Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp polyol để tiến hành chế tạo màng platin do những ưu điểm có nó so với các phương pháp khác. Các phương pháp vật lý như bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử hay phún xạ thì yêu cầu chân không cao, nguồn điện năng lớn và đòi hỏi các thiết bị phức tạp được chế tạo một cách chính xác. Điều này làm tăng đáng kể chi phí cho việc lắng đọng màng Pt. Trong khi đó, phương pháp điện hóa lại cần đế dẫn diện có độ ổn định cao được nhúng vào trong một dung dịch điện giải, còn phương pháp mạ hóa học lại cần phủ một lớp xúc tác lên trên bề mặt của đế trước khi tiến hành lắng đọng. Trong bối cảnh đó, lắng đọng màng Pt bằng cách khử polyol nổi lên là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và đầy hứa hẹn. Phương pháp này đã được sử dụng phổ biến để tạo
26
hạt nano kim loại, nhưng lại rất ít các nghiên cứu sử dụng để chế tạo màng, đặc biệt là màng Pt. Trong thời gian gần đây, ngày càng nhiều các công trình bước đầu thử nghiệm phương pháp này để lắng đọng màng [41, 65, 66]. Tuy vậy, hầu hết đều giới hạn trong tạo màng trên các đế Indium Tin Oxide (ITO) và Fluorine doped Tin Oxide (FTO) nhằm mục đích ứng dụng trong pin mặt trời, ít có ứng dụng trong lĩnh vực khác, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học – một lĩnh vực đang có tiềm năng rất lớn. Mặc khác, theo kiến thức và tìm hiểu của tác giả, ở Việt Nam hiện chưa có một công trình nào cụ thể nghiên cứu về màng platin được chế tạo bằng phương pháp polyol. Hơn nữa, với mục tiêu tìm kiếm một phương pháp đơn giản, phù hợp với điều kiện trang thiết bị còn hạn chế ở Việt Nam mà vẫn đảm bảo khả năng ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học, chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp này để chế tạo màng Pt trên đế silic. Polyol được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm là ethylene glycol, và tiền chất là axit chloroplatinic. Trong khi, ethylene glycol là hóa chất dễ kiếm thì axit chloroplatinic lại có thể chế tạo dễ dàng bằng cách cho platin vào nước cường toan. Quá trình lắng đọng màng được thử nghiệm trên một chiếc máy khuấy từ có khả năng kiểm soát nhiệt độ đặt trong một tủ kín để hạn chế các tác động không mong muốn từ môi trường ngoài.
Để thử nghiệm trong chế tạo cảm biến sinh học, chúng tôi bước đầu nghiên cứu việc gắn kết của màng Pt sau khi chế tạo với các phân tử sinh học. Đây là bước khá quan trọng vì chỉ khi xác định được các đầu thu sinh học được cố định tốt trên bề mặt của màng thì mới có thể thực sự ứng dụng màng Pt này vào chế tạo bộ phận chuyển đổi trong cảm biến sinh học. Quá trình thử nghiệm đính kết sẽ tiến hành trong hai bước: chức năng hóa bề mặt màng và đính kết các phân từ sinh học lên màng đã chức năng. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng 4-aminothiophenol (4- ATP) với tư cách là chất chức năng hóa bề mặt. Phân tử 4-ATP vừa chứa nhóm thiol (S-H) vừa chứa nhóm amino (NH2). Trong khi nhóm thiol có khả năng tạo liên kết rất bền vững với các kim loại như Au, Ag, Cu, Pt… thì nhóm amino dễ dàng liên kết với các phân tử hữu cơ như enzyme, kháng thể, DNA... Liên kết chặt giữa lưu huỳnh trong nhóm thiol và kim loại sẽ giúp cho các phân tử hữu cơ được cố
27
định trên bề mặt màng. Cần chú ý rằng, lượng 4-ATP phải dư để các phân tử 4-ATP tạo thành một đơn lớp xếp chặt trên bề mặt màng, nhờ đó các nhóm chức năng luôn luôn hướng ra bên ngoài bề mặt Pt tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp xúc và bắt cặp với các phân tử hữu cơ. Hai chất hữu cơ được lựa chọn để thực hiện việc đính kết là enzyme glucose oxidase (GOx) và axit citric. Mỗi chuỗi enzyme có cả gốc COOH tự do và liên kết peptit trong nó, còn mỗi phân tử axit citric chỉ có một gốc COOH và không có liên kết peptit nào. Như vậy khi nghiên cứu việc đính kết của hai loại phân tử này có thể bao quát được các khả năng trong đó nhóm cacboxyl liên kết với nhóm chức năng amino để tạo thành liên kết peptit.
28
Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo màng Pt
2.1.1. Các hóa chất và thiết bị sử dụng
• Muối H2PtCl6 được điều chế bằng phản ứng của Pt với nước cường toan theo phương trình (1.1). Dung dịch sau phản ứng được cho qua màng lọc để loại bỏ các cặn bẩn và Pt còn dư rồi được sấy khô ở 60°C. Muối H2PtCl6 còn lại được hòa tan bằng nước cất 2 lần để tạo dung dịch muối H2PtCl6 0.01M.
• Ethylene glycol, ethanol được đặt hàng tại Merk. Sau khi mua về các hóa chất đều được bảo quản ở nơi thoáng mát.
• Máy khuấy từ có khả năng gia nhiệt đạt tới 200°C
• Đế silic
• Các cốc thí nghiệm có dung tích 50 ml
• Pipet các loại
• Bể rung siêu âm
2.1.2. Quy trình chế tạo
Đế silic được rửa sạch bằng nước cất hai lần rồi cho vào cốc thí nghiệm chứa ethanol, rung siêu âm trong 15 phút để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất trên bề mặt. Sau đó, đế được lấy ra và sấy khô ở 60°C.
Dung dịch H2PtCl6 0.01M được cho vào hòa tan với ethylene glycol để tạo ra hỗn hợp dung dịch H2PtCl6 mới có nồng độ 0.002M. Rung siêu âm trong 5 phút để các chất hoàn toàn trộn lẫn vào nhau. Dung dịch lúc này có màu vàng tươi.
Bật máy khuấy từ, kiểm soát nhiệt độ xung quanh điểm 140°C. Đặt đế silic lên trên bề mặt của máy, chờ trong 5 phút cho đến khi đế silic đạt 140°C. Sử dụng pipet lấy 2 ml dung dịch H2PtCl6 0.002M nhỏ từ từ trải đều trên mặt đế. Sau khoảng 3 – 5 phút, dung dịch bắt đầu bay hơi và khô hoàn toàn sau 10 phút. Từ màu vàng tươi của dung dịch dung dịch H2PtCl6, bề mặt đế lúc này được bảo phủ bằng 1 lớp
29
màng mỏng màu xám đen phản xạ ánh sáng kém. Mang màng mỏng đi ủ ở nhiệt độ 450°C thu được màng Pt hoàn chỉnh có màu sáng trắng phản xạ tốt ánh sáng.
Hình 2.1. Sơđồ chế tạo màng Pt bằng phương pháp khử polyol
2.2. Chức năng hóa bề mặt màng Pt và gắn kết với các phân tử sinh học 2.2.1. Hóa chất 2.2.1. Hóa chất
Bảng 2.1. Danh sách các hóa chất sử dụng
STT Tên hóa chất Công thức Nguồn gốc
1 Ethanol C2H5OH MERCK
2 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) ethylcarbodiimide (EDC) C8H17N3 SIGMA
3 4-Aminothiophenol C6H7NS SIGMA
4 Glucose oxidase enzyme (GOx) SIGMA
5 Axit citric C6H8O7 MERCK
30
STT Tên hóa chất Công thức Nguồn gốc
7 Kali clorua KCl MERCK
8 Natri hydrophotphat Na2HPO4 BIO BASIC
9 Kali dihydrophotphat KH2PO4 BIO BASIC
2.2.2. Chức năng hóa bề mặt màng Pt
Các bước chức năng hóa bề mặt màng Pt được tiến hành như sau:
• Màng Pt được ngâm rửa trong dung dịch ethanol, sau đó được lấy ra và sấy khô ở 60°C.
• Pha 4-ATP trong ethanol để tạo thành dung dịch 4-ATP 0.01M.
• Cho màng Pt vào cốc thí nghiệm, sử dụng một lượng dung dịch 4- ATP vừa đủ để làm ngập màng trong chất lỏng và cất giữ trong 24 giờ ở nhiệt độ thường
• Lấy màng ra khỏi dung dịch, rửa lại bằng ethanol để loại bỏ hoàn toàn 4-ATP còn lưu lại. Sau đó để màng khô tự nhiên trong không khí.
2.2.3. Gắn kết enzyme và axit citric
a. Pha dung dịch PBS 1X (phosphate-buffered saline)
Dung dịch PBS 1X được pha chế như sau:
• Hòa tan 800 ml nước cất 2 lần với: 8 g NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4 và 0.24 g KH2PO4.
• Điều chỉnh độ pH đạt 7.4 bằng HCl và NaOH.
• Cho thêm H2O để đạt được thể tích 1 ml
• Tiệt trùng bằng nồi hấp
31
EDC đặt hàng từ BioBasic, lưu trữ trong tủ 4°C. Mỗi lần dùng cần sử dụng nhanh vì EDC hút nước và phân hủy. Lần này, dung môi nước đều phải là nước cất 2 lần được khử trùng
1 ml enzyme có nồng độ 0.1 mM được hòa tan trong 5 ml dung dịch PBS 1X chứa trong 1 cốc nhỏ có thể tích 50 ml. Cho 1 mg EDC vào cốc thí nghiệm và lắc đều nhẹ tay cho đến khi tan hoàn toàn. Tiếp đến, lấy màng Pt đã được chức năng hóa nhúng chìm hẳn vào dung dịch trong cốc rồi bịt kín bằng 1 lớp màng polyester và lưu trữ ở 4°C. Cuối cùng, Sau 12 giờ màng Pt được lấy ra, rửa lại vài lần bằng PBS và để khô tự nhiên trong không khí.
Các bước đính kết axit citric tương tự như đính kết enzyme. Trước hết, axit citric được hòa tan trong nước cất để tạo dung dịch có nồng độ 0.1 mM. Rút ra 1 ml dung dịch axit citric vừa pha, hòa lẫn với 5 ml dung dịch PBS 1X trong cốc thí nghiệm, sau đó cho thêm 1 mg EDC vào rồi lắc đến khi tan hoàn toàn. Nhúng màng Pt ngập hoàn toàn trong dung dịch, bọc kín lại và lưu giữ ở 4°C trong 12 giờ. Cuối cùng màng được lấy ra, rửa sạch bằng PBS và để khô tự nhiên.
2.3. Các phương pháp phân tích và khảo sát 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
32
Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) dựa vào hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể khi thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg:
2dsinθ = nλ (2.1)
với d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử liền kề, θ là góc nhiễu xạ, λ là bước sóng của tia X và n là bậc phản xạ. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dưới các góc 2θ khác nhau được ghi nhận bằng phim hoặc detector cho ta phổ nhiễu xạ tia X.
Hiện nay với việc phát triển kỹ thuật nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ hoàn toàn có thể áp dụng để xác định kích thước hạt tinh thể trong màng mỏng (hay trong vật liệu nói chung). Đó là công thức Scherrer:
D = 0.9λ
βcosθ (2.2)
Trong đó:
• D là kích thước tinh thể
• β là độ bán rộng (tính theo radian) của đỉnh nhiễu xạ tại ½ chiều cao của đỉnh
• θ là góc nhiễu xạ
• λ là bước sóng tia X sử dụng
Từ công thức trên chúng ta nhận thấy đối với tinh thể khối có cấu trúc hoàn hảo (không có hạt nanô tinh thể) thì tất cả các đỉnh đều nhọn, không có độ bán rộng (β → 0 thì D → ∞). Nhiễu xạ tia X của màng mỏng thường cho các đỉnh không sắc nhọn như trong trường hợp tinh thể khối, còn màng mỏng cấu trúc nano cho các đỉnh tương đối tù với cường độ nhiễu xạ không lớn.
33
Các mẫu trong luận văn này đã được phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X D5005 của hãng Bruker (Đức) tại Trung tâm Khoa học vật liệu (TT KHVL) sử dụng bước sóng tia X tới từ bức xạ Kα của Cu là : λCu = 1,54056 Ǻ
3.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật 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 phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Hình 2.3. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa
học Vật liệu
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là sử dụng tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn ảnh quang có thể đạt độ phóng đại yêu cầu. Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quay sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào bề mặt của mẫu, chúng va chạm không đàn hồi
34
với các nguyên tử của mẫu làm bật ra các electron ở lớp K, các electron này gọi là electron thứ cấp. Mỗi electron thứ cấp qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng. Chúng được khuyếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng, tối trên màn ảnh phụ thuộc vào số electron thứ cấp phát ra từ mẫu nghiên cứu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu
Phương pháp SEM sử dụng để khảo sát và chụp ảnh cấu trúc bề mặt mẫu. Thông qua đó có thể xác định được sự phân bố của hạt, kích thước trung bình và hình dạng tinh thể của các hạt hay các vật liệu có cấu trúc tinh thể khác.
Màng Pt sau khi chế tạo được tiến hành chụp SEM phân giải cao sử dụng máy FESEM Hitachi S4800 tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương.
2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phổ tán xạ năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm electron có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt là EDX hay EDS.
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử. Ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm electron có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm electron có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn, làm bật ra electron ở lớp K bên trong nguyên tử và tạo ra lỗ trống ở vị trí này. Sau đó, electron ở lớp ngoài có năng lượng cao hơn nhảy xuống lấp đầy lỗ trống và giải phóng năng lượng dưới dạng tia X. Các tia X này có bước sóng đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm
35
electron có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Các mẫu màng trong luận văn được phân tích EDX nhờ thiết bị kính hiển vi điện tử quét có tích hợp hệ thống phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) TEAM Apollo XL EDS của hãng EDAX tại Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
2.3.4. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Kính hiển vi lực nguyên tử là loại kính hiển vi dùng để quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa đầu mũi dò nhọn với bề mặt mẫu,có thể quan sát với độ phân giải nm.
Hình 2.4. Mô hình đo kính hiển vi lực nguyên tử
Kính hiển vi lực nguyên tử sử dụng một photodetector mà trong đó đầu dò được gắn vào phí dưới của một cần quét phản xạ. Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn, do sự mấp mô của bề mặt, cần sẽ rung động theo phương thẳng đứng và chùm laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại và chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. Quá trình hồi tiếp khác nhau về tín hiệu giữa cảm biến quang học,
qua x