Nghiên cứu tổng hợp các chấm lượng tử phát quang znse, znse mn zns, znse zns mn zns định hướng ứng dụng trong y sinh TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - BÙI THỊ DIỄM NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ PHÁT QUANG ZnSe, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS ĐỊNH HỨƠNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số: 9440127 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU TP HỒ CHÍ MINH – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: GS TS Nguyễn Quang Liêm Người hướng dẫn khoa học 2: TS Lương Thị Bích Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Các chấm lượng tử phát quang (QDs) ứng dụng cách rộng rãi nhiều lĩnh vực Các nghiên cứu trước thường thực dựa nguyên tố Cadimi (Cd) tổng hợp mơi trường hữu cho hiệu suất phát quang cao phát huỳnh quang ổn định Tuy nhiên, phương pháp cịn nhiều hạn chế Cd nguyên tố độc hại thuộc nhóm A (Cd, Hg, Pb) việc tổng hợp môi trường hữu khơng thân thiện với mơi trường, quy trình phản ứng phức tạp, gặp số hạn chế ứng dụng sinh học đặc biệt thải môi trường lượng lớn chất độc Do đó, nghiên cứu gần hướng tới phát triển QDs mà khơng có ngun tố độc hại nhóm A Trong chất bán dẫn không chứa Cd làm lõi, ZnSe vật liệu đặc biệt thú vị với nhiều ứng dụng rộng rãi Vì việc tổng hợp xanh hạt QDs môi trường nước dựa nguyên tố Kẽm (Zn), nhằm giảm chi phí thực thân thiện với mơi trường, ngày cấp thiết thiết thực Bên cạnh đó, nhằm để cải thiện hiệu suất huỳnh quang chấm lượng tử ZnSe mở rộng phạm vi ứng dụng ZnSe, nghiên cứu pha tạp (doping) kim loại, bọc thêm lớp vỏ, pha tạp kim loại đồng thời bọc thêm lớp vỏ vào ZnSe phương pháp hiệu Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe, ZnSe:Mn, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS môi trường nước có sử dụng chất ổn định bề mặt 3-Mercaptopropionic axit (MPA), Polyethylene glycol (PEG), hồ tinh bột (HTB) Khảo sát cấu trúc đánh giá khả ứng dụng y sinh QD có cường độ quang cao ứng Nội dung nghiên cứu luận án 3.1 Tổng hợp vật liệu - Tổng hợp hạt QD ZnSe mơi trường nước có sử dụng chất ổn định bề mặt MPA, PEG, hồ tinh bột với kích thước nano - Tổng hợp hạt QD ZnSe:Mn nghiên cứu đánh giá cấu trúc sau pha tạp Mn từ đánh giá ảnh hưởng pha tạp kim loại Mn đến cường độ phát quang hạt QD - Tổng hợp hạt QD ZnSe:Mn/ZnS nghiên cứu đánh giá cấu trúc sau bọc thêm lớp vỏ ZnS từ đánh giá ảnh hưởng lớp vỏ đến cường độ phát quang khả ứng dụng hạt QD - Tổng hợp hạt QD ZnSe/ZnS:Mn/ZnS nghiên cứu đánh giá cấu trúc lõi/vỏ/vỏ từ đánh giá ảnh hưởng cấu trúc lõi/vỏ đệm/vỏ đến cường độ phát quang khả ứng dụng hạt QD 3.2 Nghiên cứu đặc trưng tính chất vật liệu Đặc trưng tính chất vật liệu nghiên cứu phương pháp sau: Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR), phổ tán xạ Raman, chiếu đèn UV, đo phổ tử ngoại khả kiến (UVVis), phổ huỳnh quang (PL), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, phổ tán sắc lượng tia X (EDS), phổ quang điện tử tia X (XPS) 3.3 Đánh giá khả ứng dụng y sinh hạt nano Đánh giá khả ứng dụng y sinh hạt nano có cường độ phát quang cao để phát chủng gây bệnh mẫu giả Bố cục luận án: Luận án gồm: Phần mở đầu, chương 1: Tổng quan, chương 2: Phương pháp nghiên cứu, chương 3: Kết luận biện luận, phần kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN Sự phát triển tinh thể nano bán dẫn chấm lượng tử (QDs) thu hút ý lớn thập kỷ qua khả ứng dụng chúng Các nghiên cứu trước thường thực dựa nguyên tố Cadimi Cd (ví dụ CdS, CdSe CdTe) chúng có tính chất quang học điện trội Tuy nhiên, phương pháp cịn nhiều hạn chế Cd ngun tố độc hại hạn chế khả ứng dụng QDs Trong chất bán dẫn loại II-VI không