Chế tạo các hạt zns bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và ứng dụng trong cảm biến sinh học

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurtzite của tinh thể ZnS 4 Hình 1.2 Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalerit của tinh thể ZnS 5 Hình 1.3 Một số chuyển dời điện t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ TRÀ MY

CHẾ TẠO CÁC HẠT ZnS BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG

TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀNG NAM

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới

TS Nguyễn Hoàng Nam, người thầy đã định hướng, chỉ bảo cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin được gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới thầy Lưu Mạnh Quỳnh, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi, cảm ơn thầy vì sự quan tâm sâu sắc, sự giúp đỡ tận tình và những chỉ dẫn khoa học quý báu

Để hoàn thành được bản luận văn này tôi không thể không nhắc tới em Bùi Hồng Nhung, sinh viên đã trực tiếp cùng tôi làm thí nghiệm, cảm ơn em vì sự hỗ trợ nhiệt tình và tận tâm

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn bộ các thầy cô và cán bộ tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian tôi làm thí nghiệm tại Trung tâm Tôi xin cảm

ơn các anh chị nghiên cứu sinh, các em sinh viên đang nghiên cứu, học tập tại Trung tâm đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong quá trình làm thí nghiệm

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình bố,

mẹ, các anh chị và bạn bè, đặc biệt là chồng và con gái, nguồn động viên tinh thần

và là hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành luận văn

Luận văn được thực hiện tại Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Khoa học

tự nhiên Phần thực nghiệm của luận văn được hoàn thành trên cơ sở sử dụng các thiết bị: Máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) – BRUKER 5005, máy đo hấp thụ UV-vis – Shimadzu UV 2405, máy đo huỳnh quang - FRUOROLOG 3 và máy đo tán xạ Raman – Horiba Labram3 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội; Máy đo hấp thụ hồng ngoại (FTIR) – Shimadzu FTIR Afinity 1S tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội; Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM – Joel JEM-1010 tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ương

Luận văn được hỗ trợ bởi hai đề tài nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu chế tạo hạt nano bán dẫn pha tạp phân tán tốt trong dung dịch bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm nhằm ứng dụng trong y sinh”, chủ trì đề tài TS Nguyễn Hoàng Nam, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội và “Nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano vàng trong chế tạo cảm biến xác định nồng độ vủa virus gây bệnh với độ nhạy cao”, chủ trì đề tài PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, Đại học Quốc Gia Hà Nội Bên cạnh đó, một số phép đo của luận văn có sử dụng các trang thiết bị thuộc Dự án Công nghệ nano và ứng dụng như hệ đo tán xạ Raman Horiba Labram3

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Trà My

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu về hạt nano bán dẫn ZnS 4

1.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của ZnS 4

1.1.2 Tính chất của vật liệu cấu trúc nano 6

1.2 Một số phương pháp chế tạo hạt nano ZnS 11

1.3 Một số ứng dụng của hạt nano ZnS 15

1.3.1 Ứng dụng trong laser và diode 15

1.3.2 Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu phát huỳnh quang 16

1.3.3 Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu đánh dấu sinh học 16

1.4 Mục tiêu của luận văn 19

2.1 Chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm 21

2.1.1 Dụng cụ và hóa chất 21

2.1.2 Quy trình chế tạo 21

2.2 Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng các hạt ZnS trong cảm biến điện hóa xác định nồng độ ADN trong dung dịch 25

2.2.1 Hóa chất sử dụng 25

2.2.2 Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS vào cảm biến điện hóa để xác định nồng độ ADN của virus EBV 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo 29

3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ TSC 29

3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ 4-ATP 34 3.1.3 Ảnh hưởng của công suất còi siêu âm sử dụng trong quá trình chế tạo hạt ZnS 38 3.2 Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS trong cảm biến điện hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus gây bệnh 41

3.2.1 Đánh giá khả năng liên kết đặc hiệu của các phân tử ZnS-4ATP với ARN2 41

3.2.2 Đánh giá khả năng ứng dụng của hạt nano ZnS trong cảm biến điện hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus EBV 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurtzite của tinh thể ZnS 4 Hình 1.2 Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalerit của tinh thể ZnS 5 Hình 1.3 Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang 7

Hình 1.6 Các quá trình hấp thụ và phát quang của tinh thể 9

Bảng 1.1 Bảng một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnS/ ZnS pha

tạp đã được áp dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác 12

Bảng 1.2 Bảng một số chất hoạt hóa bề đã được các nhóm nghiên cứu

khác sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano 13-14

Hình 1.7

Ảnh chụp TEM hạt nano Ag chế tạo bới Landage S.M và cộng

sự, Viện Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ, sử dụng chất

hoạt hóa bề mặt TSC

14

Hình 1.9 Mô tả cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng liên kết đặc hiệu

Bảng 2.1

Bảng các nồng độ gốc của các hóa chất sử dụng trong quá

trình thí nghiệm chế tạo các hạt nano nền ZnS bằng phương

pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm

21

Hình 2.1 Sơ đồ và hình mô phỏng thí nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS

bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm 22

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết 23

hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau

Bảng 2.2 Thể tích dd TSC thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano

Hình 2.2 Hình vẽ mô tả sơ đồ đo nồng độ ADN vi khuẩn trong mẫu

Hình 2.3 Thiết kế của điện cực vàng sử dụng trong cảm biến ADN 28

Bảng 2.6 Bảng nồng độ ADN đích nhỏ vào điện cực trong quá trình

Hình 3.1

Phổ hấp thụ UV-Vis của các mấu chứa hạt nano ZnS chế tạo

bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các lượng

TSC pha tạp khác nhau và tính toán năng lượng vùng cấm

29

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cầm vào lượng TSC thêm

vào trong quá trình chế tạo vật liệu nano ZnS 30

Hình 3.3 Phổ FTIR của mẫu chứa hạt nano ZnS khi không có TSC và

Phổ XRD của các hạt nano ZnS chế tạo bằng phương pháp

đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau

và ảnh TEM hạt nano ZnS chế tạo với 10 ml TSC

32

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể trung bình vào nồng độ

TSC tham gia vào quá trình chế tạo hạt nano ZnS 33

Hình 3.6 Phổ quang phát quang và kích thích phát quang của hạt nano

Hình 3.7

Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS chế tạo bằng phương

pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với nồng độ chất hoạt hóa

4-ATP khác nhau

35

Hình 3.8 Các giá trị Eg tính toán từ phổ hấp thụ UV-vis phụ thuộc vào

lượng 4-ATP tham gia vào trong qua trình chế tạo 36

Hình 3.9 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số

sóng) trong khoảng 350 cm-1 đến 1700 cm-1của các mẫu ZnS 37

Hình 3.10 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số

sóng) trong khoảng 2000 cm-1 đến 3800 cm-1 của các mẫu ZnS 37

Hình 3.11 Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS với 10ml TSC với các

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cấm vào công suất siêu âm 39

Hình 3.13 Phổ XRD của hạt nano ZnS chế tạo với 10ml TSC với các

Hình 3.14 Kích thước tinh thể trung bình của ZnS chế tạo bằng phương

pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm pha tạp 10ml TSC 40

Hình 3.15

Phổ Raman của các hạt ZnS-ATP (a, ZnS-4ATP sau khi gắn

với các phân tử ARN nhận biết EBV (b) và sự khác biệt giữa

hai phổ [(b)-(a)] Kết quả cho thấy sự có mặt của các đỉnh phổ

đặc trưng cho các liên kết của chuỗi ARN/ADN cùng với các

hạt vật liệu

42

Bảng 3.2 Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman của các hạt ZnS-ATP và ZnS- 42

4ATP-ARN

Bảng 3.3 Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman thu được từ phổ hiệu 43

Hình 3.16 Điện thế quét vòng với các nồng độ ADN đích khác nhau 44

Hình 3.17 Sự phụ thuộc của dòng điện thay đổi trong điện cực vào nồng

độ AND đích khi áp dụng phương pháp đo điện thế quét vòng 45

6 EDC 1-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)carbodiimide

9 PBS phosphate buffer saline solution

11 Phổ FTIR Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier

12 Phổ UV-Vis Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại, khả kiến

15 Phổ PLE Phổ kích thích phát quang

18 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

MỞ ĐẦU

Công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại Mặc dù mới chỉ được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 nhưng khoa học công nghệ nano đã gặt hái được rất nhiều những thành tựu to lớn Với kích thước tương tự như kích thước của các tế bào hay các đại phân tử cấu tạo nên

tế bào, vật liệu nano đã cho thấy tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như: y sinh, dược phẩm, môi trường vả rất nhiều những ứng dụng đa ngành khác

Vật liệu nano bán dẫn nền kẽm hoặc nền kẽm pha tạp như ZnO, ZnS, ZnS pha tạp Mn, … đang được rất nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế chọn lựa nhằm nghiên cứu và phát triển Các vật liệu trên có độ rộng vùng cấm tương đối lớn (khoảng 3,67 eV [7] đối với ZnS và 3,42 eV đối với ZnO [24]); có thể ứng dụng tạo thành các loại vật liệu huỳnh quang phát ánh sáng trong vùng tử ngoại gần Khi pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp như Mn2+, Cu2+ [8, 22] hay với các kim loại đất hiếm như Eu3+, Sm3+ [41], chúng có thể phát huỳnh quang tại vùng khả kiến với cường độ cao; do đó có thể ứng dụng làm các tâm huỳnh quang kích thước nano (gọi tắt là Quantum dot – QD) [7] để đánh dấu trong y sinh Tuy nhiên, để có thể triển khai ứng dụng trong y sinh, những hạt nano phát quang kể trên cần có độ đồng đều cao cũng như độ phân tán tốt trong dung dịch

Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi ứng dụng kết hợp hai phương pháp chế tạo vật liệu nano là: phương pháp siêu âm và phương pháp đồng kết tủa trong dung dịch ái nước Sự kết hợp hai phương pháp trên có thể giúp cho việc giảm kích thước vật liệu đạt đến một tới hạn mới Đồng thời trong quá trình chế tạo, chúng tôi cũng khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo đến tính chất vật lý của hạt nano như: công suất còi siêu âm và chất hoạt hóa bề mặt

Bên cạnh đó, các hạt nano ZnS khi được chức năng hóa với nhóm chức amin (-NH2) có khả năng tương thích sinh học cao [30] Thông qua nhóm chức này, hạt ZnS có thể liên kết với các phân tử sinh học như: protein, ADN, ARN nhằm ứng dụng đánh dấu, nhận biết hay chụp ảnh sinh học

Mục đích của luận văn:

a Nghiên cứu chế tạo các hạt nano bán dẫn ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm, khảo sát với các điều kiện chế tạo khác nhau

+ Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của hạt

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt hóa bề mặt lên sản phẩm [12, 20, 29]:

 Chất hoạt hóa bề mặt là Trisodium citrate (TSC)

 Chất hoạt hóa bề mặt là 4-aminothiophenol (4-ATP)

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ siêu âm đến tính chất vật lý của các hạt

nano ZnS

b Xây dựng mô hình khảo sát khả năng ứng dụng của hat nano ZnS trong cảm biến sinh học để xác định nồng độ ADN của virus gây bệnh

 Chế tạo và chức năng hóa hạt nano với nhóm chức amin

 Khảo sát tính chất hạt nano sau khi chức năng hóa

+ Khảo sát khả năng và ứng dụng vật liệu để xác định nồng độ ADN của virus gây bệnh

c Đánh giá khả năng ứng dụng trong y sinh

Khả năng ứng dụng trong y sinh của vật liệu được đánh giá qua hai tiêu chí:

khả năng tương thích sinh học và tính huỳnh quang Tính huỳnh quang của vật liệu được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang trên hệ FRUOLOG 3 tại Trung tâm Khoa học vật liệu Bên cạnh đó, khả năng tương thích sinh học đã được bàn luận đến bằng việc các hạt ZnS có các nhóm chức amin ngay sau khi chế tạo và có khả năng liên kết cộng hóa trị với các phân tử ARN

Đối tượng nghiên cứu

a Vật liệu nghiên cứu: Hạt nano bán dẫn ZnS được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm

b Đối tượng sinh học: Bước đầu đánh giá tín hiệu điện hóa phụ thuộc vào nồng độ ADN virus Estenbar – tác nhân gây bệnh ung thư vòm họng, ung thư dạ dày, ung thư hạch bạch huyết

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được tiến hành bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Nhóm nghiên cứu đã tiến hành chế tạo các hạt nano bán dẫn ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo tới tính chất vật lý của hạt nano như: nồng độ chất hoạt hóa bề mặt TSC, 4-ATP và công suất còi siêu âm Tiếp đó, chúng tôi tiến hành chức năng hóa vật liệu với nhóm chức (-NH2)

Sau đó, chúng tôi khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu Đối tượng nghiên cứu là ADN của virus EBV Đầu tiên, chúng tôi tiến hành liên kết các hạt nano ZnS

đã được chức năng hóa với các phân tử ARN – các phân tử ARN có khả năng bắt cặp đặc hiệu với ADN của virus EBV Sau khi liên kết thành công, hệ hạt ZnS-4ATP-ARN được đưa vào dung dịch mẫu có chứa điện cực rồi tiến hành khảo sát với các nồng độ ADN virus khác nhau

Các phép đo nghiên cứu được thực hiện như sau:

- Khảo sát tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang, phổ hấp thụ hồng ngoại FITR

- Khảo sát hình thái, kích thước các hạt nano bằng phương pháp ghi ảnh TEM

- Khảo sát khả năng chức năng hóa của vật liệu với nhóm chức amin (NH2) bằng phổ hồng ngoại FTIR

- Khảo sát khả năng liên kết với các phân tử ARN của vật liệu đã được chức năng hóa

- Khảo sát sự thay đổi của dòng điện đo, được trên bề mặt điện cực trong cảm điện hóa ADN biến bằng phương pháp đo điện thế quét vòng CV

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về hạt nano bán dẫn ZnS

1.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của ZnS

ZnS là chất bán dẫn điển hình thuộc nhóm bán dẫn AIIBVI ZnS tồn tại ở nhiều cấu trúc phức tạp; nhưng có thể coi ZnS có hai dạng cấu trúc chính là cấu trúc lục giác (Wurtzite) và cấu trúc lập phương giả kẽm (Sphalerite) [13]

a Cấu trúc Wurtize

Nhóm đối xứng không gian của mạng tinh thể này là C4

6v – P6 3mc Đây là cấu trúc bên ở nhiệt độ cao (nhiệt độ chuyển từ giả kẽm sang Wurtize xảy ra ở 1020o

C đến 1150oC)

Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurtzite của tinh thể ZnS

Mỗi ô mạng chứa 2 nguyên tử ZnS, trong đó vị trí các nguyên tử là:

S2-

Zn2+

;

Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc 2 trong đó: 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác nằm cùng mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách một khoảng a; 6 nguyên tử khác ở đỉnh lăng trụ tam giác cách nguyên tử ban đầu một khoảng

1 2

b Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalerit

Nhóm đối xứng không gian tương ứng với cấu trúc này là T2

d – F43m Đây là cấu trúc thường gặp ở điều kiện nhiệt độ nhỏ hơn 950oC và áp suất bình thường

Hình 1.2 Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalerit của tinh thể ZnS

Trong ô cơ sở có 4 phân tử ZnS, tọa độ các nguyên tử như sau:

Mỗi nguyên tử S (hoặc Zn) được bao bọc bởi 12 nguyên tử cùng loại, chúng

ở lân cận bậc nằm trên khoảng cách 2

2 a Trong đó 6 nguyên tử nằm ở đỉnh lục giác trên cùng của mặt phẳng ban đầu, 6 nguyên tử còn lại tạo thành hình lăng trụ gồm 3 nguyên tử ở mặt phẳng cao hơn, 3 nguyên ở mặt phẳng thấp hơn mặt phẳng lục giác kể trên Các lớp ZnS được định hướng theo trục [111] Do đó tinh thể lập phương Sphalerit có tính dị hướng, các mặt đối xứng nhau, không tồn tại tâm đối xứng

Các hằng số hàng của ô nguyên tố lục giác và hằng số mạng ô nguyên tố lập phương liên hệ với nhau theo công thức:

2 2 3 ,

trong đó ah và ch là hằng số mạng lục giác, ac là hằng số mạng lập phương

Vị trí tương đối của hai nguyên tử trong mạng lập phương và mạng lục giác gần giống nhau Sự bao bọc của các nguyên tử Zn hay S bởi các nguyên tử lân cận bậc hai trong hai loại mạng là giống nhau Sự khác nhau về tọa độ các nguyên tử thể hiện ở chỗ cấu trúc lục giác đặc trưng bởi phản lăng trụ, để phát hiện sự khác nhau trong cấu trúc phải xét đến nguyên tử lân cận bậc ba

Các hằng số mạng phụ thuộc vào độ hoàn thiện của mạng tinh thể Sự tồn tại của tạp chất cũng gây nên những sai khác về hằng số mạng so với tính toán lý thuyết Những sai hỏng trong tinh thể lục giác có thể tạo ra một vùng nhỏ cấu trúc lập phương nằm trong tinh thể lục giác Tinh thể ZnS kết tinh trong các điều kiện khác nhau có thể tạo ra cấu trúc khác nhau, là biến thể của cấu trúc lập phương và cấu trúc lục giác

1.1.2 Tính chất của vật liệu cấu trúc nano

Vật liệu bán dẫn kích thước nano có những tính chất đặc biệt so với bán dẫn khối Những tính chất này là kết quả của sự giam hãm lượng tử các hạt tải điện (hay giam giữ của hàm sóng điện tử và lỗ trống) và ảnh hưởng của các trạng thái bề mặt [1, 2] Dưới đây, ngoài những tính chất hấp thụ, phát quang tương tự như của vật liệu khối, một số tính chất quang liên quan tới hệ hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn kích thước nano cũng được đề cập

a Tính hấp thụ

Năng lượng kích thích vào mẫu có thể là năng lượng cơ, quang, nhiệt hay năng lượng điện từ Vật liệu có thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lượng tới và chuyển đổi trạng thái Kết quả của quá trình hấp thụ này thường là sự phát huỳnh quang của các điện tử nóng hay các tâm, sự tăng các trạng thái dao động mạng Thông thường, vật liệu hấp thụ năng lượng từ những nguồn trên mỗi cách

khác nhau Tuỳ theo cách kích thích mà sẽ tác động tới hệ điện tử hay hệ dao động

mạng nhiều hay ít Khi dùng ánh sáng kích thích, chủ yếu hệ điện tử trong vật liệu sẽ

phản ứng trước tiên Sau đó có thể là các quá trình biến đổi thành quang hay nhiệt,

hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu

Hình 1.3 Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang

1- Hấp thụ riêng; 2-Hấp thụ exciton; 3a, 3b- Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do;

4a, 4b- Hấp thụ tạp chất - vùng gần; 4c, 4d- Hấp thụ tạp chất - vùng xa; 5- Hấp thụ

giữa các tạp chất [2]

Quá trình hấp thụ ánh sáng luôn gắn liền với sự biến đổi năng lượng photon

thành các dạng năng lượng khác trong tinh thể, do đó một cách tự nhiên có thể phân

loại các cơ chế hấp thụ như sau:

+ Hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản, liên quan đến các chuyển dời điện tử

giữa các vùng năng lượng được phép

+ Hấp thụ exciton, liên quan đến sự tạo thành và phân huỷ các trạng thái

exciton

+ Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, liên quan đến các chuyển dời điện tử

(hoặc lỗ trống) bên trong các vùng năng lượng được phép tương ứng hay giữa các tiểu

vùng trong các vùng được phép

+ Hấp thụ tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống)

giữa các mức bên trong tâm tạp chất hoặc giữa các vùng năng lượng được phép và

các mức tạp chất bên trong vùng cấm

+ Hấp thụ giữa các tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ

trống) giữa các mức tạp chất bên trong vùng cấm

Khi xảy ra tương tác giữa electron trong vật rắn với bức xạ điện từ cần phải thỏa mãn hai định luật: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn xung

lượng

Trong không gian vectơ sóng k , năng lượng của điện tử và lỗ trống được biểu diễn là hàm số E(k), có dạng parabol ở gần gốc tọa độ Do cấu trúc và phân bố nguyên tử khác nhau trong các tinh thể, các trạng thái năng lượng của hệ điện tử vùng dẫn và các lỗ trống vùng hoá trị phân bố có các cực trị khác nhau trong không gian E(k ) Nếu như cực tiểu năng lượng vùng dẫn nằm ở k 0và cực đại năng lượng vùng hoá trị cũng xảy ra ở k 0thì các chuyển dời điện tử là "thẳng" hay "trực tiếp"

Hình 1.4 Bán dẫn vùng cấm thẳng

Khi các cực đại vùng hoá trị và cực tiểu năng lượng vùng dẫn không nằm ở cùng giá trị, các chuyển dời điện tử sẽ là "không thẳng" hay "gián tiếp" Đây là chuyển dời không được phép theo quy tắc chọn lọc ∆=0 Vì vậy quá trình này cần

phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn vectơ sóng Hình 1.6 minh họa quá trình chuyển dời không

thẳng

Hình 1.5 Bán dẫn vùng cấm xiên

b Tính chất phát quang

Một phần năng lượng mà vật liệu hấp thụ sẽ được chuyển đổi thành quang năng, tái phát xạ từ vật liệu Huỳnh quang là một trong những dạng phát quang thứ cấp sau khi vật chất bị kích thích Hiện tượng phát quang có bản chất ngược với quá trình hấp thụ, là quá trình hồi phục điện tử từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp, giải phóng photon

Một số cơ chế phát quang

Nếu chỉ vẽ giản đồ năng lượng, bỏ qua giá trị tương ứng của vector sóng, có thể minh họa quá trình hấp thụ và các khả năng phát quang trong tinh thể như Hình 1.6

Hình 1.6 Các quá trình hấp thụ và phát quang của tinh thể

Sự kích thích mẫu được thực hiện qua hấp thụ vùng-vùng Sau quá trình (1) này đã tạo ra những điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hóa trị Các quá trình tái hợp có bức xạ của cặp điện tử-lỗ trống xảy ra tiếp theo là:

Tái hợp vùng-vùng (2), điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hóa trị Quá trình này có thể ghi nhận được ở nhiệt độ mẫu khá cao, khi không tồn tại trạng thái exciton trong tinh thể

Sự phân rã exciton (3) chỉ quan sát được ở những vật liệu hoàn hảo (sạch, cấu trúc tinh thể tốt), và ở nhiệt độ thấp sao cho năng lượng nhiệt kT không vượt quá năng lượng liên kết của exciton

Khi trong chất bán dẫn có cả tạp chất đôno và axépto với nồng độ đủ cao, thì tương tác Coulomb giữa đôno và axépto sẽ làm thay đổi năng lượng liên kết của chúng (so với khi tạp chất đứng cô lập) Khoảng cách năng lượng giữa các trạng thái đôno và axépto trong cặp là:

Trong đó r là khoảng cách giữa đôno và axépto trong cặp, e là điện tích của

electron,  là hằng số điện môi của chất bán dẫn Khi electron trên đôno tái hợp với lỗ trống trên axépto, năng lượng của photon phát ra được tính bằng biểu thức trên

Quá trình chuyển dời (6) xảy ra trong nội bộ tâm Các tâm phát quang này mang tính định xứ địa phương rất cao, sự tương tác của các chuyển dời điện tử với trường tinh thể xung quanh thường rất yếu Năng lượng của các chuyển dời điện tử hoàn toàn do cấu trúc của tâm quy định Các ion loại 4f (đất hiếm, phóng xạ), 3d

(kim loại chuyển tiếp), tâm F trong Halogen kiềm, hay các gốc phát quang phân tử

có dạng phức (complex) có thể hoạt động trong tinh thể dưới dạng những tâm giả cô lập như vậy

Các tái hợp (7), (8) tương tự như (4), (5) nhưng với các mức năng lượng đôno

và axépto nằm sâu trong vùng cấm Trong các trường hợp này, ảnh hưởng của trường tinh thể tới các tái hợp cũng yếu hơn

1.2 Một số phương pháp chế tạo hạt nano ZnS

Vật liệu nano được chế tạo theo hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo ra hạt nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion

Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: sử dụng kỹ thuật nghiền biến các vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, lượng mẫu chế tạo được lớn Tuy nhiên phương pháp từ trên xuống có nhược điểm tính đồng nhất của các hạt nano không cao [15]

Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp

từ dưới lên được phát triển mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp hóa – lý Một số cách chế tạo vật liệu thuộc phương pháp từ dưới lên

có thể kế đến như là: phương pháp kết tủa, phương pháp điện hóa, phương pháp siêu âm, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi nhũ tương, phương pháp khử hóa học trong môi trường phân cực

Rất nhiều nhóm nghiên cứu trước đây đã tiến hành nghiên cứu chế tạo hạt

nano ZnS và Zn pha tạp bằng các phương pháp nêu trên, có thể kể đến một số kết quả như sau:

(nm)

Tài liệu tham khảo

1 Đồng kết tủa Parvanch Iranmanesh và cộng sự,

trường đại học Vali-e-Asr, Iran 5,5 [34] Nguyễn Trí Tuấn và cộng sự, Trường

4 Sóng siêu âm Tiwary, K.P và cộng sự, Khoa vật lý

ứng dụng, Viện Công nghệ Birla, Ấn

Jun Liu và cộng sự, Viện Vật liệu

Bảng 1.1 Bảng một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnS/ZnS pha tạp

đã được áp dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác

Như vậy, các nhóm nghiên cứu trước đây đã chế tạo được hạt nano ZnS có

kích thước tương đối nhỏ từ 2,4 nm đến 30 nm Tuy nhiên, với mong muốn ứng dụng được trong lĩnh vực y sinh, hạt nano đòi hỏi phải có kích thước nhỏ, phát huỳnh quang mạnh và phân tán tốt trong dung dịch Do đó, nhóm nhiên cứu chúng tôi đã có ý tưởng kết hợp các phương pháp chế tạo

Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy phương pháp đồng kết tủa

là phương pháp đơn giản, hạt nano chế tạo được có kích thước tương đối nhỏ (2,6

nm – 5,5 nm) [34, 3, 41], lượng mẫu thu được lớn Và thay vì phải mất từ 12 h đến

24 h như trong phương pháp thủy nhiệt thì thời gian chế tạo hạt bằng phương pháp đồng kết tủa chỉ mất từ 2 – 3 h [34] Thêm vào đó, sóng siêu âm được cho là tạo ra các dòng xoáy có tần số rất lớn, đồng thời hình thành các tâm thay đổi áp suất trong dung dịch, vì vậy ảnh hưởng đến việc kết đám hoặc lớn lên của hạt, làm cho hạt có kích thước nhỏ hơn Do vậy, chúng tôi đã tiến hành kết hợp phương pháp đồng kết tủa và phương pháp siêu âm để chế tạo vật liệu nano ZnS

Bên cạnh đó, tác động làm thay đổi kích thước hạt của chất hoạt hóa bề mặt cũng được rất nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước sử dụng để chế tạo vật liệu nano (Bảng 1.2)

Tài liệu tham khảo

1 TSC Lee Ji-Hwan và công sự Au 20 – 50 [20]

Dhiraj Kumar và cộng sự Au 20 - 80 [12] Landage S.M và cộng sự,

Viện Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ

2 4-ATP Ayşem Üzer và cộng sự, Đại

học Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ

Nan Xiao và Chenxu Yu, Đại học Iowa

3 PVP Lo, H., Y Sylvia, Wang

Yung-Yun và Wan Chao, trường Đại học Quốc gia Tsing Hua, Đài Loan

5 CTAB Y Liu và cộng sự, Đại học

Công nghệ Amirkabir, Iran

6 Accrylamide Nguyễn Trí Tuấn, Đại học

Cần Thơ

Bảng 1.2 Bảng một số chất hoạt hóa bề đã được các nhóm nghiên cứu khác

sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano

Nhóm nghiên cứu của Landage S.M và cộng sự, Viện Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ, đã tiến hành sử dụng chất hoạt hóa TSC để chế tạo hạt nano Ag Kích thước hạt thu được trung bình khoảng 40 nm, khá đồng đều

Hình 1.7 Ảnh chụp TEM hạt nano Ag chế tạo bới Landage S.M và cộng sự, Viện

Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ, sử dụng chất hoạt hóa bề mặt TSC

Nhóm nghiên cứu của Ayşem Üzer và cộng sự [5] và Nan Xia, Chenxu

Yu [29] đã sử dụng chất hoạt hóa bề mặt 4-ATP để chức năng hóa với nhóm chức amin làm cầu nối với các phân tử sinh học

Từ những kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy ảnh hưởng làm giảm kích thước hạt nano của chất hoạt hóa bề mặt Do đó, hai loại chất hoạt hóa bề mặt được sử dụng và khảo sát ảnh hưởnglên tính chất của vật liệu, đó là:

Chất hoạt hóa bề mặt trisodium citrate (TSC): TSC có khả năng tạo ra lớp điện tích âm trên bề mặt của hạt nano, làm các hạt đẩy nhau ra và do đó tác động tạo nên các hạt nano có kích thước nhỏ [20, 12, 19]

Chất hoạt hóa bề mặt 4-aminothiophenol (4-ATP): 4-ATP được cho là có thể gắn trực tiếp trên bề mặt sulfide kim loại (MS – trong đó M là kim loại hóa trị 2) [5, 29]

Quá trình chế tạo và khảo sát được tiến hành bằng cách thay đổi các nồng độ chất hoạt hóa bề mặt giam gia tổng hợp ZnS

Như vậy, hạt nano ZnS sẽ được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm Đồng thời ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo như nồng độ chất hoạt hóa bề mặt, công suất siêu âm lên tính chất vật lý của hạt sẽ được khảo sát

1.3 Một số ứng dụng của hạt nano ZnS

1.3.1 Ứng dụng trong laser và diode

ZnS có độ rộng cùng cấm tương đối lớn (3,67 eV) do đó ZnS thường được ứng dụng trong các diode laser [18] hoặc diode phát quang (LED) [44] Rất nhiều loại photodiode đã được chế tạo trên cơ sở lớp chuyển tiếp p-n của ZnS, suất quang điện động của lớp chuyển tiếp p-n thường đạt tới 2,5 V Điều này còn cho phép hy vọng có những bước phát triển mới trong công nghệ chế tạo thiết bị ghi đọc quang học laser như làm tăng mật độ ghi thông tin trên đĩa, tăng tốc độ làm việc của các máy in laser, đĩa compact, tạo khả năng sử dụng bảng

màu trộn từ 3 laser phát màu cơ bản

1.3.2 Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu phát huỳnh quang

Vật liệu nano ZnS là vật liệu nano bán dẫn có khả năng phát huỳnh quang

ở vùng tử ngoại gần, khi được pha tạp với các ion kim loại như Cu2+, Mn2+ hay với các kim loại đất hiểm như Eu3+, Sm3+ … chúng có thể phát huỳnh quang tại vùng khả kiến với cường độ cao, do đó được ứng dụng làm các vật liệu phát huỳng như các tụ điện huỳnh quang, các màu Rơnghen, màu của các ồng phóng điện tử và dụng cụ bức xạ electron làm việc ở dải tần rộng, hay các vật liệu đánh dấu tế bào ung thư

Một số những ứng dụng đã được thực hiện trong việc phát hiện, đánh dấu

tế bào ung thư có thể kế đến như: sử dụng hạt nano ZnS:Mn để phát hiện ADN của tế bào ung thư; sản xuất bộ Kit phát hiện nhanh ADN [27]

Với khả năng phát xạ ánh sáng khi được kích thích bởi các chùm tia X hoặc các chùm điện tử, vật liệu ZnS còn được sử dụng cho màn X-ray và các ống tia cathode

1.3.3 Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu đánh dấu sinh học

Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay, các nhà khoa học

đã chế tạo được các vật liệu nano ZnS có kích thước vô cùng nhỏ, chĩ cỡ khoảng vài nano Với khả năng phát huỳnh quang mạnh các vật liệu này được dùng làm các tâm phát huỳnh quang (Gọi tắt là các Quantum Dot – QD) ứng dụng trong việc đánh dấu tế bào Bên cạnh khả năng gắn kết với các gốc amin

tự do (-NH2) – gốc amin có khả năng tương thích sinh học, vật liệu nano ZnS đang được hướng đến để ứng dụng trong cảm biến sinh học nhằm phát hiện sự

có mặt của ADN, các chuỗi nucleotide, enzyme, kháng nguyên, kháng thể

Dưới đây là mô hình chung của một cảm biến sinh học

Hình 1.8 Mô hình chung của cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học được chia làm ba phần: phận nhận biết (recognition), phần chuyển đối tín hiệu (signal transduction) và xử lý tín hiệu (signal processing)

(Hình 1.8)

Trong phần nhận biết, cảm biến sinh học sử dụng các tương tác đặc hiệu sinh học để tương tác với đối tượng cần nhận biết Tương tác này thường cho một loại tín hiệu sinh lý đặc trưng (ví dụ: bắt cặp tín hiệu ADN-ADN, ADN-ARN, kháng nguyên – khánh thể, cơ chất- enzyme, chuỗi nucleotide – cơ chất) Các tín hiệu kiểu này thường không dễ nhận biết một cách trực tiếp mà phải thông qua một hệ thống chuyển tín hiệu để chuyển thành các tín hiệu đọc được như tín hiệu quang, tín hiệu điện Quá trình chuyển tiếp tín hiệu này rất đa dạng: có thể là các tín hiệu gắn với

cơ chất sinh học (protein phát huỳnh quang gắn với cơ chất, bức xạ đặc hiệu gắn với

cơ chất) Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng đọc được, trong bước cuối cùng, chúng

xử lý, đánh giá và so sánh để đưa ra những nhận định hay thông số vật lý của các đối tượng sinh học cần biết

Trong luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu về cảm biến sinh học dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ARN với tín hiệu điện ở đầu ra, còn gọi là cảm biến điện hóa ADN, để xác định hàm lượng ADN của virus

Cảm biến điện hóa ADN

Cảm biến điện hóa ADN dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ADN, ADN - ARN để nhận biết các chuỗi gen của các vi khuẩn, virus gây bệnh Hình 1.9 đưa ra

mô hình cảm biến điện hóa ADN được sử dụng trong đề tài này Nhận biết đặc hiệu

là quá trình bắt cặp của hai chuỗi nucleotide (lần lượt được gọi là detector probe và catcher probe ) với chuỗi ADN cần nhận biết (target ADN hay detected ADN) Một đầu chuỗi detector probe được gắn với các hạt nano kim loại hoặc bán dẫn – cũng là các hạt giúp tạo tín hiệu đọc được (signal agent) Chuỗi catcher probe gắn với điện cực Hệ thống vi cảm biến chất lỏng đặt trong kênh dẫn sẽ cảm nhận được sự có mặt của các đối tượng cần nhận biết Lối ra cảm biến được đưa vào một bộ tiền khuếch đại và một bộ khuếch đại đi kèm với các mạch lọc trước khi đi vào máy tính

Hình 1.9 Mô tả cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng liên kết đặc hiệu

AND – ARN/ ADN để nhận biết ADN nói chung

(Phần nhận biết là quá trình bắt cặp kép của detector probe và catcher probe (hai chuỗi nucleotide đặc hiệu) với chuỗi ADN của đối tượng tạo thành hệ thức sandwich Trong quá trình chuyển hóa tín hiệu, các thông số điện như độ dẫn, dòng

ĐIỆN CỰC VÀNG

Pha bắt cặp

Pha nhận biết

Pha tín hiệu

Tín hiệu điện hóa

Các phân tử chức năng hóa

bề mặt

điện… của hệ sandwich chuyển tiếp đến hệ đo qua điện cực và cho thông tin về thông số của nồng độ ADN có trong dung dịch.)

Nhận định về khả năng ứng dụng của vật liệu ZnS vào cảm biến điện hóa ADN:

Hạt nano ZnS khi được chức năng hóa với các nhóm amin tự do có khả năng liên kết với các phân tử sinh học như ADN, ARN, kháng nguyên, kháng thể…[5, 29] Và cơ sở từ những nghiên cứu trước đây như: ứng dụng hạt nano ZnO để nghiên cứu nồng độ glucose, nồng độ ADN … trong đó, tín hiệu đo đạc là tín hiệu điện có được do quá trình oxy hóa khử của ion Zn2+ Do vậy, chúng tôi nhận thấy vật liệu nano ZnS hoàn toàn có thể ứng dụng được trong cảm biến điện hóa ADN để

đo đạc nồng độ ADN

Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi mong muốn có thể sử dụng các hạt nano ZnS đã chức năng hóa liên kết với các phân tử ARN – phân tử ARN có khả năng liên kết đặc hiệu với ADN của virus Epstein-Barr (EBV), từ đó ứng dụng vào cảm biến điện hóa ADN nhằm phát hiện sự có mặt của virus EBV

1.4 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là chế tạo được vật liệu nano ZnS với kích thước rất nhỏ, có khả năng phát huỳnh quang tốt và phân tán tốt trong dung dịch Song song với đó, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên tính chất vật lý của hạt như: công suất còi siêu âm, nồng độ chất hoạt hóa bề mặt – những yếu tố tác động

để kiểm soát kích thước hạt Đồng thời, luận văn đề xuất mô hình đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS để khảo sát nồng độ ADN

Để đạt được mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chế tạo hạt nano ZnS bằng cách kết hợp phương pháp đồng kết tủa và phương pháp siêu âm Bên cạnh đó, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa bề mặt và công suất còi siêu âm đến tính chất vật lý của hạt nano Chất hoạt hóa bề mặt được sử dụng ở đây là trisodium citrate và 4-aminothiophenol

Với mục tiêu ứng dụng hạt nano trong cảm biến sinh học, nhóm nghiên cứu tiến hành chế tạo hạt nano ZnS chức năng hóa thành công với nhóm chức amin (-

NH2); khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu bằng cách liên kết với các phân tử ARN Sau đó, sử dụng hệ các hạt nano đã chức năng hóa liên kết ARN này vào cảm biến ADN để khảo sát sự có mặt ADN của virus EBV

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT

2.1 Chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm 2.1.1 Dụng cụ và hóa chất

Hệ thí nghiệm bao gồm: Còi siêu âm; khí Ar, bình cầu 3 cổ và các tiền chất: kẽm acetate (Zn(Ac)2), Natri sulfide (Na2S), trisodium citrate (TSC), NaOH và 4-Aminothiophenol (4-ATP)

Các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm pha với nồng độ được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Bảng các nồng độ gốc của các hóa chất sử dụng trong quá trình thí

nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm