* Power supply: Power supply là một thiết bị bao gồm các hệ thống mạch điện AC/DC cung cấp điện cho toàn bộ đầu laser. Ngồi ra nó cịn chứa máy bơm và hệ thống làm mát bằng nước. Hệ thống làm mát bằng nước của laser có nguyên lý bao gồm hai vòng tách biệt nhau. Có một vịng khép kín nước sạch từ power supply đến đầu laser và nước nóng khi quay về power supply sẽ được làm mát bằng một nguồn nước khác nối với máy bơm bên ngoài tạo thành một vịng khép kín thứ hai. Các thơng số của power supply: sử dụng nguồn điện một pha, 190-260V, 53/60Hz, < 25A.
* Bộ điều khiển: Bộ điều khiển dùng để điều khiển hoạt động của laser một cách
linh hoạt phù hợp trong phịng thí nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ đóng ngắt laser, năng lượng xung, chế độ phát xung...
* Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230
- Phát được ở chế độ xung và liên tục. Khi hoạt động ở chế độ Q - Switching, năng lượng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 - 10 ns.
- Hiệu suất khá cao, cỡ vài phần trăm. - Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. - Ngưỡng kích thích thấp.
- Nguồn bơm cho laser Nd:YAG là đèn Kripton. Năng lượng của đèn khá phù hợp với phổ bức xạ của ion Nd.
- Hoạt chất của laser này là tinh thể Ytrium Aluminium Garnet Y2Al5O12 có pha tạp ion Nd+3
làm tâm hoạt chất.
2.1.1.2. Quy trình thí nghiệm
Các hạt nano kim loại được chế tạo trong dung dịch bằng cách chiếu trực tiếp laser lên bề mặt tấm kim loại được đặt trước trong cuvet thuỷ tinh có chứa 10 ml ethanol. Laser được đặt ở chế độ Q – switching với bước sóng 1064 nm, tần số 10 Hz và cơng suất trung bình 450 mW. Lần lượt tiến hành thí nghiệm đối với các kim loại khác nhau và chúng tơi thu được các dung dịch hạt nano có màu riêng biệt.
2.1.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
2.1.2.1. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi truyền qua
Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên kính hiển vi truyền qua có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm. Kính hiển vi điện tử truyền qua được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của các cấu trúc nano và micro.
Kính hiển vi truyền qua hoạt động bằng cách làm cho các electron di chuyển xuyên qua mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ tính phóng đại hình ảnh của cấu trúc, phần nào giống như ánh sáng chiếu xuyên qua vật liệu ở các kính hiển vi ánh sáng thông thường [25]. Các điện tử từ catot bằng dây tungsten đốt nóng đi tới anot và được hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong buồng chân khơng. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể tạo ra chùm điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng
với tán xạ đàn hồi với hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuyếch đại và ghi lại dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc kỹ thuật số.
Do bước sóng của các electron ngắn hơn bước sóng của ánh sáng, nên các hình ảnh của TEM có độ phân giải cao hơn so với các hình ảnh của một kính hiển vi ánh sáng. TEM có thể cho thấy rõ những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc bên trong, trong một số trường hợp lên tới từng nguyên tử.
Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thơng tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trưng vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của
chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg: nλ = 2dsinθ
Do bước sóng của chùm điện tử rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất bé (θ ≈ 0,010).
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là những vúng sáng tối gọi là trường sáng - trường tối. Trường sáng là ảnh của vật liệu vơ định hình cịn trường tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể.
2.1.2.2. Quy trình tiến hành đo TEM
Trong khố luận, chúng tơi nghiên cứu sự thay đổi kích thước hạt theo dung mơi sử dụng và thời gian, công suất chiếu laser, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa bề mặt đến kích thước hạt.
Các mẫu sau khi được chế tạo được cho vào lọ thuỷ tinh màu để tránh ánh sáng, đậy kín để tránh tiếp xúc khơng khí. Sau đó được gửi đi đo TEM tại Trung tâm dịch tễ Hà Nội.
Khi mẫu được gửi đến dạng dung dịch, để có thể lấy hạt nano đồng để tiến hành đo TEM. Người ta lấy một lưới đồng nhúng vào dung dịch chứa hạt nano đồng. Sau khi lấy ra các hạt nano đồng sẽ bám vào bề mặt lưới và đo bằng kính hiển vi điện tử
truyền qua JEM1010-JEOL. Sau khi tinh chỉnh máy để đạt được ảnh TEM của hạt nano đồng rõ nét nhất, các ảnh TEM sẽ được chụp và gửi dữ liệu đến máy tính dưới dạng file ảnh.
2.1.2.3. Xử lý số liệu
Trong khố luận, chúng tơi xác định kích thước hạt dựa trên phần mềm ImagieJ 1.37v của Wayne Rasband (Nationnal institues of Heath, USA) [26]. Phần mềm ImagieJ 1.37v cho phép định nghĩa một khoảng có độ dài có giá trị chuẩn trên hình. Sau đó, tiến hành đo đường kính các hạt nano đồng trên hình. Phần mềm cịn cho phép ta có thể phóng to ảnh để xác định chính xác bán kính hạt. Tiến hành xác định bán kính của khoảng 500 hạt. Kích thước hạt trung bình có thể tính dựa vào phần mềm Microsoft Excel 2003 bằng hàm Average. Sử dụng phần mềm ImagieJ 1.37v có thể xác định khá chính xác kích thước từng hạt nhưng một nhược điểm là khá mất thời gian và địi hỏi tính tỉ mỉ, cẩn thận của người dùng. Sau đó đưa số liệu vào phần mềm Origin 7.5 phân tích tần xuất xuất hiện các kích thước hạt. Cuối cùng, chúng tôi thu được sơ đồ phân bố kích thước hạt một cách chính xác.
2.1.3. Hệ thu phổ tán xạ Raman
2.1.3.1. Nguồn kích thích
Laser He-Ne là laser nguyên tử trung hoà. Sơ đồ mức năng lượng của laser He- Ne được biểu diễn trên hình 4.2. Sự phát laser xảy ra trên các mức Ne, cịn He thêm vào để thực hiện q trình bơm
Hình 2.4. Sơ đồ các mức năng lượng của laser He-Ne
Các mức 23S và 21S của He rất gần với 2s và 3s của Ne. Vì các mức 23S và 21S của He là siêu bền nên He rất tiện lợi để bơm các mức 2s và 3s của Ne nhờ va chạm truyền cộng hưởng. Đây là quá trình chủ yếu tạo thành nghịch đảo độ tích luỹ trong laser He-Ne mặc dù sự va chạm trực tiếp của điện tử với Ne cũng tham gia quá trình bơm. Như vậy các mức 2s và 3s sẽ trở thành các mức laser trên được tích luỹ và dẫn tới sự phát laser.
Theo quy tắc chọn lọc, các dịch chuyển sang trạng thái p là cho phép. Ngoài ra, thời gian sống của trạng thái s (~100 ns) lớn hơn một bậc so với thời gian sống của trạng thái p (~ 10 ns). Như vậy trường hợp này thoả mãn điều kiện để laser làm việc ở chế độ 4 mức. Laser He-Ne có thể phát trên một trong các dịch chuyển a, b, c.
Dịch chuyển mạnh nhất là dịch chuyển a cho bước sóng λ = 3390 nm. Trong số các dịch chuyển loại b, dịch chuyển mạnh nhất cho bước sóng λ = 632.8 nm thông dụng nhất đối với laser He-Ne hiện nay. Dịch chuyển loại c cho bước sóng λ = 1150 nm. Tùy theo buồng cộng hưởng tạo bởi gương có hệ số phản xạ cực đại đối với bước
sóng nào mà laser sẽ làm việc ở dịch chuyển a, b hay c. Để tạo được hệ số phản xạ cao đối với vùng bước sóng riêng biệt người ta phải dùng gương điện môi nhiều lớp [1,3].
2.1.3.2. Hệ thu phổ tán xạ Raman LABRAM-1B
Hệ thu phổ Raman LABRAM-1B của hãng Jobin-Yvon (Cộng hòa Pháp) là hệ đo tích phân được gắn với kính hiển vi quang học Olimpus BX40.
- Thông số kỹ thuật:
- Khoảng phổ: 450 - 1050nm
- Độ phân giải phổ: tốt hơn 1 cm-1/pixel - Độ phân giải không gian: 1,22/NA
- Hai nguồn kích thích: Ar+ ion laser và He-Ne laser bước sóng tương ứng là 488,0 và 632,8 nm
- Thiết bị thay đổi nhiệt độ mẫu từ -196 đến 600oC
Hình 2.5. Ảnh chụp máy quang phổ Micro Raman LABRAM -1B
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thu phổ tán xạ Raman LABRAM-1B
Chùm sáng laser HeNe (hoặc laser ion Ar) sau khi qua phin lọc giao thoa F1 để lấy vạch 0.6328 m và khử các vạch plasma được chiếu vào kính lọc trung tính F2
để thay đổi mật độ cơng suất kích thích. Sau đó, chùm sáng này được gương phẳng G1
phản xạ vào kính lọc Notch F3 theo một góc thích hợp để phản xạ về kính hiển vi qua thấu kính hội tụ L1. Nhờ có kính hiển vi mà chùm sáng laser được hội tụ lên bề mặt của mẫu đặt trên giá vi chỉnh ba chiều M (đường kính của vết sáng laser trên mẫu khoảng từ 1 mm đến 2mm). Ánh sáng tán xạ phát ra từ mẫu nhờ kính hiển vi và thấu kính
1
L hội tụ vào phin lọc Notch F3, sau đó phản xạ trên gương phẳng G2 chiếu vào khe vào của máy quang phổ cách tử (1800 vạch/mm).
Các ánh sáng đơn sắc ở khe ra của máy quang phổ cách tử được thu trên detector CCD có vùng phổ làm việc từ 400 nm đến 1050 nm. Để làm tăng tỷ số cường độ của
các vạch tán xạ và phông gây ra bởi can nhiễu, người ta thường làm lạnh detector CCD bằng pin Peltier.
Tín hiệu quang sau khi được nhận ở detector CCD chuyển thành tín hiệu điện, được khuếch đại và đưa sang ghi phổ trên máy tính dưới dạng file số liệu và file ảnh. Để thuận tiện cho việc kích thích và thu phổ, phổ kế Raman LABRAM-1B còn được trang bị thêm TV camera để quan sát bề mặt mẫu và lựa chọn điểm đo.
2.1.4. Hóa chất dùng trong nghiên cứu SERS
Để nghiên cứu phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt, chúng tơi chọn chất phân tích là Rhodamine 6G. Rhodamine 6G là một hợp chất hóa học có cơng thức phân tử C28H31N2O3Cl, còn được gọi là thuốc nhuộm hay chất màu. Nó thường được dùng như một chất nhuộm trong nước để đánh dấu tốc độ và hướng của dòng chảy. R6G phát quang khá mạnh, thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ sinh học như kính hiển vi huỳnh quang, ngồi ra nó cũng được ứng dụng rộng rãi trong các laser màu.
Đặc tính
Cơng thức phân tử C28H31N2O3Cl Khối lương phân tử 479.02 g/mol
Hình dạng bên ngồi Màu đỏ tía, tinh thể rắn Khối lượng riêng 1.26 g/cm3
Độ tan trong nước 20 g/l (25 °C) Độ tan trong methanol 400 g/l
Trong các nghiên cứu của chúng tôi, chất phân tích R6G được pha lỗng ở nồng độ 10-5 M trong dung dịch ethanol.
2.2. Phương pháp chế tạo cấu trúc nano kim loại trong nghiên cứu khảo sát
SERS
Trong các thí nghiệm tạo lớp keo kim loại, tất cả các cấu trúc kim loại được chế tạo trên đế một cách ngẫu nhiên. Các giọt keo kim loại được cô đặc và nhỏ trên đế bằng pipet. Đầu tiên, chúng tôi nhỏ một giọt keo hạt nano kim loại lên đế và sấy khô. Kết quả khi giọt nhỏ trên đế tạo ra một vết dạng trịn trong đó mật độ lớn nhất của các hạt keo nằm ở phía ngồi biên của vết, cịn ỏ trung tâm vết mật độ hạt thấp hơn. Sau khi làm khơ, q trình nhỏ được lặp lại đến khi có được độ dày hạt mong muốn.. Sau đó chất cần đo phổ Raman được nhỏ phủ lên đế và được làm khô. Với phương pháp này, mẫu có thể tạo ra một cách nhanh chóng, đơn giản, tuy nhiên cấu trúc các hạt nano hấp thụ trên đế hồn tồn ngẫu nhiên, và do đó hiệu ứng tán xạ Raman cũng sẽ là ngẫu nhiên, việc chọn điểm đo thích hợp sẽ cho kết quả mong muốn.
Chương 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Chế tạo các hạt nano vàng, bạc, đồng và platin bằng phương pháp ăn mòn laser trong ethanol
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo các hạt nano kim loại vàng, bạc, đồng và platin trong ethanol bằng phương pháp ăn mòn laser với các điều kiện như nhau: thời gian ăn mịn 20 phút và cơng suất trung bình 500 Mw.
Sau khi chế tạo, các mẫu được đem đi đo phổ UV – VIS tại Trung tâm Khoa học Vật liệu - Đại học Khoa học Tự nhiên. Để quan sát hình dạng của các hạt nano, chúng tôi tiến hành đo kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Ảnh TEM của tất cả các mẫu đã chế tạo được đo bằng máy JEM 1010 – JEOL tại Viện vệ sinh dịch tễ. Xử lý số liệu bằng phần mềm ImagieJ 1.37 và Origin 7.5, chúng tôi thu được các sơ đồ phân bố kích thước hạt được chỉ ra trong hình 3.1.
b)
d)
Hình 3.1. Phổ hấp thụ, ảnh TEM và sơ đồ phân bố kích thước của các hạt nano vàng(a), bạc(b), đồng(c) và platin(d) chế tạo bằng phương pháp ăn mòn laser trong
ethanol
Từ kết quả phổ hấp thụ ta thấy đỉnh hấp thụ của các hạt nano vàng, bạc, đồng và platin lần lượt tương ứng với bước sóng 525 nm, 400 nm, 582 nm và 230nm. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về cộng hưởng plasmon của các hạt nano nói trên. Kết quả chụp ảnh TEM và đo đạc phân bố kích thước hạt nano vàng chế tạo trong ethanol cho thấy đường kính trung bình của hạt là 13 nm. Với các hạt nano bạc, đồng và platin, kích thước trung bình được tính tốn là 15 nm, 12 nm và 10 nm. Hình dạng các hạt nano kim loại tương đối xác định và giữa các hạt có sự cơ lập tương đối.
Như vậy, chúng tôi đã chế tạo thành công các hạt nano kim loại vàng, bạc, đồng và platin trong ethanol để sử dụng cho mục đích nghiên cứu SERS.
3.2. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) của R6G hấp thụ trên cấu trúc hạt nano kim loại đã chế tạo
3.2.1. Phổ SERS của R6G hấp thụ trên cấu trúc hạt nano vàng
Trước hết, chúng tôi thu phổ tán xạ Raman của Rhodamine 6G trong trường hợp không được hấp thụ trên các hạt nano vàng. Kết quả được trình bày trên hình 3.2.
Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của R6G trên đế thủy tinh ở ba lần đo khác nhau
Kết quả cho thấy cường độ phổ Raman của Rhodamine 6G trên đế thủy tinh không có các hạt nano vàng rất yếu.
Chúng tơi cũng tiến hành thu phổ Raman của các hạt nano vàng trên đế thủy tinh. Kết quả thu được chỉ ra trên hình 3.3.
Hình 3.3. Tán xạ Raman của các hạt nano vàng trên đế thủy tinh ở ba vị trí khác nhau
Phổ tán xạ Raman của Rhodamine 6G trên cấu trúc hạt nano vàng (Phổ SERS) với 3 lần đo lặp lại được trình bày trên hình 3.4.
Kết quả cho thấy cường độ tín hiệu Raman của Rhodamine được tăng cường mạnh với các đỉnh rất rõ ràng. Các dịch chuyển Raman là 613 cm-1
, 772 cm-1, 1188 cm-1, 1310 cm-1, 1360 cm-1, 1508 cm-1, 1645 cm-1 hoàn toàn phù hợp với phổ Raman đã biết của R6G.