Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) kết hợp với vật liệu plasmonic cũng đã được sử dụng để phát hiện các loài sinh học do tính chọn lọc và độ nhạy cao của kỹ thuật; đánh giá kỹ lưỡng về việc sử dụng SERS trong các ứng dụng cảm biến có thể được tìm thấy trong tài liệu [34], [35]. Gần đây, Kim và cộng sự đã tổng hợp một cảm biến dải cellulose không có nhãn với các hạt nano vỏ vàng-bạc lưỡng kim được mã hóa SER. Vật liệu sinh học được đặc trưng với phổ Raman để đánh giá tính khả thi của việc phát hiện các loại thuốc bị cấm đại diện với các chất độc hại lấy từ bệnh nhân bao gồm anilin, natri azide và malachite green. Gần đây, Bing-Liu và cộng sự đã đề xuất một bộ cảm biến sinh học siêu nhạy dựa trên các ống nano lõi vàng làm đế SERS và tinh thể quang tử để phát hiện protein trên một phạm vi nồng độ rộng.
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC 2.1. Chế tạo các hạt nanoplasmonic
2.1.1. Một số dụng cụ và thiết bị chính đã sử dụng
Luận văn đã được thực hiện tại Phòng thí nghiệm khoa Vật lý & Công nghệ, trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên với một số thiết bị và máy móc chính như sau:
- Máy khuấy từ gia nhiệt, cân phân tích 4 số GR-200, tủ sấy, máy ly tâm tốc độ cao.
- Máy đo pH để bàn sension3, máy đo quang phổ hấp thụ UV-Vis Jassco V770 (Japan), Thiết bị đo phổ nhiễu xạ tia X, máy quang phổ Raman Xplora Horiba (France)
- PTN Siêu cấu trúc, khoa vi rút, viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương: kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope − TEM) JEM 1010 (Jeol). Kính hiển vi điện tử quét tại Viện Khoa học vật liệu. Hình 2.1 là ảnh của một số thiết bị đã sử dụng.
Hình 2.14. Ảnh một số thiết bị tại Khoa Vật lý và Công nghệ đã được sử dụng
cho luận văn
Các hóa chất sử dụng: Muối vàng HAuCl4 của hãng Merk xuất xứ từ Đức, Bạc nitrat (AgNO3, 99.8%), Sodium Bohidrua (NaBH4) - xuất xứ từ Đức; axit nitric (HNO3) có độ tinh khiết cao; Polyvinylpyrrolidone (PVP-29000 g/mol). Axit ascorbic, NaOH (Đức). Trisodium citrate dihydrate (TSC)
(��6��5���3�7 · 2��2�, 99%) đóng vai trò vừa là chất khử
vừa là tác nhân ổn
định, mua của hãng Sigma Aldric. Các hóa chất đều được pha bằng nước cất 2 lần và nước khử ion.
2.1.3. Chế tạo các hạt keo nano bạc
Quy trình chế tạo được sử dụng như trong một số tài liệu đã công bố [36], [37]. Như chúng ta biết, trong phương pháp này trisodium citrate (TSC) ngoài việc đóng vai trò là tác nhân khử còn đóng vai trò là tác nhân ổn định để ngăn cản sự kết đám của hạt nano trong quá trình tổng hợp các hạt nano AgNPs. Quá trình tổng hợp được thực hiện như sau: Đầu tiên, dung dịch muối bạc AgNO3 có nồng độ 1mM được khuấy từ mạnh và gia nhiệt đến sôi (~100oC). Tiếp theo, dung dịch TSC được thêm từng giọt vào bình đựng AgNO3 khi nhiệt độ trong bình phản ứng đã đạt 100oC. Mầu của dung dịch chuyển sang hơi vàng nhạt, chứng tỏ đã xảy ra phản ứng khử ion Ag+ thành Ag0 đã diễn ra. Phản ứng được dừng lại và để bình phản ứng nguội dần tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Quá trình tạo thành hạt nano bạc được mô tả trên hình 2.2.
Hình 2.2. Hình minh họa cơ chế phát triển mầm Ostwald ripening tạo thành
các AgNPs bằng phương pháp khử citrate.
Các mẫu sau khi chế tạo được bảo quản trong bóng tối và ở nhiệt độ 4oC. Phản ứng khử ion Ag+ theo tác giả Pillai Z.S và cộng sự xảy ra như sau:
4Ag+ + C6H5O7Na3 + 2H2O → 4Ag0+ C6H5O7H3 + 3Na+ + H+ +O2↑ (1) Mầu của dung dịch sau phản ứng có dạng mầu vàng hơi đậm như chỉ ra trên hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế và quy trình thí nghiệm chế tạo các AgNPs 2.1.4. Chế tạo các hạt nano vàng
Các nano vàng được điều chế bằng cách khử 0.001 M HAuCl4 bằng cách sử dụng trisodium citrate làm chất khử. Lấy 0,6 ml dung dịch TSC 2%,
Na3C6H5O7.2H2O được thêm vào bình cầu đáy tròn 100 ml nước trên máy khuấy từ gia nhiệt. Dung dịch này được duy trì ở 100°C trong khi khuấy. Ở nhiệt độ này, 0,3 ml dung dịch HAuCl4 0.001 M được thêm vào. Các hạt nano vàng dần dần được hình thành khi TSC khi ion Au3+ thành Au0. Dung dịch phản ứng được duy trì trong một giờ. Phản ứng được diễn ra theo phương trình sau:
2HAuCl4+ 4Na3C6H5O7 →2Au + 4NaCl + 4HCl + 4Na2C5H4O5 + 4CO2 + H2 (2) Mầu của dung dịch keo nano vàng biến đổi từ vàng nhạt sang đỏ và cuối
cùng là đỏ mận. Tất nhiên, mầu sắc của dung dịch sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào thời gian phản ứng.
2.1.5. Chế tạo các nano kim loại 2 thành phần
Các hạt nano hợp kim bạc-vàng (Ag-Au NPs) được tổng hợp theo quy trình các muối vàng HAuCl4 và muối bạc AgNO3 được trộn hòa tan trong nước, đun sôi và khuấy từ mạnh. Sau đó thêm chất khử TSC với lượng mong muốn và phản ứng dần dần diễn ra. Sau 1 giờ dừng dừng khuấy và để dung dịch nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Cụ thể, trong đề tài này tôi chế tạo các hợp kim nano Ag-Au NPs với các tỷ lệ số mol Ag/Au khác nhau, chi tiết được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các tham số chế tạo nano bạc vàng hợp kim
Mẫu alloy AgNO3 (%wt.) HAuCl4 (%wt.) TSC (0.02M) H2O Ag1Au0 100 0 200 µl 30 ml Ag0.75Au0.25 75 25 200 µl 30 ml Ag0.5Au0.5 50 50 200 µl 30 ml Ag0.25Au0.75 25 75 200 µl 30 ml Ag0Au1 0 1 200 µl 30 ml
2.2. Khảo sát một số tham số ảnh hưởng lên tính chất quang của
Trong đề tài này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của một số tham số lên tính chất quang của nanoplasmonic như: thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, độ pH của môi trường.
