Nghiên cứu, chế tạo màng mỏng kim loại được chức năng hóa nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh học

Phổ hấp thụ của các mẫu màng vàng với các nồng độ dung 36 dịch HAuCl 4 tạo mầm khác nhau.. Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại [22] Khi tần số của ánh

LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI

ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN

SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội 2015

ĐƯỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN

SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60040104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỆT TUYÊN

Hà Nội 2015

giáo TS Nguyễn Việt Tuyên và TS Nguyễn Hoàng Nam Trong suốt quá trình họctập, nghiên cứu, các thầy luôn tận tình chỉ bảo và giúp em định hướng để hoànthành luận văn này.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Mạnh Quỳnh đã trực tiếp hướng dẫn vàđưa ra những ý kiến đóng góp quý báu giúp em hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của sinh viên Nguyễn Quang Lộc trongquá trình làm thực nghiệm

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, anh, chị tại Trường Đạihọc Khoa học tự nhiên nói chung và Trung tâm Khoa học vật liệu nói riêng đã giúp

đỡ trong suốt quá trình tôi học tập là thực hiện đề tài tại đây

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại phòng thí nghiệm Trung tâmKhoa học vật liệu trường Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội

Em cũng xin cảm ơn Ban giám đốc trung tâm Khoa học Vật liệu đã tạo điềukiện cơ sở vật chất, trang thiết bị để em hoàn thành luận văn này

Trong luận văn này có sử dụng thiết bị kính hiển vi trường tối tại Trung tâmKhoa học vật liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, được sự hỗ trợ của dự ánCông nghệ nano và ứng dụng- Đại học Quốc gia Hà Nội

Sau cùng, sự cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi từ gia đình,người thân là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Học viên

Lê Ngọc Anh

1.2 Màng nano vàng và ứng dụng……… 3

1.2.1 Cộng hưởng Plasmon bề mặt……….3

1.2.2 Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH……….5

1.2.3 Tăng cường tín hiệu Raman……… 7

1.3 Các phương pháp chế tạo 9

1.3.1.Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử……… 9

1.3.2.Phương pháp phún xạ- Sputtering……….10

1.3.3.Phương pháp điện hóa……… 11

1.3.4.Phương pháp lắng đọng hóa học……… 12

1.4 Mục tiêu của luận văn 15

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT………16

2.1 Các bước tiến hành thí nghiệm 16

2.1.1 Hóa chất thí nghiệm……….16

2.1.2.Chế tạo màng vàng………17

2.2 Các yếu tố khảo sát 20

2.2.1 Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen………20

2.2.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhóm hydroxyl ( –OH)………21

2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm……… 22

2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm……… 22

2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm………23

2.3.Các phép đo khảo sát 23

2.3.1 Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia X………… 23

2.3.2 Phép đo phổ hấp thụ……….24

2.3.3 Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scaning Electron Microscope)……… 24

2.3.4 Phép đo hiển vi trường tối………25

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……….26

3.1 Chế tạo màng nano vàng 26

3.1.1 Khảo sát cấu trúc màng nano vàng……… 26

3.1.2.Khảo sát hình thái của màng nano vàng………27

3.1.3.Khảo sát mật độ hạt nano vàng trên đế lamen……… 28

3.1.3.Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng……… 28

3.2 Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiện 29

3.3 Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH) 31

3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen 32

3.5 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tạo mầm 33

3.6 Ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm 35

3.7 Ảnh hưởng của thời gian ngâm vàng 37

Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano 1

kim loại

Hình 1.2 Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng 2

Hình 1.3 Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác 4

protein – kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử

dụng màng nano vàng

Hình 1.4 Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm 4

biến nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời

gian

Hình 1.5 Mô hình cảm biến xác định nồng độ DNA, trước khi DNA bắt 6

cặp (a) và sau khi bắt cặp (b).

Hình 1.6.Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau 7

của cảm biến

Hình 1.7.Mô hình màng nano vàng ứng dụng trong tán xạ Raman nhằm 8

xác định nồng độ protein p53 và EGFR

Hình 1.8 Phổ Raman của 4-ATP/ p53 (a) và 6-MP/ EGFR (b) 8

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nồng độ protein trên phổ Raman của 4ATP 9

Hình 1.10 Ảnh SEM của màng nano vàng xốp chế tạo bằng phương 10

pháp phún xạ - sputtering trước khi ủ (A) và sau khi ủ nhiệt (B)

Hình 1.11 Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa 11

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Hình 2.7 Thiết bị Shimadzu UV-24500 tại Trung tâm Khoa học vật 24

liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGH

Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét S-4800 tại Viện vệ sinh dịch tễ 25

Trung Ương

Hình 2.9 Kính hiển vi trường tối AXIO- A1 Zeiss tại Trung tâm Khoa 25

học vật liệu- Trường Đại học Khoa học tự nhiên

Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu màng nano vàng M 0 chế tạo với nồng 26

độ HAuCl 4 = 1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian

ngâm= 2h.

Hình 3.2 Ảnh SEM màng nano vàng M 0 chế tạo với nồng độ HAuCl 4 = 27

1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian ngâm= 2h.

Hình 3.3.Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng mẫu M 0 27

Hình 3.4 Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng nano vàng M 0 28

Hình 3.6 Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng ngâm với dung dịch 31

KOH 1M

Hình 3.8 Hấp thụ của mẫu màng vàng với các giá trị pH dung dịch 35

APTES khác nhau

Hình 3.9 Phổ hấp thụ của các mẫu màng vàng với các nồng độ dung 36

dịch HAuCl 4 tạo mầm khác nhau.

Hình 3.10 Phổ hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi giá trị pH dung 37

dịch mầm

thay đổi giá trị pH dung dịch mầm

Hình 3.12 Ảnh hưởng của giá trị pH dung dịch mầm vàng lên điện tích 38

bề mặt

Hình 3.13 Ảnh hưởng của giá trị pH lên điện tích bề mặt của NH 3 + và 38

Au

-Hình 3.14 Phổ hấp thụ của các mẫu màng Au được chế tạo với thời 39

gian ngâm mầm khác nhau (a) và đường fit hàm (b)

Hình 3.15 Vị trí đỉnh hấp thụ các mẫu thay đổi theo thời gian 40

Hình 3.16.Ảnh kính hiển vi trường tối các màng Au hình thành trên đế 41

lamen

Bảng 3.3 Kết quả hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi nồng độ dung 35

dịch HAuCl 4 tạo mầm.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện tượng Plasmon bề mặt

Các hạt nano kim loại: Au, Ag, Pt hoặc các oxit như Fe2O3, trong đó Au, Agđược sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang học do các hạt này có hiệntượng plasmon bề mặt

Plasmon là dao động tập thể của các điện tử tự do Trong đó, plasmon bề mặt

là dao động của các điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dưới tác dụng của điệntrường ngoài Ở kích thước nhỏ (nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử)khi điện trường ngoài có tần số trùng với tần số dao động riêng của các điện tử tự do

sẽ dẫn đến sự cộng hưởng đồng thời của tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt thànhmột dao động đồng pha, gọi là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt

Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano

kim loại [22]

Khi tần số của ánh sáng trùng với tần số dao động của riêng của hạt nano sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng và hấp thụ mạnh chùm sáng tới tạo ra vị trí đỉnh phổhấp thụ như Hình 1.2

Hình 1.2 Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng.[22]

Ở đây, đỉnh hấp thụ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dịch về phíabước sóng dài khi kích thước hạt tăng lên và độ rộng phổ tăng khi kích thước bắt đầu lớnhơn 20 nm

Lý thuyết Mie

Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo hạt nano vàngbằng phương trình Maxwell Bằng cách này ông đã mô tả tính chất quang học củahạt nano vàng ở bất kì kích thước nào Lý thuyết cho rằng điện trường được sinh ra

là do kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt khi một hạt đơn lẻ không tương tác vớiphần còn lại của môi trường xung quanh Bản chất của phổ hấp thụ không phải là do

sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon

bề mặt Theo tính toán của Mie cho các hạt cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmonphụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản sau [6]:

Thứ nhất: Hình dạng, kích thước của hạt nano

Thứ hai: Bản chất của vật liệu đó (hằng số điện môi của vật liệu)

Thứ ba: Môi trường xung quanh kim loại đó

Do đó, phổ hấp thụ plasmon bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng, kíchthước của hạt nano kim loại.

Theo đó, hạt nano vàng có phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt xảy ra ởvùng khả kiến tại bước sóng 520-540 nm Nếu kích thước của hạt nano vàng tănglên thì cực đại hấp thụ plasmon bề mặt sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài, tức làvùng ánh sáng đỏ Tuy nhiên, khi hạt nano lớn đến một kích thước nào đó sẽ trởthành dạng khối và hiện tượng plasmon bề mặt cũng biến mất

1.2 Màng nano vàng và ứng dụng

Màng nano vàng có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật như làmcảm biến sinh học [14,16,18,20], điện cực [17]; ứng dụng trong việc sử dụngphương pháp đo Raman tăng cường bề mặt [18,19,21] Thông thường, trong cácứng dụng làm cảm biến sinh học, vàng được lắng đọng dưới dạng màng trên bề mặtcủa đế hoặc chất nền Màng vàng lúc này trở thành một phần của bộ phận chuyểnđổi vừa có tác dụng cố định các đầu thu sinh học để làm địa điểm cho các phản ứngtương tác giữa đầu thu sinh học và chất phân tích [16,20]; vừa có tác dụng làm điệncực [17] Dưới đây là một số ứng dụng thông qua các tính chất nổi bật của màngnano vàng

1.2.1 Cộng hưởng Plasmon bề mặt

Nhóm nghiên cứu của Rakesh Singh Moirangthem đã nghiên cứu và đưa

ra mô hình cảm biến quang - sinh học ứng dụng màng nano vàng [20] (Hình 1.3)

Mô hình này là ứng dụng của màng vàng nhằm xác định số lượng tương tác sinhhọc bằng cách xác định số lượng tương tác giữa huyết thanh bovine serumalbumin (BSA) và anti-BSA – Kháng thể đặc hiệu để nhận biết BSA

Hình 1.3 Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác protein – kháng thể

giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử dụng màng nano vàng [20].

Cấu tạo của cảm biến gồm một đế thủy tinh được phủ lớp màng Titan 5

nm, kế tiếp là lớp màng vàng dày 40 nm được chế tạo bằng phương pháp lắng đọngchùm điện tử Kháng nguyên gắn với các hạt nano vàng, trong khi đó kháng thểđược gắn với màng vàng Tương tác kháng nguyên – kháng thể giữa các phân tửBSA và anti-BSA đã lôi các hạt nano vàng về phía màng mỏng; hình thành một lớpcấu trúc dạng màng bên trên bề mặt màng mỏng nano (lớp EMA) Theo thời giantương tác, số lượng hạt Au-BSA bám trên bề mặt ngày càng nhiều và được đo thôngqua khảo sát cộng hưởng Plasmon của lớp màng EMA kể trên

Kết quả thu được như trong Hình 1.4 Khi độ dày lớp EMA tăng lên thìđỉnh hấp thụ plasmon cũng dịch về phía bước sóng dài

Hình 1.4 Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm biến nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay

đổi theo thời gian [20].

1.2.2 Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm -SH

Nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati tại Đại học California đã chế tạo cảmbiến sinh học DNA nhờ sử dụng lớp màng vàng làm điện cực [17] Cảm biến xácđịnh nồng độ DNA thông qua xác định tương tác DNA-Methylen Blue (MB)

Tín hiệu đầu vào là các xung vuông, tín hiệu đầu ra là dòng điện Mô hìnhcủa cảm biến được mô tả như trong Hình 1.3 Đầu 5‟ của Au-p1 và Au-p2 đượcđính với nhóm thiol SH để dễ dàng gắn với bề mặt của điện cực thông qua liên kếtAu-S, đầu 3‟ của Au-p2 được gắn với nhóm amin và liên kết với MB Trong đó:

Đầu nhận biết DNA (Au-p1): 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGTAAT TTG GAA TT

Đầu nhận biết DNA (Au- p2): 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGTAAT TTG GAA TT/3AmMO

Đối tượng khảo sát (Au-t): AAT TCC AAA TTA CAT TTT ATA ACACG

Điện cực được nhúng trong dung dịch MB Các phân tử MB được cho là liênkết hydro với các phân tử Guanine (G) chưa bắt cặp; vì vậy sẽ xuất hiện ở gần điệncực ngay cả khi điện cực đã được rửa bằng dung môi PBS Pallavi Daggumati đã đotín hiệu điện hóa của các phân tử MB này Trước khi có sự bắt cặp đặc hiệu DNA-DNA (Au-p1 hoặc Au-p2 với đối tượng khảo sát Au-t), MB tồn tại khá nhiều (thamkhảo Hình 1.5a) Sau khi DNA bắt cặp, các đầu Guanin tự do bị giảm đi dẫn tớinồng độ MB giảm, kéo theo với đó nồng độ DNA giảm đi rõ rệt (Hình 1.5b)

Hình 1.5 Mô hình cảm biến xác định nồng độ DNA, trước khi DNA bắt cặp

(a) và sau khi bắt cặp (b).

Có thể nhận thấy, khi nồng độ của đối tượng khảo sát tăng lên, số lượng MBgắn trên bề mặt điện cực giảm đi; ứng với đó là số lượng chuỗi đơn DNA nhận biết(Au-p1) không bắt cặp tồn tại ở trên bề mặt điện cực giảm đi Sự suy giảm tín hiệuđiện hóa phụ thuộc vào nồng độ đối tượng Au-t được biểu diễn ở trong Hình 1.4 Từđây, Pallavi Daggumati đã tính toán suy giảm tín hiệu điện hóa theo công thức: [(Ip

- It )/Ip]×100% Trong đó Ip, It lần lượt là cường độ dòng điện cực đại thu được tại hiệu điện thế điện hóa đặc trưng của MB trước và sau khi cho Au-t

Như vậy, cảm biến đã xác định được sự thay đổi tín hiệu điện hóa khi thay đổi nồng độ DNA

Hình 1.6.Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau

của cảm biến [17].

1.2.3 Tăng cường tín hiệu Raman

Peter Owens và các cộng sự đã xác định được nồng độ protein bằng phươngpháp Raman tăng cường bề mặt (SERS) [18] Họ đã sử dụng 4-aminothiophenol (4-ATP) và 6-mercaptopurine (6- MP) để tạo ra các nhóm chức amin-NH2 trên bề mặtđiện cực trước khi gắn chúng với các kháng nguyên, kháng thể Từ đó nghiên cứu

sự ảnh hưởng của nồng độ protein p53 và EGFR (Epidermal Growth FactorReceptor) tới phổ Raman

Mô hình của ứng dụng này được chỉ ra như trong Hình 1.7 Cấu tạo của cảmbiến gồm một đế silicon được phủ một lớp màng mỏng vàng hoặc bạc Tiếp theo,một lớp kháng nguyên- kháng thể với các nồng độ khác nhau được nhỏ lên lớpmàng này Cấu trúc này được đo SERS trước và sau khi nhỏ kháng nguyên- khángthể nhằm nhận biết sự có mặt của chúng trên phổ Raman

Hình 1.7.Mô hình màng nano vàng ứng dụng trong tán xạ Raman nhằm

xác định nồng độ protein p53 và EGFR [18].

Tại đỉnh 1080 cm-1 xuất hiện mode dao động C-S, đặc trưng cho 4ATP(Hình 1.8.a), đỉnh này phù hợp với sự xuất hiện của kháng nguyên- kháng thể p53với các nồng độ khác nhau Tương tự, tại vị trí 860 cm-1 xuất hiện mode dao độngcủa nhóm thiol (Hình 1.8b)

Hình 1.8 Phổ Raman của 4-ATP/ p53 (a) và 6-MP/ EGFR (b)[18]

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nồng độ protein trên phổ Raman của

4ATP[18].

Khi có sự xuất hiện của protein p53 và anti p53 thì đỉnh phổ Raman của ATP đã có sự thay đổi Đỉnh phổ của 4-ATP dịch từ vị trí 1078 cm -1 đến 1079 cm-1khi có anti p53 và đến 1080 cm-1 khi có p53 Khoảng dịch đỉnh này tăng lên khi sốlượng tương tác p53-antip53 tăng lên trên bề mặt của màng vàng (Hình 1.9)

4-1.3 Các phương pháp chế tạo

Màng nano vàng có rất nhiều phương pháp chế tạo như: phương pháp hóahọc [1,12,18,21,24], phương pháp vật lý như phún xạ- sputtering [11, 17], lắngđọng chùm điện tử [20], điện hóa [21] Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiềunhóm nghiên cứu chế tạo thành công màng nano vàng bằng các phương pháp kểtrên

1.3.1 Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử

Rakesh Singh Moirangthem [20], đã chế tạo thành công màng nano vàngbằng phương pháp lắng đọng chùm điện tử nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh họcphát hiện huyết thanh BSA

Nhóm nghiên cứu Jakub Siegel và Olexiy Lyutakov [11] đã nghiên cứu cáctính chất quang điện của màng vàng cấu trúc nano lắng đọng trên đế thủy tinh bằngphương pháp phún xạ theo các thông số: Plasma Ar độ sạch 99,995%, công suất7,5W, tốc độ xả khí 0,3 l/s, khoảng cách bia-đế 50 mm, diện tích đế 48 cm2 Cácmẫu được nghiên cứu tính chất theo độ dày khác nhau nhờ điều khiển được thờigian phún xạ từ 4-500s.

Tháng 4 năm 2015, nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati đã sử dụng phươngpháp sputtering kết hợp với khử hóa học để chế tạo thành công màng vàng nano xốptrên đế thủy tinh [17] Đầu tiên một lớp màng vàng mỏng có độ dày 80 nm đượcphún xạ lên một lớp chrom Lớp màng này được coi là mầm để tiếp tục phún xạthêm một lớp màng hỗn hợp Ag-Au có độ dày 600 nm Sau đó, phần Ag có trongmàng hỗn hợp kể trên được loại bỏ bằng cách ngâm trong HNO3 70% Kết quả nhậnđược là một lớp Au xốp có độ dày 600 nm (Hình 1.10)

Hình 1.10 Ảnh SEM của màng nano vàng xốp chế tạo bằng phương pháp

sputtering trước khi ủ (A) và sau khi ủ nhiệt (B) [17].

Với môi trường chế tạo vật liệu chặt chẽ, các phương pháp vật lý nói chung

-ở đây là phương pháp phún xạ - thường cho các màng mỏng có độ đồng đều cao với

độ dày theo ý muốn; thông qua việc điều khiển các thông số kỹ thuật như áp suất chânkhông, tốc độ thổi khí, thời gian phún xạ, nhiệt độ hay khoảng cách giữa bia với đế Tuynhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chế tạo cũng như nguyên liệu làm bia với chấtlượng cao, giá thành lớn

1.3.3 Phương pháp điện hóa

Sheng-Qing Zhu đã lắng đọng các hạt nano vàng trên đế ITO bằng phươngpháp điện hóa để nghiên cứu các tính chất bằng phương pháp tán xạ Raman tăngcường bề mặt [21] Ban đầu, dung dịch nano vàng được chế tạo bằng phương phápnuôi mầm từ các tiền chất HAuCl4, NaBH4, CTAB, Acid Ascobic Sau đó, hai đếITO kích thước 30 × 10 × 0,6 mm được nhúng vào dung dịch nano vàng ở trên, vàđược sử dụng làm anode và cathode Sơ đồ của phương pháp này được biểu diễnnhư Hình 1.11

Hình 1.11 Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa [21]

Đây là phương pháp khử các muối để tạo ra các ion kim loại lắng đọng trên

bề mặt đế [1,18] Phương pháp này sử dụng các hợp chất có nhóm amin NH2 như aminopropytriethoxydilane (APTES) , aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) đểgắn các hạt nano nhỏ lên đế thủy tinh Sau đó tiến hành phát triển tăng kích thướchạt bằng phương pháp khử Sản phẩm của phản ứng khử là các ion kim loại sẽ bámdính lên các hạt mầm khiến kích thước hạt tăng dần Đến khi các hạt có kích thước

3-đủ lớn và kết dính với nhau sẽ hình thành màng

Dung dịch ban đầu là muối vàng HAuCl4 Tác nhân khử ion kim loại Au3+thành Au0 là các chất hóa học như: Acid Citric, Sodium Borohydride NaBH4, AicdAscobic… Nguyên tắc khử của như sau:

Au3+ + X  Au0  nano AuDưới tác dụng của chất khử X, Au3+ sẽ tạo ra các nguyên tử Au, sau đó cácnguyên tử này sẽ kết hợp với nhau, phát triển thành các hạt nano vàng

Tạo màng bằng phương pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát được độđồng đều của màng, độ lặp lại không cao, khả năng gắn kết giữa màng và đế cònthấp Ngoài ra quá trình chế tạo còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ , độ

pH dung dịch… Tuy nhiên phương pháp này không đòi hỏi các điều kiện khắt khe

về chân không, áp suất… và thực hiện với chi phí thấp

Quy trình chế tạo của một số nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước[1,5,7,12,23,24] gồm 4 bước chính như sau: Tạo nhóm ưa nước trên bề mặt đếlamen: Ngâm đế lamen trong dung dịch KOH nhằm tạo nhóm –OH trên bề mặt đế;chức năng hóa đế lamen đã có sẵn nhóm –OH bằng dung dịch APTES; tạo lớp mầm

vàng trên đế; nuôi mầm vàng, phát triển lớp mầm vàng trên đế Quy trình này đượcthể hiện như trong sơ đồ dưới đây:

Hình 1.12 Sơ đồ tạo màng vàng

Tuy nhiên, mỗi bước thực hiện trên đều chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:Trong bước 1, nhóm hydroxyl –OH có ảnh hưởng đáng kể lên sự hình thànhcác hạt vàng trên đế lamen [1] Bề mặt đế lamen là SiO2 cần có nhiều nhóm –OHlàm đầu chờ cho nhóm amin thay thế theo phương trình (1) :

=Si-OH + (C2H5-O)3- Si-(CH2)3-NH2 =Si-O-Si-(CH2)3- NH2 + C2H5OH (1)Càng nhiều nhóm –OH trong Si-OH thì khả năng tạo nhóm NH2 càng lớn vàkhả năng lượng vàng đính kết càng nhiều Chính vì vậy, việc tạo ra nhóm ưa nướcbằng việc ngâm đế lamen trong dung dịch KOH rất quan trọng

Ở bước 2, phản ứng khi chức năng hóa bề mặt đế lamen chịu ảnh hưởng của

pH dung dịch APTES [1] Phản ứng (1) xảy ra theo hai chiều, tạo ra (CH2)3- NH2 như phương trình (1) Ở pH cao, tức là trong môi trường kiềm hơn,liên kết Si-OH bền nên lượng =Si-O-Si-(CH2)3- NH2 hình thành ít, nói cách khácphản ứng nghịch có thể xảy ra, do đó hiệu suất tạo màng thấp Nhưng pH thấp thì

=Si-O-Si-cho hấp phụ lên trên bề mặt của đế lamen đã được chức năng hóa Các nghiên cứutrước đó đã cho rằng sau khi chức năng hóa bởi nhóm chức –NH2 thì bề mặt lớpSiO2 sẽ tích điện dương [9] sẽ hút các hạt vàng có điện tích bề mặt âm [21] thôngqua tương tác Coulomb.

Việc tạo lớp mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa ở bước 3 rấtquan trọng Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như: pH dung dịch mầm,nồng độ muối vàng HAuCl4, thời gian ngâm mầm có ảnh hưởng sâu sắc tới khảnăng bám dính của các hạt vàng trên đế [5,12,24]

Khi giá trị pH của dung dịch mầm tăng thì điện tích dương của lớp NH2 trên

bề mặt tăng, nhưng điện tích của bề mặt của các hạt vàng tích điện âm lại giảm Vìvậy, tồn tại một giá trị pH mà tại đó lực tĩnh điện giữa lớp NH2 và các hạt mầm Au

là lớn nhất [24] Bên cạnh đó, nồng độ của dung dịch HAuCl4 là một trong nhữngyếu tố ảnh hưởng đáng kể đến lượng mầm vàng bám dính trên bề mặt lớp NH2[5,12]

Trong các nghiên cứu chế tạo thanh nano vàng [5,12], thời gian phù hợp để

sử dụng các hạt mầm được cho là từ 2 đến 5 h Vì vậy, việc nghiên cứu thời gianngâm đế lamen sau khi được chức năng hóa vào dung dịch chứa mầm cũng rất quantrọng

Như vậy, mỗi bước trong quy trình chế tạo màng vàng nói trên đều chịu ảnhhưởng của nhiều yếu tố Một số nghiên cứu về các yếu tố này còn đơn lẻ, chưa sâu[1,5,7,12,23,24]

1.4 Mục tiêu của luận văn

Như đã nói ở trên, việc chế tạo màng vàng bằng phương pháp hóa học đã cómột số nhóm nghiên cứu thực hiện, nhưng khảo sát về các yếu tố ảnh hưởng tới quytrình chế tạo còn đơn lẻ

Vì vậy, luận văn này tập trung tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng như: ảnhhưởng của nhóm hydroxyl (-OH) tạo bề mặt ưa nước, ảnh hưởng của giá trị pHdung dịch APTES, nồng độ HAuCl4, thời gian ngâm mầm và pH của dung dịchmầm Nghiên cứu này đưa ra quy trình tối ưu cho việc chế tạo màng vàng, địnhhướng ứng dụng trong cảm biến sinh học

trong bảng 2.1.

Hóa chất/ Dụng cụ thí nghiệm Công thức hóa học Xuất xứ

ĐứcChloroauric acid (HAuCl4)

Đức

Cetyl trimetylammonium bromua

Trung QuốcCồn (C2H5OH)

Bảng 2.1 Hóa chất thí nghiệm

2.1.2.Chế tạo màng vàng

Quy trình tổng quát để chế tạo màng vàng như sau:

Hình 2.1 Quy trình chế tạo màng nano vàng

Nhiệm vụ của phần này là chế tạo được màng vàng trên đế lamen

bằng phương pháp hóa học, quy trình tổng quát gồm 4 bước như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ tạo nhóm –OH trên bề mặt đế lamen.

Bước 2: Gắn kết nhóm chức amin –NH2 lên bề mặt đế lamen ở Bước 1 Các

đế larmen sau khi được hydroxyl hóa để có các gốc –OH tự do trên bề mặt liền đượcngâm trong dung dịch chứa APTES Sản phẩm phụ của phản ứng là C2H5OH Sauphản ứng, các gốc silane sẽ bám lên trên đế larmen thông qua liên kết Si-O-Si; đểhình thành các gốc amin (-NH2) tự do trên bề mặt Phương trình phản ứng nhưsau[1]:

=Si-OH + (C2H5-O)3- Si-(CH2)3-NH2 =Si-O-Si-(CH2)3- NH2 + C2H5OH

Sơ đồ bước 2 như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ chức năng hóa đế lamen bằng dung dịch APTES.

Bước 3: Ngâm đế lamen đã được chức năng hóa ở Bước 2 trong dung dịch

mầm vàng

Hình 2.4 Sơ đồ tạo mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa.

Bước 3 chia làm hai bước nhỏ: chế tạo dung dịch chứa mầm vàng và ngâmcác đế larmen đã được chức năng hóa bởi các nhóm amin với dung dịch này Đầutiên, 40 µl dung dịch HAuCl4 0,5M được hòa tan trong 10 ml dung dịch CTAB 0,1

M Dung dịch có màu vàng sậm Sau đó, 3 ml dung dịch NaBH4 0,5 M lạnh đượcnhỏ vào và lắc đều Dung dịch rất nhanh chuyển sang màu hổ phách Đây cũng làmàu đặc trưng của dung dịch chứa các hạt nano vàng có kích thước từ 1-5 nm.Dung dịch chứa các hạt nano vàng rất nhỏ này được để ổn định trong thời gian 2h

Kế tiếp, các larmen sau khi được chức năng hóa bởi APTES được ngâm trong dungdịch này ở các pH khác nhau và với thời gian ngâm khác nhau

Trong đó quy trình chế tạo dung dịch mầm vàng như như sau: