Luận văn Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

Trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt của đơn hạt nano vàng bán nguyệt trong

glycerol đã được nghiên cứu ở trên, trong phần này tôi trình bày thí nghiệm đầu

tiên về ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt đó trên tế bào sống ung thư vú trong phòng

thí nghiệm (in vitro). Các tế bào ung thư được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm

đảm bảo có chất lượng tốt và hệ kính hiển vi nghiên cứu được đặt trong môi trường

nhiệt độ 37oC và được bổ sung 5% CO2 để chắc chắn rằng trong quá trình làm thí

nghiệm tế bào ung thư vẫn sống. Các tế bào được chuẩn bị đặt trên tiêu bản thủy

tinh, sau đó các hạt nano vàng bán nguyệt được tiêm vào. Khi đó các hạt nano

theo cơ chế thẩm thấu sẽ bám trên màng tế bào. Dưới tác dụng của laser chiếu đến

từng hạt nano vàng sẽ trở thành những đầu dò nguồn nano nhiệt sinh ra xung

quanh hạt nano. Bước đầu tôi làm thí nghiệm với tế bào ung thư dưới tác dụng chỉ

riêng laser xanh đỏ (led laser) khi không có mặt hạt nano vàng. Kết quả cho thấy,

hình thái bề mặt và cấu trúc của tế bào không có sự thay đổi đáng kể nào. Chúng

ta có thể quan thấy hiện tượng này dưới kính hiển vi trường sáng trong thời gian

chiếu 5 phút hình 4.1a và 4.1b. Tiếp theo, lặp lại thí nghiệm trên khi có mặt của

hạt nano vàng trong tế bào. Thời gian chiếu laser trong 5 phút. Kết quả cho thấy

rõ ràng có sự biến đổi về hình thái bề mặt của màng tế bào ung thư sau khi chiếu

5 phút ở mật độ công suất 1,3.104/cm2. Quan sát trên hình 4.1c và 4.1d cho thấy

rõ sự thay đổi này. Điều này chứng tỏ, dưới tác dụng của laser đỏ ở bước sóng

650 nm các hạt nano vàng bán nguyệt đã hấp thụ năng lượng quang và chuyển

thành nhiệt gây nên sự biến đổi về hình thái màng tế bào.