chứa Cd, ZnSe có độ rộng vùng cấm nhiệt độ phịng 2.71 eV (452 nm) có đặc tính quang học tốt, khả tương thích sinh học tốt tính ổn định Để tăng hiệu suất phát huỳnh quang người ta pha tạp số kim loại vào hạt nano phát quang Để chọn ion kim loại chuyển tiếp pha tạp vào QDs ta dựa vào bán kính ion, lượng vùng cấm tinh thể pha tạp với ion vật liệu lõi để chọn cho phù hợp Trong số Mn2+ chất pha tạp thường dùng nhiều loại bán dẫn loại II-VI vì: (1) Vị trí bên mạng ngun liệu xác nhận cộng hưởng thuận từ electron (EPR) (2) Mn2+ thể mũi phát quang đặc trưng từ Mn2+ 4T1 → 6A1, tâm chuyển tiếp bước sóng 592-595 nm Ngồi ra, liên kết treo bề mặt nano tinh thể tạo thành trạng thái bẫy, làm ảnh hưởng tới huỳnh quang ảnh hưởng tới hiệu suất lượng tử Do đó, trạng thái bề mặt thụ động hóa trở nên ổn định khả phát xạ QD trở nên tốt Một phương pháp để ổn định bề mặt QD bọc thêm vào lõi hai lớp chất bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn Các chất bán dẫn chọn để làm vỏ bọc phải thỏa mãn điều kiện sau: (i) Độ rộng vùng cấm lớn độ rộng vùng cấm lõi để hạt tải bị giam giữ lại lõi nano tinh thể ; (ii) số mạng phải gần với số mạng lõi lớp vỏ lõi không bị thay đổi lớp tiếp giáp hai chất Hơn nữa, hàng rào lớp vỏ dày bao quanh lõi giới hạn hạt tải bị bẫy bắt bề mặt việc thêm lớp vỏ chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn làm tăng hiệu suất lượng tử cải thiện độ bền Các chấm lượng tử dựa Zn tổng hợp dung môi nước dễ bị kết tụ hiệu suất huỳnh quang chưa cao so với số chấm lượng tử dựa Cd tổng hợp môi trường hữu cơ, nên hạn chế khả ứng dụng thực tế chấm lượng tử Một số tác giả sử dụng chất ổn định bề mặt Mercaptoacetic axit (MAA), Polyvinyl alcohol (PVA), Thiolglycolic axit (TGA), 11- mercaptoundecanoic axit (MUA), Starch, để hổ trợ khả phân tán cho hạt nano môi trường nước Do đó, q trình tổng hợp chấm lượng tử môi trường nước, sử dụng chất ổn định bề mặt 3-Mercaptopropionic axit (MPA) chất dạng mạch thẳng ngắn, PolyEthylene (PEG) chất dạng mạch thẳng dài hồ tinh bột (HTB) chất gồm mạch thẳng mạch nhánh nhằm hỗ trợ trình phân tán, tăng cường độ phát quang khả tương thích với tác nhân sinh học CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng hợp hạt nano ZnSe, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS sử dụng chất ổn định bề mặt 3-mercaptopropionic axit (MPA) 2.1.1 Tổng hợp hạt ZnSe-MPA (hoặc ZnSe:Mn-MPA) Chuẩn bị hệ phản ứng: bình cầu cổ có chứa hỗn hợp dung dịch sau: 10 ml kẽm acetate 0.1 M, 90 ml nước cất (hoặc V ml mangan acetate 0.01 M tùy theo thí nghiệm khảo sát), 40 ml dung dịch chất ổn định bề mặt (MPA) 0.1 M Hệ phản ứng khuấy trộn đuổi khơng khí khí N2 30 phút, pH dung dịch 7, nhiệt độ hệ phản ứng lên 900C Dung dịch NaHSe điều chế từ 0.04 g Se 0.0386 g NaBH4 nước môi trường chân không Tiêm nhanh dung dịch NaHSe điều chế vào hỗn hợp phản ứng trên, tiếp tục khuấy trộn nhiệt độ 900C h Kết thúc phản ứng, hệ đưa nhiệt độ phòng lưu sản phẩm 24 h Khảo sát điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang: - Ảnh hưởng thời gian phản ứng: Q trình thí nghiệm thực trên, mẫu phản ứng thời gian: 1, 2, 3, 4, h - Ảnh hưởng pH dung dịch: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi pH dung dịch phản ứng 3, 5, 7, 11 2.1.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn/ZnS-MPA Giai đoạn 1: Tổng hợp ZnSe:Mn-MPA tương tự mục 2.1.1 Giai đoạn 2: Giai đoạn bọc vỏ (ZnS) Sau tổng hợp hạt nano, sau đưa nhiệt độ hệ phản ứng xuống 800C, ta tạo thêm lớp vỏ bên cách thêm dung dịch lõi tổng hợp V ml dung dịch Zn(CH3COO)2 0.1 M, khuấy mạnh, sau chỉnh pH 11 Khuấy sau 20 phút cho thêm V ml dung dịch Na2S 0.1 M vào hệ phản ứng, tốc độ cho vào thật chậm (1 giọt /giây) Hệ phản ứng khuấy trộn h, nhiệt độ hệ giữ 800C Các mẫu phản ứng lượng thể tích ml, ml, ml ml dung dịch Zn2+ S2- Kết thúc phản ứng, hệ đưa nhiệt độ phòng lưu sản phẩm 24 h Khảo sát điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang: - Ảnh hưởng nhiệt độ: Q trình thí nghiệm thực quy trình trên, thay đổi nhiệt độ phản ứng 600C, 700C, 800C 900C - Ảnh hưởng pH: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi pH dung dịch phản ứng tổng hợp 3, 5, 7, 11 - Ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu tổng hợp 1%; 3%; 5%, 7%, 9% 11% 2.1.3 Tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA Giai đoạn 1: Tổng hợp lõi ZnSe-MPA tương tự phần 2.1.1 Giai đoạn 2: Bọc vỏ ZnS:Mn cho ZnSe Hệ phản ứng sau thực bước 1, làm nguội xuống nhiệt độ thường, thêm vào hệ phản ứng bước thứ hệ hỗn hợp gồm 7,9 mL dung dịch Zn(CH3COO)2 0.1 M mL dung dịch Mn(CH3COO)2 0.01 M (thể tích dung dịch Mn2+ thay đổi theo hàm lượng % Mn pha tạp) với tốc độ nhỏ giọt/giây, khuấy 20 phút, pH hệ phản ứng điều chỉnh lên 11, nhiệt độ hệ nâng lên 800C Cho từ từ vào hệ phản ứng 8.3 mL dung dịch Na2S 0.1M Hệ khuấy trộn 1.5 h Giai đoạn 3: Bọc vỏ (ZnS) cho ZnSe/ZnS:Mn tương tự mục 2.1.2 Kết thúc phản ứng, hệ đưa nhiệt độ phòng lưu sản phẩm 24 h Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu 0,1%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9% 11% 2.2 Tổng hợp hạt nano ZnSe, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS sử dụng chất ổn định bề mặt Polyethylene glycol (PEG) 2.2.1 Tổng hợp hạt ZnSe-PEG (hoặc ZnSe:Mn-PEG) Chuẩn bị hệ phản ứng: Cho 0,1000 g kẽm clorua (và lượng Mangan clorua tùy theo thí nghiệm khảo sát) vào 10ml H2O (dung dịch 1) Cho 0,05 gam PEG vào 80 ml H2O khuấy 15 phút 500C (dung dịch 2) Sau cho (dung dịch 1) (dung dịch 2) vào bình cầu cổ tiếp tục khuấy, hệ điều chỉnh pH dung dịch NH4OH loãng (dung dịch 3) Hệ phản ứng khuấy trộn đuổi khơng khí khí N2 suốt thời gian phản ứng, giữ nguyên nhiệt độ hệ phản ứng 800C Tiêm nhanh dung dịch NaHSe điều chế (mục 2.1.1) vào hỗn hợp phản ứng nói trên, tiếp tục khuấy trộn nhiệt độ 800C vòng 90 phút Kết thúc phản ứng, hệ đưa nhiệt độ phòng lưu sản phẩm 24 h Khảo sát điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang - Ảnh hưởng thời gian phản ứng: Q trình thí nghiệm thực trên, mẫu phản ứng thời gian: 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút 150 phút - Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi nhiệt độ phản ứng tổng hợp 500C, 600C, 700C, 800C 900C 2.2.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn/ZnS-PEG Giai đoạn 1: Quá trình tổng hợp lõi ZnSe:Mn tương tự phần 2.2.1 Giai đoạn 2: Bọc vỏ ZnS cho ZnSe:Mn tương tự mục 2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu tổng hợp 1%; 3%; 5%, 7%, 9% 11% 2.2.3 Tổng hợp nano phát quang ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-PEG Giai đoạn 1: Quá trình tổng hợp lõi ZnSe tương tự phần 2.2.1 Giai đoạn 2: Quá trình bọc vỏ đệm ZnS:Mn cho lõi ZnSe tương tự giai đoạn phần 2.1.3 Giai đoạn 3: Quá trình bọc vỏ ZnS cho ZnSe/ZnS:Mn tương tự mục 2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu tổng hợp 1%; 3%; 5%, 7%, 9% 11% 2.3 Tổng hợp hạt nano ZnSe, ZnSe:Mn/ZnS, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS sử dụng chất ổn định bề mặt bề mặt hồ tinh bột (HTB) 2.3.1 Tổng hợp hạt ZnSe-HTB (hoặc ZnSe:Mn-HTB) Hòa tan 0,05g tinh bột 80 mL H2O 10 phút để tinh bột hòa tan hết Tiếp theo pha 0,4g ZnCl2 vào 10mL H2O mL dung dịch Mn2+ (Thể tích Mn2+ thay đổi theo nồng độ Mn2+ pha tạp) Rồi cho hai chất vào bình phản ứng khuấy gia nhiệt Trong q trình ln ln sục khí N2 để đuổi O2 bình