Hĩa chất, nguyên vật liệu sử dụng cần thiết cho việc tạo màng vàng bao gồm một số hĩa chất cĩ cấu trúc phân tử được biểu diễn trong hình 2.2:
a) APTES b) HauCl4
c) THPC d) HCHO
e) Na3C6H5O7 f) C2H5OH
Hình 2.2 Cấu trúc hĩa học của các chất: a) APTES; b) HAuCl4 ; c) THPC ; d) Andehyde formic; e) Tri sodium citrate và f) Ethanol
- Aminopropyltriethoxysilane (APTES) với độ tinh khiết > 98% Merck. Cơng thức phân tử (C2H5O)3-Si-C3H6-NH2, cấu trúc hố học như trên hình 2.2 a. - Chloroauric acid: HAuCl4 độ tinh khiết 99% của Merck, cấu trúc hĩa học ở
hình 2.2 b.
- Tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC) 80% của Sigma- Aldrich.Cơng thức phân tử là [(CH2OH)4P]Cl, cĩ cấu trúc hĩa học ở hình 2.2 c.
- Dung dịch formaldehyde (HCHO) 37- 38% của Merck và cĩ cấu trúc hĩa học ở hình 2.2 d.
- Trisodium citrate (citrate): Na3C6H5O7 với độ tinh khiết 99% của Merck, cấu trúc hĩa học ở hình 2.2 e.
- Ethanol C2H5OH 99,9% của Merck.
- Potasium carbonate K2CO3 ≥ 99% của Merck. - Sodium hydroxide: NaOH 99% của Merck. - Potasium hydroxide: KOH 99% của Merck. - Nước cất hai lần và nước khử ion.
2.1.2. Tạo các hạt nano vàng kích thước 1 – 3 nm và 15 nm. 2.1.2.1. Chuẩn bị dung dịch vàng hydroxyde.
25 mg K2CO3 hịa tan trong 100 ml H2O, khuấy từ 10 phút. Sau đĩ cho 1.5 mL dung dịch HAuCl4 1% khuấy từ trong 2h, dung dịch thu được gọi là dung dịch vàng hydroxyde.
Các phản ứng hĩa học:
K2CO3 + H2O → HCO3- +2K+ + OH- (2.1)
HAuCl4 + (4-x)OH-→ [AuClx(OH)4-x]- , x= 0-4 (2.2)
Dung dịch hydroxide vàng sau phản ứng được bảo quản trong điều kiện lạnh và tối. Dung dịch này sẽ được dùng để phát triển hạt vàng kích thước 15nm và lớp màng vàng trên các trên các đế thủy tinh.
2.1.2.2. Phương pháp Duff- Baiker chế tạo hạt vàng nhỏ kích thước 1 – 3 nm.
Các hạt vàng cĩ kích thước nhỏ được chế tạo theo phương pháp Duff – Baiker được trình bày trên hình 2.3, gồm 3 bước:
Hình 2.3: Quy trình chế tạo hạt vàng kích thước nhỏ theo phương pháp Duff-Baiker THPC/H2O HCHO Au0 NaOH HAuCl4 Khuấy từ Khuấy từ
- Bước 1: đưa 0.5 ml dung dịch THPC vào trong bình chứa 21ml nước khử ion và 1.5ml trisodium citrate
- Bước 2: Thêm 0.2 ml dung dịch NaOH 1 M, phản ứng giữa THPC và NaOH sẽ diễn ra theo phương trình sau:
[P(CH2OH)4]Cl + NaOH → P(CH2OH)3 + H2O + HCHO + NaCl (2.3)
- Bước 3: đưa 1 mL HAuCl4 0,025M vào dung dịch để tạo vàng theo phản
ứng:
HAuCl4 +2 HCHO + 2 H2O → Au0 + 2 HCOOH + 4 HCl + ½ H2 (2.4) NaOH trong dung dịch đồng thời tham gia phản ứng với axit formic được tạo ra từ phản ứng :
NaOH + HCOOH → HCOONa + H2O (2.5) Dung dịch nano vàng thu được cĩ màu nâu coca-cola. Như vậy, ta đã chế tạo được dung dịch hạt vàng cĩ kích thước từ 1 – 3nm.
2.1.2.3. Phát triển hạt kích thước 15nm từ hạt kích thước 1-3nm.
Với mục đích chế tạo hạt vàng kích thước 15nm, chúng tơi tiến hành bằng phương pháp phát triển từ các hạt vàng nhỏ kích thước 1-3nm và dung dịch hydroxide vàng được chuẩn bị ở phần trên. Phản ứng khử hydroxide vàng tuân theo phương trình 2.4. Các nguyên tử vàng sinh ra được hút bám vào các hạt mầm theo cơ chế Ostwald ripening. Các hạt vàng mầm này sẽ tăng dần về thể tích, tạo hạt vàng lớn hơn như được minh họa trên hình 2.4. Tùy nồng độ các hạt vàng mầm đưa vào ta cĩ thể dễ dàng điều khiển được kích thước hạt sau khi nuơi bằng thay đổi thể tích hoặc nồng độ của dung dịch vàng hydroxide.
Hình 2.4: hình ảnh minh họa việc phát triển hạt vàng lớn từ các hạt vàng mầm.
Các hạt vàng 15 nm được chúng chuẩn bị với mật độ thể tích khoảng 2.5 1012
hạt/ml.
- Bước 1: Đưa 1ml dung dịch hạt vàng kích thước nhỏ vào 10 ml dung dịch vàng hydroxyde, khuấy từ với tốc độ 1200 vịng /phút trong thời gian 5phút.
- Bước 2: Nhỏ 25 µl dung dịch HCHO vào hỗn hợp dung dịch trên, tiếp tục khuấy từ trong vịng 2h. Phản ứng xảy ra theo phương trình 2.4.
đỏ mận cho thấy phản ứng đã xảy ra hồn tồn. Thu được dung dịch hạt vàng kích thước khoảng 15nm.
Các loại hạt 1 – 3nm và 15nm sau khi chế tạo được lưu giữ tại nhiệt độ 40C. Các loại hạt này được sử dụng làm hạt mầm cho quy trình chế tạo lớp màng vàng.
2.1.3. Chế tạo màng nano vàng trên đế thủy tinh 2.1.3.1. Tạo nhĩm OH trên bề mặt đế thủy tinh. 2.1.3.1. Tạo nhĩm OH trên bề mặt đế thủy tinh.
Các đế thủy tinh dùng để làm đế cho việc tạo màng là oxit của silic (SiO2) cĩ bản chất lưỡng tính vì vậy dàng bị ăn mịn bởi dung dịch kiềm mạnh như NaOH hoặc KOH. Phương trình phản ứng và minh họa cho việc ăn mịn đế thủy tinh tạo nhĩm chức -OH bằng KOH xảy ra như sau:
2KOH + 2SiO2 --> SiO(OH)2 + K2SiO3 (2.6)
Hình 2.5: Sơ đồ hình ảnh minh họa quá trình ăn mịn thủy tinh bằng KOH
Để tránh hiện tượng ăn mịn mạnh, khơng đồng đều trên bề mặt, chúng tơi sử dụng dung dịch KOH 1M.
Quy trình thực nghiệm: Đế thủy tinh được ngâm trong 10ml KOH 1M trong
một lọ bằng nhựa polypropylene và được rung siêu âm bằng máy TelSonic TPC-25. Sau đĩ, đế thủy được rửa hai lần bằng nước cất 2 lần, mỗi lần 10 phút, rồi được sấy khơ tại nhiệt độ 400C.
.
Hình 2.6: Quy trình tạo gốc- OH trên bề mặt đế thủy tinh.
