Luận án Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu nano GdPO4 : Tb3+ và Gd2O3 : Eu3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

ethanol, TEOS, CH3CHOOH, APTES, nước khử ion, Glutaraldehyde (GDA), Sodium photphat, Ethanolamine, kháng thể kháng CEA. Các hóa chất đều của hãng Sigma – Aldrich và Merck. Kháng thể kháng nọc rắn, được sản xuất theo cơ chế gây miễn dịch trên thỏ và thu kháng thể đạt hiệu giá phát hiện 42 nọc rắn tại phòng thí nghiệm sinh học phân tử, bộ môn sinh lý bệnh, Học viện Quân Y. 2.1.3.1. Xử lý bề mặt vật liệu Đặc điểm cơ bản của phương pháp xử lí bề mặt vật liệu là bọc thêm một lớp bao quanh từng cá thể vật liệu nano tạo cấu trúc lõi vỏ nhằm làm giảm các khuyết tật ở bề mặt, qua đó giảm được tác động dập tắt huỳnh quang [113, 114]. Lớp bọc phải có độ dày đủ để vừa bảo vệ vật liệu trước tác động của môi trường, vừa chống sự co cụm của các cá thể nano, tạo dung dịch bền trong dung môi, đặc biệt là nước và môi trường nuôi cấy y sinh học. Một xu hướng đáng chú ý trong tổng hợp nano là bọc vỏ tạo cấu trúc lõi/vỏ (core/shell) [23, 113]. Hướng này ban đầu được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn để nâng cao hiệu suất phát quang, nay đang được mở rộng sang các lĩnh vực khác nhau như: vật liệu điện môi nano phát quang, vật liệu xúc tác, vật liệu đa chức năng, v.v. [22, 23, 113] và ngày càng chứng tỏ đây là một hướng tổng hợp vật liệu nano có nhiều triển vọng để chế tạo các vật liệu nano đa năng, chất lượng cao. Hướng tổng hợp lõi/vỏ đa lớp có thể tổng hợp điều khiển các thông số chủ yếu của vật liệu nano về kích thước, độ đồng đều, hình thái học và cấu trúc. Điều này có vai trò quan trọng trong nghiên cứu chế tạo các vật liệu nano tích hợp (integrated nanomaterials), là tiền đề phát triển các công nghệ mới mang tính đột phá, không chỉ trong trong điện tử, quang điện tử và quang tử mà còn trong y sinh. 2.1.3.2. Chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang với phần tử hoạt động sinh học Để có thể ứng dụng được vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm trong y sinh học, yêu cầu các vật liệu phải được chức năng hóa bề mặt để có thể phân tán tốt trong nước và liên hợp được với các phần tử sinh học khác nhau [115-117]. Nhiều công trình nghiên cứu xử lý các cấu trúc nano thông qua các giai đoạn chức năng hóa và liên hợp hóa với các phần tử hoạt động sinh học đặc hiệu đã được thực hiện. Việc chức năng hóa bề mặt đóng một vai trò quan trọng như một cầu nối giữa tổng hợp và ứng dụng của nano phát quang trong y sinh học. Nó không chỉ làm tăng độ phân tán trong nước của các hạt nano mà còn có thể liên hợp với các phân tử sinh 43 học khác nhau. Để các nano phát quang có thể phân tán trong nước và tương thích sinh học, các nhóm chức như amino, carboxyl, thiol, hydroxyl hoặc maleimide phải được đưa vào bề mặt của vật liệu. Có nhiều phương pháp chức năng hóa bề mặt của vật liệu nano phát quang pha tạp Ln3+ đã được thực hiện [115, 117, 118]. Trong số các phương pháp chức năng hóa bề mặt, phương pháp dựa trên cơ chế của phản ứng cộng nucleophin (AN) của nhóm –NH2 (của vật liệu Ln3+@silica-NH2 và IgG) và andehit của Glutaraldehyde (GDA) tạo ra cấu trúc –N=CH– làm cầu nối giữa nano phát quang và đối tượng sinh học được trình bày ở hình 2.6. Nguyên tử N trong nhóm amin -NH2 của vật liệu nano Ln3+@silica-NH2 và IgG vẫn còn đôi điện tử chưa tham gia liên kết. Nhóm carbonyl của phân tử GDA có nguyên tử C mang phần điện tích dương nên xảy ra theo cơ chế AN được gọi là andol hóa. Sản phẩm tạo thành (phản ứng 1) có chứa nhóm -NH- không bền nên tiếp theo là quá trình (phản ứng 2) loại nước giữa nhóm -OH của nhóm carbonyl và H của nhóm -NH tạo ra liên kết đôi C=N (croton hóa). Ký hiệu Ln-VLNPQ là vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm, X là IgG. Hình 2. 6. Cơ chế của phản ứng cộng nucleophin (AN) 2.1.3.3. Bọc vỏ vật liệu thanh nano GdPO4:Tb3+ bằng silica Quá trình bọc vỏ thanh nano bằng silica được tiến hành như sau: Cho 20ml ethanol (Merck) vào mỗi ống ly tâm 50ml chứa 0,1g GdPO4:Tb3+, dùng máy Voltex phân tán đều các thanh nano GdPO4:Tb3+. Sau đó cho 50ml ethanol (1) (2) 44 vào bình cầu 250ml, thêm 30µl TEOS khuấy đều, thêm 60µl nước khử ion và 60 µl CH3COOH, khuấy 2h. Nhỏ giọt hỗn hợp 0,1g GdPO4: Tb3+ đã phân tán trong 20 ml ethanol ở trên vào cốc phản ứng bằng pipet nhựa, khuấy từ trong 24h. Cuối cùng đem hỗn hợp dung dịch thu được đi rửa và ly tâm mẫu bằng nước khử ion và ethanol. Sản phẩm thu được là thanh nano GdPO4:Tb3+@silica. 2.1.3.4 Chức năng hóa thanh nano GdPO4: Tb3+@silica bằng nhóm NH2 Quá trình chức năng hóa thanh hóa thanh nano GdPO4: Tb3+@silica gắn NH2 được tiến hành như sau: Cho 50ml ethanol vào cốc thủy tinh dung tích 250ml, thêm 20µl APTES (3- Aminopropyltriethoxysi-lane) và 40 µl CH3COOH, khuấy 1h45 phút, nhỏ giọt hỗn hợp (0,10g GdPO4: Tb3+ phân tán trong 20ml ethanol) vào, khuấy 90 phút. Chia dung dịch vào ống ly tâm 50ml, ly tâm và rửa sạch mẫu bằng ethanol 2 lần và nước khử ion 2 lần. Sản phẩm thu được là thanh nano GdPO4:Tb3+@silica -NH2, phân tán sản phẩm trong 20ml nước khử ion (DI) cho các thí nghiệm tiếp theo. Quy trình thí nghiệm chức năng hóa bề mặt thanh nano GdPO4:Tb3+ với nhóm NH2 được tóm tắt trong sơ đồ hình 2.7. Hình 2. 7. Sơ đồ thí nghiệm chức năng hóa bề mặt thanh nano GdPO4:Tb3+ 2.1.3.5. Chế tạo phức hợp nano của GdPO4:Tb3+@silica-NH2 với kháng thể kháng nọc rắn (IgG). Phức hợp giữa GdPO4:Tb3+@silica-NH2 với kháng thể IgG sử dụng 45 glutaraldehyde (GDA) để tạo liên kết đôi giữa hai nhóm amine. Glutaraldehyde ở đây đóng vai trò như một cầu nối với hai nhóm aldehyde tương đồng nhau về mặt chức năng ở hai đầu (homobifunctional crosslinker). Cụ thể các bước tiến hành thí nghiệm phát phiện kháng nguyên nọc rắn như sau: Bước 1: Rửa 3 lần vật liệu phát quang GdPO4: Tb3+@Silica-NH2 bằng dung dịch 0.1mM sodium photphat (PBS), pH = 7. Bước 2: Sản phẩm cuối cùng ở bước 1 được phân tán trong 10ml GDA 0.5 % để tạo hỗn dịch đồng nhất, giữ ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Bước 3: Loại bỏ GDA dư bằng cách rửa 3 lần với PBS 0,1 mM. Sản phẩm sau khi ly tâm được phân tán trong 5ml dung dịch PBS 25mM, pH = 7. Bước 4: Lấy 10µl kháng thể IgG phân tán trong 100µl dung dịch thu được ở bước 3 theo tỷ lệ 1:10, giữ ở nhiệt độ phòng từ 2 - 4h. Bước 5: Khoá các các cầu nối GDA dư bằng cách cho thêm ethanolamine 1,5 M trong PBS phản ứng với 10% thể tích dung dịch GdPO4:Tb3+@silica-NH2-IgG (lúc này cũng đang trong PBS) để 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Bước 6: Loại bỏ ethanolamine dư bằng cách rửa và ly tâm 3 lần với PBS 0.1 mM, pH = 7. Bước 7: Phân tán sản phẩm trong 5ml dung dịch PBS 25mM, pH = 7 và lưu giữ ở 40C để sử dụng cho các quá trình thí nghiệm tiếp theo. Các bước chế tạo phức hợp nano GdPO4:Tb3+@silica – NH2 với kháng thể đặc hiệu IgG được mô tả ngắn gọn trong hình 2.8. Hình 2. 8. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách gắn kết GdPO4:Tb3+@silica-NH2 với kháng thể kháng nọc rắn 46 2.1.3.6.Bọc vỏ vật liệu Gd2O3:Eu3+ bằng silica Quá trình bọc vỏ vật liệu Gd2O3:Eu3+ bằng silica được tiến hành như sau: Bước 1: Lấy 0,1g sản phẩm Gd2O3:Eu3+ đã tổng hợp trong phần trước phân tán trong dung dịch gồm 150ml ethanol và 100ml nước khử ion trong bình cầu 500ml. Bước 2: Nhỏ giọt hỗn hợp gồm 150 microlit TEOS phân tán trong 10ml Ethanol vào bình phản ứng ở trên, khuấy 1 giờ. Sau đó, thêm 1ml NH4OH đặc (25%) để xúc tác quá trình thủy phân- ngưng tụ. Khuấy hỗn hợp phản ứng trong 24 tiếng ở nhiệt độ phòng. Bước 3: Sản phẩm thu được đem ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút, lấy kết tủa rửa 2 lần bằng nước khử ion và 2 lần bằng Ethanol. Bước 4: Sản phẩm thu được được phân tán trong 20ml ethanol và được bảo quản ở nhiệt độ phòng cho quá trình gắn kết với nhóm -NH2 ở các bước tiếp theo. Sản phẩm thu được của quá trình này là Gd2O3:Eu3+@silica. 2.1.3.7. Chức năng hóa vật liệu Gd2O3:Eu3+@silica bằng nhóm NH2 Sau khi bọc vỏ vật liệu bằng silica, quá trình chức năng hóa bằng nhóm NH2 được tiếp tục thực hiện như sau: Sơ đồ bọc vỏ quả cầu nano Gd2O3:Eu3+ bằng silica và gắn nhóm NH2 được thể hiện trong hình 2.9. Hình 2. 9. Sơ đồ bọc Gd2O3:Eu3+ bằng silica và gắn nhóm NH2 47 Cho 50ml ethanol vào bình cầu dung tích 250ml, thêm 20µl APTES (3- Aminopropyltriethoxysi-lane) và 40 µl CH3COOH, khuấy 2 giờ, nhỏ giọt hỗn hợp (0,1g Gd2O3: Eu3+ phân tán trong 20ml ethanol) vào, khuấy 90 phút. Chia dung dịch vào các ống ly tâm 50ml, ly tâm và rửa sạch mẫu bằng ethanol 2 lần và nước khử ion 2 lần 2.1.3.8. Chế tạo phức hợp giữa Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể kháng CEA (IgG) Tương tự như chế tạo phức hợp của thanh nano GdPO4:Tb3+ với kháng thể IgG. Để tạo phức hợp giữa Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể IgG cũng dùng GDA để làm cầu nối. Quá trình kết hợp vật liệu nano phát quang Gd2O3:Eu3+@silica- NH2 với kháng thể kháng CEA đặc hiệu IgG qua cầu nối GDA được thực hiện như sau: Bước 1: Rửa 3 lần vật liệu nano phát quang Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 bằng dung dịch sodium photphat 0.1mM (PBS), pH = 7. Bước 2: Sản phẩm cuối cùng ở bước 1 được phân tán trong 10ml GDA 0.5% để tạo hỗn dịch đồng nhất, giữ ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Bước 3: Loại bỏ GDA dư bằng cách rửa 3 lần với PBS 0,1 mM. Sản phẩm sau khi ly tâm được phân tán trong 5ml dung dịch PBS 25mM, pH = 7. Bước 4: Lấy 10µl kháng thể IgG phân tán trong 100µl dung dịch thu được ở bước 3 theo tỷ lệ 1:10, giữ ở nhiệt độ phòng từ 2 - 4h. Bước 5: Khoá các các cầu nối GDA dư bằng cách cho thêm ethanolamine 1,5M trong PBS phản ứng với 10% thể tích dung dịch Gd2O3:Eu3+@silica-NH2-IgG (lúc này cũng đang trong PBS) để 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Bước 6: Loại bỏ ethanolamine dư bằng cách rửa, ly tâm 3 lần với PBS 0.1 mM, pH = 7. Bước 7: Phân tán sản phẩm trong 5ml dung dịch PBS 25mM, pH = 7 và lưu giữ ở 40C để sử dụng cho các quá trình thí nghiệm tiếp theo. Các bước chế tạo phức hợp nano Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể đặc hiệu IgG được mô tả ngắn gọn trong hình 2.10. 48 Hình 2. 10. Sơ đồ chế tạo phức hợp nano bằng cách gắn kết Gd2O3:Eu3+@silica-NH2 với kháng thể kháng CEA Sau khi chức năng hóa vật liệu với nhóm NH2, quá trình gắn kết với phần tử sinh học (IgG) được tiến hành để tạo thành phức hợp nano của Gd2O3:Eu3+. Phức hợp này được sử dụng để gắn kết với kháng nguyên bề mặt của tế bào ung thư thông qua phản ứng miễn dịch đặc hiệu giữa kháng nguyên và kháng thể. Từ đó có thể nhận diện được tế bào ung thư. Hình ảnh tế bào ung thư thu được nhận biết thông qua ảnh phát quang của vật liệu nano dưới ánh sáng kích thích của kính hiển vi huỳnh quang. Sơ đồ ứng dụng vật liệu nano phát quang ứng dụng nhận dạng tế bào ung thư được biểu diễn ở hình 2.11. Hình 2. 11. Sơ đồ ứng dụng vật liệu nano phát quang nhận dạng kháng nguyên tế bào ung thư 49 2.2. Các phương pháp phân tích vật liệu Các phép đo nghiên cứu cấu trúc, các tính chất quang, từ của các mẫu chế tạo đã được tiến hành trên các thiết bị có độ tin cậy cao. Nghiên cứu ảnh vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét SEM và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng tia X, nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Nghiên cứu tính chất huỳnh quang và cơ chế phát quang của vật liệu nano chế tạo được bằng kĩ thuật huỳnh quang. Xác định và nghiên cứu các hợp chất hóa học của vật liệu bằng phổ hồng ngoại (IR). Phép đo đường cong từ hóa đối với các vật liệu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung VSM. Thực nghiệm đốt nóng cảm ứng từ để xác định tính chất từ của vật liệu ứng dụng trong nhiệt trị. Thử nghiệm phức hợp nano trong việc phát hiện kháng nguyên nọc rắn hổ mang Naja atra và kháng nguyên CEA ung thư đại trực tràng được quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang Carl Zeiss Primo Star. 2.2.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope), là một loại kính hiển vi điện tử có 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 thông 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: 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 đó 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. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn 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 có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông 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 thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng 50 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 đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có 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). Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện. Sơ đồ cấu tạo máy SEM được thể hiện hình 2.12. Hình 2. 12. Sơ đồ cấu tạo máy SEM Các phép đo và phân tích FESEM trong luận án được thực hiện trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 đặt tại phòng phân tích cấu trúc thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Độ phóng đại cao nhất có thể đạt đến 800.000 lần, độ phân giải có thể đạt đến 2 nm ở hiệu điện thế 1 kV (hình 2.13). 51 Hình 2. 13. Hệ đo hiển vi điện tử quét tại Khoa học vật liệu (Hitachi S - 4800) Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng tia X Phổ tán sắc năng lượng EDX hoặc EDS là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Nguyên lý phép phân tích EDX: khi chùm điện tử có mức năng lượng cao được chiếu vào vật rắn, nó sẽ tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử vật rắn, phổ tia X đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn sẽ được ghi nhận cho ta các thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu cũng như tỉ phần các nguyên tố này. 2.2.2 Phương pháp kính 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 có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần). Ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Sơ đồ cấu tạo máy TEM được thể hiện trong hình 2.14. 52 Hình 2. 14. Sơ đồ cấu tạo máy TEM Một số kết quả nghiên cứu của chúng tôi sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 2100 HSX: Jeol, Nhật Bản có thế phát: 200 kV; sợi đốt: LaB6; độ phân giải giữa hai điểm: 0,23 nm; độ phân giải giữa hai đường: 0,14 nm; độ phân giải cao khoảng 1 nm. Thiết bị này đặt phòng Hiển vi điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 2.15). Hình 2. 15. Hệ đo hiển vi truyền qua phân giải cao JEM 2100 53 2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X Phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) dựa trên nguyên lý của hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể. Giản đồ XRD được dùng để phân tích định tính các pha cấu trúc tinh thể và xác định các thông tin về tinh thể học của mẫu vật liệu hoặc so sánh vật liệu kết tinh với vật liệu vô định hình, tính hằng số mạng tinh thể. Năm 1913 Willam L. Bragg đã xây dựng lý thuyết nhiễu xạ tia X. Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai mặt phẳng mạng song song và gần nhau nhất có khoảng cách d (hình 2.16): Hình 2. 16. Mô hình minh họa của định luật nhiễu xạ Bragg Tia X có năng lượng cao nên có khả năng xuyên sâu vào trong lòng vật liệu, gây ra phản xạ trên nhiều mặt mạng tinh thể (hkl) ở sâu phía dưới. Mỗi một mặt phẳng trong họ mặt mạng tinh thể (hkl) có chùm tia phản xạ riêng. Từ hình 2.16 ta thấy hiệu quang trình giữa hai phản xạ từ hai mặt phẳng liên tiếp bằng 2dsinθ. Hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ chỉ xảy ra khi hiệu đường đi của hai sóng bằng số nguyên lần bước sóng. Điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ được viết dưới dạng: 2dsinθ=nλ (2.1) Đó là phương trình Bragg; trong đó: d - khoảng cách giữa hai mặt phẳng kế tiếp trong họ các mặt phẳng tinh thể (hkl).θ - góc giữa tia tới (hoặc tia phản xạ) với mặt phản xạ, n - bậc phản xạ, chỉ nhận các giá trị nguyên, dương và λ là bước sóng của tia tới. Biểu thức (2.1) đúng với nhiễu xạ điện tử, nhiễu xạ nơtron. Cấu trúc tinh thể của vật liệu trong luận án được xác định bằng thiết bị nhiễu xạ tia X trên thiết bị Equinox 5000 tại Viện Khoa học vật liệu (hình 2.17) và Hệ đo D8 Advanced Bruker (Đức) tại Viện hóa học, VHLKH&CN VN. 54 Hình 2. 17. Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 2.2.4. Phương pháp quang phổ huỳnh quang Huỳnh quang (luminescence) của vật liệu là hiện tượng phát bức xạ (không kể bức xạ của vật đen tuyệt đối) khi vật liệu nhận các tác nhân kích thích từ bên ngoài (điện, quang, nhiệt cũng như các loại bức xạ khác). Khi tác nhân kích thích: là dòng điện tử ta có cơ chế điện huỳnh quang (electro-luminescence); là các nguồn bức xạ quang photon ta có cơ chế quang huỳnh quang (photoluminescence); là nhiệt ta có cơ chế nhiệt huỳnh quang (thermoluminescence); là dòng điện tử ca tốt ta có cơ chế huỳnh quang ca tốt (cathodoluminescence) Quang huỳnh quang là phương pháp kích thích trực tiếp các tâm phát quang bằng các photon phát ra từ nguồn sáng kích thích. Khi khảo sát quang huỳnh quang, nguồn ánh sáng kích thích thường được dùng là các loại đèn phổ rộng (đèn thủy ngân, đèn Xenon, đèn Halogen) hoặc các nguồn bức xạ mạnh có độ lọc lựa cao như laser. Cơ chế phát huỳnh quang được mô tả trên hình 2.18. Khi nguyên tử nhận năng lượng từ photon kích thích, chúng chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, đồng nghĩa với việc điện tử chuyển dời từ mức năng lượng cơ bản lên mức năng lượng kích thích. Ở trạng thái không bền này, điện tử sẽ có xu hướng chuyển dời xuống các mức năng lượng thấp hơn theo hai cách: (i) cách thứ nhất điện tử chuyển dời về mức năng lượng cơ bản giải phóng năng lượng trực tiếp sinh ra photon (quá trình phát huỳnh quang - fluorescence); (ii) cách thứ hai điện từ truyền năng lượng cho các điện tử lân cận hay mạng tinh thể (sinh ra phonon) và 55 chuyển về mức năng lượng trung gian sau đó mới chuyển dời về trạng thái cơ bản giải phóng photon sinh ra huỳnh quang (quá trình “lân quang” phosphorescence). Hình 2. 18. Cơ chế tạo huỳnh quang Nghiên cứu phổ huỳnh quang của các vật liệu thường sử dụng hai phương pháp phổ huỳnh quang chính như sau: • Phổ quang huỳnh quang (Photoluminescence - PL): là kết quả của phép đo phổ cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng phát xạ của vật liệu dưới sự kích thích quang của một nguồn sáng ở một vùng bước sóng cố định. Kết quả đo phổ huỳnh quang cho phép phân tích các chuyển dời quang học trong vật liệu khi điện tử chuyển từ các mức năng lượng cao về mức cơ bản • Phổ kích thích huỳnh quang (Photoluminescence Excitation - PLE): là kết quả của phép đo cường độ huỳnh quang phát ra tại một vùng bước sóng xác định phụ thuộc vào bước sóng của nguồn sáng kích thích huỳnh quang (thông thường được thay đổi trong một dải nhất định). Kết quả phép đo phổ kích thích huỳnh quang cung cấp thông tin về vùng bước sóng nhạy huỳnh quang của vật liệu hay nói cách khác giúp nghiên cứu tìm ra vùng bước sóng kích thích cho hiệu suất huỳnh quang tối ưu tại vùng bước sóng phát xạ của vật liệu. 56 Hình 2. 19. Sơ đồ hệ đo phổ huỳnh quang và phổ huỳnh quang kích thích của hệ Fluorolof FL3-2-2 tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ huỳnh quang và huỳnh kích thích được chỉ ra trong hình 2.19. Bức xạ từ nguồn sáng dải rộng đi qua hệ thống cách tử kép để chọn lọc bước sóng kích thích. Sau đó bức xạ đã được lọc lựa bước sóng sẽ tới mẫu đặt trong buồng đo, kích thích vật liệu phát huỳnh quang. Cường độ huỳnh quang thu được từ mẫu sẽ được đưa sang máy đơn sắc và đầu thu để ghi phổ. Toàn bộ hệ đo được điều khiển bằng máy tính cho phép thu nhận phổ PL và PLE tự động hoàn toàn. Trong trường hợp đo phổ huỳnh quang (PL), bước sóng kích thích được giữa cố định trong quá trình ghi phổ cường độ phát huỳnh quang phụ thuộc bước sóng. Trong trường hợp đo phổ kích thích huỳnh quang (PLE), bước sóng thu cường độ phát huỳnh quang được giữ cố định bởi máy đơn sắc trong khi bước sóng kích thích được thay đổi bởi hệ nguồn kích thích đơn sắc trong quá trình ghi phổ. Trong một số hệ đo phổ huỳnh quang độc lập chỉ có chức năng đo huỳnh quang, nguồn sáng kích thích được thay thế là các nguồn sáng có vùng bước sóng kích thích cố định (các laser hoặc nguồn đèn có sử dụng kính lọc sắc). Trong nghiên cứu này, phổ phát quang của vật liệu được đo trên hệ đo quang huỳnh quang độc lập sử dụng đơn sắc kế iHR550 bước sóng kích thích 355 nm, phổ kế Acton SP2300i nguồn kích là laser Cd-He với sóng kích thích 325 nm tại Viện 57 Khoa học vật liệu và đo trên hệ đo quang (cả PL và PLE) Horiba (Mỹ) tại Viện Tiên Tiến Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách Khoa Hà Nội và Fluorolof FL3-2- 2Horiba (Mỹ) tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng (hình 2.20). Phổ kích thích huỳnh quang được khảo sát trên hệ đo Horiba (Mỹ) bao gồm: Bàn quang học, ba bộ tán sắc bao gồm 2 bộ tán sắc ánh sáng phát ra từ mẫu, 01 bộ tán sắc cho đèn Xenon, đèn Xenon, 01 CCD, 01 IAG, 02 PMT detector, bộ phận đo thời gian sống hạt tải, 05 Nano LED và kính lọc bước sóng các loại với dải đo hấp thụ huỳnh quang từ 250 nm đến 750 nm tại Viện Tiên Tiến Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách Khoa Hà Nội và hệ đo Fluorolof FL3-2-2 Horiba (Mỹ) tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng sử dụng nguồn đèn Xenon 450W, có kích thích cách tử đơn sắc, bộ đơn sắc phát xạ kép, khe tự động và máy thu R928P nhiệt độ phòng. Hình 2. 20. Hệ đo Fluorolof FL3-2-2 thực tế tại Đại học Duy Tân Đà Nẵng. 2.2.5. Phương pháp quang phổ hồng ngoại Phương pháp phân tích theo quang phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử) đó là cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi nhiều phương pháp tính toán phức tạp. Các số liệu ghi nhận được từ quang phổ hồng ngoại cung cấp rất nhiều thông tin về chất nghiên cứu, chẳng hạn như nhận biết và đồng 58 nhất các chất, xác định cấu trúc phân tử, nghiên cứu động học phản ứng, xác định độ tinh khiết, suy đoán về tính đối xứng của phân tử, phân tích định lượng. Nguyên tắc của phép đo phổ FT-IR: khi chiếu một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại qua chất phân tích, mẫu có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại, một phần năng lượng bị mẫu hấp thụ làm giảm cường độ của tia tới. Các phân tử hấp thụ năng lượng sẽ thực hiện dao động với nhiều tần số khác nhau, làm độ dài liên kết và các góc hoá trị cũng tăng giảm tuần hoàn. Những dao động làm biến đổi mô men lưỡng cực điện của liên kết mới. Mỗi nhóm chức hoặc liên kết có một tần số (bước sóng) đặc trưng thể hiện bằng các đỉnh trên phổ hồng ngoại, căn cứ vào các tần số đặc trưng này có thể xác định được các liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử, từ đó xác định được cấu trúc của chất phân tích. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử của hợp chất, có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng. Người ta thường phân chia làm ba miền gồm miền hồng ngoại trung bình, miền hồng ngoại gần và miền hồng ngoại xa, mỗi miền được dùng để nghiên cứu các kiểu dao động ứng với các liên kết khác nhau. Miền hồng ngoại trung bình: là miền có số sóng nằm trong khoảng 4000 ÷ 400 cm-1. Vùng này thường bao gắn với các dao động của các liên kết O-H, C-H, N-H (4000 ÷ 2500 cm-1); các liên kết ba C≡C, C≡N (2500 ÷ 2000 cm-1); cá