4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.3.2. Gắn phân tử hữu cơ 4-MBA lên hạt nano Ag trong dung dịch nano Ag
2,5mM theo tỉ lệ 1:8, cho hỗn hợp khuấy từ trong 15 phút rồi cho vào lò vi sóng 3,5 phút. Lò vi sóng hoạt động công suất ở giá trị trung bình.
- Bƣớc 3: Sau khi cho vào lò vi sóng trong thời gian 3,5 phút, lấy dung dịch ra để nguội ở nhiệt độ phòng.
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm với nồng độ AgNO3 khác nhau: 1mM, 5mM và 10mM. Chúng tôi nhận thấy với nồng độ AgNO3 khác nhau thì màu sắc của các hạt nano Ag đƣợc tạo thành cũng khác nhau.
Bảng 2. 1. Tỉ lệ thể tích giữa AgNO3 : PVP/EG.
Nồng độ AgNO3 (mM) Nồng độ PVP/EG (mM) Tỉ lệ thể tích AgNO3:PVP/EG Thời gian vi sóng (phút) 1 2,5 1:8 3,5 5 2,5 1:8 3,5 10 2,5 1:8 3,5
2.2.3.2. Gắn phân tử hữu cơ 4-MBA lên hạt nano Ag trong dung dịch nano Ag Ag
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm khảo sát sự thay đổi màu sắc và dịch đỉnh phổ hấp thụ UV-Vis của các hạt nano Ag khi có mặt của các phân tử hữu cơ 4-MBA tƣơng tự nhƣ thí nghiệm đối với các hạt nano Au tôi đã trình bày ở mục 2.2.2.
- Đầu tiên, chúng tôi chế tạo hạt nano Ag bằng hai phƣơng pháp nêu trên.
- Chúng tôi chọn mẫu khảo sát sự thay đổi đỉnh phổ hấp thụ của mẫu đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp 1 với nồng độ AgNO3 là 1mM.
- Tiếp theo, chúng tôi tiến hành pha dung dịch 4-MBA nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM.
30
MBA là 1:2, chúng tôi khảo sát hỗn hợp dung dịch ở nhiệt độ phòng trong 1h, rồi tiến hành đo phổ hấp thụ UV-Vis.
- Quan sát bằng mắt, chúng tôi thấy rằng sự thay đổi màu sắc của các hạt nano Ag diễn ra tƣơng đối chậm so với khi khảo sát với các hạt nano Au.
- Sau khi chế tạo mẫu, chúng tôi đo phổ hấp thụ UV-Vis, và phổ tán xạ Raman .
2.2.4. GẮN HẠT NANO Au LÊN DÂY TiO2 TRÊN ĐẾ KÍNH
Từ các nghiên cứu cho thấy, việc tổng hợp các vật liệu nano kim loại trên đế SERS giúp tăng cƣờng tín hiệu Raman rất tốt. Chúng tôi tiến hành lắng đọng bằng phƣơng pháp chiếu chùm tia tử ngoại khử Au3+ thành các hạt nano Au bám trên đế TiO2/kính với TiO2 dạng sợi.
2.2.4.1. Quy trình
0,1g PVP + 10ml ethanol : Khuấy từ đến khi tan hết (dd A). 1 ml HAuCl4 + dd A : Khuấy từ 15 phút (dd B).
Cho 4 đế TiO2 đƣợc chế tạo ở mục 2.2 vào dd B, các đế TiO2 phải ngập trong dd B. Tiến hành chiếu tia UV. Tôi khảo sát chiếu trong thời gian 5 phút, 10phút, 15 phút, 20 phút và 25 phút.
Sau khi chiếu UV xong, chúng tôi lấy mẫu ra khỏi dung dịch rửa lại nhiều lần với ethanol, rồi sau đó sấy khô mẫu ở nhiệt độ 400C.
31
2.2.4.2. Gắn phân tử hữu cơ 4-MBA lên đế TiO2 chứa hạt nano Au
Các mẫu Au/TiO2 sau khi đƣợc chế tạo theo quy trình trên. Chúng tôi tiến hành thí nghiệm khảo sát sự dịch chuyển đỉnh cộng hƣởng Plasmon của các hạt nano Au gắn trên dây TiO2 và các hạt nano Au có 4-MBA trên đế TiO2; đo phổ tán xạ Raman các mẫu này để xác khảo sát cƣờng độ tín hiệu cƣờng độ Raman trên đế TiO2, Au/TiO2, và 4-MBA/Au/TiO2 với các nồng độ khác nhau nhằm mục đích ứng dụng để phát hiện các phân tử hợp chất hữu cơ, kim loại nặng, … không có lợi trong các sản phẩm nhƣ thuốc bổ, thực phẩm bổ sung cho trẻ em. Các bƣớc thực hiện thí nghiệm nhƣ sau:
Pha dung dịch 4-MBA ở nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM.