pdf49 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 105 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
rình dẫn nhiệt của (M) được xác định thuần nhất, tại P=0 trong (M) tức là không hấp thu năng lượng: (3) Chúng ta muốn giải phương trình này ở trạng thái dừng, nghĩa là . Trong trường hợp này, xét trong hệ tọa độ cầu gắn với (S) và gốc tọa độ trùng với tâm (S). phương trình (2) và (3) diễn tả dưới dạng: với với (4) 15 Giải phương trình này được: với với (5) Trong đó , , et là các hằng số của nguyênhàm. Nhận xét. i) Nếu r tiến đến vô cùng thì tiến đến ở đó . ii) Do sự đối xứng của tọa độ cầu nhiệt độ ở tâm của (S), nghĩa là r=0 thỏa mãn: . Điều kiện này làm cho . iii) Như đã trình bày ở trên cho trạng thái dừng, năng lượng phát ra từ S phải bằng năng lượng đi vào của nó (nếu không thay đổi). chúng ta có thể triểnkhaiýtưởngrằng,đốivớir=R,mậtđộdòngtạimặt(S)là (nghĩa là năng lượng truyền trong một đơn vị diện tích trên bề mặt ra môi trường (S)- (M), từ (S) đến (M), trong một đơn vị thời gian) tương đương với dòng nhiệt từ (M) . Ta đặt và . ở đó: , Và (6) Chúng ta nhậnđược iv) Cuối cùng, khi r=R, các nhiệt độ và trở nên tương đương (nó được coi nhiệt độ là liên tục ở biên giữa (S) và (M), nói cách khác, điện trở tiếp xúccủagiaodiệnnàyđượcbỏqua).Tathaycáchằng , và đãnhận được ở trên để tìm c2 : (7) Do đó ta thuđược 16 Từ đây, chúng ta có thể đưa ra biểu thức biểu diễn và : với với rR (8) Hình 1.10. Hình vẽ biểu diễn một hạt nano dạng cầu dưới kích thích của ánh sáng tới. (a) hình vẽ thiết kế 1 hạt nano dạng cầu được làm nóng bởi ánh sáng chiếu đến. (b) các đường bao biểu diễn nhiệt độ theo khoảng cách từ tâm hạt nano cho các kích thước khác nhau trong nước với cùng một công suất quang chiếu P = 40 kW/cm2. Từ hình 1.10 cho thấy một cách đơn giản mô phỏng quá trình chuyển đổi quang thành nhiệt của hạt nano dưới kích thích của ánh sáng tới. Biểu thức (8) diễn tả nhiệt độ tại một điểm (khoảng cách r) trong môi trườnghạt nano bán kính R dưới kích thích quang học có công suất P, To là nhiệt độ khi xét ở xa vô cực (r->∞) hay chính là nhiệt độ phòng. Chúng ta có thể viết lại biểu thức này dưới dạng thể tích của hạt nano. Do hạt mà ta quang tâm là dạng cầu, vì vậy dễ dàng việt lại được dưới dạng thể tích Vnp, khiđó: với (9) Đường profil của nhiệt độ tỷ lệ với 1/r. Biến thiên của nhiệt độ lớn nhất khi r nhỏ nhất, nghĩa là tại bề mặt của hạt nano ) Suyra với (10) Công thức này là quan trọng, nó có thể giúp cho việc tìm thăng giáng nhiệt độ tại một điểm trong môi trường chứa hạt nano khi có kích thích quang phùhợp. 17 1.4 Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển độngBrown) Các luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [10]. Chuyển động Brown của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Xét các hạt nano có dạng tựa cầu. Các luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc". Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động củanhiệt. Sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy nó là bao nhiêu?. Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều. (11) ở đó D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng cầu. Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt bằng cách xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ. Sự cân bằng của các lực đó có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình Langevin: (12) Ở đó, là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, là vận tốc theo , là hệ số ma sát, giá trị của có thể được xác định trực tiếp từ thựcnghiệm. Nhân 2 vế của phương (12) với và lấy trung bình, ta nhận được: (13) Với do tính chất đối xứng, Vì vậy: 18 Ta nhận được: (14) (15) Với vận tốc bình phương trung bình theo . Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệtđộng: Với là hằng sốBoltzmann. Ở đó (16) Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có : (17) Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển, hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (11) và (17): (18) Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo: (19) Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein- Stokes: (20) Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lựchọc –là bán kính hình học của hạt màbị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanhhạt. Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số khuếch tán: (21) 19 - Xét trong không gian 3 chiều: r 2  6Dt (22) - Xét trong không gian 2 chiều: r2  4Dt (23) - Xét trong không gian 1 chiều: r2  2Dt (24) 1.5 Ứng dụng của hạt vàng trong ysinh Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh học. Một trong các ứng dụng lý thú nhất đó là: 1) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên hàng nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các trạng thái điện tử của phân tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử (single molecul detection). Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng. Hiệu ứng này cũng được ứng dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinhhọc. 2) Làm các sensơ sinhhọc Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là các phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp thụ plasmon. Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các hạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt. 3) Hiện ảnh các tế bào ung thư: các hạt vàng được sử dụng như các chất đánh dấu tế bào ung thư hoặc chất phản quang (contrast agent). Cách này tạo được nguồn tín hiệu mạnh từ các mô ung thư cho các đặc điểm về phân tử cũng như giải phẫu củabệnh 4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser để cắt bỏ tế bào ung thư. Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Aucao. - Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2bọc vàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại. Sử dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán 20 nguyệt,.cóthiếtdiệntánxạlớntrongvùnghồngngoại.Đâylàphươngpháp 21 hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới [11]. - Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmoncộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được. Chương 2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BÁN NGUYỆT VÀ ĐO PHỔ TÁN XẠ PLASMON Trong chương này này tôi tập trung vào trình bày phần thực nghiệm chế tạo các đầu dò nano vàng lai hóa dạng bán nguyệt và các phép khảo sát các tính chất của nó như: khảo sát hình dạng và kích thước, khảo sát tính chất quang thông qua phổ tán xạ plasmon bề mặt, xây dựng hệ quang học để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt 2.1 Chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt Như trên đã trình bày, các hạt nano có nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, trong đề tài này của tôi, tập trung vào các hạt nano vàng bán nguyệt. Chúng được coi như là các đầu dò nano lai hóa. Trong phần này tôi sẽ trình bày các hạt nano vàng bán nguyệt được chế tạo bằng phương pháp vật lý-đó là công nghệ bốc bay nhiệt điện trở. Bằng phương pháp này có thể tạo ra các màng mỏng kim loại trên các đế với độ dày có thể điều khiển được một cách dễ dàng thông qua điều khiển dòng điện dẫn vào thuyền đặt vật liệu. Tôi đã tổ hợp phương pháp này với công nghệ in thạch bản nano cầu để tạo ra các hạt nano dạng bán nguyệt. Công nghệ này được phát triển bởi nhóm Richard P. Van Duyne [12]. Quy trình của phương pháp là tạo ra một lớp mỏng kim loại trên mặt nạ nano cầu đã được đặt trên đế. Các hạt nano cầu trên đế có thể thay đổi một cách dễ dàng từ các vật liệu khác nhau. Các hạt nano cầu này có thể là hạt nano phát quang (latex, hay hạt nano cách điện- silica hay các hạt nano từ,..). Thêm vào đó, các vật liệu kim loại bốc bay trên các nano này cũng dễ dàng được thay đổi, thậm trí là có thể tạo ra nhiều lớp vật liệu khác nhau trên đế (multi-layer). Trong thí nghiệm này, tôi dùng đế là các lam kính. Sau khi lam kính được rửa sạch sẽ được chải các hạt nano lên và tiếp theo đặt trong buồng