2.2.3.1. Nguyên tắc của phương pháp đo phổ hấp thụ AAS
Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS). Cơ sở lí thuyết của phép đo này là sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trong trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong mơi trường hấp thụ. Vì thế muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần thực hiện các quá trình sau đây:
1. Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đĩ là quá trình hĩa hơi và nguyên tử hĩa mẫu. Những trang bị để thực hiện quá trình này được gọi là hệ thống nguyên tử hĩa mẫu (dụng cụ để nguyên tử hĩa mẫu). Nhờ đĩ chúng ta cĩ được đám hơi của các nguyên tử tự do của các nguyên tố trong mẫu phân tích. Đám hơi chính là mơi trường hấp thụ bức xạ và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử.
2. Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi đĩ sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nĩ. Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nĩ ở mơi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng.
3. Tiếp đĩ, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu tồn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nĩ. Cường độ đĩ chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích.
Ba quá trình trên chính là nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của các chất vơ cơ và hữu cơ. Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay, bằng phương pháp phân tích này người ta cĩ thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 65 nguyên tố) và một số á kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppm (microgam) bằng kĩ thuật F-AAS và đến nồng độ ppb (nanogam) bằng kĩ thuật ETA-AAS với sai số khơng lớn hơn 15%.
2.2.3.2. Quy trình tiến hành đo AAS
Nồng độ của kim loại bạc và platin trong dung dịch được xác định trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-3300 của hãng Perkin Elmer tại Viện hĩa học - Viện khoa học và cơng nghệ Việt Nam, bằng kĩ thuật F-AAS.
Hình 2.8: Ảnh chụp máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-3300 2.2.4. Hệ thu phổ tán xạ Raman LabRAM HR 800
Phổ tán xạ Raman được đo bằng hệ thu phổ tán xạ Raman LabRAM HR 800 được sản xuất bởi hãng HORIBA Jobin Yvon (Cộng hịa Pháp) tại Trung tâm Khoa học Vật liệu - Khoa Vật lý (ĐHKHTN-ĐHQGHN).
Hình 2.9: Ảnh chụp hệ thu phổ tán xạ Raman LABRAM HR 800
Đây là một hệ Micro-Raman đồng tiêu thu phổ Raman tán xạ ngược. Các thành phần chính của hệ bao gơm: laser kích thích (laser He-Ne với bước sĩng 632,817 nm), các thiết bị quang học (notch filter, density filter wheel), máy quang phổ, kính hiển vi đồng tiêu và detector CCD.
Hình 2.10: Sơ đồ hệ thu phổ tán xạ Raman LabRAM HR 800
Sơ đồ của hệ thu phổ Raman LabRAM HR 800 được minh họa trong hình
2.8. Muốn thu được phổ Raman, đầu tiên laser kích thích được phản xạ qua một gương rồi qua bánh lọc mật độ (Density filter wheel) để điều chỉnh cơng suất. Laser lối ra sau đĩ được phản xạ bởi hơn hai gương tới bộ lọc notch filter, notch filter được đặt ở một gĩc nào đĩ để tất cả các ánh sáng kích thích được phản xạ và hội tụ vào mẫu thơng qua vật kính của kính hiển vi. Ánh sáng tán xạ từ mẫu sẽ được thu lại bởi cùng một vật kính của kính hiển vi và được định hướng để đi qua bộ lọc notch filter nhằm loại bỏ ánh sáng kích thích và tán xạ Rayleigh. Ánh sáng tán xạ Raman cịn lại sau đĩ sẽ được phản xạ với gương thứ tư rồi qua lỗ đồng tiêu, hai thấu kính hội tụ và một khe hẹp để tới máy quang phổ. Ánh sáng tán xạ Raman sẽ được tách thành các thành phần tần số khác nhau trong máy quang phổ và được thu trên detector CCD. Tín hiệu quang sau khi được nhận ở detector CCD chuyển thành tín hiệu điện, được khuếch đại và đưa sang ghi phổ trên máy tính dưới dạng file số liệu và file ảnh.
2.3. Các hĩa chất sử dụng
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.