Báo cáo cuối kỳ môn thực tập chuyên đề công nghệ quang tử

Được biết đến với khả năng phát quang đặc trưng, cả hai chất này đã trởthành công cụ mạnh mẽ trong việc đánh dấu và theo dõi các phân tử quan trọng,cung cấp thông tin quan trọng về tương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN THỰC TẬP CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ QUANG TỬ Giảng viên: PGS.TS Nghiêm Thị Hà Liên Sinh viên thực hiện: Hoàng Bảo Minh Mã SV: 20020817 Hà Nội – 2024 BÀI THÍ NGHIỆM 1: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ CỦA MẪU Phần 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu Rhodamine 6G (R6G) Fluorescein Isothiocyanate (FITC) hai chất fluorochrome độc đáo quan trọng lĩnh vực nghiên cứu sinh học hóa học phân tử Được biết đến với khả phát quang đặc trưng, hai chất trở thành công cụ mạnh mẽ việc đánh dấu theo dõi phân tử quan trọng, cung cấp thông tin quan trọng tương tác phân tử, động học tế bào, nhiều khía cạnh khác nghiên cứu sinh học 1.1.1 Rhodamine 6G (R6G): Rhodamine 6G là thuốc nhuộm họ rhodamine có độ huỳnh quang cao  Nó thường sử dụng làm thuốc nhuộm đánh dấu trong nước để xác định tốc độ hướng dòng chảy vận chuyển. Thuốc nhuộm Rhodamine phát huỳnh quang và phát dễ dàng không tốn dụng cụ gọi là máy đo huỳnh quang . Thuốc nhuộm Rhodamine sử dụng rộng rãi ứng dụng cơng nghệ sinh học như kính hiển vi huỳnh quang , đo tế bào theo dòng chảy , quang phổ tương quan huỳnh quang và ELISA Hình 1.3 Cơng thức phân tử Rhodamine 6G Rhodamine 6G thường có ba dạng khác nhau. Rhodamine 6G clorua loại bột màu đồng/đỏ có cơng thức hóa học C 28H 31ClN2 O3 . Mặc dù có khả hịa tan cao cơng thức có tính ăn mịn cao tất kim loại ngoại trừ thép không gỉ. Các cơng thức khác hịa tan ăn mịn hơn. Rhodamine 6G perchlorate (C28H31ClN2O7) có dạng tinh thể màu đỏ, rhodamine 6G tetrafluoroborate (C 28H31BF4N2O3) xuất dạng tinh thể màu hạt dẻ Rhodamine 6G sử dụng làm thuốc nhuộm laser hoặc môi trường khuếch đại trong laser nhuộm và bơm sóng hài thứ hai (532 nm) từ laser Nd: YAG , laser nitơ hoặc laser ion argon .  Thuốc nhuộm có khả ổn định quang cao đáng kể , năng suất lượng tử huỳnh quang cao (0,95), chi phí thấp phạm vi phát laser gần với mức hấp thụ tối đa (khoảng 530 nm). Phạm vi phát laser thuốc nhuộm 570 đến 660 nm với mức tối đa 590 nm Trong dung mơi R6G có độ hịa tan khác nhau, ví dụ như: Butanol (40 g/L), etanol (80 g/L), metanol (400 g/L), propanol (15 g/L), MEG (50 g/L), DEG ( 100 g/L), TEG ( 100 g/L), isopropanol (15 g/L), ethoxyetanol (25 g/L), methoxyetanol (50 g/L), dipropylene glycol (30 g/L), PEG (20 g/L) Hình 1.4 Bột Rhodamine 6G clorua trộn với metanol, phát ánh sáng màu vàng ánh sáng laser màu xanh 1.1.2 Fluorescein Isothiocyanate (FITC): Fluorescein isothiocyanate ( FITC ) dẫn xuất của fluorescein được sử dụng nhiều ứng dụng như phép đo tế bào theo dịng chảy . Được mơ tả lần vào năm 1942, FITC phân tử fluorescein ban đầu được chức hóa bằng nhóm phản ứng isothiocyanate (−N=C=S), thay ngun tử hydro ở vịng cấu trúc. Nó thường có sẵn dạng hỗn hợp các chất