3.2.1 Quang phổ huỳnh quang (PL) của ống nao ZnO
Hình 3.4 mô tả phổ huỳnh quang của các ống nano thuần ZnO và ống nano ZnO phủ vàng đƣợc kích thích bằng laser He – Cd ở bƣớc sóng 325nm. Trong đó, ta nhận thấy cƣờng độ đỉnh phổ của ống nano ZnO phân rõ thành hai vùng gồm vùng tử ngoại với đỉnh phổ tại bƣớc sóng 382nm và vùng xanh gồm một dải rộng bƣớc sóng có đỉnh ở khoảng 577nm. Đỉnh phổ cao ở bƣớc sóng 382nm chính là do sự tái tổ hợp exciton trong khi vùng phổ xanh trong dai bƣớc sóng 510nm đến 610nm đặc trƣng cho khuyết tật trong cấu trúc tinh thể nano ZnO nhƣ do nút khuyết oxi hoặc sự xen kẽ oxi trong mạng ZnO gây ra [66]. Xét tỷ lệ tƣơng đối giữa đỉnh phổ tử ngoại và đỉnh phổ vùng xanh ta nhận thấy, đỉnh của vùng phổ tử ngoại gấp nhiều lần đỉnh vùng phổ xanh (khoảng 10-12 lần) chứng tỏ chất lƣợng kết tinh tốt của các ống nano ZnO chế tạo bằng phƣơng pháp thủy nhiệt.
nh 3 4: Quang phổ huỳnh quang của ống nano ZnO.
Cường đ ộ hu ỳn h q uang (p A ) Bước sóng (nm)
3.2.2 Hiệu ứng tăng cƣờng huỳnh quang của của cấu trúc nao ZnO phủ vàng
nh 3 5 a): Phổ PL của mẫu ống nano ZnO và ZnO đ c phủ hạt nano vàng với thời gian phún vàng 5, 10, 15, 20, 30s.
So sánh phổ PL của các ống nano ZnO và các ống nano ZnO sau khi phủ vàng với các thời gian phún vàng khác nhau ta thấy, đỉnh của vùng phổ tử ngoại tăng mạnh trong khi vùng phổ xanh bị dập tắt gần nhƣ hoàn toàn. Cụ thể, tỷ lệ tăng cƣờng đỉnh phổ tử ngoại càng lớn khi tăng thời gian phún xạ vàng lên bề mặt ZnO và đạt cực đại ở thời gian phan phún xạ 10s với cƣờng độ khoảng gấp 5 lần so với mẫu thuần ống ZnO nhƣ trong hình 3.5 a) và b) và bảng 3.1. Sau đó, cƣờng độ PL của các ống ZnO bị giảm khi tiếp tục tăng thời gian phún xạ. Sự thay đổi của phổ PL của ống ZnO phủ vàng đƣợc giải thích dựa trên hiện tƣợng tăng cƣờng huỳnh quang bề mặt nhờ sự có mặt của các hạt nano vàng và tƣơng tác giữa các plasmon bề mặt và trƣờng điện từ chiếu đến của laser.
Cường đ ộ hu ỳn h q uang (p A ) Bước sóng (nm)
nh 3 5 : Đồ thị th hiện sự thay đổi c ờng độ đỉnh UV của mẫu ống nano ZnO phủ hạt vàng theo thời gian phún vàng so với mẫu thu n ống ZnO.
Bảng 3.1: Bảng so s nh tỷ lệ c ờng độ đỉnh phổ 382nm của c c mẫu ống
ZnO phủ vàng so với mẫu khi ch a phún xạ và tỷ lệ c ờng độ đỉnh phổ 382nm so với đỉnh phổ ớc s ng 577nm.
Cấu trúc Au-ZnO với thời gian phún
xạ khác nhau Tỷ lệ cƣờng độ đỉnh phổ ở bƣớc sóng 382nm Tỷ lệ cƣờng độ đỉnh phổ ở bƣớc sóng 382nm so với bƣớc sóng 577nm ZnO thuần 1 11 Cường đ ộ t ỷ đố i (I/I 0 ) Thời gian phún xạ vàng (s)
ZnO-Au (5s) 3,5 64
ZnO-Au (10s) 5,16 351
ZnO-Au (15s) 1,86 131
ZnO-Au (20s) 1,22 319
ZnO-Au (30s) 0,35 99
nh 3 6: Cơ chế tăng c ờng huỳnh quang cấu trúc Au/ZnO
Trƣờng điện từ định xứ của các cấu trúc nanovàng giúp làm tăng cƣờng độ huỳnh quang ở ZnO khi bị kích thích thể hiện trong sơ đồ hình 3.6. Các cấu trúc
vàng phủ trực tiếp trên bề mặt ZnO cho phép điện tử có thể truyền qua lại dễ dàng khi xảy ra sự kết cặp plasmon. Khi bị kích thích, các điện tử nằm ở các mức năng lƣợng do sai hỏng tinh thể đƣợc truyền sang các hạt nano vàng làm giảm cƣờng độ phát huỳnh quang vùng phổ xanh. Các điện tử trong nguyên từ vàng bị kích do sự cộng hƣởng plasmon bề mặt gây ra bởi phát xạ của ZnO, nhảy lên các mức năng lƣợng nằm trên vùng dẫn của ZnO. Các điện tử kích thích của vàng lại tiếp tục đƣợc truyền quay trở vùng dẫn của ZnO nhờ sự kết cặp plasmon – exiton làm gia tăng số điện tử kích thích ở vùng dẫn của ZnO. Sau đó các điện tử này tái tổ hợp với lỗ trống và phát xạ photon. Chuỗi quá trình trên làm giảm cƣờng độ ở phổ ở vùng phát xạ xanh và tăng cƣờng độ đỉnh phổ tử ngoại của ZnO.
Từ các kết quả trên, tôi lựa chọn thời gian phún xạ vàng tối ƣu là 10s để thu đƣợc các mẫu tổ hợp Au/ZnO có khả năng phát quang tốt nhất sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH PHÁT QUANG VÀ THỜI GIAN ĐÁP ỨNG. GIAN ĐÁP ỨNG.
Phổ huỳnh quang của ống nano ZnO đính vàng với thời gian phún xạ 10s đƣợc đo lặp lại nhiều lần, mỗi lần cách nhau 5 phút trong vòng 30 phút để kiểm tra tính phát quang ổn định của các ống nano.
nh 3 7: Đồ thị khảo sát sự ổn định phát quang của các mẫu ống nano ZnO phủ vàng theo thời gian.
Từ đồ thị trong hình 3.7, ta chứng minh đƣợc sự phát quang ổn định của các ống nano ZnO phủ vàng khi không có sự thay đổi đáng kể cƣờng độ đỉnh phổ theo thời gian trong thời gian tối thiểu 30 phút với giá trị cƣờng độ tỷ đỉnh phổ tỷ lệ dao động trong khoảng xấp xỉ 0,99 – 1,015 so với cƣờng độ ban đầu.
Sau khi nghiên cứu sự phát quang ổn định của ống Au/ZnO, tôi tiến hành xác định thời gian phản hồi của các ống nano Au/ZnO với glucose nồng độ 6,0mM thông qua theo dõi sự thay đổi cƣờng độ PL của mẫu ống nano ZnO phủ vàng thay đổi theo thời gian sau đã nhỏ dung dịch đƣờng.
Cường đ ộ t ỷ đố i (I/I 0 )
nh 3 8: Đồ thị th hiện sự thay đổi c ờng độ PL của mẫu ống nano Au(10s)/ZnO đã đ c cố định đ ờng glucose theo thời gian.
Đồ thị hình 3.8 thể hiện cƣờng độ PL của mẫu ống nano ZnO phủ vàng (phún xạ 10s) đƣợc nhỏ 15μl dung dịch đƣờng glucose 6mM theo thời gian. PL của ống ZnO phủ vàng giảm nhanh theo thời gian trong thời gian <5s với cƣờng độ đỉnh PL chỉ còn khoảng 68% cho thấy thời gian đáp ứng của cảm biến nhỏ hơn <5s. Thời gian đáp ứng thu đƣợc nhỏ hơn khi so sánh với cảm biến glucose dựa trên vật liệu ZnO đính enzyme (<10s) cho thấy sự cải thiện về thời gian đáp ứng của cảm biến. [89]. Cường đ ộ t ỷ đố i (I/I 0 )
3.4 KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO ZNO PHỦ VÀNG. NANO ZNO PHỦ VÀNG.
3.4.1 Khảo s t nhạy của cảm biến
Hình 3.9: Ảnh SEM của ống nano ZnO phủ vàng sau khi đ c nhỏ 15 glucose nồng độ 10mM.
Trong hình 3.9 là ảnh SEM của một mẫu sau khi đã đƣợc nhỏ 15 glucose
nồng độ 10mM. Quan sát trên hình cho thấy glucose đã che phủ hầu hết trên bề mặt mẫu, không còn thấy rõ cấu trúc của ống nano Au/ZnO. Điều đó chứng tỏ glucose đã đƣợc cố định thành công trên các ống nano Au/ZnO. Nhƣ đã đề cập trong phần mở đầu, các vật liệu IEP thấp hơn, chẳng hạn nhƣ protein và glucose, dễ dàng đƣợc cố định trên bề mặt ống nano ZnO với IEP cao (9,5).
Hình 3.10: Phổ PL của c c ống nano ZnO phủ Au đã x lý ằng ung ịch glucose nồng độ 0,05mM-14mM C ờng độ đ c chuẩn h a với c ờng độ đỉnh PL
của c c mẫu ống Au/ZnO ch a đ c nhỏ glucose.
Sau đó, 14 mẫu ống nano ZnO phủ vàng bằng phƣơng pháp phún xạ trong
10s đƣợc nhỏ 15 glucose với các nồng độ từ 0,05-15mM và đo phổ phát quang.
Kết quả đo phổ PL của ống nano ZnO phủ vàng sau khi nhỏ glucose đƣợc khảo sát trong khoảng bƣớc sóng từ 370-420nm nhƣ thể hiện trong hình 3.10. Phổ PL trong vùng bƣớc sóng dài từ 420nm đến 650nm không đƣợc khảo sát do đó là vùng đặc trƣng cho sai hỏng. Thêm vào đó, giảm cƣờng độ huỳnh quang xảy ra chủ yếu trong vùng tử ngoại. Trong hình 3.9, đƣờng màu đen thể hiện phổ huỳnh quang của thanh ZnO khi chƣa nhỏ đƣờng, các đƣờng đồ thị có cƣờng độ thấp hơn thể hiện phổ huỳnh quang của mẫu khi nhỏ những nồng độ đƣờng tƣơng ứng từ 0,05mM đến 14mM (0,9–252mg/dL). Ta quan sát thấy, cƣờng độ PL của ống ZnO phủ vàng trong vùng tử ngoại giảm khi nồng độ glucose tăng lên mà không
Bước sóng (nm) Cư ờng đ ộ hu ỳn h q uan g t ỷ đối (I/I 0 )
có sự thay đổi đáng kể của vị trí đỉnh phổ tại bƣớc sóng 382nm. Từ đó, ta có thể chu n hóa cƣờng độ đỉnh phổ bằng cách lấy tỷ lệ cƣờng độ đỉnh phổ 382nm của các mẫu đã đƣợc nhỏ dung dịch đƣờng glucose với mẫu khi không có glucose.
Hình 3.11: Thay đổi c ởng độ đỉnh PL mẫu ống nano ZnO phủ nano vàng (phún xạ trong 10s theo nồng độ ung ịch glucose .
Hình 3.11 biểu diễn sự thay đổi cƣờng độ đỉnh của các mẫu sau khi đƣợc nhỏ glucose với trƣớc khi nhỏ glucose với các nồng độ khác nhau (thƣờng đƣợc gọi là đƣờng cong chu n). Quan sát đồ thị ta nhận thấy tốc độ thay đổi cƣờng độ đỉnh PL theo nồng độ là khác nhau ở các khoảng giá trị nồng độ khác nhau. Cụ thể, cƣờng độ PL giảm nhanh và tuyến tính trong khoảng nồng độ 0,05 – 2mM với độ dốc đạt 9,23%/mM, sau đó, khi nồng độ vƣợt qua 1mM thì tốc độ thay cƣờng độ PL giảm với độ dốc đƣờng tuyền tính khoảng 4,05%/mM trong khoảng nồng độ 1 - 15mM. Khoảng nồng độ glucose đƣợc chọn để khảo sát sao cho phù hợp với thực tế khi bao trùm nồng độ thƣờng có trong máu ngƣời vào khoảng 4,4mM đến 6,6 mM
Nồng độ glucose (mM) I/ I0 k2 = 0,0405 LOD =0,105 mM k1 = 0,0923
(80–120 mg/dL) [64] và nồng độ đƣờng trong nƣớc mắt là 0,2 – 0,92mM (3,6 – 16,6 mg/ml) [21]. Kết quả chứng tỏ khả năng có thể phát triển một loại cảm biến đo hàm lƣợng đƣờng glucose hoạt động dựa trên sự thay đổi cƣờng độ huỳnh quang của vật liệu ZnO phủ Au.
Các kết quả về sự dập tắt huỳnh quang tƣơng tự cũng đƣợc báo cáo trong các nghiên cứu về cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên cấu trúc nano ZnO của chúng tôi và của các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới. Soldzel đề xuất cảm biến glucose dựa trên các hạt nano ZnO kết hợp enzyme GOx với khả độ nhạy 0,5%/1mM trong khoảng nồng độ 10mM – 300mM [77]. Kim và cộng sự cũng phát triển một loại cảm biển huỳnh quang glucose khác sử dụng cấu trúc liên hợp ZnO – MUA – Gox với khoảng nồng độ 5 – 20mM[45] . Đồng thời, khả năng cảm biến glucose mà không cần dùng tới enzyme dựa trên vật liệu thanh nano ZnO của Sargangi và nhóm của chúng tôi [72][64][63][67]. Trong đó, cảm biến phát triển bởi nhóm của Sarangi có khoảng tuyến tính nằm trong vùng nồng độ 0,5 – 30mM với độ nhạy đạt 1,4%/1mM, còn của nhóm chúng tôi là khoảng 2% trong vùng 1 – 20mM.
Cơ chế dập tắt huỳnh quang của các ống ZnO phủ Au có thể đƣợc lý giải dựa
trên hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang do va chạm bởi các phân tử H2O2. Các phân
tử H2O2 đƣợc hình thành từ quá trình oxi hóa phân tử glucose mà trong đó các ống
nano ZnO phủ Au đóng vai trò là chất xúc tác thay thế cho enzyme đƣợc sử dụng trong cảm biển đo glucose sử dụng enzyme đóng vai trò là chất dập tắt huỳnh quang khi nhận các điện tử truyền từ vùng dẫn của các ống nano ZnO. Khả năng xúc tác của của cấu trúc nano ZnO và cấu trúc tổ hợp ZnO – kim loại giúp oxi hóa glucose đã đƣợc chứng thực trong các nghiên cứu của Sarangi [72], Ridhuan [31],
Lin [55]. Hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang của H2O2 đƣợc đề xuất là cơ chế hoạt
động của nhiều nghiên cứu cảm biến glucose dựa trên vật liệu ZnO[45][77][72], đám nano đồng [57], chấm lƣợng tử Cacbon [53].
Kết quả cho thấy có thể sử sụng cấu trúc tổ hợp ống nano ZnO phủ vàng nhƣ là một phần tử nhận biết và chuyển đổi tính hiệu trong cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose.
Cảm biến thể hiện khả năng hoạt động ở hai vùng nồng độ: vùng nồng độ thấp 0 – 1 mM đạt độ nhạy 9,23%/1mM, vùng nồng độ cao: 1 – 15mM đạt độ nhạy 4,05%/1mM. Có sự khác nhau về độ nhạy giữa hai vùng nồng độ có thể đƣợc
lý giải do sự ngăn cản tƣơng tác xảy ra giữa các phân từ H2O2 với bề mặt Au/ZnO
khi số lƣợng phân tử glucose bám dính trên bề mặt Au/ZnO càng lớn khi nồng độ glucose đƣợc nhỏ trên bề mặt mẫu tăng. So sánh với các kết quả nghiên cứu trƣớc đó đã đề cập ở trên cho thấy sự cải thiện trong độ nhạy đối với glucose của cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng.
Giới hạn phát hiện hàm lƣợng glucose dựa trên sự dập tắt huỳnh quang của
cấu trúc Au/ZnO là 105μM đƣợc tính toán dựa trên công thức:
(3.2)
Trong và k lần lƣợt là sai số chu n và độ dốc của đƣờng chu n vẽ trong
vùng nồng độ thấp. Ngƣỡng pháp hiện là 105μM thấp hơn so với các kết quả
nghiên cứu trƣớc đó của Sodzel với 10mM [77], Kim với 0,33mM [45], Sagrangi 0,5mM[67].
Sự cải thiện này có thể đƣợc giải thích dựa trên sự cải thiện về tính chất các ống nano ZnO đƣợc tổng hợp nhƣ mật độ, độ định hƣớng, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích, chất lƣợng kết tinh, cũng nhƣ sự có mặt của hạt nano vàng. Mật độ, độ định hƣớng cũng nhƣ tỷ lệ diện tích bề mặt cao giúp tăng khả năng phát huỳnh quang của các ống nano ZnO đồng thời tăng diện tích tiếp xúc giữa Au/ZnO với
các phân tử glucose và H2O2. Đặc biệt, chất lƣợng kết tinh cao, và sự có mặt của
các hạt nano vàng đóng vai trò rất quan trọng khi giúp làm tăng chất lƣợng tín hiệu nhờ tăng cƣờng độ huỳnh quang đỉnh phổ UV. Chất lƣợng kết tinh tốt giúp làm
giảm sai hỏng trong cấu trúc tinh thể ZnO làm giảm số các điện tử bị kích thích ở các mức năng lƣợng vùng xanh và tăng cƣờng số điện tử kích thích ở vùng dẫn. Cƣờng độ huỳnh quang ở đỉnh phổ vùng UV còn đƣợc tăng cƣờng nhờ hiện tƣợng tăng cƣờng huỳnh quang bề mặt do sự có mặt của các hạt nano kim loại vàng.
3.4.2 Sự dập tắt huỳnh quang của ống nano ZnO phủ vàng trong H2O2 và cơ chế hoạt ng của cảm biến huỳnh quang sinh học o nồng glucose dựa chế hoạt ng của cảm biến huỳnh quang sinh học o nồng glucose dựa trên ống nano ZnO phủ vàng.
3.4.2.1 Sự dập tắt huỳnh quang của ống nano ZnO phủ vàng trong H2O2
nh 3 12: a) Phổ PL của ống nano Au(10s)/ZnO thay đổi theo nồng độ của H2O2.
Để xác nhận hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang của các ống nano Au/ZnO phủ
vàng đƣợc gây ra bởi các phân tử dập tắt H2O2, tôi tiến hành thử đo phổ huỳnh
quang của mẫu ống nano ZnO sau khí phún xạ vàng trong 10s đặt trong cuvet
Bước sóng (nm) Cường đ ộ PL t ỷ đối (I/I 0 )
chứa 2,0ml H2O2 với các nồng độ khác nhau lần lƣợt thay đổi từ 0,1 mM – 6,0mM.
Sự giảm dần cƣờng độ đỉnh huỳnh quang của các mẫu ống Au/ZnO khi tăng
nồng độ H2O2 đƣợc thấy rõ trong hình 3.12 lên đến khoảng 70% ở nồng độ 6mM
H2O2. Đồng thời huỳnh quang của ống ZnO phủ vàng gây ra bởi H2O2 có độ dốc
lần lƣợt 21%/1mM trong vùng 0,1 – 1mM và 5,6%/1mM trong vùng nồng độ cao 1,0 – 6,0mM.
Tất các điều trên chứng minh rằng hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang ở ống nano ZnO phủ vàng trong quá trình xúc tác phân hủy glucose đƣợc gây ra bởi sự
hình thành các phân tử H2O2.
nh 3 12b): Sự thay đổi c ờng độ đỉnh PL của mẫu Au(10s)/ZnO theo nồng độ H2O2
Nồng đồ H2O2 (mM)
I/I0
k1 = 0.210k1=0,210