Ảnh hưởng của các hạt nano kim loại ví dụ các hạt nano vàng lên quá trình phát quang của phân tử chất màu trước tiên được nghiên cứu với vai trò làm acceptor chất nhận trong các thí nghi
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
LỤC THỊ TUYẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG KÍCH THƯỚC 20 nm LÊN SỰ PHÁT XẠ CỦA DUNG DỊCH CHẤT MÀU
RHODAMINE
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
THÁI NGUYÊN - 2020
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
LỤC THỊ TUYẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG KÍCH THƯỚC 20 nm LÊN SỰ PHÁT XẠ CỦA DUNG DỊCH CHẤT MÀU
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon
bề mặt của các hạt nano vàng kích thước 20 nm lên sự phát xạ của dung dịch chất màu Rhodamine” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PSG TS Chu Việt Hà Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Tác giả
Lục Thị Tuyến
Trang 4LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Chu Việt Hà,
người đã tận tình động viên, giảng dạy, chỉ bảo, hướng dẫn và định hướng cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên cùng toàn thể các thầy giáo, cô giáo giảng dạy tại khoa vật
lý trường Đại học sư phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và nền tảng kiến thức vững chắc cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới học viên cao học Meephonevanh Vaxayneng
là người bạn cùng nhóm nghiên cứu đã luôn nhiệt tình hỗ trợ, hướng dẫn, hợp tác và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bước trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của mình
Tôi xin chân thành cám ơn các bạn học viên cao học Vật lý khóa 26B (2018- 2020) đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ tinh thần giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định, tác giả rất mong nhận được sự góp ý và phản hồiquýbáu của Hội đồng khoa học và Quý thầy cô cùng bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn
Xin trân trọng cám ơn!
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Tác giả
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
MỞ ĐẦU 1
1 Lí do chọn đề tài 1
2 Mục tiêu nghiên cứu 4
3 Phạm vi nghiên cứu 5
4 Phương pháp nghiên cứu 5
5 Đối tượng nghiên cứu 5
6 Nội dung nghiên cứu 5
Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 7
1.1.Hiệu ứng plasmon của các hạt nano kim loại 7
1.1.1 Sự tạo thành các plasmon bề mặt 7
1.1.2 Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon 8
1.1.3 Lý thuyết Mie giải thích màu tán xạ của hạt nano kim loại dạng keo 10
1.2 Tính chất quang của chất màu hữu cơ 14
1.2.1 Cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học của chất màu hữu cơ 14
1.2.2 Thời gian sống và hiệu suất lượng tử 16
1.2.3 Các hạt nano silica chứa các phân tử màu hữu cơ 18
1.3 Sự tương tác quang giữa các chất huỳnh quang và các hạt nano kim loại 19
1.3.1 Mô hình tương tác lưỡng cực - lưỡng cực 19
1.3.2 Mô hình plasmon bức xạ 21
1.3.3 Sự tăng cường và dập tắt huỳnh quang bởi các cấu trúc nano kim loại 21
Trang 6Chương 2: THỰC NGHIỆM 26
2.1 Vật liệu tiến hành nghiên cứu 26
2.1.1 Chất màu Rhodamine 26
2.1.2 Các hạt nano vàng dạng keo 27
2.2 Mô hình thí nghiệm 29
2.3 Các phép đo thực nghiệm 30
2.3.1 Phép đo phổ hấp thụ 30
2.3.2 Phép đo phổ huỳnh quang 31
2.3.3 Phép đo thời gian sống phát quang 33
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36
3.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon của các hạt nano vàng lên tính chất phát xạ của chất màu RB 36
3.1.1 Tính chất quang của dung dịch chất màu RB - hạt nano vàng kích thước 20 nm trong môi trường nước 36
3.1.2 Tốc độ hồi phục bức xạ và tốc độ hồi phục không bức xạ trong các trường hợp tăng cường và dập tắt huỳnh quang của RB khi có mặt hạt nano vàng 40
3.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon của các hạt nano vàng lên tính chất phát xạ của chất màu R6G 44
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các thông số chi tiết của RB và R6G 27 Bảng 2.2 Các thông số của dung dịch chất màu chất phát quang 29 Bảng 3.1 Kết quả đo thời gian sống của dung dịch chất màu RB- hạt nano
vàng kích thước 20 nm 41 Bảng 3.2 Thời gian sống phát quang và các tốc độ hồi phục bức xạ và
không bức xạ của dung dịch chất màu RB- vàng theo lượng hạt vàng có mặt trong dung dịch 42 Bảng 3.3 Tốc độ và hiệu suất truyền năng lượng từ R6G tới hạt vàng 47
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại 8
Hình 1.2 Plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu điện môi có các điện tích kết hợp 8
Hình 1.3 Đường cong tán sắc của các plasmon bề mặt Ở giá trị k thấp, đường cong tán sắc của các plasmon trùng với đường tán sắc của photon 9
Hình 1.4 Tương tác cuả ánh sáng với các hạt nano kim loại tạo ra trường plasmon của hạt trong trường hợp dao động lưỡng cực (hình trái) và dao động đa cực (ví dụ ở đây là tứ cực, hình phải) 10
Hình 1.5 Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu 15
Hình 1.6 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Rhodamine 101 16
Hình 1.7 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano silica chứa Rhodamine và Rhodamine tự do trong dung môi 19
Hình 1.8 Minh họa hương song và vuông góc của một lưỡng cực dao động dặt gần một bề mặt kim loại 20
Hình 1.9 Minh họa sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa phát chất huỳnh quang (donor) và hạt nano kim loại (acceptor) 23
Hình 2.1 Cấu trúc xanthene (bên trái) và lõi của các phân tử rhodamine (bên phải) 26
Hình 2.2 Đặc trưng phổ của chất màu RB 27
Hình 2.3 Đặc trưng phổ của chất màu R6G 27
Hình 2.4 Dung dịch nước các hạt nano vàng dạng keo kích thước 20nm 28
Hình 2.5 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của các hạt nano vàng kích thước ~20nm 28
Trang 9Hình 2.6 Phổ hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt vàng kích thước
20 nm 28 Hình 2.7 Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis 31 Hình 2.8 Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang 32 Hình 2.9 Cấu hình chi tiết của một máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse 33 Hình 2.10 Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật đếm đơn photon tương quan
thời gian 34 Hình 2.11 Cường độ huỳnh quang phân giải theo thời gian sử dụng
TCSPC 34 Hình 3.1 Phổ hấp thụ của dung dịch chất màu RB, có và không có sự xuất
hiện của hạt nano vàng 36 Hình 3.2 Độ hấp thụ của dung dịch RB-vàng phụ thuộc vào lượng vàng
thêm vào 37 Hình 3.3 Phổ huỳnh quang của dung dịch chất màu RB có và không có hạt vàng
kích thước 20 nm: Hình trái là cường độ huỳnh quang tăng và hình phải là cường độ huỳnh quang giảm theo lượng vàng cho vào 38 Hình 3.4 Sự phụ thuộc vào cường độ huỳnh quang của dung dịch chất màu
RB - hạt nano vàng kích thước 20 nm vào nồng độ hạt vàng có mặt trong dung dịch 39 Hình 3.5 Sự phụ thuộc của hệ số tăng cường huỳnh quang và các tốc độ
hồi phục của chất màu RB theo lượng hạt vàng có mặt trong dung dịch 43 Hình 3.6 Phổ huỳnh quang của dung dịch chất màu R6G có và không có
hạt vàng kích thước 20nm 44 Hình 3.7 Đường cong suy giảm huỳnh quang của R6G trong H2O khi có mặt
các hạt nano vàng dưới bước sóng kích thích của laser 1000 nm (kích thích 2 photon), bước sóng phân tích550 nm, đo ở 20 o
C 45
Trang 10Hình 3.8 Minh họa sự có mặt của một cấu trúc nano kim loại với cấu hình
quang thích hợp làm cho mật độ quang của phần tử chất quang được nâng cao do sự phát xạ plasmon kết hợp với huỳnh quang của chất phát quang Sự tăng cường huỳnh quang cho thấy có sự tăng hiệu suất lượng tử và tăng tốc độ hồi phục bức xạ, thời gian sống phát quang giảm 48 Hình 3.9 Minh họa sự dập tắt huỳnh quang của chất phát quang khi có hạt
nano kim loại Sự dập tắt này tương ứng với sự truyền năng lượng từ chất phát quang đến bề mặt kim loại, huỳnh quang của chất phát quang giảm do hạt nano kim loại hấp thụ một phần năng lượng truyền từ chất phát quang 49
Trang 11
MỞ ĐẦU
1 Lí do chọn đề tài
Vật liệu nano kim loại trong vài thập kỷ gần đây đang được quan tâm, nghiên cứu nhiều vì những tính chất cơ bản thú vị của vật liệu mà nổi bật là tính chất quang học phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chúng Đối với các cấu trúc nano kim loại, một hiệu ứng đáng chú ý gây ra tính chất quang khác với vật liệu khối là hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt làm cho cấu trúc nano kim loại có các màu sắc tán xạ khác với vật liệu khối Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng khi ánh sáng kích thích các plasmon bề mặt – là dao động tập thể của điện tử tại biên phân cách giữa hai vật liệu (kim loại - điện môi) – trong trường hợp tần số của ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của các plasmon thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất quang học của cấu trúc nano kim loại và
là mối quan tâm lớn cho các ứng dụng trong thiết bị quang tử Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho thấy những triển vọng thú vị cho sự hiểu biết
và khai thác các hiện tượng liên quan đến sự giam giữ ánh sáng ở thang nano [7, 8,16, 14-16, 25] Do đó, cộng hưởng plasmon bề mặt đóng vai trò như một kỹ thuật phân tích có giá trị cao và mạnh mẽ cho các ứng dụng làm cảm biến quang học; và các ứng dụng y-sinh, thực phẩm và môi trường (hình 1)
Hình 1 Một số ứng dụng của hiệu ứng plasmon bề mặt: (1) an toàn thực phẩm,
(2) chẩn đoán, (3) bảo mật, (4) công nghệ sinh học, (5) phát triển dược phẩm, và
(6) bảo vệ môi trường
