Luận án Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi / vỏ silica / vàng định hướng ứng dụng trong y sinh

LỜI CAM ĐOAN . ii

LỜI CẢM ƠN . iii

MỤC LỤC. iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN. viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ . xii

MỞ ĐẦU.1

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN.9

1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại.9

1.1.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance -

SPR) .10

1.1.2. Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt .11

1.1.3. Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng.16

1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu .17

1.1.3.2. Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans .19

1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi /vỏ silica/vàng (SiO2/Au) .23

1.2. Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano vàng.27

1.2.1. Phương pháp nuôi mầm .28

1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phương pháp nuôi mầm.29

1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch .31

1.2.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu .34

1.2.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ - SiO2/Au .37

1.2.4. Chế tạo thanh nano vàng .39

1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học .43

1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt.45

1.4. Các phương pháp đo đạc.48

1.4.1.1. Phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .48

1.4.1.2. Nhiễu xạ tia X (XRD) .49

pdf175 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 80 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi / vỏ silica / vàng định hướng ứng dụng trong y sinh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
bố kích thƣớc theo số hạt (Size distribution by Number) đƣợc thể hiện trên đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của số hạt theo kích thƣớc. Độ đơn phân tán là một thông số quan trọng của các hạt nano dạng huyền phù (colloidal) đƣợc phản ánh qua giá trị PdI (Polydispertion Index) trong phép đo DLS. Khi chỉ số PdI dƣới 0.1 các hạt đƣợc coi là có độ phân tán tốt, không có hiện tƣợng kết đám. Khi chỉ số PdI trên 0.5 trong dung dịch bắt đầu có hiện tƣợng tụ đám của các hạt. Khi PdI có giá trị trong khoảng 0.1-0.5 thì tồn tại cả hai hiện tƣợng trên. Thế zeta (zeta potential) 52 Thế zeta (ξ) là đại lƣợng đặc trƣng cho sự ổn định của hệ phân tán các hạt rắn trong chất lỏng (còn gọi là hệ keo). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp thụ những ion có điện tích trái dấu từ trong dung dịch để tạo thành một lớp điện tích bao quanh hạt. Những ion trên lớp điện tích này lại hấp thụ các ion trái dấu với chúng trong dung hình thành nên một lớp điện tích kép: lớp trong (lớp Sterm) gồm các ion liên kết mạnh với bề mặt hạt và lớp ngoài (lớp khuếch tán) liên kết yếu hơn với bề mặt hạt. Thế zeta đƣợc đo bằng cách áp đặt một điện trƣờng qua hệ phân tán, dƣới tác dụng của điện trƣờng, các hạt trong hệ sẽ di chuyển theo chiều nhất định với vận tốc tỷ lệ với độ lớn của thế zeta. Giá trị của thế zeta phụ thuộc vào nhiều yếu tố tác động bao gồm : độ pH, độ dẫn điện của môi trƣờng và các thành phần trong hệ. Hình 1.26. Sự biến thiên của thế zeta theo giá trị pH của môi trường pH của môi trƣờng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến thế zeta. Nếu pH của dung dịch tăng (pH > 5), hệ sẽ có thế zeta âm hơn, còn nếu pH của dung dịch giảm (pH < 5), thế zeta sẽ dƣơng. Do đó, sẽ tồn tại pH của môi trƣờng mà hệ keo không ổn định, và có một điểm mà thế zeta bằng không, tại đó hệ keo kém ổn định nhất (điểm đó gọi là điểm đẳng điện). Nói cách khác thì hệ keo càng ổn định khi thế zeta của hệ xa điểm đẳng điện nhất (ξ có giá trị gần 30mV). Chỉ số PdI và thế zeta của các dung dịch đƣợc đo trên máy Zetasizer (Nano- ZS; Malvern Instruments, Malvern, UK). 53 1.4.4. Các phương pháp xác định tính chất quang 1.4.4.1. Phổ hấp thụ UV-Vis Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (Ultra violet - Visible) là phƣơng pháp phân tích hiện đại đƣợc áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm và hoá học. Phƣơng pháp cho kết quả phân tích nhanh với độ chính xác cao. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer: A = - lgT = lg (I0/It) = εbC với T = It/I0 Trong đó: T là độ truyền qua của môi trƣờng, I0 là cƣờng độ của chùm tia chiếu tới mẫu, It là cƣờng độ của chùm tia truyền qua môi trƣờng. Đại lƣợng lg(I0/It) gọi là mật độ quang (OD) hay độ hấp thụ (A),  là hệ số hấp thụ mol có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ C bằng một đơn vị và độ dày chất hấp thụ b bằng một đơn vị. Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bƣớc sóng khác nhau. Đối với các dung dịch nano kim loại nói chung và nano vàng nói riêng thì việc phân tích phổ hấp thụ UV-Vis (hay còn gọi là phổ hấp thụ plasmon) cho các thông tin quan trọng về tính chất quang của chúng. Hình 1.27. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis 54 Hình 1.27 là sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis. Thông thƣờng ta quan tâm tới độ truyền qua T. Đôi khi ngƣời ta quan tâm tới độ hấp thụ A. Phổ hấp thụ của các mẫu trong luận án đƣợc đo trên thiết bị SHIMADZU- UV-2600 tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 1.4.4.2. Kính hiển vi trường tối Kính hiển vi trƣờng tối thƣờng đƣợc sử dụng để quan sát những vật liệu có bề mặt mẫu có màu sắc không rõ ràng, khó phân biệt với môi trƣờng bằng cách tạo sự tƣơng phản rõ nét giữa ảnh của vật trên nền tối để nâng cao khả năng quan sát của mắt ngƣời hay của camera. Kính hiển vi trƣờng tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị khúc xạ hay tán xạ mạnh. Nguyên lý cấu tạo Hình 1.28. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi trường tối Chùm ánh sáng từ nguồn tới màn chắn sáng trung tâm đƣợc chặn lại bởi tấm chắn sáng để tạo nền đen trong trƣờng nhìn. Ánh sáng vòng ngoài đi qua màn chắn tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng này đƣợc hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Trong trƣờng nhìn, ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên một nền tối. Với nguyên lý này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu. 55 Chƣơng 2 CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP NUÔI MẦM 2.1. Nguyên liệu hóa chất Các hóa chất đƣợc sử dụng để chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu đƣợc liệt kê trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo hạt nano vàng dạng cầu. TT Tên hóa chất Công thức phân tử Xuất xứ 1 Tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride: 80% (THPC) [(CH2OH)4P]Cl Sigma- Aldrich 2 Chloroauric acid: 