bước sóng ngắn hơn và kết quả một vùng phổ hấp thụ rộng
được hình thành, đây là trái ngược với thông thường của chất huỳnh quang.
Exciton có thời gian tồn tại (thời gian sống) 10-40 ns trái ngược với loại thuốc
nhuộm hữu cơ điển hình như chất huỳnh quang chỉ vài nano giây. Khi trở về lại
trạng thái năng lượng thấp hơn, một photon phát ra năng lượng, làm xuất hiện một
vùng năng lượng hẹp, đó là dấu hiệu giống với huỳnh quang.
Khi QDs này có bán kính nhỏ hơn bán kính Bohr exciton, đó là khoảng cách tách
biệt tự nhiên giữa một electron và lỗ trong một cặp exciton, các mức năng
lượng cho một photon lúc này là lượng tử hóa. Một mối quan hệ trực tiếp giữa giá
trị của lượng tử năng lượng phát ra và kích thước của QDs tồn tại.
Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng giam cầm lượng tử, tên gọi là QDs , và nó
cũng là nguồn gốc của quang phổ phát xạ kích thước được điều chỉnh của QDs.
Các tín hiệu huỳnh quang tạo ra bởi QDs có thể được phát hiện bằng cách sử
dụng kỹ thuật khác nhau bao gồm cả kính hiển vi đồng tụ, kính hiển vi phản xạ bên
trong, kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi rộng lĩnh vực lân quang và huỳnh
quang.
1.3 Ứng dụng QDs
QDs được sử dụng để đánh giấu trong xét nghiệm miễn dịch, nhuộm mô miễn
dịch, và hình ảnh di động. Thực tế là nhiều QDs có thể được kích thích bởi một ánh
sáng duy nhất làm cho chúng phù hợp hoàn thiện với nhiều chẩn đoán. Việc sử
dụng các hạt dựa trên xét nghiệm với QDs cũng là xem xét trong [15].
Hình 1 trình bày một sơ đồ phát hiện đồng thời chất phân tích khác nhau sử dụng
QDs kích thước khác nhau. Goldman và cộng sự phát triển một xét nghiệm miễn
dịch đa hợp để phát hiện đồng thời của bệnh tả, chất ricin (một loại albumin có độc
tính cao trong dầu), Shiga-như độc tố 1, và khuẩn tụ cầu B trong ruột sử dụng các
kháng thể có liên quan liên hợp để QDs kích thước khác nhau (màu sắc phát

xạ khác nhau). Có thể nhận ra nồng độ thấp nhất 10 ng/ml (bệnh dịch tả), 30 ng/ml
(ricin), 300 ng/ml (shiga-hình 1), and 3 ng/ml (B). Klostranec và các cộng sự phát
triển hệ thống chuẩn đoán đa hợp sử dụng một chip vi lỏng và kháng nguyên
bao QDs và nhúng trong ống micro thủy tinh polystyrene (PS). Hệ thống phát
hiện kháng thể chống lại virus viêm gan B, viêm gan virus C, và HIV, trong huyết
thanh con người, với độ nhạy được xác nhận là một phần triệu triệu.
Hệ thống yêu cầu ít hơn 100 ml mẫu và đã có một lượt với khoảng thời gian ít
hơn 1h và lớn hơn 50 lần so với độ nhạy cảm hiện có được của phương pháp
FDA, bằng cách sử dụng cùng một kháng nguyên và kháng thể.
Hình. 1. Sơ đồ phát hiện đồng thời các mục tiêu khác nhau trong một mẫu huyết thanh bằng cách sử dụng QDs kích thước khác nhau,
functionalized với moieties công nhận khác nhau: peptide protein (QD1), biotin (QD2), oligonucleotide (QD3), hoặc kháng thể (QD4). Viết
tắt: B (biotin), S (streptavidin). Phát thải quang phổ của kích thước khác nhau-QDs (1-4) được hiển thị ở góc trên bên trái thứ.
Đánh dấu Oligonucleotide(hợp chất gồm bazơ có chứa nitơ liên kết với một đường
và một nhóm liên kết với nhau) với QDs không dẫn đến sự phân cắt DNA mà đôi
khi xảy ra nếu chất hữu cơ huỳnh quang được sử dụng cho nhãn (dựa vào sự chiếu
sáng khử màu mắc và sau gốc tự do cung cấp nhiều thông tin khác). Một sự kết hợp
của hai màu sắc nano tinh thể với khí thải và sự khác nhau đã đượcsử dụng
trong phát hiện khảo nghiệm của 10 đa hình đơn nucleotide (SNPs) của tế bào
Crom.
