CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
3.2. Xác định liên kết Au-S và nhóm chức –COOH của màng
3.3.1 Xây dựng đường chuẩn của MB tại đỉnh hấp thụ 662nm
Để xây dựng đường chuẩn của MB tại đỉnh hấp thụ 662nm, chúng tôi thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV-VIS, dải đo từ 400nm tới 800nm đối với 6 mẫu dung dịch MB với các nồng độ từ thấp tới cao, lần lượt là: 2.10-4 %; 4.10-4 %; 6.10-4 %; 8.10-4 %; 1.10-3 %; và 1,2.10-3 %.
Phổ hấp thụ UV-VIS của các dung dịch MB trong luận văn này được đo trên máy đo phổ UV-VIS model V-570 (hãng Jasco) tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, dải đo từ 400-800nm. Kết quả thu được như
Hình 22. Kết quảđo phổ UV-VIS của dung dịch MB tại các nồng độ tương
ứng, dải đo từ 400nm tới 800nm.
MB có 2 đỉnh hấp thụđặc trưng là 612nm và 662nm. Theo nguyên lý của phương pháp đường chuẩn trong trắc quang, chúng tôi sử dụng cường độ hấp thụ của các dung dịch MB tại đỉnh 662nm, là đỉnh thể hiện cường độ cao hơn để
xây dựng đường chuẩn của dung dịch MB. Bảng 1 là cường độ đỉnh hấp thụ tại
đỉnh 662nm với các nồng độ tương ứng. Bảng 1. Cường độ hấp thụ của MB tại đỉnh 662nm với các nồng độ tương ứng. Nồng độ (%) Cường độđỉnh hấp thụ tại 662nm 2.10-4 0,72 4.10-4 1,31 6.10-4 2,00 8.10-4 2.55 1.10-3 2.80 1,2.10-3 3.36
Từ bảng 1, sử dụng thêm điều kiện biên (x=0; y=0), là điều kiện ứng với trường hợp nồng độ MB bằng 0, hay nói cách khác, khi dung dịch hoàn toàn không có MB, đỉnh hấp thụ tại 662nm bằng 0. Chúng tôi xây dựng được đường
chuẩn của dung dịch MB tại đỉnh 662nm, là một phương trình hồi quy với độ
tuyến tính cao, thỏa mãn khoảng tuyến tính của định luật Beer, đường chuẩn này
được thể hiện như trên hình 23.
Hình 23. Đường chuẩn trắc quang của MB tại bước sóng 662nm.
Đường chuẩn thu được có phương trình y=0,2951.x (12) với với bình phương của hệ số tương quan khá mạnh là R2=0,9631. (Bình phương của hệ số
tương quan được định nghĩa là phần biến thiên của một biến số được giải thích bằng một hay nhiều biến số khác trong mô hình hồi qui, là số đo mức độ phù hợp. R2 = 1 nghĩa là khả năng dự báo của mô hình là hoàn hảo.)
Từ phương trình 12 ta có thể tính nồng độ của dung dịch MB (tương ứng với giá trị tại trục x) khi biết cường độ hấp thụ của dung dịch đó tại đỉnh 662nm (tương ứng với giá trị tại trục y). Ký hiệu nồng độ của dung dịch MB là C, cường độ hấp thụ tại đỉnh 662nm là I662. Ta có: 662 5 2,951.10 I C= (13) 3.3.2 Tính toán định lượng
Sau khi thực hiện quá trình tự lắp ghép phân tử, tạo SAM trên đế vàng, chúng tôi nhúng đế vàng này vào dung dịch MB với các nồng độ xác định, khối lượng mỗi dung dịch là 1g, thời gian nhúng trong 2 tiếng. Phản ứng giữa MB mới nhóm chức –COOH của SAM xảy ra sẽ làm thay đổi nồng độ của dung dịch
MB. Nồng độ của dung dịch dung dịch MB sau phản ứng sẽ được tính dựa trên phương trình 12, trong đó y là cường độ hấp thụ tại đỉnh 662nm của dung dịch này.
Gọi nồng độ dung dịch MB trước phản ứng là C1, sau phản ứng là C2, khối lượng dung dịch MB sử dụng để nhúng màng SAM là m. Ta có thể tính
được số mol MB tham gia phản ứng là:
1 2 ( ) MB C C m n M − = (14) Trong đó MMB là khối lượng mol của MB.
Số phân tử MB tham gia phản ứng là:
N = n.NA (15)
Trong đó NA là hằng số Avogadro.
Theo phương trình 10, MB phản ứng với nhóm –COOH với tỉ lệ 1:1, nên số phân tử MB tham gia phản ứng cũng bằng với số nhóm –COOH tham gia phản ứng. Vì phản ứng giữa MB và nhóm –COOH là phản ứng một chiều và xảy ra dễ dàng nên có thể coi tất cả các phân tử carboxylic của màng SAM đều tham gia phản ứng. Vậy số nhóm –COOH có trên bề mặt SAM cũng chính bằng số phân tử MB tham gia phản ứng. Như vậy ta có thể tính được mật độ phân tử
carboxylic của màng SAM đã chế tạo được được:
N D S = (16) với S là diện tích bề mặt tạo SAM.
Vậy công thức tổng quát để tính mật độ phân tử carboxylic của màng SAM sẽ là: 1 2 ( ) . A MB C C mN D M S − = (17)
Với đường chuẩn của MB nằm trong khoảng từ 2.10-4 % tới 1,2.10-3 %, chúng tôi thực hiện xác định sự thay đổi nồng độ của 4 dung dịch MB có nồng
độ nằm trong khoản này, giá trị lần lượt là 4.10-4 %, 6.10-4 %, 8.10-4 % và 1.10-3 %, ký hiệu lần lượt là M1, M2, M3 và M4 trước và sau khi nhúng SAM vào. Sau đó, áp dụng các tính toán trên để tìm mật độ phân tử carboxylic với các thông số:
NA = 6,02.1023 mol-1
Khối lượng dung dịch MB sử dụng trong phản ứng: m = 1 g
MMB = 319,85 g/mol
Diện tích bề mặt tạo SAM chính là diện tích bề mặt màng vàng sử dụng. Chúng tôi sử dụng 9 mẫu SAM trên bề mặt màng vàng, mỗi mẫu có diện tích 0,5 cm x 0,5 cm, như vậy diện tích màng SAM tham gia phản ứng với MB là:
S = 9.(0,5)2 = 2,25 (cm2).
Hình 24a, 24b, 24c, 24d tương ứng là phổ hấp thụ thu được trong dải đo từ 400nm tới 800nm của các dung dịch M1, M2, M3, M4 sau khi tham gia phản
ứng với nhóm carboxylic của màng SAM, chú ý tới cường độ hấp thụ tại đỉnh 662nm lần lượt là 1,05; 1,64; 2,22; 2,80. Từ giá trị này, so sánh với công thức hồi quy của đường chuẩn, ta thu được nồng độ của các dung dịch tương ứng.
a) Mẫu M1 b) Mẫu M2
c) Mẫu M3 d) Mẫu M4
Hình 24. Phổ hấp thụ UV-VIS của các dung dịch MB sau phản ứng với màng SAM.
Từ các giá trị thu được với từng mẫu, áp dụng phương pháp tính toán đã nêu, chúng tôi thu được mật độ phân tử SAM chế tạo bằng axít thioglycolic 10mM trên bề mặt vàng như bảng 2.
Bảng 2. Tính toán mật độ phân tử SAM. Mẫu M1 M2 M3 M4 Nồng độ ban đầu C1 (%) 4.10-4 6.10-4 8.10-4 1.10-3 Cường độ hấp thụ tại 662nm I662 1,05 1,64 2,22 2,80 Nồng độ sau phản ứng C2 (%) 3,56.10-4 5,56.10-4 7,52.10-4 9,49.10-4 Mật độ phân tử SAM (phân tử/cm2) 3,70.1014 3,70.1014 3,99.1014 4,28.1014
Mật độ phân tử SAM trên đế vàng tính toán được vào khoảng 3,70.1014
đến 4,28.1014 phân tử/cm2, chúng tôi lấy giá trị trung bình của 4 kết quả thu
được là khoảng 3,92.1014 phân tử/cm2. Mật độ phân tử SAM-alkanethiol cực đại theo tính toán lý thuyết là ~ 4.5x1014 phân tử/cm2 [45]. Mật độ phân tử SAM tính toán được không thể đạt cực đại có thể do nhiều nguyên nhân như các khiếm khuyết trên đế vàng hay các phân tử SAM chưa phản ứng hoàn toàn với MB.
