(Luận án tiến sĩ) Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền NaYF 4 chứa ion đất hiếm Er 3+ và Yb 3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------

HÀ THỊ PHƢỢNG

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO
PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+
ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------

HÀ THỊ PHƢỢNG

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO
PHÁT QUANG NỀN NaYF4 CHỨA ION ĐẤT HIẾM Er3+ VÀ Yb3+

ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH
Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
Mã số
: 9 44 01 27

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. TS. Trần Thu Hƣơng
2. GS. TS. Lê Quốc Minh

Hà Nội – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Công trình được thực hiện tại phòng Quang Hóa Điện tử – Viện Khoa học
vật liệu – Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Trần Thu Hương và GS.TS. Lê Quốc Minh. Các số liệu và kết quả
trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả

Hà Thị Phƣợng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến tập thể giáo
viên hướng dẫn, TS. Trần Thu Hương và GS.TS. Lê Quốc Minh, những người thầy
đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện
luận án.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Phòng Quang Hóa Điện tử, Viện Khoa
học vật liệu; Ban lãnh đạo Khoa Khoa học vật liệu và năng lượng; Ban Giám đốc
Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện và bảo vệ luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các đồng nghiệp trong Bộ môn Hóa học,
Trường Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tôi được tập
trung nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cám ơn tập thể các anh, chị đang công tác tại Viện Khoa
học vật liệu đã chia sẻ kinh nghiệm, động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian tôi học tập và nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Lê Thị Vinh, Trường Đại học Mỏ
Địa chất, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia
đình đã luôn động viên, chia sẻ và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó
khăn trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Nghiên cứu sinh

Hà Thị Phƣợng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ............................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM
PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4.........................................6
1.1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ...................................................6
1.1.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm ...........................................6
1.1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm ....................................................6
1.2. Quá trình phát quang chuyển đổi ngược ........................................................11
1.2.1. Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược ....................................................11
1.2.2. Các thành phần của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược .........15
1.2.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ ..................................19
1.3. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất
hiếm ứng dụng trong y sinh ..................................................................................21
1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt .........................................................................22
1.3.2. Phương pháp sol - gel ............................................................................25
1.3.3. Phương pháp vi sóng (Microwave) ........................................................26
1.4. Ứng dụng của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược trong y sinh ......27
1.4.1. Nhận dạng sinh học (bioimaging) ..........................................................28
1.4.2. Cảm biến sinh học (biosensing) .............................................................30
1.4.3. Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) .................................36
1.4.4. Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) ................................37

Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................40
Chƣơng 2. CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ..................................................41
2.1. Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ ......................41


iv
2.2. Phương pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+....................42
2.2.1. Phương pháp xử lý bề mặt......................................................................42
2.2.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật
liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học ...........44
2.3. Phân tích cấu trúc, hình thái học và nghiên cứu tính chất phát quang của
vật liệu...................................................................................................................46
2.3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X .....................................46
2.3.2. Phân tích cấu trúc phân tử bằng phương pháp phổ dao động...............47
2.3.3. Khảo sát hình thái học của vật liệu bằng kĩ thuật hiển vi điện tử
quét phát xạ trường ..........................................................................................49
2.3.4. Nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu bằng phương pháp
phổ huỳnh quang ..............................................................................................50
2.3.5. Kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang nhận dạng bằng kính hiển vi
huỳnh quang .....................................................................................................51
Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................53
Chƣơng 3. CÁC KẾT QUẢ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT
LIỆU NANO PHÁT QUANG CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NaYF4: Yb3+, Er3+ ..........54
3.1. Tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+ ......................54
3.1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Quy trình 1) ................54
3.1.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4:
Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 ................................................................56
3.1.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+,
Er3+ tổng hợp theo quy trình 1..........................................................................59
3.2. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm - PEG .......62