Trang 12Các nghiên cứu cho thấy, sự truyền năng lượng bề mặt của hạt nano kim loại được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học hiện đại và ứng dụng y tế, đặc biệt là điều trị ung thư Sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang Förster (FRET) giữa hai phân tử chất phát huỳnh quang donor và aceptor – hoặc giữa phân tử chất màu, hoặc giữa phân tử hữu cơ và kim loại – là công cụ quan trọng trong nghiên cứu các hệ thống sinh học, và tiềm năng ứng dụng trong quang điện tử, phát triển thiết bị màng mỏng và điều trị y tế Kỹ thuật FRET đã được mô tả lần đầu tiên hơn 60 năm trước Hiệu suất truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang phụ thuộc vào khoảng cách giữa donor và acceptor, điều này được áp dụng cho kính hiển vi quang học, nghiên cứu phát hiện tương tác phân tử trong cấp độ khoảng cách nanomet và ngày càng được
sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu sinh học Hiện nay các kỹ thuật huỳnh quang vẫn là phương pháp chiếm ưu thế trong công nghệ cảm biến đặc biệt là các sensor sinh học Các sensor sinh học dựa trên kỹ thuật huỳnh quang được thiết kế sử dụng hiệu ứng truyền năng lượng giữa hai chất phát quang FRET Hình 2 là một ví dụ về cảm biến sinh học sử dụng đầu dò ADN được gọi là molecular beacon (hay đèn hiệu phân tử) có dạng như một cái kẹp tóc (hairpin) Hai đầu của một chuỗi ADN được gắn với 2 chất phát huỳnh quang có hiệu ứng truyền năng lượng, một chất là donor (F1) và một chất là acceptor (F2) Ở trạng thái tự do, sợi ADN ở thể cuộn, có sự truyền năng lượng từ D sang A khi
có kích thích làm huỳnh quang của donor bị dập tắt Khi có chất phân tích trong mẫu, sợi ADN bắt cặp với sợi bổ sung của nó, ADN duỗi ra, không có sự truyền năng lượng từ D sang A, quan sát được huỳnh quang của donor Nếu thay acceptor bằng một hạt nano kim loại (ví dụ hạt nano vàng) thì sự dập tắt của donor khi có mặt hạt vàng là triệt để hơn làm tăng độ nhạy của sensor sinh học Vì lí do này, các hạt nano kim loại còn được gọi là chất dập tắt (quencher)
Sử dụng thêm hạt vàng làm tăng độ nhạy lên gấp 100 lần so với chỉ dùng chất
Trang 13Ảnh hưởng của các hạt nano kim loại (ví dụ các hạt nano vàng) lên quá trình phát quang của phân tử chất màu trước tiên được nghiên cứu với vai trò làm acceptor (chất nhận) trong các thí nghiệm truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) để ứng dụng làm cảm biến sinh học Các hạt nano vàng
có hiệu ứng cộng hưởng plasmon trong vùng ánh sáng nhìn thấy với hệ số dập tắt lớn, cường độ tán xạ mạnh cùng với cường độ tín hiệu ổn định nên chúng là các nhân tố dập tắt hiệu quả cho các thí nghiệm FRET [5, 6, 15, 20, 23, 24]
Hình 2 Minh họa cấu trúc của một cảm biến sinh học sử dụng ADN với chất
dập tắt
Ngoài sự dập tắt huỳnh quang, tương tác giữa các hạt nano vàng và chất phát quang còn dẫn đến sự tăng cường huỳnh quang của chất phát quang khi có mặt một cấu trúc nano kim loại Việc nghiên cứu sử dụng các cấu trúc nano kim loại để thực hiện sự tăng cường huỳnh quang (metal-enhanced fluorescence - MEF) đang thu hút được rất nhiều sự chú ý Do cộng hưởng plasmon định xứ (localized surface plasmon resonance – SPR), vùng điện trường trong vùng lân cận của các cấu trúc nano kim loại có thể được tăng cường đáng kể để nâng cao tốc độ kích thích một phân tử phát quang lân cận [15] Ngoài ra, truyền năng lượng cộng hưởng plasmon Förster (FRET) giữa các phân tử chất phát quang bị kích thích và các cấu trúc nano kim loại tạo điều kiện cho tăng cường huỳnh quang và nâng cao hiệu suất lượng tử Những lợi
Trang 14thế của MEF làm tăng khả năng dò tìm và sự ổn định quang của chất phát huỳnh quang Sự tương tác giữa các chất đánh dấu huỳnh quang và cấu trúc nano kim loại (đặc biệt là các hạt nano vàng) vẫn được tiếp tục nghiên cứu trong các ứng dụng trong y-sinh học như dò tìm khả năng ung thư trong thực phẩm (H.Wang, Food Chemistry, 2015), nghiên cứu cấu trúc ADN (Y Han, Biomater Sci., 2014); tương tác giữa chấm lượng tử với một cấu trúc nano kim loại trong ứng dụng hiện ảnh trường gần (Chad Ropp, Nat comm , 2015) hay ứng dụng nghiên cứu cấu trúc AND bằng việc sử dụng hiệu ứng plasmon do gắn kết phân tử ADN với một hạt nano kim loại (B Shen, Nanoscale, 2015) [2, 4]…
Nhìn chung, sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của chất phát quang bởi các cấu trúc nano kim loại thông thường được điều khiển bằng khoảng cách giữa chúng; nghĩa là kết quả tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc nhiều vào cấu hình quang học [6] Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu trúc nano kim loại đối với một chất phát quang đặt gần nó là rất cần thiết nhằm tìm ra các điều kiện và cơ chế tăng cường và dập tắt huỳnh quang đối với một chất phát quang với sự có mặt của một cấu trúc nano kim loại; từ đó có thể điều khiển được huỳnh quang của chất phát quang như mong muốn
Với các lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc
sĩ là: “Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng kích
thước 20 nm lên sự phát xạ của dung dịch chất màu Rhodamine”
Do điều kiện thực nghiệm ở Việt Nam, chúng tôi tiến hành khảo sát tính chất quang của một số dung dịch chất phát quang trên cơ sở là chất màu Rhodamine với sự có mặt của các hạt nano vàng trong đó; nghiên cứu các điều kiện để có sự tăng cường và dập tắt huỳnh quang và cơ chế truyền năng lượng tương ứng với các điều kiện đó
2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tính chất quang của chất màu Rhodamine dưới ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dạng keo kích thước
Trang 154 Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu và các mô hình lý thuyết
- Thiết kế thí nghiệm với các hạt nano vàng và các chất màu Rhodamine
để khảo sát sự truyền năng lượng giữa các hạt nano vàng tới các phần tử chất màu, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng plamon bề mặt đến tính chất quang của chúng
- Thực nghiệm đo mẫu thông qua các phép đo phổ quang học
- Phân tích các dữ liệu thực nghiệm
5 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các hạt nano vàng dạng cầu kích thước 20 nm
và chất màu hữu Rhodamine và các hạt nano silica có chứa Rhodamine
6 Nội dung nghiên cứu
1/ Nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano vàng:
- Khảo sát tính chất hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng dạng keo kích thước 20 nm
- Tính toán hệ số dập tắt của các hạt nano vàng theo kích thước hạt
2/ Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng plamon bề mặt đến sự phát xạ huỳnh quang của các chất màu Rhodamine:
- Nghiên cứu các mô hình lý thuyết về ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt do các hạt nano vàng gây ra tới tính chất phát xạ của một chất phát quang
- Khảo sát tính chất quang của các chất màu Rhodamine B và Rhodamine 6G bao gồm các tính chất hấp thụ và huỳnh quang
Trang 16- Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng nói trên lên tính chất quang của Rhodamine B và Rhodamine 6G Khảo sát các tốc độ tái hợp bức xạ và không bức xạ trong trường hợp tăng cường và dập tắt huỳnh quang thông qua xác định thời gian sống phát quang và hiệu suất lượng tử
Trang 17Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1.1 Hiệu ứng plasmon của các hạt nano kim loại
Sự cộng hưởng điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn (các điện tử tự do) của các cấu trúc nano kim loại dưới sự kích thích của ánh sáng tới được gọi là plasmon Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh đến các tính chất quang học của các cấu trúc nano kim loại và đang được quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị quang tử trong tương lai Các plasmon trong cấu trúc nano kim loại hiện nay được nghiên cứu bằng các kĩ thuật hiển vi từ trường gần và xa [24] Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho thấy triển vọng thú vị để hiểu biết và khai thác các hiện tượng giam giữ ánh sáng ở thang nano Độ nhạy bề mặt cao nên làm cho hiệu ứng này trở thành vấn đề quan tâm trong những năm gần đây, không chỉ trong nghiên cứu cơ bản mà còn trong các ứng dụng như làm bộ cảm biến hoặc lưu trữ dữ liệu, dẫn tới ứng dụng cho các dụng cụ quang nano và micro [11]
1.1.1 Sự tạo thành các plasmon bề mặt
Xét một hạt nano kim loại dạng cầu, điện trường các sóng ánh sáng tới tạo nên sự phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano cầu về phần mình hoạt động như lực hồi phục Bằng cách đó dao động lưỡng cực của điện tử với chu kì T được tạo nên (hình 1.1); đó chính là các plasmon
Như vậy, thuật ngữ plasmon và plasmon bề mặt được sử dụng để mô tả các dao động tập thể của một nhóm các điện tử trong kim loại Plasmon có nghĩa rằng các điện tử được tự do chuyển động trong kim loại theo cách tương
tự như của các ion trong một plasma khí [30] Plasmon bề mặt (SP) là các sóng điện từ lan truyền dọc theo biên phân cách của hai vật liệu với các hàm điện môi trái dấu, ví dụ như một kim loại và một điện môi [11] Thuật ngữ plasmon polariton (SPP) cũng được sử dụng tương tự như plasmon bề mặt SPP là sự kết
Trang 18hợp của SP với photon ánh sáng tới, có thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi năng lượng của nó mất hết do sự hấp thụ trong trong kim loại hoặc
sự bức xạ năng lương trong không gian tự do Do đó có thể hiểu SP là các mode
liên kết của trường điện từ của ánh sáng tới và các điện tử tự do trong kim loại
Chúng có thể xem như ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại - điện môi và có thể bị giam giữ theo các kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng trong không gian tự do
Hình 1.1 Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại [1]
1.1.2 Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon
Xét mặt phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi trái dấu, ví dụ như kim loại và không khí Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách
sẽ gây nên một phân bố điện tích trên bề mặt kim loại Dao động của phân bố điện tích này tạo thành một sóng plasmon bề mặt truyền dọc theo mặt phân cách kim loại - điện môi Sóng plasmon giữa hai mặt phân cách kim loại - điện môi được minh họa trên hình 1.2
Hình 1.2 Plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu điện môi
có các điện tích kết hợp [1]
Trang 19Độ lớn của vecto sóng plasmon bề mặt được cho bởi biểu thức:
hệ số tán sắc được biểu diễn trên hình 1.3 Ở giá trị các vectơ sóng nhỏ, các
SPP thể hiện giống như các photon, nhưng khi k tăng, đường cong tán sắc bị
uốn cong và đạt tới một giới hạn tiệm cận tới tần số plasma Từ các công thức trên cho thấy, với cùng một tần số, giá trị vectơ sóng của plasmon kSP lớn hơn
so với giá trị vectơ sóng của photon Do sự chênh lệch vectơ sóng này, sóng plasmon chỉ lan truyền trên biên phân cách giữa kim loại và điện môi
Hình 1.3 Đường cong tán sắc của các plasmon bề mặt Ở giá trị k thấp, đường
cong tán sắc của các plasmon trùng với đường tán sắc của photon [1]
Trang 201.1.3 Lý thuyết Mie giải thích màu tán xạ của hạt nano kim loại dạng keo
Các hạt nano kim loại dạng keo là các hạt nano kim loại nằm lơ lửng trong dung dịch Mie đã áp dụng lí thuyết tổng quan về tán xạ ánh sáng trên các hạt nhỏ giải thích hiện tượng thay đổi màu sắc của các hạt keo vàng Ông đã sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp trong hệ tọa độ cầu với các khai triển đa cực của từ trường và điện trường cho ánh sáng tới Từ
đó đưa ra kết quả chính xác cho sự tương tác ánh sáng với các hạt nano kim loại hình cầu [1]
a Các giả thiết của lý thuyết Mie
Giả thiết chính của lí thuyết Mie là các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng nhất và được mô tả bởi hàm điện môi quang học khối Giả thiết plasmon là một dao động lưỡng cực nhằm mục đích khảo sát tần số plasmon của hạt nano kim loại liên kết đến hằng số điện môi, chúng ta xét sự tương tác của ánh sáng với một hạt cầu kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (2R << λ), trong đó R là bán kính hạt
Hình 1.4 Tương tác cuả ánh sáng với các hạt nano kim loại tạo ra trường plasmon của hạt
trong trường hợp dao động lưỡng cực (hình trái) và dao động đa cực (ví dụ ở đây là tứ cực,
hình phải) [1],[20]
Trang 21Trong trường hợp đang xét, điện trường của ánh sáng có thể được coi là không đổi trong hạt và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực học Do hằng số điện môi ε của hạt và εm của môi trường xung quanh phụ thuộc vào bước sóng, người ta gọi là gần đúng giả tĩnh Một bức tranh đơn giản về
sự tương tác của ánh sáng với các hạt nano kim loại được trình bày trên hình 1.4 Nếu 2R >> λ, trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn đến kích thích dao động đa cực
Trang 22Điện trường E và từ trường H được sử dụng cho các hàm biên độ tán xạ Người ta tính được các hệ số dập tắt và tán xạ như sau:
trong đó R là bán kính hạt, n m là chiết suất của môi trường, là tần số góc của
ánh sáng tới trong chân không, a j và b j là các hệ số tán xạ được biểu diễn theo
hệ thức Ricatti-Bessel [19] như sau:
Các ảnh hưởng của kích thước hạt lên bước sóng cộng hưởng plasmon có
kết quả từ hai cơ chế phụ thuộc vào thang kích thước Trong giới hạn 2R <<
(với R là bán kính hạt và là bước sóng của ánh sáng trong môi trường) thì dao động của điện tử được xem là plasmon dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản:
Trang 23(1.17) trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu, là tần số góc của ánh sáng kích thích, c là vận tốc ánh sáng, 2 và 1() = r() + ii() tương ứng là các hàm điện môi của môi trường xung quanh hạt và của chính hạt Tham số 2
được giả thiết là không phụ thuộc tần số, còn 1() là phức và là hàm của năng lượng Điều kiện cộng hưởng được đáp ứng khi r() = -22 nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào [13] Điều này có nghĩa là khi tiết diện dập tắt lớn nhất, ánh sáng truyền toàn bộ năng lượng của mình để kích thích sóng plasmon trong hạt kim loại
Phổ hấp thụ UV-vis của các hạt keo có thể được tính từ lý thuyết Mie
Độ hấp thụ A của một dung dịch keo chứa N hạt trong một đơn vị thể tích
được cho bởi:
trong đó abs là tiết diện hấp thụ của kim loại và L là quang trình của ánh sáng Số
hạt trong một đơn vị thể tích dễ dàng được xác định từ số mol của vàng
Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được tiết diện tán xạ sca như sau:
c ε ω + 2 ε + ε ω
Trang 24hạt có thể lớn hơn giá trị trường trung bình của ánh sáng tới môi trường xung quanh hạt Khi xét sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang bởi kim loại chúng ta mong đợi số hạng hấp thụ (abs) gây ra sự dập tắt và số hạng tán xạ (sca) gây ra
sự tăng cường Các phương trình trên cho thấy, các hạt keo kim loại có kích thước lớn hơn sẽ có tỷ lệ tiết diện tán xạ trên tiết diện dập tắt lớn [1]
1.2 Tính chất quang của chất màu hữu cơ