Nhằm tìm thời điểm để cĩ số gốc OH nhiều nhất trên bề mặt đế thủy tinh, chúng tơi khảo sát theo thời gian rung siêu âm khác nhau. Thời gian ăn mịn đế thủy tinh được khảo sát từ 5 đến 30 phút. Độ đồng đều của tấm kính thủy tinh sau khi đã phủ lớp hạt vàng được đánh giá bằng chụp ảnh trên kính hiển vi quang học trường tối. Sau khi xác định được thời gian tối ưu cho việc tạo lớp OH trên bề mặt đế thủy
Ngâm KOH 1M Thời gian:
5;10;15;20;25;30 phút
Rung siêu âm bằng nước cất 2
lần
Sấy khơ tại nhiệt độ 400
C Thời gian: 2h
KOH
tinh chúng tơi tiếp tục tiến hành chức năng hĩa bề mặt đế thủy tinh bởi các nhĩm chức amine.
2.1.3.2. Chức năng hĩa nhĩm -NH2 bề mặt đế thủy tinh bằng APTES
Để tạo các nhĩm chức năng -NH2 trên bề mặt đế thủy tinh chúng tơi lựa chọn hợp chất APTES là phân tử alkoxide của silic. Các phân tử APTES sau khi được đưa vào dung dịch sẽ xảy ra phản ứng thủy phân ngưng tụ với các nhĩm -OH trên bề mặt tấm thủy tinh. Sau phản ứng sẽ tạo ra được nhĩm chức amine trên bề mặt đế. = Si – OH + (C2H5-O)3-Si-(CH2)3-NH2 → =Si -O- Si-(CH2)3-NH2 (2.7)
Quy trình thực nghiệm: Đế thủy tinh sau khi đã nhận được từ bước 1 được
ngâm vào 10ml dung dịch APTES 1% trong ethanol và tiến hành rung siêu âm với thời gian khác nhau. Sau đĩ rửa sạch bằng nước cất 2 lần, mỗi lần 10 phút để loại bỏ tạp chất dư thừa và được sấy khơ ở nhiệt độ 400C trong 2h.
Hình 2.7: Quy trình chức năng hĩa nhĩm NH2 trên bề mặt đế thủy tinh
Sử dụng APTES Trong quá trình này chúng tơi thực hiện khảo sát thời gian xảy ra phản ứng thủy phân ngưng tụ trên bề mặt đế thủy tinh với thời gian khác nhau từ 5 phút đến 25 phút. Tương tự quá trình kiểm tra việc tạo gốc -OH, các đế thủy tinh sau khi tạo lớp amine trên bề mặt sẽ được gắn kết với các hạt nano vàng và được đánh giá gián tiếp qua ảnh chụp hình thái bề mặt bằng kính hiển vi trường tối để đánh giá độ đồng đều của việc phủ lớp amin trên đế thủy tinh.
2.1.3.3. Gắn hạt nano vàng lên bề mặt đế thủy tinh.
Theo như các nghiên cứu thì kích thước của các mầm quyết định độ gồ ghề của màng, vì vậy tơi lựa chọn hai loại mầm vàng cĩ kích thước khác nhau 1-3 nm và 15 nm để tạo màng vàng ... .Các hạt nano sẽ tạo liên kết với nhĩm chức -NH2
trên bề mặt đế, liên kết NH2-Au đủ mạnh để giữ cho hạt vàng khơng bị bĩc tách trong những quá trình tiếp theo hoặc khơng chịu tác động cơ học. Với diện tích bề mặt là 1x2,54 cm2 thì lượng dung dịch hạt vàng được nhỏ lên bề mặt 100µl để đảm bảo lượng hạt vàng đủ để bám dính lên tồn bề mặt. Thời gian đảm bảo các hạt tạo liên kết với các nhĩm -NH2 trên bề mặt đế thủy tinh là 15 phút.
2.1.3.4. Phát triển màng nano vàng và điều khiển độ dày màng.
Sau khi tạo được lớp mầm vàng trên bề mặt đế silica, lớp màng vàng được triển trên đế này bằng phương pháp mạ khơng điện ly từ dung dịch hydroxide vàng với chất khử là HCHO.
Để tạo chiều dày lớp màng vàng trên bề mặt thủy tinh như mong muốn chúng Ngâm dd APTES 1%
Thời gian: 5; 10; 15; 20; 25 phút
Rung siêu âm bằng nước cất 2
lần
Sấy khơ tại nhiệt độ 400
C Thời gian: 2h
ta cần phải tính tốn lượng vàng cần thiết để đưa lên hạt ứng với chiều dày đĩ, với giả thiết là tất cả các nguyên tử vàng tạo ra được từ phản ứng 2.4 sẽ tham gia hồn tồn vào quá trình tạo lớp màng vàng trên bề mặt. Ta cĩ thể tính được nồng độ vàng hydroxyde cần thiết để chế tạo chiều dày màng mong muốn.
M l S d n nHAuCl Au . . 4 = = (2.8)
Trong đĩ: d = 19.3g/cm3 là khối lượng riêng của vàng. - S là diện tích bề mặt silica.
- l là chiều dày màng.
- M là nguyên tử khối của vàng.
Dung dịch vàng hydroxyde được chuẩn bị trên phần 2.1.2.1 cĩ nồng là 3.75 10-4 M. Vì vậy, với một đế thủy tinh cĩ chiều rộng 1 cm và chiều dài 2.54 cm tương đương với S= 2.54 cm2 thì lượng vàng hydroxide được dùng để tạo các chiều dày thay đổi từ 15 nm đến 35 nm theo phương trình 2.4 sẽ tương ứng như trình bày trong bảng 2.1.
Bảng: 2.1 Bảng tính lượng vàng hydroxyde tương ứng độ dày màng.
Mẫu hạt mầm 1-3 nm
Mẫu hạt mầm 15 nm
VddHAuCl4(µl) Chiều dày
màng (nm) Au_15 Au_15_15 1000 15 Au_20 Au_20_15 1333 20 Au_25 Au_25_15 1667 25 Au_30 Au_30_15 2000 30 Au_35 Au_35_15 2333 35
Quy trình thực hiện: đưa 4ml nước cất 2 lần và lượng dung dịch vàng hydroxyde đưa vào thay đổi theo chiều dày màng cần chế tạo như trong bảng 2.1 vào lọ thủy tinh cĩ dung tích 15 ml. Rung lắc Vortex bằng máy IKA-MS3 với vận tốc 500 vịng/phút để dung dịch được đồng đều. Sau đĩ nhỏ chất khử HCHO và đưa tấm thủy tinh đã được tạo mầm vào trong dung dịch, tiến hành rung lắc vortex trong thời gian 2h để phản ứng khử muối vàng xảy ra hồn tồn. Trong quá trình khử hydroxide vàng thành vàng kim loại, phản ứng xảy ra trên bề mặt đế thủy tinh, khí hydro sinh ra tạo bọt khí bám trên bề mặt đế cản trở việc tạo lớp vàng kim loại. Vì vậy việc dùng vortex giúp cho dung dịch chuyển động và đuổi khí hydro thốt ra khỏi bề mặt đế, làm phản ứng tạo màng vàng xảy ra nhanh và hồn tồn trên đế.
Các nghiên cứu của Mallory và Hajdu cho thấy khả năng khử của HCHO phụ thuộc vào pH của mơi trường và thường tăng cường khi giá trị pH tăng lên [15]. Vai trị của pH của dung dịch vàng hydroxide là quan trọng trong quá trình phát triển lớp màng vàng. Để lớp màng vàng phát triển đồng đều trên bề mặt, pH của vàng hydroxyde cần giữ ổn định ở giá trị pH = 9.0, tạo điều kiện cho phản ứng khử Au3+
thành Au0 xảy ra dễ dàng [31]. Trong hầu hết các cơng bố về chế tạo khử muối vàng thì tỷ lệ mol giữa HCHO/HauCl4 thường được dùng 5 lần [15].
2.2. Thử nghiệm tính chất SERS của màng vàng bằng chất thử Rhodamine 6G
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,