1. GIỚI THIỆU

Vật liệu tinh thể quang tử (Photonic Crystals, PCs) là một loại vật liệu nhân tạo có cấu trúc không gian tuần hoàn ở cấp độ nano hoặc vi mô, được thiết kế để điều khiển sự lan truyền của sóng ánh sáng. Cấu trúc dạng này sẽ ảnh hưởng đến chuyển động của electron. PCs có thể kiểm soát các đặc tính của ánh sáng như: bước sóng, hướng truyền, độ phân cực, mật độ quang phổ. Trong PCs có dạng vật liệu tinh thể quang tử kiểu opal (Opal Photonic Crystals, OPCs), và trong OPCs có dạng vật liệu tinh thể quang tử cấu trúc đảo (Inveser Opal Photonic Crystals, IOPCs), đây đều là những loại vật liệu mới ở Việt Nam [1].

Bệnh võng mạc đái tháo đường là nguyên nhân chính gây ra mù loà ở các nước phát triển và dần trở nên phổ biến ở các nước đang phát triển. Theo các nghiên cứu y học, nồng độ của lipocalin (LCN) trong nước mắt người bình thường là khoảng 1-2 mg/mL, còn nồng độ của lipocalin của bệnh nhân mắc bệnh võng mạc đái tháo đường là trên 2 mg/mL [2].   

Một vài nghiên cứu vật liệu PCs đã được công bố như phân bố chấm lượng tử lên PCs, nhuộm huỳnh quang PCs, thay đổi kích thước hạt để thay đổi vùng cấm quang PCs...[3]. Tuy nhiên, ở Việt Nam hầu như chưa có công bố nào về việc chế tạo vật liệu PCs để định hướng phát hiện bệnh võng mạc đái tháo đường. Do vậy nghiên cứu này sẽ chế tạo vật liệu PCs dạng IOPCs, và bước đầu thử nghiệm phát hiện lipocalin trong mẫu nước mắt giả định.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất, thiết bị, quy trình thí nghiệm

Các loại hóa chất sử dụng bao gồm: sub-micron SiO₂, polyethyleneglycol diacrylate (PEGDA), 3-aminopropyl triethoxy silane 99% (APTES), buffered oxide etchant (BOE),... Thiết bị bao gồm: máy ly tâm 800-1 Centrifugal Machine, máy siêu âm Ultrasonic Steri-Cleaner, máy trộn xoáy Voatex Genie 2.

Quy trình chế tạo tinh thể quang tử dạng PCs và IOPCs được mô tả tóm tắt trên Hình 1. Vật liệu IOPCs được hình thành từ PCs bằng cách dùng BOE để loại bỏ các hạt SiO₂ trong tinh thể, chỉ để lại các lỗ trống và cấu trúc của PEGDA (các hạt SiO₂ trong PCs sẽ bị ăn mòn bởi BOE trong quá trình chế tạo IOPCs).

Quy trình gắn lipocalin (LCN) được mô tả tóm tắt trên Hình 2.

 

Hình 2: Sơ đồ quy trình gắn lipocalin (LCN) lên vật liệu IOPCs

2.2. Khảo sát các tính chất vật liệu

Vật liệu PCs, IOPCs sau chế tạo và sau khi gắn lipocalin được đem chụp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi Regulus 8100, đo khả năng phản xạ quang bằng thiết bị Raman LabRAM HR800 (tại Viện Vật lý, Viện HLKH&CN VN), đo phổ hồng ngoại trên thiết bị đo hồng ngoại Fourier FTIR-SPEC2 (tại Viện Hóa học, Viện HLKH&CN VN).

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. Kết quả hình thái bề mặt vật liệu

Hình 3a. Ảnh SEM của PCs SiO₂

 

Hình 3b. Ảnh SEM của IOPCs PEGDA

Ảnh SEM của các vật liệu PCs và IOPCs, được mô tả ở Hình 3. Từ Hình 3a có thể thấy, các hạt SiO₂ trong PCs có kích thước khoảng 300 nm được sắp xếp theo cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt 2 chiều, dạng thu được là tinh thể quang tử 2D.

Ở Hình 3b, ảnh SEM của IOPCs. Trong hình có một vài khiếm khuyết kẽ hẹp. Các kẽ này là kết quả của một số tạp chất nằm ở vị trí kẽ, hoặc do một vài SiO₂ không nằm đúng vị trí ô mạng.

3.2. Kết quả đo khả năng phản xạ quang của vật liệu

Vật liệu được đo khả năng phản xạ quang học bằng thiết bị Raman, kết quả được thể hiện trên Hình 4.

 

Hình 4. Kết quả phản xạ quang của vật liệu PCs và IOPCs bằng phương pháp Raman

Từ Hình 4 có thể thấy vật liệu PCs đã chế tạo có bước sóng bức xạ cực đại thu được thực tế là 665 nm, lệch một chút so với giá trị lý thuyết (bước sóng ánh sáng của PCs theo lý thuyết là 675 nm), điều này có thể được giải thích vì hạt SiO₂ trong quá trình chế tạo không đồng đều về kích thước. Tuy nhiên, với bước sóng 665 nm thu được hoàn toàn phù hợp với ánh sáng màu đỏ mà vật liệu phát ra khi chụp bằng điện thoại. Đối với vật liệu IOPCs có bước sóng cực đại thu được (563 nm) nhỏ hơn bước sóng cực đại của vật liệu PCs, do đó vật liệu IOPCs có ánh sáng màu lục, điều này phù hợp với kết quả hình thái vật liệu là kích thước các lỗ trống trong IOPCs nhỏ hơn kích thước các hạt SiO₂.

Như vậy vật liệu cả hai loại vật liệu PCs và IOPCs đều có tính quang học tuân theo hiện tượng phản xạ ánh sáng. Trong đó vật liệu PCs có xu hướng dịch chuyển về bước sóng dài còn vật liệu IOPCs lại có xu hướng dịch chuyển về bước sóng ngắn, điều này gây ra sự thay đổi về màu sắc quang tử của vật liệu, ứng với PCs SiO₂ có màu đỏ và IOPCs PEGDA có màu lục.

3.3. Khảo sát khả năng phát hiện lipocalin

Vật liệu sau khi chế tạo, được gắn APTES lên bề mặt IOPCs, tiếp tục gắn thêm các kháng thể mAb và pAb (mouse anti-lipocalin monoclonal IgG, rabbit anti-lipocalin polyclonal IgG), cuối cùng gắn lipocalin. Để kiểm tra kết quả của quá trình trên, vật liệu sau khi gắn đã được chụp phổ IR, chụp huỳnh quang bằng kính hiển vi quang học, và đo phản xạ quang bằng phương pháp Raman.

Kết quả chụp phổ IR của quá trình được thể hiện trên Hình 5.

 

Hình 5. Kết quả chụp phổ IR của vật liệu đã gắn lipocalin 0,003 µg/µL

Phổ IR cho thấy trong vật liệu đã xuất hiện các peak ứng với các loại liên kết cần có trong hợp chất chế tạo, thể hiện ở số sóng trong các vùng như: ν_as,C-H = 2972cm^-1, ν_s,C-H = 2901cm^-1, ν_C=C = 1646cm^-1, ν_s,C-O-C = 1033cm^-1, ν_C=O =1718cm^-1, δ_CH2 = 1242-1395cm^-1, δ_C-H = 938cm^-1, ν_as,N-H = 3672cm^-1, ν_s,N-H = 3611cm^-1, δ_s,N-H = 851-938 cm^-1, δ_O-H = 1449cm^-1_. Vật liệu còn độ ẩm nên có cả số sóng của liên kết O-H trong nước ν_O-H = 3749cm^-1. Liên kết của APTES và PEGDA được khẳng định bằng sự xuất hiện các peak ở số sóng ν_C-O = 1250 cm^-1 và ν_O-Si-O = 751 cm^-1 do các APTES đơn lẻ sẽ liên kết với nhau. Sự xuất hiện số sóng của các nhóm -NH và -C=O trong phổ IR đã chứng minh rằng có tồn tại các liên kết amit đặc trưng cho các protein bao gồm kháng thể (mAb, pAb) và lipocalin, tương ứng có cường độ truyền quang rõ rệt.

Kết quả chụp huỳnh quang cho thấy nồng độ lipocalin tăng dần độ phát sáng tăng. Nồng độ lipocalin 0,03 µg/µL có diện tích sáng cao gấp ba lần so với lipocalin 0,02 µg/µL và gấp bốn lần so với lipocalin 0,01 µg/µL. Đối với lipocalin 0,01 µg/µL có diện tích sáng nhỏ hơn lipocalin 0,02 µg/µL 1,112 %. Như vậy, nồng độ lipocalin càng lớn thì khả năng lipocalin bám vào vật liệu cũng tăng lên, làm diện tích sáng tăng lên.

4. KẾT LUẬN

Nghiên cứu đã chế tạo được tinh thể quang tử PCs SiO₂ và IOPCs PEGDA. Đã gắn thành công các kháng thể (mAb, pAb) và lipocalin lên vật liệu IOPCs bằng phương pháp ELISA sandwich. Vật liệu chế tạo được kiểm tra tính chất bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Khả năng phát hiện lipocalin của vật liệu được chứng minh bằng chụp phổ IR, đo huỳnh quang bằng kính hiển vi quang học, và đo phản xạ quang bằng phương pháp Raman. Kết quả cho thấy vật liệu IOPCs có thể được dùng để phát hiện được định tính (và định lượng bước đầu) chất lipocalin trong mẫu nước mắt người bệnh võng mạc đái tháo đường.

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO