Để chế tạo hạt nano, vật liệu được sử dụng là một miếng kim loại vàng (độ tinh khiết 99,99%) cĩ đường kính khoảng 10mm, được dát mỏng cĩ độ dày khoảng 1mm.
Chúng tơi chế tạo hạt nano vàng trong dung mơi là ethanol C2H5OH; là một chất lỏng tan vơ hạn trong nước, nĩng chảy ở nhiệt độ 117,30C và sơi ở 78,50C, khối lượng riêng là 0,789 g/cm3 (ở 200C).
Để nghiên cứu SERS, chúng tơi sử dụng đế DVD và chất phân tích là Manachite green, hay cịn gọi là xanh Manachite (MG) được pha ở nồng độ 10-4 M. Malachite green cĩ tên khoa học là Triphenylmethane, là một hĩa chất thường ở dạng bột mịn, tinh thể cĩ màu xanh lục, cĩ thể tan trong nước. Manachite green cĩ cơng thức phân tử là C23H25N2Cl và cĩ khối lượng phân tử là 364,911g/mol. Trong cơng nghiệp và phịng xét nghiệm y học, MG được dùng làm thuốc nhuộm và chất chỉ thị màu. Trong lĩnh vực thủy sản, MG được dùng để xử lý nước và để diệt nấm, kí sinh trùng... trong các mơ hình nuơi trồng thủy sản.
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chế tạo và khảo sát thuộc tính quang của hạt nano Au
3.1.1. Chế tạo hạt nano vàng (Au) trong ethanol bằng phương pháp ăn mịn laser
Thực nghiệm phương pháp ăn mịn laser để chế tạo hạt nano vàng được thực hiện tại Bộ mơn Quang lượng tử - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội.
Chúng tơi đã sử dụng miếng kim loại vàng dát mỏng cĩ đường kính khoảng 10mm và độ dày khoảng 1mm để chế tạo hạt nano vàng. Trong quá trình tạo hạt, dung mơi mà chúng tơi sử dụng là ethanol tinh khiết C2H5OH, là chất lỏng tan vơ hạn trong nước, khối lượng riêng là 0,789g/cm3 (ở 200C).
Các bước tiến hành:
+ Ban đầu, làm sạch miếng vàng, cốc, ống thủy tinh bằng nước cất và cồn; sau đĩ rung siêu âm trong 30 phút rồi đem sấy khơ.
+ Miếng vàng sau khi được làm sạch được đặt trong cốc thủy tinh chứa 10ml ethanol tinh khiết. Sau đĩ, đặt cốc vào vị trí định sẵn của hệ ăn mịn laser.
+ Laser Nd: YAG (Quanta Ray Pro 230) được đặt ở chế độ như sau: - Năng lượng xung: 80mJ.
- Thời gian xung: 8ns. - Tần số: 10Hz.
- Bước sĩng cơ bản: 1064nm.
- Cơng suất laser trung bình là 500mW.
- Chùm tia laser được hội tụ bằng một thấu kính hội tụ cĩ tiêu cự 150mm vào tấm vàng.
+ Sau khi hồn tất cơng tác chuẩn bị, bật laser để hệ ăn mịn trong 15 phút. Khi quá trình ăn mịn kết thúc, tắt laser, mẫu hạt nano vàng thu được ở dạng dung dịch và được bọc kín cẩn thận.
3.1.2. Khảo sát thuộc tính quang của hạt nano Au trong ethanol
* Khảo sát phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của keo hạt nano vàng chế tạo được
Sau khi chế tạo, mẫu keo hạt nano vàng được đo phổ hấp thụ UV - VIS tại Trung tâm Khoa học Vật liệu - Đại học Khoa học Tự nhiên.
