Để nghiên cứu SERS, chúng tơi sử dụng chất thử Rhodamine 6G (Rh6G). Rh6G là một trong những thuốc nhuộm, được sử dụng chủ yếu để nhuộm len, lụa, thực phẩm, làm chất chỉ thị phát quang và làm laser cơng suất màu. Ngồi ra, Rh6G cịn được dùng để nhuộm tế bào trong cơng nghệ sinh học.
- Cơng thức phân tử: C28H31N2O3Cl. - Phân tử khối: 479,02 g/mol
- Độ pH: 1 – 3
- Tính chất: Rh6G cĩ màu nâu đỏ hoặc màu vàng khi ở dạng bột, tan trong nước cho màu đỏ rực, tan trong ethanol cĩ màu đỏ vàng, phát quang màu đỏ trong vùng bước sĩng từ 580 nm đến 610nm.
- Độc tính: Rh6G là chất rất độc cho cơ thể, cĩ nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ thần kinh nếu tiếp xúc nhiều cĩ thể gấy ung thư.
Hình 2.8. Cơng thức phân tử Rhodamine 6G
Do Rh6G thể hiện tính chất quang mạnh ở bước sĩng trong vùng nhìn thấy nên được sử dụng làm chất thử để khảo sát tính SERS.
Bảng 2.2: Bảng so sánh phổ Raman thơng thường và phổ SERS của Rh6G[29]. Raman of Rh6G (cm-1) Surface enhanced Raman of Rh6G (cm-1) Assignment 1 618 609 C-C-C 2 769 3 1081 1086 Β(CH) 4 1130 1123 C-H str 5 1188 1181 C-H bend 6 1282 1310 C-O-C str 7 1361 1361 Arom C-C str 8 1510 1508 Arom C-C str 9 1533 C-H str 10 1575 1573 Arom C-C str 11 1652 1647 Arom C-C str
Hình 2.9: Phổ SERS của Rh 6G trong dung dịch hạt nano vàng [30]
Hình 2.9 cho thấy phổ SERS của Rh6G cĩ các đỉnh phổ: 608, 772, 1184, 1309, 1362, 1495, 1567 và 1646 cm-1.
Các phép đo SERS được tiến hành trên các mẫu màng đã được chế tạo. Với 2 loại mẫu màng chế tạo từ hạt mầm 1- 3 nm và 15 nm. Mỗi loại gồm 5 mẫu cĩ chiều
dày theo tính tốn là 15, 20, 25, 30 và 35nm. Tiến hành nhỏ 50 µl dung dịch Rh6G pha trong ethanol với nồng độ là 10-5M, 10-7 và 10-8M lên bề mặt màng. Sau đĩ các mẫu được sấy khơ tại nhiệt độ 800C trong 2 giờ nhằm mục đích loại hết ethanol. Phổ Raman của các mẫu được ghi bởi hệ đo Raman Xplora-Horiba và được kích bởi laser cĩ bước sĩng 532 nm, cơng suất kích 2 mW, chọn split là 200µm.
Với giả thiết là lượng Rh6G phân tán đều trên bề mặt màng (diện tích 2,54 cm2) ta cĩ thể tính được mật độ phân tử n trên đĩ.
S V M N n= A. . 2.10 Trong đĩ: - NA là hằng số Avogadro. - M là số nồng độ mol. - V là thể tích dung dịch. - S là diện tích bề mặt.
Như vậy, với nồng độ dung dịch nhỏ lên bề mặt 10-5M cĩ thể tính được mật độ phân tử là 11,85.1013 phân tử /cm2. Tương tự với nồng độ 10-7
M và 10-8M cĩ mật độ phân tử tương ứng là 11,85.1011
và 11.85.1010 phân tử/cm2
.
Hiện nay, việc sử dụng các hĩa chất độc hại (thuốc nhuộm) trong thực phẩm là việc làm hồn tồn bị cấm trên tồn thế giới nhưng một số nhà sản xuất vì chạy theo lợi nhuận nên vẫn sử dụng, điều này đã gây những tác hại khơn lường đến người tiêu dùng. Do đĩ, kết quả nghiêm cứu của đề tài rất cĩ ý nghĩa trong việc phát hiện Rh6G cũng như các loại thuốc nhuộm khác ở nồng độ thấp để gĩp phần đảm bảo vệ sinh an tồn thực phẩm.