Các chất màu hữu cơ được biết đến là các chất hữu cơ phát huỳnh quang từ lâu đã được sử dụng trong các thí nghiệm hóa sinh và lý sinh, trong các nghiên cứu sinh học như theo dõi phân tử, hiện ảnh tế bào, động học tế bào, máy đếm dòng tế bào, chẩn đoán, phân tích di truyền, nghiên cứu trình tự ADN, bằng các phương pháp huỳnh quang do độ nhạy của bản thân các kỹ thuật huỳnh quang và do thang đo thời gian thuận lợi của hiện tượng huỳnh quang Các chất màu dùng trong quang tử là các chất màu hữu cơ chứa các liên kết đôi liên hợp, hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy
1.2.1 Cấu trúc mức năng lƣợng và các dịch chuyển quang học của chất màu hữu cơ
Các phân tử chất màu có rất nhiều trạng thái là các tổ hợp phức tạp các trạng thái điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay Do vậy không thể xác định chính xác các mức năng lượng của chất màu Dựa vào mẫu điện tử của Bohr, Jablonski đã đưa ra giản đồ các mức năng lượng đơn giản hóa phản ánh những đặc điểm quan trọng chủ yếu của các chuyển dời lượng tử trong phân tử màu Sự hấp thụ ánh sáng và sự phát huỳnh quang của một phần tử chất màu được mô tả bởi giản đồ năng lượng Jablonski (hình 1.5)
Trong giản đồ hình 1.6, S0, S1, S2, là các trạng thái đơn điện tử (singlet) và các trạng thái điện tử bội ba (triplet) là T1, T2, tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S = 0 và S = 1 S0 là trạng thái cơ bản Khi điện tử ở trạng thái singlet nào đó, spin của nó đối song với spin còn lại của phân tử Ngược lại khi một điện
tử nằm ở trạng thái triplet, spin của nó song song với spin còn lại của phân tử Mỗi
Trang 25mức dao động (đường nét liền) và nhiều mức quay (không vẽ trong hình) Thông thường khoảng cách giữa các mức dao động từ 1400 1700 cm-1 còn khoảng cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai bậc Do va chạm liên kết nội phân tử và tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận trong dung môi mà vạch dao động được mở rộng Các mức quay thì luôn mở rộng do va chạm nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt độ phòng sẽ cho các phổ băng rộng Ở nhiệt độ phòng khi chưa bị kích thích các phân
tử chủ yếu nằm ở trạng thái dao động cơ bản S0 theo phân bố Boltzman Khi phân
tử hấp thụ photon ánh sáng tới, điện tử từ trạng thái nền (trạng thái cơ bản, S0) nhảy lên trạng thái kích thích (S1, S2, S3, …) Ở mỗi mức năng lượng, các phân tử chất màu có thể tồn tại trong một số các mức năng lượng dao động Từ trạng thái kích thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau: hồi phục không bức xạ và hồi phục bức xạ Nếu điện từ hồi phục từ trạng thái kích thích đơn S1 trở về trạng thái cơ bản ta sẽ có huỳnh quang của chất phát quang Các quá trình chuyển dời không bức xạ bao gồm sự tích thoát giữa các trạng thái cùng bội: singlet-singlet, triplet-triplet, gọi là sự chuyển dời nội (internal conversion) và chuyển dời không bức xạ giữa các trạng thái bội: singlet-triplet, gọi
là dịch chuyển do tương tác chéo nhau trong hệ (intersystem crossing) Sự dịch chuyển nội từ S2 (hoặc từ trạng thái đơn kích thích cao hơn) về S1 xảy ra rất nhanh
cỡ 10-11 s Trạng thái bội ba T1 là trạng thái siêu bền (thời gian sống cỡ 10-7 s đến
10-6 s), nằm thấp hơn so với các mức điện tử kích thích Hồi phục bức xạ từ trạng thái bội ba T1 phát xạ ánh sáng được gọi là lân quang [1]
Hình 1.5 Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu
[1],[22]
Trang 26Độ dịch Stokes
Giản đồ Jablonski cho thấy năng lượng phát xạ thường thấp hơn năng lượng hấp thụ, do trước khi hồi phục trở về trạng thái cơ bản, điện tử mất một phần năng lượng do hồi phục dao động Do đó đỉnh phổ phát xạ huỳnh quang luôn dịch về phía sóng dài so với đỉnh phổ hấp thụ Độ dịch này gọi là độ dịch Stokes Hình 1.6 trình bày phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang của chất màu Rhodamine 101 với đỉnh hấp thụ ở bước sóng 505 nm, đỉnh phát xạ ở bước sóng
526 nm, do đó chất màu này có độ dịch Stokes là 26 nm
Hình 1.6 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Rhodamine 101 [29]
1.2.2 Thời gian sống và hiệu suất lƣợng tử
Thời gian sống phát quang và hiệu suất lượng tử là đặc điểm quan trọng trong đặc tính của một chất phát quang Thời gian sống phát quang được hiểu là thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang (còn được coi như thời gian sống trung bình của nguyên tử trong trạng thái kích thích); trong
đó huỳnh quang biến mất ngay sau khi nguồn ánh sáng kích thích được loại bỏ, thời gian sống lân quang lâu hơn, thường đến vài phút, lân quang vẫn còn nhìn thấy, ngay cả sau khi ngắt nguồn ánh sáng kích thích [1]
Hiệu suất lượng tử là tỷ số của số lượng photon phát xạ với số lượng hấp
Trang 27độ tắt dần phát xạ) và tốc độ tái hợp không phát xạ knr (tốc độ tắt dần không phát xạ) Hiệu suất lượng tử được tính theo công thức sau [3]:
Khi một phân tử hấp thụ một photon năng lượng thích hợp, sẽ có một trạng thái kích thích với độ tích luỹ trạng thái ban đầu là n(0) Độ tích luỹ trạng thái kích thích giảm dần do mất năng lượng trong trường hợp không phát xạ ánh sáng Mỗi quá trình chuyển trạng thái xảy ra với một xác suất nhất định, đặc trưng bởi hằng số k = knr + Γ (hằng số dập tắt hay tốc độ tắt dần tổng cộng)
Thời gian sống huỳnh quang của các trạng thái kích thích, ký hiệu τ, là thời gian trung bình một phân tử nằm trong trạng thái kích thích trước khi trở về trạng thái cơ bản Do đó τ có thể được diễn tả như nghịch đảo của tốc độ tắt dần tổng cộng nên:
n r
1 / k 1 /( k )
Vậy độ tích luỹ trạng thái kích thích theo thời gian với tốc độ tắt dần là k
thì tuân theo phương trình
Do đó, thời gian sống huỳnh quang τ sẽ được xác định bằng cách quan sát
sự phân rã trong cường độ huỳnh quang của một huỳnh quang sau khi kích
Trang 28thích Ngay lập tức sau khi một phân tử được kích thích cường độ huỳnh quang
sẽ ở mức tối đa Io và sau đó giảm theo cấp số nhân:
I(t) = Io exp(-t/ τ) (1.25)
Như vậy, thời gian sống phát xạ huỳnh quang có thể nhận được theo hai
cách: i/ là thời gian mà tại đó cường độ giảm xuống 1/e so với giá trị ban đầu
của nó, như vậy thời gian sống được xác định từ độ dốc của đường cong log
I(t) theo thời gian t; và ii/ thời gian sống cũng được tính là lượng thời gian
trung bình của tâm phát xạ còn lại ở trạng thái kích thích sau khi kích thích
1.2.3 Các hạt nano silica chứa các phân tử màu hữu cơ
Hạt nano silica có chứa tâm màu hữu cơ hiện nay đang có nhiều các ứng dụng triển vọng trong các nghiên cứu đánh dấu sinh học So với các chất màu hữu cơ thì các hạt nano này có độ bền quang cao hơn vì có nền là silica bảo vệ
Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của các hạt nano silica có thể được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi hạt với mật độ chất màu lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang Vì vậy, các hạt này có thể có độ bền quang tương đối tốt và không nhấp nháy [1]
Dạng phổ quang học của các hạt nano silica chứa tâm màu nhìn chung không thay đổi so với các chất màu hữu cơ tương ứng tự do trong dung môi, tuy nhiên đỉnh phổ có bị lệch do tương tác của các phần tử màu với mạng nền chứa
nó Hình 1.7 là phổ huỳnh quang của các hạt nano silica kích thước 20 nm chứa chất màu Rhodamine B so sánh với chất màu tự do trong dung môi, đỉnh phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano này bị dịch về phía sóng dài khoảng 10 nm [1] Do có mạng nền bảo vệ nên các hạt nano này có độ bền quang Các nghiên cứu còn cho thấy thời gian sống của chất màu hữu cơ tăng lên khi đưa chúng vào mạng nền silica [1]
Trang 29450 500 550 600 650 700 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Hình 1.7 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano silica chứa Rhodamine và
Rhodamine tự do trong dung môi [1]
1.3 Sự tương tác quang giữa các chất huỳnh quang và các hạt nano kim loại
Tương tác quang giữa các chất huỳnh quang và các hạt nano kim loại được nghiên cứu qua ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt kim loại lên huỳnh quang của chất phát quang [2], [12], [16] Các nghiên cứu đã chỉ ra một chất phát quang khi ở gần một bề mặt kim loại thì huỳnh quang của nó có thể được tăng cường hoặc dập tắt (hay bị giảm) Sự phát xạ hoặc dập tắt của một hạt phát quang gần các bề mặt kim loại có thể được dự đoán từ các tính chất quang của các cấu trúc kim loại sử dụng các tính toán từ điện động lực, lý thuyết Mie, hoặc từ các phương trình Maxwell Theo lý thuyết Mie, sự dập tắt hay tăng cường huỳnh quang do các hạt nano keo kim loại gây ra phụ thuộc vào sự hấp thụ hoặc tán xạ [2],[15]
1.3.1 Mô hình tương tác lưỡng cực - lưỡng cực
Sự ảnh hưởng của các bề mặt kim loại lên huỳnh quang của các chất phát quang đã được phát hiện từ lâu có lẽ là từ các báo cáo kinh điển của Drexhage [30] Một phần tử chất phát quang được đặt trước một bề mặt kim loại phản xạ với khoảng cách trong thang bước sóng, ví dụ như một màng bạc dày 100 nm hoặc một gương cho kết quả là thời gian sống phát xạ dao động theo khoảng cách tính từ bề mặt kim loại Các nghiên cứu này cho kết quả là các nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm về sự tương tác giữa một phần tử chất phát quang với
Trang 30một bề mặt kim loại như là tương tác của một lưỡng cực dao động với bề mặt kim loại hoặc các hạt kim loại
Hình 1.8 Minh họa hương song và vuông góc của một lưỡng cực dao động dặt gần một
bề mặt kim loại [14]
Ảnh của moment lưỡng cực trên một bề mặt của kim loại được minh họa như trên hình 1.8 Sự tương tác quang của một chất phát huỳnh quang với một bề mặt kim loại ở đây được mô hình hóa như là sự tương tác của một lưỡng cực dao động với một bề mặt kim loại dẫn điện hay tương tác lưỡng cực - lưỡng cực [14].Quá trình tương tác giữa lưỡng cực của chất phát huỳnh với điện tử tự do gần
bề mặt hạt nano kim loại sẽ làm cho dao động lưỡng cực của chất phát huỳnh quang tắt dần hoặc được tăng cường tùy thuộc vào hướng của mô men lưỡng cực của chất phát quang Bề mặt kim loại được ví như một chiếc gương và tạo ra ảnh của vector moment lưỡng cực Với những vector moment lưỡng cực vuông góc với bề mặt kim loại, ảnh tạo ra trên bề mặt kim loại có thể nâng cao trường điện định xứ của lưỡng cực qua quá trình cộng hưởng Với những vector moment lưỡng cực song song với bề mặt kim loại thì ảnh của nó trên bề mặt kim loại có hướng ngược moment lưỡng cực phân tử ban đầu, đóng góp vào quá trình làm tắt dần dao động lưỡng cực của phân tử.Quá trình làm tắt dần dao động lưỡng cực của phân tử tương ứng quá trình dập tắt trạng thái kích thích của phân tử, tức là có
sự truyền năng lượng từ phân tử chất màu tới hạt kim loại Cơ chế truyền năng
Trang 311.3.2 Mô hình plasmon bức xạ
Tương tác giữa chất phát quang - kim loại dẫn đến kết quả tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của chất phát quang còn được giải thích bằng mô hình plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP) Mô hình plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP) được Lakowicz đưa ra [13] đưa ra để giải thích tương tác giữa chất phát quang - kim loại với kết quả là tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của chất phát quang Mô hình này được phát biểu như sau: “Trong trường hợp có tăng cường huỳnh quang, các plasmon tạo ra trên bề mặt kim loại có thể được bức xạ
vào không gian tự do - gọi là các plasmon bức xạ - đóng góp vào trường điện của
chất phát quang, làm tăng cường huỳnh quang”
Khả năng một plasmon bức xạ hoặc không bức xạ được giải thích như sau: Khi có ánh sáng kích thích tới chất phát quang, phát xạ huỳnh quang của chất phát quang sẽ kích thích các plasmon của bề mặt kim loại Nếu các plasmon bức xạ được ra trường xa, chúng ta có sự tăng cường huỳnh quang của chất phát quang do bức xạ của các plasmon có tần số trùng với tần số của sóng ánh sáng tới Nếu các plasmon không bức xạ được, huỳnh quang của chất phát quang bị dập tắt, do kim loại hấp thụ ánh sáng huỳnh quang của chất phát quang Từ đây ta thấy, các hạt kim loại keo kích thước nhỏ được mong đợi là làm dập tắt huỳnh quang vì quá trình hấp thụ chiếm ưu thế so với sự tán xạ, còn các hạt keo kích thước lớn được mong đợi làm tăng trưởng huỳnh quang vì thành phần tán xạ chiếm ưu thế so với
sự hấp thụ Khả năng một bề mặt kim loại hấp thụ hay phản xạ ánh sáng là do các yêu cầu kết hợp vector sóng của sóng ánh sánh tới và vectơ sóng plasmon ở mặt phân cách kim loại - điện môi
1.3.3 Sự tăng cường và dập tắt huỳnh quang bởi các cấu trúc nano kim loại
Các cấu trúc nano kim loại được sử dụng phổ biến để điều khiển huỳnh quang của các chất phát quang là các cấu trúc nano vàng và bạc vì phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của các cấu trúc nano này nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy Các cấu trúc nano kim loại có thể làm tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của các chất phát quang tùy thuộc vào cấu hình quang học giữa chất phát quang và
Trang 32kim loại Sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của các hạt phát quang khi đặt gần các hạt kim loại có thể được giải thích theo mô hình plasmon bức xạ như trên
và các tính chất quang của các hạt keo kim loại Hệ số dập tắt của các hạt keo kim loại do hai thành phần quyết định đó là hấp thụ và tán xạ Sự phân bố tương đối giữa hấp thụ và tán xạ trong hệ số dập tắt phụ thuộc vào từng kim loại và kích thước của chúng Ánh sáng tới gây ra các dao động điện tích trong các hạt keo kim loại tương tự như trong trường hợp đối với màng kim loại, và các dao động điện tích có thể phát xạ năng lượng như là một sóng lan truyền trường xa Theo mô hình plasmon bức xạ, sự hấp thụ của các hạt kim loại sẽ gây ra sự dập tắt huỳnh quang và thành phần tán xạ sẽ làm tăng cường huỳnh quang
Các nghiên cứu chỉ ra khi đưa một chất phát quang vào gần một cấu trúc kim loại, luôn có sự truyền năng lượng một chiều từ chất phát quang sang kim loại (tương tự như quá trình truyền năng lượng huỳnh quang giữa hai chất phát quang)
do thời gian sống của điện tử trong kim loại là rất ngắn ~ 10 fs [31] Sự thay đổi cường độ huỳnh quang của một chất phát quang khi có mặt hạt kim loại phụ thuộc vào cả hai quá trình hấp thụ và tán xạ của hạt kim loại Nếu quá trình hấp thụ chiếm ưu thế, huỳnh quang của chất phát quang sẽ bị dập tắt Quá trình hấp thụ gây ra các plasmon định xứ trên bề mặt kim loại, các plasmon này là các sóng tiêu tán trên bề mặt kim loại Nếu quá trình tán xạ hay kích thích các plasmon bức xạ
ra không gian tự do chiếm ưu thế, cường độ huỳnh quang sẽ được tăng cường Lúc đó hiệu suất lượng tử của chất phát quang sẽ tăng Hai quá trình này có thể được mô tả là tương ứng với hai cơ chế truyền năng lượng: truyền năng lượng Förster (tương tự như truyền năng lượng giữa 2 chất phát quang) từ hạt phát huỳnh quang tới các hạt nano kim loại làm dập tắt huỳnh quang; và tăng cường trường plasmon ở tần số phát xạ huỳnh quang (plasmon liên kết tăng cường huỳnh quang) làm tăng cường huỳnh quang [2],[5]