4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.2. CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG (Au)
2.2.2.1. Quy trình
Trong luận văn này, chúng tôi chế tạo hạt nano vàng bằng phƣơng pháp khử hóa học với quy trình cụ thể nhƣ sau:
26
- Bƣớc 1: Pha dung dịch chất khử Na3C6H5O7.2H2O nồng độ 1% (dung dịch A) bằng cách :
Cho 0,25g Na3C6H5O7.2H2O vào 25ml nƣớc cất hai lần, rung siêu âm đến khi tan hết. Ta đƣợc dung dịch chất khử Na3C6H5O7.2H2O nồng độ 1%.
- Bƣớc 2: Pha dung dịch muối vàng HAuCl4.3H2O nồng độ 10mM (dung dịch B).
HAuCl4.3H2O có khối lƣợng nguyên tử là 393,97. Để có dung dịch muối vàng HAuCl4.3H2O nồng độ 10mM, ta cần pha 0,4g HAuCl4.3H2O với 10ml nƣớc cất hai lần. Vì dung dịch HAuCl4.3H2O nhạy sáng, nên sau khi pha cần bọc kín bằng giấy bạc, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng.
- Bƣớc 3: Tiến hành thí nghiệm tạo hạt nano vàng.
Lấy 0,5 ml dung dịch B ở bƣớc 2 pha với 10ml nƣớc cất 2 lần vào cốc thủy tinh, lấy giấy bạc bịt kín miệng cốc. Cho cốc lên máy khuấy từ và khuấy đều trong 5 phút, sau đó gia nhiệt cho đến khi dung dịch đạt nhiệt độ 900C (dung dịch C).
Khi dung dịch trên đạt nhiệt độ 900C, lấy 0,2ml dung dịch A ở bƣớc 1 nhỏ từng giọt vào dung dịch C. Phản ứng khử từ Au3+ thành Au xảy ra ngay khi cho dung dịch A vào. Quan sát màu sắc dung dịch B khi cho dung dịch A vào: màu sắc của muối vàng thay đổi từ màu vàng đặc trƣng sang trong suốt, khi cho chất khử vào lập tức chuyển thành màu tím đem, sau đó chuyển dần sang màu đỏ sậm.
27
Hình 2. 8. Quy trình chế tạo hạt nano Au
2.2.2.2. Gắn phân tử hữu cơ 4-MBA lên hạt nano Au trong dung dịch nano Au Au
Trƣớc tiên, chúng tôi chế tạo dung dịch nano Au nhƣ quy trình trình bày ở mục 2.3.1. Sau đó, chúng tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano Au và sự dịch chuyển đỉnh cộng hƣởng plasmon khi cho dung dịch hữu cơ 4-MBA với nồng độ khác nhau vào dung dịch nano Au đã đƣợc chế tạo ở trên. Các bƣớc tiến hành nhƣ sau:
- Pha dung dịch 4-MBA nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM.
4-MBA có khối lƣợng nguyên tử là 154,19 (ghi trên vỏ lọ đựng hóa chất), 4-MBA hoàn toàn không tan trong nƣớc cất hai lần, chỉ tan trong ethanol.
+ Cho 0,0015416g bột 4-MBA vào trong 10ml dung môi ethanol, bọc kín, cho rung siêu âm đến khi tan hết, ta thu đƣợc dung dịch 4-MBA nồng độ 1 mM.
+ Vì dung dịch 4-MBA có ethanol rất dễ bay hơi, khó bảo quản nên chỉ pha một lƣợng dung dịch 4-MBA vừa đủ dùng. Vì vậy, sau khi pha dung dịch 4-MBA nồng độ 1mM tôi tiến hành pha loãng từ dung dịch có nồng độ 1mM xuống nồng độ 0,1mM, 0,01mM nhƣ sau:
Lấy 1ml dung dịch 4-MBA nồng độ 1mM cho vào 9 ml ethanol, bọc kín rung siêu âm 5 phút, ta đƣợc dung dịch 4-MBA nồng độ 0,1mM.
28
Lấy 1ml dung dịch 4-MBA nồng độ 0,1mM cho vào 9 ml ethanol, bọc kín rung siêu âm 5 phút, ta đƣợc dung dịch 4-MBA nồng độ 0,01mM. - Cho dung dịch 4-MBA nồng độ 1mM, 0,1mM, 0,01mM đã pha ở trên vào dung dịch chứa nano Au theo tỉ lệ thể tích giữa Au:4-MBA là 1:2. Sau khi cho dung dịch 4-MBA vào dung dịch nano Au, hỗn hợp đƣợc giữ ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Chúng tôi tiến hành đo phổ hấp thụ UV-Vis của ba mẫu trên để xác định đỉnh cộng hƣởng plasmon.
- Sau khi đo phổ hấp thụ UV-Vis, chúng tôi tiến hành đo phổ tán xạ Raman.
2.2.3. CHẾ TẠO HẠT NANO BẠC (Ag) 2.2.3.1. Quy trình 2.2.3.1. Quy trình
Chúng tôi tiến hành chế tạo hạt nano Ag bằng hai phƣơng pháp: - Sử dụng chất khử Na3C6H5O7.2H2O nồng độ 1%.
- Sử dụng lò vi sóng.
a)Phương pháp 1: Sử dụng chất khử Na3C6H5O7.2H2O nồng độ 1%.
- Đầu tiên, chúng tôi pha dung dịch chất khử Na3C6H5O7.2H2O nồng độ 1% nhƣ bƣớc 1 trong quy trình chế tạo hạt nano Au.
- Lấy 20ml dung dịch AgNO3 nồng độ 1mM, bọc kín bằng giấy bạc, khuấy từ gia nhiệt đến 800C.
- Khi dung dịch AgNO3 đạt nhiệt độ 80o
C, cho 2 ml chất khử Na3C6H5O7.2H2O nhỏ từng giọt vào dung dịch. Tiếp tục khuấy từ, gia nhiệt ở 80oC trong 5 phút. Ta thấy dung dịch có sự thay đổi màu sắc từ trắng trong suốt sang đen rồi ngả dần về màu vàng nhạt.
b)Phương pháp 2: Sử dụng lò vi sóng (dung dịch chứa hạt nano Ag ở dạng keo)
- Bƣớc 1: Pha dung dịch PVP/EG nồng độ 2,5mM.
Lấy 10mg PVP cho vào 40ml Ethylene glycol (EG), khuấy từ đến khi tan hết ta đƣợc dung dịch PVP/EG nồng độ 2,5mM.
29
- Bƣớc 2: Lấy dung dịch AgNO3 pha với dung dịch PVP/EG nồng độ 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.