Nghiên cứu hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp quang hóa trên nền quang sợi và ứng dụng trong cảm biến sinh hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM THỊ MỸ HẠNH NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT ĐỊNH XỨ CỦA CÁC HẠT NANO BẠC ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA TRÊN NỀN QU

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT ĐỊNH XỨ CỦA CÁC HẠT NANO BẠC ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA TRÊN NỀN QUANG SỢI VÀ ỨNG

DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH–HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên, năm 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT ĐỊNH XỨ CỦA CÁC HẠT NANO BẠC ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA TRÊN NỀN QUANG SỢI VÀ ỨNG

DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH–HÓA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn tốt nghiệp này là kết quả trongcông trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Thùy Chi, PGS

TS NCVCC Phạm Văn Hội và Ths Phạm Thanh Bình Tất cả các số liệu đượccông bố là hoàn toàn trung thực và do chính tôi thực hiện Các tài liệu thamkhảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phầnphụ lục cuối luận văn

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 9 năm 2018

Học viên

Phạm Thị Mỹ Hạnh

Em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài cấp Đại học năm

2018: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang sợi để do dư lượng thuốc bảo vệ thực vật gốc phosphor hữu cơ”, mã số ĐH2018-TN04-04 của TS Đỗ Thùy Chi

và đề tài KHCN: “Nghiên cứu phát triển đầu dò micro quang sợi và đế có hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) từ cách sắp xếp có trật tự của các nano Au ứng dụng để phát hiện các chất Chlorpyrifor, Dimethoate và Permethrin”, mã số KHCBVL.04/18-19 của ThS Phạm Thanh Bình.

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý – TrườngĐại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên và các anh chị đang công tác tạiPhòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâmKhoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiệncác thực nghiệm, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoànthành

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, nhữngngười luôn bên cạnh hỗ trợ và khuyến khích em có được những nỗ lực, quyếttâm để

hoàn thành luận văn

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 9 năm 2018

Học viên

Phạm Thị Mỹ Hạnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của luận văn 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa của luận văn 5

7 Cấu trúc của luận văn 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO BẠC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 7

1.1 Tổng quan về hạt nano bạc và phương pháp tổng hợp hạt nano bạc 7

1.1.1 Tổng quan về hạt nano bạc 7

1.1.1.1 Giới thiệu chung về hạt nano bạc 7

1.1.1.2 Tính chất của AgNP 7

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc 9

1.1.2.1 Phương pháp hóa học 10

1.1.2.2 Phương pháp vật lý 11

1.1.2.3 Phương pháp sinh học 13

1.1.2.4 Phương pháp quang hóa 13

1.1.3 Một số ứng dụng của AgNP 15

1.1.3.1 Ứng dụng AgNP làm vật liệu kháng khuẩn 15

1.1.3.2 Ứng dụng AgNP trong cảm biến 15

1.2.1 Hiệu ứng plasmon 16

1.2.1.1 Hiệu ứng plasmon bề mặt định xứ của hạt nano bạc 20

1.2.1.2 Lý thuyết Mie 21

1.2.2 Hiệu ứng tán xạ Ranman tăng cường bề mặt 22

1.2.2.1 Tán xạ Raman 22

1.2.2.2 Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt 24

1.2.3 Cảm biến quang sợi 26

1.2.3.1 Cấu tạo sợi quang 26

1.2.3.2 Cảm biến sợi quang dựa trên hiệu ứng plasmon 30

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 32

2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm sử dụng 32

2.1.1 Hóa chất 32

2.1.2 Dụng cụ 32

2.2 Quy trình tổng hợp 32

2.2.1 Quy trình tổng hợp AgNP bằng phương pháp chiếu xạ LED 32

2.2.2 Quy trình tổng hợp bằng nguồn sáng laser 34

2.3 Các phương pháp phân tích tính chất quang và cấu trúc của hạt nano bạc 39 2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ 39

2.3.2 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét 42

2.3.3 Phương pháp đo quang phổ Raman 45

CHƯƠNG III KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO BẠC CHẾ TẠO TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG VÀ TRÊN ĐẦU DÒ QUANG SỢI, ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH-HÓA

50

3.1 Khảo sát kết quả vi hình thái của các AgNP được tổng hợp bằng phương pháp chiếu LED 50

3.2 Khảo sát kết quả vi hình thái của các AgNP được tổng hợp bằng phương pháp chiếu laser 53

3.3 Định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh-hóa 58

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 70

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải

Ag Bạc

AgNP Hạt nano bạc

CCD Đầu thu quang điện

đ.v.t.y Đơn vị tùy ý

LSPR Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứR6G Rhodamoine 6G

SEM Kính hiển vi điện tử quét

SERS Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

SPR Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các vùng đặc trưng trong phổ Raman của chất phân tích

R6G và các mode dao động

Bảng 3.2 Bảng kết quả hệ số tăng cường Raman của các mode đặc

trưng của dung dịch R6G 10-6 M trên bề mặt sợi quang có

đế SERS và dung dịch R6G 10-4 M trên bề mặt sợi quang

không có đế SERS

Trang

63

66

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Mô tả phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên 9

Hình 1.2 Các phương pháp hóa học tổng hợp AgNP 10

Hình 1.3 Các phương pháp vật lý tổng hợp AgNP 12

Hình 1.4 Ảnh TEM của các AgNP được tổng hợp bằng phương pháp

14 quang-hóa ở cùng một nhiệt độ và khác nhau thời gian chiếu sáng: (a) 4h; (b) 7h; (c) 21h; (d) 25h Hình 1.5 a, Plasmon khối, b, Plasmon bề mặt, c, Plasmon bề mặt định

16 xứ Hình 1.6 (a) Sơ đồ minh họa của một plasmon bề mặt truyền dọc theo 20

trục x trên giao diện giữa kim loại-điện môi với các đường điện trường theo hướng ngược lại (b) Sự tán xạ của plasmon bề mặt với photon trong chân không Hình 1.7 a, Cấu hình Otto, b, Cấu hình Kretschman 21

Hình 1.8 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ 22

Hình 1.9 Sơ đồ năng lượng của các quá trình tán xạ 25

Hình 1.10 Cấu tạo sợi quang 29

Hình 1.11 Đường truyền tia sáng trong sợi quang 31

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm tạo mầm Ag 34

Hình 2.2 (a) Đèn LED xanh lá cây, (b) Buồng phản ứng, (c) Mô hình 35

buồng phản ứng khép kín chiếu sáng bằng LED Hình 2.3 Sơ đồ bộ thiết bị mài sợi quang Hình 2.4 Sợi quang được ăn mòn trong axit HF 36

Hình 2.5 Sơ đồ hệ tổng hợp AgNP bằng nguồn sáng laser công suất 38

cao

Hình 2.6 Đồ thị biểu diễn đường đặc trưng I – P 39

Hình 2.7 Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch 40

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học của máy đo phổ hấp thụ 41

Hình 2.9 Máy UV-VIS-NIR Absorption Spectrophotometer (nhãn 44

hiệu Cary 5000) Hình 2.10 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 45

Hình 2.11 Máy FE-SEM S-4800 47

Hình 2.12 Sơ đồ hệ đo quang phổ Raman 48

Hình 2.13 Hệ phân tích quang phổ Raman LabRAM HR Evolution 49

Hình 2.14 Sơ đồ hệ đo LabRAM HR Evolution 50

Hình 3.1 Dung dịch Ag trước và sau khi chiếu sáng 51

Hình 3.2 Phổ hấp thụ UV-VIS của hạt mầm AgNP 51

Hình 3.3 Phổ phát xạ của đèn LED xanh lá cây 52

Hình 3.4 Hình ảnh SEM của các AgNP sau khi chiếu xạ 22h (a) và 53

24h (b) Hình 3.5 Phổ hấp thụ của dung dịch mầm AgNP (đường cong 1), các 53

AgNP khi chiếu sáng 22h (đường cong 2) và 24h (đường cong 3) Hình 3.6 Hình ảnh SEM của các AgNP được tổng hợp trên sợi quang

54 đường kính 105/125µm và 62,5/125µm Hình 3.7 Ảnh SEM bề mặt của sợi chiếu sáng trong 1 phút 55

Hình 3.8 Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong 56

thời gian 1 phút Hình 3.9 Ảnh SEM bề mặt của sợi quang chiếu sáng trong 3 phút 30 56

giây Hình 3.10 Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong 57

thời gian 3 phút 30 giây

Hình 3.11 Ảnh SEM tổng thể của sợi quang chiếu sáng trong 6 phút 58 Hình 3.12 Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong 58

thời gian 6 phút

Hình 3.13 Công thức phân tử R6G 59 Hình 3.14 Sơ đồ mẫu sợi quang được nhỏ dung dịch R6G 61 Hình 3.15 Phổ tán xạ Raman của R6G 10-6 M trên bể mặt sợi quang 62

có đế SERS

Hình 3.16 Phổ Raman của dung dịch R6G với các nồng độ khác nhau 64

từ 10-6 M đến 10-8 M trên bề mặt sợi quang có đế SERS vàdung dịch R6G nồng độ 10-4 M trên bề mặt sợi không có

đế SERS

Hình 3.17 Phổ Raman của dung dịch R6G 10-6 M trên bề mặt sợi 65

quang có đế SERS và dung dịch R6G 10-4 M trên bề mặtsợi quang không có đế SERS

1 Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Từ nhiều thế kỷ nay vật liệu có cấu trúc nano dưới các dạng khác nhau đãthu hút được sự chú ý của nhân loại vì nó cho thấy những đặc tính vật lý mới lạ

mà chúng ta chưa thấy được ở các cấu trúc, kích thước của vật liệu khác Đây lànền tảng cho công nghệ nano, một lĩnh vực khoa học và công nghệ đã rất pháttriển trong suốt thập kỉ qua Công nghệ nano đề cập đến các vật liệu, hệ thống

và thiết bị cỡ nano mét (1-100 nanomet), điều này có tác động lớn đến xã hộihiện đại của chúng ta và số lượng các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano càngngày càng tăng Công nghệ này nhanh chóng trở thành một ngành khoa họcđáng chú ý bởi nó liên quan đến các lĩnh vực nghiên cứu khác như: vật lý, hóahọc, sinh học, y học, điện tử, các ngành công nghiệp sản xuất và kĩ thuật…Tính chất vật lý và quang học của vật liệu nano kim loại được sử dụngtrong nhiều lĩnh vực, từ kĩ thuật quang cho đến đời sống Trong số đó, không ítnhững tính chất quang học thú vị được bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởngplasmon bề mặt định xứ (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR) Hiệuứng này xảy ra khi các electron tự do trong cấu trúc kim loại được kích thíchbởi ánh sáng tới, tạo ra sự dao động của các điện tử bị giới hạn trong cấu trúcnano Kích thích của plasmon bề mặt định xứ có thể được gây ra bởi bức xạđiện từ dẫn đến hiện tượng tán xạ và hấp thụ mạnh bước sóng tại đó hay cónghĩa là tạo ra màu sắc đặc biệt của vật liệu nano kim loại LSPR phụ thuộcmạnh vào kích thước, hình dạng các hạt nano kim loại, chiết suất môi trườngxung quanh và khoảng cách giữa các hạt nano [11] Do vậy việc kiểm soát hìnhdạng và kích thước của hạt nano kim loại là biện pháp hiệu quả để có được hạtnano với bước sóng cộng hưởng plasmon như mong muốn Nhiều phương phápnhư là phương pháp vật lý, phương pháp khử hóa học, khử sinh học, phươngpháp quang hóa, phương pháp ăn mòn laser, phương pháp điện hóa, phươngpháp chiếu xạ… đã tổng hợp thành công các nano kim loại đặc biệt là nano bạcvới các hình dạng khác nhau như dạng cầu, dạng

thanh, hình tam giác, tứ diện, lập phương,…Mỗi phương pháp đều có những ưu

và nhược điểm riêng ví dụ như phương pháp vật lý hữu ích nhất để sản xuất bộtAgNPs nhưng chi phí sản xuất lại tốn kém hay phương pháp khử sinh học tuythân thiện với môi trường và có chi phí thấp nhưng hiệu suất không cao Gầnđây các nhóm nghiên cứu đang sử dụng phương pháp quang-hóa để phát triển

và kiểm soát hình dạng nano bạc bằng cách sử dụng đèn LED bởi phương phápnày dễ thực hiện, chi phí thấp [10]

Kim loại bạc từ lâu đã được biết đến với khả năng kháng khuẩn và khi ởkích cỡ nanomet thì nano bạc còn được sử dụng để trang trí thủy tinh nhờ màusắc rực rỡ mà nó đem lại Ngày nay các hạt nano bạc đã được ứng dụng trongnhiều lĩnh vực khác nhau như: khử khuẩn trong xử lí môi trường, thiết bị quanghọc, đánh dấu sinh học và đặc biệt là chế tạo cảm biến sinh-hóa dựa trên LSPR.Trong số các loại cảm biến sinh hóa được chế tạo và sử dụng hiện nay thìcảm biến sợi quang là một loại có nhiều ưu điểm vượt trội Cảm biến quang cóthể điều khiển và kiểm soát từ xa các thông số lý-hóa như áp suất, nhiệt độ;nhận biết và kiểm soát các độc tố sinh học, hóa học nhiễm bẩn trong đất, nguồnnước, thực phẩm; không bị hao mòn, có tuổi thọ cao, thời gian đáp ứngnhanh… điều này thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển các loại cảm biến sinh-hóa chính xác, có độ nhạy cao trong các môi trường khác nhau, gọn nhẹ và rẻtiền Thông thường các phần tử cảm biến dựa trên các thành phần có yếu tố dẫnđiện nên rất dễ bị can nhiễu bởi sóng điện từ gây ra và không bền trong điềukiện các môi trường khắc nghiệt (có độ ẩm cao, môi trường có tính axit haykiềm; muối cao, trường điện-từ mạnh ) Cảm biến quang sợi với phần tử cảmbiến là một phần của chính dây dẫn quang, thường hoạt động dựa trên mốitương tác giữa đối tượng đo với sợi quang làm thay đổi cường độ, tần số, pha,

sự phân cực hay bước sóng của chùm sáng truyền dẫn trong sợi quang, do vậy

nó không cần có nguồn điện trong cảm biến nên độ an toàn trong sử dụng cao

và đặc biệt là có thể sử dụng được nhiều lần Một phương pháp để tối ưu hóa

lớp nano bạc, dựa vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ làm chocác đầu dò cảm biến có độ nhạy cao để phát hiện sự tồn dư của các chất hóa họcđộc hại thông qua phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt Trên cơ sở đó và vớinhững điều kiện trang thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm của phòng Vậtliệu và ứng dụng quang sợi thuộc Viện khoa học vật liệu Việt Nam tôi chọn đề

tài: “Nghiên cứu hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp quang-hóa trên nền quang sợi

và ứng dụng trong cảm biến sinh-hóa” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn

tốt nghiệp thạc sĩ của mình

2 Mục tiêu của luận văn

• Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc và sử dụng phươngpháp quang-hóa để tổng hợp nano bạc

• Chế tạo các dạng đầu dò quang sợi như đầu dò dạng phẳng, dạng D-form,dạng tuýp… và phủ các hạt nano bạc lên trên đầu dò quang sợi dạng phẳng

• Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của các dạng hạt nano bạc chế tạođược; hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman trên đầu dò sợi quang và bướcđầu ứng dụng kết quả trên trong cảm biến sinh-hóa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Tính chất quang của các hạt nano bạc, hiệu ứng plasmon bề mặt định

xứ và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt

+ Cách chế tạo các hạt nano bạc và chế tạo các dạng đầu dò quang sợi,ứng dụng hiệu ứng plasmon bề mặt định xứ của hạt nano bạc trên nền quang sợi

để nghiên cứu phổ Raman

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiệu ứng plasmon, các phương pháp

tổng hợp các hạt nano kim loại bạc và ứng dụng các hạt nano kim loại bạc trongcảm biến sinh-hóa

4 Nội dung nghiên cứu

a Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc bằng phương pháp quang-hóa Tổng hợp hạt nano bạc trên các đầu dò quang sợi

• Chế tạo các mẫu nano bạc trong dung dịch có sẵn các mầm bạc dựa trênphương pháp quang-hóa, tùy vào điều kiện tổng hợp như ánh sáng, tiềnchất, nhiệt độ sẽ thu được các hạt nano bạc có hình dạng khác nhau với cáckích thước từ 30 – 180nm

• Xây dựng và thiết kế các dạng đầu đò quang sợi có kích thước và hìnhdạng khác nhau theo một số phương pháp, như phương pháp vi cơ cho đầu

dò dạng D-form, phương pháp ăn mòn HF cho đầu dò dạng tuýp, chế tạođầu dò dạng phẳng…

• Tổng hợp trực tiếp các hạt nano bạc lên đầu dò quang sợi dạng phẳngchế tạo được bằng nguồn laser kích thích có bước sóng 532nm

b Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của các dạng hạt nano bạc chế tạo được với hiệu ứng dịch chuyển đỉnh phổ cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) về bước sóng dài tương ứng với các kích thước, hình dạng hạt khác nhau trên đầu dò sợi quang

• Phân tích phổ hấp thụ của các AgNP chế tạo được trên hệ thiết bị đo phổphân giải cao Cary 5000

• Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc các hạt nano bạc chế tạo đượcbằng kính hiển vi điện tử quét HR-SEM và hệ thống phân tích quang phổRaman LabRAM HR Evolution

c Ứng dụng kết quả trên trong cảm biến sinh-hóa

• Sử dụng chất phân tích R6G để nghiên cứu hiệu ứng tăng cường cộnghưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt nano Ag trên các đầu dò quangsợi chế tạo được thông qua phổ Raman

5 Phương pháp nghiên cứu

• Nghiên cứu tài liệu, các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc bằng phươngpháp quang-hóa, các dạng đầu dò quang sợi, hiệu ứng plasmon bề mặtđịnh xứ, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt

• Thiết kế xây dựng quy trình thí nghiệm tổng hợp các hạt nano bạc dựatrên phương pháp quang-hóa bằng các nguồn LED công suất cao và nguồnlaser có bước sóng 532nm

• Nghiên cứu các tính chất quang và cấu trúc của mẫu hạt nano bạc tổnghợp được trên hệ thiết bị đo phổ UV-VIS-NIR phân giải cao (Cary 5000)

và hệ thiết bị hiển vi điện tử quét HR-SEM

• Sử dụng các đầu dò quang sợi dạng phẳng có phủ hạt nano bạc chế tạođược để làm đế SERS bước đầu nghiên cứu hiệu ứng tán xạ Raman tăngcường bề mặt đối với R6G

6 Ý nghĩa của luận văn

Luận văn trình bày cách tổng hợp các dạng nano bạc bằng phương phápquang-hóa và tính chất quang của các hạt nano bạc phụ thuộc vào hình dạng vàkích thước của hạt nano Ứng dụng các hạt nano bạc vào việc chế tạo cảm biếnsinh-hóa dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của hạtnano bạc trên sợi quang Phương pháp quang-hóa dễ sử dụng và dễ thực hiện tạiViệt Nam, không độc hại, thân thiện với môi trường và có thể điều khiển kíchthước, hình dạng hạt như mong muốn, hơn nữa có hiệu quả và chi phí thấp.Tiếp đó dựa vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của hạtnano Ag tích hợp trên đầu dò quang sợi thông qua phổ Raman để bước đầunghiên cứu ứng dụng trong cảm biến sinh-hóa, hy vọng chế tạo và sản xuất mộtloại cảm biến nhỏ gọn, tiện lợi, dễ dàng phân tích các chất độc hại phục vụ trựctiếp nhu cầu của con người trong đời sống

7 Cấu trúc của luận văn

Nội dung của luận văn được kết cấu thành 3 chương chính như sau:

Chương I Tổng quan về hạt nano bạc và các vấn đề liên quan.

Chương II Thực nghiệm

Chương III Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của các hạt nano bạc chế

tạo trong môi trường lỏng và trên đầu dò quang sợi, ứng dụng trong cảm biếnsinh-hóa

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO BẠC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Tổng quan về hạt nano bạc và phương pháp tổng hợp hạt nano bạc

1.1.1 Tổng quan về hạt nano bạc

1.1.1.1 Giới thiệu chung về hạt nano bạc

Hạt nano bạc (AgNP) là những hạt bạc (Ag) có kích thước nano (nhỏ hơn

100 nm), có đặc tính vật lý, hóa học, sinh học riêng biệt so với các hạt có kíchthước lớn hơn Các đặc tính quang học, nhiệt và xúc tác của các AgNP bị ảnhhưởng mạnh bởi kích thước và hình dạng của chúng AgNP có nhiều hình dạngkhác nhau, tùy thuộc vào phương pháp chế tạo nhưng cơ bản các AgNP thường

sử dụng có dạng hình cầu, hình tam giác, hình kim cương, hình bát giác và đĩamỏng…

Ngoài ra, nhờ đặc tính cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ và sở hữukhả năng kháng khuẩn mạnh, các AgNP cũng trở thành vật liệu nano khử trùngđược sử dụng rộng rãi nhất và được tích hợp với các vật liệu khác để có đượccác đặc tính nâng cao

1.1.1.2 Tính chất của AgNP

Hạt nano kim loại nói chung cũng như AgNP có hai tính chất khác biệt sovới vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước Tuy nhiên, dođặc điểm các AgNP có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì cáctính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độđiện tử tự do cao

1.1.1.2.1 Tính chất quang học

Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc lẫn trong thủy tinh làm chocác sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sửdụng từ hàng ngàn năm trước Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộnghưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) do điện tử tự dotrong hạt nano kim loại hấp thụ ánh sáng tới Kim loại có nhiều điện tử tự do,

các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoàinhư ánh sáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các saihỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường

tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kimloại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử thì hiện tượng dập tắtkhông còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Dovậy, tính chất quang của AgNP có được do sự dao động tập thể của các điện tửdẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy,các điện tử sẽ phân bố lại trong AgNP làm cho AgNP bị phân cực điện tạothành một lưỡng cực điện Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộcvào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của AgNP và môitrường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Ngoài ra, mật độ AgNPcũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gầnđúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trìnhtương tác giữa các hạt [4]

1.1.1.2.2 Tính chất điện

Tính dẫn điện của Ag rất tốt, hay điện trở của chúng nhỏ nhờ vào mật độđiện tử tự do cao trong đó Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trêncấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của Ag đến từ sự tán xạ củađiện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt củanút mạng (phonon) Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện

I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của bạc Định luật Ohm cho thấy đường I-

U là một đường tuyến tính Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng

lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng Hệ quả của

quá trình lượng tử hóa này đối với AgNP là đường I-U không còn tuyến tính

nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb

blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một

là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối AgNP với

số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên

bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bêntrong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn Nhưvậy, nếu kích thước của hạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [4]

Hình 1.1: Mô tả phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên.

Trong công nghệ chế tạo nano phương pháp từ trên xuống liên quan đếnviệc sử dụng các vật liệu rời giảm chúng thành các hạt nano bằng quá trình vật

lý, hóa học hoặc cơ học còn phương pháp từ dưới lên thì bắt đầu bằng các phân

tử hoặc nguyên tử để tổng hợp thu được các hạt nano Tổng hợp các hạt nanovới cách tiếp cận từ trên xuống thường bằng các phương pháp như là nghiền cơnăng lượng cao, laser năng lượng cao, phương pháp nhiệt và phương phápquang khắc…còn với cách tiếp cận từ dưới lên thì có thể bằng các phương pháplắng đọng hơi hóa học, sol-gel, thủy phân, lắng đọng hồ quang điện [23]

1.1.2.1 Phương pháp hóa học

Trong tổng hợp hóa học, phương pháp khử hóa học thường được sử dụng

để tổng hợp các hạt nano Cùng với phương pháp này, tổng hợp hóa học baogồm phương pháp thủy nhiệt, phương pháp âm hóa, phương pháp điện hóa,phương pháp vi nhũ tương, phương pháp sol-gel, phương pháp hóa ướt… đểtổng hợp

các AgNP [21]

Âm hóa

Hình 1.2: Các phương pháp hóa học tổng hợp AgNP [21].

Trong phương pháp hóa học, muối Ag bị khử bởi các tác nhân hóa họctạo thành một hạt nhân Ag và sau đó chúng kết tụ lại tạo thành các AgNP kimloại Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được thể hiện theo phương trình:

Phương pháp khử hóa học là phương pháp phổ biến vì dễ thực hiện và sửdụng thiết bị đơn giản Việc kiểm soát sự phát triển của các hạt nano kim loại làcần thiết để thu được các hạt nano có kích thước nhỏ với hình cầu và đườngkính phân bố hẹp Các AgNP có thể được tạo ra bằng phản ứng hóa học với chiphí thấp và năng suất cao Quá trình tổng hợp hóa học của các AgNP trongdung dịch thường sử dụng ba thành phần chính sau đây: (1) tiền chất kim loại,(2) chất khử và (3) chất ổn định Sự hình thành các dung dịch keo từ việc giảmmuối bạc liên quan đến hai giai đoạn tạo mầm và sự tăng trưởng tiếp theo Đâycũng là giai đoạn để kiếm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano bạc.Hơn nữa, để tổng hợp các AgNP có cùng hình dạng và có phân bố kích thướcđồng đều thì tất cả các hạt mầm đều được tạo thành cùng một thời điểm Trongtrường hợp này, tất cả các hạt mầm có thể có cùng kích thước hoặc giống nhau,

và sau đó chúng sẽ có cùng phát triển Sự tạo mầm ban đầu và phát triển tiếptheo của hạt mầm ban đầu có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh cácthông số phản ứng như nhiệt độ phản ứng, pH, tiền chất, chất khử (tức là

oleate)[6, 21]

1.1.2.2 Phương pháp vật lý

Các phương pháp hóa học để tổng hợp các AgNP thường liên quan đếncác hóa chất độc hại, có thể gây hại cho môi trường Mặc dù phương pháp nàytạo ra các AgNP có kích thước và hình dạng đồng đều nhưng chúng đòi hỏi một

số chất khử, chất ổn định cũng như phụ gia để tránh sự tích tụ của các AgNPtrong khi đó các phương pháp vật lý không liên quan đến hóa chất độc vàthường nhanh hơn Kvitek đã báo cáo phương pháp tiếp cận vật lý tiến bộ để

tổng hợp hạt nano Ag và Au và các hạt có dạng hình cầu với đường kính trungbình khoảng

3,5 nm Phương pháp vật lý chủ yếu bao gồm phương pháp bốc hơi, ngưng tụ,phương pháp ăn mòn laser, phương pháp phóng xung điện, phương pháp lắngđọng hồ quang… để tổng hợp các AgNP Không có ô nhiễm dung môi trongquá trình tổng hợp màng mỏng và hình thành các hạt có kích thước đồng đềutrong phân bố hạt nano là những ưu điểm của phương pháp vật lý so với tổnghợp hóa học [15].

Hình 1.3: Các phương pháp vật lý tổng hợp AgNP.

Jung và các cộng sự đã công bố quá trình tổng hợp các AgNP thông quaphương pháp bốc hơi/ngưng tụ ống bằng cách sử dụng một lò nung gốm nhỏvới gia nhiệt cục bộ [21] Các AgNP được hình thành có dạng hình cầu và phântán tốt Phương pháp này có một số nhược điểm như cần không gian rộng đểthiết lập hệ thống, tiêu thụ năng lượng cao để tăng nhiệt độ môi trường xungquanh nguồn nguyên liệu và đòi hỏi thời gian đáng kể để thiết lập ổn định nhiệt.Lee và Kang đã tổng hợp các AgNP bằng phương pháp phân hủy nhiệt bằngcách sử dụng bạc nitrat làm tiền chất ở 290°C Kết quả quan sát thấy các hạtnano có kích thước đồng đều với sự phân tán tốt và kích thước trung bình củacác AgNP là 9,5

nm với độ lệch chuẩn là 0,7 nm Tuy nhiên, cần xem xét chi phí đầu vào cho đầu tư thiết bị [15].

1.1.2.3 Phương pháp sinh học

Gần đây các phương pháp sinh học tổng hợp các AgNP sử dụng các chấtkhử tự nhiên như polysaccharides, vi sinh vật như vi khuẩn và nấm hoặc chiếtxuất từ thực vật đã được lựa chọn như một sự thay thế đơn giản và khả thi đốivới các phương pháp tổng hợp hóa học phức tạp để thu được AgNP Vi khuẩnđược biết đến với khả năng sản sinh ra các chất vô cơ ở trong hoặc ngoài tế bào,khiến cho chúng trở thành các chất sinh học tiềm năng để tổng hợp các hạt nanonhư Au và Ag Đặc biệt Ag rất nổi tiếng với tính chất kháng khuẩn của nó.Vilchis-Nestor đã sử dụng chiết xuất trà xanh (Camellia sinensis) làm chất khử

và chất ổn định để tạo ra các hạt nano Ag, Au trong dung dịch nước và quan sátđược sự tăng trưởng nhanh của chúng K Kalishwaralal đã công bố quá trình

Bacillus Licheniformis nổi trên mặt [15, 16] Các AgNP được tổng hợp rất ổnđịnh và phương pháp này có lợi thế hơn các phương pháp khác như các sinh vậtđược sử dụng ở đây là vi khuẩn không gây bệnh Phương pháp sinh học cungcấp nhiều cách để tổng hợp AgNP và phương pháp này có ưu điểm so với cácphương pháp tổng hợp hóa học thông thường là nó thân thiện với môi trườnghơn cũng như kỹ thuật chi phí thấp Tuy nhiên, kích thước của hạt nano đượctạo thành tương đối lớn và số lượng hạt tổng hợp được không nhiều [15]

1.1.2.4 Phương pháp quang hóa

Đây là phương pháp chế tạo AgNP bằng các chất hóa học nhưng có sựphụ thuộc vào ánh sáng và chất xúc tác citrate Quá trình này có ba giai đoạnchủ yếu như sau:

Giai đoạn 1: Giai đoạn tạo mầm Ag với tiền chất là muối Ag cung cấp

trình

này đóng vai trò là chất ổn định bề mặt và dung dịch mầm chứa các AgNP dạngcầu và có màu vàng nhạt.

Giai đoạn 2: Giai đoạn biến đổi citrate do chiếu xạ Lúc này dung dịch

và các hạt mầm Ag sẽ phát triển lớn hơn

Giai đoạn 3: Hạt mầm phát triển thành các hình dạng khác nhau Các hạt

nano hình cầu hấp thụ ánh sáng đẳng hướng và phát triển dị hướng thành nhữnghình dạng khác nhau tùy thuộc vào thời gian chiếu sáng, dung dịch chứa nanobạc lúc này cũng có những màu sắc khác nhau phụ thuộc vào kích thước vàhình dạng của AgNP [5, 7]

Hình 1.4: Ảnh TEM của AgNP được tổng hợp bằng phương pháp quang-hóa

ở cùng một nhiệt độ và khác nhau thời gian chiếu sáng: (a) 4h; (b) 7h; (c)

21h; (d) 25h [30].

1.1.3 Một số ứng dụng của AgNP

1.1.3.1 Ứng dụng AgNP làm vật liệu kháng khuẩn

Tác dụng kháng khuẩn của các AgNP đã được sử dụng để kiểm soát sựphát triển của vi khuẩn trong nhiều ứng dụng, bao gồm nha khoa, phẫu thuật,vết thương, bỏng, và các thiết bị y sinh Người ta cũng biết rằng các ion Ag vàcác hợp chất Ag có độc tính cao đối với vi sinh vật Việc đưa các AgNP vàocác tế bào vi khuẩn, tác dụng vào màng bảo vệ của tế bào gây ức chế khả năngvận chuyển oxi vào trong tế bào của chúng và làm chết vi khuẩn Hạt Ag ở kíchthước nano có diện tích bề mặt rất lớn so với thể tích của nó nên khả năngtương tác với vi khuẩn thông qua việc tiếp xúc bề mặt tăng lên cho nên hạt Ag

có kích thước càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn càng lớn

1.1.3.2 Ứng dụng AgNP trong cảm biến

Nhờ tính chất quang học thú vị được bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởngplasmon bề mặt định xứ (LSPR) mà AgNP được ứng dụng rộng rãi trong việcchế tạo cảm biến, ghi nhãn quang học, tăng cường tán xạ Raman (SERS)

Sự kích thích của plasmon bề mặt định xứ trong các cấu trúc nano kimloại bằng ánh sáng nhìn thấy làm cho vật liệu AgNP đặc biệt hấp dẫn đối vớicác ứng dụng cảm biến quang học Khi ánh sáng tới tương tác với cấu trúc củaAgNP, các photon được hấp thụ hoặc tán xạ đó được tăng cường đáng kể ở tần

số cộng hưởng và có thể được theo dõi bằng quang phổ quang học dựa trên sự

đo đạc hoặc tán xạ Khi tương tác này xảy ra, ánh sáng được giới hạn và nănglượng được chuyển đổi thành LSPR, một trường điện từ mạnh được tạo ratrong vùng lân cận trực tiếp của các cấu trúc nano Trường địa hóa gây ra bởicác kích thích LSPR làm cho các cấu trúc của hạt nano đủ nhạy để phát hiệncác thay đổi nhỏ ở môi trường xung quanh Một thay đổi cục bộ trong chỉ sốkhúc xạ, ví dụ như do khả năng hấp thụ của protein hoặc phân tử sinh học khác,

có thể được phát hiện vì những thay đổi quang học xảy ra trong ánh sáng được

sử dụng để kích thích LSPR Đây là nền tảng của kỹ thuật nano, cho thấy một

giản nhưng rất nhạy để phát hiện sự tương tác sinh học hoặc hóa học được ứngdụng trong lĩnh vực y tế như phát hiện bệnh, chuẩn đoán Các cảm biến nanocòn được sử dụng cho một số lượng lớn các ứng dụng phi y tế, chẳng hạn nhưkiểm soát ô nhiễm môi trường, kiểm tra thực phẩm và phát hiện chất độc hóahọc và thuốc nổ Trong tất cả các ứng dụng cảm biến, độ nhạy là cực kỳ quantrọng đối với hiệu suất tổng thể của hệ thống cảm biến Các phương pháp đểcải thiện độ nhạy của cảm biến dựa trên LSPR đã là một lĩnh vực nghiên cứuthu hút nhiều nhà khoa học tham gia Để tối ưu hóa các cảm biến thì hiện naycòn có các cảm biến được tích hợp nhiều chức năng ví dụ như cảm biến quangsợi có thể sử dụng trong các môi trường và lĩnh vực khác nhau [10].

1.2 Các tính chất quang của hạt nano bạc

1.2.1 Hiệu ứng plasmon

Hiệu ứng plasmon xảy ra chủ yếu do các electron tự do trong khối kimloại Sự kích thích điện từ làm cho các electron tự do này dao động tập thểthành một hệ dao động gọi là plasmon Dao động plasmon được chia làm 3mode tùy thuộc vào điều kiện biên của chúng đó là: plasmon khối, plasmon bềmặt và plasmon

bề mặt định xứ

a) b) c)

Hình 1.5: a, Plasmon khối; b, Plasmon bề mặt; c, Plasmon bề mặt định xứ.

- Plasmon khối: là tập hợp các dao động của các electron tự do trong khốikim loại và năng lượng của các lượng tử khoảng 10eV trong các kim loạiquý (tương ứng với bước sóng trong chân không cỡ 120nm) Plasmonkhối có thể được kích thích bằng bức xạ điện từ (ánh sáng)

- Plasmon bề mặt: là dao động của các electron tự do trên bề mặt kim loạidưới tác dụng của ánh sáng tới, xảy ra ở giao diện điện môi-kim loại.

- Plasmon bề mặt định xứ: sự dao động của các electron tự do bị giới hạntrong cấu trúc nano kim loại [29]

Ta có thể hiểu rằng plasmon là các electron tự do chuyển động trong kimloại giống như các ion chuyển động trong một plasma khí Do đó tính chấtquang của kim loại có thể được giải thích bằng mô hình khí điện tử tự do củaDrude,

các tính chất quang học của kim loại được đặc trưng bởi hàm điện môi �𝜔 Dướitác dụng của điện trường phương trình chuyển động của khí electron tự do cóhàm điện môi được mô tả bằng mô hình electron đơn giản:

𝜔 𝑃 2

vào mật độ các ion tích điện dương Tần số plasma của các kim loại quý nằmtrong vùng phổ ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại Dao động plasma có thể đượctính toán bằng cách sử dụng phương trình:

được gọi là một plasmon hoặc cực plasmon khi bị kích thích bởi sự kích thíchphoton [11]

Xét mặt phân cách giữa hai môi trường kim loại và không khí, khi có ánhsáng kích thích chiếu đến, các hạt electron tập trung theo chiều dọc bề mặt kimloại dao động chúng tạo ra sóng điện từ giới hạn bề mặt, được gọi là sóng

plasmon bề mặt Sóng plasmon bề mặt này lan truyền ở giao diện giữa kim điện môi (được minh họa trong hình 2.2 a) Điện trường của sóng plasmon bềmặt giảm theo hàm mũ khi xa dần giao diện kim loại-điện môi do sự hấp thụnăng lượng trong kim loại và các vector điện trường vuông góc với bề mặt kimloại-điện môi Độ phân rã của chúng phụ thuộc vào các tính chất điện môi của

Năng lượng cho sóng plasmon bề mặt luôn nhỏ hơn so với tổng plasmoncủa khối kim loại và tần số plasmon được biểu diễn qua công thức:

��𝑆 �� = ��𝑃 /√2

(2.4)Sóng plasmon bề mặt lan truyền mang động lượng và bằng cách giải

Để kích thích được sóng plasmon bề mặt thì cả hai đại lượng tần số (nănglượng) và véc tơ sóng (động lượng) phải được bảo toàn, điều này không thể đạtđược bằng cách đơn giản là chiếu ánh sáng tới một bề mặt kim loại một cáchtrực tiếp Hình 2.2 (b) cho thấy mối quan hệ tán xạ của sóng plasmon bề mặtvới các photon trong chân không và vì các đường cong không trùng khớp nênkhông kích thích được sóng plasmon bề mặt [11].

Hình 1.6: (a) Sơ đồ minh họa của một plasmon bề mặt truyền dọc theo trục x

trên giao diện giữa kim loại-điện môi với các đường điện trường theo hướng ngược lại.

(b) Sự tán xạ của plasmon bề mặt với photon trong chân không [11].

Tuy nhiên vào năm 1968, Kretschmann và Raether đã chỉ ra rằng cácplasmon bề mặt có thể bị kích thích bên trong màng kim loại bằng cách hướngánh sáng tới qua một thiết bị ghép nối ví dụ như lăng kính thạch anh Ánh sángkích thích có thể đến từ một mặt của môi trường điện môi (được gọi là cấu hìnhOtto-1968) hoặc từ một phía của mặt kim loại (gọi là cấu hình Kretschmann-1972) trong hình 2.3 Trong cấu hình Otto phải có một khoảng cách nhỏ giữađiện môi và bề mặt kim loại nếu không sự tán xạ plasmon bề mặt sẽ bị thay đổi.Trong cấu hình Kretschmann, màng kim loại cũng phải rất mỏng để cho ánhsáng có thể đi xuyên qua màng [9]

Hình 1.7: a, Cấu hình Otto; b, Cấu hình Kretschmann

Nếu chiết suất của môi trường điện môi �� tại giao diện kim loại bị thay

đổi, sự SPR cũng có sự thay đổi (theo phương trình 2.5) Đây cũng là nguyên tắccho việc ứng dụng sinh học dựa trên hiệu ứng plasmon bề mặt

1.2.1.1 Hiệu ứng plasmon bề mặt định xứ của hạt nano bạc

Hiện ứng plasmon bề mặt định xứ là hiệu ứng xuất hiện khi một trường

(mang điện âm) trong kim loại dao động tập thể Tại một tần số kích thích nhấtđịnh, các hạt nano kim loại có kích thước nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng sẽdao động cộng hưởng với ánh sáng tới, LSPR sẽ xảy ra (hình 2.4) [24]

Hình 1.8: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ.

Cách đơn giản nhất để mô tả LSPR có thể được tìm thấy trong lý thuyết Mie

cầu có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng kích thích (2r << λ)

qua phương trình sau:

24 𝜋 2 � 3 ��� 3/ 2 𝑁 ��𝑖 ( 𝜆 )

của khối kim loại Trong phép tính gần đúng này, các hạt nano nhỏ coi là lưỡngcực điện Độ phân cực 𝛼 cho lưỡng cực như vậy có thể được biểu diễn dưới

dạng:

��(�) = 4����3 𝜀 ( 𝜆 ) −����(��)+2��� ( 𝜆 )

Như đã thấy trong phương trình 2.7, độ phân cực đạt giá trị lớn nhất khi mẫu số

hiểu là mẫu số của biểu thức trong ngoặc phải đạt tới 0 khi điều kiện này được

điện môi cho tần số cộng hưởng cho LSPR [11]:

nó có nhiều ưu điểm hơn các vật liệu khác Ag cũng thể hiện tính dẫn điện vànhiệt cao nhất trong tất cả các kim loại và có giá thành tương đối rẻ so với cáckim loại khác trong việc tạo ra LSPR

1.2.1.2 Lý thuyết Mie

LSPR của các hạt nano kim loại có thể mất dần bằng cách phát ra cácphoton (tán xạ) hoặc chuyển thành nhiệt (hấp thụ) Phản ứng của một quả cầukim loại với một trường điện từ bên ngoài có thể được tính toán bằng cách giải