CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.3. Các phương pháp phân tích
2.3.3. Định lượng mật độ phân tử carboxylic của màng SAM
2.3.3.1. Phương pháp đường chuẩn
Định luật Bouguer:
Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc song song vuông góc với lớp môi trường giới hạn bởi hai mặt song song cách nhau một khoảng l.
Gọi I0 là cường độ ánh sáng tới, I là cường độ ánh sáng ra khỏi môi trường
(4)
Với k là hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào bản chất của môi trường và bước sóng ánh sáng truyền qua.
Nội dung: Khi độ dày của lớp môi trường tăng theo cấp số cộng thì cường
độ sáng giảm theo cấp số nhân.
Định luật Lambert-Beer:
Khi chất hấp thụ được hoà tan trong dung môi trong suốt không hấp thụ
ánh sáng thì hệ số hấp thụ của dung dịch tỉ lệ với nồng độ phân tử C của chất hoà tan. Nghĩa là:
C
k =ε. (5)
Khi đó biểu thức của định luật Bouguer được viết lại là:
(6) C l e I I = 0. −ε.. l k e I I = 0. − .
ε gọi là hệ số hấp thụ phân tử. Beer đã chứng minh được rằng ε không phụ thuộc vào nồng độ của dung dich khi dung dịch pha loãng.
Hệ số hấp thụ phân tử ε đặc trưng cho tính riêng biệt của từng chất nghiên cứu trong dung dịch, khác nhau với các chất khác nhau. ε tuy không phụ thuộc vào nồng độ dung dịch nhưng lại phụ thuộc vào chất hoà tan và dung môi của dung dịch. Ngoài ra ε còn được dung để xác định độ nhạy của phản ứng ở một bước sóng xác định. ε càng lớn thì phản ứng càng dễ xảy ra. Ta đặt: 0 lgI A I = (7) với A: Độ hấp thụ Khi đó: . . 0 lg I lg l C . . .lg e l C e I ε ε − = = − (8) Đặt: ελ =ε.lge Suy ra (9) Từ công thức trên ta thấy A phụ thuộc tuyến tính vào C. Nhưng thực tế điều này chỉ đúng khi dung dịch có nồng độ rất nhỏ. Khi nồng độ của dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, tương tác giữa các phân tử mạnh và khi đó kết quảđo được sẽ có nhiều sai lệch so với định luật.
Phương pháp đường chuẩn, cùng với phương pháp so sánh, phương pháp thêm chuẩn (sử dụng công thức và sử dụng đồ thị) là 3 phương pháp phân tích thường được sử dụng đểđịnh lượng thành phần hóa học trong trắc quang. Trong khuôn khổ nội dung luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp đường chuẩn vì sự phù hợp của nó với thuốc thử MB, số mẫu sử dụng và tính chính xác cần thiết của phép đo. 0 lg I . . A l C I ελ = − =
2.3.3.2. Quy trình thực hiện
Phương pháp đường chuẩn được thực hiện như sau:
1) Chuẩn bị từ 6 dung dịch của mẫu chuẩn trở lên với các nồng độ C khác nhau.
2) Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch ở λmax, là bước sóng đặc trưng của mẫu chuẩn có cường độ hấp thụ cực đại.
3) Biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính của A theo C trên đồ thị.
4) Lặp lại các bước 1 và 2 với dung dịch cần xác định, từ A thu được, xác
định C qua đồ thị hoặc qua phương trình hồi quy rút ra từđồ thị.
Yêu cầu trong phân tích thành phần hóa học sử dụng phương pháp đường chuẩn:
• Yêu cầu về các hợp chất cần xác định là phải bền, ít phân ly, ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép đo (10–20 phút).
• Hệ số ε lớn có giá trị từ 103–5.104 l.mol-1cm-1, có thể thực hiện phản ứng tạo màu với các thuốc thử vô cơ và hữu cơ.
• Nồng độ chuẩn chất cần xác định theo định luật Lambert – Beer, hay nói cách khác, nồng độ chuẩn chất cần xác định cần phải thỏa mãn khoảng tuyến tính ( sẽ được đề cập dưới đây).
• Các hợp chất là phức cần đo phải có λmax khác xa với λmax của thuốc thử
trong cùng điều kiện tức là ∆λ>2 lần nửa bán chiều rộng của vân phổ
(khoảng 80 -100 ηm). Thí dụ, khi phân tích Fe2+ bằng phương pháp O- Phenanthroline. Sau khi thêm thuốc thử ta được phức màu vàng cam (λmax=510 ηm), trong khi đó thuốc thử 1,10- Orthophenanthroline có λmax = 250 ηm.
Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ
tuân theo định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. Ngoài giới hạn LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì
độ hấp thụ quang A hầu như không tăng nữa. Nguyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. Ngoài ra, khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh
hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, pH của dung dịch, lực ion, sự
pha loãng, v.v. Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn trên hình 14.
Hình 14. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang.
Trong phương pháp đường chuẩn nói riêng và phân tích trắc quang nói chung, có thể chia sai số thành 2 nhóm:
1) Sai số do tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ, v.v.) 2) Sai số của tín hiệu đo độ hấp thụ của dung dịch (do hệ thống đo).
Độ chính xác trong phương pháp này phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác nhau rất phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, trong
đó sai số quan trọng nhất là sai số của tín hiệu trong quá trình đo độ hấp thụ
quang học.
LOL A
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát bề mặt đế vàng
3.2.1. Hiển vi điện tử quét
Hình thái bề mặt và cấu trúc đế trên đó xảy ra quá trình tự lắp ghép là rất quan trọng trong việc hình thành màng mỏng và các ảnh hưởng trực tiếp lên các sai hỏng của màng. Bề mặt vàng thu được bằng phương pháp phún xạ, được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S-4800 (hãng Hitachi - Nhật bản) tại Viện Khoa học Vật liệu với độ phóng đại 80 nghìn lần, thể hiện trên hình 15.
Hình 15. Ảnh SEM của màng vàng sử dụng trong thí nghiệm.
Các tạp chất hoặc sự không ổn định của bề mặt vàng ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc màng SAM thu được. Các sai hỏng về cấu trúc của màng hầu hết là do sự lồi lõm của bề mặt đế, các sai hỏng trong cấu trúc đế hoặc các tạp chất ở
trên bề mặt đế. Ảnh SEM thu được thể hiện một bề mặt vàng ít sai hỏng, các hạt với kích thước đồng đều được sắp xếp ổn định. Các tạp chất trên bề mặt xuất hiện không đáng kể, không ảnh hưởng tới sự hình thành màng mỏng tự lắp ghép.
3.2.2. Hiển vi lực nguyên tử
Bề mặt vàng trước khi đưa vào thí nghiệm tự lắp ghép phân tử được phân tích bằng hiển vi quét lực nguyên tử NT-MTD (Nga) tại Phòng thí nghiệm Micro – Nano, Trường Đại Học Công Nghệ – ĐHQGHN.
Hình 16. Ảnh AFM của màng vàng sử dụng trong thí nghiệm.
Ảnh AFM thu được (hình 16) quét với độ rộng 1µmx1µm cho thấy bề mặt vàng khá đồng đều, với kích thước các hạt nằm trong khoảng 40nm-60nm, bề
mặt đảm bảo chất lượng cho quá trình tự lắp ghép phân tử. 3.2.3. Nhiễu xạ tia X
Giản đồ nhiễu xạ tia X của bề mặt vàng được đo trên máy XRD Bruker Advanced D8 (Đức) tại Phòng thí nghiệm Micro – Nano, Trường Đại Học Công Nghệ – ĐHQGHN.
Giản đồ nhiễu xạ tia X thu được trên hình 17 sử dụng bước sóng 1,5406 Å với 2θ từ 10o đến 80o xuất hiện đỉnh nhiễu xạ 2θ tại vị trí 38,2o, 44,5o, 64,8o và 77,6o, theo thứ tự trùng với các đỉnh nhiễu xạ của vàng (111), (200), (220) và (311) [62].
Hình 17. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng vàng dùng trong thí nghiệm.
Theo nhiều nghiên cứu về SAM alkanethiol, bề mặt vàng định hướng (111) là bề mặt vàng tốt nhất cho quá trình tự lắp ghép phân tử [5, 63]. Bên cạnh lý thuyết về sự tối ưu của các mức năng lượng trong hình thành SAM alkanethiol trên bề mặt tinh thể (111), bề mặt vàng (111) hình thành thường có
độ phẳng cao, ít các sai hỏng. Ngoài ra, bề mặt vàng định hướng (111) còn có mật độ phân tử trên bề mặt cao nhất so với các định hướng khác, tạo thuận lợi cho việc hình thành SAM dưới dạng tinh thể 2 chiều với mật độ cao.
Áp dụng công thức Scherrer để tích kích thước hạt: 0,9. .cos β λ τ β θ = (10) Với β là độ bán rộng tại đỉnh nhiễu xạ tương ứng.
Chúng tôi tính toán được kích thước các hạt ứng tương ứng với các định hướng là Au(111) : 52 nm, Au(200) : 51,3 nm, Au(220) : 51 nm, và Au (311) : 53 nm, phù hợp với kết quả SEM và AFM thu được.
3.2. Xác định liên kết Au-S và nhóm chức –COOH của màng
3.2.1. Phổ hồng ngoại (FT-IR)
Phép đo phổ hồng ngoại được thực hiện bằng máy đo phổ GX-Perkin Elmer-USA, dải đo 600 cm-1 đến 4000 cm-1, độ phân giải 4 cm-1 tại khoa Hóa - Trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN. Kết quả này của nhóm nghiên cứu đã được công bố trong một số tài liệu [2].
Hình 18. Phổ hồng ngoại của dung dịch TGA 10mM.
Phổ hồng ngoại của dung dịch TGA (hình 18) xuất hiện các đỉnh đặc trưng: đỉnh 2921 cm-1 là đỉnh của liên kết C-H, đỉnh 2565 cm-1 là đỉnh của liên kết S-H, đỉnh 1705 cm-1 là liên kết C=O, các đỉnh 1298 cm-1 và 1146 cm-1 là các liên kết của C-O đặc trưng cho nhóm –COOH [64], đỉnh 634 cm-1 là của liên kết C-S [65].
Với phổ hồng ngoại của mẫu Au sau khi thực hiện thí nghiệm tự lắp ghép phân tử TGA lên đó (hình 19) xuất hiện đỉnh 3350 cm-1 là đỉnh của liên kết O-H tồn tại trong H2O có trong không khí, đỉnh 2976 cm-1 và 2925 cm-1 là đỉnh của liên kết C-H, đỉnh 1676 cm-1 là đỉnh của liên kết C=O, đỉnh 1302 cm-1 thể hiện sự có mặt của liên kết C-O đặc trưng của nhóm –COOH [64], 1380 cm-1 , 1088 cm-1 , 1405 cm-1 thể hiện liên kết C-C, đỉnh 634 của liên kết S-C không còn quan sát được, thay vào đó là một dải đỉnh tù 700 cm-1 tới 600 cm-1 là mốt dao động của nhóm S-C [65].
So sánh hai phổ của dung dịch TGA nguyên chất và phổ của mẫu vàng sau thí nghiệm có thể thấy đều có sự xuất hiện của các liên kết đặc trưng cho nhóm –COOH. Sự dịch đỉnh và thay đổi cường độ các đỉnh có thể giải thích do tác riêng giữa các nguyên tử S của Thiol và nguyên tử Au và hình thành liên kết Au-S và lực liên kết Van der Waals của các đuôi phân tử. Đáng chú ý hơn là sự
mất đi đỉnh đặc trưng cho liên kết S-H tại vị trí 2565cm-1 của phổ hống ngoại của mẫu sau thí nghiệm tự lắp ghép phân tử, chứng tỏ đã xẩy ra chuyển hóa bẻ
gãy liên kết S-H, tạo liên kết Au-S như phương trình (1).
Ngoài ra ta nhận thấy đỉnh của liên kết C-H từ phổ hồng ngoại dung dịch TGA là 2921 cm-1 trong khi phổ hồng ngoại của đế vàng nhúng trong dung dịch TGA 10mM xuất hiện hai đỉnh của liên kết C-H đó là đỉnh 2925 cm-1 và 2976 cm-1 điều này được lý giải do màng SAMs hình thành trên đế vàng có cấu trúc không đồng đều ở các vị trí khác nhau (do ảnh hưởng của những sai hỏng trong quá trình tạo SAMs), ngoài ra những dao động kéo căng nhóm -CH- của mạch alkyl rất nhạy với cường độ ánh sáng chiếu tới và những sai hỏng gặp phải khi chế tạo màng SAMs.
Hai đỉnh 2925 cm-1 và 2976 cm-1 xuất hiện thể hiện sự kéo căng đối xứng và phản đối xứng của nhóm –CH– trong cấu trúc SAMs. Cường độ các đỉnh của dung dịch TGA thay đổi đáng kể sau khi nhúng đế Au bởi vì đã có sự thay đổi trong cấu trúc của TGA và sự hình thành SAMs trên đế Au ảnh hưởng đến lực liên kết giữa các nguyên tử với nhau dẫn đến sự thay đổi cường độ hấp thụ của các liên kết nguyên tử như liên kết C=O từ 1705 cm-1 sang 1676 cm-1, liên kết S- C từ 634 cm-1 thành một dải đỉnh từ 700 cm-1 tới 600 cm-1.