2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian lên sự hình thành các AuNPs (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên sự hình thành AuNPs, chúng tôi cố định các tham số khác và xem thời gian như một biến số để điều khiển trong quá trình làm thí nghiệm. Các mẫu chế tạo theo thời gian khác nhau được trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thí nghiệm với thời gian phản ứng khác nhau
Ký hiệu mẫu Thể tích H2O (ml) Thể tích HAuCl(1,5 mM) (ml)4 Thể tích Na(0.3M) (ml)3C6H5O7 Thời gian phản ứng (phút) T1 25 0,25 0,25 3 T2 0,25 0,25 5 T3 0,25 0,25 10 T4 0,25 0,25 15 T5 0,25 0,25 20 T6 0,25 0,25 30 T7 0,25 0,25 40 T8 0,25 0,25 50 T9 0,25 0,25 60
2.2.2. Ảnh hưởng của TSC lên sự hình thành các AuNPs
Bảng 2.3. Thí nghiệm với nồng chất chất khử TSC thay đổi
Ký hiệu mẫu Thể tích H2O (ml) Thể tích HAuCl4 (0,5% -wt) (ml) Thể tích Na3C6H5O7 (2% - wt) (ml) Thời gian phản ứng (phút) TN1 30 0,35 0,2 20 TN2 0,7 TN3 1 TN4 1,5 TN5 2
2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH (môi trường) lên sự hình thành các AuNPs
Để điều chỉnh độ pH của môi trường, chúng tôi sử dụng axit HCl và NaOH được thêm vào dung dịch trong quá trình chế tạo. Từ đây, dùng pH kế để xác
định độ pH của mẫu tương ứng. Chi tiết thí nghiệm được trình bày trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Thí nghiệm với độ pH của môi trường thay đổi
Ký hiệu mẫu Thể tích H2O (ml) Thể tích HAuCl4 (0,3% - w) (ml) Thể tích Na3C6H5O7 (2% - w) (ml) Thể tích HCl (µl) Thể tích NaOH (µl) Thời gian phản ứng (phút) Độ pH pH1 25 0,5 0,5 0 4,5 30 9,5 pH2 0 0 7,2 pH3 7 0 6,3 pH4 15 0 5,1 pH5 25 0 4,2 pH6 55 0 2,7 pH7 75 0 1,52
2.2.4. Ảnh hưởng của pH lên sự hình thành các AgNPs
Tương tự như trong thí nghiệm đối với nano vàng, trong phần chế tạo nano bạc chúng tôi cũng điều chỉnh độ pH bằng cách thêm vào dung dịch mẫu HNO3 hoặc NaOH. Các tham số thí nghiệm như trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Thí nghiệm với độ pH của môi trường
ảnh hưởng lên nano bạc (AgNPs)
Thể tích mẫu (ml) HNO3 (0,5%) (µl) NaOH (0,05M ) (µl) pH Thời gian phảnứng (phút) 25 180 0 2,0 25 120 0 2,2 70 0 2,52 30 0 3,05 10 0 5,75 0 0 7,33 0 90 9,28 0 120 10,04
2.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên nano hợp kim AgAu
Một trong những tham số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng, dẫn tới ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc nano kim loại hai thành phần
là nhiệt độ. Trong phần này chúng tôi làm thí nghiệm điển hình cho mẫu Ag0.25Au0.75 khi nhiệt độ thay đổi từ 5oC đến 100oC. Do tính chất hóa học đặc trưng của TSC chỉ phản ứng mạnh ở 100oC vì vậy chúng tôi dùng thêm chất khử là NaBH4 để điều chỉnh ở nhiệt độ thấp.
Bảng 2.6. Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất
quang của nano hợp kim
AgAu
Mẫu alloy AgNO3 (%wt.) HAuCl4 (%wt.) NaBH4 TSC (0.02M) H2O Nhiệt độ (oC) Ag0.25Au0.75 25 75 20 µl 0 30 ml 5 25 75 20 µl 0 30 ml 30 25 75 20 µl 0 30 ml 50 25 75 20 µl 0 30 ml 80 25 75 200 µl 30 ml 100 2.3. Các phương pháp khảo sát
2.3.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một thiết bị hiệu đại, nó cho phép phân tích siêu cấu trúc vật liệu rất tinh tế. Để kiểm tra về hình thái bề mặt, kích thước và hình dạng thì TEM là một ứng viên sáng giá cho công việc này. Thiết bị hoạt động dựa theo nguyên tắc phóng đại nhờ các thấu kính, tia điện tử được sử dụng để xuyên qua vật chất có bước sóng rất ngắn, cỡ 0,04 Å. Các thấu kính là thấu kính điện tử có tiêu cự thay đổi được, năng suất phân giải cỡ
2 3 Å. Hình 2.4 trình bày sơ đồ nguyên lý hệ TEM và ảnh chụp của máy đã
Hình 2.4. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (a)
và ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua đã sử dụng (b)
Nguyên lý hoạt động:
Kính hiển vi điện tử truyền qua làm việc theo nguyên tắc phóng đại nhờ các thấu kính, ánh sáng tới là tia điện tử có bước sóng ngắn cỡ 0,05 Å và thấu kính thường là các thấu kính điện tử có tiêu cự f thay đổi được. Chùm tia điện tử phát ra từ súng điện tử được gia tốc với điện thế tăng tốc (80 kV), qua một số kính hội tụ và chiếu lên mẫu. Kính vật tạo ra ảnh trung gian và kính phóng sẽ phóng đại ảnh trung gian thành ảnh cuối cùng với độ phóng đại M = Mv ∗ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mp.
Hiện nay, năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua không bị giới hạn. Phương pháp này có độ phân giải cỡ 2-3Å. Một nhược điểm cơ bản của kính hiển vi điện tử truyền qua là các mẫu nghiên cứu phải được xử lý thành các lát rất mỏng (< 0.1 mm), hoặc tạo thành các dung dịch để nhỏ lên các tấm lưới bằng đồng mà đã được trải một lớp màng Cacbon, các hạt nano tinh thể sẽ mắc trên các lưới đỡ này khi đo dưới kính hiển vi điện tử. Các lớp này phải đủ
dày để tồn tại ở dạng rắn, ít nhất là vài chục đến vài trăm lớp nguyên tử. Như vậy ứng với mỗi điểm trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua là những cột điện tử mẫu (chiều cao của cột nguyên tử là chiều dày trên mẫu). Việc quan sát chi tiết của vật rắn như: lệch mạng, các sai hỏng,…được giải thích theo cơ chế tương phản nhiễu xạ. Nguyên lý hoạt động của TEM được minh họa trong hình 2.5.
Hình 2.5. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua
Cơ chế tương phản nhiễu xạ ở ảnh TEM: Điện tử đi vào mẫu gặp các nguyên tử, bị tán xạ, nguyên tử số Z của mẫu càng lớn, phần tán xạ càng mạnh, phần truyền thẳng càng yếu. Mặt khác, khi điện tử đi qua chỗ dày gặp nhiều nguyên tử hơn là đi qua chỗ mỏng. Một trong những ưu điểm của TEM là có thể dễ dàng điều khiển thay đổi tiêu cự (bằng cách thay đổi dòng điện kích thích vào thấu kính) nên có thể thay đổi tiêu cự của kính phóng để trên màn có ảnh hiển vi hay ảnh nhiễu xạ, nhờ đó mà kết hợp biết được nhiều thông tin về cấu trúc, cách sắp xếp các nguyên tử của mẫu nghiên cứu. Hơn nữa, có thể dùng diafram đặt ở vị trí thích hợp để che bớt các tia tán xạ, chỉ lấy các tia đi giữa, đó là cách tạo ảnh trường sáng BF (Bright Field) thông thường. Kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát được nhiều chi tiết nano của mẫu cần nghiên cứu: hình dạng, kích thước hạt, biên các hạt…
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope (SEM)), là một loại k í n h h iển v i đ iện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điệ n t ử (chùm các electron) 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 phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét như trình bày trong hình 2.6.
Hình 2.6. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét
Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh của SEM được hoạt động như sau: các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm
điện tử trong k í n h h iển v i đ i ệ n t ử t r u y ền q ua , tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó 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 TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM
còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, 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 nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
Điện tử t á n x ạ ng ược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh n hi ễ u x ạ đi ệ n t ử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện.
Hình 2.7. Ảnh chụp thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV
tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Phân tích phổ tia X (X-ray microanalysis): Tương tác giữa điện tử với vật chất có thể sản sinh phổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Các phép phân tích có thể là p h ổ t á n s ắc n ă n g