2.4.1 Đo phổ hấp thụ UV-Vis
Phổ UV – Vis là loại phổ electron, ứng với mỗi elctron chuyển mức năng lượng ta thu được một vân phổ rộng. Phương pháp đo phổ UV – Vis (phương pháp trắc quang) là một phương pháp định lượng xác định nồng độ của các chất thông qua độ hấp thụ của dung dịch.
Máy quang phổ UV - Vis vận hành trên cơ sở đo độ hấp thụ ánh sáng đặc trưng cũng như độ truyền quang ở các bước sóng khác nhau, nhờ đó kết quả thu được nhanh và chính xác.
Để xác định phổ hấp thụ của mẫu (dung dịch, màng mỏng...) ta tiến hành theo sơ đồ sau:
Hình 2. 9: Sơ đồ mơ tả hệ đo quang phổ hấp thụ UV-Vis
Tia sáng từ nguồn sáng đơn sắc được tách làm hai tia 1 và 2 có cường độ IO như nhau nhờ gương bán mạ L1, tia 1 truyền thẳng tới vật nền (trong trường hợp mẫu dung dịch thì là lọ dùng để đựng dung dịch, với mẫu màng mỏng được phủ trên đế thủy tinh thì là miếng thủy tinh dùng để phủ màng…), tia thứ 2 sau khi phản xạ trên gương L2 sẽ đưa tới mẫu cần xác định độ hấp thụ. Sau đó so sánh cường độ sáng
sau khi truyền qua mẫu IS và cường độ ánh sáng nền IG, ta sẽ xác định được độ hấp thụ của mẫu. Cường độ sáng bị hấp thụ bởi mẫu được xác định:
IS = IO – IG
Để thu được phổ hấp thụ của mẫu, bước sóng ánh sáng tới sẽ được quét từ vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR). Bước sóng mà tại đó IS thu được là lớn nhất chính là bước sóng hấp thụ của mẫu là cực đại, bước sóng này là đặc trưng đối với từng mẫu. Các phổ có thể được vẽ dưới dạng phổ truyền qua
) ( / ) ( ) ( I I0
T hoặc phổ hấp thụ A()log10I0()/I(). Các phép đo phổ hấp
thụ đựoc tiến hành trên hệ máy quang phổ UV-VIS-NIR, tại viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam với dải phổ làm việc từ 200nm - 800nm.
2.4.2 Đo phổ phát xạ huỳnh quang
Phổ quang huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu cấu trúc điện tử và nhiều tính chất quan trọng khác nhau của vật liệu. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo huỳnh quang bao gồm bốn phần chính:
1. Nguồn sáng để kích thích mẫu (thường dùng laser, diode hoặc đèn Xe). 2. Mẫu cần đo.
3. Bộ thu ánh sáng phát ra từ mẫu (có kèm theo kính lọc để loại bỏ ánh sáng kích thích mẫu ) ánh sáng này sẽ được đưa vào máy phân tích phổ. Ở đây ánh sáng được phân tích thành từng bước sóng phát xạ riêng biệt.
4. Bộ đầu thu để xử lý, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, tín hiệu này được khuếch đại rồi được đưa vào máy tính với phần mềm thích hợp để xử lý các tín hiệu điện thu được.
TRẦN THỊ THANH HỢP 43
Ánh sáng từ nguồn kích thích đơn sắc, được chiếu tới mẫu là các chấm lượng tử CdTe, CdSe/ZnS 10ML được phân tán trong dung môi. Khi đo, mẫu được chứa trong cuvet bằng thạch anh. Phát xạ huỳnh quang phát ra từ mẫu được thu lấy và được đưa vào khe của hệ máy đo, theo nguyên lý trình bày ở trên.
Các phép đo phổ huỳnh quang được tiến hành trên hệ máy quang phổ phổ huỳnh quang tại phịng thí nghiệm quang phổ laser, trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật Lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam. Nguồn kích thích quang sử dụng trong nghiêm cứu là LED phát ra bước sóng 410 nm.
2.4.3 Phương pháp đo phổ hồng ngoại
Khi hấp thụ những bức xạ trong vùng hồng ngoại, năng lượng phân tử tăng lên 8-40 kJ/mol. Đây chính là khoảng năng lượng tương ứng với tần số của dao động biến dạng và dao động quay của các liên kết trong hợp chất cộng hóa trị. Sự hấp thụ xảy ra khi tần số bức xạ của tia tới bằng với tần số dao động riêng của một liên kết nào đó trong phân tử. Tần số dao động riêng của các liên kết trong phân tử được tính theo cơng thức:
Trong đó:
µ: khối lượng rút gọn
k: hằng số lực tương tác, phụ thuộc bản chất liên kết c: tốc độ ánh sáng,
ν: tần số dao động riêng của liên kết
Như vậy mỗi một liên kết có một tần số dao động riêng xác định, phụ thuộc vào bản chất các nguyên tố tham gia liên kết và mơi trường mà liên kết đó tồn tại.
Phổ hồng ngoại của các chất được đo trên máy Nicolet – Impact 400FTR ở
phòng hồng ngoại – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.4.4 Phương pháp đo thời gian sống huỳnh quang
Để khảo sát thời gian phát huỳnh quang của tổ hợp chấm lượng tử CdTe - rhodamine so sánh với thời gian phát huỳnh của riêng chấm lượng tử, tôi sử dụng thiết bị đo thời gian phát huỳnh quang của các tổ hợp này.
Hình 2. 11: Sơ đồ khối thiết bị đo thời gian sống huỳnh quang
Các phép đo thời gian phát huỳnh quang được tiến hành trên hệ đo thời gian sống tại phịng thí nghiệm quang phổ laser, trung tâm điện tử học lượng tử, Viện Vật Lý, Viện Hàn Lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.
Nguồn kích thích quang sử dụng trong thí nghiệm là laser bước sóng 405- nm. Thiết bị đo thời gian sống phát quang trên cơ sở kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian hoàn chỉnh bao gồm: nguồn sáng kích thích, khối đếm đơn photon tương quan thời gian, phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu. Thiết bị cho phép đo thời gian sống phát quang của vật liệu có tín hiệu huỳnh quang rất bé (đếm đơn photon) và đo thời gian sống huỳnh quang độ phân giải rất cao (250 pico-giây)
Sử dụng thiết bị nghiên cứu quá trình trao đổi năng lượng của chất màu và hạt nano, nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện chiếu xạ năng lượng cao lên tính chất quang học của chấm lượng tử CdTe.
TRẦN THỊ THANH HỢP 45
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sensor xác định Rhodamine B
Phổ phát xạ huỳnh quang và hấp thụ của các chất
Chấm lượng tử:
Hình 3. 1: Ảnh TEM của chấm lượng tử CdTe trong dung dịch
Hình 3. 2: Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử CdTe được dùng trong luận văn này
Chấm lượng tử sử dụng trong luận văn là CdTe, có cường độ phát xạ mạnh, có tính tương thích cao với các chất màu hữu cơ và một đặc điểm được xem là quan trọng nhất ở đây là chấm lượng tử CdTe với vỏ MPA (3-mercaptopropanoic acid) phân tán rất tốt trong môi trường nước. Kết quả chụp ảnh TEM cho thấy kích thước các hạt khá đồng đều cỡ từ 2.2 nm. Các chấm lượng tử CdTe đã được sử dụng ngay trong các phép thí nghiệm này mà không cần trải qua bất cứ một khâu biến đổi bề mặt nào cả.
Chất màu hữu cơ:
Hình 3. 3: Phổ hấp thụ của chất màu rhodamine B ở các nồng độ khác nhau
Trong đó: mẫu 1, 2, 3 là chất màu Rhodamine B với nồng độ tương ứng là 10-5,
10-6, 10-7 g/ml. Nhận xét:
Nhìn vào phổ hấp thụ của các chất màu ta nhận thấy cường độ hấp thụ của các chất màu thay đổi theo quy luật khi nồng độ chất màu thay đổi (cường độ hấp thụ giảm dần khi nồng độ giảm dần), từ đó ta có thể xây dựng được mơ hình FRET ứng dụng chế tạo nanosensor độ nhạy cao.
TRẦN THỊ THANH HỢP 47
Sự chồng chập của phổ phát xạ huỳnh quang lên phổ hấp thụ:
Hình 3. 4: Phổ huỳnh quang của Qds và hấp thụ của chất màu Rhodamine b
Trong đó: mẫu 1, 2, 3, QD là chất màu Rhodamine B với nồng độ tương ứng là 10-5, 10-6, 10-7, 0 g/ml.
Nhận xét:
Hình cho thấy đỉnh hấp thụ của Rhodamine B ~560 nm, và có sự chồng chập gần như hoàn toàn của phổ phát xạ của chấm lượng tử lên phổ hấp thụ của chất màu. Điều này thỏa mãn điều kiện xảy ra hiệu ứng FRET hay là có sự truyền năng lượng không bức xạ từ CdTe sang Rhodamine B.
Hình 3. 5: Mơ tả tương tác tĩnh điện giữa QDs CdTe và Rhodamine B
Hơn nữa, từ hình cho thấy giữa QDs và rhodamine B tồn tại tương tác tĩnh điện, do tương tác này mà các phân tử chất màu hữu cơ Rhodamine B có thể bao quanh chấm lượng tử CdTe và thỏa mãn điều kiện về khoảng cách để xảy ra hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang từ CdTe sang Rhodamine B.
Nghiên cứu phổ phát xạ của CdTe/Rhodamine B:
Hình 3. 6: Phổ huỳnh quang của cặp CdTe/Rhodamine B với nồng độ Rhodamine B từ 0,3.105- 10.105.
Trong đó, các mẫu 1, 2, 3, 4, 5, QD tương ứng với nồng độ Rhodamine B là 0.3.10-5, 0.5.10-5, 1.10-5, 5.10-5, 10.10-5, 0 g/ml
Nhậnxét:
Từ hình 3.6, có thể thấy rằng hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng FRET giữa cặp CdTe-Rhodamine B trong dung dịch thể hiện rõ qua sự thay đổi phổ huỳnh
TRẦN THỊ THANH HỢP 49
thể hiện phổ phát xạ ở các nồng độ khác nhau của Rhodamine B: chỉ có một mình
QDs (màu hồng), sau đó bổ sung Rhodamine B: 5
10 . 3 , 0 (màu đen), 5 10 . 5 , 0 (màu
đỏ), 1.105(xanh lá cây), 5.105(xanh đậm), 10.105(xanh da trời).
Trong hình 3.6 ta nhận thấy có sự suy giảm cường độ huỳnh quang của chấm lượng tử và tăng cường độ huỳnh quang của Rhodamine B theo nồng độ tăng dần của Rhodamine B. Việc tăng dần nồng độ chất màu Rhodamine B đã dập tắt dần huỳnh quang chất cho (chấm lượng tử CdTe) đồng thời với sự phát xạ của chất nhận (Rhodamine B), điều này chỉ ra hình thức truyền năng lượng tới chất nhận. Từ hình 3.6có thể thấy rằng sự dập tắt huỳnh quang CdTe theo sự thay đổi nồng độ Rhodamine B diễn ra mạnh mẽ. Sự dập tắt quá trình phát huỳnh quang của CdTe và đồng thời nâng sự phát xạ Rhodamine B và đó là tín hiệu xác nhận việc truyền năng lượng cộng hưởng không bức xạ từ CdTe đến Rhodamine B.
Phép đo thời gian sống huỳnh quang
Phép đo thời gian phân rã huỳnh quang cung cấp thơng tin quan trọng và chính xác về sự tương tác phân tử hơn so với các phép đo trạng thái ổn định (như đó phổ UV-Vis, phổ PL). Bằng cách theo dõi thời gian sống huỳnh quang của các chấm lượng tử trong sự có mặt và khơng có chất màu, các thơng số quan trọng có thể thu được qua các tương tác phân tử. Hiệu quả của việc dập tắt huỳnh quang và đặc biệt là quá trình FRET bây giờ được nghiên cứu rộng rãi trong các ứng dụng quang hóa và quang sinh học, trong đó, phép đo phổ phát xạ huỳnh quang thường được sử dụng để định lượng hiệu suất FRET, nhưng thời gian sống huỳnh quang lại là kỹ thuật chính xác và mạnh mẽ hơn bởi vì nó khơng phụ thuộc vào nồng độ,và do đó kết quả thu được là một thơng số đáng tin cậy.Thời gian sống trong sự hiện diện và sự vắng mặt của chất nhận (acceptor) có khả năng làm sáng tỏ hiệu suất FRET trong sự các lựa chọn cặp chất cho và chất nhận.
Hình 3. 7: Đường biểu diễn phân rã huỳnh quang của CdTe trong sự khơng có và có mặt chất màu Rhodamine B ở các nồng độ khác nhau.
Trong đó, các mẫu QD, 1, 2, …5 tương ứng với nồng độ Rhodamine B là 0, 0.3.10-5, 0.5.10-5, 1.10-5, 5.10-5, 10.10-5 g/ml.
Hình 3.7 cho thấy các đường cong phân rã huỳnh quang của QDs có và khơng có Rhodamine B. Ở đây đã xảy ra hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang và thời gian phân rã suy giảm tuyến tính theo sự tăng dần nồng độ rhodamine b đóng vai trò là chất dập tắt (nhận năng lượng từ chất cho là CdTe).
Qua hình 3.7 ta có thể thấy sự suy giảm thời gian sống khi nồng độ Rhodamine B tăng dần tức là đường thời gian sống thời gian sống trung bình của QDs sẽ giảm xuống một cách tuyến tính khi có sự hiện diện của chất dập tắt ở đây là chất màu theo nồng độ tăng dần.
TRẦN THỊ THANH HỢP 51
3.2 Nanosensor để xác định Clenbuterol
Biến tính bề mặt chấm lượng tử
Hình 3. 8: Phổ hấp thụ của Naphtylethylene diamin và phổ phát xạ của Qd
Từ hình 3.8 nhận thấy rằng do khơng có sự trùng chập giữa phổ hấp thụ của ligand và phổ phát xạ của Qd, không thỏa mãn điều kiện của hiệu ứng FRET, do đó khơng xảy ra hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng giữa QD và ligand.
Hình 3. 9: Phổ phát xạ của Qd và hỗn hợp Qd-Naphtylethylene diamin
Hình 3.9 là phổ phát xạ của Qds và Qds sau khi được biến tính bởi Naphtylethylene diamin. Qds ban đầu có bước sóng phát xạ là 530 nm, cịn sau khi biến tính, bước sóng phát xạ đã dịch chuyển 7nm về phía bước sóng dài, chứng tỏ các phân tử Naphtylethylene diamin đã được gắn thành cơng trên bề mặt Qd là tăng kích thước hạt của chấm lượng tử do đó bước sóng phát xạ tăng.
TRẦN THỊ THANH HỢP 53
Hình 3. 10: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd-Naphtylethylene diamin vào pH
Kết quả nghiên cứu cường độ huỳnh quang của tổ hợp Qd-Naphtylethylene diaminphụ thuộc vào độ pH được trình bày trong hình 3.10. Từ hình nhận thấy rằng, cường độ huỳnh quang tăng với sự tăng của độ pH, do trong môi trường axit QDs bị mất huỳnh quang. Tuy nhiên, hợp chất diazo Clenbuterol không bền trong mơi trường bazo. Do đó, giá trị pH cho phản ứng tương tác của QDs và Naphtylethylene diamin nên được tiến hành ở pH trong khoảng 7.
Hình 3. 11: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd-Naphtylethylene diamin vào nhiệt độ
Hình 3.11 thể hiện sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của QDs- Naphtylethylene diamin vào nhiệt độ. Từ hình 3.11 cho thấy cường độ huỳnh quang
giảm dần khi nhiệt độ tăng từ 25– 50 oC. Nguyên nhân là do, ở nhiệt độ cao các hạt
chấm lượng tử dao động mạnh nên bị mất nhiều năng lượng làm giảm cường độ huỳnh quang. Do đó, phản ứng của Qd-Naphtylethylene diamine có thể được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ phòng.
TRẦN THỊ THANH HỢP 55
3.3 Diazo clenbuterol
Hình 3. 12: Phổ hấp thụ của hợp chất Diazo Clenbuterol
So sánh với phổ hấp thụ của Clenbuterol (hình 2.1), trong phổ hấp thụ của hợp chất diazo clenbuterol (hình 3.12) cho thấy đỉnh hấp thụ cực đại của diazo clenbuterol là 345.5 nm, tăng 54.5 nm so với đỉnh hấp thụ của Clenbuterol ban đầu, điều này chứng tỏ sự hình thành của nhóm diazo –N=N- làm tăng bước sóng hấp thụ.
3.4 Phản ứng cộng hợp của diazo clenbuterol với ligand
Hình 3. 13: Phổ hấp thụ của hợp chất Clenbuterol-Naphtylethylene diamin
Hình 3.13 là phổ hấp thụ của hợp chất Clenbuterol-Naphtylethylene diamin được tổng hợp từ diazo Clenbuterol với N-1-Naphtylethylene diamin đihidroclorit . Nhận thấy rằng, đỉnh hấp thụ cực đại của hợp chất này là 464 nm và dịch chuyển về phía bước sóng dài so với clenbuterol và diazo clenbuterol. Kết quả này chứng minh sự gắn thành công phân tử diazo clenbuterol lên hợp chất ligand làm tăng số liên kết pi liên hợp do đó làm tăng đỉnh hấp thụ.
TRẦN THỊ THANH HỢP 57
Hình 3. 14: Phổ hấp thụ và phát xạ của chất cho (QD CdTe bước sóng phát xạ 530nm) và chất nhận (tổ hợp Clenbuterol-Naphtylethylene diamin)
Sau quá trình diazo clenbuterol và coulping diazo clenbuterol với ligand, ta thu được hợp chất mới có đỉnh hấp thụ 464 nm. Từ hình 3.14 và 3.15, có thể thấy phổ hấp thụ của hợp chất mới này trùng chập với phổ phát xạ của QDs (vùng trùng chập) và thỏa mãn điều kiện xảy ra hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET). Hợp chất này có phổ phát xạ nằm hồn tồn trong vùng phổ phát xạ