Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp các chấm lượng tử bằng phương pháp keo ướt

. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ----------------- HOÀNG THÚY BÌNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO ƯỚT LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ----------------- HOÀNG THÚY BÌNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO ƯỚT Chuyên ngành: Công nghệ Dược phẩm và Bào chế thuốc Mã số: 8720202 LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN LÊ TUYẾT CHÂU Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2020 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Hoàng Thúy Bình Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . ii Luận văn Thạc sĩ – Khóa: 2018 – 2020 Chuyên ngành: Công Nghệ Dược Phẩm và Bào Chế Thuốc Mã số: 8720202 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO ƯỚT Hoàng Thúy Bình Người hướng dẫn: TS. Trần Lê Tuyết Châu Đặt vấn đề Chấm lượng tử (Quantum dots - QDs) là các tiểu phân nano bán dẫn được giới hạn trong không gian ba chiều, thường có đường kính từ 2–10 nm [7] và kích thước vật lý nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton [15]. QDs có đặc tính điện tử và quang học độc đáo chẳng hạn như hấp thu trong vùng bước sóng rộng, phát xạ quang mạnh và phụ thuộc vào kích thước, hiệu suất lượng tử (Quantum yield-QY) cao với độ ổn định quang học cao. Ngoài ra, QDs còn có tính chất bề mặt phong phú, có khả năng được chuyên biệt hóa với các phối tử chức năng hướng mục tiêu. Chính vì vậy, QDs luôn thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực y sinh. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ được tổng hợp bằng phương pháp keo ướt. Khảo sát các yếu tố công thức gồm pH môi trường phản ứng, tỉ lệ mol MSA/Cd2+ và tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ sau đó tối ưu hóa công thức tổng hợp lõi QDsCdSe bằng thực nghiệm với sự hỗ trợ của phần mềm Design-Expert phiên bản 12.0. Tiếp tục tổng hợp QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ, giai đoạn này khảo sát tỉ lệ mol Zn2+/Cd2+ và tỉ lệ mol S2-/Zn2+. Đánh giá một số tính chất hóa lý và quang học của lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS đã tổng hợp. Thử độc tính tế bào của QDs cấu trúc lõi và lõi-vỏ. Kết quả nghiên cứu Quy trình tổng hợp lõi QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt đã được xây dựng trong điều kiện nhiệt độ 30 ± 1 oC và không sử dụng khí trơ. Các yếu tố công thức đã được khảo sát và thu được công thức tối ưu gồm: pH môi trường phản ứng = 10,44; tỉ lệ Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . iii mol MSA/Cd2+ = 1,22 tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ = 0,44. Lõi QDs-CdSe phát huỳnh quang tại bước sóng 505,4 ± 0,46 nm và QY đạt 62,86 ± 0,94%. QDs-CdSe/ZnS được tổng hợp có cấu trúc lõi-vỏ với các điều kiện được xác định là tỉ lệ mol Zn2+/Cd2+ = 0,20 và tỉ lệ mol S2-/Zn2+ = 0,25. QDs-CdSe/ZnS phát huỳnh quang ở bước sóng 512,3 ± 0,83 nm và QY đạt 62,81 ± 1,23%. Độc tính trên tế bào do sự rò rỉ ion Cd2 của chấm lượng tử cấu trúc lõi-vỏ (QDsCdSe/ZnS) giảm đáng kể so với cấu trúc lõi đơn thuần. Ở nồng độ dưới 50 µg/ml, QDs-CdSe/ZnS không thể hiện độc tính cấp trên tế bào. Kết luận Đề tài đã tối ưu hóa phần lõi QDs-CdSe và tổng hợp được QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ bằng phương pháp keo ướt. QDs tạo thành có bề mặt thân nước, QY cao (khoảng 62%) và có tiềm năng tiếp tục phát triển cho các ứng dụng y sinh. Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . iv Master’s thesis – Academic course: 2018 – 2020 Speciality: Pharmaceutical technology and Pharmaceutics Speciality code: 8720202 PREPARATION OF QUANTUM DOTS BY AQUEOUS COLLOIDAL SYNTHESIS METHOD Thuy Binh Hoang Supervisor: Le Tuyet Chau Tran, Ph.D Introduction Quantum dots (QDs) are semiconductor nanoparticles that are restricted in threedimensional space, typically with a diameter of 2–10 nm [7]. They are defined as particles with physical dimensions smaller than the exciton Bohr radius [15]. QDs have unique electronic and optical properties such as broad absorption spectra, sizetunable emission, high quantum yield (QY) and high photostability. In addition, QDs, which contains diverse surface properties can be functionalized by connecting with targeting biomolecules. Therefore, QDs have attracted great interest of biomedical researchers in the recent years. Materials and method QDs-CdSe (core) and QDs-CdSe/ZnS (core-shell) were synthesized by aqueous colloidal systhesis method. Factors including environmental pH, molar ratio of MSA/Cd2+ and molar ratio of SeSO32-/Cd2+ were investigated and then were optimized using Design–Expert software version 12.0. Next, CdSe/ZnS core-shell QDs were synthesized. The molar ratio of Zn2+/Cd2+ and the molar ratio of S2-/Zn2+ were investigated in this stage. Then, some physical and optical properties of QDsCdSe and QDs-CdSe/ZnS were characterized. Finally, the cytotoxicity of coretype QDs and core-shell-type QDs were tested. Results The synthesis process of QDs-CdSe by aqueous colloidal systhesis method was established at 30 ± 1 oC and in ambient air. Factors including environmental pH, molar ratio of MSA/Cd2+ and SeSO32-/Cd2+ were optimized using Design–Expert software. Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . v QDs-CdSe, which were synthesized with optimal conditions (pH = 10.44; MSA/Cd2+ molar ratio = 1.22 and SeSO32-/Cd2+ molar ratio = 0.44), exhibit a photoluminescence emission peak at 505.4 ± 0.46 nm and QY up to 62.86 ± 0.94%. QDs-CdSe/ZnS synthesized with the conditions determined (molar ratio of Zn2+/Cd2+ = 0.20; molar ratio of S2-/Zn2+ = 0.25) exhibit a photoluminescence emission peak at 512.3 ± 0.83 nm and QY about 62.81 ± 1.23%. The result of cytotoxic test shows that, core-shell-type QDs (CdSe/ZnS) has significantly reduced cytotoxicity due to the leakage of ion Cd2+ compared to coretype QDs. Conclusion The synthesis process of QDs-CdSe (core-type) using aqueous colloidal method were optimized. QDs-CdSe/ZnS (core-shell-type) were successfully synthesized by the same method. QDs are readily dispersed in water with high QY (up to 62%). These particles have the potential for further investigation in biomedical applications. Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. xi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 3 1.1. CHẤM LƯỢNG TỬ (QUANTUM DOTS, QDs) ......................................... 3 1.1.1. Lịch sử khám phá và khái niệm về QDs........................................................ 3 1.1.2. Đặc điểm của QDs........................................................................................ 3 1.1.2.1. Đặc điểm về cấu trúc ...................................................................................... 3 1.1.2.2. Đặc điểm quang học của QDs ........................................................................ 4 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP QDs .............................................. 7 1.2.1. Phương pháp Organometallic Colloidal Synthesis (OCS) ............................. 7 1.2.2. Phương pháp keo ướt (Aqueous Colloidal Synthesis, ACS) .......................... 8 1.3. ỨNG DỤNG CỦA QDs TRONG LĨNH VỰC Y – SINH ........................... 11 1.3.1. Ứng dụng của QDs trong đánh dấu sinh học, hình ảnh quang học .............. 11 1.3.2. Ứng dụng trong cảm biến phát hiện các phân tử sinh học liên quan đến một số bệnh lý ................................................................................................................. 13 1.3.3. Ứng dụng của QDs trong theo dõi hệ thống phân phối thuốc hướng mục tiêu . 14 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ QDs TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .......... 17 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................. 17 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................ 18 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 21 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . vii 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 21 2.1.1. Hóa chất ..................................................................................................... 21 2.1.2. Máy móc – trang thiết bị............................................................................. 22 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................... 23 2.2.1. Tổng hợp phần lõi (core) của QDs-CdSe .................................................... 23 2.2.1.1. Khảo sát quy trình tổng hợp phần lõi của QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt (Aqueous Colloidal Synthesis) ............................................................................ 23 2.2.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công thức đến QY của lõi QDs-CdSe .... 25 2.2.1.3. Tối ưu hóa các yếu tố công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe ............................ 26 2.2.2. Tổng hợp QDs-CdSe/ZnS có cấu trúc lõi-vỏ (core-shell) ............................ 27 2.2.2.1. Khảo sát tỉ lệ mol Zn2+/Cd2+ trong công thức tổng hợp QDs-CdSe/ZnS ..... 28 2.2.2.2. Khảo sát tỉ lệ mol S2-/Zn2+ trong công thức tổng hợp QDs-CdSe/ZnS ........ 29 2.2.3. Phân tích một số tính chất của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ..................... 29 2.2.3.1. Phân tích hình thái và kích thước của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ......... 29 2.2.3.2. Phân tích tính chất quang học QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ..................... 30 2.2.3.3. Phương pháp xác định cấu trúc tinh thể của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS.. 32 2.2.3.4. Xác định nhóm chức bề mặt của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ................. 32 2.2.4. Thử độc tính tế bào của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ............................... 33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. 35 3.1. KẾT QUẢ TỔNG HỢP PHẦN LÕI QDs-CdSe ......................................... 35 3.1.1. Kết quả khảo sát quy trình tổng hợp phần lõi QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt ................................................................................................................. 35 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công thức đến QY của lõi QDs-CdSe 37 3.1.2.1. Sự ảnh hưởng của pH môi trường phản ứng đến QY của lõi QDs-CdSe .... 38 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . viii 3.1.2.2. Sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol MSA/Cd2+ đến QY của lõi QDs-CdSe ............... 41 3.1.2.3. Sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ đến QY của lõi QDs-CdSe ........... 44 3.1.3. Kết quả tối ưu hóa các yếu tố công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe ................ 47 3.2. KẾT QUẢ TỔNG HỢP QDs-CdSe/ZnS CÓ CẤU TRÚC LÕI-VỎ ............ 51 3.2.1. Kết quả khảo sát tỉ lệ mol Zn2+/Cd2+ trong công thức tổng hợp QDs-CdSe/ZnS . 52 3.2.2. Kết quả khảo sát tỉ lệ mol S2-/Zn2+ trong công thức tổng hợp QDs-CdSe/ZnS.... 52 3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA QDs-CdSe VÀ QDsCdSe/ZnS .......................................................................................................... 54 3.3.1. Cảm quan và hình thái học của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ................... 54 3.3.2. Kích thước của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ............................................ 57 3.3.3. Phổ quang học của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ...................................... 57 3.3.4. Phổ XRD của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS .............................................. 58 3.3.5. Phổ IR của của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ............................................ 59 3.4. KẾT QUẢ THỬ ĐỘC TÍNH TẾ BÀO CỦA LÕI QDs-CdSe và QDsCdSe/ZnS .......................................................................................................... 61 CHƯƠNG 4. BÀN LUẬN ........................................................................................... 65 4.1. Về quy trình tổng hợp QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt ..................... 65 4.2. Về cơ chế hình thành QDs và ảnh hưởng của các yếu tố công thức tổng hợp QDs 66 4.3. Về độc tính của QDs-CdSe (lõi) và QDs-CdSe/ZnS (lõi-vỏ) ....................... 68 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ......................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ACS Aqueous Colloidal Synthesis Keo ướt Cd Cadmium Cadimi dd Dung dịch DLS Dynamic Light Scattering DOX Doxorubicin FCS Tán xạ ánh sáng động Huyết thanh bào thai dê FL Flourescence Huỳnh quang FTIR Fourier-transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến spectroscopy đổi Fourier FWHM Full width at half maximum Độ bán rộng phổ h Hour Giờ MAA Mercaptoacetic acid MPA Mercaptopropionic acid MSA Mercaptosuccinic acid MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5diphenyl tetrazolium bromid) NIR Near-infrared OCS Organometallic Colloidal Synthesis PEG Polyethylene glycol PTX Paclitaxel QDs Quantum Dots Chấm lượng tử QDs-CdSe CdSe Quantum Dots Chấm lượng tử lõi CdSe QDs-CdSe/ZnS CdSe/ZnS Quantum Dots Chấm lượng tử CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ QY Quantum Yield Hiệu suất lượng tử rpm Revolutions per minute Số vòng quay trong một phút Se Selenium Selen Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. Hồng ngoại gần . x TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua TGA Thioglycolic Acid TOP Trioctylphosphine TOPO Tri-n-octylphosphine oxid UV - vis Ultraviolet - Visible Tử ngoại – khả kiến XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X Zn Zinc Kẽm Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . xi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Mô hình cấu trúc cơ bản của QDs............................................................ 4 Hình 1.2. Mối liên quan giữa kích thước QDs và độ rộng năng lượng vùng cấm ..... 5 Hình 1.3. Mô hình thể hiện sự thay đổi màu sắc huỳnh quang theo kích thước QDs .... 6 Hình 1.4. Hình ảnh thực tế của các QDs có kích thước tăng dần ............................. 6 Hình 1.5. Quy trình tổng hợp QDs bằng phương pháp OCS (a) và ACS (b) ............ 9 Hình 1.6. Hệ tiểu phân nano kết hợp QDs HA-ZnO PEG nhạy cảm pH với DOX trong điều trị ung thư phổi [20] .............................................................................. 16 Hình 2.7. Quy trình tổng hợp lõi QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt và các yếu tố cần khảo sát ....................................................................................................... 24 Hình 2.8. Quy trình tổng hợp QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ và các yếu tố khảo sát . 28 Hình 3.9. Quy trình tổng hợp lõi QDs-CdSe trong giai đoạn khảo sát yếu tố T ..... 35 Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của lõi QDs-CdSe tương ứng với thời gian tổng hợp36 Hình 3.11. Phổ hấp thu UV-vis của lõi QDs-CdSe tổng hợp trong các môi trường pH . 39 Hình 3.12. Phổ huỳnh quang của lõi QDs-CdSe tổng hợp trong các môi trường pH khác nhau .............................................................................................................. 40 Hình 3.13. Sự ảnh hưởng của pH môi trường phản ứng đến QY của lõi QDs-CdSe... 40 Hình 3.14. Phổ hấp thu UV-vis của lõi QDs-CdSe với các tỉ lệ mol MSA/Cd2+..... 42 Hình 3.15. Phổ huỳnh quang của lõi QDs-CdSe với các tỉ lệ mol MSA/Cd2+ ........ 42 Hình 3.16. Sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol MSA/Cd2+ đến QY của lõi QDs-CdSe ...... 43 Hình 3.17. Phổ hấp thu UV-vis của lõi QDs-CdSe với các tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ . 45 Hình 3.18. Phổ huỳnh quang của lõi QDs-CdSe với các tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ .... 45 Hình 3.19. Sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ đến QY của QDs-CdSe ....... 46 Hình 3.20. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương tác của cặp yếu tố A (pH môi trường) – B (tỉ lệ mol MSA/Cd2+) tới QY của QDs CdSe trong điều kiện yếu tố C (tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+) ở mức thấp (a) và cao (b) ..................................................... 48 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . xii Hình 3.21. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương tác của cặp yếu tố A (pH môi trường) – C (tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+) tới QY của QDs CdSe trong điều kiện yếu tố B (tỉ lệ mol MSA/Cd2+) ở mức thấp (a) và cao (b) ..................................................... 49 Hình 3.22. Mô hình bề mặt đáp ứng thể hiện tương tác của cặp yếu tố B (tỉ lệ mol MSA/Cd2+) – C (tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+) tới QY của QDs CdSe trong điều kiện yếu tố A (pH môi trường) ở mức thấp (a) và cao (b) .................................................... 49 Hình 3.23. Phổ huỳnh quang của QDs-CdSe/ZnS với các tỉ lệ mol S2-/Zn2+ .......... 53 Hình 3.24. Hình ảnh của lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ở dạng lỏng (a) và rắn trong điều kiện ánh sáng thường (b-1) và dưới đèn UV-365 nm (b-2) .................... 55 Hình 3.25. Hình ảnh lõi QDs-CdSe (a) và QDs-CdSe/ZnS (b) dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .............................................................................................. 56 Hình 3.26. Hình dạng phổ hấp thu UV-vis và phổ huỳnh quang của lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ...................................................................................................... 58 Hình 3.27. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ............. 58 Hình 3.28. Phổ IR của MSA, QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ................................. 59 Hình 3.29. Đồ thị biểu diễn giá trị IC50 của các mẫu thử trên 2 dòng tế bào ......... 62 Hình 3.30. Kết quả %tế bào bị ức chế theo nồng độ mẫu trên dòng LLC-PK1 ...... 63 Hình 3.31. Kết quả %tế bào bị ức chế theo nồng độ mẫu trên dòng MDA-MB-231 ... 64 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số nghiên cứu tổng hợp QDs bằng phương pháp keo ướt ............... 10 Bảng 2.2. Danh sách hóa chất sử dụng trong đề tài................................................ 21 Bảng 2.3. Danh sách máy móc – thiết bị sử dụng trong đề tài ................................ 22 Bảng 2.4. Các đơn yếu tố và khoảng khảo sát trong công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe 25 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát thời gian tổng hợp lõi QDSs-CdSe (n = 3) .................. 36 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH môi trường phản ứng (yếu tố A) đến QY của lõi QDs-CdSe (n = 3) ......................................................................... 39 Bảng 3.7. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol MSA/Cd2+ đến QY của lõi QDs-CdSe (n = 3) .................................................................................................. 41 Bảng 3.8. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol SeSO32-/Cd2+ đến QY của lõi QDs-CdSe ............................................................................................................. 44 Bảng 3.9. Thông số các biến độc lập của giai đoạn tối ưu hóa công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe ............................................................................................................. 47 Bảng 3.10. Kết quả ma trận thực nghiệm tối ưu hóa công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe47 Bảng 3.11. Kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm tối ưu hóa công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe ............................................................................................................. 50 Bảng 3.12. Một số công thức tối ưu được đề xuất và kết quả kiểm chứng bằng thực nghiệm (n = 6) ....................................................................................................... 51 Bảng 3.13. Kết quả khảo sát tỉ lệ mol Zn2+/Cd2+ trong công thức tổng hợp QDsCdSe/ZnS (n = 3)................................................................................................... 52 Bảng 3.14. Kết quả khảo sát tỉ lệ mol S2-/Zn2+ trong công thức tổng hợp QDsCdSe/ZnS (n = 3)................................................................................................... 53 Bảng 3.15. Kết quả xác định kích thước lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS ........... 57 Bảng 3.16. Các dao động chính trên phổ IR và nhóm chức đặc trưng .................... 60 Bảng 3.17. Kết quả IC50 của các mẫu thử trên 2 dòng tế bào ................................. 61 Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . 1 MỞ ĐẦU Chấm lượng tử (Quantum dots - QDs) là các tiểu phân nano bán dẫn (semiconductor) được giới hạn trong không gian ba chiều, thường có đường kính từ 2–10 nm [7] và có kích thước vật lý nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton* [15]. Chúng chính là cầu nối giữa vật liệu khối và cấu trúc nguyên tử hoặc phân tử - được đặc trưng bởi năng lượng vùng cấm (band gap) và phụ thuộc theo kích thước QDs. QDs có đặc tính quang- điện tử độc đáo chẳng hạn như hấp thu trong vùng bước sóng rộng, phát xạ quang mạnh phụ thuộc vào kích thước, hiệu suất lượng tử (Quantum yield-QY) cao và độ ổn định quang học cao. Ngoài ra, nhờ có tính chất bề mặt phong phú, QDs còn có khả năng được chuyên biệt hóa với các phối tử chức năng hướng mục tiêu. Chính vì điều này mà QDs đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực y sinh trong những năm gần đây. Một số ứng dụng trong y sinh như: QDs được sử dụng như một chất đánh dấu huỳnh quang và là giải pháp thay thế tiềm năng cho thuốc nhuộm hữu cơ truyền thống; làm cảm biến sinh học để phát hiện các phân tử sinh học; đánh dấu huỳnh quang để theo dõi và chụp ảnh các tế bào, khối u ở mức in vitro hay in vivo; hoặc thông qua việc biến đổi bề mặt với các phân tử sinh học đặc hiệu thì QDs còn được ứng dụng trong chẩn đoán ung thư và theo dõi các hệ thống trị liệu khác [13]. Trong quá trình phát triển, QDs có độ phát quang cao được chế tạo bằng cách tạo lõi (core) sau đó phủ lõi bằng vật liệu khác để tạo ra các QDs có cấu trúc lõi-vỏ (coreshell) ổn định hơn trong các môi trường khác nhau. Ở thời kì đầu, các phương pháp thường tạo ra QDs có tính kị nước và chỉ phân tán tốt trong dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, QDs kị nước không thể sử dụng trực tiếp cho các ứng dụng y sinh. Do đó, QDs nhất thiết phải được biến đổi bởi các phối tử bề mặt có chức năng khác nhau nhằm cải thiện khả năng phân tán trong nước và tăng cường tính tương thích sinh học. Việc khám phá QDs luôn chứa đựng nhiều thách thức và hầu hết các nghiên cứu hiện tại đều đặt câu hỏi liên quan đến các đặc tính hóa lý của sản phẩm QDs đồng thời tìm cách cải thiện về mặt độc tính QDs thông qua việc tạo lớp phủ vô cơ hay sinh học trên bề mặt QDs. Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . 2 Để tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo dựa trên tình hình thực tế về điều kiện cơ sở vật chất và tài nguyên tại đơn vị, QDs-CdSe trở thành mô hình mục tiêu để nghiên cứu vì đây là QDs kinh điển, có đặc tính quang học ổn định. Hình dạng và kích thước của tinh thể nano nói chung có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tỉ lệ nguyên liệu ban đầu, thời gian và nhiệt độ phản ứng. Vì vậy, quy trình tổng hợp QDs trong nghiên cứu này sẽ được điều chỉnh sao cho thuận lợi về điều kiện nhiệt độ và không cần sử dụng khí trơ mà vẫn đảm bảo thu được QDs có bề mặt thân nước với hiệu suất lượng tử tối ưu. Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp các chấm lượng tử bằng phương pháp keo ướt” được thực hiện với mục tiêu tổng quát là hoàn chỉnh quy trình tổng hợp QDs-CdSe/ZnS có cấu trúc lõi-vỏ đảm bảo hiệu suất lượng tử hơn 50% và dễ dàng phân tán trong nước. Để thực hiện được mục tiêu tổng quát thì đề tài đặt ra các mục tiêu cụ thể như sau: Mục tiêu 1: Xây dựng quy trình tổng hợp lõi QDs-CdSe bằng phương pháp keo ướt. Mục tiêu 2: Tối ưu hóa công thức tổng hợp lõi QDs-CdSe đạt QY cao (hơn 50%). Phân tích một số tính chất hóa lý, quang học của lõi QDs-CdSe bằng các kỹ thuật và thiết bị phù hợp. Mục tiêu 3: Tổng hợp QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ duy trì được QY của lõi QDsCdSe. Phân tích một số tính chất hóa lý, quang học của QDs-CdSe/ZnS bằng các kỹ thuật và thiết bị phù hợp. Mục tiêu 4: Thử độc tính tế bào của lõi QDs-CdSe và QDs-CdSe/ZnS cấu trúc lõi-vỏ. *Exciton: Khái niệm exciton đầu tiên được đưa ra năm 1931 bởi Frenkel, sau đó là Pieirls, Wannier, Elliot, Knox… Khi chiếu chùm tia sáng vào bán dẫn thì một số điện tử ở vùng hóa trị (Valence band-VB) hấp thụ ánh sáng nhảy lên vùng dẫn (Conduction band-CB), để lại VB các lỗ trống mang điện tích dương. Do tương tác Coulomb giữa lỗ trống ở VB và điện tử ở CB mà hình thành trạng thái liên kết cặp điện tử - lỗ trống được gọi là hạt ảo exciton. Exciton có thể chuyển động trong tinh thể và mang một năng lượng kích thích nhưng nó lại trung hòa về điện. Người ta có thể coi exciton như nguyên tử Hydro nhưng sự khác nhau về khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không lớn bằng sự khác nhau giữa khối lượng của điện tử và proton trong nguyên tử Hydro. Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. CHẤM LƯỢNG TỬ (QUANTUM DOTS, QDs) 1.1.1. Lịch sử khám phá và khái niệm về QDs Vào những năm đầu thập niên 1980, QDs lần đầu tiên được phát hiện trong mạng tinh thể thủy tinh bởi nhà vật lý người Nga Ekimov và Onushchenko [27]. Ngay từ khi được phát hiện, QDs đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học và được sử dụng như mô hình để tìm hiểu về lý thuyết của hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effect) trên vật liệu nano. Năm 1984, Louis E. Brus phát hiện ra mối liên quan mật thiết giữa năng lượng vùng cấm (band gap) và kích thước của các tiểu phân nano bán dẫn [18]. Tuy nhiên, phải mất gần một thập kỷ sau đó, khi Murray cùng các cộng sự tổng hợp thành công QDs có cấu trúc CdX (X = S, Se, Te) [51] thì lĩnh vực nghiên cứu chế tạo QDs mới bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Từ đó đến nay, nghiên cứu về phương pháp tổng hợp và ứng dụng QDs trong các lĩnh vực đời sống, đặc biệt là trong ứng dụng y sinh đã và đang được phát triển không ngừng. Thuật ngữ QDs được Mark A. Reed đưa ra vào năm 1988 [9]. Theo đó, QDs là khái niệm bao hàm chỉ các tinh thể nano bán dẫn có khả năng phát quang. Cái tên "chấm lượng tử" bắt nguồn từ thực tế là các đặc tính quang học của tinh thể nano ("chấm") được quy định bởi cơ học lượng tử. Trong cấu trúc của QDs, khi bán kính của QDs nhỏ hơn bán kính Bohr của bán dẫn khối, các exciton (cặp điện tử - lỗ trống) bị giam giữ trong cả ba chiều không gian của QDs – gọi là hiện tượng giam giữ lượng tử [7]. Hiện tượng này khiến cho các QDs có khả năng phát quang khi nhận ánh sáng kích thích và bước sóng phát quang có thể thay đổi theo kích thước của QDs. 1.1.2. Đặc điểm của QDs 1.1.2.1. Đặc điểm về cấu trúc QDs là các tinh thể nano có kích thước khoảng 2-10 nm [7], thường có nguồn gốc từ các chất bán dẫn kim loại thuộc nhóm II-VI (CdSe, CdS, CdTe, HgS, ZnS, ZnSe), III-V (GaAs, GaN, InP, InAs, InGaAs, InP, InGaP) hoặc IV-VI (PbS, PbTe, SnTe) Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . 4 [36]. QDs có thể có cấu trúc lõi (core – ví dụ như CdSe, CdTe, ZnS) hoặc lõi-vỏ (core-shell), lớp vỏ của QDs có thể gồm một hay nhiều lớp (CdSe/CdS, CdSe/ZnS, CdSe/CdS/ZnS). Ngoài ra, cấu trúc của QDs còn có lớp phủ bề mặt (surface-coating parts) đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và duy trì tính ổn định của QDs. Phần lõi của QDs được cấu tạo bởi một số đơn lớp của vật liệu bán dẫn; bước sóng của ánh sáng kích thích và phát xạ huỳnh quang của QDs phụ thuộc vào thành phần của lõi. Phần vỏ bao quanh giúp ổn định tính chất phát quang của lõi QDs. Các thành phần cấu tạo nên lớp vỏ có độ rộng năng lượng vùng cấm lớn hơn so với thành phần tạo lõi. Lớp bao phủ bề mặt của QDs có nguồn gốc rất phong phú, có thể là các phân tử chất ổn định (kị nước hoặc thân nước), các polymer lưỡng tính, lớp vỏ silica, hay thậm chí là phân tử sinh học đặc hiệu. Lớp phủ bề mặt giúp xác định tính ổn định, đặc tính sinh học và khả năng phân tán của QDs trong các môi trường. Mô hình cấu trúc của QDs gồm 3 thành phần cơ bản, được thể hiện trong Hình 1.1. Hình 1.1. Mô hình cấu trúc cơ bản của QDs 1.1.2.2. Đặc điểm quang học của QDs Cơ chế phát quang của QDs QDs phát quang được là nhờ hiệu ứng giam giữ lượng tử. Khi kích thước vật liệu bán dẫn giảm xuống dưới bán kính Bohr của exciton, các exciton bị giam giữ một cách nghiêm ngặt bên trong không gian hẹp của tinh thể nano. Do đó, khi QDs nhận ánh sáng kích thích thì sẽ có khả năng phát huỳnh quang mạnh. Huỳnh quang của QDs được hình thành khi QDs hấp thu một photon có năng lượng cao hơn năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn lõi, dẫn đến việc một điện tử bị kích thích và được đưa Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan. . 5 lên vùng dẫn, khi đó sẽ để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị và như vậy một cặp điện tử - lỗ trống (exciton) được tạo ra. Khi điện tử thư giãn trở về mức năng lượng thấp hơn sẽ phát xạ photon và thu được huỳnh quang từ QDs. Do năng lượng vùng cấm quyết định bước sóng phát xạ photon, bởi vậy có thể kiểm soát bước sóng phát xạ thông qua kích thước của QDs. Năng lượng vùng cấm tỉ lệ nghịch với kích thước của QDs (Hình 1.2). Khi kích thước QDs càng nhỏ thì độ rộng vùng cấm càng lớn do chênh lệch năng lượng giữa vùng hoá trị và vùng dẫn càng lớn. Theo đó, năng lượng cần thiết để kích thích QDs và năng lượng được phát xạ khi QDs trở lại trạng thái nghỉ cũng lớn hơn. Theo cơ chế đã phân tích, QDs càng lớn thì huỳnh quang phát ra có xu hướng redshift và ngược lại. Hình 1.2. Mối liên quan giữa kích thước QDs và độ rộng năng lượng vùng cấm [13] Đặc tính quang học của QDs QDs có đặc tính quang học nổi trội là chúng có thể được kích thích bởi một dải bước sóng rộng nhưng lại phát huỳnh quang với bước sóng hẹp trải dài trong vùng khả kiến cho tới hồng ngoại gần. Hơn nữa, màu sắc huỳnh quang phát xạ từ QDs có thể thay đổi theo kích thước của QDs. Khi kích thước QDs tăng lên thì huỳnh quang có xu hướng redshift và ngược lại (Hình 1.3 và 1.4). Huỳnh quang của QDs có các ưu điểm như như độ chói cao, đỉnh phát xạ hẹp và khả năng ổn định quang trong thời gian dài [13], [66]. So với các chất màu hữu cơ, QDs có hiệu suất lượng tử tương tự nhưng độ chói huỳnh quang của QDs lớn hơn khoảng 10 đến 20 lần và độ bền quang cao gấp từ 100 đến 200 lần [13]. Nhờ có phổ hấp thụ rộng nên huỳnh quang từ QDs có thể được kích Ghi ro nguon tai lieu nay khi trich dan.