Các hạt và thanh nano kim loại quý như vàng (Au) và bạc (Ag) có nhiều khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như photonics, optoelectronics, và công nghệ sinh học. Các ứng dụng thực tế của hạt và thanh nano kim loại đều dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance- SPR). Hiện tượng SPR xẩy ra khi các điện tử dẫn của hạt kim loại như Au hoặc Ag tương tác với trường điện từ ngoài dẫn đến sự hình thành các dao động đồng pha với một tần số cộng hưởng nhất định. Các hạt nano kim loại sẽ hấp thụ mạnh photon kích thích ở đúng tần số cộng hưởng này. Trong trường hợp tổng quát, đỉnh SPR bao gồm cả hai thành phần hấp thụ và tán xạ. Hiệu ứng SPR phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, hằng số điện môi của bản thân hạt kim loại và phụ thuộc cả vào hằng số điện môi của môi trường xung quanh.
Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano kim loại khác nhau như phương pháp hoá khử, quang hoá, phương pháp ăn mòn laser, phương pháp plasma….
Phương pháp hóa khử là phương pháp thông dụng để chế tạo các hạt Au và Ag có kích thước < 100 nm, với chi phí rẻ và chất lượng mẫu tương đối tốt và có thể điều khiển kích thước hoặc hình dạng hạt. Tuy nhiên bằng phương pháp này, khó loại bỏ tiền chất ban đầu trong mẫu nanô thu được. Phương pháp ăn mòn laser là phương pháp sử dụng laser (liên tục hoặc xung) bắn phá vào bia kim loại đặt trong môi trường lỏng hoặc khí để tạo ra hạt nanô.
Phương pháp này tạo ra mẫu với độ sạch cao, tuy nhiên độ đồng đều của hạt thu được lại khó không chế. Điều này phụ thuộc vào độ ổn định công suất, độ rộng xung, tần số lặp lại laser…
Phương pháp plasma có thể tạo ra hạt nanô có độ sạch như phương pháp ăn mòn laser nhưng độ đồng đều hạt lại tốt hơn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu là các hạt nanô vàng (AuNPs) do nhóm Vật lý Plasma - Trung
Hạt AuNPs chế tạo bằng phương pháp plasma có hình tựa cầu, kích thước nhỏ dưới 10 nm và có phân bố kích thước tương đối đồng đều. Điều này được thể hiện qua ảnh HRTEM trong Hình 3.1. Phổ hấp thụ của hạt AuNPs trong môi trường pH =11 chỉ xuất hiện một đỉnh hấp thụ SPR duy nhất trong vùng khả kiến ở 522 nm ứng với một mode dao động lưỡng cực (Hình 3.2).
Hình 3.14: Ảnh HRTEM của AuNPs
Hình 3.15: Phổ hấp thụ của hạt AuNPs trong điều kiện môi trường pH =11
Cư ờn g đ ộ h ấp th ụ Bước sóng (nanomet)
3.1.2. Quá trình truyền năng lượng giữa AuNPs với phân tử Rh6G
Rh6G được biết đến như một chất màu có hiệu suất lượng tử lớn được kích thích tại bước sóng 488 nm, khi đó Rh6G có hiệu suất lượng tử là 95%. Trong khi đó, AuNPs có đặc trưng phổ hấp thụ từ 500 nm đến 700 nm phụ thuộc vào hình dạng và kích thước. Vì vậy ta có thể điều chỉnh kích thước để thu được vùng hấp thụ theo ý muốn xung quanh vị trí phát xạ của Rh6G (phát= 560 nm), phù hợp để nghiên cứu quá trình trao đổi truyền năng lượng cộng hưởng - FRET giữa cặp Rh6G (Donor) và AuNPs (Acceptor).
Để nghiên cứu FRET giữa cặp Rh6G (Donor) và AuNPs (Acceptor), chúng tôi sử dụng AuNPs chế tạo bằng phương pháp plasma và đưa thêm Rh6G với tỉ lệ khác nhau (Bảng 3.1). Mẫu được khảo sát khi nồng độ giữa AuNPs và Rh6G thay đổi. Ở đây, nồng độ của Rh6G được giữ nguyên và nồng độ AuNPs thay đổi để cho tỉ lệ số hạt N(AuNPs)/N(Rh6G) thay đổi. Ta tạo mẫu nghiên cứu bằng cách: lấy dung dịch AuNPs từ 0 đến 1 ml cho vào 0.5 ml Rh6G và thêm vào lượng nước để được 3ml. Từ đó, các mẫu này được sử dụng trong các phép đo hấp thụ, huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang.
Bảng 3.1: Các mẫu nghiên cứu FRET giữa cặp Rh6G (Donor) và AuNPs (Acceptor)
Tên mẫu AuNPs (ml) (N=5e17) Rh6G (M=0.52 μM) H2O Tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) S1 0 0.5 2.5 0 S2 0.2 0.5 2.3 0.309 S3 0.4 0.5 2.1 0.618 S4 0.6 0.5 1.9 0.927 S5 0.8 0.5 1.7 1.235 S6 1 0.5 1.5 1.544
Phổ quang huỳnh quang (PL) trạng thái dừng của AuNPs/Rh6G được đo trong cùng điền kiện (bước sóng kích thích, độ rộng khe…) trước khi xác định thời gian sống huỳnh quang. Kết quả được trình bày trên Hình 3.3.
Hình 3.16: Phổ PL của các mẫu AuNPs/Rh6G, kích thích = 488nm.
Ta thấy trong khi tỷ lệ nồng độ Acceptor/ Donor là tuyến tính nhưng cường độ PL của mẫu suy giảm nhanh. Ta có thể nhận thấy cường độ PL giảm rất nhanh ở mẫu S2 và S3 khi có 0.2 và 0.4 ml AuNPs thêm vào, tương ứng. Tuy nhiên, từ khi có 0.6, 0.8, và 1 ml AuNPCs thêm vào thì cường độ PL giảm chậm hơn. Điều này thể hiện rõ trên Hình 3.4, khi so sánh hiệu suất truyền năng lượng FRET với tỷ lệ N giữa Acceptor/ Donor.
Hình 3.17. Hiệu suất FRET phụ thuộc vào tỉ lệ N giữa Acceptor và Donor (tam giác đỏ), so sánh với lý thuyết Förster tại tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương)
Hiệu suất truyền năng lượng E có thể được xác định bằng nhiều cách: sử dụng các phép đo ở trạng thái dừng hoặc phân giải thời gian. Để xác định E, phương pháp
Bước sóng (nanomet) Cư ờn g đ ộ h ấp th ụ Hi ệu su ất t ru y ền n ăn g
phổ biến nhất là đo cường độ huỳnh quang trạng thái dừng (FD) của mẫu chỉ chứa Donor (D) và cường độ huỳnh quang (FDA) của mẫu tương ứng khi có thêm Acceptor (A) theo công thức (3.1). Hoặc cũng có thể tính E theo công thức (1.4)thông qua phép đo thời gian sống huỳnh quang.
Kết quả tính toán biểu diễn trên Hình 3.4 cho thấy ở tỉ lệ Acceptor/Donor khoảng > 1, kết quả tính toán thực nghiệm (tam giác đỏ) phù hợp tốt hơn với lý thuyết Förster tại tỉ lệ R/Ro = 0.92 (Đường màu xanh dương). Điều này là hợp lý vì khi nồng độ Acceptor thấp, thì xác suất xảy ra FRET thấp, khi đó nhiều Donor tự do và cường độ huỳnh quang lớn vì không tham gia FRET. Như vậy sai số theo lý thuyết sẽ lớn hơn. Khi tỉ lệ Acceptor/Donor gần bằng 1 và hơn 1, số Donor tự do không còn đáng kể mà thay vào đó Donor tham gia vào quá trình FRET, khi đó huỳnh quang thu được phản ánh Donor tham gia vào tương tác truyền năng lượng FRET.
Xác định thời gian sống huỳnh quang của mẫu AuNPs/Rh6G.
Thời gian sống huỳnh quang là một phép đo quan trọng chứng minh hiệu ứng FRET có xảy ra hay không. Thông qua TGS huỳnh quang ta có thể phân tích đánh giá tương tác trao đổi FRET. Đường suy giảm huỳnh quang của Rh6G thay đổi theo nồng độ AuNPs được đo trên hệ TCSPC và biểu diễn trong Hình 3.5.
Thời gian sống huỳnh quang được tính từ việc fitting đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm stretch-exponent 𝐼 = 𝐼0Exp(−𝑡
𝜏)𝛽, trong đó τ là thời gian sống của điện tử trên trạng thái kích thích và β nằm trong khoảng từ (0-1). Vì hạt AuNPs có kích thước khác nhau do đó thời gian sống không thể fitting theo hàm exponent đơn mà sử dụng hàm stretch-exponent. Thời gian sống huỳnh quang nhận được có thể xem là thời gian sống trung bình của các mẫu có sự tham gia các hạt AuNPs.
Hình 3.18: Đường cong suy giảm huỳnh quang của Rh6G thay đổi theo nồng độ AuNPs
Trong trường hợp, khi nồng độ mẫu nghiên cứu cao (nồng độ hạt AuNPs tăng cao) cường độ huỳnh quang sẽ giảm điều này do quá trình tái hấp thụ hoặc truyền năng lượng của các phân tử cùng loại (homotransfer). Khi đó tính chất quang phụ thuộc vào nồng độ.
Kết quả tính toán thời gian sống huỳnh quang được trình bày trong Bảng 3.2. Giá trị tham số β = 1 là mẫu chỉ có Donnor khi không có mặt của Acceptor, điều này chứng minh được điện tử chỉ có một cách tái hợp phát xạ photon và nồng độ Rh6G sử dụng trong thí nghiệm này là đủ loãng để không bị ảnh hưởng bởi tái hấp thụ hay homotransfer. Khi có mặt AuNPCs tham số giảm dần theo chiều tăng nồng độ AuNPCs, điều này chứng minh được truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang - FRET từ Donor.
Để rõ hơn, tham số β và thời gian sống τ phụ thuộc vào tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) (Bảng 3.2). Tham số β giảm từ 1 xuống 0.917 tương ứng với tỷ lệ N từ 0 đến 1.544, điều này chứng minh được khi (AuNPCs) càng tăng thì hiệu suất FRET cũng tăng theo như lý thuyết Förster đã đưa ra.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 10 100 1000 S1 S2 S3 S4 S5 S6 Int en sity (a .u. ) Time (ns) Cư ờng đ ộ Thời gian sống(ns)
Bảng 3.2. Kết quả tính thời gian sống từ fitting đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm stretch exponent.
Tên mẫu Tỷ lệ N (AuNPs/Rh6G) (ns) S1 0 1 4.157 S2 0.309 0.991 3.836 S3 0.618 0.959 3.589 S4 0.927 0.949 3.430 S5 1.235 0.927 3.218 S6 1.544 0.917 3.120
Cần lưu ý rằng Donor sử dụng trong nghiên cứu này là phân tử trong khi đó Acceptor là vật liệu nanô. Kích thước của phân tử Donor (Rh6G) bằng chiều dài phân tử (1.6 nm), trong khi đó Acceptor là hạt hình cầu có đường kính < 10 nm. Để một A- D tạo thành cặp FRET thì chúng phải ở khoảng cách đủ gần cỡ khoảng cách Förster, điều này đòi hỏi các phân tử Rh6G cần phải liên kết như các ligand trên bề mặt hạt AuNPCs.