Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử carbon bằng phương pháp vi sóng

Lí do lựa chọn đề tài Chấm lượng tử Quantum Dots-QDs chỉ mới được phát hiện vào năm 1981, nhưng chỉ trong vòng hơn 30 năm qua, QDs đã được nghiên cứu rộng rãi về đặc điểm, tính chất và

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ

HÀ NỘI – 2018

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ

Người hướng dẫn khoa học

ThS HOÀNG QUANG BẮC

HÀ NỘI – 2018

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp này và có thể trở thành một người

có khả năng nghiên cứu khoa học, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của

TS Mai Xuân Dũng và ThS Hoàng Quang Bắc, người thầy đã tận tình

hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học, các thầy cô

giáo trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã truyền những kiến thức quý báu

cho em trong quá trình học tập tại trường và các cán bộ Viện nghiên cứu khoa

học và Ứng dụng trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ

trợ em thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV-Vis

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thành viên trong nhóm

N4O (Nanomaterials For Optoelectronics) đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt

quá trình thực hiện khóa luận này

Cuối cùng, em xin được dành tất cả những thành quả học tập của mình

dành tặng những người thân yêu trong gia đình, những người luôn ở bên cạnh

động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn

Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh phí Khoa học công nghệ của

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 cho đề tài mã số: C.2017-18-05 do ThS

Hoàng Quang Bắc làm chủ nhiệm đề tài

Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng

chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để nội dung

khóa luận được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2018

SINH VIÊN

Bùi Thị Huệ

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan Khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu

của riêng em dưới sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn ThS Hoàng Quang Bắc

Các số liệu và kết quả trong khóa luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ 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

Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này!

Hà Nội, tháng 4 năm 2018

SINH VIÊN

Bùi Thị Huệ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CA…… : Citric acid

CQDs… : Carbon quantum dots/Chấm lượng tử cacbon

EDA…….: Ethylenediamine

E g……… : Engery gap/Độ rộng vùng cấm

FT-IR… : Fourier transform infrared spectroscopy/Phổ hồng ngoại PL……….: Photoluminescence spectroscopy/Phổ phát xạ huỳnh quang QDs…… : Quantum dots/Chấm lượng tử

HR-TEM : High - resolution transmission electron microscopy/Kính

hiển vi điện tử truyền qua

UV-vis… : Ultraviolet - visible absorption spectroscopy/Phổ hấp thụ

tử ngoại - khả kiến

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do lựa chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Điểm mới của đề tài 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử 3

1.1.1 Khái niệm, cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử 3

1.1.2 Những ứng dụng của chấm lượng tử 5

1.1.3 Những loại chấm lượng tử phổ biến 8

1.1.4 Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử 9

1.2 Chấm lượng tử carbon 10

1.2.1 Mô tả cấu trúc và tính chất 11

1.2.2 Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon 11

1.2.3 Phương pháp tổng hợp CQDs 14

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 16

2.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon 16

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ 16

2.1.2 Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA và EDA 16

2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang của chấm lượng tử carbon 18

2.2.1 Phổ hồng ngoại IR 18

2.2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 19

2.2.3 Phổ hấp thụ UV-vis 20

2.2.4 Phổ phát xạ huỳnh quang (PL) 22

2.2.5 Phương pháp đo hiệu suất lượng tử của chấm lượng tử 24

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Sự hình thành chấm lượng tử carbon 25

3.2 Cấu trúc của chấm lượng tử carbon 26

3.3 Tính chất quang của chấm lượng tử carbon 29

KẾT LUẬN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 Hiệu suất phát quang của dung dịch CQDs 32

Hình 1.1 QDs làm từ chất bán dẫn (tinh thể nano lõi/vỏ - CdSe/ZnS) có kích thước 2 ÷ 10nm 3

Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt của các chấm lượng tử huỳnh quang, các hạt lớn hơn phát ra ở bước sóng dài hơn 5

Hình 1.3 Đèn phát huỳnh quang màu xanh (trái) và màu trắng (phải) được chế tạo tại Sandia National Laboratories (Mỹ) 6

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa phức kháng thể - chấm lượng tử lưu thông trong mạch máu, khối u di chuyển đến các thụ thể HER2 trên tế bào ung thư vú 7

Hình 1.5 So sánh chất lượng hình ảnh của TV thường và TV sử dụng công nghệ chấm lượng tử 8

Hình 1.6 Sự hình thành và cấu trúc của CQDs 11

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA và EDA trong dung môi glycerol bằng phương pháp vi sóng 16

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy đo phổ hồng ngoại 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ hấp thụ UV-vis 20

Hình 2.4 Máy quang phổ Shimadzu UV-2450 22

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ phát xạ huỳnh quang PL 23

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả cơ chế hình thành CQDs 25

Hình 3.2 CQDs tổng hợp từ CA và EDA ở thời gian phản ứng khác nhau 26

Hình 3.3 Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của CQDs 27

Hình 3.4 Phổ hồng ngoại của CQDs tổng hợp từ CA và EDA ở công

suất lò P= 1200W, t =180s 28

Hình 3.5 a) Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch CQDs trong nước với

thời gian phản ứng khác nhau; b) Phổ hấp thụ của tiền chất và

CQDs (P =1200W, t =180s) 29

Hình 3.6 Dung dịch CQDs trong nước ở các nồng độ và phổ hấp thụ

UV-vis dung dịch tương ứng 30

Hình 3.7 a) Phổ phát xạ PL của CQDs tổng hợp ở điều kiện (P

=1200W, t = 180s) ở các bước sóng kích thích khác nhau; b)

Phổ phát xạ PL (λex= 355 nm), ảnh chèn trong hình dung dịch CQDs trong nước dưới đèn UV (365nm) so với nước cất 31

MỞ ĐẦU

1 Lí do lựa chọn đề tài

Chấm lượng tử (Quantum Dots-QDs) chỉ mới được phát hiện vào năm

1981, nhưng chỉ trong vòng hơn 30 năm qua, QDs đã được nghiên cứu rộng rãi

về đặc điểm, tính chất và ứng dụng Chấm lượng tử carbon (Carbon Quantum Dots - CQDs) là một lớp vật liệu nano carbon điển hình cho xu hướng nghiên cứu tổng hợp họ chấm lượng tử mới bởi tính ưu việt về đặc tính quang hóa, khả năng hòa tan trong nước, không có hoặc độc tính thấp và phương pháp tổng hợp dễ dàng, đơn giản, thân thiện với môi trường Phát hiện này đã kích hoạt mở rộng các nghiên cứu và khai thác được nhiều thành tích xuất sắc về

cơ chế phát quang, độ ổn định và tính tương thích sinh học CQDs đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gồm quang điện tử, cảm biến, xúc tác và ứng dụng trong y-sinh học Chính vì thế, khai thác về CQDs có tiềm năng rất lớn Các nguyên liệu khác nhau từ hóa chất đến các sản phẩm tự nhiên cùng với các phương pháp tổng hợp bao gồm cắt bỏ tia laser, nhiệt phân, quá trình oxi hóa điện hóa, phản ứng thủy nhiệt và

xử lí vi sóng đã được báo cáo để tổng hợp CQDs Các chất hữu cơ như carbohydrate, hợp chất hữu cơ thơm có thể được sử dụng làm tiền chất để tổng hợp CQDs thông qua các quá trình xử lý nhiệt khác nhau Đặc biệt, citric acid kết hợp với một số phân tử nhỏ có chứa nhóm amino như glycine, thiourea và ethylenediamine được cho là các tiền chất thích hợp nhất để tổng hợp các chấm lượng tử carbon có độ phát quang cao [4]

Từ những phân tích trên đây, đồng thời kết hợp với điều kiện trang thiết

bị hiện có của phòng thí nghiệm khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tôi tiến hành đề tài này hi vọng sẽ cung cấp thêm thông tin liên quan đến CQDs cũng như kích thích nghiên cứu sâu hơn về tiềm năng ứng dụng

của chúng Trong đề tài này, tôi đã lựa chọn “Nghiên cứu tổng hợp chấm

lượng tử carbon bằng phương pháp vi sóng”

- Tìm hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc điện tử và tính chất quang của CQDs

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tài liệu: Phương pháp tổng hợp và cơ chế hình thành CQDs từ citric acid và ethylenediamine

- Đặc trưng cấu trúc chấm lượng tử thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR), ảnh electron truyền qua TEM

- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng quang phổ hấp thụ UV-vis, quang phổ phát xạ huỳnh quang (PL)

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thực nghiệm kết hợp lý thuyết mô phỏng

- Các phương pháp đặc trưng cấu trúc như phổ hồng ngoại FT-IR, kính hiển vi điện tử truyền qua TEM

- Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang học như phổ hấp thụ UV-vis, phổ phát xạ huỳnh quang PL

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

5 Điểm mới của đề tài

Tổng hợp được CQDs từ CA và EDA bằng phương pháp vi sóng với chi phí thấp, dụng cụ, thiết bị đơn giản và rút ngắn được thời gian tổng hợp

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử

1.1.1 Khái niệm, cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử

Chấm lượng tử dùng để chỉ những hạt tinh thể nano hình cầu được làm

từ vật liệu chất bán dẫn có kích thước nhỏ (dưới 10 nm) đủ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử.Chấm lượng tử có thể được tạo ra từ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer Hoạt động của điện tử trong một chấm như vậy là rất khác thường vì điện tử xem như bị nhốt trong một không gian khá chật hẹp Các mức năng lượng của nó không sít nhau thành dải mà bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượng của nguyên tử [13]

Dưới đây là hình ảnh minh hoạ một chấm lượng tử được làm từ chất bán dẫn có kích thước từ 2 ÷ 10 nm

Hình 1.1 QDs làm từ chất bán dẫn (tinh thể nano lõi/vỏ - CdSe/ZnS)

có kích thước 2 ÷ 10nm

Khi hấp thụ, electron ở vùng hóa trị bị kích thích chuyển lên vùng dẫn đồng thời để lại trên vùng hóa trị một lỗ trống, khi đó cặp electron-lỗ trống được hình thành, nghĩa là một exciton, nó có năng lượng khoảng vài eV thấp hơn vùng cấm Quá trình tái hợp của cặp electron - lỗ trống sẽ phát xạ ra photon, màu sắc của ánh sáng phát xạ phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg

CdSe/ZnS (lõi/vỏ)

Cd

Zn S

Se

QDs sẽ hấp thụ các photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg Nó tạo ra sự phát quang và sự tăng năng lượng chuyển tiếp exciton và có dịch chuyển xanh trong vùng cấm của chấm lượng tử [14,15]

Năng lượng vùng cấm của QDs không liên tục mà bị lượng tử hóa do hiệu ứng giam hãm lượng tử Các electron trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị chuyển động tự do trong khắp tinh thể Do lưỡng tính sóng – hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nm (nano mét) Khi kích thước khối bán dẫn giảm xuống xấp xỉ giá trị các bước sóng này thì hạt tải điện bị giam trong khối này sẽ có tính chất giống như một hạt chuyển động trong hộp thế

Một hệ quả quan trọng của sự giam hãm lượng tử là độ rộng vùng cấm Eg (sự

khác biệt về năng lượng giữa trạng thái năng lượng thấp nhất trên vùng dẫn và trạng thái năng lượng cao nhất của vùng hóa trị) tăng lên khi kích thước của QDs nhỏ dần [10]

Bán kính của QDs (r B) phụ thuộc vào khối lượng của electron (me) và khối lượng lỗ trống (mh) theo phương trình:

2 2

Ngoài ra, tính chất của chấm lượng tử liên quan chặt chẽ đến các yếu tố như kích thước, hình dáng, độ tinh khiết và vật liệu chế tạo nên QDs Cùng một chất nhưng những chấm lượng tử có kích thước khác nhau thì sẽ phát

ra các bước sóng có màu sắc khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại [13]

Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt của các chấm lượng tử

huỳnh quang, các hạt lớn hơn phát ra ở bước sóng dài hơn

1.1.2 Những ứng dụng của chấm lượng tử

Trong các pin mặt trời

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong khi các nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt thì việc tận dụng năng lượng tự nhiên như ánh

sáng mặt trời là rất cần thiết Ngành công nghệ chấm lượng tử đã giúp cải

thiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong khi chi phí sản xuất thấp hơn so với các tinh thể bán dẫn thông thường Ứng dụng này của chấm lượng tử đem lại hiệu suất cao, vượt trội hơn tất cả vật liệu được biết đến từ trước đến nay (hiệu suất của pin mặt trời silicon trên thương trường chỉ đạt 15%) [5].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 [4]

Trong đèn LED (Light-Emitting Diodes)

QDs có các đặc tính như hiệu suất phát xạ cao, màu sắc phát xạ thay đổi rộng trong vùng nhìn thấy, bền với tia UV và đặc biệt là không độc hại nên có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong chiếu sáng và đèn LED Sự phát xạ

huỳnh quang không ngừng ứng dụng vào việc tạo ra các loại bóng đèn màu sắc khác nhau Đặc biệt khi ta điều khiển kích thước của QDs thì có thể điều khiển được màu sắc của chúng, cố định được bước sóng photon phát ra có màu sắc thích hợp, thậm chí màu sắc không xuất hiện một cách ngẫu nhiên Đặc biệt hơn là có thể phát ra ánh sáng trắng chuẩn nhờ trộn lẫn QDs phát ra ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh dương

Hình 1.3 Đèn phát huỳnh quang màu xanh (trái) và màu trắng (phải)

được chế tạo tại Sandia National Laboratories (Mỹ)

(Nguồn: http://www.physlink.com/News/071403QuantumDotLED.cfm)

Ứng dụng để theo dõi tế bào

Theo dõi tế bào trong cơ thể là điều cần thiết, ví dụ, sự di căn của các tế bào khối u hoặc theo dõi hoạt động của các tế bào miễn dịch Thay vì đánh dấu toàn bộ cấu trúc tế bào thì các phân tử đơn lẻ cũng có thể được đánh dấu huỳnh quang bằng chấm lượng tử Việc phát hiện các chuyển động của tế bào cho phép đánh giá khả năng di căn của các tế bào ung thư Trong một số thử nghiệm, người ta đã dùng chấm lượng tử để phân biệt giữa tế bào ung thư và

tế bào không ung thư Chấm lượng tử vẫn còn phát quang trong vài ngày nhờ thời gian sống huỳnh quang lâu hơn Công trình đáng chú ý của Tada và cộng

sự [1] đã làm sáng tỏ cơ chế phân phối của chấm lượng tử vào các tế bào ung

thể HER2 (kháng nguyên ung thư vú) có trên màng tế bào Các chấm lượng tử

đã giúp xác định vận tốc, hướng dịch chuyển và sự liên kết của kháng thế với kháng nguyên HER2 trên màng tế bào và sự di chuyển vào khu vực quanh nhân tế bào [1]

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa phức kháng thể - chấm lượng tử lưu thông trong

mạch máu, khối u di chuyển đến các thụ thể HER2 trên

tế bào ung thư vú

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 Lợi dụng tính chất này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng chấm lượng tử để tiêm vào cơ thể động vật để quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào… Dưới sự kích hoạt của tia tử ngoại, chấm lượng tử phát quang trong tế bào, giúp ta phân biệt phân tử ta muốn quan sát với các phân tử xung quanh Các nhà khoa học đã tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng tạo ra bộ cảm ứng sinh học và sự phát huỳnh quang trong việc trị liệu ung thư, giúp y sĩ định vị khối u ung thư, gia tăng sự chính xác cho quá trình phẫu thuật [1] Để giảm thiểu tác dụng phụ không mong muốn của phương pháp trị liệu truyền thống, ta có thể sử dụng

chấm lượng tử mang thuốc chống ung thư tác động vào từng tế bào cụ thể với liều chính xác cao

1.1.3 Những loại chấm lượng tử phổ biến

Có thể phân thành ba loại chấm lượng tử chính:

Chấm lượng tử bắt nguồn từ các chất bán dẫn II – VI: có nguồn gốc từ

các thành phần của phân nhóm II (Zn, Cd) và nhóm VI (O, S, Se, Te) trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Các vật liệu bán dẫn II – VI

có thể được tìm thấy trong các ứng dụng khác nhau như điện tử, quang học,

y - sinh học Đặc biệt là các đặc tính huỳnh quang nổi bật của các chấm lượng

tử loại này được đề xuất cho các ứng dụng chiếu sáng cũng như cho các màn hình LED Chấm lượng tử CdTe hiện đang được thử nghiệm để sử dụng trong

các tế bào năng lượng mặt trời hứa hẹn đem lại những hiệu quả đáng kể 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

Chấm lượng tử bắt nguồn từ các chất bán dẫn III – V: bắt nguồn từ các

thành phần của phân nhóm III (B, Al, Ga, In) và phân nhóm V (N, P, As, Sb, Bi) Trong lĩnh vực chất bán dẫn III – V thì GaAs cho thấy hiệu suất vượt trội, đặc biệt về xử lý dữ liệu quang học 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 [3]

Chấm lượng tử silicon: SiQDs thu hút được rất nhiều quan tâm vì khả

năng phát xạ ánh sáng ổn định Mặc dù sự phát triển của SiQDs không cao so với chấm lượng tử từ các nhóm bán dẫn III – V và II – VI nhưng chúng cho thấy tiềm năng lớn trong việc tích hợp vào các thiết bị silicon điện tử SiQDs

có nhiều ứng dụng trong điện tử lượng tử, như: điốt phát quang, pin mặt trời Tuy nhiên, do hạn chế về kỹ thuật tổng hợp và sự biến đổi màu phát quang nên việc triển khai ứng dụng SiQDs luôn đòi hỏi nhiều kỹ thuật khắt khe

1.1.4 Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử

Mỗi loại chấm lượng tử đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng khi quan tâm đến triển khai ứng dụng của chúng Chẳng hạn, CdX và PbX (X=Te, Se, S) có độc tính cao do chứa các nguyên tố Cd và Pb Chấm lượng

tử không độc hại như Si, Ge, C luôn được ứng dụng rộng rãi trong y-sinh học.Nhưng việc tổng hợp chấm lượng tử Ge thường đòi hỏi nhiệt độ cao hoặc sử

dụng nhiều hóa chất cho quá trình oxi hóa-khử tiền chất; SiQDs kém bền do

dễ dàng bị oxi hóa Hệ chấm lượng tử ít độc hại như InP cũng được nghiên cứu và triển khai ứng dụng Tuy nhiên, In là một nguyên tố có giá thành cao

và khó tổng hợp, do đó làm giảm tiềm năng ứng dụng của chúng Từ các ưu, nhược điểm của một số chấm lượng tử đã nêu ở trên chúng tôi hướng đến việc nghiên cứu chấm lượng tử carbon Những năm gần đây, chấm lượng tử carbon thu hút được rất nhiều quan tâm vì chúng thể hiện nhiều đặc tính như

dễ tổng hợp, không độc hại và tan tốt trong nước Đặc biệt chúng có hiệu suất phát quang tương đối cao, có phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy và không tốn kém Những tính chất này giúp cho CQDs có tiềm năng ứng dụng to lớn trong đánh dấu sinh học, cảm biến quang học và ứng dụng trong pin mặt trời [6] Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp CQDs Tuy nhiên, dụng cụ chế tạo theo các phương pháp này rất phức tạp, đắt tiền, không phù hợp với hoàn cảnh thực tế của các nước đang phát triển, rất khó có thể thực hiện được ở Việt Nam Tổng hợp các CQDs từ nguyên liệu hóa học hay dung môi hữu cơ bằng phương pháp đơn giản, dễ dàng, rút ngắn thời gian tổng hợp có ý nghĩa vô cùng quan trọng

1.2 Chấm lƣợng tử carbon

Chấm lượng tử carbon (CQDs) ngày càng được thu hút và nhận được

sự quan tâm đặc biệt bởi đặc tính phát huỳnh quang mạnh và có thể điều chỉnh được Do đó, CQDs đã được đề xuất làm vật liệu huỳnh quang cho các thiết bị quang học và quang điện tiên tiến Chấm lượng tử carbon thường là các hạt nano có kích thước nhỏ (nhỏ hơn 10 nm) với các đặc tính hấp dẫn về tính ổn định cao, độ dẫn điện tốt, độ hòa tan trong nước tốt, độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời [6]

1.2.1 Mô tả cấu trúc và tính chất

Các công trình nghiên cứu về CQDs chấp nhận rộng rãi rằng cấu trúc của CQDs bao gồm hai phần chính là phần lõi và phần nhóm chức bề mặt Trong khi phần lõi có cấu trúc là các hệ đa vòng thơm liên hợp π-π nối với nhau bởi các mạch hydrocacbon no, phần nhóm chức bề mặt gồm các nhóm chức hữu cơ đơn giản như -COOH, -NH2 hoặc –OH quyết định khả năng hòa tan trong nước và nhóm cấu trúc quyết định tính chất quang fluorophore (F) [7] Ngoài ra, tính chất quang của CQDs phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như kích thước và thành phần của các hệ liên hợp, khả năng tương tác giữa các hệ liên hợp và trạng thái hóa học của các dị tố N, S

Hình 1.6 Sự hình thành và cấu trúc của CQDs

1.2.2 Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon

Gần đây, các chấm lượng tử carbon (CQDs) đã xuất hiện như là các lựa chọn thay thế khả thi cho các chấm lượng tử bán dẫn truyền thống vì sự tổng hợp dễ dàng và chi phí thấp, độ ổn định kéo dài, độc tính môi trường và sinh học thấp CQDs tan tốt trong nước, ít độc hại và có độ huỳnh quang cao có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như đánh dấu sinh học, quang xúc tác, cảm biến và quang điện tử Dưới đây là một số ứng dụng của CQDs trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Cảm biến sinh học

Chấm lượng tử carbon cũng được sử dụng trong quá trình sinh học dựa trên việc sử dụng chất nền, kháng nguyên, kháng thể…trong đầu dò để đo đạc, phát hiện hoặc phân tích hóa chất Cảm biến sinh học phát hiện các phân

tử sinh học quan trọng qua việc tạo ra các tín hiệu quang hoặc tín hiệu điện, từ

đó nhận ra chất phân tích Các chất màu được gắn kết với các phân tử nhận biết để tạo ra một điểm huỳnh quang khi có sự liên kết đặc hiệu Chấm lượng

tử sử dụng làm cảm biến sinh học có nhiều ưu điểm nổi trội so với loại sử dụng các chất đánh dấu cổ điển, như độ hòa tan trong nước cao, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, tính thấm tế bào tốt và độ phát quang cao Bề mặt của chấm lượng tử có thể dễ dàng thay đổi, tạo ra lộ trình đơn giản cho sự nhận biết các phân tử Thêm vào đó, do kích thước nhỏ nên dễ dàng đưa chúng vào sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện nay[1]

giây) và có rất ít electron bị mất đi dưới dạng nhiệt Nhờ vậy, hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin mặt trời sẽ được nâng cao [4]

Ứng dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang

Đánh dấu huỳnh quang là ứng dụng phổ biến nhất của CQDs trong sinh học CQDs là các hạt nano huỳnh quang có thể được tổng hợp nhanh chóng bằng phương pháp đơn giản, chi phí thấp và không thể hiện bất kỳ dấu hiệu

ngộ độc nào ở động vật Do đó, CQDs được sử dụng cho các nghiên cứu in

vivo Điều này được minh họa khi nghiên cứu độc tính ở chuột, chuột được

tiêm CQDs và thử nghiệm trong bốn tuần Kết luận rằng chức năng nội tạng hầu như không bị ảnh hưởng Người ta biết rằng các CQDs được thải trừ nhanh chóng khỏi cơ thể khi tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp và tiêm dưới da Thêm vào đó, độ tương phản huỳnh quang đã chứng tỏ CQDs hoạt động như chất quang hóa hiệu quả [8]

Hình 1.7 Hình ảnh huỳnh quang của chuột mang khối u

Cảm biến hóa học

Đây là một ứng dụng thú vị của CQDs trong lĩnh vực cảm biến Việc phát hiện các ion kim loại nặng như Hg2+

, Cu2+, Pb2+ có tầm quan trọng vì ảnh hưởng nguy hiểm của chúng đối với môi trường và sức khỏe con người CQDs được sử dụng cho cảm biến hóa học vì độc tính thấp, khả năng hòa tan trong nước và độ ổn định hóa học cao Một trong những nỗ lực đầu tiên của việc sử dụng CQDs trong cảm biến hóa học là phát hiện chọn lọc Hg2+

trong dung dịch và tế bào sống Cùng với sự phát hiện ion kim loại nặng, CQDs cũng được ứng dụng trong việc phát hiện pH, F-

, I-, ClO- và khí NO2[8]