Phổ tán xạ Raman là một công cụ đặc biệt hữu ích trong việc phân tích và nhận biết các hợp chất. Các kỹ thuật đo đạc và ứng dụng phổ tán xạ Raman ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện hóa, phân tích. Hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS) được phát hiện năm 1974, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều các nhóm nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau bởi những tiềm năng ứng dụng to lớn của nó. Với SERS, người ta có thể phát hiện phổ Raman của đơn phân tử với sự tăng cường lên tới 14 bậc.
30
Kể từ khi được phát hiện, SERS trở thành đối tượng hấp dẫn với các ứng dụng. Có khá nhiều yếu tố tạo nên sự phổ biến của phương pháp SERS, bao gồm cả việc phát triển nhiều hệ đo Raman mới, từ các hệ micro hiện đại cho tới các thiết bị thu gọn. Và quan trọng nhất là sự phát triển nhanh chóng của các cấu trúc đế tăng cường. Điểm mạnh của kỹ thuật SERS là phát hiện các chất ở dạng đơn phân tử hay dạng vết mà không cần chất đánh dấu bới mỗi một liên kết hóa học đều có các vạch Raman đặc trưng được gọi là “dấu vân tay”. Vì vậy các thông tin thu được là trực tiếp của mẫu phân tích mà không cần qua các chất đánh dấu trung gian như huỳnh quang, tránh được sự phức tạp của khâu chuẩn bị mẫu. Hiện nay, SERS đã phát triển khác xa so với nguồn gốc ban đầu của nó, xuất phát từ sự hấp phụ chất phân tích lên bề mặt điện cực. SERS ngày nay là một trong những kỹ thuật phân tích nhạy nhất, vượt xa những phương pháp nghiên cứu cơ bản trong các lĩnh vực y sinh hay môi trường.
Gần đây, các hạt nano cấu trúc meso làm đế SERS đã thu hút được sự chú ý do khả năng tạo các cấu trúc nano trên bề mặt hạt bằng phương pháp tổng hợp hóa học “từ dưới lên”. Ví dụ, các khe nano hẹp xuống tới cỡ 1 nm được hình thành trên các hạt Au và Ag, có hệ số tăng cường (EF-enhancement factor) lớn hơn 108 đối với SERS đơn hạt. Những hạt kim loại này có hình thái bề mặt nano không chỉ có thể được sử dụng như đế SERS đơn hạt mà còn có thể tạo thành các đế SERS dạng hạt. Là đế SERS đơn hạt, các hạt này có thể được phân tán trong dung dịch hoặc phân phối vào các tế bào thông qua các vi mạch máu để phát hiện tín hiệu Raman của các phân tử nằm trong các dung dịch hoặc các tế bào. Các tương tác giữa các hạt trong các đề SERS mảng-hạt (particles-array) có thể tạo ra thêm nhiều “điểm nóng” cho đế.
31
CHƯƠNG 2.THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và dụng cụ
Các hóa chất được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm: - Silver nitrate (AgNO3), Merk 99%
- Sodium borohydride (NaBH4), Trung Quốc 99%.
- Tri-natriumcitrat-dihydrat (C6H5Na3O7.2H2O), Sigma-Aldrich, 99% - H2O được tinh chế từ máy Milli-DI water (resistance >1MΩ).
- Ethanol, C2H5OH, Merk, 99,9% - Thuốc nhuộm Rh6G
- L-Ascorbic acid (L-AA) , 99%
Các hóa chất được sử dụng trực tiếp từ nhà sản xuất, không chưng cất lại. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm:
- Pipet, micropipet
- Máy khuấy từ, máy ly tâm, cân phân tích - Các hóa chất dùng trong thí nghiệm gồm có: - Máy rung siêu âm
2.2. Chế tạo các hạt nano keo bạc có hình thù khác nhau Quá trình chế tạo các cấu trúc meso bạc gồm có 3 bước cơ bản : Quá trình chế tạo các cấu trúc meso bạc gồm có 3 bước cơ bản :
Bước 1: Trộn hỗn hợp dung dịch AgNO3(tùy nồng độ yêu cầu) trong H2O để khuấy từ đều .
Bước 2: Thêm chất khử là axit L-AA (tùy nồng độ yêu cầu) vào dung dịch trên . Bước 3: Sau khi thu được dd chứa các hạt cấu trúc meso bạc, tiến hành rửa mẫu với Etanol (3 lần) sử dụng máy quay ly tâm chế độ 5000 rpm trong 5 min
Phương trình phản ứng trong quá trình chế tạo:
C6H8O6 + 2 Ag+ → C6H6O6 + 2 Ag + 2 H+ (2.1)
Như đã miêu tả trong chương I (1.2.4), hình thái bề mặt của các hạt meso bạc phụ thuộc vào các yếu tố tham gia quá trình phản ứng tạo và phát triển hạt
32
mầm bạc như: nồng độ ion Ag+, hoạt động bề mặt, loại chất khử, nồng độ chất khử và vận tốc khuấy từ. Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng quy trình không chất hoạt động bề mặtvới chất khử axit ascorbic (L-AA). Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến quá trình hình thành hạt như nồng độ ion bạc Ag+, nồng độ chất xúc tác, tốc độ khuấy từ.
2.2.1. Thay đổi lượng ion bạc
Khảo sát chế tạo các hạt cấu trúc meso với sự thay đổi lượng AgNO3 theo như bảng sau:
Bảng 2. 1 Thay đổi lượng AgNO3
AgNO3 0.1M (µl) L-AA 0.4M (ml) Tỷ lệ L-AA/ AgNO3 (mol) H2O (ml) Tốc độ khuấy (vòng/phút) Thời gian (phút) 120 2 66 38 300 20 160 2 50 38 300 20 200 2 40 38 300 20 240 2 33 38 300 20 280 2 28 38 300 20 320 2 25 38 300 20 360 2 22 38 300 20 400 2 20 38 300 20
2.2.2. Thay đổi lượng chất khử
Khảo sát chế tạo hạt cấu trúc meso Ag với sự thay đổi lượng chất khử L-AA
33 AgNO3 0.1M (µl) L-AA 0.4M ( µl) Tỷ lệ L-AA/ AgNO3 (mol) H2O (ml) Tốc độ khuấy (vòng/phút) Thời gian (phút) 100 250 10 19 300 20 100 500 20 19 300 20 100 1000 40 19 300 20 100 1250 50 19 300 20 100 1500 60 19 300 20 100 2000 80 19 300 20
2.2.3. Thay đổi tốc độ khuấy
Khảo sát chế tạo hạt cấu trúc meso Ag với các tốc độ khuấy khác nhau
Bảng 2. 3 Thay đổi tốc độ khuấy
AgNO3 (0.1M) (µl) L-AA 0.4M (ml) H2O (ml) Tốc độ khuấy (vòng/phút) Thời gian (phút) 100 1 19 300 20 100 1 19 500 20 100 1 19 700 20 100 1 19 900 20 100 1 19 1200 20
2.3. Chế tạo các đĩa nano bạc bằng phương pháp cảm ứng quang sử dụng LED làm nguồn sáng LED làm nguồn sáng
2.3.1. Chuẩn bị dung dịch mầmDung dịch hạt mầm đư Dung dịch hạt mầm đư borohydride (40 μl, 0.01M)
(200 μl, 0.01M) trong 19.6 ml dung môi nư (hình 2.1). Toàn bộ dung d
và 7.5 cm như hình 2.2 c )
Hình 2. 1 Sơ đồ các bước t
Khuấy từ 10 phút và đem chi 530nm, công suất 3W) m
chiếu từ 4 hướng khác nhau.
(a)
Hình 2. 2 Thiết kế hệ chi
34 ẩn bị dung dịch mầm
m được tổng hợp bằng cách thêm dung d
l, 0.01M) vào hỗn hợp C6H5Na3.2H2O (200 μl, 0.3M) và AgNO l, 0.01M) trong 19.6 ml dung môi nước tinh khiết với s
dung dịch được đựng trong cuvett (kích thư ình 2.2 c )[6].
c tổng hợp dung dịch mầm
10 phút và đem chiếu sáng bằng hệ gồm 8 LED xanh lá cây ( t 3W) mắc song song được thiết kế như hình 2.2 b. M ng khác nhau.
