Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học nano tinh thể silíc cho tổ hợp nano silíc và nano từ nhằm ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP TRẺ
CẤP VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

Tên đề tài:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học nano tinh thể silíc cho tổ hợp nano silíc
và nano từ nhằm ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

Mã số: VAST.ĐLT.10 /13-14

Đơn vị chủ trì:

Viện Vật Lý Thành Phố Hồ Chí Minh

Chủ nhiệm đề tài: T.S. Đoàn Thị Kim Dung

TPHCM – 2017


Mục lục
Mục lục ............................................................................................................... i
Danh mục hình .................................................................................................. iii
Chữ cái viết tắt…………………………………………………………………v
Đại lượng và đơn vị............................................................................................ v
Chương I: Tổng quan về hướng nghiên cứu ....................................................... 1
Nano tinh thể silic ...................................................................................... 4
Tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ .......................................................... 6
Ứng dụng của nano tinh thể silic và tổ hợp nano silic-nano từ:................... 6

Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................... 8
Ý nghĩa và tính mới của đề tài cho lĩnh vực nghiên cứu tại Việt Nam. ..... 10
Chương II: Nội dung nghiên cứu và phương pháp triển khai ............................ 11
I.

Những nội dung nghiên cứu đã đăng kí .......................................... 11
Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo nano tinh thể silic......................... 11
Nội dung 2: Nghiên cứu phủ nano tinh thể silic .............................. 12
Nội dung 3: Nghiên cứu tính chất của nano tinh thể silic ................ 12
Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính
phát huỳnh quang ........................................................................... 12
Nội dung 5 : Nghiên cứu độc tính và tính tương hợp sinh học của
chấm và tổ hợp ............................................................................... 13

II.

Nội dung nghiên cứu bổ sung: ........................................................ 13
Ứng dụng của tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ trong lĩnh vực
chụp ảnh sinh học ........................................................................... 13

Chương III: Phương pháp thực nghiệm ............................................................ 14
I.

Hóa chất và vật tư ........................................................................... 14
Hóa chất ......................................................................................... 14
Tế bào ............................................................................................ 14

II.

Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu ................................... 15

1. Phương pháp chế tạo nano tinh thể silic ..................................... 15
i


2. Phương pháp chế tạo nano từ .................................................... 17
3. Nghiên cứu phương pháp phủ lớp tạo nanocomposit ................. 17
III.

Nghiên cứu tính chất của vật liệu trong hệ sinh học ....................... 19
Tính quang học ............................................................................... 19
Nghiên cứu tính chất từ .................................................................. 19
Nghiên cứu độc tính của nanocomposít .......................................... 20
Nghiên cứu tính chất cơ bản của hạt nano tinh thể silíc, nanô từ và
tổ hợp nanô composít. .................................................................... 22

Chương IV: Kết quả nghiên cứu ...................................................................... 23
I.

Nội dung 1, 2 &3: ........................................................................... 23
Nghiên cứu phương pháp tổng hợp, phủ lớp và nghiên cứu tính chất
quang học của nano tinh thể silic ................................................... 23
A. Phương pháp tổng hợp và tính chất ............................................ 23
B. Phương pháp phủ nano tinh thể silic và tính chất ....................... 33

II.

Nội dung 4:..................................................................................... 35
Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính phát huỳnh
quang ............................................................................................. 35
Tổng hợp nano từ và tính chất ....................................................... 35

III.

Nội dung 5:..................................................................................... 40
Xét nghiệm độc tính ........................................................................ 40

IV.

Ứng dụng nano composit trong nghiên cứu chụp ảnh 2 mốt. .......... 44
Vai trò của chụp ảnh đa mốt trong chẩn đoán và chữa trị bệnh: ...... 44

Sản phẩm nghiên cứu đăng ký và kết quả ......................................................... 49
Kết luận............................................................................................................ 50
Kiến nghị ......................................................................................................... 51
Lời cảm tạ ........................................................................................................ 52
Phụ lục A: Quy trình chế tạo nanô tinh thể silíc ............................................... 53
Phụ lục B: Quy trình chế tạo nano từ ................................................................ 56
Phụ lục C: Quy trình chế tạo tổ hợp nano composít .......................................... 58
Tài liệu tham khảo............................................................................................ 62

ii


Danh mục hình
Hình 1: Mô hình kết hợp các kỹ thuật hình ảnh đa mốt để cung cấp hình ảnh tổng thể của
một vật thể với nhiều kích thước khác nhau.
2
Hình 2: Chấm lượng tử được sử dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang

7

Hình3: Sử dụng chấm lượng tử làm chất đánh dấu trong kỹ thuật chẩn đoán bằng hình ảnh
bên trong cơ thể.
8
Hình 4: Các bước chế tạo và chức năng hóa chấm lượng tử silicon

9

Hình 5: Thực nghiệm chế tạo nano tinh thể silic

16

Hình 6: Thực nghiệm phủ nano tinh thể silic

16

Hình 7: Cấu trúc phân tử của TEOS

18

Hình 8: Kính hiển vi đồng tiêu C1

19

Hình 9: Hệ đo cộng hưởng từ MRI 3T - Bruker

20

Hình 10: Mô tả thí nghiệm xác định độc tính của hạt nano ngoài cơ thể

21

Hình 11A: Quy trình chế tạo nano tinh thể silic

23

Hình 12: Phổ hấp thụ của nano tinh thể silíc

26

Hình 14: Phổ phát huỳnh quang trong dung môi nước của mẫu nano tinh thể silic

28

Hình 15: Phổ phát huỳnh quang trong vùng khả kiến của mẫu nano tinh thể silic.

29

Hình 16: XRD của nano tinh thể silic, nano từ Fe3O4 và tổ hợp nano composit

30

Hình 17: Ảnh TEM của nano tinh thể silíc, nanô từ Fe3O4, ảnh phóng đại của nano từ
và ảnh của những nano composít. Phân bố kích thước hạt nano tinh thể silíc và nano từ.

