Đã chế tạo được các hạt nano ormosil pha tâm
mầu Rhodamine B (RB) dạng cầu, phân tán
trong nước, kích thước vài chục nano mét, có
các nhóm chức năng như -NH2, -SH, -OH
trên bề mặt hạt. Nghiên cứu phương pháp bọc
các hạt ormosil bằng protein BSA đã đưa ra
được cách xác định lượng BSA đủ để bọc hạt
với nhóm chức năng, kích thước và nồng độ
cụ thể. Các vi khuẩn E. coli O157:H7 đã được
nhận biết đặc hiệu theo phương pháp miễn
dịch huỳnh quang bằng phức hệ hạt nano -
kháng thể. Các kết quả nghiên cứu cho thấy
tiềm năng ứng dụng của hạt nano
ORMOSIL chứa tâm màu hữu cơ trong các
phân tích sinh học
9 trang |
Chia sẻ: yendt2356 | Lượt xem: 488 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang của hạt nano Ormosil chứa tâm màu có các nhóm chức năng và ứng dụng đánh dấu sinh học, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
59
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG
CỦA HẠT NANO ORMOSIL CHỨA TÂM MÀU
CÓ CÁC NHÓM CHỨC NĂNG VÀ ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU SINH HỌC
Phạm Minh Tân1,3*, Trần Thu Trang1,3, Trần Thanh Thủy2,
Nghiêm Thị Hà Liên1, Vũ Thị Thùy Dương1,
Tống Kim Thuần2, Trần Hồng Nhung1
1Viện Vật lý - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
2Viện Công nghệ Sinh học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
3Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Các hạt nano ormosil được tổng hợp bằng phương pháp Stöber từ precursor Methyltriethoxysilane
CH3Si(OC2H5)3 (MTEOS). Hạt nano ormosil pha tâm mầu Rhodamine B (RB) dạng cầu, phân tán
trong nước, kích thước vài chục nano mét, có các nhóm chức năng như -NH2, -SH, -OH trên bề
mặt. Hạt được bọc bằng bovine serum albumin (BSA). Các hạt nano huỳnh quang được gắn kết
với các kháng thể đặc hiệu vi khuẩn Escherichia coli O157:H7. Vi khuẩn E.Coli O157:H7 được
đánh dấu huỳnh quang bằng hạt nano ormosil thông qua tương tác và nhận biết đặc hiệu kháng
nguyên - kháng thể. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng của các hạt nano huỳnh
quang trong các phân tích sinh học.
Từ khóa: dye-doped silica-based nanoparticles, biofunctionalisation, cell detection
MỞ ĐẦU*
Hạt nano silica là các hạt SiO2 kích thước
nano có thể chứa được một số lượng lớn tâm
màu hữu cơ trong một hạt silica đơn. Do đó
hạt nano silica chứa tâm màu có độ chói và độ
khuếch đại tín hiệu cao gấp nhiều lần so với
phân tử màu đơn lẻ. Vì vậy lựa chọn hạt nano
silica ứng dụng trong phân tích sinh học có
thể cải thiện đáng kể độ nhạy phân tích.
Trong các loại hạt nano silica chứa tâm màu
hữu cơ thì hạt với nền ormosil (organically
modifified silica) đang được hướng tới ứng
dụng trong truyền tải gen và thuốc cùng
nhiều ứng dụng quang tử quan trọng khác.
Hạt nano silica/ormosil có nhiều ưu điểm
trong các ứng dụng sinh học vì chúng có thể
chứa cả tâm màu và thuốc kỵ nước hoặc tan
trong nước. Bằng cách thay đổi các loại
thuốc, hạt nano silica/ormosil có thể điều trị
các bệnh khác nhau.
Bằng cách thay đổi loại tâm màu, các hạt
nano silica/ormosil có thể có hiệu suất lượng
tử cao và dải phát quang rộng lấp đầy vùng
khả kiến và hồng ngoại [5]. Hơn nữa, do bị
*
Email: phamtantn@gmail.com
cầm giữ trong nền silica, các tâm màu được
bảo vệ khỏi các ảnh hưởng của môi trường
cũng như tác động trực tiếp của ánh sáng nên
sự phân hủy quang cũng được giảm thiểu.
Các tâm màu được bảo vệ bởi nền silica nên
cường độ huỳnh quang có thể được điều
khiển bởi số lượng tâm màu trong một hạt và
được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang
do nồng độ [6]. Để sử dụng trong các ứng
dụng y sinh, hạt nano silica/ormosil phải có
khả năng gắn kết với phân tử sinh học đích.
Mặt khác, để gắn kết hạt nano silica/ormosil
có bản chất vô cơ với phân tử sinh học có bản
chất hữu cơ thì cần phải thay đổi hóa học bề
mặt hạt. Đồng thời, hạt nano silica/ormosil
phải được bảo vệ khỏi sự tấn công của môi
trường sinh học có các pH khác nhau. Mặt
khác, để có thể sử dụng trong các mục đích
dẫn thuốc điều trị hay các ứng dụng in-vivo
hạt nano silica/ormosil phải tương thích với
cơ thể sống. Vì vậy, việc biến đổi tương thích
sinh học là khâu mấu chốt trong nghiên cứu
ứng dụng vật liệu này trong y – sinh. Đây là
vấn đề đang được các nhà vật liệu học trong
và ngoài nước quan tâm.
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
60
Báo cáo này trình bày các kết quả nghiên cứu
chế tạo hạt nano ormosil pha tâm màu
Rhodamine B (RB) dạng cầu, phân tán trong
nước, kích thước vài chục nano mét, có các
nhóm chức năng như -NH2, -SH, -OH trên bề
mặt. Các dung dịch hạt silica/ormosil được
chế tạo thường có tính axit yếu, với pH
khoảng 5 – 6, do đó dung dịch này thường bị
vẩn đục trong các môi trường có tính bazơ
hoặc trung tính do các hạt silica/ormosil bị kết
đám. Vấn đề đặt ra là phải làm sao để các hạt
này có thể sử dụng được trong các môi trường
có pH khác nhau. Phương án bọc BSA được
lựa chọn do tiếp thu các kết quả bọc hạt nano
vàng của nhóm nghiên cứu [9]. Các hạt nano
sau khi chế tạo được gắn kết với kháng thể để
nhận biết vi khuẩn E.Coli O157:H7.
THỰC NGHIỆM
Hóa chất
Methyltrimethoxysilane (MTEOS),
Aminopropyltriethoxysilane (APTEOS), 3-
trimethoxysilyl- 1 propanthiol (TMPT),
dimethylsulfoxide (DMSO), Butanone-2 được
mua từ Merck. Chất màu Rhodamine B (RB)
được mua từ Exciton Co. Chất hoạt động bề
mặt Aerosol-OT (AOT) (96%) của Fluka,
Bovine serum albumin (BSA) của Biochem
và túi rửa bán thẩm thấu của Sigma-Aldrich.
Chế tạo hạt nano ORMOSIL chứa tâm
màu RB
Chế tạo hạt nano ORMOSIL chứa tâm màu
RB được thực hiện theo phương pháp Stöber,
trình bày trên sơ đồ hình 1. Đầu tiên, hỗn hợp
chất hoạt động bề mặt AOT và butanone-2
được pha với nhau theo một tỉ lệ: 0,15 g AOT
: 250 µl butanone-2, sau đó được rung siêu
âm cho tới khi dung dịch trong suốt. Sau đó
lấy 990 µl dung dịch hoạt động bề mặt này
cộng với 300 µl MTEOS precursor, khuấy từ
cho dung dịch đồng nhất. Tiếp theo 10 ml
nước cất hai lần được thêm vào và khuấy từ
1h. Sau đó 75 µl chất màu RB trong DMSO
được cho thêm vào và khuấy từ 10 phút. Đối
với các mẫu đối chứng, 75 µl dung dịch
DMSO không có chất màu được thêm vào
dung dịch. Sau đó cho xúc tác APTEOS để
chế tạo hạt có nhóm chức amin (-NH2) hoặc
NH4OH để chế tạo hạt có nhóm chức
hydroxyl (-OH). Hệ dung dịch này được
khuấy từ liên tục trong 20h ở nhiệt độ phòng.
Cho thêm precursor TMPT vào dung dịch có
xúc tác NH4OH tiếp tục khuấy từ 10h nữa để
chế tạo hạt có nhóm chức thiol (-SH). Cuối
cùng, dung dịch thu được được đưa vào túi
bán thẩm thấu 10000MWCO và được rửa
nhiều lần bằng nước cất hai lần ( 8 - 9 lần),
mỗi lần 8h dưới tác động của máy khuấy từ
để loại những chất còn thừa trong các phản
ứng và loại toàn bộ hoạt động bề mặt AOT và
Butanone-2.
Bọc hạt nano ORMOSIL bằng bovine
serum albumin (BSA)
Một lượng BSA được cho vào trong dung
dịch đệm MES (axit 2-(N-morpholino)
etansulfonic, pH = 5,5, khuấy từ 30 phút.
