Luận án Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang nền nayf4 chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ định hướng ứng dụng trong y sinh

iểm này cho phép quá trình xét nghiệm không chịu ảnh hưởng của dịch chất mẫu có thể thực hiên với nhiều điều kiện chế tạo mẫu khác nhau. Sơ đồ mô tả ứng dụng của UCNP trong các xét nghiệm sinh học phân tích “gián đoạn” và phân tích “liên tục” được thể hiện trên Hình 1.11 và 1.12 [26]. Hình 1.11. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “gián đoạn” trên UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich”(a) và xét nghiệm cạnh tranh (b) [26] Hình 1.11 chỉ ra sơ đồ minh họa xét nghiệm sinh học “gián đoạn” dựa trên vật liệu UCNP, trong đó loại xét nghiệm “sandwich” (Hình 1.11a) đáp ứng quang tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích, còn loại xét nghiệm cạnh tranh (Hình 1.11b) đáp ứng quang tỷ lệ nghịch với nồng độ chất phân tích. Hình 1.12 mô tả sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich”. Các xét nghiệm loại này sử dụng UCNP như các 35 mức năng lượng donor và các vật liệu hấp thụ mạnh như các mức năng lượng acceptor. Các donor và acceptor được đưa lại gần bởi các chất phân tích. Analyte UCNP Flourophore Quencher NIR Ex Hình 1.12. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng cấu trúc loại “sandwich” [26] Hình 1.13 mô tả sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” sử dụng sự ức chế của các quá trình truyền năng lượng. Trên sơ đồ Hình 1.13a, Fluorophore sử dụng như năng lượng donor của UCNP ban đầu được hủy kích hoạt bởi một nhân tố dập tắt huỳnh quang liên kết qua quá trình FRET. Mối liên hệ giữa fluorophore và nhân tố dập tắt huỳnh quang có thể bị tách rời bởi chất phân tích (nói chung là một enzyme), khôi phục huỳnh quang của fluorophore. Sơ đồ Hình 1.13b, huỳnh quang của UCNP bị dập tắt bởi FRET hoặc LRET thành nhân tố dập tắt huỳnh quang, có thể được khôi phục bởi sự phân tách gây bởi chất phân tích của các nhân tố dập tắt huỳnh quang từ UCNP hoặc hạn chế của sự hấp thụ mạnh của các nhân tố dập tắt huỳnh quang. 36 Analyte UCNP Flourophore Quencher NIR Ex Hình 1.13. Sơ đồ xét nghiệm sinh học “đồng nhất” dựa trên các UCNP sử dụng sự ức chế của các quá trình truyền năng lượng [26] 1.4.3. Trị liệu quang nhiệt (Photothermal therapy PTT) Trị liệu quang nhiệt là sử dụng các phần tử hấp thụ quang để phát sinh ra nhiệt từ ánh sáng hấp thụ nhằm loại bỏ tế bào ung thư. Gần đây, trị liệu quang nhiệt tăng lên đáng kể và được coi là một giải pháp thay thế cho các phương pháp trị liệu ung thư truyền thống như phẫu thuật, xạ trị hay hóa trị liệu. Nhiều loại vật liệu nano với độ hấp thụ cao được áp dụng thành công trong ứng dụng này. Vì hệ số dập tắt của các ion Lantan nhỏ, nên khả năng biến đổi trực tiếp từ quang thành nhiệt của các UCNP nhìn chung là hạn chế. Tuy nhiên, các UCNP có thể dễ dàng kết cặp với các hạt nano plasmonic (loại hạt có hệ số “extinction” lớn và đang được sử dụng trong điều trị quang nhiệt ở một số bệnh). Thêm vào đó, các hạt nano đa chức năng hiện nay, theo nhiều tài liệu, là kết hợp các chức năng huỳnh quang chuyển đổi ngược, tính chất từ và chức năng quang nhiệt trị liệu. Các hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ cực nhỏ, tạo ra bởi