3.2.2. Phổ tán xạ Raman
Để xác minh lại một lần nữa có chuyển hóa xảy ra ở phương trình (1), bổ
trợ cho kết quả của phép đo phổ hồng ngoại, chúng tôi tiếp tục thực hiện đo phổ
Raman của 2 mẫu trên. Các phép đo phổ tán xạ Ramn được thực hiện trên máy
đo Invia Raman Microscope (Hãng Renishan), dải đo từ 0cm-1 đến 3500cm-1, độ
phân giải 4cm-1 tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Hình 20. Phổ Raman của dung dịch TGA 10mM.
Hình 21. Phổ Raman của SAM.
Nhìn vào phổ Raman của dung dịch TGA 10mM (hình 20) và phổ Ramn của bề mặt Au sau thí nghiệm tự lắp ghép phân tử (hình 21) có thể thấy sự hình thành của các nhóm hữu cơ trên bề mặt vàng, đồng thời mất đi liên kết –SH của axít thioglycolic, thể hiện bản chất của phương trình chuyển hóa tạo SAM (1),
phù hợp với các kết quả đo phổ hồng ngoại. (Phổ Raman của dung dịch TGA là kết quả thực hiện của nhóm nghiên cứu và đã được công bố trong một số tài liệu [2]).
Đã có sự tồn tại của các liên kết hữu cơ C=O tại các đỉnh 1684 cm-1, 1697 cm-1, C-H tại các đỉnh 2933 cm-1, 2927 cm-1, C-C tại các đỉnh 984 cm-1 và 1401 cm-1 [5, 66]. Đáng chú ý là đỉnh 2573 cm-1 của liên kết S-H trong dung dịch TGA không xuất hiện trên phổ của bề mặt vàng. Như vậy liên kết S-H đã mất đi, hoàn toàn phù hợp với kết quả đo phổ hồng ngoại, chứng tỏ các phân tử thiol đã
được lắp ghép trên bề mặt vàng với liên kết Au-S chắc chắn chứ không phải các bám dính vãng lai về mặt cơ học.
Sự dịch đỉnh của các liên kết có thểđược giải thích do sự thay đổi về liên kết của TGA, sự mất đi liên kết –SH và hình thành liên kết Au-S, ngoài ra liên kết giữa các phân tử TGA đã thay đổi, từ trạng thái tự do trong dung dịch 10mM
đã chuyển sang cấu trúc sắp xếp theo tinh thể 2 chiều của TGA trên bề mặt vàng, với các liên kết Van der Waals.
Sự mất đi của hydro trong nhóm S-H vẫn chưa được xác định rõ ràng [18, 26, 27]. Dường như có thể sự hút bám trong chân không dần tới sự mất đi của Hidro trong dạng hình thành Đihydro – sự khử H2 từ Au(111) là một quá trình hoạt hóa yếu [13]. Trong dung dịch, một khả năng khác có thể xảy ra. Nếu hydro của thiol không mất đi dưới dạng H2, sự có mặt của oxy trong môi trường phản ứng cũng có thể dẫn tới sự oxy hóa chuyển thành nước. Trong trường hợp khác, tương tác liên kết Au-S trong thiol là đủ để giữ chuỗi phân tử ở bề mặt ở
dạng bền vững và loại trừ sự tái phân tách của sản phẩm disulfides ở nhiệt độ
phòng. Ở nhiệt độ cao hơn sự chuyển hóa của các thiol ở bề mặt thành disulfides có thể thực hiện được và được nghiên cứu trong một vài cấu trúc SAM [28, 31].
3.3. Định lượng mật độ phân tử carboxylic của màng SAM
Xanh Methylen (Methylene Blue – MB) là một chất chỉ thị màu, dung dịch MB có màu xanh, khi phản ứng với các nhóm –COOH thì khả năng hấp thụ
ánh sáng của MB bị biến đổi, đặc biệt tại các đỉnh đặc trưng, sự thay đổi này có thể được xác định bằng phổ hấp thụ UV – VIS.
Xanh Methylen có công thức hóa học C16H18N3SCl và khối lượng mol M = 319.85 (theo mẫu chuẩn của hãng Merk). Cơ chế mất màu của MB: Trong môi trường axít thì đôi điện tử trên nguyên tử N sẽ nhận proton H+, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng với vòng benzen nên MB bị mất màu, theo phương trình (11):
(11) Với SAM thioglycolic có nhóm chức –COOH ở phía bề mặt, chúng hoàn toàn có thể phản ứng với dung MB và làm mất màu dung dịch này. Sử dụng phổ
hấp thụ UV-VIS và phương pháp đường chuẩn trong trắc quang, chúng tôi xác