Bề mặt vàng trước khi đưa vào thí nghiệm tự lắp ghép phân tử được phân tích bằng hiển vi quét lực nguyên tử NT-MTD (Nga) tại Phòng thí nghiệm Micro – Nano, Trường Đại Học Công Nghệ – ĐHQGHN.
Hình 16. Ảnh AFM của màng vàng sử dụng trong thí nghiệm.
Ảnh AFM thu được (hình 16) quét với độ rộng 1µmx1µm cho thấy bề mặt vàng khá đồng đều, với kích thước các hạt nằm trong khoảng 40nm-60nm, bề
mặt đảm bảo chất lượng cho quá trình tự lắp ghép phân tử. 3.2.3. Nhiễu xạ tia X
Giản đồ nhiễu xạ tia X của bề mặt vàng được đo trên máy XRD Bruker Advanced D8 (Đức) tại Phòng thí nghiệm Micro – Nano, Trường Đại Học Công Nghệ – ĐHQGHN.
Giản đồ nhiễu xạ tia X thu được trên hình 17 sử dụng bước sóng 1,5406 Å với 2θ từ 10o đến 80o xuất hiện đỉnh nhiễu xạ 2θ tại vị trí 38,2o, 44,5o, 64,8o và 77,6o, theo thứ tự trùng với các đỉnh nhiễu xạ của vàng (111), (200), (220) và (311) [62].
Hình 17. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng vàng dùng trong thí nghiệm.
Theo nhiều nghiên cứu về SAM alkanethiol, bề mặt vàng định hướng (111) là bề mặt vàng tốt nhất cho quá trình tự lắp ghép phân tử [5, 63]. Bên cạnh lý thuyết về sự tối ưu của các mức năng lượng trong hình thành SAM alkanethiol trên bề mặt tinh thể (111), bề mặt vàng (111) hình thành thường có
độ phẳng cao, ít các sai hỏng. Ngoài ra, bề mặt vàng định hướng (111) còn có mật độ phân tử trên bề mặt cao nhất so với các định hướng khác, tạo thuận lợi cho việc hình thành SAM dưới dạng tinh thể 2 chiều với mật độ cao.
Áp dụng công thức Scherrer để tích kích thước hạt: 0,9. .cos β λ τ β θ = (10) Với β là độ bán rộng tại đỉnh nhiễu xạ tương ứng.
Chúng tôi tính toán được kích thước các hạt ứng tương ứng với các định hướng là Au(111) : 52 nm, Au(200) : 51,3 nm, Au(220) : 51 nm, và Au (311) : 53 nm, phù hợp với kết quả SEM và AFM thu được.
3.2. Xác định liên kết Au-S và nhóm chức –COOH của màng
3.2.1. Phổ hồng ngoại (FT-IR)
Phép đo phổ hồng ngoại được thực hiện bằng máy đo phổ GX-Perkin Elmer-USA, dải đo 600 cm-1 đến 4000 cm-1, độ phân giải 4 cm-1 tại khoa Hóa - Trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN. Kết quả này của nhóm nghiên cứu đã được công bố trong một số tài liệu [2].
Hình 18. Phổ hồng ngoại của dung dịch TGA 10mM.
Phổ hồng ngoại của dung dịch TGA (hình 18) xuất hiện các đỉnh đặc trưng: đỉnh 2921 cm-1 là đỉnh của liên kết C-H, đỉnh 2565 cm-1 là đỉnh của liên kết S-H, đỉnh 1705 cm-1 là liên kết C=O, các đỉnh 1298 cm-1 và 1146 cm-1 là các liên kết của C-O đặc trưng cho nhóm –COOH [64], đỉnh 634 cm-1 là của liên kết C-S [65].
Với phổ hồng ngoại của mẫu Au sau khi thực hiện thí nghiệm tự lắp ghép phân tử TGA lên đó (hình 19) xuất hiện đỉnh 3350 cm-1 là đỉnh của liên kết O-H tồn tại trong H2O có trong không khí, đỉnh 2976 cm-1 và 2925 cm-1 là đỉnh của liên kết C-H, đỉnh 1676 cm-1 là đỉnh của liên kết C=O, đỉnh 1302 cm-1 thể hiện sự có mặt của liên kết C-O đặc trưng của nhóm –COOH [64], 1380 cm-1 , 1088 cm-1 , 1405 cm-1 thể hiện liên kết C-C, đỉnh 634 của liên kết S-C không còn quan sát được, thay vào đó là một dải đỉnh tù 700 cm-1 tới 600 cm-1 là mốt dao động của nhóm S-C [65].
So sánh hai phổ của dung dịch TGA nguyên chất và phổ của mẫu vàng sau thí nghiệm có thể thấy đều có sự xuất hiện của các liên kết đặc trưng cho nhóm –COOH. Sự dịch đỉnh và thay đổi cường độ các đỉnh có thể giải thích do tác riêng giữa các nguyên tử S của Thiol và nguyên tử Au và hình thành liên kết Au-S và lực liên kết Van der Waals của các đuôi phân tử. Đáng chú ý hơn là sự
mất đi đỉnh đặc trưng cho liên kết S-H tại vị trí 2565cm-1 của phổ hống ngoại của mẫu sau thí nghiệm tự lắp ghép phân tử, chứng tỏ đã xẩy ra chuyển hóa bẻ
gãy liên kết S-H, tạo liên kết Au-S như phương trình (1).
Ngoài ra ta nhận thấy đỉnh của liên kết C-H từ phổ hồng ngoại dung dịch TGA là 2921 cm-1 trong khi phổ hồng ngoại của đế vàng nhúng trong dung dịch TGA 10mM xuất hiện hai đỉnh của liên kết C-H đó là đỉnh 2925 cm-1 và 2976 cm-1 điều này được lý giải do màng SAMs hình thành trên đế vàng có cấu trúc không đồng đều ở các vị trí khác nhau (do ảnh hưởng của những sai hỏng trong quá trình tạo SAMs), ngoài ra những dao động kéo căng nhóm -CH- của mạch alkyl rất nhạy với cường độ ánh sáng chiếu tới và những sai hỏng gặp phải khi chế tạo màng SAMs.
Hai đỉnh 2925 cm-1 và 2976 cm-1 xuất hiện thể hiện sự kéo căng đối xứng và phản đối xứng của nhóm –CH– trong cấu trúc SAMs. Cường độ các đỉnh của dung dịch TGA thay đổi đáng kể sau khi nhúng đế Au bởi vì đã có sự thay đổi trong cấu trúc của TGA và sự hình thành SAMs trên đế Au ảnh hưởng đến lực liên kết giữa các nguyên tử với nhau dẫn đến sự thay đổi cường độ hấp thụ của các liên kết nguyên tử như liên kết C=O từ 1705 cm-1 sang 1676 cm-1, liên kết S- C từ 634 cm-1 thành một dải đỉnh từ 700 cm-1 tới 600 cm-1.
3.2.2. Phổ tán xạ Raman
Để xác minh lại một lần nữa có chuyển hóa xảy ra ở phương trình (1), bổ
trợ cho kết quả của phép đo phổ hồng ngoại, chúng tôi tiếp tục thực hiện đo phổ
Raman của 2 mẫu trên. Các phép đo phổ tán xạ Ramn được thực hiện trên máy
đo Invia Raman Microscope (Hãng Renishan), dải đo từ 0cm-1 đến 3500cm-1, độ
phân giải 4cm-1 tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Hình 20. Phổ Raman của dung dịch TGA 10mM.
Hình 21. Phổ Raman của SAM.
Nhìn vào phổ Raman của dung dịch TGA 10mM (hình 20) và phổ Ramn của bề mặt Au sau thí nghiệm tự lắp ghép phân tử (hình 21) có thể thấy sự hình thành của các nhóm hữu cơ trên bề mặt vàng, đồng thời mất đi liên kết –SH của
phù hợp với các kết quả đo phổ hồng ngoại. (Phổ Raman của dung dịch TGA là kết quả thực hiện của nhóm nghiên cứu và đã được công bố trong một số tài liệu [2]).
Đã có sự tồn tại của các liên kết hữu cơ C=O tại các đỉnh 1684 cm-1, 1697 cm-1, C-H tại các đỉnh 2933 cm-1, 2927 cm-1, C-C tại các đỉnh 984 cm-1 và 1401 cm-1 [5, 66]. Đáng chú ý là đỉnh 2573 cm-1 của liên kết S-H trong dung dịch TGA không xuất hiện trên phổ của bề mặt vàng. Như vậy liên kết S-H đã mất đi, hoàn toàn phù hợp với kết quả đo phổ hồng ngoại, chứng tỏ các phân tử thiol đã
được lắp ghép trên bề mặt vàng với liên kết Au-S chắc chắn chứ không phải các bám dính vãng lai về mặt cơ học.
Sự dịch đỉnh của các liên kết có thểđược giải thích do sự thay đổi về liên kết của TGA, sự mất đi liên kết –SH và hình thành liên kết Au-S, ngoài ra liên kết giữa các phân tử TGA đã thay đổi, từ trạng thái tự do trong dung dịch 10mM
đã chuyển sang cấu trúc sắp xếp theo tinh thể 2 chiều của TGA trên bề mặt vàng, với các liên kết Van der Waals.
Sự mất đi của hydro trong nhóm S-H vẫn chưa được xác định rõ ràng [18, 26, 27]. Dường như có thể sự hút bám trong chân không dần tới sự mất đi của Hidro trong dạng hình thành Đihydro – sự khử H2 từ Au(111) là một quá trình hoạt hóa yếu [13]. Trong dung dịch, một khả năng khác có thể xảy ra. Nếu hydro của thiol không mất đi dưới dạng H2, sự có mặt của oxy trong môi trường phản ứng cũng có thể dẫn tới sự oxy hóa chuyển thành nước. Trong trường hợp khác, tương tác liên kết Au-S trong thiol là đủ để giữ chuỗi phân tử ở bề mặt ở
dạng bền vững và loại trừ sự tái phân tách của sản phẩm disulfides ở nhiệt độ
phòng. Ở nhiệt độ cao hơn sự chuyển hóa của các thiol ở bề mặt thành disulfides có thể thực hiện được và được nghiên cứu trong một vài cấu trúc SAM [28, 31].
3.3. Định lượng mật độ phân tử carboxylic của màng SAM
Xanh Methylen (Methylene Blue – MB) là một chất chỉ thị màu, dung dịch MB có màu xanh, khi phản ứng với các nhóm –COOH thì khả năng hấp thụ
ánh sáng của MB bị biến đổi, đặc biệt tại các đỉnh đặc trưng, sự thay đổi này có thể được xác định bằng phổ hấp thụ UV – VIS.
Xanh Methylen có công thức hóa học C16H18N3SCl và khối lượng mol M = 319.85 (theo mẫu chuẩn của hãng Merk). Cơ chế mất màu của MB: Trong môi trường axít thì đôi điện tử trên nguyên tử N sẽ nhận proton H+, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng với vòng benzen nên MB bị mất màu, theo phương trình (11):
(11) Với SAM thioglycolic có nhóm chức –COOH ở phía bề mặt, chúng hoàn toàn có thể phản ứng với dung MB và làm mất màu dung dịch này. Sử dụng phổ
hấp thụ UV-VIS và phương pháp đường chuẩn trong trắc quang, chúng tôi xác
định được sự thay đổi nồng độ của dung dịch MB, qua đó xác định được số
nhóm chức –COOH đã phản ứng với dung dịch MB, cũng chính là số phân tử
carboxylic của màng SAM, vì mỗi axít thioglycolic chỉ chứa 1 nhóm chức – COOH.
Quy trình thí nghiệm và tính toán để xác định mật độ SAM trên bề mặt vàng sử dụng phương pháp đường chuẩn trong trắc quang được thực hiện qua các bước như sau:
1) Thực hiện tạo SAM trên bề mặt vàng sử dụng dung dịch axít thioglycolic 10mM, thời gian thí nghiệm là 24h.
2) Xây dựng đường chuẩn của phổ hấp thụ UV-VIS của dung dịch MB tại đỉnh hấp thụ 662nm.
3) Nhúng các mẫu SAM trên bề mặt vàng vào dung dịch MB, để tạo phản
ứng giữa MB và nhóm –COOH ở trên bề mặt SAM. Phản ứng này làm thay đổi nồng độ của dung dịch MB. Để có thể quan sát được sự thay
đổi nồng độ MB một cách rõ ràng nhất, chúng tôi sử dụng 9 mẫu SAM trên đế vàng nhúng trong 1g dung dịch MB, thời gian nhúng là 2h.
4) Đo phổ hấp thụ UV-VIS của dung dịch MB sau khi nhúng, dựa vào
đường chuẩn đã xây dựng được ở bước 2, chúng tôi xác định được nồng độ MB của dung dịch sau khi nhúng.
5) Từ sự thay đổi nồng độ của dung dịch MB trước và sau khi nhúng màng SAM trên đế vàng, bằng các phương pháp tính toán, xác định
được lượng phân tử MB đã mất đi, đây cũng chính là số phân tử MB
đã phản ứng với bề mặt SAM. Biết tỉ lệ trong phản ứng giữa MB và nhóm –COOH, suy ra được số phân tử carboxylic tham gia phản ứng trên.
Vì phản ứng giữa MB và carboxylic xảy ra dễ dàng và 1 chiều nên số
phân tử carboxylic tham gia phản ứng cũng chính là số phân tử
carboxylic của màng SAM trên bề mặt vàng, từ đây có thể tính được mật độ phân tử carboxylic của màng SAM.
3.3.1 Xây dựng đường chuẩn của MB tại đỉnh hấp thụ 662nm
Để xây dựng đường chuẩn của MB tại đỉnh hấp thụ 662nm, chúng tôi thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV-VIS, dải đo từ 400nm tới 800nm đối với 6 mẫu dung dịch MB với các nồng độ từ thấp tới cao, lần lượt là: 2.10-4 %; 4.10-4 %; 6.10-4 %; 8.10-4 %; 1.10-3 %; và 1,2.10-3 %.
Phổ hấp thụ UV-VIS của các dung dịch MB trong luận văn này được đo trên máy đo phổ UV-VIS model V-570 (hãng Jasco) tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, dải đo từ 400-800nm. Kết quả thu được như
Hình 22. Kết quảđo phổ UV-VIS của dung dịch MB tại các nồng độ tương
ứng, dải đo từ 400nm tới 800nm.
MB có 2 đỉnh hấp thụđặc trưng là 612nm và 662nm. Theo nguyên lý của phương pháp đường chuẩn trong trắc quang, chúng tôi sử dụng cường độ hấp thụ của các dung dịch MB tại đỉnh 662nm, là đỉnh thể hiện cường độ cao hơn để
xây dựng đường chuẩn của dung dịch MB. Bảng 1 là cường độ đỉnh hấp thụ tại
đỉnh 662nm với các nồng độ tương ứng. Bảng 1. Cường độ hấp thụ của MB tại đỉnh 662nm với các nồng độ tương ứng. Nồng độ (%) Cường độđỉnh hấp thụ tại 662nm 2.10-4 0,72 4.10-4 1,31 6.10-4 2,00 8.10-4 2.55 1.10-3 2.80 1,2.10-3 3.36
Từ bảng 1, sử dụng thêm điều kiện biên (x=0; y=0), là điều kiện ứng với trường hợp nồng độ MB bằng 0, hay nói cách khác, khi dung dịch hoàn toàn không có MB, đỉnh hấp thụ tại 662nm bằng 0. Chúng tôi xây dựng được đường
chuẩn của dung dịch MB tại đỉnh 662nm, là một phương trình hồi quy với độ
tuyến tính cao, thỏa mãn khoảng tuyến tính của định luật Beer, đường chuẩn này
được thể hiện như trên hình 23.
Hình 23. Đường chuẩn trắc quang của MB tại bước sóng 662nm.
Đường chuẩn thu được có phương trình y=0,2951.x (12) với với bình phương của hệ số tương quan khá mạnh là R2=0,9631. (Bình phương của hệ số
tương quan được định nghĩa là phần biến thiên của một biến số được giải thích bằng một hay nhiều biến số khác trong mô hình hồi qui, là số đo mức độ phù hợp. R2 = 1 nghĩa là khả năng dự báo của mô hình là hoàn hảo.)
Từ phương trình 12 ta có thể tính nồng độ của dung dịch MB (tương ứng với giá trị tại trục x) khi biết cường độ hấp thụ của dung dịch đó tại đỉnh 662nm (tương ứng với giá trị tại trục y). Ký hiệu nồng độ của dung dịch MB là C, cường độ hấp thụ tại đỉnh 662nm là I662. Ta có: 662 5 2,951.10 I C= (13) 3.3.2 Tính toán định lượng
Sau khi thực hiện quá trình tự lắp ghép phân tử, tạo SAM trên đế vàng, chúng tôi nhúng đế vàng này vào dung dịch MB với các nồng độ xác định, khối lượng mỗi dung dịch là 1g, thời gian nhúng trong 2 tiếng. Phản ứng giữa MB mới nhóm chức –COOH của SAM xảy ra sẽ làm thay đổi nồng độ của dung dịch
MB. Nồng độ của dung dịch dung dịch MB sau phản ứng sẽ được tính dựa trên phương trình 12, trong đó y là cường độ hấp thụ tại đỉnh 662nm của dung dịch này.
Gọi nồng độ dung dịch MB trước phản ứng là C1, sau phản ứng là C2, khối lượng dung dịch MB sử dụng để nhúng màng SAM là m. Ta có thể tính
được số mol MB tham gia phản ứng là:
1 2 ( ) MB C C m n M − = (14) Trong đó MMB là khối lượng mol của MB.
Số phân tử MB tham gia phản ứng là:
N = n.NA (15)
Trong đó NA là hằng số Avogadro.
Theo phương trình 10, MB phản ứng với nhóm –COOH với tỉ lệ 1:1, nên số phân tử MB tham gia phản ứng cũng bằng với số nhóm –COOH tham gia phản ứng. Vì phản ứng giữa MB và nhóm –COOH là phản ứng một chiều và xảy ra dễ dàng nên có thể coi tất cả các phân tử carboxylic của màng SAM đều tham gia phản ứng. Vậy số nhóm –COOH có trên bề mặt SAM cũng chính bằng số phân tử MB tham gia phản ứng. Như vậy ta có thể tính được mật độ phân tử
carboxylic của màng SAM đã chế tạo được được:
N D S = (16) với S là diện tích bề mặt tạo SAM.
Vậy công thức tổng quát để tính mật độ phân tử carboxylic của màng SAM sẽ là: 1 2 ( ) . A MB C C mN D M S − = (17)
Với đường chuẩn của MB nằm trong khoảng từ 2.10-4 % tới 1,2.10-3 %, chúng tôi thực hiện xác định sự thay đổi nồng độ của 4 dung dịch MB có nồng