99% HAuCl4 Merck 3 Sodium hydroxide: 99% NaOH Merck 4 Tri sodium citrate: 99% Na3C6H5O7 Merck 5 Kali cacbonat: > 99% K2CO3 Merck 6 Dung dịch Formaldehyde (Axitfomic): 37-38% HCHO Merck 7 Nƣớc cất hai lần và nƣớc khử ion H2O Mini- Q 2.2. Chế tạo hạt vàng kích thƣớc nhỏ - vàng Duff-Baiker Các hạt nano vàng với các dải kích thƣớc khác nhau đƣợc sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn nhƣ các hạt nano vàng nhỏ vài nanomet thƣờng đƣợc sử dụng để làm các chất xúc tác hoặc để dẫn truyền gen. Trong nghiên cứu này, các hạt vàng kích thƣớc 1-3 nm đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp của Duff- 56 Baiker [6]. Ngoài việc sử dụng vào các ứng dụng trên, các hạt nano vàng nhỏ còn đƣợc sử dụng với hai mục đích: i) làm hạt mầm trong bƣớc nuôi đầu tiên để tổng hợp nên các hạt vàng cầu có kích thƣớc lớn hơn; ii) sử dụng làm mầm để gắn lên hạt lõi silica tạo hạt silica-mầm trong chế tạo nano vàng cấu trúc lõi silica/vỏ vàng. Việc tổng hợp các hạt vàng nhỏ đã đƣợc chúng tôi trình bày chi tiết trong luận văn thạc sỹ năm 2011 [126] và đƣợc trình bày ngắn gọn trong luận án này. 2.2.1. Quá trình chế tạo Quy trình tạo hạt nano vàng dạng cầu kích thƣớc 1-3 nm theo phƣơng pháp Duff-Baiker đƣợc biểu diễn theo sơ đồ dƣới đây: Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng tạo hạt vàng theo phương pháp Duff-Baiker Các hạt nano vàng đƣợc hình thành theo cơ chế khử hóa học với chất khử là HCHO đƣợc tạo ra từ phản ứng của THPC với NaOH. HCHO khử các ion Au3+ trong muối vàng HAuCl4 thành các nguyên tử Au 0. Các nguyên tử này kết hợp với nhau theo cơ chế La Mer để hình thành các hạt nano vàng. Với sự có mặt của chất ổn định citrate, các hạt nano vàng tạo ra có các nhóm chức bề mặt nhƣ –OH, -COO. Quy trình trên đƣợc cụ thể hóa bằng các bƣớc nhƣ sau: 57 - Bước 1: đƣa 0.5 ml dung dịch THPC 0.047 M vào trong bình phản ứng chứa 22.5 ml dung dịch trisodium citrate 0.67% - Bước 2: đƣa 200µl dung dịch NaOH 1 M vào bình phản ứng. THPC phản ứng với NaOH tạo ra HCHO theo phƣơng trình sau [104]. [P(CH2OH)4]Cl + NaOH = P(CH2OH)3 + H2O + HCHO + NaCl (2.1) Phản ứng này tạo ra các phân tử aldehyde formic HCHO dùng cho việc khử muối vàng thành các nguyên tử vàng. - Bước 3: đƣa 1 mL HAuCl4 0.025M vào bình phản ứng trên. Phản ứng khử muối vàng hình thành nên các nguyên tử vàng xảy ra theo (2.2) HAuCl4 +2 HCHO + 2 H2O = Au 0 + 2 HCOOH + 4 HCl + ½ H2 (2.2) Đồng thời NaOH trong dung dịch sẽ trung hòa các axit sinh ra theo phản ứng 2.3; 2.4 NaOH + HCl=NaCl + H2O (2.3) NaOH + HCOOH =HCOONa + H2O (2.4) Quá trình phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ phòng khuấy từ với tốc độ 800 vòng/phút. Sau khi phản ứng kết thúc dung dịch nhận đƣợc có mầu nâu coca-cola chứa các hạt nano vàng (gọi là các hạt vàng Duff-Baiker). Các hạt vàng này đƣợc kiểm tra kích thƣớc bằng ảnh TEM và khảo sát đặc tính quang bằng phổ hấp thụ UV – Vis [126]. 2.2.2. Hình thái và tính chất quang Hình 2.2 là ảnh TEM và phổ hấp thụ của các dung dịch hạt vàng Duff-Baiker sau khi chế tạo. 58 300 400 500 600 700 0 2 4 6 B-íc sãng(nm) § é h Ê p t h ô Hình 2.2. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm(trái) và phổ hấp thụ plasmon của chúng(phải). Ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng đƣợc hình thành với kích thƣớc trung bình cỡ 2 nm. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt có đặc trƣng của các hạt nano vàng nhỏ (dƣới 10 nm): phổ rộng với đỉnh cộng hƣởng nằm trong dải bƣớc sóng 505 nm – 510 nm. Để biết đƣợc thời điểm thích hợp sử dụng các hạt nano vàng này cho quá trình tổng hợp hạt vàng dạng cầu kích thƣớc lớn hơn hay cho quá trình chế tạo các cấu trúc lõi/vỏ, chúng tôi khảo sát sự phát triển của hạt theo thời gian bảo quản. Dung dịch hạt đƣợc bảo quản trong hai điều kiện khác nhau: ở nhiệt độ phòng và ở 4 0 C. Hình 2.3 là ảnh TEM của mẫu đƣợc bảo quản ở 40C (2.3a) và mẫu đƣợc bảo quản tại nhiệt độ phòng (2.3b). Kết quả cho thấy có sự khác biệt rất lớn về sự phát triển của các hạt trong dung dịch khi đƣợc bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau: kích thƣớc hạt của mẫu bảo quản ở 40C sau 21 ngày gần nhƣ không biến đổi so với mẫu sau 1 ngày chế tạo; mẫu để ở nhiệt độ phòng thì có sự phát triển kích thƣớc nhanh hơn, có thể đạt đến 5-7 nm, phân bố kích thƣớc trở nên rộng hơn và có cả hiện tƣợng tụ đám. Điều này có thể lý giải nhƣ sau: trong dung dịch, các hạt keo luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn, nhiệt độ càng cao các hạt chuyển động càng nhanh nên xác suất chúng gặp nhau, va chạm vào nhau và kết tụ lại với nhau là lớn hơn so với ở nhiệt độ thấp. 59 Hình 2.3. Ảnh TEM của hạt vàng Duff-Baiker sau 21 ngày bảo quản ở 40C (ảnh a) và bảo quản ở nhiệt độ phòng (ảnh b), thang đo 20 nm. Nhƣ chúng ta đã biết yêu cầu khắt khe của phƣơng pháp nuôi mầm là đòi hỏi chất lƣợng của mầm đầu vào đồng đều đơn phân tán vì vậy chúng tôi sẽ bảo quản hạt vàng Duff-Baiker ở 40C để làm hạt mầm chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu kích thƣớc lớn hơn hoặc gắn kết lên trên các hạt silica để tạo hạt silica -mầm cho quá trình hình thành hạt nano cấu trúc lõi silica/vỏ vàng. 2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm Các hạt với kích thƣớc biến thiên trong dải rộng từ vài nanomet đến vài trăm nanomet đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp nuôi mầm qua nhiều bƣớc nuôi theo quy trình đƣợc trình bày trong sơ đồ hình 2.4. Các hạt mầm vàng đƣợc đƣa vào trong dung dịch nuôi sau đó đƣa HCHO vào để quá trình khử xảy ra tạo ra các nguyên tử vàng Au0. Các nguyên tử Au0 này hấp phụ trên các hạt mầm theo cơ chế La Mer để tạo thành các hạt lớn hơn. Sản phẩm của bƣớc nuôi trƣớc có thể sử dụng làm mầm cho các bƣớc nuôi tiếp theo để đạt đƣợc sản phẩm mới có kích thƣớc lớn hơn. a b 60 Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi mầm qua nhiều bước nuôi Quá trình nuôi đƣợc tiến hành liên tiếp qua các bƣớc nuôi với nguyên tắc là sản phẩm của bƣớc nuôi trƣớc đƣợc sử dụng để làm mầm cho bƣớc nuôi tiếp theo. Kích thƣớc hạt nano vàng lớn lên sau mỗi bƣớc nuôi. Chúng tôi đƣa ra công thức tính kích thƣớc của sản phẩm sau mỗi bƣớc nuôi dựa trên kích thƣớc hạt mầm, nồng độ của các ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ của hạt mầm. (2.1) Trong đó, di-1, di lần lƣợt là đƣờng kính của hạt mầm và của hạt nano vàng sau bƣớc nuôi thứ i; Vdung dịch nuôi , Vmầm lần lƣợt là thể tích của dung dịch nuôi và của dung dịch mầm đƣợc sử dụng trong một bƣớc nuôi, n là tỉ số nồng độ của Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt mầm trong dung dịch mầm. Điều này cho thấy rằng ta hoàn toàn có thể điều khiển đƣợc kích thƣớc và nồng độ hạt bằng cách thay đổi thể tích của dung dịch nuôi, dung dịch mầm và tỉ số nồng độ n. Tuy nhiên, hạt mầm chỉ có thể phát triển một cách đồng nhất và đạt đƣợc kích thƣớc nhƣ mong muốn khi có dung dịch nuôi và nồng độ mầm thích hợp. 61 2.3.1. Dung dịch nuôi 2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi Các hạt mầm phát triển trong dung dịch nuôi bằng cách hấp phụ các nguyên tử Au0 sinh ra trong dung dịch. Tuy nhiên để các hạt mầm có thể phát triển một cách đồng nhất thì nồng độ các nguyên tử Au0 trong dung dịch phải đƣợc kiểm soát. Mặt khác, tốc độ hình thành các nguyên tử Au0 phụ thuộc vào pH của dung dịch. Vì vậy, chúng tôi sử dụng K2CO3 với các lƣợng khác nhau để điều khiển pH dung dịch nuôi. Dung dịch nuôi là các dung dịch vàng hydroxyde đƣợc tạo thành khi cho K2CO3 vào trong dung dịch HAuCl4 để tạo thành các phức ion vàng. Các phản ứng hóa học xảy ra theo các phƣơng trình sau: K2CO3 + H2O = HCO3 - +2K + + OH - (2.5) Khi đƣa dung dịch muối vàng HAuCl4 vào dung dịch K2CO3, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà các phức ion vàng khác nhau đƣợc tạo ra theo phƣơng trình: HAuCl4+ (4-x)OH - = [AuClx(OH)4-x] - +(4-x) Cl - , x= 0-4 (2.6) Dung dịch K2CO3 đƣợc đƣa vào bình phản ứng chứa dung dịch HAuCl4, dung dịch đƣợc khuấy từ trong khoảng 2h, sau đó bảo quản ở 40C trong ít nhất hai ngày để cho quá trình phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khi đó pH của dung dịch không thay đổi. Khi đƣa chất khử HCHO vào dung dịch nuôi này các phức ion vàng này sẽ bị khử bởi HCHO để hình thành nên các phần tử nuôi là các nguyên tử Au0 theo phƣơng trình sau: 2[AuClx(OH)4-x] - + (4-x)HCHO 2Au0 + 2xCl- +(4-x)HCOOH +(4-x)H2O (2.7) Tốc độ của phản ứng khử (2.7) phụ thuộc mạnh vào pH của dung dịch vàng hydroxyde tức là sự cạnh tranh của các ion Cl- với các ion OH- trong phức hệ [AuClx(OH)4-x] - phụ thuộc vào pH của dung dịch vàng hydroxyde. Theo các nghiên cứu trƣớc đây, thì pH tối ƣu cho việc phản ứng này nằm trong khoảng 9.0-9.5 [69]. 62 2.3.1.2. Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde Để khảo sát ảnh hƣởng của pH đến tốc độ phản ứng khử trong dung dịch nuôi, chúng tôi đã chuẩn bị một dãy dung dịch vàng hydroxyde với các giá trị pH từ 4.5- 11.5. Hình 2.5 trình bày phổ hấp thụ của các dung dịch vàng hydroxyde có pH khác nhau sau 5 phút phản ứng khử xảy ra. Hình 2.5. Phổ hấp thụ của các dung dịch nuôi có các giá trị pH khác nhau sau 5 phút phản ứng khử Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại 200-300nm chủ yếu là do đóng góp của các phức ion vàng [69]. Cƣờng độ phổ liên quan đến tốc độ tiêu thụ của các phức ion vàng trong dung dịch hay nói cách khác nó cho biết tốc độ phản ứng khử cũng nhƣ tốc độ hình thành các nguyên tử vàng trong dung dịch. Với pH 9,7 thì cƣờng độ hấp thụ rất cao, trong khi với dung dịch 8.3<pH<9.4 thì độ hấp thụ lại thấp hơn hẳn. Điều này cho thấy nồng độ của các phức ion vàng trong dung dịch pH 9,7 sau 5 phút đầu của phản ứng là rất nhiều, chứng tỏ tốc độ phản ứng khử xảy ra chậm trong các dung dịch vàng hydroxyde với các giá trị pH này và xảy ra nhanh hơn trong các dung dịch có pH trong khoảng từ 8.3 đến 9.4. Vì 63 vậy, chúng tôi chọn sử dụng dung dịch vàng hydroxyde có độ pH 9.4 để làm dung dịch nuôi mầm. 2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm Để khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm đến quá trình kiểm soát sự phát triển của các hạt nano vàng, chúng tôi đã sử dụng loại hạt mầm là hạt vàng citrate [128], có kích thƣớc là 19 nm, OD =1 tƣơng ứng với mật độ hạt là 5*1011 hạt/ml. Dung dịch hạt vàng mầm citrate gốc với OD =1 đƣợc pha với nƣớc khử ion để tạo thành các dung dịch có nồng độ hạt vàng mầm khác nhau nhƣng thể tích đƣợc giữ cố định là 2 ml. Thể tích của dung dịch nuôi là 6ml, thể tích chất khử HCHO là 3µl. Các tỷ lệ [Au+3dịchnuôi]/[Aumầm] cũng nhƣ mật độ của hạt mầm tƣơng ứng đƣợc trình bày trong bảng 2.2. Bảng 2.2. Các thông số thí nghiệm khảo sát sự phát triển của hạt khi nồng độ mầm thay đổi. Kí hiệu mẫu Mật độ hạt mầm vàng citrate (hạt/ml) Thể tích dung dịch nuôi (ml) Thể tích HCHO 37% (µl) Tỷ lệ [Au3+] trong dịch nuôi/[Au] mầm 1 5*10 11 6 3 3,5 2 2,5 * 10 11 6 3 7,5 3 1,5*10 11 6 3 12,5 4 9*10 10 6 3 20,8 Kích thƣớc trung bình và hình dạng của các hạt sau một bƣớc nuôi đƣợc quan sát bằng ảnh TEM. 64 Hình 2.6. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d = 30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm. Kết quả ảnh TEM trình bày trên hình 2.6 cho thấy khi nồng độ hạt mầm trong dung dịch nuôi càng giảm thì kích thƣớc hạt càng tăng. Theo tính toán (công thức 2.1), khi quá trình nuôi kết thúc hoàn toàn thì kích thƣớc các hạt nano vàng nhận đƣợc tƣơng ứng với bốn tỉ lệ [Au3+]/[Aumầm] sẽ là 29 nm; 37 nm; 44 nm; 52 nm. Có thể nhận thấy, kích thƣớc trung bình của các hạt thu đƣợc từ ảnh TEM tƣơng đối khớp với các giá trị theo tính toán khi tỷ lệ [Au3+]/[Aumầm] đƣợc sử dụng dƣới 12.5. Khi tỷ lệ này lớn hơn hoặc bằng 12.5 thì trong dung dịch xuất hiện thêm các hạt nhân mới bên cạnh các hạt mầm (hình 2.6 - mẫu 3), hoặc các hạt đƣợc tạo ra không còn dạng cầu nữa, kích thƣớc các hạt nano vàng thu đƣợc lớn hơn giá trị ƣớc tính khoảng 13 nm (hình 2.6 – mẫu 4). Điều này có thể đƣợc giải thích theo cơ chế LaMer [109]: khi nồng độ monomer trong dung dịch lớn là điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành hạt nhân, do đó trong dung dịch sẽ xuất hiện thêm các hạt nhỏ bên cạnh các hạt mầm, và kéo theo đó là sự kết tụ của chúng trên bề mặt các hạt lớn một cách không đồng nhất, hình thành các hạt không có dạng cầu. Vì vậy việc phát triển các hạt dạng cầu kích thƣớc khác nhau từ một loại hạt mầm có kích thƣớc cố định ban đầu sẽ bị giới hạn đến một kích thƣớc nhất định. Tỷ lệ [Au3+]/[Aumầm] càng lớn thì hạt nhận đƣợc càng mất đi tính đối xứng cầu. Tỷ lệ khuyến cáo nên dùng nhỏ hơn 12.5. Trong các công bố trƣớc đây tỷ lệ này đƣợc khuyến cáo nên dùng ≤ 8 hay nói cách khác một bƣớc nuôi không nên tăng đƣờng kính lên quá 2 lần đƣờng kính hạt mầm ban đầu [99]. 65 2.3.3. Điều khiển kích thước hạt nano vàng lên tới 200 nm Trên cơ sở khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ nồng độ Au3+ trong dung dịch vàng hydroxyde và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm [Au3+]/[Aumầm], chúng tôi tiến hành tổng hợp các hạt nano vàng dạng cầu có kích thƣớc điều khiển đƣợc qua nhiều bƣớc nuôi mầm. Với mục đích điều khiển kích thƣớc hạt trong một khoảng rộng từ 3 nm tới 200 nm, chúng tôi xuất phát từ một mầm vàng có đƣờng kính nhỏ 1-3 nm - hạt vàng Duff-Baiker. Vì hạt vàng Duff-Baiker có độ đồng đều không cao nên các hạt vàng này chỉ đƣợc sử dụng để tạo các hạt có kích thƣớc nhỏ dƣới 15 nm. Để đạt đƣợc các hạt đƣờng kính từ 15 nm -200 nm chúng tôi sẽ sử dụng các hạt vàng citrate [128] làm mầm ban đầu. Quá trình nuôi đƣợc tiến hành theo sơ đồ 2.4: một lƣợng dung dịch hạt mầm đƣợc cho vào một thể tích dung dịch vàng hydroxyde, sau đó thêm vào một lƣợng dung dịch HCHO. Hỗn hợp đƣợc khuấy từ ở nhiệt độ phòng khoảng 30 phút để quá trình nuôi xảy ra hoàn toàn. 2.3.3.1. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng Duff-Baiker Các hạt vàng Duff-Baiker đƣợc sử dụng làm hạt mầm ban đầu cho các bƣớc nuôi với mong muốn phát triển kích thƣớc của hạt đến khoảng 15 nm. Lƣợng các chất phản ứng đƣợc cho trong bảng 2.3, trong đó dung dịch nuôi và tỉ lệ nồng độ giữa Au3+ và nồng độ mầm [Au3+]/[Aumầm] đƣợc chọn phù hợp cho việc phát triển hạt mầm vàng nhƣ đã xác định trong phần trên, ở đây chúng tôi sẽ sử dụng tỷ lệ này nhỏ dƣới 8. Bảng 2.3. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 4 bước nuôi sử dụng hạt mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker. Lượng chất khử HCHO 37% trong mỗi bước giữ không đổi 3µl. Bƣớc nuôi 1 2 3 4 Dung dịch nuôi (ml) 6 6 6 6 Dung dịch mầm (ml) 4 8 8 12 66 Trong bƣớc 1, hạt mầm đƣợc sử dụng là hạt vàng Duff-Baiker đƣợc tạo ra trong phần 2.2, các bƣớc tiếp theo đƣợc tiến hành với nguyên tắc là sử dụng hạt tạo ra từ bƣớc ngay trƣớc đó làm hạt mầm để phát triển kích thƣớc ở bƣớc tiếp theo. Hình thái và kích thƣớc các hạt đƣợc phản ánh qua ảnh TEM (hình 2.7). Sau mỗi bƣớc nuôi kích thƣớc trung bình của các hạt tăng lên. Tuy nhiên, có thể thấy đƣợc trên ảnh TEM khi các hạt lớn lên thì phân bố kích thƣớc cũng trở nên rộng hơn. Hình 2.7. Ảnh TEM của hạt vàng mầm và sản phẩm của 4 bước nuôi. Thang đo 100nm Sự tăng về kích thƣớc hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc thấy rõ qua các số liệu trong bảng 2.4 thông qua hai phép đo TEM và DLS. Chỉ số PdI trình bày trong bảng 2.4 cho thấy các hạt mầm và các hạt sản phẩm của bƣớc nuôi đầu tiên phân tán khá tốt trong dung dịch (chỉ số PdI <0.1), còn các hạt sản phẩm của các bƣớc sau có chỉ số PdI cao (> 0.1) và đa phân tán về kích thƣớc. Nhƣ vậy, để tổng hợp đƣợc các hạt nano vàng dạng cầu có kích thƣớc đồng đều từ hạt vàng Duff-Baiker thì rất khó. Điều này là do các hạt mầm ban đầu có kích thƣớc phân bố trong khoảng từ 1-3 nm, vì vậy dùng chúng để làm mầm thì ở các bƣớc nuôi sau các hạt trong dung dịch sẽ phát triển không đồng đều dẫn đến sự đa dạng về kích thƣớc hạt. 67 Bảng 2.4. Kích thước và chỉ số PdI của các dung dịch nano vàng nhận được từ mầm Duff-Baiker sau các bước nuôi Bƣớc nuôi Đƣờng kính TEM (nm) Đƣờng kính thủy động học (nm) PdI 0 2 2.5 0.035 1 4 5.0 0.085 2 6 8.4 Không đo 3 8 11.0 0.253 4 10 18.4 Không đo Vì vậy, với mong muốn tổng hợp đƣợc các hạt nano vàng dạng cầu có kích thƣớc biến thiên trong dải rộng để đa dạng hóa các ứng dụng của chúng, chúng tôi đã sử dụng mầm ban đầu là một loại hạt nano vàng có kích thƣớc đồng đều hơn – hạt vàng citrate đƣợc làm theo phƣơng pháp của Turkevich [20,128]. 2.3.3.2. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate Hình 2.8 là ảnh TEM và phân bố kích thƣớc của hạt vàng citrate đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp Turkevich [128]. Các hạt tƣơng đối đồng đều về hình dạng và kích thƣớc: đƣờng kính hạt nano vàng 19nm ±1 nm chiếm 82%. Các hạt nano vàng này sẽ đƣợc sử dụng làm hạt mầm ban đầu để tổng hợp nên các hạt có kích thƣớc lớn hơn bằng phƣơng pháp nuôi mầm. Quá trình này cũng đƣợc thực hiện theo sơ đồ 2.4 và các bƣớc nuôi đƣợc đánh số bắt đầu từ 5 đến 22. 68 Hình 2.8. Ảnh TEM của hạt vàng citrate (a) với thang kích thước là 100 nm, phổ phân bố kích thước hạt (b) Sau mỗi bƣớc nuôi, sản phẩm tƣơng ứng đƣợc tạo thành. Các sản phẩm này đƣợc khảo sát kích thƣớc và đặc tính quang qua phổ hấp thụ plasmon của chúng. Bảng 2.5. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 18 bước nuôi từ bước 5 đến bước 22, hạt mầm ban đầu sử dụng là hạt vàng citrate. Lượng chất khử HCHO 37% trong mỗi bước giữ không đổi 3µl. Bƣớc nuôi 5 6 7 8 9 ... 22 Dung dịch nuôi (ml) 6 6 6 6 6 ... 6 Dung dịch mầm (ml) 4 8 12 16 17 ... 17 i) Hình thái, kích thước hạt Hình thái và kích thƣớc của hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc khảo sát bằng ảnh TEM. Hình 2.9 cho các đặc trƣng về hình thái, kích thƣớc của hạt nano vàng sau các bƣớc nuôi. Các hạt nano vàng đơn phân tán, tƣơng đối đồng đều về kích thƣớc và có dạng tựa cầu với các đƣờng kính tăng dần theo từng bƣớc nuôi từ kích thƣớc trung bình ban đầu của hạt mầm là 19 nm ± 1nm đến 200nm ± 10nm ở bƣớc nuôi cuối cùng. Tuy nhiên đây chƣa phải là giới hạn kích thƣớc của hạt nano vàng đƣợc 69 tạo ra từ phƣơng pháp này, nhƣng vì các kích thƣớc lớn hơn bị hạn chế về mặt ứng dụng nên chúng tôi không đề cập ở đây. Các kích thƣớc này phù hợp khá tốt với các kích thƣớc đƣợc tính theo công thức (2.1) (bảng 2.6). Hình 2.9. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu được ở các bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm. Các kết quả đo đƣờng kính thủy động học của các hạt trong các bƣớc nuôi cũng gần với các kích thƣớc đo TEM và kích thƣớc theo tính toán. Chứng tỏ các hạt thu đƣợc phân tán khá tốt trong các dung dịch. Bảng 2.6 tập hợp các thông số thu đƣợc từ ảnh TEM (đƣờng kính TEM), phép đo phân bố kích thƣớc hạt DLS (đƣờng kính thủy động học), phép đo hấp thụ (độ hấp thụ -OD, đỉnh hấp thụ ) và kích thƣớc tính toán từ công thức (2.1) 70 Bảng 2.6. Tính toán kích thước, nồng độ, và các đặc tính quang của các hạt nano vàng thu được sau các bước phát triển khác nhau Bƣớc nuôi Đỉnh cộng hƣởng plasmon lƣỡng cực (nm) Đỉnh cộng hƣởng plasmon tứ cực (nm) OD Nồng độ (ml -1 ) Đƣờng kính tính theo công thức (2.1) (nm) Đƣờng kính TEM (nm) Đƣờng kính thủy động học (nm) PdI 5 518 - 1.3 2.0*1011 25.4 25±2 28.5 0.035 7 520 - 1.4 1.1*1011 30.6 30±2 30.6 0.046 9 527 - 1.7 3.0*1010 46.9 45±2 48.4 0.058 11 547 - 1.9 0.9*1010 70,2 70±3 75.0 0.053 13 561 - 1.9 0.5*1010 85.8 85±3 90.2 0.068 14 570 - 1.8 0.4*1010 94.9 95±3 95.9 0.023 16 625 - 0.9 1.2*109 140.0 143±4 157.8 0.087 17 544 636 0.7 8.7*108 157.1 155±4 160.3 0.025 22 559 732 0.5 4.7*108 192,2 190±5 219.5 0.098 Các thông số về đỉnh cộng hƣởng plasmon và mật độ quang OD đƣợc lấy từ phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt. Nồng độ hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc xác định dựa vào nồng hạt mầm đƣa vào với giả thiết rằng số hạt mầm đƣợc nuôi bằng số hạt tạo ra sau mỗi bƣớc nuôi (nghĩa là không có hạt nhân mới tạo thành). Nồng độ của hạ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_che_tao_va_khao_sat_tinh_chat_quang_cua_c.pdf
Tài liệu liên quan