Quy trình phân tích màng SAM thioglycolic trải qua các bước sau: 1. Bề mặt vàng trên đế Silic trước khi thực hiện tự lắp ghép phân tử được
phân tích hình thái bằng phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử AFM và phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Bề mặt vàng phẳng đồng đều với định hướng (111) là tốt nhất cho quá trình tự lắp ghép phân tử [5, 12].
2. Sau khi thực hiện thí nghiệm tự lắp ghép phân tử, câu hỏi lớn nhất là liệu có sự hình thành màng SAM của axít thioglycolic trên bề mặt vàng với liên kết S-H chắc chắn giữ nhóm chức –COOH, tạo một bề mặt có thể biến tính bề mặt vàng như mong muốn. Chúng tôi đã thực hiện 2 phép đo phổ Raman và phổ hồng ngoại để kiểm chứng liên kết S-H và sự xuất hiện của các nhóm hữu cơ khác trên bề mặt vàng.
3. Sử dụng phương pháp xây dựng đường chuẩn trong trắc quang với thuốc thử là Xanh methylen trước và sau khi tương tác với bề mặt SAM, chứng minh sự tồn tại của nhóm chức –COOH trên bề mặt đế đồng thời tính toán được mật độ phân tử SAM trên đế vàng.
2.3.1. Phân tích chất lượng màng vàng 2.3.1.1. Hiển vi điện tử quét SEM
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị quan sát bề mặt vật liệu với độ
phân giải cao bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ điện tử thứ cấp phát sinh từ tương tác của chùm điện tử tới bề mặt mẫu vật.
Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử tới được tạo ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường, ...), sau đó được tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomét) nhờ hệ thống thấu kính điện từ. Thế tăng tốc của SEM thường từ 10 kV đến 50 kV. Chùm điện tử hội tụ được quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện.
Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và chùm điện tử tới. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các loại bức xạ phát sinh, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích thành phần vật liệu được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này.
Ảnh SEM thu được thông qua việc thu nhận cường độ tín hiệu điện tử thứ
cấp theo vị trí quét của chùm điện tử tới. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với
độ sâu chỉ vài nanômet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như
vậy, chụp ảnh SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu để nghiên cứu bề mặt của mẫu.
2.3.1.2. Hiển vi lực nguyên tử AFM
Hình 12. Sơ đồ nguyên lí của kính hiển vi lực nguyên tử.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM - Atomic Force Microscope) là một dụng cụ tuyệt vời để khảo sát cấu trúc bề mặt của cả các vật liệu dẫn điện và cách điện. Thiết bị này hoạt động trên nguyên lý sử dụng một đầu dò (thường làm bằng kinh cương) có kích cỡ ở đầu là một nguyên tử được rung và quét qua bề mặt của vật liệu, dựa vào việc ghi nhận lực tương tác giữa đầu dò này với các nguyên tử bề mặt, qua đó có thể xây dựng lại ảnh bề mặt lồi lõm của vật liệu, từ
các hình thái học cho đến ảnh 3 chiều của bề mặt. 2.3.1.3. Nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X (XRD, X-Ray Diffraction) X dùng để phân tích cấu trúc tinh thể rất nhanh chóng và chính xác, ứng dụng nhiều trong việc phân tích các mẫu chất, sử dụng trong nghiên cứu, trong công nghiệp vật liệu, trong ngành vật lí, hóa học và trong các lĩnh vực khác.
Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X xác định kích thước tinh thể là dựa vào ảnh hưởng khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ.
Hình 13. Sơđồ nguyên lý hoạt động của thiết bị nhiễu xạ tia X.
Theo nguyên lý cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một qui luật nhất định, khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài Å tức là xấp xỉ với bước sóng tia Rơnghen (tia X). Do đó khi chiếu chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng tinh thể này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát xạ ra các tia phản xạ.
Với một mạng tinh thể có khoảng cách d giữa các mặt tinh thể là cố định và chùm tia X có bước sóng không đổi, sẽ tồn tại nhiều giá trị góc θ thỏa mãn
định luật Bragg. Kết quả là trên bức tranh nhiễu xạ sẽ quan sát thấy có sự xuất hiện của các điểm sáng và trên phổ nhiễu xạ ta sẽ quan sát thấy sự xuất hiện của nhiều đỉnh nhiễu xạ (peaks) tại các góc θ khác nhau. Vị trí của các đỉnh nhiễu xạ
phụ thuộc vào bước sóng của tia X và cấu trúc tinh thể. Tính chất tinh thể được xác định từ vị trí và cường độ của đỉnh nhiễu xạ.
2.3.2. Xác định sự tồn tại của nhóm chức và liên kết Au-S 2.3.2.1. Phổ tán xạ Raman
Hiện tượng tán xạ không đàn hồi của ánh sáng năng lượng E0 (hυ0) khi đi qua một môi trường vật chất gọi là tán xạ Raman. Quá trình này sẽ sinh ra các photon với năng lượng bằng hiệu hoặc tổng năng lượng của các tia ánh sáng kích thích ban đầu với năng lượng dao động:
Khi kích thích, phân tử sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển thành dao động cưỡng bức với tần số υ0, hυs là phần năng lượng mà photon ánh sáng thu vào hoặc mất mát do kích thích hoặc dập tắt một dao động phân tử hoặc điện tử môi trường.
Vạch tán xạ có năng lượng ERaman = hυv = hυ0 – hυs nhỏ hơn năng lượng của ánh sáng kích thích ban đầu, ứng với tần số υv: gọi là vạch Stocke. Những vạch có tần sốυvứng với năng lượng ERaman = hυv = hυ0 + hυs lớn hơn năng lượng ánh sáng kích thích ban đầu gọi là vạch đối Stocke. Một phân tử có thể có nhiều tần số dao động riêng υv, thì ta có thể quan sát thấy nhiều hơn hai thành phần tần số khác υ0. Phân tích chùm photon tán xạ, so sánh với tần số của photon chiếu tới thì ta có thể xác định được tấn số dao động của liên kết.
2.3.2.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR
Để chứng minh màng mỏng SAM có bám dính trên trên bề mặt của đế
hay nói cách khác có sự hình thành liên kết Au-S ta dùng phương pháp đo phổ
hấp thụ hồng ngoại để nghiên cứu.
Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp.
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hoá học có khả
năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc dao
động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi vậy phổ
thông ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào
đó để nhận dạng chúng.
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong khoảng 2,5 - 25 µm hoặc vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1. Vùng này cung cấp
cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử.
Hệ đo hồng ngoại FTIR (Fourier transform infrared) gồm máy phổ kế kết nối với máy tính, một nguồn ánh sáng hồng ngoại và một detector. Nguồn ánh sáng hồng ngoại được chiếu lên bề mặt mẫu. Một phần ánh sáng bị hấp thụ
chuyển thành các dao động nhiệt của các liên kết trong mẫu. Phần còn lại sẽ bị
phản xạ về phía detector và được thu nhận và gửi về phổ kế FTIR. Máy tính sẽ
xủ lý các thông tin thu được từ phổ kế (cường độ, tần số dao động của các liên kết trong mẫu) và đưa ra phổ hấp thụ của mẫu.