N ano silica không chứa tâm màu
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp nano silica không phát quang.
Nano silica không phát quang được tổng hợp từ TEOS bằng quá trình thủy phân và ngưng tụ alkoxit silic trong môi trường ancol với sự có mặt của xúc tác bazơ NH4OH theo phương pháp sol-gel (kỹ thuật Stober) [31, 32] như sau:
0,1 ml TEOS được thêm vào hỗn hợp gồm 5 ml cồn tuyệt đối, 200 l NH4OH 25% trong khi khuấy mạnh để bắt đầu tạo thành hạt nano silica. Sau 1 giờ, thêm tiếp 0,1 ml TEOS. Phản ứng được tiếp tục trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau đó ly tâm ở 8500 vòng/phút trong 10 phút để thu hạt nano silica, rửa 3 lần bằng cồn tuyệt đối và phân tán lại trong nước. Các hạt lớn được loại bớt bằng cách ly tâm ở 3000 vòng/phút và loại bỏ kết tủa. Sơ đồ tổng hợp được trình bày trong hình 2.1.
N ano silica mang tâm màu
Nano silica phát quang mang tâm màu RB với các nhóm chức bề mặt
–OH, –SH, –NH2, –COOH hoặc hỗn hợp nhóm chức –NH2 và –OH được cung cấp bởi TS. Phạm Minh Tân, Viện Vật lý [35]. Mẫu được chế tạo theo phương pháp Stober có sự hỗ trợ của các chất hoạt động bề mặt. Chi tiết phương pháp tổng hợp theo tài liệu [35] được trình bày trong sơ đồ tổng hợp trên hình 2.2.
AOT : Sodium dioctyl sulfosuccinate, C20H37O7NaS (chất hoạt động bề mặt)
MTEOS : Metyl trietoxy silan CH3-Si(OC2H5)3
RB : Rođamin B (chất màu); DMSO : Đimetyl sunfoxit (CH3)2SO; NH4OH : Dung dịch amoniac 25 – 28 %;
APTEOS : (3-Aminopropyl) trietoxy silan H2N-(CH2)3-Si(OC2H5)3
HS – PEG – COOH : Polyetylen glycol có 2 nhóm chức -SH và – COOH
HS-(CH2CH2O)n -CH2COOH
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp nano silica phát quang với các nhóm chức bề mặt khác nhau từ tài liệu tham khảo [35].
Lượng chất phản ứng cụ thể (tài liệu [35]) được trình bày trong bảng 2.3 và bảng 2.4.
Bảng 2.3. Điều kiện tổng hợp nano silica với nhóm chức bề mặt –OH [35]
Ký hiệu mẫu NH4OH (l) AOT (g) Butanon-2 (l) MTEOS (l) H2O (ml) SB20 20 0,22 400 400 20 SB30 30 0,44 800 SB40 40 0,55 1000 SB60 60 0,66 1200
Bảng 2.4. Điều kiện tổng hợp nano silica với nhóm chức bề mặt khác nhau [35]
Ký hiệu mẫu NH4OH
(l) APTEOS (l) AOT (g) Butanon-2 (l) MTEOS (l) H2O (ml) SiO2 –NH2&OH SiO2 –NH2 SiO2 –COOH - 30 0,44 800 400 20 SiO2 –SH 30 - 0,44 800 400 20 2.2.2. Tổng hợp cacbon nanodot
Cacbon nanodot (CND) được tổng hợp từ các phân tử đường saccarozơ theo phương pháp nhiệt phân sử dụng lò vi sóng gia dụng theo qui trình tương tự như trong tài liệu [165, 166]. Cụ thể như sau:
Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp cacbon nanodot.
Đường tinh luyện (1 g) được đưa vào lò vi sóng gia dụng với năng lượng cực đại (700 W) trong vòng 5 phút. Cacbon hóa mẫu xảy ra với sự hình thành chất rắn màu nâu đen. Sau khi để nguội, thêm vào mẫu 50 ml nước. Lọc dung dịch thu được qua màng lọc 0,22 m. Mẫu sau tổng hợp được xử lý bằng thẩm thấu (dialysis) qua màng 10 kDa MWCO với nước cất hai lần để loại các phân tử kích thước nhỏ hơn 10 kDa,. Quá trình thẩm thấu được thực hiện 3 lần, mỗi lần 24 giờ. Sơ đồ tổng hợp được trình bày trong hình 2.3.
2.2.3. Tổng hợp nano bạc dạng lăng trụ
Nano bạc dạng lăng trụ (AgNPr) với kích thước và hình dạng tương đối đồng đều được tổng hợp bằng phương pháp plasmon định hướng sử dụng đèn hơi natri làm nguồn chiếu sáng [167]. Phương pháp này không sử dụng các polyme bảo vệ trong
quá trình tổng hợp. Quá trình tổng hợp sử dụng ion OH- để đạt được phân bố kích thước hẹp.
Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp nano bạc dạng lăng trụ.
Sơ đồ tổng hợp AgNPr được trình bày trên hình 2.4. Hỗn hợp gồm AgNO3 (400l, 10mM), trinatri xitrat (400 l, 100 mM) và nước khử ion (38,8 ml, 18 Mcm-1) được khuấy mạnh ở nhiệt độ phòng bằng máy khuấy từ. Sau đó, 400 l hỗn hợp gồm NaBH4 (8 mM) và NaOH (100 mM) được thêm từng giọt vào hỗn hợp trên. Hỗn hợp phản ứng được chiếu sáng ngay lập tức với đèn hơi natri trong vòng 2 giờ và được khuấy liên tục trong quá trình chiếu sáng. Sản phẩm sau tổng hợp được ly tâm ở 5000 vòng/phút và lấy phần dịch ở trên để loại bớt các hạt lớn, sau đó được giữ trong tối ở nhiệt độ phòng.
2.2.4. Tổng hợp chấm lượng tử CdTe/CdS
Chấm lượng tử cấu trúc lõi vỏ CdTe/CdS với các phân tử hữu cơ bề mặt có nhóm chức -COOH do Viện Khoa học Vật liệu, Viện HL KHCNVN tổng hợp [150]. Nguyên tắc tổng hợp: tiền chất (ion Cd2+, Te2-) phản ứng trong dung môi nước tạo mầm tinh thể. Sau đó, các hạt mầm này phát triển dần từ các monome trong dung dịch. Chất hoạt động bề mặt axit 3-mecaptopropionic (MPA) hoặc axit mecaptosuccinic (MSA) đóng vai trò quan trọng để tạo các chấm lượng tử ở dạng keo.
Quá trình tổng hợp gồm 2 bước: 1: Chuẩn bị NaHTe,
Sơ đồ tổng hợp sử dụng chất hoạt động bề mặt MPA trình bày trên hình 2.5.
a) Bước 1: b) Bước 2:
MPA: mercaptopropionic acid
Hình 2.5. Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử CdTe/CdS [150].
2.3. Thiết kế hệ và đo đạc tương quan huỳnh quang FCS
Thiết bị đo tương quan huỳnh quang không có sẵn tại Việt nam. Trong luận án, hệ đo FCS được xây dựng và tối ưu hoá từ các thành phần quang học, cơ quang và điện tử riêng lẻ. Một số chi tiết cơ quang trong hệ hoàn toàn là tự chế tạo.
2.3.1. Thiết kế hệ đo FCS
Kỹ thuật FCS đòi hỏi tín hiệu huỳnh quang phải xuất phát từ các đơn hoặc một vài phân tử riêng biệt thì mới có thể thiết lập đường tương quan có ý nghĩa khoa học, vì vậy phần quang học và hệ điện tử thu tín hiệu phải đáp ứng được yêu cầu này. Hệ đo tương quan huỳnh quang được xây dựng theo sơ đồ khối như trình bày trên hình 2.6.
Chùm laze kích thích từ nguồn phát được giảm cường độ bằng cách cho qua phin lọc trung tính, sau đó đi qua bộ lọc không gian. Đường kính chùm laze được giảm xuống xấp xỉ kích thước cửa sổ của vật kính hiển vi bằng cách sử dụng một chặn chùm (aperture). Chùm sáng kích thích sau đó phản xạ trên gương lưỡng chiết và được hội tụ vào mẫu nhờ vật kính hiển vi. Vật kính đồng thời thu tín hiệu huỳnh
quang phát ra từ mẫu (cấu hình của kính hiển vi soi ngược). Để loại ánh sáng tán xạ, tín hiệu đi qua gương lưỡng chiết được lọc qua phin lọc phát xạ, rồi hội tụ vào một pinhole qua một thấu kính phẳng lồi, sau đó đi đến đầu thu, được khuếch đại qua bộ khuếch đại và ghi nhận bằng mô - đun đếm photon, cuối cùng được xử lý bằng máy tính.
Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ FCS xây dựng trong luận án.
2.3.2. Xây dựng hệ điện tử thu nhận và xử lý tín hiệu quang
Kỹ thuật đếm photon: Kỹ thuật đếm photon được sử dụng trong các đầu thu của hệ đo FCS để ghi nhận cường độ tín hiệu ánh sáng yếu. Các tín hiệu ánh sáng có cường độ rất yếu thực chất là một chuỗi các photon rời rạc tuân theo thống kê Poisson. Qua các đầu thu có hệ số khuếch đại cao đến 106 hay 107 và đáp ứng thời gian cỡ 1 nano-giây, mỗi photon sẽ tạo ra một xung điện có cường độ cực đại cỡ mA, tương ứng với điện áp cực đại cỡ 50 – 100 mV trên trở tải 50 Ω. Tín hiệu ra khỏi đầu thu sẽ là một chuỗi ngẫu nhiên các xung điện có mật độ tương ứng với cường độ của tín hiệu ánh sáng. Như vậy việc đếm số xung điện trong một khoảng thời gian nhất định, hay còn gọi là kỹ thuật đếm photon, là phương pháp đo đạc tín hiệu quang với hiệu suất cao bằng các đầu thu có hệ số khuếch đại lớn. Các đầu thu được sử dụng trong luận án đều ở dạng mô-đun tự xây dựng, trong đó các mạch điều khiển, phần làm lạnh, thiết kế chống nhiễu đều tự chế tạo và tích hợp với sensor thương mại.
b)
Đầu thu nhân quang điện PMT: Các đầu thu nhân quang điện (photomultiplier tube - PMT) là các đầu thu có hệ số khuếch đại cao dựa trên hiệu ứng quang điện. Nhân quang điện bao gồm photocathode và một số lớn các dynode, hay các tầng khuếch đại, đặt trong chân không. Cao áp giữa photocathode và dynode tạo ra một điện trường lớn nhằm gia tốc các điện tử đã được bứt ra khỏi photocathode (điện tử sơ cấp) hay từ dynode (điện tử thứ cấp). Do vậy hệ số khuếch đại của các nhân quang điện đạt được rất cao, lên tới 106 hay 107 lần.
Sensor của hãng Hamamatsu (Nhật bản) được lựa chọn để chế tạo đầu thu PMT hoạt động trong dải phổ rộng từ 230 đến 700 nm (hình 2.7), đồng thời có dòng tối cực đại thấp (dưới 102 counts/s). Sensor và nguồn cao áp được mua riêng lẻ và được tích hợp trong vỏ đồng chống nhiễu với nguồn cấp cho cao áp là nguồn một chiều 15 V. Thiết kế này cho phép chống nhiễu cao tần hiệu quả cho đầu thu.
a)
Hình 2.7. a) Đáp ứng phổ và b) đặc trưng khuếch đại của PMT.
Đầu thu được đặt cố định trên giá đỡ. Nhờ các khớp nối đầu thu có thể được tháo lắp khỏi hệ đo hoặc thay thế dễ dàng, thuận tiện mà vẫn đảm bảo tính ổn định về quang học và cơ học cho hệ đo.
Tín hiệu từ PMT được khuếch đại bằng bộ khuếch đại xung trước khi đưa vào mô-đun đếm photon. Bộ khuếch đại xung có đáp ứng nhanh và có hệ số khuếch đại cao. Các xung điện ứng với đơn photon được giãn thành các xung có độ rộng lớn hơn, cỡ 10 ns, có thể đo trực tiếp trên dao động ký thương mại PicoScope với tốc độ lấy mẫu trung bình tới 100 Msamples/giây. Bộ khuếch đại được thiết kế gồm hai kênh, hệ số khuếch đại được chọn cho mỗi kênh là 10 và sử dụng nguồn một chiều 5 V. Lối vào và lối ra được phối hợp trở kháng 50 . Mạch điện được thiết kế đảm bảo
cho hoạt động tại tần số cao (500 MHz) với một mặt được phủ đồng hoàn toàn chống nhiễu.
Đầu thu photodiode thác lũ APD: được thiết kế và chế tạo trên cơ sở đầu thu thương mại chưa tích hợp nguồn cấp điện, mạch điện tử và phần làm lạnh. Để có thể thu các tín hiệu yếu, đầu thu được đặt trong vỏ nhôm dày chống nhiễu, thiết kế để làm lạnh xuống < -10oC bằng pin peltier với hệ tản nhiệt bằng nước bơm liên tục qua vỏ để giảm dòng tối của đầu thu xuống cỡ 500 - 600 xung/s. Để tránh hiện tượng đóng băng trên đầu thu, dòng khí trơ (nitơ hoặc argon) được thổi liên tục qua đầu thu trong quá trình đo. APD có độ nhạy cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy bước sóng 300 – 700 nm.
Tín hiệu từ PMT hoặc từ APD được quan sát trực tiếp bằng dao động ký để kiểm tra và căn chỉnh hệ đo. Các tín hiệu sau đó được ghi nhận và xử lý bằng mô-đun đếm photon để có đường tương quan FCS.
Trong trường hợp sử dụng đồng thời hai đầu thu để lấy tương quan chéo giữa hai kênh (hình 2.8), tín hiệu được chia đôi thông qua một bộ chia chùm. Nhờ quá trình lấy tương quan chéo giữa hai đầu thu, có thể loại bỏ ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu do có xung phụ (afterpulse) đi kèm ngay sau xung chính của APD, thu được hàm tương quang ứng với thời gian trễ ngắn < 10-5 s.
1. APD 1 2. APD 2
3. Đường dẫn khí trơ
4. Đường dẫn nước làm lạnh
Hình 2.8. Hệ đo sử dụng hai đầu thu APD.
Mô-đun đếm photon là mô-đun thương mại PicoHarp 300 (hãng PicoQuant) phát hiện đơn photon với thời gian phân giải cực ngắn cỡ vài ps. Ngoài ra còn sử dụng mô-đun đếm photon tự thiết kế dựa trên mảng logic lập trình được (FPGA) đếm số photon huỳnh quang trong một khoảng thời gian cỡ μs.
2.3.3. Tính toán đường tương quan thực nghiệm
Số liệu đếm photon được xử lý sử dụng thuật toán multi-tau để tính toán đường tương quan thực nghiệm. Cường độ tín hiệu huỳnh quang thu được qua kỹ thuật đo đơn photon được tập hợp trong các khoảng thời gian rất nhỏ (gọi là các bin thời gian), có độ rộng từ 0,1 s tới 0,1 s. Hàm tương quan thực nghiệm được tính theo công thức: ∑M–1 �i �i+1 �(�) = i (∑M–1 �i)2 − 1 (2.1)
trong đó ni là cường độ huỳnh quang (số photon) tại bin thời gian i với độ rộng của mỗi bin thời gian là τ, M là tổng số bin. Với mỗi giá trị có một giá trị G() tương ứng.
Tính toán các đường tương quan được tích hợp trong phần mềm chuyên dụng đi kèm với mô-đun PicoHarp 300. Với mô-đun đếm photon tự thiết kế, các bước tính toán được thực hiện trên phần mềm do nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý tự phát triển.
Đường đo tương quan thực nghiệm sau đó được so sánh (fit) với một hàm lý thuyết dựa trên các giả thiết về khuếch tán và các quá trình xảy ra khi có kích thích quang đối với các phân tử chất màu hoặc hạt nano trong mẫu. Từ đó tìm ra các thông số của thể tích đo, thời gian khuếch tán của chất màu/hạt nano, số phân tử/hạt trong thể tích đo, trạng thái tự do hay liên kết của các đối tượng phát quang ... Phần mềm thương mại OriginLab với chức năng fit hàm không tuyến tính được sử dụng cho mục đích này.
2.3.4. Căn chỉnh hệ đo
Hệ đo được căn chỉnh để đảm bảo chùm laze kích thích hội tụ trong một thể tích tối ưu cho đo đạc FCS (thể tích nhỏ, phân bố cường độ kích thích dạng hàm Gauss), đồng thời thu được tín hiệu huỳnh quang lớn nhất có thể. Do tín hiệu thu được từ các đơn hạt/đơn phân tử là các tín hiệu có cường độ rất thấp nên căn chỉnh hệ là bước đòi hỏi nhiều thời gian và kinh nghiệm. Căn chỉnh hệ được thực hiện như sau:
Trước hết, tiến hành chỉnh vị trí của các thành phần trong bộ lọc không gian sao cho sao cho chùm tia laze qua thấu kính thứ nhất hội tụ đúng vào pinhole 20 μm, vị trí của thấu kính thứ hai cách pinhole đúng bằng tiêu cự của thấu kính. Chùm laze ra khỏi bộ lọc không gian là chùm song song.
Chỉnh các gương quang học để chùm tia laze đi song song với mặt bàn và hợp với gương lưỡng chiết một góc 45o.
Vật kính hiển vi được đặt vuông góc với mẫu bằng cách chỉnh giá đỡ vật kính. Chỉnh vị trí của gương phản xạ cao để phương truyền của chùm tia laze trùng với trục của vật kính hiển vi.
Lắp đặt thấu kính hội tụ, pinhole 50 m trong các ống giữ của phần thu tín hiệu. Lắp đặt phin lọc để loại bỏ ánh sáng kính thích và chỉnh vị trí thấu kính hội tụ để huỳnh quang phát ra từ mẫu hội tụ đúng vào pinhole.
Sau khi lắp đặt PMT, bộ khuếch đại và kết nối máy tính, chỉnh lại vị trí của pinhole thu huỳnh quang và vật kính hiển vi sao cho cường độ huỳnh quang thu được từ mẫu đạt cực đại.
2.3.5. Tương quan tán xạ SCS
Đo đạc SCS được thực hiện trên cơ sở hệ đo tương quan huỳnh quang. Đối với các hạt nano không phát quang, tín hiệu tán xạ từ được sử dụng để xây dựng đường tương quan. Đây là ứng dụng mở rộng của hệ đo FCS để xác định kích thước cho cả các hạt không phát huỳnh quang. Nguyên lý đo và các phương trình hàm tương quan không thay đổi. Do đó, hệ đo và các cấu tử quang, cơ quang, điện tử được giữ nguyên như trong đo đạc FCS. Tuy vậy, cần thu tín hiệu tán xạ từ hạt nano nên không đưa các phin lọc băng hẹp vào hệ đo để loại ánh sáng tán xạ.
2.3.6. Hiệu ứng chống bó
Hệ đo FCS được sử dụng để đo đạc hiệu ứng chống bó theo cấu hình HBT (hình 2.9). Để có cấu hình HBT, bố trí thí nghiệm bao gồm một bộ chia chùm phân cực (Thorlabs) để chia chùm tia huỳnh quang phát ra từ mẫu thành 2 kênh. Hệ FCS cần có hai photodiode thác lũ (APD) hoạt động ở chế độ đếm đơn photon để phát