đồng phân , fluorescein 5-isothiocyanate (5-FITC) fluorescein 6isothiocyanate (6-FITC). FITC phản ứng với nucleophile bao gồm nhóm amin và sulfhydryl trên protein . Nó Robert Seiwald Joseph Burckhalter tổng hợp vào năm 1958 Hình 1.1 5-FITC Hình 1.2 6-FITC FITC fluorochrome phổ biến nghiên cứu sinh học Nó hấp thụ ánh sáng bước sóng xanh phát quang bước sóng dài hơn, tạo nên hệ thống đánh dấu mạnh mẽ ổn định Khả kết hợp dễ dàng với protein peptit thơng qua q trình hóa học giúp FITC trở thành công cụ quan trọng nghiên cứu động học tương tác protein môi trường tế bào FITC có bước sóng cực đại của phổ kích thích và phát xạ xấp xỉ 495 nm 519 nm, tạo cho màu xanh lục. Giống hầu hết các chất fluorochrome , dễ bị tẩy màu do quang học . Do vấn đề tẩy trắng quang học, dẫn xuất fluorescein như Alexa 488 và DyLight 488 đã điều chỉnh cho ứng dụng hóa học sinh học khác nhau, nơi cần có khả ổn định quang học cao , cường độ huỳnh quang cao nhóm gắn kết khác nhau. Ngồi ra, số thí nghiệm sử dụng xu hướng tẩy trắng phương pháp quang hóa FITC để đo độ linh động ngang protein màng, thông qua kỹ thuật phục hồi huỳnh quang sau trình tẩy quang Cả hai R6G FITC có ưu điểm nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể nghiên cứu Sự tiện lợi hiệu suất chúng làm cho R6G FITC trở thành nguồn cảm hứng quan trọng việc phát triển phương pháp nghiên cứu sâu rộng sinh học hóa học phân tử 1.2 So sánh R6G FITC R6G (Rhodamine 6G) FITC (Fluorescein Isothiocyanate) hai chất fluorochrome phổ biến sử dụng rộng rãi lĩnh vực nghiên cứu sinh học hóa học phân tử Chúng có đặc điểm riêng biệt ứng dụng đặc sắc, đồng thời mang lại ưu nhược điểm khác Dưới so sánh chi tiết khía cạnh sau: 1.2.1 Tính chất hóa học R6G:  Là fluorochrome hữu thuộc họ xanh nhớt  Phổ hấp thụ ánh sáng tốt bước sóng xanh (550-570 nm) phát quang bước sóng dài (590-620 nm)  Có khả tạo phức với cation kim loại Hg2+ Zn2+  Tính chất hóa học R6G thường ổn định nước dung môi hữu FITC:  Cũng fluorochrome hữu thuộc họ xanh nhớt  Hấp thụ ánh sáng bước sóng xanh (490-525 nm) phát quang bước sóng dài (510-550 nm)  Kết hợp dễ dàng với protein peptit thơng qua q trình hóa học đơn giản  Tính chất hóa học ổn định, phổ biến nghiên cứu sinh học 1.2.2 Đặc điểm đặc trưng R6G:  Phát quang mạnh mẽ, dễ điều chỉnh môi trường  Có khả phát quang kép, sử dụng cho nhiều ứng dụng khác  Có thể sử dụng chất cảm quang thiết bị quang học FITC:  An toàn cho nhiều hệ thống sống, phổ biến dễ sử dụng  Kết hợp tốt với protein, tạo hệ thống đánh dấu mạnh mẽ ổn định  Tính chất phổ biến giúp FITC lựa chọn chủ yếu cho nghiên cứu sinh học 1.2.3 Ưu điểm nhược điểm R6G:  Ưu điểm: Phát quang mạnh mẽ, dễ điều chỉnh  Nhược điểm: Có thể bị bleaching nhanh chóng mơi trường có ánh sáng mạnh FITC:  Ưu điểm: An toàn, phổ biến, kết hợp dễ dàng với protein  Nhược điểm: Nhạy cảm với ánh sáng, gây bleaching (nghĩa bay màu sắc tố hay tẩy trắng) làm màu nhanh chóng 1.2.4 Ứng dụng nghiên cứu R6G:  Thường sử dụng nghiên cứu tương tác phân tử, quang điện hóa, cảm biến  Đặc biệt hiệu nghiên cứu môi trường, chẳng hạn theo dõi ion kim loại nước FITC:  Phổ biến nghiên cứu tế bào sinh học phân tử  Thường kết hợp với protein để đánh dấu theo dõi vị trí chúng thể, chẳng hạn nghiên cứu động học địa hóa protein tế bào Rhodamine 6G (R6G) Fluorescein Isothiocyanate (FITC) làm bật đặc tính ứng dụng riêng biệt hai chất fluorochrome R6G với khả phát quang mạnh điều chỉnh linh hoạt thể hiệu ứng dụng cảm biến quang điện hóa Trong đó, FITC, với tính chất kết hợp dễ dàng an toàn cho hệ thống sống, đặc biệt phổ biến nghiên cứu sinh học Mỗi chất có ưu nhược điểm riêng, lựa chọn R6G FITC thường phụ thuộc vào mục đích cụ thể nghiên cứu Sự hiểu biết sâu sắc tính chất chất fluorochrome quan trọng để tối ưu hóa thành cơng dự án nghiên cứu ứng dụng tương lai 1.3 Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử đại lượng hóa học lượng tử mơ tả khả trình lượng tử xác suất hệ thống Trong ngữ cảnh hóa học phát quang hóa học quang hóa, hiệu suất lượng tử thường sử dụng để mô tả mức độ chuyển đổi photon lượng quang thành electron phản ứng hóa học khác Hiệu suất lượng tử (Φ) tính tỷ lệ số lượng kiện quang hóa (như phát quang) số lượng photon hấp thụ Φ = {Số lượng kiện quang hóa}/ {Số lượng photon hấp thụ} Hiệu suất lượng tử có giá trị nằm khoảng từ đến Nếu Φ = 1, điều có nghĩa photon hấp thụ dẫn đến kiện quang hóa Nếu Φ < 1, có phần lượng quang bị trình chuyển đổi Đối với q trình quang hóa phát quang hợp chất hữu quang hóa lượng q trình quang hóa quang điện, hiệu suất lượng tử đặc điểm quan trọng để đánh giá hiệu hệ thống Hiệu suất lượng tử R6G thường phải đo lường thí nghiệm để xác định Nếu cho biết hiệu suất lượng tử FITC 95%, lấy giá trị làm điểm tham chiếu để so sánh với R6G Trong đó: X: R6G ST: FITC Grad: độ dốc biểu đồ huỳnh quang tích hợp so với độ hấp thụ η: số khúc xạ dung môi (cả mẫu dùng etanol) Phần 2: Thực nghiệm 2.1 Danh sách mẫu dụng cụ thí nghiệm STT Danh sách mẫu dụng cụ thí nghiệm Rhodamine 6G (R6G) Fluorescein Isothiocyanate (FITC) Pipet Đầu côn NaOH:1M Cồn Số lượng mẫu mẫu 2.2 Các bước thực nghiệm Bước 1: Đo điều chế dung dịch cần khảo sát Bước 2: Đo phổ hấp thụ chất ghi lại kết Bước 3: Dùng bước sóng kích phổ hấp thụ để kích thích huỳnh quang để đo phổ huỳnh quang ghi lại kết Bước 4: Lặp lại bước cho mẫu dung dịch có nồng độ tăng dần Bước 5: Vẽ đồ thị độ hấp huỳnh quang Bước 6: Tính tốn kết luận 2.3 Thực nghiệm Sau trình thực nghiệm, ta thu đồ thị phổ hấp thụ phổ huỳnh quang chất mẫu Rhodamine 6G (R6G) Fluorescein Isothiocyanate (FITC): 2.4 Xử lý số liệu Độ hấp thụ 0,1719 0,1221 0,0996 0,0853 0,0553 0,0382 Tích phân 41506,05113 29189,1733 25108,95106 21521,35202 14493,87263 10292,62394 ϕ FITC=ϕ R G ⋅ ( Độ hấp thụ 0,1972 0,1548 0,1522 0,1065 0,0915 0,0528 ) Tích phân 48435,31047 42540,87671 41568,7571 32260,48687 29989,63948 19808,57964 Grad ( FITC ) =81.7 % Grad ( R G ) Phần 3: Kết luận Trong trình thực nghiệm mẫu R6G FITC có nồng độ giảm từ mẫu đến mẫu 6, từ hình ảnh phổ hấp thụ thấy nồng độ cao hấp thụ yếu ngược lại phổ huỳnh quang Còn FITC khác với R6G, nồng độ cao hấp thụ huỳnh quang mạnh Qua thí nghiệm ta xác định hiệu phát quang chất R6G trình chuyển đổi lượng hấp thụ thành ánh sáng Ta tìm hiểu thêm đặc tính, ứng dụng tiềm chất R6G BÀI THÍ NGHIỆM 2: KHẢO SÁT HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI QUANG NHIỆT CỦA HẠT NANO VÀNG Phần 1: Tổng quan 1.1 Vật liệu vàng nano Vật liệu nano kim loại nói chung vàng nano nói riêng nhận quan tâm nhà khoa học tính chất quan trọng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Các hạt vàng nano với kích thước từ nm đến lớn 100 nm có tính chất quang, điện độc đáo Sự khác đáng ý vàng nano kim loại vàng dạng khối thay đổi màu sắc chúng, cụ thể chuyển từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím màu xanh phụ thuộc vào kích thước hạt nano vàng 1.2 Vàng nano (gold nanorods: GNR) 40*20nm Tính chất quang học vàng nano dạng hiểu rõ dựa vào lý thuyết Gans LSPR (nm) = 95Ả +420 1.3 Vàng nano cầu (gold nanoparticles: GNP) d = 40nm Tính chất quang vàng nano dạng cầu tính tốn theo lý thuyết Mie Làn Mie giải thích thay đổi màu sắc hệ keo vàng nano dạng cầu cách giải phương trình Maxwell Bằng cách này, ơng mơ tả tính chất quang học (tán xạ hấp thụ) vàng nano dạng cầu kích thước 1.4 Hiệu suất chuyển đổi quang – nhiệt Hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt đại lượng đo lường khả vật liệu hệ thống chuyển đổi lượng ánh sáng thành nhiệt Nó tính tỷ lệ lượng nhiệt tạo lượng ánh sáng ban đầu Hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao, tức vật liệu hệ thống có khả chuyển đổi ánh sáng thành nhiệt cách hiệu Hiệu suất = Nhiệt lượng tỏa ra/năng lượng ánh sáng nhận vào Nhiệt lượng tỏa hạt nano vàng tính cơng thức: Q = mc (T2-T1) Trong đó: m khối lượng hạt nano vàng c nhiệt dung riêng T1 T2 nhiệt độ dd nano vàng trước sau chiếu sáng Cường độ sáng ghi lại máy đo cường độ sáng có hệ đo Đối với nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tiến hành chế tạo hệ đo với nguồn sáng laser kích thích có cơng suất khoảng 800 – 2200W Phần 2: Thực nghiệm 2.1 Dụng cụ hóa chất STT Tên dụng cụ Dung dịch nano vàng cầu 40nm Dung dịch nano vàng 40x20nm Mẫu nước cất Laser diode Camera nhiệt cầm tay Laser power meter Sợi quang laser công suất cao Giá đỡ đầu phát laser Số lượng mẫu mẫu mẫu 01 01 01 01 01 2.2 Tiến hành thí nghiệm 2.2.1 Các bước thực hành Bước 1: Chế tạo hệ đo Bước 2: Khảo sát vùng cơng suất laser có cường độ ổn định Bước 3: Tiến hành chiếu sáng laser kiểm tra độ hấp thụ nước Bước 4: Phân tán vàng nano vào nước kiểm tra thay đổi nhiệt độ theo thời gian Bước 5: Xử lý số liệu Bước 6: Rút nhận xét kết luận 2.2.2 Bố trí thí nghiệm Laser diode nối với sợi quang gắn giá đỡ để cố định phương truyền laser đến đầu thu power meter mẫu dung dịch 2.2.3 Tiến hành thí nghiệm A Đo công suất laser Điều chỉnh thông số cường độ laser từ 700 đến 2200 với step 100 Thu thông số công suất laser power meter Ghi lại kết thu hiển thị power meter B Đo nhiệt độ mẫu dung dịch Đặt cường độ laser giá trị không đổi 2000 Chiếu liên tục laser 10 phút vào mẫu dung dịch làm tăng nhiệt độ mẫu Sử dụng camera nhiệt cầm tay thu thông số nhiệt độ mẫu dung dịch Ghi lại kết thu camera nhiệt sau phút Tiến hành thí nghiệm với mẫu nước cất, dung dịch nano cầu, dung dịch nano 2.3 Kết thực nghiệm xử lý số liệu 2.3.1 Kết thực nghiệm Kiểm tra công suất I (mA) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 P (mW) 13 69 149 230 307 384 461 538 610 680 750 820 880 940 1000 Đo nhiệt độ chất theo thời gian – kích 1500mA Nước cất t(s) T (oC) 25.9 12 26 24 26.6 36 25.8 48 25.9 60 26.5 72 26.1 84 25.8 96 25.6 108 25.9 120 26 Nano vàng cầu t(s) T (oC) 28.6 12 28.1 24 27.9 36 28.3 48 28 60 28 72 28.5 84 28.2 96 28.6 108 28 120 28.7 Nano vàng t(s) T (oC) 36 12 47 24 55 36 56.8 48 58.2 60 58.6 72 60.6 84 61.3 96 62.6 108 63.3 120 64.1 2.3.2 Xử lý số liệu -Hiệu suất quang nhiệt hạt nano vàng Hiệu suất quang nhiệt tỷ lệ lượng nhiệt thu từ ánh sáng lượng ánh sáng chiếu vào Cơng thức tính hiệu suất quang nhiệt sau: η = Qh / Qe Trong đó:       η hiệu suất quang nhiệt, đơn vị % Qh lượng nhiệt thu được, đơn vị joule (J) Qe lượng ánh sáng chiếu vào, đơn vị joule (J) Qh = mCpΔT Qe = P * t Từ công thức ta tính tốn sau: -Hiệu suất quang nhiệt nước Nhiệt độ nước ban đầu 25,9 °C Nhiệt độ nước sau phút 26 °C Nhiệt độ tăng thêm : ΔT = 26 °C – 25.9 °C = 0,1 °C Vậy, thay đổi nhiệt độ nước là : ΔT(K) = 0.1 °C + 273,15 = 273,25 K Do đó, lượng nhiệt thu nước : Qh = mCpΔT Qh = * 4,184 J/kg/K * 273,25 K = 1143,278 J Công suất 2000 W Năng lượng ánh sáng chiếu vào là: Qe = P * t Qe = 2000 W * phút * 60 giây/phút = 240000 J Hiệu suất quang nhiệt : η = Qh / Qe η = 1143,278 J / 240000 J = 0,4764% Vậy, hiệu suất quang nhiệt hệ 0,4764% -Hiệu suất quang nhiệt nano vàng cầu : Nhiệt độ vàng ban đầu 28,6 °C Nhiệt độ vàng sau phút 28,7 °C Nhiệt độ tăng thêm là: ΔT = 28,7 °C - 28,6°C = 0,1 °C Vậy, thay đổi nhiệt độ vàng là: ΔT(K) = 0,1 °C + 273,15 = 273,25K Do đó, lượng nhiệt thu nước là: Qh = mCpΔT Qh = * 4,184 J/kg/K * 273,25K = 1143,278 J Công suất 2000 W Năng lượng ánh sáng chiếu vào là: Qe = P * t Qe = 2000 W * phút * 60 giây/phút = 240000 J Hiệu suất quang nhiệt : η = Qh / Qe   η = 1143,278 J / 240000 J = 0,4764 % Vậy, hiệu suất quang nhiệt hệ 0,4764 % -Hiệu suất quang nhiệt nano vàng thanh : Nhiệt độ vàng ban đầu 36 °C Nhiệt độ vàng sau phút 64,1 °C Nhiệt độ tăng thêm là: ΔT = 64,1°C - 36°C = 28,1 °C Vậy, thay đổi nhiệt độ vàng là: ΔT(K) = 28,1 °C + 273,15= 301,25K Do đó, lượng nhiệt thu nước là: Qh = mCpΔT Qh = * 4,184 J/kg/K * 301,25K = 1260,43 J Công suất 2000 W Năng lượng ánh sáng chiếu vào là: Qe = P * t Qe = 2000 W * phút * 60 giây/phút = 240000 J Hiệu suất quang nhiệt là: η = Qh / Qe η = 1260,43 J / 240000 J = 0,5252 % Vậy, hiệu suất quang nhiệt hệ 0,5252 % Phần 3: Kết luận - Sau chiếu sáng, nhiệt độ nước không thay đổi chứng tỏ nước không hấp thụ lượng ánh sáng - Khi tăng công suất nguồn sáng dẫn đến cường độ sáng tăng -> dung dịch nano vàng tăng nhiệt độ nhanh - Nhiệt độ hạt vàng tăng nhanh hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao - Công suất nguồn sáng lớn hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt lớn