Cho các đế Au/TiO2 vào các lọ chứa dung dịch 4-MBA ở nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM. Dùng giấy bóng bịt kín, vì trong dung dịch 4-MBA có ethanol nên rất dễ bị bay hơi. Các đế đƣợc ngâm trong dung dịch 1 giờ, sau đó mẫu đƣợc lấy ra và để khô ở nhiệt độ phòng.
Các mẫu sau khi chế tạo, đƣợc gởi đi đo UV-Vis rắn và phổ tán xạ Raman.
32
2.2.5. GẮN HẠT NANO Ag LÊN DÂY TiO2 TRÊN ĐẾ KÍNH
Tổng hợp từ việc nghiên cứu các tài liệu về hạt nano Ag, cách gắn hạt nano Ag lên các đế SERS, kết hợp điều kiện thí nghiệm tại phòng thí nghiệm thực hành của khoa Vật Lý Trƣờng Đại Học Quy Nhơn, cùng với sự hƣớng dẫn của cô giáo Lê Thị Ngọc Loan tôi đã tiến hành thí nghiệm gắn các hạt nano Ag lên đế kính chứa dây TiO2 bằng cách chiếu vi sóng. Quy trình thực hiện dƣới đây.
2.2.5.1. Quy trình
Bƣớc 1: Pha dung dịch PVP/EG nồng độ 2,5mM.
} khuấy từ đến khi tan hết ta đƣợc dung dịch
PVP/EG.
Bƣớc 2: Pha dung dịch AgNO3 nồng độ 1mM, 5mM, 10mM. Bƣớc 3: Pha hỗn hợp dung dịch AgNO3 và PVP/EG.
} khuấy từ trong thời gian 15
phút.
Bƣớc 4: Cho các đế TiO2 vào hỗn hợp dung dịch ở bƣớc 3, sau đó cho vào lò vi sóng. Tiến hành chiếu sáng bằng lò vi sóng trong thời gian 3 phút, 3,5 phút, 4 phút; công suất của lò vi sóng ở chế độ trung bình.
Chú ý: Khi cho các đế vào dung dịch để chiếu vi sóng, các đế phải ngập trong dung dịch, mặt đế chứa TiO2 hƣớng lên, và các đế không đƣợc chồng lên nhau.
Bƣớc 5: Sau khi chiếu vi sóng xong, mẫu đƣợc lấy ra và sấy khô ở nhiệt độ 400C.
33
Hình 2. 10. Quy trình chế tạo hạt nano Ag/TiO2
2.2.5.2. Gắn phân tử hữu cơ 4-MBA lên đế TiO2 chứa hạt nano Ag
Sauk hi chế tạo thành công các mẫu Ag/TiO2/kính bằng phƣơng pháp vi sóng, chúng tôi ngâm các đế này trong dung dịch hữu cơ 4-MBA ở nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM với quy trình giống nhƣ khảo sát sự ảnh hƣởng của dung dịch 4-MBA lên các đế có chứa các hạt nano Au trình bày ở trên.
Các mẫu sau khi ngâm trong dung dịch 4-MBA bị đổi màu rất nhiều. Vì thế chúng tôi tiến hành đo phổ hấp thụ UV-Vis và phổ tán xạ Raman. Kết quả đƣợc trình bày ở chƣơng sau.
2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
2.3.1. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
Để nghiên cứu cấu trúc tinh thể TiO2/kính, chúng tôi đã gởi mẫu đo phổ XRD tại Trƣờng ĐH KU Leuven – Bỉ.
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu cấu trúc tinh thể đã đƣợc V. Laue sử dụng từ năm 1912. Năm 1913, W.L.Bragg đƣa ra phƣơng trình Bragg làm cơ sở khoa học cho phƣơng pháp nhiễu xạ tiaX. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X dựa trên hiện tƣợng nhiễu xạ tia X của mạng tinh thể khi thỏa mãn định luật Bragg:
2d.sinθ = n.λ (2.1)
34
d: là khoảng cách giữa các mặt nguyên tử phản xạ.
θ: là góc phản xạ; λ: là bƣớc sóng của tia X ; n: là số bậc phản xạ.
Hình 2. 11. Cấu tạo máy ghi tín hiệu nhiễu xạ bằng đầu thu bức xạ. (1) Ống tia X, (2) Đầu thu bức xạ,(3) Mẫu, (4) Giác kế đo góc.
Từ sơ đồ cấu tạo của máy đo nhiễu xạ tia X sử dụng phƣơng pháp bột (phƣơng pháp Debye – Scherrer) đƣợc thể hiện trên hình 2.5. Tia X từ ống phóng tia đi tới mẫu với góc tới θ, tia nhiễu xạ đi ra khỏi mẫu sẽ tới đầu thu bức xạ (detector) cũng đặt ở góc θ so với mẫu. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ thỏa mãn định luật Bragg dƣới các góc 2θ khác nhau cho ta phổ nhiễu xạ tia X.
2.3.2. Phƣơng pháp chụp ảnh TEM ( transmission electron microscopy)
Hình 2. 12. Kính hiển vi điện tử truyền qua
(1)
(2) (3)
35
Nguyên lý hoạt động máy hiển vi điện tử truyền qua
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 bƣớc sóng ngắn cỡ 0,05 Å và thấu kính thƣờng là các thấu kính điện tử có tiêu cự f thay đổi đƣợc. Chùm tia điện tử phát ra từ súng điện tử đƣợc gia tốc với điện thế tăng tốc (80 kV), qua một số kính hội tụ và chiếu lên mẫu. Vật kính tạo ra ảnh trung gian và kính phóng (thấu kính ảnh) sẽ phóng đại ảnh trung gian thành ảnh cuối cùng với độ phóng đại
Với M là độ phóng đại ảnh cuối MV là độ phóng đại ảnh của vật kính.
Mp là độ phóng đại ảnh của kính phóng (thấu kính phóng).
Hiện nay, năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua không bị giới hạn. Phƣơng pháp này có độ phân giải cỡ 2-3 Å. Một nhƣợc điểm cơ bản của kính hiển vi điện tử truyền qua là các mẫu nghiên cứu phải đƣợc xử lý thành các lát rất mỏng (< 0.1 mm), hoặc tạo thành các dung dịch để nhỏ lên các tấm lƣới bằng đồng đã đƣợc trải một lớp màng Cacbon, các hạt nano tinh thể sẽ mắc trên các lƣới đỡ này khi đo dƣới 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. Nhƣ 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 nhƣ lệch mạng, các sai hỏng…đƣợc giải thích theo cơ chế tƣơng phản nhiễu xạ.
Cơ chế tƣơng 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
36
nhiều nguyên tử hơn là đi qua chỗ mỏng.Đối với mẫu vô định hình đây là cơ chế tƣơng phản duy nhất.
Một trong những ƣu điểm của kính hiển vi điện tử truyền qua 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 đƣợc 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 trƣờng sáng BF (Bright Field) thông thƣờng.Kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát đƣợc nhiều chi tiết nano của mẫu cần nghiên cứu: hình dạng, kích thƣớc hạt, biên các hạt…
Để đo kích thƣớc các hạt nano Au, tôi gởi mẫu đến Viện Vệ Sinh Dịch Tễ Trung Ƣơng; Số 1 – Yersin, Hà Nội.
2.3.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Vào những năm 60, bắt đầu phổ biến Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM). Việc phóng đại ở đây không dựa vào nguyên tắc dùng các thấu kính nhƣ hiển vi quang học hoặc hiển vi điện tử truyền qua. Cách tạo ảnh phóng đại theo phƣơng pháp quét thực hiện nhƣ hình 2.8 và hình 2.9. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng để khảo sát cấu trúc bề mặt mẫu. Thông qua mỗi loại điện tử hay tia X do mẫu phát ra ta có thể xác định đƣợc một số tính chất của mẫu nhƣ kích thƣớc trung bình của hạt, sự phân bố các hạt trên bề mặt mẫu (đồng nhất hay không đồng nhất).
37
Hình 2. 13. Sơ đồ nguyên lý tƣơng tác giữa điện tử và vật liệu.
Khi chùm điện tử (1) tới đập vào mẫu (2), từ bề mặt mẫu phát ra các điện tử tán xạ ngƣợc (3), điện tử thứ cấp (4), bức xạ tia X (5), điện tử hấp thụ (6). Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử sơ cấp đƣợc phát ra từ súng phóng điện tử, sau đó đƣợc gia tốc bằng điện thế từ 1 ÷ 50 kV giữa catot và anot rồi đi qua thấu kính hội tụ quét lên bề mặt mẫu vật đặt trong buồng chân không. Khi chùm tia electron đập vào mặt mẫu, các electron va chạm vào các nguyên tử ở bề mặt mẫu. Từ đó có thể phát ra các electron thứ cấp, các electron tán xạ ngƣợc, các bức xạ nhƣ tia X. Mỗi loại tia hoặc bức xạ nêu trên đều phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chùm tia electron chiếu đến. Ví dụ, số electron thứ cấp phát ra phụ thuộc vào độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số electron tán xạ ngƣợc phụ thuộc nguyên tử số, bƣớc sóng tia X phát ra phụ thuộc bản chất nguyên tử ở bề mặt mẫu (hình 2.8).
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
38
Hình 2. 14. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét.
(1) Súng điện tử, (2)Kính hội tụ, (3) Cuộn lái tia, (4) Vật kính, (5) Điện tử thứ cấp, (6) Mẫu, (7) Máy phát xung quét, (8) Đầu thu điện tử thứ cấp, (9) Màn hiển thị.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy thể hiện trên hình 2.9. Có thể thay đổi độ phóng đại bằng cách thay đổi biên độ quét trên mẫu trongkhoảng milimet đến micromet, khi đó độ phóng đại thay đổi từ vài chục lần đến vài trăm nghìn lần.
Năng suất phân giải của kính hiển vị điện tử quét bị hạn chế bởi kích thƣớc của chùm tia điện tử chiếu vào mẫu. Phải đảm bảo cho số điện tử N chiếu vào mẫu trong một đơn vị thời gian không quá ít để độ nhiễu của ảnh chấp nhận đƣợc.
Mặt khác các tia X đặc trƣng của các nguyên tố phát ra do tƣơng tác giữa chùm điện tử và mẫu cho biết phổ tán sắc năng lƣợng (Energy Dispersion Spectrometer, EDS) xác định chính xác các thành phần nguyên tố trong vật liệu. Các mẫu trong khóa luận đƣợc chụp ảnh bề mặt tại Trƣờng ĐH KU Leuven – Bỉ.
39
2.3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu phổ hấp thụ
Cơ sở lí thuyết của máy đo phổ hấp thụ UV – Vis dựa trên định luật Bouguer- Lambert:
- Chiếu chùm ánh sáng đơn sắc, song song với cƣờng độ I0 tới vuông góc với một môi trƣờng trong suốt đồng chất đƣợc giới hạn bởi hai đƣờng thẳng song song có độ dài l, thì môi trƣờng hấp thụ một phần ánh sáng khi chùm sáng đi ra khỏi môi trƣờng này cƣờng độ ánh sáng sẽ bị giảm đi, còn lại là I. Cụ thể, khi ta cho chùm ánh sáng có độ dài bƣớc sóng xác định trong vùng khả kiến (Vis) hay trong vùng tử ngoại gần (UV) đi qua vật thể hấp thụ (thƣờng ở dạng dung dịch). Dựa vào lƣợng ánh sáng đã bị hấp thụ bởi dung dịch mà suy ra nồng độ (hàm lƣợng) của dung dịch đó.
Cƣờng độtia tới: I0 = I + IA+Ir
Trong đó: I0 : là cƣờng độ ban đầu của nguồn sáng
I :là cƣờng độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch IA : là cƣờng độ ánh sáng bị hấpthụ bởi dung dịch
Ir : là cƣờng độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch (giá trị này đƣợc loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo).
Cƣờng độ hấp thụ bức xạ của 1 chất đƣợc xác định dựa trên sự giảm cƣờng độ chùm bức xạ khi chiếu qua dung dịch chứa chất khảo sát và đƣợc chứng minh bởi định luật hấp thụ ánh sáng củaBouguer-Lambert-Beer.
Độ hấp thụ A của dung dịch tỷ lệ với nồng độ mol chất ban đầu (C) và bề dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua (l) của lớp chất khảosát.
lC I
I
Alg 0
(2.2) Trong đó: C (mol/l); l(cm), là hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào bƣớc sóng
40
của môi trƣờng mà không phụ thuộc vào nồng độ C của tâm hấp thụ. (nếu C = 1 mol/l, l = 1 cm thì đƣợc gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam; nếu C = 1% , l = 1 cm thì đƣợc gọi là hệ số hấp thụ riêng).
Nhƣ vậy, mối quan hệ giữa cƣờng độ ánh sáng I và I0 đƣợc viết lại nhƣ sau:
Cường độ ánh sáng của chùm song song đi qua lớp môi trường hấp thụ có độ
dày I sẽ giảm đi theo một quy luật hàm mũ kl Cl
e I e I I 0. 0. (k là hệ số hấp thụ tự nhiên)
Định luật Lambert – Beer là cơ sở cho phép phân tích định lƣợng nhằm xác định nồng độ tâm hấp thụ cũng nhƣ nồng độ của dung dịch bằng quang phổ kế hấp thụ.
* Phổ kế hấp thụ:
Gọi I0( ) là cƣờng độ ánh sáng tới có bƣớc sóng .
( )
I là cƣờng độ ánh sáng truyền qua mẫu có độ dày l có bƣớc sóng .
Độ truyền qua của mẫu đƣợc xác định: 0 ( ) I T I (2.3) Độ hấp thụ của mẫu đƣợc xác định: 0 ln lnI A T I (2.4) Dấu (-) ở biểu thức có ý nghĩa là do sự hấp thụ của môi trƣờng vật chất mà cƣờng độ chùm bức xạ đi qua nó bị giảm dần.Từ hai biểu thức trên ta suy ra: