Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ thực phẩm

Các CQDs này có khả năng tái tạo và có khả năng tự phân hủy sinh học sau khi sử dụng.Từ những phân tích trên đây, trong đề tài này tôi nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử cacbon CQDs từ “s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

======

TRẦN THU HƯƠNG

TỔNG HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON

TỪ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học Vô Cơ

HÀ NỘI - 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

======

TRẦN THU HƯƠNG

TỔNG HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON

TỪ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học Vô Cơ

Người hướng dẫn khoa học

ThS HOÀNG QUANG BẮC

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộViện Khoa học Vật liệu và phòng

hỗ trợ nghiên cứu khoa học trường ĐHSPHN2, khoa Hóa học trường ĐH KHTN đã nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV-VIS, phổ phát xạ huỳnh quang, phổ hồng ngoại FT-IR…

Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và là chỗ dựa tinh thần cho em trong suốt thời gian qua

Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót.Vì vậy em rất mong nhận được góp ý của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

SINH VIÊN

Trần Thu Hương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của ThS Hoàng Quang Bắc Các số liệu và kết quả trong khóa

luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Đề tài không có sự sao chép tài liệu nào, công trình nghiên cứu nào của người khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

SINH VIÊN

Trần Thu Hương

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

QDs : Chấm lượng tử (quantum dots)

CQDs : Chấm lượng tử Cacbon (carbon quantum dots)

E g :Độ rộng vùng cấm

LED :light-emitting diodes

FT-IR :Fourier transform - infrared spectroscopy

UV-VIS : ultra violet - visible absorption spectroscopy

PL : photoluminescence spectroscopy

QY : hiệu suất lượng tử

LUMO :lowest unoccupied molecular orbital

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Cấu trúc vật lý của chấm lượng tử 4

Hình 1.2.Khi CQDs bị kích thích quang bởi năng lượng hυ 5

Hình 1.3 Màu sắc phát xạ của dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS/ZnS có kích thước khác nhau dưới đèn UV 6

Hình 1.4 Màn hình QD-LED TV sử dụng chấm lượng tử InP làm chất phát quang 9

Hình 1.5 Cấu trúc chấm lượng tử cacbon 14

Hình 1.6 Ảnh chuột đã được tiêm chấm lượng tử dưới đèn UV 19

Hình.1.7 Quy trình thủy nhiệt 21

Hình 2.1.Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tửcacbon từ gạobằng phương pháp thủy nhiệt 22

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động máy đo phổ hồng ngoại 25

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động máy đo UV-VIS 27

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ huỳnh quang 30

Hình 3.1 Dung dịch chấm lượng tử và sự phát quang ở 366 nm 32

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chấm lượng tử cacbon tổng hợp từ các loại thực phẩm khác nhau 33

Hình 3.3 Phổ UV-VIS của dung dịch chấm lượng tử khi chiếu tia UV 35

Hình 3.4 Phổ phát xạ của dung dịch chấm lượng tử các loại thực phẩm 36

Bảng 3.1 Hiệu suất phát xạ lượng tử của các dung dịch CQDs 38

MỤC LỤC

Trần Thu Hương 3

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Điểm mới của đề tài 2

PHẦN 2 NỘI DUNG 3

1.1 Chấm lượng tử 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2.Cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử 4

1.1.3 Những ứng dụng của chấm lượng tử 8

1.1.4 Những loại chấm lượng tử phổ biến 11

1.1.5.Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử trong khoá luận 12

1.2 Chấm lượng tử cacbon 13

1.2.1 Mô tả cấu trúc 13

1.2.2 Tính chất của chấm lượng tử cacbon 15

1.2.3 Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử cacbon 15

1.2.4 Phương pháp tổng hợp 20

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 22

2.1 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon 22

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ 22

2.1.2.Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ gạo 22

2.1.3 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ đỗ xanh 23

2.1.4 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ cà chua 23

2.1.5 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ cà rốt 24

2.1.6 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon từ rau cải 24

2.1 Các phương pháp nghiên cứuchấm lượng tử Cacbon 24

2.2.1 Phổ hồng ngoại IR 24

2.2.2 Phổ hấp thụ UV-VIS 26

2.2.3 Phổ phát xạ huỳnh quang(PL) 28

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Sự hình thành chấm lượng tử cacbon 31

3.2 Cấu trúc của chấm lượng tử cacbon 32

3.3 Tính chất quang của chấm lượng tử cacbon 34

KẾT LUẬN 39

PHẦN 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Chuyển hóa các phế phẩm sinh học (biomass) thành các chất hay vật liệu

có giá trị hơn như nhiên liệu sinh học, vật liệu cacbon, các hợp chất hữu cơ phân tử thấp đang thu hút được quan tâm của nhiều nhà khoa học vì ngoài việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường còn tạo ra các sản phẩm “xanh” hơn Trong xu hướng này, chuyển hóa các sản phẩm nguồn gốc tự nhiên thành vật liệu nano cacbon đang thu hút được nhiều sự quan tâm do các vật liệu tương tự tổng hợp từ hóa chất tinh khiết đã và đang chứng tỏ được tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện tử, cảm biến, và quang – điện tử Bên cạnh các vật liệu nano cacbon đã được nghiên cứu khá đầy đủ là ống nano cacbon (CNT: carbon nanotube), graphene, và fullerences; chấm lượng

tử cacbon (CQDs) là vật liệu mới được nghiên cứu gần đây CQDs có khả năng tan trong nước, bền với môi trường, phát xạ tốt và đặc biệt là ít độc hại Các ưu điểm này làm cho CQDs đặc biệt được quan tâm ứng dụng trong các lĩnh vực y-sinh và dược học bên cạnh các ứng dụng truyền thống như LEDs hay cảm biến huỳnh quang

Các nghiên cứu mới nhất cho thấy CQDs có thể được tổng hợp tương đối

dễ dàng từ nhiều nguồn cacbon khác nhau, từ đường, chitosan, nước hoa quả, thực phẩm thừa, nước ngọt và một số hóa chất Các CQDs này có khả năng tái tạo và có khả năng tự phân hủy sinh học sau khi sử dụng.Từ những phân tích trên đây, trong đề tài này tôi nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử cacbon (CQDs) từ “soup” của một số rau, củ, quả, thực phẩm sử dụng hàng ngày như tinh bột, cà chua, rau cải, v.v

2 Mục đích nghiên cứu

- Tổng hợp chấm lượng tửCacbon (CQDs) bằng phương pháp thủy nhiệt

- Nghiên cứu tính chất quang của CQDs bằng phổ hấp thụ UV-VIS và phổ phát xạ huỳnh quang PL

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tài liệu: phương pháp tổng hợp CQDs

- Tổng hợp CQDs bằng phương pháp thủy nhiệt

- Đặc trưng cấu trúc của chấm lượng tử thu được bằng các phương pháp phổ hồng ngoại IR

- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng quang phổ hấp thụ UV-VIS và quang phổ phát xạ PL

4 Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm kết hợp với lý thuyết mô phỏng

Trước tiên, chúng tôi tổng hợp CQDs, đo tính chất quang và đưa ra mô hình lý thuyết giải thích tính chất quang của chấm lượng tử thu được

5 Điểm mới của đề tài

Tổng hợp chấm lượng tửcacbon từ thực phẩm không độc hại.Tìm hiểu ảnh hưởng của quá trình oxi hóa đến màu phát xạ của CQDs

dẫn đó Bán kính Bohr (a B) phụ thuộc vào khối lượng tương đối của electron (me*), lỗ trống (mh*) và hằng số điện môi theo phương trình:

=

∗

∗

Trong đó: ∗ = ∗∗. ∗∗và ao=0.529Ao là bán kính obitan 1S của hydro

Ví dụ, bán kính Bohr của một số bán dẫn quan trọng như sau: ZnO (2,2 nm), CdS (3,1 nm), CdSe (6,1 nm), CdTe (6,5 nm), PbS (18 nm), PbSe (46 nm), InP (15 nm), InAs (34 nm), Si (4,3 nm), Ge (24,3 nm)

1.1.2.Cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử

Đặc tính điện tử của một chấm lượng tử có liên quan chặt chẽ với kích thước và hình dạng của nó Chấm lượng tử chỉ khoảng 1/10.000 chiều rộng

của một sợi tóc của con người, mô tả gần như hình vẽ dưới đây:

Hình 1.1.Cấu trúc vật lý của chấm lượng tử

Cấu trúc phổ biến của QDs dạng hạt keo gồm 2 phần chính: lõi và các phối tử đính trên bề mặt.Lõi là phần tinh thể bán dẫn quyết định chủ yếu cấu trúc điện tử của QDs Phối tử trên bề mặt là hợp phần quan trọng, có hai vai trò chính là liên kết phối trí với các nguyên tử nằm ở bề mặt ngoài cùng của lõi và quyết định độ tan của QDs trong các loại dung môi khác nhau

Cấu trúc điện tử và tính chất quang học của chấm lượng tử

Khi kích thước của hạt bán dẫn nhỏ dần đến cỡ nm, tương đương với đặc trưng bán kính Bohr của nó thì các trạng thái năng lượng của hạt bán dẫn sẽ bị lượng tử hóa; hiệu ứng này còn gọi là hiệu ứng giam hãm lượng tử.Hạt bán dẫn như thế được gọi là chấm lượng tử QDs Cấu trúc điện tử và tính chất quang cơ bản (hấp thụ và phát xạ) của QDs được trình bày trên hình 1.2

Hình 1.2.Khi CQDs bị kích thích quang bởi năng lượng ℎ

Khi kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm Eg, các electron ở vùng hóa trị nhận năng lượng của photon và bị kích thích lên vùng dẫn đồng thời để lại lỗ trống Các cặp electron và lỗ trống được miêu tả

là các hình tròn đen và hình tròn không màu như hình 1.2.Các điện tử (mang điện tích âm) và các lỗ trống (mang điện tích dương) sẽ có xu hướng chuyển

về mức năng lượng thấp hơn – quá trình này được gọi là quá trình bền hóa nội vùng.Electron sẽ chuyển dịch về trạng thái năng lượng thấp nhất của vùng dẫn trong khi lỗ trống chuyển dịch về trạng thái năng lượng cao nhất của vùng hóa trị Ở trạng thái biên, chúng có thể tái hợp lại với nhau và sinh ra một photon có năng lượng bằng độ rộng vùng cấm Eg của QDs Tùy theo năng lượng phát ra ứng với bước sóng thích hợp ta có thể quan sát màu sắc phát quang khác nhau Bước song ( ) phụ thuộc vào năng lượng (E)theo phương trình:

vớih là hằng số Planck bằng 6,62.10-27 erg.s hoặc 6,62.10-34 Js

và c = 3.108 m/s ℓà vận tốc ánh sáng trong chân không

Kích thích Tái hợp Ánh sáng phát xạ

Tuy nhiên, đa số các chấm lượng tử thường có các trạng thái bề mặt (surface state) là các trạng thái có năng lượng nằm trong vùng cấm sinh ra từ các khuyết tật bề mặt hay từ các dị tố, điện tử hoặc lỗ trống khi di chuyển về

vị trí biên lại tiếp tục di chuyển về các trạng thái này trước khi tái hợp với nhau Khi đó năng lượng phát ra từ sự tái hợp sẽ nhỏ hơn Eg.[4]

Dựa vào mô hình bài toán “hạt trong giếng thế” có thể dự đoán lý thuyết rằng Eg tỷ lệ với 1/R2, trong đó R là kích thước của QDs Như vậy, bằng cách thay đổi kích thước QDs ta có thể điều khiển giải hấp thụ hoặc màu sắc phát

xạ của QDs Chẳng hạn, QDs ở kích thước xác định sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc riêng biệt khi được chiếu tia cực tím (UV) Màu sắc ánh sáng thay đổi tương ứng với kích thước của QDs Như vậy, bằng cách thay đổi tuần tự kích thước QDs, ta có thể tạo ra mọi sắc độ trong quang phổ ánh sáng với độ thuần khiết mà hiếm loại vật liệu nào đạt được.Dưới đây là ví dụ về màu sắc của chấm lượng tử CdSe/CdS/ZnS ở các kích thước tăng dần từ trái qua phải:

Hình 1.3.Màu sắc phát xạ của dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS/ZnS có

kích thước khác nhau dưới đèn UV

Tính tan của chấm lượng tử: Hai chất có thể tan vào nhau tốt nếu chúng có

bản chất giống nhau, ví dụ như các chất phân cực sẽ tan tốt trong dung môi

phân cực Để xác định nó có giống nhau hay không thì người ta dựa và các thông sốHansen (Hansen solubility parameters), tức là chấm lượng tử có khả năng dễ tan vào dung môi nào đó (tính tan) được quyết định bởi các thông số tan Hansen của nó

Các tham số hòa tan Hansenđể dự đoán liệu một vật liệu sẽ hoà tan trong một chất khác (dung môi)như thế nào Cụ thể, mỗi phân tử được cho ba tham

số Hansen, mỗi điểm đều được đo bằng MPa 0.5 :

Năng lượng từ lực phân tán giữa các phân tửδ

Năng lượng từ lực liên phân tử lưỡng cực giữa các phân tử

Năng lượng từ các liên kết hidro giữa các phân tử

Ba tham số này có thể được coi như các tọa độ cho một điểm trong ba chiều còn được gọi là không gian Hansen Hai phân tử nằm gần nhau trong không gian ba chiều này, chúng càng dễ hòa tan vào nhau Để xác định xem các thông số của hai phân tử (thường là dung môi và polymer) nằm trong phạm vi, một giá trị được gọi là bán kính tương tác (R 0 ) được trao cho chất

bị hòa tan Để tính toán khoảng cách (Ra) giữa các tham số Hansen trong không gian Hansen, công thức sau được sử dụng:

Các tham số có thể được tra tại bảng tham số Hansen.Kết hợp này với bán kính tương tác cho phép sự khác biệt năng lượng tương đối (RED) của hệ thống:

RED = Ra/Ro RED <1 các phân tử giống nhau và dung dịch sẽ tan hoàn toàn

RED = 1 dung dịch tan một phần trong dung môi

RED> 1 dung dịch sẽ không tan trong dung môi

Vì vậy, độ tan của chấm lượng tử phụ thuộc vào thành phần của chấm lượng tử,ví dụnếu chấm lượng tử có nhiều nhóm chức như -COOH thì nó có

thể tan vào các dung môi có các thông số Hansen (khả năng hình thành liên

kết hidro và tính chất phân cực) cao [7]

1.1.3.Những ứng dụng của chấm lượng tử

Nhờ vào các tính chất và đặc điểm đã nêu ở trên của chấm lượng tử, chúng ta có thể nhận ra tiềm năng ứng dụng của chúng là rất lớn Dưới đây là một số ứng dụng của QDs trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Trong đèn LED (light-emitting diodes):

Hiện nay, chấm lượng tử với hiệu suất lượng tử cao được dùng để chuyển đổi ánh sáng bước sóng ngắn phát ra từ LED chip thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy Nhờ vậy mà màu sắc của LED, có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi kích thước, hoặc thành phần hóa học của chấm

lượng tử Tương tự như vậy, QDs có E g nhỏ có thể được sử dụng để chuyển ánh sáng mặt trời thành ánh sáng đỏ có tác dụng sưởi ấm và kích thích quang hợp của cây trồng Một trong những ứng dụng nữa của đèn LED là chế tạo màn hình TV

Trong chế tạo màn hình TV:Chấm lượng tử mang đến cho thế hệ màn hình TV, máy tính, và các thiết bị di động những lợi ích quan trọng Trên màn hình LCD điển hình, số lượng màu sắc khá giới hạn bởi tạo thành chỉ từ ba màu chính: đỏ, xanh dương và xanh lá Hình ảnh chiếu sáng nhờ đèn nền.Với công nghệ màn hình chấm lượng tử, ánh sáng chiếu qua màng mỏng tinh thể nano có thể tạo ra màu sắc bất kỳ.Kích thước và khoảng cách giữa các hạt nhỏ nên hiệu quả truyền dẫn cao.Nhờ đó thiết bị hoạt động nhanh hơn, bền hơn và tốn ít năng lượng (yếu tố cực kỳ quan trọng với các thiết bị di động dùng pin).Cuối cùng, kích thước nano mang lại độ phân giải cao Do đó, thế hệ màn hình chấm lượng tử này tái tạo hình ảnh đẹp, chính xác và sống động gấp nhiều lần so với màn hình tinh thể lỏng

Hình 1.4 Màn hình QD-LED TV sử dụng chấm lượng tử InP làm chất phát

quang

Trong các pin mặt trời:

Với sự tiến bộ của xã hội và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong khi các nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt thì việc cần thiết của loại năng lượng có sắc như ánh sáng mặt trời là rất cần thiết Trong khi đó ngànhcông nghệ chấm lượng tửđã giúpcải thiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi của các tế pin mặt trời Thay cho tấm silicon ép giữa lớp kính như loại pin truyền thống, pin mặt trời chấm lượng tử sử dụng màng mỏng các tinh thể nano bán dẫn để hấp thụ ánh sáng Nhờ kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin mặt trời chấm lượng tử dễ dàng hấp thu toàn bộ phổ phát xạ của mặt trời, giúp cắt giảm chi phí và độ phức tạp khi sản xuất pin mặt trời Hiệu quả trên lý thuyết có thể đạt 66% so với mức chưa đến 20% nếu dùng vật liệu truyền thống.Sử dụng màng tinh thể nano, đặc biệt là chấm lượng tử đang trở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá thành và thúc đẩy sử dụng nguồn năng lượng mặt trời [10]

Ứng dụng trong phép thử miễn dịch

Phép thử miễn dịch dựa trên nguyên lý kháng nguyên – kháng thể:

Để xác định một loại bệnh nào đó người ta lấy kháng nguyên của một người bị nghi vấn cho kết hợp với kháng thể của bệnh đó, liên kết đặc hiệu xảy ra khi người đó bị bệnh Đây là những phản ứng xảy ra ở mức độ phân tử Nếu gắn protein chứa kháng thể mầm bệnh với một chất chỉ thị thì ta sẽ biết được bệnh qua chất chỉ thị đó khi kháng nguyên kết hợp đặc hiệu với kháng thể có chất chỉ thị Ví dụ, chấm lượng tử CdSe-ZnS gắn kết với leucine zipper của protein G (PG-zb), sau đó gắn kết với kháng thể G (IgG) trở thành QD/PG-zb/IgG được dùng trong phép thử miễn dịch huỳnh quang Khuẩn tụ cầu B gây độc trong ruột (SEB) đã được phát hiện bằng cách trên Ngoài ra, chấm lượng tử gắn kết với kháng thể có thể phát hiện được lượng nhỏ chất nổ 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) trong mẫu lỏng [9]

Trong đánh dấu sinh học

Gần đây, chấm lượng tử được biết đến là loại vật liệu huỳnh quang mới cho ghi nhãn sinh học với hiệu suất lượng tử cao, khả năng quang học dài hạn, phát xạ hẹp, và phổ hấp thụ liên tục Ở đây, chúng ta thảo luận về sự phát triển gần đây trong việc tạo ra các chấm lượng tử tan trong nước và các độc tính gây ra liên quan đến các ứng dụng sinh y học.Trong đánh dấu sinh học, chấm lượng tử có thể được sử dụng thay thế các chất phát quang truyền thống

(thường là các hệ dị vòng liên hợp).Trong các ứng dụng này, chấm lượng tử

với các nhóm chức phù hợp trên bề mặt có thể liên kết một cách chọn lọc một

mục tiêu (protein, enzyme, thuốc….) nào đó Dựa vào kính hiển vi huỳnh

quang phân giải cao chúng ta có những thông tin rất hữu ích về sự di chuyển, động học, hay tác động của mục tiêu đó trong cơ thể sinh vật.Vì vậy, có thể nói trong y sinh, đánh dấu huỳnh quang sử dụng trong việc hiện ảnh sinh học

là mặt mạnh không thể không kể đến của các chấm lượng tử [9]

1.1.4.Những loại chấm lượng tử phổ biến

Như chúng ta đã biết, hiện nay ngành công nghiệp vật liệu rất thông dụng và cũng có nhiều nghiên cứu tổng hợp được đa dạng các loại chấm lượng tử, ví dụ chấm lượng tử CdX, PbX (với X là O, S, Se, Te), CuInS2, ZnS,Si…

Vật liệu bán dẫn II–VI vùng cấm rộng, có tính chất vật lý và ứng dụng được mô tả tương đối đầy đủ.Trong đó, CdS được quan tâm nhiều do độ rộng vùng cấm của bán dẫn khối(2,4 eV) tương ứng vùng ánh sáng nhìn thấy Về mặt ứng dụng, hiệu suấtlượng tử cao cùng với khả năng có thể điều chỉnh các đặc trưng quang họctheo kích thước cho phép sử dụng hiệu quả loại vật liệu này như là phần tửđánh dấu sinh học, vật liệu phát quang trong chiếu sáng rắn Mặt khác, nănglượng liên kết exciton của CdS nhỏ (29 mV, tương ứng với bán kính Bohrexciton: aB = 2,8 nm) nên trong thực tế CdS cùng với CdSe

là các hệ chấmlượng tử điển hình được dùng để nghiên cứu hiệu ứng giam giữ lượng tử màtrong đó hiệu ứng kích thước thể hiện khá rõ nét.Chấm lượng tử CdSe được nghiên cứu mạnh mẽ và một số kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ các quá trình quang–điện tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng Tuy nhiên, các hệ vật liệu trên đều chứa Cd, nguyên tố được xem là độc hại khi tích tụ trong cơ thể con người Vì vậy, các lĩnh vực ứng dụng các chấm lượng tử phát quang chứa Cd bị hạn chế, đặc biệt với việc sử dụng để đánh dấu huỳnh quang trong các đối tượng y–sinh Tương tự như vậy chấm lượng tử PbX cũng chứa nguyên tố Pb rất độc hại [6]

Vật liệu bán dẫn hợp chất 3 nguyên tố loại Cu(In/Ga)(Se/S)2 (cấu trúc gồm các nguyên tố nhóm I, nhóm III và nhóm VI) có cấu trúc tinh thể rất gần với hợp chất bán dẫn II–VI Cụ thể, CuInS2 có cấu trúc mạng tinh thể lập phương giả kẽm (zinc–blende) giống như ZnS, với sự thay thế lần lượt Cu và

In vào vị trí của Zn Tinh thể CuInSe2 (CuInS2) có vùng cấm thẳng, độ rộng

năng lượng vùng cấm ~1,1 (1,5) eV , được quan tâm nghiên cứu chế tạo dạng màng mỏng để ứng dụng làm pin mặt trời (do CuIn(S,Se)2 có khả năng chống chịu các tia vũ trụ), nên được ứng dụng đặc biệt trong các hệ thống thiết bị đặt trong vũ trụ Pin mặt trời có hiệu suất 18,8% đã được chế tạo trên cơ sở màng mỏng Cu(In,Ga)Se2) Một số kết quả nghiên cứu rất gần đây trên hệ vật liệu CuInS2 cấu trúc nano cho thấy ngoài ứng dụng đã rõ ràng là làm vật liệu biến đổi quang–điện trong pin mặt trời, nó còn có triển vọng làm vật liệu phát quang trong vùng phổ vàng cam–đỏ với hiệu suất huỳnh quang cao Tuy nhiên, In lại là một nguyên tố đắt đỏ, phần nào làm giảm tiềm năng ứng dụng của chúng [6]

Chấm lượng tử silic thu hút được rất nhiều quan tâm vì khả năng phát xạ ánh sáng ổn định của Si QDs (đã được quan sát thấy ở các dải phổ: xanh, xanh, cam, đỏ và hồng ngoại) Các dải PL này được cho là do sự tái tổ hợp của exciton trong Si QDs.Chấm lượng tử Silic có nhiều ứng dụng trong điện tử lượng tử, như: Các điốt phát quang SiQDs, các pin mặt trời song song và phổ biến nhất với các cấu trúc của các thiết bị điện tử Tuy nhiên, do hạn chế về các kỹ thuật tổng hợp, biến đổi màu phát quang, kém bền trong không khí nên việc triển khai ứng dụng chấm lượng tử Silic luôn đòi hỏi nhiều kỹ thuật khắt khe.Chấm lượng tử silic thường đòi hỏi nhiệt độ cao, hoặc sử dụng nhiều hóa chất cho quá trình oxi hóa hay khử hóa tiền chất

1.1.5.Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử trong khoá luận

Từ các ưu nhược điểm của một vài loại chấm lượng tử đã được nêu ở trên chúng tôi muốn nghiên cứu về chấm lượng tử cacbon.Trong một số năm trở lại đây, chấm lượng tử cacbon thu hút được rất nhiều quan tâm vì chúng thể hiện nhiều đặc tính như dễ tổng hợp, hiệu suất lượng tử lớn, không độc hại, và nhất là tan trong nước.Đặc biệt chúng có hiệu suấtphát quang tương đối cao, phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy và không tốn kém Những tính chất

này giúp cho chấm lượng tử cacbon có tiềm năng to lớn ứng dụng trong đánh dấu sinh học, chế tạo cảm biến quang học, ứng dụng trong pin mặt trời… Việc tổng hợp chấm lượng tử cacbon khá là dễ dàng và có thể từ nhiều nguồn như: Đồ uống, thực phẩm, hoá chất,…Tuy nhiên việc tổng hợp QDs từ hóa chất tinh khiết có ưu điểm về độ lặp lại, về độ đồng đều kích thước hay tính chất hóa học bề mặt Nhưng về tính chất hóa – lý, việc sử dụng các nguyên liệu hóa học hay dung môi hữu cơ trong các quá trình tổng hợp này có hạn chế lớn về môi trường và không an toàn sinh học Tổng hợp các vật liệu nano

từ các nguồn sinh học, có khả năng tái tạo và có khả năng tự phân hủy sinh học sau khi sử dụng có ý nghĩa quan trọng trong xu hướng tổng hợp hóa học

xa

Trong khoá luận này, tôi đề cập tới việc nghiên cứu chấm lượng tử cacbon, về cấu trúc, tính chất, ứng dụng, tổng hợp và khảo sát sự phát quang của chấm lượng tử cacbon từ một số loại thực phẩm Cụ thể, chúng tôi nghiên cứu về chấm lượng tử cacbon tổng hợp từ 5 loại thực phẩm quen thuộc trong đời sống hằng ngày là gạo, đỗ xanh, cà chua, cà rốt và rau cải

1.2 Chấm lượng tửcacbon

1.2.1 Mô tả cấutrúc

Cacbon thường là một chất màu đen, tan kém trong nước và phát quang yếu.Cacbon tồn tại đa số trong mọi sự sống hữu cơ và nó là nền tảng của hoá học hữu cơ ví dụ như các loại thực phẩm.Chúng ta thường tập trung chú ý vào dạng tồn tại mà chúng có khả năng hòa tan tốt và phát quang mạnh, mà chúng được gọi là chấm lượng tử cacbon

Hình 1.5 Cấu trúc chấm lượng tử cacbon

Chấm lượng tử cacbon (CQDs), thường là các hạt nano cacbon nhỏ (nhỏ hơn 10 nm) với nhiều tính chất độc đáo khác nhau, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hơn trong những năm gần đây Ở đây, chúng tôi mô tả cấu trúc CQDs, tập trung vào các phương pháp tổng hợp (chủ yếu là phương pháp thuỷ nhiệt), cơ chế phát quang, và các ứng dụng trong ngành y sinh học

và các vấn đề về cảm biến

Tính tới nay, thực nghiệm và mô hình lý thuyết mô tả cấu trúc hóa học, cấu trúc điện tử, và cơ chế các quá trình quang-điện tử trong CQDs vẫn còn chưa thực sự đầy đủ so với các hệ lượng tử khác Cấu trúc được chấp nhận

Kích thước cỡ nano

rộng rãi của CQDs là hệ gồm nhiều hệ đa vòng thơm liên hợp - nối với nhau bởi các mạch hydrocacbon no [2]

1.2.2 Tính chất của chấm lượng tử cacbon

Giống như phần tính chất cuả chấm lượng tử đã được đề cập ở phần 1.1.2, chấm lượng tử cacbon cũng có tính chất độc đáo chúng ta quan tâm là tính tan và tính chất quang học.Tính tan trong nước của CQDs được quyết định bởi các nhóm phân cực có trên bề mặt như NH2, COOH, OH, SH, v.v Tính chất quang học của CQDs phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như kích thước và thành phần của các hệ liên hợp có trong nó, khả năng tương tác giữa các hệ liên hợp này, thành phần và trạng thái hóa học của các dị tố N, S.Tính chất quang của CQDs thể hiện ở khả năng hấp thụ và khả năng phát xạ huỳnh quang như sau:

-Khả năng hấp thụ: Các CQDs thường cho thấy sự hấp thụ quang học trong vùng UV ở vùng khả kiến (300nm-760nm), do trạng thái chuyển tiếp p-p* của các liên kết C = C, trạng thái chuyển tiếp n-p* của các liên kết C = O

và các liên kết khác

- Khả năng phát xạ huỳnh quang:là một trong những tính năng hấp dẫn nhất của CQDs Khả năng phát xạ huỳnh quang của CQDs là sự phụ thuộc rõ ràng vào bước sóng và cường độ phát xạ Điều này xảy ra do lựa chọn quang học của các hạt nano có kích thước khác nhau (hiệu ứng lượng tử) và các phối

tử khác nhau trên bề mặt CQDs[3]

1.2.3 Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử cacbon

Với khả năng độc đáo và kích cỡ siêu nhỏ cho phép hàng tỷ QDs có thể nằm gọn trên một đầu đinh, công nghệ này nhanh chóng cải tiến hàng loạt ứng dụng trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm và hiệu quả Trong đó nổi bật nhất là các ứng dụng quang học,điện tử và quang - điện.Dưới đây là một số ứng dụng của chấm lượng tử cacbon:

Pin mặt trời

Trong những năm gần đây, đặc biệt trong khi chính sách môi trường, biến đổi khí hậu (BĐKH) thường đề cập tới sự thay đổi khí hậu hiện nay, được gọi chung bằng hiện tượng nóng lên toàn cầu.Vì vậy thực sự cần thiết các loại năng lượng thân thiện với môi trường như pin trời Pin mặt trời hay pin quang điện với hiệu suất cao dựa vào công nghệ chấm lượng tử còn hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi của các tế pin mặt trời Khi đó, chấm lượng tử sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống dưới sự kích thích quang của ánh sáng mặt trời Cặp điện tử - lỗ trống này sau đó hấp thụ ánh sáng mặt trời bị phân tách ra và di chuyển động có hướng về các cực khác nhau nhờ các chất dẫn để sản sinh dòng điện do điện tử đóng vai trò tích điện

âm và lỗ trống đóng vai trò tích điện dương

Máy tính dùng công nghệ chấm lượng tử

Chấm lượng tử là một trong những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho thế hệ máy tính lượng tử tương lai Máy tính lượng tử sử dụng các chấm lượng tử thay cho bóng bán dẫn (transistor) trong máy tính thường, giúp lưu trữ và xử

lý thông tin nhanh hơn hàng triệu lần Bản chất “lượng tử” của các tinh thể

nano còn hỗ trợ bảo mật thông tin an toàn tuyệt đối Chỉ một tác động nhỏ như chép trộm dữ liệu cũng làm thay đổi trạng thái thông tin khiến dễ dàng phát hiện Có thể nói, nhạy cảm với tác động của môi trường là điểm mạnh nhưng cũng là nhược điểm gây phức tạp hóa việc lưu trữ thông tin dưới dạng lượng tử

Cảm biến hoá học

Bằng cách theo dõi những thay đổi trong cường độ huỳnh quang dưới kích thích vật lý hoặc hóa học bên ngoài, các CQDs được sử dụng để phát hiện nồng độ các chất như ADN, PO4, thrombin, nitrite, glucose, biothiol,

Fe3+, độ pH, Ag +, Hg2+ và Cu2+ Các CQDs như vậy thể hiện đặc tính phát