Phương pháp xác định mật độ phân tử SAM bằng xây dựng đường chuẩn trắc quang có ưu điểm là đơn giản, không phá hỏng liên kết Au-S của màng như
các phương pháp đã được nghiên cứu như phổđiện hóa. Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như phản ứng của MB với nhóm –COOH, sai số khi pha chế dung dịch và trong tính toán, v.v.
KẾT LUẬN
Trên cơ sở những hiểu biết và nghiên cứu về công nghệ tự lắp ghép phân tử và màng đơn lóp tự lắp ghép nói chung và màng tự lắp ghép alkanethiol trên bề mặt vàng nói riêng, luận văn này đã hoàn thành công việc chế tạo màng tự
lắp ghép của axít thioglycolic trên bề mặt vàng (111) tại phòng linh kiện quang tử và vật liệu lai cấu trúc nano. Màng này đã được kiểm chứng bằng các phương pháp phân tích đơn giản hiện có ở Việt Nam. Sau đây là một số kết quả đạt được
đáng lưu ý của luận văn:
• Làm chủ quy trình chế tạo màng tự lắp ghép alkanethiol trên bề mặt vàng (111), đây là quy trình đơn giản và không yêu cầu điều kiện khắt khe về công nghệ.
• Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR và phổ tán xạ Raman đã thể hiện rõ ràng các liên kết hữu cơ trên bề mặt vàng. Đặc biệt là đỉnh của liên kết S-H có trong dung dịch axít thioglycolic không quan sát thấy trên phổ hồng ngoại và phổ Raman trên bề mặt vàng. Điều này gián tiếp thể hiện sự hình thành liên kết Au-S, là liên kết đặc trưng cho công nghệ tự lắp ghép phân tử của alkanethiol trên bề mặt vàng.
• Sử dụng phương pháp đường chuẩn trong trắc quang với thuốc thử MB, tính toán được mật độ phân tử SAM. Điều này rất có ý nghĩa trong các nghiên cứu nâng cao chất lượng màng SAM cũng như trong các ứng dụng sinh học khi sử dụng các phân tử hữu cơ liên kết với màng SAM.
Việc chế tạo và khảo sát thành công màng mỏng alkanethiol trên bề mặt vàng mở ra khả năng ứng dụng các màng này trong việc chế tạo các chip sinh học, trong đó liên kết Au-S được coi như liên kết trung gian vững chắc để liên kết các vật liệu sinh học như ADN, ARN hay protein với đế. Tuy nhiên để có thể ứng dụng vào công nghệ sinh học thì cần thiết phải có những nghiên cứu cải tiến chất lượng màng đối với từng loại phân tử hữu cơ với chiều dài phân tử và nhóm chức khác nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Nguyễn Đức nghĩa, Hóa Học Nano - Công nghệ nền và vật liệu nguồn, NXB Khoa Học Tự Nhiên Và Công Nghệ, 2007.
2. Đào Trọng Tiến, Nghiên cứu cấu trúc đơn lớp của thiolglycolic acid (TGA trên bề mặt (Au) để cốđịnh phần tử sinh học, Khoá luận tốt nghiệp
đại học hệ chính quy, Đại học công nghệ - ĐHQGHN, 2010.
Tiếng Anh
3. George M. Whitesides and Bartosz Grzybowski, Science, 2002, 295, 2418– 1421.
4. Poirier G. E., Pylant E. D. Science (Washington, D. C.) 1996, 272, 1145. 5. M. R. P. Dorrestijn, Assembly of double-stranded DNA molecules
embedded in alkanethiolate self-assembled monolayers on gold, Msc Thesis, Delft University of Technology, 2002.
6. L. C. F. Blackman and M. J. S. Dewar, J. Chem. Soc., 1957, 162. 7. H. Emmons, Trans. Am. Inst. Chem. Eng., 1939, 35, 109.
8. O. Chailapakul, L. Sun, C. Xu, and R. M. Crooks, J. Am. Chem. Soc., 93, 115, 12459.
9. R. G. Nuzzo, F. A. Fusco, and D. L. Allara, J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 2358.
10. M. D. Porter, T. B. Bright, D. L. Allara, and C. E. D. Chidsey, J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 3559.
11. N. Camillone, C. E. D. Chidsey, G. Y. Liu, and G. Scoles, J. Chem. Phys., 1993, 98, 3503.
12. Harrell Sellers, Abraham Ulman, Yitzhak Shnidman, and James E. Eilers, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 9389–9401.
13. J. Christopher Love, LaraA.Estroff, JennahK.Kriebel, RalphG.Nuzzo,and George M. Whitesides , Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology, Chem.Rev. 2005, 105, 1103−1169. 14. Abraham Ulman, Chem.Rev., 1996, 96, 1533–1554.
15. J. H. Fendler, Chem. Mat., 2001, 31, 3196.
16. Frank Schreiber, Progress in Surface Science, 2000, 65, 151–256. 17. Hasan M., Bethell D., Brust M., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124,
132.Widrig C. A., Chung C., Porter M. D. , J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1991, 310, 335. Zhong C. J., Woods N. T., Dawson B. G., Porter M. D., Electrochem. Commun. 1999, 1,17. 18. Lee J. G., Lee J., Yates J. T., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 440. 19. L. H. Dubois and R. G. Nuzzo, Ann. Phys. Chem., 1992, 43, 437.
20. Nuzzo R. G., Zegarski B.R., Dubois L.H., J.Am.Chem.Soc., 1987, 109,733.
21. Fischer D., Curioni A., Andreoni W., Langmuir 2003, 19, 3567.
22. Lavrich D. J., Wetterer S. M., Bernasek S. L., Scoles G. J., Phys. Chem. B 1998, 102, 3456.
23. Yang G., Amro N.A., Starkewolfe Z.B., Liu G.-y., Langmuir, 2004, 20, 3995.
24. Schlenoff J. B., Li M., Ly H., J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 12528.
25. Wetterer S. M., Lavrich D. J., Cummings T., Bernasek S. L., Scoles G., J. Phys. Chem. B 1998, 102,9266.
26. Andreoni W.,Curioni,A.,Gronbeck,H. Int.J.QuantumChem. 2000, 80, 598. 27. Kondoh H., Kodama C., Sumida H., Nozoye H., J.Chem.Phys., 1999,
111,1175.
28. Kondoh H., Kodama C., Sumida H., Nozoye H., J.Chem.Phys., 1999, 111,1175.
29. Kluth G.J., Carraro C., Maboudian R., Phys. Rev. B: Condens. Matter, 1999, 59,R10449.
30. Trevor J.L., Lykke K.R., Pellin M.J., Hanley L., Langmuir, 1998, 14,1664.
31. Nishida N., Hara M., Sasabe H., Knoll W., Jpn. J. Appl. Phys. Part1, 1997, 36,2379.
32. Paula Yurkanis Bruice, Organic Chemistry, Prentice Hall,Upper Saddle River, NJ, 3ed., 2001.
33. C. D. Bain, E. B. Troughton, Y. T. Tao, J.Evall, G. M. Whitesides, and R.G.Nuzzo, J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 321.
34. P.G. Van Patten, J. D. Noll, and M. L. Myrick, JPCB, 1997, 101,7874– 7875.
35. J. B. Schleno, M. Li, and H. Ly, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117,12528. 36. Yamada R., Sakai H., Uosaki K., Chem. Lett., 1999, 667.
37. Schneider T.W., Buttry D.A., J.Am.Chem.Soc., 1993, 115, 12391. 38. Yan D., Jordan J.L., Burapatana V., Jennings G.K., Langmuir, 2003,
19,3357.
39. Yan D., Saunders J.A., Jennings G.K., Langmuir, 2002, 18,10202. 40. Yan D., Saunders J.A., Jennings G.K., Langmuir, 2000, 16,7562.
41. Kawasaki M., Sato T., Tanaka T., Takao K., Langmuir, 2000, 16,1719. 42. Yamada R., Wano H., Uosaki K., Langmuir, 2000, 16,5523.
43. Bensebaa F., Voicu R., Huron L., Ellis T.H., Kruus E., Langmuir, 1997, 13 5335.
44. Sun L., Crooks R.M., J. Electrochem. Soc., 1991, 138 L23.
45. Bain C.D., Evall J., Whitesides G.M., J.Am.Chem.Soc. 1989, 111, 7155. 46. Ishida T., Mizutani W., Azehara H., Sato F., Choi N., Akiba U., Fujihira
M., Tokumoto H., Langmuir, 2001, 17,7459.
47. Terrill R.H., Tanzer T.A., Bohn P.W. Langmuir 1998, 14, 845. 48. Chidsey C.E.D., Science(Washington D.C.), 1991, 251 919.
49. Love J.C., Wolfe D.B., Haasch R., Chabinyc M.L., Paul K. E., Whitesides G.M., Nuzzo R.G., J.Am.Chem.Soc., 2003, 125 2597.
50. Whitesides G.M., Laibinis P.E., Langmuir, 1990, 6 87.
51. Dubois L.H., Zegarski B.R., Nuzzo R.G., J.Chem.Phys. 1993, 98, 678. 52. Torchynska T.V., J. Appl. Phys. 2002, 92, 4019.
53. Salomon A., Cahen D., Lindsay S., Tomfohr J., Engelkes V. B., Frisbie C.D., Adv.Mater., 2003, 15 1881.
54. Salomon A., Cahen D., Lindsay S., Tomfohr J., Engelkes V. B., Frisbie C.D., Adv.Mater., 2003, 15 1881.
55. Beebe J.M., Engelkes V.B., Miller L.L., Frisbie C.D. J.Am., Chem.Soc., 2002, 124 11268.
56. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell 4th ed., GarlandScience: London 2002. 57. Chaki N.K., Vijayamohanan K., Biosens.Bioelectron., 2002, 17, 1. 58. R. C. Salvarezza, Surface characterization of sulfur and alkanethiol self-
assembled monolayers on Au(111), J.Phys.:Condens.Matter 18, 2006, R867–R900.
59. Dowling D.P., Donnelly K., McConnell M.L., Eloy R., Arnaud M.N. Thin Solid Films, 2001, 398, 399, 602.
60. PoonVincent K.M., Burd A., Burns 2004, 30,140.
61. Laibinis P.E., Whitesides G.M., Allara D.L., Tao Y.T., Parikh A.N., Nuzzo R. G., J. Am. Chem. Soc., 1991, 113,7152.
62. Reno F. DeBono, Glenn D. Loucks, Deborah Della Manna, and Ulrich J. Krull, Self-assembly of short and long-chain n-alkyl thiol onto gold surfaces: A real-time study using surface plasmon resonance techniques, Can. J. Chem, 1996, Vol. 74, 677-688.
63. Ashok Kumar, Biosensors Based on Piezoelectric Crystal Detectors: Theory and Application, JOM-e 2000, 52, 10.
64. R.G.Nuzzo, L.H.Dubois, D.L.Allara, J. Am. Chem. Soc. 112, 1990, pp.558.
65. Asma Tlili, Adnane Abdelghani, Salwa Hleli and Mhamed A. Maaref, Electrical Characterization of a Thiol SAM on Gold as a First Step for the Fabrication of Immunosensors based on a Quartz Crystal Microbalance, Sensors 2004, 4, 105-114.
66. Jian Ge Zhou, Quinton L. Williams, Ruqian Wu, Thioglycolic acid on the gold(111) surface and Raman, arXiv:1002.1301v1, 2010.