chân không cao để bốc bay các vật liệu lên đế. Sau khi quá trình bốc bay hoàn tất, các hạt nano được tạo thành trên đế sẽ được tách ra khỏi đế bằng cách đơn giản là dùng các chổi lông mềm-bằng cách quét nhẹ nhàng, sau đó lọc rửa nhiều lần thông qua các phin lọc và nam châm (vì hạt nano cầu làm mặt nạ là hạt nano siêu thuận từ). Kết quả 20 nhận được các hạt nano bán nguyệt có độ đồng đều phụ thuộc nhiều vào chất lượng các hạt nano cầu đã sử dụng làm mặt nạ, như: kích thước và hình dạng đồng đều, quá trình đặt các hạt nano trên đế lam kính cũng cần phân tán đều và việc rửa lam kính sạch trước khi đặt các hạt nano cầu cũng đóng góp rất quan trọng trong chất lượng mẫu thu được. Sau đây tôi trình bày chi tiết từng bước của thínghiệm. 2.1.1 Làm sạch các lamkính Các lam kính dùng làm đế có kích thước 2,5x7,5 cm với độ dầy từ 0,13-0,17 mm được sản xuất từ Đức. Trước khi trải các hạt nano cầu siêu thuận từ lên đế này, bề mặt của lam kính cần được làm sạch để tăng chất lượng mẫu chế tạo được. Các hạt nano bán nguyệt sau khi hoàn thành sẽ được đảm bảo chắc chắn là các hạt nano như mong muốn gồm lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là lớp vàng bán nguyệt. Để làm sạch lam kính, có nhiều phương pháp đã có tác dụng hiệu quả hay được sử dụng. Các phương phổ biến vẫn là dùng phương pháp hóa học. Một trong các phương pháp đơn giản nhất là: bề mặt của lam kính được làm sạch bằng dung dịch tẩy rửa chén, sau đó rửa lại bằng nước IQ và đặt trong máy rung siêu âm trong cồn (99,7%-100%) khoảng 5 phút. Tuy nhiên, cách này không thể tẩy sạch hoàn toàn các vết bẩn vô-hữu cơ trên bề mặt. Phương pháp thứ 2 là sử dụng dung dịch piranha. Dung dịch này cho phép loại bỏ các nhiễm bẩn từ các chất hữu cơ trên bề mặt. Dung dịch này bao gồm hỗn hợp của 1/3 nước oxy (H2O2) và 2/3 axit sunphuric (H2SO4). Sau đó, lam kính được rửa lại bằng nước cất. Với cách này, quá trình rửa rất độc cho người làm thí nghiệm. Chính vì vậy, tôi đã sử dụng một phương phap đơn giản hơn ít độc mà vẫn làm sạch được được bề mặt lam kính như mong muốn. Đầu tiên, các lam kính được ngâm trong aceton trong khoảng 30 phút có rung siêu âm để loại bỏ các chất hữu cơ bám trên bề mặt. Sau đó, rửa sạch aceton bằng nước IQ và rung siêu âm trong khoảng 20 phút. Bước này được lặp lại 3 lần nhằm chắc chắn loại bỏ aceton. Và cuối cùng làm khô bề mặt bằng ni tơ. Tất cả các bước đều thực hiện trong tủ hốt. Hình 2.1 là ảnh quang học trường tối của lam kính trước và sau khi được làm sạch. Trên hình 2.1a, ta thấy có nhiều tán xạ của các hạt bụi dưới khi quan sát bằng kính hiển vi quang học trường tối. Tuy nhiên, sau khi được rửa sạch thì ta quan sát hầu như không còn các tán xạ từ các hạt bụi ô nhiễm nàynữa. 21 Hình 2.1. So sánh ảnh quang học trường tối của lam kính trước (a) và sau khi được xử lý làm sạch bằng acetone (b). 2.1.2 Trải các hạt nano trên bề mặt Sau khi các lam kính được làm sạch trong phần trên đã trình bày, các hạt nano siêu thuận từ (có kích thước ~8nm được bọc trong mạng polystyren tạo thành kích thước trung bình 150nm) được mua từ hãng Merc-Đức sẽ được trải lên bề mặt. Thực tế, có một số cách để trải các hạt nano lên đế, tuy nhiên cách phổ biến và cho kết quả tốt là là quay phủ (spin coating). Phương pháp này cho phép tạo ra các lớp hạt nano trên bề mặt có độ đồng đều cao nhờ vào điều khiển tốc độ quay của trục gắn với lam kính. Tôi đã hiệu chỉnh với nhiều tốc độ quay của đế khác nhau để tối ưu hóa lớp hạt nano trên bề mặt để đạt mục tiêu là: các hạt nano đơn phân tán đều và mật độ hạt nhiều nhất có thể trên bề mặt lam kính. Điều này giúp cho việc tăng được số hạt nano bán nguyệt sau quá trình bốc bay. Cụ thể, tôi lấy 200 µl các hạt nano siêu thuận từ bằng micropipep trải lên lam kính đang quay với tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây. Hình 2.2 thể hiện quy trình trải các hạt nano từ lên lam kính bằng phương pháp quay phủ. Hình 2.2b và 2.2c là ảnh kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ sau khi trải ở các tốc độ quay khác nhau của lam kính. Ta thấy, các hạt nano phân bố đơn phân tán và rất đều. Tuy nhiên, mật độ hạt trên hai ảnh này cho thấy ở hai tốc độ quay 2000 vòng/phút và 1000 vòng/phút của lam kính không có sự khác biệt nhiều. 22 Hình 2.2. a) Hình vẽ thể hiện các hạt nano từ trải lên lam kính. b) và c) là ảnh kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ trên lam kính ở các tốc độ quay của lam kính: 2000 và 1000 vòng/phút tương ứng. 2.1.3 Công nghệ bốc kim loại bằng phương pháp nhiệt điệntrở Các lam kính sau khi được trải các hạt nano lên bề mặt được gắn lên giá đưa vào buồng của máy bốc bay. Buồng được làm sạch và có đặt các thuyền vật liệu kim loại được bốc bay và cần tạo chân không cao (áp suất dưới 5.10-6 Torr). Quy trình bốc bay vật liệu bằng phương pháp nhiệt điện trở dựa trên tác dụng của dòng điện làm nóng vật liệu kim loại trong thuyền để bay hơi (nguyên tử) lắng đọng trên đế tạo nên một lớp màng mỏng kim loại trên đế. Hay ta có thể hiểu là bốc bay chân không là quá trình vật liệu nguồn được hóa hơi bay đến đế mà không xảy ra va chạm giữa các phân tử khí trong không gian giữa nguồn và đế. Phương pháp bốc bay được minh họa như trên hình 2.3. Bằng phương pháp bốc bay nhiệt điện trở tạo màng kim loại từ đó tạo ra được các hạt nano vàng bán nguyệt khi đã trải sẵn các hạt nano trến đế (lamkính). 23 Hình 2.3. Mô hình biểu diễn quá trình bốc bay các vật liệu tạo màng mỏng kim loại lên đế. Hình 2.4 thể hiện ảnh chụp buồng chân không đặt thuyền điện trở chứa các vật liệu cần bốc bay. Trong hình 2.4a là ảnh chụp vật liệu vàng nguyên chất. Thực tế trong buồng chân không luôn có 3 thuyền điện trở riêng biệt, điều này cho phép bốc bay 3 loại vật liệu khác nhau-có nghĩa là có thể tạo ra các hạt nano vàng bán nguyệt đa lớp. Mỗi thuyền điện trở có một mặt nạ che chắn khi thuyền đó chưa được bay hơi, khi chúng bay hơi thì, mặt nạ này sẽ mở ra cho phép hơi kim loại bay lên và lắng đọng trên đế. Bằng cách điều khiển dòng điện qua các thuyền điện trở này chúng ta có thể điều khiển độ dày của lớp kim loại bán trên đế. Trong thí nghiệm của tôi, trước tiên một lớp crom có độ dầy khoảng 2 nm được bốc bay-nó giúp cho tăng độ bám dính giữa lớp vàng và hạt nano từ, tiếp đến là hơi nguyên tử vàng được bay lên tạo thành một lớp phủ hạt nano từ dầy 30nm. Chú ý là, lớp kim loại crom không làm ảnh hưởng đến tính chất quang của hạt nano. Hình 2.4b là ảnh chụp tôi làm thí nghiệm tại phòng sạch tại Trung tâm công nghệ nano và năng lượng-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG HàNội. 24 Hình 2.4. a) ảnh chụp thuyền điện trở chứa kim loại vàng. B) ảnh chụp trong quá trình làm thí nghiệm tại phòng sạch-Trung tâm công nghệ nano và năng lượng- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG HàNội. 2.1.4. Tạo dung dịch các hạt anno vàng bán nguyệt Bây giờ chúng ta cần tách các hạt nano vàng ra khỏi lam kính. Để thực hiện được điều đó, thực tế có nhiều cách có thể áp dụng. Tuy nhiên, tôi dùng phương pháp đơn giản và hiệu quả đó là dùng bút lông mềm-đây là loại bút mà các họa sỹ hay sử dụng chúng để vẽ các bức tranh. Cụ thể, dùng tay quét nhẹ nhàng các hạt nano trên lam kính đặt trong nước (xem hình 2.5). Sau đó, dùng nam châm để rửa lọc lấy các hạt nano vàng bán nguyệt. Trên thực tế, khi sử dụng bút lông mềm để tách (quét) các hạt nano vàng thì đồng thời cũng kèm theo nhiều mảnh vụn vàng trên lam kính bị tách ra theo, điều này làm cho chất lượng hạt nano nhận được không đạt như mong muốn (như độ sạch của hạt nano). Do đó, với một nam châm có cường độ từ trường đủ lớn và dựa vào lõi của hạt nano vàng bán nguyệt là hạt siêu thuận từ nên nó sẽ dễ dàng hút các hạt này (hạt nano vàng bán nguyệt gồm lõi là hạt nano siêu thuận từ, vỏ là vàng). Sau khi thực hiện việc lọc này nhiều lần (tối thiểu 3 lần), kết quả sẽ nhận được các hạt nano vàng bán nguyệt có sạch cao. Hình 2.5 minh họa tách hạt nano vàng bán nguyệt từ đế bằng bút lông mềm. Hình 2.6 là ảnh chụp dung dịch các hạt nano vàng bán nguyệt trước (a) và sau khi dùng nam châm lọc các hạtnano. a) b) 25 Hình 2.5. Sơ đồ tách các hạt nano vàng bán nguyệt từ lam kính bằng bút lông mềm Hình 2.6. Ảnh chụp dung dịch chứa hạt nano vàng bán nguyệt trong nước trước (a) và sau khi dùng nam châm lọc (b). Bằng cách sử dụng nam châm này mà tôi có thể thay đổi môi trường chứa hạt nano vàng một cách dễ dàng. Trong các thí nghiệm mà tôi nghiên cứu, tôi dùng glycerol để thay thế nước chứa hạt nano. Từ đó thực hiện các phép nghiên cứu quang nhiệt trong môi trường này. 26 2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM) Để nghiên cứu về hình dạng và kích thước thực của các hạt nano vàng bán nguyệt, tôi đã sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các ảnh TEM được thực hiện tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc phóng đại nhờ các thấu kính, tia điện tử được sử dụng để xuyên qua vật chất có bước sóng rất ngắn, cỡ 0,04 Å. Các thấu kính là thấu kính điện tử có tiêu cự thay đổi được, năng suất phân giải cỡ 2 3 Å. Hình 2.7 trình bầy sơ đồ nguyên lý hệ TEM và ảnh chụp của máy đã sử dụng. Hình 2.7. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (a) và ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua đã sử dụng(b). 2.3 Kính hiển vi trường tối Để quan sát và nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng sau khi chế tạo được, tôi sử dụng kính hiển vi quang học trường tối. Nguyên lý Dựa vào sự tương phản giữa ảnh vật với nền tối để nâng cao khả năng quan sát của mắt người hay camera về ảnh đó. Kính hiển vi trường tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị khúc xạ hay tán xạ mạnh. 27 Cấu tạo: Chùm ánh sáng từ nguồn được chặn lại bởi tấm chắn sáng, màng chắn sáng chắn chùm sáng trung tâm (tạo nền đen của trường nhìn), chỉ cho ánh sáng vòng ngoài đi qua để tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng vòng ngoài được hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Như vậy ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên nền đen trong trường nhìn. Với cấu hình này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu. Những ánh sáng nào không đi qua mẫu sẽ không được vật kính thu thập và bị loại bỏ hoàn toàn (loại nhiễu). Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi trường tối Hình 2.9. Ảnh qua kính hiển vi trường sáng (trái) và kính hiển vi trường tối (phải) 28 2.4. Phương pháp đo phổ tán xạ Plasmon của một hạt nano vàng duy nhất Để sử dùng các hạt nano vàng bán nguyệt như những nguồn nhiệt thì vị trí đỉnh phổ cộng hưởng plasmon của chúng là rất quan trọng. Các vị trí này được quan sát trực tiếp từ phổ tán xạ và tương ứng với nó sẽ cho tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ lớn nhất. Như đã trình bày ở các phần trên, cấu trúc hình học của hạt nano vàng bán nguyệt gồm 2 phần: -phần lõi là các hạt nano siêu thuận từ và phần vỏ vàng. Nó cho phổ tán xạ gồm 2 đỉnh [13]. Để đo phổ tán xạ Plasmon của một hạt nano vàng duy nhất chúng tôi sử dụng cấu hình quang học dựa trên kính hiển vi quang học trường tối, hệ quang học đo thiết kế như hình 2.10. Để chuẩn bị mẫu đo phổ tán xạ plasmon, sau khi chế tạo các hạt nano vàng trên đế được phủ bởi lớp Polydimethylsiloxane (PDMS) và xử lý nhiệt ở 80oC trong 3 giờ, đợi nguội đến nhiệt độ phòng và lột lấy hạt nano vàng. Kết quả là các hạt nano vàng được định xứ trong tấm polyme PDMS. Điều này rất thuận lợi cho việc đo phổ tán xạ plasmon của từng hạt nano duy nhất theo hai hướng: hướng có lớp vỏ vàng và lớp tiếp xúc với đế của hạt nano khi chế tạo. Hệ quang trong hình 2.10b được thiết kế đo phổ tán xạ Plasmon bề mặt của từng hạt nano riêng lẻ. Bộ phận quan trọng nhất của hệ quang này là phổ ảnh kế được ghép trực tiếp trước camera. Hệ quang đo phổ tán xạ này gồm4 phầnchính: i) Nguồn sáng . Đây là nguồn sáng trắng halogen (Quat-Tungsten-Halogen) bao gồm một sợi đốt (3000K) trong an bun với môi trường khí halogen. Phổ ánh sáng của sợi đốt này từ 350nm đến900nm. ii) Vật kính trường tối phản xạ có độ phóng đại X20 với khoảng cách làm việc 4,5mm và có khẩu độ số NA=0,45 trong khôngkhí. iii) Một phổ kế được đặt trước camera và tại mặt phẳng tiêu cự ngay sau khi ánh sáng ra khỏi kính hiểnvi iv) Camera Andor cho phép ghi tín hiệu và hiệnảnh Dưới kích thích của ánh sáng trắng halogen, tín hiệu ánh sáng tán xạ từ mẫu được tập hợp bằng vật kính trường tối, rồi đi vào phổ kế phân tích bước sóng và cuối cùng đi vào camera. Mẫu được đặt trên giá dịch chuyển 2 chiều có độ phân giải cỡ vài nanomet và được lập trình tự động hóa bằng phần mềm Laview với camera. Dưới kích thích của ánh sáng trắng halogen lên mẫu, giá dịch chuyển quét theo 2 chiều (X,Y) trên một phạm vi 56µm x 385µm với mỗi bước dịch chuyển 0,77µm. Giá này cho phép dịch chuyển mẫu có độ chính xác cao-điều 29 này thuận lợi trong việc giảm nhiễu. Dự liệu đo được lưu dưới dạng chuỗi ảnh của những đường thẳng. Nhờ vào phần mềm matlab và Labview ta phân tích suy ngược lại ảnh của các hạt nano, từ đó suy ra phổ tán xạ. Hình 2.11 thể hiện dữ liệu ghi được khi sử dụng cấu hình quang học trong hình 2.10. Trong hình 2.11a là các đường thẳng sáng tín hiệu ghi được, hình 2.11b là ảnh hiển thị của hạt nano suy ngược lại từ dữ liệu trong hình 2.11a. Từ kết quả của hiển thị ảnh suy ngược này chúng ta có thể tìm ra được phổ tán xạ tương ứng. Chi tiết tôi sẽ trình bày trong chương 3 về kết quả của các phép đo này. Hình 2.10. Sơ đồ mô tả đo phổ tán xạ plasmon của các hạt nano vàng bán nguyệt đơn nhất. a) Chuẩn bị mẫu. b) Cấu hình quang học Hình 2.11. Dữ liệu ghi được khi giá để mẫu quét tín hiệu (a) và hiển thị ảnh của các hạt nano (b) từ dữ liệu (a). 30 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Như đã trình bày ở chương 2 về thực nghiệm, trong chương này tôi sẽ trình bày về các kết quả thu được và thảo luận về các kết quả đó. 3.1 Hình thái và kích thước của nano vàng bánnguyệt Như trên tôi đã trình bày, các hạt nano vàng bán nguyệt được chế tạo bằng kỹ thuật in thạch bản nano cầu dựa trên phương pháp bốc bay nhiệt điện trở tại phòng thí nghiệm của Trung tâm nano và Năng lượng –Trường Đại học khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội. Trên hình 3.1 thể hiện ảnh kính hiển vi truyền qua (TEM) của các hạt nano từ (là lõi của hạt nano vàng bán nguyệt). Chúng ta thấy rõ ràng rằng, hạt nano từ được tạo bởi một lớp mạng polystyrene bọc các hạt siêu thuận từ (Fe3O4) kích thước ~8 nm; phân bố kích thước khá đồng đều và đơn phân tán. Trong hình 3.1b chúng ta có thể thấy rõ hơn các hạt siêu thuận từ này- chúng có độ tương phản màu đen và cũng phân bố đồng đều trong không gian polystyrene. Hình 3.1c là phân bố kích thước hạt tương ứng với hình 3.1a, hạt có kích thước trung bình 141 nm chiếm đa số. Với kích thước này, dễ dàng phủ lên hạt một lớp kim loại vàng 30 nm để tạo thành một nửa bán cầu kim loại mà nó không phủ hết hạt. Đây cũng là một lợi thế khi nghiên cứu chuyển động quay ngẫu nhiên của các hạt trong dung dịch vì các hạt nano khi nhận được có hình dạng bất đẳng hướng. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu của dự án này tôi tập trung chủ yếu vào chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển động dịch chuyển Brown) dưới kính hiển vi trường tối. Hình 3.2 thể hiện một chuỗi ảnh TEM của các hạt nano vàng bán nguyệt sau khi chếtạo. 31 Hình 3.1. Ảnh TEM của các hạt nano từ dùng làm lõi của hạt nano vàng bán nguyệt. a) Ảnh TEM của hạt nano từ ở thang đo 2µm. b) Ảnh TEM của hạt nano từ ở thang đo 100 nm. c) Phân bố kích thước hạt tương ứng với ảnh a) và đường bao mầu xanh là đường làm khớp theo quy luật Gauss. 32 Hình 3.2. Một chuỗi ảnh TEM của các hạt nano vàng bán nguyệt sau khi chế tạo với thang đo là 250nm. Hình dưới cùng bên trái là ảnh TEM của một hạt nano vàng bán nguyệt được phóng to từ hình bêntrái. Từ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_hieu_ung_quang_nhiet_cua_hat_nano_vang_d.pdf
Tài liệu liên quan