Luận văn Ứng dụng cảm biến sinh học trên cơ sở chấm lượng tử phát quang được tổng hợp từ kẽm trong pha nước trong việc xác định vi khuẩn

một thiết bị phân tích, được sử dụng để phát hiện một hoặc một số chất thông qua nhận dạng sinh học phân tử. Chúng sử dụng một “bộ chuyển đổi” để chuyển các tín hiệu thu được sinh ra từ sự tương tác giữa các chất phân tích với cảm biến thành tín hiệu có thể định lượng. Cảm biến sinh học có thể chia thành nhiều loại khác nhau, chẳng hạn cảm biến dựa trên cơ sở kháng thể/kháng nguyên, axit nucleic hoặc các enzym. Hơn nữa, ứng với các kỹ thuật truyền tín hiệu khác nhau, cảm biến sinh học còn được xếp vào loại cảm biến quang sinh học, cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học nhạy khối hoặc cảm biến sinh học nhiệt . Một số các hạt nano có thể được dùng như thành phần của cảm biến sinh học. Trong ứng dụng này, các hạt nano hoặc vật liệu cấu trúc nano được phủ một lớp nhận dạng sinh học phân tử có khả năng liên kết chọn lọc với các phân tử sinh học cần phân tích thông qua cơ chế chìa khóa, ổ khóa. Các tín hiệu phản hồi thu được có thể dưới dạng thay đổi màu sắc, khối lượng hoặc các tính chất vật lý khác. Hạt nano phát quang, các hạt nano kim loại, nano silica, nano từ tính và fulleren là các vật liệu thường được sử dụng trong cảm biến sinh học [32 - 35]. Cảm biến sinh học trên nền plasmon Tính chất quang học của hạt nano kim loại quý đã nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Chúng có nhiều tiềm năng ứng dụng trong cả cảm biến hóa học lẫn sinh hóa. Do chịu sự chi phối của hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (localized surface plasmon resonance LSPR), các hạt nano kim loại quý có khả năng hấp thụ mạnh các bước sóng ở dãy ánh sáng 40 khả kiến. Kết quả là, dung dịch keo của kim loại như vàng có màu đỏ, tím hoặc cam, tùy thuộc vào hình dạng kích thước và môi trường xung quanh. Năng lượng của LSPR nhạy với hàm điện môi của mỗi trường xung quanh vật liệu, có nghĩa là nếu một phối tử như protein chẳng hạn, gắn vào bề mặt các hạt nano kim loại, năng lượng LSPR của hạt nano sẽ bị thay đổi và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt sẽ thay đổi theo. Trong cảm biến sinh học trên nền plasmon, các hạt nano có thể phân tán trong các môi trường lỏng (cảm biến sinh học trên nền plasmon dạng keo) hoặc được gắn trên bề mặt của một vật thể (cảm biến sinh học trên nền plasmon bề mặt). Trên thực tế, cả hai cảm biến đều hoạt động dựa trên sự thay đổi năng lượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ, nhưng khác nhau về tín hiệu xuất ra. Đối với cảm biến sinh học trên nền plasmon dạng keo (lấy hạt nano vàng làm ví dụ), kết quả của cảm biến là sự thay đổi tính chất tập hợp của các chất xung quanh hạt nano, điều này có thể xác định được thông qua sự thay đổi màu sắc của hệ keo. Phổ hấp thụ được sử dụng để định lượng những thay đổi xảy ra trên cảm biến sinh học. Trong trường hợp dung dịch keo vàng, hệ keo thường có màu đỏ, kết quả của quá trình cảm biến có thể chuyển dung dịch trở nên xanh (blue) . Hiệu ứng LSPR được sử dụng nhiều trong y học nano. Ví dụ ứng dụng hiệu ứng LSPR trong xét nghiệm gen. Đầu tiên, trình tự ADN mục tiêu được xác định. Sau đó gắn hai nhóm gen phù hợp lên hai loại nano vàng riêng biệt – nhóm thứ nhất gắn được với một đầu của ADN mục tiêu và nhóm thứ hai gắn với đầu còn lại. Các hạt nano được phân tán trong nước. Khi ADN mục tiêu được thêm vào, nó liên kết hai loại hạt nano lại với nhau. Sự hình thành tập hợp này gây ra một sự thay đổi trong quang phổ ánh sáng tán xạ từ dung dịch (tức là có sự thay đổi màu sắc trong dung dịch, nhờ đó ta có thể dễ dàng phát hiện có hoặc không sự hiện diện của ADN mục tiêu trong dung dịch đang xét) [36 - 39]. Lab-on-a-chip (LOC) 41 Các thiết bị này được “thu nhỏ tích hợp” cho phép phân chia và phân tích các mẫu sinh học trong một thiết bị duy nhất. Chúng được làm bằng hệ thống vi chất lỏng, bao gồm máy bơm vi mô và vi-van, tích hợp với các thành phần vi điện tử. Các thiết bị này còn có thể tích hợp một hoặc nhiều bộ cảm biến. Ví dụ như thiết bị trích xuất, khuếch đại và phát hiện các axit nucleic do Ruihua Tang và cộng sự phát triển thiết bị cho phép phát hiện vi khuẩn Salmonella typhilurium với giới hạn dưới 102 CFU.ml-1 trong nước thải và 103 CFU.ml-1 trong sữa hoặc nước ép trong khoảng 1 giờ [40, 42]. 1.5.2.3 Tạo lập hình ảnh nguồn bệnh Bước thứ hai trong chẩn đoán bệnh liên quan đến các hình ảnh bên trong cơ thể. Công nghệ nano có tác động rất lớn trong lĩnh vực này, chúng cho phép xây dựng các hình ảnh bên trong mô sống ở cấp độ phân tử mà không cần thực hiện quá trình phẫu thuật. Chẩn đoán hình ảnh Các kỹ thuật như X-quang, chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT), siêu âm (Ultrasound - US), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging - MRI) và y học hạt nhân (Nuclear medicine - NM) là các kỹ thuật tạo lập hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong y học và nghiên cứu sinh hóa. Ban đầu, các kỹ thuật này chỉ có thể phát hiện những thay đổi lớn bên trong mô, khi mà các triệu chứng của bệnh đã tương đối nặng. Gần đây, tác nhân hướng đích và hóa chất tăng độ tương phản đã được sử dụng nhằm đánh dấu các tế bào bệnh, điều này cho phép tăng tính chuyên biệt và độ phân giải của hình ảnh [42]. 1.6 Một vài ưng dụng vật liệu nano phát quang khác Các nano tinh thể huyền phù được lắng đọng thành các lớp xếp chặt chẽ hoặc được cấy trong polymer (PPV) đã được sử dụng trong các ứng dụng điện huỳnh quang, phát xạ laser, và các hiệu ứng nhớ [1]. Hạt nano phát quang còn được dùng để chế tạo màn hình hoặc các thiết bị quang điện như thiết bị ACTFEL, Laser, ghi ảnh tế bào như bio-labeling,... Ngoài ra, nano tinh thể bán dẫn còn được 42 sử dụng làm pin mặt trời với chi phí thấp, làm vật liệu phát quang (phosphor) cho LED, dùng trong việc chế tạo mực in phát quang và vật liệu bảo mật,... Đối với lĩnh vực ứng dụng trong sinh học, các nano tinh thể trong pha nước đã được gắn với các phân tử sinh học, tạo thành các đầu dò huỳnh quang hay cảm biến sinh học có tính ổn định và độ nhạy cao hơn hẳn các chất màu hữu cơ. Hiện nay, các kỹ thuật dùng vật liệu nano để phát hiện thuốc trừ sâu qua tính chất quang đã được phát triển và có nhiều công bố. Ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu, chế tạo thành công các hạt nano phát quang cho mục đích xác định dư lượng thuốc trừ sâu, dựa vào hiệu ứng huỳnh quang của hạt nano phát quang khi được kích thích một cách thích hợp. Cụ thể hơn, cảm biến phát hiện thuốc trừ sâu sử dụng hạt nano phát quang hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ huỳnh quang của hạt nano phát quang khi có sự xuất hiện của thuốc trừ sâu với nồng độ khác nhau, so với khi không có mặt thuốc trừ sâu. Tuy vậy, không thể sử dụng trực tiếp hạt nano phát quang ngay sau khi chế tạo, mà phải biến đổi, chức năng hóa bề mặt hạt nano phát quang một cách thích hợp. Enzyme acetylcholinesterase được gắn lên bề mặt hạt nano phát quang. Enzyme là chất xúc tác cho một phản ứng sinh hóa nhất định nào đó và có tính đặc hiệu rất cao. Kết quả là tính chất của pha chứa các hạt nano phát quang sẽ khác nhau khi có và không có dư lượng thuốc trừ sâu. Sự khác nhau này làm thay đổi sự phát quang của các hạt nano phát quang đang được xét đến. Chính nhờ sự thay đổi đó mà ta có thể phát hiện ra sự có mặt của thuốc trừ sâu trong dung dịch [14]. Gần đây, tinh thể nano huỳnh quang pha tạp đã được tổng hợp trong pha nước, sử dụng 3-Mercaptopropionic acid như tác nhân phủ dưới sự hỗ trợ của vi sóng sau khi chuyển từ pha hữu cơ [5]. Tinh thể nano có khả năng phát huỳnh quang cao được sử dụng để dán nhãn các kháng nguyên để phát hiện globulin miễn dịch của con người (IgG) dựa trên sự phát huỳnh quang cộng hưởng năng lượng chuyển tiếp chỉ ra nhiều hứa hẹn cho việc ứng dụng trong cảm biến sinh học và hình ảnh tế bào. 43 1.7 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, vật liệu nano phát quang đã được nghiên cứu tổng hợp thanh công với đa dạng hình thái, màu sắc cũng như kích thước ở trong nước cũng như trên thế giới. Tuy nhiên, điều kiện tổng hợp các hạt nano phát quang rất là khắc nhiệt với những điều kiện tổng hợp đã và đang sử dụng những hóa chất với giá thành và tính độc hại cao. Hơn thế, nhiệt độ phản ứng rất cao và gây nguy hiểm cho bản thân chính các nhà khoa học cũng như các bước thực hiện phản ứng phức tạp, thời gian thực hiện phản ứng kéo dài lên đến hàng chục giờ. Để khắc phục những mặt còn hạn chế trong quy trình tổng hợp hạt nano phát quang thì trong luận văn này, đề tài được tiến hành với mục đích tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:Mn, ZnSe:Cu , ZnSe:Mg và ZnSe:Ag trong môi trường nước, có sử dụng chất ổn định MPA, PVA, PEG và TINH BỘT nhằm tổng hợp ra hạt nano phát quang có tính tương thích cao với tế bào sinh học, phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng để phát hiện nhanh những vi khuẩn gây bệnh. 44 Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất và thiết bị Các hóa chất được cung cấp từ các hãng Acros, Sigma Aldrich, Merck với chất lượng cao và phù hợp mục đích sử dụng cho tổng hợp hóa học và phân tích. Thiết bị và dụng cụ Dụng cụ: - Bình cầu 3 cổ, bình cầu cổ nhám hai cổ, ống nhỏ giọt; ống đong; pipette; cá từ; becher ống tiêm, ống pi và các dụng cụ khác. Thiết bị - Tủ sấy, bồn siêu âm. - Cân phân tích (Bo-1218): Max 120g; độ chính xác 10-4g (0.1mg). - Máy khuấy từ Favorit: U = 230(V); f = 50(Hz); P = 50(W). - Máy li tâm Hermle Z206A. - Đèn UV UVGLUVP Model UVGL-58 Handheld, 6 Watt UV Lamp, 254/365nm, Wavelength, Upland, CA, USA. - Đo cường độ phát quang (PL) bằng máy huỳnh quang FL-7000 HI- TACHI. - Đo UV-Vis bằng máy Optizen 2120UV. - Đo XRD bằng máy VG multi-lab ESCA 200 system model sử dụng nguồn phát xạ: Cu, Kα (λ= 1.5418 Å). - Đo XPS Thermo Scientific nguồn kích thích tia X A1 K (1486,6 eV) VG Multi-lab ESCA 200. - Đo TEM bằng máy JEM 2100F với thế tăng tốc 200 kV. - Đo IR bằng máy FT – IR Spectrometer Brucker Equinox 55. 45 Bảng 2. 1. Danh mục hóa chất Hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết Zinc acetate (Zn (CH3COO)2.2H2O) Merck 99.9% Manganese (II) Chloride (MnCl2) Merck 99.9% Silver nitrate (AgNO3) Merck 99.9% Copper (II) Chloride Merck 99% Magnesium sulfate China 98% 3-mercaptopropionic acid (MPA) Merck 99% Tinh bột (Starch) Merck 99% PVA-124 Merck 99% PEG-1500 Merck 99% Lysine Merck 99% Sodiumborohydride (NaBH4) Merck 98% Selenium powder (Se) Merck 99% Nước cất – Deionized water Sodium hydroxide (NaOH) Merck 99% Iso propyl alcohol China 99.7% Copper(II) chloride dihydrate(CuCl2.2H2O) Merck 99% 46 2.2 Tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA, PVA, PEG, TINH BỘT 2.2.1 Quy trình tổng hợp của ZnSe sử dụng chất ổn định MPA trong môi trường nước Chuẩn bị : Dung dịch NaHSe được điều chế từ bột Se, NaBH4, và nước trong môi trường khí N2. Chuẩn bị hệ phản ứng: bình cầu 3 cổ có chứa hỗn hợp dung dịch như sau: 10 ml kẽm acatate 0.1 M, 90 ml nước, và 40 ml dung dịch acid mercaptopropionic (MPA) 0.1 M. Sau đó, hệ phản ứng được khuấy trộn đều và đuổi không khí bằng khí N2 trong vòng 30 phút. Cho dung dịch NaHSe đã được điều chế vào hỗn hợp phản ứng trên, tiếp tục khuấy trộn tại nhiệt độ 90. Phương trình phản ứng Zn2+ + HSe- + OH- → ZnSe + H2O Sản phẩm thu được được kết tinh lại trong dung môi isopropyl alcohol – IPA và được rửa lắng gạn nhiều lần, và ly tâm, sấy khô trong chân không tại nhiệt độ phòng để thu hồi sản phẩm chất rắn cho việc phân tích cấu trúc, thành phần hỗn hợp và tính chất quang học của các chấm lượng tử [51]. 47 2.2.2 Quy trình tổng hợp của ZnSe:X (X:Mn, Cu, Mg, Ag) sử dụng chất ổn định MPA (PVA, PEG, TINH BỘT) trong môi trường nước Hình 2. 1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano phát quang cấu trúc ZnSe:Mn/MPA. Chuẩn bị hệ phản ứng: bình cầu 3 cổ có chứa hỗn hợp dung dịch bao gồm 10 ml dung dịch kẽm acetate 0.1 M, V1 (ml) dung dịch Xn+ , V2 ml nước cất, và thể tích tương ứng dung dịch chất ổn định bề mặt MPA (PVA, PEG, TINH BỘT). 10 ml dd Zn 2+ 0,1 M + V1 ml dd X 2+ + V2 ml H 2 0 (X: Mn, Cu, Ag, Mg) Dd MPA / PEG / PVA / TINH BỘT t = 4h Để nguội Sản phẩm Rửa sản phẩm (2-3 lần) Khuấy Bình Phản ứng DD NaHSe Isopropyl alcohol Sục N 2 30 phút pH = 3-9 H¸ ph§n í QJ ÿm ç c khu' y trÝ Q ÿ ¯ X Yj ÿX Ù i không khí b µ ng khí N2 trong vòng 30 phœt, pH cºa dung dˇch là 3 -9 (tøy vào kim lo ¥i pha t¥p) [18]. Dung d ˇFK 1D+6H ÿm ç F ÿ L ¯u chˆ t ï bÝ t Se, NaBH4 Yj Qmß c c' t trong môi WUmÆng chân không. Cân 0.0395g Se và 0.0378g NaBH4 cho vào bình ph §n í ng, rœt hˆ t không khí trong bình. TiŒm nhanh 0. POQm ß c c' t vào bình ph§n í ng, ph§n í ng x§y ra tí c thì t ¥o dung dˇch trong suÕ t, WDWKXÿmç c dung dˇch NaHSe [51]. 3KmkQJWUuQKSK§n í ng: 4NaBH4 + 2Se + 7H22
: 1D+6H1D 2B4O7 + 14H2 TiŒm nhanh dung dˇch NaHSe ÿ mÿm ç Fÿ L ¯u chˆ vào h Û n hç p ph§n í ng trŒn và ti ˆp tØc khu' y trÝ n t¥i nhi¸ Wÿ Ý kh§o sÆt trong vòng 4 h. 3KmkQJWUuQKSK§n í ng chính: Zn2+ + HSe- + OH-
:=Q6H+ 2O Sau ph§n í ng, h¸ ÿ m ç F ÿ mD Y ¯ nhi¸ W ÿ Ý WKmÆQJ ÿ ˙ kˆ t thœc ph§n í ng và chu›n b ˇcho vi¸c phân tích s §n ph›m. 2.3
iQKJLiKL ¸ XQ
QJSKiWTXDQJFº a s§n ph› m khi g ‡n vß i axit amin. Thuyˆ t minh quy trình: CÆc s§n ph› P TXDQWXP GRWVGmç c phân tÆn l¥i vào WURQJ Qmß F Yj ÿ m ç c cho thŒm axit amin (Lysine) vào dung dˇch. HÛ n hç S VDX ÿy ÿ m ç c do UV- 9LVYj3/ÿ ˙ [iFÿ ˇnh cÆc tính ch' t quang [45,46]. ¾ 3KmkQJSKiSWKı c hi¸n: 49 Bước 1: Phân tán lại các mẫu đo Chuẩn bị : Mẫu đo được chuẩn bị bằng cách như sau: Cho vào ống nghiệm 0,01 g mẫu rắn sản phẩm quantum dots ZnSe/ZnS:X (X: Mn, Cu, Ag, Mg), sau đó cho thêm 10mL H2O. Hỗn hợp được đánh siêu âm khoảng 5 phút để được khuấy trộn đều. Bước 2: Đánh giá hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi được gắn với axit amin Lysine a) Đánh giá độ hấp thu của mẫu khi được gắn với axit amin bằng phương pháp đo UV. Các mẫu được phân tán lại sẽ được do UV để đánh giá độ hấp thu. Sau đó tiếp tục cho thêm 0,1 ml axit amin Lysine 0,3% mỗi 10 ml rồi đo UV để đánh giá khả năng phát quang của mẫu. b) Đánh giá sơ bộ hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi được gắn với axit amin (sử dụng phương pháp đo quang phổ huỳnh quang). Các mẫu được phân tán lại sẽ được cho 0,1 ml axit amin Lysine 0,3% mỗi 10 ml rồi đo PL để đánh giá khả năng phát quang của mẫu. c) Đánh giá khả năng định lượng của hệ nano phát quang đối với axit amin (sử dụng phương pháp đo quang phổ huỳnh quang). Mẫu MPA - ZnSe:X (X:Ag, Mg, Cu) được sử dụng để kiểm tra độ tuyến tính của tín hiệu đối với lượng axit amin cho thêm. Mẫu sẽ được để trong cuve thạch anh 3ml rồi cho axit amin thêm dần như trong bảng. Lượng axit amin được cho vào mẫu theo thứ tự bảng 2.2 dưới đây. 50 Bảng 2. 2. Thể tích axit amin Lysine trong mẫu đo PL. STT Lượng Lysine 0,1% (µl) 0 0 1 50 2 100 3 150 4 200 5 250 6 300 51 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA 3.1.1 Khảo sát điều kiện tổng hợp ZnSe Tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong môi trường nước và có sử dụng MPA làm chất ổn định để hỗ trợ phân tán, được kiểm tra bằng phổ hấp thu và phổ huỳnh quang. Hình 3.1 chỉ ra độ hấp thu của tinh thể nano ZnSe được tổng hợp ở các điều kiện pH khác nhau. Dựa vào phổ UV-Vis ta thấy rằng tinh thể nano ZnSe hấp thụ bức xạ ở khoảng bước sóng khoảng 345 – 365 nm. Kết quả ghi nhận được phù hợp với việc sử dụng nguồn kích thích có bước sóng 365 nm để theo dõi tính chất huỳnh quang của các tinh thể nano ZnSe bằng mắt thường. Dựa vào phổ UV-Vis ta thấy đỉnh hấp thu chuyển dịch không đáng kể chứng tỏ kích thước của hạt thay đổi không đáng kể khi ta thay đổi pH hoặc thời gian phản ứng. Khoảng bước sóng này phù hợp với mức năng lượng vùng cấm (band gap) của tinh thể ZnSe. Hình 3. 