quá trình tự lắp ghép từng lớp, được phủ lên bề mặt 200 nm NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ UCNP, trên đỉnh của cấu trúc này được nuôi tinh thể một lớp vỏ vàng mỏng. Lớp hạt “IONP” giữa các UCNP và vỏ vàng không những đủ khả năng (b) (a) 37 tính chất từ mà còn làm giảm các hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của các hạt vàng với các UCNP. Thêm vào đó, mục tiêu kép của trị liệu quang nhiệt đã thực hiện thành công ở cấp độ nuôi cấy tế bào. Tương tự, các hạt nano β-NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ phủ bạc cấu trúc lõi vỏ cũng đã được đưa vào thí nghiệm trị liệu quang nhiệt dưới kích thích của laser bán dẫn liên tục 980 nm. Trị liệu quang nhiệt đã được áp dụng in vitro trên các tế bào HepG2 lấy từ ung thư gan và các tế bào BCap-37 lấy từ tế bào ung thư vú, tỉ lệ tiêu diệt tối ưu đạt tới 95% với mật độ công suất chỉ là 1,5W/cm2. Công suất này thấp hơn nhiều so với trường hợp sử dụng nanoshells hoặc nanorod vàng. Thêm vào đó, bằng cách bổ sung các hạt nano CuS lên bề mặt của UCNP bọc silica, loại tác nhân nano nhiệt này không chỉ tăng hiệu quả loại bỏ tế bào ung thư mà còn tăng cường liều bức xạ cục bộ để tăng bức xạ trị liệu trong cả hai trường hợp in vitro và in vivo [12]. 1.4.4. Trị liệu quang động (photodynamic therapy PDT) Trị liệu quang động (PDT) là một điều trị lâm sàng sử dụng các loại thuốc hóa học kích hoạt quang (chất cảm quang) để sản sinh ra oxy đơn phân tử (1O2) tiêu diệt khối u. Trị liệu PDT bao gồm 3 thành phần: chất cảm quang, nguồn kích thích và mô tại vùng bệnh. Dưới ánh sáng kích thích thích hợp (thường là trong dải nhìn thấy), chất cảm quang được kích thích từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích, tại trạng thái này xảy ra sự chuyển hệ chéo sang trạng thái bội ba thời gian sống dài và tương tác với nguyên tử oxy ở lân cận sản sinh ra độc tố tế bào là oxy đơn phân tử (1O2). PDT dùng cho trị liệu ung thư tuyến tiền liệt, ung thư phổi, đầu và cổ, hoặc ung thư da. Tuy nhiên, PDT truyền thống bị giới hạn bởi độ xuyên sâu của ánh sáng sử dụng cho sự kích hoạt quang. Ánh sáng hồng ngoại gần trong “cửa sổ truyền qua quang học” (750 ÷ 1100 nm) của các mô cho phép xuyên sâu vào trong cơ thể hơn so với ánh sáng nhìn thấy vì hệ số hấp thụ và tán xạ của ánh sáng là cực tiểu trong vùng này. Điều quan trọng là UCNP có thể biến đổi hiệu quả ánh sáng hồng ngoại gần sang bước sóng vùng nhìn thấy, từ đó kích thích chất cảm quang sản sinh ra oxy đơn phân tử (1O2), do đó thích hợp cho việc áp dụng trị liệu PDT cho những khối u nằm sâu trong cơ thể. 38 Ý tưởng về PDT chuyển đổi ngược được đề cập lần đầu tiên bởi Prasad trong cuốn sách “Introduction of Biophotonics”, sau đó nhóm tác giả Zhang đã tiến hành thực nghiệm kết hợp PDT với các UCNP hiệu quả nhất NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ . Thí nghiệm này chỉ ra rằng, sau khi sử dụng các UCNP có tẩm chất nhạy quang rồi chiếu ánh sáng hồng ngoại gần, khả năng tồn tại của các tế bào ung thư bàng quang MCF-7/AZ đã giảm đi đáng kể. Hàng loạt các hệ UCNP có tẩm chất nhạy quang đã được chế tạo thông qua vệc sử dụng các ưu điểm của các quá trình FRET và LRET từ UCNP (xanh lam, xanh lá cây hay đỏ) đến chất nhạy quang với sự hấp thụ thích hợp. Ví dụ, chất nhạy quang tris-bipyridine ruthenium(II) (Ru(bpy)3 2+) có hệ số hấp thụ cực đại tại khoảng 450 nm, nó rất gần với phát xạ xanh của Tm3+. Trong ánh sáng này, các hạt nano NaYF4:Yb 3+ , Tm 3+ phát xạ xanh bọc vỏ silica chứa Ru(bpy)3 2+ sản sinh ra (1O2). Các hạt nano β-NaYF4:Yb 3+ , Er 3+ phát xạ xanh lá và các chất nhạy quang meso- tetraphenylporphine được sử dụng như một cặp tiêu diệt 75% tế bào ung thư HeLa. Thêm vào đó, trên cơ sở của các hạt UCNP phát màu đỏ, một nano-platfrom nhạy vùng hồng ngoại gần hiệu quả cũng đã được phát triển. Ba chất nhạy quang phát xạ thứ cấp phổ biến nhất bao gồm Ce6, ZnPc và MB đã được tích hợp vào các UCNP chức năng hóa α-CD nhằm tạo ra sự hiệu quá trong quá trình điều trị tế bào ung thư. Tuy nhiên, hiệu suất tích hợp chất nhạy quang trên UCNP cũng như hiệu suất huỳnh quang bao gồm cả UCNP còn thấp điều này giới hạn hiệu quả trị liệu của PDT chuyển đổi ngược. Hiệu quả của quá trình PDT chuyển đổi ngược cũng đã thể hiện trong các thí nghiệm in vivo. Hiện tại, nhóm tác giả Liu và các cộng sự đã công bố các kết quả đầu tiên làm việc trên in vivo của PDT trên cơ sở UCNP [86]. Ở đây, chất nhạy quang porphyrin dẫn xuất chlorine 6 (Ce6) được liên kết với các hạt nano β- NaYF4:Yb 3+ , Er 3+ đã được bọc PEGylated. Các UCNP-Ce6 được tiêm trực tiếp vào vị trí khối u và sau đó kích thích trực tiếp bằng laser 980 nm. Kết quả cho thấy, kích thước khối u đã bị giảm đáng kể. Tuy nhiên, điều quan trọng cho quá trình thử nghiệm PDT chuyển đổi ngược in vivo là độ lọc lựa của cặp UCNP-chất nhạy quang 39 vẫn chưa được đề cập. Sự lọc lựa khối u của cặp UCNP-chất nhạy quang có thể đạt được bằng cách thay thế các phức vào cấu trúc nano chuyển đổi ngược, trong đó phức hướng đích cho phép nồng độ tích lũy cao của phức chất UCNP-chất nhạy quang vào vùng khối u thông qua một sự nhận dạng đặc biệt của các receptor trong tế bào ung thư. Điều quan trọng là các UCNP bọc silica cấu trúc xốp (mesoporos) với một phần tử hướng đích khối u đã được phát triển, điều mà không những cho phép sự tích lũy lọc lựa cao trong khối u mà còn cho phép dung nạp một lượng lớn chất nhạy quang. Thêm vào đó, trong sự tiếp cận ngược với sự sử dụng duy nhất một chất nhạy quang, chức năng trị liệu của PDT chuyển đổi ngược được tăng cường khi sử dụng kết hợp hai loại chất cảm quang khác nhau, khi đó chúng có thể hấp thụ mạnh cả bức xạ chuyển đổi ngược của các UCNP NaYF4:Yb 3+ , Er 3+ . Sử dụng kết hợp của hai chất nhạy quang cho phép tận dụng hiệu quả năng lượng chuyển đổi ngược từ UCNP vì thế sản sinh ra hiệu suất PDT lớn hơn. Trong các nghiên cứu in vivo mặc dù đã chỉ ra rằng sự ức chế các khối u phát triển trên chuột điều trị PDT bằng cách trực tiếp tiêm các UCNP vào các khối u ác tính hoặc tiêm tĩnh mạch các UCNP liên kết với một tác nhân hướng đích vào chuột mang khối u. Điều thú vị là PDT chuyển đổi ngược được mở rộng cả sang việc loại trừ hoạt động của các vi rút, nó gợi ý cho sự tiếp cận biên pháp chống vi rút tiềm năng với các ứng dụng rất khả thi trong điều trị vi rút liên quan đến nhiễm trùng, tổn thương và ung thư [26]. 40 Kết luận chƣơng 1 Trong chương tổng quan này, một số vấn đề cơ bản nhất về vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm nói chung và vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược nói riêng đã được đề cập: - Tổng quan về vật liệu nano phát quang đã được giới thiệu, đặc biệt là những tính chất của các nano phát quang pha đất hiếm, loại vật liệu nền tảng cho các nghiên cứu phát triển của luận án đã được trình bày cụ thể. - Cơ chế phát quang chuyển đổi ngược của ion đất hiếm thông qua hấp thụ trạng thái kích thích ESA và truyền năng lượng ETU đã được phân tích kỹ. Bên cạnh đó, vật liệu nền NaYF4, các tâm kích hoạt và ion tăng nhạy trong vật liệu phát quang chuyển đổi ngược áp dụng các cơ chế nói trên cũng đã được giới thiệu. Các phân tích trình bày trong chương về vật liệu chú trọng đến cơ chế phát quang. - Các ứng dụng phong phú của vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược trong y sinh đã được trình bày tóm tắt gồm các ứng dụng trong nhận dạng sinh học, cảm biến sinh học và trị liệu. Từ đó, xác định rõ mục tiêu của luận án tập là trung nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm Er3+ và Yb3+ trên nền NaYF4 để phát triển hệ vật liệu mới thích hợp và có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. - Ngoài ra, một số phương pháp chế tạo vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm ứng dụng trong y sinh cũng đã được giới thiệu. 41 Chƣơng 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trong chương này, chúng tôi trình bày phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp các vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược nền NaYF4 và các kỹ thuật thực nghiệm để khảo sát cấu trúc, tính chất quang học và quá trình bọc vỏ, chức năng hóa, liên hợp hóa vật liệu đã tổng hợp. 2.1. Phƣơng pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ Trong các phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, phương pháp thủy nhiệt là một trong những phương pháp hóa học hiệu quả để tổng hợp vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ nm. Trong luận án chúng tôi sử dụng phương này để tổng hợp các mẫu vật liệu NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ trong đó quá trình hình thành sản phẩm diễn ra ngay trong dung dịch có sự tham gia của nước xảy ra ở nhiệt độ 180 °C  200 oC và trong hệ kín [37, 74]. Hình 2.1. Thiết bị dùng trong công nghệ thủy nhiệt Thiết bị thủy nhiệt sử dụng để tổng hợp các mẫu vật liệu NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ thường gọi là nồi hấp (autoclave) bao gồm một bình teflon (để chứa mẫu) được đặt bên trong bình thép (Hình 2.1). 42 Trong quá trình thủy nhiệt, chúng tôi sử dụng tủ sấy Venticell (Hình 2.2) đặt tại Viện Khoa học vật liệu để điều khiển nhiệt độ lựa chọn. Hình 2.2. Tủ sấy Venticell đặt tại phòng quang hóa điện tử - Viện KHVL Ngoài ra, chất tạo khuôn mềm PEG (poly ethylene glycol) cũng được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ - PEG (với trọng lượng phân tử M = 2000 - 20000). Sở dĩ PEG được lựa chọn vì chúng có công thức chung là C2nH4n(OH)2, với cấu trúc ete (≡C-O-C≡) luân phiên, đầu và cuối chứa nhóm OH‾. Vì vậy, chúng rất dễ tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực, dễ dàng tạo mạng lưới (khuôn) trong dung dịch bằng các liên kết hydro - ete. PEG có nhiệt độ sôi cao, bền dưới tác dụng của nhiệt độ (khoảng 300 C mới bắt đầu bị phân hủy) [88]. 2.2. Phƣơng pháp chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ Để chế tạo phức hợp nano y sinh NaYF4: Yb 3+ , Er 3+ trước tiên cần phải xử lý bề mặt vật liệu, sau đó thực hiện quá trình chức năng hóa và liên hợp hóa vật liệu với các tác nhân sinh học. 2.2.1. Phương pháp xử lý bề mặt 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 43 tật ở bề mặt, qua đó giảm được tác động dập tắt huỳnh quang [15]. Lớp bọc phải có độ dầy 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 sinh y học. Một xu hướng đáng chú ý trong tổng hợp nano là bọc vỏ tạo cấu trúc lõi/vỏ (core/shell). Hướng này ban đầu được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực chế tạo các quantum dot 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. và ngày càng chứng tỏ đây là một hướng tổng hợp nano có nhiều triển vọng để chế tạo các vật liệu 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 [89]. Hình 2.3. Cấu tạo phức chất Eu:NTA:TOPO (a) và cấu trúc lõi - vỏ của phức Eu:NTA:TOPO (b) [89] Hình 2.3 minh họa hình ảnh phức chất càng cua của ion Eu3+ với hai loại phối tử NTA (naphtoyltrifluoroacetone) và TOPO (trioctylphosphineoxide) (Hình 2.3a) và cấu trúc lõi – vỏ của phức này với PVP (polyvinylpyrrolidone)và silica (a) (a) (b) 44 (Hình 2.3b). Phức chất Eu: NTA: TOPO rất bền và huỳnh quang mạnh, tan tốt trong nước, vì vậy có thể tiến hành bọc (nanocapsul) bằng cao phân tử PVP. Sau đó chúng lại được bọc kín trong lớp thứ hai là silica. Lớp vỏ ngoài cùng có thể được chức năng hoá tiếp tục bằng cách gắn các nhóm tương thích sinh học nhằm tạo các vị trí để liên hợp với các phần tử sinh học (virut, DNA, protein, ) [90]. 2.2.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt vật liệu và liên hợp hóa giữa vật liệu nano phát quang chuyển đổi ngược với phần tử hoạt động sinh học Để có thể ứng dụng được vật liệu UCNP chứa lanthanide 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. 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 [26, 91, 92]. Việc chức năng hóa bề mặt đóng một vai trò quan trọng như một cầu nối giữa tổng hợp và ứng dụng của UCNP 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 học khác nhau [92, 93]. Để các UCNP 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 UCNP pha tạp Ln3+ đã được thực hiện [12, 22, 25, 57]. Trong số các phương pháp chức năng hóa bề mặt, phương pháp trao đổi phối tử là cách tiếp cận đơn giản và dễ dàng nhất để có được UCNP với độ hòa tan và chức năng mong muốn. Đây cũng là phương pháp phổ biến nhất để chuyển đổi các nhóm kị nước trên bề mặt UCNP với những nhóm ưa nước mà không ảnh hưởng đến tính chất hóa học và quang học của UCNP. Nó dựa trên nguyên tắc các nhóm ưa nước có ái lực mạnh hơn các ion lanthanide có nhóm kị nước. Thông thường, các phân tử hữu cơ hoặc các polyme như PAA, PEG-phosphate, citrate, PVP, PEI[12, 21, 22, 25], được sử dụng để thay thế các nhóm kị nước ban đầu. Do đó, các phân tử này thường được sử dụng để trao đổi phối tử với các nhóm chức năng bổ sung trên bề mặt 45 UCNP có thể được chức năng hóa với các phân tử sinh học nhằm mục đích ứng dụng trong y sinh [25]. Quá trình chức năng hóa thường sử dụng một số hợp chất như các amine (R- NH2), carboxylic acid (R-COOH), thioalkol (R-SH) còn quá trình liên hợp hóa thường sử dụng các phần tử sinh học như folic acid, peptides, proteins, DNA, succinimid, biotin, [91]. Hình 2.4 trình bày một số sơ đồ quy trình liên hợp sinh học trong đó phổ biến hơn cả là sử dụng tác nhân ghép nối theo cặp như: amine - carboxylic acid, thiol – maleimide, Hình 2.4. Sơ đồ liên hợp sinh học gắn kết các phân tử hoạt động sinh học với UCNP [91] Các biện pháp liên hợp các cấu trúc hạt và thanh nano với các phần tử hoạt động sinh học khác nhau, đã tạo cơ sở để vật liệu nano phát quang có thể ứng dụng trong sinh học và y học. 46 2.3. Phân tích cấu trúc, hình thái học và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu 2.3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng 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. Lý thuyết nhiễu xạ tia X được William L. Bragg xây dựng năm 1913, trong đó phương trình Bragg được xem là điều kiện để hiện tượng nhiễu xạ xảy ra:  sin.2 hkldn  (4) Hình 2.5. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể Hình 2.6. Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 Khi chùm tia X có bước sóng  (dài cỡ khoảng cách giữa các nút lân cận trong mạng Bravais) chiếu vào mạng tinh thể của vật liệu (Hình 2.5), chùm tia X nhiễu xạ trên các họ mặt phẳng tinh thể (hkl) có giá trị khoảng cách giữa các mặt lân cận dhkl thỏa mãn điều kiện phản xạ Bragg sẽ cho các cực đại nhiễu xạ. 47 Các cực đại này tại vị trí góc nhiễu xạ  hkldn 2/arcsin   tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ, n nhận các giá trị 1, 2, 3, gọi là bậc nhiễu xạ. Cấu trúc tinh thể của các mẫu đã tổng hợp trong luận án được phân tích trên thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 đặt tại Viện Khoa học vật liệu (Hình 2.6) và thiết bị SIEMENS D5005 đặt tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. 2.3.2. Phân tích cấu trúc phân tử bằng phương pháp phổ dao động Phân tích cấu trúc phân tử bằng phương pháp phổ dao động hồng ngoại dùng để xác định các nhóm chức, để định danh các hợp chất hữu cơ và để nghiên cứu cấu trúc của chúng. Để xác định các nhóm chức cần phải sử dụng một loạt các vạch hấp thụ đặc trưng của nhóm này. Sự thay đổi tần số hấp thụ liên quan đến trạng thái tồn tại của các phân tử hợp chất. Ở trạng thái lỏng và khí, một số hợp chất hữu cơ có thể có nhiều cấu trúc đồng phân còn ở trạng thái rắn thì thông thường chỉ tồn tại một đồng phân. Nguyên tắc của phép đo phổ FTIR: 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 [94]. 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. Ngoài ra, dựa vào các đám phổ khác nhau trong phổ hồng ngoại còn có thể nhận dạng được các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử của hợp chất. 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 48 ngoại trung bình ứng với số sóng trong khoảng 4000 cm-1 ÷ 400 cm-1. Miền này có thể chia thành 4 vùng như sau: - Vùng 1 từ 4000 cm-1 ÷ 2500 cm-1, ứng với các dao động cơ bản trong liên kết X-H. Vùng này thường gắn với các dao động co giãn của các liên kết O-H, C-H, N-H. Ví dụ: nhóm dao động co giãn của O-H có dải hấp thụ xuất hiện từ 3700 cm-1 ÷ 3600 cm -1, nhóm dao động của N-H thường quan sát được dải hấp thụ trong vùng từ 3400 cm-1 ÷ 3300 cm-1. Nhóm dao động của C-H trong hợp chất béo thì dải hấp thụ xuất hiện trong vùng từ 3000 cm-1 ÷ 2850 cm-1, còn nếu trong các vòng thơm thì dải hấp thụ nằm trong vùng 3100 cm-1 ÷ 3000 cm-1. - Vùng 2 từ 2500 cm-1 ÷ 2000 cm-1, ứng với các dải hấp thụ của các liên kết ba. Ví dụ: nhóm C≡C có dải hấp thụ nằm trong vùng 2300 cm-1 ÷ 2050 cm-1, nhóm C≡N có dải hấp thụ trong vùng 2300 cm-1 ÷ 2200 cm-1. - Vùng 3 từ 2000 cm-1 ÷ 1500 cm-1, ứng với các liên kết C=C, C=O, C=N. Ví dụ: nhóm C=O có dải hấp thụ xuất hiện trong vùng từ 1830 cm-1 ÷ 1650 cm-1. - Vùng 4 từ 1500 cm-1 ÷ 600 cm-1 ứng với các liên kết C-H, C-C, C-O.. thường được gọi là vùng dấu vân tay. Các phép đo phổ dao động các mẫu trong luận án được khảo sát trên hệ đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 (Hình 2.7) đặt tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với độ phân giải 16 cm-1 và trong dải bước sóng từ 4000 cm-1 ÷ 400 cm-1. Hình 2.7. Thiết bị đo phổ hồng ngoại Fourier NEXUS 670 đặt tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới 49 2.3.3. Khảo sát hình thái học của vật liệu bằng kĩ thuật hiển vi điện tử quét phát xạ trường Ảnh hiển vi điện tử quét được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM). Loại thiết bị này có khả năng thu nhận được các ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao. Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) Nguyên tắc chụp ảnh FESEM được mô tả bằng sơ đồ nguyên lý trên Hình 2.8. Chùm điện tử sau khi đi qua hệ thống thấu kính từ hội tụ và các cuộn quét điện tử tới bắn vào bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi các điện tử tới va chạm vào bề mặt mẫu làm phát ra các điện tử và sóng điện từ: điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia X đặc trưng, huỳnh quang catot. Trong đó, hiệu suất phát xạ của điện tử thứ cấp phụ thuộc vào hình thái bề mặt vật liệu tại vị trí phát xạ, phát xạ mạnh ở chỗ mặt mẫu lồi, yếu ở chỗ mặt mẫu lõm. Đầu thu được bố trí để thu chùm điện tử thứ cấp sẽ được khuếch đại và hiển thị trên màn hình. Khi chùm điện tử tới quét trên bề mặt mẫu thì tín hiệu thu được từ các điện tử thứ cấp được đồng bộ và quét trên màn hình hiển thị, mỗi điểm trên mẫu tương ứng với điểm sáng trên màn hình hiển thị. Hình thái học và kích thước của vật liệu đã tổng hợp trong luận án được nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM S-4800, Hitachi), đặt tại Viện Khoa học vật liệu, Hình 2.9. 50 2.3.4. Nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu bằng phương pháp phổ huỳnh quang Huỳnh quang là hiện tượng phát quang khi phân tử nhận được năng lượng kích thích từ bên ngoài. Khi năng lượng kích thích dưới dạng quang (kích thích bằng các photon) thì được gọi là quang huỳnh quang (photoluminesence - PL). Nguyên tắc hoạt động của hệ đo quang huỳnh quang thông thường (Hình 2.10) được mô tả như sau: Bức xạ lade được chiếu trực tiếp lên mẫu để kích thích các điện tử từ trạng thái cơ bản chuyển lên trạng thái kích thích. Ánh sáng huỳnh quang được phát xạ do quá trình hồi phục của điện tử bị kích thích được truyền tới máy đơn sắc. Tín hiệu quang sau đó được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ vào ống nhân quang điện hoặc CCD rồi được đưa vào máy tính xử lý, hiển thị. Có một số kỹ thuật đo phổ huỳnh quang khác nhau: huỳnh quang dừng, huỳnh quang phân giải thời gian, Các phép đo phổ huỳnh quang trong luận án được thực hiện theo cơ chế huỳ