Tài liệu Nghiên cứu sự chuyển hóa một số thực phẩm từ nguồn động vật thành vật liệu phát quang

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ************** DƢƠNG THỊ TUYẾT MAI NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA MỘT SỐ THỰC PHẨM TỪ NGUỒN ĐỘNG VẬT THÀNH VẬT LIỆU PHÁT QUANG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô cơ HÀ NỘI, 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ************** DƢƠNG THỊ TUYẾT MAI NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN HÓA MỘT SỐ THỰC PHẨM TỪ NGUỒN ĐỘNG VẬT THÀNH VẬT LIỆU PHÁT QUANG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô cơ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. HOÀNG QUANG BẮC HÀ NỘI, 2018 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu nay đƣợc tài trợ từ nguồn kinh phí Khoa học công nghệ của Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 cho đề tài mã số: C.2017-18-05 do ThS. Hoàng Quang Bắc làm chủ nhiệm đề tài. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Hoàng Quang Bắc đã định hƣớng và hƣớng dẫn nghiên cứu đề tài hoàn thành đúng nhƣ mong đợi. Em trân trọng cảm ơn TS. Mai Xuân Dũng đã giúp đỡ trong quá trình em làm thực nghiệm và tiến hành một số phép đo cho các số liệu sử dụng trong đề tài. Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô trong khoa Hoá học, các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã truyền những kiến thức quý báu cho em trong quá trình học tập tại trƣờng. Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ Viện Khoa học Vật liệu và phòng hỗ trợ nghiên cứu khoa học trƣờng ĐHSPHN2 đã giúp đỡ trong các phép đo phổ hấp thụ UV-Vis. Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và là chỗ dựa tinh thần cho em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng 5 năm 2018 SINH VIÊN Dương Thị Tuyết Mai LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của ThS. Hoàng Quang Bắc. Các số liệu và kết quả trong khóa luận là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Đề tài không có sự sao chép tài liệu nào, công trình nghiên cứu nào của ngƣời khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc nhà trƣờng về sự cam đoan này. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 SINH VIÊN Dƣơng Thị Tuyết Mai DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT : Chấm lƣợng tử Carbon (carbon quantum dots) C-QDs C-CQDs : Chấm lƣợng tử Carbon tổng hợp từ cá mè T-CQDs : Chấm lƣợng tử Carbon tổng hợp từ thịt gà G-CQDs : Chấm lƣợng tử Carbon tổng hợp từ gan lợn Eg : Độ rộng vùng cấm FT-IR : Fourier transform - infrared spectroscopy HOMO : Highest Occupied Molecular Orbital LED : light-emitting diodes LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital nm : nano met PL : photoluminescence spectroscopy QDs : Chấm lƣợng tử (quantum dots) QY : hiệu suất lƣợng tử UV -vis : ultra violet - visible absorption spectroscopy Arg : Arginine Cys : Cysteine His : Histidine Met : Methionine Leu :Leucine Lys :Lysine Thr : Threonine Iso : Isoleucin Val : Valine Ile : Isoleucine Phe :Phenylalanine DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Mối liên hệ giữa kích thƣớc của QD với màu sắc của nó ................. 4 Hình 1.2. Hình ảnh phân giải nguyên tử của một hạt nano copper-indiumsulfur. (nguồn: internet) ................................................................................................................ 5 Hình 1.3. Sơ đồ minh họa về cảm biến tỷ lệ FRET của H2O2 ti thể trong tế bào sống bằng nanoprobe. ........................................................................................................... 7 Hình 1.4. Hình ảnh minh họa chuột đã đƣợc tiêm C-QDs dƣới đèn UV ..... 