6. Nội dung nghiờn cứu
1.2.3. Cỏc hạt nano silica chứa cỏc phõn tử màu hữu cơ
Hạt nano silica cú chứa tõm màu hữu cơ hiện nay đang cú nhiều cỏc ứng dụng triển vọng trong cỏc nghiờn cứu đỏnh dấu sinh học. So với cỏc chất màu hữu cơ thỡ cỏc hạt nano này cú độ bền quang cao hơn vỡ cú nền là silica bảo vệ. Độ chúi của tớn hiệu huỳnh quang của cỏc hạt nano silica cú thể được điều khiển bằng số phõn tử chất màu trong mỗi hạt với mật độ chất màu lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vỡ vậy, cỏc hạt này cú thể cú độ bền quang tương đối tốt và khụng nhấp nhỏy [1].
Dạng phổ quang học của cỏc hạt nano silica chứa tõm màu nhỡn chung khụng thay đổi so với cỏc chất màu hữu cơ tương ứng tự do trong dung mụi, tuy nhiờn đỉnh phổ cú bị lệch do tương tỏc của cỏc phần tử màu với mạng nền chứa nú. Hỡnh 1.7 là phổ huỳnh quang của cỏc hạt nano silica kớch thước 20 nm chứa chất màu Rhodamine B so sỏnh với chất màu tự do trong dung mụi, đỉnh phổ hấp thụ và huỳnh quang của cỏc hạt nano này bị dịch về phớa súng dài khoảng 10 nm [1]. Do cú mạng nền bảo vệ nờn cỏc hạt nano này cú độ bền quang. Cỏc nghiờn cứu cũn cho thấy thời gian sống của chất màu hữu cơ tăng lờn khi đưa chỳng vào mạng nền silica [1].
450 500 550 600 650 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 B-ớc sóng (nm) 4 31 2 (1) Hấp thụ của RhB/SiO2
(2) Huỳnh quang của RhBSiO2
(3) Hấp thụ của RhB/Ethanol
(4) Huỳnh quangcủa RhB/Ethanol
Hỡnh 1.7. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của cỏc hạt nano silica chứa Rhodamine và Rhodamine tự do trong dung mụi [1].
1.3.Sự tƣơng tỏc quang giữa cỏc chất huỳnh quang và cỏc hạt nano kim loại
Tương tỏc quang giữa cỏc chất huỳnh quang và cỏc hạt nano kim loại được nghiờn cứu qua ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của cỏc hạt kim loại lờn huỳnh quang của chất phỏt quang [2], [12], [16]. Cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra một chất phỏt quang khi ở gần một bề mặt kim loại thỡ huỳnh quang của nú cú thể được tăng cường hoặc dập tắt (hay bị giảm). Sự phỏt xạ hoặc dập tắt của một hạt phỏt quang gần cỏc bề mặt kim loại cú thể được dự đoỏn từ cỏc tớnh chất quang của cỏc cấu trỳc kim loại sử dụng cỏc tớnh toỏn từ điện động lực, lý thuyết Mie, hoặc từ cỏc phương trỡnh Maxwell. Theo lý thuyết Mie, sự dập tắt hay tăng cường huỳnh quang do cỏc hạt nano keo kim loại gõy ra phụ thuộc vào sự hấp thụ hoặc tỏn xạ [2],[15].
1.3.1. Mụ hỡnh tƣơng tỏc lƣỡng cực - lƣỡng cực
Sự ảnh hưởng của cỏc bề mặt kim loại lờn huỳnh quang của cỏc chất phỏt quang đó được phỏt hiện từ lõu cú lẽ là từ cỏc bỏo cỏo kinh điển của Drexhage [30]. Một phần tử chất phỏt quang được đặt trước một bề mặt kim loại phản xạ với khoảng cỏch trong thang bước súng, vớ dụ như một màng bạc dày 100 nm hoặc một gương cho kết quả là thời gian sống phỏt xạ dao động theo khoảng cỏch tớnh từ bề mặt kim loại. Cỏc nghiờn cứu này cho kết quả là cỏc nghiờn cứu lý thuyết và thực nghiệm về sự tương tỏc giữa một phần tử chất phỏt quang với
một bề mặt kim loại như là tương tỏc của một lưỡng cực dao động với bề mặt kim loại hoặc cỏc hạt kim loại.
Hỡnh 1.8. Minh họa hương song và vuụng gúc của một lưỡng cực dao động dặt gần một bề mặt kim loại [14].
Ảnh của moment lưỡng cực trờn một bề mặt của kim loại được minh họa như trờn hỡnh 1.8. Sự tương tỏc quang của một chất phỏt huỳnh quang với một bề mặt kim loại ở đõy được mụ hỡnh húa như là sự tương tỏc của một lưỡng cực dao động với một bề mặt kim loại dẫn điện hay tương tỏc lưỡng cực - lưỡng cực [14].
Quỏ trỡnh tương tỏc giữa lưỡng cực của chất phỏt huỳnh với điện tử tự do gần bề mặt hạt nano kim loại sẽ làm cho dao động lưỡng cực của chất phỏt huỳnh quang tắt dần hoặc được tăng cường tựy thuộc vào hướng của mụ men lưỡng cực của chất phỏt quang. Bề mặt kim loại được vớ như một chiếc gương và tạo ra ảnh của vector moment lưỡng cực. Với những vector moment lưỡng cực vuụng gúc với bề mặt kim loại, ảnh tạo ra trờn bề mặt kim loại cú thể nõng cao trường điện định xứ của lưỡng cực qua quỏ trỡnh cộng hưởng. Với những vector moment lưỡng cực song song với bề mặt kim loại thỡ ảnh của nú trờn bề mặt kim loại cú hướng ngược moment lưỡng cực phõn tử ban đầu, đúng gúp vào quỏ trỡnh làm tắt dần dao động lưỡng cực của phõn tử.Quỏ trỡnh làm tắt dần dao động lưỡng cực của phõn tử tương ứng quỏ trỡnh dập tắt trạng thỏi kớch thớch của phõn tử, tức là cú sự truyền năng lượng từ phõn tử chất màu tới hạt kim loại. Cơ chế truyền năng lượng này được gọi là truyền năng lượng bề mặt (surface energy transfer - SET).
1.3.2. Mụ hỡnh plasmon bức xạ
Tương tỏc giữa chất phỏt quang - kim loại dẫn đến kết quả tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của chất phỏt quang cũn được giải thớch bằng mụ hỡnh plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP). Mụ hỡnh plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP) được Lakowicz đưa ra [13] đưa ra để giải thớch tương tỏc giữa chất phỏt quang - kim loại với kết quả là tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của chất phỏt quang. Mụ hỡnh này được phỏt biểu như sau: “Trong trường hợp cú tăng cường huỳnh quang, cỏc plasmon tạo ra trờn bề mặt kim loại cú thể được bức xạ vào khụng gian tự do - gọi là cỏc plasmon bức xạ - đúng gúp vào trường điện của chất phỏt quang, làm tăng cường huỳnh quang”.
Khả năng một plasmon bức xạ hoặc khụng bức xạ được giải thớch như sau: Khi cú ỏnh sỏng kớch thớch tới chất phỏt quang, phỏt xạ huỳnh quang của chất phỏt quang sẽ kớch thớch cỏc plasmon của bề mặt kim loại. Nếu cỏc plasmon bức xạ được ra trường xa, chỳng ta cú sự tăng cường huỳnh quang của chất phỏt quang do bức xạ của cỏc plasmon cú tần số trựng với tần số của súng ỏnh sỏng tới. Nếu cỏc plasmon khụng bức xạ được, huỳnh quang của chất phỏt quang bị dập tắt, do kim loại hấp thụ ỏnh sỏng huỳnh quang của chất phỏt quang. Từ đõy ta thấy, cỏc hạt kim loại keo kớch thước nhỏ được mong đợi là làm dập tắt huỳnh quang vỡ quỏ trỡnh hấp thụ chiếm ưu thế so với sự tỏn xạ, cũn cỏc hạt keo kớch thước lớn được mong đợi làm tăng trưởng huỳnh quang vỡ thành phần tỏn xạ chiếm ưu thế so với sự hấp thụ. Khả năng một bề mặt kim loại hấp thụ hay phản xạ ỏnh sỏng là do cỏc yờu cầu kết hợp vector súng của súng ỏnh sỏnh tới và vectơ súng plasmon ở mặt phõn cỏch kim loại - điện mụi.
1.3.3. Sự tăng cƣờng và dập tắt huỳnh quang bởi cỏc cấu trỳc nano kim loại
Cỏc cấu trỳc nano kim loại được sử dụng phổ biến để điều khiển huỳnh quang của cỏc chất phỏt quang là cỏc cấu trỳc nano vàng và bạc vỡ phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của cỏc cấu trỳc nano này nằm trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy. Cỏc cấu trỳc nano kim loại cú thể làm tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của cỏc chất phỏt quang tựy thuộc vào cấu hỡnh quang học giữa chất phỏt quang và
kim loại. Sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của cỏc hạt phỏt quang khi đặt gần cỏc hạt kim loại cú thể được giải thớch theo mụ hỡnh plasmon bức xạ như trờn và cỏc tớnh chất quang của cỏc hạt keo kim loại. Hệ số dập tắt của cỏc hạt keo kim loại do hai thành phần quyết định đú là hấp thụ và tỏn xạ. Sự phõn bố tương đối giữa hấp thụ và tỏn xạ trong hệ số dập tắt phụ thuộc vào từng kim loại và kớch thước của chỳng. Ánh sỏng tới gõy ra cỏc dao động điện tớch trong cỏc hạt keo kim loại tương tự như trong trường hợp đối với màng kim loại, và cỏc dao động điện tớch cú thể phỏt xạ năng lượng như là một súng lan truyền trường xa. Theo mụ hỡnh plasmon bức xạ, sự hấp thụ của cỏc hạt kim loại sẽ gõy ra sự dập tắt huỳnh quang và thành phần tỏn xạ sẽ làm tăng cường huỳnh quang.
Cỏc nghiờn cứu chỉ ra khi đưa một chất phỏt quang vào gần một cấu trỳc kim loại, luụn cú sự truyền năng lượng một chiều từ chất phỏt quang sang kim loại (tương tự như quỏ trỡnh truyền năng lượng huỳnh quang giữa hai chất phỏt quang) do thời gian sống của điện tử trong kim loại là rất ngắn ~ 10 fs [31]. Sự thay đổi cường độ huỳnh quang của một chất phỏt quang khi cú mặt hạt kim loại phụ thuộc vào cả hai quỏ trỡnh hấp thụ và tỏn xạ của hạt kim loại. Nếu quỏ trỡnh hấp thụ chiếm ưu thế, huỳnh quang của chất phỏt quang sẽ bị dập tắt. Quỏ trỡnh hấp thụ gõy ra cỏc plasmon định xứ trờn bề mặt kim loại, cỏc plasmon này là cỏc súng tiờu tỏn trờn bề mặt kim loại. Nếu quỏ trỡnh tỏn xạ hay kớch thớch cỏc plasmon bức xạ ra khụng gian tự do chiếm ưu thế, cường độ huỳnh quang sẽ được tăng cường. Lỳc đú hiệu suất lượng tử của chất phỏt quang sẽ tăng. Hai quỏ trỡnh này cú thể được mụ tả là tương ứng với hai cơ chế truyền năng lượng: truyền năng lượng Fửrster (tương tự như truyền năng lượng giữa 2 chất phỏt quang) từ hạt phỏt huỳnh quang tới cỏc hạt nano kim loại làm dập tắt huỳnh quang; và tăng cường trường plasmon ở tần số phỏt xạ huỳnh quang (plasmon liờn kết tăng cường huỳnh quang) làm tăng cường huỳnh quang [2],[5].
Sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa một phần tử chất phỏt quang và một hạt nano kim loại cú thể được minh họa như trờn hỡnh 1.10 bờn trỏi. Chất phỏt quang đúng vai trũ là donor - chất cho và hạt nano kim loại đúng vai trũ là chất nhận - acceptor. Ánh sỏng huỳnh quang từ chất phỏt quang đến kớch thớch cỏc plasmon bề mặt của hạt nano kim loại, kết quả là huỳnh quang của chất phỏt quang cú thể được tăng cường hoặc dập tắt. Sự truyền năng lượng cộng hưởng này cho thấy tương tỏc quang học giữa donor và acceptor cú thể được biểu diễn trực quan bằng giản đồ Feynman cũng trờn hỡnh 1.9, bờn phải.
Hỡnh 1.9. Minh họa sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa phỏt chất huỳnh quang (donor) và hạt nano kim loại (acceptor) [5],[19].
Theo lý thuyết truyền năng lượng, sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang hay truyền năng lượng Fửrster (FRET) là sự truyền năng lượng khụng bức xạ phụ thuộc vào khoảng cỏch từ một chất phỏt huỳnh quang bị kớch thớch (donor) lờn một chất nhận (acceptor) phự hợp thụng qua tương tỏc lưỡng cực Coulomb. Điều kiện để cú FRET xảy ra là phải cú sự chồng chập giữa phổ phỏt xạ của donor D và phổ hấp thụ của acceptor A; donor và acceptor coi như 2 lưỡng cực dao động định hướng song song; và sự truyền năng lượng xảy ra trong một khoảng cỏch phự hợp nhất định (thụng thường từ 1 đến 10 nm đối với 2 phần tử chất màu hữu cơ). Hiệu suất truyền năng lượng được cho bởi biểu thức:
F R E T 6 F R E T 1 E = 1 + ( R / R ) (1.26)
Trong đú R là khoảng cỏch giữa D và A, RFRET là bỏn kớnh Fửrster (bỏn kớnh mà tại đú cường độ huỳnh quang của donor giảm đi một nửa).
Cỏc kết quả thực nghiệm gần đõy cho thấy rằng sự truyền năng lượng giữa chất phỏt huỳnh quang (donor D) và hạt nano kim loại (acceptor A) giống như sự truyền năng lượng từ một lưỡng cực dao động cho một bề mặt kim loại (truyền năng lượng bề mặt - SET) với hiệu suất truyền năng lượng tỷ lệ với bậc 4 của khoảng cỏch và được cho bởi biểu thức:
S E T 4 S E T 1 E = 1 + ( R /R ) (1.27)
trong đú RSET là bỏn kớnh truyền năng lượng bề mặt SET tương tự như bỏn kớnh Fửrster.
Đối với bài toỏn hiệu ứng plasmon bề mặt, trong cỏc tài liệu nghiờn cứu cú liờn quan cho thấy cũn cú tồn tại một cơ chế truyền năng lượng nữa là cơ chế truyền năng lượng Coulomb (CET) bằng cỏch phỏt xạ plasmon - cơ chế này làm tăng cường huỳnh quang. Tương tự như cỏc trường hợp FRET và SET, hiệu suất truyền năng lượng trong CET được cho bởi:
C E T 2 C E T 1 E = 1 + ( R /R ) (1.28) Ở đõy RCET là bỏn kớnh tương tỏc CET, tương tự như bỏn kớnh Fửrster.
Tại R = RFRET, RSET và RCET, một nửa năng lượng kớch thớch của D được truyền tới hạt nano kim loại A. Tốc độ truyền năng lượng kE được xỏc định:
kE GDGA (1.34)
Trong đú, GA và GD cỏc hệ số tương tỏc của donor và acceptor [24]. Những hệ số này cú thể được đơn giản húa theo nghịch đảo khoảng cỏch phụ thuộc vào sự sắp xếp hỡnh học của cỏc lưỡng cực: lưỡng cực đơn: G 1/R3, lưỡng cực 2 chiều: G 1/R và lưỡng cực 3 chiều: G const.
Trong trường hợp của FRET, D và A là hai lưỡng cực đơn, tốc độ truyền sẽ tỷ lệ với:
kFRET GDGA GDiopleGDiople(1/R3)(1/ R3) = 1/R6 (1.29)
Tương tự, tốc độ truyền năng lượng từ một lưỡng cực đến một bề mặt kim loại được mụ tả sự chuyển đổi liờn vựng (interband), được tiếp tục mở rộng đến cỏc electron dẫn trong cỏc kim loại, với tốc độ truyền năng lượng bề mặt SET là:
kSET GDGA GDiopleGSurf(1/R3)(1/R) = 1/R4 (1.30) Tương tự, tốc độ truyền CET là :
kCET GDGA GSurfGSurf(1/R)(1/R) = 1/R2
(1.31)
Như vậy, năng lượng truyền đến một bề mặt theo cỏc khoảng cỏch là khỏc nhau và độ lớn tương tỏc là khỏc nhau. Do đú sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc vào cỏc tốc độ truyền năng lượng khỏc nhau hay cấu hỡnh quang học giữa donor và acceptor. Chớnh vỡ lý do này, đề tài sẽ tớnh toỏn cỏc tốc độ hồi phục bức xạ và khụng bức xạ của chất màu Rhodamine trong cỏc trường hợp tăng cường và dập tắt huỳnh quang bị ảnh hưởng bởi trường plasmon của cỏc hạt nano vàng.
Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu tiến hành nghiờn cứu
2.1.1. Chất màu Rhodamine
Họ chất màu Rhodamine là một trong cỏc chất màu hữu cơ phỏt huỳnh quang (fluorophores) phổ biến. Rhodamine cựng với cỏc chất màu fluorescein (được sử dụng để giỳp chẩn đoỏn phỏt hiện cỏc tổn thương mắt như dị vật và trầy xước giỏc mạc) và eosin (thường được sử dụng để đỏnh dấu tế bào) đều là dẫn xuất của xanthene (phõn tử cú 3 mắt xớch 6 cạnh). Hỡnh 2.1 trỡnh bày cấu trỳc chung của xanthene và rhodamine.
Hỡnh 2.1. Cấu trỳc xanthene (bờn trỏi) và lừi của cỏc phõn tử rhodamine (bờn phải)
Họ chất màu Rhodamine là một trong những họ chất màu hữu cơ truyền thống được dựng phổ biến trong cỏc kỹ thuật đỏnh dấu huỳnh quang, ứng dụng trong cỏc xột nghiệm sinh húa và làm mụi trường khuếch đại laser. Rhodamine được sử dụng rộng rói làm đầu dũ huỳnh quang do hệ số hấp thụ cao và độ phỏt huỳnh quang rộng trong vựng nhỡn thấy của quang phổ súng điện từ, hiệu suất lượng tử huỳnh quang cao và khả năng phỏt quang khỏ ổn định. Cỏc thành viờn quan trọng của họ chất màu rhodamine được biết đến là Rhodamine 6G (R6G), Rhodamine 123 (R123) và Rhodamine B (RB). Trong điều kiện thực nghiệm của luận văn, đề tài thực hiện cỏc thớ nghiệm khảo sỏt tớnh chất quang của hai chất màu R6G và RB. Cỏc chất màu Rhodamine được mua của hóng Thermofisher Scientific; chỳng cú thể tan trong cỏc dung mụi nước, metanol và ethanol. RB cú màu hồng tớm và R6G cú màu vàng cam dưới ỏnh sỏng nhỡn thấy,
tuy nhiờn RB cú phỏt xạ huỳnh quang màu vàng và R6G cú phỏt xạ huỳnh quang màu xanh lỏ. Hỡnh 2.2 và 2.3 lần lượt trỡnh bày đặc trưng phổ của RB và R6G trong dung mụi nước, bao gồm phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang đó chuẩn húa. Cỏc thụng số của RB và R6G được trỡnh bày trờn bảng 2.1.
450 500 550 600 650 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 576 Phổ huỳnh quang Phổ hấp thụ B-ớc sóng (nm) C-ờn g độ chuẩn hóa RB 553 450 500 550 600 650 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 550 Phổ huỳnh quang Phổ hấp thụ B-ớc sóng (nm) C-ờ ng độ chuẩ n hó a 526 R6G
Hỡnh 2.2. Đặc trưng phổ của chất màu RB.
Hỡnh 2.3. Đặc trưng phổ của chất màu R6G.
Bảng 2.1. Cỏc thụng số chi tiết của RB và R6G