Ứng dụng phương pháp quang phổ phân giải theo thời gian nghiên cứu quá trình truyền năng lượng cộng hưởng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÂN GIẢI THEO THỜI GIAN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỘNG HƯỞNG PHẠM THỊ HẰNG LỚP CAO HỌC LÝ K10.B1 THÁI NGUYÊN, 2018 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thanh Bình Thầy giao đề tài tận tình hướng dẫn em suốt trình hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn PGS TS Vũ Thị Bích Th.S Nguyễn Đình Cơng Viện Vật Lý Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, PGS TS Chu Việt Hà trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể Thầy Cơ giáo khoa Vật lý trường Đại Học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập khoa, anh chị, bạn học viện lớp K10B1 – lớp Cao học Vật lý trao đổi giúp đỡ em suốt thời gian thực đề tài Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình tơi, bạn bè đồng nghiệp tơi – người bên cạnh động viên giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn Luận văn hoàn thành với hỗ trợ từ đề tài KHCN cấp Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam thuộc Chương trình phát triển Vật lý tới 2020 cấp: “Ứng dụng phương pháp huỳnh quang phân giải thời gian hiệu ứng truyền lượng cộng hưởng FRET thử nghiệm phát độc tố kháng sinh thực phẩm” Tác giả luận văn PHẠM THỊ HẰNG i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH .v MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan 1.1.Vật liệu nano ứng dụng 1.2 Hiện tượng truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Lịch sử phát triển FRET [11] 1.2.3 Ứng dụng hiệu ứng FRET chấm lượng tử làm nanosensor 14 Chương Kỹ thuật thực nghiệm 17 2.1 Kỹ thuật đo hấp thụ 17 2.2 Kỹ thuật đo huỳnh quang .19 2.3 Kỹ thuật đo huỳnh quang phân giải thời gian 20 2.3.1 Quang phổ phân giải thời gian thời gian sống phát quang 20 2.3.2 Hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian - TCSPC .23 Chương 3: Kết thảo luận 27 3.1 Quá trình truyền lượng AuNPs với phân tử Rh6G 27 3.2 Quá trình truyền lượng Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS 33 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT FRET EM Fluorescence Resonance Energy Transfer Sóng điện từ BRET truyền lượng cộng hưởng phát quang sinh học TCSPC time-correlated single photon counting SPR AuNPs Surface Plasmon Resonance hạt nanô vàng A Acceptor D Donor QDs Quantum dots DNA Deoxyribonucleic acid PL Rh6G-CdSe/ZnS AuNPs/Rh6G Phổ huỳnh quang Chấm lượng tử CdSe/ZnS-Rhodamin 6G hạt nano vàng-Rhodamin 6G iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các mẫu nghiên cứu FRET cặp Rh6G (Donor) AuNPs (Acceptor) 29 Bảng 3.2 Kết tính thời gian sống từ fitting đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm stretch exponent 33 Bảng 3.3 Các mẫu nghiên cứu FRET cặp Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS 34 Bảng Giá trị tích phân vùng phổ chồng chồng lên nhau, (J ()), hiệu suất truyền lượng Förster, (E%), khoảng cách cặp donor-acceptor (r) 36 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình hiệu ứng FRET Hình 1.2: Giản đồ Jablonski mơ tả hiệu ứng FRET 10 Hình 1.3: Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang cặp chất Donor Acceptor 11 Hình 1.4: Hiệu suất truyền lượng FRET vẽ hàm khoảng cách cặp donoracceptor, khoảng cách R0 khoảng cách mà hiệu suất truyền băng 50% 12 Hình 1.5: Quang phổ huỳnh quang donor acceptor dung dịch hỗn hợp donor acceptor 13 Hình 1.6: Mơ hình chế hoạt động biosensor DNA nano QDs (a,b) 15 Hình 1.7: Sơ đồ cảm biến FRET để phát protease hoạt động 16 Hình 2.1: Máy đo phổ hấp thụ Shimazu UV2600 18 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ đo hấp thụ quang học UV-VIS-NIR 18 Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse 20 Hình 2.4: (a) Phép đo thời gian sống theo phương pháp miền thời gian; (b) Phép đo thời gian sống theo phương pháp miền tần số 22 Hình 2.5: Nguyên lý tổng quát kỹ thuật TCSPC: photon tín hiệu ghi nhận chu kỳ xung kích thích, nhớ vào cột thời gian (bin time), dựng lại biểu đồ tín hiệu theo thời gian (histogram) cho profile cường độ [17] 24 Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát hệ TCSPC 25 Hình 3.1: Ảnh HRTEM AuNPs 28 Hình 3.2: Phổ hấp thụ hạt AuNPs 28 Hình 3.3: Phổ PL mẫu AuNPs/Rh6G, kích thích = 488nm 30 Hình 3.4 Hiệu suất FRET phụ thuộc vào tỉ lệ N Acceptor Donor (tam giác đỏ), so sánh với lý thuyết Förster tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương) 30 Hình 3.5: Đường cong suy giảm huỳnh quang Rh6G 32 Hình 3.6: Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ khác 34 Hình 3.7: Phổ huỳnh quang phân giải thời gian mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ thành phần khác đo đỉnh phát xạ 563 nm với bước sóng kích thích 405 nm 35 v MỞ ĐẦU Truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang hay truyền lượng cộng hưởng Förster đặt tên nhà khoa học Theodor Fưrster - người tìm hiệu ứng truyền lượng hai chất màu hữu cơ, chất huỳnh quang [1] Trong thời gian dài, mục tiêu phương pháp dựa vào FRET xác định khoảng cách phân tử tương tác cách xác định thay đổi cường độ huỳnh quang chất cho (donor) chất nhận (acceptor), từ xác định hàm lượng thành phần donor-acceptor [2,5] Sau với phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang, ảnh thời gian sống huỳnh quang, FRET trở thành công cụ nghiên cứu cấu trúc, tương tác phân tử tế bào FRET nguyên nhân gây dập tắt huỳnh quang donor phần lớn lượng phát xạ acceptor FRET có thuộc tính truyền lượng dập tắt học [4] Khi hiệu ứng FRET xảy ra, acceptor với tập hợp mức lượng quỹ đạo gần thấp mức kích thích donor, có nghĩa phổ phát xạ donor phải chồng chập lên phổ hấp thụ acceptor, trình truyền lượng đo thơng qua thời gian sống huỳnh quang Xác định FRET qua thời gian sống huỳnh quang có số ưu điểm so với phương pháp xác định cường độ phổ đồng thời tránh trường hợp khơng phải FRET (q trình tái hấp thụ) Trong nghiên cứu này, chúng tơi trình bày kết qủa nghiên cứu truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang cặp donoracceptor là: chất màu Rhodamin 6G hạt nano vàng; Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS môi trường dung môi nước Luận văn với tiêu đề: “Ứng dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian nghiên cứu q trình truyền lượng cộng hưởng” Ngồi phần mở đầu, kết luận chia làm chương: − Chương 1: Tổng quan tìm hiểu tài liệu FRET, ứng dụng FRET: trình bày lich sử phát triển nghiên cứu FRET, lý thuyết FRET số ứng dụng − Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: Chuẩn bị mẫu đo, phương pháp thực nghiệm sử dụng luận văn đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang − Chương Trình bày kết truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang cặp donor-acceptor là: chất màu Rhodamin 6G hạt nano vàng; Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS môi trường dung môi nước Chương TỔNG QUAN 1.1.Vật liệu nano ứng dụng Vật liệu nano loại vật liệu đặc biệt ý nghiên cứu giới Việt Nam mười năm trở lại Hiện công nghệ nano dần vào sống, nhiều ngành, nhiều lĩnh vực sử dụng công nghệ nano tạo ứng dụng có tính đột biến lớn Cơng nghệ Vật liệu nano hướng nghiêu cứu ưu tiên định hướng phát triển khoa học công nghệ Đảng Nhà Nước ta thời gian tới Về chất vật liệu nano loại vật liệu làm việc cấp độ nguyên tử phân tử nên có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu dạng khối Vật liệu nano cho thấy khả ứng dụng phong phú đa dạng, vật liệu nano thay loại vật liệu truyền thống sử dụng tính chất vật liệu nano để tạo ứng dụng