3.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG ...........................62
3.2.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4:
Yb3+, Er3+ - PEG...............................................................................................64
3.2.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+,
Er3+ - PEG ........................................................................................................66


v
3.3. Tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự tạo nền NaYF4 .....69
3.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ tự
tạo nền NaYF4 (quy trình 2).............................................................................69
3.3.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái học của vật liệu NaYF4:
Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 2 ................................................................70
3.3.3. Kết quả khảo sát tính chất phát quang của vật liệu NaYF4:Yb3+,
Er3+ cấu trúc β-NaYF4 tổng hợp theo qui trình 2 .............................................75
Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................77
Chƣơng 4. KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM PHỨC HỢP NANO
Y SINH HỌC ĐỂ ĐÁNH DẤU NHẬN DẠNG TẾ BÀO UNG THƢ MCF7 ....78
4.1. Xử lý bề mặt, chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu NaYF4 chứa ion
Yb3+ và Er3+ ..........................................................................................................78
4.1.1. Xử lý bề mặt vật liệu NaYF4 chứa ion Yb3+ và Er3+ bằng silica ............79
4.1.2. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS .........80
4.1.3. Chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng TPGS ............82
4.1.4. Liên hợp hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 bằng acid folic .........84
4.2. Kết quả nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất phát quang của
vật liệu đã chức năng hóa, liên hợp hóa................................................................87
4.2.1. Cấu trúc hình, thái học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica đã
chức năng hóa, liên hợp hóa ............................................................................87
4.2.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của vật liệu NaYF4: Yb3+,
Er3+@silica đã chức năng hóa, liên hợp hóa ...................................................89

4.2.3. Tính chất phát quang của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica đã
chức năng hóa và liên hợp hóa ........................................................................92
4.3. Kết quả thử nghiệm dùng vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA để
đánh dấu nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 ......................................................95
4.3.1. Quy trình thử nghiệm .............................................................................95
4.3.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................97
Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................100
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................101
DANH MỤC CÁC CÔNG B

KHOA HỌC......................................................103

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................104


vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Tên đầy đủ

APTMS

3-aminopropyltrimethoxysilane

DCC

N, N’-Dicyclohexylcarbodiimide (C13H22N2)

DMSO

Dimethyl sulfoxide (C2H6OS)

đ.v.t.đ

Đơn vị tương đối

EG

Ethylene glycol

ESA

Hấp thụ trạng thái kích thích (excited-state absorption)

ET

Ethanol

ETU

Chuyển đổi ngược truyền năng lượng
(Energy Transfer Upconversion)

FA

Acid folic (C19H19N7O6)

FESEM

Kính hiển vi điện tử quét phát trường
(Field Emission Scanning Electron Microscopy)

FRET

Truyền năng lượng cộng hưởng Förster
(Förster resonance energy transfer)

FTIR

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier
(Fourier Transform infrared spectroscopy)

FWHM

Độ rộng bán phổ của vạch nhiễu xạ cực đại
(Full-width at half maximum intensity)

GSA

Hấp thụ trạng thái cơ bản (ground-state absorption)

IR

Hồng ngoại


vii
LRET

Truyền năng lượng cộng hưởng quang huỳnh quang
(Luminescence Resonance Energy Transfer)

NHS

N-Hydroxysuccinimide (C4H5NO3)

RE3+

Ion đất hiếm hóa trị 3

PBS

Phosphate Buffer Saline

PEG

Polyethylene glycol

PL

Huỳnh quang (photoluminescence)

TEOS

Tetraethyl orthosilicate (C8H20O4Si)

TPGS

D-alpha-tocopheryl poly ethylene glycol 1000 succinat

UC

Huỳnh quang chuyển đổi ngược (upconversion)

UCL

Phát quang chuyển đổi ngược
(Upconversion Luminescence)

UCNP

Vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược
(Upconversion Nanophosphors)

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)


viii
Các kí hiệu
Kí hiệu

Tên đầy đủ



Bước sóng (wavelength)

exc

Bước sóng kích thích (excitation wavelength)

2θ

Góc nhiễu xạ tia X

Mw

Khối lượng phân tử

E

Năng lượng


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45] ............................8

Bảng 1.2.

Năng lượng phonon của các nền được sử dụng cho các vật liệu nano
phát quang chuyển đổi ngược UCNP [22] ............................................16

Bảng 3.1.

Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ tổng hợp theo quy trình 1 .............56

Bảng 3.2.

Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể α-NaYF4 của các mẫu M1, M2,
M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt .........57

Bảng 3.3.

Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể -NaYF4 của các mẫu M1, M2,
M3, M4 tổng hợp theo qui trình 1 bằng phương pháp thủy nhiệt .........58

Bảng 3.4.

Kí hiệu mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (Y3+/ Yb3+/ Er3+ = 79,5/ 20/ 0,5) có sử
dụng PEG với trọng lượng phân tử =200; 4000; 6000; 20000 tổng hợp
theo quy trình 1 ......................................................................................64

Bảng 3.5.

Kí hiệu các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi tỉ lệ Er3+/ Y3+ tổng
hợp theo quy trình 2...............................................................................70

Bảng 3.6.

Các đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể  -NaYF4 của mẫu EY2
tổng hợp theo quy trình 2 bằng phương pháp thủy nhiệt ......................72

x
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f ...........................................9

Hình 1.2.

Các quá trình phát quang .........................................................................9

Hình 1.3.

Sơ đồ mức năng lượng của quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực
tiếp và quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc
nhóm các ion khác ................................................................................10

Hình 1.4.

Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược
upconversion .........................................................................................11

Hình 1.5.

Các quá trình chuyển đổi ngược thông qua (a) hấp thụ từ trạng thái
được kích thích và (b) truyền năng lượng kế tiếp quá trình hấp thụ
từ trạng thái được kích thích ..................................................................14

Hình 1.6.

Các quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng dựa hoàn toàn

vào chất tăng nhạy (a) và hồi phục chéo (b) .........................................14

Hình 1.7.

Các quá trình chuyển đổi ngược phối hợp tâm tăng nhạy (a) và phối
hợp tâm huỳnh quang (b) ......................................................................15

Hình 1.8.

Sơ đồ cấu trúc α- NaYF4 (a) và cấu trúc β- NaYF4 (b) ........................17

Hình 1.9.

Mô hình chế tạo các thanh và ống nano theo phương pháp khuôn
mềm dựa vào quá trình tự lắp ráp các phân tử hoạt động bề mặt ............24

Hình 1.10. Ứng dụng của các UCNP cho cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau ........32
Hình 1.11. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “gián đoạn” trên UCNP sử dụng cấu
trúc loại “sandwich”(a) và xét nghiệm cạnh tranh (b) ........................34
Hình 1.12. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử
dụng cấu trúc loại “sandwich” ..............................................................35
Hình 1.13. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử
dụng sự ức chế của các quá trình truyền năng lượng ...........................36
Hình 2.1.

Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt .............................................41

Hình 2.2.

Tủ sấy Venticell đặt tại phòng quang hóa điện tử - Viện KHVL..........42

Hình 2.3.

Cấu tạo phức chất Eu:NTA:TOPO (a) và cấu trúc lõi - vỏ của
phức Eu:NTA:TOPO (b) ......................................................................43


xi
Hình 2.4.

Sơ đồ liên hợp sinh học gắn kết các phân tử hoạt động sinh học với
UCNP ....................................................................................................45

Hình 2.5.

Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể ..................46

Hình 2.6.

Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 ...................................................46

Hình 2.7.

Thiết bị đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 đặt tại Viện Kỹ
thuật Nhiệt đới .......................................................................................48

Hình 2.8.

Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường ....................49

Hình 2.9.

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) ..............................49

Hình 2.10. Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang ................................................50
Hình 2.11. Hệ đo huỳnh quang tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa
học vật liệu ............................................................................................50
Hình 2.12. Thiết bị kính hiển vi huỳnh quang soi ngược Zeiss axio vert A1, đặt tại
phòng thí nghiệm của trường Đại học Khoa học và công nghệ - USTH,
Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam ...........................................................51
Hình 3.1.

Quy trình tổng hợp vật liệu nano chứa ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+
(quy trình 1) ............................................................................................55

Hình 3.2.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ
Yb3+/Y3+ khác

nhau: M1 (20,5/79); M2 (20,25/79,25); M3

(20/79,5) và M4 (19,75/79,75) ..............................................................56
Hình 3.3.

Ảnh FESEM của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với tỉ lệ Yb3+/ Y3+
khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3);
19,75/ 79,75 (M4) ..................................................................................59

Hình 3.4.

Phổ huỳnh quang của các mẫu với tỉ lệ Y3+/ Yb3+ khác nhau:
20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3) và 19,75/ 79,75
(M4) tại λexc = 980 nm ..........................................................................60

Hình 3.5.

Sơ đồ năng lượng và các quá trình bức xạ, không bức xạ của vật
liệu pha tạp Yb3+, Er3+ ..........................................................................61

Hình 3.6.

Biểu đồ tỉ lệ cường độ huỳnh quang của các mẫu với tỉ lệ Y3+/ Yb3+
khác nhau: 20,5/79 (M1); 20,25/ 79,25 (M2); 20,0/79,5 (M3) và
19,75/ 79,75 (M4) tại λexc = 980 nm.....................................................62


xii
Hình 3.7.

Quy trình tổng hợp vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược chứa
ion đất hiếm NaYF4: Yb3+, Er3+có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG .........63

Hình 3.8.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(M3 - đường 1)
và các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200 (MP2 - đường 2);
PEG 4000 (MP4 - đường 3); PEG 6000 (MP6 - đường 4); PEG
20000 (MP20 - đường 5) .......................................................................65

Hình 3.9.

Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 200 (a) và PEG
4000 (b) .................................................................................................65

Hình 3.10. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ - PEG 6000 (a) và PEG
20000 (b) ...............................................................................................66
Hình 3.11. Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG 200
(MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 đường 3) và PEG 20000 (MP20 - đường 4) tại λexc = 980 nm. ..............67
Hình 3.12. Tỉ lệ cường độ huỳnh quang của các mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ với PEG
200 (MP2 - đường 1); PEG 4000 (MP4 - đường 2); PEG 6000 (MP6 đường 3) và PEG 20000 (MP20 - đường 4) tại λexc = 980 nm ..................68
Hình 3.13. Quy trình tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+ với sự thay đổi thứ
tự tạo nền (quy trình 2) ........................................................................69
Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ - PEG20000
(EY2) tổng hợp theo quy trình 2 ...........................................................71
Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ với sự thay đổi tỉ
lệ Er3+/ Y3+ tổng hợp theo quy trình 2 (EY1 = 0,25/ 79,75; EY2 =
0,5/ 79,5; EY3 = 1,0/ 79,0; EY4 =2,0/ 78,0) .........................................73
Hình 3.16. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+ (EY2) cấu trúc β-NaYF4
tổng hợp theo quy trình 2 ......................................................................74
Hình 3.17. Ảnh FESEM của mẫu EY1 (a), EY2 (b) , EY3 (c) và EY4 (d) cấu
trúc β-NaYF4 tổng hợp theo quy trình 2 ................................................74
Hình 3.18. Phổ huỳnh quang của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ tổng hợp theo qui
trình 2, kích thích tại exc = 980 nm .....................................................75


xiii
Hình 4.1.

Quy trình xử lí bề mặt vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+ bằng silica ...............80

Hình 4.2.

Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica bằng
APTMS ..................................................................................................81

Hình 4.3.

Các giai đoạn phản ứng gắn nhóm NH2 trên bề mặt vật liệu NaYF4:
Yb3+, Er3+@silica bằng APTMS ............................................................82

Hình 4.4.

Công thức cấu tạo của TPGS.................................................................83

Hình 4.5.

Quy trình chức năng hóa vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silica bằng TPGS....83

Hình 4.6.

Công thức cấu tạo của acid folic ...........................................................84

Hình 4.7.

Quy trình liên hợp sinh học của vật liệu NaYF4: Yb3+, Er3+@silicaNH2 với FA ............................................................................................85

Hình 4.8.

Phản ứng hình thành phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+,

Er3+@silica-N=FA [100] .......................................................................86

Hình 4.9.

Quy trình gắn kết sinh học của vật liệu NaYF4:Yb3+, Er3+@silicaN=FA với tế bào ung thư MCF7 ...........................................................87

Hình 4.10. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+(a) và mẫu NaYF4:Yb3+,
Er3+@ silica (b) ủ ở 190 oC, 24 h...........................................................88
Hình 4.11. Ảnh FESEM của mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+@ silica-TPGS (a), NaYF4:
Yb3+, Er3+@silica-NH2 (b) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (c)
ủ ở 190 oC, 24 h .....................................................................................89
Hình 4.12. Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+,
Er3+@silica (2) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica/TPGS (3) .......................90
Hình 4.13. Phổ hồng ngoại của các mẫu NaYF4:Yb3+, Er3+ (1); NaYF4:Yb3+,
Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-NH2 (3) và NaYF4:
Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) .................................................................91
Hình 4. 14. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+(1)
và mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2) tại exc = 980nm ........................92
Hình 4.15. Phổ huỳnh quang của mẫu NaYF4: Yb3+, Er3+@ silica/TPGS tại
exc = 980nm ..........................................................................................93
Hình 4.16. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu

NaYF4: Yb3+,

Er3+@silica-N=FA tại exc = 980nm......................................................94


xiv
Hình 4.17. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu

NaYF4: Yb3+,

Er3+(1); NaYF4: Yb3+, Er3+@silica (2); NaYF4: Yb3+, Er3+@silicaNH2 (3) và NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA (4) tại exc = 980nm .......95
Hình 4.18. Quy trình thử nghiệm trên tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7
ủ với phức hợp nano NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA ........................97
Hình 4.19. Hình ảnh tế bào MCF7 đối chứng và tế bào MCF7 ủ với phức hợp
nano quan sát dưới kính hiển vi điện tử huỳnh quang soi ngược ..........98


1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, vật liệu nano và sản phẩm liên quan đến vật liệu nano có ứng dụng
trên nhiều lĩnh vực như: khoa học vật liệu, năng lượng, môi trường, điện tử và đặc
biệt trong lĩnh vực y sinh học [1-6]. Trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã
tạo ra công cụ đánh dấu huỳnh quang (fluorescent labelling) có hiệu quả và đang rất
được quan tâm [7-9].
Đáng chú ý vài năm gần đây, nhiều loại vật liệu nano đã trở thành đối tượng
thời sự của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, điển hình như vật liệu nano chứa ion
đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược (UCNP) [10-14]. Khi kích thích vật liệu này
bằng ánh sáng hồng ngoại sẽ thu được phát xạ trong vùng khả kiến. Do đó chúng
đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu mới và được công nhận trong
nhiều lĩnh vực như: chăm sóc sức khỏe, an ninh, năng lượng …[15].
Với ứng dụng chăm sóc sức khỏe, các UCNP có hai ưu thế cơ bản so với vật
liệu phát quang thông thường. Trước hết, việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại
giúp giảm tối đa khả năng tự phát quang của đối tượng và nâng cao độ tương phản
của các vi hình ảnh. Hơn nữa, ánh sáng hồng ngoại thân thiện với cơ thể người,
không gây biến đổi tế bào, có thể xuyên được vài milimet vào mô người nên sẽ tác
dụng sâu hơn vào vùng tổn thương. Có rất nhiều công trình công bố về các loại
UCNP, trong đó vật liệu nền oxit, florua của ytri và gadoli pha tạp ion đất hiếm
Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ là nổi bật hơn cả [16-19]. Các nghiên cứu cho thấy, mạng

nền NaYF4 kích thước nanomet sẽ tạo ra hiệu ứng phát quang chuyển đổi ngược với
hiệu suất phát quang cao, bền trong các điều kiện khác nhau. Vật liệu này hứa hẹn
nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị, an ninh, quang điện tử [20, 21] và đặc biệt
trong y sinh như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing),
trị liệu ung thư (cancer therapy) [20, 22-24]. Các ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh
học in vitro và in vivo của UCNP pha tạp ion đất hiếm có độ tương phản cao.Vì thế
vật liệu UCNP có tiềm năng lớn trong thiết kế, chế tạo các phức hợp nano sinh học
có thể nhận dạng được rất chính xác một số loại tế bào ung thư [23, 25, 26].


2
Trên thế giới, một số nhóm nghiên cứu đã tổng hợp vật liệu UCNP với kích
thước từ vài chục đến vài trăm nm, phát quang vùng màu xanh, ứng dụng nhận dạng
dấu vân tay [27], làm chất dẫn thuốc [28], làm dầu dò nano [29] hoặc liên kết với
các biomarker đánh dấu một số loại tế bào như tế bào ung thư phổi [30], tế bào Hela
[9, 31]. Đặc biệt nhiều vật liệu UCNP với kích thước cỡ vài trăm nm có thể dánh
dấu được các tế bào có kích thước m theo phương thức ngoại bào [32]. Do cấu
trúc, tính chất phát quang và sự liên hợp sinh học là một trong số các yếu tố quyết
định ứng dụng trong y sinh của vật liệu nên việc nghiên cứu các yếu tố này luôn có
vai trò quan trọng trong chế tạo vật liệu.
Các nghiên cứu tại Việt Nam về vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, tuy
chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano nhưng cũng đã có những bước chuyển quan
trọng, tạo ra sức hút mới đối với các nhà khoa học. Năm 2009, nhóm nghiên cứu tại
phòng Quang Hóa Điện tử, viện Khoa học vật liệu, viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam, đã tập trung nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong y sinh với mở
đầu là đề tài Độc lập Nhà nước (2009 - 2012). Kết quả của đề tài đã được đánh giá
là một trong các công trình đầu tiên chế tạo thành công phức hợp (complex) nano
sinh y học phát hiện vi hình ảnh hai loại virut sởi và Rota trong vắc xin sản xuất
công nghiệp [4]. Đối với vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược đã có một số
nhóm nghiên cứu chế tạo các UCNP chứa các ion Er, Yb, Tm, với các nền oxit của

ytri [33, 34], nền natriytriflorua [35-38]. Các công trình này chủ yếu nghiên cứu về
phương pháp tổng hợp, cấu trúc, kích thước và hình dạng cũng như các đặc tính và
cơ chế của quá trình huỳnh quang chuyển đổi ngược theo dạng đa photon với định
hướng ứng dụng trong hiển thị, quang điện tử, in bảo mật và có một số kết quả
nghiên cứu ứng dụng trong ngành năng lượng [35, 37, 39].
Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng vật liệu UCNP trong phát hiện và điều trị ung
thư vẫn chưa nhiều. Câu hỏi đặt ra làm thế nào để sử dụng vật liệu phát quang
chuyển đổi ngược UCNP vào trong y sinh học và lựa chọn giải pháp nào là thích
hợp cho quá trình chức năng hóa, liên hợp hóa với các đối tượng hoạt động sinh
học? Sự kết hợp của công nghệ nano và sinh học cho phép ứng dụng các vật liệu


3
huỳnh quang kích thước nano vào mục đích dò tìm, phát hiện các phân tử sinh học
ứng dụng trong các bộ cảm biến và ảnh y sinh như thế nào?
Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn chủ đề nghiên cứu vật liệu nano chứa đất hiếm
phát quang ngược ứng dụng trong sinh y học làm nội dung cho luận án với tiêu đề:
“Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền
NaYF4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh”
Mục tiêu
1. Tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4:
Yb3+, Er3+ có cấu trúc tinh thể , dạng que, phát quang vùng màu đỏ.
2. Xác định được hình thái học, cấu trúc, tính chất quang của vật liệu NaYF4:
Yb3+, Er3+. Xây dựng được quy trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu
NaYF4: Yb3+, Er3+ nhằm ứng dụng cho y sinh. Từ đó, chọn được vật liệu thích hợp nhất
để chế tạo công cụ phức hợp (complex tool) đánh dấu huỳnh quang vi hình ảnh.
3. Sử dụng được phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb3+, Er3+@silica-N=FA vào
quy trình ủ sinh học bắt cặp với tế bào đích, phân lập sản phẩm nhằm đánh dấu tế bào
ung thư vú MCF7 in vitro bằng kính hiển vi quang học huỳnh quang phân giải cao.
Phƣơng pháp nghiên cứu:

Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kế thừa các kết
quả nghiên cứu của tập thể khoa học phòng thí nghiệm Quang Hóa Điện tử, Viện
Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các thí
nghiệm tổng hợp vật liệu và chế tạo phức hợp nano y sinh cũng được tiến hành tại
phòng Quang Hóa Điện tử, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện
Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu và tại Bộ môn Hóa học, Đại học Y Hà Nội. Các thí
nghiệm ủ sinh học giữa phức hợp nano y sinh và tế bào ung thư được tiến hành tại
phòng thí nghiệm Xét nghiệm Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và tại Đại học
Khoa học và Công nghệ Hà Nội USTH.


4
1. Sử dụng phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt và thủy nhiệt hỗ trợ chất tạo
khuôn mềm) để chế tạo vật liệu.
2. Cấu trúc, hình thái học của mẫu được phân tích bằng các phép đo hiện đại
có độ tin cậy: giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại và ảnh hiển vi điện tử phát
trường. Tính chất phát quang được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang.
3. Khảo sát khả năng ứng dụng của phức hợp nano y sinh bằng kĩ thuật miễn
dịch huỳnh quang.
Tính mới:
i. Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược
NaYF4:Yb3+, Er3+. Vật liệu có các đặc trưng: hình dạng que với kích thước chiều dài
300 nm ÷ 800 nm, đường kính cỡ 100 nm ÷ 200 nm; cấu trúc tinh thể hexagonal
(β); phổ phát quang được kích thích bằng laser 980 nm gồm hai dải phát xạ đặc
trưng của ion Er3+ từ 510 nm ÷ 570 nm và 630 nm ÷ 700 nm.
ii. Đã tổng hợp thành công hai hệ phức hợp nano y sinh NaYF4:Yb3+,
Er3+@silica/TPGS và NaYF4:Yb3+, Er3+@silica–N=FA có tính chất phát quang
chuyển đổi ngược với vùng phát xạ ánh sáng đỏ trội.
iii. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm, ứng dụng phức hợp nano y sinh
NaYF4:Yb3+, Er3+@silica-N=FA để nhận dạng tế bào ung thư vú MCF7 thông qua

kĩ thuật miễn dịch huỳnh quang bằng kính hiển vi huỳnh quang soi ngược đã quan
sát được sự bắt cặp của phức hợp nano với tế bào trên.
Bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu, danh mục
bảng, danh mục đồ thị và hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến
luận án và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong 4 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển
đổi ngược nền NaYF4.
Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm.


5
Chƣơng 3: Các kết quả tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano phát
quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+, Er3+.
Chƣơng 4: Kết quả chế tạo và thử nghiệm phức hợp nano sinh y học để đánh
dấu nhận dạng tế bào ung thư MCF7.


6
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO CHỨA ION ĐẤT HIẾM PHÁT QUANG
CHUYỂN ĐỔI NGƢỢC NỀN NaYF4
1.1. Vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm
1.1.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm gồm tập hợp của mười bảy nguyên tố hóa học có số
nguyên tử từ 57 đến 71 trong bảng tuần hoàn của Mendeleev: La, Ce, Pr, Nd, Pm,
Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu và thêm nguyên tố ytri (Y). Những nguyên
tố này có hàm lượng rất nhỏ trong Trái đất, được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích,
các mỏ quặng và cát đen [40].
Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2
n: nhận các giá trị từ 0 ÷ 14; còn m chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1.
Tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện tử
hóa trị thuộc phân lớp phân 4fn của chúng. Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp
thụ và phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền
lớn, hiệu suất lượng tử cao. Huỳnh quang của các hợp chất đất hiếm đã được nghiên
cứu do tính chất quang vật lí hấp dẫn [5, 41, 42]. Do vậy, chúng có vai trò rất quan
trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, quang điện tử, quang tử, thông tin quang học
và y sinh [43, 44].
1.1.2. Vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm
Vật liệu phát quang được cấu tạo từ hai thành phần chính: chất nền và chất
pha tạp hay còn được gọi là các tâm phát quang.
Chất nền có khả năng hấp thụ photon năng lượng cao và truyền năng lượng
cho các tâm phát xạ thông qua quá trình truyền điện tich. Chúng thường là các vật
liệu có độ bền về cơ lý hóa, ổn định về cấu trúc và có tính trơ về quang học, có tính
trong suốt đối với bức xạ trong vùng nhìn thấy. Chất pha tạp thường là đất hiếm


7
hoặc kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc và bán kính nguyên tử phù hợp với bán kính,
điện tích của cation nền. Ví dụ, với vật liệu phát quang NaYF4: Er3+ thì NaYF4 đóng
vai trò mạng nền, Er3+ đóng vai trò tâm phát quang.
1.1.2.1. Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang chứa ion đất hiếm
Vật liệu phát quang khi được kích thích có khả năng phát quang. Sự phát
huỳnh quang xảy ra khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng
quang (photon). Ở trạng thái cơ bản Eo, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường
bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron. Khi nhận năng lượng, các
electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích E*.
Đây là trạng thái không bền nên electron sẽ mau chóng hồi phục về các mức năng
lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt (phonon) E*’.

Thời gian tồn tại của electron khi chuyển mức năng lượng từ E* → E*’ rất nhỏ
(khoảng 10-9 đến 10-12 giây). Sau khi về trạng thái kích thích E*’, electron lại một
lần nữa phục hồi về các mức năng lượng thấp hơn đồng thời giải phóng năng lượng
dưới dạng phonon.
1.1.2.2. Sự tách mức năng lượng ở phân lớp 4f của nguyên tố đất hiếm
Bảng 1.1 [45] cho thấy bán kính ion của các nguyên tố đất hiếm nhỏ hơn so
với các nguyên tố s, p cùng chu kỳ và giảm dần nên chúng tương tác rất yếu với
phonon mạng và trường tinh thể. Trạng thái năng lượng của điện tử 4f trong ion đất
hiếm ít bị ảnh hưởng bởi trường tinh thể do chúng được che chắn bởi các điện tử
của phân lớp 5s,5p ở bên ngoài. Các điện tử phân lớp 4f là các điện tử không tương
đương (điện tử có 2 số lượng tử có giá trị khác nhau, n = 4 và l = 3). Khi đó, các
trạng thái nhiều điện tử của chúng được kí hiệu là

2S+1

L (với S là số lượng tử spin

tổng cộng và L là số lượng tử quỹ đạo tổng cộng).
Sau đó, xét đến sự ảnh hưởng của trường tinh thể của mạng nền, lớp điện tử
phân lớp 4f (chưa điền đầy) của ion đất hiếm được bao bọc bởi 2 phân lớp lấp đầy
5s25p6. Do vậy, sự ảnh hưởng của trường tinh thể xung quanh lên các điện tử 4f là
yếu nên có thể xem trường tinh thể là một nhiễu loạn. Do đó, các đặc trưng vật lí
(quang học) của điện tử 4f ít phụ thuộc vào mạng nền của nguyên tố đất hiếm RE.


8
Bảng 1.1. Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45]

Số hiệu
nguyên tử

Ion

Nguyên

Điện

tố tƣơng

tử

ứng

4f

21

Sc3+

Ar

39

Y3+

Kr

57

La3+

58

Ce3+

59

S

L

J

Trạng

Bán kính

thái cơ

nguyên

bản

tử (Å)

0

0

0

1

1/2

3

5/2

2

F5/2

1,061

Pr3+

2

1

5

4

3

H4

1,034

60

Nd3+

3

3/2

6

9/2

4

I9/2

1,013

61

Pm3+

4

2

6

4

5

I4

0,995

62

Sm3+

5

5/2

5

5/2

H5/2

0,964

63

Eu3+

6

3

3

0

7

F0

0,950

64

Gd3+

7

7/2

0

7/2

F7/2

0,938

65

Tb3+

8

3

3

6

7

F6

0,923

66

Dy3+

9

5/2

5

15/2

H15/2

0,908

67

Ho3+

10

2

6

8

68

Er3+

11

3/2

6

15/2

69

Tm3+

12

1

5

6

70

Yb3+

13

1/2

3

7/2

71

Lu3+

14

0

0

0

Xe

6

8

6

5

I8

0,894

I15/2

0,881

3

H6

0,869

F7/2

0,858

1

0,848

4

2

S0

Ở những mạng nền có lực trường tinh thể khác nhau thì sự tách mức năng lượng
(suy biến năng lượng) của ion RE là khác nhau. Mức độ suy biến năng lượng phụ thuộc
vào đối xứng của trường tinh thể tại vị trí ion RE chiếm đóng [46]. Nhiễu loạn của
trường tinh thể đối với các điện tử 4f của ion đất hiếm hóa trị 3 RE3+ thể hiện thông qua
thế năng tương tác hiệu dụng. Hiện tượng này gây nên sự suy biến góc và tạo ra các
trạng thái năng lượng phụ thuộc vào L và S. Mô hình tách mức năng lượng của phân
lớp 4f trong trường tinh thể của mạng nền thể hiện trên Hình 1.1.


9

Hình 1.1. Mô hình tách mức năng lượng phân lớp 4f [46]

1.1.2.3. Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm
Vật liệu phát quang sau khi hấp thụ photon từ ánh sáng kích thích có năng
lượng phù hợp sẽ phát quang theo hai dạng: phát quang kiểu huỳnh quang
(fluorescence) với thời gian sống của bức xạ từ 10-9 ÷ 10-8 giây và phát quang kiểu
lân quang (phosphorescence) với thời gian sống của bức xạ trên 10-7 giây. Các phát
xạ kiểu huỳnh quang thường tuân theo cơ chế chuyển dời đơn mức (singlet) và phát
xạ kiểu lân quang tuân theo cơ chế chuyển dời bội ba (triplet) (Hình 1.2).

Hình 1.2. Các quá trình phát quang

Hầu hết các quá trình phát quang dựa trên cơ sở các hợp chất đất hiếm đều là
các phát xạ kiểu phosphorescence với thời gian sống từ vài trăm µs đến vài ms.