(b) (c)
chiếu sáng bằng LED và cuvet đựng mẫu
ng cách thêm dung dịch sodium l, 0.3M) và AgNO3
i sự khuấy từ mạnh ng trong cuvett (kích thước 2.3 cm, 2.3 cm
m 8 LED xanh lá cây (λ= ình 2.2 b. Mẫu được
35
Đặt cuvet chứa mẫu được đặt trong hệ chiếu sáng LED, cường độ chiếu sáng LED được theo dõi bằng cảm biến sáng sáng được cố định trong hệ. Nhiệt độ của hệ được đo bằng đầu đo nhiệt.
2.3.2. Thay đổi thời gian chiếu sáng
Các mẫu được chuẩn bị như bảng tỉ lệ các chất, chỉ thay thay đổi thời gian chiếu sáng từ 2 giờ đền 7 giờ.
Bảng 2. 4 Thay đổi thời gian chiếu sáng
Dung dịch mầm Thời gian chiếu 19,56 ml H2O 200 µl AgNO3 200 µl Citrate 40 µl NaBH4 2h 3h 5h 7h
2.3.3. Thay đổi công suất đèn LED
Khảo sát sự thay đổi cường độ chiếu sáng
Các mẫu được chuẩn bị như bảng tỉ lệ các chất như nhau chỉ thay thay đổi cường độ chiếu sáng từ 175lux và 200lux và 250lux.
Bảng 2. 5 Thí nghiệm khảo sát sự thay đổi cường độ chiếu sáng
STT AgNO3 NaBH4 Citrate Thời gian chiếu Cường độ
1 100µl 20µl 100µl 3h 175 lux
2 100µl 20µl 100µl 3h 200 lux
36 2.3.4. Thay đổi lượng citrate
Khảo sát sự ảnh hưởng của lượng citrate đến quá trình tổng hợp tổng hợp nano Ag Các mẫu được chuẩn bị như bảng 2.5. Những mẫu này được chiếu sáng bằng đèn LED với cường độ 200lux, cùng trong thời gian 3 giờ.
Bảng 2. 6 Thí nghiệm chế tạo đĩa nano với lượng citrate thay đổi
STT AgNO3 NaBH4 H2O Citrate
1 100µl 20µl 9,8ml 25µl
2 100µl 20µl 9,8ml 50µl
3 100µl 20µl 9,8ml 75µl
4 100µl 20µl 9,8ml 100µl
5 100µl 20µl 9,8ml 150µl
Các mẫu sau phản ứng được đem đi đo hấp thụ.
2.4. Các kĩ thuật thực nghiệm 2.4.1 Phép đo phổ hấp thụ 2.4.1 Phép đo phổ hấp thụ
Phổ hấp thụ là đường biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ ɛ của môi trường vật vào bước sóng của ánh sáng tới.
Chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch có chiều dày d. Sau khi bị hấp thụ thì cường độ bị giảm theo hàm số mũ, theo định luật Lamber-Beer:
I = Io. exp(-εd) (2.2)
37
Độ hấp thụ A= - lg T , trong đó T là độ truyền qua và được tính bằng công thức sau:
(2.3)
Độ hấp thụ A (mật độ quang A ) của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ C của dung dịch theo biểu thức :
(2.4)
Trong đó: ε là hệ số hấp thụ phân tử, c là nồng độ dung dịch (mol/l), d (cm) là
độ dày truyền ánh sáng.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ ɛ vào tần số hoặc bước sóng gọi là đường cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bước sóng khác nhau.
Nguyên tắc đo phổ hấp thụ:
Nếu ta gửi một bức xạ đơn sắc cường độ I0 tới một mẫu đồng thể có độ dài d, cường độ I còn lại ở lối ra khỏi mẫu thì nhỏ hơn I0. Thường thường ta quan tâm tới độ truyền qua T = I/ I0. Đôi khi người ta quan tâm tới độ hấp thụ A= - log10 T. Các phổ được vẽ với các thiết bị truyền thống là với "chùm sáng đúp" cho một cách trực tiếp độ truyền qua T. Với kỹ thuật máy tính, hiện nay người ta cũng dùng một cách dễ dàng cả độ truyền qua và độ hấp thụ.
Các máy quang phổ được dùng, giống như sự bố trí các máy tán sắc, gồm các lăng kính NaCl hoặc tốt hơn là các cách tử với các kính lọc giao thoa. Hệ quang học với hai chùm tia cho phép nhận được trực tiếp tỷ lệ I/Iref. giữa cường độ I của chùm đã xuyên qua mẫu và cường độ I của chùm đã xuyên qua phần mẫu so sánh. Sự so sánh trực tiếp này cho phép bảo đảm rằng phổ I và I ref. được ghi trong cùng một điều kiện. Các phép đo phổ hấp thụ được tiến hành trên hệ máy quang phổ UV-visible-Nir
38
Absorption Spectrophotometer (nhãn hiệu Cary 5000, Varian) có ở Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Sơ đồ hệ đo hấp thụ được trình bày trên hình 2.4.
Hình 2. 4 Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Nguyên lý hoạt động: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ hội tụ tại
một diện tích rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu làm phát ra điện tử thứ cấp. Người ta bố trí detector để thu tín hiệu điện tử thứ cấp từ mẫu phát ra khi quét chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu và dùng tín hiệu này khuếch đại lên để điều khiển cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình quan sát. Giới hạn của độ phân giải hay khoảng cách tối thiểu d có thể phân biệt được theo Rayleigh tỷ lệ với bước sóng λ của tia chiếu tới d ~λ. Vì vậy tia điện tử có bước sóng ngắn vài chục nm tùy thuộc vào trường gia tốc sẽ cho độ phân giải của kính hiển vi điện tử cao hơn nhiều
lần so với giới hạn của kính quang học. Phương pháp này cho phép hiện ảnh bề
mặt mẫu chính xác tới vài chục nm.
Các mẫu của luận án được chụp trên thiết bị SEM Hitachi S-4800 của Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và của viện vệ sinh dịch tễ trung ương với độ phóng đại của hệ lên đến 800.000 lần.
39
Hình 2. 5 Sơ đồ cấu trúc hệ đo SEM
2.4.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Microscopy) là thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm tia điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn, ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay ghi nhận bằng máy kĩ thuật số. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là công cụ rất hữu hiệu cho các nghiên cứu vật liệu nano và y học. Khi đo TEM ta có thể xác định được hình dạng, kích thước trung bình của hạt và sự phân tán của hạt trong môi trường chất lỏng.
Dựa trên nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm tia điện tử ngắn hơn rất nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến nên có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm. Kính hiển vi điện tử truyền qua có hình trụ cao khoảng 2m, có một nguồn phát
xạ điện tử trên đỉnh (súng điện tử) để phát ra chùm điện tử. Chùm này được tăng tốc
40
mẫu mỏng, tùy thuộc vào từng vị trí và loại mẫu mà chùm điện tử bị tán xạ ít hoặc nhiều. Mật độ điện tử truyền qua ngay dưới mặt mẫu phản ảnh lại tình trạng của mẫu, hình ảnh được phóng đại qua một loạt các thấu kính trung gian và cuối cùng thu được trên màn huỳnh quang. Do vậy, ảnh hiển vi điện tử truyền qua là hình ảnh bề mặt dưới của mẫu (ảnh đen trắng) thu được bởi chùm điện tử truyền qua mẫu.
Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử truyền qua mô tả trên hình 2.6. Một trong những ưu điểm của phương pháp hiển vi 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 được nhiều thông tin về cấu trúc, cách sắp xếp các nguyên tử của mẫu nghiên cứu. Với độ phân giải cao cỡ 2A°, độ phóng đại từ x50 tới x1.500.000, TEM đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu siêu cấu trúc sinh vật, vi sinh vật và các vật liệu nano. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử truyền qua mô tả trên hình a. Các mẫu hạt nano chế tạo trong đề tài được đo bởi kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương hình 2.7.
Hình 2. 6 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
Hình 2. 7 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương
41 2.4.4 Nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực
tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử
dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu... Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.
Nguyên lý về nhiễu xạ tia X :
Xét một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc