(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu tính chất Plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM VŨ VĂN HUY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PLASMONIC CỦA CẤU TRÚC NANO TÍCH HỢP CHO ỨNG DỤNG QUANG NHIỆT VÀ CẢM BIẾN SINH HỌC BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thái Nguyên 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM VŨ VĂN HUY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PLASMONIC CỦA CẤU TRÚC NANO TÍCH HỢP CHO ỨNG DỤNG QUANG NHIỆT VÀ CẢM BIẾN SINH HỌC BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH SỐ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Thị Nga PGS TS Chu Việt Hà Thái Nguyên 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Đỗ Thị Nga PGS TS Chu Việt Hà Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực, chưa tác giả cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Thái nguyên, ngày 10 tháng năm 2021 Học viên Vũ Văn Huy ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành tới TS Đỗ Thị Nga PGS.TS Chu Việt Hà, tận tình định hướng, dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tập thể thầy giáo Khoa Vật Lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên truyền đạt cho kiến thức chuyên môn vững vàng với kinh nghiệm quý giá, để giúp tơi có kiến thức, kinh nghiệm thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến Trường Cao đẳng Dược Trung ương Hải Dương quan nơi làm việc tạo điều kiện thuận lợi, để tơi hồn thành việc học tập nghiên cứu thời gian vừa qua Xin cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ủng hộ giúp đỡ thời gian vừa qua để tơi hồn thành tốt việc tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Thái nguyên, ngày 10 tháng năm 2021 Học viên Vũ Văn Huy iii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Danh mục từ viết tắt ký hiệu vi Danh mục hình vẽ đồ thị vii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 4 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tính chất plasmonic cấu trúc nano kim loại 1.1.1 Hiệu ứng plasmon bề mặt – tính chất plasmonic cấu trúc nano kim loại 1.1.2 Tần số cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào hình dạng cấu trúc nano kim loại 1.2 Tính 1.3 chất phân tử protein BSA 10 13 Một số ứng dụng plasmonic quang nhiệt, cảm biến sinh học chẩn đoán iv 14 1.3.1 Hiệu ứng quang nhiệt 14 1.3.2 Cảm biến sinh học dựa vào tập hợp 16 1.3.3 Thước Plasmon 16 1.3.4 Tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS) 17 1.3 Đánh giá khả ứng dụng vật liệu plasmonic 18 1.4 Kết luận 19 Chƣơng 2: LÝ THUYẾT MIE VÀ GẦN ĐÚNG MÔI TRƢỜNG 20 HIỆU DỤNG 2.1 Tổng quan lý thuyết Mie cho tính chất quang cấu trúc 20 nano 2.2 Gần môi trường hiệu dụng 24 2.3 Kết luận 28 Chƣơng 3: TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC NANO KIM 29 LOẠI HỢP VỚI PROTEIN BSA 3.1 Mô hình lý thuyết sở cho tính chất quang cấu trúc nano tích hợp 29 3.2 Kết tính số cho tính chất quang hệ dây nano bạc – protein 31 BSA 3.2.1 Hệ số điện môi protein BSA 31 3.2.2 Tính chất quang dây nano bạc bọc protein BSA 32 3.3 Giải thích tính chất quang cấu trúc nano tích hợp lý thuyết Mie – Gans 36 3.4 Kết luận 39 KẾT LUẬN 40 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC: Code chƣơng trình Mathematica để tính phổ quang học dây nano bạc bọc protein BSA v 46 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt Tên đầy đủ BSA Bovine serum albumin (còn gọi albumin huyết bò) SP LSPR Surface Plasmon (Plasmon bề mặt) Localized Surface Plasmon Resonance ( cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ) ADN acid deoxyribonucleic (vật chất mang thông tin di truyền) FRET Fluorescence Resonance Energy Transfer (hiệu ứng truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang) SERS Surface Enhanced Raman Scattering (Tán xạ Raman tăng cường bề mặt) ATP Adenosin Triphosphat (nguồn lương cung cấp cho tế bào) EGFR Epidermal Growth Factor Receptor (thụ thể có yếu tố tăng trưởng biểu bì - dạng đột biến gen thường gặp người mắc bệnh ung thư phổi) UV-VIS Ultra violet – Visible (Vùng ánh sáng nhìn thấy – tử ngoại gần) vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Minh họa cộng hưởng plasmon bề mặt nano kim loại Hình 1.2 Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon nano vàng Hình 1.3 Phân bố cường độ trường định xứ cho nano (ii) nano hình (iii), so với hình cầu (i) điều kiện kích thích hai bước sóng khác Hình 1.4 Minh họa tính chất tứ cực (b) sáu cực (c) LSPR nano so với lưỡng cực (a) phân bố cường độ trường EM tương ứng Hình 1.5 Minh họa hạt nano kim loại với hàm điện môi 1 đặt mơi trường có hàm điện mơi 2 Hình 1.6 Cấu trúc phân tử BSA Hình 1.7 Minh họa phân tử protein BSA hấp phụ lên bề mặt hạt nano tạo thành hệ hạt nano cấu trúc lõi/vỏ Hình 2.1 Quang phổ dập tắt hạt keo nano vàng kích thước 50 nm nước (đường màu đỏ) so sánh phù hợp với lý thuyết Mie Hình 2.2 Biểu diễn vectơ điện thể tích hình cầu chứa hạt kim loại mơi trường điện mơi Hình 3.1 Minh họa giản đồ cho hình ảnh từ xuống (a) hình chiếu bên (b) mơ hình lõi-vỏ cho dây nano kim loại tích hợp protein Hình 3.2 Sự phụ thuộc phần thực hàm điện môi εprotein BSA vào vii bước sóng Hình 3.3 Sự phụ thuộc phần ảo hàm điện môi εprotein BSA vào bước sóng Hình 3.4 Phổ hấp thụ dây nano bạc dài vơ hạn, đường kính 20 nm, hệ số lấp đầy f = Hình 3.5 Hiệu suất hấp thụ dây nano bạc nước với hấp phụ khác protein BSA bề mặt Đường kính hình trụ bạc phép tính 20 nm Hình 3.6 Hiệu suất dập tắt dây nano bạc nước với hấp phụ khác protein BSA bề mặt Đường kính hình trụ bạc phép tính 20 nm Hình 3.7 Sự phụ thuộc bước sóng cộng hưởng liên kết dây nano bạc – protein BSA vào hệ số lấp đầy Hình 3.8 Minh họa dạng hình cầu dài Hình 3.9 Hiệu suất dập tắt dây nano vàng nước với hấp phụ khác protein BSA bề mặt Đường kính hình trụ vàng phép tính 20 nm viii ix 24] Chúng ta biết, nano kim loại, tồn hai cực đại dao động phổ hấp thụ; mode dao động plasmon ngang plasmon dọc Tuy nhiên, chiều dài dây nano coi vô hạn, thu cực đại dao động vùng bước sóng ngắn chế độ chuyển tiếp gây dung dịch khơng có phân tử sinh học; trường hợp khoảng 390 nm, tương ứng với mode dao động plasmon ngang Hình 3.4 Phổ hấp thụ dây nano bạc dài vô hạn, đường kính 20 nm, hệ số lấp đầy f = Hình 3.4 3.5 biểu diễn phổ hấp thụ phổ dập tắt dây nano bạc có lớp vỏ protein, với hệ số lấp đầy f 0.2; 0.4 0.6; so sánh với trường hợp dây nano bạc khơng có lớp vỏ bọc protein (f = 0) Kết cho thấy, lớp protein BSA bề mặt bạc có ảnh hưởng đáng kể đến phổ quang học Phổ hấp thụ dập tắt quan sát thấy cực đại, cực đại bước sóng cộng hưởng ngắn ~ 390 nm, cực đại bước sóng dài ~ 580, 600, 620 nm tương ứng với giá trị hệ số lấp đầy f 0.2; 0.4 0.6 Hình 3.5 Hiệu suất hấp thụ dây nano bạc nước với hấp phụ protein BSA khác bề mặt Đường kính dây nano bạc tính tốn 20 nm 33 Hình 3.6 Hiệu suất dập tắt dây nano bạc nước với hấp phụ protein BSA khác bề mặt Đường kính dây nano bạc tính tốn 20 nm Đỉnh phổ thứ 390 nm phổ quang học dây nano bạc phủ protein BSA (hình 3.4 3.5) quy cho mode cộng hưởng plasmon dao động ngang dây nano bạc; đỉnh phổ bị dịch phía đỏ so với đỉnh dao động dây nano bạc không bọc protein khoảng 20 nm (cộng hưởng dao động dây nano bạc khơng có lớp vỏ bọc protein có cực đại bước sóng 370 nm) Sự dịch đỏ giải thích có lớp vỏ bọc BSA, có tương tác dao động electron tự bề mặt dây nano bạc với phân tử protein, lượng dao động truyền cho lớp vỏ protein làm bước sóng dao động plasmon dịch phía sóng dài Nói cách khác, dao động electron tự bề mặt dây nano bạc bị liên kết với lớp vỏ protein, gây dịch chuyển đỏ Kết tính tốn phù hợp tương tự kết thực nghiệm tài liệu [12]; Han Lee phổ dập tắt dây nano bạc bọc phân tử poly (sodim 4- styrenesulfonate) (PSS) có hai cực đại Cực đại thứ bước sóng 409 nm tương ứng với cộng hưởng plasmon bề mặt ngang cộng hưởng plasmon thứ hai nằm khoảng 500-600 nm Một nghiên cứu thực nghiệm khác gần tài liệu [35] báo cáo diện đỉnh thứ hai phổ hấp thụ dây nano bạc bước sóng ~700 nm Tuy nhiên, cực đại thứ hai phổ quang học mode cộng hưởng plasmon dọc tỷ lệ hai cạnh nano báo cáo xấp xỉ giá trị 50, nghĩa đỉnh mode cộng hưởng plasmon dọc nằm ngồi vùng ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại gần [35] 34 Từ nghiên cứu thực nghiệm lập luận trên, thấy rằng, đỉnh phổ thứ hai phía bước sóng dài 580, 600, 620 nm phổ quang học hình 3.4 3,5 tương ứng với giá trị hệ số lấp đầy f 0.2; 0.4 0.6 quy cho liên kết phân tử sinh học lớp phối tử (trong trường hợp phân tử protein BSA) dây nano bạc Đỉnh tần số dao động cộng hưởng phân tử protein BSA protein khơng có đỉnh quang học dải bước sóng nhìn thấy mục 3.2.1 Cường độ mode dao động đỉnh phổ thứ lớn so với cường độ dao động đỉnh phổ thứ tương ứng với mode dao động plasmon ngang 390 nm Sự thay đổi phổ quang học dây nano bạc có lớp vỏ bọc protein đưa đến ứng dụng vùng bước sóng cộng hưởng mong muốn Hình 3.6 trình bày phụ thuộc bước sóng cộng hưởng plasmon dây nano bạc liên kết với protein BSA vào hệ số lấp đầy Kết ra, hệ số lấp đầy lớn, đỉnh phổ liên kết lệch phía sóng dài Các cực đại cộng hưởng liên kết dây nano bạc – protein có nguyên nhân phân tử sinh học BSA liên kết dây nano đó, phụ thuộc mạnh mẽ vào hàm điện môi protein hấp phụ protein dây nano bạc Như vậy, thực nghiệm ứng dụng, điều khiển tính chất quang dây nano kim loại bạc nói riêng cấu trúc nano kim loại nói chung cách điều khiển lớp vỏ protein cho cấu trúc nano B-íc sãng céng h-ëng liªn kÕt (nm) 620 610 600 590 580 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Hệ số lấp đầy Hình 3.7 Sự phụ thuộc bước sóng cộng hưởng dây nano bạc tích hợp protein BSA vào hệ số lấp đầy 35 Trong hầu hết thí nghiệm nano kim loại phủ protein BSA tài liệu số [37], tỷ lệ hai cạnh nano kim loại khoảng 2-4, quan sát mode dao động cộng hưởng plasmon dọc Báo cáo [37] cho thấy, cộng hưởng có nguồn gốc từ dao động plasmon dọc tương tác kim loại với protein BSA nằm vùng bước sóng, hấp phụ phân tử sinh học không đủ để ảnh hưởng đến quang phổ nano kim loại; đó, hai đỉnh dao động mode plasmon dọc tương tác kim loại – protein nằm chồng lên khó tách rời hai thành phần Các hình 3.4 3.5 cho thấy hiệu suất hấp thụ dây nano bạc đóng vai trò quan trọng hiệu suất tắt Như biết, nghiên cứu tính chất quang cấu trúc nano kim loại, hiệu suất dập tắt bao gồm hai thành phần: hấp thụ tán xạ (Qext = Qscat + Qabs) Thực nghiệm lý thuyết chứng minh; hạt kích thước nhỏ, đóng góp thành phần hấp thụ chiếm ưu so với thành phần tán xạ; ngược lại, trình tán xạ trở nên so sánh chiếm ưu so với trình hấp thụ kích thước cấu trúc nano trở nên lớn Trong nghiên cứu dây nano bạc, dây nano có bán kính r1 = 10 nm cho hiệu suất hấp thụ chiếm ưu hiệu suất tắt Khi bán kính dây giảm từ giá trị r1 = nm, đóng góp q trình tán xạ khơng cịn Đối với hạt nano kim loại hình cầu, ảnh hưởng hiệu suất tán xạ bỏ qua giá trị bán kính lớn nhiều so với bán kính 60 nm 3.3 Giải thích tính chất quang cấu trúc nano tích hợp lý thuyết Mie – Gans Một cách khác để khảo sát tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ dây nano kim loại coi vật liệu hạt nano hình elip hình cầu prolate (hình cầu dài) [15, 20] Trong trường hợp này, bán trục (a) dài nhiều so với bán trục phụ (b c), (a> b = c) Hình 3.7 minh họa dạng hình cầu prolate 36 Hình 3.8 Minh họa dạng hình cầu dài Đối với hạt hình cầu dài, tiết diện hấp thụ hay hiệu suất hấp thụ hình cầu tính theo lý thuyết Mie-Gans, lý thuyết Gans mở rộng từ lý thuyết Mie vào năm 1912 [21] Theo Gans, dao động plasmon bề mặt hạt nano kim loại bị biến đổi dạng hạt lệch khỏi dạng cầu Lý thuyết Gans cho có hai cộng hưởng dao động xuất hạt nano dạng hình cầu prolate nano: cộng hưởng plasmon dọc bị dịch đỏ mở rộng cộng hưởng plasmon ngang Điều có nghĩa hấp thụ plasmon chia tách thành hai dải tương ứng với dao động điện tử tự vng góc với trục dài nano Khi tỷ lệ tương quan hai trục hạt nano tăng khoảng cách lượng đỉnh cộng hưởng hai dải plasmon tăng Hiệu suất hấp thụ trường hợp tính sau: ` Qabs 2πVεm2 = 3λ    P2  ε2  ω   k  k = a,b,c  1-Pk    εm  + ε22  ω  ε1 +   P k    (3.10) đó, ε(ω) = ε1(ω) + iε2(ω) hàm điện môi hiệu dụng vật (cấu trúc nano kim loại) xét, ε2(ω) phần ảo ε(ω), εm số điện môi môi trường, V = abc/3 thể tích hạt nano λ bước sóng ánh sáng tới Từ phương trình (1.6) đến (1.11) mục 1.1.2, thừa số hình học xác định cho hình dạng hạt nano prolate cầu biểu diễn là: - e2 Pa = e2  1 + e    2e ln  - e  - 1     37 (3.11) √ η = c/a Vì b = c nên Pb = Pc = (1- Pa)/2 Điều quan trọng, trường hợp hình trụ, Như vậy, e = 1, Pa = Pb = Pc = 1/2 Cách tiếp cận giải thích rõ ràng phù hợp đỉnh phổ hấp thụ nano hình trụ mode dao động ngang Phương trình (3.10) viết lại dạng: ε2  ω  Qabs 2πVεm2 = 3λ ε1  ω  + εm  + ε22  ω  (3.12) Từ thấy, lý thuyết Mie – Gans lý thuyết Mie sử dụng phương pháp gần mơi trường hiệu dụng có phù hợp tốt với nhau, cực đại phổ hấp thụ dây nano thể | ( ) | [21] Trong khi, cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ hạt nano hình cầu | ( ) | [21] Do đó, có khả cộng hưởng plasmon bề mặt cấu trúc nano plasmonic hình trụ khác bị dịch chuyển khỏi vùng ánh sáng nhìn thấy Để xác nhận lập luận này, chúng tơi thực tính số từ lý thuyết Mie - Gans cho hiệu suất dập tắt dây nano kim loại vàng đường kính 20 nm bọc phân tử protein BSA nước với giá trị hệ số lấp đầy f 0; 0.2; 0.4; 0.6 Hình 3.9 trình bày kết tính số cho phổ dập tắt dây nano kim loại vàng bọc protein BSA nước với giá trị hệ số lấp đầy khác Rõ ràng, dây nano kim loại vàng đỉnh quang học vùng phổ nhìn thấy Phương pháp cho thấy dây nano kim loại có tỷ lệ cạnh lớn (≥ 40), mode dao động plasmon dọc hồn tồn bỏ qua Kết là, quy đỉnh quang học khoảng 500-700 nm protein phủ bề mặt kim loại plasmon dọc 38 Hình 3.9 Hiệu suất dập tắt dây nano vàng nước với hấp phụ protein BSA khác bề mặt Đường kính dây nano vàng tính tốn 20 nm 3.4 Kết luận Trong chương này, chúng tơi trình bày giải thích tồn diện cho cực đại quang học dây nano bạc bọc phân tử protein BSA Các mode dao động plasmon ngang quy hoàn toàn cho cộng hưởng quang học bước sóng ngắn (390 nm) Cực đại phía bước sóng dài (ở vùng bước sóng 580-620 nm) phân tử sinh học liên kết dây nano phụ thuộc mạnh mẽ vào hàm điện môi protein hấp phụ phân tử protein dây nano bạc hay phụ thuộc vào hệ số lấp đầy 39 KẾT LUẬN Đề tài luận văn thực nghiên cứu mặt lý thuyết tính chất quang dây nano kim loại bạc bọc phân tử protein lý thuyết Mie phương pháp tính gần mơi trường hiệu dụng Mơ hình dây nano bạc tích hợp protein BSA mơ hình cấu trúc lõi/vỏ Kết cho thấy, phổ quang học dây nano bạc đường kính 20 nm bọc protein BSA xuất đỉnh quang học: - Đỉnh quang học tương ứng phía bước sóng ngắn (390 nm) quy hồn tồn cho mode plasmon ngang - Đỉnh quang học phía bước sóng dài (ở vùng bước sóng 580-620 nm) liên kết dây nano với lớp vỏ protein BSA, phụ thuộc mạnh mẽ vào hàm điện môi protein hấp phụ phân tử protein dây nano bạc hay phụ thuộc vào hệ số lấp đầy Kết tính số phù hợp với số nghiên cứu thực nghiệm công bố Kết tính sử dụng lý thuyết Mie phương pháp gần môi trường hiệu dụng phù hợp với lý thuyết Gans (phát triển từ lý thuyết Mie) cho hạt nano kim loại dạng cầu Bƣớc nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt cấu trúc nano kim loại tích hợp cấu trúc lõi/vỏ - Sử dụng lý thuyết Mie tính phổ quang học cho cấu trúc nano kim loại với hình dạng khác 40 CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Do Thi Nga, Vu Van Huy, Chu Viet Ha, 2021 Optical Properties of Silver Nanowires Conjugated with Protein, Communications in Physics, 31(3), 313 https://doi.org/10.15625/0868-3166/15823 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] Đỗ Chí Nghĩa 2020, Mơ hình lý thuyết mơ tính chất plasmonic số cấu trúc nano ứng dụng quang nhiệt cảm biến sinh học, Luận án Tiến sĩ Vật lý, Trướng Đại học Sư phạm Hà nội [2] Vang Touyer (2018), “Tần số cộng hưởng Plasmon bề mặt cấu trúc nano kim loại”, Khóa luận tốt nghiệp, Trường ĐHSP, ĐHTN Tài liệu tiếng Anh: [3] Amirjani A., Haghshenas D.F., 2018 Ag nanostructures as the surface plasmon resonance (SPR)˗based sensors: A mechanistic study with an emphasis on heavy metallic ions detection, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 273, 2018, Pages 1768-1779, ISSN 0925-4005, https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.07.089 [4] Cao, J., Sun, T., & Grattan, K T V (2014) Gold nanorod-based localized surface plasmon resonance biosensors: A review Sensors and Actuators B: Chemical, 195, 332–351 doi:10.1016/j.snb.2014.01.056 [5] Coletta, Giuliano; and Vincenzo Amendola 2021 "Numerical Modelling of the Optical Properties of Plasmonic and Latex Nanoparticles to Improve the Detection Limit of Immuno-Turbidimetric Assays" Nanomaterials 11, no 5: 1147 https://doi.org/10.3390/nano11051147 [6] Davis L J and Deutsch M., 2010 Surface plasmon based thermo-optic and temperature sensor for microfluidic thermometry, Review of Scientific Instruments 81, 114905 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3499238 [7] Eustis, S.; El-Sayed, M A (2006) "Determination of the aspect ratio statistical distribution of gold nanorods in solution from a theoretical fit of the observed inhomogeneously broadened longitudinal plasmon resonance absorption spectrum" Journal of Applied Physics 100 (4): 044324, Doi:10.1063/1.2244520 [8] Fu, Q., & Sun, W (2001) Mie theory for light scattering by a spherical particle in an absorbing medium Applied Optics, 40(9), 1354 Doi:10.1364/ao.40.001354 [9] Ghosh S.K and Pal T 2007, Interparticle Coupling Effect on SPR of Au Nanoparticles, Chemical Reviews, 2007, Vol 107, No 11, 4797-4862 42 [10] Gosciniak, J., Bozhevolnyi, S Performance of thermo-optic components based on dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguides Sci Rep 3, 1803 (2013) https://doi.org/10.1038/srep01803 [11] Hale G.M and Querry M.R 1973, "Optical Constants of Water in the 200nm to 200-μm Wavelength Region," Appl Opt 12, 555-563, https://doi.org/10.1364/AO.12.000555 [12] Han S.H and Lee J-S 2012, Synthesis of Length-Controlled Polyvalent Silver Nanowire–DNA Conjugates for Sensitive and Selective Detection of DNA Targets, Langmuir 2012, 28 (1), 828–832, https://doi.org/10.1021/la203423n [13] https://www.anton-paar.com/corp-en/services-support/documentfinder/application-reports/dimerization-of-bovine-serum-albumin-asevidenced-by-particle-size-and-molecular-mass-measurement/ [14] Huang X, Jain PK, El-Sayed IH, El-Sayed MA Gold nanoparticles: interesting optical properties and recent applications in cancer diagnostics and therapy Nanomedicine (Lond) 2007 Oct;2(5):681-93 doi: 10.2217/17435889.2.5.681 PMID [15] Igarashi T, Kawai H, Yanagi K, Cuong NT, Okada S, Pichler T Tuning localized transverse surface plasmon resonance in electricity-selected single-wall carbon nanotubes by electrochemical doping Phys Rev Lett 2015 May 1;114(17):176807 doi: 10.1103/PhysRevLett.114.176807 [16] Jain P.K (2008), Plasmons in assembled metal nanostructures: radiative and nonradiative properties, near-field coupling and its universal scaling behavior, Dissertation Presented to The Academic Faculty, Georgia Institute of Technology, USA [17] Khorolskyi O.V., Malomuzh N.P 2020, Macromolecular sizes of serum albumins in its aqueous solutions AIMS Biophysics, 7(4): 219-235 doi: 10.3934/biophy.2020017 [18] Loureiro A., Abreu A S., Srria M P., Figueiredo M C O., Saraiva L M., Bernardes G J L., Gomesb A C., and Cavaco-Paulo A., 2015 Functionalized protein nanoemulsions by incorporation of chemically modified BSA, RSC Adv 5, 4976-4983, https://doi.org/10.1039/C4RA13802C [19] Magnozzi M., Ferrera M., Mattera L., Canepa M., and Bisio F 2019, Plasmonics of Au nanoparticles in a hot thermodynamic bath, Nanoscale, 43 2019,11, 1140-1146, https://doi.org/10.1039/C8NR09038F [20] Mercado, E., Santiago, S., Baez, L et al One-dimensional silver nanostructures on single-wall carbon nanotubes Nanoscale Res Lett 6, 602 (2011) https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-602 [21] Michael Quinten 2011, Optical Properties of Nanoparticle Systems: Mie and Beyond, Wiley, Weinheim, Germany, ISBN: 978-3-527-41043-9 [22] Ming Li et al 2012, Shape-dependent surface-enhanced Raman scattering in gold–Raman-probe–silica sandwiched nanoparticles for biocompatible applications Nanotechnology 23, 115501, DOI: 10.1088/09574484/23/11/115501 [23] Naik, K M., Kolli, D B., & Nandibewoor, S T (2014) Elucidation of binding mechanism of hydroxyurea on serum albumins by different spectroscopic studies SpringerPlus, 3, 360 https://doi.org/10.1186/21931801-3-360 [24] NʼGom M., Ringnalda J., Mansfield J.F., Agarwal A., Kotov N., Zaluzec N.J., and Norris T.B 2008, Single particle plasmon spectroscopy of silver nanowires and gold nanorods, Nano Lett 2008, (10), 3200–3204, https://doi.org/10.1021/nl801504v [25] Nga, D T., Huy, V V., & Ha, C V (2021) Optical Properties of Silver Nanowires Conjugated with Protein Communications in Physics, 31(3), 313 https://doi.org/10.15625/0868-3166/15823 [26] Parveen, R., Maiti, P.K., Murmu, N et al 2021 Preparation of serum capped silver nanoparticles for selective killing of microbial cells sparing host cells Sci Rep 11, 11610 (2021) https://doi.org/10.1038/s41598-02191031-7 [27] Prashant K.Jain, Ivan H El-Sayed, (2007)“Au Nanoparticles Target Cancer”, Nanotoday Vol , No1, pp.18-29 [28] Phan A.D., Trinh X H., Thi H L Nghiem T.H.L., and Woods L.M 2013, Surface plasmon resonances of protein-conjugated gold nanoparticles on graphitic substrates, Appl Phys Lett 103, 163702; https://doi.org/10.1063/1.4826514 [29] Reguera J., Langer J., Jime´nez de Aberasturi D., Liz-Marza´n L.M 2017 Anisotropic metal nanoparticles for surface enhanced Raman scattering Chem Soc Rev., 2017,46, 3866-3885, https://doi.org/10.1039/C7CS00158D 44 [30] Roth CM, Neal BL, Lenhoff AM Van der Waals interactions involving proteins Biophys J 1996 Feb;70(2):977-87 doi: 10.1016/S00063495(96)79641-8 [31] Sun, Y., Harris, N.C & Kiang, CH Phase Transition and Optical Properties of DNA–Gold Nanoparticle Assemblies Plasmonics 2, 193–199 (2007) https://doi.org/10.1007/s11468-007-9034-y [32] Svetlana V Boriskina, Hadi Ghasemi, Gang Chen, 2013 Plasmonic materials for energy: From physics to applications, Materials Today, Volume 16, Issue 10, Pages 375-386, ISSN 1369-7021, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.09.003 [33] Topală, T., Bodoki, A., Oprean, L., & Oprean, R (2014) Bovine Serum Albumin Interactions with Metal Complexes Clujul medical (1957), 87(4), 215–219 https://doi.org/10.15386/cjmed-357 [34] Vadim A Markel 2016, Journal of the Optical Society of America A Vol 33, Issue 7, pp 1244-1256 (2016), https://doi.org/10.1364/JOSAA.33.001244 [35] W Zhou W., A Hu A., S Bai S., Y Maa Y., and D Bridges D 2015, Anisotropic optical properties of large-scale aligned silver nanowire films via controlled coffee ring effects, RSC Advances, 5(49), 39103–39109 doi:10.1039/c5ra04214c [36] Wu, J., & Wang, Y (2017) Optical Absorption and Thermal Effects of Plasmonic Nanostructures Nanoplasmonics - Fundamentals and Applications doi:10.5772/67505 [37] Yasun, E., Li, C., Barut, I., Janvier, D., Qiu, L., Cui, C., & Tan, W (2015) BSA modification to reduce CTAB induced nonspecificity and cytotoxicity of aptamer-conjugated gold nanorods Nanoscale, 7(22), 10240–10248 doi:10.1039/c5nr01704a [38] Yeshchenko, O., & Pinchuk, A (2021) Thermo-Optical Effects in Plasmonic Metal Nanostructures Ukrainian Journal of Physics, 66(2), 112 https://doi.org/10.15407/ujpe66.2.112 [39] Yong, Z., Lei, D.Y., Lam, C.H et al., 2014 Ultrahigh refractive index sensing performance of plasmonic quadrupole resonances in gold nanoparticles Nanoscale Res Lett 9, 187 (2014) https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-187 45 PHỤ LỤC Code chƣơng trình Mathematica để tính phổ quang học dây nano bạc bọc protein BSA (*Size of each device is 20 nm NJP 12, 093030 (2010)*) λp=138(*nm*); γp=75334.142(*nm*); f0=1.0370; f1=1.1348; λ1=207.74; gamma1=2907.912; R=10(*nm - Radius of AgNPs*); vf=1.39(*10^6 ms/s Fermi velocity*); (*Rout=R+3.15;*) Rout=R+3.15; ϵAg*λ_,A_+:=2-f0/(λp2*(1/λ2+I*1/(λ*((3*104)/(1.159+(A*vf)/R*102)))))+f1/(λp2*(1/λ12-1/λ2I*1/(λ*gamma1))); ϵprotein*λ_+:=1+(1/10853.54)2/((1/6059.8)2-(1/λ)2)+(1/878.5)2/((1/194.1)2-I*1/(λ*2484.52)(1/λ)2)+(1/92.6)2/((1/99.38)2-I*1/(λ*155.2825)-(1/λ)2)+(1/82.81)2/((1/57.78)2I*1/(λ*65.3821)-(1/λ)2)(*Parameters from Biological Journal 70, 977-987 (1996)*); ϵw[w_]:=1.77; f=0.001; ϵshell*λ_+:=f*ϵprotein*λ++(1-f)*ϵw*1242.26/λ+; ϵa*λ_,A_+:=ϵAg*λ,A+*(1+2*R2/Rout2)+2*ϵshell*λ+*(1-R2/Rout2); ϵb*λ_,A_+:=ϵAg*λ,A+*(1-R2/Rout2)+ϵshell*λ+*(2+R2/Rout2); ϵ*λ_,A_+:=ϵshell*λ+*ϵa*λ,A+/ϵb*λ,A+; (*We calculate absorption spectrum of cylinder*) α0*λ_+:=(Pi*R)/2*(1/2 ((Pi*R)/λ)2*(ϵ*λ,0.5+-ϵw*1242.26/λ+)+(ϵ*λ,0.5+ϵw*1242.26/λ+)/(ϵw*1242.26/λ+*(1+2*ϵ*λ,0.5+*((Pi*R)/λ)2*Log*(2*Pi*R)/λ w 1242.26 ]-I*Pi*((Pi*R)/λ)2*(ϵ*λ,0.5+-ϵw[1242.26/λ+)))); α1*λ_+:=(Pi*R)/2*(2*(ϵ*λ,0.5+ϵw*1242.26/λ+)/(ϵ*λ,0.5++ϵw*1242.26/λ+)+((Pi*R)/λ)2*(ϵ*λ,0.5+-ϵw*1242.26/λ+)); 46 Absorp*λ_+:=(2*Pi)/λ Extinction*λ_+:=(2*Pi)/λ w 1242.26 w 1242.26 *Im*α0*λ++α1*λ++; *Im*α0*λ++α1*λ+++((2*Pi)/λ* )3*R*(Abs*α0*λ++2+Abs*α1*λ++2); Plot[{Extinction[x]},{x,300,1000},PlotStyle->Thick,PlotRange->{0,8}] 47 w 1242.26 ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM VŨ VĂN HUY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PLASMONIC CỦA CẤU TRÚC NANO TÍCH HỢP CHO ỨNG DỤNG QUANG NHIỆT VÀ CẢM BIẾN SINH HỌC BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH... tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tính chất plasmonic cấu trúc nano tích hợp (ở nghiên cứu tính chất quang dây nano bạc phủ protein BSA) phương pháp mơ hình hóa tính số Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên. .. cấu trúc nano tạo cảm biến sinh học tiên tiến Xuất phát từ thực tế đó, tên đề tài luận văn nghiên cứu chọn ? ?Nghiên cứu tính chất plasmonic cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt cảm biến