Các khảo nghiệm sử dụng QĐ-mã hóa nhựa mủ (gọi là Qbead hệ thống) và lưu
lượng phát hiện tế bào Cr; kiểu gen SNP đã được xác nhận bởi các trình tự. Độ
chính xác của hệ thống Qbead là 100% cho 194 kiểu gen SNP.
Trong lĩnh vực hình ảnh, QDs đã được sử dụng để lập bản đồ hạch bạch huyết trọng
điểm ở độ sâu 1 cm trong mô sử dụng ít kim loại photphit phủQDs phát ra ở
vùng cận hồng ngoại. Điều này cho phép sử dụng cho các ứng dụng QDs trong
phẫu thuật [20]. Mặc dù chúng được tiềm thầy ứng dụng lớn lao trong ống
nghiệm, một trở ngại chính cho việc sử dụng QDscho hình ảnh trong cơ thể
sống là thành phần của chất bán dẫn là có độc tính cao, và lỗ hổng về mặc cơ học
của chúng không được tìm hiểu kĩ.
2. Hạt nano vàng: (viết tắt AuNPs)

2.1 Cấu trúc:
AuNPs thường bao gồm một vỏ vàng mỏng xung quanh một lõi điện
môi (một vật liệu cách điện, ví dụ như silica), gọi tắt là nanoshells hoặc chỉ
là hạt nano vàng AuNPs (thường là hình cầu). Chúng có kích thước 0.8-
250 nm và được đặc trưng bởi hệ số hấp thụ cao. Kích thước và hình dạng
của AuNPs xác định thông qua tính chất quang của nó. Đối với vỏ
nano vàng, sự biến đổi độ dày tương đối của lõi và lớp vỏ bên ngoài cho
phép thay đổi của cộng hưởng quang học của vàng, sự chuyển đổi xa ở vùng
hồng ngoại giữa
2.2 Chế tạo:
Nguồn gốc của các tính chất quang của AuNPs là hiện tượng được gọi là cộng
hưởng plasmon bề mặt (SPR). Khi một bức xạ điện từ, có bước sóng nhỏ hơn
nhiều so với đường kính của AuNPs, số hạt va chạm, làm các hạt kết dính
lại, dao động cộng hưởng của các điện tử qua các hạt nano kim loại. Những dao
động được gọi là SPR, nằm trong phạm vi tần số nhìn thấy được và kết quả
là hấp thụ quang học và tán xạ của hạt AuNPs rất mạnh mẽ[23]. Một hiện
tượng liên quan chặt chẽ gọi là tương tác plasmon-plasmon cho phép sử
dụng AuNPs như thiết bị đo màu để phát hiện phân tử sinh học. Một giải pháp là
dùng chất keo của AuNPs hình cầu màu đỏ, tuy nhiên, khi các hạt nano tương
tác, tổng hợp của các vùng lân cận hạt AuNPs(tương tác plasmon-
plasmon ) thay đổi màu đỏ sang màu xanh. Như vậy các ràng buộc của AuNP-
ký hiệu các thực thể để nhắm đối tượng tương ứng của chúng sẽ dẫn đến sự kết
hợp của các hạt nano và một sự chuyển dịch phát hiện trong các tín hiệu quang
Hình. 2. BCSA để phát hiện DNA. (A) hạt nano vàng và thăm dò từ tính microparticle chuẩn bị. Các hạt nano vàng chịu hai loại
oligonucleotides, một trong đó là bổ sung cho trình tự mục tiêu quan tâm, khác nhau từ các khu vực được công nhận bởi microparticle từ, và
khác đó là bổ sung vào một DNA mã vạch (tỷ lệ là 1:100) ( B) dựa trên các hạt nano DNA khuếch đại tín hiệu chương trình. Sao chép với sự
cho phép từ Nam JM, Stoeva SI, Mirkin CA. Am J. Am Chem Soc. 2004; 126:5932-3.
học [6,21-24]. Sự hấp thu mạnh mẽ của AuNPs cũng có thể được sử dụng trong
việc phát hiện đo màu của các chất phân tích bằng phương pháp thay đổi chiết
suất của môi trường được gây ra bởi sự hấp thụ của AuNPs. Cuối

cùng, AuNPs có thể được sử dụng để phát triển phương pháp phát hiện điện
hóa nhạy cảm kết hợp với xét nghiệm enzym. Một ví dụ là sự phát triển của cảm
biến sinh học sử dụng enzyme amperometric AuNP biến đổi điện cực để xác
định glucose
2.3 Ứng dụng:
AuNPs có thể được sử dụng trong ghi nhãn DNA hoặc protein để phát hiện các chỉ
tiêu sinh học với độ nhạy được tăng cường. Chúng chủ yếu sử dụng trong sự tạo
ảnh, xét nghiệm miễn dịch, và các ứng dụng chẩn đoán phân tử
Lin và cộng sự [27] sử dụng AuNPs cho sự phát triển của một vi kênh xét nghiệm
miễn dịch phát hiện rằng kháng nguyên E. coli và H. pylori với một giới hạn được
nhận thấy là 10 ng. Các AuNPs được liên hợp với kháng thể thứ cấp cụ thể cho
các kháng thể chính biotinylated chống lại tác nhân gây bệnh. Mặc dù độ
nhạy là khảo nghiệm so sánh với các thông thường chấm ELISA, hệ thống vi
kênh là rất cao phải chịu sự thu nhỏ. Duan và các đồng sự [28] phát triển một xét
nghiệm đã phát hiện đồng thời bệnh viêm gan B (HBV) và viêm gan virus C (HCV)
sử dụng một con chip protein, phát hiện dựa trên hạt AuNP, và tăng cường bạc. Từ
kháng nguyên HBV và HCV được cố định trên một chip kính để chụp HBV và
HCV kháng thể trong huyết thanh của con người. Hạt AuNP được ký hiệu trên hạt
cầu protein A sau đó đã được thêm vào để phát hiện bắt kháng thể và nhuộm chất
bạc để khuếch đại các tín hiệu và phát hiện. Điều này tạo ra những đốm đen trên
chip khảo nghiệm đã được nhìn thấy được bằng mắt thường. Tanaka và các cộng sự
[29] được sử dụng kháng thể trung ký hiệu với AuNPs cho việc tăng cường một xét
nghiệm miễn dịch. Các phát hiện khảo nghiệm nâng cao con
người chorionic gonadotropin (thuộc màng đệm) và tuyến tiền liệt cụ thể tổng
số trong huyết thanh kháng nguyên với giới hạn phát hiện thấp hơn 1 pg / ml và
0,2 ng / ml. Các ký hiệu hạt AuNP kết quả trong việc phát hiện tín hiệu đo màu,
được tạo ra trong vòng chưa đầy 15 phút. Một ứng dụng chính của AuNPs sẽ là toàn
bộ máu được phân tích, do sự thoát ra ở vùng gần hồng ngoại của chúng. Điều này
đã được chứng minh bởi Hirsch và các cộng sự phát triển một xét nghiệm miễn
dịch có khả năng phát hiện phụ nanogam / mL của chất phân tích khác nhau bao

gồm lượng rất nhỏ IgG trong môi trường khác nhau trong vòng10-30 phút.
AuNPs là những thành phần quan trọng của việc khảo nghiệm sinh học mã
vạch (BCA), đã được đề xuất như là một thay thế trong tương lai để PCR,với độ
nhạy zeptomolar để phát hiện DNA. Hình 2 minh họa việc sử dụng của BCA để
phát hiện DNA. Các BCA cũng được sử dụng để phát hiện protein với độ
nhạy attomolar[21]. Trong trường hợp này, BCA liên quan đến sự cô lập của kháng
nguyên mục tiêu bằng một quá trình hình thành lớp kẹp giữa oligonucleotide liên
quan đến biến đổi AuNPs và hạt vi mô từ tính. BCA rất nhạy là một kết quả của
việc hấp thụ hiệu quả của kháng nguyên và quá trình khuếch đại xảy ra như là kết
quả của số lượng lớn các sợi DNA mã vạch được phát hành cho từng kháng
nguyên sự kiện ràng buộc. Cách tiếp cận này cho phép phát hiện 30 bản sao của một
protein trong một hỗn hợp lớn các protein khác.
Georganopoulou và các cộng sự [31] phát triển một BCA để đo lường một điểm
đánh dấu khả năng hòa tan của bệnh Alzheimer; amyloidβ có nguồn gốc khuếch
tán phối tử, trong các mẫu dịch não với độ nhạy attomolar [31,32].Ngoài
ra, Namet và các cộng sự [33] phát triển một BCA để phát hiện interleukin - 2. Các
khảo nghiệm bao gồm việc các phân tử được được kí hiệu bắt lại và lớp phủ sợi
DNA mã vạch lên silica (không từ tính) hạt vi mô sau khi chụp lại kí hiệu. Các đầu
dò được tách sợi DNA và mã vạch được giải thoát và phát hiệnbằng cách sử
dụng DNA biến đổi đầu dò các hạt nano vàng. Thực tế phát hiện mục tiêu này dựa
trên một sự thay đổi màu từ đỏ sang xanh dương.
