Trong khuôn khổ luận văn này mục đích của tơi là nghiên cứu chế tạo sensor dựa vào hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) để xác định Rhodamine B. Sensor để xác định Rhodamine B bao gồm có QDs CdTe đóng vai trò là chất cho huỳnh quang, còn Rhodamine B đóng vai trò là chất nhận huỳnh quang.
Chuẩn bị dung dịch chấm lượng tử CdTe: Pha dung dịch QDs CdTe 10-4M thành
100 ml dung dịch QDs CdTe 10-6M để dùng cho thí nghiệm. Mỗi mẫu sử dụng 1ml
CdTe này.
Chuẩn bị dung dịch chất màu:Lấy 0,01g Rhodamine B nguyên chất cho vào
bình định mức 100ml, thêm nước cất để tạo thành 100ml dung dịch Rhodamine B nồng độ 104g/ml.
Chuẩn bị dung dịch đo:Với mỗi lần thí nghiệm sử dụng cố định 1ml CdTe, thêm
lượng Rhodamine B 10-4 g/ml và nước cất thích hợp để được 4ml dung dịch và
TRẦN THỊ THANH HỢP 35
Bảng 2. 1: Nồng độ Rhodamine B của các mẫu
STT mẫu Nồng độ Rhodamine B 1 0.3. 10-5 g/ml 2 0.5.105 g/ml 3 1.105 g/ml 4 5.105 g/ml 5 10.105 g/ml 2.3 Nanosensor để xác định Clenbuterol 2.3.1 Vấn đề cần nghiên cứu
Clenbuterol là chất tăng trọng tạo nạc trong chăn nuôi gia súc đang bị nghiêm cấm sử dụng. Mục tiêu thứ 2 của luận văn này là nghiên cứu chế tạo nanosensor dựa vào hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) để xác định clenbuterol.
Từ hình 2.1 cho thấy phổ UV-Vis của clenbuterol có đỉnh hấp thụ cực đại của Clenbuterol là 294 nm và nằm hoàn toàn bên ngoài so với dải phát xạ của Qd (từ 460 đến 625 nm). Phổ hấp thụ của clenbuterol không trùng chập với phổ phát xạ của Qd, điều này không thỏa mãn điều kiện của hiệu ứng FRET. Vấn đề ở đây là nếu Qd với vai trò là chận cho, còn clenbuterol với vai trị là chất nhận thì hiệu ứng
FRET khơng xuất hiện với cặp chất này. Do đó, cần phải tìm một phân tử ligand,
vừa có khả năng liên kết với bề mặt Qd, vừa có khả năng tạo liên kết với clenbuterol.
Hình 2. 1: Phổ hấp thụ của Clenbuterol và phổ phát xạ của Qds CdTe
Trong cấu trúc phân tử của Clenbuterol có chứa hai nhóm amine, một ở mạch nhánh và một ở nhân benzen. Với nhóm amine ở nhân benzen ta có thể tiến hành phản ứng diazo trong môi trường NaNO2/HCl. Trong cấu tạo của sản phẩm chăn nuôi như thịt, nội tạng, nước tiểu… có hợp chất amin trong protein, urea. Tuy nhiên, những hợp chất này không có khả năng tham gia phản ứng diazo. Do đó, nhóm amine ở vòng thơm chính là nhóm chìa khóa để chế tạo sensor. Hơn nữa, hợp chất clenbuterol sau khi đã được diazo hóa dễ dàng tham gia phản ứng coulping với các hợp chất napthyl, napthol tạo muối azo, là những chất màu thường sử dụng trong phẩm nhuộm. Muối azo có bước sóng hấp thụ tăng lên đáng kể so với bước sóng hấp thụ của Clenbuterol do đó có thể giải quyết được vấn đề trùng chập phổ giữa chất cho và chất nhận.
TRẦN THỊ THANH HỢP 37 Napthylamine 1- Napthol 2- Napthol N-1-Naphtylethylenediamine Dyhydrocloride
Hình 2. 2: Các hợp chất napthol, naphtyl có khả năng tạo hợp chất azo tiêu biểu biểu
Trong số các hợp chất napthol và naphtyl có khả năng tạo hợp chất màu azo
(hình 2.2) ở trên, hợp chất N-1-Naphtylethylene diamine Dyhydrocloride có cơng
thức phân tử là C12H14N2.2HCl được sử dụng là ligand - chất nhận biết Clenbuterol trong nanosensor. Bởi vì hợp chất này có thể cộng hợp với diazo clenbuterol và đồng thời có thể tạo liên kết với QDs do có tương tác tĩnh điện với bề mặt tĩnh điện âm của QDs (hình 2.3).
Hình 2. 3: Mơ hình phản ứng của Naphtylethylene diamine với Qd và diazo clenbuterol
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của biosensor dựa vào hiệu ứng FRET để xác định Clenbuterol Clenbuterol
TRẦN THỊ THANH HỢP 39
Hình 2. 5: Mơ hình hoạt động của nanosensor khi có thêm chất cần nhận biết Clenbuterol
Mẫu nanosensor ở dạng dung dịch được chế tạo để nhận biết dư lượng chất Clenbuterol có mơ hình cấu tạo và ngun lý hoạt động như hình 2.5. Nanosensor là QDs CdTe sau khi được biến tính bề mặt bởi ligand là N-1-Naphtylethylene diamine Dyhydrocloride. 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. Nhưng khi nhỏ thêm dung dịch diazo clenbuterol vào mẫu sensor, phản ứng hóa học giữa ligand và hợp chất diazo clenbuterol hình thành nên hợp chất có bước sóng hấp thụ tăng so với ligand và clenbuterol, và trùng chập với phổ phát xạ của Qd CdTe. Điều này thỏa mãn điều kiện xảy ra hiệu ứng FRET. Do đó, sau khi thêm dung dịch diazo Clenbuterol cường độ phát xạ của nanosensor sẽ bị dập tắt theo nồng độ của Clenbuterol. Dựa vào sự thay đổi đó để nhận biết sự có mặt của clenbuterol.
2.3.3 Nghiên cứu biến tính bề mặt chấm lượng tử CdTe ứng dụng trong nanosensor nanosensor
Qd CdTe (bước sóng phát xạ 530 nm) nhận được từ Viện Khoa học Vật liệu được bao bọc bởi axit 3-Mercaptopropionic (C3H6O2S) nên bề mặt QDs tích điện âm. Do đó, giữa Qd và ligand (N-1-Naphtylethylene diamine Dyhydrocloride) dễ dàng xảy ra tương tác tĩnh điện (hình 2.6).
2.3.4 Phản ứng diazo Clenbuterol
Hình 2. 7: Phản ứng diazo clenbuterol
Lấy 3mg Clenbuterol cho vào một cốc thủy tinh, dùng 1-2 ml nước để hòa tan hết lượng clenbuterol này rồi thêm 3ml dung dịch HCl 0.01M. Đặt hỗn hợp trong bát đá lạnh và khuấy trong 10 phút. Lấy một cốc khác thêm 2ml dung dịch NaNO2 0.01M đặt cốc này trong bát đá lạnh trong khoảng 10 phút. Sau đó, nhỏ từ từ cốc thứ 2 vào cốc thứ nhất để từ 2-5 phút trong bóng tối.
2.3.5 Phản ứng cộng hợp Clenbuterol với ligand
Sau khi thực hiện phản ứng diazo, tiếp tục nhỏ từ từ 1,2 ml dung dịch N-1- Naphtylethylene diamin Dyhydrocloride 0.01M vào hỗn hợp diazo clenbuterol. Tiếp tục giữ hỗn hợp trong điều kiện lạnh, có khuấy, khơng có ánh sáng. Kết thúc
phản ứng thu được dung dịch có màu đỏ, giữ dung dịch ở 4oC trước khi sử dụng.
Hình 2. 8: Phản ứng cộng hợp giữa Naphtylethylene diamin và diazo clenbuterol
TRẦN THỊ THANH HỢP 41
2.4 Các phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Đo phổ hấp thụ UV-Vis 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