Không một chất nào lại hấp thụ trong toàn bộ các vùng phổ điện từ. Sự hấp thụ thường tập trung vào từng vùng phổ hẹp, cho nên để thuận lợi, người ta thường biểu diễn và xem xét từng vùng phổ riêng biệt như: vùng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại…
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ Kνvào tần số hoặc bước sóng gọi là đường cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất hấp thụ đều hấp thụ lọc lựa ở những bước sóng khác nhau.
Phương trình (2.1) là biểu thức toán học của định luật Beer-Lamber: khi hấp thụ tia đơn sắc, độ hấp thụ phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ chất hấp thụ. Tùy từng chất, định luật Beer-Lamber thường đúng trong một khoảng nồng độ.
Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia. Ánh sáng tới được tách thành các ánh sáng đơn sắc nhờ cách tử nhiễu xạ. Tiếp đó, chùm sáng đơn sắc được chia thành hai tia có cường độ bằng nhau nhờ gương bán phản xạ. Một trong hai tia sáng truyền qua cuvet thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, có cường độ I sau khi truyền qua mẫu. Tia còn lại truyền qua cuvet tương tự chứa dung môi để so sánh. Cường độ của tia sáng sau khi truyền qua mẫu so sánh là I0. Việc quay cách tử và tự động so sánh cường độ các tia sáng sau khi truyền qua dung dịch chứa mẫu nghiên cứu và mẫu
dung môi sẽ cho phép nhận được phổ hấp thụ của mẫu nghiên cứu dưới dạng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào bước sóng.
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia
Các dung dịch chứa keo nano vàng 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 200 nm đến 2700 nm.
2.2.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối
Để ghi lại hình ảnh và theo dõi sự chuyển động của các hạt nano vàng sau khi chế tạo được, chúng tôi sử dụng kính hiển vi quang học trường tối.
Nguyên lý:
Dựa vào sự tương phản giữa ảnh vật với nền tối để nâng cao khả năng quan sát của mắt người hay camera về ảnh đó. Kính hiển vi trường tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị khúc xạ hay tán xạ mạnh. Chùm ánh sáng từ nguồn được chặn lại bởi tấm chắn sáng, màn chắn sáng chắn chùm sáng trung tâm (tạo nền đen của trường nhìn), chỉ cho ánh sáng vòng ngoài
đi qua để tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng vòng ngoài được hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Như vậy ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên nền đen trong trường nhìn. Với cấu hình này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu. Những ánh sáng nào không đi qua mẫu sẽ không được vật kính thu thập và bị loại bỏ hoàn toàn (loại nhiễu).Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối được minh họa trên hình 2.6a.
(a) (b)
Hình 2.6.(a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. (b) Ảnh trường tối (bên
phải) được so sánh với ảnh trường sáng (bên trái) được tạo bởi kính hiển vi trường tối.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng kính hiển vi trường tối có cấu hình quang học được thiết kế như hình 2.7. Với cấu hình quang học này, ánh sáng kích mẫu có thể ở chế độ truyền qua hoặc phản xạ nhờ đèn halogen 1 và halogen 2. Để điều khiển mẫu được dễ dàng, một giá để mẫu với độ phân giải cao được lắp thêm vào và hiệu chỉnh một cách dễ dàng tới µm. Sau khi ánh sáng tán xạ từ mẫu phát ra được thu vào một camera nhanh nhạy EMCCD. Với camera này cho phép thu được tín hiệu với tần số lên đến gần 35 kHz, từ đó có thể dễ dàng ghi lại các video mô tả quá trình chuyển động của hạt nano. Các kết quả đo đạc sẽ được phân tích kỹ trong chương 3.
Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử dụng để quan sát các hạt nano vàng
2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
Theo dõi một hạt duy nhất chuyển động trong dung dịch là một công nghệ theo dõi sự chuyển động của từng phân tử phát quang (huỳnh quang chẳng hạn) dựa trên một hệ ghi ảnh nhanh. Chúng ta lưu lại các quỹ đạo của từng hạt đã được đánh dấu, điều này cho phép nhận được tín hiệu/nhiễu rất tốt và do đó xác định được vị trí của hạt cần theo dõi. Đây là một phương pháp rất mới đang được phát triển để hiện ảnh các quỹ đạo từng phân tử phát
các phân tử có nồng độ lớn. Công nghệ này được đánh giá rất cao trong lĩnh vực nghiên cứu động học các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp. Như đã trình bày trong phần trên, kính hiển vi trường tối là ứng viên sáng giá được dùng để quan sát sự tán xạ và hiện ảnh plasmon của hạt nano vàng trong các môi trường phức hợp. Công nghệ theo dõi đơn phân tử là rất lý tưởng cho việc làm bộc lộ các đặc trưng của từng hạt nano sẽ được sử dụng để xác định sự dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc của nó. Để thuận lợi, chúng tôi ghi một video gồm 1000 ảnh nhờ một camera rất nhạy EM-CCD Andor. Khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s. Quy trình của công nghệ theo dõi đơn hạt thông thường bao gồm 4 bước ( Hình 2.8)
Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt Bước 1: Ghi một video dưới kính hiển vi trường tối.
Video bao gồm 1000 ảnh và khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s.
Bước 2: Xác định các vị trí tương ứng với mỗi ảnh hiển thị.
Một chuỗi các ảnh được ghi lại bởi camera, sau đó được phân tích bởi phần mềm ImageJ bằng cách sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC [24]. Có một số thông số cần được lựa chọn phù hợp để phát hiện ra các hạt, như; radius of particle (pixel) – đây là bán kích của vết sáng trên ảnh chứ không phải bán kính thực của hạt nano; cutoff- số điểm để phân biệt các hạt; percentile- để xác định các điểm ảnh sáng được coi như là hạt. Tất cả các điểm trong
percentile trên của phân bố các cường độ hình ảnh được coi là một hạt. Đơn vị: phần trăm (%).
Để xác định vị trí và theo dõi các đơn hạt trong một video, phần mềm mã nguồn mở ImageJ Plugin đã được sử dụng. Bằng phần mềm này dễ dàng tìm quỹ đạo chuyển động của từng hạt nano theo thời gian. Dưới đây là trình bày tóm tắt cách sử dụng
plugin/Mosaic/Particles Tracker in 2D/3D trong ImageJ: Tải và mở phim trong ImageJ
Một quỹ đạo của hạt được xác định khi liên kết các điểm trong từng ảnh. Trong báo cáo này, chúng tôi xử lý video (phim) có số lượng là 1000 ảnh ứng với khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3 giây. Khoảng thời gian giữa các ảnh tiếp theo cũng sẽ tăng dần theo số lượng các ảnh: ∆tn ảnh=0,3 n (số ảnh tiếp theo). Thời gian đó, gọi là thời gian trôi của hạt. Ký hiệu là 𝜏, đơn vị giây (s).
Mở video/File -> Open , ... từ các tập tin.(Hình 2.9 a)
a) b)
Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt
Chọn các thông số phát hiện các hạt và xem trước (preview detected)
Lựa chọn Plugins Mosaic Particle Tracker 2D/3D (Hình 2.9b)
Xem kết quả
Nhấp vào Visualize all Trajectories (quan sát tất cả các qũy đạo).
Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to
để thấy rõ hơn quỹ đạo dịch chuyển của một đơn hạt )
Từ đây chúng ta có thể lấy ra được các thông tin chi tiết cho từng quỹ đạo. Ví dụ dưới đây là hiển thị chi tiết cho quỹ đạo của 1 hạt (trajectory 19) của đơn hạt được quan sát
Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 18) xuất ra từ thuật toán của
Hình 2.12.Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa độ x và y tạo
thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano
Bước 3: Theo dõi sự dịch chuyển các hạt thông qua việc nối lại các đốm sáng đã được phát hiện.
Từ bảng kết quả này cho ta những thông tin quan trọng để xác định các thông số động học cần khai thác. Trên hình 2.12a chỉ các quỹ đạo tương ứng với mỗi đơn hạt được phát hiện. Hình 2.12b bao gồm các hàng loạt các khung hình của quỹ đạo và chính là tương ứng với các ảnh trong video, nó bắt đầu từ 0-nghĩa là nếu ta chọn trục z dọc theo thứ tự các ảnh thì Frame 0 sẽ là gốc tọa độ (xem hình 2.11). Cột x và y là tọa độ phụ thuộc vào thời gian (t) tương ứng của phân tử (khung hình) tại các ảnh theo hai trục x và y trong mặt phẳng (x,y). Như vậy, ứng với mỗi vị trí (hay mỗi Frame hoặc mỗi ảnh) sẽ xác định được tọa độ x(t) và y(t) (có đơn vị là pixel) của phân tử (trên ảnh là đốm sáng), từ đó dễ dàng tính được bình phương trung bình dịch chuyển theo phương x và phương y. (Hình 2.12 b) thể hiện các tọa độ x và y tạo thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame) cho 1 quỹ đạo của một đơn hạt .
Bước này sẽ thực hiện việc liên kết (hay nối) các điểm tương ứng các ảnh với khoảng cách giữa các ảnh theo thời gian (t). Từ đó, xác định được quỹ đạo chuyển động của hạt (hình 2.12 b).
Bước 4: Phân tích kết quả thu được
Từ các bước đã thực hiện ở trên, chúng ta có một cơ sở dữ liệu để phân tích và tính toán các đại lượng cần thiết. Từ đó tính được bình phương trung bình dịch chuyển từ số liệu thực nghiệm trong không gian 2 chiều ( 2 2 2
( ) ( ) ( )
r t x t y t ) theo tất cả các Frame nhờ vào phần mềm matlab (chương trình code được trình bày trong phần phụ lục).Trong đề tài này, tôi đã thực hiện đo đạc và phân tích thống kê trên một số mẫu có tỉ lệ % khác nhau và mỗi tỉ lệ % phân tích hàng chục đơn hạt riêng lẻ. Sau đó kết hợp với lý thuyết (phương trình 1.10) để xác định hệ số khuếch tán , quãng đường dịch chuyển , vận tốc dịch chuyển và bán kính thủy động lực học của từng đơn hạt nano trong các môi trường phức hợp Glycerol-Nước có tỉ lệ khác nhau . Các kết quả thu được sẽ được tôi trình bày và phân tích chi tiết và cụ thể hơn trong chương 3.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Sau quá trình làm thực nghiệm và xử lí số liệu như đã được trình bày ở chương 2. Trong chương này tôi sẽ trình bày và phân tích các kết quả thu được và thảo luận về các kết quả đó
3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu
Như trên tôi đã trình bày, các hạt nano vàng dạng cầu được chế tạo bằng phương pháp Turkevitch - Oxi hoá khử tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học khoa học - Đại học Thái nguyên. Trên hình 3.1a thể hiện ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các hạt nano vàng dạng cầu. Chúng ta thấy rõ ràng rằng các hạt nano vàng phân bố kích thước khá đồng đều khoảng 15 nm và đơn phân tán. Với những kích thước như vậy là một lợi thế khi nghiên cứu chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên của các hạt trong dung dịch vì các hạt nano khi nhận được có hình dạng cầu đối xứng hình học. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này tôi tập trung chủ yếu vào chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển động dịch chuyển Brown) dưới kính hiển vi trường tối.
Hình 3.1 b là phổ hấp thụ plasmon của các nano vàng thu được. Kết quả cho thấy phổ hấp thụ có 1 đỉnh duy nhất ở bước sóng 521 nm và độ bán rộng phổ 46 nm, điều đó cho thấy chúng có dạng cầu với kích thước quãng 15 nm và phù hợp với lý thuyết Mie. Các hạt nano này được dùng để nghiên cứu các thông số động học trong môi trường Glycerlol- nước theo các tỷ lệ nồng độ khác nhau như đã được chuẩn bị trong chương 2.
3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp 3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol. 3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol.
Những khảo sát về động học của hạt trong môi trường chất lỏng đòi hỏi hiểu biết về độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ. Các dung dịch glycerol nước được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu thực nghiệm về chuyển động Brown của hạt. Các thí nghiệm khi được thực hiện với các hỗn hợp glycerol tạo điều kiện thuận lợi cho việc khảo sát các thông số động học trong môi trường hợp chất. Tuy nhiên, cách tiếp cận được sử dụng để ước tính độ nhớt của dung dịch glycerol cần phải được làm sáng tỏ vì thực tế các tài liệu nghiên cứu về nó chưa nhiều. Điều này phần lớn là do không có lý thuyết toàn diện về độ nhớt của chất lỏng hiện nay. Một số phương pháp lý thuyết bao gồm những phương pháp được phát triển trên cơ sở động lực phân tử có thể cung cấp những hiểu biết có giá trị về các nguyên tắc cơ bản có liên quan nhưng thường gây ra sai lệch lớn so với dữ liệu độ nhớt đo được [25], [26]. Thực tế, việc tính toán độ nhớt hỗn hợp thường được thực hiện với sự tương quan trên cơ sở dữ liệu giữa độ nhớt và tính chất lỏng khác.
Chen và Pearlstein [27] đã đề xuất một mối tương quan bốn tham số cho độ nhớt động lực của hỗn hợp nước glycerol-nước. Công thức đề xuất trong nghiên cứu này được phân tích và tiến hành cho nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 100 °C ở áp suất khí quyển. Đầu tiên, độ nhớt động lực của hỗn hợp glycerol-nước, có liên quan đến các thành phần của hai thành phần ở dạng năng lượng.
ɳ(T) =𝜇𝑤 𝛼 . 𝜇𝑔 1−𝛼. (3.1)
trong đó các chỉ số w và g biểu thị nước và glycerol tương ứng và α là một hệ số thay đổi từ 0 đến 1 được xác định qua công thức:
𝛼 = 1 − 𝐶𝑚+ 𝑎𝑏𝐶𝑚 (1−𝐶𝑚 )
𝑎𝐶𝑚+𝑏(1−𝐶𝑚 ) (3.2)
Với Cm là nồng độ glycerol. Để ước tính a và b, dữ liệu được sử dụng được tính toán khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng 0°C <T <100°C. Các mối quan hệ của a và b đến nhiệt độ được hiển thị gần đúng bởi:
a=0,705 - 0,0017T
và b= (4,9 + 0,036T) a2,5 . (3.3)
Công thức đề xuất (3.1) có tính chất nội suy, do đó độ nhớt của hai thành phần, µw và µg, phải được biết. Độ nhớt của nước µw thay đổi theo nhiệt độ, cần lưu ý rằng µw giảm khi nhiệt độ T tăng.
𝜇𝑤 = 1,790exp ((−1230−𝑇)𝑇
36100+360𝑇) (3.4) Tương tự để tính độ nhớt động của glycerol µg ta có:
𝜇𝑔 = 12100exp ((−1233+𝑇)𝑇
9900+70𝑇 ) (3.5)
Từ các phân tích trên, hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp nước+glycerol ở theo công thức 3.1 [28]. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol
Nhiệt độ (oC) Glycerol (%) Nước (%) Hệ số nhớt hỗn hợp
20 80 0,0014 30 70 0,002 40 60 0,0029 23 (oC) 50 50 0,0045 60 40 0,0078 70 30 0,0156 90 10 0,1244
Môi trường Glycerol+ nước là một môi trường giả sinh học và gần với môi trường tế bào sống nên việc xác định các thông số động học trong môi trường này sẽ phù hợp cho các hướng nghiên cứu sau này
3.2.2. Xác định hệ số khuếch tán (Dt) bằng phương pháp theo dõi đơn hạt
Chúng ta biết rằng khi một quả cầu nhỏ đắm mình trong một chất lỏng nó sẽ chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển động Brown). Theo lý thuyết, bình phương dịch chuyển trung bình trong không gian 2 chiều được xác định:
〈𝑟2(𝑡)〉 = 4. 𝐷. 𝜏 (3.6)
với 𝜏 , 𝐷 tương ứng là thời gian trôi và hệ số khuếch tán dịch chuyển của hạt. Trong thực nghiệm, chúng ta dễ dàng đo được giá trị 〈𝑟2(𝑡)〉 theo: