7. Cấu trỳc của luận văn
2.1. Cỏc phƣơng phỏp chế tạo vật liệu
2.1.1. Kỹ thuật deposit chế tạo cỏc màng nano bạc bằng phương phỏp bốc bay chựm điện tử
Cỏc màng nano bạc đƣợc chế tạo bằng kỹ thuật deposit (lắng đọng) sử dụng phƣơng phỏp bốc bay chựm điện tử đƣợc thực hiện bởi mỏy deposit hiệu Oerlikon (Đức) tại Trung tõm d'Imageries Plasmoniques Appliquộes, viện Langevin, ESPCI Paris Tech - CNRS UMR 7587.
a.Vật liệu deposit cỏc màng nano bạc
- Chromium 99,99% dạng miếng electrolytic kớch thƣớc 1-4 mm (hóng Neyco, Phỏp).
- Vàng 99,99%, dạng thỏi, đƣờng kớnh 3 mm, dài 6 mm (hóng Neyco, Phỏp). - Bạc 99,99%, dạng thỏi, đƣờng kớnh 3 mm, dài 10 mm (hóng Neyco, Phỏp). - Silicon dioxide SiO2 99,99% dạng viờn kớch thƣớc ~2-3 mm (hóng Neyco, Phỏp).
b. Nguyờn tắc hoạt động của mỏy
Hỡnh 2.1. Sơ đồ nguyờn tắc lắng đọng vật liệu bằng phương phỏp bốc bay chựm điện tử.
Một chựm điện tử đƣợc sử dụng để bốc bay vật liệu trong một buồng chõn khụng. Chựm điện tử phỏt ra từ một dõy túc nhiệt đƣợc nung núng, đƣợc tăng tốc dƣới một hiệu điện thế lớn (từ 5 đến 10 kV), bay đến bề mặt của vật liệu cần đƣợc
lắng đọng, làm tan chảy và bốc bay vật liệu. Sự lắng đọng đƣợc tiến hành trong mụi trƣờng chõn khụng, dƣới ỏp suất ~10-6 mbar.
Hỡnh 2.1 trỡnh bày sơ đồ nguyờn tắc lắng đọng vật liệu bằng phƣơng phỏp bốc bay chựm điện tử. Độ dày của màng đƣợc xỏc định qua một mỏy đo độ dày màng là một sensor tinh thể. Cỏc thụng số về độ dày màng đƣợc chọn trƣớc bằng một bảng điện tử của mỏy.
Cỏc màng nano bạc đƣợc chế tạo với mục đớch khảo sỏt độ dài lan truyền plasmon trong cỏc màng kim loại, đồng thời dựng để quan sỏt cỏc plasmonic hoạt động trờn cơ sở quan sỏt sự phỏt xạ huỳnh quang của một chất phỏt quang trờn màng nano bạc. Cỏc màng nano bạc đƣợc chế tạo trờn đế thủy tinh, cấu tạo nhƣ đƣợc mụ tả trờn hỡnh 2.2 bao gồm 3 lớp:
Hỡnh 2.2. Cấu tạo một màng nano kim loại bạc được chế tạo bằng phương phỏp bốc bay chựm điện tử.
- Lớp thứ nhất là lớp Cr cú độ dày ~ 2 nm, là một lớp nhỏm cú vai trũ để vật liệu là kim loại làm màng cú thể bỏm dễ dàng vào mẫu.
- Lớp thứ hai là lớp kim loại bạc cú độ dày mong muốn khảo sỏt.
- Lớp thứ ba là lớp silica cú độ dày ~10 nm cú tỏc dụng nhƣ một lớp khụng gian để trỏnh sự dập tắt quang khi quan sỏt huỳnh quang của cỏc chất phỏt quang trờn cỏc màng nano bạc.
2.1.2. Chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hướng trờn giấy lọc bằng phương phỏp húa khử
Màng nano bạc chế tạo trờn giấy lọc làm đế SERS cú nhiều ƣu điểm. Cấu trỳc ba chiều của giấy cho phộp tăng cƣờng tỏn xạ bề mặt của nano kim loại bạc và dễ dàng kết hợp tăng cƣờng trƣờng plasmon giữa cỏc hạt, do đú sẽ tăng cƣờng tớn hiệu SERS. Mặt khỏc, giấy cú nhiều ƣu điểm nhƣ giỏ thành rẻ, thõn thiện với mụi trƣờng và khả năng phõn hủy sinh học. Cho đến nay, chất nền SERS trờn giấy đó đƣợc chế tạo bằng nhiều cỏch tiếp cận khỏc nhau, bao gồm in phun nhỳng dung dịch và khử húa chất. Tuy nhiờn, cỏc phƣơng phỏp này đũi hỏi quỏ trỡnh phức tạp để tổng hợp cỏc hạt nano plasmonic trờn giấy, cỏc dụng cụ đặc biệt và nhiều bƣớc phản ứng [27]. Gần
đõy, phƣơng phỏp đơn giản để chuẩn bị chất nền SERS trờn giấy là phủ trực tiếp cỏc hạt nano bạc lờn giấy. Nú thƣờng đũi hỏi tiờu thụ ớt vật liệu hơn, tiờu thụ năng lƣợng thấp hơn, dụng cụ chế tạo đơn giản và chi phớ thấp.
Trong điều kiện thực nghiệm của luận văn, chỳng tụi tổng hợp cỏc đế SERS hoạt động linh hoạt bằng cỏch khử trực tiếp tiền chất bạc trờn giấy lọc thƣơng mại thụng thƣờng với sự cú mặt của natri borohydride (NaBH4) làm chất khử. Ảnh hƣởng của nồng độ ion bạc và cỏc loại giấy khỏc nhau lờn hỡnh thỏi của SERS trờn giấy và khả năng sử dụng chỳng để phỏt hiện Melamine sẽ đƣợc nghiờn cứu để thấy rừ vai trũ của cỏc plasmonic hoạt động.
a. Nguyờn liệu húa chất được sử dụng để chế tạo
- Bạc Nitrat (AgNO3)
- Natri Borohydrid (NaBH4) đƣợc xuất xứ từ Mỹ. - Melamine đƣợc mua từ Sigma-Aldrich (Mỹ).
- Giấy lọc Whatman n03 đƣợc mua từ Vƣơng Quốc Anh (ký hiệu là giấy P1). - Giấy văn phũng A4 xuất xứ từ Thỏi Lan (ký hiệu là giấy P2).
- Bộ lọc sợi thủy tinh xuất xứ từ Vƣơng Quốc Anh (ký hiệu là giấy P3). - Giấy lọc phũng thớ nghiệm n0103 mua từ Trung Quốc (ký hiệu là giấy P4).
b. Cỏc bước và quy trỡnh thực nghiệm
(1) Cắt giấy lọc thành cỏc miếng kớch thƣớc 1,2cm x 1,2cm và ngõm trong dung dịch bạc Nitrat (AgNO3) 0,1M trong thời gian là 15 phỳt.
(2) Đợi cỏc ion bạc tẩm vào sợi cellulose thụng qua cỏc lỗ xốp và để cỏc ion Ag+
kết hợp đƣợc liờn kết với cỏc đại phõn tử cellulose thụng qua tƣơng tỏc tĩnh điện (tức là ion-lƣỡng cực).
(3) Nhỳng cỏc giấy lọc vào dung dịch 150 àl Natri borohydrid (NaBH4) 0,2M để tạo ra cỏc cấu trỳc nano bạc trong 5 phỳt.
(4) Cỏc tờ giấy sẽ chuyển sang màu xanh lỏ cõy đậm và đƣợc làm sạch bằng nƣớc khử ion và làm khụ ở nhiệt độ phũng.
(5) Cỏc ion Ag sẽ bị khử thành cỏc nguyờn tử Ag0 và đƣợc NaBH4 chuyển thành cỏc hạt nano bạc hỡnh cầu giống nhƣ cỏc hạt nano phỏt triển trờn dung dịch. Dƣới hỡnh 2.3 là minh họa cỏc bƣớc chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hƣớng trờn cỏc giấy lọc P1, P2, P3 và P4.
Hỡnh 2.3. Minh họa cỏc bước chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hướng trờn giấy lọc.
Quy trỡnh chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hƣớng trờn giấy lọc đƣợc trỡnh bày túm tắt nhƣ hỡnh 2.4.
Hỡnh 2.4.Sơ đồ quy trỡnh chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hướng trờn giấy lọc.
Khử nƣớc ion Dung dịch
(0,2M)
Cỏc hạt nano bạc bỏm trờn bề mặt giấy tạo thành đế SERS
Cấu trỳc nano bạc Làm khụ ở nhiệt độ phũng Giấy lọc ( P1,P2,P3và P4) AgNO3 (0,1M) (Nƣớc) 15 phỳt 5 phỳt
2.1.3. Nghiờn cứu tăng cường tỏn xạ Raman bởi cỏc đế SERS là cấu trỳc nano bạc trờn giấy lọc
Để nghiờn cứu cỏc cấu trỳc plasmonic hoạt động trờn cỏc đế SERS đó chế tạo, đề tài thực hiện nghiờn cứu tăng cƣờng tỏn xạ Raman của hợp chất Melamine bởi cỏc đế SERS này. Quy trỡnh đƣợc thực hiện nhƣ sau:
(1)Melamine dạng bột đƣợc cõn và pha trong nƣớc khử ion ở cỏc nồng độ khỏc nhau.
(2)Cắt cỏc đế SERS giấy thành cỏc miếng cú kớch thƣớc 3x3 mm và đặt lờn lam kớnh thủy tinh.
(3)Sau đú nhỏ dung dịch melamine 10ul với nồng độ khỏc nhau lờn trờn đế giấy và để cho khụ ở nhiệt độ phũng.
(4)Sau khi khụ, đem cỏc đế này đi đo và xỏc định cỏc hệ số tăng cƣờng tỏn xạ Raman tƣơng ứng.
2.2. Cỏc phộp đo thực nghiệm
2.2.1. Phương phỏp kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) nghiờn cứu vi hỡnh thỏi
Kớnh hiển vi điện tử là một thiết bị phõn tớch hiệu quả và chớnh xỏc đƣợc dựng để nghiờn cứu cấu trỳc và vi cấu trỳc của vật liệu trong cỏc ngành khoa học vật liệu, húa học, sinh học...Cho đến nay, kớnh hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscope, SEM) là loại thiết bị phổ biến nhất bởi SEM cho ảnh cú độ phõn giải, độ tƣơng phản cao, dễ phõn tớch, đồng thời cú thể sử dụng để phõn tớch thành phần nguyờn tố của vật liệu.
Bằng cỏch sử dụng một chựm điện tử hẹp quột trờn bề mặt mẫu kớnh hiển vi điện tử quột cú thể tạo ra ảnh với độ phõn giải cao của bề mặt mẫu vật thụng qua việc ghi nhận và phõn tớch cỏc bức xạ phỏt ra từ tƣơng tỏc của chựm điện tử với bề mặt mẫu vật. Chựm điện tử đƣợc phỏt ra từ sỳng phúng điện tử (cú thể là phỏt xạ nhiệt, hay phỏt xạ trƣờng...) trong SEM đƣợc tăng tốc với thế tăng tốc thƣờng chỉ từ 10 kV đến 50 kV vỡ sự hạn chế của thấu kớnh từ nờn việc hội tụ cỏc chựm điện tử cú bƣớc súng quỏ nhỏ vào một điểm kớch thƣớc nhỏ sẽ rất khú khăn. Nhờ hệ thống thấu kớnh từ mà điện tử đƣợc phỏt ra, tăng tốc và hội tụ thành một chựm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) quột trờn bề mặt mẫu nhờ cỏc cuộn quột tĩnh điện,
chựm tia electron xuyờn qua mẫu, mà quột trờn bề mặt mẫu nờn thiết bị đƣợc gọi là hiển vi quột. Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.5.Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột: (1) Sỳng điện tử, (2) Thấu kớnh điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phỏt quột, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đốn hỡnh.
Cỏc electron đƣợc hội tụ thành chựm tia hẹp nhờ cỏc thấu kớnh điện từ (2) và đi thẳng tới mặt mẫu (3), lần lƣợt quột lờn bề mặt mẫu, hết hàng nọ đến hàng kia nhờ bộ phỏt quột (4) tạo ra thế răng cƣa dẫn đến cỏc cuộn dõy với diện tớch quột, giả sử là hỡnh vuụng cạnh d và cú thể thay đổi đƣợc. Bộ phỏt quột (4) đồng thời điều khiển tia electron trong đốn hỡnh (7), quột đồng bộ với tia electron quột trờn mặt mẫu, nhƣng với diện tớch trờn màn hỡnh cú cạnh D lớn hơn.
Cỏc electron thứ cấp, cỏc electron tỏn xạ ngƣợc, cỏc bức xạ nhƣ tia X... cú thể phỏt ra khi chựm tia electron đập vào mặt mẫu, cỏc electron va chạm vào cỏc nguyờn tử ở bề mặt mẫu phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chựm tia electron chiếu đến nhƣ: bƣớc súng tia X phỏt ra phụ thuộc bản chất nguyờn tử ở bề mặt mẫu, số electron thứ cấp phỏt ra phụ thuộc vào độ lồi lừm ở bề mặt mẫu, số electron tỏn xạ ngƣợc phụ thuộc nguyờn tử số v.v.... Dựng đầu thu (detector) (5) thu một loại tớn hiệu sau khi qua bộ khuếch đại (6), để điều khiển cƣờng độ chựm tia electron quột trờn màn hỡnh hay điều khiển đƣợc độ sỏng của màn hỡnh: số electron thứ cấp phỏt ra từ chỗ đú nhiều hơn cỏc chỗ lõn cận, chỗ tƣơng ứng trờn màn hỡnh sỏng hơn cỏc chỗ xung
quanh khi tia electron quột đến chỗ lồi trờn mặt mẫu nờn chỗ sỏng, chỗ tối trờn màn hỡnh tƣơng ứng với chỗ lồi, chỗ lừm trờn mặt mẫu. Vỡ vậy, dộ phúng đại của ảnh là
/
M D d . Kớnh hiển vi điện tử quột cú nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ làm mẫu dễ dàng, khụng phải cắt thành lỏt mỏng và phẳng, thụng thƣờng cú độ phõn giải ~ 5 nm, xỏc định từ kớch thƣớc chựm điện tử hội tụ (bị hạn chế bởi quang sai) do đú thấy đƣợc cỏc chi tiết thụ trong cụng nghệ nano.
Sự tạo ảnh trong SEM và cỏc phộp phõn tớch đƣợc thực hiện thụng qua việc phõn tớch cỏc bức xạ này. Cỏc bức xạ chủ yếu gồm:
- Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): chựm điện tử thứ cấp cú năng lƣợng thấp (thƣờng nhỏ hơn 50 eV) nờn chủ yếu là cỏc điện tử phỏt ra từ bề mặt mẫu với độ sõu chỉ vài nanomet đƣợc ghi nhận bằng ống nhõn quang nhấp nhỏy tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu là chế độ ghi ảnh thụng dụng nhất của kớnh hiển vi điện tử quột.
- Điện tử tỏn xạ ngƣợc (Backscattered electrons): do phụ thuộc rất nhiều vào thành phần húa học ở bề mặt mẫu nờn chựm điện tử ban đầu khi tƣơng tỏc với bề mặt mẫu bị bật ngƣợc trở lại thƣờng cú năng lƣợng cao, cú thể dựng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tỏn xạ ngƣợc, giỳp cho việc phõn tớch cấu trỳc tinh thể (chế độ phõn cực điện tử), rất hữu ớch cho phõn tớch về độ tƣơng phản thành phần húa học.
Cỏc mẫu chế tạo đƣợc đo trờn mỏy SEM S-4800 Hitachi của Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ƣơng.
2.2.2. Phộp đo phổ hấp thụ
Chiếu một chựm tia sỏng đơn sắc cú cƣờng độ I0 song song vào một mụi trƣờng vật chất cú bề dày l (cm) và nồng độ C (mol/l), chựm tia này sẽ bị mụi trƣờng hấp thụ và truyền qua. Cƣờng độ I của chựm tia truyền qua mụi trƣờng này bị giảm theo định luật Lambert - Beer:
ln (I0/I) = K (2.1)
hay ln (I0/I)= lC (2.2) Trong đú: K- là hệ số hấp thụ.
- số mol chất nghiờn cứu đặt trờn đƣờng đi của bức xạ.
Đại lƣợng ln(I0/I) gọi là mật độ quang (D) hay độ hấp thụ (A), là hệ số tắt cú giỏ trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ bằng một đơn vị và
độ dày chất hấp thụ bằng một đơn vị. Hệ số chỉ phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ và bƣớc súng. Độ truyền qua của mụi trƣờng: T= I / I0.
Sự hấp thụ thƣờng tập trung vào từng vựng phổ, cho nờn để thuận lợi, ngƣời ta thƣờng biểu diễn và xem xột từng vựng phổ riờng biệt nhƣ vựng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại. Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào tần số hoặc bƣớc súng gọi là đƣờng cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bƣớc súng khỏc nhau.
Nguyờn tắc đo phổ hấp thụ
Nếu ta gửi một bức xạ đơn sắc cƣờng độ I0() tới một mẫu đồng thể cú độ dài l, cƣờng độ I() cũn lại ở lối ra khỏi mẫu thỡ nhỏ hơn I0(). Thƣờng thƣờng ta quan tõm tới độ truyền qua T () = I()/ I0(). Đụi khi ngƣời ta quan tõm tới độ hấp thụ A() = - log10 T(). Cỏc phổ đƣợc vẽ với cỏc thiết bị truyền thống là với "Chựm sỏng đỳp" cho một cỏch trực tiếp độ truyền qua T(). Với kỹ thuật mỏy tớnh, hiện nay ngƣời ta cũng dựng một cỏch dễ dàng cả độ truyền qua và độ hấp thụ.
Hỡnh 2.6. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis.
Cỏc mỏy quang phổ đƣợc dựng, giống nhƣ sự bố trớ cỏc mỏy tỏn sắc, gồm cỏc lăng kớnh NaCl hoặc tốt hơn là cỏc cỏch tử với cỏc kớnh lọc giao thoa. Hệ quang học với hai chựm tia cho phộp nhận đƣợc trực tiếp tỷ lệ I / Iref. giữa cƣờng độ I của chựm đó xuyờn qua mẫu và cƣờng độ I của chựm đó xuyờn qua phần mẫu so sỏnh. Sự so sỏnh trực tiếp này cho phộp bảo đảm rằng phổ I () và I ref. () đƣợc ghi trong cựng một điều kiện. Cỏc phộp đo phổ hấp thụ đƣợc tiến hành trờn hệ mỏy quang phổ UV-
visible-Nir Absorption Spectrophotometer (nhón hiệu Cary 5000, Varian) cú ở Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Sơ đồ hệ đo hấp thụ đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 2.6.
2.2.3. Kớnh hiển vi huỳnh quang
Kớnh hiển vi huỳnh quang cơ bản là giống kớnh hiển vi quang học thụng thƣờng nhƣng thờm vào một số thành phần để mở rộng khả năng của chỳng.
Kớnh hiển vi quang học thụng thƣờng sử dụng ỏnh sỏng chiếu vào mẫu vật và tạo hỡnh ảnh phúng to của vật đú. Kớnh hiển vi huỳnh quang sử dụng ỏnh sỏng với cƣờng độ lớn hơn rất nhiều để chiếu vào mẫu vật. Ánh sỏng này sẽ kớch thớch huỳnh quang mẫu vật cú bƣớc súng dài hơn. Kớnh hiển vi huỳnh quang cũng tạo ra hỡnh ảnh phúng to của vật, nhƣng hỡnh ảnh này đƣợc tạo trờn cơ sở nguồn sỏng thứ cấp - ỏnh sỏng huỳnh quang. Hỡnh 2.7 mụ tả sơ đồ nguyờn lý của kớnh hiển vi huỳnh quang với hai kớnh lọc (filter) là: kớnh lọc ỏnh sỏng kớch thớch và kớnh lọc ỏnh sỏng phỏt xạ.
- Kớnh lọc kớch thớch (excitation filter): dựng để chọn lọc bƣớc súng kớch thớch, kớnh lọc kớch thớch đƣợc đặt trờn đƣờng đi của ỏnh sỏng kớch thớch.
- Kớnh lọc phỏt xạ: dựng để lọc ỏnh sỏng phỏt xạ từ mẫu vật và loại bỏ dấu vết của ỏnh sỏng kớch thớch.
a) b)
Hỡnh 2.7.a) Sơ đồ nguyờn lý của kớnh hiển vi huỳnh quang cấu hỡnh cơ bản và b) cấu hỡnh epi.
Trong thực nghiệm, hệ kớnh hiển vi thƣờng với đƣờng kớch thớch và phỏt xạ riờng biệt cú rất nhiều hạn chế. Khụng gian thao tỏc với mẫu vật chật hẹp, toàn bộ ỏnh sỏng kớch thớch khi đi qua mẫu vẫn nằm trong quang trỡnh của ỏnh sỏng thu làm
Camera Nguồn sỏng Kớnh lọc kớch thớch Kớnh lọc phỏt xạ Mẫu Vật kớnh Gương lưỡng chiết
tăng tớn hiệu nền, giảm độ tƣơng phản. Để khắc phục cỏc hạn chế này, ngày nay, hầu hết cỏc kớnh hiển vi huỳnh quang sử dụng cấu hỡnh epi (hỡnh 2.7a). Đặc điểm của cấu hỡnh epi là ỏnh sang kớch thớch và ỏnh sỏng phỏt xạ đƣợc chiếu tới mẫu và thu nhận