Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận án tiến sĩ ngành khoa học vật liệu với đề tài: 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

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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)

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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+
@silicabằng 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+
@silica-
NH2 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+
@silica-
N=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 o
C, 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 o
C, 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

16. xiv
Hình 4.17. Phổ huỳnh quang chuyển đổi ngược của mẫu NaYF4: Yb3+
,
Er3+
(1); NaYF4: Yb3+
, Er3+
@silica (2); NaYF4: Yb3+
, Er3+
@silica-
NH2 (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

17. 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].

18. 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

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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:
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p6
4d10
4fn
5s2
5p6
5dm
6s2
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

23. 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
5s2
5p6
. 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.

24. 8
Bảng 1.1. Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [45]
Số hiệu
nguyên tử
Ion
Nguyên
tố tƣơng
ứng
Điện
tử
4f
S L J
Trạng
thái cơ
bản
Bán kính
nguyên
tử (Å)
21 Sc3+
Ar
0 0 039 Y3+
Kr
57 La3+
Xe
58 Ce3+
1 1/2 3 5/2 2
F5/2 1,061
59 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 6
H5/2 0,964
63 Eu3+
6 3 3 0 7
F0 0,950
64 Gd3+
7 7/2 0 7/2
8
F7/2 0,938
65 Tb3+
8 3 3 6 7
F6 0,923
66 Dy3+
9 5/2 5 15/2
6
H15/2 0,908
67 Ho3+
10 2 6 8 5
I8 0,894
68 Er3+
11 3/2 6 15/2
4
I15/2 0,881
69 Tm3+
12 1 5 6 3
H6 0,869
70 Yb3+
13 1/2 3 7/2
2
F7/2 0,858
71 Lu3+
14 0 0 0 1
S0 0,848
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.

25. 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.

26. 10
Đối với một hệ phát quang dựa trên các hợp chất đất hiếm thường có hai quá
trình huỳnh quang chính xảy ra bao gồm: bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp
bởi tâm kích hoạt (activator) và bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm
các ion khác (Hình 1.3).
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 [47]
(i) Bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt thường xảy ra
ở các hợp chất pha tạp đơn lẻ từng loại ion đất hiếm như Y2O3: Eu3+
; Tb3+
; Sm3+
;
Pr3+
… Trong trường hợp này, tâm kích hoạt được nâng lên tới trạng thái kích thích
A*
sau đó quay về trạng thái cơ bản A bởi quá trình phát bức xạ R hay hồi phục
không phát xạ NR (Hình 1.3a). Trong quá trình hồi phục không phát xạ, năng lượng
của trạng thái kích thích được dùng để kích thích dao động mạng (làm nóng mạng
chủ). Vì vậy, để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp
giảm thiểu quá trình hồi phục không bức xạ này [43].
(ii) Đối với bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion
khác thì các quá trình xảy ra như sau: ban đầu, các ion hấp thụ hay còn gọi là ion
tăng nhạy (S) ở trạng thái cơ bản sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích (λexc) sẽ
chuyển lên trạng thái kích thích (S*). Tại đây nó có xu hướng hồi phục về trạng
thái cơ bản và truyền năng lượng cho ion kích hoạt A bằng quá trình truyền năng
lượng (ET) và đưa ion này lên trạng thái kích thích A1*. Sau đó, ion kích hoạt A ở
trạng thái kích thích A1* có xu hướng hồi phục không phát xạ dần về các mức có

27. 11
năng lượng thấp hơn gần đó (A2*) và cuối cùng là quá trình hồi phục phát xạ về
trạng thái cơ bản A (Hình 1.3 b).
1.2. Quá trình phát quang chuyển đổi ngƣợc
1.2.1. Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược
Quá trình phát quang của vật liệu khi bị kích thích bởi photon cơ bản dựa
trên các quá trình dịch chuyển Stokes và anti-Stokes. Dịch chuyển Stokes là hiện
tượng bước sóng phát xạ dịch về phía sóng dài và ngược lại dịch chuyển anti-Stokes
cho thấy bức xạ phát ra dịch về phía sóng ngắn. Hầu hết các vật liệu phát quang
thông thường phát xạ thể hiện dịch chuyển Stokes (ví dụ như trên sơ đồ Hình 1.4a),
chúng phát ra các photon có năng lượng thấp hơn năng lượng của photon kích thích
khi bị kích thích bởi các nguồn photon có năng lượng cao hơn. Trong một số trường
hợp đặc biệt, chúng ta có thể quan sát thấy phát xạ dịch chuyển anti-Stokes, trong
đó các photon phát ra có năng lượng cao hơn năng lượng photon kích thích (Hình
1.4b). Phát quang chuyển đổi ngược (dịch chuyển anti-Stokes) là một trong những
quá trình quang học phi tuyến được nghiên cứu khá nhiều.
Quá trình phát quang chuyển đổi ngược có thể được thực hiện bởi nguồn
kích thích của laser công suất thấp hoặc bằng các nguồn bức xạ không kết hợp
(incoherent) như đèn xenon, đèn halogen tiêu chuẩn, thậm chí cả ánh sáng mặt trời.
Hình 1.4. Sơ đồ phát quang thông thường và phát quang chuyển đổi ngược upconversion [12]
(a) (b)

28. 12
Nguyên lý chung của sự phát quang chuyển đổi ngược được minh họa trong
sơ đồ Hình 1.4b thể hiện sự khác biệt với quá trình phát quang thông thường. Tâm
phát quang ở trạng thái cơ bản 1 có thể hấp thụ năng lượng từ photon kích thích
hoặc quá trình truyền năng lượng từ tâm tương ứng khác để chuyển lên trạng thái
kích thích 2. Sau đó, một photon kích thích khác hoặc một quá trình truyền năng
lượng tương ứng nữa sẽ kích thích tâm phát quang chuyển lên trạng thái kích thích
3. Từ trạng thái kích thích 3 sẽ có chuyển dời bức xạ trở lại trạng thái cơ bản hoặc
một số trạng thái năng lượng thấp khác, cho kết quả là phát xạ photon năng lượng
cao hơn. Quá trình hai photon thông thường như quá trình phát họa ba bậc hai
(Second Harmonic Generation), hai photon từ nguồn kích thích sẽ kết hợp với nhau
để kích thích tâm phát quang chuyển trạng thái lên mức kích thích thứ ba. Tuy
nhiên đối với quá trình chuyển đổi ngược, đặc điểm quan trọng nhất giúp nó phân
biệt với các quá trình hai hay nhiều photon thông thường là nó tạo được một trạng
thái trung gian giả bền có thời gian sống dài tạo ra một sự đảo mật độ tích lũy giúp
cho photon thứ hai dễ dàng kích thích tâm phát quang đưa nó lên trạng thái kích
thích tiếp theo trước khi hồi phục phát xạ xuống trạng thái cơ bản. Do sự tồn tại
của trạng thái trung gian giả bền nên phát quang chuyển đổi ngược là quá trình
quang phi tuyến có có hiệu suất cao hơn hẳn so với các quá trình khác. Thông
thường, trạng thái giả bền có năng lượng thấp hơn nằm trong vùng ứng với giải
hấp thụ hồng ngoại và có tác dụng dự trữ năng lượng. Trạng thái kích thích có
năng lượng cao hơn nằm trong vùng phát xạ khả kiến, đảm bảo cho việc phát
quang chuyển đổi ngược [12].
Các cơ chế phát quang chuyển đổi ngược khác nhau xảy ra do các hiệu ứng
độc lập hoặc kết hợp của nhiều hiệu ứng. Trong đó, hai cơ chế cơ bản quan trọng
nhất là chuyển đổi ngược do quá trình hấp thụ năng lượng của các điện tử ở trạng
thái kích thích thông qua hấp thụ từ trạng thái được kích thích (Excited State
Absorption - ESA) và chuyển đổi ngược truyền năng lượng (Energy Transfer
Upconversion - ETU).

29. 13
1.2.1.1. Phát quang chuyển đổi ngược thông qua hấp thụ từ trạng thái kích thích (ESA)
Chuyển đổi ngược ESA liên quan đến sự kích thích nhiều bước bằng cách
hấp thụ tuần tự một hoặc nhiều photon từ trạng thái cơ bản để chuyển lên các trạng
thái kích thích trung gian giả bền và cuối cùng được tích lũy ở trạng thái kích thích
cao hơn. Từ mức kích thích cao nhất, nguyên tử sẽ cho phép xảy ra chuyển dời
quang học xuống mức cơ bản phát bức xạ chuyển đổi ngược (Hình 1.5a). Tuy
nhiên, chuyển đổi ngược xảy ra theo cơ chế này thường có hiệu suất không cao.
1.2.1.2. Phát quang chuyển đổi ngược truyền năng lượng (ETU)
ETU cho đến nay là quá trình chuyển đổi ngược hiệu quả nhất trong các vật
liệu nano pha tạp ion đất hiếm. Quá trình ETU này không phụ thuộc vào công suất
bơm. Các cơ chế chuyển đổi ngược liên quan đến truyền năng lượng được mô tả
trên Hình 1.5b; Hình 1.6 và Hình 1.7 [12].
- Cơ chế thứ nhất mô tả trên Hình 1.5b được đề cập là truyền năng lượng kế
tiếp quá trình hấp thụ từ trạng thái được kích thích. Trong cơ chế này, tâm tăng
nhạy hấp thụ photon chuyển trạng thái lên mức kích thích giả bền 2 từ mức cơ bản
1. Tại mức kích thích giả bền 2 này xảy ra quá trình truyền năng lượng từ tâm tăng
nhạy sang mức giả bền của tâm kích hoạt. Sau đó quả trình chuyển trạng thái lên
mức kích thích cuối (mức 3) của tâm kích hoạt xảy ra và tâm này phát huỳnh quang
chuyển đổi ngược để trở về trạng thái cơ bản.
- Cơ chế chuyển đổi ngược tiếp theo là truyền năng lượng dựa hoàn toàn vào
chất tăng nhạy như trên Hình 1.6a. Ở đây, chỉ có tâm tăng nhạy hấp thụ photon để
chuyển lên trạng thái kích thích giả bền và từ đó xảy ra các quá trình truyền năng
lượng sang các mức kích thích 2 và 3 của tâm kích hoạt và từ mức kích thích cuối
của tâm kích hoạt quá trình huỳnh quang xảy ra.

30. 14
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
- Huỳnh quang chuyển đổi ngược truyền năng lượng cũng có thể xảy ra theo
cơ chế “hồi phục chéo” như trên Hình 1.6b khi các tâm tăng nhạy và tăng nhạy và
tâm kích hoạt đều hấp thụ photon để chuyển lên các mức kích thích giả bền 2 và từ
đó xảy ra quá trình truyền năng lượng từ tâm tăng nhạy sang tâm kích hoạt. Đồng
thời là quá trình đưa tâm kích hoạt lên trạng thái kích thích cuối cùng 3 trước khi
phát xạ chuyển đổi ngược để trở về trạng thái cơ bản.
(a) (b)
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) [12]
- Hình 1.7a mô tả quá trình chuyển đổi ngược “phối hợp tâm tăng nhạy”. Cơ
chế truyền năng lượng và phát quang này có thể giải thích như sau: các ion lân cận
hấp thụ photon chuyển lên các mức kích thích giả bền 2. Từ các mức kích thích giả
(a) (b)

31. 15
bền này xảy ra quá trình truyền năng lượng sang ion thứ 3 ở trạng thái kích thích
cuối cùng và từ đây phát xạ chuyển đổi ngược về trạng thái cơ bản.
(a) (b)
Hình 1.7. Các quá trình chuyển đổi ngược phối hợp tâm tăng nhạy (a) và phối hợp tâm huỳnh
quang (b) [12]
- Cơ chế huỳnh quang chuyển đổi ngược cuối cùng được mô tả trên Hình
1.7b đó là “phối hợp tâm huỳnh quang”. Trong cơ chế này hai ion hấp thụ photon
để chuyển lên trạng thái kích thích giả bền. Hai trạng thái kích thích giả bền này
tương tác với nhau và phát xạ huỳnh quang chuyển đổi ngược.
1.2.2. Các thành phần của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược
1.2.2.1.Vật liệu nền
Vật liệu nền lý tưởng cần phải có độ ổn định hóa học tốt, năng lượng phonon
thấp và khuyết tật mạng nhỏ làm giảm tổn hao không bức xạ. Nhiều vật liệu nền đã
được nghiên cứu cho UCNP pha tạp ion đất hiếm Ln3+
như: halogenua, oxide,
phosphate, vanadate (Bảng 1.2) [22].
Vật liệu nền oxide có tính ổn định hóa học tốt nhưng năng lượng phonon của
chúng tương đối cao (> 500 cm-1
). Vật liệu nền clorua, bromua và iodua tuy có năng
lượng phonon < 300 cm-1
nhưng lại có tính hút ẩm và độ ổn định hóa học kém.
Vật liệu florua (NaYF4 và LaF3) vừa có năng lượng phonon thấp (~ 350 cm-1
)
vừa có độ ổn định hóa học cao nên khá phù hợp cho quá trình phát quang chuyển
đổi ngược [22]. Bên cạnh đó, các mạng nền chứa các cation với bán kính ion gần
với các Ln3+
như Na+
, Ca2+
và Y3+
có tác dụng ngăn chặn sự hình thành các khuyết

32. 16
tật mạng và các ứng suất mạng. Cho đến nay, NaYF4 là vật liệu nền phổ biến nhất
cho UCNP chứa ion đất hiếm [48-51].
Bảng 1.2 Năng lượng phonon của các nền được sử dụng cho các vật liệu nano phát
quang chuyển đổi ngược UCNP [22]
Chất nền Năng lƣợng phonon cao nhất (cm-1
)
Phosphate glass
Silica glass
LaPO4
Y3Al5O12
Y2Ti2O7
Gd2O3
YVO4
Y2O3
Fluoride glass
LiYF4
β-NaGdF4
NaYF4
LaF3
KYF4
CaF2
YCl3
LaCl3
LaBr3
1200
1100
1050
860
712
700
600
600
550
425
400
370
350
328
350
260
240
175
Tinh thể NaYF4 tồn tại ở hai dạng: tinh thể đẳng hướng (cấu trúc dạng cubic,
α-NaYF4 ) với độ rộng vùng cấm 8 eV và tinh thể dị hướng (cấu trúc dạng
hexagonal, β-NaYF4) với độ rộng vùng cấm 8,5 eV. Cấu trúc của hai loại tinh thể
này được mô phỏng trên Hình 1.8 [52].
Ở dạng cubic (Hình 1.8a), các ion F-
được chiếm bởi các nút mạng chứa

33. 17
cation và lỗ trống (Na+
và Re3+
). Ở dạng hexagonal (Hình 1.8b), các ion F-
được
chiếm bởi hai loại vị trí cation: một loại được chiếm bởi Na+
và loại thứ hai được
chiếm ngẫu nhiên bởi Na+
và Re3+
. Tuy cấu trúc dạng β-NaYF4 có đối xứng thấp
hơn nhưng lại bền nhiệt hơn và có hiệu suất phát quang cao hơn cấu trúc dạng α-
NaYF4 [53-56]. Theo nghiên cứu của một số nhóm, vật liệu cấu trúc hexagonal β-
NaYF4 có khả năng phát quang chuyển đổi ngược mạnh hơn so với cấu trúc cubic
-NaYF4 [52] Do đó, các nhà khoa học luôn muốn tìm các giải pháp để tổng hợp
được loại vật liệu có cấu trúc β-NaYF4.
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc α- NaYF4 (a) và cấu trúc β- NaYF4 (b) [52]
Quá trình chuyển từ cấu trúc α- NaYF4 sang cấu trúc β- NaYF4 phụ thuộc vào
một số yếu tố: nhiệt độ phản ứng, thời gian tiến hành phản ứng, chất tạo khuôn
mềm, dung môi, tỉ lệ nồng độ các hợp phần tham gia phản ứng…
1.2.2.2. Tâm kích hoạt
Vì các mạng chủ không tham gia vào các quá trình phát quang chuyển đổi
ngược nên cần thêm một tâm phát quang, được gọi là các tâm kích hoạt. Một số ion
đất hiếm Ln3+
có khả năng phát quang chuyển đổi ngược do chúng có năng lượng
kiểu cấu trúc bậc thang (trừ La3+
, Ce3+
, Yb3+
, và Lu3+
) [22, 57].
Khoảng cách năng lượng giữa các bậc thang đó phải tương đương nhau để
các ion có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn khi được kích thích bằng ánh sáng
(b)(a)

34. 18
đơn sắc. Cấu trúc mức năng lượng kiểu như vậy được tìm thấy trong các ion đất
hiếm điển hình: erbium (Er3+
), thulium (Tm3+
), holmium (Ho3+
) và được sử dụng
phổ biến trong các quá trình phát quang chuyển đổi ngược UCL. Trong luận án này,
chúng tôi sử dụng ion Er3+
làm tâm kích hoạt. Cấu hình điện tử của ion Er3+
có dạng
(Xe) 4f11
5s2
5p6
. Lớp 4f có 11 điện tử, momen quỹ đạo L = 6, momen spin S = 3/2.
Phổ phát xạ của ion Er3+
trải rộng từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại, mở
ra triển vọng thay đổi bước sóng chuyển đổi năng lượng. Khi kích thích ở gần 800
nm và 980 nm xảy ra quá trình phát xạ vùng màu xanh bước sóng từ 510 ÷ 570 nm
và vùng màu đỏ 630 ÷700 nm ứng với các chuyển dời 2
H11/2 → 4
I15/2 (đỉnh 520 nm);
4
S3/2 → 4
I15/2 (đỉnh 550 nm) và 4
F9/2 → 4
I15/2 (đỉnh 650 nm) đặc trưng của ion Er3+
.
1.2.2.3. Ion tăng nhạy
Hiệu suất UCL tổng thể đối với các tinh thể nano pha tạp một loại tâm kích
hoạt là tương đối thấp do nồng độ chất pha tạp thấp để tránh bị dập tắt huỳnh quang
do hiện tượng hồi phục ngang gây ra. Khả năng phát quang UCL có thể được tăng
cường bằng cách thực hiện quá trình chuyển đổi ngược truyền năng lượng ETU
[22]. Việc bổ sung một ion tăng nhạy, có tiết diện hấp thụ lớn và chuyển năng lượng
hấp thụ hiệu quả sang các chất kích hoạt lân cận [22, 57]. Ion tăng nhạy được sử
dụng trong luận án là ion Yb3+
.
Cấu hình điện tử của ion Yb3+
có dạng (Xe) 4f13
5s2
5p6
. Lớp 4f có 13 điện tử,
momen quỹ đạo L = 3, momen spin S = 1/2. Yb3+
có hai mức năng lượng với các
trạng thái cơ bản và kích thích tương ứng với J = 7/2 và J = 5/2 nhận được từ tương
tác spin quỹ đạo. Vùng hấp thụ hồng ngoại của Yb3+
tại bước sóng 980 nm ứng với
chuyển dời 5
F5/2 - 5
F7/2 của Yb3+
. Các ion Yb3+
có bán kính nhỏ hơn so với Y3+
nên
dễ dàng thay thế vào vị trí Y3+
trong mạng tinh thể giúp quá trình phân tán tốt hơn,
giảm hiện tượng kết tụ đám.
Yb3+
có thể dùng làm yếu tố tăng nhạy cho huỳnh quang chuyển đổi ngược
của Er3+
/Tm3+
/Ho3+
vì nó thỏa mãn 2 yếu tố:

35. 19
+ Trong phổ hấp thụ năng lượng của Yb3+
có vùng hấp thụ mạnh tại bước
sóng 976 nm.
+ Năng lượng này sau khi hấp thụ lại cao hơn năng lượng của Er3+
, Tm3+
,
Ho3+
nên dễ truyền năng lượng hơn.
Khoảng cách năng lượng của quá trình chuyển đổi 2
F7/2 → 2
F5/2 phù hợp với
quá trình chuyển đổi f-f trong Er3+
, tạo điều kiện truyền năng lượng hiệu quả từ
Yb3+
sang ion này. Hơn nữa tiết diện ngang hấp thụ của quá trình chuyển đổi này
lớn hơn nhiều so với các loại Ln3+
khác, thuận lợi cho việc hấp thụ ánh sáng kích
thích. Đối với các vật liệu phát quang chuyển đổi ngược sử dụng ion Er3+
, Tm3+
hoặc Ho3+
làm ion kích hoạt, Yb3+
là ion tăng nhạy được sử dụng phổ biến nhất để
nâng cao hiệu suất UCL khi kích thích ở 980 nm. Hàm lượng chất tăng nhạy thường
được giữ ở mức 18-20 % mol, hàm lượng chất kích hoạt thường không vượt quá 3
% mol [22, 58, 59].
1.2.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu NaYF4: Yb3+
, Er3+
Những năm gần đây, kết quả sử dụng vật liệu nano phát quang trong y sinh đã
đạt những thành công có tính đột phá và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong
chẩn đoán và chữa trị. Đặc biệt, hướng sử dụng vật liệu nano phát quang đã đạt được
một số thành tựu nổi bật như: giúp thu nhận hình ảnh các tế bào gây ung thư; phát
hiện siêu nhạy các virút; phát hiện DNA; chế tạo tem đánh dấu; phân phối thuốc…
Trên thế giới đã có nhiều công trình công bố về ứng dụng trong y sinh của
vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4 pha tạp ion đất hiếm, cụ thể
vật liệu NaYF4: Yb3+
, Er3+
[12-14]
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, đặc biệt trong y sinh
như nhận dạng hình ảnh (bioimaging), cảm biến sinh học (biosensing), trị liệu ung
thư (cancer therapy).
Trong ứng dụng đánh dấu nhận dạng sinh học in vitro và in vivo của vật liệu

36. 20
nano phát quang chuyển đổi ngược NaYF4: Yb3+
, Er3+
, ảnh phát quang đóng vai trò
quan trọng. Chúng rất hữu ích để chẩn đoán sớm và điều trị một số bệnh nan y. Các
kỹ thuật ảnh huỳnh quang và đánh dấu huỳnh quang đã được nghiên cứu và phát triển
mạnh trong những năm vừa qua với mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhờ
đó tăng chất lượng ảnh nhận dạng sinh học. Vì vậy, vật liệu nano phát quang chuyển
đổi ngược rất có tiềm năng thay thế các vật liệu phát quang truyền thống trong việc
nhận dạng tế bào bệnh. Do quá trình chuyển đổi ngược được kích thích bằng nguồn
sáng liên tục, các vật liệu phát xạ chuyển đổi ngược thể hiện tính chất rất đặc biệt cho
phát xạ anti-Stokes lớn. Ví dụ việc dùng nguồn kích thích hồng ngoại ảnh huỳnh
quang chuyển đổi ngược có khả năng loại bỏ gần như tuyệt đối phát xạ nền do các
quá trình huỳnh quang tự phát của các mô sinh học. Hiện nay, các vật liệu nano phát
quang chuyển đổi ngược đã được ứng dụng thành công trong nhận dạng nhiều mẫu
sinh học.
Trong nước, nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một số vật liệu
nano ứng dụng trong chẩn đoán y sinh, điều trị và tăng cường sức khỏe như: Nhóm
nghiên cứu của GS. TS. Nguyễn Quang Liêm (Viện Khoa học vật liệu), PGS. TS.
Phạm Thu Nga (Viện Khoa học vật liệu), PGS. TS. Trần Hồng Nhung (Viện Vật lý),
TS. Hà Phương Thư (Viện Khoa học vật liệu)… Đặc biệt, nhóm nghiên cứu của GS.
Lê Quốc Minh đã bước đầu làm chủ quy trình chế tạo vật liệu và ứng dụng thành
công vật liệu làm tác nhân đánh dấu nhận dạng đánh giá chất lượng vắc-xin sởi ở
Trung tâm Polyvac (Bộ Y tế). Hiện nay, nhóm nghiên cứu đã và đang tập trung phát
triển các đầu dò (probe) nhằm đánh dấu phát hiện sớm và nhận dạng đặc hiệu các tế
bào ung thư.
Để ứng dụng vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược làm công cụ phát
hiện nhận dạng tế bào ung thư được, trước hết vật liệu phải thỏa mãn điều kiện: phân
tán tốt trong nước, bền với các tác nhân sinh học và phát quang ổn định. Sau đó, vật
liệu phải được chức năng hóa và tương thích sinh học.
Ở Việt Nam, với điều kiện sẵn có của phòng thí nghiệm, trên cơ sở các kết quả
đạt được về tổng hợp vật liệu, nắm được qui trình chức năng hóa, liên hợp hóa vật

37. 21
liệu, lần đầu tiên chúng tôi dự kiến sử dụng hệ vật liệu phát quang chuyển đổi ngược
NaYF4: Er3+
, Yb3+
làm công cụ đánh dấu phát hiện sớm tế bào ung thư MCF7 trong
kỹ thuật đánh dấu nhận dạng ảnh tế bào ung thư mong muốn góp phần vào cuộc
chiến phòng và chống ung thư.
1.3. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm
ứng dụng trong y sinh
Việc tổng hợp các vật liệu nano dạng hạt, thanh, dây, ống ... có kích thước,
phân bố và hình thái học theo mong muốn luôn là một thách thức lớn, không chỉ
trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản mà còn trong phát triển các công nghệ mới có tính
đột phá. Chính vì vậy, các phương pháp mới tổng hợp vật liệu nano vẫn là đối
tượng chính của các cơ sở nghiên cứu khoa học và triển khai công nghệ nano, do
đặc tính cốt lõi và tiềm năng ứng dụng các vật liệu kích thước nano rất phụ thuộc
vào hình dạng và sự đồng đều của chúng. Có hai phương thức để tổng hợp vật liệu
nano: từ trên xuống và từ dưới lên. Phương thức từ trên xuống thường sử dụng các
phương pháp vật lí, phương thức từ dưới lên thường sử dụng các phương pháp tổng
hợp hóa học [60-64].
Ưu điểm của các phương pháp vật lí là tổng hợp được lượng lớn các hạt nano
nhưng sự đồng đều, kích thước hạt không cao do khó điểu khiển được kích thước
hạt. Phương pháp vật lí điển hình là phương pháp nghiền các hạt kích thích lớn cỡ
micromet thành các hạt kích thước nanomet. Kết quả thu được các hạt kích thước
nano, lượng lớn, với đặc tính chấp nhận được và phù hợp với một số lĩnh vực ứng
dụng truyền thống, nhưng có chất lượng tốt hơn hẳn. Nhóm các phương pháp vật lý
sol-khí (Aerosol) có thể tổng hợp các hạt vật liệu oxit kích thước nano. Nhóm
phương pháp này bao gồm công nghệ ngưng tụ từ pha hơi, phương pháp phun nung,
lắng đọng hóa nhiệt của tiền chất kim loại - hữu cơ trong các buồng phản ứng ngọn
lửa và các quá trình aerosol khác. Tên của các phương pháp này thường phụ thuộc
vào các nguồn năng lượng sử dụng để tạo nhiệt độ cao gây chuyển hóa khí - hạt.
Hiện nay, nó được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất một số sản phẩm bột
kim loại, các loại oxit dùng trong nhiều công nghệ tiên tiến.

38. 22
Phương pháp tổng hợp hóa học điều khiển được kích thước hạt nano đồng
đều nhưng thường lại chỉ tạo được lượng rất nhỏ, thích hợp cho các mục đích ứng
dụng trong công nghệ tinh vi, như trong điện tử nano, quang học nano, hiển thị và
truyền hình phân giải cao, gần đây là trong y sinh học. Từ các điều kiện phản ứng
khác nhau đã tổng hợp được các vật liệu nano có hình dạng đa dạng như hạt, thanh,
sợi, đĩa, v.v. .[6, 65-69]. Bằng các phương pháp hóa học như thủy nhiệt, sol-gel, vi
sóng, phản ứng nổ, đồng kết tủa, dung môi nhiệt độ sôi cao,... có thể thu được nhiều
loại sản phẩm khác nhau có tính đồng nhất cao. Một trong những sản phẩm đó là
các loại vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm như Y2O3:Eu3+
; YVO4:Eu3+
;
CePO4:Tb3+
; NaYF4:Yb3+
, Er3+
, Tm3+
, v.v [29, 37, 56, 70-73].
Trong luận án này, chúng tôi trình bày một số phương pháp hóa học chính
tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh.
1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt
Thủy nhiệt là một trong những phương pháp hóa học hiệu quả để chế tạo
vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ m đến nm. Bản chất của phương pháp
thủy nhiệt là quá trình hình thành sản phẩm diễn ra ngay trong dung dịch có sự
tham gia của nước với vai trò là chất xúc tác, xảy ra ở nhiệt độ trên 100 °C và
trong hệ kín [37, 74].
Dung dịch trong phản ứng thủy nhiệt gồm nước và các tiền chất rắn. Các tiền
chất liên tục bị hòa tan, khiến cho nồng độ trong hỗn hợp lỏng ngày càng tăng lên.
Thậm chí khi vượt qua điểm giới hạn bão hòa thì các tiền chất vẫn tiếp tục bị hòa
tan. Độ rộng vùng quá bão hòa phụ thuộc vào áp suất (tăng khi áp suất tăng) và độ
rộng vùng quá bão hòa của tiền chất kết tinh cũng lớn hơn so với tiền chất tinh thể.
Các phần tử cấu thành nên dung dịch ở giai đoạn này có kích thước nhỏ, do các
phần tử kích thước to hơn đã bị thủy phân hoặc không bền trong điều kiện áp suất
và nhiệt độ cao. Tại một điểm quá bão hòa nhất định xảy ra quá trình kết tinh tự
phát, nồng độ chất trong dung dịch giảm và ta thu được sản phẩm. Nhiệt độ, áp suất
và thời gian phản ứng là ba thông số vật lý chính trong phương pháp thủy nhiệt.
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng cho sự hình thành sản phẩm cũng như ổn định

39. 23
nhiệt động học của các pha sản phẩm. Thời gian cũng là một thông số quan trọng
bởi vì các pha ổn định diễn ra trong thời gian ngắn, còn các pha cân bằng nhiệt động
học lại có xu hướng hình thành sau một khoảng thời gian dài. Khi thay đổi các điều
kiện phản ứng (pH, nhiệt độ, tốc độ, thời gian) có thể điều chỉnh được hình thái học,
độ lớn và tính chất của các sản phẩm cuối cùng. Ưu điểm của phương pháp:
- Tiết kiệm năng lượng, không gây độc hại với môi trường.
- Có khả năng điều chỉnh kích thước hạt bằng nhiệt độ.
- Có khả năng điều chỉnh hình thái học của vật liệu
- Sản phẩm thu được có chất lượng cao, tinh khiết.
- Có thể sử dụng nhiều nguyên liệu khác nhau.
- Tính đồng nhất của sản phẩm cao, dễ điều khiển tỉ lệ hóa học. Điều này đặc
biệt quan trọng trong tổng hợp các vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỉ lệ chính xác của các
cấu tử trong vật liệu như các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao.
Với các ưu điểm trên, phương pháp thủy nhiệt hiện đang được sử dụng rộng
rãi để tổng hợp vật liệu [75, 76].
* Phƣơng pháp thủy nhiệt có hỗ trợ của chất tạo khuôn mềm
Phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ của chất tạo khuôn mềm là phương pháp
tổng hợp vật liệu dựa vào các cấu trúc tự lắp ráp từ các chất hoạt động bề mặt, các
oliglome, các polime dị thể hay các phân tử sinh học (các chuỗi AND, các virus
hình que….). Khuôn mềm có thể tan trong nước hay trong các dung môi phân cực
và đóng vai trò như một mi-xen dẫn hướng cho quá trình hình thành, phát triển của
các dạng cấu trúc nano khác nhau (Hình 1.9).

40. 24
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 [77]
Dưới các điều kiện phản ứng, các dạng cấu trúc nano một chiều có thể được
hình thành theo hai hướng:
Hướng 1: quá trình hình thành của các mi-xen hình trụ (A) xảy ra trước, quá
trình hình thành của các vật liệu mong muốn xảy ra sau. Các vật liệu này được bọc
bởi các mi-xen hình trụ trong pha dung dịch (B). Cuối cùng là quá trình tháo bỏ các
phân tử tự lắp ráp để hình thành nên các thanh nano riêng rẽ (C).
Hướng 2: quá trình hình thành của các mi-xen đảo hình trụ (D) xảy ra trước,
quá trình hình thành của các vật liệu mong muốn xảy ra sau. Các mi-xen đảo hình
trụ đóng vai trò như các khuôn vật lý và các vật liệu mong muốn được bọc ở phía
ngoài các mi-xen hình trụ đó (E). Cuối cùng là quá trình tháo bỏ các phân tử tự lắp
ráp để hình thành nên các ống nano riêng rẽ (F).
Các tính chất và hình dạng của sản phẩm cuối được định hình bằng các điều
kiện phản ứng và có thể điều khiển được quá trình hình thành các dạng cấu trúc
nano khác nhau (hạt, lá, dây, thanh, ống…nano) bằng cách điều chỉnh các điều kiện
phản ứng (như nhiệt độ, thời gian phản ứng, loại khuôn mềm…). Các khuôn mềm
sau đó được tháo bỏ tách có chọn lọc với các dung môi thích hợp nhằm thu được
các sản phẩm tinh khiết có cấu trúc nano. Trong phần này, chúng tôi sử dụng
phương pháp thủy nhiệt có hỗ trợ chất tạo khuôn mềm PEG (poly ethylene glycol)

41. 25
để tổng hợp vật liệu nano NaYF4: Yb3+
, Er3+
- PEG (M = 2000 - 20000). PEG có
công thức chung là C2nH4n(OH)2, với cấu trúc ete (≡C-O-C≡) luân phiên, đầu và
cuối chứa nhóm OH‾. Vì vậy, chúng rất dễ tan trong nước và các dung môi hữu cơ
phân cực, dễ dàng tạo mạng lưới (khuôn) trong dung dịch bằng các liên kết hydro -
ete. PEG có nhiệt độ sôi cao, bền dưới tác dụng của nhiệt độ (khoảng 300 C mới
bắt đầu bị phân hủy). Trên cơ sở những ưu điểm này, chúng tôi đã sử dụng chất tạo
khuôn mềm PEG để chế tạo vật liệu.
1.3.2. Phương pháp sol - gel
Sol là hệ phân tán gồm các hạt vi dị thể rắn trong pha lỏng trong đó kích
thước của pha rắn cỡ 10-9
m đến 10-7
m. Trong hệ phân tán này, các hạt rắn phân bố
đều trong pha lỏng. Gel là hệ phân tán mà các hạt vi dị thể rắn đã liên kết với nhau
trong pha lỏng, trong đó các hạt pha phân tán liên kết với nhau thành khung ba
chiều cứng chắc. Các phân tử của môi trường phân tán nằm trong khung này. Khi
độ nhớt của sol tăng đủ lớn và nó chuyển sang pha rắn hay bán rắn và trở thành gel.
Ưu điểm của phương pháp sol - gel:
- Cho phép các chất trộn lẫn nhau ở quy mô phân tử, dung dịch tạo thành có
tính đồng nhất và độ tinh khiết cao.
- Bề mặt riêng lớn do độ kết khối thấp và chúng có thể tiến hành ở nhiệt độ
thấp, sản phẩm sinh ra có thể ở dạng bột, sợi, màng mỏng hoặc khối đồng nhất.
- Cho phép điều khiển được các quá trình ở tất cả các giai đoạn và thu được
sản phẩm có tính chất mong muốn.
- Có thể điều khiển được kích thước, hình thái học của hạt và sự phân bố kích
thước hạt.
Trong phương pháp này, việc sử dụng các phản ứng hóa học rất linh hoạt, có
thể dễ dàng kiểm soát thành phần hợp chất, dung dịch đạt được tính đồng thể và
kiểm soát nồng độ mà không cần sử dụng thiết bị đắt tiền. Hiện nay, phương pháp
sol - gel là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi và tỏ ra có ưu việt để tạo ra các vật liệu

42. 26
khối, màng mỏng, bột hoặc sợi có kích thước nano và có cấu trúc đa tinh thể hay vô
định hình mà các phương pháp khác khó thực hiện được. Tuy nhiên, chúng lại có
nhược điểm là độ lặp lại thấp. Do tính chất của sản phẩm cuối phụ thuộc nhiều vào
chất lượng độ sạch của các thành phần tham gia phản ứng và điều kiện tiến hành
phản ứng. Vì vậy phải khá công phu trong quá trình tìm điều kiện tối ưu để đạt được
một yêu cầu cụ thể về chế tạo linh kiện quang học. Nói cách khác, muốn có sản
phẩm chất lượng cao thì có nhiều thông số cần phải chú ý khi tiến hành phản
ứng. Nhưng cũng chính vì việc dễ thay đổi chiều hướng của phản ứng ở cấp độ
phân tử và ngay cả với các vật liệu đa thành phần với kích thước vùng nanomet,
phương pháp sol - gel đã trở thành một trong các công nghệ chế tạo vật liệu hiện
đại rất đa năng. Cùng với sự ra đời và phát triển của kỹ thuật nano, phương pháp
sol - gel lại được quan tâm rất nhiều vì đã đạt được những thành công có ý nghĩa
đột phá trong tổng hợp vật liệu kích thước nano, ngày càng phát triển rộng rãi
trên thế giới [66, 78-80].
Nguyên liệu đầu vào cho các hướng phát triển của phương pháp sol-gel có
thể là: các muối kim loại dễ thủy phân, các alkoxide kim loại và các phức chất [81].
1.3.3. Phương pháp vi sóng (Microwave)
Vi sóng là sóng cực ngắn hay còn gọi là sóng siêu cao tần, là sóng điện từ lan
truyền với vận tốc ánh sáng.
Hiện tượng làm nóng của vi sóng: Một số phân tử, thí dụ như nước, phân
chia điện tích trong phân tử một cách bất đối xứng, có điện tích âm ở đầu oxy và
ngược lại đầu hydro có điện dương. Các phân tử này là những lưỡng cực có tính
định hướng trong chiều của điện trường. Dưới tác động của điện trường một chiều,
các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều điện trường này. Nếu
điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các lưỡng cực sẽ thay
đổi theo chiều xoay đó. Cơ sở của hiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác
giữa điện trường và các phân tử phân cực bền. Trong điện trường xoay chiều có tần
số rất cao (2,45.109
Hz), điện trường này sẽ gây ra một xáo động ma sát rất lớn giữa

43. 27
các phân tử, đó chính là nguồn gốc nóng lên của vật liệu. Với một cơ cấu có sự bất
đối xứng cao, phân tử nước có độ phân cực rất lớn, do đó nước là một chất rất lý
tưởng dễ làm nóng bằng vi sóng. Ngoài ra, các nhóm chức phân cực hữu cơ như: -
OH, -COOH, -NH2… là những nhóm chịu sự tác động mạnh của trường điện từ.
Những hợp chất càng phân cực (liên quan đến hằng số điện môi) càng mau nóng
dưới sự chiếu xạ của vi sóng. Do vậy, làm nóng bởi vi sóng rất chọn lọc, trực tiếp
và nhanh chóng.
Vi sóng cung cấp một kiểu làm nóng không dùng sự truyền nhiệt thông
thường, vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chất ngay từ bên trong. Vi
sóng tăng hoạt những phân tử phân cực, đặc biệt là nước. Nước bị làm nóng do hấp
thụ vi sóng bốc hơi tạo ra áp suất cao tại nơi bị tác dụng, đẩy nước đi từ tâm của vật
đun ra đến bề mặt của nó. Khi vi sóng chạm đến vật liệu, một phần năng lượng của
nó bị phản xạ trở lại, một phần đáng kể hơn sẽ bị vật liệu hấp thu. Năng lượng này
chuyển hóa thành nhiệt lượng và giảm dần khi nó truyền đi trong vật liệu.
Ưu điểm của làm nóng bằng vi sóng là làm nóng chọn lọc và làm nóng đồng
đều. Làm nóng chọn lọc tức là chỉ làm nóng vật chất trong bình chứ không làm
nóng bình. Còn làm nóng đồng đều tức là tất cả mọi vị trí trong bình phản ứng đều
nóng lên như nhau. Ngoài ra, làm nóng bằng vi sóng còn đặc biệt không gây thất
thoát năng lượng như làm nóng bằng nhiệt thường (nhiệt sinh ra phải tăng từ từ, rồi
còn làm nóng bình phản ứng). Nguồn năng lượng này dễ tạo ra và dễ kiểm soát.
Vi sóng được ứng dụng trong tổng hợp hóa học làm giảm thời gian phản ứng,
giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc.
1.4. Ứng dụng của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngƣợc trong y sinh
Vật liệu nano chứa ion đất hiếm phát quang chuyển đổi ngược UCNP có rất
nhiều ứng dụng, tuy nhiên trước đây nó chỉ được sử dụng trong các laser rắn, pin
mặt trời và các khuếch đại dẫn sóng mà chưa được áp dụng trong lĩnh vực sinh học.
Trong thập kỷ trước, khi công nghệ nano có những phát triển vượt bậc đã cho phép
tổng hợp thành công chất lượng cao vật liệu nano chuyển đổi ngược pha tạp ion đất

44. 28
hiếm thì ứng dụng của UCL mới được mở rộng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực [82-
85]. Bên cạnh các ứng dụng liên quan đến bộ nhớ quang và lưu trữ quang, do tính
chất điều khiển được kích thước và các tính chất huỳnh quang hết sức đặc trưng, các
UCNP có những ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực sinh học và có tiềm năng thay thế
các vật liệu truyền thống như chất màu hữu cơ hay chấm lượng tử. So sánh với chất
màu hữu cơ và chấm lượng tử, các UCNP có hiệu suất lượng tử cao, thời gian sống
dài, ổn định quang, độ rộng vạch hẹp và quan trọng nhất là nhiễu nền thấp do không
bị quá trình tự huỳnh quang dưới bức xạ hồng ngoại gần. Đồng thời nhiều phép
phân tích có thể thực hiện cùng lúc từ các UCNP khác nhau được kích thích bởi
cùng một laser hồng ngoại. Đối với các UCNP ứng dụng trong sinh học, do được
sử dụng trên tế bào hoặc động vật nên chúng cần được khẳng định rõ ràng về độc
tính, đảm bảo cho việc thử nghiệm nghiên cứu đạt kết quả.
Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về một số ứng dụng chủ yếu của các
vật liệu UCNP bao gồm: nhận dạng sinh học, cảm biến sinh học, trị liệu quang nhiệt
và trị liệu quang động.
1.4.1. Nhận dạng sinh học (bioimaging)
Ảnh phát quang đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y sinh học, chúng
rất hữu ích để chẩn đoán sớm và điều trị một số bệnh nan y. Các kỹ thuật ảnh huỳnh
quang và đánh dấu huỳnh quang đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trong
những năm vừa qua với mục đích nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhờ đó tăng chất
lượng ảnh nhận dạng sinh học [86, 87]. Vật liệu UCNP rất có tiềm năng thay thế
các vật liệu phát quang truyền thống trong việc nhận dạng tế bào bệnh. Do quá trình
chuyển đổi ngược được kích thích bằng nguồn sáng liên tục, các vật liệu phát xạ
chuyển đổi ngược thể hiện tính chất rất đặc biệt cho phát xạ anti-Stokes lớn. Vì vậy,
trong nhận dạng sinh học, ảnh huỳnh quang chuyển đổi ngược có khả năng loại bỏ
gần như tuyệt đối phát xạ nền do các quá trình huỳnh quang tự phát của các mô sinh
học. Do có độ tương phản tạo ảnh cao, các ứng dụng định dạng sinh học in vitro và
in vivo của các UCNP có thể xác định với độ chính xác cao, nhất là trong điều kiện
in vitro [25, 26].

45. 29
Một số kỹ thuật trong nhận dạng sinh học ứng dụng vật liệu UCNP thường
được áp dụng bao gồm:
(i) Phương pháp hiển vi đồng tiêu huỳnh quang chuyển đổi ngược quét
laser: trong đó tác nhân sinh học gắn kết với vật liệu huỳnh quang chuyển đổi
ngược và được hiển thị qua ảnh huỳnh quang quét hai hoặc ba chiều trong không
gian (2D hoặc 3D).
(ii) Hệ tạo ảnh huỳnh quang chuyển đổi ngược cho các động vật nhỏ: ở đây
nguồn kích thích huỳnh quang vùng nhìn thấy (532 hoặc 633 nm) sẽ được thay thế
bằng nguồn kích hồng ngoại (ví dụ 980 nm). Hệ thống này có thể làm việc tốt trong
điều kiện duy trì môi trường ánh sáng thông thường. Điều này rất quan trọng, vì
trong nhiều thí nghiệm nghiên cứu in vivo, hoặc trong phẫu thuật việc thao tác của
con người vẫn cần ánh sáng trong khi quá trình quan sát ảnh vẫn cần phải tiến hành
liên tục.
(iii) Phương pháp chụp cắt lớp quang học khuếch tán huỳnh quang: là
phương pháp tái tạo ảnh 3D từ các “fluorophore” (các hạt huỳnh quang chuyển đổi
ngược) phân bố bên trong vật liệu tán xạ cao sử dụng cặp nguồn – đầu thu. Ảnh cắt
lớp tái tạo từ các hạt nano huỳnh quang chuyển đổi ngược pha tạp in đất hiếm cho
chất lượng cao hơn nhiều so với ảnh tạo bởi chất màu hữu cơ truyền thống. Nguyên
nhân là do tỉ số tín hiệu trên nhiễu của huỳnh quang chuyển đổi ngược tốt hơn nhiều
xuất phát từ tính chất nền tự huỳnh quang cực thấp của môi trường.
Các đặc điểm quan trọng của nhận dạng sinh học sử dụng vật liệu UCNP có
thể liệt kê như sau:
(i) Không tồn tại quá trình tự huỳnh quang từ các mẫu sinh học: Ví dụ, đối
với các tế bào HeLa sống được đánh dấu với chất màu hữu cơ 1,1′-dioctadecyl-
3,3,3′,3′-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiI) và vật liệu nano
NaYF4:Yb3+
, Er3+
nồng độ thấp không thu được tín hiệu huỳnh quang từ DiI hoặc tự
phát huỳnh quang trong ảnh huỳnh quang chuyển đổi ngược của tế bào dưới kích
thích liên tục ở bước sóng 980 nm.

46. 30
(ii) Cải thiện độ xuyên sâu của nhận dạng sinh học: do nằm ở cửa sổ truyền
qua của mô sinh học, các bước sóng kích thích hồng ngoại vùng 800 – 980 nm ứng
với các phát xạ huỳnh quang của UCNP pha tạp đất hiếm cho phép độ xuyên sâu
gấp nhiều lần so với các vùng bước sóng kích thích ở vùng nhìn thấy.
(iii) Khả năng “tắt huỳnh quang” (photobleaching) ít xảy ra hơn: các mẫu
UCNP cho thấy khả năng tắt huỳnh quang ít xảy ra hơn so với các mẫu khác. Một
ví dụ minh chứng cho điều này là: các tế bào HeLa với 4′,6-diamidino-2-
phenylindole (DAPI), DiI, và NaYF4:Yb3+
, Er3+
được chiếu các bức xạ kích thích
tương ứng 405 nm; 633 nm và 980 nm. Kết quả chỉ có huỳnh quang từ mẫu
NaYF4:Yb3+
, Er3+
được duy trì. Điều này khẳng định sự ổn định quang của các mẫu
UCNP khi chiếu bức xạ.
(iv) Không tồn tại hiệu ứng nhấp nháy đối với các UCNP: nhiều kết quả thử
nghiệm đã chỉ ra rằng, quá trình phát quang của các UNCP là ổn định không quan
sát thấy các trạng thái sáng/tắt như trong một số chất huỳnh quang khác.
(v) Ngưỡng phát hiện thấp trong tạo ảnh toàn cơ thể của động vật: đây là
một ưu điểm lớn được tìm thấy của UCNP đối với các thí nghiệm ghi ảnh toàn cơ
thể sử dụng các công cụ đánh dấu huỳnh quang khác nhau.
(vi) Khả năng nhận dạng sinh học in vivo phức hợp nhiều kênh: do phổ phát
xạ huỳnh quang của các UCNP thường khá hẹp vì vậy chúng ta có thể sử dụng đồng
thời nhiều loại tâm kích hoạt khác nhau tương ứng với các bức xạ kích thích ở các
vùng khác nhau để thu nhận đồng thời ảnh nhận dạng sinh học ở các kênh bức xạ
khác nhau.
1.4.2. Cảm biến sinh học (biosensing)
Các vật liệu UCNP pha tạp ion đất hiếm đóng vai trò quan trọng trong cảm
biến quang sinh học. Dựa vào tính chất phát xạ độc đáo của phát xạ chuyển đổi
ngược làm tín hiệu đầu ra, các UCNP pha tạp ion đất hiếm được sử dụng như đầu
dò huỳnh quang trong phát hiện nhiều tác nhân trong môi trường như các ion kim
loại, các anion, phân tử trung tính, DNA, các protein và nhiều loại chất khác cũng

47. 31
như cho phép xác định nhiệt độ. Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy rằng do khả năng
dịch chuyển đặc biệt về bước sóng phát xạ về phía ánh sáng nhìn thấy so với bước
sóng kích thích nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại gần (vùng bức xạ tương thích
sinh học không ảnh hưởng đến các mô tế bào), các UCNP có tiềm năng lớn trong
việc ứng dụng phát hiện các thực thể hoặc các phân tử sinh hóa cũng như giúp theo
dõi chính xác các quá trình sinh lý cơ bản. Loại vật liệu nano huỳnh quang này cho
phép đạt độ nhạy phát hiện cao, định xứ sâu trong các hệ cơ thể sống.
Tuy nhiên, huỳnh quang của các UCNP không liên quan trực tiếp đến bất cứ
tính chất hóa sinh nào của hệ cơ thể sống trừ tính chất nhiệt độ. Do đó, để có thể sử
dụng cho việc nhận dạng các quá trình sinh hóa (là quá trình cơ bản của cảm biến
hóa học), các UCNP phải được dùng kết hợp với các nhân tố nhận dạng như là các
chất màu chỉ thị. Các nhân tố nhận dạng của cảm biến sinh học có thể chứa enzyme,
kháng thể, polynucleotide hoặc thậm chí là các tế bào sống. Sau đó, quá trình nhận
dạng sinh hóa phải được chuyển sang tín hiệu quang sinh ra bởi các UCNP. Quá
trình chuyển này nhìn chung được thực hiện thông qua cơ truyền năng lượng cộng
hưởng Förster FRET (Förster Resonance Energy T ransfer) hoặc truyền năng lượng
cộng hưởng quang huỳnh quang LRET (Luminescence Resonance Energy Transfer)
cũng như kết hợp cả hai cơ chế.
Các ứng dụng cơ bản như chỉ ra trên Hình 1.10 [15] bao gồm: cảm biến nhiệt
độ trên cơ sở UCNP, phát hiện các ion (cyanide, thủy ngân…), cảm biến đo các
phân tử khí (O2, CO2, NH3…) và các phân tích sinh học (bioassay) trên cơ sở UCNP
cho các phân tử sinh học (avidin, ATP, DNA, RNA…).
a - Xác định nhiệt độ trong tế bào bằng UCNP: dựa trên tỉ số cường độ
huỳnh quang giữa hai vạch phát xạ của các ion Er3+
tại 520 nm của chuyển dời
2
H11/2 → 4
I15/2 và tại 550 nm của chuyển dời 4
S3/2 → 4
I15/2. Mật độ trong mức 4
S3/2 và
2
H11/2 gần đúng tuân theo phân bố Boltzmann dưới điều kiện kích thích ở trạng thái
dừng. Trong trường hợp này, tỉ số của hai vạch I520 và I550 liên hệ với nhiệt độ
qua phương trình:

48. 32
Trong đó Kb là hằng số Boltzmann, ΔE là chênh lệch năng lượng giữa hai
mức kích thích, A là hằng số phụ thuộc thời gian sống của các mức. Do đó tỉ số
(I520/I550) sẽ tăng khi nhiệt độ tăng nhờ đó xác định được nhiệt độ.
Hình 1.10. Ứng dụng của các UCNP cho cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau [15]
b - Cảm biến sinh học xác định ion kim loại: do các UCNP không tương tác
với các ion kim loại cần phát hiện nên các cảm biến dựa trên chúng phải được sử
dụng kết hợp với các chất màu hữu cơ chỉ thị tương ứng với các ion kim loại cần phát
hiện. Trong các cảm biến loại này các quá trình FRET hay LRET hoặc kết hợp cả hai
quá trình của cặp vật liệu UCNP và chất màu hữu cơ được sử dụng làm nguyên lý
cho cảm biến. Nhận dạng sinh hóa sẽ điều chế cường độ huỳnh quang, hiển thị một
thay đổi so màu trong dung dịch thậm chí có thể phân biệt được bằng mắt thường. Ví
dụ cảm biến truyền năng lượng xác định Hg2+
trong môi trường nước, trong đó hạt
NaYF4:Yb3+
/Tm3+
đóng vai trò mức năng lượng cho (donor) và SYBR Green (một
DNA có chức năng chất màu hữu cơ) đóng vai trò chất nhận. Bằng cách theo dõi tỉ số
vạch phát xạ của chất cho và chất nhận ta có thể phát hiện được sự có mặt của các ion
thủy ngân với giới hạn phát hiện khá nhỏ, cỡ 0,06 nM [12, 26].