1. Phổ UV hạt nano phát quang của ZnSe trong môi trường nước. 52 Hình 3. 2. Hình ảnh các hạt nano phát quang ZnSe/MPA phân tán trong môi trường nước [53]. Hình 3.2 cho thấy dung dịch các hạt nano ZnSe phân tán tốt trong dung dịch nước vì chúng trong suốt không màu khi ở nhiệt độ thường và phát huỳnh quang màu xanh lơ khi chiếu đèn UV với bước sóng 365 nm. Hình 3. 3. Phổ huỳnh quang của ZnSe/MPA phân tán trong môi trường nước [53]. 53 Hình 3.3 là phổ huỳnh quang của các hạt hạt nano phát quang ZnSe được phân tán trong dung dịch nước. Điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe thời gian phản ứng là 3 giờ và pH là 6.5 được chọn từ kết quả phổ huỳnh quang trong hình 3.3. Phổ huỳnh quang cho xuất hiện hai mũi phổ tại 395nm và 510 nm lần lượt tương ứng với mức năng lượng band gap của ZnSe và mức năng lượng của những điện tử bẫy ở bề mặt bị khiếm khuyết. Kết quả này phù hợp với những nghiên cứu trước đây và phù hợp với màu xanh lơ trong hình 3.2. Hình 3. 4. Phổ IR của MPA và hạt nano phát quang ZnSe [53]. Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA được gắn kết lên bề mặt tinh thể ZnSe nhờ liên kết S – H . Hình 3.4 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu ZnSe, nhóm chức S-H của MPA không còn, các dao động của -OH 54 và C=O cũng bị giãn ra do không còn ảnh hưởng của nhóm S-H nữa chứng tỏ nó đã hình thành liên kết trên bề mặt của tinh thể ZnSe. Đồng thời vẫn còn dao động -OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên chứng tỏ nhóm –COOH vẫn còn, nhờ đó giúp tăng khả năng phân tán trong nước và các hạt nano phát quang này có ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tế bào sinh học hơn. Dao động –OH tại 3300-3400 cm-1 to tròn hơn chứng tỏ trong tinh thể nano vẫn còn nước. Hình 3. 5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano phát quang ZnSe với điều kiện pH và thời gian khác nhau [53]. Giản đồ nhiễu xạ tia X được trình bày trong hình 3.5 cho thấy các hạt nano phát quang ZnSe có cấu trúc tinh thể giả kẽm, lập phương tâm diện. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X tinh thể được hình thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) vì có các mũi nhiễu xạ tại 26.870, 47.360 và 54.170 tương 55 ứng với các mặt phẳng (111), (220), (311). Điều kiện pH và thời gian phản ứng không ảnh hưởng đến cấu trúc của tinh thể hạt ZnSe. Hình 3. 6. Hình phân bố DLS của hạt nano phát quang ZnSe [53]. Hình phân bố DLS với mũi phổ hẹp cho thấy sự phân tán của các hạt nano phát quang ZnSe trong pha nước là đều đặn, độ phân tán kích thước của các hạt hẹp. Kích thước hạt ở khoảng 20 nm là do quá trình solvat hóa là kích thước hạt to ra trong môi trường nước. Kết quả có thể kết luận, các hạt có kích thước tương đối đồng nhất. Kết quả chụp TEM (hình 3.7) cho thấy kích thước trung bình của hạt nano phát quang là 4.6 nm. Hạt nano phát quang thu được là có cấu trúc tinh thể, và các hạt có kích thước tương đối đồng nhất. 56 3.1.2 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Mn Mn pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong môi trường nước, có sử dụng chất ổn định MPA là chất hỗ trợ phân tán được kiểm tra độ hấp thu và huỳnh quang. Hình 3.8 biểu thị độ hấp thu của tinh thể nano ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp khác nhau. Có mũi hấp thu ở bước sóng ở khoảng 325 – 327 nm. Dựa vào phổ UV-Vis ta thấy đỉnh hấp thu chuyển dịch không đáng kể chứng tỏ kích thước của hạt thay đổi không đáng kể khi ta thay đổi hàm lượng Mn pha tạp. Hình 3. 7. Hình chụp TEM hạt nano phát quang ZnSe [53]. 57 Hình 3. 8. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp khác nhau. Khi chiếu dưới đèn UV thì ZnSe pha tạp Mn phát ra ánh sáng cam, là kết quả của sự chuyển tiếp tâm ion của Mn2+ từ 4T1 tới 6A1 tại bước sóng 585-595 nm (hình 3.8) , nhìn chung khi nồng độ Mn pha tạp tăng thì cường độ phát huỳnh quang tăng, tăng từ 1% đến 3% sau đó giảm. Độ nhạy huỳnh quang khi tăng hàm lượng Mn pha tạp vì nhiều ion Mn2+ trên tinh thể ZnSe làm tăng sự phát huỳnh quang của Mn pha tạp. Tuy nhiên nếu hàm lượng Mn nhiều thì sẽ sinh ra tương tác từ trường của Mn-Mn, làm giảm hiệu suất huỳnh quang. Hình 3.9 cho thấy ở nồng độ pha tạp 3% thì nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định MPA có cường độ phát quang cao nhất, sau đó đến 1, 5,7%. 58 Hình 3. 9. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn-MPA ở các nồng độ pha tạp khác nhau. Hình 3. 10. Hình ảnh trước và sau khi chiếu đèn UV của nano phát quang ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp 1-3-5-7 (từ trái sang phải). 59 Số sóng (cm-1) Đ ộ t ru y ền q u a (% ) Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt tinh thể ZnSe không. Hình 3.11 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu ZnSe:Mn pha tạp với hàm lượng 1,3,5,7%, nhóm chức S-H của MPA không còn đồng thời các dao động của –OH và C=O được giãn ra do không còn tác nhân hút điện tử của S-H kìm hãm chứng tỏ nó đã hình thành liên kết trên bề mặt của tinh thể ZnSe. Vẫn còn các dao động -OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên chứng tỏ nhóm –COOH vẫn còn. Nhờ đó, giúp tăng khả năng phân tán trong nước và giúp cho nó có những ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tác nhân sinh học hơn [47,48]. Hình 3. 11. Phổ hồng ngoại IR của MPA và nano phát quang ZnSe:Mn pha tạp. Cấu trúc tinh thể của ZnSe:Mn được xác định bởi giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt trên hình 3.12. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ta thấy tinh thể hình thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) vì có các peak nhiễu xạ tại 27.370, 45.470 và 53. Như vậy, việc pha tạp Mn vào trong tinh thể ZnSe không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ZnSe ban đầu. 60 Hình 3. 12. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/MPA ở các nồng độ pha tạp khác nhau. 3.1.3 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Ag Ag pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong pha nước, có sử dụng chất ổn định MPA là chất hỗ trợ phân tán, tinh thể nano ZnSe:Ag được kiểm tra độ hấp thu và huỳnh quang. Hình 3.13 chỉ ra độ hấp thu của tinh thể nano ZnSe:Ag ở các hàm lượng pha tạp Ag khác nhau. 61 Hình 3. 13. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Ag ở các nồng độ pha tạp khác nhau. Phổ UV cho thấy có độ hấp thu nhẹ ở vùng bước sóng khoảng 320nm là sự hấp thu của các thành phần hữu cơ và hấp thu tại vùng 345-355 nm là vùng hóa trị (bandgap) của các hạt nano từ nguyên tố kẽm [49]. Từ nồng độ Ag pha tạp từ 0.5% - 3% thì phổ UV gần như nhau, không thay đổi cho thấy kích thước và độ phân tán của các hạt nano này tương tự nhau. Nhưng khi tăng nồng độ Ag pha tạp lên 5-7% thì mũi phổ mất dần, điều này cho thấy có sự tạo thành polycrystals – chuỗi các hạt nano kết dính lại với nhau hơn. 62 Hình 3. 14. Phổ PL của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag (0.5%-7% ). Khi tiến hành pha tạp Ag với những nồng độ (0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%) khác nhau, ta thấy ở (Hình 3.14) khi nồng độ tăng thì cường độ phát quang tăng từ 0.5 % tới 1% và giảm dần khi ở nồng độ pha tạp từ 3% đến 7%. So sánh với cường độ phát quang của ZnSe không pha tạp với cường độ phát quang của hạt ZnSe được pha tạp kim loại Ag ta thấy cường độ phát quang khi pha tạp kim loại Ag tăng lên gấp nhiều lần. Khi nồng độ pha tạp tăng cũng làm dịch chuyển mũi phổ về phía bước sóng dài hơn điều này cũng chứng tỏ rằng khi pha tạp tăng làm cho bán kinh nano tăng. Điều này chứng tỏ rằng khi tăng nồng độ pha tạp của Ag thì kích thước của hạt có thể bị thay đổi lớn hơn (từ 3-7%) hoặc sự sắp xếp của các ion bạc trong tinh thể nano tại các vùng kích thích khác nhau, nên sự giải phóng năng lượng của các electron tại các vùng này cho ra các mức năng lượng khác nhau, dẫn đến bước sóng dịch về bước sóng dài hơn. 63 Hình 3. 15. Mẫu ZnSe:Ag (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV. Hình 3.15 cho thấy hình ảnh của mẫu tổng hợp ZnSe:Ag ở điều kiện phản ứng 4 giờ và pH = 7 (hàm lượng pha tạp của Ag lần lượt là 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7 %) ở điều kiện khi chiếu đèn UV ở bước sóng 365 nm. Màu của dung dịch nano phát quang màu xanh ứng với bước sóng 430-470 nm trong phổ PL (hình 3. 14). Hình 3. 16. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag-MPA ở nồng độ pha tạp khác nhau và MPA. Số sóng (cm-1) Đ ộ t ru y ền q u a (% ) 64 Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt tinh thể ZnSe không. Hình 3.16 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu ZnSe:Ag pha tạp với hàm lượng 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%, nối liên kết S-H của MPA không thể hiện trên hạt nano phát quang sau khi được tổng hợp điều này đã cho ta thấy được giữa MPA và tinh thể nano đã hình thành liên kết. Nhờ đó, giúp tăng khả năng phân tán trong nước và giúp cho nó có những ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tế bào sinh học hơn [47,48]. Ngoài ra dao động –O