Mẫu được đo ở dạng dung dịch trong một cuvet thạch anh. Cuvet thạch anh thứ hai đựng ethanol, là chất so sánh được sử dụng trong quá trình chế tạo mẫu. Sau khi hai cuvet được đặt vào giá mẫu sẽ được đưa vào buồng đo mẫu. Nắp buồng đo mẫu phải được đậy kín để đảm bảo khơng cĩ ánh sáng bên ngồi lọt vào trong quá trình đo mẫu. Sau mỗi phép đo, cuvet được tráng dụng cụ bằng nước cất và cồn. Số liệu thu được sẽ được lưu trữ dưới dạng file text, sau đĩ được xử lý bằng phần mềm Origin 7.5. 500 600 700 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Cườ ng độ (Au) Bước sóng (nm) 523 nm
Hình 3.1: Phổ hấp thụ của hạt nano Au trong ethanol tinh khiết, cơng suất laser 500mW, thời gian chiếu laser 15 phút
Quan sát phổ thu được ta thấy, đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano vàng ứng với bước sĩng 523nm. Điều này hồn tồn phù hợp với lý thuyết về đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng của các hạt nano vàng.
* Khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X
Cấu trúc tinh thể của các hạt nano Au đã được khảo sát thơng qua giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 3.2). Trên hình 3.2, hai đỉnh của phổ nhiễu xạ tia X tại vị trí gĩc 2θ là 38.20, 44.80 tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200) của mạng lập phương tâm mặt (fcc) của tinh thể vàng. Kết quả XRD đã chứng tỏ vật liệu chúng tơi chế tạo được trong luận văn chính xác là hạt nano vàng.
Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano vàng trong ethanol tinh khiết, cơng suất laser 500 mW, thời gian chiếu 15 phút
Hạt nano vàng được tạo ra bằng phương pháp ăn mịn trong luận văn cĩ cấu trúc lập phương tâm mặt và đỉnh phản xạ ứng với gĩc 2θ = 38.20 và chỉ số mặt là (111) cĩ cường độ mạnh nhất.
Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X, ta cũng cĩ thể tính được kích thước trung bình tinh thể hạt nano vàng theo cơng thức Scherrer:
os k D c với k = 0.94 λ là bước sĩng tia X, λ = 1.54056 Ao = 1.54056.10-10m β là độ bán mở rộng vạch, β = 1.8 0 θ là gĩc nhiễu xạ, 2θ = 380
thay vào phương trình trên ta tính được kích thước tinh thể hạt Au: D = 9,9 nm Như vậy, qua giản đồ nhiễu xạ tia X chúng tơi đã chứng minh vật liệu chế tạo được là hạt vàng cĩ kích thước nano.
* Khảo sát hình dạng, kích thước hạt nano vàng chế tạo được
Để xác định hình thái và phân bố kích thước hạt, chúng tơi tiến hành khảo sát kích thước hạt vàng trong ethanol bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Các mẫu sau khi được chế tạo cĩ dạng dung dịch, được cho vào lọ thủy tinh màu để tránh ánh sáng, đậy kín nắp để tránh tiếp xúc với khơng khí. Mẫu được gửi đi đo TEM tại Viện vệ sinh dịch tễ Hà Nội. Người ta lấy một lưới đồng nhúng vào dung dịch chứa hạt nano vàng. Sau khi lấy ra, các hạt nano vàng sẽ bám vào bề mặt lưới và được đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010-JEOL. Máy được tinh chỉnh cẩn thận để đạt được độ sắc nét nhất, các ảnh TEM được chụp và gửi dữ liệu đến máy tính dưới dạng file ảnh.
Hình 3.3: Ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo bằng ăn mịn laser trong ethanol
Từ kết quả thu được (hình 3.3), cĩ thể thấy rằng hạt nano vàng cĩ dạng gần như hình cầu. Sau khi xử lý số liệu bằng phần mềm ImageJ 1.37 và Origin 7.5, chúng tơi thu được sơ đồ phân bố kích thước hạt (hình 3.4).
Từ hình 3.3, ta thấy rằng các hạt nano vàng phân bố khơng đồng đều trong khoảng từ 5nm - 20nm. Kích thước trung bình của hạt nano vàng được tạo ra trong ethanol là 12,9nm.
Kết quả phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS cho biết nồng độ hạt nano vàng trong keo hạt nano là 112 mg/l.
3.2. Chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại cấu trúc tuần hồn tuần hồn
Cĩ nhiều phương pháp để chế tạo để SERS, một trong những phương pháp đơn giản là tạo một lớp nano kim loại (Au, Ag, Cu…) lên bề mặt phẳng như thủy tinh, silic, đồng…[17]. Với cách làm này mẫu cĩ thể tạo ra một cách nhanh chĩng, tuy nhiên, độ kết dính của các hạt nano kim loại trên những đế phẳng này khơng bền vững và phân bố mật độ hạt nano là khơng đồng đều do hiệu ứng sức căng bề mặt.
Việc sử dụng đế cấu trúc tuần hồn chế tạo bằng phương pháp lithography kết hợp với hạt nano kim loại sẽ cho cấu trúc nano plasmonic tăng cường SERS hiệu quả hơn nhưng địi hỏi thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp.
Hiện nay, nghiên cứu chế tạo các đế SERS cĩ độ lặp lại và đồng nhất cao với chi phí thấp vẫn đang được nghiên cứu tại nhiều phịng thí nghiệm trên thế giới.
Theo cơ chế tăng cường điện từ của hiệu ứng SERS, hệ số tăng cường SERS sẽ tăng khi độ ráp bề mặt tăng, tạo ra được hiệu ứng mũi nhọn (ligthning rod effect) [30] hoặc tạo ra được các khoảng cách thích hợp (nanostructured gaps) giữa các hạt nano kim loại cũng như giữa các hạt nano kim loại với cấu trúc kim loại liền kề khác (neighboring structures) [31,32]. Trong mục này chúng tơi đề xuất một phương pháp đơn giản, nhanh, sử dụng vật liệu sẵn cĩ, khơng tốn kém đĩ là sử dụng bề mặt cấu trúc tuần hồn của đĩa DVD kết hợp với hạt nano kim loại chế tạo bằng ăn mịn laser để tạo ra một cấu trúc nano plasmonic hiệu quả cho SERS. Với cách làm này, chúng tơi hi vọng tạo ra được lớp hạt nano kim loại với mật độ tập trung hơn so với việc sử dụng các đế phẳng Silic, thủy tinh.
3.2.1. Nghiên cứu khảo sát, lựa chọn các bề mặt kim loại cấu trúc tuần hồn của đĩa DVD đĩa DVD
Đĩa DVD là viết tắt của từ Digital Video Disk, là một định dạng lưu trữ của đĩa quang phổ biến. Cơng dụng chính của nĩ là lưu trữ nhạc, video, hình ảnh, dữ liệu… Với cách nén dữ liệu và các lớp quang học cĩ khả năng chứa nhiều dữ liệu hơn đĩa CD gấp 7 lần, đĩa DVD đã trở thành một phương tiện truyền thơng nhỏ gọn, kinh tế, tiện dụng.
* Cấu tạo của đĩa DVD
Đĩa DVD nhìn tổng quát là một miếng nhựa trịn cĩ đường kính 120mm, dày 1,2mm, với một lỗ trịn cĩ đường kính 15mm ở trung tâm. Cấu tạo chính của đĩa DVD gồm cĩ:
- Lớp nhãn đĩa: chứa thơng tin của nhà sản xuất và thơng tin của đĩa (chức năng của đĩa, dung lượng bao nhiêu Mb, tốc độ ghi…).
- Lớp nhựa Acrylic: dùng để tách lớp nhãn đĩa và bề mặt dữ liệu, cĩ thể được phủ một lớp chống ẩm để bảo vệ bề mặt dữ liệu.
- Lớp nhơm: là lớp chứa các “dữ liệu” của đĩa DVD và cĩ khả năng phản xạ ánh sáng.
- Lớp nhựa polycarbonat trong suốt: để bảo vệ lớp nhơm.
Hình 3.5: Mặt cắt dọc của đĩa DVD
* Tổ chức thơng tin
Dữ liệu trong đĩa DVD được mang trên đường xoắn ốc, xoắn từ gần tâm đĩa, từ trong ra ngồi; trên đường dữ liệu này cĩ thể cắt thành từng phần nhỏ gọi là “ track”. Mỗi track là một vịng trịn hở cách nhau 0,74 microns (micrometers), chứa các pit (phần lõm) và land (phần phẳng).
Hình 3.6: Mơ hình nguyên lý đọc dữ liệu
Pit là nơi dữ liệu được lưu trữ, cĩ độ sâu 0,105 microns và 0,4 microns độ rộng (bằng độ rộng của đường dữ liệu). Các pit và land trên một đĩa DVD lớp đơn cĩ chiều dài từ 0,4 microns đến 1,9 microns (trong khi chiều dài tối thiểu của các pit trên đĩa CD là 0,834 microns). Độ dài pit nhỏ hơn CD 2,25 lần (0,83 - 0,4 microns) và giảm được 2,16 lần bước rãnh ghi (1,6 - 0,74 microns), điều này cho phép trên một track của đĩa DVD cĩ nhiều pit hơn nên DVD cĩ dung lượng lớn hơn đĩa CD nhiều lần.
Sự khác nhau cơ bản trong quá trình đọc dữ liệu là đĩa DVD sử dụng tia laser đỏ trong khi đĩa CD dùng tia laser hồng ngoại.
Kích thước đường rãnh ghi dữ liệu (pit) này rất nhỏ, độ rộng chỉ cỡ 0,3- 0.5 microns, các rãnh cách nhau cỡ 0,7 micromet (hình 3.7) .Trên đường rãnh dữ liệu cĩ các phần lồi lõm là chất cản quang đã được tạo ra khi ghi . Phần lồi lõm này cĩ thể rửa sạch bằng ethanol.
Sau khi lớp nhựa Polycarbonate bảo vệ lớp nhơm của đĩa DVD được bĩc ra, đĩa DVD được cắt thành nhiều tấm nhỏ kích thước 15mm x 15mm. Các tấm DVD này được ngâm và rửa sạch bằng ethanol rồi sấy khơ. Ảnh SEM bề mặt đĩa DVD của 3 hãng Maxell, Verbatim và Kachi được trình bày trên hình hình 3.8.
Hình 3.8: Ảnh SEM bề mặt của 3 loại đĩa DVD sau khi bĩc lớp bảo vệ và làm sạch
3.2.2. Chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt của đĩa DVD
Trong luận văn này chúng tơi chọn đĩa DVD Maxell để làm đế SERS. Sử dụng keo hạt nano Au chế tạo bằng ăn mịn laser trong mục 3.1 chúng tơi nghiên cứu chế tạo đế SERS Au/DVD bằng cách ngưng đọng keo hạt nano Au lên bề mặt các tấm DVD sau khi đã xử lý .
Cụ thể là dùng micro pipete nhỏ một giọt 15µL keo hạt nano vàng lên đế DVD và để cho mẫu hồn tồn dưới bĩng đèn dây tĩc. Do keo hạt nano Au chế tạo trong ethanol nên quá trình bay hơi rất nhanh. Quá trình này được lặp lại để
tạo ra được nhiều lớp hạt vàng trên đế DVD. Bằng cách như vậy chúng tơi đã tạo ra các đế 2,4, và 6 lớp hạt Au trên DVD kí hiệu tương ứng là 2Au/DVD, 4AuDVD và 6Au/DVD.
Trên hình 3.9 trình bày ảnh SEM của bề mặt đế 4Au/DVD
Hình 3.9. Ảnh SEM của bề mặt đế 4Au/DVD
3.2.3. Khảo sát hiệu ứng SERS và đánh giá hệ số tăng cường SERS của đế SERS được chế tạo được chế tạo
Sử dụng Malachine Green làm chất phân tích, để khảo sát hiệu ứng SERS trên đế Au/DVD chúng tơi chế tạo 2 mẫu như sau:
+ Mẫu M1 (MG/DVD): micro pipet nhỏ 10 µL dung dịch Malachite Green trong nước nồng độ 104 ppm lên bề mặt nhơm cấu trúc tuần hồn của đĩa DVD.
+ Mẫu M2 (MG/4Au/DVD): micro pipet nhỏ 10 µL dung dịch Malachite Green trong nước nồng độ 100ppm lên đế SERS 4Au/DVD .
Cả hai mẫu được sấy khơ bằng tủ sấy ở nhiệt độ 50oC trong 15 phút. Sau đĩ các mẫu sẽ được đo phổ Raman trên quang phổ kế Raman LabRAMHR 800 với bước sĩng kích thích 633nm.
Hình 3.10: Phổ tán xạ Raman của MG trên đế DVD khơng cĩ hạt nano vàng và đế 4Au/DVD
Kết quả cho thấy các vạch phổ Raman đặc trưng của MG đều đã xuất hiện (Hình 3.10), phù hợp với các cơng bố quốc tế về phổ SERS của MG [33-36].
Đỉnh phổ mạnh tại 1616 cm-1 được gán cho các dao động phẳng của vịng C-C. Đỉnh phổ mạnh khác tại 1171 cm-1 được quy cho dao động phẳng
của vịng C-H.[33]. Đỉnh 1395 cm-1 gây nên bởi mode dao động co dãn của N-
phenyl. Các đỉnh phổ cường độ trung bình phân tách rõ trên phổ 1290, 1217,
916 và 797 cm-1 cĩ nguồn gốc là các dao động của vịng C-C, dao động lắc C-
H, dao động uốn khơng phẳng C-H và dao động uốn khơng phẳng của vịng C -H tương ứng [34,35]. Các dịch chuyển SERS của MG và dao động tương ứng được tĩm tắt trên bảng 3.1.
Bảng 3.1: Dịch chuyển Raman và các dao động phân tử tương ứng của Malachite Green
Dịch chuyển Raman (cm-1) Dịch chuyển SERS (cm-1) [ ] Dịch chuyển SERS từ đế Au/DVD (cm-1)
Dao động của liên kết phân tử tương ứng Tham khảo
533 528 528 Dao động Phenyl-C-phenyl uốn ngồi mặt phẳng [24]
803 803 800 Dao động vịng C - H uốn ngồi mặt phẳng
( (C - H)ring) [24,34]
922,8 910 913 Dao động uốn C - H ngồi mặt phẳng [24]
1188 1180 1174 Dao động trong mặt phẳng của vịng C - H
(δ(C - H)ring) [20]
1223 1221 1217 Dao động lắc C - H (δ(C - H)ring) [18]
1299 1292 1292 𝜈(C - C)ring [34]
1383 1399 1397 Dao động dãn N - phenyl δ(C - H)ring và (𝜈(C - C)ring [18] 1485 s-1450 s-1485 1486 𝜈(C - C)ring và δ(CH3) [24,34] 1608 1592 1617 1616 Dao động dãn vịng C - C (𝜈(C - C)ring) [24,34] [33]
* Đánh giá hệ số tăng cường thực nghiệm
Chọn đỉnh phổ 1616 cm-1 của MG và sử dụng cơng thức đánh giá hệ số tăng cường AEF / / SERS SERS RS RS I C AEF I C Trong đĩ SERS
I là cường độ đỉnh phổ SERS tại 1616 cm-1 của mẫu MG/4Au/DVD.
RS
I là cường độ đỉnh phổ Raman tại 1616 cm-1 của mẫu MG/DVD.
SERS
C là nồng độ MG trên đế SERS (100ppm).
RS
C là nồng độ MG trên đế DVD (104 ppm) .
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp hạt nano Au trên bề mặt DVD lên hiệu ứng SERS