Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn cặp donor-acceptor là Rh6G-CdSe/ZnS (tan trong nước). Trong đó Rh6G đóng vai trò donor và chấm lượng tử CdSe/ZnS đóng vai trò acceptor.
Rh6G được biết đến như một chất màu đặc trưng có hiệu suất lượng tử lớn 0,95 và phổ phát xạ trong vùng bước sóng 550-570 nm được dùng để so sánh xác định hiệu suất lượng tử của chất huỳnh quang khác. CdSe/ZnS được chọn làm acceptor là vật liệu hứa hẹn sử dụng trong ứng dụng quang điện tử, nhờ hiệu suất lượng tử lớn, có thể tan tốt trong nước đã và đang được sử dụng làn chất đánh dấu huỳnh quang, y sinh.
Chúng tôi chọn CdSe/ZnS tan trong nước thay vì trong dung môi hữu cơ vì trong nước chấm lượng tử đã được loại bỏ khỏi ảnh hưởng của các ligand xung quanh, khi đó ảnh hưởng tới khoảng cách tương tác của cặp donor-acceptor gây ra cũng giảm.
Chấm lượng tử CdSe/ZnS được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt từ bột Se, NaBH4, Na2S.9H2O, CdCl2.2,5H2O, C6H5Na3O7.2H2O và cồn tuyệt đối [23]. Chấm lượng tử sau khi chế tạo có thể phân tán tốt trong môi trường nước. Kích thước chấm lượng tử được xác định thông qua ảnh hiển vi truyền qua TEM khoảng 4nm, nồng độ
34 xác định từ lượng tiền chất phản ứng là 1014 hạt/ml. Rhodamine 6G của hãng Sigma Aldrich được pha trong nước với nồng độ 3.8.10-6M/ml. Các mẫu được chuẩn bị với tỉ lệ như Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các mẫu nghiên cứu FRET giữa cặp Rhodamin 6G và chấm lượng tử CdSe/ZnS
TÊN MẪU M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6
TỈ LỆ:
Rh6G:CdSe/ZnS 0/5 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5 5/0
Mẫu sau khi chuẩn bị được đo phổ hấp thụ trên hệ Shimazu UV2600 (Shimazu), phổ huỳnh quang trên hệ phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse (Variant) và huỳnh quang phân giải thời gian trên hệ đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC) PicoHarp300 (Picoquant) và được xử lý bằng phần mềm tính toán chuyên dụng viết trên Matlab.
Hình 3.19: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ khác nhau
Để quan sát được một cách rõ rệt sự thay đổi cường độ phổ do tương tác trao đổi truyền năng lượng chúng tôi đã chuẩn hóa cả phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Nhìn vào hình vẽ có thể thấy rằng trong phổ hấp thụ, ngoài hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại, mẫu còn có đỉnh hấp thụ tại 527 nm và kéo dài chân hấp thụ tới 650 nm. Khi tỉ lệ Rh6G trong mẫu tăng thì đỉnh hấp thụ này cũng tăng. Phổ huỳnh quang có 2 đỉnh chính tại bước sóng 553nm và 615 nm tương ứng với hai đỉnh phát xạ của của Rh6G và chấm lượng tử CdSe/ZnS. Mẫu chỉ có Rh6G có một đỉnh huỳnh quang tại 553 nm,
Thời gian sống(ns)
Cường độ hấp Cường độ
35 mẫu chỉ có chấm lượng tử có 1 đỉnh huỳnh quang tại 615 nm. Khi tỉ lệ Rh6G trong mẫu tăng cùng với một giá trị đỉnh 553 nm chuẩn hóa ta thấy cường độ đỉnh huỳnh quang tại tăng có nghĩa là tỉ lệ cường độ đỉnh 615 nm trên cường độ đỉnh huỳnh quang tại 553 nm tăng. Đồng thời có thể thấy vùng chồng chập phổ phát xạ của Rh6G với phổ hấp thụ của CdSe/ZnS khá rộng từ 500 nm tới 650 nm. Đây chính là bằng chứng về sự truyền năng lượng của Rh6G:CdSe/ZnS.
Hình 3.20: Phổ huỳnh quang phân giải thời gian của các mẫu Rh6G:CdSe/ZnS với tỉ lệ thành phần khác nhau đo tại đỉnh phát xạ 563 nm với
bước sóng kích thích 405 nm
Để có thể khẳng định hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng của Rh6G:CdSe/ZnS chúng tôi đã tiến hành đo phổ huỳnh quang phân giải thời gian của các mẫu Rh6G:CdSe/ZnS và biểu diễn trên hình 3.7.
Để phân tích đánh giá FRET thông qua thời gian sống, kết quả thu được được phân tích bằng cách làm khớp (fit) hàm exponential, khi phân tử Rh6G độc lập trong dung môi, huỳnh quang của nó phù hợp với hàm exponent đơn tức là chỉ có một chuyển dời trạng thái phát photon của nó. Khi có mặt của acceptor ở đây là CdSe/ZnS, vì kích thước chấm lượng tử CdSe/ZnS là tập hợp các hạt khác nhau phân tán quanh giá trị 4nm nên thời gian sống của chấm lượng tử tuân theo quy luật hàm multi- exponential. Hơn nữa ảnh hưởng của hiệu ứng FRET, năng lượng của điện tử trên trạng thái kích thích ở phân tử Rh6G còn có khả năng tái hợp không phát xạ truyền năng lượng sang acceptor và như vậy nó có một cách suy giảm điện tử trên trạng thái kích thích thứ hai, và kết quả thu được được làm khớp với hàm multi-exponential;
Cường độ
Thời gian sống(ns)
36 trong một số trường hợp rất khó để khớp đường phân rã huỳnh quang theo hàm exponent (single-bi, trip…) người ta thường làm khớp theo tổ hợp các hàm exponent hay còn gọi stretch-exponential 𝐼 = 𝐼0Exp(− 𝑡/ 𝜏 ) 𝛽 trong đó τ là thời gian sống của điện tử trên trạng thái kích thích và β là hằng số nằm trong khoảng từ (0-1). Tuy nhiên, trong trường hợp này thời gian sống huỳnh quang là trung bình của tất cả các quá trình xẩy ra nên khó để phân tích giải thích cho từng chuyển dời trong vật liệu.
Trong trường hợp cặp donor-acceptor của chúng tôi là Rh6G-CdSe/ZnS, đường phân rã huỳnh quang của mẫu sau khi năng lượng kích thích cường huỳnh quang đạt giá trị cực đại rồi giảm nhanh theo hàm exponent, chúng tôi đã làm khớp theo hàm bi- exponetial.
I(t)=A1.exp(-t/1)+(1-A1).exp(-t/1) ( 3.1)
Trong đó A1 là hằng số; 1,2 là thời gian sống huỳnh quang trong đó thời gian sống
2~ 25ns và không thay đổi nhiều với các mẫu có nồng độ CdSe/ZnS khác nhau. Đây là thời gian sống liên quan tới tái hợp bức xạ các trạng thái bề mặt của chấm lượng tử còn 1 có giá trị bé hơn và thay đổi theo nồng độ của chấm lượng tử qua tái hợp bức xạ của lõi QDs.
Các giá trị tính toán về hiệu suất truyền năng lượng, tích phân chồng chập phổ và khoảng cách donor-acceptor được cho trên Bảng 3.4.
Bảng 3. 4. Giá trị của tích phân vùng phổ chồng chồng lên nhau, (J ()), hiệu suất truyền năng lượng Fửrster, (E%), và khoảng cỏch cặp donor-acceptor (r)
Mẫu J().1015 r E
M-1cm-1nm-4 (ns) (nm) (%)
M0 - 2.39 - -
M1 3.22x1015 3.27 11.70 0.21
M2 2.37x1015 3.54 11.09 0.15
M3 2.18x1015 3.70 10.96 0.11
M4 1.31x1015 3.75 10.08 0.10
M5 7.41x1014 3.79 9.16 0.09
M6 - 4.15 - -
37 Từ kết quả Bảng 3.4. ta thấy rằng mẫu có hiệu suất truyền năng lượng tốt nhất (21%) trong loạt mẫu nghiên cứu gây ra bới sự chồng chập phổ lớn nhất giữa phổ phát xạ của Rh6G và phổ hấp thụ của CdSe/ZnS đồng thời thời gian sống của cặp donor- acceptor giảm theo tỉ lệ acceptor trong mẫu. Khi thời gian sống của donor với sự có mặt của acceptor thay đổi cũng là bằng chứng của FRET [24, 25]. Thông thường khi có trương tác trao đổi FRET, thời gian sống trên mức kích thích của donor giảm khi có mặt acceptor [25]. Thời gian sống của donor (Rh6G) tại bước sóng 553 nm là 4.15 ns và giảm dần khi có mặt của acceptor với tỉ lệ tăng lên. Kết quả tính toán truyền năng lượng FRET từ thời gian sống huỳnh quang phù hợp với kết quả tính từ cường độ phổ huỳnh quang, tuy nhiên trong những trường hợp sự thay đổi về giá trị cường độ phổ nhỏ hoặc phổ huỳng quang nhiễu lớn thì cách tính qua thời gian sống huỳnh quang sẽ có lợi thế hơn. Tuy nhiên cách tính thời gian sống huỳnh quang cũng có hạn chế đó là phải chọn được phương pháp làm khớp đường phân rã huỳnh quang thích hợp để tính được chính xác thời gian sống huỳnh quang và sai số đường khớp với đường thực nghiệm nhỏ nhất.