Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tơi đã
tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu (Tb,Eu)PO4.H2O dạng
dây đẹp, phát quang tốt nhất và độ lặp lại cao bằng cách thay đổi các tỷ lệ
Eu(NO3)3 /Tb(NO3)3 khác nhau với các tỷ lệ Eu:Tb = 0 :1, 1:0, 1:1, 1:2, 1:4, 1:8,
1:16. Bảng 2. 1 Bảng thí nghiệm (Tb,Eu)PO4 Bảng 2. 1 Bảng thí nghiệm (Tb,Eu)PO4 STT Tỷ lệ Eu(NO3)3 /Tb(NO3)3 Tb(NO3)3 Eu(NO3)3 NH4H2PO4 1 20ml 20ml 2 20ml 20ml 3 1/1 10ml 10ml 20ml 4 1/2 12ml 6ml 18ml 5 1/4 16ml 4ml 20ml 6 1/8 16ml 2ml 18ml 7 1/16 16ml 1ml 17ml 2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm Hai bình định mức 100ml, 1 bình định mức 50ml
Cuvet, pipet, máy đo PH, cốc thủy tinh 50ml
Ống li tâm 50ml
Máy ly tâm
Máy rung siêu âm
Máy khuấy từ, con từ
Thiết bị Microwave
2.1.4 Pha hĩa chất
Cho 1,0875g Tb(NO3)3.5 H2O vào bình định mức 100ml, thêm nước khử
ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi Tb(NO3)3 tan hết.
Dung dịch Eu(NO3)3.5H2O 0,025M
Cho 0,535 (g) Eu(NO3)3.5H2O vào bình định mức 50ml, thêm nước khử
ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi Eu(NO3)3 tan hết.
Dung dịch NH4H2PO4 0,05M
Cho 0,57515 (g) NH4H2PO4 vào bình định mức 100ml, thêm nước khử
ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi NH4H2PO4 tan hết.
2.1.5 Tiến hành thí nghiệm
Mơ hình thiết bị Microwave:
Hình 2. 1 Ảnh thiết bị tổng hợp vi sĩng
Các bƣớc thí nghiệm
Cho dung dịch Tb(NO3)3 0,025M và Eu(NO3)3 0,025M theo tỷ lệ nghiên
cứu vào máy khuấy từ. Nhỏ từ từ dung dịch NH4H2PO4 0,05M vào hỗn hợp
dung dịch trên. Kiểm tra độ pH của dung dịch, chuẩn pH = 2 bằng NH4OH và
khuấy tiếp khoảng 60 phút. Sau đĩ cho hỗn hợp trên vào bình cầu ba cổ (chuyên dụng cho máy Microwave) và đặt vào hệ thiết bị máy Microwave. Đặt chế độ
khuấy từ, nhiệt độ T = 80oC, thời gian t = 30 phút, cơng suất P = 500 W, tốc độ
Dùng máy ly tâm để lắng tách sản phẩm với thời gian khoảng 5 phút, tốc độ 5600 vịng/phút và rửa vài lần bằng nước khử ion và ethanol. Sau đĩ, sản phẩm
được làm khơ trong tủ sấy ở nhiệt độ 600 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C trong thời gian 24h.
Hình 2. 2 Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp Dây (Eu,Tb)PO4.H2O
Thiết bị Microwave T=800C, T=30 phút, W=500W
Tốc độ quấy 500r/min
Kết tủa trắng đục (Eu, Tb)PO4.H2O (pH=2)
Dây nano (Eu, Tb)PO4.H2O Tb(NO3)3 . 5H2O 0,025M Eu(NO3)3 . 5H2O 0,025M Ly tâm với tốc độ 5600v/phút Sấy ở 600C, trong 24h NH4)H2PO4 0,05M Bình phản ứng + NH4OH 0,5M, pH = 2
Bảng 2. 2 Các thơng số thí nghiệm Ký hiệu mẫu Mẫu 1 2 3 4 5 6 7 Eu/Tb 1/1 1/2 1/4 1/8 1/16 Eu(NO3)3 20ml 10ml 6ml 4ml 2ml 1ml Tb(NO3)3 20ml 10ml 12ml 16ml 16ml 16ml NH4H2PO4 20ml 20ml 20ml 18ml 20ml 18ml 17ml PH 1,98 2,06 2,01 2,06 1,9 1,99 1,98 Microwave T = 80oC, t = 30phút, P = 500W, V = 500v/p nb Nb nb nb nb nb Ly tâm t = 5phút, V = 500v/p nb Nb nb nb nb nb
2.2 Giai đoạn 2. Hoạt hĩa bề mặt dây nano (Tb/Eu)PO4.H2O
2.2.1 Bọc vỏ dây Tb/EuPO4.H2O bằng Silica (SiO2)
Cho 20ml ETOH (Merck) vào 3 ống ly tâm 50ml mỗi ống chứa 0,1g
(Tb,Eu)PO4.H2O, dùng hệ Voltex phân tán các dây nano (Tb,Eu)PO4.H2O. Sau
đĩ cho 50ml ETOH vào cốc thủy tinh 250ml, thêm 30µl TEOS khuấy đều, thêm
60 µl nước khử ion + 60 µl CH3COOH (đặc), khuấy 2h. Nhỏ giọt 0,3g
(Tb,Eu)PO4.H2O + 60 µl ETOH bằng pipet nhựa vào dung dịch trên, khuấy 24h.
Cuối cùng đem hỗn hợp dung dịch thu được đi rửa + ly tâm mẫu bằng nước khử ion và ETOH.
2.2.2Bọc Tb/EuPO4.H2O@SiO2 –NH2
Cho 50ml ETOH vào cốc thủy tinh 25ml, thêm 20 µl APTMS (3-
Aminopropyl – trimethoxysilar) + 40 µl CH3COOH, khuấy 1giờ 45 phút, nhỏ
giọt (0,15g Tb/EuPO4.H2O + 20ml ETOH) vào (thời gian nhỏ 15 phút), khuấy
90 phút. Chia dung dịch vào 2 ống ly tâm 50ml, ly tâm và rửa sạch mẫu bằng ETOH hai lần và nước khử ion 2 lần.
2.2.3 Hoạt hĩa bằng Glutaraldehyde (GDA) – IgG (Immunoglobulin G)
Mẫu (Tb,Eu)PO4.H2O@SiO2 –NH2 sau khi ly tâm, thêm 5ml PBS vào, lắc
siêu tốc 10 phút cho phân tán đều. Lấy 1,5ml dung dịch trên + 1ml Glutaraldehyde, lắc siêu tốc 10 phút (ống 1). Hịa tan 10mg IgG với 1ml PBS, lắc cho tan đều đến trong suốt ( ống 2). Sau cùng trộn ống 2 vào ống 1 và thêm 1ml Glycerol. Lắc siêu tốc 4 lần mỗi lần 5 phút. Dung dịch được bảo quản trong tủ lạnh và đem đi thử nghiệm.
2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất của vật liệu (Tb,Eu)PO4 . H2O
2.3.1 Phương pháp đo phổ huỳnh quang
Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ huỳnh quang (PL) trên hệ đo quang với máy đo phân giải cao, đo tại phịng thí nghiệm Viện Khoa học và Vật liệu 18 Hồng Quốc Việt, Hà Nội. Ta chọn bước sĩng kích thích là 405nm và 370 nm.
Huỳnh quang là hiện tượng phát ánh sáng (khơng kể bức xạ của vật đen tuyệt đối) khi vật liệu tương tác với các hạt hay các bức xạ. Phổ huỳnh quang là đường cong biểu diễn sự phân bố cường độ phát quang theo tần số hay bước sĩng của bức xạ.
Các huỳnh quang trong thực tế thường được phân loại theo phương pháp kích thích như quang huỳnh quang sinh ra do kích thích bởi các photon, hĩa huỳnh quang được kích thích bởi các gốc hĩa học, catốt huỳnh quang sinh ra do kích thích bằng các dịng điện tích... trong đĩ phương pháp chúng tơi đã sử dụng là quang huỳnh quang.
Quang huỳnh quang là phương pháp kích thích trực tiếp các tâm huỳnh quang và khơng gây nên một sự ion hĩa nào. Khi khảo sát huỳnh quang, nguồn ánh sáng kích thích thường được dùng là đèn thủy ngân, đèn xenơn hoặc hyđrogen. Tuy nhiên dùng laser để kích thích là hiệu quả nhất vì đĩ là nguồn kích thích lọc lựa cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 3 Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của điện tử.
Bức xạ tới vật chất đã truyền năng lượng cho các điện tử, kích thích chúng chuyển từ mức cơ bản lên trạng thái kích thích cĩ năng lượng cao hơn. Ở trạng thái khơng bền này điện tử truyền năng lượng cho các điện tử hay các phonon mạng và chuyển về mức cĩ năng lượng thấp hơn rồi điện tử mới chuyển về trạng thái cơ bản giải phĩng photon sinh ra huỳnh quang.
Nếu chuyển dời giữa các mức năng lượng cĩ khoảng cách đủ hẹp thì sẽ khơng phát photon, các chuyển dời đĩ là các chuyển dời khơng phát xạ.
Các bức xạ thường được sử dụng để kích thích phổ huỳnh quang là những bức xạ cĩ bước sĩng nằm trong vùng hấp thụ của vật liệu.
Tùy vào mục đích và cách khảo sát mà ta cĩ thể thu được các dạng phổ như sau:
Phổ bức xạ: là sự phân bố cường độ của ánh sáng pháp ra theo bước
sĩng của ánh sáng đĩ. Thơng thường đĩ là một loạt các vạch hay các dải tương ứng với các chuyển đổi giữa các mức năng lượng của điện tử.
Phổ kích thích: là sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của một
dải huỳnh quang cụ thể nào đĩ vào bước sĩng kích thích. Cường độ phổ hấp thụ chỉ liên quan tới lực dao động tử của một chuyển dời nào đĩ trong khi phổ kích thích cịn liên quan tới khơng chỉ dao động tử của quá trình hấp thụ mà cịn liên quan tới hiệu suất của quá trình chuyển mức về trạng thái cơ bản cũng như hiệu suất của quá trình phát bức xạ photon.
Hiện tượng huỳnh quang thường gắn liền với sự tồn tại của các tâm huỳnh quang, đĩ là các loại khuyết tật điểm hay những tập hợp của chúng và chúng cĩ khả năng hấp thụ hay bức xạ các photon quang học.
Sơ đồ thí nghiệm được chỉ ra trong hình 2.4 Laser He-Cd với bước sĩng kích thích 370 nm được sử dụng cho tất cả các mẫu.
E1
E2
Hình 2. 4 Sơ đồ hệ đo phổ huỳnh quang.
Để khảo sát cường độ phát quang và xác định các phép chuyển dời bức xạ
giữa các mức năng lượng của điện tử trong vật liệu (Tb,Eu)PO4.H2O chúng tơi
tiến hành đo phổ huỳnh quang của các mẫu đã chế tạo tại phịng Cooperman,
Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.
2.3.2Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật dùng để nghiên cứu cấu trúc và nhận dạng pha tinh thể. Đối với các tinh thể nhỏ kích thước nano, ngồi việc cho biết cấu trúc pha của nano tinh thể, kỹ thuật này cũng cho phép ta ước lượng kích thước nano tinh thể trong mẫu.
Nguyên tắc của nhiễu xạ tia X để xác định, nhận dạng pha tinh thể được thiết lập và dựa trên điều kiện Bragg:
2d(hkl)Sinθ = nλ
Với n = 1, 2, 3, … là bậc nhiễu xạ. Phương trình này gồm ba thơng
số: d(hkl) là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng, θ gĩc nhiễu xạ, và λ là bước
sĩng tới.
Kích thước nhỏ cỡ nm của tinh thể cĩ ảnh hưởng đáng kể tới độ rộng vạch nhiễu xạ tia X. Khi kích thước hạt giảm, các vạch nhiễu xạ quan sát được mở rộng một cách đáng kể, so với các vạch tương ứng trong vật liệu khối. Kích thước hạt cĩ thể được đánh giá từ độ rộng của vạch nhiễu xạ tương ứng với mặt phẳng phản xạ (hkl) đặc biệt từ cơng thức Scherrer. Nguồn gốc của sự mở rộng vạch nhiễu xạ do kích thước nhỏ cĩ thể hiểu được, qua việc xem xét hiệu ứng nhiễu xạ từ một số hữu hạn mặt phẳng như được vẽ trên hình 2.6. Xét một tinh thể lý tưởng cĩ p mặt phẳng nguyên tử (hkl) với khoảng cách khơng gian d song song nhau và song song với bề mặt. Độ dầy của tinh thể xấp xỉ bằng pd. Độ lớn của tia nhiễu xạ sẽ là cực đại khi đoạn đường đi chênh lệch giữa tia phản xạ từ các mặt phẳng liên tiếp bằng với một số nguyên lần bước sĩng.
Δl = 2d sinθ = nλ
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu (Tb,Eu)PO4.H2O được ghi trên máy Siemens D5000 của hãng Siemens-German (Cộng hịa Liên bang Đức)
với λ=1,5405 Å trong kho ảng 100 ≤θ≤ 800
tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 7 Thiết bị nhiễu xạ tia X D5000 do hãng SIEMENS
2.3.3Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy) là một
thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử cĩ năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phĩng đại lớn (cĩ thể tới hàng triệu lần), ảnh cĩ thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Hình 2. 8 Sơ đồ cấu tạo máy TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEM1010-JEOL) tích hợp CCD
camera hiện cĩ tại Phịng 109 – 111 Nhà 3 tầng, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương (Hình 2.9) đã được chúng tơi sử dụng trong quá trình hồn thành luận văn.
Hình 2. 9 Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM1010-JEOL).
2.3.4Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope), là một loại
kính hiển vi điện tử cĩ thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt
mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thơng qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Nguyên lý:
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phĩng điện tử (cĩ thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đĩ được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử cĩ bước sĩng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khĩ khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đĩ quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM khơng thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngồi ra, độ phân giải của SEM cịn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ cĩ các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thơng qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thơng dụng
nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp cĩ năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng cĩ năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là
chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đĩ chúng thường cĩ năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào thành phần hĩa học ở bề mặt mẫu, do đĩ ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hĩa học. Ngồi ra, điện tử tán xạ ngược cĩ thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngồi ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên cĩ thể đem lại thơng tin về các đơmen sắt điện.
Hình 2. 10 Sơ đồ cấu tạo máy SEM
Hình 2. 11 Ảnh kính hiển vi điện tử quét tại Viện Vệ sinh Dịch tễ
Trung ương (Hitachi S - 4800)
Hình thái, kích thước dây của các mẫu nghiên cứu được khảo sát trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét ở Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương (Hitachi S - 4800) (Hình 2.11), máy cĩ khả năng chụp được ảnh với thang đo 50 nm.
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Khảo sát các tính chất bề mặt, cấu trúc và tính chất phát quang của hệ vật
liệu (Tb,Eu)PO4.H2O bằng các phép đo SEM, X-ray, huỳnh quang.
3.1 Kết quả đo SEM
Để khảo sát tính chất bề mặt của vật liệu dây nano chúng tơi tiến hành
chụp ảnh FESEM các mẫu (Tb,Eu)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+:Tb3+ lần
lượt là 1:0; 1:2 và 1:8 trong cùng thang đo 200nm.
(a) (b) (c) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3. 1 Kết quả đo SEM của mẫu (Eu,Tb)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+:Tb3+ a)1:0,b) 1:2, c)1:8
Các kết quả đo FESEM ở hình 3.1(a) cho thấy mẫu với tỷ lệ Eu3+
:Tb3+ là
1:0 (EuPO4.H2O) cĩ các dây sắp xếp theo cấu trúc dạng bĩ, kích thước dây khá
đồng đều, chiều dài dây trên 300nm. Với các mẫu cĩ tỷ lệ Eu3+
:Tb3+ là 1:2 (hình
3.1 (b)), các dây nano tạo thành cĩ sự sắp xếp tương đối đồng đều, khơng tạo cấu trúc bĩ, chiều dài dây dao động trong khoảng 150-300nm. Hình ảnh các dây
nano sắp xếp đồng đều nhất thu được từ mẫu cĩ tỷ lệ Eu3+:Tb3+ là 1:8 với chiều
dài dây từ 150 – 400nm, chiều rộng từ 10 – 20nm (hình 3.1 (c)).
3.2 Kết quả đo TEM
Để khảo sát rõ ràng hơn hình dáng và kích thước của các dây nano, chúng
tơi tiến hành đo TEM của mẫu dây nano (Tb,Eu)PO4.H2O với Eu3+:Tb3+ là 1:8
(hình 3.2). Các kết quả cho thấy với tỷ lệ nồng độ như trên, các dây nano thu được cĩ độ đồng đều cao, chiều dài dây dao động trong khoảng 150 – 400nm,