phản ứng, đồng thời điều chỉnh pH = 10-12 t0 = 400C Cho nhanh dung dịch NaHSe vừa tổng hợp (mục 2.1.1) vào hệ tiến hành khuấy h Kết thúc phản ứng, hệ đưa nhiệt độ phòng lưu sản phẩm 24 h Khảo sát điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang - Ảnh hưởng nhiệt độ: Q trình thí nghiệm thực quy trình trên, thay đổi nhiệt độ phản ứng nhiệt độ phòng, 400C, 500C, 600C 700C - Ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu tổng hợp 1%; 3%; 5%, 7%, 9% 11% 2.3.2 Tổng hợp QDs ZnSe:Mn/ZnS-HTB Giai đoạn 1: Tổng hợp lõi ZnSe:Mn, tương tự mục 2.3.1 Giai đoạn 2: Bọc vỏ ZnS cho lõi ZnSe tương tự mục 2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu tổng hợp 1%, 3%, 5%, 7%, 9% 11% 2.3.3 Tổng hợp QDs ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-HTB Giai đoạn 1: Quá trình tổng hợp lõi ZnSe tương tự phần 2.3.1 Giai đoạn 2: Quá trình bọc vỏ đệm ZnS:Mn cho lõi ZnSe tương tự giai đoạn phần 2.1.3 Giai đoạn 3: Quá trình bọc vỏ ZnS cho ZnSe/ZnS:Mn tương tự mục 2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng mangan pha tạp: Q trình thí nghiệm thực tương tự, thay đổi tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ mẫu 1%; 3%, 5%, 7%, 9% 11% 2.3.4 Ứng dụng hạt nano phát quang để phát vi khuẩn Dung dịch hạt chấm lượng tử phát quang pha lỗng bậc 10 nước cất vơ trùng thành nồng độ 10-1, 10-2, 10-3 Các vi khuẩn thử nghiệm pha lỗng thành dung dịch có nồng độ McF 0.5 tương đương 108 CFU/ml Nghiên cứu đánh giá điều kiện tối ưu cho quy trình gắn protein A lên hệ hạt nano phát quang (chấm lượng tử phát quang - protein A) Sử dụng cột gel có gắn sẵn protein A, Rửa cột đệm dính để ổn định cột, Cho 2ml dung dich hạt nano phát quang qua cột với lượng 1ml/10 phút Cho 25 µl kháng thể kháng E.coli, Staphyloccocus qua cột với lượng 1µl/1 phút (cho riêng biệt kháng thể qua cột khác nhau) Cho 2ml dung dịch đệm qua cột để ổn định cột rửa liên kết không bền vững khỏi cột Cho 1ml dung dịch vi khuẩn nồng độ 108 CFU/ml qua cột với lượng 1ml/20 phút Quan sát cột đèn UV Chuẩn bị kết để đối chứng cho 25 µl kháng thể kháng E.coli, Staphyloccocus tương tác với 2ml dung dịch hạt nano phát quang 20 phút Cho 1ml dung dịch vi khuẩn nồng độ 108 CFU/ml qua cột với lượng 1ml/20 phút Quan sát dung dịch đèn UV ghi nhận kết Khác với ZnSe pha tạp mangan, ZnSe:Mn bọc thêm lớp vỏ ZnS khơng có dịch chuyển pic nhiễu xạ so với nhiễu xạ XRD ZnSe:Mn-MPA tổng hợp điều kiện (hình 3.3a) Lớp vỏ ZnS bao bọc xung quanh mạng tinh thể ZnSe:Mn mà không làm thay đổi cấu trúc ZnSe ban đầu Tuy nhiên, việc bọc thêm lớp vỏ có ảnh hưởng đến độ tinh thể hóa, độ tinh khiết kích thước tinh thể Khi bọc thêm lớp vỏ ZnS cường độ pic nhiễu xạ NC tăng Có nghĩa là, độ tinh khiết độ tinh thể hóa NC tăng Hình thái học bề mặt kích thước hạt ZnSe:Mn/ZnS-MPA thể hình 3.3b, hình cho thấy hạt ZnSe:5%Mn/ZnS-MPA tựa hình cầu Kích thước hạt trung bình ZnSe:Mn/ZnS lớn so với hạt ZnSe:Mn-MPA Hình 3.4 Phổ PL ZnSe:Mn/ZnS-MPA (a) ZnSe:5%MnMPA (b) nồng độ Mn2+ khác nhau, nhiệt độ 900C pH Phổ PL (hình 3.4) cho ta thấy tạo thêm lớp vỏ ZnS bên ngồi lõi ZnSe:Mn cường độ huỳnh quang NC ZnSe:5%Mn/ZnSMPA lớn so với NC ZnSe:Mn-MPA Điều giải thích, hạt nano ZnSe:Mn bọc thêm lớp vỏ ZnS có độ rộng vùng cấm lớn số mạng vỏ (ZnS) gần với số mạng lõi (ZnSe) lớp vỏ hình thành (phát triển) lõi khơng bị thay đổi lớp tiếp giáp hai chất, trạng thái bề mặt thụ động hóa trở nên ổn định khả phát xạ NC trở nên tốt 11 3.3 Phân tích cấu trúc tính chất quang nano phát quang ZnSe/ZnS:Mn/ZnS Hình 3.5 Nhiễu xạ XRD (a) phổ PL (b) NC ZnSe:5%MnMPA, ZnSe:5%Mn/ZnS-MPA, ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA Kết XRD (hình 3.5a) ZnSe/ZnS:Mn5%/ZnS-MPA cho thấy, ZnSe bọc thêm lớp vỏ đệm ZnS:Mn lớp vỏ ZnS không ảnh hưởng đến thành phần pha tinh thể Giản đồ XRD minh chứng điều tất mẫu có cấu trúc tinh thể lập phương (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) có pic nhiễu xạ vị trí 27.370, 45.470 53.850 tương ứng với mặt phẳng (111), (220), (311) phù hợp với thẻ chuẩn JCPDS 012-6803 Kết phù hợp với kết công bố nghiên cứu trước Tuy nhiên, ZnSe bọc thêm lớp vỏ đệm ZnSe:Mn lớp vỏ ZnS pic nhiễu xạ có cường độ cao sắc nét so với nhiễu xạ XRD ZnSe:Mn-MPA ZnSe:Mn/ZnS-MPA tổng hợp điều kiện Có nghĩa là, bọc thêm lớp vỏ tinh thể hình thành tốt Phổ PL hình 3.5b cho thấy pha tạp Mn nồng độ khác cường độ phát quang khác Cường độ phát quang tâm Mn2+ bước sóng 617 nm đạt cao nồng độ pha tạp Mn 5%, tâm phát quang Mn2+ đóng vai trị chủ đạo tính chất phát quang hạt Cường độ phát quang hạt NC cấu trúc lõi/vỏ đệm/vỏ ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA lớn hạt nano cấu trúc lõi/vỏ ZnSe:Mn/ZnS-MPA lớn hạt nano cấu trúc lõi ZnSe:Mn12 MPA Do hạt nano cấu trúc lõi/vỏ đệm/vỏ ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA, ZnS đóng vai trị lớp đệm, tác dụng lớp đệm ZnS làm giảm chênh lệch số mạng lớp lõi lớp vỏ, từ làm giảm ứng suất vùng tiếp giáp lớp lõi lớp vỏ, kết làm giảm khuyết tật bề mặt chấm lượng tử ứng suất gây nên, làm tăng đáng kể hiệu suất huỳnh quang Hơn nữa, tượng ion hố NC khơng xảy ra, hàng rào lớp vỏ dày bao quanh lõi nano tinh thể giới hạn hạt tải bị bẫy bắt bề mặt việc thêm lớp vỏ chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn (như ZnS bọc lên CdSe) làm tăng hiệu suất lượng tử cải thiện độ bền chúng Hình 3.6 Phổ FT-IR (a), Ảnh chụp TEM (b), Phổ XPS (c), phổ PL (d) hạt nano ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA Rhodamine B Trên phổ IR (hình 3.6a) MPA, mũi phổ 2600 cm-1 nhóm chức S-H Tuy nhiên phổ mẫu ZnSe/ZnS:Mn/ZnS pha tạp Mn nồng độ 5% khơng thấy nhóm S-H Điều chứng tỏ hình thành liên kết bề mặt tinh thể ZnSe/ZnS:Mn/ZnS Đồng thời mũi nhóm chức -OH C=O nhóm –COOH 13 MPA nên chứng tỏ nhóm –COOH cịn Nhờ giúp hạt QDs phân tán tốt nước, tương thích với tế bào sinh học tốt Ảnh chụp TEM (hình 3.6b) QDs ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA cho thấy hạt ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA tựa hình cầu, có kích thước hạt trung bình lớn so với hạt ZnSe:Mn/ZnS-MPA Phổ XPS hình 3.6c cho thấy diện nguyên tố có mẫu Zn, Mn, O, C, S Trạng thái hóa học nguyên tố làm rõ thông qua phổ XPS với chế độ scan phân giải cao, Mn Zn có số ohi hóa +2, S có số oxi hóa -2 Hiệu suất huỳnh quang hạt ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA so với chất chuẩn Rhodamine B 74,37% Hiệu suất huỳnh quang NC ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA lớn so với hiệu suất huỳnh quang ZnSe:Mn5%/ZnS-MPA 55,04% lớn so với mẫu ZnSe:5%Mn-MPA chưa bọc lớp vỏ ZnS 32,69% (hình 3.6d) Phần B: Chất hoạt động bề mặt Polyethylene glycol (PEG) 3.4 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe:Mn-PEG Hình 3.7 Phổ PL (a), ảnh ánh sáng trắng đèn UV365 nm (b), Phổ EDX (c) lõi ZnSe:Mn-PEG Phổ phát xạ PL (hình 3.7a) mẫu ZnSe:Mn-PEG nồng độ Mn khác có cường độ phát quang cao so với hạt ZnSe-PEG, tâm phát quang Mn2+ đóng vai trị chủ đạo bước sóng 595 nm ứng 14 với dịch chuyển 4T1-6A1 Ở nồng độ Mn pha tạp 1%, cường độ phát quang Mn2+ yếu, màu phát quang màu cam đỏ tâm Mn2+ (hình 3.7b) Khi nồng độ Mn pha tạp tăng lên, cường độ phát quang hạt nano QDs tăng lên đạt mức cao nồng độ Mn 5% Tuy nhiên, tăng nồng độ Mn2+ pha tạp cao tâm phát quang Mn2+ bắt đầu giảm Có thể giải thích nồng độ Mn cao tương tác Mn-Mn nhiều, dẫn đến giảm hiệu suất phát huỳnh quang Ở nồng độ Mn 11%, ánh sáng huỳnh quang có màu cam nhạt Mẫu ZnSe:Mn có hàm lượng Mn pha tạp 5% có cường độ PL cao nên chọn làm tiền đề cho bước trình tổng hợp Phổ EDX ZnSe:5%Mn-PEG (hình 3.7c) cho biết thành phần mẫu ZnSe:Mn tổng hợp nguyên tố Zn Se Sự tồn nguyên tố Mn sản phẩm tìm thấy khoảng 4,8%, chứng tỏ Mn pha tạp thành công vào cấu trúc ZnSe Ngồi ra, cịn có mặt nguyên tố C O, điều cho thấy chất ổn định PEG liên kết bề mặt hạt QDs 3.5 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe:Mn/ZnS-PEG Hình 3.8 Phổ PL (a) phổ FT-IR (b) QDs ZnSe-PEG, ZnSe:5%Mn-PEG ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG, ảnh chụp TEM ZnSe:5%Mn-PEG c) ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG (d) 15 Phổ PL mẫu ZnSe, ZnSe:5%Mn ZnSe:5%Mn/ZnS (hình 3.8a) cho thấy mẫu ZnSe có cường độ phát quang yếu khoảng 485 nm, tạo thêm lớp vỏ ZnS bên lõi ZnSe:Mn ta thấy phát quang NC tăng lên đáng kể so với mẫu ZnSe:%Mn ZnSe Điều giải thích, hạt nano ZnSe:Mn bọc thêm lớp vỏ ZnS giảm đáng kể số lượng khuyết tật bề mặt lõi ZnSe:5%Mn Phổ FT-IR ZnSe-PEG, ZnSe:5%Mn-PEG ZnSe:5%Mn/ZnS (hình 3.8b) cho thấy pic tương ứng với số sóng 3422 (rộng), 1600, 1452, 890 504 cm−1 đặc trưng dao động liên kết O-H, C=O, CH C-C tương ứng Các nhóm chức chứng minh tồn PEG bề mặt QDs, hổ trợ cho phân tán tốt QDs nước làm cho chúng tương thích tốt với tế bào vi khuẩn Pic 673 cm−1 xuất phổ FT-IR ZnSe:5%Mn/ZnS cho dao động Mn-S, điều chứng minh ion Mn2+ đă thay phần ion Zn2+ Hình dạng phân bố kích thước hạt ZnSe:5%Mn (hình 3.8c) ZnSe:5%Mn/ZnS (hình 3.8d) cho thấy hạt ZnSe:5%Mn tựa hình cầu Kích thước trung bình ZnSe:5%Mn/ZnS lớn lõi ZnSe:5%Mn, điều cho thấy hình thành lớp vỏ ZnS lõi ZnSe:Mn Các hạt NC có phân bố kích thước hạt đồng điều, điều khẳng định chất ổn định bề mặt PEG đă giúp hạt NC phân tán tốt môi trường nước 3.6 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe/ZnS:Mn/ZnSPEG Khi ta tiến hành tạo thêm lớp đệm để làm giảm chênh lệch số mạng lớp lõi lớp vỏ tạo hạt nano phát quang có cấu trúc lõi/vỏ/vỏ ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-PEG dựa phổ PL hình 3.9a ta thấy phát quang NC lại giảm đáng kể so với mẫu ZnSe:Mn không bọc vỏ mẫu ZnSe:Mn/ZnS-PEG bọc thêm 16 lớp vỏ Kết khác với hạt nano tinh thể cấu trúc lõi/vỏ/vỏ ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA (ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-MPA có cường độ phát quang cao ZnSe:Mn/ZnS-MPA ZnSe:Mn-MPA) Điều giải thích, cấu trúc đặc biệt PEG nên PEG đóng vai trị lớp vỏ Do đó, bọc thêm lớp vỏ ZnS cho hạt NC vơ tình ta bọc thêm lớp vỏ thứ hai cho hạt NC (bản thân PEG đóng vai trị lớp vỏ thứ nhất) Lớp vỏ dày làm giảm cường độ huỳnh quang hạt NC Hình 3.9 Phổ PL (a), giản đồ XRD (b) ZnSe:5%Mn-PEG, ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG, ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-PEG, phổ FT-IR (c), phổ PL (d) QDs ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-PEG Rhodamine B Giản đồ XRD (hình 3.9b) hạt ZnSe, ZnSe:5%Mn-PEG, ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG có cấu trúc giả kẽm (Zinc Blende) có ba pic nhiễu xạ vị trí 27.310, 45.570, 53.270 tương ứng với mặt phẳng (111), (220), (311) Tuy nhiên, ZnSe bọc thêm lớp vỏ đệm ZnSe:Mn lớp vỏ ZnS pic nhiễu xạ có cường độ cao sắc nét so với nhiễu xạ XRD ZnSe:Mn-PEG 17 ZnSe:Mn/ZnS-PEG tổng hợp điều kiện Có nghĩa là, bọc thêm lớp vỏ tinh thể hình thành tốt Phổ FT-IR (hình 3.9c) đồng thời cịn pic -OH, -CH, -C-O-C -C=O PEG Chứng tỏ có hình thành liên kết QDs PEG Nhờ giúp cho QDs phân tán tốt nước giúp cho hạt nano có ứng dụng tốt sinh học, dễ tương thích với tế bào sinh học Từ ta kết luận PEG phủ bề mặt hạt QDs Hiệu suất huỳnh quang hạt ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-PEG (có tỷ lệ Mn2+/Zn2+ 5%) so với chất chuẩn Rhodamine B 39,40% (hình 3.9d) Hiệu suất huỳnh quang thấp so với hiệu suất huỳnh quang mẫu ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG (có tỷ lệ mol Mn2+/Zn2+ 5%) 85,47% mẫu ZnSe:5%Mn-PEG 60,92% chưa bọc lớp vỏ ZnS Phần C: Chất ổn định bề mặt hồ tinh bột 3.7 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe:Mn-HTB Hình 3.10 Giản đồ XRD QDs ZnSe:5%Mn-HTB, tổng hợp nhiệt độ 400C, pH nồng độ Mn2+ pha tạp khác Giản đồ XRD NC ZnSe:Mn-HTB tổng hợp nồng độ Mn2+ pha tạp khác (hình 3.10a) có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) so với thẻ chuẩn JCPDS 012-6803 Sự pha tạp Mn không ảnh hưởng đến thành phần pha tinh thể Kết phù hợp với kết công bố nghiên 18 cứu trước Khi pha tạp Mn, pic nhiễu xạ dịch chuyển nhẹ phía góc theta bé so với pic nhiễu xạ ZnSe tổng hợp điều kiện (hình 3.10b) Sự dịch chuyển nhẹ cho có thay ion Zn2+ ion Mn2+ trình tổng hợp mẫu Trong đó, ion mangan thay phần vị trí ion Zn2+ xâm nhập vào lỗ hổng khuyết tật mạng Hình 3.11 Phổ PL QDs ZnSe:Mn-HTB nồng độ Mn2+ pha tạp khác (a), phổ FT-IR QDs ZnSe:Mn-HTB HTB (b) Sự phát quang tinh thể nano ZnSe tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ khác thể phổ huỳnh quang hình 3.11a Phổ huỳnh quang cho thấy thay đổi nồng độ Mn2+ pha tạp kác cường độ phát quang khác Cường độ phát quang pic bước sóng 595 nm lớn nhiều so với pic phát quang ZnSe bước sóng 485 nm, pic ZnSe yếu bị lấn áp đạt cường độ cao tỉ lệ mol Mn2+/Zn2+ 3% Tâm phát quang Mn2+ đóng vai trị chủ đạo tính chất phát quang hạt Phổ FT-IR hồ tinh bột mẫu ZnSe:Mn-HTB (hình 3.11b) cho thấy đồng thời cịn pic -OH, C-C, -CH2 -CO hồ tinh bột, chứng tỏ hình thành liên kết bề mặt tinh thể ZnSe hồ tinh bột, hồ tinh bột liên kết với hạt quantum dots Nhờ giúp tăng khả phân tán nước giúp cho hạt có ứng dụng tốt sinh học, tương thích với tế bào sinh học 19 3.8 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe:Mn/ZnS-HTB Khi bọc thêm lớp vỏ ZnS vào hạt nano ZnSe pha tạp Mn ta thấy cường độ phát quang mẫu tăng lên (hình 3.12a) Kết giống với số cơng trình cơng bố Khi hạt nano ZnSe:Mn bọc thêm lớp vỏ, trạng thái bề mặt thụ động hóa trở nên ổn định khả phát xạ NC trở nên tốt Hơn nữa, hàng rào lớp vỏ dày bao quanh lõi nano tinh thể giới hạn hạt tải bị bẫy bắt bề mặt việc thêm lớp vỏ chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn làm tăng hiệu suất lượng tử cải thiện độ bền chúng Hình 3.12 Phổ PL (a), giản đồ XRD (b) QDs ZnSe:3%Mn-HTB ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB, ảnh TEM ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB (c) Kết XRD hình 3.12b cho thấy yếu tố hàm lượng mangan pha tạp bọc thêm lớp vỏ không làm thay đổi cấu trúc tinh thể ZnSe ban đầu Mẫu NC ZnSe:Mn/ZnS-HTB có cấu trúc giả kẽm (Zinc Blende) so sánh với phổ chuẩn Tuy nhiên, bọc thêm lớp vỏ ZnS pic nhiễu xạ tăng lên Điều có nghĩa là, bọc thêm lớp làm tăng độ tinh khiết độ tinh thể hóa NC Các hạt ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB tựa hình cầu (hình 3.12c) đồng Tuy nhiên, hạt ZnSe: 3%Mn/ZnS-HTB kết tập với Kích thước hạt trung bình hạt ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB lớn so với ZnSe:3%Mn-HTB HTB có cấu trúc gồm mạch thẳng mạch 20 nhánh, cồng kềnh nên ảnh hưởng đến khả phân tán kích thước hạt 3.9 Phân tích cấu trúc tính chất quang ZnSe/ZnS:Mn/ZnSHTB Hình 3.13 Phổ PL (a) giản đồ XRD (b) QDs ZnSe:3%MnHTB, ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB, ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB, phổ IR ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB (c), phổ PL QDs ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-PEG Rhodamine B (d) Sự phát quang tinh thể nano ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB sử dụng chất ổn định hồ tinh bột bọc thêm lớp vỏ thể phổ huỳnh quang PL (hình 3.13a) Kết cho thấy cường độ phát quang tâm Mn2+ bước sóng 620 nm đạt cao nồng độ pha tạp Mn 3%, tâm phát quang Mn2+ đóng vai trị chủ đạo tính chất phát quang hạt Khi bọc thêm lớp vỏ đệm lớp vỏ cường độ phát quang mẫu tăng lên nhiều so với ZnSe:3%Mn-HTB ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB 21 Kết XRD hình 3.13b cho thấy, hàm lượng mangan pha tạp, bọc thêm lớp vỏ đệm lớp vỏ không ảnh hưởng đến thành phần pha tinh thể Các mẫu NC ZnSe/ZnS:Mn/ZnS-HTB nồng độ mangan pha tạp khác có cấu trúc lập phương tinh thể (Zinc Blende) so sánh với phổ chuẩn Tuy nhiên, bọc thêm lớp vỏ đệm ZnS:Mn lớp vỏ ZnS pic nhiễu xạ tăng lên Điều có nghĩa là, độ tinh khiết độ tinh thể hóa NC tăng lên Phổ FT-IR của hồ tinh bột (hình 3.13c) cho thấy, hình thành liên kết bề mặt tinh thể ZnSe hồ tinh bột, hồ tinh bột liên kết với hạt NC Nhờ giúp tăng khả phân tán nước ứng dụng tốt sinh học, tương thích với tế bào sinh học Hiệu suất huỳnh quang hạt ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB có tỷ lệ Mn2+/Zn2+ 3% so với chất chuẩn Rhodamine B (hình 3.13d) 61,61%, lớn so với hiệu suất huỳnh quang mẫu ZnSe:3%Mn/ZnS-HTB (có tỷ lệ mol Mn2+/Zn2+ 3%) 42,19 % lớn so với mẫu ZnSe:3%Mn-HTB chưa bọc lớp vỏ ZnS 26,00 % Hiệu suất huỳnh quang NC ZnSe/ZnS:3%Mn/ZnS-HTB thấp so với ZnSe/ZnS:5%Mn/ZnS-MPA ZnSe:5%Mn/ZnS-PEG, hai mẫu có hiệu suất huỳnh quang cao sử dụng chất ổn định bề mặt MPA PEG Phần D: Đánh giá khả ứng dụng y sinh hạt nano có cường độ quang cao Sau tổng hợp khảo sát yếu tố ảnh hưởng chọn mẫu có tính chất quang tốt ZnSe/ZnS:Mn5%/ZnSMPA, ZnSe:Mn5%/ZnS-PEG ZnSe/ZnS:Mn3%/ZnS-HTB để bước đầu đánh giá khả ứng dụng lĩnh vực y sinh học Sau khảo sát tính độc hạt QD chủng E.coli MRSA Kết cho thấy hạt QD khơng có gây ảnh hưởng nhiều đến kết nghiên cứu sau 22 3.10 Đánh giá khả tương thích nano phát quang với kháng thể kỹ thuật SDS - pages Sau tiến hành thí nghiệm đánh giá khả tương thích nano phát quang với kháng thể kỹ thuật SDS-pages Kết cho thấy kháng thể nồng độ g đến 30 g phức hợp A1 B2 cho kết gắn tốt phức hợp lại Tuy nhiên, để kiểm tra điều này, phức hợp A1 B2 tiếp tục kiểm tra cường độ phát quang gắn kháng thể kỹ thuật flow cytometry trước cho phản ứng với vi khuẩn E.coli MRSA 3.11 Tiến hành chạy flow cytometry xác định nồng độ tối ưu tương tác kháng thể (Ab) hạt nano phát quang (QD) Kết chạy flow cytometry thời gian phút tính hiệu hạt thơng thường Các chủng cho hình ảnh thời gian 15 phút Tuy nhiên, thời gian 30 phút phản ứng rõ đẹp Sau thời gian 30 phút tín hiệu dần khó phát vi khuẩn Phản ứng phát 101 CFU/ml 3.12 Khảo sát khả phát tác nhân gây bệnh hạt QD–Ab chủng MRSA E.coli O157: H7 Vi khuẩn Salmonella, Shigella, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis khơng cho hình ảnh quan sát kính hiển vi huỳnh quang, có nghĩa phản ứng đặc hiệu cho phát vi khuẩn E.coli O 157: H7, MRSA Tỉ lệ phức hợp phản ứng tốt với kháng thể có nồng độ từ g đến 30 g Ở tỉ lệ g phản ứng cho tín hiệu khơng rõ Thời gian để phát vi khuẩn cần 30 phút, nhiên, vi khuẩn phát 15 phút, tín hiệu không tốt 30 phút Phát vi khuẩn (giả mẫu) có độ nhạy 102 CFU/ml Độ đặc hiệu phản ứng 100% 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đã khảo sát điều kiện phù hợp cho tổng hợp hạt QD môi trường nước sử dụng chất ổn định bề mặt MPA, PEG, HTB Hiệu suất huỳnh quang hạt QD tăng theo thứ tự: ZnSe:5%MnMPA