Nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các hạt nano quang và ứng dụng chế tạo sensor sinh học

Truyền năng lượng giữa phân tử FITC với các hạt nano vàng có các kích thước khác nhau ..... Sự dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt của các hạt nano kim loại khi được kích

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Nhung

PGS TS Lê Quang Huấn

HÀ NỘI - 2017

Lời cảm ơn

Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới PGS.TS Trần Hồng Nhung, PGS TS Lê Quang Huấn, những người thầy luôn tận tụy hết lòng hướng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật Lý và Viện Công nghệ Sinh học

Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp trong nhóm NanoBiophotonics đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và các trao đổi khoa học trong suốt quãng thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật lý

Tôi xin dành những lời cảm ơn sâu nặng nhất đến những người thân thương trong gia đình tôi: Bố, mẹ và các anh chị em đã dành cho tôi những tình cảm, động viên, hỗ trợ

cả về vật chất và tình cảm trong thời gian tôi thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo khoa Vật lý kỹ thuật, trường đại học Công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện về thời gian và động viên tôi có thể hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn đề tài "Nghiên cứu chế tạo đế nano kim

loại-giấy cho hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt nhằm ứng dụng trong phân tích an toàn vệ sinh thực phẩm" cấp Viện Hàn lâm KHCNVN thuộc Chương trình phát

triển vật lý đến năm 2020, đã hỗ trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này

Vũ Văn Sơn

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nêu trong luận văn đều là sản phẩm của quá trình làm việc và nghiên cứu của tôi tại Viện Vật lý- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Hồng Nhung và PGS TS Lê Quang Huấn Nếu có bất kỳ sự tranh chấp và phản ánh nào về những kết quả trên, tôi xin chịu mọi trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 4

1.1 Các hạt nano quang 4

1.1.1 Cộng hưởng plasmon bề mặt 4

1.1.2 Lý thuyết Mie giải thích mầu tán xạ của các hạt nano kim loại dạng keo 5

1.1.3 Hạt nano vàng 10

1.1.4 Các tính chất quang của các hạt keo kim loại 12

1.1.5 Hạt nano silica chứa phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ 13

1.2 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) 20

1.3 Tương tác giữa chất phát quang và cấu trúc nano kim loại 22

1.4 Cảm biến sinh học 24

1.4.1 Khái niệm 24

1.4.2 Aptamer 28

1.4.3 Cảm biến truyền năng lượng 29

CHƯƠNG 2 SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC HẠT NANO QUANG 31

2.1 Truyền năng lượng giữa hạt nano silica chứa tâm mầu FITC và các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau 31

2.2 Truyền năng lượng giữa phân tử FITC với các hạt nano vàng có các kích thước khác nhau 37

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CÁC HẠT NANO

QUANG 43

3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 43

3.2 Lựa chọn các thông số của cảm biến 45

3.2.1 Lựa chọn cặp aptamer - sợi bổ trợ 45

3.2.2 Lựa chọn cặp donor - acceptor 45

3.3 Khảo sát hoạt động của cảm biến 46

3.4 Sử dụng cảm biến phát hiện kháng nguyên ung thư vú HER2- Xây dựng đường chuẩn 49

3.5 Quy trình phân tích mẫu bằng cảm biến 51

CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua

DLS Dynamic Light Scattering Tán xạ ánh sáng động học

FITC Fluorescein isothiocyanate

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt

Hình 1.2 Tương tác của ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thể được

mô tả đơn giản nếu  >> 2R Trong trường hợp chung, các thay đổi pha của sóng điện từ trên các hạt tạo ra các phản ứng quang học phức tạp

Hình 1.3 Giản đồ phân tích hệ số dập tắt Mie toàn phần trong lưỡng cực, tứ cực và các mode bậc cao hơn

Hình 1.4 Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích thước khác nhau

Hình 1.5 Màu sắc các hạt nano phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng

Hình 1.6 Phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt của các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau

Hình 1.7 Phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình

Hình 1.8 Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu

Hình 1.9 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Cy5

Hình 1.10 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine và rhodamine tự do trong dung môi

Hình 1.11 Cường độ huỳnh quang theo thời gian chiếu kích thích của các hạt nano silica chứa rhodamine B và rhodamine B tự do dưới kích thích của laser 532nm, mật độ công suất 1.821011 W/cm2

Hình 1.12 Đường suy giảm huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamin B và rhodamine B tự do dưới kích thích hai photon của laser Ti:sapphire (900 nm, 80 fs) ở nhiệt độ phòng

Hình 1.13 Sự chồng chập phổ huỳnh quang của Cy3 (donor) lên phổ hấp thụ của Cy5 (acceptor)

Hình 1.14 Mô hình cảm biến phát hiện đường glucose

Hình 1.15 Một số mô hình cảm biến FRET

Hình 2.1: Cấu trúc hóa học của chất mầu Fluorescein Isothiocyanate (FITC)

Hình 2.2 Ảnh TEM hạt nano silica chứa tâm mầu FITC

Hình 2.3 Ảnh TEM các hạt keo vàng kích thước khác nhau: a 5nm; b 20 nm; c 40 nm;

d 60 nm

Hình 2.4 Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của các hạt vàng kích thước khác nhau

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của SiO2@FITC vào nồng độ hạt vàng: a Au 5nm, b Au 20nm, c Au 40nm, d Au60nm

Hình 2.6: Phổ huỳnh quang của tâm mầu FITC khi thêm các lượng hạt nano vàng khác nhau với các kích thước hạt nano vàng khác nhau: a Au 5nm, b Au 20nm, c Au 40nm,

Hình 3.1: Mô hình thiết kế của sợi aptamer và sợi bổ trợ

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Hình 3.3: Đường suy giảm huỳnh quang của cảm biến so với dung dịch chỉ chứa hạt nano silica và dung dịch chứa hạt nano silica, hạt nano vàng không gắn aptamer

Hình 3.4: Cảm biến thử nghiệm với đối chứng âm và đối chứng dương

Hình 3.5: Cảm biến thử nghiệm với kháng nguyên

Hình 3.6: Tỉ lệ I80/I0 phụ thuộc vào lượng kháng nguyên có trong mẫu phân tích I0 là cường độ huỳnh quang của cảm biến lúc bắt đầu đo khi mà chưa có sự suy giảm huỳnh quang I80 là cường độ huỳnh quang của cảm biến khi có mặt các lượng kháng nguyên khác nhau tại phút 80

Bảng 2.1: Các thông số của dung dịch các hạt keo vàng thương phẩm sử dụng trong thí nghiệm truyền năng lượng

Bảng 2.3: Lượng acceptor và khoảng cách trung bình giữa các hạt

Bảng 2.3: Khoảng cách truyền năng lượng tới hạn d0 của hạt SiO2@FITC với các hạt vàng kích thước khác nhau

Bảng 2.4: Lượng acceptor trong thí nghiệm truyền năng lượng giữa hạt nano vàng và phân tử mầu FITC và khoảng cách trung bình giữa các hạt

Bảng 2.5: Khoảng cách truyền năng lượng tới hạn d0 của phân tử mầu FITC với các hạt vàng kích thước khác nhau

Bảng 2.6: Khoảng cách trung bình giữa các hạt ở d0.

MỞ ĐẦU

Hiện nay, sự bùng nổ của công nghệ nano đã tạo nên một cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và cuộc sống Một trong các hướng khoa học đang thu hút được sự quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới là nghiên cứu chế tạo

và sử dụng các vật liệu nanô phát quang trong nghiên cứu y – sinh học như một chất đánh dấu huỳnh quang mới Để nâng cao độ nhạy phân tích trong các mẫu sinh học, các đối tượng sinh học thường phải được đánh dấu bằng các chất phát quang Cho đến nay, kỹ thuật huỳnh quang vẫn là phương pháp phát hiện chiếm ưu thế trong công nghệ cảm biến

do các nguyên nhân: (i) thuận tiện và đơn giản trong thu nhận và xử lý các tín hiệu quang học; (ii) tính sẵn có của các chất đánh dấu hữu cơ với các tính chất phổ đa dạng; (iii) những tiến bộ mới đạt được trong hiện ảnh quang học Tuy nhiên, rất khó để thu được các tín hiệu huỳnh quang yếu do giới hạn của hiệu suất lượng tử của các chất mầu hữu cơ và

tỷ lệ các phân tử được đánh dấu là thấp Đồng thời các chất đánh dấu hữu cơ thường nhanh bị phân hủy quang và nhạy cảm với môi trường sinh học bao quanh Để khắc phục nhược điểm này, việc sử dụng các vật liệu có kích thước nanô mét là một hướng phát triển mới trong nghiên cứu y – sinh học Các vật liệu có cấu trúc nano đang trở thành các chất đánh dấu thế hệ mới với nhiều tính chất nổi trội so với các chất đánh dấu cổ điển

Vật liệu nano có thể được làm từ cả hai vật liệu vô cơ và hữu cơ và có ít nhất một chiều nhỏ hơn 100 nm (tương đương kích thước của các phân tử sinh học) đang và hứa hẹn là công cụ hữu hiệu để nghiên cứu các quá trình sinh học ở thang nanomet hay nói cách khác là thang phân tử Ở thang phân tử, các quá trình hay tính chất sinh học là các quá trình và tính chất cơ bản đặc thù mang tính hệ thống, vì vậy việc sử dụng các vật liệu nano trong các nghiên cứu sinh y học đã đưa lại những kết quả nổi trội so với các công cụ truyền thống và mở ra một hướng mới: nano y sinh học Do kích thước nhỏ nên tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích là lớn dẫn đến các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước hạt Bằng việc thay đổi thành phần và kích thước của các hạt nanô, người ta có thể tạo ra một nhóm lớn các hạt phát quang với các tính chất quang đa dạng dùng trong đánh dấu

Sự dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt của các hạt nano kim loại khi được kích thích bằng ánh sáng hay còn gọi là plasmon sẽ gây ra một sự hấp thụ mạnh

từ vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của hạt Các hạt nano kim loại có hệ số dập tắt cao hơn 4-5 bậc so với chất đánh dấu sinh học hữu cơ cổ điển nên các phân tử sinh học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp hơn hàng nghìn lần nếu chúng được gắn với hạt nano kim loại, đặc biệt là hạt nano vàng do hạt nano vàng bền quang và dễ tương thích với môi trường sinh học Vì vậy, sử dụng hạt nano kim loại vàng trong các cảm biến sinh học cho phép nâng cao độ nhạy của cảm biến lên nhiều lần

Cảm biến sinh học sử dụng hiệu ứng truyền năng lượng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các quá trình sinh học ở mức độ phân tử, nhưng việc sử dụng các chất đánh dấu hữu cơ làm cho độ nhạy và độ bền quang của cảm biến bị giới hạn Gần đây đã có một số nghiên cứu thay acceptor của cảm biến bằng hạt nano vàng làm tăng độ nhạy của cảm biến [12] Tuy nhiên, donor của cảm biến vẫn là chất đánh dấu hữu cơ Các nghiên cứu của tác giả Chu Việt Hà [6] chỉ ra rằng khoảng cách truyền năng lượng cộng hưởng phụ thuộc vào độ lớn của trường định xứ nếu donor và acceptor là các hạt nano Sự phát

xạ và hấp thụ của các hạt donor không còn được coi là các lưỡng cực điểm mà là các lưỡng cực với biên độ dao động phụ thuộc vào trường điện định xứ của chúng Nghiên cứu trên đã đưa ra mô hình “trạm thu – phát sóng” để minh họa sự phụ thuộc trên, trong

đó độ lớn trường định xứ của donor và acceptor được coi như công suất của trạm Công suất càng lớn thì khả năng thu – phát sóng càng xa, tương đương với khả năng truyền năng lượng ở khoảng cách xa tới micromet của các cặp hạt nano chứ tâm mầu – vàng Tuy nhiên, trong các nghiên cứu của tác giả Chu Việt Hà chưa có thí nghiệm truyền năng lượng với các hạt vàng kích thước khác nhau

Luận văn đặt vấn đề nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các phân tử mầu FITC (Fluorescein isothiocyanate) với các hạt nano vàng kích thước khác nhau so sánh với sự truyền năng lượng giữa các hạt nano silica chứa phân tử mầu FITC với các hạt

nano vàng khác nhau Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đó Thiết kế cảm biến truyền năng lượng phát hiện kháng nguyên ung thư sử dụng các hạt nano làm donor và acceptor

Tên đề tài luận văn "Nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các hạt nano quang và ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học"

Bố cục của luận văn bao gồm:

 Chương I: Tổng quan các vấn đề và lý thuyết liên quan

 Chương II: Sự truyền năng lượng giữa các hạt nano quang

 Chương III: Cảm biến sinh học truyền năng lượng sử dụng các hạt nano quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1.1 Các hạt nano quang

Hình 1.1 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt [26]

Hình 1.1 minh họa sự tạo thành của dao động plasmon bề mặt Điện trường của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự do) đối với lõi ion nặng của một hạt nano cầu Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano về phần mình hoạt động như lực hồi phục Bằng cách đó, một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T đã được tạo nên

1.1.2 Lý thuyết Mie giải thích mầu tán xạ của các hạt nano kim loại dạng keo

Các lời giải chung của bài toán tán xạ của một hạt cầu kim loại đơn theo lý thuyết điện động lực học lần đầu tiên được Mie đưa ra năm 1908 [18] Mie đã áp dụng lý thuyết tổng quan về sự tán xạ ánh sáng trên các hạt nhỏ giải thích hiện tượng thay đổi màu sắc của các hạt keo vàng Ông đã sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp trong hệ tọa độ cầu với các khai triển đa cực của từ trường và điện trường cho ánh sáng tới Từ đó đưa ra kết quả tính toán chính xác cho sự tương tác ánh sáng với các hạt nano kim loại hình cầu Lý thuyết Mie đã mô tả hệ số dập tắt - extinction coefficient (bao gồm hấp thụ và tán xạ) của các hạt cầu có kích thước tùy ý Thực tế các phương trình Maxwell có thể giải được cho 11 dạng hình học với các điều kiện biên khác nhau Có thể thu được các nghiệm chính xác khi giải phương trình Maxwell cho một ống hình trụ vô hạn, ellipsoid, hai hạt cầu, một hình cầu và một hình phẳng, hình hộp, các vỏ cầu….[24]Tuy nhiên hầu hết các tính toán được áp dụng cho hạt hình cầu Thực tế, các đặc trưng phổ của các hạt nano chỉ có thể khảo sát đối với một tập hợp lớn các hạt này Do đó, sử dụng mô hình theo lý thuyết Mie cho ta các kết quả hợp lý

Các giả thiết của lý thuyết Mie

Giả thiết chính của lý thuyết Mie là các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng nhất và được mô tả bởi các hàm điện môi quang học khối Điều kiện biên được xác định bởi mật độ điện tử - là giả thiết để có được gián đoạn rõ nét tại bề mặt của hạt bán kính R Kích thước hạt, các hàm quang học của hạt và của môi trường xung quanh được sử dụng như là các thông số đầu vào

Hình 1.2 Tương tác của ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thể được mô tả

đơn giản nếu  >> 2R Trong trường hợp chung, các thay đổi pha của sóng điện từ trên các hạt

tạo ra các phản ứng quang học phức tạp [5]

Giả thiết plasmon là một dao động lưỡng cực nhằm mục đích khảo sát tần số plasmon của một hạt nano kim loại liên quan đến hằng số điện môi, chúng ta xét sự tương tác của ánh sáng với một hạt cầu có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (2R <<

), trong đó R là bán kính hạt Trong trường hợp này, điện trường của ánh sáng có thể được coi là không đổi và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực học Do hằng số điện môi  của hạt kim loại và m của môi trường xung quanh phụ thuộc vào bước sóng, người ta gọi là gần đúng giả tĩnh (quasi-static) Trong chế độ giả tĩnh, các dịch chuyển pha hay các hiệu ứng trễ của trường điện động là không đáng kể, trường điện

từ trong hạt là đồng nhất Một bức tranh đơn giản về sự tương tác của ánh sáng với các hạt nano kim loại được trình bày trên hình 1.2 Nếu 2R >> , trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn tới kích thích dao động đa cực

Lý thuyết Mie

Các ảnh hưởng của kích thước hạt lên bước sóng cộng hưởng Plasmon có kết quả

từ hai cơ chế phụ thuộc vào thang kích thước Trong giới hạn 2R <<  (với R là bán kính

hạt và  là bước sóng của ánh sáng trong môi trường, thì dao động của điện tử được xem

là plasmon dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản:

 

2 3/2

ε ω ω

(1.1)

trong đó V = (4/3)R 3 là thể tích hạt cầu,  là tần số góc của ánh sáng kích thích, c

là vận tốc ánh sáng, m và () = 1 () + i2 () tương ứng là các hàm điện môi của môi

trường xung quanh hạt và của chính hạt Tham số m được giả thiết là không phụ thuộc tần số, còn () là phức và là hàm của năng lượng Điều kiện cộng hưởng được đáp ứng

khi 1 () = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào  [5]

Phổ hấp thụ UV-VIS của các hạt keo có thể được tính từ lý thuyết Mie Độ hấp thụ

A của một dung dịch keo chứa N hạt trong một đơn vị thể tích được cho bởi:

trong đó abs là tiết diện hấp thụ ngang của kim loại và L là quang trình của ánh

sáng Số hạt trong một đơn vị thể tích dễ dàng được xác định từ số mol của vàng

Hình 1.3 Giản đồ phân tích hệ số dập tắt Mie toàn phần trong lưỡng cực, tứ cực và các

mode bậc cao hơn [5]

Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được tiết diện tán xạ sca như sau:

Ngoài ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ (tiết diện dập tắt, tiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabstrong plasmon bề mặt theo các biểu thức [4]:

sca sca

σ

trong đó S là diện tích hạt cầu S = R 2 , R là bán kính hạt cầu

Các phương trình trên đã được sử dụng rộng rãi để giải thích phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại nhỏ cả về định tính cũng như định lượng Tuy nhiên đối với các hạt lớn (hơn 20 nm trong trường hợp đối với vàng) khi mà gần đúng lưỡng cực không còn, cộng

hưởng lưỡng cực phụ thuộc một cách rõ ràng vào kích thước hạt do x là hàm của bán kính

R Các hạt càng lớn, các mode bậc cao hơn càng trở nên quan trọng hơn do ánh sáng

không thể phân cực các hạt nano một cách đồng nhất Kết quả là các tác dụng trễ của trường điện từ qua hạt có thể gây ra những sự dịch phổ lớn và mở rộng phổ cộng hưởng plasmon bề mặt Các mode bậc cao có đỉnh ở năng lượng thấp hơn do đó dải plasmon dịch về đỏ với sự tăng kích thước hạt Điều này được minh họa trên hình 1.3, và kết quả

là phù hợp với lý thuyết Mie Do phổ hấp thụ quang học phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt nên điều này được coi như một hiệu ứng kích thước bên ngoài Lý thuyết Mie chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thước hạt đối với trường hợp các hạt

có kích thước nhỏ hơn 20 nm

Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt phụ thuộc

vào kích thước ε(ω, r) với các hạt có đường kính trung bình nhỏ hơn 20 nm Kreibig và

Von Fragstein đề xuất tán xạ điện tử trên bề mặt tăng lên đối với các hạt nhỏ khi mà quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị giới hạn bởi kích thước vật lý của hạt Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bề mặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động ngẫu nhiên bị mất Sự va chạm không đàn hồi của điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi pha

Hình 1.4 Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích

thước khác nhau [15]

Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh Điện tử sau đó

có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là đối với hạt có kích thước lớn hơn Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm Drude đã đưa ra công thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích thước hạt D [5]:

2 p

ω = Ne /ε m là tần số của plasmon khối, N là mật độ điện tử tự do, e là

điện tích, 0 là hằng số điện môi trong chân không và meff là khối lượng điện tử hiệu dụng là hàm của bán kính hạt r như sau:

F 0

Aνγ(r) = γ + ,

trong đó 0 là hằng số tắt của vật liệu khối, A là một tham số phụ thuộc vào chi tiết

các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuếch tán) và F là vận tốc của điện tử có năng lượng bằng mức Fermi

Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ plasmon như hàm của

kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cực trong vùng kích thước

nội “intrinsic” (r <20 nm) Thông số được sử dụng như một thông số “làm khớp các giá

trị thực nghiệm” Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết này là đã đưa ra một mô hình mô tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt vào kích thước

1.1.3 Hạt nano vàng

Các hạt nano kim loại là vật liệu có kích thước cỡ từ 1 đến 100 nm Các hạt này bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như: Au, Ag, Pt,

Cu, Co và các oxit như Fe2O3 Các hạt này có thể được phân bố trong không gian tự do hoặc trong chất khí, lỏng, hoặc được nhúng trong chất rắn, hoặc được bao phủ bởi lớp vỏ hay được lắng đọng trên một vật liệu nền Thực nghiệm cho thấy kích thước hạt ảnh hưởng lên các tính chất cấu trúc và điện tử, cụ thể là: thế ion hóa, năng lượng liên kết, phản ứng hóa học, cấu trúc tinh thể, nhiệt độ nóng chảy

Kim loại cấu trúc nano có tính chất quang học rất phức tạp và thú vị Hiện tượng nổi bật nhất gặp phải trong các cấu trúc nano là cộng hưởng điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn được gọi là plasmon Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh đến các tính chất quang học của các cấu trúc nano kim loại nên đang được quan tâm nghiên cứu

và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống

Hình 1.5 Màu sắc các hạt nano phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng

Do ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon, các hạt nano vàng hay bạc có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, do đó người ta có thể tạo ra các dung dịch với màu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt (hình 1.5)

Hình 1.6 Phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt của các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau[9]

Do có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, tiết diện tán xạ và hấp thụ của hạt vàng nano lớn hơn đáng kể tiết diện hấp thụ và huỳnh quang của tâm mầu thường dùng trong hiện ảnh sinh học và y sinh Từ lý thuyết Mie người ta đánh giá được rằng tiết diện quang của các hạt nano cầu vàng cao hơn khoảng 4-5 bậc của tâm mầu Như vậy, các hạt nano vàng dạng cầu với đường kính 40 nm có hệ số hấp thụ 2,93.10-15 m2 (tương ứng với

hệ số hấp thụ mol lý thuyết khoảng ~7,7.109 M-1 cm-1) ở bước sóng cực đại 530 nm, cao hơn 4 bậc hệ số tắt của Rhodamine 6G (1,2.105M-1cm-1 ở 530 nm) và malachite green (1,5.105M-1cm-1 ở 617 nm) [19].Hơn nữa, lý thuyết tán xạ Mie chỉ ra rằng độ lớn của tán

xạ ánh sáng trong vùng nhìn thấy của hạt vàng có kích thước 80 nm (~ 1,2.10-14 m2) ở

560 nm là tương đương với tán xạ từ hạt vi cầu polystyrene với đường kính 300 nm (~ 1,8.10-14 m2) ở cùng bước sóng ánh sáng Hạt vi cầu này thường được sử dụng trong hiện ảnh đồng tiêu (confocal imaging) Đối với cùng một cường độ ánh sáng kích thích, số photon do fluorescein phát ra (hệ số bức xạ ~9,2.104 M-1cm-1 ở 483 nm, được giả thiết là hiệu suất lượng tử bằng 1) là 5 bậc thấp hơn ánh sáng tán xạ từ hạt vàng 80 nm dạng cầu (hệ số tán xạ mol ~ 3,2.1010 M-1cm-1 tại 560 nm)

Hình 1.6 biểu điễn phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt (extinction) của các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau (được tính theo lý thuyết Mie) Hạt vàng đường kính

20 nm thể hiện hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng plasmon định xứ là chủ yếu với phần không đáng kể ánh sáng tán xạ Nhưng khi đường kính của hạt tăng từ 20 nm lên 80 nm, tỷ lệ đóng góp của tán xạ plasmon tăng lên đáng kể Độ lớn của tán xạ ánh sáng trong vùng nhìn thấy của hạt vàng 80 nm (~1,2.10-14 m2) ở 560 nm là tương đương với tán xạ từ hạt

vi cầu polystyrene với đường kính 300 nm (~1,8.10-14 m2)ởcùng bước sóng ánh sáng

Sự tăng của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa chọn các hạt nano kim loại cho các ứng dụng phản quang Hiện nay, các hạt có kích thước lớn thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng do bước sóng hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt

có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước và hình dạng hạt

1.1.4 Các tính chất quang của các hạt keo kim loại

Trái với bề mặt kim loại liên tục, các hạt kim loại keo biểu thị màu sắc mạnh mẽ

do sự kết hợp của hai quá trình hấp thụ và tán xạ Trên bề mặt gương kim loại, các điện

tử có thể chuyển động trên các khoảng cách lớn Trong các hạt keo kim loại, các khoảng cách bị giới hạn bởi kích thước của hạt Điều này tạo ra các lưỡng cực với mômen có bậc cao hơn Các tính chất quang của các hạt keo kim loại phù hợp tốt với lý thuyết Mie khi xem xét các hạt hình cầu nhỏ và các hạt có kích thước có thể so sánh được với bước sóng của ánh sáng tới Lý thuyết Mie là khá đơn giản đối với các hạt kim loại hình cầu Trong trường hợp này, tiết diện dập tắt ngang của một hạt với hằng số điện môi 1 được cho bởi:

4 2 1

k

C = C + C = k Im α + α

Trong đó độ phân cực  của quả cầu được xác định theo phương trình [5]:

Số hạng α2 là bình phương độ lớn của  Trong phương trình 1.7, số hạng thứ nhất (C A)

thể hiện tiết diện hấp thụ và số hạng thứ hai (C S) thể hiện tiết diện tán xạ Nếu các hạt lớn hơn khoảng 0,05 hoặc không phải hình cầu thì lý thuyết sẽ trở nên phức tạp hơn Khi thảo luận về tiết diện tán xạ của các hạt keo để thuận tiện chúng ta sử dụng các hiệu suất

(Q) cho sự dập tắt (E), hấp thụ (A) và tán xạ (S) tương ứng là Q E , Q A và Q S Các giá trị này thu được khi chia các tiết diện tương ứng tương tác với ánh sáng cho tiết diện hình học r 2 Các hiệu suất này cho thấy khả năng một hạt tán xạ ánh sáng ra ngoài tiết diện vật lý của nó Chúng trở nên lớn hơn một đơn vị tại vị trí gần bề mặt hạt là do trường gần

bề mặt của hạt có thể lớn hơn giá trị trường trung bình của ánh sáng tới môi trường xung quanh hạt

Khi xét sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang bởi kim loại chúng ta mong đợi số hạng hấp thụ (CA) gây ra sự dập tắt và số hạng tán xạ (CS) gây ra sự tăng cường Phương trình 1.8 chỉ ra rằng CA tăng cùng với r3 trong khi đó CS tỷ lệ với r6 Do đó các hạt keo có kích thước lớn sẽ thích hợp hơn với cho hiệu ứng tăng cường huỳnh quang

1.1.5 Hạt nano silica chứa phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ

1.1.5.1 Phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ

Các chất màu hữu cơ (các chất hữu cơ phát huỳnh quang) từ lâu đã được sử dụng trong các thí nghiệm hóa sinh và lý sinh, trong các nghiên cứu sinh học như theo dõi phân

tử, hiện ảnh tế bào, động học tế bào, máy đếm dòng tế bào, chẩn đoán, phân tích di truyền, nghiên cứu trình tự ADN, bằng các phương pháp huỳnh quang do độ nhạy của bản thân các kỹ thuật huỳnh quang và do thang đo thời gian thuận lợi của hiện tượng huỳnh quang Các chất màu dùng trong quang tử là các chất màu hữu cơ chứa các liên kết đôi liên hợp, hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy Cấu trúc hóa học của chúng được đặc trưng bởi tổ hợp các vòng benzen, vòng pyridin,

vòng azine, vòng pyron…, nằm trong cùng một mặt phẳng Hình 1.7 trình bày ảnh màu phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình

Hình 1.7 Phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình [14]

Cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học

Các phân tử chất màu có rất nhiều trạng thái là các tổ hợp phức tạp các trạng thái điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay Do vậy không thể xác định chính xác các mức năng lượng của chất màu Dựa vào mẫu điện tử của Bohr, Jablonski đã đưa ra giản

đồ các mức năng lượng đơn giản hóa phản ánh những đặc điểm quan trọng chủ yếu của các chuyển dời lượng tử trong phân tử màu Sự hấp thụ ánh sáng và sự phát huỳnh quang của một phần tử chất màu được mô tả bởi giản đồ năng lượng Jablonski (hình 1.8) Trong

đó S0, S1, S2, là các trạng thái đơn điện tử (singlet) và các trạng thái điện tử bội ba (triplet) là T1, T2, tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S = 0 và S = 1 S0 là trạng thái cơ bản Khi điện tử ở trạng thái singlet nào đó, spin của nó đối song với spin còn lại của phân tử Ngược lại khi một điện tử nằm ở trạng thái triplet, spin của nó song song với spin còn lại của phân tử Mỗi một trạng thái điện tử kích thích đơn (S1, S2, ) tồn tại một trạng thái bội ba có năng lượng thấp hơn một chút Mỗi trạng thái điện tử bao gồm một tập hợp dày đặc nhiều mức dao động (đường nét liền) và nhiều mức quay (không vẽ trong hình) Thông thường khoảng cách giữa các mức dao động từ 1400  1700 cm-1 còn khoảng cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai bậc Do va chạm liên kết nội phân tử và

tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận trong dung môi mà vạch dao động được mở rộng Các mức quay thì luôn mở rộng do va chạm nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt độ phòng sẽ cho các phổ băng rộng Ở nhiệt độ phòng khi chưa bị kích thích các phân tử chủ yếu nằm

ở trạng thái dao động cơ bản S00 theo phân bố Boltzmann

Hình 1.8 Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu [14]

Khi phân tử hấp thụ photon ánh sáng tới, điện tử từ trạng thái nền (trạng thái cơ bản, S0) nhảy lên trạng thái kích thích (S1, S2, S3, …) Ở mỗi mức năng lượng, các phân

tử chất màu có thể tồn tại trong một số các mức năng lượng dao động Từ trạng thái kích thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau: hồi phục không bức

xạ và hồi phục bức xạ Nếu điện từ hồi phục từ trạng thái kích thích đơn S1 trở về trạng thái cơ bản ta sẽ có huỳnh quang của chất phát quang Nếu điện tử hồi phục từ trạng thái

S1 đến một trạng thái bội ba Ti (có năng lượng thấp hơn, S1, và sự chuyển dời từ trạng

thái đơn, singlet, đến một trạng thái bội ba, triplet, được gọi là intersystem crossing)

Điện tử từ trạng thái bội ba Ti xuống một trạng thái bội ba khác Tj sẽ phát xạ ánh sáng gọi

là lân quang

Độ dịch Stockes

Từ giản đồ Jablonski cho thấy năng lượng phát xạ thường thấp hơn năng lượng hấp thụ, do trước khi hồi phục trở về trạng thái cơ bản, điện tử mất một phần năng lượng

do hồi phục dao động Do đó đỉnh phổ phát xạ huỳnh quang luôn dịch về phía sóng dài so với đỉnh phổ hấp thụ Độ dịch này gọi là độ dịch Stockes Hình 1.9 là phổ hấp thụ và phát

xạ huỳnh quang của chất màu Cy5 Chất màu này có độ dịch Stockes là 20 nm

550 600 650 700 750 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 1.9 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Cy5

Độ ổn định quang học của các tâm màu hữu cơ

Độ ổn định nhiệt và quang hóa của các chất màu là một thông số rất quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng Tuy nhiên, các tính chất này thay đổi rất nhiều tùy theo cấu trúc hóa học mà thực tế không theo một quy luật chung Độ bền nhiệt liên quan chặt chẽ với sự hấp thụ bị giới hạn về phía sóng dài Một chất màu hấp thụ bức xạ hồng ngoại

có mức năng lượng ở trạng thái đơn hơi thấp hơn trạng thái siêu bền bội ba Trạng thái bội ba có hai điện tử lẻ cặp do đó nó hoạt động rất mạnh và dễ dàng bị ôxy hóa bởi ôxy tự

do trong môi trường hoặc bởi các tạp chất khác, thậm chí với các phân tử màu khác Kết quả là các phân tử màu ở trạng thái này sẽ tạo thành các sản phẩm do quá trình phân ly Tốc độ phân ly phụ thuộc vào hằng số phản ứng và nhiệt độ như sau [14]:

k1  AeE A/RT (1.9)

Trong đó A là hằng số biểu thị sự phụ thuộc nhiệt độ (Arrhenius constant) thường được lấy giá trị 10-12 s-1; EA là năng lượng hoạt hóa; R là hằng số khí; T là nhiệt độ tuyệt đối

Kết quả tính toán theo công thức trên với giả thiết năng lượng hoạt hóa EA = 24 Kcal/Mol tương ứng với bước sóng 1,2 m số phân tử sẽ suy giảm còn 1/2 số lượng ban đầu Do đó, các chất màu hữu cơ có dải bước sóng bức xạ ở nhiệt độ phòng khó dài hơn 1,0 m Mặt khác, hoạt động của các chất màu hữu cơ tại vùng bước sóng ngắn bị giới hạn bởi vì các chất màu này chứa hai liên kết đôi trong cấu tạo phân tử Dải hấp thụ của các phân tử loại này là ≥ 220 nm Tại vùng bước sóng này luôn luôn xảy ra sự cạnh tranh giữa sự phân hủy của chất màu và hiệu suất phát quang do năng lượng hấp thụ lớn hơn năng lượng liên kết phân tử

Các chất màu hữu cơ nói chung có độ bền quang kém, bị phân hủy quang sau vài lần chiếu sáng Thời gian sống phát quang của chất màu hữu cơ nói chung nhỏ hơn thời gian sống phát quang của các chấm lượng tử, chỉ ~ 5 ns [28]

Ảnh hưởng của dung môi

Tính axit của dung môi liên quan đến đặc tính của các chất màu hữu cơ Phổ huỳnh quang của các chất màu bị thay đổi theo độ pH môi trường do mức độ ion của các chất màu khi phát quang [7] Một đặc tính quan trọng của chất màu là sự thay đổi trạng thái của điện tử  ở trạng thái kích thích cũng như ở trạng thái cơ bản do sự tương tác của phân tử màu với dung môi Phức chất tồn tại ổn định chỉ ở trạng thái kích thích và không thể xác định được bằng phổ hấp thụ Phức chất này làm dập tắt huỳnh quang của chất màu hoặc tạo thành một dải huỳnh quang mới có xu hướng dịch đỏ Ví dụ như phổ huỳnh quang của chất màu pyrylium trong ethanol bị dịch đỉnh đỏ đến 10 nm khi cho thêm một lượng nhỏ dimethyl aniline [8]

Sự dập tắt huỳnh quang do truyền năng lượng

Trong những điều kiện thích hợp, các phân tử ở trạng thái kích thích đơn hoặc bội

ba có thể truyền năng lượng cho các phân tử có mức năng lượng bằng hoặc thấp hơn mức năng lượng kích thích đó Hiện tượng này xảy ra khi khoảng cách giữa các phân tử khoảng 10 nm Dưới dạng dung dịch, tức là các phân tử khá gần nhau quá trình truyền năng lượng xảy ra rất rõ rệt Các phân tử ôxy có trạng thái kích thích đơn thấp và có tính

thuận từ thường được dùng để làm chất dập tắt trạng thái bội ba của chất màu Ngoài ra, một số chất màu cũng có tác dụng dập tắt các trạng thái năng lượng bội ba [16].

1.1.5.2 Hạt nano silica chứa tâm màu hữu cơ

Hạt nano silica có chứa tâm màu hữu cơ hiện nay đang có nhiều các ứng dụng triển vọng trong các nghiên cứu đánh dấu sinh học So với các chất màu hữu cơ thì các hạt nano này có độ bền quang cao hơn vì có nền là silica bảo vệ Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của các hạt nano silica có thể được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi hạt với mật độ chất màu lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang

Vì vậy, các hạt này có thể có độ bền quang tương đối tốt và không nhấp nháy Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu polystyrene có cường độ huỳnh quang cao gấp hơn 40 lần ở trong dung môi [13] Những ưu điểm này làm cho chúng có ứng dụng đầy triển vọng trong đánh dấu sinh học

Dạng phổ quang học của các hạt nano silica và polymer chứa tâm màu nhìn chung không thay đổi so với các chất màu hữu cơ tương ứng tự do trong dung môi, tuy nhiên đỉnh phổ có bị lệch do tương tác của các phần tử màu với mạng nền chứa nó Hình 1.10

là phổ huỳnh quang của các hạt nano silica kích thước 20 nm chứa chất màu rhodamine B

so sánh với chất màu tự do trong dung môi, đỉnh phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano này bị dịch về phía sóng dài khoảng 10 nm [25] Hình 1.11 là cường độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B và rhodamine B tự do theo thời gian chiếu ánh sáng kích thích Sau khoảng 3 giờ chiếu sáng, rhodamine B tự do gần như bị dạp tắt hoàn toàn trong khi đó cường độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B giảm không đáng kể

3 1 2 (1) Abs RB/ORMOSIL NPs, size 20nm

(2) Flu RB/ORMOSIL NPs, size 20nm (3) Abs RB/Ethanol

(4) Flu RB/Ethanol

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

RB/Ethanol RB/ORMOSIL NPs

Hình 1.10 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của

các hạt nano silica chứa rhodamine và

rhodamine tự do trong dung môi [25]

Hình 1.11 Cường độ huỳnh quang theo thời

gian chiếu kích thích của các hạt nano silica chứa rhodamine B và rhodamine B tự do dưới kích thích của laser 532, mật độ công suất

1.8210 11 W/cm 2 [25]

Bên cạnh độ bền quang tăng, thời gian sống phát quang của các hạt này cũng tăng

do các phân tử chất màu được nằm ổn định trong các lỗ xốp của mạng nền của các hạt nano, do đó sự tương tác giữa các phần tử màu được giảm bớt so với chất màu tự do trong dung môi, dẫn tới giảm sự dập tắt huỳnh quang do nồng độ [3] Hình 1.12 là đường suy giảm huỳnh quang của các hạt nano silica chứa tâm màu rhodamine B với các kích thước khác nhau so sánh với rhodamine B tự do trong ethanol Thời gian sống phát quang của các hạt này được cải thiện đáng kể

0 2 4 6 8 10 12 10

100 1000 10000

4

2 3 1

(1) kich thuoc 20 nm (2) kich thuoc 40 nm (3) kich thuoc 50 nm

(4) RB tu do trong ethanol laser

Thoi gian (ns)

Hình 1.12 Đường suy giảm huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamin B và

rhodamine B tự do dưới kích thích hai photon của laser Ti:sapphire (900 nm, 80 fs) ở nhiệt độ

phòng [25]

1.2 Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET)

Như đã phân tích trong phần mở đầu, quá trình FRET giữa các cặp donor-acceptor

là quá trình tương tác lưỡng cực - lưỡng cực và tuân theo lý thuyết truyền năng lượng cộng hưởng Förster [14] Điều kiện để có truyền năng lượng giữa hai phân tử chất phát quang là: phổ huỳnh quang của donor phải chồng chập một phần lên phổ hấp thụ của acceptor; các chất huỳnh quang phải có tính chất hóa học phù hợp để phản ứng hóa học không xảy ra và không tạo ra chất mới trong hỗn hợp Cặp chất màu Cy3 và Cy5 là cặp chất màu truyền thống donor – acceptor sử dụng trong các thí nghiệm FRET trong các phép phân tích sinh học do phổ phát xạ của Cy3 và phổ hấp thụ của Cy5 có vùng chồng chập khá rộng (hình 1.13)

Hình 1.13 Sự chồng chập phổ huỳnh quang của Cy3 (donor) lên phổ

hấp thụ của Cy5 (acceptor)

Truyền năng lượng giữa hai chất phát quang là sự kết hợp lưỡng cực giữa các mô men chuyển dời của hai chất phát quang và hiệu suất truyền (EFRET) phụ thuộc vào bậc sáu của khoảng cách giữa donor và acceptor Tốc độ truyền năng lượng kET giữa hai chất phát quang được cho bởi công thức [14]:

 

6 0 ET

D

R1

trong đó τD là thời gian sống của donor (chất cho) khi chưa có mặt acceptor (chất nhận),

r là khoảng cách giữa donor và acceptor, R0 là khoảng cách Förster mà hiệu suất truyền năng lượng khi đó là 50% Hiệu suất truyền năng lượng theo khoảng cách E r  được cho bởi công thức [14]:

với 2 là thừa số định hướng, n là chiết suất môi trường, D là hiệu suất lượng tử của donor khi không có mặt acceptor, J(λ) là tích phân chồng chập giữa phổ hấp thụ của acceptor và phổ phát xạ của donor Tuy nhiên lý thuyết Förster đã chỉ ra giới hạn về khoảng cách giữa donor và acceptor là dưới 100 Å (~10 nm)

Nồng độ dập tắt một nửa CA1/2 (half quenching concentration) được xác định từ

đặc trưng Stern – Volmer khi 0D

D

I = 2

Nồng độ dập tắt một nửa CA1/2 là nồng độ acceptor mà khi đưa nó vào hỗn hợp chất màu làm cho cường độ huỳnh quang của phân tử donor sẽ giảm đi hai lần so với khi không có acceptor Nồng độ này tương ứng với nồng độ trung bình của acceptor trong một quả cầu có bán kính R0 với phân tử donor được kích thích đặt ở tâm Nói cách khác,

sự truyền năng lượng sẽ hiệu suất hơn nếu khoản cách R giữa phân tử donor và acceptor

là nhỏ hơn R0 đối với nồng độ acceptor bằng CA1/2 [1]

1.3 Tương tác giữa chất phát quang và cấu trúc nano kim loại

Xét một hạt phát quang ở gần một hạt nano kim loại (hạt nano vàng), khi có ánh sáng kích thích, phát xạ huỳnh quang của hạt phát quang sẽ bị ảnh hưởng bởi hạt vàng: cường độ huỳnh quang của hạt phát quang sẽ được tăng cường hoặc bị dập tắt Sự tăng cường hoặc dập tắt này được quy cho sự truyền năng lượng giữa hạt phát quang và hạt vàng

Sự truyền năng lượng từ hạt phát quang kích thích các plasmon trong hạt kim loại Các plasmon này không bức xạ ra trường xa (khi tiết diện hấp thụ abs của kim loại lớn) Hiện tượng này được giải thích bằng lý thuyết truyền năng lượng Förster với chất phát quang đóng vai trò donor và hạt kim loại đóng vai trò là acceptor, nên còn được gọi là sự truyền năng lượng Förster Ảnh hưởng của sự truyền năng lượng Förster cho kim loại lên

sự phát xạ của chất phát quang có thể được giải thích bằng các phương trình đơn giản được mô tả dưới đây

Tốc độ truyền đến một acceptor hoặc một nhóm acceptor được cho bởi [14,22]:

n 0 T

0

R1

Sự truyền năng lượng từ chất phát quang đến hạt nano kim loại còn được mô tả bởi cơ chế truyền năng lượng bề mặt (surface energy transfer - SET) [10, 22, 23, 27], tức

là truyền năng lượng đến bề mặt kim loại Từ công thức 1.15 chúng ta có tốc độ của quá trình truyền năng lượng đến bề mặt kim loại là [22, 27]:

4 0 T

DA 4

1 + R

F Strouse đã sử dụng mô hình của Person để tính toán khoảng cách R0 [21,22,27]:

1 4 3

với c là tốc độ ánh sáng trong chân không, D và dye là hiệu suất lượng tử và tần

số phát xạ cực đại của phân tử donor, f và kf là tần số góc Fermi và vector sóng Fermi của kim loại (đối với kim loại vàng thì f = 8.41015s-1, kf = 1.2108cm-1 [27]

1.4 Cảm biến sinh học

1.4.1 Khái niệm

Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể, để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý

Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme transducers as membrane enclosed sandwiches” Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học