(a) Trình bày sơ đồ tính toán chuyển vị vuông của quỹ đạo trong một thời gian trong không gian 2 chiều. (b) MSD trung bình theo thời gian của một quỹ đạo đơn hạt trong trong không gian 2 chiều, như là một hàm của độ trễ thời gian. (c) Vẽ MSD trên thang đo trong không gian 2 chiều .(d) Cho các loại khuếch tán đại diện trong không gian 2 chiều.
Tuy nhiên, quy mô khác nhau của MSD có thể xảy ra trong thực tế do hậu quả của môi trường không đồng nhất trong đó các hạt khuếch tán và tương tác với các thành phần xung quanh [18, 21, 22, 23].
1.3.4. Kết luận
Các nghiên cứu SPT đã chứng minh tầm quan trọng của việc thực hiện các thí nghiệm động trong các tế bào sống bằng cách cung cấp quyền truy cập vào hành vi phân tử đơn và do đó mô tả đặc điểm thống kê đầy đủ của hệ thống đang nghiên cứu. Từ những hướng dẫn này, chúng ta đã có thể phát hiện ra các đặc tính vận chuyển trong các quá trình sinh học ở quy mô nano và mesoscopic. Bây giờ chúng ta có thể hiểu làm thế nào các tham số khác nhau liên quan đến tương tác phân tử di động và cách chúng chuyển thành chức năng tế bào. Những kết quả này đã thúc đẩy rất nhiều sự hiểu biết của chúng ta về các cơ chế phối hợp tổ chức các phân tử không gian trong các hệ thống sống. SPT đã được thành lập trong gần ba mươi năm nay. Tuy nhiên, thay vì đạt đến độ chín bằng cách trải qua các phát triển khiêm tốn, kỹ thuật này liên tục được mở rộng rất nhiều, được hưởng lợi từ sự phát triển của các kỹ thuật quang học mới, chiến lược ghi nhãn tốt hơn và từ những tiến bộ ấn tượng trong sinh học phân tử. Sau khi được thực hiện với các hạt keo vàng lớn, SPT có thể được thực hiện với một loạt các phân tử huỳnh quang và không huỳnh quang có kích thước nano.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu động học của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi trường phức hợp Glycerol- nước. Do đó, trong phần thực nghiệm này, chúng tôi sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến việc chuẩn bị mẫu, như: chế tạo hạt nano vàng dạng cầu và đưa vào môi trường phức hợp, đo đạc và quan sát các đơn hạt chuyển động trong môi trường phức hợp,…Các thông số động học mà chúng tôi quan tâm đó là: hệ số khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của các đơn hạt nano vàng.
2.1. Chế tạo các hạt nano vàng bằng phương pháp Turkevitch – Oxi hoá khử
Các hạt nano vàng dạng cầu được chế tạo bằng phương pháp Turkevitch với tiền chất ban đầu là muối vàng HAuCl4.2H2O. Cụ thể, lấy 0,5 mL HAuCl4 0,05M đổ vào 50 mL H2O được gia nhiệt đến 100 oC và khuấy từ mạnh. Tiếp đến thêm chậm từng giọt 0,5 mL tác nhân khử Na3C6H5O7. Quan sát bình phản ứng, dung dịch chuyển màu từ vàng nhạt sang đỏ thẫm chứng tỏ đã hình thành các hạt nano vàng. Sau phản ứng 15 phút, dung dịch được dừng gia nhiệt và để nguội tự nhiên. Thí nghiệm được biểu diễn trong hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo hạt keo vàng bằng phương pháp Turkevitch
Bình phản ứng
HAuCl4
Na3C6H5O7
Khuấy từ ~ 1000C
Quá trình làm thí nghiệm được tiến hành theo mô hình của hình 2.2
Hình 2.2. Mô hình phản ứng xảy ra trong phương pháp Turkevitch
Các dung dịch hạt nano vàng sau khi chế tạo có mầu đỏ thậm hoặc mầu vang nho tùy thuộc vào kích thích hạt. Để nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường chứa hạt (như hệ số nhớt) lên các thông số động học của hạt nano, chúng tôi tạo ra các môi trường phức hợp gồm nước và glycerol với nồng độ khác nhau. 7 mẫu hỗn hợp dung dịch chứa nano vàng và glycerol theo các tỉ lệ tương ứng trước khi đo đạc và xác định các thông số động học là:
Mẫu 1: 20% Glycerol - 80% Nước Mẫu 2: 30% Glycerol - 70% Nước Mẫu 3: 40% Glycerol - 60% Nước Mẫu 4: 50% Glycerol - 50% Nước Mẫu 5: 60% Glycerol - 40% Nước Mẫu 6: 70% Glycerol - 30% Nước Mẫu 7: 90% Glycerol - 10% Nước
2.2. Các phương pháp khảo sát
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)
H2O HAuCl4 Na3C6H5O7
~1000C ~1000C ~1000C ~1000C ~1000C
Hiện nay, kính hiển vi điện tử quét đang được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu ảnh vi hình thái bề mặt mẫu. Tuỳ thuộc vào chất lượng thiết bị, có thể ghi ảnh hiển vi với phân giải tới vài nanô mét.
Nguyên lý hoạt động: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ hội tụ tại một diện tích rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu làm phát ra điện tử thứ cấp. Một detector được bố trí để thu tín hiệu điện tử thứ cấp từ mẫu phát ra khi điện tử chiếu vào, quét trên bề mặt mẫu và dùng tín hiệu này khuếch đại lên để điều khiển cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình quan sát (hình 2.3).
Giới hạn của độ phân giải hay khoảng cách tối thiểu d có thể phân biệt được theo Rayleigh tỷ lệ với bước sóng của tia chiếu tới d ~. Vì vậy tia điện tử có bước sóng ngắn vài chục nm tùy thuộc vào trường gia tốc sẽ cho độ phân giải của kính hiển vi điện tử cao nhiều lần so với giới hạn quang học.
Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét
Đầu dò điện tử thứ cấp Các thấu kính từ Các cuộn dây quét Điện cực Anốt Súng điện tử Chùm tia điện tử Bộ quét màn hình Đầu dò điện tử tán xạ ngược Mẫu đo
Các tính năng của kính hiển vi điện tử quétSEM:
- Quan sát bề mặt mẫu rắn ở các độ phóng đại khác nhau.
- Độ sâu trường quan sát lớn hơn rất nhiều so với kính hiển vi quang học, cho phép thu ảnh lập thể.
- Kết hợp với đầu thu phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) cho phép phân tích thành phần nguyên tố của vùng quan sát.
Trên sơ sở đó trong đề tài này tôi đã dùng kính hiển vi điện tử quét SEM để quan sát và xác định kích thước của các hạt nano vàng chế tạo được
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis
Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc có cường độ I0vào môi trường vật chất có bề dày l (cm) và nồng độ C(mol/l), thì chùm tia này sẽ bị môi trường vật chất hấp thụ và truyền qua. Cường độ I của chùm tia truyền qua môi trường này bị giảm theo quy luật Lamber-Beer:
𝐿𝑜𝑔 (𝐼0
𝐼) = 𝐾. 𝑛 (2.1)
Hay: log (𝐼0
𝐼) = 𝜀1𝐶 (2.2)
Trong đó: 𝐾: là hệ số hấp thụ mol hay độ hấp thụ của môi trường, 𝑛: là số mol chất nghiên cứu đặt trên đường đi của bức xạ.
Đại lượng log(I0/I ) được gọi là mật độ quang (D) hoặc độ hấp thụ (A).
𝜀 là hệ số hấp thụ mol (hệ số mol) có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ bằng một đơn vị và độ dầy chất hấp thụ bằng một đơn vị. Hệ số hấp thụ chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ và bước sóng của bức xạ bị hấp thụ. Độ truyền qua của môi trường T=I /I0
Hình 2.4. Biểu diễn định luật Lamber-Beer
Không một chất nào lại hấp thụ trong toàn bộ các vùng phổ điện từ. Sự hấp thụ thường tập trung vào từng vùng phổ hẹp, cho nên để thuận lợi, người ta thường biểu diễn và xem xét từng vùng phổ riêng biệt như: vùng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại…
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ Kνvào tần số hoặc bước sóng gọi là đường cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất hấp thụ đều hấp thụ lọc lựa ở những bước sóng khác nhau.
Phương trình (2.1) là biểu thức toán học của định luật Beer-Lamber: khi hấp thụ tia đơn sắc, độ hấp thụ phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ chất hấp thụ. Tùy từng chất, định luật Beer-Lamber thường đúng trong một khoảng nồng độ.
Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia. Ánh sáng tới được tách thành các ánh sáng đơn sắc nhờ cách tử nhiễu xạ. Tiếp đó, chùm sáng đơn sắc được chia thành hai tia có cường độ bằng nhau nhờ gương bán phản xạ. Một trong hai tia sáng truyền qua cuvet thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, có cường độ I sau khi truyền qua mẫu. Tia còn lại truyền qua cuvet tương tự chứa dung môi để so sánh. Cường độ của tia sáng sau khi truyền qua mẫu so sánh là I0. Việc quay cách tử và tự động so sánh cường độ các tia sáng sau khi truyền qua dung dịch chứa mẫu nghiên cứu và mẫu
dung môi sẽ cho phép nhận được phổ hấp thụ của mẫu nghiên cứu dưới dạng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào bước sóng.
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia
Các dung dịch chứa keo nano vàng được đo trên thiết bị UV-Vis hai chùm tia Jasco V770 tại Khoa Vật lý và Công nghệ-Trường Đại học Khoa học-Đại học Thái Nguyên. Thiết bị này cho phép đo phổ từ 200 nm đến 2700 nm.
2.2.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối
Để ghi lại hình ảnh và theo dõi sự chuyển động của các hạt nano vàng sau khi chế tạo được, chúng tôi sử dụng kính hiển vi quang học trường tối.
Nguyên lý:
Dựa vào sự tương phản giữa ảnh vật với nền tối để nâng cao khả năng quan sát của mắt người hay camera về ảnh đó. Kính hiển vi trường tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị khúc xạ hay tán xạ mạnh. Chùm ánh sáng từ nguồn được chặn lại bởi tấm chắn sáng, màn chắn sáng chắn chùm sáng trung tâm (tạo nền đen của trường nhìn), chỉ cho ánh sáng vòng ngoài
đi qua để tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng vòng ngoài được hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Như vậy ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên nền đen trong trường nhìn. Với cấu hình này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu. Những ánh sáng nào không đi qua mẫu sẽ không được vật kính thu thập và bị loại bỏ hoàn toàn (loại nhiễu).Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối được minh họa trên hình 2.6a.
(a) (b)
Hình 2.6.(a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. (b) Ảnh trường tối (bên
phải) được so sánh với ảnh trường sáng (bên trái) được tạo bởi kính hiển vi trường tối.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng kính hiển vi trường tối có cấu hình quang học được thiết kế như hình 2.7. Với cấu hình quang học này, ánh sáng kích mẫu có thể ở chế độ truyền qua hoặc phản xạ nhờ đèn halogen 1 và halogen 2. Để điều khiển mẫu được dễ dàng, một giá để mẫu với độ phân giải cao được lắp thêm vào và hiệu chỉnh một cách dễ dàng tới µm. Sau khi ánh sáng tán xạ từ mẫu phát ra được thu vào một camera nhanh nhạy EMCCD. Với camera này cho phép thu được tín hiệu với tần số lên đến gần 35 kHz, từ đó có thể dễ dàng ghi lại các video mô tả quá trình chuyển động của hạt nano. Các kết quả đo đạc sẽ được phân tích kỹ trong chương 3.
Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử dụng để quan sát các hạt nano vàng
2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
Theo dõi một hạt duy nhất chuyển động trong dung dịch là một công nghệ theo dõi sự chuyển động của từng phân tử phát quang (huỳnh quang chẳng hạn) dựa trên một hệ ghi ảnh nhanh. Chúng ta lưu lại các quỹ đạo của từng hạt đã được đánh dấu, điều này cho phép nhận được tín hiệu/nhiễu rất tốt và do đó xác định được vị trí của hạt cần theo dõi. Đây là một phương pháp rất mới đang được phát triển để hiện ảnh các quỹ đạo từng phân tử phát
các phân tử có nồng độ lớn. Công nghệ này được đánh giá rất cao trong lĩnh vực nghiên cứu động học các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp. Như đã trình bày trong phần trên, kính hiển vi trường tối là ứng viên sáng giá được dùng để quan sát sự tán xạ và hiện ảnh plasmon của hạt nano vàng trong các môi trường phức hợp. Công nghệ theo dõi đơn phân tử là rất lý tưởng cho việc làm bộc lộ các đặc trưng của từng hạt nano sẽ được sử dụng để xác định sự dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc của nó. Để thuận lợi, chúng tôi ghi một video gồm 1000 ảnh nhờ một camera rất nhạy EM-CCD Andor. Khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s. Quy trình của công nghệ theo dõi đơn hạt thông thường bao gồm 4 bước ( Hình 2.8)
Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt Bước 1: Ghi một video dưới kính hiển vi trường tối.
Video bao gồm 1000 ảnh và khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s.
Bước 2: Xác định các vị trí tương ứng với mỗi ảnh hiển thị.
Một chuỗi các ảnh được ghi lại bởi camera, sau đó được phân tích bởi phần mềm ImageJ bằng cách sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC [24]. Có một số thông số cần được lựa chọn phù hợp để phát hiện ra các hạt, như; radius of particle (pixel) – đây là bán kích của vết sáng trên ảnh chứ không phải bán kính thực của hạt nano; cutoff- số điểm để phân biệt các hạt; percentile- để xác định các điểm ảnh sáng được coi như là hạt. Tất cả các điểm trong
percentile trên của phân bố các cường độ hình ảnh được coi là một hạt. Đơn vị: phần trăm (%).
Để xác định vị trí và theo dõi các đơn hạt trong một video, phần mềm mã nguồn mở ImageJ Plugin đã được sử dụng. Bằng phần mềm này dễ dàng tìm quỹ đạo chuyển động của từng hạt nano theo thời gian. Dưới đây là trình bày tóm tắt cách sử dụng
plugin/Mosaic/Particles Tracker in 2D/3D trong ImageJ: Tải và mở phim trong ImageJ
Một quỹ đạo của hạt được xác định khi liên kết các điểm trong từng ảnh. Trong báo cáo này, chúng tôi xử lý video (phim) có số lượng là 1000 ảnh ứng với khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3 giây. Khoảng thời gian giữa các ảnh tiếp theo cũng sẽ tăng dần theo số lượng các ảnh: ∆tn ảnh=0,3 n (số ảnh tiếp theo). Thời gian đó, gọi là thời gian trôi của hạt. Ký hiệu là 𝜏, đơn vị giây (s).
Mở video/File -> Open , ... từ các tập tin.(Hình 2.9 a)
a) b)
Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt
Chọn các thông số phát hiện các hạt và xem trước (preview detected)
Lựa chọn Plugins Mosaic Particle Tracker 2D/3D (Hình 2.9b)
Xem kết quả
Nhấp vào Visualize all Trajectories (quan sát tất cả các qũy đạo).
Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to
để thấy rõ hơn quỹ đạo dịch chuyển của một đơn hạt )
Từ đây chúng ta có thể lấy ra được các thông tin chi tiết cho từng quỹ đạo. Ví dụ dưới đây là hiển thị chi tiết cho quỹ đạo của 1 hạt (trajectory 19) của đơn hạt được quan sát
Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 18) xuất ra từ thuật toán của
Hình 2.12.Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa độ x và y tạo
thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano
Bước 3: Theo dõi sự dịch chuyển các hạt thông qua việc nối lại các đốm sáng đã được phát hiện.
Từ bảng kết quả này cho ta những thông tin quan trọng để xác định các thông số động học cần khai thác. Trên hình 2.12a chỉ các quỹ đạo tương ứng với mỗi đơn hạt được phát