Sau khi chế tạo thành cơng màng vàng từ các mầm kích thước 1 – 3nm và 15 nm bằng phương pháp hĩa học mơ tả như trên. Tơi tiến hành khảo sát các đặc trưng của màng cũng như phổ SERS đối với mẫu Rh6G. Các thiết bị nghiên cứu bao gồm:
- Kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi S-4800 cĩ độ phĩng đại 800.000 lần - Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEM1010 cĩ độ phân giải 3 A0
. - Máy đo chiều dày màng mỏng Anpha Step DEKTAK 150
- Kính hiển vi quang học trường tối Nikon Confocal C1Si. - Máy đo hấp thụ UV-VIS SHIMADZU-UV-2600,
- Thiết bị đo Raman Xplora của hãng Horiba kích thích bằng laser diode ở 2 bước sĩng 532 nm.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hạt vàng kích thước 1 – 3nm và 15 nm.
Hình 3.1 là ảnh TEM của hạt vàng kích thước 1 – 3 nm và 15 nm. Các dung dịch hạt vàng sau khi chế tạo được bảo quản tốt ở mơi trường lạnh và tối. Ảnh TEM của các dụng dịch vàng này được chụp sau chế tạo khoảng 4 tháng cho thấy khơng cĩ hiện tượng tụ đám và kết dính giữa các hạt vàng. Kích thước đo được là khoảng 0,8 – 3,5nm (hình trái) và 14,5 – 15,5nm (hình phải), khá trùng với kích thước như mong muốn với mục đích làm mầm cho việc tạo màng vàng trên đế thủy tinh.
Hình 3.1: Ảnh TEM của các hạt Au kích thước 1 – 3nm (trái), và 15 nm (phải).
Phổ hấp thụ Plasmon cộng hưởng của các dung dịch hạt vàng tương ứng được trình bày trên hình 3.2 cho thấy đỉnh phổ cũng tương đồng với đỉnh phổ của các hạt vàng cĩ kích thước tương ứng trong các kết quả đã cơng bố [2].
400 450 500 550 600 650 700 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Đ ộ h ấp th ụ c hu ẩn h ó a Hạt vàng 15 nm Hạt vàng 1-3 nm Bước sóng (nm) Hình 3.2: Phổ hấp thụ của các hạt vàng kích thước 1 – 3nm và 15nm
3.2. Các kết quả khảo sát được trong quá trình chế tạo màng vàng 3.2.1. Tạo gốc OH trên bề mặt đế thủy tinh 3.2.1. Tạo gốc OH trên bề mặt đế thủy tinh
Trong quá trình này, chúng tơi khảo sát yếu tố thời gian ngâm tấm thủy tinh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong dung dịch KOH 1M nhằm tối ưu hĩa về thời gian cho quy trình chế tạo sao cho các loại màng được tạo ra đảm bảo độ đồng đều. Hạt vàng kích thước 1 – 3 nm được sử dụng để tạo lớp hạt mầm trong quá trình khảo sát. Kết quả khảo sát được đo bằng kính hiển vi quang học Nikon Confocal C1Si. Ảnh chụp được sau khi đã gắn APTES và phủ hạt mầm vàng lên bề mặt.
Hình 3.3: Ảnh chụp kính hiển vi trường tối của các đế thủy tinh nhận được tại các thời gian ăn mịn khác nhau sau khi gắn kết với các hạt nano vàng
Hình 3.3 là ảnh chụp kính hiển vi trường tối ứng với các thời gian ăn mịn đế thủy tinh từ 5 đến 35 phút. Kết quả cho thấy khi tăng dần thời gian ăn mịn, những điểm sáng trên màng dày lên, số lượng hạt mầm bám vào đế thủy tinh tăng. Bắt đầu từ thời điểm 15 phút trở đi các hạt mầm bắt đầu bám dính với mật độ cao và đồng đều trên bề mặt đế. Và đến thời điểm 30, 35 phút bề mặt tấm thủy tinh đã được phủ
kín bởi các hạt mầm. Như vậy, thời gian phù hợp cho việc ăn mịn tạo lớp -OH trên bề mặt đế là 30phút.
3.2.2. Chức năng hĩa nhĩm -NH2 bề mặt đế thủy tinh bằng APTES
Sau khi lựa chọn được thời gian ăn mịn tối ưu, quá trình chức năng hĩa NH2 cũng được khảo sát theo quy trình tương tự. Tấm thủy tinh, sau khi được ăn mịn trong KOH 1M trong thời gian 30 phút, được ngâm trong dung dịch APTES 1%, dung mơi Ethanol .
Hình 3.4: Ảnh chụp kính hiển trường tối của các đế thủy tinh được gắn kết với phân tử APTES theo các thời gian khác nhau
Kết quả cho thấy, sau 5 phút, mật độ các phân tử APTES đã liên kết với gốc OH là tương đối lớn. Sau 15 phút, APTES đã liên kết hồn tồn với OH trên bề mặt. Như vậy thời gian phù hợp cho quy trình chức năng hĩa bề mặt bằng nhĩm NH2 là 15 phút.
Trong quá trình thí nghiệm chúng tơi đã thực hiện khảo sát vai trị của các quá trình ngâm tấm thủy tinh vào dung mơi KOH và chức năng hĩa bằng nhĩm -NH2 bằng phương pháp thử nghiệm cĩ đối chứng. Kết quả đo phổ hấp thụ UV- VIS hình 3.5 chỉ ra rằng với các mẫu khơng thực hiện một trong 2 quá trình trên hầu như các hạt mầm vàng khơng bám dính trên bề mặt. Các mẫu thực hiện đầy đủ cả 2 quá trình thì cĩ các hạt mầm bám dính cho kết quả phổ hấp thụ UV- VIS của các hạt vàng kích thước 1 – 3nm. Như vậy các lập luận về lý thuyết chế tạo hồn tồn phù hợp với thực nghiệm.
400 600 800 1000 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 Đ ộ h ấp th ụ Bước sóng (nm) Có KOH và APTES Không KOH Không APTES
Hình 3.5: Phổ hấp thụ của các đế thủy tinh gắn vàng nano của các đế cĩ và khơng thực hiện các quá trình ngâm KOH và APTES.
3.2.3. Các đặc trưng của màng nano vàng
Hình 3.6 là các màng vàng nhận được sau khi phát triển hai dãy màng theo quy trình trình bày trong phần 2.1.3. Các màng được chế tạo từ hai loại mầm vàng kích thước 1-3 nm và 15 nm.
Hình 3.6: Các màng vàng độ dày từ 35-15 nm sau theo chiều từ trái sang phải (dãy màng trên được phát triển từ mầm 1-3 nm, dãy dưới phát triển từ mầm 15 nm).
3.2.3.1. Đặc trưng hình thái thái học.
Như đã trình bày trong phần tổng quan, độ gồ ghề bề mặt của màng vàng ảnh hưởng nhiều đến tính chất quang cũng như khả năng tăng cường tán xạ Raman. Các mẫu sau sau khi chế tạo, được chụp ảnh SEM nhằm đánh giá cấu trúc, hình thái học bề mặt
a) Ảnh SEM của màng vàng của dãy màng làm từ mầm 1-3 nm.
Hình 3.7 trình bày ảnh SEM của các mẫu màng được phát triển từ mầm vàng kích thước 1-3nm.
Hình 3.7: Ảnh SEM của các màng vàng được phát triển từ mầm kích thước 1- 3nm, cùng thang đo 100nm
Kết quả cho thấy các màng vàng nhận được là tập hợp của các đảo (hạt nano vàng) xếp dính nhau trên một mặt phẳng. Các đảo cĩ kích thước trung bình trong khoảng 25-40 nm. Kích thước trung bình của đảo tăng khi tăng độ dày màng. Khoảng cách giữa các đảo nằm trong khoảng 5 – 15nm. Ta thấy rằng, với mẫu cĩ chiều dày là 15nm (Au_15), sự hình thành các đảo là đồng đều và liên tục. Tuy nhiên với mẫu Au_20, thì bắt đầu cĩ sự co cụm của các đảo theo từng đám, giữa các đám hình thành khoảng cách lớn hơn hay cịn gọi là các vết nứt bề mặt. Đến mẫu Au_35 thì ngồi sự co cụm trên, cịn thấy được tại vị trí khe giữa các đảo bắt đầu cĩ sự lấp đầy bởi các nguyên tử Au.
Như vậy, trong giai đoạn đầu của quá trình tạo màng, các nguyên tử được tạo ra trong phản ứng khử bắt đầu bám dính dần dần vào các hạt mầm. Các hạt mầm
tăng dần về kích thước. Do khoảng cách ban đầu giữa các hạt mầm là khác nhau nên các hạt mầm ở gần nhau dễ dàng kết dính, tạo thành các đám (đảo). Độ các đám này là khơng phẳng và độ gồ ghề phụ thuộc vào đường kính của các hạt mầm kết dính. Khi lượng dung dịch vàng hydroxide sử dụng đủ lớn thì các khe giữa các đảo sẽ dần dần thu hẹp lại và bề mặt màng chở nên mịn hơn. Kết quả này cho thấy cĩ thể điều khiển kích thước các đảo và khoảng cách giữa giữa chúng để tạo ra màng mỏng cĩ độ gồ ghề như mong muốn.
b) Ảnh SEM của màng vàng của dãy màng làm từ mầm vàng 15 nm.
Hình 3.8: Ảnh SEM của các màng vàng được phát triển từ mầm kích thước 15nm, cùng thang đo 100nm.
Hình 3.8 trình bày ảnh SEM của các mẫu màng được phát triển từ mầm vàng kích thước 15 nm. Kết quả cho thấy với 2 mẫu màng Au_15_15 (chiều dày lý thuyết là 15nm) và Au_20_15 thì trên bề mặt là tập hợp hạt vàng rời rạc cĩ kích thước khoảng 40 nm. Đến các mẫu màng Au_25_15 thì các hạt bắt đầu kết dính thành từng đám. Và đến mẫu màng A_35_15 thì sự kết dính giữa các hạt thành đừng đám cĩ kích thước rất lớn cỡ vài trăm nanomet. Khoảng các giữa các đám là khoảng 15 – 50 nm. Như vậy với các mẫu màng phát triển từ hạt mầm 15 nm thì trên bề mặt chủ yếu là tập hợp các hạt và các đám rời rạc.
3.2.3.2. Đặc trưng vềđộ dày.
Sau khi được chế tạo các mẫu màng phát triển từ hạt mầm 1 – 3 nm được đo chiều dày bằng thiết bị Alpha-Step DEKTAK 150. Các mẫu được tạo từ hạt mầm 1 – 3 nm cĩ chiều dày tính tốn từ 15 – 35 nm. Màng vàng được chế tạo trên một diện
tích rộng 1x2.54 (cm2), vì vậy để đánh giá độ đồng đều của màng, chúng tơi thực hiện phép đo độ dày tại 3 vị trí khác nhau: giữa, rìa trái và rìa phải của màng trên đế thủy tinh. 0 100 200 300 400 500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 Đ ộ d ày ( A o) Mẫu Au_30 Vị trí giữa Rìa phải Rìa trái (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chiều dài vùng đo (µm)
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 C hi ề u da øy tr un g bì nh đ o đư ợ c (n m )
Chiều dày tính toán (nm)
Hình 3.9: a) phổ Alpha-Step của các màng của màng Au_30 b) tổng hợp độ dày của các mẫu
Hình 3.9a là kết quả đo chiều dày của Au_30 tại các vị trí khác nhau trên màng. Nhận xét thấy rằng, quy trình chế tạo màng bằng phương pháp hĩa học đảm bảo độ đồng đều tốt cho các màng cĩ diện tích lớn. Tiến hành đo tương tự trên các màng cĩ độ dày khác nhau, kết quả khẳng định độ ổn định của phương pháp trên nhiều chiều dày màng khác nhau. Hình 3.9b là kết quả Alpha-Step tại vị trí giữa của các màng cĩ chiều dày khác nhau. Độ dày thực tế là nhỏ hơn so với tính tốn ban đầu. Nguyên nhân xuất phát từ giả thiết là màng vàng hồn tồn phẳng. Sự xuất hiện của khe giữa các đám và độ gồ ghề của màng khiến độ dày thực tế của màng tăng. Điều này khơng phủ định một kết luận khác về việc số nguyên tử Au sinh ra từ phản ứng khử đều tham gia vào việc tạo màng. Như vậy, độ pH của dung dịch và lượng chất khử HCHO là phù hợp cho việc chế tạo màng.
3.2.3.3. Đặc trưng quang học.
Như nhìn thấy trên hình 3.6, ảnh dãy màng được phát triển từ hạt mầm vàng kích thước nhỏ 1-3 nm, khi độ dày màng tăng lên, màu của màng biến đổi từ xanh cho đến màu của vàng kim loại. Cịn dẫy màng được phát triển từ các hạt mầm vàng kích thước 15 nm, màu của các màng biến đổi từ màu đỏ sang màu xanh.
Hình 3.10a là phổ hấp thụ plasmon dãy mẫu làm từ hạt mầm từ 1 – 3 nm. Các hình này cho thấy khi độ dày màng tăng đỉnh phổ hấp thụ dịch chuyển dần về phía bước sĩng dài từ 720nm - 1135nm, đồng thời độ bán rộng phổ cũng tăng theo. Đây là bằng chứng khác cho thấy sự tăng kích thước của các hạt mầm trong giai đoạn đầu của quá trình tạo màng. Do tốc độ tăng trưởng về kích thước là khác nhau, phụ thuộc vào tương tác với các hạt lân cận, phổ hấp thụ quan sát được sẽ bị mở rộng tỉ lệ với sự khơng đồng đều về mặt kích thước của các hạt trong giai đoạn này. Khi
tăng dần lượng HAuCl4 thì các hạt bắt đầu xu hướng kết dính để hình thành các đám. Các đám khi mới được tạo thành vẫn cĩ tính chất của các hạt nano, độ gồ ghề của đám lớn. Khi tăng lượng muối vàng nhiều hơn, các tính chất hạt giảm dần, các rãnh và khe gồ ghề bị lấp đầy bởi các nguyên tử Au. Độ truyền qua giảm mạnh trên khoảng phổ rộng. 400 600 800 1000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Đ ộ å h