2.2.2 .Phƣơng pháp tính tốn lý thuyết
3.3. VẬT LIỆU NANO ĐA CHỨC NĂNG Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag
3.3.2. Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Au
Hình 3.12. Đường I-V thế quét vòng của mẫu chứa 1 mM HAuCl4 tại pH 3.
Hình 3.12 là đồ thị I-V phép đo thể quét vòng của dung dịch chứa 1 mM HAuCl4 tại pH 3. Có thể thấy xuất hiện một đỉnh ơ xi hóa tại 1,27 V và một đỉnh khử tại 0,8 V. Vị trí này đƣợc cho là đỉnh khử của ion AuCl4thành AuCl2 theo phƣơng trìnhAuCl4 2e AuCl22Cl. Thế điện hóa tại pH gần 0 của dung dịch chứa HAuCl4 là 0,9 V [134]. Khi giá trị pH tăng đến 3 thì vị trí thế điện hóa giảm và đạt 0,8 V.
Dung dịch muối vàng – chloroaurate – có thể tồn tại trong dung dịch ở các dạng phức với OHtheo công thức AuClx(OH)4xvới x = 0, 1, 2, 3 hoặc 4. Sự chuyển hóa của các ion chloroaurate trong dung dịch ở các pH khác nhau tuân theo các phƣơng trình sau [50,91]: O H OH AuCl Cl H OH AuClx( )4 x x 1( )3 x 2 (3.6)
Khi pH tăng thì tỉ phần của muối phức có giá trị x lớn sẽ tăng lên. Từ các giá trị hằng số cân bằng của các phƣơng trình kể trên và hằng số cân bằng của nƣớc (
O H OH
H 2 ), có thể tính đƣợc tỉ phần các ion có trong dung dịch tại các pH khác nhau. Theo nhóm Ogata khi pH của dung dịch nhỏ hơn 3, trong dung dịch chỉ
có AuCl4 . Khi pH tăng đến giá trị 4 thì nồng độ của ion
4
AuCl chỉ còn khoảng
0,4 lần so với gốc. Khi này trong dung dịch đã xuất hiện cả AuCl3(OH)và
2 2(OH)
AuCl . Hàm lƣợng
4
AuCl cịn lại rất ít tại pH 5, chỉ 0,05 nồng độ gốc, và
tiến đến 0 tại pH lớn hơn 6. Tƣơng tự vậy, hàm lƣợng ion AuCl3(OH) đạt cực đại tại pH 4,5, sau đó giảm xuống; ứng với đó là sự xuất hiện và tăng dần lên của các ion
x
x OH
AuCl ( )4 có pH cao hơn.
Điều này cũng thể hiện rất rõ ràng ở trong đƣờng I-V biểu diễn trong hình 3.13. Ban đầu tại pH 3, thế ơ xi hóa của ion muối vàng tại 0,8 V. Khi pH tăng đến 4, giá trị của đỉnh điện hóa gắn với phƣơng trình khử của ion AuCl4cũng giảm nhẹ. Cƣờng độ dịng điện tại vị trí này cũng giảm xuống,gần bằng 0,45 lần so với tại pH 3; chứng tỏ nồng độ AuCl4giảm xuống còn 0,45 lần so với tại pH 3, phù hợp với kết quả tính tốn của Ogata. Bên cạnh đó, thấy sự xuất hiện của 2 đỉnh điện hóa mới
lần lƣợt tại 0,62 V và 0,45 V; đƣợc cho là thế điện hóa của AuCl3(OH)và
2 2(OH)
AuCl . Giá trị pH tiếp tục tăng lên, ta lại thấy xuất hiện thêm đỉnh ơ xi hóa thứ 4, tại 0,31 V. Tại pH 8 thì chỉ cịn lại đỉnh tại 0,31 V, chứng tỏ đây là đỉnh gắn với q trình ơ xi hóa của AuCl(OH)3. Giá trị thế điện hóa của ion vàng tại pH 8 cũng đƣợc các nhóm nghiên cứu nhận đƣợc và kết quả cũng rất gần với kết quả nhận đƣợc trong báo cáo này [15,41]. Các phƣơng trình khử, vì vậy, có thể đƣợc viết chung nhƣ sau: ] / [ 2 2 ) (OH 4 eAuCl2 OH Cl AuClx x (3.7)
Hình 3.13. Đường phụ thuộc I-V phép đo điện thế quét vòng giới hạn
trên đường khử từ 0,1V đến 1,2 V của mẫu chứa dung dịch HAuCl4 1 mM ở các giá trị pH khác nhau.
Ở đây, 2[OH /Cl] là tổ hợp hai ion OHvà Clvới tổng số ion âm là 2. Hay nói cách khác số electron đƣợc cung cấp cho các ion trong q trình ơ xi hóa ln là n = 2. Thay vào phƣơng trình Randles-Sevcik (xem phần 1.1), ta có dịng điện hóa ln tỉ lệ thuận với nồng độ của ion điện hóa:
x x x x x t C FAf t i t i( ) ( ) 2 0 ( ) với 0 x
C là nồng độ của ion chloroaurateAuClx(OH)4x. Theo Ogata [91], tỉ phần các ion AuClx(OH)4x trong dung dịch tại 1 giá trị pH là không đổi, nên Cx0CxC0, với
Cx là hằng số tỉ lệ và C0 là tổng nồng độ ion chloroaurate. Thay vào phƣơng trình
dịng điện và lấy tích phân ta có:
x x xf t dt C FA C dt t i Q 2 1 0 2 1 ) ( 2 ) ( . Nhƣ vậy tổng điện
tích chuyển qua bề mặt điện cực (sau này gọi là tổng điện tích điện hóa Q) tỉ lệ thuận với nồng độ của ion chất ơ xi hóa. Hằng số tỉ lệ phụ thuộc tuyến tính vào diện tích điện cực và bản chất các q trình khử của ion. Từ đây, ta có thể tính tổng nồng độ
ion chloroaurate có trong dung dịch thơng qua tổng số điện tích điện hóa Q. Điện tích Q đƣợc tính tốn bằng cách lấy tích phân của địng điện hóa theo thời gian.
Hình 3.14. Tổng điện tích điện hóa trong q trình ion Au(OH)xCl4-x- có tổng nồng độ là 1 mM bị khử tại các pH khác nhau (hình trái) và phần trăm lượng ion bị hấp phụ lên bề mặt hạt nano Fe3O4 sau khi ngâm trong thời gian 30 phút (hình phải).
Trƣớc khi các hạt nano Fe3O4 đƣợc ngâm trong dung dịch chứa ion chloroaurate ở các pH khác nhau, tổng nồng độ của các ion chloroaurate
x
x OH
AuCl ( )4 trong dung dịch là 1 mM.Tổng điện tích điện hóalà một hàm phụ thuộc vào độ pH của dung dịch chứa các ion chloroaurate nhƣ biểu diễn trong hình 3.14 (hình trái). Tổng điện tích này giảm dần khi độ pH tăng lên ứng với lƣợng ion chloroaurate đƣợc khử ít hơn. Có nhiều ngun nhân có thể gây ra hiện tƣợng này; có thể là do q trình khuếch tán của các ion AuClx(OH)4xvới các giá trị x lớn kém hơn so với các giá trị x nhỏ.
Sau khi ngâm các hạt Fe3O4 vào trong dung dịch chứa muối vàng ở các pH khác nhau, dùng nam châm để thu lại các hạt Fe3O4, phép đo thế quét vòng lại đƣợc thực hiện một lần nữa để tính tổng lƣợng điện tích điện hóa. Điện tích này tỉ lệ thuận với tổng nồng độ muối vàng còn lại trong dung dịch. Từ tỉ lệ phần tổng lƣợng điện tích điện hóa trƣớc và sau khi ngâm Fe3O4, ta tính đƣợc tỉ phần muối vàng bị hấp phụ trên bề mặt hạt Fe3O4. Có thể nhận thấy tỉ phần muối vàng hấp phụ trên bề mặt các hạt nano Fe3O4 tăng lên khi pH tăng (hình 3.18 – hình phải). Điều này có thể giải thích bởi khi pH tăng lên, số gốc OHxuất hiện nhiều hơn trong phức AuClx(OH)4x,
tƣơng thích hơn với bề mặt của ơ xít sắt Fe3O4, vì vậy nên có xu thế bị hấp phụ lên trên bề mặt Fe3O4 nhiều hơn.
Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Au
Hình 3.15. Ảnh TEM các hạt nano Fe3O4-Au dạng phức hợp được tạo thành từ việc khử dung dịch HAuCl4 bằng NaBH4 sau khi hạt Fe3O4 được ngâm trong dung dịch HAuCl4 ở pH 3.
Trong môi trƣờng có độ pH cao, các ion
4
AuCl chuyển dần thành các ion
x OH x
AuCl4 ( ) với giá trị của x trong khoảng từ 1 đến 4 và tăng dần khi độ pH dung dịch tăng dần; dẫn tới các ion vàng hấp phụ tốt hơn lên bề mặt của các hạt Fe3O4. Nhƣ vậy, sau khi ngâm các hạt Fe3O4 trong HAuCl4 với pH cao hơn rồi sử dụng chất khử để khử các ion vàng để tạo ra nhiều Au bám với Fe3O4 hơn.
