Màng nano vàng và ứng dụng
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 ứng dụng màng vàng để xác định số lượng tương tác sinh học giữa huyết thanh bovine serum albumin (BSA) và kháng thể đặc hiệu anti-BSA, nhằm nhận biết BSA một cách chính xác.
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]
Cảm biến được cấu tạo từ một đế thủy tinh với lớp màng Titan 5 nm và lớp màng vàng dày 40 nm, chế tạo bằng phương pháp lắng đọng chùm điện tử Kháng nguyên gắn với hạt nano vàng, trong khi kháng thể gắn với màng vàng Tương tác giữa kháng nguyên và kháng thể giữa BSA và anti-BSA kéo các hạt nano vàng về phía màng mỏng, hình thành lớp cấu trúc dạng màng EMA trên bề mặt Qua thời gian, số lượng hạt Au-BSA tăng lên trên bề mặt và được đo thông qua khảo sát cộng hưởng Plasmon của lớp màng EMA.
Kết quả thu được như trong Hình 1.4 Khi độ dày lớp EMA tăng lên thì đỉnh 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]
Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH
Nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati tại Đại học California đã phát triển một cảm biến sinh học DNA sử dụng lớp màng vàng làm điện cực Cảm biến này có khả năng xác định nồng độ DNA thông qua việc phân tích tương tác giữa DNA và Methylen Blue (MB).
Tín hiệu đầu vào của cảm biến là các xung vuông, trong khi tín hiệu đầu ra là dòng điện Mô hình cảm biến được thể hiện trong Hình 1.3, với đầu 5' của Au-p1 và Au-p2 gắn với nhóm thiol SH để kết nối với bề mặt điện cực qua liên kết Au-S Đầu 3' của Au-p2 được gắn với nhóm amin và liên kết với MB Cụ thể, đầu nhận biết DNA của Au-p1 là 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGT AAT TTG GAA TT, trong khi đầu nhận biết DNA của Au-p2 là 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGT AAT TTG GAA TT/3AmMO Đối tượng khảo sát (Au-t) là AAT TCC AAA TTA CAT TTT ATA ACA.
Điện cực CG được nhúng trong dung dịch MB, nơi các phân tử MB liên kết hydro với các phân tử Guanine (G) chưa bắt cặp, cho phép chúng xuất hiện gần điện cực ngay cả sau khi rửa bằng dung môi PBS Pallavi Daggumati đã tiến hành đo tín hiệu điện hóa của các phân tử MB này Trước khi xảy ra sự bắt cặp DNA- DNA (Au-p1 hoặc Au-p2 với đối tượng khảo sát Au-t), nồng độ MB khá cao (xem Hình 1.5a) Tuy nhiên, sau khi DNA bắt cặp, số lượng Guanine tự do giảm, dẫn đến nồng độ MB và DNA giảm 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)
Khi nồng độ của đối tượng khảo sát tăng, số lượng MB gắn trên bề mặt điện cực giảm, dẫn đến việc số lượng chuỗi đơn DNA nhận biết (Au-p1) không bắt cặp trên bề mặt điện cực cũng giảm theo Sự suy giảm tín hiệu điện hóa tỷ lệ thuận với nồng độ đối tượng Au-t, như được thể hiện trong Hình 1.4 Pallavi Daggumati đã thực hiện tính toán sự suy giảm tín hiệu điện hóa bằng công thức: [(I p].
- I t )/I p ]×100% Trong đó I p , I t 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].
Tăng cường tín hiệu Raman
Peter Owens và các cộng sự đã sử dụng phương pháp Raman tăng cường bề mặt (SERS) để xác định nồng độ protein Họ áp dụng 4-aminothiophenol (4-ATP) và 6-mercaptopurine (6-MP) nhằm tạo ra các nhóm chức amin-NH2 trên bề mặt điện cực trước khi gắn kết với các kháng nguyên và kháng thể Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu sự ảnh hưởng của nồng độ protein p53 và EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor) đến phổ Raman.
Mô hình ứng dụng được trình bày trong Hình 1.7, bao gồm một đế silicon được phủ lớp màng mỏng vàng hoặc bạc Tiếp theo, lớp kháng nguyên-kháng thể với các nồng độ khác nhau được nhỏ lên màng này Cấu trúc sẽ được đo SERS trước và sau khi nhỏ kháng nguyên-kháng thể để xác định sự hiện diện 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, mode dao động C-S đặc trưng cho 4ATP xuất hiện, phù hợp với sự hiện diện của kháng nguyên- kháng thể p53 ở các nồng độ khác nhau Tương tự, đỉnh 860 cm -1 cho thấy mode dao động của nhóm thiol.
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]
Sự xuất hiện của protein p53 và anti p53 đã làm thay đổi đỉnh phổ Raman của 4-ATP, với đỉnh phổ dịch chuyển từ 1078 cm⁻¹ đến 1079 cm⁻¹ khi có anti p53 và đến 1080 cm⁻¹ khi có p53 Khoảng dịch đỉnh này gia tăng tương ứng với số lượng tương tác p53-antip53 trên bề mặt của màng vàng.
Các phương pháp chế tạo
Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử
Rakesh Singh Moirangthem đã thành công trong việc chế tạo màng nano vàng qua phương pháp lắng đọng chùm điện tử, với mục tiêu ứng dụng làm cảm biến sinh học để phát hiện huyết thanh BSA.
Nhóm nghiên cứu Jakub Siegel và Olexiy Lyutakov đã tiến hành nghiên cứu các tính chất quang điện của màng vàng nano lắng đọng trên đế thủy tinh bằng phương pháp phún xạ Các thông số nghiên cứu bao gồm plasma Ar với độ sạch 99,995%, công suất 7,5W, tốc độ xả khí 0,3 l/s, khoảng cách giữa bia và đế là 50 mm, và diện tích đế là 48 cm² Để khảo sát các tính chất của mẫu, nhóm đã điều chỉnh thời gian phún xạ từ 4 đến 500 giây, cho phép nghiên cứu ở nhiều độ dày khác nhau.
Tháng 4 năm 2015, nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati đã sử dụng phương pháp sputtering kết hợp với khử hóa học để chế tạo thành công màng vàng nano xốp trên đế thủy tinh [17] Đầu tiên một lớp màng vàng mỏng có độ dày 80 nm được phún xạ lên một lớp chrom Lớp màng này được coi là mầm để tiếp tục phún xạ thêm một lớp màng hỗn hợp Ag-Au có độ dày 600 nm Sau đó, phần Ag có trong màng hỗn hợp kể trên được loại bỏ bằng cách ngâm trong HNO 3 70% Kết quả nhận được 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]
Trong môi trường chế tạo vật liệu chặt chẽ, phương pháp phún xạ cho phép tạo ra các màng mỏng đồng đều với độ dày tùy chỉnh Điều này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các thông số kỹ thuật như áp suất chân không, tốc độ thổi khí, thời gian phún xạ, nhiệt độ và khoảng cách giữa bia và đế Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu thiết bị chế tạo và nguyên liệu làm bia có chất lượng cao, dẫn đến chi phí lớn.
Sheng-Qing Zhu đã sử dụng phương pháp điện hóa để lắng đọng các hạt nano vàng trên đế ITO, nhằm nghiên cứu các tính chất qua tán xạ Raman tăng cường bề mặt Dung dịch nano vàng được chế tạo từ các tiền chất HAuCl4, NaBH4, CTAB và Acid Ascobic Hai đế ITO kích thước 30 × 10 × 0,6 mm được nhúng vào dung dịch nano vàng và được sử dụng làm anode và cathode, như được thể hiện trong sơ đồ Hình 1.11.
Hình 1.11 Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa [21]
Phương pháp khử muối để tạo ra ion kim loại lắng đọng trên bề mặt đế sử dụng các hợp chất có nhóm amin NH2 như 3-aminopropytriethoxydilane (APTES) và aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) để gắn hạt nano lên đế thủy tinh Sau đó, hạt sẽ được phát triển kích thước thông qua quá trình khử, trong đó ion kim loại bám vào các hạt mầm, làm tăng dần kích thước của chúng Khi các hạt đạt kích thước đủ lớn và kết dính với nhau, chúng sẽ hình thành một lớp màng.
Dung dịch ban đầu là muối vàng HAuCl4, và các tác nhân khử như Acid Citric, Sodium Borohydride (NaBH4) và Acid Ascorbic được sử dụng để chuyển đổi ion kim loại Au3+ thành Au0 Nguyên tắc khử của quá trình này là dựa trên khả năng của các chất hóa học này trong việc giảm ion vàng.
Dưới tác động của chất khử X, ion Au 3+ sẽ chuyển đổi thành các nguyên tử vàng Au, sau đó các nguyên tử này kết hợp và phát triển thành các hạt nano vàng.
Phương pháp tạo màng này có nhược điểm như khó kiểm soát độ đồng đều và độ lặp lại thấp, cùng với khả năng gắn kết giữa màng và đế không cao Quá trình chế tạo cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ và độ pH của dung dịch Tuy nhiên, phương pháp này không yêu cầu các điều kiện khắt khe về chân không hay áp suất và có chi phí thực hiện thấp.
Quy trình chế tạo của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước bao gồm 4 bước chính: đầu tiên, tạo nhóm ưa nước trên bề mặt đế lamen bằng cách ngâm đế lamen trong dung dịch KOH để hình thành nhóm –OH; tiếp theo, chức năng hóa đế lamen đã có sẵn nhóm –OH bằng dung dịch APTES; cuối cùng, tạo lớp mầm.
13 vàng trên đế; nuôi mầm vàng, phát triển lớp mầm vàng trên đế Quy trình này được thể hiện như trong sơ đồ dưới đây:
Hình 1.12 Sơ đồ tạo màng vàng
Mỗi bước thực hiện đều chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó nhóm hydroxyl –OH đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các hạt vàng trên đế lamen Bề mặt đế lamen SiO2 cần có nhiều nhóm –OH để tạo điều kiện cho nhóm amin thay thế theo phương trình (1).
=Si-OH + (C 2 H 5 -O) 3 - Si-(CH 2 ) 3 -NH 2 =Si-O-Si-(CH 2 ) 3 - NH 2 + C 2 H 5 OH (1)
Sự hiện diện của nhiều nhóm –OH trong Si-OH làm tăng khả năng hình thành nhóm NH2 và khả năng kết dính vàng Do đó, việc tạo ra nhóm ưa nước bằng cách ngâm đế lamen trong dung dịch KOH là rất quan trọng Ở bước 2, quá trình chức năng hóa bề mặt đế lamen bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch APTES Phản ứng (1) xảy ra theo hai chiều, dẫn đến sự hình thành =Si-O-Si-.
Ở pH cao, trong môi trường kiềm, liên kết Si-OH bền vững làm giảm sự hình thành của Si-O-Si-(CH2)3-NH2, dẫn đến hiệu suất tạo màng thấp Ngược lại, ở pH thấp, phản ứng tạo màng có thể diễn ra hiệu quả hơn.
Mầm vàng, thường được gọi là 14, được chế tạo bằng phương pháp hóa khử trước khi hấp phụ lên bề mặt của đế lamen đã được chức năng hóa Nghiên cứu trước đó cho thấy, sau khi được chức năng hóa bởi nhóm –NH2, bề mặt lớp SiO2 sẽ tích điện dương, từ đó thu hút các hạt vàng có điện tích bề mặt âm thông qua tương tác Coulomb.
Việc tạo lớp mầm vàng trên đế lamen là bước quan trọng trong quy trình, với nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các yếu tố như pH dung dịch mầm, nồng độ muối vàng HAuCl4 và thời gian ngâm mầm ảnh hưởng sâu sắc đến khả năng bám dính của các hạt vàng trên đế.
Phương pháp điện hóa
Sheng-Qing Zhu đã sử dụng phương pháp điện hóa để lắng đọng các hạt nano vàng trên đế ITO nhằm nghiên cứu các tính chất qua tán xạ Raman tăng cường bề mặt Dung dịch nano vàng được tạo ra từ các tiền chất HAuCl4, NaBH4, CTAB và Acid Ascobic Hai đế ITO kích thước 30 × 10 × 0,6 mm được nhúng vào dung dịch nano vàng và được sử dụng làm anode và cathode, như được minh họa trong Hình 1.11.
Hình 1.11 Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa [21]
Phương pháp khử muối để tạo ra ion kim loại lắng đọng trên bề mặt đế sử dụng các hợp chất amin như 3-aminopropytriethoxydilane (APTES) và aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) nhằm gắn các hạt nano nhỏ lên đế thủy tinh Sau đó, kích thước hạt được phát triển thông qua quá trình khử, dẫn đến việc các ion kim loại bám dính lên các hạt mầm, làm tăng dần kích thước hạt Khi các hạt đạt kích thước đủ lớn và kết dính với nhau, chúng sẽ hình thành một màng.
Dung dịch ban đầu chứa muối vàng HAuCl4 Các tác nhân khử như Acid Citric, Sodium Borohydride (NaBH4) và Acid Ascorbic được sử dụng để chuyển đổi ion kim loại Au 3+ thành Au 0 Nguyên tắc khử này là cơ sở cho quá trình chuyển đổi.
Dưới tác động của chất khử X, ion Au 3+ sẽ chuyển đổi thành các nguyên tử vàng Au, sau đó các nguyên tử này kết hợp lại và hình thành các hạt nano vàng.
Phương pháp tạo màng này gặp một số nhược điểm như khó kiểm soát độ đồng đều và độ lặp lại thấp, cùng với khả năng gắn kết giữa màng và đế không cao Quá trình chế tạo còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ và độ pH của dung dịch Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là không yêu cầu các điều kiện khắt khe về chân không hay áp suất, đồng thời thực hiện với chi phí thấp.
Quy trình chế tạo của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước bao gồm bốn bước chính Đầu tiên, tạo nhóm ưa nước trên bề mặt đế lamen bằng cách ngâm đế lamen trong dung dịch KOH để hình thành nhóm –OH Tiếp theo, chức năng hóa đế lamen đã có nhóm –OH bằng dung dịch APTES Cuối cùng, tiến hành tạo lớp mầm trên bề mặt đế.
13 vàng trên đế; nuôi mầm vàng, phát triển lớp mầm vàng trên đế Quy trình này được thể hiện như trong sơ đồ dưới đây:
Hình 1.12 Sơ đồ tạo màng vàng
Mỗi bước thực hiện trong quá trình này đều bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Đặc biệt, trong bước đầu tiên, nhóm hydroxyl –OH đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các hạt vàng trên bề mặt đế lamen Đế lamen làm bằng SiO2 cần có nhiều nhóm –OH để tạo điều kiện cho nhóm amin thay thế theo phương trình đã chỉ định.
=Si-OH + (C 2 H 5 -O) 3 - Si-(CH 2 ) 3 -NH 2 =Si-O-Si-(CH 2 ) 3 - NH 2 + C 2 H 5 OH (1)
Số lượng nhóm –OH trong Si-OH tỷ lệ thuận với khả năng tạo nhóm NH2 và tăng cường khả năng gắn kết vàng Do đó, việc tạo nhóm ưa nước bằng cách ngâm đế lamen trong dung dịch KOH là rất quan trọng Ở bước 2, phản ứng chức năng hóa bề mặt đế lamen bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch APTES Phản ứng này diễn ra theo hai chiều, dẫn đến sự hình thành =Si-O-Si-.
Trong môi trường kiềm với pH cao, liên kết Si-OH trở nên bền vững, dẫn đến việc hình thành ít hợp chất =Si-O-Si-(CH2)3-NH2, làm giảm hiệu suất tạo màng Ngược lại, ở pH thấp, phản ứng có thể diễn ra thuận lợi hơn.
Mầm vàng, thường được gọi là 14, được chế tạo thông qua phương pháp hóa khử trước khi hấp phụ lên bề mặt của đế lamen đã được chức năng hóa Nghiên cứu trước đây cho thấy, sau khi được chức năng hóa bởi nhóm –NH2, bề mặt lớp SiO2 sẽ mang điện tích dương, từ đó hút các hạt vàng có điện tích âm thông qua tương tác Coulomb.
Việc hình thành lớp mầm vàng trên đế lamen ở bước 3 là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến khả năng bám dính của hạt vàng Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như pH của dung dịch mầm, nồng độ muối vàng HAuCl4 và thời gian ngâm mầm có tác động sâu sắc đến quá trình này.
Khi giá trị pH của dung dịch mầm tăng, điện tích dương của lớp NH2 trên bề mặt tăng lên, trong khi điện tích âm của các hạt vàng giảm Do đó, tồn tại một giá trị pH tối ưu tại đó lực tĩnh điện giữa lớp NH2 và các hạt vàng Au đạt giá trị lớn nhất Ngoài ra, nồng độ dung dịch HAuCl4 cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lượng mầm vàng bám trên bề mặt lớp NH2.
Trong nghiên cứu chế tạo thanh nano vàng, thời gian tối ưu để sử dụng các hạt mầm được xác định trong khoảng từ 2 đến 5 giờ Do đó, việc khảo sát thời gian ngâm đế lamen sau khi chức năng hóa vào dung dịch chứa hạt mầm là rất quan trọng.
Mỗi bước trong quy trình chế tạo màng vàng đều bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Tuy nhiên, một số nghiên cứu hiện tại về những yếu tố này vẫn còn đơn lẻ và chưa được phân tích sâu sắc.
Mục tiêu của luận văn
Việc chế tạo màng vàng bằng phương pháp hóa học đã được một số nhóm nghiên cứu thực hiện, tuy nhiên, các khảo sát về các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình chế tạo vẫn còn hạn chế và chưa đồng bộ.
Luận văn này nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc chế tạo màng vàng, bao gồm ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH) tạo bề mặt ưa nước, giá trị pH của dung dịch APTES, nồng độ HAuCl4, thời gian ngâm mầm và pH của dung dịch mầm Nghiên cứu nhằm đưa ra quy trình tối ưu cho việc sản xuất màng vàng, hướng đến ứng dụng trong cảm biến sinh học.
Hóa chất/ Dụng cụ thí nghiệm Công thức hóa học Xuất xứ
Kali Hydroxit (KOH) K-OH Đức
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 liên quan đến việc gắn kết nhóm chức amin –NH2 lên bề mặt đế lamen đã được hydroxyl hóa Sau khi có các gốc –OH tự do, đế larmen sẽ được ngâm trong dung dịch APTES, trong đó sản phẩm phụ của phản ứng là C2H5OH Kết quả của phản ứng này là các gốc silane bám lên bề mặt đế larmen thông qua liên kết Si-O-Si, tạo ra các gốc amin (-NH2) tự do.
