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 tới θ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d , đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là: ΔL=2.d.sinθ (2.5)
Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện: ΔL=2.d.sinθ= n.λ. (2.6)
Ở đây, n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,...
Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể. Cường độ nhiễu xạ:
Cường độ chùm tia nhiễu xạ được cho bởi công thức: Ig=|Ψg|2∝ | Fg|2. (2.7)
Với Ψg là hàm sóng của chùm xác suất phản xạ tia X), đư Fg =
i
fi.e-2πig.ri
Ở đây, g véctơ tán xạ của chùm nhiễu xạ, đơn vị, còn fi là khả năng tán x
Phổ nhiễu xạ tia X:
Phổ nhiễu xạ tia X là sự phụ thuộc của c (thường dùng là 2 lần góc nhiễu xạ).
2.4.5 Phổ tán xạ Raman Do đặc điểm cường đ Do đặc điểm cường đ
Raman là công việc rất khó. Ngoài yêu cách bố trí sơ đồ thí nghiệ xạ và tập trung ánh sáng tán x Thiết bị dùng để nghiên cứ phổ kế Raman – Laser: Hình 2. 8 Sơ đồ khối một h Trên hình 2.8 mô tả c mở rộng chùm -> sau đó ph 42
a chùm nhiễu xạ, còn Fg là thừa số cấu trúc (hay còn tia X), được cho bởi:
(2.8)
ủa chùm nhiễu xạ, ri là vị trí của nguyên tử thứ ăng tán xạ của nguyên tử. Tổng được lấy trên toàn
ổ nhiễu xạ tia X là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào góc nhiễu xạ ờng dùng là 2 lần góc nhiễu xạ).
Raman
ng độ vạch Raman rất yếu nên muốn thu đư t khó. Ngoài yêu cầu nguồn sáng kích thích t
ệm một cách hợp lý, tối ưu để tăng cườ p trung ánh sáng tán xạ vào khe máy.
ứu phổ Raman thường được biết đến là máy Quang
t hệ đo micro Raman
cấu tạo khối của một hệ đo micro Raman. Chùm laser > sau đó phản xạ từ gương điều hướng đến phin l
u trúc (hay còn gọi là
ị trí của nguyên tử thứ i trong ô ợc lấy trên toàn ô đơn vị.
ộ nhiễu xạ vào góc nhiễu xạ
n thu được phổ tán xạ n sáng kích thích tốt còn phải có ờng độ ánh sáng tán
n là máy Quang
đo micro Raman. Chùm laser -> n phin lọc Notch 1. Sau
43
khi phản xạ từ NF1 và gương điều hướng, chùm sáng được hội tụ tới kích thước micro và đập vào mẫu. Ánh sáng phản xạ và tán xạ trở lại đi từ mẫu quay lại máy quang phổ để đến NF1 một lần nữa. NF1 sẽ lại loại bỏ đi ánh sáng tán xạ Rayleigh (trùng bước sóng chùm sáng tới). Phần còn lại của chùm phản xạ lại sau đó đi qua NF2, cái mà sẽ loại bỏ hoàn toàn ánh sáng tán xạ Rayleigh còn sót lại. Ánh sáng còn lại sau đó đi qua các thấu kính và gương để đến cách tử nhiễu xạ sau đó đến CCD.
Phổ tán xạ Raman của các mẫu trong luận văn được đo trên thiết bị đo tán xạ Raman của Viện Vật Lý, VHLKHCN Việt Nam.
44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả chế tạo các hạt keo bạc
Hình 3. 1 Ảnh đo Xray phát hiện cấu trúc tinh thể Bạc và kết quả chụp SEM sau
khi chế tạo các hạt cấu trúc meso Bạc với nồng độ AgNO3(1mM)
Bước đầu thử nghiệm chế tạo với nồng độ AgNO3 (1mM) L-AA(10mM), sau khi xử lý rửa sạch mẫu, chúng tôi tiến hành khảo sát chụp trên thiết bị SEM Hitachi S-4800, chụp và đo Xray trên thiết bị đo Xray của Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên.
Kết quả thu được thể hiện trên hình 3.1 xác định được cấu trúc tinh thể Bạc. Các hạt bạc có cấu trúc tinh thể thông qua sự xuất hiện của 3 đỉnh nhiễu xạ ở vị trí góc 2θ = 38o tương ứng với mặt tinh thể (111). Vụ trí 2θ = 44o tương ứng với mặt tinh thể (200) , vị trí 2θ = 64o tương ứng với mặt tinh thể (220).
45
3.1.1. Hình dạng hạt phụ thuộc vào lượng ion bạc
Kết quả thu được ở Hình 3.2 xuất hiện cả 3 hình thái điển hình : cầu thịt viên, san hô và phân nhánh cao . Tốc độ phản ứng hóa học sẽ tăng lên do sự gia tăng nồng độ chất phản ứng. Khi các ion Ag+ có nồng độ cao, tốc độ phản ứng nhanh hơn nồng độ trung bình và thấp. Nồng độ ion Ag+ cao thì càng nhiều các nguyên tử Ag được tạo ra ở giai đoạn đầu tiên và thứ hai (Hình 1.12b). Nồng độ bão hòa của nguyên tử Ag càng cao( 0.7mM-0.9mM) thì càng nhiều hạt và kích thước hạt càng nhỏ được tạo ra trong giai đoạn thứ hai. Các hạt nano này sẽ tụ thành hạt meso dạng cầu dưới chức năng “keo” của L-AA. Do tốc độ phản ứng nhanh ở nồng độ cao, hầu hết các ion Ag + sẽ được khử thành các nguyên tử Ag trong ba giai đoạn đầu tiên. Do đó, trong giai đoạn cuối, không có đủ ion Ag+ còn lại để phát triển quá mức các hạt meso. Cuối cùng, chỉ thu được các hạt meso giống thịt viên.
Ở nồng độ ion Ag+(0.3-0.6mM) trung bình và thấp, tốc độ phản ứng trở nên chậm. Nồng độ siêu bão hòa của nguyên tử Ag được hình thành trong hai giai đoạn đầu thấp hơn, tạo ra các hạt nano lớn hơn với mật độ thấp hơn (ρ) trong dung dịch. Theo phương trình (2), các hạt meso kích thước nhỏ hơn sẽ được hình thành trong giai đoạn thứ ba. Đồng thời, vẫn còn nhiều ion Ag + còn lại trong dung dịch, để hỗ trợ sự phát triển vượt mức của các đầu tip nhỏ. Do đó, các đầu nhô ra dài hơn và sắc nét hơn được hình thành ở giai đoạn thứ tư. Nhìn chung, khi nồng độ của các ion Ag + giảm từ cao xuống thấp, hình thái của các hạt meso sẽ biến đổi từ dạng thịt viên sang hình thái phân nhánh cao. Điển hình khi ở nồng độ 0,5mM cho kết quả hình thái mesoparticle phân nhánh cao, nhánh chính dài và xuất hiện nhiều nhánh phân cấp.
47
Hình 3. 2 Ảnh SEM của các hạt cấu trúc meso Ag chế tạo với lượng AgNO3 thay đổi 0.3 mM (a) 0.4mM (b) 0.5mM(c) 0.6mM(d) 0.7mM (e ) 0.8mM( g) 0.9 (h)
3.1.2. Hình dạng phụ thuộc vào lượng chất khử L-AA
Khi khảo sát, chúng tôi lựa chọn giữ nồng độ AgNO3 (0.5mM) ở nồng độ thấp, các yếu tố về tốc độ khuấy(300 vòng/phút) và thời gian khuấy (20min) được giữ nguyên và chỉ thay đổi lượng chất khử L-AA. Khảo sát chế tạo các hạt cấu trúc meso bạc cho thấy khi tăng lượng chất khử L-AA thì cấu trúc meso bạc càng trở nên phát triển, các nhánh chính và phụ mọc dài. Sự phát triển vượt mức (overgrowth) của các hạt meso Ag được thấy rõ. Vốn dĩ, L-AA không chỉ đóng vai trò như chất khử, mà còn đóng vai trò như các tác nhân bao bọc, hấp phụ trên bề mặt hạt để ổn định các hạt nano. Do đó, trong quá trình 4 của sự phát triển cấu trúc meso ( hình 3.3d) chất khử L-AA càng thể hiện rõ vai trò của mình trong việc thúc đẩy các nguyên tử Ag sau khi được tạo thành, gắn kết vào các đầu tip của mesoparticle và phát triển mạnh. Ở kết quả hình 3.3e với lượng chất khử L-AA cũng nhiều nhất, hình thái phân nhánh đạt mức cao nhất .
a) c) Hình 3. 3 Ảnh SEM của các h 250µl(a) 500µl(b) 1250µl(c) 1500µl(d) 2000µl(e) 48 b) d) e)
a các hạt cấu trúc meso Ag với lượng L-AA thay đ 250µl(a) 500µl(b) 1250µl(c) 1500µl(d) 2000µl(e)
49
3.1.3. Hình dạng hạt phụ thuộc vào tốc độ khuấy
Tốc độ khuấy trộn là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình phản ứng. Cần thiết phải tìm được một giá trị tốc độ phù hợp để vừa đảm bảo phân tán đều các chất tham gia phản ứng, vừa đảm bảo được sự ổn định của dung dịch phản ứng trong suốt quá trình chế tạo. Các tốc độ khuấy chúng tôi khảo sát trong thí nghiệm gồm 5 giá trị: 300 - 400 vòng/phút, 500 - 600 vòng/phút, 700 - 800 vòng/phút, 900 - 1000 vòng/phút, 1100-1200 vòng/phút. Lượng các chất tham gia phản ứng được giữ nguyên trong tất cả các thí nghiệm. Cụ thể, lượng AgNO3 là 100 μl, lượng L- AA là 1 ml, dung môi H2O là 19 ml. Các hạt sau khi chế tạo được rửa sạch bằng li tâm trong dung dịch Etanol và chụp ảnh SEM.
Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 3.4. Ta thấy, khi tốc độ khuấy tăng lên, xuất hiện hiện tượng: sự thay đổi về độ phân nhánh đa hướng và mầm nhú mọc ra ở các nhánh thứ cấp. Cụ thể , các hạt cấu trúc meso bạc khi chế tạo ở mức khuấy 300 vòng/phútcó hình thái phân nhánh nhiều nhất, các nhánh chính dài và các nhánh phân cấp cũng nhiều và dài, trông khá giống dương xỉ. Khi tốc độ khuấy ở 500 vòng/phút, cho kết quả như hình 3.4b các nhánh chính đã ít hơn và các nhánh phân cấp mọc ra khá ngắn. Và khi tốc độ khuấy vượt quá 700 vòng/phút, sự thay đổi khá rõ ràng khi kết quả ra giống hình thái san hô, nhưng các nhánh chính mọc ra khá ngắn còn các nhánh phân cấp phụ thì cực kỳ ít .
Trong quá trình khảo sát sự thay đổi tốc độ khuấy, chúng tôi lựa chọn nồng độ AgNO3 ở mức thấp do đó chúng ta có thể thấy kết quả sinh ra hình thái phân nhánh cao (hình 3.4 d). Tuy nhiên, khi thay đổi tốc độ tăng cao sẽ khiến Giai đoạn 4 trong quá trình hình thành cấu trúc meso phân nhánh có sự khác nhau . Cụ thể tốc độ khuấy cao khiến các ion Ag+ ở giai đoạn cuối còn khá ít và các nguyên tử Ag được sinh ra dưới sự di chuyển nhanh khó bám vào các đầu tip để phát triển các nhánh dài ra. Do đó tốc độ càng cao, nhánh càng ngắn, hạt thì nhiều .
50
a) b)
c) d)
e)
Hình 3. 4 Ảnh SEM của các hạt cấu trúc meso Ag với tốc độ khuấy thay đổi 300 vòng/phút (a) 500 vòng/phút (b) 700 vòng/phút(c) 900 vòng/phút(d) 1200 vòng/phút ( e)
51
3.2. Tính chất quang và tăng cường tán xạ Raman của các cấu trúc meso bạc 3.2.1. Phổ hấp thụ 3.2.1. Phổ hấp thụ
Độ hấp phụ của các cấu trúc hạt meso bạc trong điều kiện thay đổi lượng AgNO3 khác nhau cho độ hấp thụ như hình .
Hình 3. 5 Độ hấp phụ Ag khi tay đổi nồng độ ion Ag+
Độ hấp thụ của các cấu trúc hạt meso Ag trong điều kiện thay đổi lượng L- AA khác nhau cho độ hấp thụ như hình
Phổ hấp thụ cho thấy chỉ có 1 đỉnh hơi nhú ở 420 và phổ hấp thụ kéo dài cả 1 dải từ 380-900 . 400 500 600 700 800 900 0.1 0.2 Cuong d o hap t hu (a.u) Buoc song (nm) AgNP-0.3 mM AgNP-0.4 mM AgNP-0.6 mM AgNP-0.7 mM AgNP-0.8 mM AgNP-0.9 mM C ườ ng độ hấ p th ụ (đ.v .t. y )
52
3.2.2. Phổ SERS với đế tăng cường sử dụng các hạt cấu trúc meso Ag
Vì mẫu kết quả khi chế tạo các hạt meso bạc cho ra kết quả hình ảnh khá lý tưởng khi ở nồng độ Ag+ ở 0.5mM . Vì vậy chúng tôi tiến hành đo tín hiệu SERS ở mẫu kết quả này. Tất cả các đế SERS sau khi được chế tạo được tiến hành đo ngay tại thiết bị đo tán xạ Raman của Viện Vật Lý, Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.
Phổ được đo ở hệ đo tán xạ Raman có bước sóng kích thích là 633nm. Vì mẫu kết quả khi chế tạo các hạt meso bạc cho ra kết quả hình ảnh khá lý tưởng khi nồng độ Ag+ ở 0.5mM. Vì vậy chúng tôi tiến hành đo tín hiệu SERS ở mẫu kết quả này .
Tín hiệu đo SERS ở các vị trí khác nhau của đế đo ở mẫu nồng độ AgNO3 0.5 mM
Hình 3. 6 Độ hấp phụ dung dịch hạt meso Ag khi thay đổi lượng chất khử L-AA
400 500 600 700 800 0.10 0.15 0.20 0.25 Cu on g do ha p th u (a.u) Buoc song (nm) Ag-AA 5 mM Ag-AA 10 mM Ag-AA 20 mM Ag-AA 30 mM Ag-AA 40 mM C ườ n g đ ộ h ấ p t h ụ (đ .v .t. y )
53
Hình 3. 7 Phổ tán xạ Raman của Rh-6G (10-5M) sử dụng đế SERS đo ở các vị trí
khác nhau ở mẫu nồng độ AgNO3 0.5 mM. Phổ được đo ở hệ đo tán xạ Raman có
bước sóng kích thích là 633nm
Hình 3.7 Tín hiệu đo SERS ở 6 vị trí khác nhau của đế đo ở mẫu nồng độ AgNO3( 0.5 mM) cho thấy cường độ khá đồng đều, thể hiện được rõ các đỉnh.