Luận án Một số cơ sở vật lý của việc ứng dụng vật liệu Nano trong y học hiện đại

ợc coi là bắt đầu có hiện tượng kết đám. 2.3. Kết quả và thảo luận 2.3.1. Các đặc trưng về hình dạng và kích thước của CQD Sử dụng hệ micro - plasma trong thời gian 15 phút, chúng tôi quan sát thấy dung dịch saccarozơ trong suốt chuyển sang màu nâu nhạt. Điều này chỉ ra rằng tương 49 tác plasma - chất lỏng làm tăng cường quá trình phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm chức như -OH, -COOH và C=O chứa trong hỗn hợp tiền chất phản ứng. Các phân tử carbon có thể tự sắp xếp và phản ứng ngưng tụ xảy ra để tạo mầm và phát triển CQD một cách dễ dàng. Đồng thời sự khử nước tiền chất đã xảy ra thành công trong quá trình phản ứng. Chúng tôi lấy dung dịch cuối cùng thu được (mẫu) cho tiến hành khảo sát các đặc trưng quang và hình dạng kích thước của mẫu. Sự hình thành các CQD sau phản ứng được chứng minh rõ ràng và trực quan hơn thông qua ảnh TEM như trình bày ở Hình 2.8 (a). Kết quả này cho thấy các mẫu CQD thu được có kích thước đồng đều. Kích thước của các CQD trung bình dao động trong khoảng từ 2 nm đến hơn 3,4 nm và sự phân bố kích thước được mô tả gần đúng theo hàm Gauss được thể hiện ở Hình 2.8 (b). Điều này chứng tỏ các hạt được hình thành trong trạng thái gần như cân bằng, sự phân bố kích thước tương đối hẹp và phù hợp với công trình nghiên cứu của các tác giả khác [55]. 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 0 5 10 15 20 25 S ố h ạt Kích thước (nm) (b) Hình 2.8. (a) Ảnh TEM của CQD, (b) Sự phân bố kích thước trung bình của CQD được xác định từ ảnh TEM. Phép đo khảo sát DLS của CQD được thực hiện thông qua hai phép đo theo số hạt và theo cường độ thể hiện ở Hình 2.9. Kết quả phép đo DLS theo số hạt quan sát cho thấy khoảng 99,84 % hạt trong dung dịch tổng hợp có kích thước trung bình 50 khoảng 3 nm (đường màu đen nối các điểm hình sao). Tuy nhiên, kết quả đo DLS theo cường độ xuất hiện một đỉnh cực đại ở lân cận điểm 300 nm. Điều này chứng tỏ mẫu thu được có lẫn một số hạt carbon có kích thước khoảng 300 nm (đường màu xanh nối các điểm hình vuông). Tuy nhiên, do cường độ tán xạ tỷ lệ với bán kính hạt nhỏ, số hạt có kích thước khoảng 300 nm ước tính từ cường độ tán xạ chỉ chiếm khoảng 0,16 % so với kích thước của các hạt 3 nm xác định từ đường mô tả số hạt. Do đó, ta không nhìn thấy đỉnh ở lân cận 300 nm thể hiện trong đường mô tả sự phân bố kích thước theo số hạt. Kích thước được xác định theo DLS cũng khá tương đồng với các kết quả xác định kích thước từ ảnh TEM (xem Hình 2.8 (a)). Sự xuất hiện của các hạt carbon kích thước 300 nm có thể do sự bóc tách ở điện cực than chì khi có phản ứng điện hoá xảy ra. Mặt khác, trong quá trình phản ứng saccarozơ vẫn còn dư trong dung dịch hình thành một lớp màng saccarozơ bao phủ các CQD cũng có thể ảnh hưởng một phần đến sự phân bố kích thước của CQD. Hình 2.9. Sự phân bố kích thước theo số hạt (đường màu đen nối các điểm hình sao) và theo cường độ (đường màu xanh nối các điểm hình vuông) của CQD thu được từ phổ DLS. 51 2.3.2. Tính chất hấp thụ và quang huỳnh quang của CQD Phổ hấp thụ của các mẫu CQD đã chế tạo được thể hiện ở Hình 2.10. Trong kết quả này, các đỉnh hấp thụ vùng 230 nm không xác định được do hệ đo không khảo sát được. Trong khi đó vai hấp thụ ở bước sóng lân cận 300 nm cũng không thể hiện rõ nét cấu trúc tinh tế bờ vùng. Chúng tôi đã dùng phương pháp đạo hàm bậc hai phổ hấp thụ để xác định đỉnh hấp thụ (xem Hình 2.10). Cực trị của đạo hàm bậc hai chính là vị trí đỉnh hấp thụ của CQD. Giá trị bước sóng của đỉnh hấp thụ thu được là 302,7 nm (tương ứng với năng lượng vùng cấm là 4.09 eV). Giá trị này có sự sai lệch so với các công bố gần đây [22, 78, 148]. Điều này được lý giải là do sự khác biệt trong thành phần hoặc cấu trúc của các tiền chất chế tạo CQD khác nhau [175]. Sự hấp thụ mạnh trong vùng này là do các đóng góp của sự chuyển π-π*/σ-π* trong mạch vòng sp2 của liên kết C=C và sự chuyển n-π* của các liên kết C=O ở bề mặt hoặc những liên kết khác [77]. Hình 2.10. Phổ Abs (đường nét liền) và đạo hàm bậc hai phổ hấp thụ (đường nét đứt) của CQD. Các kết quả về đặc trưng PL của dung dịch CQD được trình bày ở Hình 2.11 và Hình 2.12. Khi được chiếu bằng ánh sáng trắng dung dịch quan sát được là màu 52 nâu nhạt (xem Hình 2.11 bên trái) và dung dịch thể hiện màu xanh khi được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng 405 nm (xem Hình 2.11 bên phải). Như được phân tích ở tính chất hấp thụ cho thấy mẫu CQD hấp thụ mạnh trong vùng bước sóng 302,7 nm nhưng phát xạ trong vùng ánh sáng xanh (xem Hình 2.11 bên phải) với đỉnh phát xạ cực đại ở bước sóng khoảng 420 nm được thể hiện ở Hình 2.12. Hình 2.11. Dung dịch CQD sau khi được kích thích bằng ánh sáng trắng (trái) và ánh sáng có bước sóng 405 nm (phải). Từ kết quả ở Hình 2.12 có thể thấy được rằng cơ chế phát quang của các CQD thu được khá giống với các QD bán dẫn, nhưng ở kết quả này vẫn có những điểm khác biệt khá rõ về đặc trưng của PL. Cụ thể hình dạng phổ PL của CQD có sự mở rộng bất đối xứng về phía bước sóng dài, độ dịch Stock tương đối lớn (trên 100 nm) và độ rộng phổ (FWHM) cũng khá lớn (trên 50 nm). Các đặc trưng này được lý giải là do sự phân bố kích thước không đồng nhất, các nhóm liên kết ở bề mặt hóa học hay các tâm bẫy phát xạ do các sai hỏng xảy ra bên trong các CQD. Điều này cho thấy những yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng PL đều thể hiện cả về mặt kích thước và các hiệu ứng bề mặt. Tuy nhiên nhờ vào đặc điểm nổi trội ở CQD là băng thông PL của chúng rộng hơn nhiều nên sự mở rộng các đỉnh phát xạ này có thể là kết quả của cấu trúc hóa học không đồng nhất [175]. Do đó chúng tôi cho rằng các tính chất này có lẽ phụ thuộc vào các nhóm liên kết ở bề mặt mạnh hơn là hiệu ứng liên quan đến kích thước, mặc dù kết quả của sự phát xạ xanh là khá phù hợp với các hạt có kích 53 thước cỡ 3 nm (như được xác định ở ảnh TEM hay phép đo DLS đã được trình bày ở trên). Hình 2.12. Phổ hấp thụ (đường nét liền) và phổ huỳnh quang chuẩn hóa cường độ (đường nét đứt) của CQD. Đây cũng là một kết quả khá thú vị khi khảo sát sự thay đổi PL ở cùng một kích thước mà vẫn có thể điều khiển được sự phát xạ ở các dải bước sóng khác nhau. Điều này rất có ý nghĩa với các ứng dụng mới trong lĩnh vực y sinh. Sự phụ thuộc của phát xạ PL vào bước sóng của ánh sáng kích thích có thể được hiểu một cách rõ ràng hơn thông qua việc phân tích đặc trưng của phát xạ trong Hình 2.13. 54 Hình 2.13. Phổ hấp thụ và phổ PL của CQD được kích thích ở các bước sóng khác nhau từ 340 nm đến 460 nm với khoảng tăng 20 nm (Hình nhỏ bên trong là phổ PL chuẩn hóa cường độ). Trong phép đo khảo sát này, chúng tôi đã thay đổi các bước sóng kích thích từ 340 nm đến 460 nm với khoảng tăng lên 20 nm. Sau khi kích thích với các bước sóng tương ứng trên quan sát thấy vị trí đỉnh PL bị dịch về phía bước sóng dài hơn từ 427 nm đến khoảng 523 nm. Kết quả này phù hợp với phép đo của các tác giả khác [82]. Sự phụ thuộc của các đặc trưng PL vào bước sóng kích thích của CQD nói chung là do ảnh hưởng của kích thước hạt cũng như trạng thái bề mặt [153]. Bên cạnh đó với sự dịch đỏ của vị trí đỉnh PL, thay đổi cường độ PL là do sự tương tác giữa nguồn kích thích và mẫu CQD. Sự dịch vị trí đỉnh phát xạ của PL về bước sóng dài phụ thuộc tuyến tính vào bước sóng kích thích (xem Hình 2.14) theo phương trình 142,1 0,83PL kt   , (2.5) trong đó PL là bước sóng phát xạ huỳnh quang, kt là bước sóng kích thích huỳnh quang. Hệ số xác định độ tuyến tính 2 0,996x R  cho thấy mức độ phụ thuộc tuyến tính của PL theo kt là 99,6 % được xác định từ phần mềm. 55 Hình 2.14. Bước sóng phát xạ của CQD phụ thuộc vào bước sóng kích thích khác nhau từ 340 nm đến 460 nm với khoảng tăng 20 nm. Sự phụ thuộc vào bước sóng kích thích của các đặc trưng phát xạ có thể được giải thích là do sự hình thành các nhóm chức khác nhau ở bề mặt (C-O, C=O, C-O-C) [171]. Hơn nữa các kết quả này rất thuận lợi trong việc kiểm soát vị trí đỉnh phát xạ và màu sắc cho những ứng dụng hiện ảnh càng tiện lợi, điều khiển dễ hơn [110]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu vấn đề truyền năng lượng huỳnh quang là cần thiết cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Việc xây dựng mô hình lý thuyết liên quan đến sự tăng cường huỳnh quang là rất đáng quan tâm do có thể giải thích được cơ chế vật lý, từ đó có thể giúp cho việc ứng dụng được thuận lợi hơn. Gần đây việc nghiên cứu ứng dụng các tín hiệu huỳnh quang trong y sinh đã được nghiên cứu nhiều. Chẳng hạn như nghiên cứu xác định sự tương phản huỳnh quang khi tiêm CQD vào chuột, hay truyền năng lượng huỳnh quang tăng cường hiệu ứng quang nhiệt [23], hay dựa vào tín hiệu huỳnh quang để theo dõi đáp ứng của liệu pháp quang nhiệt trong điều trị ung thư tiền liệt tuyến [132]. Các lý thuyết và mô hình vật lý liên quan đến việc truyền năng lượng huỳnh quang sẽ được chúng tôi trình bày chi tiết ở chương tiếp theo. 56 Kết luận chương 2 Chương này đã trình bày về công nghệ chế tạo, đặc trưng quang học và tiềm năng ứng dụng của CQD. Đồng thời chúng tôi tổng hợp chi tiết quy trình công nghệ chế tạo CQD dựa trên tương tác plasma - chất lỏng. Đây là phương pháp thực nghiệm có nhiều ưu điểm như độ tinh khiết cao, thân thiện, chế tạo nhanh, sản xuất dễ dàng trên quy mô lớn. Chúng tôi chế tạo thành công CQD bằng phương pháp điện hóa ở điều kiện áp suất không khí trong tương tác plasma với dung dịch saccarozơ. Nồng độ dung môi NaOH ít hơn 100 lần so với các phương pháp thông thường. Các CQD thu được khá đồng nhất với kích thước trung bình khoảng 3 nm. Bên cạnh đó mẫu chỉ chứa khoảng 0,16% hạt carbon kích thước 300 nm chứng tỏ mẫu chúng tôi thu được tương đối là sạch. Các đặc trưng hấp thụ và huỳnh quang của CQD cũng đã được khảo sát chi tiết. Mẫu CQD thu được có đỉnh hấp thụ 302,7 nm, phát xạ ánh sáng xanh, đỉnh phát xạ 420 nm, đỉnh phát quang của CQD phụ thuộc tuyến tính vào các bước sóng kích thích. Cơ chế phát quang của CQD phụ thuộc tuyến tính vào các bước sóng kích thích khác nhau được lý giải là do sự hình thành các nhóm chức khác nhau ở bề mặt. Chính nhờ mối liên hệ này nên ta có thể điều khiển vị trí đỉnh và cường độ phát xạ chỉ bằng cách thay đổi bước sóng kích thích. Kết quả này có ý nghĩa khá quan trọng cho các ứng dụng khác nhau của loại vật liệu này, đặc biệt là các tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. CQD có ưu thế hơn QD khác trong những ứng dụng y sinh. Đối với các QD khác để thay đổi bước sóng phát xạ rất phức tạp, cần phải thay đổi kích thước, hình dạng và thành phần hạt, nhưng đối với CQD chỉ cần thay đổi bước sóng kích thích. Điều này cho thấy ưu điểm của CQD khi mà được đưa vào cơ thể sống, chúng ta có thể điều khiển màu sắc hiện ảnh hay truyền năng lượng (hiệu ứng nhiệt) khi chỉ cần thay đổi bước sóng kích thích. 57 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA CƠ CHẾ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NANO VÀNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về hạt nano vàng và xây dựng hai mô hình về cơ chế truyền năng lượng. Đồng thời biện luận, đề xuất những định hướng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị. Phương pháp nghiên cứu chính để xây dựng mô hình truyền năng lượng phụ thuộc kích thước GNP dựa trên các lý thuyết về truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang và việc áp dụng quy tắc vàng Fermi cho các cơ chế truyền năng lượng. Ngoài các phương pháp trên chúng tôi còn dựa trên lý thuyết thống nhất về truyền năng lượng và sử dụng tính tương đồng giữa các biểu thức tính toán truyền năng lượng với các số hạng trong lý thuyết thống nhất, để nghiên cứu xây dựng mô hình cho sự phụ thuộc vào nồng độ GNP của cường độ huỳnh quang. Từ mô hình đề xuất chúng tôi biện luận ý nghĩa của các số hạng với các cơ chế truyền năng lượng khác nhau, phù hợp với bản chất của GNP. Các kết quả của mô hình lý thuyết xây dựng được đối chiếu so sánh với kết quả dữ liệu thực nghiệm của các tác giả khác để rút ra kết luận về tính đúng đắn của mô hình đề xuất. 3.1. Hạt nano vàng 3.1.1. Giới thiệu về hạt nano vàng Vật liệu có kích thước nằm trong khoảng từ 1 - 100 nm thường được hiểu chung là vật liệu nano. Để có thể hình dung được một cách trực quan về vật liệu có cấu trúc nano, ta có thể so sánh với các đối tượng thực thể trên thang đo nanomet như Hình 3.1 [90]. Ta có thể thấy kích thước các hạt nano nhỏ hơn tế bào con người, đồng thời kích thước khá tương đồng với kích thước phân tử ở cấp độ tế bào. Với kích thước độc đáo này, các thiết bị nano hay biến tử nano có thể thâm nhập vào bên trong tế bào để dò protein hoặc DNA bên trong hay bên ngoài tế bào. Trong các ứng dụng y sinh, GNP được đặc biệt chú ý nhờ vào tính chất hóa học, điện và quang học cùng với khả năng tương thích sinh học của chúng. 58 Hình 3.1. Sơ đồ minh họa kích thước của một số thực thể ở thang đo nm [90]. Hạt nano có những tính chất khác nổi trội hơn so với vật liệu khối do hai hiệu ứng cơ bản là hiệu ứng giam giữ lượng tử đối với các hạt tải điện, phonon và hiệu ứng bề mặt [90]. Trong các vật liệu khối thì bán kính các hạt lớn hơn rất nhiều so với bán kính Bohr của exciton do vậy khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là gần như không đổi. Còn đối với vật liệu nano khi kích thước xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử, tức là các trạng thái điện tử hay các trạng thái dao động đều bị lượng tử hóa. Năng lượng vùng cấm sẽ bị thay đổi khi kích thước của hạt nano thay đổi [62]. Cụ thể, độ rộng vùng cấm tăng lên khi kích thước của hạt nano giảm (xem Hình 3.2). Mặt khác, hạt nano có kích thước nhỏ nên tỷ số giữa số nguyên tử nằm trên bề mặt và số nguyên tử trên cả hạt nano rất lớn. Do đó, khả năng hấp thụ và độ hoạt động bề mặt của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu khối dẫn đến những ảnh hưởng đáng kể đến các cấu trúc tinh thể của hạt và hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử [54, 134, 162, 168]. Những hiệu ứng đặc trưng của vật liệu nano đã dẫn đến những tính chất hóa lý mới lạ và hứa hẹn những ứng dụng hữu ích. 59 Hình 3.2. Minh họa cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu khối và vật liệu nano. Khi kích thước hạt nano giảm thì năng lượng vùng cấm tăng lên [134]. Các công trình nghiên cứu gần đây cho thấy vai trò quan trọng của vật liệu nano đối với quá trình phát triển của khoa học và công nghệ nano [31, 170]. Trong số các loại vật liệu nano, các hạt nano kim loại đặc biệt là GNP đã được ứng dụng nhiều trong điều trị, phát hiện, chẩn đoán, đánh dấu sinh học, phân phối thuốc [163, 167], cảm biến hóa học, sinh học, hình ảnh [162], quang học phi tuyến, quang điện và quang xúc tác [4, 14]. Các tính năng ưu việt của GNP bao gồm hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance - SPR), đỉnh cộng hưởng plasmon nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy, hệ số hấp thụ tia X cao, có thể kiểm soát chính xác các đặc tính lý hóa của hạt [165], có thể điều khiển tính chất quang [167], ít độc tính, ái lực liên kết mạnh với thiol, disulfua và amin [34]. Chính vì vậy, nghiên cứu về GNP hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị. GNP vẫn đang được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhờ tính chất bề mặt độc đáo của chúng, đó là hiện tượng SPR. Đây chính là đặc trưng để phân biệt GNP với các loại nano khác như QD bán dẫn, hạt nano từ tính và polymer. Hiện tượng SPR làm thay đổi và tăng cường các tính chất như bức xạ, hấp thụ, tán xạ rất hữu ích cho chụp ảnh phân tử [177, 178]. Hiện tượng SPR xảy ra trong một số loại Vật liệu khối Hạt nano Năng lượng Vùng dẫn Vùng hóa trị Kích thước hạt giảm dần Vùng cấm 60 vật liệu nano như các nano vàng dạng thanh (nanorod), nano vàng bọc silica hay nano vàng rỗng ruột được ứng dụng trong điều trị ung thư bằng quang nhiệt do chúng có thuộc tính dịch chuyển đỏ, dịch chuyển ánh sáng về vùng tần số thấp [54, 145, 176, 178]. 3.1.2. Một số tính chất đặc trưng 3.1.2.1. Cộng hưởng plasmon bề mặt Cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng các điện tử tự do dao động với biên độ cực đại dưới tác dụng của trường điện ánh sáng [68, 71, 108]. Bên cạnh đó cụm từ plasmon - polariton được định nghĩa là dao động của các điện tử tự do ở bề mặt của kim loại khi bị ánh sáng kích thích. Khi chiếu ánh sáng lên kim loại thì trường điện từ của ánh sáng làm cho các electron tự do của kim loại dao động. Sự dao động electron trên bề mặt kim loại gây ra sự tách điện tích đối với mạng ion, tạo thành một dao động lưỡng cực dọc theo hướng của điện trường ánh sáng (Hình 3.3. (a)). Trường điện của ánh sáng tới gây ra sự dao động tập thể đồng pha của các electron dẫn tương ứng với lõi kim loại tích điện dương. Dao động lưỡng cực này cộng hưởng với ánh sáng tới tại một tần số xác định phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt. Hình 3.3. (a) Sơ đồ minh họa về sự cộng hưởng plasmon bề mặt trong các hạt nano kim loại; (b) Phổ Abs của các GNP có kích thước khác nhau [88]. 61 SPR tạo ra sự hấp thụ mạnh ánh sáng tới nên ta có thể dùng máy đo quang phổ UV - Vis để nghiên cứu các đặc trưng của chúng [141, 156]. Dải SPR của các hạt nano plasmonic (kim loại quý, đặc biệt là Au và Ag) mạnh hơn rất nhiều so với các kim loại khác. Theo lý thuyết Mie, cường độ và bước sóng của SPR phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ điện tích trên bề mặt hạt như bản chất kim loại, kích thước, hình dạng, cấu trúc của hạt và hằng số điện môi của môi trường [9]. Đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn 20 nm thì hiện tượng SPR có thể được giải thích theo phương trình đơn giản sau đây [62, 68, 71, 89, 90, 108]   2 3 3/2 ex 2 2 24 , 2 m i t r m i r C           EQ UATION CHAP TER (N EXT) SEC TION 1(3.1) trong đó r là bán kính hạt, Cext là tiết diện dập tắt có liên quan đến hệ số dập tắt qua công thức 310 2.303 A extN C   , (3.2) với  là bước sóng của ánh sáng tới, AN là số Avogardro, ε là hằng số điện môi của kim loại được tính bằng công thức ,( ) ( )r ii     (3.3) trong đó  r  là phần thực,  i  là phần ảo của hàm điện môi của kim loại, ( )m  là hằng số điện môi của môi trường xung quanh có liên quan đến chiết suất của môi trường 2 m mn  . (3.4) Phần thực của hằng số điện môi của kim loại xác định vị trí SPR và phần ảo xác định bằng băng thông, tức là dựa vào độ lệch pha giữa tần số cao nhất và thấp nhất của SPR. Sự cộng hưởng SPR xảy ra khi r nhỏ và không phụ thuộc vào  [42] 2r m   . (3.5) Chứng tỏ rằng khi tiết diện dập tắt có giá trị lớn nhất thì toàn bộ năng lượng của ánh sáng sẽ được dùng để kích thích sóng plasmon trong hạt kim loại. 62 GNP, bạc và đồng có các dải SPR ở vùng ánh sáng nhìn thấy trong khi các kim loại khác có dải SPR rộng và yếu trong vùng tử ngoại [28, 35]. Dải SPR của GNP có giá trị khoảng 520 nm và bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt [88] (xem Hình 3.3 (b)). Việc tăng kích thước hạt sẽ làm bước sóng của plasmon bề mặt dịch chuyển đỏ nghĩa là các dao động plasmon sẽ có bước sóng lớn hơn. Đối với các hạt có kích thước lớn hơn 100 nm thì băng thông sẽ được mở rộng do sự đóng góp quan trọng từ electron dao động bậc cao. 3.1.2.2. Hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt Sự mất năng lượng sóng điện từ sau khi ánh sáng đi qua môi trường vật chất là kết quả đóng góp của hai quá trình hấp thụ và tán xạ. Sự hấp thụ ánh sáng là kết quả của quá trình không đàn hồi khi năng lượng photon bị dập tắt. Sự tán xạ ánh sáng xảy ra khi năng lượng photon đủ lớn làm cho các electron trong vật chất dao động, phát ra photon dưới dạng ánh sáng tán xạ có cùng tần số với ánh sáng tới (tán xạ Rayleigh) hoặc tại một tần số thay đổi (tán xạ Raman). Sự thay đổi tần số tương ứng với sự khác biệt năng lượng gây nên các loại chuyển động của các phân tử trong vật chất tương ứng, tùy thuộc vào giá trị năng lượng mà ta có liên kết phân tử quay, kéo dài hoặc rung. Do có dao động SPR, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng của vàng được tăng cường với cường độ mạnh hơn năm đến sáu lần độ hấp thụ mạnh nhất đo được của phân tử chất màu hữu cơ và phát xạ mạnh nhất của phân tử huỳnh quang [60]. Việc tính toán sự hấp thụ, tán xạ và hệ số dập tắt của GNP trong các kích cỡ khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng các lý thuyết Mie [108]. 63 Hình 3.4. Sự phụ thuộc hiệu suất theo bước sóng đối với kích thước (a) 20 nm; (b) 40 nm; (c) 80 nm. Đường màu xanh lá cây là quá trình hấp thụ, đường màu đỏ nét đứt là quá trình tán xạ, đường màu đen nét đứt là hệ số dập tắt. (d) Sự phụ thuộc của tỷ lệ tiết diện tán xạ và tiết diện dập tắt vào kích thước [60]. Hình 3.4 mô tả kết quả tính toán của El - Sayed và đồng nghiệp dựa trên lý thuyết Mie, cho thấy sự hấp thụ và tán xạ quang học phần lớn phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano [60, 75]. Đối với GNP có kích thước 20 nm, sự dập tắt hoàn toàn gần như do quá trình sự hấp thụ [60] (Hình 3.4 (a)). Khi kích thước tăng lên 40 nm, sự tán xạ bắt đầu xuất hiện (Hình 3.4 (b)). Khi kích thước tăng lên 80 nm, sự dập tắt được đóng góp bởi sự hấp thụ và tán xạ ở mức độ tương tự (Hình 3.4 (c)). Từ mối quan hệ định lượng (Hình 3.4 (d)), ta có thể thấy rằng tỷ lệ tiết diện tán xạ so với tiết H iệ u s u ất H iệ u s u ất H iệ u s u ất H iệ u s u ất Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) 64 diện dập tắt tăng đáng kể đối với kích thước hạt lớn hơn. Đặc tính này có thể được sử dụng trong việc lựa chọn loại GNP phù hợp cho các ứng dụng y sinh khác nhau. Đối với kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh, chúng ta nên chọn hạt nano có kích thước lớn vì chúng có hiệu suất tán xạ cao hơn. Đối với điều trị quang nhiệt thì ta nên sử dụng các hạt nano nhỏ hơn vì ứng dụng chủ yếu của các hạt là hấp thụ ánh sáng và chuyển thành nhiệt để phá hủy tế bào và mô. 3.1.2.3. Thuộc tính không bức xạ Ngoài các đặc tính tăng cường và có thể điều chỉnh bức xạ, chủ yếu là tán xạ ánh sáng hữu ích cho hình ảnh quang học, GNP có thể chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt bằng các quá trình không bức xạ [33, 89-92]. Về cơ bản quá trình truyền năng lượng bắt đầu bởi sự mất pha nhanh của các electron kết hợp (trong khoảng thời gian cỡ fs) thông qua quá trình va chạm electron - electron dẫn đến các electron có nhiệt độ cao tới 1000 K. Sau đó, electron truyền năng lượng tới phonon bằng tương tác electron - phonon trong khoảng 0,5 - 1 ps, kết quả làm cho nhiệt độ của hệ tăng lên vài chục độ. Quá trình hồi phục electron - phonon không phụ thuộc vào kích thước, hình dạng cũng như phương truyền [86]. Tùy thuộc vào năng lượng nhiệt của các hạt tải điện tích lũy, có thể xảy ra ba quá trình tiếp theo: thứ nhất, làm nóng bộ phận môi trường xung quanh; thứ hai, tạo nên sự tan chảy của hạt cũng như thay đổi cấu trúc hạt, chẳng hạn như khi sử dụng laser 800 nm trong khoảng 100 fs hay laser năng lượng cao trong thời gian 7 ns thì nano dạng thanh (nanorod) bị tan chảy phân mảnh thành các quả cầu nhỏ hơn [86, 87]; thứ ba, gây nên sự cắt bỏ hạt trong một khoảng thời gian rất ngắn cỡ hàng trăm femto giây, đây là lợi thế được sử dụng để tạo ra nhiệt để chữa bệnh ung thư. Thông thường, khi ta sử dụng sóng laser liên tục thì quá trình vật lý xảy ra chủ yếu là làm tản nhiệt từ hạt gây nóng môi trường xung quanh, còn nếu ta sử dụng xung laser năng lượng cao thì thường gây ra sự thay đổi cấu trúc hạt và cắt bỏ hạt do lượng nhiệt tạo ra rất lớn trong thời gian rất ngắn. 65 Hình 3.5. Sự tương tác trường gần với một bề mặt kim loại mỏng [74]. 3.1.3. Truyền năng lượng huỳnh quang Quá trình truyền năng lượng huỳnh quang là một quá trình phức tạp trong đó có sự chuyển đổi năng lượng giữa các phân tử huỳnh quang thông qua các quá trình không bức xạ. Chúng ta sẽ khảo sát quá trình truyền năng lượng này theo cách tiếp cận của Perrin [120]. Khảo sát quá trình truyền năng lượng giữa hai phân tử chất màu hữu cơ, trong đó một phân tử phát quang truyền năng lượng huỳnh quang (gọi là D) cho một phân tử gần đó có mức năng lượng thấp hơn (gọi là A). Lý thuyết của Perrin xem tương tác giữa các phân tử chất cho và chất nhận như là tương tác trường gần giữa các lưỡng cực điện. Tốc độ truyền năng lượng Ek được tính toán dựa trên quy tắc vàng Fermi, xác định gần đúng bằng biểu thức [121] E D Ak G G , (3.6) trong đó DG và AG là các yếu tố tương tác của D và A [36, 164]. Các yếu tố tương tác này có thể được đơn giản hóa như vậy là do khoảng cách R ảnh hưởng lên sự sắp xếp hình học của chúng. Chẳng hạn, đối với lưỡng cực đơn thì 31/G R , đối với 66 lưỡng cực phẳng hai chiều thì 1/G R và đối với lưỡng cực ba chiều thì G không đổi, sao cho độ lớn của các yếu tố tương tác giảm khi kích thước tăng lên. 3.1.3.1. Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang - FRET Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang - FRET lần đầu tiên được Perrin phát hiện vào năm 1912, khi xem xét hiện tượng tương tác giữa các phân tử trong không gian x