phụ thuộc vào pH
Đối với các ống nano bán dẫn, tính lọc lựa của các phản ứng dễ dàng thấy được qua sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ pH [28]. Phản ứng bề mặt gây ra sự định vị của các electron hoá trị mất tự do tham gia vào quá trình hấp thụ photon. Sự giảm bớt về căn bản cường độ hấp thụ phù hợp với các ion hoá
học lớn hơn, bắt đầu từ khoảng 1600nm trong hình 4.3a, bị ảnh hưởng ở độ pH cao hơn các ống nano có bề rộng vùng cấm nhỏ hơn. Tốc độ của phản ứng cân bằng của ống nano (SWNT) với số proton tự do trong môi trường (n[H+]) tạo ra ống nano phức [P] khi nhận thêm proton. ống nano phức có phổ hấp thụ bị giảm toàn bộ.
p K
n H SWNT P
Trong đó Kp là hằng số phản ứng cân bằng. Xác định tỉ xích các cường độ hấp thụ để thu được phân số của các ống nano phản ứng, thế vào phương trình cân bằng trên, ta thu được:
( ) ( ) 10 p p p n npH d p p p A pH A K K A A H K K (4.2)
Trong hình 4.3b phổ hấp thụ của hai ống nano bán dẫn có vùng cấm khác nhau được vẽ phụ thuộc vào pH, và giá trị của n và Kp thu được khi sử dụng mô hình quá trình nhận proton ở trên. Quá trình này là một quá trình cân bằng và có giới hạn. Trong đó Ap và Ad là các cường độ hấp thụ của trạng thái cho và nhận proton cực đại, Kp là hằng số cân bằng. Các giá trị của ln (Kp) thay đổi từ -36,39 đối với ống nano (12,5) (vùng cấm rộng 0,83eV) đến -33,97 đối với ống nano (8,3) (vùng cấm rộng 1.3eV). Độ dốc của đường cong trên hình 4.3b là mức n hay chính là số proton trung bình phản ứng trong một lần nhận proton và được xác định bằng 3. Giả sử các năng lượng vùng cấm quang học với các chỉ số xoắn (n,m) có thể lấy được từ các công trình gần đây về phổ quang học của ống nano.
Theo phương trình 4.2, độ hấp thụ của SWNT phụ thuộc vào pH có thể được viết bằng ( ) ( ) ( ) 10 p d p npH p p K A pH A A A K (4.3)
Mặt khác, độ hấp thụ photon cũng tuân theo nguyên tắc vàng Fermi (phương trình 1.21), nguyên tác này có thể viết lại thành
2 2 ( ) . . ( ) ( ) cv v c s e A pH Const p E E pH (4.4)
Trong đó, yếu tố ma trận ˆ.pcv là yếu tố chuyển dời của một electron giữa các trạng thái đầu và trạng thái cuối. Nó không phụ thuộc vào độ pH. Do đó, thông số phụ thuộc vào pH chỉ có thể là hằng số điện môi. Nếu SWNT trong môi trường trung tính, pH = 7, hằng số điện môi bằng 0 (bằng hằng số điện môi của nước, cỡ 80), độ hấp thụ A0 bằng:
2 0 0 e A = ˆ.pcv 2(Ev Ec) (4.5)
Chia 4.4. cho 4.5 thu được
0 ' 0 ( ) ( ) s A pH A pH (4.6) Có nghĩa là: 0 0 ( ) ( ) s pH A A pH (4.7)
Thế 4.3 vào phương trình này, ta thu được
0 0 ( ) ( ) ( ) 10 s p d p npH p p pH A K A A A K (4.8)
Do đó, hằng số điện môi phụ thuộc vào pH được thể hiện trên hình 4.4
4.3. Sự phụ thuộc của năng lượng exciton vào độ pH
Hằng số điện môi của DNA và dung dịch bao quanh CNNT thay đổi khi độ pH thay đổi. Do đó, sự phụ thuộc của hằng số điện môi hiệu dụng sẽ được biểu diễn như sau
(pH) f DNA(pH) (1 f) (s pH)
(4.9)
và hằng số điện môi hiệu dụng của dung dịch bao quanh chíp cảm biến phụ thuộc vào pH được thể hiện trên hình 4.3
Hình 4.5. Hằng số điện môi hiệu dụng trong mô hình phụ thuộc vào pH. Nét đứt diễn tả
(pH) của chíp cảm biến tạo bởi B-DNA cuốn quanh SWNT (10,2) và nét liền diễn tả (pH) của chíp cảm biến tạo bởi Z-DNA cuốn quanh SWNT (10,2).
Từ phương trình 1.29 năng lượng liên kết exciton của SWNT trong dung dịch được viết như sau:
2 1
( ) ( ),
bind
E pH AR pH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(4.10)
và năng lượng exciton trung hoà là
(0) bind E 2 1 0 AR (4.11) do đó 0 (0) ( ) ( ) ( ) (1 ) ( ) bind bind DNA s E pH E f pH f pH (4.12)
Hình 4.6: Năng lượng
Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết exciton phụ thuộc vào pH được biểu diễn trên hình 4.6.
Năng lượng exciton có thể được viết theo phương trình 1.28: Eexc = Eg - Ebind, do đó 0 (0) (0) (0) ( ) ( ) ( ) ( ) (1 ) ( ) g bind g
bind bind bind DNA s
E E pH E Exc pH E E E f pH f pH (4.13)
và hình 4.7 biểu diễn sự phụ thuộc vào pH của năng lượng exciton
Chúng tôi lưu ý rằng những tính toán, chúng tôi coi nồng độ muối ổn định để ADN tồn tại trong một trạng thái khi pH thay đổi. Sau đó, chúng tôi tính toán số gia năng lượng cho SWNT loại (10,2) và so sánh với dữ liệu thực nghiệm [1] cho loại SWNT này (hình 4.8). Dữ liệu thực nghiệm là sự thay đổi năng lượng của chíp cảm biến DNA-SWNT trong môi trường 0 M HgCl 2 và 52.37mM HgCl2.
Kết luận
Bằng việc sử dụng mô hình đơn giản, chúng tôi đã giải thích được nguyên tắc hoạt động của chíp cảm biến sinh học được chế tạo từ SWNT và DNA cũng như đã chứng minh và chỉ ra được sự có mặt của lượng nhỏ ion trong môi trường. Mô hình này có thể được dùng để tính toán với nhiều loại SWNT khác nhau và các môi trường muối khác nhau. Những kết quả thu được đó là hữu ích cho nhưng nghiên cứu thực nghiệm. Cơ chế hoạt động của loại chíp cảm ứng sinh học này có thể được điều khiển bởi những thông số thích hợp, những hướng nghiên cứu mới này có thể tiếp tục phát triển trong tương lai.
Ngoài ra chúng tôi đã xây dựng thành công mô hình đơn giản và đã áp dụng mô hình đó để khảo sát các tính chất của chíp cảm biến phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài, đặc biệt là phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Điều đó chứng tỏ được rằng độ pH hay chính là sự có mặt của các ion H+ có tác động mạnh đến chíp cảm biên, và sự ảnh hưởng đó được biểu hiện cụ thể.
Qua đó thấy rằng, môi trường hoạt động tốt cho chíp cảm biến nên có độ pH khoảng từ 6 đến 9. Ngoài lí do ngoài vùng hoạt động đó, ADN sẽ bị biến tính, thì lí do quan trọng khác là ở độ pH đó, nồng độ ion đủ nhỏ để các tác dụng của chúng có thể bỏ qua được so với tác dụng của các cation.
Kết quả khác thu được là, khi sử dụng sensor này, chúng ta nên quan tâm đến điều kiện hoạt động. Nồng độ muối nên lớn hơn giá trị tới hạn để có thể bỏ qua tương tác của proton H+. Hơn nữa, các tín hiệu thu được của sensor cũng cần phải được hiệu chỉnh do sự nhiễu loạn của các proton.
Cấu trúc mới giữa ADN và CNNT này là rất hấp dẫn và lí thú. Trong tương lai, chúng tôi sẽ cố gắng cải tiến mô hình của mình bằng cách so sánh với các kết quả thực nghiệm. Qua đó, sẽ chọn ra những thông số tốt nhất cho
mô hình. Chúng tôi vũng sẽ nghiên cứu, tìm hiểu thêm về loại chíp cảm biến này, để hiểu hơn về hoạt động của chúng, hiểu rõ những tính chất của chúng sẽ phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ, pKa, áp suất,v.v...
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Ngọc Chân , Bài tập vật lý chất rắn, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội (2004).
2. Nguyễn Văn Hùng , Lý thuyết chất rắn, Nxb Đại học Quốc gia – Hà Nội (2000).
3. Trần Thái Hoa , Cơ học lượng tử, Nxb Đại học Sư phạm (2005).
4. Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình , Vật lí chất rắn, Nxb Giáo dục, Hà
Nội (1992).
5. Vũ Thanh Khiết , Vật lý lý thống kê, Nxb Giáo dục, Hà Nội (1987).
6. Nguyễn Hữu Mình, Bài giảng về lý thuyết chất rắn đại cương, Nxb Khoa
Lời cảm ơn
Sau một thời gian nghiên cứu đến nay luận văn của em đã hoàn thành. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn Th.s Hoàng Phúc Huấn - người trực tiếp hướng dẫn em. Trong thời gian nghiên cứu em đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Vật lý - Trường ĐHSP Hà Nội 2. Các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện thuận lợi để giúp em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này. Và em xin gửi lời cảm ơn tới các bạn sinh viên đã động viên tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn! (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010
Sinh viên
Lời cam đoan
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng em và sự hướng dẫn của Thầy giáo Th.S Hoàng Phúc Huấn dựa trên cơ sở những kiến thức đã học về môn Vật lý Chất rắn và tham khảo các tài hiệu.
Nội dung khoá luận không trùng lặp với công trình nghiên cứu của tác giả trước đây đã công bố, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010
Sinh viên
Mục lục
Lời cảm ơn ...
Lời cam đoan ...
Mở đầu ... 1
Nội dung ... 3
Chương 1. ống nano cacbon ... 3
1.1. Lời mở đầu ... 3
1.1.1. Cấu trúc của ống các bon nano ... 4
1.1.2. Các tính chất ... 9
1.2. Excitons ... 11
1.2.1. Các trạng thái Exciton trong vật liệu bán dẫn ... 11
1.2.2. Hiệu ứng Exciton trong tính chất quang ... 14
1.2.3. Exciton trong ống nano các bon ... 16
Chương 2. Acid deoxyri bonucleic (DNA) ... 18
2.1. Các tính chất của ADN ... 19
2.2. Cạnh (Grooves) ... 21
2.3. Các cấu trúc khác ... 22
2.3.1. A-DNA ... 23
2.3.2. Z-DNA ... 24
2.4. Tính chất điện và hiện tượng trễ điện môi của ADN trong môi trường ... 25
2.4.1 Tính chất điện môi của nước xung quanh và chất điện môi Poly – elec trolyte bao quanh ADN ... 25
2.4.2. Sự hưởng ứng của ADN đặt trong điện trường ngoài ... 27
2.4.3. Cation ... 28 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 3. ống nano cacbon được bao phủ bởi ADN có vai trò như chíp
cảm biến, hoạt động trong các tế bào sống. ... 32
3.1. Cấu trúc ... 32
3.2. Mô hình lý thuyết ... 34
3.3. Năng lượng Exciton của ống SWNT-DNA vào nồng độ dung dịch ... 36
3.4. Sự phụ thuộc của năng lượng Exciton của SWNT-DNA vào nồng độ dung dịch ... 39
Chương 4. Hoạt động của chíp cảm biến phụ thuộc vào độ pH ... 41
4.1. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của ADN vào pH ... 41
4.2. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của dung dịch xung quanh CNNT phụ thuộc vào pH. ... 42
4.3. Sự phụ thuộc của năng lượng Exction vào độ pH ... 45
Kết luận ... 49