Bài viết tiến hành nghiên cứu quang phổ huỳnh quang của chất màu Cy3 theo sự có mặt của các hạt keo nano vàng trong dung dịch chất màu. Do hiệu ứng plasmon bề mặt từ các hạt nano vàng, huỳnh quang của Cy3 có thể được tăng cường hoặc dập tắt phụ thuộc vào nồng độ hạt vàng trong dung dịch hay khoảng cách giữa các phân tử Cy3 và hạt nano vàng.
TNU Journal of Science and Technology 225(14): 23 - 32 QUANG PHỔ PHÁT XẠ CỦA CHẤT MÀU CYANINE ẢNH HƯỞNG BỞI TÍNH CHẤT PLASMONIC CỦA CÁC HẠT KEO NANO VÀNG Phạm Mai An1, Lục Thị Tuyến1,5, Lê Tiến Hà2, Phạm Minh Tân4, Meephonevanh Vaxayneng1,3, Nguyễn Thị Hương2,6, Chu Việt Hà1* 1Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên, 2Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên, Công nghệ Tính tốn Điện tử - Bộ Khoa học Công nghệ - CHDCND Lào 4Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - ĐH Thái Ngun, 5Trường THPT Hiệp Hồ - Bắc Giang, 6Trường THPT Lương Thế Vinh - Cẩm Phả - Quảng Ninh 3Viện TÓM TẮT Các đặc trưng phổ huỳnh quang chất màu Cy3 thuộc họ Cyanine khảo sát dựa xuất hạt keo nano vàng dung dịch chất màu Do hiệu ứng plasmon bề mặt từ hạt nano vàng, huỳnh quang Cy3 tăng cường dập tắt tùy thuộc vào cấu hình quang học Trong cơng trình này, chúng tơi nghiên cứu quang phổ huỳnh quang chất màu Cy3 theo có mặt hạt keo nano vàng dung dịch chất màu Do hiệu ứng plasmon bề mặt từ hạt nano vàng, huỳnh quang Cy3 tăng cường dập tắt phụ thuộc vào nồng độ hạt vàng dung dịch hay khoảng cách phân tử Cy3 hạt nano vàng Các tốc độ hợp xạ không xạ tương ứng với trình tăng cường dập tắt huỳnh quang tính tốn thơng qua hiệu suất lượng tử thời gian sống phát quang Điều kiện để có tăng cường huỳnh quang tốt chất màu Cy3 có mặt hạt nano vàng kích thước khác Sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang ảnh hưởng hiệu ứng plasmon bề mặt phụ thuộc vào tốc độ truyền lượng khác hay cấu hình quang học phần tử chất màu hạt nano vàng Từ khóa: Hiệu ứng plasmon bề mặt; tính chất plasmonic; Cy3; tăng cường dập tắt huỳnh quang; hạt keo nano vàng Ngày nhận bài: 05/10/2020; Ngày hoàn thiện: 14/11/2020; Ngày đăng: 27/11/2020 EMISSION SPECTROSCOPY OF CYANINE DYE AFFECTED BY PLASMONICS OF COLLOIDAL GOLD NANOPARTICLES Pham Mai An1, Luc Thi Tuyen1,5, Le Tien Ha2, Pham Minh Tan4, Meephonevanh Vaxayneng1,3, Nguyen Thi Huong2,6, Chu Viet Ha1* 3Technology 1TNU - University of Education, 2TNU - University of Sciences, Computer and Electronics Institute - Ministry of Science and Technology - Vientiane – Laos, 4TNU - University of Technology, 5Hiep Hoa High School - Bac Giang, Luong The Vinh High School - Quang Ninh ABSTRACT The characterizations of fluorescence spectra of Cy3 dye belonging to the Cyanine family were investigated according to gold nanoparticles' presence in the dye solution Due to the surface plasmon effect from gold nanoparticles, the fluorescence of Cy3 can be enhanced or quenched depending on the optical configuration In this work, the emission spectroscopy of Cy3 dye was measured by changing the concentration of gold nanoparticles in the dye solution The radiation and non-radiant recombination corresponding to the fluorescence enhancement and quenching processes were also calculated via quantum yield and lifetime fluorescence The best fluorescence enhancement conditions have shown depending on the distance between the gold nanoparticles and Cy3 dye molecules Keyword: Surface plasmon; plasmonic; Cy3 dye; fluorescence enhancement and quenching; colloidal gold nanoparticles Received: 05/10/2020; Revised: 14/11/2020; Published: 27/11/2020 * Corresponding author Email: chuvietha@tnue.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 23 Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Trong năm gần đây, vật liệu nano quan tâm, nghiên cứu nhiều tính chất thú vị vật liệu, mà bật tính chất quang học phụ thuộc vào hình dạng kích thước chúng Đối với cấu trúc nano kim loại, hiệu ứng đáng ý gây tính chất quang khác với vật liệu khối hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt làm cho cấu trúc nano kim loại có màu sắc tán xạ khác với vật liệu khối Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt tượng ánh sáng kích thích plasmon bề mặt – dao động tập thể điện tử biên phân cách hai vật liệu (kim loại - điện môi) – trường hợp tần số ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng plasmon tượng cộng hưởng xảy Hiện tượng ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất quang học cấu trúc nano kim loại mối quan tâm lớn cho ứng dụng thiết bị quang tử Hiệu ứng plasmon cấu trúc nano kim loại cho thấy triển vọng thú vị cho hiểu biết khai thác tượng liên quan đến giam giữ ánh sáng thang nano [1]-[4] Sự truyền lượng bề mặt hạt nano kim loại sử dụng rộng rãi công nghệ sinh học đại ứng dụng y tế, đặc biệt điều trị ung thư Sự truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang Förster (FRET) hai phân tử chất phát huỳnh quang donor aceptor – phân tử chất màu, phân tử hữu kim loại – công cụ quan trọng nghiên cứu hệ thống sinh học, tiềm ứng dụng quang điện tử, phát triển thiết bị màng mỏng điều trị y tế Kỹ thuật FRET mô tả lần 60 năm trước Hiệu suất truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang phụ thuộc vào khoảng cách donor acceptor, điều áp dụng cho kính hiển vi quang học, nghiên cứu phát tương tác phân tử cấp độ khoảng cách nanomet ngày sử dụng nhiều nghiên cứu sinh học Ảnh hưởng hạt nano kim loại (ví dụ hạt nano vàng) lên trình phát quang phân tử chất màu trước tiên nghiên cứu với vai trò làm acceptor (chất nhận) thí nghiệm truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) để ứng dụng làm cảm biến sinh học Các hạt nano vàng có hiệu ứng 24 225(14): 23 - 32 cộng hưởng plasmon vùng ánh sáng nhìn thấy với hệ số dập tắt lớn, cường độ tán xạ mạnh với cường độ tín hiệu ổn định nên chúng nhân tố dập tắt hiệu cho thí nghiệm FRET [5]-[7] Ngồi dập tắt huỳnh quang, tương tác hạt nano vàng chất phát quang dẫn đến tăng cường huỳnh quang chất phát quang có mặt cấu trúc nano kim loại Việc nghiên cứu sử dụng cấu trúc nano kim loại để thực tăng cường huỳnh quang (metal-enhanced fluorescence - MEF) thu hút nhiều ý Do cộng hưởng plasmon định xứ (localized surface plasmon resonance – SPR), vùng điện trường vùng lân cận cấu trúc nano kim loại tăng cường đáng kể để nâng cao tốc độ kích thích phân tử phát quang lân cận [3], [6] Ngoài ra, truyền lượng cộng hưởng plasmon Förster (FRET) phân tử chất phát quang bị kích thích cấu trúc nano kim loại tạo điều kiện cho tăng cường huỳnh quang nâng cao hiệu suất lượng tử Những lợi MEF làm tăng khả dị tìm ổn định quang chất phát huỳnh quang Sự tương tác chất đánh dấu huỳnh quang cấu trúc nano kim loại (đặc biệt hạt nano vàng) tiếp tục nghiên cứu ứng dụng y - sinh học dị tìm khả ung thư thực phẩm Nhìn chung, tăng cường hay dập tắt huỳnh quang chất phát quang cấu trúc nano kim loại thông thường điều khiển khoảng cách chúng; nghĩa kết tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc nhiều vào cấu hình quang học [3], [5], [6] Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc nano kim loại chất phát quang đặt gần cần thiết nhằm tìm điều kiện chế tăng cường dập tắt huỳnh quang chất phát quang với có mặt cấu trúc nano kim loại; từ đó, điều khiển huỳnh quang chất phát quang mong muốn Trong báo này, nghiên cứu quang phổ phát xạ chất màu Cy3 ảnh hưởng tính chất plasmonic hạt keo nano vàng Chất màu Cy3 thuộc họ chất màu Cyanine, chất màu phổ biến sử dụng đánh dấu sinh học thí nghiệm sinh hóa, với phát xạ http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN huỳnh quang màu vàng Cy3 hoà tan nước theo nồng độ cho trước Dung dịch Cy3 khảo sát tính chất phát xạ huỳnh quang có mặt hạt nano vàng Các tốc độ tái hợp xạ không xạ Cy3 có mặt hạt vàng khảo sát Thực nghiệm 2.1 Vật liệu thông số đặc trưng 2.1.1 Các hạt keo nano vàng Chúng sử dụng hạt nano vàng dạng keo hãng BBinternational (UK) hạt nano vàng chế tạo phịng thí nghiệm Nanobiophotonic thuộc Trung tâm Điện tử lượng tử, Viện Vật lý với kích thước 10, 20, 50, 80 100 nm Các hạt nano vàng chế tạo có phân tử citrate bề mặt giúp chúng phân tán tốt nước 225(14): 23 - 32 Au 10 Au 20 Au 50 Au 80 Au 100 Độ hấp thụ (đ.v.t.y.) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 B-íc sãng (nm) 1.4 §é hÊp thơ (chn hãa) 1.2 522 517 1.0 0.8 Au Au Au Au Au 529 547 563 10 20 50 80 100 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 B-íc sãng (nm) Hình Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt keo nano vàng kích thước khác nhau: a Phổ hấp thụ, b Phổ hấp thụ chuẩn hóa Nồng độ mol (mol/L) tính từ độ hấp thụ A từ đỉnh hấp thụ plasmon hạt vàng sau [8]: C = A/ (ε ℓ) (1) Với ℓ độ dài mẫu mà ánh sáng qua, ε tiết diện dập tắt hay hệ số dập tắt Nếu lấy ℓ = đơn vị, ta có nồng mol C = A/ ε Hệ số dập tắt tính theo cơng thức Mie [9]: ε=9 Hình Minh họa hạt nano vàng – citrate (a.) ảnh TEM hạt keo vàng kích thước khác nhau: b 10 nm; c 20 nm; d 50 nm; e 80 nm f 100 nm Hình minh họa hạt nano keo vàng có phân tử citrate bề mặt (a) ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hạt vàng kích thước khác (b, c, d, e, f) Hình trình bày phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt nano vàng Hạt có kích thước lớn, đỉnh hấp thụ plasmon dịch phía sóng dài Phép đo phổ hấp thụ tiến hành hệ máy quang phổ UV-VIS-NIR Absorption Spectrophotometer (hiệu Cary 5000, Varian) Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Từ độ hấp thụ dung dịch hạt keo vàng, tính hệ số dập tắt ε nồng độ hạt vàng dung dịch http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ε1 ( ω ) ω 3/2 ε2 V 2 c ε r ( ω ) + 2ε + ε i ( ω ) (2) V = (4/3)R3 thể tích hạt cầu, tần số góc ánh sáng kích thích, c vận tốc ánh sáng, 2 1() = r() + ii() tương ứng hàm điện môi mơi trường xung quanh hạt kim loại hạt Tham số 2 giả thiết không phụ thuộc tần số, 1() phức hàm lượng Khi tiết diện dập tắt lớn nhất, ánh sáng truyền tồn lượng để kích thích sóng plasmon hạt kim loại Hàm điện môi vàng (hay hệ số khúc xạ) 1 lấy liệu từ tài liệu [10] sử dụng phần mềm tính [11] sử dụng lý thuyết Mie, hệ số dập tắt hạt nano vàng kích thước khác tính tốn với kết trình bày bảng Bảng cho thấy, hạt nano vàng có kích thước lớn, tiết diện 25 Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN dập tắt lớn Như hy vọng tầm ảnh hưởng hạt nano vàng có kích thước lớn xa phân tử chất phát quang Bảng Các thông số dung dịch hạt keo nano vàng Đường kính (kích thước) hạt (nm) 10 20 50 80 100 Đỉnh hấp thụ (nm) Nồng độ hạt (số hạt/mL) Hệ số dập tắt ε (M-1 cm-1) 517 527 532 547 563 91011 71011 3,41010 1,11010 5,6109 3,01108 9,4108 3,51010 9,1241010 1, 9051011 2.1.2 Chất màu Cyanine (Cy3) Chất màu Cy3 mua từ hãng Thermofisher, Hoa Kỳ Khối lượng phân tử Cy3 1250 Da, hiệu suất lượng tử 0,1, đỉnh hấp thụ 551 nm đỉnh phát xạ huỳnh quang 563 nm, hệ số dập tắt Cy3 150000 M-1cm-1 Hình cấu trúc phân tử chất màu Cy3 đặc trưng phổ Chất màu Cy3 pha nước với nồng độ 2,710-3 mol/mL tương đương với 16,31017 phân tử màu/mL Đặc trưng quang dung dịch chất màu khảo sát với có mặt hạt nano vàng 225(14): 23 - 32 độ 2,7 10-3 mol/mL, tương đương với 16,3 1017 phân tử màu/mL, thể tích dung dịch 1,5 mL Khảo sát tính chất quang dung dịch hỗn hợp chất màu Cy3 với lượng hạt nano vàng thay đổi 10 L, so sánh với tính chất quang dung dịch Cy3 chưa có hạt vàng Các dung dịch hạt nano vàng khảo sát với kích thước 10, 20, 50 80 nm trình bày Hình minh họa dung dịch chất màu Cy3 với có mặt hạt nano vàng Hình Mẫu thí nghiệm khảo sát tính chất quang dung dịch chất màu Cy3 với có mặt hạt nano vàng: : minh họa hạt nano vàng : minh họa phần tử Cy3 Các nghiên cứu đặc trưng quang Cy3 có mặt hạt nano vàng khảo sát bước sóng kích thích 532 nm đèn Xenon, phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse 16 60 L Au 50 L Au 40 L Au 30 L Au 20 L Au 10 L Au L Au C-êng ®é (®.v.t.y.) 14 12 10 550 600 650 700 B-íc sãng (nm) 16 Hình Cấu trúc hóa học đặc trưng phổ chất màu Cy3 2.2 Mơ hình thí nghiệm Ảnh hưởng hiệu ứng plasmon bề mặt lên tính chất quang chất màu Cy3 nghiên cứu việc khảo sát đặc trưng quang học dung dịch Cy3 có mặt hạt nano vàng Thí nghiệm thiết kế sau: Chất màu Cy3 pha nước với nồng 26 C-êng ®é (®.v.t.y.) 14 70 L Au 80 L Au 90 L Au 100 L Au 110 L Au 120 L Au 12 10 550 600 650 700 B-íc sãng (nm) Hình Phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 có khơng có hạt vàng kích thước 10 nm: Hình trên: cường độ huỳnh quang tăng với nồng độ hạt vàng; Hình dưới: huỳnh quang giảm theo nồng độ hạt vàng http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Kết thảo luận Sự thay đổi phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 quan sát thấy có mặt hạt vàng Hình trình bày phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 có khơng có mặt hạt vàng kích thước 10 nm bước sóng kích thích 532 nm Cực đại phát xạ phổ huỳnh quang quan sát thấy bước sóng ~ 563nm – cực đại phát xạ chất màu Cy3 Dạng phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 khơng đổi có mặt hạt nano vàng chứng tỏ xuất hạt vàng khơng làm ảnh hưởng đến tính chất phát xạ nội phần tử chất màu Cy3 Các phổ huỳnh quang cho thấy cường độ huỳnh quang dung dịch Cy3 tăng với lượng vàng thêm vào lượng vàng thay đổi từ đến 60 μL Sự tăng cường huỳnh quang giải thích sau: huỳnh quang dung dịch chất màu hai nguyên nhân: nguồn kích thích ngồi 532 nm plasmon xạ từ hạt vàng hấp thụ huỳnh quang chất màu Cy3 Ở khoảng nồng độ vàng này, cường độ huỳnh quang tăng tỉ lệ thuận với nồng độ vàng, phần tăng cường huỳnh quang xạ plasmon kết hợp hạt vàng với huỳnh quang Cy3 Nói cách khác tương tác hạt nano vàng với huỳnh quang Cy3 kích thích trường tán xạ hạt vàng dẫn tới tăng cường huỳnh quang tổng dung dịch vàng – Cy3 Các hạt nano vàng hấp thu lượng kích thích từ Cy3 dao động plasmon tạo bề mặt hạt vàng Dao động plasmon xạ trường xa dẫn tới nâng cao trường điện định xứ phân tử chất màu làm huỳnh quang tăng cường Cường độ huỳnh quang tăng mạnh 1,5 lần tương ứng với lượng vàng cho 60 μL Khi lượng vàng tăng nhiều lên bắt đầu có giảm tỉ lệ tăng cường huỳnh quang Điều lí giải lượng vàng tăng, khoảng cách hạt vàng phân tử chất màu Cy3 dung dịch ngắn lại tạo ưu cho truyền lượng Förster từ Cy3 đến hạt vàng, làm cho xác suất trình truyền lượng Fưrster lớn dần cạnh tranh với q trình xạ plasmon kết hợp làm cho huỳnh quang giảm Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 vào lượng vàng thêm vào trình bày hình Phần huỳnh http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(14): 23 - 32 quang giảm theo lượng vàng fit tuyến tính để tính nồng độ hạt vàng thêm vào làm cho cường độ huỳnh quang ban đầu dung dịch chất màu Cy3 giảm nửa – gọi nồng độ tới hạn theo lý thuyết truyền lượng Nếu coi phân tử chất màu Cy3 chất cho (donor) hạt nano vàng chất nhận (acceptor) từ tương tác cặp donor – acceptor tương tự tương tác truyền lượng hai chất màu hữu Từ phụ thuộc này, nồng độ hạt vàng có mặt dung dịch để cường độ huỳnh quang giảm nửa tính C0 = 8,9 1010 hạt/mL Từ đây, khoảng cách tương tác tới hạn cặp hạt vàng – chất màu Cy3 tính ~ 8,5 nm Đây khoảng cách mà nửa số phân tử donor kích thích hồi phục cách truyền lượng cho phân tử acceptor, nửa hồi phục theo chế hồi phục khác Nồng độ dập tắt nửa C0 nồng độ acceptor mà đưa vào hỗn hợp chất màu làm cho cường độ huỳnh quang phân tử donor giảm hai lần so với khơng có acceptor Nồng độ tương ứng với nồng độ trung bình acceptor cầu có bán kính R0 với phân tử donor kích thích đặt tâm Nói cách khác, truyền lượng hiệu khoảng cách R phân tử donor acceptor nhỏ R0 nồng độ acceptor C0 Khoảng cách tới hạn cặp donor – acceptor cặp phân tử Cy3 – hạt nano vàng lớn thang truyền lượng FRET hai cặp chất màu (từ – 10 nm theo lý thuyết Fưrster [12]) 16 C-êng ®é hnh quang(®.v.t.y.) Phạm Mai An Đtg 14 12 10 Thực nghiệm Fit tuyến tính phần dập tắt huỳnh quang 20 40 60 80 100 120 L-ợng vàng thêm vào (L) Hỡnh S ph thuc ca cng độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 – hạt nano vàng kích thước 10 nm vào lượng vàng thêm vào dung dịch Như thấy, có mặt hạt nano vàng làm thay đổi cường độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 Đối với cặp donor (chất phát quang) acceptor (hạt nano kim loại), hạt nano kim loại có 27 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN thể làm tăng cường dập tắt huỳnh quang chất phát quang tùy thuộc vào độ lớn tương đối hai chế truyền lượng: việc tăng cường trường plasmon tần số phát xạ huỳnh quang (plasmon liên kết tăng cường huỳnh quang); plasmon định xứ liên kết truyền lượng Förster từ phần tử chất phát quang tới hạt nano kim loại làm dập tắt huỳnh quang Hiện tượng giải thích mơ hình plasmon xạ [13] Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng plasmon hạt nano vàng lên tính chất phát xạ dung dịch chất màu Cy3 khảo sát với hạt vàng kích thước khác Chúng tơi khảo sát tính chất quang chất màu Cy3 với có mặt hạt nano vàng kích thước 20, 50 80 nm Kết thu tương tự hạt vàng 10 nm trên: Huỳnh quang chất màu Cy3 tăng theo lượng vàng thêm vào sau giảm; xuất hạt vàng không làm thay đổi phát xạ nội phân tử màu Cy3 Hình trình bày phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 với có mặt hạt vàng kích thước 20, 50 80 nm trường hợp có tăng huỳnh quang (các hình bên trái) giảm huỳnh quang (các hình bên phải) 225(14): 23 - 32 Sự tăng cường dập tắt huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 với xuất hạt vàng kích thước 20, 50 80 nm giải thích tương tự xuất hạt vàng kích thước 10 nm Tuy nhiên tăng cường dập tắt huỳnh quang chất màu Cy3 có mặt hạt nano vàng kích thước khác khác nhau, chứng tỏ cạnh tranh hai trình tăng cường trường plasmon tần số phát xạ huỳnh quang (plasmon liên kết tăng cường huỳnh quang) plasmon định xứ liên kết truyền lượng Förster từ phần tử chất phát quang tới hạt nano kim loại làm dập tắt huỳnh quang khác Hình trình bày phụ thuộc cường độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 vào nồng độ hạt vàng có mặt dung dịch với kích thước hạt vàng 20, 50 80 nm Từ phụ thuộc này, fit tuyến tính phần dập tắt huỳnh quang, ước tính nồng độ hạt vàng có mặt dung dịch làm cho huỳnh quang chất màu Cy3 giảm nửa hay nồng độ tới hạn C0, từ tính khoảng cách tương tác tới hạn (trung bình) phần tử màu Cy3 hạt nano vàng C-êng ®é huúnh quang (®.v.t.y.) Phạm Mai An Đtg 20 15 10 Au 20 Au 50 Au 80 20 40 60 Nồng độ hạt vàng (ì 10 mL ) -1 Hỡnh Cng độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 phụ thuộc vào nồng độ hạt vàng với kích thước hạt vàng khác bước sóng kích thích 532 nm nhiệt độ phịng Hình Phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 có khơng có hạt vàng kích thước 20 nm (a, b), 50 nm (c, d), 80 nm (e, f) 28 Bảng trình bày phụ thuộc hệ số tăng cường huỳnh quang cực đại chất màu Cy3 vào kích thước hạt vàng có mặt dung dịch với nồng độ hạt vàng tới hạn tương ứng Có thể thấy hạt vàng kích thước lớn hệ số tăng cường huỳnh quang hạt nano Cy3 giảm tiết diện tán xạ tỷ lệ mũ với kích thích hạt [9], nhiên hệ số tăng cường huỳnh quang có mặt hạt vàng kích thước 10 nm lại nhỏ so với có mặt hạt vàng kích thước lớn (20, 50 80 nm) http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Bảng Hệ số tăng cường huỳnh quang cực đại nồng độ hạt vàng tới hạn phụ thuộc vào kích thước hạt vàng dung dịch chất màu Cy3 – hạt nano vàng Kích thước hạt Hệ số tăng cường huỳnh Nồng độ hạt vàng vàng (nm) quang mạnh tới hạn C0 (mL-1) 10 20 50 80 1,6 2,1 1,8 1,5 8,91010 9,5108 8,9108 4108 Hình trình bày phổ huỳnh quang bước sóng kích thích 532 nm 1,5 mL dung dịch chất màu Cy3 có xuất hạt nano vàng điều kiện có tăng cường huỳnh quang lớn Phổ huỳnh quang cho thấy cường độ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 – hạt vàng kích thước 10 nm có hệ số tăng cường nhỏ tập hợp hạt nano vàng khảo sát Điều giải thích theo lý thuyết Mie, hạt vàng nhỏ, thành phần hấp thụ lớn dẫn tới khả hấp thụ lượng kích thích plasmon định xứ tăng lên làm huỳnh quang không tăng nhiều Đối với hạt vàng kích thước lớn hơn, thành phần tán xạ lớn hơn, khả tạo thành plasmon kết hợp huỳnh quang chất phát quang tăng cường dẫn đến hệ số tăng cường huỳnh quang cao Tuy nhiên đây, hệ số tăng cường xuất hạt vàng kích thước 20 nm lớn Sau đó, kích thước hạt vàng tăng, hệ số tăng cường huỳnh quang giảm Điều giải thích thơng qua độ che phủ phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt nano vàng với phổ phát xạ chất màu Cy3 Sự che phủ phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt nano vàng lên phổ chất màu Cy3 trình bày hình 10 Từ hình cho thấy, kích thước hạt vàng tăng đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt vàng dịch phía sóng dài tiến gần với đỉnh phát xạ chất màu Cy3, nghĩa độ che phủ phổ hấp thụ hạt vàng với phổ phát xạ chất màu Cy3 tăng, dẫn đến xác suất truyền lượng Förster từ phần tử Cy3 sang hạt vàng tăng lên, gây dập tắt huỳnh quang, làm giảm hiệu suất tăng cường huỳnh quang Như điều khiển tăng cường huỳnh quang theo kích thước hạt vàng thêm vào http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn C-êng ®é huúnh quang (®.v.t.y.) Phạm Mai An Đtg 21 18 15 12 225(14): 23 - 32 (1) (2) (3) (4) (5) Cy3 Cy3 Cy3 Cy3 Cy3 dye dye dye dye dye - Au10 Au20 Au50 Au80 KT = 532 nm 540 570 600 630 660 690 B-íc sãng (nm) Hình Phổ huỳnh quang chất màu Cy3 với xuất hạt vàng kích thước khác điều kiện tăng cường huỳnh quang lớn Hình 10 Minh họa độ che phủ phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon hạt nano vàng với phổ chất màu Cy3 Để khảo sát tốc độ tái hợp xạ không xạ chất màu Cy3 trường hợp có tăng cường huỳnh quang dập tắt huỳnh quang, mẫu dung dịch chất màu Cy3 – hạt nano vàng kích thước 20 nm thực phép đo thời gian sống Như biết, thời gian sống phát quang dùng để thời gian trung bình mà phân tử tồn trạng thái kích thích trước phát photon Thời gian sống phát quang liên hệ với hiệu suất lượng tử tốc độ hồi phục trình bày theo cơng thức [12]: r Q= = r = r () r + nr tot r nr tốc độ hồi phục xạ không xạ chất phát quang, thời gian sống phát quang, tot tốc độ hồi phục tổng cộng Như đo thời gian sống hiệu suất lượng tử, tốc độ hồi phục chất phát quang khảo sát Thời gian sống mẫu dung dịch Cy3 – vàng gửi đo Hệ đo Spectra – Physics MaiTai (ENS Cachan, Cộng hồ Pháp) với nguồn kích laser Ti: Sapphire xung 80 fs, tần số lặp lại Mhz, phát bước sóng liên tục từ 700 đến 1020 nm Việc nhân tần thực để có kích thích bước sóng vùng UV – vis; 29 Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN xạ huỳnh quang thu ống nhân quang điện vi kênh (microchannel plate photomultiplier) Hamamatsu R1564U-06, xử lý SPC-430 card (Becker-Hickl GmbH) Kết thời gian sống phát quang dung dịch chất màu Cy3 – vàng với lượng vàng khảo sát 20, 50, 120 L (trong trường hợp có tăng cường huỳnh quang) 150, 200 L (trường hợp có dập tắt huỳnh quang); đồng thời so sánh với thời gian sống chất màu Cy3 chưa có xuất hạt vàng Kết cho thấy, có mặt hạt nano vàng dung dịch, thời gian sống chất màu Cy3 giảm tương tác phân tử màu Cy3 hạt nano vàng Kết thời gian sống chất phát quang giảm có mặt cấu trúc nano kim loại nhiều nhóm nghiên cứu khác thu khảo sát tương tác chất phát quang cấu trúc nano kim loại [2], [13] Hiệu suất lượng tử dung dịch chất màu Cy3 – vàng đánh giá thông qua chất màu Rhodamine 6G (R6G) Hiệu suất phát xạ huỳnh quang lượng tử R6G bước sóng kích thích 480 nm 0,95 [14] Dung dịch chất màu R6G chuẩn bị có độ hấp thụ 480 nm với dung dịch chất màu Cy3 – vàng để so sánh cường độ huỳnh quang bước sóng kích thích 480 nm, từ đánh giá hiệu suất lượng tử dung dịch Cy3 – vàng Từ kết thời gian sống hiệu suất lượng tử, kết tính tốc độ hồi phục xạ khơng xạ chất màu Cy3 phụ thuộc vào lượng hạt nano vàng trình bày bảng 225(14): 23 - 32 thước 20 nm, lượng vàng tăng từ 10 đến 120 L có tăng cường huỳnh quang tốc độ hồi phục xạ tăng, bên cạnh tốc độ hồi phục khơng xạ giảm làm cho hiệu suất lượng tử tăng Khi lượng vàng thêm vào 120 L, cường độ huỳnh quang dung dịch bắt đầu giảm trình truyền lượng Förster từ phân tử chất màu Cy3 sang hạt vàng dần chiếm ưu Sự truyền lượng Förster làm giảm tốc độ hồi phục xạ tăng tốc độ hồi phục khơng xạ, hiệu suất lượng tử giảm Đánh giá phù hợp kết thực nghiệm với lý thuyết truyền lượng Các kết thực nghiệm cho thấy, hạt nano vàng hay hạt nano kim loại nói chung có tương tác với chất phát huỳnh quang đặt gần Sự truyền lượng xảy chất phát quang hạt nano kim loại làm cho huỳnh quang chất phát quang tăng cường bị dập tắt Sự truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang phần tử chất phát quang hạt nano kim loại minh họa hình 11 Sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc vào độ lớn tương đối hai chế truyền lượng: việc tăng cường trường plasmon tần số phát xạ huỳnh quang (plasmon liên kết tăng cường huỳnh quang); plasmon định xứ liên kết truyền lượng Forster từ hạt phát huỳnh quang tới hạt vàng làm dập tắt huỳnh quang [1]-[6], [13] Bảng Thời gian sống phát quang tốc độ hồi phục xạ không xạ dung dịch chất màu Cy3 – vàng theo lượng hạt vàng có mặt dung dịch Lượng vàng có mặt dung dịch (L) 50 120 150 200 Thời gian sống (ns) 0,183 0,091 0,156 0,16 0,07 Tốc độ Hiệu Tốc độ hồi phục suất hồi phục không lượng xạ xạ -1 tử (s ) (s-1) 0,5510 5,0109 0,1 1,6109 9,3109 0,15 1,7109 4,6109 0,27 1,2109 5,1109 0,19 1,8109 13,2109 0,12 Tốc độ hồi phục tổng cộng (s-1) 5,610 10,9109 6,3109 6,3109 15,04109 Như vậy, thí nghiệm truyền lượng chất màu Cy3 hạt nano vàng kích 30 Hình 11 Minh họa truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang phát chất huỳnh quang hạt nano vàng [6] Theo lý thuyết truyền lượng, truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang hay truyền lượng Fưrster (FRET) truyền lượng khơng xạ phụ thuộc http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN vào khoảng cách từ chất phát huỳnh quang bị kích thích (donor) lên chất nhận (acceptor) phù hợp thơng qua tương tác lưỡng cực Coulomb [17], [19] Điều kiện để có FRET xảy phải có chồng chập phổ phát xạ donor D phổ hấp thụ acceptor A; donor acceptor coi lưỡng cực dao động định hướng song song; truyền lượng xảy khoảng cách phù hợp định (thông thường từ đến 10 nm phần tử chất màu hữu cơ) Hiệu suất truyền lượng cho biểu thức [12]: EFRET = 1 + ( R / RFRET )6 (4) R khoảng cách D A, RFRET bán kính Fưrster (bán kính mà cường độ huỳnh quang donor giảm nửa) Các kết thực nghiệm gần cho thấy truyền lượng chất phát huỳnh quang (donor D) hạt nano kim loại (acceptor A) giống truyền lượng từ lưỡng cực dao động cho bề mặt kim loại (truyền lượng bề mặt – SET) với hiệu suất truyền lượng tỷ lệ với bậc khoảng cách cho biểu thức [6], [16]: ESET = 1 + ( R / RSET )4 (5) RSET bán kính truyền lượng bề mặt SET tương tự bán kính Fưrster Thêm vào đó, toán hiệu ứng plasmon bề mặt, tài liệu nghiên cứu có liên quan cho thấy cịn có tồn chế truyền lượng chế truyền lượng Coulomb (CET) cách phát xạ plasmon – chế làm tăng cường huỳnh quang Tương tự trường hợp FRET SET, hiệu suất truyền lượng CET cho bởi: ECET = 1 + ( R / RCET )2 (5) RCET bán kính tương tác CET, tương tự bán kính Fưrster Tại R = RFRET, RSET RCET, nửa lượng kích thích D truyền tới hạt nano kim loại A Tốc độ truyền lượng kE xác định: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(14): 23 - 32 kE GDGA (6) đó, GA GD hệ số tương tác donor acceptor [18] Những hệ số đơn giản hóa theo nghịch đảo khoảng cách phụ thuộc vào xếp hình học lưỡng cực: lưỡng cực đơn: G 1/R3, lưỡng cực chiều: G 1/R lưỡng cực chiều: G const Trong trường hợp FRET, D A hai lưỡng cực đơn, tốc độ truyền tỷ lệ với: kFRET GDGA GDiopleGDiople (1/R3)(1/ R3) = 1/R6 (7) Tương tự, tốc độ truyền lượng từ lưỡng cực đến bề mặt kim loại mô tả chuyển đổi liên vùng (interband), tiếp tục mở rộng đến electron dẫn kim loại, với tốc độ truyền lượng bề mặt SET là: kSET GDGA GDiopleGSurf (1/R3)(1/R) = 1/R4 (8) Tương tự, tốc độ truyền CET là: kCET GDGA GSurfGSurf (1/R)(1/R) = 1/R2 (9) Như vậy, lượng truyền đến bề mặt theo khoảng cách khác độ lớn tương tác khác Do đó, tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc vào tốc độ truyền lượng khác hay cấu hình quang học donor acceptor Kết luận Trong báo này, nghiên cứu quang phổ huỳnh quang chất màu Cy3 theo có mặt hạt keo nano vàng dung dịch chất màu Do hiệu ứng plasmon bề mặt từ hạt nano vàng, huỳnh quang Cy3 tăng cường dập tắt phụ thuộc vào nồng độ hạt vàng dung dịch hay khoảng cách phân tử Cy3 hạt nano vàng Các tốc độ tái hợp xạ không xạ tương ứng với trình tăng cường dập tắt huỳnh quang tính tốn dựa vào thời gian sống phát quang hiệu suất lượng tử chất màu Cy3 khơng có có mặt hạt nano vàng Quá trình tăng cường huỳnh quang tương ứng với hiệu suất lượng tử tăng tốc độ hồi phục xạ tăng, trình dập tắt huỳnh quang tương ứng với giảm tốc độ hồi phục xạ - hiệu suất lượng tử giảm Sự 31 Phạm Mai An Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN tăng cường hay dập tắt huỳnh quang hồn tồn giải thích dựa lý thuyết truyền lượng biết (truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang FRET, truyền lượng cộng hưởng bề mặt SET, hay truyền lượng Coulomb) Như tăng cường hay dập tắt huỳnh quang chất phát quang điều khiển hạt nano kim loại Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.022016.39 đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ Giáo dục Đào tạo mã số B2019-TnA-07 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] D Ghosh, “Nitin Chattopadhyay, Gold and silver nanoparticles based superquenching of fluorescence: A review,” Journal of Luminescence, vol 160, pp 223-232, 2015 [2] J.-W Liaw, H.-Y Wu, C.-C Huang, and M.K Kuo, “Metal-Enhanced Fluorescence of Silver Island Associated with Silver Nanoparticle,” Nanoscale Research Letters, vol 11, p 26, 2016 [3] E Tóth, D Ungor, T Novák, G Ferenc, B Bánhelyi, E Csapó, M Erdélyi, and M Csete, “Mapping Fluorescence Enhancement of Plasmonic Nanorod Coupled Dye Molecules,” Nanomaterials, vol 10, p 1048, 2020 [4] M Bauch, K Toma, and M Toma, “PlasmonEnhanced Fluorescence Biosensors: a Review,” Plasmonics, vol 9, pp 781-799, 2014, doi: https://doi.org/10.1007/s11468013-9660-5 [5] V H Chu, T N Do, A V Nguyen, and H N Tran, “The local field dependent effect of the critical distance of energy transfer between nanoparticles,” Optics Communications, vol 353, pp 49-55, 2015 32 225(14): 23 - 32 [6] N M Hoa, C V Ha, D T Nga, N T Lan, T H Nhung, and N A Viet, “Simple Model for Gold Nano Particles Concentration Dependence of Resonance Energy Transfer Intensity,” Journal of Physics: Conference Series, vol 726, p 012009, IOP Publishing, 2016 [7] W Zhu, R Esteban, A.G Borisov, J J Baumberg, P Nordlander, H J Lezec, J Aizpurua, and K B Crozie, “Quantum mechanical effects in plasmonic structures with subnanometre gaps, Review 2016,” Nature Communications, vol 7, p 11495, 2016, doi: https://doi.org/10.1038 [8] D F Swinehart, “Beer-Lambert law,” Journal of Chemical Education, vol 39, no 7, p 333, 1962 [9] G Mie, “Contributions to the optics of turbid media especially colloidal metal solutions,” Annals of Physics, vol 25, p 377, 1908 [10] M Polyanskiy, “RefractiveIndex INFO Database”, copyright 2008-2020 [Online] Available: http://refractiveindex.info [Accessed Sept 12, 2020] [11] S Prahl, “Mie Scattering Calculator”, copyright 2018 [Online] Available: https://omlc.org/calc/mie_calc.html [Accessed Sept 12, 2020] [12] J R Lakowicz, Principl of Fluorescence Spectroscopy Springer, 1999 [13] J R Lakowicz, “Radiative decay engineering 5: metal-enhanced fluorescence and plasmon emission,” Analytical Biochemistry, vol 337, pp 171-194, 2005 [14] ISS, Fluorescence Quantum Yield Standards, copyright 2020 [Online] Available: http://www.iss.com/ [Accessed Sept 12, 2020] [16] T Gulin-Sarfraz, J Sarfraz, D S Karaman, J Zhang, C Oetken-Lindholm, and A Duchanoy, “FRET-reporter nanoparticles to monitor redox-induced intracellular delivery of active compounds,” RSC Advancesvol, vol 4, p 16429, 2014 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... huỳnh quang chất phát quang mong muốn Trong báo này, nghiên cứu quang phổ phát xạ chất màu Cy3 ảnh hưởng tính chất plasmonic hạt keo nano vàng Chất màu Cy3 thuộc họ chất màu Cyanine, chất màu phổ. .. plasmon xạ [13] Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng plasmon hạt nano vàng lên tính chất phát xạ dung dịch chất màu Cy3 khảo sát với hạt vàng kích thước khác Chúng tơi khảo sát tính chất quang chất màu. .. Cực đại phát xạ phổ huỳnh quang quan sát thấy bước sóng ~ 563nm – cực đại phát xạ chất màu Cy3 Dạng phổ huỳnh quang dung dịch chất màu Cy3 khơng đổi có mặt hạt nano vàng chứng tỏ xuất hạt vàng khơng