32

Hình 18: Phổ phát huỳnh quang của nano tinh thể silic được phủ bằng một số hoạt chất
bề mặt khác nhau được kích thích bằng tia UV có bước sóng 325 nm.

34

Hình 19: Phổ FTIR của nano tinh thể silíc được phủ bằng allylamine và 1, 3 hexadiene

34

Hình20: Quy trình tổng hợp nano từ

35

Hình 21: Đường cong từ hóa của nanô từ và nano composít

36

Hình 22: Mô tả quá trình chuẩn bị mẫu (a), ảnh công hưởng từ của dung dịch thay đồi theo
nồng độ ion Fe (b) và sự phụ thuộc của độ hồi phục vào nồng độ ion Fe (c)
39
Hình 23: Độ ảnh hưởng của nano tinh thể silíc đối với sự sống của tế bào TIG1 trong 24 và
48 giờ.
40
Hình 24: Độ ảnh hưởng của nano tinh thể silíc đối với sự sống của tế bào HT-1080 trong 24
và 48 giờ.
42
Hình 25: Ảnh tế bào (a), huỳnh quang phát ra từ hạt nano composit (b) và ảnh chồng của tế
bào ủ với nano composit (c). Màu xám ứng với lớp tế bào và màu xanh là huỳnh quang phát
ra tương ứng với phân bố của hạt nano trong tế bào.
46
Hình 26: Mô hình chụp ảnh tế bào bằng camera (phần trên) và bằng cộng hưởng từ (phần
dưới)
47

iii


Chữ cái viết tắt
DNA

Acid deoxyribonucleic

LED

Light Emitting Diode: Đi-ốt phát quang

MRI

Magnetic resonance imaging: Ảnh cộng hưởng từ

NA

Numerical aperture: Khẩu độ

PMT

Photomultiplier tubes: Đèn nhân quang điện

QDs

Quantum dots: Chấm lượng tử

R1

Positive relaxivity: Độ hồi phục dương

R2

Negative relaxivity: Độ hồi phục âm

TEM

Transmission electron microscopy:
Kính hiển vi điện tử truyền qua

VSM

Vibrational sample magnetometer: Từ kế mẫu rung

XRD

X-ray powder diffraction: Nhiễu xạ bột tia X

iv


Đại lượng và đơn vị
Đại lượng

Kí hiệu

Tần số

f

Độ dài

Khối lượng

Nồng độ mol

Số mol

Tên riêng

Đơn vị SI

Tên đơn vị

Hz

hertz

m

meter

cm

centimeter

mm

millimeter

m

micrometer

nm

nanometer

Å

angstrom

kg

kilogram

g

gram

mg

milligram

mol/L

molar per liter

mol

mole

mmol

millimole

L

m

C

n

Công suất

P

W

watt

Tần số quay

w

rpm

Revolution per
minute

Nhiệt độ

T

°C

Celsius

h

hour

m

minute

s

second

L

Liter

mL

milliliter

nm

nanometer

Thời gian, chu kì

Thể tích
Bước sóng

t

V

l

lamda

v


Chương I: Tổng quan về hướng nghiên cứu

Những năm gần đây, những thành tựu trong khoa học kỹ thuật đã góp phần rất lớn
trong việc kiểm soát và phòng ngừa những bệnh hiểm nghèo như là ung thư. Phần lớn
các phương pháp chẩn đoán sơ bộ đều dựa vào các kỹ thuật hình ảnh để có thể phát
hiện được sự hiện diện của những khối u bất thường và vị trí của chúng để có thể tiến
hành chữa trị [1]. Những kỹ thuật hình ảnh phổ biến hiện nay được sử dụng trong y
khoa bao gồm ảnh cộng hưởng từ MRI, ghi hình cắt lớp bằng bức xạ positron PET,
chụp cắt lớp vi tính CT, chụp ảnh huỳnh quang, v.v. Tuy nhiên, những kỹ thuật này

đều có những ưu điểm và khuyết điểm riêng của chúng, khiến cho việc chẩn đoán bằng
một kỹ thuật riêng rẽ sẽ không cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết cho việc chẩn
đoán sớm, và tăng khả năng điều trị thành công. Đặc biệt là những năm gần đây, khi tế
bào gốc được đưa vào như một liệu pháp điều trị ung thư và phục hồi chức năng và tái
tạo các cơ quan sau khi điều trị ung thư, thì những đòi hỏi về một kỹ thuật hình ảnh
mới cung cấp hình ảnh cho toàn thể quá trình chữa trị ngày càng cấp thiết. Kỹ thuật
MRI thường được sử dụng để tái tạo hình ảnh từ các mô mềm trong cơ thể và là một
kỹ thuật khá an toàn vì nó không sử dụng chất phóng xạ trong quá trình chụp ảnh.
MRI có độ phân giải vào khoảng 200 µm [2] khá tốt so với các kỹ thuật chụp ảnh toàn
cơ thể khác như PET hay CT [3]. Tuy nhiên, MRI thiếu độ nhạy đối với những thay
đổi ở cấp độ phân tử, vì vậy, để có thể tăng cường tính chính xác của quá trình chẩn
đoán sớm, việc kết hợp những kỹ thuật hình ảnh khác như là PET hay ảnh huỳnh
quang có thể tạo thành một kỹ thuật đa mốt ưu việt. Những nghiên cứu đa mốt đang
thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực trên thế giới
như khoa học hình ảnh, vật liệu, y sinh [1]. Để xây dựng những kỹ thuật hình ảnh đa
mốt, hiện nay có hai phương pháp tiếp cận khác nhau thường được sử dụng. Đầu tiên
là thiết kế và điều chỉnh hệ thiết bị của hệ thống các kỹ thuật hình ảnh khác nhau để có
thể cùng đo đạc trên 1 mẫu vật cùng một vị trí hoặc thời điểm. Phương pháp thứ hai là

1


thiết kế một chất đánh dấu có thể phát ra những tín hiệu dùng chung cho tất cả các kỹ
thuật hình ảnh. Chất đánh dấu có khả năng đáp ứng với kỹ thuật đa mốt thường được
chế tạo từ các hạt nanô. Trong thập kỷ vừa qua, công nghệ nano đã mang đến những
tiến bộ vượt bậc trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y khoa. Một loạt các kỹ thuật
chẩn đoán cũng như những phương pháp điều trị mới dựa trên những thành tựu của
công nghệ nano đã được nghiên cứu triển khai và đã thu được những thành tựu đáng
khích lệ. Hạt nano là một lĩnh vực nghiên cứu thu hút được rất nhiều sự quan tâm vì
khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học do có kích thước gần bằng các phần tử

sinh học như là protein hay DNA.

Hình 1: Mô hình kết hợp các kỹ thuật hình ảnh đa mốt để cung cấp hình ảnh tổng thể của một vật thể
với nhiều kích thước khác nhau. (EM: electron microscopy – Kính hiển vi điện tử; LM: light
microscopy – Kính hiển vi quang học; NIR: near infrared - ảnh hồng ngoại; MRI: magnetic resonance
imaging - ảnh công hưởng từ)

Hiện nay, hạt nano dùng trong đánh dấu y sinh được nghiên cứu được phân loại thành
ba nhóm chính dựa trên tính chất phát quang hay khả năng tăng cường độ tương phản

2


của hình ảnh, bao gồm chấm lượng tử, hạt nano kim loại và nano từ tính. Ứng dụng
của các hạt nano này thường tập trung trong lĩnh vực chẩn đoán như là đánh dấu tế
bào, cảm biến sinh học, hay phương pháp dẫn truyền thuốc để điều trị bệnh. Nghiên
cứu chế tạo vật liệu nano sử dụng trong hình ảnh đa mốt là xu hướng phổ biến hiện
nay trên thế giới khi những nghiên cứu về y học tái tạo đang thu hút lượng lớn sự quan
tâm đặc biệt là trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh và điều trị các bệnh nan y như là ung
thư [4-10].
Nano từ thu hút rất lớn sự quan tâm của các nhà khoa học y sinh vì lợi thế của hạt này
trong những nghiên cứu dò tìm vị trí, phân bố và trạng thái của những đơn tế bào cấy
bên trong cơ thể [11]. Dù vậy, nano từ chỉ có thể sử dụng được cho ảnh cộng hưởng từ
mà không có khả năng đáp ứng với các kích thích quang học vốn có lợi thế về độ nhạy
và độ phân giải khi sử dụng trong những kỹ thuật hình ảnh. Vì thế, nano từ thường
được sử dụng kết hợp với những hạt nano phát quang khác để có thể kết hợp MRI và
những kỹ thuật khác như PET, SPECT, v.v.
Nano tinh thể bán dẫn là lớp vật liệu đầy tiềm năng cho những ứng dụng chẩn đoán
hình ảnh đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây vì khả năng ứng
dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như là transistor đơn electron,

màn hình hiển thị huỳnh quang điện tử [12-15], v.v. Nano tinh thể bán dẫn có một số
ưu thế trong ứng dụng đánh dấu tế bào sinh học bằng huỳnh quang so với những loại
vật liệu khác như là phổ phát xạ hẹp, có khả năng làm giảm những hiệu ứng chồng
chập phổ phát huỳnh quang, dải bước sóng kích thích rộng, hiệu suất lượng tử cao, và
có khả năng chống lại quang oxi hóa [16, 17]. Kỹ thuật tổng hợp nano tinh thể bán dẫn
thường rất phức tạp và đòi hỏi những điều kiện khác nhau. Tùy vào nhu cầu sử dụng
trong y tế hay trong công nghiệp, các thông số sau có thể được điều chỉnh để thu được
sản phẩm theo yêu cầu: kích thước, khả năng phát huỳnh quang, độ bền của hạt, tác
nhân phản ứng bề mặt, v.v.
Hiện nay, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano tinh thể bán dẫn dùng làm chất đánh
dấu huỳnh quang thay thế cho các chất huỳnh quang hữu cơ đang thu hút rất nhiều sự
chú ý của các nhà khoa học trong và ngoài nước [18]. Tuy nhiên, một trong những trở

3


ngại quan trọng nhất cho việc ứng dụng lớp vật liệu này vào thực tế chính là mức độ
độc tính của lõi nano tinh thể bán dẫn CdSe, đặc biệt khi những ion Cd2+ thoát ra ngoài
do sự oxi hóa bề mặt của hạt nano. Những tế bào hay thực thể sinh học trong môi
trường có thể sẽ bị hủy hoại theo nhiều mức độ khác nhau tùy thuộc vào tính chất của
hạt bán dẫn [19-21]. Để có thể tận dụng khả năng ưu việt của nano tinh thể bán dẫn
trong những nghiên cứu ứng dụng trong phương pháp đánh dấu huỳnh quang, rất nhiều
giải pháp đã được giới thiệu và nghiên cứu. Một trong những phương pháp thu hút sự
quan tâm chính là việc sử dụng silíc làm lõi bán dẫn [22-24]. Silíc là một vật liệu bán
dẫn truyền thống được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử và cả trong những
ứng dụng y sinh học. Khi kích thước hạ xuống đến thang nano, tinh thể silic cũng phát
huỳnh quang tương tự như những nano tinh thể bán dẫn khác. Quan trọng hơn là silic
có độc tính thấp hơn so với hầu hết những tinh thể bán dẫn còn lại. Chính vì vậy, nano
tinh thể silic trở thành một loại vật liệu thay thế đầy tiềm năng trong ứng dụng đánh
dấu huỳnh quang.

Hiện nay, sự tích hợp hai loại vật liệu nano từ và nano bán dẫn trong cùng một tổ hợp
cũng đang trở thành một đề tài được quan tâm dựa trên tiềm năng phát triển của một
phương thức chẩn đoán hình ảnh đa phương thức ( multimodal), kết hợp khả năng phát
huỳnh quang của nano tinh thể bán dẫn và từ tính của nano từ [25, 26].

Nano tinh thể silic
Silic dạng khối là một nguyên tố bán dẫn được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực
điện tử và y học ở dạng khối vì giá thành thấp và không độc hại. Tuy nhiên, ở kích
thước nano thì những hạn chế về tính chất quang học đã khiến cho những nghiên cứu
về nano tinh thể silic ít nhận được sự quan tâm, chú ý như những loại vật liệu bán dẫn
khác [22, 23]. Những phát hiện đầu tiên về tính chất phát huỳnh quang đầu tiên của
silic ở kích thước nano bắt đầu vào năm 1990, và kể từ đó rất nhiều nghiên cứu chế tạo
các dạng silic ở kích thước nano đã được thực hiện để tìm ra cơ chế phát huỳnh quang
và ứng dụng của nano tinh thể silicon.

4


Để đáp ứng đầy đủ yêu cầu là một chất đánh dấu huỳnh quang, nano tinh thể silic phải
đảm bảo được sự ổn định về tính chất phát huỳnh quang, khả năng phân tán trong môi
trường nước và tương thích với môi trường sinh học xung quanh chúng. Những yêu
cầu này phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố:
 Kích thước và khả năng phát huỳnh quang phụ thuộc vào phương pháp chế tạo.


Độ ổn định quang học phụ thuộc vào tính chất bề mặt.



Độ độc hại phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và lớp bọc.

Chấm lượng tử bao gồm một lõi bán dẫn tinh thể nano và lớp hoạt tính bề mặt, trong
đó lõi bán dẫn quyết định tính phát quang, trong khi lớp phủ đảm bảo tính ổn định
quang học của lõi trong môi trường sinh học, ngăn cản sự ôxi hóa của lõi bởi môi
trường ngoài. Đối với nano tinh thể silic, do bề mặt của chúng có hoạt tính rất mạnh
mẽ nên chất hoạt tính bề mặt phải đảm bảo làm cho bề mặt của silicon trở nên thụ
động hơn, quá trình quang oxi hóa sẽ diễn ra chậm hơn. Vấn đề chọn lọc chất bọc có
các đặc tính như ưa nước hay kị nước cũng là một vấn đề quan trọng tùy thuộc vào
từng ứng dụng của nano tinh thể.
Hiện nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã thành công trong việc chế tạo nano
tinh thể silic chủ yếu theo hai phương pháp vật lý và hóa học. Các phương pháp vật lý
phần lớn liên quan đến sự hình thành màng mỏng oxít giàu silic (như là sự cấy ion,
mài mòn bằng laser, phún xạ magnetrone hay là bốc bay) [27, 28]. Mặc dù những
phương pháp vật lý này là những phương pháp toàn diện để tạo ra nano tinh thể silic,
nhưng chúng lại đòi hỏi cơ sở hạ tầng rất tốn kém trong khi hiệu suất thu được rất thấp
với một lượng rất nhỏ vật liệu được tạo ra.
Việc tổng hợp nano tinh thể silic theo các phương pháp hóa học là những cách thức
mềm dẻo và hiệu quả hơn để tạo ra những nano tinh thể silic theo những kích thước
khác nhau mà vẫn đảm bảo tính phát huỳnh quang. Có rất nhiều những phương pháp
hóa học được sử dụng để chế tạo nano tinh thể silic như là phương pháp sol-gel,
phương pháp vi huyền phù, [29-36] v.v. Trong đó, nhóm nghiên cứu của Kauzlarich và
Tilley đã phát triển một loạt các phương pháp dựa trên quá trình khử clorua silic [37],

5


nhóm của Korgel tạo ra hạt nano silic bằng cách sử dụng dung môi siêu tới hạn hữu cơ
để phân hủy diphenylsilane ở áp suất và nhiệt độ cao [38].

Tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ

Hạt nano, đặc biệt là nano tinh thể bán dẫn và nano từ hiện đã được nghiên cứu rộng
rãi vì những tính chất đặc thù và khả năng ứng dụng của chúng vào những phương
pháp chẩn đoán và điều trị bệnh. Hiện nay, mô hình tổ hợp mang cả hai tính chất phát
quang và tính chất từ đã được giới thiệu và bắt đầu nghiên cứu. Tổ hợp nano tinh thể
bán dẫn và nano từ cung cấp cơ sở cho việc tích hợp nhiều chức năng chẩn đoán thành
một thực thể hợp nhất. Và phương pháp ứng dụng thiết thực nhất là việc hình thành
phương pháp chẩn đoán multimodal cho ảnh cộng hưởng từ - quang học.
Việc nghiên cứu chế tạo tổ hợp lai hóa nano tinh thể silic và nano từ đã được Keisuke
Sato thử nghiệm thành công thông qua phương pháp phún xạ magnetron tại tần số vô
tuyến và ngay sau đó, mẫu được ủ tại một nhiệt độ cao. Sản phẩm thu được chỉ phát
huỳnh quang khi hạt nano có kích thước 3nm, và khi kích thước đạt trên 5nm, hiện
tượng phát huỳnh quang biến mất [39]. Một phương pháp chế tạo tổ hợp bán dẫn – từ
tính bằng cách pha tạp Mn-Si nano tinh thể bán dẫn đã được thực hiện [40]. Các hạt
nano tinh thể này phát huỳnh quang mạnh ở 441 nm với hiệu suất đạt đến 8,1%, và đã
được thử nghiệm trong cả hai phương pháp chẩn đoán bằng cộng hưởng từ (MRI) và
đánh dấu bằng huỳnh quang. Phương pháp core-shell cũng đã được nghiên cứu để chế
tạo tổ hợp lai hóa dựa trên việc kết hợp hai loại vật liệu trong một tinh thể nano.

Ứng dụng của nano tinh thể silic và tổ hợp nano silic-nano từ:
1. Đánh dấu huỳnh quang:
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tìm kiếm và xác định một loại thực thể
nào đó trong một phức hợp để định vị và xác nhận sự tồn tại của thực thể đó trong một
môi trường sinh học nhất định. Phương pháp đánh dấu tế bào huỳnh quang là cơ sở
cho những phương pháp xét nghiệm bằng hình ảnh như hiện ảnh huỳnh quang, phân
tích tế bào theo dòng chảy, và western blot [26]. Thông thường, những chất đánh dấu
huỳnh quang là các chất nhuộm hữu cơ hay những phân tử protein. Tuy nhiên, những

6

vật liệu này có độ phát huỳnh quang thấp hơn so với nano tinh thể bán dẫn và tính chất
phát quang có thể bị ảnh hưởng trong môi trường sinh học.

Hình 2: Chấm lượng tử được sử dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang [41]. Nhuộm sợi
cytoskeleton trong tế bào nguyên bào sợi 3T3 của chuột bằng chấm lượng tử gắn với streptavidin (A).
Vi ống được đánh dấu với kháng thể kháng- α-tubulin, biotinylated anti-mouse IgG và QD 630–
streptavidin (đỏ). (B) là mẫu chuẩn không chứa kháng thể đối với (A), (C) sợi actin được đánh dấu
bằng biotinylated phalloidin và QD 535–streptavidin (xanh lá cây). (D) mẫu chuẩn cho (C) không có
biotin-phalloidin. Nhân tế bào được đánh dấu bằng chất nhuộm màu xanh dương Hoechst 33342.
Thước đo là 10 μm cho tất cả các hình.

2. Chẩn đoán hình ảnh động vật trong cơ thể sống in-vivo:
Hình ảnh trong cơ thể sống rất phức tạp bởi sự hấp thụ và tán xạ của các mô và khả
năng tự phát huỳnh quang khi bị kích thích của chúng. Da và mô hấp thụ và tán xạ
thấp ở dải sóng hồng ngoại gần (700-1000 nm), vì thế khả năng phát huỳnh quang tại

7


vùng hồng ngoại gần của nano tinh thể bán dẫn là một ưu thế để có thể tăng cường tính
hiệu thu được từ hình ảnh. Sự tự phát huỳnh quang cũng phụ thuộc vào bước sóng của
ánh sáng kích thích, chấm lượng tử có dải phổ hấp thụ rộng, nên người ta có thể lựa
chọn bước sóng kích thích chấm lượng tử mà ở đó sự tự phát quang của mô là thấp .

Hình3: Sử dụng chấm lượng tử làm chất đánh dấu trong kỹ thuật chẩn đoán bằng hình ảnh bên trong
cơ thể [42].

Một nghiên cứu ứng dụng khác của chấm lượng tử silicon hiện đang được tập
trung nghiên cứu chính là sử dụng chấm lượng tử silicon làm chất đánh dấu
trong kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ PET.

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu phát triển kỹ thuật chẩn
đoán hình ảnh đa phương thức kết hợp giữa tính phát huỳnh quang và từ tính của vật
liệu đánh dấu. Viễn cảnh ra đời của một phương pháp chẩn đoán mới đa phương thức
kết hợp giữa tính phát huỳnh quang và từ tính thật sự rất sáng sủa. Đó là một trong các
lý do để phát triển tổ hợp nano tinh thể bán dẫn và nano từ.

Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, việc nghiên cứu về nano tinh thể bán dẫn, đặc biệt là nano tinh thể silic đã
nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trong nước. Trong vài năm trở lại
đây, một vài đơn vị nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý, Viện Vật Lý
Tp.HCM và những đơn vị khác đã bắt tay vào nghiên cứu tổng hợp các nano tinh thể
nano bán dẫn và đã thu được những kết quả rất khả quan. Nhóm tác giả Phạm Hồng
Dương [43] đã giới thiệu phương pháp chế tạo dây nano silic phát huỳnh quang màu
đỏ tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp chuyển pha khí xúc tác Au. Buồng vi cộng

8


hưởng hoạt động trong vùng nhìn thấy trên cơ sở tinh thể quang tử silic xốp được
nhóm tác giả Đỗ Thùy Chi [44] nghiên cứu chế tạo. Hạt nano silic được chế tạo bằng
phương pháp điện hóa và phương pháp khắc hóa học do nhóm tác giả Trần Quang
Trung [45] thực hiện đã thu được hạt nano silic, có lõi Si và lớp vỏ SiO 2 kị nước. Tổ
hợp thanh nano SiO2/SiC do nhóm tác giả Huỳnh Thị Hà [46] chế tạo đã thu được sản
phẩm phát huỳnh quang xanh dương trong vùng 390-480 nm tại nhiệt độ phòng.
Khử với tác nhân H

Hình 4: Các bước chế tạo và chức năng hóa chấm lượng tử silicon

Nhóm nghiên cứu hạt nano tại Viện Vật Lý Tp.HCM đã bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực
công nghệ nano từ năm 2002 với những kết quả ứng dụng trong y sinh học rất khả

quan. Chúng tôi đã chế tạo được hạt nano siêu thuận từ với độ từ hóa bão hòa cao. Các
hạt nano từ có rất nhiều ứng dụng trong y sinh học bởi vì những tính chất ưu việt của
chúng ở kích thước nano. Chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng hạt nano siêu thuận từ
làm chất tăng cường độ tương phản trong ảnh chụp cộng hưởng từ, nghiên cứu phát
hiện virus E-coli nhằm ngăn chặn dịch tiêu chảy, v.v. Để phục vụ rộng rãi hơn cho các
nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh học, chẩn đoán và điều trị các bệnh nan y như ung
thư và mở rộng phạm vi nghiên cứu trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh, chúng tôi bắt
đầu nghiên cứu về tinh thể nano bán dẫn khác nhau được chế tạo bằng những phương
pháp khác nhau. Tuy nhiên, nhận thấy được một tiềm năng còn bỏ ngỏ của tinh thể bán
dẫn nano đối với những ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học do độc tính của
Cadminium (một trong các thành phần chính để tạo thành chấm lượng tử), chúng tôi
quyết định nghiên cứu khả năng thay thế các chấm lượng tử có chứa Cd bằng Si để tạo

9


ra một chấm lượng tử có tính chất quang học tương đương vật liệu truyền thống trong
khi độc tính bị hạn chế.
Bước đầu chúng tôi đã tạo ra được các tinh thể nano silicon bằng phương pháp khử
SiCl4 để tạo ra dạng hydrogen của silicon. Tác nhân tương tác bề mặt được sử dụng
ngay sau đó để làm thụ động hóa bề mặt của silicon.
Với những nghiên cứu bước đầu, chúng tôi đã chế tạo được tinh thể nano silicon có
kích thước 2  0.5 nm được bọc bằng hexadiene phát huỳnh quang ở 370 nm khi kích
thích bằng nguồn sáng 340 nm.

Ý nghĩa và tính mới của đề tài cho lĩnh vực nghiên cứu này tại Việt Nam.
Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh là một kỹ thuật hiện đại có khả năng phát hiện những
mầm bệnh bên trong cơ thể với độ chính xác rất cao. Kỹ thuật này có thể thực hiện
bên trong hay bên ngoài cơ thể tùy thuộc vào phương pháp xét nghiệm khác nhau, và
đều sử dụng chất đánh dấu huỳnh quang. Việc ứng dụng nano tinh thể bán dẫn làm

chất đánh dấu huỳnh quang trong những kỹ thuật này còn khá hạn chế do những quan
ngại về mức độ độc tính của lõi bán dẫn. Nếu như những quan ngại này được xóa bỏ
nhờ vào chất đánh dấu huỳnh quang bằng nano tinh thể bán dẫn có độ độc tính thấp,
khả năng gây hại đến môi trường sinh học chung quanh không đáng kể thì sẽ mở ra
triển vọng lớn cho những nghiên cứu ứng dụng tiếp theo, đặc biệt là trong việc chẩn
đoán những căn bệnh ác tính như ung thư.
Đây là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới hiện phát triển trên thế giới và kể cả ở
Việt Nam. Tuy nhiên, những nghiên cứu trong nước vẫn chưa thu được những kết quả
xứng tầm. Việc nghiên cứu chế tạo nano tinh thể bán dẫn silic dùng làm làm chất đánh
dấu huỳnh quang trong y sinh học sẽ góp phần phát triển hướng nghiên cứu này ở
nước ta và trên thế giới.

10


Chương II: Nội dung nghiên cứu và phương
pháp triển khai

I.

Những nội dung nghiên cứu đã đăng kí

Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo nano tinh thể silic
Có rất nhiều phương pháp tổng hợp được giới thiệu, nhưng dựa trên điều kiện thực tế
và kinh nghiệm nghiên cứu của nhóm, việc chế tạo chấm lượng tử silicon sẽ dựa trên
phương pháp vi huyền phù. Phương pháp chế tạo được phân thành 2 giai đoạn sau:
-a- Tổng hợp chấm lượng tử silicon
Các muối halogen của Si được khuấy trong hỗn hợp dung dịch của các chất hoạt động
bề mặt trong môi trường khí trơ để tránh sự hiện diện của quá trình oxi hóa. Với sự
hiện diện của tác nhân khử hyđrua, nano tinh thể silic được tạo ra và có bề mặt giới

hạn bởi liên kết Si-H. Những liên kết này giúp cho hạt nano tiếp tục phản ứng với
những chất hoạt động bề mặt trong dung dịch để hình thành một lớp bọc.
-b- Thụ động hóa bề mặt
Quá trình thụ động hóa bề mặt được tiến hành bằng cách cho thêm axit
hexachloroplatinic với xúc tác trong vòng vài giờ. Để tối ưu hóa phương pháp tổng
hợp nano tinh thể silic, nhóm nghiên cứu đã thay đổi lượng chất tham gia phản ứng,
chất xúc tác, thời gian phản ứng, v.v để tìm ra những thông số tổng hợp phù hợp và so
sánh cường độ phát huỳnh quang để tìm được thông số cho điều kiện tối ưu. Thông số
chế tạo mẫu hạt phát quang tối ưu sẽ được sử dụng cho những nghiên cứu kế tiếp.

11


Nội dung 2: Nghiên cứu phủ nano tinh thể silic
Một số polymer có nhóm chức khác nhau như hexadiene chứa nhóm –OH và
olaylamine với nhóm –NH3 sẽ được dung để thử nghiệm để phủ lên bề mặt của hạt
nano tinh thể silic và tính phát quang của hạt sẽ được đo đạc.
Phương pháp tối ưu hóa sẽ xác định những thông số phủ có tính ổn định phát huỳnh
quang cao nhất. Hạt với lớp phủ tối ưu này sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tạo tổ
hợp.
Nội dung 3: Nghiên cứu tính chất của nano tinh thể silic
Để nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể silic, chúng tôi sẽ khảo sát tính phát
huỳnh quang, độ ổn định và khả năng phát huỳnh quang. Phép đo khả năng hấp thụ và
phát huỳnh quang được thực hiện bằng các thiết bị Uv-Vis và Spectrofluorometer.
Tính chất cơ bản của nano tinh thể silic sẽ được nghiên cứu và hình dạng của nano tinh
thể silic cũng sẽ được khảo sát.
Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của tổ hợp nano từ tính phát huỳnh
quang
Việc kết hợp hai loại hạt trong cùng một thực thể là một nghiên cứu rất phức tạp, đòi
hỏi nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo thành một hạt nano có hai đặc tính như là một số

nhóm trên thế giới vừa đạt được. Tuy nhiên, theo khả năng của phòng thí nghiệm tại
Viện Vật Lý Tp.HCM, chúng tôi đã lựa chọn những phương pháp hóa học không đòi
hỏi những thiết bị tốn kém để nghiên cứu chế tạo tổ hợp nano tinh thể bán dẫn và nano
từ bằng phương pháp tạo nano-composit.
Đầu tiên, nano từ sẽ được tổng hợp riêng rẽ và phủ bằng một lớp phủ kị nước Những
polimer này sẽ được chỉnh sửa cấu trúc cho phù hợp với yêu cầu tạo composit. Nano
tinh thể bán dẫn sau đó sẽ được tổng hợp và phát triển trên bề mặt lõi của những hạt
từ. một lớp bọc bên ngoài sẽ được thực hiện để tạo thành một tổ hợp nano từ - nano
bán dẫn phát huỳnh quang.
Những tổ hợp tạo ra cần phải đảm bảo tính chất quang học và tính chất từ không thay
đổi quá nhiều.

12


Nội dung 5 : Nghiên cứu độc tính và tính tương hợp sinh học của chấm và tổ hợp
Nghiên cứu về độc tính và tính tương hợp sẽ được thử nghiệm in vitro trên một vài
dòng tế bào đơn lẻ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của hạt nano với sự sống và sinh
trưởng của tế bào.

II. Nội dung nghiên cứu bổ sung:
Ứng dụng của tổ hợp nano tinh thể silic và nano từ trong lĩnh vực chụp ảnh sinh
học
Tổ hợp nano từ và nano tinh thể silic được sử dụng vào các kỹ thuật chụp ảnh phát
huỳnh quang bằng kính hiển vi đồng tiêu và kỹ thuật chụp ảnh cộng hường từ MRI
cùng với tế bào HeLa. Các thông số hình ảnh cơ bản được thu thập và đánh giá để tiếp
tục triển khai cho các ứng dụng của tổ hợp sau này. Nghiên cứu này được thực hiện
với sự hỗ trợ của một số giáo sư và nhà nghiên cứu tại trường đại học Osaka, Nhật
Bản.

13


Chương III: Phương pháp thực nghiệm

I.

Hóa chất và vật tư

Hóa chất
Clorít sắt (II) ngậm nước FeCl2·4H2O ≥99%, clorít sắt (III) ngậm nước FeCl3·6H2O
≥99.0%, dung dịch amoniắc NH4OH (28% NH3 trong H2O), silicon tetra chloride
SiCl4 99%, tetraoctylammonium bromide (TOAB), toluene, lithium aluminum hydride
LiAlH4 trong dung môi tetrahydrofuran (THF) 99%, dung dịch axít chloroplatinic
H2PtCl6, isopropanol khan, hexadiene, N,N-dimethylformamide, tetraethylorthosilicate
(TEOS) được sản xuất tại công ty Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Tất cả các
hóa chất được mua trên đây là loại tinh chất và không cần trải qua công đoan chiết
tách nào khác.
Dung dịch Dulbecco’s Modified Eagle (DMEM) được sản xuất tại Sigma-Aldrich.
10% (vol/vol) dung dịch fetal bovine serum được sản xuất bởi Nichirei Bioscience Inc.
(Tokyo, Japan), 1% (vol/vol) penicillin streptomycin từ Wako Ltd., và 25 µg/mL
amphotericin B từ Sigma-Aldrich được hòa lẫn với DMEM để làm dung dịch nuôi cấy
tế bào. Phosphate buffered saline (PBS (−)) và 4% paraformaldehyde sản xuất bởi
Wako Ltd. được sử dụng trong các thự nghiệm nghiên cứu độc tính của nano composit
trên các loại tế bào khác nhau.
Tế bào
Tế bào được sử dụng trong thực nghiệm kiểm tra độc tính của nano composít bao gồm
HT1080 và TIG-1. HT1080 là một dòng tế bào u sarcoma xơ được sử dụng rộng rãi

14

trong những nghiên cứu y sinh. Tế bào này được tạo ra từ những mô thu được từ
phương pháp sinh thiết u sarcoma xơ tồn tại trong cơ thể nam bệnh 35 tuổi. Bệnh nhân
cung cấp mẫu tế bào chưa từng trải qua bất kỳ quá trình hóa trị hay xạ trị nào có thể
dẫn đến sự đột biến của các mẫu tế bào thu được. Dòng tế bào này mang một đột biến
IDH1.
Dòng tế bào TIG-1 được chiết ban đầu từ Viện lão khoa thủ đô Tokyo vào ngày
7/28/76 sử dụng mô phổi từ một bào thai 5 tháng tuổi bị sẩy. Tế bào được giải phóng
bằng cách tiêu hóa trypsin của một mẫu phổi được sử dụng để cấy sơ cấp. Tế bào có
hình dạng giống như những nguyên bào. Kiểu hình nhân tế bào là 46, XX; nữ, lưỡng
bội thường. Chỉ số tăng trưởng gấp đôi cực đại đạt được cho đến khi lão hóa là 55 đến
79 lần

II. Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu
1

Phương pháp chế tạo nano tinh thể silic

Mô tả thí nghiệm:
96 mL toluene khan và 1.5 g TOAB được hòa tan và cho vào trong một bình ba cổ.
Bình ba cổ được đậy kín và khí nitơ được thổi vào trong bình phản ứng để loại bỏ oxi.
Dung dịch được khuấy trong khoảng 60 phút. Sau đó, hòa tan 0.5 g SiCl 4 trong 2 mL
toluene và một dung dịch thứ 2 gồm 2 mL chất khử LiBH 4 2M trong tetrahydrofuran
(THF). Hai dung dịch này được nhỏ giọt đồng thời vào bình ba cổ ban đầu. Sau đó,
phản ứng sẽ được tiếp tục diễn ra trong 3 giờ. Sau đó, sử dụng một lượng vừa đủ
methanol nhỏ vào bình phản ứng trong vòng 20 phút để dừng phản ứng.
Quá trình gắn nhóm chức lên bề mặt của tinh thể silíc được tiếp tục bằng cách nhỏ vào
bình phản ứng một hỗn hợp dung dịch bao gồm xúc tác 100 µL H2PtCl6 trong
isopropanol khan và 1.3 mL hexadiene. Phản ứng phủ được diễn ra trong một thời gian

vừa đủ. Cuối cùng, sản phẩm được rửa lại vài lần bằng N,N-dimethylformamide. Sau
đó, phân tán sản phẩm thu được trong hexane và sấy chân không ở 50C. Quá trình
được lặp lại 2 lần để loại bỏ hoàn toàn dung môi thừa.

15


Hình 5: Thực nghiệm chế tạo nano tinh thể silic

Hình 6: Thực nghiệm phủ nano tinh thể silic

16


2

Phương pháp chế tạo nano từ

Phương pháp chế tạo nano từ Fe3O4 phổ biến hiện nay là phương pháp đồng kết tủa.
Phương pháp này kết tủa đồng thời một hỗn hợp chứa muối sắt (II) và sắt (III) chlorite.
Muối sắt (II) ngậm nước FeCl2·4H2O và muối sắt (III) FeCl3·6H2O ngậm nước được
hòa tan trong 50 mL nước cất theo tỉ lệ Fe2+: Fe3+ = 1:2. 100 mL nước cất được cho
vào bình 3 cổ và gia nhiệt đến 70C và khuấy bằng đầu siêu âm trong khi thổi khí N2
gas để loại bỏ khí oxi trong bình phản ứng. Dung dịch muối sắt và NH 4OH được nhỏ
giọt đồng thời vào bình phản ứng trong vòng 60 phút, pH của phản ứng được giữ cố
định tại 8. Phản ứng tạo thành kết tủa Fe3O4 được diễn ra như sau:
FeCl2 + 2 FeCl3 + 8NH4OH  Fe3O4 + 8NH4Cl (1)
Sản phẩm kết tủa màu đen được lắng và thu nhận bằng nam châm vĩnh cửu và rửa vài
lần với nước cất. Chi tiết quy trình chế tạo được trình bày trong phụ lục B.
3

Nghiên cứu phương pháp phủ lớp tạo nanocomposít.

Quy trình phủ hạt nano thường được thực hiện theo 2 phương pháp. Phương pháp phủ
đồng thời với quá trình tạo hạt có ưu điểm trong việc điều khiển kích thước hạt nhỏ và
phân bố kích thước hạt hẹp, độ phân tán tốt và ổn định của lớp phủ dưới tác động hóa
học của môi trường cũng được tăng cường đối với những hạt này. Phương pháp thứ
hai là phủ sau khi tạo hạt. Hạt nanô sau khi tạo thành được xử lý bề mặt cho tương hợp
với lớp phủ cao phân tử. Quá trình phủ sau đó được diễn ra hoàn toàn độc lập với quá
trình tạo hạt. Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp phủ sau
khi tạo hạt để tránh những ảnh hưởng phụ của dung môi lên tính chất quang học của
nano composít.
Chất phủ phù hợp để tạo nanocomposít cần phải đảm bảo tính chất quang và từ học
của những hạt nano được duy trì. Bên cạnh đó, những đặc tính khác cũng cần được
đảm bảo như là độ phân tán, tính chống kết tụ, và khả năng phân tán trong môi trường
trung tính để có thể sử dụng trong sinh học. Dựa trên kinh nghiệm nghiên cứu của
nhóm, chúng tôi đã chọn ra 3 loại lớp phủ đã được sử dụng cho những nghiên cứu về

17


hạt nano từ mà nhóm đã thực hiện trong những năm gần đây bao gồm dextran,
chitosan, và SiO2. Sau khi nghiên cứu tính chất quang học, chúng tôi quyết định lựa
chọn lớp phủ SiO2 để tạo nano composit.
Quy trình phủ sử dụng silica
Khuynh hướng sử dụng lớp phủ silica cho hạt nano dựa vào đặc tính ổn định cao dị
thường của nó đặc biệt là trong môi trường nước. Ngoài ra, lớp phủ silica còn có ưu
điểm là vật liệu và quá trình phủ đơn giản, dễ thực hiện, đặc biệt là lớp phủ này trong
suốt về mặt quang học, thuận lợi cho những hạt nano phát huỳnh quang như chấm
lượng tử. Khác với những lớp phủ khác có thể phủ lên bề mặt hạt nano bằng chỉ một

trong hai cơ chế là tương tác tĩnh điện hoặc hiệu ứng lập thể nhờ vào tương tác Van
der Waals, lớp phủ silica có thể được thực hiện dựa trên cả hai tương tác trên. Trong
phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu tính chất từ và quang của nano
composít được phủ bởi silica, chi tiết quy trình phủ được trình bày tại phần phụ lục
C.III

Hình 7: Cấu trúc phân tử của TEOS

18


III. Nghiên cứu tính chất của vật liệu trong hệ sinh học
Tính quang học
Quang phổ kế cực tím – khả kiến UV– Vis từ Shimadzu Corporation với đầu thu nhân
quang điện để xác định mẫu phát huỳnh quang cho mỗi mẫu với sắc kí đơn từ 190 nm
đến 900 nm, và mỗi bước 0.1 nm. Mẫu được chứa trong một cu-vét thạch anh.
Đối với ảnh thu nhận của hạt nano được cấy vào tế bào được chụp bằng hệ đồng tiêu
quét laser gắn vào một kính hiển vi đảo C1 với vật kính 40x/1.49 oil immersion Apo
Nikon. Hệ được kích thích từ nguồn Argon laser làm lạnh phát huỳnh quang tại nhiều
bước sóng khác nhau và tín hiệu phát ra từ hạt nano sẽ được phân loại thông qua
những kính lọc và ghi lại bằng phần mềm EZ-C1 dành cho kính hiển vi đồng tiêu C1
của Nikon.

Hình 8: Kính hiển vi đồng tiêu C1

Nghiên cứu tính chất từ
Đặc tính từ của hạt nano và tổ hợp được kiểm tra bằng cách sử dụng từ kế mẫu rung
(VSM) tại nhiệt độ phòng với cường độ từ trường nằm trong khoảng từ -10000 đến
10000 Oe, đường cong từ trễ thu được cung cấp thông tin về độ từ hóa bão hòa Ms và
lực kháng từ Hc. Hạt nano từ kích thước nhỏ hơn 40 nm thường biểu diễn tính chất

siêu thuận từ tại nhiệt độ phòng. Mỗi một hạt nano có thể hoạt động như một nam

19