AuNPs cũng có thể có ích cho các ứng dụng hình ảnh, vì chúng không gây độc tế
bào [1,6,13,34]. Sokolov và các cộng sự [35] sử dụng AuNPs (đường kính~ 12
nm) liên hợp với kháng thể đơn dòng chống lại yếu tố tăng trưởng thu nhận biểu
bì (EGFR), đó là qua thể hiện trên bề mặt của tế bào ung thư biểu mô cổ tử
cung (SiHa tế bào). Các hợp ràng buộc để EGFR và kết quả là một sự thay đổi màu
đỏ phát hiện của ~ 6 nm trong vùng hấp thụ ánh sáng UV của chất keo AuNPs , cho
phép hình ảnh của các tế bào thể hiện EGFR.
Mặc dù, nó không dùng cho ứng dụng chẩn đoán, có giá trị cho điều trị quang
nhiệt (PTT) là một trong những nơi đầy hứa hẹn nhất cho việc sử

dụng AuNPs, và minh họa mạnh mẽ tiềm năng của chúng trong y học. PTT sẽ cung
cấp hiệu quả phá hủy vùng cư trú của khối u bằng sự liên kết các AuNPs để một
nửa khối u nhận trực tiếp và sau đó là toàn bộ khối. Sau đó, các xung laser ngắn
được hướng dẫn vào AuNPs được chuyển thành năng lượng nhiệt phá hủy các tế
bào khối u mà thường ở các chỗ có sự nhạy cảm hơn so với tế bào bình thường
3. Hạt nano siêu thuận từ:
3.1 cấu trúc
Các hạt nano siêu thuận từ được làm bằng vật liệu từ tính như sắt, niken,
coban, hoặc hợp kim của kim loại từ tính. Các hạt nano thể hiện các hiện
tượng siêu thuận từ nơi năng lượng nhiệt là đủ để thay đổi hướng từ hóa
của các hạt nano.
3.2 chế tạo
Một hạt nano siêu thuận từ sẽ sinh ra một moment từ tính vô cùng lớn đối lập với
một moment từ tính nhỏ chỉ vài MagnetonBohr (MB) nó sinh ra bởi một chất thuận
từ bình thường. Moment từ tín lớn là do sự ghép nối của nhiều nguyên
tử quay trong sự hiện diện của từ trường bên ngoài,mà không xảy ra bên trong các
chất thuận từ bình thường mà mỗi nguyên tử bị ảnh hưởng bởi trường độc lập.
Trong sự hiện diện của một gradient từ trường ngoài (gradient là sự chênh lệch
nồng độ), từ những khoảnh khắc lớn của tất cả các nguyên tử sắp xếp trong vùng
này và do đó các hạt nano siêu thuận có thể được điều khiển để nắm bắt phân tử
sinh học khác nhau khi chúng được kí hiệu [26,38]. Loại bỏ các từ trường ngoài sẽ
gây ra các hạt nano mất sự liên kết của chúng với các vùng và làm yếu sự từ hóa
ngẫu nhiên của chúng.
Để làm cho các hạt nano siêu thuận từ tương hợp sinh học, chúng được phủ một
lớp vật liệu như silic hoặc polyethylene glycol. Vì các phân tử sinh học tương tác
với nhau, bề mặt của các hạt nano có thể được sửa đổi bằng cách gắn các phối
tử thích hợp như kháng thể, protein hoặc oligonucleotides.
Hình. 3. NPS siêu thuận phủ kháng thể để phát hiện các hạt virus. Những hạt này sẽ hình thành cốt liệu chỉ trong sự hiện diện của virus mục tiêu, kết quả là
thay đổi phát hiện trong thời gian thư giãn từ của proton trong các phương tiện truyền thông xung quanh. Sao chép với sự cho phép của Rosi và Mirkin.
Chem rev 2005; 105:1547-62.

3.3 ứng dụng
Các hạt nano siêu thuận có thể được sử dụng cho nhiều xét nghiệm miễn
dịch, và đại lý tương phản trong hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), nơi họ đã lớn
hơn nhiều so với các đại lý từ tính nhạy cảm tương phản MRI thông thường,
chẳng hạn như gadolinium