=Si-OH + (C 2 H 5 -O) 3 - Si-(CH 2 ) 3 -NH 2 =Si-O-Si-(CH 2 ) 3 - NH 2 + C 2 H 5 OH
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 được chia thành hai phần: đầu tiên, chế tạo dung dịch chứa mầm vàng bằng cách hòa tan 40 µl dung dịch HAuCl4 0,5M trong 10 ml dung dịch CTAB 0,1 Sau đó, ngâm các đế larmen đã được chức năng hóa bởi các nhóm amin vào dung dịch này.
Dung dịch có màu vàng sậm, sau khi thêm 3 ml dung dịch NaBH4 0,5 M lạnh và lắc đều, nhanh chóng chuyển sang màu hổ phách Màu sắc này đặc trưng cho 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 2 giờ.
Kế tiếp, các larmen sau khi được chức năng hóa bởi APTES được ngâm trong dung dịch 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:
Bước 4: Phát triển các hạt nano vàng từ các hạt mầm vàng Đây là giai đoạn cuối cùng để chế tạo màng nano vàng
CTAB Dung dịch mầm vàng Au 0
Hình 2.5 Sơ đồ quá trình phát triển các hạt mầm vàng tạo màng nano vàng
Sau khi đã chuẩn bị mầm vàng trên đế, mẫu sẽ được ngâm và lắc nhẹ trong cồn để loại bỏ hóa chất dư thừa, đồng thời tiếp tục phát triển các hạt mầm trong dung dịch nuôi Dung dịch nuôi mầm được chế tạo theo quy trình cụ thể.
2.2 Các yếu tố khảo sát
2.2.1 Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen
Tôi chế tạo mẫu màng vàng M 0 theo các thông số sau:
Nồng độ dung dịch HAuCl 4 pH dung dịch APTES pH dung dịch mầm vàng
Thời gian ngâm mầm vàng
Bảng 2.2 Thông số chế tạo mẫu M 0
Mẫu M 0 đã được khảo sát cấu trúc và hình thái thông qua phương pháp đo nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử quét (SEM) Bên cạnh đó, M 0 cũng được tiến hành đo hấp thụ UV-Vis và sử dụng hiển vi trường tối để nghiên cứu khả năng hấp thụ và mật độ các hạt vàng bám dính trên đế lamen.
100 àl dung dịch Acid Ascobic
Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (–OH) đến hiệu suất tạo màng Để thực hiện khảo sát, hai loạt mẫu đã được chế tạo: mẫu s1 được ngâm trong dung dịch KOH 1M và thực hiện các bước 2, 3, 4, trong khi mẫu s2 không được ngâm trong dung dịch KOH mà vẫn tiến hành các bước 2, 3, 4.
Đế thủy tinh lamen, được làm từ oxit silic (SiO2), có tính chất lưỡng tính và dễ bị ăn mòn bởi dung dịch kiềm mạnh Để chuẩn bị mẫu s1, tôi chọn KOH làm chất tạo nhóm -OH sau khi làm sạch đế lamen Để hạn chế hiện tượng ăn mòn, tôi sử dụng dung dịch KOH 1M Quá trình ăn mòn đế lamen diễn ra theo các bước cụ thể.
2KOH + 2SiO 2 SiO(OH) 2 + K 2 SO 3
Sau khi chế tạo hai mẫu s1, s2, tôi tiến hành đo phổ hấp thụ và hiển vi trường tối nhằm đánh giá sự ảnh hưởng nói trên
2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen
Các hạt nano vàng có điện tích âm trên bề mặt, do đó việc tạo lớp tích điện dương là rất quan trọng để chúng bám hút tốt trên bề mặt thủy tinh Lớp tích điện dương này thường hình thành nhờ các nhóm chức amin – NH2 bám trên bề mặt của đế hoặc các hạt nano, giúp các hạt mầm vàng trải đều và tạo điểm khởi đầu cho việc hình thành lớp màng vàng bằng phương pháp không điện ly Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen được nghiên cứu thông qua việc chế tạo 7 mẫu với các giá trị pH của dung dịch APTES thay đổi từ 5,6 đến 11, trong khi các bước 1, 3, 4 được thực hiện trong cùng một điều kiện trên tất cả các mẫu.
2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm
Nồng độ dung dịch ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thụ các hạt mầm lên đế, vì độ hấp thụ của một chất tỷ lệ thuận với nồng độ của nó Theo định luật Lambert-Beer, mối quan hệ này được thể hiện rõ ràng.
Bước 3 của luận văn khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tới hiệu suất tạo màng vàng, với các mức nồng độ 0,5 mM, 0,75 mM, và 1 mM Nồng độ HAuCl4 lớn hơn 1 mM sẽ không hòa tan được chất hoạt hóa bề mặt CTAB 0,1M, vì vậy nghiên cứu chỉ giới hạn ở nồng độ tối đa là 1 mM.
2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm
Sau khi chức năng hóa đế lamen bằng cách gắn gốc amin NH2 với SiO2, việc điều chỉnh pH của dung dịch mầm vàng trở nên rất quan trọng để tối ưu hóa lượng mầm vàng liên kết với nhóm NH2 Khi pH dung dịch mầm cao, tương tác Cu-lông làm tăng khả năng hạt vàng mang điện tích âm, từ đó hút các ion NH3+ Nghiên cứu cho thấy pH dung dịch mầm vàng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển lớp màng Để lớp màng phát triển đồng đều, cần xác định giá trị pH ổn định nhằm thuận lợi cho phản ứng khử Au3+ thành Au0.
HAuCl 4 + NaBH 4 + Au 0 + BH 3 + 29HCl + NaCl +HCl
Tôi đã chế tạo 7 mẫu dung dịch mầm với các giá trị pH lần lượt là 5, 6, 7, 8, 9, 10 và 11, thực hiện theo các bước 1, 2 và 3 Sau đó, tôi tiến hành đo hấp thụ và quan sát dưới kính hiển vi trường tối của các mẫu này trong cùng một điều kiện để khảo sát sự ảnh hưởng của pH.
2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm
Thời gian phản ứng giữa nhóm amin và các ion vàng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra liên kết tối ưu Cần có một khoảng thời gian nhất định để phản ứng hoàn toàn, nhằm đạt được số lượng liên kết lớn nhất Do đó, sau khi xác định nồng độ và pH tối ưu của dung dịch mầm, nghiên cứu này sẽ xem xét ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm đến hiệu suất phản ứng tạo liên kết giữa các hạt nano vàng và nhóm NH2 trên bề mặt Silica.
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT
Các yếu tố khảo sát
2.2.1 Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen
Tôi chế tạo mẫu màng vàng M 0 theo các thông số sau:
Nồng độ dung dịch HAuCl 4 pH dung dịch APTES pH dung dịch mầm vàng
Thời gian ngâm mầm vàng
Bảng 2.2 Thông số chế tạo mẫu M 0
Mẫu M 0 đã được khảo sát cấu trúc và hình thái thông qua các phương pháp như đo nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử quét (SEM) Bên cạnh đó, mẫu M 0 cũng được phân tích khả năng hấp thụ bằng cách đo hấp thụ UV-Vis và sử dụng hiển vi trường tối để đánh giá mật độ các hạt vàng bám dính trên đế lamen.
100 àl dung dịch Acid Ascobic
2.2.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhóm hydroxyl ( –OH) Ở bước 1, luận văn khảo sát sự ảnh hưởng của nhóm –OH lên hiệu suất tạo màng bằng cách chế tạo hai loạt mẫu : s1 : Ngâm lamen với dung dịch KOH 1M và thực hiện các bước 2,3,4 s2 : Không ngâm lamen với dung dịch KOH, thực hiện các bước 2,3,4
Đế thủy tinh lamen, được làm từ oxit Silic (SiO2), có tính chất lưỡng tính và dễ bị ăn mòn bởi dung dịch kiềm mạnh Để làm sạch đế lamen, tôi đã chọn KOH làm chất tạo nhóm –OH cho mẫu s1 trước khi gắn nhóm chức -NH2 lên bề mặt Để hạn chế hiện tượng ăn mòn, tôi sử dụng dung dịch KOH 1M Quá trình ăn mòn đế lamen diễn ra một cách hiệu quả.
2KOH + 2SiO 2 SiO(OH) 2 + K 2 SO 3
Sau khi chế tạo hai mẫu s1, s2, tôi tiến hành đo phổ hấp thụ và hiển vi trường tối nhằm đánh giá sự ảnh hưởng nói trên
2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen
Các hạt nano vàng có điện tích âm trên bề mặt, do đó việc tạo ra một lớp tích điện dương là rất quan trọng để chúng có thể bám hút tốt trên bề mặt thủy tinh Lớp tích điện dương này thường hình thành khi các nhóm chức amin – NH2 bám trên bề mặt của đế hoặc các hạt nano Nhờ vào liên kết tĩnh điện, các hạt mầm vàng được trải đều và trở thành điểm khởi đầu cho việc tạo lớp màng vàng bằng phương pháp không điện ly Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen, một loạt mẫu gồm 7 mẫu đã được chế tạo với các giá trị pH của dung dịch APTES thay đổi từ 5,6 đến 11, trong khi các bước khác được thực hiện trong cùng một điều kiện trên tất cả các mẫu.
2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm
Nồng độ dung dịch ảnh hưởng quyết định đến khả năng hấp thụ hạt mầm lên đế, vì độ hấp thụ của một chất tỷ lệ thuận với nồng độ của nó Điều này được giải thích qua định luật Lambert-Beer.
Bước 3 của luận văn khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 đến hiệu suất tạo màng vàng được thực hiện với các nồng độ 0,5 mM, 0,75 mM và 1 mM Nồng độ HAuCl4 vượt quá 1 mM sẽ gây khó khăn trong việc hòa tan chất hoạt hóa bề mặt CTAB 0,1M, do đó nghiên cứu chỉ giới hạn ở nồng độ tối đa 1 mM.
2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm
Sau khi chức năng hóa đế lamen bằng cách gắn gốc amin NH2 với SiO2, việc điều chỉnh pH của dung dịch mầm vàng là rất quan trọng để tối ưu hóa lượng mầm vàng liên kết với nhóm NH2 Khi pH dung dịch cao, tương tác Cu-lông làm tăng khả năng hạt vàng mang điện tích âm, từ đó hút nhiều ion NH3+ Nghiên cứu cho thấy pH dung dịch mầm vàng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của lớp màng Để lớp màng phát triển đồng đều, cần xác định giá trị pH ổn định nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khử Au3+ thành Au0.
HAuCl 4 + NaBH 4 + Au 0 + BH 3 + 29HCl + NaCl +HCl
Tôi đã chế tạo 7 mẫu dung dịch mầm với các giá trị pH lần lượt là 5, 6, 7, 8, 9, 10 và 11, theo các bước 1, 2 và 3, và thực hiện bước 4 trong cùng một điều kiện Để khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến các mẫu, tôi đã tiến hành đo hấp thụ và quan sát bằng kính hiển vi trường tối.
2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm
Thời gian phản ứng giữa nhóm amin và các ion vàng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra liên kết, vì cần một khoảng thời gian nhất định để phản ứng diễn ra hoàn toàn và đạt được số lượng liên kết tối đa Vì vậy, sau khi xác định nồng độ và pH tối ưu cho dung dịch mầm, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm đến hiệu suất phản ứng tạo liên kết giữa các hạt nano vàng và nhóm NH2 trên bề mặt Silica.
Luận văn này trình bày việc chế tạo 9 mẫu, thực hiện đầy đủ các bước 1 và 2 trong cùng một điều kiện Ở bước 3, thời gian ngâm mầm được điều chỉnh theo các mốc thời gian khác nhau: 5 phút.
Trong khoảng thời gian từ 15 đến 240 phút, luận văn khảo sát khả năng hấp thụ và mật độ hạt vàng hình thành trên đế thông qua các phương pháp đo hấp thụ và hiển vi trường tối.
Các phép đo khảo sát
2.3.1 Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia X
Sau khi hoàn thành quy trình chế tạo mẫu màng vàng, mẫu này đã được tiến hành đo nhiễu xạ tia X tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên để đánh giá cấu trúc hình thành của màng vàng trên bề mặt đế lamen.
Hình 2.6 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X tại Khoa Vật lý-
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
2.3.2 Phép đo phổ hấp thụ
Các mẫu màng vàng sau khi chế tạo sẽ được kiểm tra khả năng hấp thụ bằng thiết bị đo phổ hấp thụ Shimadzu UV-24500 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Mẫu đo được tiến hành chuẩn hóa để đảm bảo độ chính xác trong kết quả.
2 đế lamen sạch, đo từ 200-900 nm, tốc độ đo nhanh, khoảng đo 0,5 nm
Hình 2.7 Thiết bị Shimadzu UV-24500 tại Trung tâm Khoa học vật liệu-
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGH
2.3.3 Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scaning Electron Microscope) Để khảo sát hình thái của mẫu, sau khi chế tạo, mẫu màng được tiến hành đo SEM trên máy S-4800 tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung Ương
Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét S-4800 tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung Ương
2.3.4 Phép đo hiển vi trường tối
Phép đo hiển vi trường tối đã được thực hiện trên máy AXIO-A1 Zeiss tại Trung tâm Khoa học Vật liệu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, với độ phóng đại đạt 400 lần.
Hình 2.9 Kính hiển vi trường tối AXIO- A1 Zeiss tại Trung tâm Khoa học vật liệu-
Trường Đại học Khoa học tự nhiên
Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu màng nano vàng M 0
Trên phổ nhiễu xạ, các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các góc 2 theta bằng 38° và 44° tương ứng với các mặt mạng (111) và (200), cho thấy sự hiện diện của nano vàng Điều này xác nhận rằng màng vàng đã được hình thành trên đế lamen.
Do vàng có cấu trúc lập phương tâm mặt nên ta tính được hằng số mạng trung bình : a= 4,079 ± 0,004 Å
3.1.2.Khảo sát hình thái của màng nano vàng
Hình 3.2 trình bày ảnh SEM của mẫu màng vàng M 0
Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu màng nano vàng M 0
Trên thang đo 500 nm, các hạt nano vàng dạng cầu có kích thước nhỏ hơn 100 nm được phát hiện Bề mặt lớp màng vàng thu được là sự kết hợp của các hạt và đám hạt rời rạc.
Khảo sát trên 5 ảnh SEM, ta có biểu đồ phân bố kích thước hạt như Hình 3.3
Hình 3.3.Biểu đồ phân bố kích thước hạt mẫu nano vàng M 0
Nhìn vào biểu đồ ta thấy, hạt nano vàng hình thành trong khoảng kích thước từ 35-55 nm, đặc biệt xuất hiện trong khoảng 45-50 nm với tần suất cao
Hình 3.4 Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng nano vàng M 0
Các hạt nano vàng trên đế lamen hiện lên với mật độ cao và khoảng cách đều đặn, cho thấy sự hình thành ổn định của lớp màng vàng bám dính chắc chắn.
3.1.3.Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng
Trên Hình 3.5 là phổ hấp thụ của mẫu màng vàng
Hình 3.5 Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng M 0
Tại bước sóng 540 nm, phổ hấp thụ xuất hiện đỉnh hấp thụ do hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt Theo lý thuyết Mie, phổ hấp thụ phụ thuộc mạnh vào hình dạng và kích thước của hạt Mie chỉ ra rằng nano vàng hình cầu có một đỉnh cộng hưởng khoảng 520 nm, và khi kích thước hạt thay đổi, vị trí của đỉnh phổ cũng sẽ thay đổi theo.
Hạt nano vàng có đỉnh hấp thụ đặc trưng tại bước sóng 540 nm, đặc biệt là với kích thước khoảng 40 nm, khi so sánh với phổ hấp thụ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng với kích thước khác nhau.
Nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã chỉ ra rằng hạt nano vàng có kích thước khoảng 40 nm được hình thành tại bước sóng khoảng 540 nm.
Từ hình ảnh SEM, nồng độ C của các hạt vàng được xác định là 86± 2 hạt trên một đơn vị diện tích là 86± 2 hạt/ cm² Ngoài ra, theo định luật Lambert-Beer, độ hấp thụ cũng được tính toán.
Trong đó: Abs là cường độ hấp thụ của mẫu C là nồng độ của chất l là chiều dày của màng
Từ đây, ta có thể sử dụng phép đo phổ hấp thụ để khảo sát lượng vàng hình thành trên đế
Màng nano vàng đã được chế tạo thành công với độ bám dính tốt trên đế lamen, đạt mật độ cao và khoảng cách giữa các hạt khá đều.
3.2 Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiện
Hình 3.6 Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng ngâm với dung dịch KOH 1M
Kết quả cho thấy rằng mật độ hạt vàng hình thành trên bề mặt larmen có độ lặp lại cao khi được chế tạo trong cùng một điều kiện.
Kết quả được chỉ ra trong bảng dưới đây:
Mẫu Đỉnh hấp thụ Cường độ hấp thụ
Bảng 3.1 Kết quả hấp thụ của các mẫu màng vàng chế tạo cùng điều kiện
Từ đó ta tính được độ hấp thụ trung bình là 0,069 ± 0,006
Hiện tượng plasmon bề mặt tạo ra đỉnh hấp thụ đặc trưng tại khoảng 535 nm cho hạt nano vàng lắng đọng trên đế lamen Kết quả này chứng tỏ rằng, dưới cùng một điều kiện chế tạo, các mẫu có khả năng lặp lại cao, ổn định và sai số nhỏ chỉ 0,006.
3.3 Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH)
Trên Hình 3.7 là phổ hấp thụ và ảnh hiển vi trường tối của mẫu màng nano vàng trên đế lamen có và không ngâm với dung dịch KOH 1M
Hình 3.7 Phổ hấp thụ và ảnh hiển vi trường tối của mẫu màng Au trên đế lamen có (s1) và không (s2) thực hiện quá trình ngâm dung dịch KOH 1M
Tại vị trí 530 nm, đặc trưng cho sự hấp thụ của hạt nano vàng, mẫu không ngâm KOH có cường độ hấp thụ thấp hơn so với mẫu ngâm KOH, cho thấy cường độ hấp thụ tăng lên rõ rệt khi ngâm trong dung dịch KOH Quan sát bằng kính hiển vi trường tối cũng xác nhận rằng mẫu ngâm KOH (s1) có lượng Au bám dính nhiều hơn so với mẫu không ngâm KOH (s2).