(SERS)
Phổ tán xạ Raman là một công cụ đặc biệt hữu ích trong việc phân tích và nhận biết các hợp chất. Các kỹ thuật đo đạc và ứng dụng phổ tán xạ Raman ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện hóa, phân tích. Hiệu ứng tăng cường tán xa Raman bề mặt (SERS) được phát hiện năm 1974, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều các nhóm nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau bởi những tiềm năng ứng dụng to lớn của nó. Với SERS, người ta có thể phát hiện phổ Raman của đơn phân tử tăng cường lên tới 14 bậc.
Kể từ khi được phát hiện, SERS trở thành đối tượng hấp dẫn với các ứng dụng. Có khá nhiều yếu tố tạo nên sự phổ biến của phương pháp SERS, bao gồm cả
việc phát triển nhiều hệ đo Raman mới, từ các hệ micro hiện đại cho đến các thiết bị thu gọn. Và quan trọng nhất là sự hình thành và phát triển nhanh chóng của cấu trúc đế tăng cường. Điểm mạnh của ký thuật SERS là phát hiện các chất ở dạng đơn phân tử hay dạng vết mà không cần đánh dấu bởi mỗi liên kết hóa học đều có các vạch Raman đặc trưng được gọi là “dấu vân tay”. Vì vậy, các thông tin thu được là trực tiếp của mẫu phân tích mà không cần qua các chất đánh dấu trung gian như chất huỳnh quang, tránh được sự phức tạp của khâu chuẩn bị mẫu. Hiện nay SERS đã phát triển khác xa với nguồn gốc ban đầu của nó, xuất phát từ sự hấp phụ chất phân tích lên bề mặt điện cực. SERS ngày nay là một trong những kỹ thuật phân tích nhạy nhất, vượt xa những phương pháp nghiên cứu cơ bản trong các lĩnh vực y sinh hay môi trường.
Gần đây, các hạt nano cấu trúc meso làm đế SERS đã thu hút được sự chú ý do khả năng tạo các cấu trúc nano trên bề mặt hạt bằng phương pháp tổng hợp hóa học “từ dưới lên”. Ví dụ, các khe nano hẹp xuống cỡ 1 nm được hình thành trên các hạt Au và Ag, có hệ số tăng cường (EF- Enhancement Factor) lớn hơn 108 đối với SERS đơn hạt. Những hạt kim loại này có hình thái bề mặt nano không chỉ có thể được sử dụng như đế SERS đơn hạt mà còn có thể tạo thành các đế SERS dạng hạt. Là đế SERS đơn hạt, các hạt này có thể được phân tán trong dung dịch hoặc phân phối vào các tế bào thông qua vi mạch máu để phát hiện tín hiệu Raman của các phân tử nằm trong các dung dịch hoặc tế bào. Các tương tác giữa hạt trong các đế SERS mảng-hạt (particley-array) có thể tạo thêm nhiều “điểm nóng” cho đế.
Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1 . Chế tạo các cấu trúc nano bạc dạng tấm phẳng
Trong luận văn này chúng tôi chế tạo các cấu trúc nano vàng-bạc bất đẳng hướng theo phương pháp hóa khử đi từ muối vàng (HAuCl4) được khử trực tiếp bởi axit ascobic lên các mầm nano bạc là các tấm phẳng. Các tấm nano bạc được chế tạo theo phương pháp quang hóa phát triển mầm trung gian từ các hạt nano bạc dạng cầu. Như vậy, quy trình chế tạo các Ag-Au gồm 3 bước chính:
(i) chế tạo các hạt mầm nano bạc dạng cầu (mầm 1-AgNPs). (ii) chế tạo các tấm nano bạc dạng tấm phẳng (mầm 2 - AgNPls). (iii) chế tạo các Ag-Au dạng lõi vỏ, khung và hợp kim nano.
2.1.1. Chế tạo mầm AgNPs (mầm 1)
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất (mua từ công ty Merk của Đức) và nồng độ pha chế
STT Hóa chất Thể tích dung dịch (ml) Nồng độ dung dịch (M) Ghi chú 1 Nước cất 120
2 Silver nitrate AgNO3 1,5 0,01
3 TSC 0,2 0,3
4 PVP 0,3 0,006
5 NaBH4 0,5 giữ lạnh ở 0oC
6 NaOH 0,002 0,5
Một bình cầu ba cổ (đã được làm sạch và sấy khô) được chuẩn bị sẵn 120 ml nước cất, 1,5 ml dung dịch bạc nitrat (AgNO3) (0,01M), 0,3 ml trisodium citrate (TSC) dung dịch (0,2 M) và 0,3 ml dung dịch polyvinyl pyrrolidon (PVP) (0,006M) được trộn đều [16]. Hỗn hợp dung dịch được khuấy từ mạnh ở nhiệt độ thấp (trong đá lạnh) 15 phút và 0,5 ml dung dịch natri borohydrat (NaBH4) (0,05M) được bơm từng giọt thêm vào dung dịch hỗn hợp, khi đó phản ứng bắt đầu diễn ra quá trình khử. Cuối cùng, thêm 2l NaOH (0,3 M) vào dung dịch để điều chỉnh pH trên 7. Quan sát sự thay đổi màu của hỗn hợp phản ứng từ không màu sang màu vàng trong
vòng 2 phút sau phản ứng. Sau đó, dừng phản ứng và dung dịch được duy trì 2 giờ ở nhiệt độ phòng trong bóng tối trước khi sử dụng cho các thử nghiệm tiếp theo.
2.1.2. Chế tạo các tấm phẳng nano bạc AgNPls (mầm 2)
Sau khi các mầm AgNPs được chế tạo từ phần 2.1.1 có dạng hình cầu và kích thước nhỏ (quãng vài nano mét), dung dịch keo nano bạc này tiếp tục được chiếu xạ bằng một nguồn sáng dải hẹp sử dụng đèn LED màu xanh lá (điốt phát quang) có công suất 0,5 mW/cm2 và bước sóng trung tâm 520 nm. Thí nghiệm được thực hiện với thời gian chiếu LED khác nhau (cho 8 mẫu), mỗi mẫu có dung tích 20 ml được chiếu xạ bằng đèn LED màu xanh lá trong khoảng thời gian từ 25 phút đến 95 phút ở nhiệt độ phòng như trình bày trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các ký hiệu của dung dịch AgNPs được chiếu xạ bằng đèn LED xanh lá
trong các thời gian khác nhau
Ký hiệu mẫu Thời gian chiếu LED
AgNPl1 25 phút AgNPl2 35 phút AgNPl3 45 phút AgNPl4 55 phút AgNPl5 65 phút AgNPl6 75 phút AgNPl7 85 phút AgNPl8 95 phút
Quan sát mầu sắc dung dịch khi tăng dần thời gian chiếu thấy rằng biến đổi từ màu vàng tươi sang màu xanh rêu, xanh lam, và xanh lam đậm điều đó chứng tỏ đã hình thành các tấm nano bạc. Bằng phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis chúng ta có thể thấy rõ sự biến đổi này trong phần chương 3 của luận văn.
2.2 . Chế tạo các tấm nano bạc vàng lưỡng kim dạng lõi/vỏ và dạng hợp kim
Trên cơ sở các mẫu sau khi chiếu LED, chúng tôi lựa chọn mẫu AgNPl4 (thời gian chiếu LED 55 phút) để tiếp tục làm thí nghiệm chế tạo nano lưỡng kim bạc vàng. Cấu trúc nano Ag-Au được tạo ra bằng phương pháp khử muối vàng ở
nhiệt độ phòng với AgNPl như là mầm, PVP đóng vai trò là chất ổn định và L-AA làm chất khử [22]. Thí nghiệm đã thực hiện với 12 dung dịch (50 ml) của AgNPl4 được điều chế trong 12 ống riêng biệt. Tiếp theo bơm rất chậm HAuCl4 và khuấy mạnh trên máy khuấy từ trong một giờ. 12 lượng khác nhau tiền chất HAuCl4 0,1, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1, 1,2, 1,6, 2, 2,4, 2,8 và 3,4 µmol được chọn tương ứng với 12 dung dịch AgNPl4 trên. Các mẫu này được ký hiệu như Bảng 2.3 dưới đây. Các nguyên tử Au được lắng đọng trên bề mặt của AgNPls do L-AA khử cực kỳ chậm trong các ống riêng biệt trên một bơm tiêm cơ học. Nồng độ L-AA được tối ưu hóa (10 mM) để vừa đủ khử lượng HAuCl4. Đối với ba mẫu ban đầu (Ag – Au1, Ag – Au2, Ag – Au3), các dung dịch được thêm vào 150 µl dung dịch NaOH (0,3 M) trong điều kiện khuấy từ ở nhiệt độ phòng để điều chỉnh giá trị pH đến 10,2.
Bảng 2.3. Ký hiệu các mẫu nano bạc vàng lưỡng kim được tạo ra với các lượng
HAuCl4 khác nhau.
Ký hiệu mẫu Ag–Au nanoplates Lượng HAuCl4 thêm vào 50 ml dung
dịch Ag NPl4 Ag–Au1 0,1 mol Ag–Au2 0,2 mol Ag–Au3 0,4 mol Ag–Au4 0,6 mol Ag–Au5 0,8 mol Ag–Au6 1 mol Ag–Au7 1,2 mol Ag–Au8 1,6 mol Ag–Au9 2 mol Ag–Au10 2,4 mol Ag–Au11 2,8 mol Ag–Au12 3,4 mol
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 nghiên cứu vi cấu trúc của vật rắn. TEM sử dụng chùm điện tử có năng lượng lớn, chiếu xuyên qua vật mẫu rắn và mỏng kết hợp với các thấu kính từ để tạo ra độ phóng đại lớn (có thể lên tới hàng triệu lần). Hình ảnh có thể được ghi ra film, màn huỳnh quang hoặc ghi nhận bằng máy ảnh kĩ thuật số.
Các mẫu chụp TEM được chuẩn bị bằng cách nhỏ dung dịch chứa các hạt nano bạc lên một lưới đồng phủ màng carbon và sau đó để bay hơi tự nhiên. Các lưới đồng đã chuẩn bị được sấy khô trong chân không khoảng một giờ trước khi đo.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Thành phần nguyên tố trong cấu trúc nano được kiểm tra thông qua ánh xạ quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) trong máy Hitachi SU 8020 ở điện áp gia tốc 200 kV.
2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của bề mặt mẫu bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt của vật mẫu. Sự tạo ảnh của vật mẫu được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tự tương tác của chùm điện tử với bề mặt của mẫu.
Nguyên tắc hoạt động của SEM: Việc phát ra các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra các chùm điện tử trong TEM, tức là, các điện tử được phát xạ từ các súng phóng điện tử (phát xạ nhiệt, phát xạ trường...) và sau đó được tăng tốc bởi hiệu điện thế. Thế tăng tốc của SEM thông thường từ 10 kV đến 50 kV.
Điện tử được phát ra và tăng tốc, sau đó được hội tụ thành một chùm hẹp (có kích thước cỡ vài trăm A0 cho đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó chùm điện tử hẹp này quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM không bằng độ phân giải của TEM bởi kích thước của chùm điện tử bị hạn chế bởi quang sai. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu và điện tử. Khi điện tử tương tác với vật mẫu thì sẽ có các bức xạ được phát ra. Sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện và ghi lại các bức xạ này trên kính ảnh hoặc máy ảnh kỹ thuật số. Các bức xạ chủ yếu bao gồm:
+ Điện tử thứ cấp (Secondary electron): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của SEM. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (khoảng 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhận quang nhấp nháy. Do có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt của mẫu với độ sâu chỉ khoảng vài nanomet. Do vậy, chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
+ Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Đây là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu và bị bật ngược trở lại do đó, chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này cho phép phân tích thành phần hóa học và phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử) của bề mặt mẫu.
Hình 2.2. (a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của SEM và (b) ảnh chụp SEM của mẫu nano bạc dạng tấm tại Viện Khoa học Vật liệu.
d 2
2 2
2.3.3. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X tương tác với các mặt tinh thể của chất rắn, do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Chiếu một chùm tia X đơn sắc có bước sóng λ tới một tinh thể chất rắn, tia X đi vào bên trong mạng lưới. Tinh thể mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ gây ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X tới. Định luật phản xạ Bragg cho biết mối quan hệ giữa khoảng cách của hai mặt phẳng tinh thể song song (d), góc giữa phương tia X tới và mặt phẳng tinh thể (θ) và bước sóng tia X (λ) được xác định:
2dhklsinθ = nλ (2.1) với n là bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3, …).
Từ thực nghiệm có thể xác định được bước sóng λ, góc nhiễu xạ θ tương ứng với vạch nhiễu xạ thu được. Khi đó xác định được khoảng cách giữa các mặt mạng d theo phương trình (2.1) và (2.2).
1 2
hkl h k l
d 2 b2 c2 (2.2)
Trong đó, h,k,l là các chỉ số Miler và a,b,c là các hằng số mạng. Hình 2.7 minh họa về mặt hình học định luật Bragg.
Vì mỗi một tinh thể khác nhau được đặc trưng bằng các giá trị d khác nhau. Do vậy, phương pháp nhiễu xạ tia X có thể xác định được thành phần pha tinh thể của vật liệu, xác định được kích thước tinh thể cũng như cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Giản đồ XRD của các mẫu chế tạo được thực hiện trên hệ nhiễu xạ kế tia X sử dụng nhiễu xạ kế D8 (Bruker D8 Advance, Đức) hoạt động ở 30 kV với bức xạ Cu-Ka (bước sóng λ = 0,154056 nm) có dạng hình học chùm tia song song trong khoảng từ 30o đến 80o tại Viện Khoa học Vật liệu.
2.3.4. Phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible)
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ UV-Vis hai chùm tia
Khi chiếu một chùm sáng có bước sóng phù hợp đi qua một chất mẫu, các phân tử sẽ hấp thụ một phần năng lượng ánh hấp thụ qua (A), một phần năng lượng của chùm bức xạ bị phản xạ (R) và một phần năng lượng của bức xạ truyền qua mẫu (T). Đo tỉ số cường độ ánh sáng truyền qua T và phản xạ R so với với cường độ chùm sáng tới ta có thể xác định được được độ hấp thụ A: A+T+R = 1.
Nguồn bức xạ thường được dùng là các đèn hơi Hidro, đèn Đơtri, đèn thủy ngân… Máy đơn sắc có thành phần chính là các cách tử nhiễu xạ hoặc lăng kính có tác dụng tạo ra các chùm đơn sắc thẳng, hẹp và song song. Máy phân tích sẽ đo tín hiệu cường độ ánh sáng truyền qua T, chuyển thông tin tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi xuất ra màn hình hiển thị.
Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer. Chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch có bề dày d. Sau khi bị hấp thụ, cường độ chùm tia ló ra là I.
- Độ truyền qua: T I .
I0
- Độ hấp thụ: A log T log I 0 .
Độ hấp thụ A (hay mật độ quang A) của dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ C của dung dịch theo biểu thức: A = k.d.C.
Trong đó k là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào cấu tạo của chất tan trong dung dịch, d là bề dày của dung dịch và C là nồng độ của dung dịch.
Trong trường hợp C tính bằng mol/l và d tính bằng centimet (cm) thì k . Do đó: A .d.C .
Hình 2.5. Mô phỏng nguyên lý máy đo phổ UV - Vis
Để sử dụng máy đo UV – Vis ta thực hiện các bước sau đây: + Chọn bước sóng phù hợp (thường từ 200 nm – 800 nm).
+ Đo mẫu chuẩn (blank) đó là dung môi nước cất. Cho nước cất vào cuvette. + Cho mẫu cần đo vào Cuvette khác và đưa vào máy đo.
+ Khi máy đo, kết quả của phổ hấp thụ UV – Vis của mẫu cần đo sẽ được vẽ thành đồ thị trên màn hình.
Phổ hấp thụ của các mẫu trong luận văn được đo trên thiết bị UV-Vis hai chùm tia Jasco V770 tại Khoa vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Thiết bị này cho phép đo phổ từ 150 nm đến 2700 nm.
Hình 2.6. Máy đo phổ hấp thụ UV – Vis V750 của hãng Jasco (Nhật Bản) tại Khoa vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
2.3.5. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)
Để đo SERS, cần chuẩn bị mẫu theo quy trình được tóm tắt như sau: các cấu trúc nano sau khi chế tạo được chải lên đế silicon (Si) và tích điện cho nó bằng một nguồn điện một chiều (12V) trong khoảng 30 phút. Tiếp đến, ngâm đế SERS trong dung dịch chất cần phân tích (ví dụ như methylen canh) trong khoảng 2 giờ để đảm bảo độ đồng đều. Cuối cùng, lấy đế ra và mang đo trên hệ đo Raman.
Hệ đo tán xạ Raman thu thập các ánh sáng tán xạ không đàn hồi từ mẫu. Các ánh sáng này có tần số rất gần với tần số của ánh sáng kích thích do năng lượng dao