Chế tạo dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+/Tb3+ khác nhau bằng phương pháp Microwave. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất vật lý của dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O bằng các phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, FESEM, TEM và huỳnh quang. Xử lý bề mặt dây nano, bọc các dây nano bằng silica và chức năng hóa bề mặt bằng việc gắn với nhóm amin. Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde). Ứng dụng thử nghiệm trong việc nhận dạng virus sởi.
Trang 1Chế tạo và tính chất của vật liệu dây nano (Eu, Tb) PO4.H2O nhằm ứng dụng trong y sinh
Abstract Chế tạo dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+/Tb3+
khác nhau bằng phương pháp Microwave Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất vật lý của dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O bằng các phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, FESEM, TEM và huỳnh quang Xử lý bề mặt dây nano, bọc các dây nano bằng silica và chức năng hóa bề mặt bằng việc gắn với nhóm amin Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde) Ứng dụng thử nghiệm trong
việc nhận dạng virus sởi
Keywords Linh kiện nano; Vật liệu sinh học; Dây nano
Content
MỞ ĐẦU
Công nghệ nano là một công nghệ chủ chốt với nhiều ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu y sinh [13,15, 27, 36] Trong những năm gần đây, huỳnh quang của các phức lantanit được tập trung nghiên cứu ngày càng nhiều do tính chất quang vật lý hấp dẫn của chúng [8, 10, 27, 28, 32, 33, 40, 43] Ưu điểm của các phức lantanit có các đặc trưng như: thời gian sống huỳnh quang dài, độ dịch chuyển Stock lớn, độ rộng phổ hẹp rất hữu ích cho việc đánh dấu huỳnh quang, làm đầu dò, làm cảm biến cho việc xét nghiệm, siêu âm trong phòng thí nghiệm và chụp ảnh trên cơ thể người [6,15, 35] Các lantanit kích thước nano có
độ ổn định cao, dễ chế tạo và dễ chức năng hóa [22, 23] Một trong các vật liệu huỳnh quang của các lantanit là các vật liệu nano dạng thanh chứa ion Tb3+ và Eu3+ có triển vọng lớn trong các ứng dụng y sinh học [31, 36, 39, 40, 44]
Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào (1 -100 nm), virus (20-450nm), protein (5-50 nm), DNA (2nm rộng và 10 -100 nm chiều dài) Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus [1] Ứng dụng của vật liệu nano trong sinh học rất rộng rãi như là phân tách tế bào, nhiệt trị, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân, ứng dụng trong hóa học xanh (phân tích và tổng hợp vật liệu) [40] Trong phân tích y sinh, vật liệu nano có rất nhiều ưu điểm như giảm kích thước, khối lượng mẫu phân tích, làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, giảm thiểu lượng hóa chất phân tích, dẫn truyền thuốc
Trang 2Trên thế giới các nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực vật liệu nanô và công nghệ nanô bắt đầu đạt được một số kết quả có tính đột phá không những trong nghiên cứu các quá trình sinh học mà còn góp phần quan trọng trong công tác khám chữa bệnh, nâng cao sức khoẻ cho cộng đồng [32] Trong đó, đáng kể nhất là các cảm biến quang sinh y trên cơ sở vật liệu nanô phát huỳnh quang Cảm biến quang sinh y ngày càng trở thành công cụ quan trọng để phát hiện các thành phần quan trọng của cơ thể sống như các phân tử protein, polipeptid, axit nucleic, hay các tổ chức sống vi mô như tế bào và virus Trong y tế chúng góp phần xác định sớm và rõ ràng căn nguyên bệnh để có các biện pháp phòng chống và chữa trị thích hợp, và hiệu quả
Phương pháp đánh dấu sinh học bằng đồng vị bức xạ ngắn ngày do Yalow và Berson phát minh từ 1959 và đã được ứng dụng từ lâu vì có độ nhậy rất cao (10-9
-10-11), nhưng do tính nguy hiểm và về chu kì bán huỷ của phóng xạ ngắn ngày, nên việc phổ cập rất hạn chế Bên cạnh đó các phương pháp đánh dấu (label) hoặc nhuộm mầu (staining) bằng các vật liệu phát quang ngày càng được phát triển, đến nay đã trở thành một trong các công nghệ cảm biến sinh học quan trọng nhất trong lĩnh vực xét nghiệm sinh học, y tế [16, 38]
Các vật liệu phát quang thường dùng trong lĩnh vực đánh dấu huỳnh quang y sinh có thể chia làm 3 loại: Các chất mầu hữu cơ, các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn, vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm
Các chất mầu hữu cơ, như Fluorescence hay Rodamine, là các vật liệu truyền thống, hiện vẫn được dùng Tuy nhiên, do không bền trong môi trường sinh học nên việc sử dụng chúng có phần bị hạn chế về độ nhạy, độ ổn định và tính chọn lọc [16, 18, 35]
Gần đây các vật liệu nano kiểu quantum dot bán dẫn loại ZnS hay CdSe, do tính chất huỳnh quang đặc biệt nổi trội, lại rất bền và tan tốt trong nước đã được tập trung phát triển thành công nghệ đánh dấu huỳnh quang sinh học rất có triển vọng [18, 21] Tuy nhiên, các vật liệu nguồn ZnS hay CdSe lại có nhược điểm là tính độc hại cao của nên việc ứng dụng chúng trong thực tế gặp nhiều khó khăn Chính vì vậy, vài năm gần đây việc tìm kiếm loại vật liệu mới không độc hại để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang nông y sinh ngày càng trở nên cấp thiết Vì vậy một loại vật liệu có thể đáp ứng yêu cầu trên là vật liệu huỳnh quang chứa các ion đất hiếm [38]
Trong nước, công việc nghiên cứu cơ bản về vật liệu, nhằm chế tạo các cảm biến quang y sinh đã bắt đầu được một vài năm nay, chủ yếu nằm trong hướng nghiên cứu khoa học và công nghệ nanô, được Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu khởi xướng từ năm 1997 Rất gần đây các nghiên cứu vật liệu nanô chứa đất hiếm phát quang mạnh nhằm chế tạo cảm biến quang sinh y mới bắt đầu được quan tâm đầu tư
Cho đến nay, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nanô vào lĩnh vực y sinh ở nước ta, có thể nói đã có một kết quả bước đầu về nghiên cứu cơ bản đạt trình độ cao trong khu vực và quốc tế Như kết quả nghiên cứu chế tạo quantum dot bán dẫn và ứng dụng của các tập thể GS Nguyễn Quang Liêm, PGS Phạm Thu Nga, PGS Nguyễn Xuân Nghĩa và tập thể khoa học của PGS Trần Hồng Nhung v.v Tất cả các tập thể khoa học nêu trên sau nhiều năm kiên trì và miệt mài nghiên cứu đã chế tạo được các vật liệu quantum dot bán dẫn
và các đặc tính quang điện tử nổi trội của chúng Các kết quả được cộng đồng khoa học trong nước, khu vực và quốc tế đánh giá cao và quan tâm hợp tác nghiên cứu phát triển
Kết quả nổi bật trong hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang nanô và ứng dụng đánh dấu sinh học có thể kể đến là kết quả đề tài cấp Viện KH&CN Việt nam do GS.TS Nguyễn Quang Liêm chủ trì, nghiệm thu năm 2007 Đề tài đã tổng hợp thành công các Quantum dot bán dẫn hợp chất II-VI loại CdSe (CdTe) và CdSe (lõi)/CdS, ZnSe, ZnS (vỏ) Ngoài ra, đề tài cũng đã chế tạo thành công hạt vàng Au và hạt nanô La(Ce)PO4: Tb kích thước nanômet Đề tài đã xây dựng thành công qui trình đánh dấu huỳnh quang các tế bào nấm men, tế bào động vật, vi khuẩn khi sử dụng quantum dot thương phẩm Qtracker Đề tài cũng đã thử nghiệm đánh dấu sinh học bằng các quantum dot CdSe/CdS/ZnS tự chế tạo Kết
Trang 3luận rút ra các quantum dot có kích thước đồng đều, phân tán tốt trong nước nên có khả năng
tự xâm nhập tế bào mà không cần trợ giúp của dịch mang/đẩy Các hạt nanô vàng Au và hạt nanô La(Ce)PO4:Tb, chưa có điều kiện nghiên cứu ứng dụng trong y sinh
Theo một hướng khác, tập thể khoa học của PGS Trần Kim Anh và GS Lê Quốc Minh đã kiên trì nghiên cứu phát triển các phương pháp tổng hợp mới vật liệu nanô chứa các đất hiếm như Y, Eu, Tb, Er, Yb, Gd v.v và tập trung nâng cao hiệu suất phát quang của chúng Hiện tại tập thể khoa học đã bắt đầu làm chủ được công nghệ chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm các loại cụ thể chứa các nguyên tố Eu, Tb, Y, Er, Gd và Yb phát huỳnh quang mạnh Nghiên cứu chế tạo các thanh nanô chứa các ion đất hiếm mới được nghiên cứu trong vài năm gần đây nhằm ứng dụng trong y sinh học mở ra một hướng nghiên cứu nhiều triển vọng [31, 35, 37, 39]
Trên cơ sở đề tài độc lập cấp nhà nước của GS.TS Lê Quốc Minh Nghiên cứu chế tạo
vật liệu nanô chứa đất hiếm huỳnh quang mạnh nhằm liên hợp sinh học để phát triển công nghệ đánh dấu huỳnh quang có triển vọng ứng dụng trong nông y sinh”, thực hiện từ tháng 6
năm 2009 đến tháng 6 năm 2012, chúng tôi đã thực hiện đề tài luận văn „Chế tạo và tính chất
của vật liệu dây nano Eu/TbPO 4 H 2 O nhằm ứng dụng trong y sinh’’ là một phần trong đề tài
của tập thể với mục đích:
Tổng hợp thanh nano chứa các ion đất hiếm Tb3+, Eu3+ có khả năng phát quang cao Khảo sát khả năng tương thích sinh học nhằm ứng dụng trong việc đánh dấu huỳnh quang, thử nghiệm với virus sởi hoặc rota
Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nêu trên như: phương pháp sol gel, phương pháp dựa vào phản ứng nổ, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp khuôn mềm (Soft-template), phương pháp khuôn mềm có sự hỗ trợ của vi sóng áp suất cao, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp microwave [7, 11, 33] Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng.Trong nghiên cứu này phương pháp Microwave có ưu điểm là giảm thời gian phản ứng, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc, tránh mất mát năng lượng được chúng tôi sử dụng với mục đích cụ thể sau [33]:
Mục đích và phương pháp nghiên cứu:
Chế tạo dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O với các tỷ lệ nồng độ Eu3+/Tb3+ khác nhau bằng phương pháp Microwave
Xử lý bề mặt dây nano, bọc các dây nano bằng silica và chức năng hóa bề mặt bằng việc gắn với nhóm amin
Gắn kết vật liệu dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O đã chức năng hóa bằng amin với phần tử sinh học IgG thông qua cầu nối GDA (glutaraldehyde)
Ứng dụng thử nghiệm trong việc nhận dạng virus sởi
Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất vật lý của dây nano (Eu,Tb)PO4.H2O bằng các phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, FESEM, TEM và huỳnh quang
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu phát quang
Vật liệu phát quang là loại vật liệu có thể chuyển đổi một số dạng năng lượng thành bức xạ điện từ ở trên và dưới mức bức xạ nhiệt Bức xạ điện từ này nằm từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, thường nằm trong vùng nhìn thấy Để có vật liệu huỳnh quang có thể bị kích thích bởi nhiều loại năng lượng khác nhau: bức xạ điện từ, chùm điện tử phát ra từ cathode, kích thích vật liệu bằng hiệu điện thế hay dùng tia X để kích thích hoặc phản ứng hóa học
Trang 4Hình 1 1 Ion huỳnh quang A trong mạng của nó HEAT: sự trở về không bức xạ tới trạng
để kích thích các dao động mạng, có nghĩa là làm nóng mạng chủ Để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình không bức xạ này
Hình 1 2 Sơ đồ mức năng lượng của ion huỳnh quang A trong hình 1.1
Bức xạ kích thích có thể không bị hấp thụ bởi ion kích hoạt (A – activator) mà bởi các ion hoặc nhóm ion khác Các ion này có thể hấp thụ ánh sáng kích thích rồi truyền năng lượng (ET) tới các ion kích hoạt, khi đó ion hấp thụ được gọi là ion tăng nhậy (S - sensitizer) (Hình 1.3)
Trang 5Hình 1 3 Quá trình truyền năng lượng từ S tới A Dịch chuyển S→S* là hấp thụ, A2 *→A
là phát xạ Mức A 1 * được tích lũy nhờ sự truyền năng lượng, sẽ tắt dần không phát xạ tới
mức A 2 * Điều này ngăn cản mức chuyển đổi ngược
Ví dụ như bột phát quang dùng cho đèn ống Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+ Bức xạ tử ngoại không bị hấp thụ bởi Mn2+
mà bởi Sb3+ Dưới bức xạ tử ngoại, phát xạ gồm một phần mầu xanh da trời của Sb3+ và một phần mầu vàng của Mn2+ Bởi vì ion Mn2+ không bị kích thích một cách trực tiếp, năng lượng kích thích sẽ được truyền từ Sb3+ tới Mn2+
Nếu các ion kích hoạt ở nồng độ thấp, thay vì kích thích vào các ion này hay vào các ion tăng nhậy, chúng ta cũng có thể kích thích ngay vào mạng chủ Trong nhiều trường hợp mạng chủ truyền năng lượng kích thích của nó tới tâm kích hoạt, lúc này mạng chủ có tác động như một chất tăng nhậy
Tóm lại các quá trình vật lý cơ bản quan trọng trong vật liệu huỳnh quang là:
Sự hấp thụ năng lượng kích thích có thể thực hiện ở chính ion kích hoạt, ở ion tăng nhậy, hoặc mạng chủ
Phát xạ từ tâm kích hoạt
Hồi phục không bức xạ tới trạng thái cơ bản, quá trình này làm giảm hiệu suất phát quang của vật liệu
Truyền năng lượng giữa các tâm huỳnh quang
Trong công nghệ hiện đại, vật liệu huỳnh quang cũng có những ứng dụng hết sức to lớn như trong màn hình dao động ký, màn hình phẳng điện huỳnh quang mới hoặc các màn hình làm tăng hình ảnh dùng với thủy tinh… Trong công nghệ thông tin và viễn thông quang học, vật liệu huỳnh quang là vật liệu chính để chế tạo nguồn phát tín hiệu và mới đây đã thành công trong công nghệ khuếch đại sợi quang
Lĩnh vực nghiên cứu của vật liệu huỳnh quang rất đa dạng: các tinh thể huỳnh quang, các chất bán dẫn, các chất hữu cơ, các tâm huỳnh quang như các ion kim loại chuyển tiếp, đặc biệt các ion đất hiếm… Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang cũng như khả năng ứng dụng các vật liệu chứa các ion đất hiếm là một trong những hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm
1.2 Vật liệu nano phát quang
1.2.1 Vật liệu phát quang cấu trúc nano
Vật liệu phát quang cấu trúc nano là vật liệu huỳnh quang mà các nguyên tử, phân tử được sắp xếp các cấu trúc vật lí có kích thước cỡ nanomet Vật liệu nano có nhiều hình dạng: hạt nano (nanoparticles), thanh nano (nanorods), ống nano (nanotubes), các dây nano (nanowires), tấm nano, dải nano (nanobelts) Nhiều tính chất phát quang của vật liệu phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó Ở kích thước nano, cấu trúc tinh thể ảnh hưởng bởi số nguyên tử trên bề mặt, bởi hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử, do đó vật liệu
có các tính chất mới lạ so với mẫu dạng khối Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối là từ hai hiện tượng sau:hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng kích thước
1.2.2 Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm
1.2.2.1 Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) bao gồm: Sc, Y và các nguyên tố họ lantanit (Ln)
Họ lantanit bao gồm 15 nguyên tố: lantan (La), xeri (Ce), praseođim (Pr), neodim (Nd), prometi (Pm), samari (Sm), europi (Eu), gadolini (Gd), tecbi (Tb), dysprosi (Dy), honmi (Ho), ecbi (Er), tuli (Tm), ytecbi (Yb) và lutexi (Lu)
Cấu hình electron chung của các nguyên tố đất hiếm [45]:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 5s2 4p6 4d10 4fn 5dm 5p6 6s2
Trong đó: n thay đổi từ 0 đến 14
Trang 6m chỉ nhận các giá trị là 0 hoặc 1
Các nguyên tố đất hiếm tồn tại ở khắp nơi trên thế giới và được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như luyện kim, nam châm, gốm, điện tử học, hóa học, quang học, y học Đặc biệt tinh thể được ứng dụng nhiều trong khuếch đại sợi quang
Vì thế các nguyên tố họ Lanthanide là những kim loại được đặc trưng bởi sự lấp chưa đầy lớp điện tử 4f [15] Các nguyên tố này thường hình thành các ion hóa trị 3 (Ln3+) khi nó được cấy vào các mạng nền rắn Ngoài ra các nguyên tố Ce, Pr có số oxi hóa +4; Sm, Eu có thể có số oxi hóa +2 Cấu trúc của các ion hóa trị 3 trong cấu hình cơ bản là [Xe] 4fn 5s2 5p6, trong đó n = 0 † 14
Bảng 1 1 Các ion nguyên tố đất hiếm hóa trị 3 [5]
STT Nguyên tố
Ln
Cấu hình điện tử các nguyên tử Ln
Ion Ln3+ Cấu hình điện tử các
1.2.2.2 Các quá trình phát quang của hợp chất đất hiếm
Vật liệu phát quang sau khi hấp thụ photon từ ánh sáng kích thích phù hợp sẽ phát quang theo hai dạng là phát quang kiểu fluorescence (dịch quang), thời gian sống của bức xạ
cỡ từ 1-10 ns và phát quang kiểu phosphorescence (lân quang), thời gian sống của bức xạ cỡ trên 100 ns Các phát xạ kiểu fluorescence thường tuân theo cơ chế singlet và phát xạ kiểu phosphorescence tuân theo cơ chế triplet (hình 1.7) Hầu hết các quá trình huỳnh quang dựa trên cơ sở các hợp chất đất hiếm đều là các phát xạ kiểu phosphorescence với thời gian sống
từ vài trăm µs đến vài ms
Hình 1 4 Các quá trình phát quang có thể có khi vật liệu được kích thích
Trang 7Đối với một hệ phát quang dựa trên các hợp chất đất hiếm thường có hai quá trình huỳnh quang chính xảy ra bao gồm: quá trình bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt (activator) và quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác (hình 1.8)
Hình 1 5 Sơ đồ mức năng lượng của (a) quá trình bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp và
(b) quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác[3,5]
Quá trình bức xạ kích thích được hấp thụ trực tiếp bởi tâm kích hoạt thường xảy ra ở các hợp chất pha tạp đơn lẻ từng ion đất hiếm, ví dụ như Y2O3:Eu3+; Tb3+; Sm3+; Pr3+… Trong trường hợp này, tâm kích hoạt được nâng lên tới trạng thái kích thích A* sau đó quay
về trạng thái cơ bản A bởi quá trình phát bức xạ R hay hồi phục không phát xạ NR (hình 1.8 a)
Trong quá trình hồi phục không phát xạ, năng lượng của trạng thái kích thích được dùng để kích thích dao động mạng (làm nóng mạng chủ) Vì vậy, để tạo ra các vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu quá trình hồi phục không bức xạ này Đối với quá trình bức xạ kích thích bị hấp thụ bởi các ion hoặc nhóm các ion khác thì các quá trình xảy ra như sau: ban đầu, các ion hấp thụ hay còn gọi là ion tăng nhạy (S) ở trạng thái cơ bản sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích (λexc) sẽ chuyển lên trạng thái kích thích (S*) Tại đây nó có xu hướng hồi phục về trạng thái cơ bản và truyền năng lượng cho ion kích hoạt A bằng quá trình truyền năng lượng (ET), và đưa ion này lên trạng thái kích thích A1* Sau đó ion kích hoạt A ở trạng thái kích thích A1* có xu hướng hồi phục không phát xạ dần về các mức có năng lượng thấp hơn gần đó (A2*) và cuối cùng là quá trình hồi phục phát
xạ về trạng thái cơ bản A (hình 1.8 b)
Gần đây có nhiều nhóm nghiên cứu đang rất quan tâm nghiên cứu các quá trình phát quang, đặc biệt là các hiệu ứng phát quang truyền năng lượng, phát quang chuyển đổi ngược… của các các vật liệu nano pha tạp các ion đất hiếm như Eu3+
, Tb3+, Sm3+, Pr3+, Er3+,
Yb3+, Tm3+ nhằm nâng cao hiệu suất phát quang, tiết kiệm năng lượng và mở rộng sang các lĩnh vực ứng dụng mới
1.2.2.3 Phát quang truyền năng lượng[3]
Trong quá trình phát huỳnh quang truyền năng lượng, một ion bị kích thích ban đầu (donor - D) sẽ truyền năng lượng kích thích của mình cho một ion khác (acceptor - A) theo sơ đồ sau:
D* + A D + A*
Sự kích thích trên một ion có thể lan truyền sang một ion cùng loại khác ởtrạng thái cơ bản như là một kết quả của sự truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) khi chúng được định xứ gần nhau Khoảng cách giữa các ion mà tại đó xác suất của quá trình huỳnh quang và truyền năng lượng trở nên cạnh tranh nhau là cỡ vài Angstrom Sơ đồ của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng được mô tả trên hình 1.9
Quá trình truyền năng lượng là nguyên nhân làm tăng xác suất mà ở đó các kích thích quang học bị bẫy tại các vị trí khuyết tật hay tạp chất, dẫn đến tăng cường quá trình hồi phục không phát xạ, điều này gây ra sự dập tắt huỳnh quang do nồng
Trang 8độ Khi tăng nồng độ tâm kích hoạt, các quá trình hồi phục không phát xạ được tăng cường và kết quả là làm tăng sự khuếch tán của năng lượng kích thích từ ion này tới ion khác trước khi nó bị bẫy và phát xạ Sự suy giảm nồng độ của các tâm kích hoạt
sẽ kéo theo hiện tượng giảm năng lượng dự trữ bởi các ion Các kết quả thực nghiệm cho thấy, nồng độ ion kích hoạt thường có giá trị từ 1 đến 5% mol Quá trình truyền năng lượng giữa các loại ion khác nhau có thể diễn ra khi chúng có các mức năng lượng gần với nhau [26] Tuy nhiên sự truyền năng lượng có thể tăng cường (như đối với Eu3+→Tb3+
Trang 9Hình 1 7: Giản đồ mức năng lượng của các ion RE 3+
- Giản đồ Dieke
1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu
1.3.4 Phương pháp Vi sóng (Microwave)
Là phương pháp dùng vi sóng (micro-onde, microwave) sóng cực ngắn hay cũng gọi
là sóng siêu tần, sóng UHF (Ultra High Frequence wave) là sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh sáng, có chu kỳ từ 300MHz – 30 GHz
Vi sóng có thể đi xuyên qua được không khí, gốm sứ, thủy tinh, polime và phản xạ trên bề mặt các kim loại Độ xuyên thấu tỷ lệ nghịch với tần số khi tần số tăng lên thì độ xuyên thấu của vi sóng giảm Với một chất có độ ẩm 50% với tần số 2450 MHz có độ xuyên
là 10cm Ngoài ra, vi sóng có thể lan truyền trong chân không, trong điều kiện áp suất cao Năng lượng của vi sóng là nhỏ khoảng 10-6
eV trong khi năng lượng của một liên kết cộng hóa trị là 5eV nên vi sóng không là bức xạ ion hóa và nó vô hại với sinh vật
Nguyên tắc làm nóng vật: Làm nóng vật liệu không dùng sự truyền nhiệt thông
thường không làm nóng vật liệu từ bên ngoài vào mà từ bên trong ra Khi tác động của điện trường một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều điện trường này Cơ chế của hiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác giữa điện trường và các phân tử phân cực bên trong vật chất Trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao (2,45.109
Hz) điện trường này sẽ gây ra một xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử, đó chính là nguồn gốc gây lên sự nóng của vật chất Khi vi sóng đi tới vật liệu thì một phần nhỏ năng lượng của nó sẽ phản xạ lại còn lại thì sẽ bị vật liệu hấp thụ Năng lượng này chuyển hóa thành nhiệt lượng và làm nóng vật liệu
Ứng dụng của vi sóng:
Tổng hợp hóa học (kích hoạt phản ứng): Giảm thời gian phản ứng, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc
Phân tích: các chất hóa vô cơ, đo độ ẩm…
Kết hợp với các phương pháp hiện đại khác: quang hóa, âm hóa, xúc tác chuyển pha, chất lỏng ion…
Trang 10Ưu điểm của làm nóng bằng phương pháp vi sóng
Làm nóng một cách chọn lọc: năng lượng của vi sóng được chuyển trực tiếp tới toàn bộ các phân tử của dung dịch gần như là một lúc, không có giai đoạn đốt nóng bình Như vậy toàn bộ dung dịch sẽ đạt đến nhiệt độ cần thiết rất nhanh
Làm nóng từ trong ra ngoài nên vật liệu làm nóng đồng đều
Tránh mất mát do bay hơi nên lượng mẫu cần ít hơn và do đó giảm được tác dụng cản trở do pha tạp chất của mẫu gây nên
Làm nóng cục bộ, không truyền nhiệt
Thiết bị vi sóng dễ dàng tự động hóa nên giảm được thời gian cho việc chuẩn bị mẫu phân tích
Thời gian phân hủy vi sóng nhỏ hơn rất nhiều các phương pháp khác Như vậy chúng ta có thế nhận thấy mỗi phương pháp đều có những ưu thế khác nhau, song bên cạnh đó lại có những nhược điểm riêng Nhưng ta thấy phương pháp vi sóng có nhiều ưu điểm hơn cả (thời gian phản ứng nhanh, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tránh mất mát năng lượng) Nên chúng tôi đã lựa chọn phương pháp vi sóng làm phương pháp chính trong khóa luận này Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu (Tb,Eu)PO4.H2O với các
tỷ lệ Eu/Tb khác nhau để chọn mẫu có hiệu suất phát quang cao, sau đó tiến hành bọc, chức năng hóa bề mặt nhằm ứng dụng tốt trong y sinh
Chương 2: THỰC NGHIỆM
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO4.H2O được tổng hợp bằng phương pháp Microwave Phương pháp này có ưu điểm giảm thời gian phản ứng, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc, tránh mất mát năng lượng
Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO4.H2O với các tỷ lệ Eu/Tb khác nhau [25, 35]
Khảo sát các tính chất bề mặt, cấu trúc và tính chất phát quang của hệ vật liệu dây nano (Tb,Eu)PO4.H2O bằng các phép đo SEM, X-ray, huỳnh quang Từ đó lựa chọn được các mẫu có tỷ lệ thành phần tối ưu Sau đó, tiến hành bọc vỏ bằng Silica SiO2 [41], chức năng hóa bằng các nhóm chức hữu cơ (NH2)và gắn kết với các phần tử có hoạt tính sinh học (IgG) nhằm thử nghiệm nhận dạng virus sởi
Trong phần thực nghiệm này, chúng tôi sử dụng phương pháp microwave để tổng hợp vật liệu, đây là một phương pháp có ưu điểm là giảm thời gian phản ứng, giảm phản ứng phụ, tăng hiệu suất, tăng độ chọn lọc, tránh mất mát năng lượng được Với mục đích chế tạo được dây nano của (Eu,Tb)PO4.H2O với kích thước lặp lại, hiệu suất cao, phân giải cao chúng tôi
đã tiến hành các bước thực nghiệm như sau:
2.1 Giai đoạn 1: Tống hợp TbPO4.H2O, EuPO4.H2O
2.1.1 Hóa chất
Tb(NO3)3.5H2O, from Aldrich (99,9%); M = 435,02g/mol
Eu(NO3)3.5H2O, from Aldrich (99,9%); M = 428,05g/mol
NH4H2PO4 from Merck (99,0%); M = 115,03g/mol
Trang 112.1.2 Bảng thí nghiệm
Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo mẫu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu để tìm ra quy tình chế tạo vật liệu (Tb,Eu)PO4.H2O dạng thanh đẹp, phát quang tốt nhất và độ lặp lại cao bằng cách thay đổi các tỷ lệ Eu(NO3)3 /Tb(NO3)3 khác nhau với các
tỷ lệ Eu:Tb = 0 :1, 1:0, 1:1, 1:2, 1:4, 1:8, 1:16
Bảng 2 1 Bảng thí nghiệm (Tb,Eu)PO 4
Eu(NO3)3/Tb(NO3)3
Máy rung siêu âm
Máy khuấy từ, con từ
Thiết bị Microwave
2.1.4 Pha hóa chất
Dung dịch Tb(NO3)3.5H2O 0,025M Cho 1,0875g Tb(NO3)3.5 H2O vào bình định mức 100ml, thêm nước khử ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi Tb(NO3)3 tan hết
Dung dịch Eu(NO3)3.5H2O 0,025M Cho 0,535 (g) Eu(NO3)3.5H2O vào bình định mức 50ml, thêm nước khử ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi Eu(NO3)3 tan hết
Dung dịch NH4H2PO4 0,05M Cho 0,57515 (g) NH4H2PO4 vào bình định mức 100ml, thêm nước khử ion, lắc đều hoặc rung siêu âm cho đến khi NH4H2PO4 tan hết
2.1.5 Tiến hành thí nghiệm
Trang 12Hình 2 1 Ảnh thiết bị tổng hợp vi sóng
Các bước thí nghiệm
Cho dung dịch Tb(NO3)3 0,025M và Eu(NO3)3 0,025M theo tỷ lệ nghiên cứu vào máy khuấy từ, để máy ở mức độ 3 Nhỏ từ từ dung dịch NH4H2PO4 0,05M vào hỗn hợp dung dịch trên Kiểm tra độ pH của dung dịch, chuẩn pH = 2 bằng NH4OH và khuấy tiếp khoảng 60 phút Sau đó cho hỗn hợp trên vào bình cầu ba cổ (chuyên dụng cho máy Microwave) và đặt vào hệ thiết bị máy Microwave Đặt chế độ khuấy từ, nhiệt độ T = 80o
C, thời gian t = 30 phút, công suất P = 500 W, tốc độ quay 500 vòng/phút Hỗn hợp dung dịch trên được cho vào ống ly tâm 50ml Dùng máy ly tâm để lắng tách sản phẩm với thời gian khoảng 5 phút, tốc độ
5600 vòng/phút và rửa vài lần bằng nước khử ion và ethanol Sau đó, sản phẩm được làm khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 600C trong thời gian 24h
Thiết bị Microwave T=800C, T=30 phút, W=500W Tốc độ quấy 500r/min
Kết tủa trắng đục (Eu, Tb)PO4.H2O (pH=2)
Dây nano (Eu, Tb)PO4.H2O
Tb(NO3)3 5H2O 0,025M
Eu(NO3)3 5H2O 0,025M
Ly tâm với tốc độ 5600v/phút Sấy ở 600C, trong 24h
NH4)H2PO4 0,05M
Bình phản ứng + NH4OH 0,5M, pH = 2