10 2.1. Tổng hợp chấm lƣợng tử cacbon ............................................................................ 13 Hình 2.1.Sơ đồ tổng hợp C-QDs từ nguồn thực phẩm (cá mè, thịt gà, gan lợn) bằng phƣơng pháp nhiệt vi sóng. ................................................................................ 13 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng, tính chất chấm lƣợng tử carbon ................................................................................................................................................. 15 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy đo phổ hồng ngoại. ....................... 16 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy đo UV-VIS. ...................................... 18 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ huỳnh quang ................................. 20 3.1. Sự hình thành chấm lƣợng tử carbon.................................................................... 21 Hình 3.1. Sơ đồ thể hiện sự hình thành C-QDs từ thiosalicylic acid và EDA tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt ............................................................................. 21 Hình 3.2. Dung dịch chấm lƣợng tử của cá mè, thịt gà, gan lợn ứng với .... 23 Hình 3.3. Sự phát quang dƣới tia UV của C-QDs tại thời gian phản ứng tối ƣu a) cá mè 7p b) thịt gà 4p c) gan lợn 4p ........................................................................ 23 3.2. Cấu trúc của chấm lƣợng tử cacbon ...................................................................... 24 Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của chấm lƣợng tử carbon tổng hợp từ các loại thực phẩm khác nhau tại thời gian phản ứng tối ƣu ..................................................... 24 3.3. Tính chất quang của chấm lƣợng tử carbon ...................................................... 25 Hình 3.5. Phổ hấp thụ UV-Vis của C-QDs thu đƣợc với thời gian phản ứng khác nhau (cùng nồng độ) a) C-CQDs b) T-CQDs c) G-CQDs ............................ 26 Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-Vis của C-CQDs thu đƣợc tại thời gian phản ứng ttối ƣu khảo sát với nồng độ khác nhau a) C-CQDs 7p b) T-CQDs 4p c) GCQDs 4p ............................................................................................................................................ 28 Hình 3.7. a) Phổ phát xạ Pl của C-CQDs 7p b) T-CQDs 4p c) G-CQDs 4p ................................................................................................................................................................ 29 Hình 3.8. Phổ phát xạ PL của C-CQDs tại bƣớc sóng 360nm a) C-CQDs b)T-CQDs c) G-CQDs................................................................................................................ 31 Hình 3.9. Biểu đồ phổ phát xạ các mẫu ttối ƣu tại bƣớc sóng 325nm .............. 33 Bảng 3.1. Hiệu suất phát xạ lƣợng tử của các dung dịch C-QDs..................... 33 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài .................................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2 5. Điểm mới của đề tài ............................................................................................................. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về chấm lƣợng tử ........................................................................................ 3 1.2. Chấm lƣợng tử carbon .................................................................................................... 5 1.2.1. Cấu trúc chấm lƣợng tử carbon ..................................................... 5 1.2.2. Ƣu điểm của C-QDs ..................................................................... 5 1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của C-QDs................................................... 6 1.2.4. Phƣơng pháp tổng hợp C-QDs .................................................... 10 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................... 13 2.1. Tổng hợp chấm lƣợng tử cacbon ............................................................................ 13 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ ................................................................... 13 2.1.2.Tổng hợp C-CQDs ....................................................................... 13 2.1.3. Tổng hợp T-CQDs ...................................................................... 14 2.1.4. Tổng hợp G-CQDs ..................................................................... 14 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng, tính chất chấm lƣợng tử carbon ................................................................................................................................................. 15 2.2.1. Phổ hồng ngoại IR ...................................................................... 15 2.2.2. Phổ hấp thụ UV-VIS ................................................................... 17 2.2.3. Phổ phát xạ huỳnh quang(PL) ..................................................... 19 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 21 3.1. Sự hình thành chấm lƣợng tử carbon.................................................................... 21 3.2. Cấu trúc của chấm lƣợng tử cacbon ...................................................................... 24 3.3. Tính chất quang của chấm lƣợng tử carbon ...................................................... 25 3.3.1. Tính chất hấp thụ ánh sáng ......................................................... 25 3.2.2. Tính chất phát xạ huỳnh quang ................................................... 29 3.3.3. Cơ chế phát xạ huỳnh quang ....................................................... 32 3.3.4. Hiệu suất phát xạ lƣợng .............................................................. 32 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................ 35 PHẦN 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 36 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong xu thế phát triển về công nghệ, khoa học và kĩ thuật hiện nay con ngƣời luôn hƣớng hƣớng tới các vật liệu có kích thƣớc nhỏ bé nhằm tối ƣu hóa đƣợc kích thƣớc mà vẫn giữ đƣợc chức năng, thuộc tính của sản phầm. Chấm lƣợng tử là một lĩnh vực về vật liệu đang rất đƣợc quan tâm nó cho phép đáp ứng đƣợc cho nhu cầu trên. Chấm lƣợng tử có thể đƣợc tạo ra từ các nguồn nhƣ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer. Với những đặc tính riêng chấm lƣợng tử có khá nhiều tiềm năng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực: pin mặt trời, đèn LED, tế bào quang điện, y sinh học,... [1,2,3] Carbon đƣợc biết đến là một vật liệu phổ biến. Đặc biệt hơn khi cấu trúc của carbon đạt kích thƣớc cỡ nano thì tính chất trở nên khác biệt rõ ràng so với carbon ở trạng thái tinh thể thông thƣờng. Vật liệu nano carbon nhƣ fullerences, carbon nanotube, graphene và chấm lƣợng tử carbon (C-QDs) đã thu hút đƣợc sự chú ý đáng kể do tính chất độc đáo mang tính ứng dụng cao. Trong số các vật liệu dựa trên cacbon kể trên, chấm lƣợng tử carbon (C-QDs) là một trong những loại vật liệu nano huỳnh quang tốt nhất do độ hòa tan cao trong nƣớc, khả năng tƣơng thích sinh học, tính chất quang học tuyệt vời, độ trơ hóa học, độc tính thấp. Do đó, C-QDs đã trở thành một trong những đề tài nghiên cứu tiềm năng ngày càng tăng trong vài năm qua [1,2,3]. Bằng nghiên cứu cho thấy C-QDs có thể đƣợc tổng hợp tƣơng đối dễ dàng từ nhiều nguồn cung cấp carbon đa dạng khác nhau nhƣ: đƣờng, nƣớc ngọt, thực phẩm thừa hay sử dụng hóa chất tinh khiết. Với cùng chung một mục đích chế tạo và sử dụng đƣợc hết tính ƣu việt của C-QDs áp dụng trong các lĩnh vực điện tử, cảm biến, quang – điện tử (LEDs, cảm biến huỳnh quang,...) hay mới đây là lĩnh vực y-sinh và dƣợc học thì việc tổng hợp CQDs từ sự chuyển hóa từ các phế phẩm sinh học (biomass) đang thu hút đƣợc 1 quan tâm của nhiều nhà khoa học vì ngoài việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng còn tạo ra các sản phẩm “xanh” hơn. Từ những phân tích trên đây, trong đề tài này tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sự chuyển hóa một số thực phẩm từ nguồn động vật thành vật liệu phát quang” cụ thể là tổng hợp chấm lƣợng tử carbon (CQDs) từ nguồn soup: cá mè, thịt gà và gan lợn. 2. Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp chấm lƣợng tử Carbon (C-QDs) bằng phƣơng pháp nhiệt vi sóng. - Nghiên cứu tính chất quang của C-QDs bằng phổ hấp thụ UV-VIS và phổ phát xạ huỳnh quang PL. - Nghiên cứu cấu trúc của C-QDs bằng phổ hồng ngoại IR. 3. Nội dung nghiên cứu - Sử dụng phƣơng pháp nhiệt vi sóng để tổng hợp C-QDs. - Sử dụng phƣơng pháp phổ hồng ngoại IR để nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc của chấm lƣợng tử tổng hợp đƣợc. - Sử dụng phổ hấp thụ UV-VIS và quang phổ phát xạ PL để nghiên cứu tính chất quang của chấm lƣợng tử tổng hợp đƣợc. 4. Phương pháp nghiên cứu - Thực nghiệm kết hợp với lý thuyết mô phỏng. - Trƣớc tiên tổng hợp C-QDs, sau đó đo và khảo sát tính chất quang và đƣa ra mô hình lý thuyết giải thích tính chất quang của chấm lƣợng tử thu đƣợc. 5. Điểm mới của đề tài - Tổng hợp C-QDs từ thực phẩm (nguồn gốc động vật: cá mè, thịt gà, gan lợn) không độc hại. Khảo sát tính quang của C-QDs tổng hợp đƣợc. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về chấm lƣợng tử Chấm lƣợng tử (QDs: Quantum dots) là một vât liệu bán dẫn, rất nhỏ chính bởi kích thƣớc nhỏ nhƣ vậy đã kiến các QDs có tính chất quang học và điện tử đặc biệt khác xa so với các hạt có kích thƣớc lớn. Các tính chất quang điện của chúng thay đổi theo kích thƣớc và hình dạng. Chấm lƣợng tử đã trở thành trung tâm nghiên cứu của ngành công nghệ nano nhờ khả năng phát xạ huỳnh quang mạnh và có thể điều chỉnh đƣợc. QDs có thể đƣợc tạo ra từ các nguồn nhƣ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer. [4,5] Năng lƣợng vùng cấm của QDs sẽ quyết định năng lƣợng của phổ huỳnh quang, nó biểu thị ở dạng không liên tục và bị lƣợng tử hóa do hiện tƣợng giam hãm lƣợng tử (quantum confinement) [6]. Tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn phụ thuộc vào kích thƣớc đã đƣợc phát hiện và chứng minh bằng 2 nghiên cứu hoàn toàn độc lập cách đây 30 năm trong hai loại vật liệu khác nhau: thủy tinh pha của chấm lƣợng tử bán dẫn và trong dung dịch huyền phù chứa các chấm lƣợng tử. Cả hai nghiên cứu trên đều cho thấy rằng màu sắc của các chấm lƣợng tử phụ thuộc mạnh vào kích thƣớc của chúng [6]. Các QDs kích cỡ lớn sẽ phát ra ánh sáng màu đỏ ( tức có năng lƣợng thấp) còn QDs nhỏ phát ra ánh sáng xanh (có năng lƣợng cao hơn) do bƣớc sóng phụ thuộc vào năng lƣợng theo phƣơng trình: 3 Hình 1.1. Mối liên hệ giữa kích thƣớc của QD với màu sắc của nó Với những khả năng độc đáo và tính chất quang học vƣợt trội QDs đƣợc nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học: kiểm tra DNA, chụp hình 3D trong các sinh vật; trong lĩnh vực hóa học; trong điện tử: các linh kiện quang, quang điện tử,.... Và là đề tài tiềm năng trong nhiều nghiên cứu trong và ngoài nƣớc nhƣ: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu nano ZnSe1-xS (hoặc Cd1-xZnxS) pha tạp Mn và Cu cho các ứng dụng sinh học”, TS. Vũ Thị Hồng Hạnh (Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp đại học - 2017), Đại học Sƣ phạm Thái Nguyên; “Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nano phát quang và vật liệu quang điện polymer dẫn lai hạt kim loại nano”, PGS.TS. Trần Kim Anh (2007 – 2008)Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; "Applications of Quantum Dots in Food Science and Biology", (Article in Trends in Food Science & Technology 53 · April 2016), Jose Bonilla (at Purdue University), Fatih Bozkurt, Shadi Ansari and Jozef L Kokini (at Purdue University),... 4 1.2. Chấm lƣợng tử carbon 1.2.1. Cấu trúc chấm lƣợng tử carbon Chấm lƣợng tử carbon là một loại vật liệu mới, có kích thƣớc nhỏ dƣới 10nm ở cả 3 chiều, lần đầu đƣợc tổng hợp vào năm 2004. Ngay sau đó, CQDs đã dàn trở thành một ngành vật liệu điển hình trong ngành vật liệu nano và hơn hết nguồn nguyên liệu carbon này lại rất phổ biến, giàu có và dồi dào trong tự nhiên cho phép sự nghiên cứu phát triển lâu dài trong hiện hại và tƣơng lai.[7] Hình 1.2. Hình ảnh phân giải nguyên tử của một hạt nano copperindium-sulfur. (nguồn: internet) Tính tới nay, thực nghiệm và lý thuyết mô tả cấu trúc hóa học, cấu trúc điện tử, và cơ chế các quá trình quang-điện tử trong C-QDs vẫn còn chƣa thực sự đầy đủ so với các hệ lƣợng tử khác. Cấu trúc đƣợc chấp nhận rộng rãi của CQDs là hệ gồm nhiều hệ đa vòng thơm liên hợp - nối với nhau bởi các mạch hydrocarbon no [6]. 1.2.2. Ƣu điểm của C-QDs So sánh với chất bán dẫn truyền thống các chấm lƣợng tử và các chất nhuộm hữu cơ, các chấm lƣợng tử dựa trên carbon có khả năng phát quang cao hơn và có độ hòa tan cao trong nƣớc, độ trơ hóa học mạnh mẽ, khả năng chống thấm quang cao, độc tính thấp và khả năng tƣơng thích sinh học tốt 5 đem lại các ứng dụng tiềm năng trong sinh hóa học, sinh học và y dƣợc. Các tính chất điện tử nổi bật của các chấm lƣợng tử carbon nhƣ khả năng phát quang đáng kinh ngạc cho phép chúng ứng dụng với các tiềm năng rộng trong xúc tác và cảm biến. Tổng quan chúng ta sẽ xem xét đánh giá chấm lƣợng tử carbon với 2 tính chất độc đáo đáng chú ý là tính tan và tính chất quang học. Tính tan trong nƣớc của C-QDs đƣợc quyết định bởi các nhóm phân cực có trên bề mặt nhƣ NH2, COOH, OH,... Tính chất quang học của C-QDs phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản nhƣ kích thƣớc và cấu trúc. Tính chất quang của C-QDs thể hiện ở khả năng hấp thụ (nghiên cứu bằng phổ hấp thụ UV-vis) và khả năng phát xạ huỳnh quang (nghiên cứu bằng phổ phát xạ PL) nhƣ sau: - Khả năng hấp thụ: Các C-QDs thƣờng cho thấy sự hấp thụ quang học trong vùng UV ở vùng khả kiến (400 nm-800 nm), do trạng thái chuyển tiếp p-p* của các liên kết C = C, trạng thái chuyển tiếp n-p* của các liên kết C = O và các liên kết khác [6]. - Khả năng phát xạ huỳnh quang: là một trong những tính năng hấp dẫn nhất của C-QDs. Khả năng phát xạ huỳnh quang của C-QDs là sự phụ thuộc rõ ràng vào bƣớc sóng và cƣờng độ phát xạ. Điều này xảy ra do lựa chọn quang học của các hạt nano có kích thƣớc khác nhau (hiệu ứng lƣợng tử) và các phối tử khác nhau trên bề mặt C-QDs.[6] 1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của C-QDs Với những đặc tính siêu việt, kích cỡ nano siêu nhỏ và tính chất quang học tuyệt vời C-QDs đã mang đến sự phát triển công nghệ dột phá với hàng loạt các ứng dụng thay thế các vật liệu khác làm chúng trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm và hiệu quả hơn rất nhiều lần. Trong đó nổi bật nhất là các ứng dụng quang - điện và y-sinh học. Dƣới đây là một số ứng dụng của chấm lƣợng tử carbon: 6 Cảm biến sinh học (biosensors) C-QDs đã đƣợc ứng dụng làm cảm biến sinh học do khả năng hòa tan cao trong nƣớc, tính linh hoạt trong sự thay đổi bề mặt, không độc, phát xạ nhiều màu sắc, khả năng tƣơng thích sinh học tuyệt vời, tính thấm tế bào tốt và độ phát quang cao. Các cảm biến sinh học của C-QDs có thể đƣợc sử dụng để phát hiện nồng độ các chất nhƣ glucose, phosphate, cellular copper, iron, potassium và nucleic acid. Hình 1.3. Sơ đồ minh họa về cảm biến tỷ lệ FRET của H2O2 ti thể trong tế bào sống bằng nanoprobe. Ví dụ đầu dò chuyển giao năng lƣợng cộng hƣởng huỳnh quang (fluorescence resonance energy transfer - FRET) của C-QDs cho phép phát hiện và chụp ảnh ty thể H2O2. Các C-QDs thực hiện chức năng cung cấp năng lƣợng và chất mang cho hệ thống cảm biến. Cơ chế đƣợc mih họa qua hình 1.4. Đầu tiên ngƣời ta đƣa dò bằng nanoprobe vào trong nội bào của một tế bào sống. Trong trƣờng hợp trong tế bào có sự tồn tại của ty thể H2O2 thì do 7 có sự chuyển giao năng lƣợng cộng hƣởng huỳnh quang sẽ thu đƣợc bƣớc sóng phát xạ tại 457nm. Ngƣợc lại trong trƣờng hợp không có mặt ty thể H2O2 tƣơng ứng sẽ không có sự chuyển giao năng lƣợng cộng hƣởng huỳnh quang bởi vậy sẽ thu đƣợc bƣớc sóng phát xạ tại 525nm. Ứng dụng quá trình trên ngƣời ta có thể sử dụng để theo dõi nồng độ H2O2 ngoại sinh trong tế bào L929 và cũng có thể đƣợc sử dụng để hình dung ra sản phẩm nội sinh H2O2 trong RAW 264.7 tế bào macrophage [8]. Ứng dụng trong y học Bằng việc sử dụng các vật liệu, thiết bị, dụng cụ…kích cỡ nanomet nhƣ hạt nano hóa học, nano sinh học, các nano robots…ngành y đã đƣợc “nối dài tay” hơn Giúp chẩn đoán nhanh chính xác Viện Đa công nghệ Worcester sử dụng kháng thể gắn trên chip ống nano carbon để phát hiện tế bào ung thƣ trong dòng máu. Hay Viện MIT phát triển đầu dò ống nano carbon nhúng trong gel chích dƣới da để theo dõi lƣợng nitric oxide trong máu. Nồng độ nitric oxide này là chỉ điểm đánh giá tình trạng nhiễm trùng. Xác định vị trí khối u Phát hiện, định vị và mô tả sớm các ổ di căn là một thách thức lớn trong chẩn đoán và điều trị ung thƣ. Hầu hết các phƣơng pháp chụp ảnh hiện nay không phát hiện đƣợc các thƣơng tổn ung thƣ nhỏ, do rào cản giải phẩu và sinh học. So sánh với các phƣơng thức hiện ảnh truyền thống nhƣ chụp cộng hƣởng từ (MRI), chụp positron cắt lớp (PET) thì phƣơng pháp dùng C-QDs cho hình ảnh quang học với độ nhạy cao. Chích tĩnh mạch các albumin có bọc các phân tử nano đất hiếm (rare-earth-doped albumin-encapsulated nanoparticles) có khả năng phát ra tia hồng ngoại sóng ngắn SWIR giúp phát hiện các ổ ung thƣ di căn. 8 Với mô hình ung thƣ vú của ngƣời trên chuột, SWIR toàn thân cho phép phát hiện những tổn thƣơng rất nhỏ ở tuyến thƣợng thận và xƣơng, vốn không thể phát hiện đƣợc bằng hình ảnh cộng hƣởng từ MRI. Tạo các kỹ thuật điều trị mới Cụ thể nhƣ : dùng các tampon nano (nanosponges) có khả năng hấp thu và loại bỏ các độc tố trong dòng máu. Các nanosponges này là các hạt nano polyme đƣợc phủ lớp màng hồng cầu chung quanh, nhờ đó chúng di chuyển tự do trong máu và thu hút các độc tố; dùng hạt nano polyethylene glycolhydrophilic carbon (PEG-HCC) để hấp thu các gốc tự do để giảm tổn thƣơng não sau chấn thƣơng, đột quỵ; dùng lăng kính phủ các ống carbon nano (lens coated with carbon nanotubes) biến tia laser thành sóng âm hội tụ để phá hủy khối u hoặc các mô bị bệnh mà không làm hỏng các mô khỏe mạnh kề bên hay đang nghiên cứu dùng hạt bismuth nano để tăng tập trung phóng xạ vào khối u trong xạ trị,...[9]. Đánh dấu sinh học Là vật liệu nano huỳnh quang với khả năng tƣơng thích sinh học và độc tính sinh học thấp, C-QDs cho thấy khả năng sinh học huỳnh quang lớn và đa hình sinh học của tế bào và mô. Công trình tiên phong về C-QDs cho sinh sản “thí nghiệm trong thí nghiệm” (phƣơng pháp nghiên cứu đối với các vi sinh vật, tế bào, hoặc các phân tử sinh học trong điều kiện trái ngƣợc với bối cảnh sinh học bình thƣờng của chúng) đƣợc nghiên cứu, báo cáo bởi nhóm Sun. Các hình ảnh hiển vi tiêu điểm của vi khuẩn E. Coli ATCC 25922 đƣợc đánh dấu với các C-QDs đƣợc PEGyl hóa thu đƣợc ở các bƣớc sóng kích thích khác nhau. Yang et al. là những ngƣời đầu tiên khám phá tính khả thi của C-QDs nhƣ một chất tƣơng phản huỳnh quang ở chuột. Trong các thí nghiệm, PEGylated C-QDs trong dung dịch nƣớc đƣợc tiêm dƣới da vào chuột, và hình ảnh huỳnh quang ở các 9 bƣớc sóng kích thích khác nhau đƣợc thu thập. Có đủ độ tƣơng phản cho hình ảnh trong cả hai phát thải xanh và đỏ. Cụ thể hơn, dung dịch nƣớc C-QDs đƣợc tiêm dƣới da vào chuột, sau đó là chụp ảnh huỳnh quang với kích thích ở 7 bƣớc sóng khác nhau từ 455 nm đến 704 nm. Độ tƣơng phản huỳnh quang tốt nhất thu đƣợc ở kích thích 595 nm (Hình 1.4) [8]. Từ đó, có thể ứng dụng C-QDs để đánh dấu đối tƣợng nghiên cứu phục vụ cho từng mục đích nghiên cứu [10]. Hình 1.4. Hình ảnh minh họa chuột đã đƣợc tiêm C-QDs dƣới đèn UV 1.2.4. Phƣơng pháp tổng hợp C-QDs Trong thập kỷ qua, nhiều phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất để tổng hợp CQDs tuy nhiên có thể đƣợc phân thành hai phƣơng pháp chủ yếu là từ dƣới lên “bottom – up” và từ trên xuống “top – down” . Trong phƣơng pháp từ trên xuống, nguyên liệu là carbon graphite đƣợc xử lý điện hóa hoặc oxi – hóa để tạo thành các phân mảnh chứa đa vòng thơm liên hợp PAH. Trong phƣơng pháp từ dƣới lên, nguyên liệu là các phân tử hữu cơ chứa các nhóm chức dễ ngƣng tụ nhƣ –COOH, –NH2, –CONH– đƣợc thủy nhiện ở nhiệt độ từ 160 đến 280 oC trong vài giờ. Chúng tôi sẽ thảo luận về các phƣơng pháp chính để 10 tổng hợp C-QDs bao gồm: phƣơng pháp hoá học, phƣơng pháp laser, phƣơng pháp sử dụng lò vi sóng, phƣơng pháp thuỷ nhiệt[8,11]. Phương pháp hoá học: Acid oxy hóa mạnh cacbon hóa các phân tử hữu cơ nhỏ thành vật liệu carbon, có thể đƣợc cắt thành các tấm nhỏ bằng quá trình oxy hóa có kiểm soát. Phƣơng pháp này có thể sẽ gặp phải các điều kiện khắc nghiệt và các quá trình quyết liệt gây cản trở quá trình.[8] Phương pháp laser: các C-QDs đƣợc tổng hợp bằng cách chiếu tia laze vào các vật liệu cacbon trong một dung môi hữu cơ. Bằng cách chọn dung môi hữu cơ, trạng thái bề mặt của C-QDs có thể đƣợc sửa đổi để đạt đƣợc phát xạ ánh sáng mong muốn. Dựa trên các thí nghiệm kiểm soát, nguồn gốc của phát quang đƣợc quy cho các trạng thái bề mặt liên quan đến các phối tử trên bề mặt của các C-QDs. Phƣơng pháp cắt bỏ laser đơn giản dùng để chuẩn bị C-QDs bằng cách sử dụng vật liệu nano cacbon làm vật liệu khởi đầu và dung môi đơn giản nhƣ môi trƣờng lỏng [8]. Phương pháp thủy nhiệt: Carbon hóa thủy nhiệt (HTC) là một phƣơng pháp có ƣu điểm là chi phí thấp, thân thiện với môi trƣờng, có thể đƣợc sử dụng để sản xuất vật liệu carbon mới từ các tiền chất khác nhau mà không độc hại. C-QDs đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp HTC có thể đi từ nhiều nguồn tiền chất nhƣ glucose, citric acid, chitosan, nƣớc ép chuối và protein. Sau đó chiết xuất bằng dung môi hữu cơ là phƣơng pháp phổ biến để chuẩn bị CQDs. Thông thƣờng, các hợp chất có năng suất carbon đƣợc xử lý nhiệt ở các dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao, tiếp theo là chiết và cô đặc [8]. Phương pháp nhiệt vi sóng: Dùng lò vi sóng để chiếu xạ vi sóng các hợp chất chứa carbon (thƣờng là hợp chất hữu cơ) trong dung môi thích hợp trong khoảng thời gian vừa đủ để thu đƣợc dung dịch C-QDs. Đây là một phƣơng pháp nhanh chóng và chi phí thấp để tổng hợp C-QDs [8]. 11