Sau khi ngâm các hạt nano Fe3O4 trong dung dịch chứa muối vàng trong thời gian 30 phút, NaBH4 đƣợc sử dụng để khử muối HAuCl4 thành Au. Khi không điều chỉnh pH (pH của dung dịch là 3), nhận thấy có rất ít các hạt nano vàng bám vào với các hạt Fe3O4. Hình 3.15 chỉ ra, các hạt nano vàng có kích thƣớc từ 15 nm đến 20 nm hình thành một cách độc lập với các hạt Fe3O4 có kích thƣớc nhỏ hơn – khoảng 5 nm đến 15 nm. Mặc dù việc sử dụng cịi siêu âm cơng suất lớn trong quá trình lọc rửa
mẫu, nhƣng các hạt nano Au vẫn bám khá chắc với các hạt Fe3O4 và dung dịch vẫn có màu đỏ đặc trƣng của dung dịch chứa các hạt nano Au. Phổ hấp thụ của dung dịch cũng cho đỉnh hấp thụ tại 540 nm.
Hình 3.16. Ảnh TEM các hạt nano Fe3O4trước và sau khi gắn với các hạt nano Au. Hình A: Ảnh TEM của các hạt nano từ trước khi gắn với các hạt nano Au.Hình B: các hạt nano Fe3O4 dạng phức hợp được tạo thành từ việc khử dung dịch HAuCl4 bằng NaBH4 sau khi ngâm các hạt Fe3O4 trong dung dịch 30 phút ở pH 8.
Khi nâng độ pH của dung dịch chứa HAuCl4 lên 8 rồi ngâm Fe3O4 trong thời gian 30 phút trƣớc khi dùng NaBH4 để khử, kết quả cho thấy có nhiều hạt nano vàng bám vào các hạt Fe3O4 hơn (hình 3.16).Trong hình 3.16B, các hạt nano Au có kích thƣớc khá lớn – 25-35 nm, có màu đậm hơn chiếm đa phần trong mẫu. Bên cạnh các hạt nano Au, vẫn cịn có các hạt có màu nhạt hơn, kích thƣớc gần bằng với kích thƣớc của các hạt Fe3O4 ở trong hình 3.16A. Đây là các hạt Fe3O4 chƣa đƣợc “đính” với các hạt nano Au.
Tƣơng tự nhƣ phần trên, khi lọc rửa còi siêu âm đƣợc dùng để lọc các hóa chất cịn dƣ, các hạt nano Au vẫn tồn tại cùng với các hạt Fe3O4 sau khi đƣợc hút bằng nam châm. Cơ chế các hạt Au bám vào bề mặt của các hạt Fe3O4 vẫn chƣa đƣợc làm rõ, nhƣng có thể giả thiết là giữa các hạt Fe3O4 và Au có một lớp hydrơxít vàng (Au(OH)3) kết nối chúng lại với nhau. Chính sự tƣơng thích giữa lớp hydrơxít này với ơ xít Fe3O4 và Au giúp cho liên kết giữa hai vật liệu chặt chẽ hơn.
Hình 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu chứa các hạt nanophức
hợp Fe3O4-Au và của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4.
Hình 3.17 là giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4 và của mẫu chứa các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au. So với giản đồ XRD của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4 – đã phân tích trong phần 3.3.1, thì trên giản đồ XRD của mẫu chứa các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au xuất hiện thêm 3 đỉnh tại các vị trí có góc nhiễu xạ 2θ bằng 38,2o, 44,3o và 64,6o ứng với các mặt phản xạ (111), (200) và (220) của tinh thể vàng (JCPDS #04-0784). Kích thƣớc tinh thể của các hạt nano vàng đƣợc tính từ cơng thức Debye-Scherrer, áp dụng cho đỉnh tán xạ tại 38,4o và bằng 13,9 ± 0,4 nm. So sánh với ảnh TEM trong hình 3.20B, kích thƣớc tinh thể tính tốn từ giản đồ XRD có giá trị gần với các hạt Au có kích thƣớc nhỏ nhất. Điều này thể hiện, các tinh thể vàng sau khi đƣợc khử chỉ tạm thời đính lên trên bề mặt của các hạt nano Fe3O4. Trong đó, có một số hạt nano vàng có xu thế kết đám lại để thành các hạt có kích thƣớc lớn hơn.
Hình 3.18. Phổ hấp thụ của dung dịch chứa các hạt nano vàng tại các thời điểm khác nhau
sau khi đặt nam châm bên cạnh cuvette; (a) phổ hấp thụ của mẫu tại thời điểm ban đầu khi chưa đặt nam châm, (b), (c), (d), (e), (f) lần lượt là phổ hấp thụ lần lượt tại các thời điểm 3 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút và 35 phút sau khi đặt nam châm. Hình trong: biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ tại 540 nm vào thời gian.
Dung dịch chứa các hạt nano Fe3O4-Au có màu đỏ đặc trƣng của dung chứa các hạt nano vàng. Khi sử dụng nam châm để hút (nam châm đất hiếm NdFeB có kích thƣớc 100 × 50 × 10 mm, từ trƣờng lớn nhất trên bề mặt 1,5 T, lực kháng từ 10KOe, năng lƣợng từ ~64 MGOe), các hạt nano bị hút về phía của nam châm. Do lƣợng hạt chế tạo khơng lớn, khơng đủ để thực hiện phép đo từ tính trên hệ từ kế mẫu rung; vì vậy một thí nghiệm đơn giản để kiểm tra từ tính của hệ vật liệu, cũng đồng thời hƣớng đến ứng dụng của vật liệu trong tách chiết y sinh đƣợc thực hiện. Cụ thể, các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au đƣợc phân tán đều trong dung dịch, đặt nam châm vĩnh cửu bên cạnh và đo nồng độ của dung dịch theo thời gian thông qua sự giảm cƣờng độ hấp thụ tại đỉnh 540 nm – đặc trƣng của các hạt nano vàng (hình 3.18). Các khoảng thời gian đo lần lƣợt là 3 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút, 35 phút và 45 phút sau khi đặt nam châm vĩnh cửu.
Các hạt nano vàng đính cùng với các hạt nano Fe3O4 tạo thành một thể phức hợp; vì vậy, bên cạnh tính chất từ, chúng cịn biểu hiện tính chất quang đặc trƣng của
dung dịch chứa các hạt Fe3O4-Au xuất hiện đỉnh hấp thụ tại 540 nm – là đỉnh hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng (Hình 3.18). Khi đặt từ trƣờng ngồi, dƣới tác động của lực từ, các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au chuyển động về phía nam châm. Hệ quả là nồng độ hạt trong dung dịch giảm dần theo thời gian. Theo định luật Lambert- Beer, cƣờng độ hấp thụ của dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch. Điều này thể hiện rất rõ trong hình 3.18. Các phổ hấp thụ của dung dịch chứa các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au có cƣờng độ giảm dần theo thời gian. Khảo sát cƣờng độ hấp thụ tại 540 nm. Ban đầu cƣờng độ hấp thụ là 1,98. Cƣờng độ hấp thụ còn 1,62 tại thời gian 3 phút và giảm dần xuống 1,48, 1,03, 0,48, 0,25 và 0,13 lần lƣợt tại các thời gian 5 phút, 10 phút, 20 phút, 35 phút và 45 phút sau khi đặt nam châm (hình 3.18 – hình trong). Có thể thấy sau 30 phút lọc từ, trong dung dịch chỉ còn lại khoảng 10% lƣợng hạt so với trƣớc khi lọc; hầu hết các hạt nano Fe3O4-Au đƣợc thu thập về phía nam châm. Thời gian 30 phút này cũng là thời gian cần thiết cho các bƣớc thí nghiệm tiếp theo, nhƣ tách lọc hạt từ sau khi chức năng hóa hay thu thập tế bào sau khi đã đính các hạt từ lên trên.
Mặc dù đã thành cơng đính các hạt Au với các hạt Fe3O4, nhƣng có thể thấy không phải tất cả các hạt nano Fe3O4 đều đƣợc gắn với các hạt Au (hình 3.15 và 3.16B). Điều này có thể do sự khơng tƣơng thích bề mặt giữa kim loại (Au) và ơ xít kim loại (Fe3O4). Nhiều nhóm nghiên cứu đã giải quyết điều này bằng cách tạo ra thêm một lớp trung gian liên kết hai vật liệu [56,58,80]. Trong các phƣơng pháp đó, các nano Au thƣờng đƣợc gắn với các hạt Fe3O4 thông qua 2 bƣớc: gắn các hạt mầm Au lên lớp trung gian, sau đó ni thành các tinh thể lớn [56,80]. Nhóm nghiên cứu của Chu Tiến Dũng, Trung tâm Khoa học Vật liệu đã cải tiến thành quy trình 1 bƣớc, là cho hấp thụ các ion kim loại Bạc lên bề mặt các hạt Fe3O4 đƣợc chức năng hóa bởi APTES và khử trực tiếp [31]. Bên cạnh đó, thực tế đo đạc cho thấy, các hạt nano Ag có hoạt tính Raman tốt hơn so với các hạt nano vàng; có thể do q trình tăng cƣờng bề mặt do trao đổi điện tích giữa các hạt nano vàng và các chất hữu cơ mạnh [92]. Vì thế, trong nghiên cứu tiếp theo, nhằm cải thiện cấu trúc của các hạt nano từ tính – kim loại cũng làm tăng hiệu quả đánh dấu bằng tán xạ Raman định hƣớng ứng dụng
tách chiết, chụp ảnh và đo nồng độ tế bào, chúng tôi nghiên cứu gắn các hạt Ag lên các hạt Fe3O4.