Với ưu điểm kích thước bé (1-100nm) vật liệu nano dễ dàng xâm nhập vào tế bào sống Đây chìa khố để mở khả ứng dụng to lớn lĩnh vực y-sinh học Vật liệu nano kết hợp với chất hợp sinh để đưa vào thể, tế bào sống mà không bị đào thải bám vào tế bào đích Đây nguyên lý ứng dụng hạt nano đánh dấu nhận biết tế bào bị bệnh nhằm chẩn đoán điều trị, nhằm giảm thiểu hiệu ứng phụ so với phương pháp truyền thống Cũng với tính chất này, vật liệu nano sử dụng để dẫn truyền thuốc tới tận tế bào bệnh, ức chế tiêu diệt tế bào Nhiều phương pháp điều trị bệnh xây dựng sở sử dụng vật liệu nano liệu pháp hoá trị (chemotherapy): chế tạo hệ thống mang thuốc nano hướng đích làm tăng hiệu thuốc giảm tác dụng phụ; liệu pháp nhiệt trị (thermal therapy): sử dụng nguyên tắc đốt nội với nguồn nhiệt hạt từ, hạt kim loại kích thước bé tế bào để bóc tách diệt tế bào ung thư; liệu pháp thực khuẩn thể (phage therapy) phương pháp sử dụng thực khuẩn thể đặc hiệu gắn với hạt mang thuốc… Ngoài ra, tính chất quang hạt nano chấm lượng tử, hạt nano vàng, hạt nano silica chứa tâm màu hữu hạt nano đất sử dụng để đánh dấu, làm tăng độ tương phản ảnh, tăng độ nhạy độ xác phép chuẩn đốn hình ảnh Tại Việt Nam nghiên cứu vật liệu nano thực gần hai chục năm qua, hàng ngàn dự án, đề tài khoa học cấp thực hiện, thu nhiều kết khoa học đáng khích lệ, nhiều cơng trình khoa học cơng bố, nhiều kết đưa vào ứng dụng thực tế …bên cạnh tính chất, thơng số, đặc trưng vật lý đơn hạt nano trạng thái dừng (steady state) vật liệu nano tập trung nghiên cứu thời gian gần đây, tính chất khác vật liệu nano tính chất động học – tính chất vật liệu có tương tác với mơi trường bên ngồi ý Việt Nam chưa có đầy đủ phương tiện, máy móc để thực nghiên cứu Gần viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam phát triển số thiết bị cho phép xác định số đặc tính động học vật liệu nano Vật liệu nano có triển vọng ứng dụng nhiều lĩnh vực Chẳng hạn, ống nano cacbon, dây nano silic đóng vai trò quan trọng việc chế tạo linh kiện điện tử, chuyển mạch quang Các vật liệu gốm sở tinh thể nano Si3N4, SiC có độ cứng siêu cao, bị mài mòn, dùng khí để chế tạo mũi khoan, dao cắt gọt, ổ bi Vật liệu TiO2 anatase với kích thước cỡ nano mét cho thấy chúng chất xúc tác quang điện hóa mạnh, mở khả ứng dụng làm vật liệu xúc tác, làm mơi trường: kính phủ hạt tinh thể nano TiO2 khơng dính ướt; loại sơn có pha hạt nano TiO2 có độ bám dính cao, làm cho lớp sơn bền lâu không bám bụi Các hạt nano từ: Fe2O3, Fe3O4 sử dụng để đốt tế bào ung thư từ trường ngồi mà khơng ảnh hưởng đến tế bào bình thường Các hạt kim loại có cấu trúc nano hướng tiếp cận nghiên cứu khoa học–cơng nghệ nano Ở đây, tính chất hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt liên quan tới hệ điện tử tự đặc biệt có ý nghĩa quan trọng Gần đây, hai loại hạt nano kim loại quan tâm nghiên cứu nhiều vàng (Au) bạc (Ag) Vàng kích thước nano (khoảng vài chục nm) có plasmon bề mặt cộng hưởng khoảng 530 nm Quá trình biến đổi photon–plasmon–photon (vùng phổ cộng hưởng ~530 nm) cho phép tiếp cận trực tiếp lĩnh vực nano–photonics, tận dụng ưu "nhanh" quang tử (photonics) "kích thước nano" điện tử Plasmon bề mặt hạt vàng sử dụng để truyền lượng ánh sáng cho tế bào, protein ❖ Phân tích liệu Dữ liệu đo thời gian sống phát quang thường dạng đơn hàm e mũ mà thường có dạng đa hàm e mũ phương trình suy giảm phát quang có dạng:  t  I ( t ) =  I i ( ) exp  −  i =1  i  n (2.11) Với I i ( ) giá trị cực đại thành phần Nếu liệu đo tập hợp nhiều hàm mũ liệu suy giảm phát quang tập hợp chấm lượng tử, việc phân tích kết trở nên phức tạp Một phương pháp đưa sử dụng phân bố stretched-exponential để mô tả q trình suy giảm phát quang tính tốn thời gian sống trung bình hỗn hợp mẫu cần phân tích [ 7,20, 21, 22] Phương trình phân bố thời gian sống stretched-exponential có dạng:  t I ( t ) = I ( ) exp  −     (2.12) Dữ liệu đo thời gian sống phát quang kỹ thuật TCSPC phức tạp áp dụng hay đưa mô hình vật lý thích hợp xử lý số liệu xác kết luận q trình quang động học xảy trạng thái kích thích vật liệu 26 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Quá trình truyền lượng AuNPs với phân tử Rh6G 3.1.1 Phương pháp chế tạo hạt nano AuNPs Các hạt nano kim loại quý vàng (Au) bạc (Ag) có nhiều khả ứng dụng nhiều lĩnh vực khác photonics, optoelectronics, công nghệ sinh học Các ứng dụng thực tế hạt nano kim loại dựa tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance- SPR) Hiện tượng SPR xẩy điện tử dẫn hạt kim loại Au Ag tương tác với trường điện từ ngồi dẫn đến hình thành dao động đồng pha với tần số cộng hưởng định Các hạt nano kim loại hấp thụ mạnh photon kích thích tần số cộng hưởng Trong trường hợp tổng quát, đỉnh SPR bao gồm hai thành phần hấp thụ tán xạ Hiệu ứng SPR phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, số điện môi thân hạt kim loại phụ thuộc vào số điện môi mơi trường xung quanh Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano kim loại khác phương pháp hố khử, quang hố, phương pháp ăn mòn laser, phương pháp plasma… Phương pháp hóa khử phương pháp thơng dụng để chế tạo hạt Au Ag có kích thước < 100 nm, với chi phí rẻ chất lượng mẫu tương đối tốt điều khiển kích thước hình dạng hạt Tuy nhiên phương pháp này, khó loại bỏ tiền chất ban đầu mẫu nanơ thu Phương pháp ăn mòn laser phương pháp sử dụng laser (liên tục xung) bắn phá vào bia kim loại đặt môi trường lỏng khí để tạo hạt nanơ Phương pháp tạo mẫu với độ cao, nhiên độ đồng hạt thu lại khó khơng chế Điều phụ thuộc vào độ ổn định công suất, độ rộng xung, tần số lặp lại laser… Phương pháp plasma tạo hạt nanơ có độ phương pháp ăn mòn laser độ đồng hạt lại tốt Trong nghiên cứu này, chọn đối tượng nghiên cứu hạt nanô vàng (AuNPs) nhóm Vật lý Plasma - Trung tâm Vật lý kỹ thuật - Viện Vật lý chế tạo phương pháp plasma 27 Hạt AuNPs chế tạo phương pháp plasma có hình tựa cầu, kích thước nhỏ 10 nm có phân bố kích thước tương đối đồng Điều thể qua ảnh HRTEM Hình 3.1 Phổ hấp thụ hạt AuNPs môi trường pH =11 xuất đỉnh hấp thụ SPR vùng khả kiến 522 nm ứng với mode dao động lưỡng cực (Hình 3.2) Cường độ hấp thụ Hình 3.14: Ảnh HRTEM AuNPs Bước sóng (nanomet) Hình 3.15: Phổ hấp thụ hạt AuNPs điều kiện môi trường pH =11 28 3.1.2 Quá trình truyền lượng AuNPs với phân tử Rh6G Rh6G biết đến chất màu có hiệu suất lượng tử lớn kích thích bước sóng 488 nm, Rh6G có hiệu suất lượng tử 95% Trong đó, AuNPs có đặc trưng phổ hấp thụ từ 500 nm đến 700 nm phụ thuộc vào hình dạng kích thước Vì ta điều chỉnh kích thước để thu vùng hấp thụ theo ý muốn xung quanh vị trí phát xạ Rh6G (phát= 560 nm), phù hợp để nghiên cứu trình trao đổi truyền lượng cộng hưởng - FRET cặp Rh6G (Donor) AuNPs (Acceptor) Để nghiên cứu FRET cặp Rh6G (Donor) AuNPs (Acceptor), sử dụng AuNPs chế tạo phương pháp plasma đưa thêm Rh6G với tỉ lệ khác (Bảng 3.1) Mẫu khảo sát nồng độ AuNPs Rh6G thay đổi Ở đây, nồng độ Rh6G giữ nguyên nồng độ AuNPs thay đổi tỉ lệ số hạt N(AuNPs)/N(Rh6G) thay đổi Ta tạo mẫu nghiên cứu cách: lấy dung dịch AuNPs từ đến ml cho vào 0.5 ml Rh6G thêm vào lượng nước để 3ml Từ đó, mẫu sử dụng phép đo hấp thụ, huỳnh quang thời gian sống huỳnh quang Bảng 3.1: Các mẫu nghiên cứu FRET cặp Rh6G (Donor) AuNPs (Acceptor) Tên mẫu AuNPs (ml) (N=5e17) Rh6G (M=0.52 μM) H2O Tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) S1 0.5 2.5 S2 0.2 0.5 2.3 0.309 S3 0.4 0.5 2.1 0.618 S4 0.6 0.5 1.9 0.927 S5 0.8 0.5 1.7 1.235 S6 0.5 1.5 1.544 Phổ quang huỳnh quang (PL) trạng thái dừng AuNPs/Rh6G đo điền kiện (bước sóng kích thích, độ rộng khe…) trước xác định thời gian sống huỳnh quang Kết trình bày Hình 3.3 29 Cường độ hấp thụ Bước sóng (nanomet) Hình 3.16: Phổ PL mẫu AuNPs/Rh6G, kích thích = 488nm Ta thấy tỷ lệ nồng độ Acceptor/ Donor tuyến tính cường độ PL mẫu suy giảm nhanh Ta nhận thấy cường độ PL giảm nhanh mẫu S2 S3 có 0.2 0.4 ml AuNPs thêm vào, tương ứng Tuy nhiên, từ có 0.6, 0.8, ml AuNPCs thêm vào cường độ PL giảm chậm Điều thể rõ Hình 3.4, so sánh hiệu suất truyền lượng FRET với tỷ lệ N Hiệu suất truyền Acceptor/ Donor Hình 3.17 Hiệu suất FRET phụ thuộc vào tỉ lệ N Acceptor Donor (tam giác đỏ), so sánh với lý thuyết Förster tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương) Hiệu suất truyền lượng E xác định nhiều cách: sử dụng phép đo trạng thái dừng phân giải thời gian Để xác định E, phương pháp 30 phổ biến đo cường độ huỳnh quang trạng thái dừng (FD) mẫu chứa Donor (D) cường độ huỳnh quang (FDA) mẫu tương ứng có thêm Acceptor (A) theo cơng thức (3.1) Hoặc tính E theo công thức (1.4) thông qua phép đo thời gian sống huỳnh quang Kết tính tốn biểu diễn Hình 3.4 cho thấy tỉ lệ Acceptor/Donor khoảng > 1, kết tính tốn thực nghiệm (tam giác đỏ) phù hợp tốt với lý thuyết Förster tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương) Điều hợp lý nồng độ Acceptor thấp, xác suất xảy FRET thấp, nhiều Donor tự cường độ huỳnh quang lớn khơng tham gia FRET Như sai số theo lý thuyết lớn Khi tỉ lệ Acceptor/Donor gần 1, số Donor tự khơng đáng kể mà thay vào Donor tham gia vào q trình FRET, huỳnh quang thu phản ánh Donor tham gia vào tương tác truyền lượng FRET Xác định thời gian sống huỳnh quang mẫu AuNPs/Rh6G Thời gian sống huỳnh quang phép đo quan trọng chứng minh hiệu ứng FRET có xảy hay khơng Thơng qua TGS huỳnh quang ta phân tích đánh giá tương tác trao đổi FRET Đường suy giảm huỳnh quang Rh6G thay đổi theo nồng độ AuNPs đo hệ TCSPC biểu diễn Hình 3.5 Thời gian sống huỳnh quang tính từ việc fitting đường cong suy giảm 𝑡 huỳnh quang theo hàm stretch-exponent 𝐼 = 𝐼0 Exp(− )𝛽 , τ thời gian sống 𝜏 điện tử trạng thái kích thích β nằm khoảng từ (0-1) Vì hạt AuNPs có kích thước khác thời gian sống fitting theo hàm exponent đơn mà sử dụng hàm stretch-exponent Thời gian sống huỳnh quang nhận xem thời gian sống trung bình mẫu có tham gia hạt AuNPs 31 Intensity (a.u.) Cường độ 1000 S1 S2 S3 S4 S5 S6 100 10 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (ns) Thời gian sống(ns) Hình 3.18: Đường cong suy giảm huỳnh quang Rh6G thay đổi theo nồng độ AuNPs Trong trường hợp, nồng độ mẫu nghiên cứu cao (nồng độ hạt AuNPs tăng cao) cường độ huỳnh quang giảm điều trình tái hấp thụ truyền lượng phân tử loại (homotransfer) Khi tính chất quang phụ thuộc vào nồng độ Kết tính tốn thời gian sống huỳnh quang trình bày Bảng 3.2 Giá trị tham số β = mẫu có Donnor khơng có mặt Acceptor, điều chứng minh điện tử có cách tái hợp phát xạ photon nồng độ Rh6G sử dụng thí nghiệm đủ lỗng để không bị ảnh hưởng tái hấp thụ hay homotransfer Khi có mặt AuNPCs tham số  giảm dần theo chiều tăng nồng độ AuNPCs, điều chứng minh truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang FRET từ Donor Để rõ hơn, tham số β thời gian sống τ phụ thuộc vào tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) (Bảng 3.2) Tham số β giảm từ xuống 0.917 tương ứng với tỷ lệ N từ đến 1.544, điều chứng minh (AuNPCs) tăng hiệu suất FRET tăng theo lý thuyết Förster đưa 32 Bảng 3.2 Kết tính thời gian sống từ fitting đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm stretch exponent Tên mẫu S1 S2 S3 S4 S5 S6 Tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) 0.309 0.618 0.927 1.235 1.544   (ns) 0.991 0.959 0.949 0.927 0.917 4.157 3.836 3.589 3.430 3.218 3.120 Cần lưu ý Donor sử dụng nghiên cứu phân tử Acceptor vật liệu nanơ Kích thước phân tử Donor (Rh6G) chiều dài phân tử (1.6 nm), Acceptor hạt hình cầu có đường kính < 10 nm Để AD tạo thành cặp FRET chúng phải khoảng cách đủ gần cỡ khoảng cách Fưrster, điều đòi hỏi phân tử Rh6G cần phải liên kết ligand bề mặt hạt AuNPCs 3.2 Quá trình truyền lượng Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS Trong nghiên cứu chọn cặp donor-acceptor Rh6G-CdSe/ZnS (tan nước) Trong Rh6G đóng vai trò donor chấm lượng tử CdSe/ZnS đóng vai trò acceptor Rh6G biết đến chất màu đặc trưng có hiệu suất lượng tử lớn 0,95 phổ phát xạ vùng bước sóng 550-570 nm dùng để so sánh xác định hiệu suất lượng tử chất huỳnh quang khác CdSe/ZnS chọn làm acceptor vật liệu hứa hẹn sử dụng ứng dụng quang điện tử, nhờ hiệu suất lượng tử lớn, tan tốt nước sử dụng chất đánh dấu huỳnh quang, y sinh Chúng chọn CdSe/ZnS tan nước thay dung mơi hữu nước chấm lượng tử loại bỏ khỏi ảnh hưởng ligand xung quanh, ảnh hưởng tới khoảng cách tương tác cặp donor-acceptor gây giảm Chấm lượng tử CdSe/ZnS chế tạo phương pháp hóa ướt từ bột Se, NaBH4, Na2S.9H2O, CdCl2.2,5H2O, C6H5Na3O7.2H2O cồn tuyệt đối [23] Chấm lượng tử sau chế tạo phân tán tốt mơi trường nước Kích thước chấm lượng tử xác định thông qua ảnh hiển vi truyền qua TEM khoảng 4nm, nồng độ 33 xác định từ lượng tiền chất phản ứng 1014 hạt/ml Rhodamine 6G hãng Sigma Aldrich pha nước với nồng độ 3.8.10-6M/ml Các mẫu chuẩn bị với tỉ lệ Bảng 3.3 Bảng 3.3 Các mẫu nghiên cứu FRET cặp Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS TÊN MẪU M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 TỈ LỆ: Rh6G:CdSe/ZnS 0/5 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5 5/0 Mẫu sau chuẩn bị đo phổ hấp thụ hệ Shimazu UV2600 (Shimazu), phổ huỳnh quang hệ phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse (Variant) huỳnh quang phân giải thời gian hệ đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC) PicoHarp300 (Picoquant) xử lý phần mềm tính tốn chun Cường độ Cường độ hấp dụng viết Matlab Thời gian sống(ns) Hình 3.19: Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ khác Để quan sát cách rõ rệt thay đổi cường độ phổ tương tác trao đổi truyền lượng chúng tơi chuẩn hóa phổ hấp thụ phổ huỳnh quang Nhìn vào hình vẽ thấy phổ hấp thụ, ngồi hấp thụ mạnh vùng tử ngoại, mẫu có đỉnh hấp thụ 527 nm kéo dài chân hấp thụ tới 650 nm Khi tỉ lệ Rh6G mẫu tăng đỉnh hấp thụ tăng Phổ huỳnh quang có đỉnh bước sóng 553nm 615 nm tương ứng với hai đỉnh phát xạ của Rh6G chấm lượng tử CdSe/ZnS Mẫu có Rh6G có đỉnh huỳnh quang 553 nm, 34 mẫu có chấm lượng tử có đỉnh huỳnh quang 615 nm Khi tỉ lệ Rh6G mẫu tăng với giá trị đỉnh 553 nm chuẩn hóa ta thấy cường độ đỉnh huỳnh quang tăng có nghĩa tỉ lệ cường độ đỉnh 615 nm cường độ đỉnh huỳnh quang 553 nm tăng Đồng thời thấy vùng chồng chập phổ phát xạ Rh6G với phổ hấp thụ CdSe/ZnS rộng từ 500 nm tới 650 nm Đây chứng Cường độ truyền lượng Rh6G:CdSe/ZnS Thời gian sống(ns) Hình 3.20: Phổ huỳnh quang phân giải thời gian mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ thành phần khác đo đỉnh phát xạ 563 nm với bước sóng kích thích 405 nm Để khẳng định hiệu ứng truyền lượng cộng hưởng Rh6G:CdSe/ZnS tiến hành đo phổ huỳnh quang phân giải thời gian mẫu Rh6G:CdSe/ZnS biểu diễn hình 3.7 Để phân tích đánh giá FRET thông qua thời gian sống, kết thu được phân tích cách làm khớp (fit) hàm exponential, phân tử Rh6G độc lập dung mơi, huỳnh quang phù hợp với hàm exponent đơn tức có chuyển dời trạng thái phát photon Khi có mặt acceptor CdSe/ZnS, kích thước chấm lượng tử CdSe/ZnS tập hợp hạt khác phân tán quanh giá trị 4nm nên thời gian sống chấm lượng tử tuân theo quy luật hàm multiexponential Hơn ảnh hưởng hiệu ứng FRET, lượng điện tử trạng thái kích thích phân tử Rh6G có khả tái hợp khơng phát xạ truyền lượng sang acceptor có cách suy giảm điện tử trạng thái kích thích thứ hai, kết thu được làm khớp với hàm multi-exponential; 35 số trường hợp khó để khớp đường phân rã huỳnh quang theo hàm exponent (single-bi, trip…) người ta thường làm khớp theo tổ hợp hàm exponent hay gọi stretch-exponential 𝐼 = 𝐼0Exp(− 𝑡/ 𝜏 ) 𝛽 τ thời gian sống điện tử trạng thái kích thích β số nằm khoảng từ (0-1) Tuy nhiên, trường hợp thời gian sống huỳnh quang trung bình tất trình xẩy nên khó để phân tích giải thích cho chuyển dời vật liệu Trong trường hợp cặp donor-acceptor Rh6G-CdSe/ZnS, đường phân rã huỳnh quang mẫu sau lượng kích thích cường huỳnh quang đạt giá trị cực đại giảm nhanh theo hàm exponent, làm khớp theo hàm biexponetial I(t)=A1.exp(-t/1)+(1-A1).exp(-t/1) ( 3.1) Trong A1 số; 1,2 thời gian sống huỳnh quang thời gian sống 2~ 25ns không thay đổi nhiều với mẫu có nồng độ CdSe/ZnS khác Đây thời gian sống liên quan tới tái hợp xạ trạng thái bề mặt chấm lượng tử 1 có giá trị bé thay đổi theo nồng độ chấm lượng tử qua tái hợp xạ lõi QDs Các giá trị tính tốn hiệu suất truyền lượng, tích phân chồng chập phổ khoảng cách donor-acceptor cho Bảng 3.4 Bảng Giá trị tích phân vùng phổ chồng chồng lên nhau, (J ()), hiệu suất truyền lượng Förster, (E%), khoảng cách cặp donor-acceptor (r) J().1015  r E M-1cm-1nm-4 (ns) (nm) (%) M0 - 2.39 - - M1 3.22x1015 3.27 11.70 0.21 M2 2.37x1015 3.54 11.09 0.15 M3 2.18x1015 3.70 10.96 0.11 M4 1.31x1015 3.75 10.08 0.10 M5 7.41x1014 3.79 9.16 0.09 M6 - 4.15 - - Mẫu 36 Từ kết Bảng 3.4 ta thấy mẫu có hiệu suất truyền lượng tốt (21%) loạt mẫu nghiên cứu gây bới chồng chập phổ lớn phổ phát xạ Rh6G phổ hấp thụ CdSe/ZnS đồng thời thời gian sống cặp donoracceptor giảm theo tỉ lệ acceptor mẫu Khi thời gian sống donor với có mặt acceptor thay đổi chứng FRET [24, 25] Thơng thường có trương tác trao đổi FRET, thời gian sống mức kích thích donor giảm có mặt acceptor [25] Thời gian sống donor (Rh6G) bước sóng 553 nm 4.15 ns giảm dần có mặt acceptor với tỉ lệ tăng lên Kết tính tốn truyền lượng FRET từ thời gian sống huỳnh quang phù hợp với kết tính từ cường độ phổ huỳnh quang, nhiên trường hợp thay đổi giá trị cường độ phổ nhỏ phổ huỳng quang nhiễu lớn cách tính qua thời gian sống huỳnh quang có lợi Tuy nhiên cách tính thời gian sống huỳnh quang có hạn chế phải chọn phương pháp làm khớp đường phân rã huỳnh quang thích hợp để tính xác thời gian sống huỳnh quang sai số đường khớp với đường thực nghiệm nhỏ 37 KẾT LUẬN Với mẫu chấm lượng tử, hạt nano vàng, chất màu cung cấp từ viện Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, tiến hành đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang thời gian sống huỳnh quang chúng tơi thu số kết sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang - Xây dựng phương pháp thực nghiệm nghiên cứu truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang phương pháp huỳnh quang phân giải theo thời gian - Tiến hành nghiên cứu truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang cặp donor-acceptor là: chất màu Rhodamin 6G hạt nano vàng; Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS mơi trường dung mơi nước Q trình truyền lượng AuNPs với phân tử Rh6G: AuNPc tổng hợp dung dịch phún xạ plasma, khơng có chất hoạt động bề mặt Chúng quan sát thấy FRET Rhodamine-6G AuNPs Sự thay thời gian sống huỳnh quang tăng nồng độ AuNPs Tính tốn chuyển giao lượng hiệu (tối đa 72%), ước lượng khoảng cách truyền lượng R / R0 = 0,92 Nghiên cứu mở việc áp dụng vật liệu nano tạo cách tổng hợp dung dịch nano phún xạ plasma cho FRET Quá trình truyền lượng Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS Chấm lượng tử CdSe/ZnS chế tạo phương pháp hóa ướt.Chấm lượng tử sau chế tạo phân tán tốt môi trường nước Chúng quan sát thấy FRET Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS Sự thay đổi thời gian sống huỳnh quang tăng nồng độ CdSe/ZnS Hiệu suất truyền lượng tốt (21%) 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Förster T Ann Phys 1948; 437:55 Thi Thanh Hop Tran, Thi Mai Huong Do, Mai Ha Hoang, Duc Tuyen Nguyen, Quang Tuan Le, Duc Nghia Nguyen and Trinh Tung Ngo, Adv Nat Sci.: Nanosci, Nanotechnol, 2015, 6, 025007 Duc Nghia Nguyen, Trinh Tung Ngo and Quang Liem Nguyen, Adv Nat Sci.: Nanosci, Nanotechnol, 2012,3, 035011 Mikhail Y Berezin and Samuel Achilefu, Chem Rev, 2010, 5, 2641–2684 Dibyendu Dey, D Bhattacharjee, S Chakraborty, Syed Arshad Hussain, Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry, 2013, 252, 174– 182 M G Williams, R D Tomlinson, and M J Hampshire, Solid State Commun, 2003, 7, 1831 J R Lakowicz , Principles of Fluorescence Spectroscopy - 3rd Ed Springer, New York, 2006, Ch 13 Clare Higgins, Manuela Lunz, A Louise Bradley, Valerie A Gerard, Stephen Byrne, Yurii K Gun’ko, Vladimir Lesnyak, and Nikolai Gaponik, Optics express, 2010, vol 18, 24486 Sangeeta Saini, Harjinder Singh and Biman Bagchi, Fluorescence resonance energy transfer (FRET) in chemistry and biology: Non-Förster distance dependence of the FRET rate, January 2006, 23–35 10 Robert M Clegg, Fluorescence resonance energy transfer 1995, 6,103-l10 11 Robert M Clegg, THE HISTORY OF FRET: From conception through the labors of birth 12 David L Andrews Chapter 14 Resonance Energy Transfer: Theoretical Foundations and Developing Applications 13 Aaron R Clapp, Igor L Medintz, J Matthew Mauro, Brent R Fisher, Moungi G Bawendi, and Hedi Mattoussi Fluorescence Resonance Energy Transfer Between Quantum Dot Donors and Dye-Labeled Protein Acceptors Published on Web 12/13/2003 14 Kenny F Chou and Allison M Dennis Förster Resonance Energy Transfer between Quantum Dot Donors and Quantum Dot Acceptors 2015, 15, 1328839 13325 15 Nai-Tzu Chen , Shih-Hsun Cheng , Ching-Ping Liu , Jeffrey S Souris , Chen-Tu Chen , Chung-Yuan Mou and Leu-Wei Lo Recent Advances in NanoparticleBased Förster Resonance Energy Transfer for Biosensing, Molecular Imaging and Drug Release Profiling Int J Mol Sci 2012, 13, 16598-16623 16 Roi Baer, and Eran Rabani Theory of resonance energy transfer involving nanocrystals: The role of high multipoles 14 May 2008 17 W Becker , Advanced time-correlated single photon counting techniques, Springer, 2005 18 http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/confocal/applications/fretintro.h tml 19 James E Martin, Lauren E Shea-Rohwer, Journal of Luminescence, 2006, 121, 573 20 A F van Driel, G Allan, C Delerue, P Lodahl, W L Vos, and D Vanmaekelbergh, Phys Rev Lett, 2005, 95, 236-804 21 A F van Driel, I S Nikolaev, P Vergeer, P Lodahl, D Vanmaekelbergh, and W L Vos, Phys Rev B, 2007, 75, 035-329 22 Chu viet Ha, Nguyen Thi bich Ngọc, Nghiem Thị Ha Lien, Vu Thi Kim Lien an Tran Hong Nhung, Ad In Optics, Photonics, Spectroscopy & Applycations VIII, 2015, 272 23 Jaba Saha, DibyenduDey, ArpanDattaRoy, D.Bhattacharjee, Syed Arshad Hussain, Journal of Luminescence, 2016, 172, 168–174 24 M Chao, Z.Fang, H.Lifang, W.Shuizhu, J.Phys Chem B, 2011, 115, 874 40 ... huỳnh quang .19 2.3 Kỹ thuật đo huỳnh quang phân giải thời gian 20 2.3.1 Quang phổ phân giải thời gian thời gian sống phát quang 20 2.3.2 Hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian. .. vàng; Rhodamin 6G chấm lượng tử CdSe/ZnS môi trường dung môi nước Luận văn với tiêu đề: Ứng dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian nghiên cứu trình truyền lượng cộng hưởng Ngoài phần mở... chậm thời gian sống trung bình Sự phân bố thời gian photon phát xạ đường suy giảm cường độ phát quang Có hai phương pháp đo huỳnh quang phân giải thời gian phương pháp miền tần số phương pháp