Luận văn Tổng hợp vật liệu nano bạc / chấm lượng tử graphen (agnps / gqds) và ứng dụng

holesterol oxidase (ChOx) (Sigma Aldrich-Đức); - Nƣớc cất 1 lần đƣợc dùng để chế tạo vật liệu và pha chế các dung dịch. 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị - Máy ly tâm tốc độ cao Tommy (Nhật), (tốc độ tối đa 15.000 vòng/phút); - Máy ly tâm mini Cubee (tốc độ tối da 4.000 vòng/phút); -Bể điều nhiệt Laudra (Pháp); -Tủ sấy có đặt lịch trình Memmert; -Cân phân tích, cân kỹ thuật; -Bếp từ gia nhiệt; -Bình thủy nhiệt (autoclave); - Bộ micro pipet ; 27 - Các dụng cụ thủy tinh khác nhƣ cốc, ống đong, bình tam giác 2.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU CQDs VÀ AgNPs/GQDs 2.2.1. Chế tạo cacbon dots bằng phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom- up) GQDs đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt theo quy trình đã công bố trƣớc đây của nhóm[56]. Theo đó, 1 mmol axit xitric (0,21 g) và 0,18 g urê (3 mmol) hòa tan trong 5 ml nƣớc. Cho hỗn hợp trên vào autoclave và tiến hành gia nhiệt ở 160 oC trong vòng 8h. Làm nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng, sau đó ly tâm với tốc độ 10.000 vòng/phút trong vòng 30 phút để thu đƣợc chất rắn là bột nano cacbon (GQDs). Sấy khô ở 80 oC trong 10h để thu đƣợc GQDs ở dạng bột màu nâu đen, đem phân tán lại trong nƣớc cất thu đƣợc dung dịch GQDs. 2.2.2. Chế tạo vật liệu nano Ag/Cacbon dots (AgNPs/GQDs) Quy trình tổng hợp tiến hành theo điều kiện tối ƣu trong công bố trƣớc đây của nhóm[56], cụ thể: Dùng bình thủy tinh sạch để lấy 15 ml dung dịch gốc GQDs pha trong 500mL nƣớc cất ( đo pH=9, dung dịch GQDs có màu vàng nhạt). Tiếp theo dùng một bình thủy tinh sạch khác lấy lần lƣợt 300mL dung dịch GQDs thêm từ từ dung dịch CH3COOH 0,1 M đến pH = 7, sau đó thêm từ từ 50 ml dung dịch AgNO3 nồng độ 0,1 M, thêm tiếp 100mL nƣớc cất để thu đƣợc 450mL dung dịch khuấy đều dung dịch bằng máy khuấy từ. Để phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 900C trong máy ổn định nhiệt khoảng 2 giờ thì đƣợc kết tủa đen. Lấy bình ra để nguội ở nhiệt độ phòng sau đó đem ly tâm thu đƣợc AgNPs/GQDs. Rửa sạch bằng cồn, sấy khô ở nhiệt độ phòng thu đƣợc bột AgNPs/GQDs. Đem phân tán bột trong nƣớc cất thu đƣợc dung dịch AgNPs/GQDs màu đỏ đậm. 2.3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN H2O2 VÀ CHOLESTEROL 2.3.1. Chế tạo cảm biến phát hydrogen peroxide Pha dung dịch H2O2 với các nồng độ khác nhau. Lấy 200 L dung dịch H2O2 đã chuẩn bị cho vào ống eppendorf loại 1,5ml. Sau đó, cho vào đó 1 mL 28 dung dịch AgNPs/GQDs, lắc trộn dung dịch trên máy vortex trong khoảng 10 giây rồi đem ống eppendorf ngâm vào bể ổn nhiệt ở 40oC trong vòng 45 phút. Lấy ống eppendorf ra, để nguội đến nhiệt độ phòng và đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm). Phần trăm chênh lệch độ hấp thụ quang ở 417nm ((A/A) của dung dịch có và không có mặt H2O2 đƣợc sử dụng làm tín hiệu của cảm biến để xác định nồng độ H2O2 trong mẫu theo công thức: (II.1) Trong đó: A =A0 - ACvới A0và AClần lƣợt là độ hấp thụ quang A ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm) của dung dịch AgNPs/GQDs trƣớc và sau khi có mặt H2O2 ở nồng độ C (mM). Trên cơ sở thí nghiệm này, các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng đã đƣợc khảo sát và tối ƣu, bao gồm: (i) thời gian phản ứng; (ii) yếu tố môi trƣờng (pH); (iii) nhiệt độ phản ứng. Để khảo sát độ chọn lọc của cảm biến, các phân tử khác đƣợc sử dụng thay thế dung dịch H2O2 nhƣ dung dịch glucose; axit ascorbic; saccarose và nƣớc cất. Quy trình thí nghiệm không có gì thay đổi nhƣ đã nêu ở trên. 2.3.2. Chế tạo cảm biến cholesterol Trƣớc hết, 100 μL dung dịch cholesterol với các nồng độ khác nhau (từ 0,1 mM đến 2 mM) pha trong 75μL đệm PBS (pH=7) đƣợc lấy vào ống eppendorf, tiếp đó 25 μL dung dịch ChOx (nồng độ 2 mg.mL-1pha trong đệm PBS nồng độ 0.001 M) đƣợc thêm vào trong ống. Hỗn hợp đƣợc khuấy trộn bằng máy votex trong 30 giây, sau đó đem ủ trong bể ổn nhiệt ở 40 oC trong 1 giờ. Tiếp theo, 1 mL dung dịch AgNPs/GQDs đƣợc thêm vào ống, hỗn hợp đƣợc trộn đều rồi ủ trong bể ổn nhiệt ở 40 oC trong vòng 45 phút, sau đó lấy ra để nguội đến nhiệt độ phòng rồi chuyển vào cuvet để đo độ hấp thụ A ở bƣớc sóng 417nm. Phần trăm chênh lệch độ hấp thụ ở bƣớc sóng 417nm 29 (A/A) đƣợc dùng làm tín hiệu để xác định nồng độ cholesterol trong mẫu theo công thức (2.1) tuy nhiên, với A =A0 - AC với A0 và AC lần lƣợt là độ hấp thụ quang A ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm) của hỗn hợp chứa AgNPs/GQDs khi không có và có mặt cholesterol ở nồng độ C (mM). 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU VÀ CẢM BIẾN 2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction-XRD ) Bản chất vật lý của tia X là bức xạ sóng điện từ vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tia X đƣợc truyền đi trong không gian với tốc độ ánh sáng và mang năng lƣợng từ 200eV đến 1 MeV và đƣợc xác định theo phƣơng trình: E = hv = hc/λ (II.2) Trong đó: v (Hz) là tần số của bức xạ tia X; λ (A0 ) là bƣớc sóng của bức xạ tia X; c là số tốc độ ánh sáng, c=3.108 m/s; h là hằng số Planck, h=6,62x10 -34 J.s. Cơ sở của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tƣợng nhiễu xạ của chùm tia X trên mạng lƣới tinh thể. Khi bức xạ tia X tƣơng tác với vật chất sẽ tạo hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, sẽ dẫn đến hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới tinh thể thì mạng lƣới này đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử hoặc ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử hoặc ion này đƣợc phân bố trên các mặt phẳng song song. Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ song song (dhkl ), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ) với bƣớc sóng (λ) đƣợc biểu thị bằng hệ phƣơng trình Vulf – Bragg (hình 2.1): 2d(hkl). sinθ = n.λ (II.3). 30 Hình 2.1 Sơ đồ chùm tia tới và chùm tia nhiễu xạ trên tinh thể Đây là phƣơng trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ (giá trị 2θ) có thể suy ra d theo công thức trên. So sánh giá trị d tìm đƣợc với giá trị d chuẩn sẽ xác định đƣợc cấu trúc mạng tinh thể chất cần nghiên cứu (hình 2.2). Thông qua giản đồ XRD ta cũng có thể tính đƣợc kích thƣớc trung bình của hạt theo phƣơng trình Scherrer: (II.4) Trong đó: λ là bƣớc sóng của tia X, trong phép đo này λ = 1,5406 A0; θ - góc nhiễu xạ Brag (độ); D: kích thƣớc hạt (nm); B=β1/2: độ rộng bán chiều cao của đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh nhất (rad). 31 Hình 2.2 Độ tù của pic phản xạ gây ra do kích thước hạt Hình 2.3 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X Trong luận văn này các mẫu đƣợc đo XRD trên thiết bị đo D8 Advance (Bruker) dùng bức xạ của CuKα, λ=1,5406 A0, khoảng quét 2θ = 1-700. 2.4.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM: Transmission Electron Microscope) đƣợc phát triển từ năm 1930 là công cụ kĩ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ƣu điểm nổi bật nhờ bƣớc sóng của chùm electron ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên nó có thể quan sát với kích thƣớc cỡ 0,2 nm. Ảnh thu đƣợc từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho ta hình dạng và kích thƣớc của hạt chất nghiên cứu. Các electron từ catot bằng dây Vonfram đốt nóng đi tới anot và đƣợc hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong chân không. Tác dụng của tia electron tới mẫu có thể tạo ra chùm electron thứ cấp, electron phản xạ, electron Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với đám mây electron truyền qua mẫu đƣợc khuếch đại và ghi lại ở dạng ảnh huỳnh quang hoặc ảnh kỹ thuật số. Nhiễu xạ electron có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trƣng vật liệu. Chùm electron nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bƣớc sóng của chùm electron tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật phản xạ Bragg nhƣ đối với nhiễu xạ tia X: 2dsin 32 = n, khác với nhiễu xạ tia X, do bƣớc sóng của chùm electron thƣờng rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mặt mạng tinh thể thì góc nhiễu xạ rất bé, cỡ dƣới 0,010. Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu mà ảnh nhiễu xạ electron thƣờng là những vùng sáng tối gọi là trƣờng sáng - trƣờng tối. Vùng sáng là ảnh của vật liệu vô định hình còn vùng tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể. Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua hiện đại Trong luận văn này, ảnh TEM đƣợc chụp trên hệ JEOL TEM -J1010 có điện thế từ 40 đến 100 kV, độ phóng đại từ 20-500k lần. 2.4.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) Phổ hồng ngoại FTIR (Fouier Tranfomation Ifra Red spectrum) đƣợc dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu dựa vào các tần số đặc trƣng trên phổ đồ của nhóm chức trong phân tử. Trong phân tử luôn tồn tại các dao động đƣợc gọi là dao động phân tử. Các dao động này có thể là dao động hóa trị hoặc dao động biến dạng. Dao động phụ thuộc vào bản chất của liên kết trong phân tử. Khi các sóng điện tử của vùng hồng ngoại tác dụng lên hệ gồm những nguyên tử liên kết với nhau thì biên độ các dao động của liên kết sẽ tăng lên. Khi đó phân tử sẽ hấp phụ những tần số của bức xạ hồng ngoại có năng lƣợng tƣơng ứng với hiệu giữa các mức năng lƣợng dao động. Nhƣ vậy, khi mẫu nghiên cứu đƣợc chiếu tia 33 hồng ngoại có tần số lien tục thay đổi thì chỉ những tia có năng lƣợng (bƣớc sóng) xác định mới bị hấp thụ. Khi tiến hành phân tích bằng phổ FTIR, ta sẽ thu đƣợc phổ hấp thụ, dựa vào số sóng đặc trƣng của các nhóm chức, các liên kết có sẵn trong phổ đồ, so sánh với phổ đồ đƣợc ghi ta sẽ suy ra cấu trúc của chất nghiên cứu. Phƣơng pháp phân tích FTIR có thể ghi phổ của các mẫu rắn, lỏng hoặc khí. Để ghi phổ các hợp chất rắn ngƣời ta thêm muối halogenua của một kim loại kiềm (thƣờng dùng là kali bromua) lấy khoảng 1mg chất và 100 đến 200 mg KBr, trộn nghiền kỹ, sấy khô và ép dƣới áp suất cao. Khi đó sẽ thu đƣợc một viên nhỏ trong suốt, đƣờng kính khoảng 10mm, dày 1 đến 2 mm.Vì kali bromua không hấp thụ bức xạ trong vùng 1,5.10-4 m đến 2,5.10-4 m cho nên bằng phƣơng pháp này có thể chụp phổ toàn phần của mẫu chất.Trong luận văn này các mẫu đƣợc đo phổ FTIR trên máy Shimadzu. Hình 2.5 Máy đo phổ hồng ngoại (FTIR) 2.4.4. Phổ hấp thụ electron (UV-Vis) Đây là phƣơng pháp chính để định lƣợng nồng độ hạt nano bạc qua đó xác định nồng độ H2O2 và Cholesterol trong mẫu cần phân tích của luận văn này. Sự hấp thụ của phân tử trong vùng quang phổ tử ngoại và khả kiến (UV- Vis) phụ thuộc vào cấu trúc electron của phân tử. Sự hấp thụ năng lƣợng đƣợc lƣợng tử hóa và do các electron bị kích thích nhảy từ obitan có mức năng lƣợng thấp lên các obitan có mức năng lƣợng cao gây ra. Bƣớc chuyển năng lƣợng này tƣơng ứng với sự hấp thụ các tia sáng có bƣớc sóng λ khác nhau. Năng lƣợng liên kết đƣợc xác định bởi phƣơng trình sau: 34 E = h.ν = h.c/λ (II.5) Trong đó: E là năng lƣợng (J), h là hằng số Planck (6,62x10-34 J.s), và v là tần số (s-1), bƣớc sóng (λ, m) và tốc độ ánh sáng (c = 3.108, m.s-1). Hình 2.6 Bước chuyển của các electron trong phân tử Khi phân tử bị kích thích, các electron của các nguyên tử trong phân tử thực hiện các bƣớc nhảy sau (hình 2.8): Trong đó: n - obitan phân tử không kiên kết; π - obitan phân tử liên kết π; π * - obitan phân tử π phản liên kết; σ - obitan phân tử liên kết σ; σ * - obitan phân tử σ phản liên kết. Các electron khi bị kích thích bởi các bức xạ điện từ sẽ nhảy lên các obitan có mức năng lƣợng cao hơn, các bƣớc nhảy có thể là: σ → σ *, π → π*, n→ π*, n→ σ*, tùy vào năng lƣợng kích mà các electron thực hiện các bƣớc chuyển năng lƣợng khác nhau. Cơ sở của phƣơng pháp này là dựa vào định luật Lambert-Beer thể hiện bằng phƣơng trình: (II.6) Trong đó: A: độ hấp thụ ánh sáng (hấp thụ quang); I0, I: cƣờng độ bức xạ điện từ trƣớc và sau khi qua chất phân tích; ε: hệ số hấp thụ (L cm/mol); l: độ dày cuvet (cm); C: nồng độ chất phân tích (mol/L). Phƣơng pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến UV-Vis đƣợc sử dụng rất thuận lợi và phổ biến để phân tích các chất. *Phương pháp đường chuẩn 35 Chuẩn bị một dãy các dung dịch chuẩn (thƣờng từ 5 – 7 dung dịch) có nồng độ tăng dần và biết trƣớc nồng độ C: C1, C2, C3 (trong khoảng tuân theo định luật Lamber – Beer). Thực hiện phản ứng với chất màu. Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch ở λmax, biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A theo nồng độ dung dịch C và xây dựng đồ thị theo hệ tọa độ A – C gọi là đồ thị đƣờng chuẩn. Từ đồ thị đƣờng chuẩn tìm đƣợc phƣơng trình sau: Y = a.X + b (II.7) Trong đó: y - Độ hấp thụ quang A; x - Nồng độ dung dịch. Sự tƣơng quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l = const là nội dung của định luật Lamber – Beer. Hệ số tƣơng quan R biến đổi trong khoảng -1 ≤ R ≤ 1. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999. Sau khi thiết lập phƣơng trình đƣờng chuẩn, đối với dung dịch mẫu ta tiến hành phản ứng màu với thuốc thử và đo đƣợc độ hấp thụ quang A của mẫu ở cùng điều kiện của mẫu chuẩn (Amẫu = y) ta có thể tính đƣợc nồng độ của mẫu cần xác định theo phƣơng trình sau: (II.8) Hình 2.7. Hệ đo UV–Vis Agilent 8453 Trong luận văn này, phổ UV-Vis đƣợc đo trên hệ UV–Vis Agilent 8453 tại Bộ môn hóa vô cơ, ĐH Bách Khoa Hà Nội (hình 2.9). 2.4.5. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) Phổ tán xạ năng lƣợng tia X hay Phổ tán sắc năng lƣợng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật liệu rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X 36 phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm tia electron có năng lƣợng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thƣờng đƣợc viết tắt là EDX (hay EDS). Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực hiện trong các kính hiển vi điện tử. Ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm electron có năng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm electron có năng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn, làm bật ra electron ở lớp K bên trong nguyên tử và tạo ra lỗ trống ở vị trí này. Sau đó, electron ở lớp ngoài có năng lƣợng cao hơn nhảy xuống lấp đầy lỗ trống và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng tia X. Các tia X này có bƣớc sóng đặc trƣng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích đƣợc thực hiện nhờ các chùm electron có năng lƣợng cao và đƣợc thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Các mẫu thanh nano trong luận văn đƣợc phân tích EDX nhờ thiết bị kính hiển vi điện tử quét có tích hợp hệ thống phân tích phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) JEOL JSM-7600F (Nhật Bản) tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST). 2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU Các đặc trƣng của cảm biến đƣợc xác định từ các số liệu thực nghiệm nhƣ: giới hạn phát hiện (Limit of Detection – LOD); Xác định sai số phép phân tích của cảm biến; độ nhạy tuân theo các quy tắc đã đề cập ở mục 1.1 và các số liệu thực nghiệm đƣợc xử lý theo phƣơng pháp thống kê toán học để tính toán các giá trị trên. 37 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU 3.1.1. Đặc trƣng chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots- GQDs) GQDs tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt có cơ chế phát triển từ dƣới lên (bottom-up), theo đó dƣới tác dụng của nhiệt độ thì các phân tử axit citric và urea phân hủy tạo ra các nguyên tử hoặc các cụm liên kết/mầm cacbon; sau đó các cụm liên kết/các mầm này kết hợp lại tạo ra các phân tử/cấu trúc và hình thành nên các tấm graphen siêu nhỏ (dƣới 10 nm) có mức năng lƣợng thấp hơn, liên kết bền hơn. Hình 3.1. mô tả cơ chế hình thành GQDs theo phƣơng pháp từ dƣới lên. Dung dịch GQDs thu đƣợc có màu đỏ sẫm (ảnh kỹ thuật số ở hình 3.1), đồng nhất, không có cặn kết tủa, không có muội cacbon tạo thành, phản ứng có hiệu suất lớn. Hình 3.1. Sơ đồ mô tả sự hình thành hạt GQDs dots theo phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Phổ UV-Vis của dung dịch GQDs trên hình 3.2A cho thấy hai đỉnh hấp thụ riêng biệt vào khoảng 221 và 288 nm, đƣợc cho là chuyển đổi π-π * của C = C và n- π * chuyển tiếp của C = O, tƣơng ứng. Phổ phát xạ huỳnh quang của GQD (hình 3.2B) cho thấy khi bị kích thích thì GQDs phát ra các ánh sáng với bƣớc sóng cỡ 530nm với cƣờng độ cực đại khi bị kích thích ở bƣớc sóng 360 nm (hình 3.2C). Theo hình ảnh TEM (hình 3.2D) hạt GQD tổng hợp đƣợc có hình dạng hình cầu, kích thƣớc đều, hầu nhƣ không bị kết tụ với phân bố kích thƣớc trong phạm vi 5 ± 2 nm. Ảnh TEM của mẫu GQDs rất mờ khó quan sát vì độ tƣơng phản của GQDs rất thấp, hơn nữa kích thƣớc rất nhỏ (cỡ 2-3 nm). Hình 3.2E cho thấy màu dung dịch GQDs pha loãng so với dung 38 dịch nƣớc cất ở điều kiện ánh sáng bình thƣờng và ánh sáng tím. Có thể thấy sự phát xạ ở ánh sáng màu xanh của dung dịch GQDs dƣới ánh sáng tím. Về cơ chế phát huỳnh quang (PL) của GQDs đƣợc gán cho một vài lý do sau đây: do hiệu ứng lƣợng tử, [3,21] khuyết tật và các trạng thái bề mặt[23], nhóm bề mặt, sự biến dạng bề mặt[3], sự phát quang với các mức độ khác nhau của π- liên hợp hoặc vị trí tái kết hợp các cặp lỗ điện tử nằm trong các cụm cacbon sp 2 nhỏ nhúng trong một chất nền sp3[3]. Một nghiên cứu có hệ thống về cơ chế hình thành phổ PL của GQDs còn cho thấy khả năng phát quang phụ thuộc nhiều vào trạng thái cấu trúc và kích thƣớc của GQDs[61]. Hình 3. 2.(A) Phổ UV-Vis của GQDs và (B) phổ FL của GQDs với các bước sóng kích thích khác nhau; (D) Ảnh TEM of GQDs;(E) Màu sắc dung dịch GQDs và mẫu nước ở dưới ánh sáng thường (trái) và dưới tia UV (phải) 3.1.2. Đặc trƣng vật liệu AgNPs/GQDs Hình 3.3 mô tả sơ đồ hình thành AgNPs/GQDs từ dung dịch AgNO3 và dung dịch GQDs, đính kèm là ảnh kỹ thuật số của dung dịch GQDs chứa AgNO3 trƣớc (GQDs) và sau khi phản ứng(ảnh ký hiệu AgNPs/CQDs). Màu dung dịch GQDs thay đổi là do các hạt nano bạc (AgNPs) đã đƣợc hình thành dƣới vai trò của GQDs là chất khử đồng thời là chất ổn định. 39 Hình 3.3. Sơ đồ mô tả sự tạo thành vật liệu AgNPs/GQDs Phổ UV-vis (hình 3.4A, đƣờng ii) có mặt của pic hấp thụ đặc trƣng ở bƣớc sóng 419nm của hạt nano bạc (AgNPs) hình cầu có kích thƣớc bé (dƣới 50nm), cƣờng độ peak ở 419 nm mạnh chứng tỏ trong dung dịch AgNPs/GQDs đã hình thành các hạt AgNPs với nồng độ cao. Trong khi đó so với phổ UV-Vis của dung dịch GQDs (đƣờng i) thì peak ở 288nm của GQDs trong mẫu AgNPs/GQDs biến thành 1 bờ hấp thụ với cƣờng độ không cao, chứng tỏ nồng độ GQDs tự do đã giảm đáng kể. Vì trong dung dịch không bổ sung chất khử, hơn nữa dung dịch phản ứng có mặt NaOH với pH = 9, nhƣng khi cho AgNO3 vào không thấy kết tủa Ag2O xuất hiện, chứng tỏ các nhóm chức –NH- , -COOH, -CHO và -NH2 có mặt trên các hạt GQDs đã hấp phụ và khử ion Ag+ thành AgNPs bám xung quanh các hạt GQDs. Nhƣ vậy trong phản ứng này, GQDs vừa đóng vai trò là tác nhân khử đồng thời là chất ổn định cho các hạt nano bạc (AgNPs). Hình chèn trong hình 3.4A thể hiện màu sắc của dung dịch GQDs gần nhƣ trong suốt và AgNPs/GQDs có màu vàng đặc trƣng của AgNPs. Phổ XRD của GQDs cho thấy dạng gần nhƣ vô định hình của GQDs (hình 3.4B, đƣờng a), với pic nhiễu xạ yếu tại 2θ = 270 đặc trƣng cho pic nhiễu xạ (002) dạng lớp của graphen. Vị trí và cƣờng độ pic nhiễu xạ này của GQDs thƣờng phụ thuộc rất lớn vào sự hiện diện của các nhóm hydroxyl, epoxy/ther, carbonyl và carboxylic những tác nhân có xu hƣớng gia tăng khoảng cách giữa các tấm cacbon[62]. 40 Hình 3.4. (A) Phổ UV-Vis của (a) GQDs, và (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ XRD của (a) GQDs và (b) AgNPs/GQDs. Đối với phổ nhiễu xạ XRD của mẫu AgNPs/GQDs (hình 3.4B, đƣờng b) cho thấy các pic đặc trƣng tại 2θ = 37,50, 43,10 và 64,80o trùng với pic nhiễu xạ của nano bạc (AgNPs) ((PCPDF card số 40783)[63] ứng với các chỉ số Miller là (111), (200) và (220). Không có pic lạ xuất hiện chứng tỏ AgNPs tạo thành trên nền GQDs là các tinh thể bạc đơn pha với các pic đặc trƣng của Ag. Trên phổ XRD của AgNPs/GQDs không quan sát thấy pic (002) của GQDs có lẽ do pic này quá yếu so với các pic của AgNPs. Kết hợp với phổ 41 UV-Vis chứng tỏ rằng phƣơng pháp đề xuất đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu lai tạo AgNPs/GQDs. Ảnh TEM của AgNPs/GQDs (hình 3.5a và b) cho thấy các hạt GQDs to lên do đƣợc bồi đắp bởi AgNPs xung quanh, kích thƣớc trung bình cỡ 30- 40 nm, các hạt AgNPs/GQDs nằm rời rạc, không bị kết đám là do vai trò của GQDs ngăn cản chúng kết tụ lại, điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng và bảo quản dung dịch AgNPs/GQDs. Ảnh SEM (hình 3.5c) cho thấy kết quả thống nhất với ảnh TEM về kích thƣớc hạt AgNPs đƣợc hình thành. Ngoài ra, phổ DLS (hình 3.5d) cho thấy các hạt AgNPs hình thành đã bám vào các hạt GQDs tạo ra một vùng phân bố duy nhất với kích thƣớc tập trung cỡ 40 nm. Hình 3. 5. (a,b) Ảnh TEM của AgNPs/GQDs; (c) ảnh SEM của sản phẩm AgNPs/GQDs;(d) Phân bố kích thước hạt phân tích theo phương pháp tán xạ laser (DLS) của mẫu AgNPs/GQDs) Phổ EDX của GQDs cho thấy các nguyên tố C, O, N là ba thành phần chính của GQD (hình 3.6A, đƣờng a). Trong khi đó, phổ EDX của 42 AgNPs/GQDs (hình 3.4A, đƣờng b) cho thấy ngoài các pic đặc trƣng cho C, N, O nêu trên, chúng ta có thể quan sát thấy các đỉnh mới xuất hiện, tƣơng ứng với Ag. Phổ EDX cung cấp bằng chứng cho việc hình thành kim loại bạc trên nền GQDs: giá trị mức năng lƣợng ứng với các đỉnh ở 2,99 và 3,17 keV là do hình thành AgNP. Những kết quả này khẳng định rằng AgNPs đã đƣợc hình thành một cách có hiệu quả trên bề mặt GQDs. Hình 3.6B trình bày phổ FT-IR của GQDs (đƣờng a) và vật liệu lai tạo AgNPs/GQDs (đƣờng b). Kết quả cho thấy, trên phổ FT-IR của GQDs (đƣờng a) cho thấy các dải hấp thụ từ 3100 đến 3500 cm-1 thuộc các dao động υO-H và υN-H, đây là các nhóm chức quan trọng tạo thuận lợi cho tính ƣa nƣớc và ổn định của GQD. Các dải hấp thụ ở 1641 cm-1 đƣợc cho là υC=O, cho thấy rằng axit carboxylic có thể đƣợc sử dụng làm tâm liên kết với ion Ag+. Những kết quả trên chỉ ra rằng GQDs có nhiều amino (-NH2), cacboxyl (-COOH) và hydroxy (-OH) trên bề mặt và các cạnh của CQDs và chúng tạo ra khả năng ƣa nƣớc tuyệt vời của GQDs. So với phổ FT-IR của GQDs thì ở phổ của AgNPs/GQDs (đƣờng b) cho thấy dải hấp thụ của nhóm O-H ở 1064 cm-1. Kết quả này chỉ ra rằng Ag+ có thể đã đƣợc khử để tạo nên hạt AgNP bởi các nhóm O-H trên bề mặt của GQD và kết quả là các nhóm O-H đƣợc chuyển đổi thành các nhóm COOH sau phản ứng[59]. Các kết quả đã khẳng định việc chuẩn bị thành công các AgNP bằng các chấm lƣợng tử graphen (GQDs) làm chất khử và chất ổn định. 43 Hình 3.6. (A) Phổ FT-IR của: (a) chấm lượng tử graphen (GQDs) và (b) AgNPs/GQDs và (B) Phổ tán xạ năng lượng (EDX) 3.2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN HYDROGEN PEROXIDE TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AgNPs/GQDs 3.2.1. Khảo sát thời gian phản ứng và tìm hiểu cơ chế phản ứng 44 Hình 3. 7. (A) phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs/GQDs (a) trước và (b) sau khi thêm 100 μM dung dịch H2O2; (B) Biến đổi A/A (%) theo thời gian. Ý tƣởng để chế tạo cảm biến là sử dụng các hạt AgNPs trong vật liệu lai AgNPs/CQDs vì 2 lý do: (i) AgNPs có tính chất hóa học là bị oxi hóa bởi H2O2 vì thế khử chuẩn của Ag + /Ag thấp hơn H2O2/H2O ( < ) và (ii) phản ứng (i) làm AgNPs bị chuyển thành Ag+ tức phổ plasmon của AgNPs trong dung dịch AgNPs/CQDs bị giảm dần theo nồng độ H2O2 có mặt nên đƣợc dùng làm tín hiệu hiển thị. Nhƣ vậy với việc dùng AgNPs chúng sẽ đóng cả vai trò là đầu dò để bắt cặp (capture probe) H2O2 vừa đóng vai trò là đầu dò tín hiệu (signal probe). Cảm biến loại này đƣợc gọi là loại trực tiếp (direct) và không đánh dấu (label-free). Nhƣ vậy cảm biến hydrogen peroxit đƣợc thiết kế dựa trên việc sử dụng dung dịch AgPNs/CGDs vừa có vai trò là đầu dò vừa có vai trò là chỉ thị để phát hiện H2O2. Khi cho dung dịch H2O2 với nồng độ thấp vào dung dịch đầu dò (AgNPs/GQDs) thì màu vàng đặc trƣng cho AgNPs của dung dịch nhạt dần, có xu hƣớng chuyển sang màu hồng nhẹ. Nếu tăng nồng độ H2O2 thì dung dịch AgNPs/GQDs sẽ chuyển sang không màu. Điều đó chứng tỏ H2O2 đã phản ứng với hạt nano bạc. Nếu sự thay đổi A/A (%) càng lớn khi nồng độ H2O2 cho vào thấp chứng tỏ phản ứng càng nhạy, rất thích hợp để chế tạo cảm biến nhạy H2O2. Hình 3.7a là phổ UV-Vis của cảm biến với nồng độ H2O2 sử 45 dụng là 100 μM cho thấy cƣờng độ phổ UV-Vis của dung dịch AgNPs/GQDs giảm dần theo thời gian khi thêm H2O2. Ta thấy độ giảm mạnh của pic tại 425nm và độ giảm của pic này cần thời gian để kết thúc và hình 3.7b cho th