SAM trên màng mỏng kim loại rất quan trọng trong khoa học và công nghệ
nano vì 2 lý do:
1. Chúng là vật liệu cấu trúc nano dễ tổng hợp và hữu dụng cho việc nghiên cứu các hiện tượng bề mặt có ảnh hưởng lớn bởi kích thước và các thành phần nano.
2. Chúng là vật liệu có khả năng chế tạo các cấu trúc micro-nano. Một vài ví dụ về hiện tượng bề mặt được nghiên cứu bởi SAM trên màng mỏng gồm sự thấm ướt, sự ăn mòn, khả năng bám dính, độ ma sát, truyền điện tử qua các đại phân tử và làm bề mặt cho sinh hoá học và sinh học tế bào [52]. Các nghiên cứu đầu tiên dựa vào khả năng có thể tổng hợp màng tiếp giáp của 2 bề mặt với các thành phần riêng biệt đều ở trên mặt phẳng của bề mặt và một số ở ngoài mặt phẳng, ví dụ, quá trình truyền điện tử, rất nhạy cảm với chiều dày kích cỡ nanomet của SAM. Các ứng dụng khác (chống lại sự ăn mòn và hấp thụ
protein, làm điện cực biến tính cho điện quá) dựa trên khả năng của SAM có thể
ngăn chặn sự khuyếch tán của các phân tử khác tới bề mặt của lớp đế phía dưới. 1.3.1 SAM dùng để chống lại sựăn mòn
Các SAM kỵ nước hình thành từ các alkanethiol mạch dài (n>16) có thể
bảo vệ màng kim loại trước sựăn mòn do độ ẩm của nước hoặc các chất ăn mòn hoá học [53]. Kết hợp cả năng này với các kỹ thuật tạo khuôn mẫu trên mặt phẳng của Thiol mở ra khả năng chế tạo các cấu trúc micro-nano của vàng, bạc,
đồng, bạch kim, bạch kim, và hợp chất vàng-bạch kim. Một vài thông sốđể xác
định kích thước tối thiểu và chất lượng (được đo bởi mật độ sai hỏng pinhole trên vị trí ăn mòn và trên các đỉnh gồ ghề) của cấu trúc là thành phần của SAM, mật độ sai hỏng trong SAM, lựa chọn chất ăn mòn hoá học ướt, và hình thái học của màng mỏng.
1.3.2 Làm rào chắn sự truyền điện tử
Quá trình truyền điện tử từ nơi này tới nơi khác sử với khoảng cách nanomet (1-100nm) là nguyên tắc cơ bản của quá trình ôxy hoá khử rất quan
trọng trong sinh học (quang hợp, hô hấp) và của sự điều khiển một lượng lớn các thiết bị, bao gồm điện quang, transistor, và xúc tác. Cơ chế của sự truyền
điện tử trong vật liệu khối (như kim loại hoặc bán dẫn) và trong dung dịch đồng nhất là tương đối đơn giản và rõ ràng [54]. Tuy nhiên, quá trình truyền hạt tải trong các hệ sinh học thường được thực hiện trung gian qua các phân tử hữu cơ, và hệ thống điện tử trong tương lai cũng có thể bao gồm các điện tử truyền qua các vật chất hữu cơ. Mối liên hệ giữa phân tử và các cấu trúc ở trạng thái rắn và cơ chế cho sự truyền hạt tải trong các hệ kiểu này chưa được xác minh một cách chính xác [55, 56].
Trong sự truyền điện tử, có một số vấn đề cần được giải quyết: Cơ chế cơ
bản là gì (chui hầm, hopping, dẫn nhiệt), rào thế là bao nhiêu, tốc độ truyền điện tử? Cấu trúc và thành phần hoá học ảnh hưởng tới quá trình truyền như thế nào? Sự truyền điện tử có là một hàm của khoảng cách? SAM có thể là câu trả lời cho những vấn đề trên vì:
• Về cơ bản chúng là những lớp không điện với tương đối ít các sai hỏng và cấu chúng có thể điều khiển qua quá trình tổng hợp phân tử.
• Chúng dễ dàng tái sản xuất.
• Chúng hình thành với cấu trúc có trật tự cao và dầy đặc.
• Chúng không dễ bị tách rời trong dung dịch hoặc trong chân không.
Điểm yếu của chúng là chúng không thật bền vững (ôxy hoá, nhiệt), đặc biệt là với các SAM trên Silic điôxít, và có một vài sai hỏng (pinholes, metal filaments,…)
1.3.3 Làm đế cho sự mọc tinh thể
Sự lắp ghép của nguyên tử và phân tử là một phần quan trong sự tạo mầm tinh thể và sự tổ chức ở pha lỏng. Các quá trình tạo mầm tinh thể phải bao gồm ít nhất hai nguyên tử hoặc phân tử, do đó, các vị trí tạo mầm phải có kích thước ít nhất là 1nm. SAM trên đế kim loại có thể tạo 1 hệ có thể kiểm tra các thông số ảnh hưởng lên sự tạo mầm tinh thể ở pha rắn và pha lỏng. Một vài thông số có thể điều chỉnh bao gồm thành phần của các nhóm chức ở bề mặt, định hướng của các nhóm chức này, địa hình của đế, và kích thước của các vùng được bao phủ bởi SAM (khi các công cụ tạo mẫu SAM được sử dụng). Phần này sẽ bàn về
mặt và ảnh hưởng của cấu trúc SAM và hình thái bề mặt của sự lắp ghép các tinh thể lỏng.
1.3.4 Ứng dụng trong hoá sinh và sinh học
Công nghệ sinh học đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong thế kỷ 21, như vai trò của công nghệ tin học vào cuối thế kỷ vừa qua. Các công nghệ mới áp dụng trong các ngành sinh và y học sẽ dần thay thế các phương pháp cũ đang
được sử dụng trong bệnh viện và phòng thí nghiệm. Các màng sinh học được
định nghĩa là ranh giới của các tế bào, là điển hình cho vật liệu hữu cơ cấu trúc nano có trạng thái luôn biến đổi và phức tạp [57]. Chúng là sự lắp ghép của các siêu phân tử proteins, glycoproteins, và các oligosaccharides gắn vào hoặc nhúng vào trong một lớp lipid lỏng hoặc lớp vỏ protein. Các phần tự lắp ghép có thể có độ lớn trong khoảng một vài tới vài trăm nanomét.
Sự lắp ghép liên kết trên diện rộng trong các màng sinh học điều khiển rất nhiều quá trình trong thực thể sống (từ vi khuẩn tới các thực thể đa bào phức tạp). Tương tác giữa các cặp ligand-receptor đơn (hay thường là các nhóm hoặc cụm phân tử) cho phép tế bào có khả năng phản ứng với môi trường, tác động lên các tế bào khác, và điều chỉnh các chức năng nội bào như di trú, bám dính, phát triển, phân chia, phân ly và sự chết của tế bào.
Sự phức tạp về thành phần và sự thay đổi của các bề mặt sinh học làm cho việc nghiên cứu chi tiết các hệ sinh học trở nên rất khó khăn. Bề mặt mẫu có các thành phần cố định, là công cụ hữu ích để nghiên cứu các tính chất vật lý-hoá học hữu cơ của bộ nhận diện phân tử sinh học (ví dụ, nhiệt động và động lực học của sự tổ chức/phân ly của các proteins của các phân tử sinh học khác với ligands) để xác định hiệu quả các sự nhận biết riêng biệt trạng thái của các tế
bào và nghiên cứu các thành phần cấu trúc mà cho phép bề mặt ngăn chặn sự
hấp thụ proteins.
Phát triển các ứng dụng công nghệ sinh học, như nuôi cấy tế bào, xử lý mô, và biosensors, cũng có thểđạt được từ những hệđơn giản cho phép một hoặc vài loại tương tác giữa các thành phần trong dung dịch (tế bào, phân tử sinh học, analytes) với bề mặt các hệ đã được xử lý [58]. Thách thức đầu tiên trong phát triển các bề mặt mẫu này là tạo ra các phương thức cho phép điều khiển chính xác thành phần và cấu trúc của bề mặt trong khi vẫn cho phép các tương tác sinh
học tự nhiên xuất hiện để kết quả có thể giải thích rõ ràng và liên kết với sinh học in-vivo.
Một trong những kỹ thuật hàng đầu trong công nghệ sinh học phải kể đến là kỹ thuật biochip (chip sinh học). Nhiều chuyên gia cho rằng, chip sinh học sẽ
thay đổi toàn bộ các phương pháp nghiên cứu hiện nay, giúp giảm thời gian, tiết kiệm chi phí nghiên cứu và phát triển các loại thuốc mới.
Biochip gồm các vật liệu sinh học (DNA, RNA hoặc protein) gắn trên bề
mặt chip có đế là thủy tinh, nhựa, bán dẫn hoặc kim loại. Chúng đóng vai trò tiên phong trong việc phát hiện ra các DNA (lai tạo DNA trong việc chuẩn đoán các gen bệnh), các gen đột biến, số lượng các gen hỏng và trong việc tìm ra các tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học.
Hình 9. Sơđồ bề mặt hóa học của một chip sinh học BARC (Bead Array Counter) và thí nghiệm lai hóa.
Một bước quan trọng trong quá trình chế tạo biochip là tạo liên kết giữa các vật liệu sinh học với đế, trong đó công nghệ phổ biến là sử dụng bề mặt vàng làm đế, các cực sinh học thiol được giữ liên kết với bề mặt vàng qua liên kết Au- S (Hình 9). Để thực hiện điều này cần tạo một bề mặt trung gian có liên kết thiol
với bề mặt vàng và có các nhóm chức hữu cơ để có thể gắn vật liệu sinh học lên
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và vật liệu
Axít thioglycolic có công thức hoá học: HSCH2COOH (hình 10), còn có các tên gọi khác như: axít 2-mercaptoacetic, axít thiovanic, axít 2-thioglycolic , axít alpha-mercaptoacetic.
Hình 10. Công thức hóa học của axít thioglycolic.
“Thio” là tiền tố trong hoá học chỉ sự thay thế một nguyên tử oxy trong 1 gốc axít bởi một nguyên tử sulfur. Tên của chúng được đọc bằng cách thêm vào sau “thio” một hậu tố là tên của hợp chất ban đầu. Khi –SH không phải là nhóm
đặc trưng, tiền tố mercapto được đặt vào trước tên của hợp chất ban đầu để chỉ
nhóm –SH không bị thay thế. Với axít thioglycolic, cấu tạo là một nhóm sulfur
đơn giản được gắn đuôi axít carboxylic.
Axít thioglycolic là dung dịch trong suốt ở nhiệt độ phòng, tan chảy ở - 16oC, phân huỷ ở khoảng 78oC; rất dễ tan trong nước, cồn, axetôn; hoà tan ít trong các ethyl khác, ít bị hoà tan trong dung môi hydrocarbon; bị polymer hoá
ở trên 50oC.
Màng vàng dùng làm đế được chế tạo bằng phương pháp phún xạ trên đế
silic tại trường Đại học Pusan Hàn Quốc (PNU). Màng này có độ dày 200nm,
được kiểm tra trước khi tạo SAM bằng kính hiển vi quét đầu dò SEM, kính hiển vi lực nguyên tử AFM và phổ nhiễu xạ tia X.
Một số vật liệu khác cũng có các tính chất tương tự, nhưng SAM hình trên các vật liệu này được nghiên cứu ít hơn vàng. Bạc là đế dùng cho SAM của alkanethiol nhiều chỉ sau vàng, nhưng nó dễ bị oxy hóa trong không khí và độc hại với tế bào [59-61]. Tuy nhiên, nó có thể đem lại SAM chất lượng cao với một cấu trúc đơn giản hơn vàng (là kết quả của góc nghiêng nhỏ hơn). Đồng
cũng được quan tâm vì nó là vật liệu phổ biến để gắn kết các lớp trong lằng
đọng không điện, nhưng nó lại dễ bị oxy hóa hơn cả bạc [20].
Hình thành SAM trên đế được thao tác bằng tay trong điều kiện khí quyển của phòng thí nghiệm về cơ bản là một quá trình trao đổi: thiol phải thay thế các vật liệu ngoại lai bám trên bề mặt đế trước khi nhúng vào dung dịch thiol. Trạng thái này xảy ra do trên thực tế, thiol có khả năng thay thế các chất tạp bám vào từ trước. Sự thay thế với thiol đầu tiên yêu cầu sự tách ra của các chất tạp và các chất nhiễm bẩn; do đó tốc độ tách ra của các chất bẩn làm ảnh hưởng tới động học của sự hình thành SAM. SAM có những tính chất của vật liệu tự sinh sản khi hình thành trên đế nhúng trong dung dịch thiol trong thời gian chế tạo ~1h hoặc đã được làm sạch bằng phương pháp hóa học (dung dịch “piranha” – H2SO4:H2O2) hoặc plasma. Đặt vào điều kiện thường trong thời gian dài hơn dường như cho phép sự hút bám của vật liệu mà không dễ dàng thay thế trong thời gian cho phép hình thành SAM.
Định hướng mạng tinh thể của đế Au(111) là rất quan trọng và ảnh hướng trực tiếp tới việc hình thành SAM. Sự chọn lọc của quá trình hình thành SAM, do tính chất của các phản ứng hoá học bề mặt, xác định hướng của những phân tử bám vào này, và do đó nó ảnh hướng tới mức độ của trạng thái lắp ghép của các SAM hình thành. Trong trường hợp này, tương tác riêng giữa các nguyên tử
S của Thiol và nguyên tử Au theo lý thuyết SHAB (soft and hard, acids and base) và hình thành liên kết Au-S. Quá trình này là một phản ứng toả nhiệt theo chiều hấp thụ gần như là tối đa của phân tử thiol tới mức xếp chặt và do đó hình thành SAM. Thêm vào đó, lực liên kết Van der Waals của các đuôi phân tử cũng giúp tạo nên sự bám dính của các phân tử xếp chặt này.
2.2. Quy trình thực nghiệm tạo màng SAM
Hình 11. Quy trình thí nghiệm tạo màng SAM TGA trên bề mặt vàng.
Quy trình thí nghiệm tạo màng SAM thioglycolic trên bề mặt vàng được thể hiện trên hình 11, gồm các bước sau:
• Xử lý làm sạch màng vàng
Màng được ngâm trong dung dịch piranha trong 30 phút tại 80oC để
làm sạch các tạp chất trên bề mặt vàng.
Rung siêu âm trong axeton trong 20 phút.
Rung siêu âm trong ethanol trong 20 phút.
Sấy khô ở nhiệt độ 60oC, bảo quản sạch chuẩn bị cho các bước tiếp theo.
Màng vàng được phân tích cấu trúc và hình thái bằng kính hiển vi quét đầu dò SEM, hiển vi lực nguyên tử AFM và máy đo nhiễu xạ
tia X (XRD).
• Chuẩn bị dung dịch
Axít thioglycolic được bảo quản ở nhiệt độ phòng, tránh tiếp xúc với ánh sáng và hạn chế tiếp xúc với không khí.
Axít thioglycolic được pha trong dung môi ethanol với nồng độ
10mM. Dung dịch sau khi pha xong được đưa ngay vào thí nghiệm tạo màng SAM.
• Nhúng màng vàng đã được làm sạch ở trên vào dung dịch axít thioglycolic 10mM. Hệ dung dịch-mẫu được giữ trong điều kiện nhiệt độ
phòng, tránh tiếp xúc với ánh sáng và khí quyển.
• Sau 24h, lấy màng vàng ra khỏi dung dịch, rửa sạch các tạp chất và các thiol vãng lai trên bề mặt vàng bằng ethanol. Để khô tự nhiên và bảo quản sạch ở nhiệt độ phòng, chuẩn bị cho các phương pháp phân tích.
2.3. Các phương pháp phân tích
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