BSA pha trong MES được đưa vào dung dịch
nano ORMOSIL sau khi đã chế tạo xong.
Hỗn hợp nano ORMOSIL - BSA trong MES
được khuấy từ khoảng 30 phút ở 40C cho tới
khi dung dịch trở nên trong suốt. Sau đó để
ổn định trong tủ lạnh 1-2 ngày. BSA được
hấp phụ trực tiếp lên bề mặt hạt nano
ORMOSIL.
Để khảo sát lượng BSA bọc đủ lên hạt nano
ORMOSIL chứa tâm màu RB, các mẫu được
bọc BSA với lượng thay đổi từ 0 đến 1,5 mg
với bước là 0,1 mg. Mẫu sau khi chế tạo được
chia làm 2 đưa vào trong môi trường nước
pH = 6 và PBS 4.5X pH = 7,4 (là hỗn hợp
dung dịch gồm NaCl (0.15 M)87.0g; KH2PO4
2.0g; Na2HPO4 29.0g; NaN3 2.0g pha trong
4.5 lít nước cất). Sau 24h các mẫu được đo
phổ hấp thụ và huỳnh quang.
Khảo sát các hạt nano ORMOSIL chứa
tâm màu
Kích thước và hình dạng của hạt nano
ORMOSIL được khảo sát bằng kính hiển vi
điện tử quét SEM (Hitachi-S480) và kính hiển
vi điện tử truyền qua TEM (JEL 1011). Cấu
trúc hóa học của hạt nano được xác định qua
phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại (Impact 410
Nicolet FTIR). Tính chất quang của hạt nano
được khảo sát thông qua việc phân tích phổ
hấp thụ (JASCO-V570-UV-VIS-NIR) và phổ
huỳnh quang (Cary Eclipse, Varian).
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
61
Hình 1. Sơ đồ chế tạo hạt nano ORMOSIL chứa tâm màu RB.
Đánh dấu vi khuẩn
Kháng thể thương phẩm đơn dòng E.coli
O157:H7 kháng kháng nguyên thân O mua
của hãng Abcam (dòng tế bào D3C6), kí hiệu
ab 75244 nhận từ thỏ với trọng lượng phân tử
170.000 Dalton, pha loãng bằng dịch PBS 0,1
M, pH=7,3, tới nồng độ ngưng kết tế bào trên
phiến kính là 11,8 ng/ml.
Phương pháp tạo phức hợp hạt nano
ormosil phát quang và kháng thể đặc hiệu
E. coli O167:H7: lấy 80 µl kháng thể đặc
hiệu nồng độ 11,8 mg/ml cho vào ống
Eppendof, bổ sung 5 µl hạt nano ORMOSIL
nồng độ 4,77 mg/ml và 1200 µl EDAC 4 mM
pha trong đệm MES pH 5.5, vortex đều. Hỗn
hợp dịch được ủ lắc ngang liên tục ở 300C
trong 3 giờ. Sau đó ly tâm ở 35.000-40.000
vòng/phút trong 60 phút ở 40C để loại bỏ hạt
nano ORMOSIL và kháng thể thừa. Rửa 2 lần
với dịch PBS pH 7,4. Cặn thu được phân tán
vào 1000 µl PBS và bảo quản ở 40C.
Gắn kết đặc hiệu vi khuẩn E. coli O157:H7
bằng phức hệ kháng thể - hạt nano ormosil:
Vi khuẩn E. coli O157:H7 do Viện Đại học
mở cung cấp, được nuôi cấy lắc trong môi
trường MPA dịch thể ở 370C. Dịch nuôi cấy
vi khuẩn được pha loãng trong đệm PBS tới
nồng độ 104CFU/ml. Lấy 500µl phức hợp hạt
nano ORMOSIL-kháng thể cho vào ống
eppendof, bổ sung 25µl dịch huyền phù vi
khuẩn có mật độ 104CFU/ml. Ủ hỗn hợp ở
nhiệt độ 300C trên máy lắc ngang. Sau 5, 10,
15, 20, 25, 30 phút, ly tâm 10.000 vòng/phút
loại bỏ dịch nổi chứa phức hợp không gắn kết
với vi khuẩn đích. Rửa cặn chứa vi khuẩn đã
gắn kết với phức hợp bằng PBS, pH 7,4 từ 2-
3 lần, sau đó cặn được phân tán vào 1,5ml
PBS. Mẫu được khảo sát bằng kính hiển vi
huỳnh quang Nikon Ti-E Eclipse C1 Plus,
kính hiển vi điện tử truyền qua (JEL 1011) và
phổ kế huỳnh quang (Cary Eclipse, Varian).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các hạt nano silica/ormosil có các nhóm chức
–NH2, -OH, -SH, được chế tạo theo điều kiện
đã nêu trên được bảo quản trong bóng tối và
nhiệt độ 40C. Tất cả các hạt nano
silica/ormosil đã chế tạo đều được nghiên cứu
về hình thái, kích thước, cấu trúc hóa học và
tính chất quang
Hình dạng, kích thước và cấu trúc hóa học
của các hạt nano ORMOSIL
Hình 2 trình bày ảnh TEM và SEM của các
hạt cho thấy cả 3 loại hạt với các nhóm chức -
NH2, -OH, -SH đều có dạng cầu, đơn phân
tán, kích thước khá đồng đều, hạt SiO2-NH2
(hình 2a) kích thước khoảng 70nm đến 80nm,
hạt SiO2-OH và SiO2-SH kích thước khoảng
100 đến 110nm (hình 2 b) và c).
NH4OH APTEOS
H2O
Dye/DMSO
TMPM
AOT,
Butanone-2,
MTEOS
OH
OH
H
HO
OH
SH
SH
HS
HS
SH
NH2
OH
H2N
HO
NH2
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
62
a)
b) c)
Hình 2. a) Ảnh TEM của hạt nano SiO2-NH2
b) Ảnh SEM của hạt nano SiO2-OH
c) Ảnh TEM của hạt nano SiO2-SH
Cấu trúc hóa học của các hạt nano ORMOSIL
Cấu trúc hóa học của hạt nano silica/ormosil có nhóm chức NH2 được xác định bằng phân tích
phổ tán xạ micro Raman và phổ hấp thụ hồng ngoại
a)
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08 O-Si-O
6SBA60
C=O
Si-CH3
OH
-C3H6-NH2
Si-CH3
Si-O-CH3
Si-CH3
C
−
ên
g
®
é
(®
vt
y)
Sè sãng (cm
-1
)
OH
b)
Hình 3. Phổ tán xạ micro Raman (hình a) và phổ hấp thụ hồng ngoại (hình b) của hạt nano SiO2-NH2
Phổ tán xạ micro Raman của hạt nano SiO2-
NH2 ngoài hai nhóm vạch đặc trưng cho dao
động của liên kết Si-O ở 480 cm-1 và Si-CH3
ở 2921 cm-1 còn có nhóm vạch 883 cm-1 đặc
trưng cho dao động của nhóm amine NH2 ở
906 cm-1 (hình 3a). Phổ hấp thụ hồng ngoại
của hạt nano ORMOSIL có các vạch đặc
trưng cho các dao động của liên kết Si-O
(545, 1030, 1126 cm-1), Si-CH3 (780, 1277,
2882, 2930, 2960 cm-1) và -OH (857, 900,
3424 cm-1), ngoài ra phổ còn có nhóm vạch
nằm trong dải từ 1467-1634 cm-1 ứng với dao
động của nhóm -C3H6-NH2. Điều này chứng
tỏ lớp SiO2-C3H6NH2 đã được hình thành
trên hạt.
Tương tự như trên, phổ hấp thụ hồng ngoại của
hạt SiO2-SH (hình 4) có vạch tại 2886 cm-1 đặc
trưng cho liên kết –SH, vạch tại 2930 cm-1
đặc trưng cho liên kết –CH2, chứng tỏ sự có
mặt của lớp SiO2-SH.
Tính chất quang của các hạt nano ormosil
chứa tâm màu RB
Hình 5 biểu diễn phổ hấp thụ chuẩn hóa của
các hạt silica/ormosil chứa tâm màu RB có
các nhóm chức khác nhau, từ hình phổ cho
thấy phổ hấp thụ của các hạt nano
silica/ormosil có các nhóm chức khác nhau có
dạng giống với phổ hấp thụ của RB tự do
trong nước, với sự dịch đỉnh nhẹ so với đỉnh
RB trong nước.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0
2000
4000
6000
8000 Si-CH3
-NH2
Si-O-Si
C
−
ên
g
®
é
(®
vt
y)
Sè sãng (cm
-1
)
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
63
5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0
0 . 0 0
0 . 0 3
0 . 0 6
0 . 0 9
0 . 1 2
C
−
ên
g
®
é
h
Êp
t
h
ô
(
®
vt
y)
S è s ã n g ( c m - 1 )
S - H
C H 2
S i - C H 3
S i - O
Hình 4. Phổ hấp thụ hồng ngoại của hạt nano SiO2-SH
Phổ huỳnh quang của các hạt nano
silica/ormosil có các nhóm chức khác nhau
cũng có sự dịch đỉnh khác nhau tương tự như
phổ hấp thụ: hạt có nhóm -OH và -SH đỉnh
hấp thụ và huỳnh quang dịch về phía sóng
dài hơn so với hạt có nhóm -NH2. Có thể giải
thích sự dịch đỉnh phổ do nguyên nhân: tương
tác giữa tâm màu với nền có các nhóm chức
khác nhau. Các nhóm chức hữu cơ không
tham gia quá trình thủy phân và ngưng tụ sẽ
nằm trong các lỗ xốp của lớp SiO2 phía ngoài
hạt và lỗ xốp trên bề mặt hạt. Các tâm màu
cũng phân tán trong lỗ xốp [10]. Tương tác
giữa tâm màu với các nhóm chức khác nhau
là khác nhau dẫn tới sự dịch đỉnh khác nhau
so với đỉnh của RB tự do trong nước. Phổ hấp
thụ của hạt có nhóm -NH2 có nền rất cao,
chứng tỏ chất lượng nền SiO2 chưa tốt, nền
không trong suốt.
450 500 550 600 650 700
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Rb/H
2
O
SiO
2
-SH
SiO
2
-OH
SiO
2
-NH
2
§
é
h
Êp
t
h
ô
c
h
u
Èn
h
ãa
B−íc sãng (nm)
Hình 5. Phổ hấp thụ chuẩn hóa của hạt nano
silica/ormosil có các nhóm chức khác nhau
Để xác định các đặc trưng của phổ huỳnh
quang, chúng tôi tiến hành đo phổ huỳnh
quang của các mẫu hạt nano silica/ormosil ở
cùng ở một độ hấp thụ, các kết quả cho thấy
cường độ huỳnh quang của các hạt nano
silica/ormosil có nhóm chức khác nhau là
khác nhau. Cường độ huỳnh quang tăng dần
từ 122 đến 466 (đvty) ứng với lần lượt các
mẫu SiO2-SH, SiO2-OH và SiO2-NH2 (hình
6). Sự khác nhau về cường độ huỳnh quang
có thể giải thích do ảnh hưởng của kích thước
hạt và chất lượng nền. Kích thước của hạt
SiO2-SH và SiO2-OH là 100 - 110 nm lớn, do
đó số lượng cũng như nồng độ tâm màu trong
một hạt là rất lớn (khoảng 6900 phân tử RB
trong một hạt). Mặt khác, nền của hai loại hạt
này trong suốt, chứng tỏ kích thước lỗ xốp
nhỏ, vì vậy nồng độ tâm màu trong các lỗ xốp
là rất lớn, dẫn đến sự dập tắt huỳnh quang do
nồng độ. Với hạt SiO2-NH2 kích thước 70-80
nm nồng độ tâm màu khoảng 3900 phân tử
RB trong một hạt, chất lượng nền đục chứng
tỏ kích thước lỗ xốp lớn, do đó nồng độ tâm
màu trong các lỗ xốp nhỏ hơn nên hiệu ứng
dập tắt huỳnh quang cũng giảm đi [10].
Bọc hạt nano ORMOSIL bằng protein BSA
Các hạt nano silica/ormosil chứa tâm màu RB
sau khi bọc BSA (SiO2@BSA) phân tán trong
môi trường MES pH= 5,5 được khảo sát hình
dạng, kích thước trên kính hiển vi điện tử quét
(SEM). Kết quả được trình bày trên hình 7b)
cho thấy các hạt nano phân tán tốt hơn so với
mẫu hạt tương ứng khi chưa được bọc BSA
(hình 7b)).
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
64
540 560 580 600 620 640 660 680 700
0
100
200
300
400
500
C
−
ên
g
®
é
h
u
ún
h
q
u
an
g
(®v
ty
)
B−íc sãng (nm)
SiO
2
-NH
2
SiO
2
-OH
SiO
2
-SH
540 560 580 600 620 640 660 680 700
0.0
0.5
1.0
SiO
2
-N H
2
SiO
2
-OH
SiO
2
-SH
B−íc sãng (nm )
C−
ên
g
®
é
ch
u
Èn
h
ãa
Hình 6. a) Phổ huỳnh quang của hạt nano silica/ormosil có các nhóm chức khác nhau
b) Phổ huỳnh quang chuẩn hóa của hạt nano silica/ormosil có các nhóm chức khác nhau
a) b)
500 550 600 650 700
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
§
é
h
Êp
t
h
ô
c
h
u
Èn
h
ãa
B−íc sãng (nm)
BSA 1.0
BSA 1.2
BSA 1.3
BSA 1.4
BSA 1.5
BSA 0
BSA 1.1
c)
450 500 550 600 650 700
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
§
é
h
Êp
t
h
ô
c
h
u
Èn
h
ãa
B−íc sãng (nm)
BSA1
BSA1.3
BSA1.4
BSA0
BSA1.1
BSA1..2
BSA1.5
d)
Hình 7. a) và b) Ảnh SEM của hạt nano silica/ormosil trước và sau khi bọc BSA; phổ hấp thụ của hạt
nano silica/ormosil trước và sau khi bọc BSA với lượng khác nhau trong nước c) và trong PBS d).
Phổ hấp thụ chuẩn hóa của các mẫu
SiO2-OH được bọc BSA trong môi trường
nước (hình 7c)) và PBS (hình 7d)) cho thấy
không có sự biến đổi dạng phổ so với mẫu
SiO2-OH ngoài sự dịch đỉnh nhẹ (∼ 2nm)
biểu thị sự có mặt của BSA làm môi trường
lân cận hạt khác đi. Các hạt nano
silica/ormosil được bọc với các lượng BSA
khác nhau (được gọi là SiO2-OH@BSA).
Các dung dịch hạt ormosil trong môi trường
nước và PBS cho thấy: khi không có BSA,
dung dịch bị vẩn đục do hiện tượng kết đám
làm giảm cường độ huỳnh quang so với
cường độ huỳnh quang trong môi trường
MES (dữ liệu không đưa ra ở đây). Lượng
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
65
BSA càng tăng thì hiện tượng kết đám càng
giảm, dung dịch trở nên trong hơn. Đồ thị
cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào lượng
BSA của dung dịch hạt SiO2@BSA trong
nước (hình 8a) cho thấy cường độ huỳnh
quang tăng tỉ lệ thuận với lượng BSA tăng từ
0-1.2 mg/ml. Sau đó cường độ huỳnh quang
trở nên ổn định khi lượng BSA ≥ 1.2 mg/ml.
Tương tự, cường độ huỳnh quang của dung
dịch SiO2@BSA trong PBS (hình 7b) tỉ lệ
thuận với lượng PBS trong khoảng 0.1-0.3
mg/ml, sau đó cường độ huỳnh quang trở nên
ổn định không đổi với lượng BSA trong
khoảng 0.3 < BSA < 1.2 mg/ml, rồi giảm nhẹ
khi BSA > 1.2 mg/ml.
Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của các
hạt SiO2@BSA vào lượng BSA được giải
thích như sau: như đã trình bày trong phần
mở đầu, các dung dịch hạt silica/ormosil được
chế tạo thường hơi có tính axit với pH khoảng
5 - 6, do đó dung dịch này thường bị vẩn đục
trong các môi trường có tính bazơ hoặc trung
tính do các hạt silica/ormosil bị kết đám. Lớp
BSA bao bọc hạt làm cho hạt chịu được các
môi trường có pH khác nhau và ngăn không
cho các hạt kết tụ tạo đám. Khi lượng BSA
chưa đủ để bọc kín các hạt ormosil thì các hạt
vẫn bị tụ đám làm giảm cường độ huỳnh
quang của dung dịch (so với cường độ huỳnh
quang của dung dịch các hạt ormosil được
chế tạo). Lượng BSA càng tăng thì diện tích
bề mặt hạt được bọc càng nhiều làm giảm khả
năng kết tụ dẫn tới cường độ huỳnh quang
tăng. Khi lượng BSA đủ để bọc kín bề mặt
hạt thì không còn sự kết tụ, các hạt được đơn
phân tán, do đó cường độ huỳnh quang trở
nên ổn định, không biến đổi khi lượng BSA
thay đổi.
Kết hợp cả hai đồ thị có thể rút ra kết luận về
lượng BSA cần bọc đủ cho hạt nano
silica/ormosil kích thước 100-110 nm, nồng
độ 7.1012 hạt/ml là 1,2-1,3 mg/ml. Lượng
BSA > 1,3 mg/ml sẽ gây ra sự dư thừa BSA
ảnh hưởng tới độ đồng nhất quang học của
dung dịch. Số liệu BSA này chỉ đúng với một
loại hạt với nhóm chức năng, kích thước và
nồng độ cụ thể.
Ứng dụng hạt nano silica/ormosil chứa RB
trong đánh dấu sinh học
Mẫu gắn kết E.coli O157:H7 với phức hợp
kháng thể - hạt nano ORMOSIL chứa RB
cũng được chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử
truyền qua (hình 9). Hình 9.a là ảnh vi khuẩn
E. coli O157:H7 gắn kết đặc hiệu với hạt
nano ormosil, do hạt nano bám xung quanh vi
khuẩn E. coli O157:H7 nên ảnh có mầu tối;
hình 9.b là ảnh vi khuẩn E. coli O157:H7 đối
chứng không có kháng thể đặc hiệu nên
không có hạt nano ORMOSIL xung quanh
nên ảnh có mầu sáng.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
80
90
100
110
120
130
140
150
160
C
−
ên
g
®
é
h
u
ún
h
q
u
an
g
(®
vt
y)
L−îng BSA (mg/ml)
SiO2@BSA-H20
a)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
100
110
120
130
140
150
160
C
−
ên
g
®
é
h
u
ún
h
q
u
an
g
(®
vt
y)
L−îng BSA (mg/ml)
SiO2@BSA-PBS
b)
Hình 8. a) Đồ thị cường độ huỳnh quang của SiO2@BSA với lượng BSA khác nhau trong nước
b) Đồ thị cường độ huỳnh quang của SiO2@BSA với lượng BSA khác nhau trong PBS
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
66
a)
b)
Hình 9. Ảnh TEM: a) E. coli O157:H7 + hạt nano ormosil; b) E. coli đối chứng.
550 600 650 700 750 800 850
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Cu
o
n
g
do
(dv
ty
)
Buoc song (nm)
Nuoc
Hat nano ormosil chua RB trong nuoc
PBS
PBS-Ecoli
Phuc he vi khuan E.Coli O157:H7-
hat nano ormosil trong PBS
c)
Hình 10. Trái: a) Ảnh huỳnh quang của vi khuẩn E.Coli 0157:H7 được đánh dấu bằng hạt nano ormosil
chứa tâm mầu RB chụp trên kính hiển hi huỳnh quang Ti-E Eclipse, kính vật 60x NA 1,4, kích thích bằng
vạch 480 của đèn thủy ngân; b) Ảnh huỳnh quang của 1 vi khuẩn E.Coli chụp bằng mô đun đồng tiêu C1
Plus, kích thích bằng vạch 543 nm của laser He-Ne, kính vật 60x NA 1,4.
Phải: c) Phổ huỳnh quang của hạt nano ormosil chứa RB trong nước và của vi khuẩn E.Coli 0157:H7
nhận biết bằng phức hệ kháng thể đặc hiệu vi khuẩn E.Coli 0157:H7 – hạt nano ormosil chứa RB và vi
khuẩn E.Coli trong PBS.
Hình 10 biểu diễn ảnh huỳnh quang của các vi
khuẩn E.coli O157:H7 được đánh dấu bằng
hạt nano ormosil chứa tâm mầu RB chụp trên
kính hiển vi huỳnh quang Ti-E Eclipse, kính
vật 60x NA 1,4, kích thích bằng vạch 480 của
đèn thủy ngân (hình 10b)). Các điểm sáng
mầu vàng - đỏ là các vi khuẩn được đánh dấu.
Hình 10 a) là ảnh huỳnh quang của 1 vi khuẩn
E.Coli chụp bằng mô đun đồng tiêu C1 Plus,
kích thích bằng vạch 543 nm của laser He-
Ne, kính vật 60x NA 1,4. Ảnh cắt lớp vi
khuẩn cho thấy hạt nano ormosil chỉ bám trên
bề mặt vi khuẩn đích mà không ở trong vi
khuẩn. Như vậy phức hợp kháng thể - hạt nano
chỉ gắn trên bề mặt thành tế bào theo nguyên lý
miễn dịch (kháng nguyên - kháng thể).
Hình 10 c) cho thấy các hạt nano ormosil
chứa RB trong nước có đỉnh huỳnh quang ở
578 nm (đường xanh), các hạt nano ormosil
chứa RB gắn kết với vi khuẩn E. coli
O157:H7 trong đệm PBS (đường đỏ) có đỉnh
ở 583 nm và dạng phổ là mở rộng hơn. Việc
quan sát được phổ huỳnh quang của vi khuẩn
E. coli nhận biết bằng phức hệ kháng thể đặc
hiệu vi khuẩn E. coli O157:H7 - hạt nano
ormosil cho ta cơ sở để xây dựng đường chuẩn:
cường độ phổ - số lượng vi khuẩn đích.
KẾT LUẬN
Đã chế tạo được các hạt nano ormosil pha tâm
mầu Rhodamine B (RB) dạng cầu, phân tán
trong nước, kích thước vài chục nano mét, có
các nhóm chức năng như -NH2, -SH, -OH
trên bề mặt hạt. Nghiên cứu phương pháp bọc
a)
b)
Phạm Minh Tân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 59 - 67
67
các hạt ormosil bằng protein BSA đã đưa ra
được cách xác định lượng BSA đủ để bọc hạt
với nhóm chức năng, kích thước và nồng độ
cụ thể. Các vi khuẩn E. coli O157:H7 đã được
nhận biết đặc hiệu theo phương pháp miễn
dịch huỳnh quang bằng phức hệ hạt nano -
kháng thể. Các kết quả nghiên cứu cho thấy
tiềm năng ứng dụng của hạt nano
ORMOSIL chứa tâm màu hữu cơ trong các
phân tích sinh học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. M. -Carmen Estévez, Meghan B.
O’Donoghue, Xiaolan Chen, and Weihong Tan,
Nano Res (2009) 2: 448 461
[2]. Anna Arkhireeva and John N. Hay, J. Mater.
Chem., 2003, 13, 3122–3127
[3]. Jun Qian, Xin Li, Ming Wei, Xiangwei Gao,
Zhengping Xu, and Sailing He, OPTICS
EXPRESS, Vol. 16, No. 24, (C) 2008 OSA,
published 12 Nov 2008, 19568-19578
[4]. Sehoon Kim, Tymish Y. Ohulchanskyy,
Haridas E. Pudavar, Ravindra K. Pandey, and
Paras N. Prasad, J Am Chem Soc. 2007 March 7;
129(9): 2669–2675.
[5]. A. Burns, H. Ow, and U. Wiesner, Chem. Soc.
Rev. 35, 1028–1042 (2006).
[6]. Indrajit Roy, Tymish Y. Ohulchanskyy,
Dhruba J. Bharali, Haridas E. Pudavar, Ruth A.
Mistretta, Navjot Kaur, and Paras N. Prasad, PNAS,
January 11, 2005, Vol. 102, No. 2, 279–284
[7]. Biofunctionalization of Nanomaterials,
Nanotechnologies for the Life Sciences Vol. 1,
Copyright © 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH &
Co. KGaA, Weinheim, ISBN: 3-527-31381-8
[8]. A. van Blaaderen and A. Vrij, J. Colloid
Interface Sci., 1993, 156, 1.
[9]. Nguyễn Thị Tuyến, “ Nghiên cứu chế tạo và
chức năng hóa hạt nano vàng định hướng ứng
dụng trong sinh học”, Luận văn thạc sỹ Vật lý, Hà
Nội, 2010.
[10]. Nguyễn Thị Vân, “ Chế tạo và nghiên cứu
tính chất quang của hạt nano ormosil pha tâm
màu hữu cơ dung trong đánh dấu sinh học”, Luận
văn thạc sỹ Vật lý, Hà Nội, 2009.
SUMMARY
SYNTHESIS, OPTICAL PROPERTIES OF DYE DOPED ORMOSIL
NANOPARTICLES FOR BIOLABELING APPLICATION
Pham Minh Tan1,3*, Tran Thu Trang1,3, Tran Thanh Thuy2,
Nghiem Thi Ha Lien1, Vu Thi Thuy Duong1,
Tong Kim Thuan2, Tran Hong Nhung1
1Institute of Physics, Vietnamese Academy of Science and Technology
2Institute of Biotechnology, Vietnamese Academy of Science and Technology
3College of Sciences, Thainguyen University
Dye-doped water soluble organically modified silica (ORMOSIL) nanoparticles (NPs) were
synthesized by Stöber method from Methyltriethoxysilane CH3Si(OC2H5)3 (MTEOS). The mono-
dispersed water soluble NPs having the size various from 70 to 100 nm depending on precursor,
surfactant and catalyst quantities. Each particle contains hundreds – thousands dyes and was
functionalized with bioactive ligands: NH2, SH and COOH, on the surface. The mono-dispersion
of NPs have been improved by capping by Bovin Serum Albumin (BSA). The dye doped ormosil
NPs were successfully attached to anti E.Coli 0157:H7 antibodies to form a complex ORMOSIL
NP-antibody capable to specifically recognize the target - E.Coli O157:7H bacteria. The results
show the ability of NPs as optical bioprobes.
Key words: dye-doped silica-based nanoparticles, biofunctionalisation, E.Coli O157:H7 bacteria
*
Email: phamtantn@gmail.com
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- brief_36035_39594_17120131521159_5214_2052287.pdf