ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------
NGUYỄN THỊ TRÀ MY
CHẾ TẠO CÁC HẠT ZnS BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG
TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60440104
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HOÀNG NAM
Hà Nội - 2015
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới
TS. Nguyễn Hoàng Nam, ngƣời thầy đã định hƣớng, chỉ bảo cũng nhƣ tạo điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới thầy Lƣu Mạnh Quỳnh, ngƣời
thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi, cảm ơn thầy vì sự quan tâm sâu sắc, sự giúp đỡ tận
tình và những chỉ dẫn khoa học quý báu.
Để hoàn thành đƣợc bản luận văn này tôi không thể không nhắc tới em Bùi
Hồng Nhung, sinh viên đã trực tiếp cùng tôi làm thí nghiệm, cảm ơn em vì sự hỗ trợ
nhiệt tình và tận tâm.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn bộ các thầy cô và cán bộ tại Trung tâm
Khoa học Vật liệu, khoa Vật lý, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã hết sức tạo
điều kiện cho tôi trong suốt thời gian tôi làm thí nghiệm tại Trung tâm. Tôi xin cảm
ơn các anh chị nghiên cứu sinh, các em sinh viên đang nghiên cứu, học tập tại
Trung tâm đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong quá trình làm thí nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những ngƣời thân trong gia đình bố,
mẹ, các anh chị và bạn bè, đặc biệt là chồng và con gái, nguồn động viên tinh thần
và là hậu phƣơng vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành luận văn.
Luận văn đƣợc thực hiện tại Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Khoa học
tự nhiên. Phần thực nghiệm của luận văn đƣợc hoàn thành trên cơ sở sử dụng các
thiết bị: Máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) – BRUKER 5005, máy đo hấp thụ UV-vis –
Shimadzu UV 2405, máy đo huỳnh quang - FRUOROLOG 3 và máy đo tán xạ
Raman – Horiba Labram3 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự
nhiên Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội; Máy đo hấp thụ hồng ngoại (FTIR) –
Shimadzu FTIR Afinity 1S tại Khoa Hóa học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên,
Đại học Quốc Gia Hà Nội; Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM – Joel JEM-1010
tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ƣơng.
Luận văn đƣợc hỗ trợ bởi hai đề tài nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu chế
tạo hạt nano bán dẫn pha tạp phân tán tốt trong dung dịch bằng phƣơng pháp đồng
kết tủa kết hợp siêu âm nhằm ứng dụng trong y sinh”, chủ trì đề tài TS. Nguyễn
Hoàng Nam, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật Lý, Trƣờng Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội và “Nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano
vàng trong chế tạo cảm biến xác định nồng độ vủa virus gây bệnh với độ nhạy cao”,
chủ trì đề tài PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Bên cạnh đó,
một số phép đo của luận văn có sử dụng các trang thiết bị thuộc Dự án Công nghệ
nano và ứng dụng nhƣ hệ đo tán xạ Raman Horiba Labram3.
Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Tác giả
Nguyễn Thị Trà My
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 4
1.1. Giới thiệu về hạt nano bán dẫn ZnS .............................................................. 4
1.1.1. Cấu trúc mạng tinh thể của ZnS ............................................................. 4
1.1.2 Tính chất của vật liệu cấu trúc nano ........................................................ 6
1.2. Một số phƣơng pháp chế tạo hạt nano ZnS ................................................. 11
1.3. Một số ứng dụng của hạt nano ZnS. ........................................................... 15
1.3.1. Ứng dụng trong laser và diode. ............................................................ 15
1.3.2. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu phát huỳnh quang ...................... 16
1.3.3. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu đánh dấu sinh học ...................... 16
1.4. Mục tiêu của luận văn ................................................................................. 19
2.1. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm. ... 21
2.1.1. Dụng cụ và hóa chất ............................................................................. 21
2.1.2. Quy trình chế tạo .................................................................................. 21
2.2. Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng các hạt ZnS trong cảm biến điện hóa
xác định nồng độ ADN trong dung dịch ................................................................... 25
2.2.1. Hóa chất sử dụng .................................................................................. 25
2.2.2. Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS vào cảm biến điện
hóa để xác định nồng độ ADN của virus EBV ......................................................... 27
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 29
3.1. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và
khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo. ......................................................... 29
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ TSC............................................. 29
3.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ 4-ATP ......................................... 34
3.1.3. Ảnh hƣởng của công suất còi siêu âm sử dụng trong quá trình chế tạo
hạt ZnS. ..................................................................................................................... 38
3.2. Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS trong cảm biến
điện hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus gây bệnh. ......................................... 41
3.2.1. Đánh giá khả năng liên kết đặc hiệu của các phân tử ZnS-4ATP với
ARN2. ....................................................................................................................... 41
3.2.2. Đánh giá khả năng ứng dụng của hạt nano ZnS trong cảm biến điện
hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus EBV. ....................................................... 43
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 47
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
STT Thuyết minh hình vẽ Trang
Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurtzite của tinh thể ZnS 4
Hình 1.2 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Sphalerit của tinh thể ZnS 5
Hình 1.3 Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang 7
Hình 1.4 Bán dẫn vùng cấm thẳng 8
Hình 1.5 Bán dẫn vùng cấm xiên 9
Hình 1.6 Các quá trình hấp thụ và phát quang của tinh thể 9
Bảng một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ZnS/ ZnS pha Bảng 1.1 12 tạp đã đƣợc áp dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác.
Bảng một số chất hoạt hóa bề đã đƣợc các nhóm nghiên cứu Bảng 1.2 13-14 khác sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano
Ảnh chụp TEM hạt nano Ag chế tạo bới Landage S.M. và cộng
Hình 1.7 sự, Viện Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ, sử dụng chất 14
hoạt hóa bề mặt TSC.
Hình 1.8 Mô hình chung của cảm biến sinh học 17
Mô tả cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng liên kết đặc hiệu Hình 1.9 18 ADN-ARN/AND
Bảng các nồng độ gốc của các hóa chất sử dụng trong quá
Bảng 2.1 trình thí nghiệm chế tạo các hạt nano nền ZnS bằng phƣơng 21
pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm
Sơ đồ và hình mô phỏng thí nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS Hình 2.1 22 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm
23 Sơ đồ 2.1 Sơ đồ chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết
hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau
Thể tích dd TSC thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano Bảng 2.2 24 ZnS
Thể tích dd 4-ATP thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano Bảng 2.3 24 ZnS
Các công suất siêu âm sử dụng để chế tạo ZnS với các mẫu có Bảng 2.4 25 4mL và 10 mL TSC là chất hoạt động bề mặt
Bảng 2.5 Nồng độ hóa chất sử dụng để pha dung môi PBS 1X 26
Hình vẽ mô tả sơ đồ đo nồng độ ADN vi khuẩn trong mẫu Hình 2.2 27 dung dịch
Hình 2.3 Thiết kế của điện cực vàng sử dụng trong cảm biến ADN 28
Bảng nồng độ ADN đích nhỏ vào điện cực trong quá trình Bảng 2.6 28 khảo sát
Phổ hấp thụ UV-Vis của các mấu chứa hạt nano ZnS chế tạo
Hình 3.1 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các lƣợng 29
TSC pha tạp khác nhau và tính toán năng lƣợng vùng cấm
Sự phụ thuộc của năng lƣợng vùng cầm vào lƣợng TSC thêm Hình 3.2 30 vào trong quá trình chế tạo vật liệu nano ZnS
Phổ FTIR của mẫu chứa hạt nano ZnS khi không có TSC và Hình 3.3 31 khi có 4 ml TSC
Đỉnh phổ FTIR của các mẫu chứa hạt nano ZnS pha tạp 4 ml Bảng 3.1 31 TSC và các đỉnh phổ FTIR đã công bố
Phổ XRD của các hạt nano ZnS chế tạo bằng phƣơng pháp
Hình 3.4 đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau. 32
và ảnh TEM hạt nano ZnS chế tạo với 10 ml TSC
Sự phụ thuộc của kích thƣớc tinh thể trung bình vào nồng độ 33 Hình 3.5 TSC tham gia vào quá trình chế tạo hạt nano ZnS
Phổ quang phát quang và kích thích phát quang của hạt nano 34 Hình 3.6 ZnS
Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS chế tạo bằng phƣơng
Hình 3.7 pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với nồng độ chất hoạt hóa 4- 35
ATP khác nhau
Các giá trị Eg tính toán từ phổ hấp thụ UV-vis phụ thuộc vào 36 Hình 3.8 lƣợng 4-ATP tham gia vào trong qua trình chế tạo
37 Hình 3.9 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số sóng) trong khoảng 350 cm-1 đến 1700 cm-1của các mẫu ZnS.
37 Hình 3.10 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số sóng) trong khoảng 2000 cm-1 đến 3800 cm-1 của các mẫu ZnS.
Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS với 10ml TSC với các 38 Hình 3.11 công suất chế tạo khác nhau
Hình 3.12 Sự phụ thuộc của năng lƣợng vùng cấm vào công suất siêu âm 39
Phổ XRD của hạt nano ZnS chế tạo với 10ml TSC với các 39 Hình 3.13 công suất chế tạo khác nhau
Kích thƣớc tinh thể trung bình của ZnS chế tạo bằng phƣơng 40 Hình 3.14 pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm pha tạp 10ml TSC
Phổ Raman của các hạt ZnS-ATP (a, ZnS-4ATP sau khi gắn
với các phân tử ARN nhận biết EBV (b) và sự khác biệt giữa
Hình 3.15 hai phổ [(b)-(a)]. Kết quả cho thấy sự có mặt của các đỉnh phổ 42
đặc trƣng cho các liên kết của chuỗi ARN/ADN cùng với các
hạt vật liệu
42 Bảng 3.2 Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman của các hạt ZnS-ATP và ZnS-
4ATP-ARN
Bảng 3.3 Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman thu đƣợc từ phổ hiệu 43
Hình 3.16 Điện thế quét vòng với các nồng độ ADN đích khác nhau 44
Sự phụ thuộc của dòng điện thay đổi trong điện cực vào nồng Hình 3.17 45 độ AND đích khi áp dụng phƣơng pháp đo điện thế quét vòng
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Ký hiệu Giải nghĩa
1 4-ATP 4-aminothiophenol
2 CHHBM Chất hoạt hóa bề mặt
3 CNSH Công nghệ sinh học
4 dd Dung dịch
5 EBV Virus Epstein – Barr
6 EDC 1-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)carbodiimide
7 EMA Công thức khối lƣợng hựu dụng
8 MIA Methyl immidazole
9 PBS phosphate buffer saline solution
10 PGS.TS Phó giáo sƣ, tiến sĩ
11 Phổ FTIR Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier
12 Phổ UV-Vis Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại, khả kiến
13 Phổ XRD Phổ nhiễu xạ tia X
14 Phổ PL Phổ phát quang
15 Phổ PLE Phổ kích thích phát quang
16 QD Chấm lƣợng tử
17 SEM Kính viển vi điện tử quét
18 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua
19 TS Tiến sĩ
20 TSC Trisodium citrate
21 Kẽm acetate Zn(Ac)2
MỞ ĐẦU
Công nghệ nano đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại.
Mặc dù mới chỉ đƣợc nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 nhƣng
khoa học công nghệ nano đã gặt hái đƣợc rất nhiều những thành tựu to lớn. Với
kích thƣớc tƣơng tự nhƣ kích thƣớc của các tế bào hay các đại phân tử cấu tạo nên
tế bào, vật liệu nano đã cho thấy tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: y sinh,
dƣợc phẩm, môi trƣờng vả rất nhiều những ứng dụng đa ngành khác.
Vật liệu nano bán dẫn nền kẽm hoặc nền kẽm pha tạp nhƣ ZnO, ZnS, ZnS
pha tạp Mn, … đang đƣợc rất nhiều nhóm nghiên cứu trong nƣớc và quốc tế chọn
lựa nhằm nghiên cứu và phát triển. Các vật liệu trên có độ rộng vùng cấm tƣơng đối
lớn (khoảng 3,67 eV [7] đối với ZnS và 3,42 eV đối với ZnO [24]); có thể ứng dụng
tạo thành các loại vật liệu huỳnh quang phát ánh sáng trong vùng tử ngoại gần. Khi pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp nhƣ Mn2+, Cu2+ [8, 22] hay với các kim loại đất hiếm nhƣ Eu3+, Sm3+ [41], chúng có thể phát huỳnh quang tại vùng khả kiến
với cƣờng độ cao; do đó có thể ứng dụng làm các tâm huỳnh quang kích thƣớc nano
(gọi tắt là Quantum dot – QD) [7] để đánh dấu trong y sinh. Tuy nhiên, để có thể
triển khai ứng dụng trong y sinh, những hạt nano phát quang kể trên cần có độ đồng
đều cao cũng nhƣ độ phân tán tốt trong dung dịch.
Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi ứng dụng kết hợp hai phƣơng
pháp chế tạo vật liệu nano là: phƣơng pháp siêu âm và phƣơng pháp đồng kết tủa
trong dung dịch ái nƣớc. Sự kết hợp hai phƣơng pháp trên có thể giúp cho việc giảm
kích thƣớc vật liệu đạt đến một tới hạn mới. Đồng thời trong quá trình chế tạo,
chúng tôi cũng khảo sát sự ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo đến tính chất vật lý
của hạt nano nhƣ: công suất còi siêu âm và chất hoạt hóa bề mặt.
Bên cạnh đó, các hạt nano ZnS khi đƣợc chức năng hóa với nhóm chức amin
(-NH2) có khả năng tƣơng thích sinh học cao [30]. Thông qua nhóm chức này, hạt
ZnS có thể liên kết với các phân tử sinh học nhƣ: protein, ADN, ARN nhằm ứng
dụng đánh dấu, nhận biết hay chụp ảnh sinh học.
1
Mục đích của luận văn:
a. Nghiên cứu chế tạo các hạt nano bán dẫn ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết
tủa kết hợp siêu âm, khảo sát với các điều kiện chế tạo khác nhau.
+ Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của hạt.
+ Nghiên cứu ảnh hƣởng của chất hoạt hóa bề mặt lên sản phẩm [12, 20, 29]:
Chất hoạt hóa bề mặt là Trisodium citrate (TSC).
Chất hoạt hóa bề mặt là 4-aminothiophenol (4-ATP).
+ Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ siêu âm đến tính chất vật lý của các hạt
nano ZnS.
b. Xây dựng mô hình khảo sát khả năng ứng dụng của hat nano ZnS trong
cảm biến sinh học để xác định nồng độ ADN của virus gây bệnh.
Chế tạo và chức năng hóa hạt nano với nhóm chức amin.
Khảo sát tính chất hạt nano sau khi chức năng hóa.
+ Khảo sát khả năng và ứng dụng vật liệu để xác định nồng độ ADN của
virus gây bệnh.
c. Đánh giá khả năng ứng dụng trong y sinh.
Khả năng ứng dụng trong y sinh của vật liệu đƣợc đánh giá qua hai tiêu chí:
khả năng tƣơng thích sinh học và tính huỳnh quang. Tính huỳnh quang của vật liệu
đƣợc nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang trên hệ FRUOLOG 3 tại Trung tâm
Khoa học vật liệu. Bên cạnh đó, khả năng tƣơng thích sinh học đã đƣợc bàn luận
đến bằng việc các hạt ZnS có các nhóm chức amin ngay sau khi chế tạo và có khả
năng liên kết cộng hóa trị với các phân tử ARN.
Đối tượng nghiên cứu
a. Vật liệu nghiên cứu: Hạt nano bán dẫn ZnS đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
2
b. Đối tƣợng sinh học: Bƣớc đầu đánh giá tín hiệu điện hóa phụ thuộc vào
nồng độ ADN virus Estenbar – tác nhân gây bệnh ung thƣ vòm họng, ung thƣ dạ
dày, ung thƣ hạch bạch huyết.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm. Nhóm
nghiên cứu đã tiến hành chế tạo các hạt nano bán dẫn ZnS bằng phƣơng pháp đồng
kết tủa kết hợp siêu âm. Đồng thời khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo tới
tính chất vật lý của hạt nano nhƣ: nồng độ chất hoạt hóa bề mặt TSC, 4-ATP và
công suất còi siêu âm. Tiếp đó, chúng tôi tiến hành chức năng hóa vật liệu với nhóm
chức (-NH2).
Sau đó, chúng tôi khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu. Đối tƣợng nghiên
cứu là ADN của virus EBV. Đầu tiên, chúng tôi tiến hành liên kết các hạt nano ZnS
đã đƣợc chức năng hóa với các phân tử ARN – các phân tử ARN có khả năng bắt
cặp đặc hiệu với ADN của virus EBV. Sau khi liên kết thành công, hệ hạt ZnS-
4ATP-ARN đƣợc đƣa vào dung dịch mẫu có chứa điện cực rồi tiến hành khảo sát
với các nồng độ ADN virus khác nhau.
Các phép đo nghiên cứu đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- Khảo sát tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang, phổ
hấp thụ hồng ngoại FITR.
- Khảo sát hình thái, kích thƣớc các hạt nano bằng phƣơng pháp ghi ảnh
TEM.
- Khảo sát khả năng chức năng hóa của vật liệu với nhóm chức amin (NH2)
bằng phổ hồng ngoại FTIR.
- Khảo sát khả năng liên kết với các phân tử ARN của vật liệu đã đƣợc chức
năng hóa.
- Khảo sát sự thay đổi của dòng điện đo, đƣợc trên bề mặt điện cực trong
cảm điện hóa ADN biến bằng phƣơng pháp đo điện thế quét vòng CV.
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về hạt nano bán dẫn ZnS
1.1.1. Cấu trúc mạng tinh thể của ZnS
ZnS là chất bán dẫn điển hình thuộc nhóm bán dẫn AIIBVI. ZnS tồn tại ở
nhiều cấu trúc phức tạp; nhƣng có thể coi ZnS có hai dạng cấu trúc chính là cấu trúc
lục giác (Wurtzite) và cấu trúc lập phƣơng giả kẽm (Sphalerite) [13].
a. Cấu trúc Wurtize
6v – P6
3mc. Đây là cấu trúc bên ở nhiệt độ cao (nhiệt độ chuyển từ giả kẽm sang Wurtize xảy ra ở 1020oC đến 1150oC).
Nhóm đối xứng không gian của mạng tinh thể này là C4
S2- Zn2+
Hình 1.1. Cấu trúc lục giác Wurtzite của tinh thể ZnS
Mỗi ô mạng chứa 2 nguyên tử ZnS, trong đó vị trí các nguyên tử là:
;
Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử S nằm trên 4 đỉnh tứ diện gần đều. Khoảng cách từ nguyên tử Zn tới 4 nguyên tử S: một khoảng bằng (u.c) và 3
khoảng còn lại bằng (a, c là những hằng số mạng đƣợc xác định
là: a = 3,82304 Å, c= 6,2565 Å). Có thể coi mạng lục giác Wurtzite cấu tạo từ hai mạng lục giác lồng vào nhau: một mạng chứa anion S2-, một mạng chứa cation Zn2+.
4
Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc 2 trong đó: 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác nằm cùng mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách một khoảng a; 6 nguyên tử khác ở đỉnh lăng trụ tam giác cách nguyên tử ban đầu một
khoảng .
b. Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Sphalerit
d – F43m. Đây là
Nhóm đối xứng không gian tƣơng ứng với cấu trúc này là T2
cấu trúc thƣờng gặp ở điều kiện nhiệt độ nhỏ hơn 950oC và áp suất bình thƣờng.
Hình 1.2. Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalerit của tinh thể ZnS
Trong ô cơ sở có 4 phân tử ZnS, tọa độ các nguyên tử nhƣ sau:
Mỗi nguyên tử S (hoặc Zn) đƣợc bao bọc bởi 12 nguyên tử cùng loại, chúng
ở lân cận bậc nằm trên khoảng cách . Trong đó 6 nguyên tử nằm ở đỉnh lục
giác trên cùng của mặt phẳng ban đầu, 6 nguyên tử còn lại tạo thành hình lăng trụ
gồm 3 nguyên tử ở mặt phẳng cao hơn, 3 nguyên ở mặt phẳng thấp hơn mặt phẳng
lục giác kể trên. Các lớp ZnS đƣợc định hƣớng theo trục [111]. Do đó tinh thể lập
phƣơng Sphalerit có tính dị hƣớng, các mặt đối xứng nhau, không tồn tại tâm đối
xứng.
Các hằng số hàng của ô nguyên tố lục giác và hằng số mạng ô nguyên tố lập
phƣơng liên hệ với nhau theo công thức:
5
trong đó ah và ch là hằng số mạng lục giác, ac là hằng số mạng lập phƣơng.
Vị trí tƣơng đối của hai nguyên tử trong mạng lập phƣơng và mạng lục giác
gần giống nhau. Sự bao bọc của các nguyên tử Zn hay S bởi các nguyên tử lân cận
bậc hai trong hai loại mạng là giống nhau. Sự khác nhau về tọa độ các nguyên tử thể
hiện ở chỗ cấu trúc lục giác đặc trƣng bởi phản lăng trụ, để phát hiện sự khác nhau
trong cấu trúc phải xét đến nguyên tử lân cận bậc ba.
Các hằng số mạng phụ thuộc vào độ hoàn thiện của mạng tinh thể. Sự tồn tại
của tạp chất cũng gây nên những sai khác về hằng số mạng so với tính toán lý
thuyết. Những sai hỏng trong tinh thể lục giác có thể tạo ra một vùng nhỏ cấu trúc
lập phƣơng nằm trong tinh thể lục giác. Tinh thể ZnS kết tinh trong các điều kiện
khác nhau có thể tạo ra cấu trúc khác nhau, là biến thể của cấu trúc lập phƣơng và
cấu trúc lục giác.
1.1.2 Tính chất của vật liệu cấu trúc nano
Vật liệu bán dẫn kích thƣớc nano có những tính chất đặc biệt so với bán dẫn
khối. Những tính chất này là kết quả của sự giam hãm lƣợng tử các hạt tải điện (hay
giam giữ của hàm sóng điện tử và lỗ trống) và ảnh hƣởng của các trạng thái bề mặt
[1, 2]. Dƣới đây, ngoài những tính chất hấp thụ, phát quang tƣơng tự nhƣ của vật
liệu khối, một số tính chất quang liên quan tới hệ hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn
kích thƣớc nano cũng đƣợc đề cập.
a. Tính hấp thụ
Năng lƣợng kích thích vào mẫu có thể là năng lƣợng cơ, quang, nhiệt hay
năng lƣợng điện từ. Vật liệu có thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lƣợng
tới và chuyển đổi trạng thái. Kết quả của quá trình hấp thụ này thƣờng là sự phát
huỳnh quang của các điện tử nóng hay các tâm, sự tăng các trạng thái dao động
mạng... Thông thƣờng, vật liệu hấp thụ năng lƣợng từ những nguồn trên mỗi cách
6
khác nhau. Tuỳ theo cách kích thích mà sẽ tác động tới hệ điện tử hay hệ dao động
mạng nhiều hay ít. Khi dùng ánh sáng kích thích, chủ yếu hệ điện tử trong vật liệu sẽ
phản ứng trƣớc tiên. Sau đó có thể là các quá trình biến đổi thành quang hay nhiệt,
hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu.
Hình 1.3. Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang
1- Hấp thụ riêng; 2-Hấp thụ exciton; 3a, 3b- Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do;
4a, 4b- Hấp thụ tạp chất - vùng gần; 4c, 4d- Hấp thụ tạp chất - vùng xa; 5- Hấp thụ
giữa các tạp chất [2] .
Quá trình hấp thụ ánh sáng luôn gắn liền với sự biến đổi năng lƣợng photon
thành các dạng năng lƣợng khác trong tinh thể, do đó một cách tự nhiên có thể phân
loại các cơ chế hấp thụ nhƣ sau:
+ Hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản, liên quan đến các chuyển dời điện tử
giữa các vùng năng lƣợng đƣợc phép.
+ Hấp thụ exciton, liên quan đến sự tạo thành và phân huỷ các trạng thái
exciton.
+ Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, liên quan đến các chuyển dời điện tử
(hoặc lỗ trống) bên trong các vùng năng lƣợng đƣợc phép tƣơng ứng hay giữa các tiểu
vùng trong các vùng đƣợc phép.
+ Hấp thụ tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống)
giữa các mức bên trong tâm tạp chất hoặc giữa các vùng năng lƣợng đƣợc phép và
7
các mức tạp chất bên trong vùng cấm.
+ Hấp thụ giữa các tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ
trống) giữa các mức tạp chất bên trong vùng cấm.
Khi xảy ra tƣơng tác giữa electron trong vật rắn với bức xạ điện từ cần phải
thỏa mãn hai định luật: định luật bảo toàn năng lƣợng và định luật bảo toàn xung
lƣợng.
Trong không gian vectơ sóng , năng lƣợng của điện tử và lỗ trống đƣợc biểu
diễn là hàm số E( ), có dạng parabol ở gần gốc tọa độ. Do cấu trúc và phân bố
nguyên tử khác nhau trong các tinh thể, các trạng thái năng lƣợng của hệ điện tử vùng
dẫn và các lỗ trống vùng hoá trị phân bố có các cực trị khác nhau trong không gian
E( ). Nếu nhƣ cực tiểu năng lƣợng vùng dẫn nằm ở và cực đại năng lƣợng
vùng hoá trị cũng xảy ra ở thì các chuyển dời điện tử là "thẳng" hay "trực
tiếp".
Hình 1.4. Bán dẫn vùng cấm thẳng
Khi các cực đại vùng hoá trị và cực tiểu năng lƣợng vùng dẫn không nằm ở
cùng giá trị, các chuyển dời điện tử sẽ là "không thẳng" hay "gián tiếp". Đây là
chuyển dời không đƣợc phép theo quy tắc chọn lọc ∆=0. Vì vậy quá trình này cần
phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung
lượng hay quy tắc chọn vectơ sóng. Hình 1.6 minh họa quá trình chuyển dời không
thẳng.
8
Hình 1.5. Bán dẫn vùng cấm xiên
b. Tính chất phát quang
Một phần năng lƣợng mà vật liệu hấp thụ sẽ đƣợc chuyển đổi thành quang
năng, tái phát xạ từ vật liệu. Huỳnh quang là một trong những dạng phát quang thứ
cấp sau khi vật chất bị kích thích. Hiện tƣợng phát quang có bản chất ngƣợc với quá
trình hấp thụ, là quá trình hồi phục điện tử từ trạng thái năng lƣợng cao về trạng thái
năng lƣợng thấp, giải phóng photon.
Một số cơ chế phát quang
Nếu chỉ vẽ giản đồ năng lƣợng, bỏ qua giá trị tƣơng ứng của vector sóng, có
thể minh họa quá trình hấp thụ và các khả năng phát quang trong tinh thể nhƣ Hình
1.6.
Hình 1.6. Các quá trình hấp thụ và phát quang của tinh thể
9
Sự kích thích mẫu đƣợc thực hiện qua hấp thụ vùng-vùng. Sau quá trình (1)
này đã tạo ra những điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hóa trị. Các quá
trình tái hợp có bức xạ của cặp điện tử-lỗ trống xảy ra tiếp theo là:
Tái hợp vùng-vùng
Tái hợp vùng-vùng (2), điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hóa
trị. Quá trình này có thể ghi nhận đƣợc ở nhiệt độ mẫu khá cao, khi không tồn tại trạng
thái exciton trong tinh thể.
Tái hợp bức xạ exciton
Sự phân rã exciton (3) chỉ quan sát đƣợc ở những vật liệu hoàn hảo (sạch,
cấu trúc tinh thể tốt), và ở nhiệt độ thấp sao cho năng lƣợng nhiệt kT không vƣợt
quá năng lƣợng liên kết của exciton.
Tái hợp cặp đôno - axépto
Khi trong chất bán dẫn có cả tạp chất đôno và axépto với nồng độ đủ cao, thì
tƣơng tác Coulomb giữa đôno và axépto sẽ làm thay đổi năng lƣợng liên kết của
chúng (so với khi tạp chất đứng cô lập). Khoảng cách năng lƣợng giữa các trạng thái
đôno và axépto trong cặp là:
Trong đó r là khoảng cách giữa đôno và axépto trong cặp, e là điện tích của
electron, là hằng số điện môi của chất bán dẫn. Khi electron trên đôno tái hợp với lỗ trống
trên axépto, năng lƣợng của photon phát ra đƣợc tính bằng biểu thức trên.
Tái hợp bức xạ trong nội bộ tâm
Quá trình chuyển dời (6) xảy ra trong nội bộ tâm. Các tâm phát quang này
mang tính định xứ địa phƣơng rất cao, sự tƣơng tác của các chuyển dời điện tử với
trƣờng tinh thể xung quanh thƣờng rất yếu. Năng lƣợng của các chuyển dời điện tử
hoàn toàn do cấu trúc của tâm quy định. Các ion loại 4f (đất hiếm, phóng xạ), 3d
10
(kim loại chuyển tiếp), tâm F trong Halogen kiềm, hay các gốc phát quang phân tử
có dạng phức (complex) có thể hoạt động trong tinh thể dƣới dạng những tâm giả cô
lập nhƣ vậy.
Tái hợp bức xạ tâm sâu
Các tái hợp (7), (8) tƣơng tự nhƣ (4), (5) nhƣng với các mức năng lƣợng đôno
và axépto nằm sâu trong vùng cấm. Trong các trƣờng hợp này, ảnh hƣởng của
trƣờng tinh thể tới các tái hợp cũng yếu hơn.
1.2. Một số phƣơng pháp chế tạo hạt nano ZnS
Vật liệu nano đƣợc chế tạo theo hai phƣơng pháp: phƣơng pháp từ trên
xuống (top-down) và phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up). Phƣơng pháp từ trên
xuống là phƣơng pháp tạo ra hạt nano từ các hạt có kích thƣớc lớn hơn; phƣơng
pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion.
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: sử dụng kỹ thuật nghiền biến các vật liệu có kích thƣớc lớn về
kích thƣớc nano. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là đơn giản, lƣợng mẫu chế tạo đƣợc
lớn. Tuy nhiên phƣơng pháp từ trên xuống có nhƣợc điểm tính đồng nhất của các
hạt nano không cao [15].
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp
từ dƣới lên đƣợc phát triển mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ
phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, hóa học
hoặc kết hợp hóa – lý. Một số cách chế tạo vật liệu thuộc phƣơng pháp từ dƣới lên
có thể kế đến nhƣ là: phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp điện hóa, phƣơng pháp
siêu âm, phƣơng pháp thủy nhiệt, phƣơng pháp vi nhũ tƣơng, phƣơng pháp khử hóa
học trong môi trƣờng phân cực.
Rất nhiều nhóm nghiên cứu trƣớc đây đã tiến hành nghiên cứu chế tạo hạt
11
nano ZnS và Zn pha tạp bằng các phƣơng pháp nêu trên, có thể kể đến một số kết
quả nhƣ sau:
STT Nhóm nghiên cứu Phƣơng pháp chế tạo Kích thƣớc hạt (nm) Tài liệu tham khảo
1 Đồng kết tủa Parvanch Iranmanesh và cộng sự, 5,5 [34] trƣờng đại học Vali-e-Asr, Iran
Nguyễn Trí Tuấn và cộng sự, Trƣờng 3 – 4 [3] Đại học Cần Thơ
Manoj Sharma và cộng sự, ĐH Sri ~2,6 [41] Guru Granth Sahib World, Ấn Độ
2 Phƣơng pháp Trần Thị Quỳnh Hoa và cộng sự,
thủy nhiệt Khoa Vật lý, Trƣờng Đh Khoa học tự ~2,4 [44]
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
3 Khử hóa học John Rita và cộng sự, Khoa Vật lý lý
trong môi thuyết, trƣờng Đại học Madras, Ấn 12 [20] trƣờng điện Độ
phân
4 Sóng siêu âm Tiwary, K.P. và cộng sự, Khoa vật lý
ứng dụng, Viện Công nghệ Birla, Ấn ~ 6 [43]
Độ
5 Thủy nhiệt kết Jun Liu và cộng sự, Viện Vật liệu
hợp vi nhũ xây dựng, Trung Quốc 5 – 10 [25]
tƣơng
Bảng 1.1. Bảng một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnS/ZnS pha tạp
đã được áp dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác.
Nhƣ vậy, các nhóm nghiên cứu trƣớc đây đã chế tạo đƣợc hạt nano ZnS có
12
kích thƣớc tƣơng đối nhỏ từ 2,4 nm đến 30 nm. Tuy nhiên, với mong muốn ứng
dụng đƣợc trong lĩnh vực y sinh, hạt nano đòi hỏi phải có kích thƣớc nhỏ, phát
huỳnh quang mạnh và phân tán tốt trong dung dịch. Do đó, nhóm nhiên cứu chúng
tôi đã có ý tƣởng kết hợp các phƣơng pháp chế tạo.
Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy phƣơng pháp đồng kết tủa
là phƣơng pháp đơn giản, hạt nano chế tạo đƣợc có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ (2,6
nm – 5,5 nm) [34, 3, 41], lƣợng mẫu thu đƣợc lớn. Và thay vì phải mất từ 12 h đến
24 h nhƣ trong phƣơng pháp thủy nhiệt thì thời gian chế tạo hạt bằng phƣơng pháp
đồng kết tủa chỉ mất từ 2 – 3 h [34]. Thêm vào đó, sóng siêu âm đƣợc cho là tạo ra
các dòng xoáy có tần số rất lớn, đồng thời hình thành các tâm thay đổi áp suất trong
dung dịch, vì vậy ảnh hƣởng đến việc kết đám hoặc lớn lên của hạt, làm cho hạt có
kích thƣớc nhỏ hơn. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành kết hợp phƣơng pháp đồng kết
tủa và phƣơng pháp siêu âm để chế tạo vật liệu nano ZnS.
Bên cạnh đó, tác động làm thay đổi kích thƣớc hạt của chất hoạt hóa bề mặt
cũng đƣợc rất nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nƣớc sử dụng để chế tạo vật
liệu nano (Bảng 1.2).
STT Chất hoạt Nhóm nghiên cứu Vật liệu nano hóa bề mặt Tài liệu tham khảo Kích thƣớc hạt nano (nm)
1 TSC Lee Ji-Hwan và công sự Au 20 – 50 [20]
Dhiraj Kumar và cộng sự Au 20 - 80 [12]
Landage S.M. và cộng sự, Ag 40 [19]
Viện Kỹ thuật ứng dụng và
Dệt may, Ấn Độ
2 4-ATP Ayşem Üzer và cộng sự, Đại Au - [5]
học Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ
13
Nan Xiao và Chenxu Yu, Au - [29]
Đại học Iowa
Lo, H., Y. Sylvia, Wang 3 – 4 [26] 3 PVP Cu/Pd
Yung-Yun và Wan Chi-
Chao, trƣờng Đại học
Quốc gia Tsing Hua, Đài
Loan
Manoj Sharma và cộng sự, 4 PVP ZnO 20 [41]
ĐH Sri Guru Granth Sahib
World, Ấn Độ
Y. Liu và cộng sự, Đại học 5 CTAB Silica 75 [45]
Công nghệ Amirkabir, Iran
6 Accrylamide Nguyễn Trí Tuấn, Đại học ZnS 2 – 3 [4]
Cần Thơ
Bảng 1.2. Bảng một số chất hoạt hóa bề đã được các nhóm nghiên cứu khác
sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano.
Nhóm nghiên cứu của Landage S.M. và cộng sự, Viện Kỹ thuật ứng dụng và
Dệt may, Ấn Độ, đã tiến hành sử dụng chất hoạt hóa TSC để chế tạo hạt nano Ag.
Kích thƣớc hạt thu đƣợc trung bình khoảng 40 nm, khá đồng đều.
Hình 1.7. Ảnh chụp TEM hạt nano Ag chế tạo bới Landage S.M. và cộng sự, Viện
Kỹ thuật ứng dụng và Dệt may, Ấn Độ, sử dụng chất hoạt hóa bề mặt TSC.
14
Nhóm nghiên cứu của Ayşem Üzer và cộng sự [5] và Nan Xia, Chenxu
Yu [29] đã sử dụng chất hoạt hóa bề mặt 4-ATP để chức năng hóa với nhóm
chức amin làm cầu nối với các phân tử sinh học.
Từ những kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy ảnh hƣởng làm giảm kích
thƣớc hạt nano của chất hoạt hóa bề mặt. Do đó, hai loại chất hoạt hóa bề mặt
đƣợc sử dụng và khảo sát ảnh hƣởnglên tính chất của vật liệu, đó là:
Chất hoạt hóa bề mặt trisodium citrate (TSC): TSC có khả năng tạo ra
lớp điện tích âm trên bề mặt của hạt nano, làm các hạt đẩy nhau ra và do đó tác
động tạo nên các hạt nano có kích thƣớc nhỏ [20, 12, 19].
Chất hoạt hóa bề mặt 4-aminothiophenol (4-ATP): 4-ATP đƣợc cho là có
thể gắn trực tiếp trên bề mặt sulfide kim loại (MS – trong đó M là kim loại hóa
trị 2) [5, 29].
Quá trình chế tạo và khảo sát đƣợc tiến hành bằng cách thay đổi các
nồng độ chất hoạt hóa bề mặt giam gia tổng hợp ZnS.
Nhƣ vậy, hạt nano ZnS sẽ đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa
kết hợp siêu âm. Đồng thời ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo nhƣ nồng độ
chất hoạt hóa bề mặt, công suất siêu âm lên tính chất vật lý của hạt sẽ đƣợc
khảo sát.
1.3. Một số ứng dụng của hạt nano ZnS.
1.3.1. Ứng dụng trong laser và diode.
ZnS có độ rộng cùng cấm tƣơng đối lớn (3,67 eV) do đó ZnS thƣờng đƣợc
ứng dụng trong các diode laser [18] hoặc diode phát quang (LED) [44]. Rất
nhiều loại photodiode đã đƣợc chế tạo trên cơ sở lớp chuyển tiếp p-n của ZnS,
suất quang điện động của lớp chuyển tiếp p-n thƣờng đạt tới 2,5 V. Điều này
còn cho phép hy vọng có những bƣớc phát triển mới trong công nghệ chế tạo
thiết bị ghi đọc quang học laser nhƣ làm tăng mật độ ghi thông tin trên đĩa, tăng
tốc độ làm việc của các máy in laser, đĩa compact, tạo khả năng sử dụng bảng
15
màu trộn từ 3 laser phát màu cơ bản.
1.3.2. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu phát huỳnh quang
Vật liệu nano ZnS là vật liệu nano bán dẫn có khả năng phát huỳnh quang ở vùng tử ngoại gần, khi đƣợc pha tạp với các ion kim loại nhƣ Cu2+, Mn2+... hay với các kim loại đất hiểm nhƣ Eu3+, Sm3+ … chúng có thể phát huỳnh
quang tại vùng khả kiến với cƣờng độ cao, do đó đƣợc ứng dụng làm các vật
liệu phát huỳng nhƣ các tụ điện huỳnh quang, các màu Rơnghen, màu của các
ồng phóng điện tử và dụng cụ bức xạ electron làm việc ở dải tần rộng, hay các
vật liệu đánh dấu tế bào ung thƣ.
Một số những ứng dụng đã đƣợc thực hiện trong việc phát hiện, đánh dấu
tế bào ung thƣ có thể kế đến nhƣ: sử dụng hạt nano ZnS:Mn để phát hiện ADN
của tế bào ung thƣ; sản xuất bộ Kit phát hiện nhanh ADN [27].
Với khả năng phát xạ ánh sáng khi đƣợc kích thích bởi các chùm tia X
hoặc các chùm điện tử, vật liệu ZnS còn đƣợc sử dụng cho màn X-ray và các
ống tia cathode.
1.3.3. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu đánh dấu sinh học
Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay, các nhà khoa học
đã chế tạo đƣợc các vật liệu nano ZnS có kích thƣớc vô cùng nhỏ, chĩ cỡ
khoảng vài nano. Với khả năng phát huỳnh quang mạnh các vật liệu này đƣợc
dùng làm các tâm phát huỳnh quang (Gọi tắt là các Quantum Dot – QD) ứng
dụng trong việc đánh dấu tế bào. Bên cạnh khả năng gắn kết với các gốc amin
tự do (-NH2) – gốc amin có khả năng tƣơng thích sinh học, vật liệu nano ZnS
đang đƣợc hƣớng đến để ứng dụng trong cảm biến sinh học nhằm phát hiện sự
có mặt của ADN, các chuỗi nucleotide, enzyme, kháng nguyên, kháng thể.
16
Dưới đây là mô hình chung của một cảm biến sinh học
Hình 1.8. Mô hình chung của cảm biến sinh học.
Cảm biến sinh học đƣợc chia làm ba phần: phận nhận biết (recognition),
phần chuyển đối tín hiệu (signal transduction) và xử lý tín hiệu (signal processing)
(Hình 1.8).
Trong phần nhận biết, cảm biến sinh học sử dụng các tƣơng tác đặc hiệu sinh
học để tƣơng tác với đối tƣợng cần nhận biết. Tƣơng tác này thƣờng cho một loại
tín hiệu sinh lý đặc trƣng (ví dụ: bắt cặp tín hiệu ADN-ADN, ADN-ARN, kháng
nguyên – khánh thể, cơ chất- enzyme, chuỗi nucleotide – cơ chất). Các tín hiệu kiểu
này thƣờng không dễ nhận biết một cách trực tiếp mà phải thông qua một hệ thống
chuyển tín hiệu để chuyển thành các tín hiệu đọc đƣợc nhƣ tín hiệu quang, tín hiệu
điện. Quá trình chuyển tiếp tín hiệu này rất đa dạng: có thể là các tín hiệu gắn với
cơ chất sinh học (protein phát huỳnh quang gắn với cơ chất, bức xạ đặc hiệu gắn với
cơ chất). Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng đọc đƣợc, trong bƣớc cuối cùng, chúng
xử lý, đánh giá và so sánh để đƣa ra những nhận định hay thông số vật lý của các
đối tƣợng sinh học cần biết.
17
Trong luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu về cảm biến sinh học
dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ARN với tín hiệu điện ở đầu ra, còn gọi là cảm
biến điện hóa ADN, để xác định hàm lƣợng ADN của virus.
Cảm biến điện hóa ADN
Cảm biến điện hóa ADN dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ADN, ADN -
ARN để nhận biết các chuỗi gen của các vi khuẩn, virus gây bệnh. Hình 1.9 đƣa ra
mô hình cảm biến điện hóa ADN đƣợc sử dụng trong đề tài này. Nhận biết đặc hiệu
là quá trình bắt cặp của hai chuỗi nucleotide (lần lƣợt đƣợc gọi là detector probe và
catcher probe ) với chuỗi ADN cần nhận biết (target ADN hay detected ADN). Một
đầu chuỗi detector probe đƣợc gắn với các hạt nano kim loại hoặc bán dẫn – cũng là
các hạt giúp tạo tín hiệu đọc đƣợc (signal agent). Chuỗi catcher probe gắn với điện
cực. Hệ thống vi cảm biến chất lỏng đặt trong kênh dẫn sẽ cảm nhận đƣợc sự có mặt
của các đối tƣợng cần nhận biết. Lối ra cảm biến đƣợc đƣa vào một bộ tiền khuếch
Tín hiệu điện hóa
Pha tín hiệu
Pha nhận biết
Các phân tử chức năng hóa bề mặt
Pha bắt cặp
ĐIỆN CỰC VÀNG
đại và một bộ khuếch đại đi kèm với các mạch lọc trƣớc khi đi vào máy tính.
Hình 1.9. Mô tả cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng liên kết đặc hiệu
AND – ARN/ ADN để nhận biết ADN nói chung.
(Phần nhận biết là quá trình bắt cặp kép của detector probe và catcher probe (hai
chuỗi nucleotide đặc hiệu) với chuỗi ADN của đối tƣợng tạo thành hệ thức
sandwich. Trong quá trình chuyển hóa tín hiệu, các thông số điện nhƣ độ dẫn, dòng
18
điện… của hệ sandwich chuyển tiếp đến hệ đo qua điện cực và cho thông tin về
thông số của nồng độ ADN có trong dung dịch.)
Nhận định về khả năng ứng dụng của vật liệu ZnS vào cảm biến điện hóa
ADN:
Hạt nano ZnS khi đƣợc chức năng hóa với các nhóm amin tự do có khả năng
liên kết với các phân tử sinh học nhƣ ADN, ARN, kháng nguyên, kháng thể…[5,
29]. Và cơ sở từ những nghiên cứu trƣớc đây nhƣ: ứng dụng hạt nano ZnO để
nghiên cứu nồng độ glucose, nồng độ ADN … trong đó, tín hiệu đo đạc là tín hiệu điện có đƣợc do quá trình oxy hóa khử của ion Zn2+. Do vậy, chúng tôi nhận thấy
vật liệu nano ZnS hoàn toàn có thể ứng dụng đƣợc trong cảm biến điện hóa ADN để
đo đạc nồng độ ADN.
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi mong muốn có thể sử dụng các hạt
nano ZnS đã chức năng hóa liên kết với các phân tử ARN – phân tử ARN có khả
năng liên kết đặc hiệu với ADN của virus Epstein-Barr (EBV), từ đó ứng dụng vào
cảm biến điện hóa ADN nhằm phát hiện sự có mặt của virus EBV.
1.4. Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là chế tạo đƣợc vật liệu nano ZnS với kích thƣớc rất
nhỏ, có khả năng phát huỳnh quang tốt và phân tán tốt trong dung dịch. Song song
với đó, khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo lên tính chất vật lý của hạt
nhƣ: công suất còi siêu âm, nồng độ chất hoạt hóa bề mặt – những yếu tố tác động
để kiểm soát kích thƣớc hạt. Đồng thời, luận văn đề xuất mô hình đánh giá khả năng
ứng dụng của vật liệu nano ZnS để khảo sát nồng độ ADN.
Để đạt đƣợc mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chế tạo hạt nano
ZnS bằng cách kết hợp phƣơng pháp đồng kết tủa và phƣơng pháp siêu âm. Bên
cạnh đó, tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ chất hoạt hóa bề mặt và công
suất còi siêu âm đến tính chất vật lý của hạt nano. Chất hoạt hóa bề mặt đƣợc sử
dụng ở đây là trisodium citrate và 4-aminothiophenol.
19
Với mục tiêu ứng dụng hạt nano trong cảm biến sinh học, nhóm nghiên cứu
tiến hành chế tạo hạt nano ZnS chức năng hóa thành công với nhóm chức amin (-
NH2); khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu bằng cách liên kết với các phân tử
ARN. Sau đó, sử dụng hệ các hạt nano đã chức năng hóa liên kết ARN này vào cảm
biến ADN để khảo sát sự có mặt ADN của virus EBV.
20
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT
2.1. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
2.1.1. Dụng cụ và hóa chất
Hệ thí nghiệm bao gồm: Còi siêu âm; khí Ar, bình cầu 3 cổ và các tiền chất:
kẽm acetate (Zn(Ac)2), Natri sulfide (Na2S), trisodium citrate (TSC), NaOH và 4-
Aminothiophenol (4-ATP).
Các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm pha với nồng độ đƣợc thể
hiện trong Bảng 2.1.
STT Dung dịch hóa chất Nồng độ
1 0,25 M Zn(Ac)2
2 TSC 2,50 M
3 4-ATP 2×10-3 M
4 0,25 M Na2S
5 NaOH – 1 0,50 M
6 NaOH – 2 0,10 M
Bảng 2.1. Bảng các nồng độ gốc của các hóa chất sử dụng trong quá trình thí
nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
2.1.2. Quy trình chế tạo
Các hạt nano ZnS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa ƣớt. Trong dung dịch, các tinh thể ZnS đƣợc hình thành nhờ sự kết hợp của các ion dƣơng Zn2+ và ion âm S2-. Phƣơng trình phản ứng tạo các hạt ZnS trong dung dịch đƣợc mô tả nhƣ sau:
Zn(CH3COO)2 + Na2S ZnS↓ + 2 CH3COONa
21
(2)
Bƣớc 1
DD chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt
(3)
(1)
Bƣớc 2
Nhỏ từ từ
DD chứa ion S2-
Còi siêu âm
Dung dịch chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt
(2)
Hình 2.1. Sơ đồ và hình mô phỏng thí nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS bằng
phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
Sơ đồ thí nghiệm đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 2.1 và đƣợc tiến hành cụ thể theo 2 bƣớc là pha dung dịch chứa các ion Zn2+ trong môi trƣờng có chất hoạt hóa bề mặt và dùng Na2S để cung cấp ion S2-, đồng thời tiến hành siêu âm.
Trong đó, dung dịch chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt chứa trong bình cầu 3 cổ, cổ (1) đƣợc sử dụng để nhỏ giọt ion S2- và đƣờng dẫn vào khí Ar, cổ (2) dùng để đƣa còi siêu âm vào dung dịch chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt, cổ
(3) là đƣờng khí ra.
Quy trình chế tạo đƣợc mô tả chi tiết khi khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ
chất hoạt hóa bề mặt TSC.
a. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu
âm và khảo sát ảnh hƣởng chất hoạt hóa bề mặt.
Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của nồng độ TSC
Sơ đồ 2.1 mô tả quy trình chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết
tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau.
22
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết
hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau
Các bƣớc chế tạo hạt nano đƣợc thực hiện chi tiết nhƣ sau:
Cho 4 ml dd ZnCl2 0,25 M và dd TSC 2,5 M vào bình cầu 3 cổ, bổ sung
thêm 96 ml nƣớc cất để đƣợc 100 ml dung dịch A và độ pH đạt tới 9 (± 0,2). Ở đây,
các dung dịch NaOH nồng độ 0,50 M và 0,10 M đƣợc sử dụng để điều chỉnh pH
dung dịch.
50 ml dd Na2S (dd B) 0,02 M đƣợc cho vào buret (250 ml) và nhỏ từ từ vào
100 ml dung dịch A. Trong suốt quá trình này, còi siêu công suất ~190W đƣợc áp
dụng liên tục. Sau khi dung dịch Na2S đƣợc nhỏ hết, hệ siêu âm vẫn tiếp tục đƣợc
bật trong vòng 10 phút. Mẫu vật liệu thu đƣợc có màu trắng nhờ.
Để bảm bảo độ lặp lại của mẫu, trƣớc khi nhỏ dd B vào dd A, buret đƣợc
điều chỉnh sao cho tốc độ nhỏ giọt là 0,03 ml/s. Nƣớc cất trƣớc khi sử dụng đƣợc
thổi bằng khí Ar để đảm bảo không còn khí oxy. Bên cạnh đó, trong suốt quá trình phản ứng, dung dịch đƣợc dùy trì tại 0oC và thổi khí Ar liên tục.
Các mẫu ZnS chế tạo với nồng độ chất hoạt hóa bề mặt TSC lần lƣợt nhƣ
trong Bảng 2.2.
23
Thể tích (ml) Dung dịch hóa chất Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
TSC 2,5M 1 2 4 6 10 20
Bảng 2.2. Thể tích dd TSC thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano ZnS
Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn 50%
và khảo sát các phép đo: khảo sát hình thái, cấu trúc và kích thƣớc hạt bằng phổ
nhiễu xạ tia X và chụp ảnh TEM, đồng thời khảo sát các tính chất quang bằng phổ
hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang.
Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của nồng độ 4-ATP
Các bƣớc chế tạo mẫu ZnS khảo sát với chất hoạt hóa bề mặt 4-ATP đƣợc
thực hiện tƣơng tự nhƣ chất hoạt hóa bề mặt TSC. Các mẫu ZnS chế tạo với nồng
độ 4-ATP thêm vào mô tả nhƣ trong Bảng 2.3.
Thể tích (ml) Dung dịch hóa chất Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
4-ATP 2.10-3M 1 2 4 6 10 20
Bảng 2.3. Thể tích dd 4-ATP thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano ZnS
Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn 50%
và khảo sát các phép đo: khảo sát các tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-Vis và
khảo sát khả năng chức năng hóa của vật liệu với nhóm amin (-NH2) bằng phổ hấp
thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR.
b. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu
âm và khảo sát ảnh hƣởng của công suất còi siêu âm.
Chúng tôi đã tiến hành thay đổi công suất còi siêu âm đối với loạt mẫu sử
dụng 10 mL TSC để nghiên cứu sự ảnh hƣởng của tác nhân vật lý này đến tính chất
của vật liệu. Bảng 2.4 mô tả chi tiết công suất siêu âm đƣợc áp dụng trong quá trình
khảo sát.
24
Công suất còi siêu âm
STT Dung dịch hóa chất
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5
1 TSC 2.5M 10ml 150W 190W 225W 270W 300W
Bảng 2.4. Các công suất siêu âm sử dụng để chế tạo ZnS với các mẫu pha
tạp 10 mL chất hoạt hóa bề mặt TSC.
Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn
50% và khảo sát các phép đo: Khảo sát các tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-
Vis; Khảo sát cấu trúc và kích thƣớc hạt bằng phổ nhiễu xạ tia X.
2.2. Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng các hạt ZnS trong cảm biến điện hóa
xác định nồng độ ADN trong dung dịch
2.2.1. Hóa chất sử dụng
Hóa chất sử dụng bao gồm: MIA (methyl immidazole), EDC (1-Ethyl-3-(3-
dimethylaminopropyl)carbodiimide), Natri Hydrogen phosphate (Na2HPO4), Kali
dihydrogen phosphate (KH2PO4), natri clorua (NaCl), Kali clorua (KCl), Natri
Hydroxit (NaOH), Axit sunphuric (H2SO4), ethanol (C2H5OH).
Hai loại ARN: ARN1 để các nhóm phosphate tự do ở vị trí 3’ sau các
Adenine (5'-TCTTGTGTCCAGGCATCCCTAAAAAAAAAA-3’-Phosphate) và
ARN2 (Phosphate-5'- AAAAAAAAAAGCCTCGGTTGTGACAGAG-3’) có các
nhóm phosphate tự do ở vị trí 5’ đƣợc đặt hàng thiết kế bởi PGS. TS. Nguyễn Thị
Vân Anh (khoa Sinh học – Đại học Khoa học tự nhiên) với 10 Adenine lặp lại).
ARN1, ARN2 là hai phân tử ARN có khả năng liên kết đặc hiệu với ADN vủa virus
EBV.
EDC, MIA đặt hàng từ BioBasic, lƣu trữ trong tủ 4oC. Dung môi nƣớc sử
dụng là nƣớc cất 2 lần đƣợc khử trùng. Dung môi PBS đƣợc pha theo công thức 1X
thể hiện trong Bảng 2.5.
25
Muối Nồng độ (mmol/L) Nồng độ (g/L)
NaCl 137,00 8,00
KCl 2,70 0,20
10,00 1,42 Na2HPO4
1,80 0,24 KH2PO4
Bảng 2.5. Nồng độ các hóa chất sử dụng để pha dung môi PBS 1X.
Natri Hydrogen phosphate (Na2HPO4), Kali dihydrogen phosphate
(KH2PO4), natri cloride (NaCl), Kali cloride (KCl), Natri Hydroxit (NaOH), Axit
sulfuric (H2SO4), ethanol (C2H5OH) đƣợc sử dụng với độ tinh sạch tin cậy.
2.2.1. Quy trình khảo sát khả năng gắn kết của vật liệu với các phân tử ARN
Trong quá trình khảo sát chế tạo hạt nao ZnS sử dụng chất hoạt hóa bề mặt
4-ATP, nhóm nghiên cứu chúng tôi nhận ra rằng, ZnS đã đƣợc chức năng hóa với
nhóm chức amin ngay trong quá trình chế tạo. Cơ chế hình thành hạt ZnS-4ATP
Tinh thể
6
Tinh thể
Để có thể ứng dụng trong cảm biến ADN, nhóm nghiên cứu đã tiến hành gắn
diễn ra nhƣ sau:
kết các hạt nano ZnS-4ATP với các phân tử ARN2 bằng phản ứng liên kết cộng hóa
trị thông qua hỗ trợ xúc tác của MIA (methyl immidazole) và EDC (1-Ethyl-3-(3-
dimethylaminopropyl)carbodiimide).
Quá trình thực hiện đƣợc tiến hành cụ thể nhƣ sau: 2 mg EDC đƣợc cho vào
1 ml MIA trong ống ependorf và lắc đều cho đến khi tan hết; 1 mL ARN2 nồng độ
25 μM đƣợc hòa tan vào trong 5 mL dung dịch PBS pH 7.0 (chứa trong một ống
nghiệm nhỏ có thể tích 20 mL). Sau đó 0,5 mL dung dịch ZnS-4ATP đƣợc nhỏ vào
trong ống nghiệm, lắc đều. Cuối cùng 1 mL hỗn hợp EDC, MIA đƣợc đổ vào ống
26
nghiệm lắc đều nhẹ tay và để qua đêm cho phản ứng hoàn toàn xảy ra.
Sau đó dung dịch đƣợc lọc rửa lại bằng quay li tâm, mỗi lần rửa đều sử dụng
chế độ 2000 rpm trong vòng 30 phút. Lƣu ý, tất cả dung môi sử dụng để quay li tâm
đều là PBS 1X đƣợc pha bằng nƣớc cất 2 lần khử trùng. Cuối cùng dd chứa hệ hạt ZnS-4ATP-ARN đƣợc pha ra 10 mL dung dịch và lƣu trong tủ 4oC. Mỗi lần sử
dụng đều đƣợc hút 0,5 mL bằng đầu côn khử trùng.
Các mẫu chứa hệ hạt ZnS-4ATP-ARN2 đƣợc tiến hành đo phổ tán xạ Raman
để khẳng định sự liên kết của hạt Zn-4ATP với ARN2.
2.2.2. Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS vào cảm biến điện
hóa để xác định nồng độ ADN của virus EBV
ARN1 ARN2
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ADN sử dụng hạt nano ZnS-
4ATP để phát hiện sự có mặt ADN của virus.
Hình 2.2 mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biển, cảm biến ADN sử dụng
hai loại ARN khác nhau có khả năng bắt cặp đặc hiệu với ADN của virus Estenbar
(EBV). Khi có xự xuất hiện của ADN đích (ADN của virus EBV), chuỗi ARN1 gắn
với điện cực vàng và chuỗi ARN2 gắn với hạt nano ZnS sẽ bắt cặp với chuỗi ADN
đích tạo thành hệ sandwich “điện cực - 4ATP – ARN1 – ADN đích – ARN2 –
4ATP – ZnS” (Sau đây gọi là hệ “điện cực – ADN – ZnS”). Khi nồng độ ADN thay
đổi sẽ kéo theo sự thay đổi về số lƣợng bắt cặp của hệ “điện cực – ADN – ZnS”. Áp
dụng phƣơng pháp đo điện thế quét vòng trên bề mặt điện cực có thể xác định đƣợc
nồng độ ADN của virus EBV có trong dung dịch.
Điện cực sử dụng là điện cực vàng đƣợc thiết kế nhƣ sau:
27
Trụ vàng Au
Dây Cu
Hình 2.3. Thiết kế của điện cực vàng sử dụng trong cảm biến ADN
Mỗi lần sử dụng, bề mặt điện cực đƣợc mài bằng giấy nhám 8000 (8000 hạt/mm2). Sau đó điện cực đƣợc rửa siêu âm trong nƣớc cất 2 lần trong 30 phút, rồi
tiếp tục lần lƣợt siêu âm trong H2SO4 0,5 M và NaOH 0,1 M. Cuối cùng nƣớc cất 2
lần đƣợc sử dụng để loại bỏ các hóa chất còn dƣ [45].
Để chức năng hóa, điện cực đƣợc ngâm trong 10 mL dung dịch 4-ATP 0,1M
(4-ATP đƣợc pha bằng ethanol), thời gian 12h. Khi này, các phân tử 4-ATP sẽ liên
kết với bề mặt điện cực thông qua liên kết Au-S bền vững [23]; đầu còn lại là các
nhóm –NH2 tự do. Lƣu ý, là từ sau bƣớc chức năng hóa với 4-ATP điện cực đều
đƣợc ngâm rửa với dung dịch đệm PBS 1X đã đƣợc khử trùng, đảm bảo không lẫn
các tạp phân tử sinh học lạ.
Để khảo sát nồng độ ADN thông qua điện thế quét vòng, ADN đích có trong
dung dịch đã đƣợc đun sôi trong 5 phút sau đó nhanh chóng đƣa vào trong nƣớc đá
để giải phóng các chủng ADN nhƣng vẫn còn ở dạng mạch đơn.
Nồng độ ADN đích khác nhau (Bảng 2.6) đƣợc thêm vào trong dung dịch
đệm PBS có chứa ZnS-4ATP-ARN2, điện cực gắn với ARN1 cũng đƣợc đƣa vào
cùng lúc. Hệ mẫu đƣợc để phản ứng trong 10 phút sau đó điện cực sẽ đƣợc rửa sạch
3 lần bằng PBS.
a 0,5 × 105 b 1,0 × 105 c 1,5 × 105 d 2,0 × 105 e 1,5 ×105 Mẫu Nồng độ AND đích (coppies/ml)
Bảng 2.6. Nồng độ ADN đích nhỏ vào điện cực trong quá trình khảo sát
Điện cực sau đó đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp đo điện thế quét vòng
trong khoảng [- 0,2 V, 0,6 V].
28
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và
khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo.
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ TSC
Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi lọc rửa sạch, đƣợc khảo sát hình thái,
cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh TEM và khảo sát các tính chất quang
bằng phổ hấp thụ UV-Vis, phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR và phổ
quang phát quang.
) s b A
(
ụ h t
p ấ h
ộ Đ
Bƣớc sóng (nm)
a. Phân tích phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis.
Hình 3.1. Phổ hấp thụ UV-Vis của các mấu chứa hạt nano ZnS chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các lượng TSC pha tạp khác nhau và
tính toán năng lượng vùng cấm.
Hình 3.1 mô tả phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến và tính toán năng lƣợng
vùng cấm của mẫu hạt nano ZnS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa
kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC pha tạp khác nhau. Phổ hấp thụ là phổ hấp
thụ ánh sáng điển hình của ZnS - hấp thụ yếu ở vùng khả kiến và vùng hồng
ngoại gần, hấp thụ mạnh ở vùng UV, điều này phù hợp với kết quả trƣớc đó
đƣợc công bố [6, 7].
29
Mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ α và năng lƣợng photon hν đƣợc thể hiện
trong các công thức sau:
Trong đó A là hằng số và Eg là độ rộng vùng cấm của vật liệu, hν năng lƣợng
photon, α là hệ số hấp thụ [43].
Dựa vào công thức trên, Hình 3.1 bên phải biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc của (αhν)2 vào hν và năng lƣợng vùng cấm đƣợc xác định bằng bởi giao điểm các
đƣờng fit với trục hoành nhƣ thể hiện trên hình. Kết quả là: độ rộng vùng cấm của
vật liệu có xu hƣớng giảm từ 3,79 eV xuống còn 3,6 eV khi lƣợng TSC pha tạp tăng
)
từ 1 ml đến 20 ml (Hình 3.2).
V e ( g
E
Thể tích TSC (ml)
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cầm vào lượng TSC thêm vào trong
quá trình chế tạo vật liệu nano ZnS.
Nhƣ vậy, Eg của vật liệu chế tạo đƣợc có xu hƣớng giảm xuống thấp hơn so
với độ rộng vùng cấm của vật liệu khối ZnS là 3,67 eV. Điều này có thể giải thích
do: các gốc tự do COOH và COH của phân tử TSC đã liên kết trực tiếp trên bề mặt
tinh thể ZnS và sự tƣơng tác giữa bề mặt vô cơ với các phân tử hữu cơ đã làm ảnh
hƣởng đến năng lƣợng vùng cấm của vật liệu.
Để có thể khẳng định giả thuyết trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đo phổ
30
hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR đối với hai loạt mẫu có TSC và không có
TSC đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 3.3.
Hình 3.3. Phổ FTIR của mẫu chứa hạt nano ZnS khi không có TSC
và khi có 4 ml TSC
Từ phổ FTIR có thể nhận thấy, khi có 4 ml TSC, có sự xuất hiện thêm các đỉnh phổ ở vị trí 558 cm-1, 1293 cm-1, 1394 cm-1, 1580 cm-1 đặc trƣng cho dao động của nhóm COOH và đỉnh phổ ở vị trí 1117 cm-1 đặc trƣng cho dao động của nhóm
COH. Kết quả này là phù hợp với nghiên cứu đã đƣợc công bố trƣớc đây của nhóm
TS. Rodrigo Marques Ferreira (Đại học Estadual Paulista – Brazil) [38].
Dao động Đo đƣợc -1 Công bố -1 (cm ) (cm )
558 COO- 560
1117 C=O- 1129
1293 COO- 1290
1394 COO- 1383
1580 COO- 1606
Bảng 3.1. Đỉnh phổ FTIR của các mẫu chứa hạt nano ZnS pha tạp 4 ml TSC
và các đỉnh phổ FTIR đã công bố.
Nhƣ vậy, với kết quả thu đƣợc có thể nhận định các gốc tự do COOH và
31
COH của phân tử TSC đã liên kết trực tiếp với bề mặt tinh thể ZnS, tác động làm
thay đổi Eg của vật liệu.
b. Phân tích phổ XRD và ảnh chụp TEM
Hình 3.4 mô tả phổ nhiễu xạ tia X và hình ảnh chụp TEM của các hạt nano
ZnS chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC
pha tạp khác nhau. Các hạt nano ZnS chế tạo đƣợc có kích thƣớc nhỏ hơn 2 nm và
có phổ nhiễu xạ tia X đặc trƣng cho cấu trúc lập phƣơng tâm mặt – khớp với phổ
chuẩn đƣợc công bố (JCP2 – 05-0566).
1 1 1
0 2 2
1 1 3
) u . a ( i ố đ
g n ơ ƣ t
ộ đ
g n ờ ƣ C
2θ(o)
Hình 3.4. Phổ XRD của các hạt nano ZnS chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa
kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau. và ảnh TEM hạt nano ZnS chế tạo
với 10 ml TSC
Sử dụng chƣơng trình Gaussian để tính toán vị trí các đỉnh và độ bán rộng
(FWHM). Từ những giá trị này, kích thƣớc tinh thể trung bình của hạt đƣợc ƣớc
tình bằng cách áp dụng công thức Debye-Sherrer:
trong đó D là kích thƣớc hạt trung bình (nm), B là độ bán rộng của đỉnh (tính bằng
radian), θ là góc nhiễu xạ Bragg , λ là bƣớc sóng tia X ( λ = 1,54056 Å).
32
Kết quả thu đƣợc biểu diễn trong Hình 3.5, thể hiện mối quan hệ giữa kích
thƣớc tinh thể trung bình của hạt với nồng độ TSC tham gia vào quá trình phản ứng.
)
m n ( h n
ì
b g n u r t c ớ ƣ h t h c í K
Thể tích TSC (ml)
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể trung bình vào nồng độ TSC tham
gia vào quá trình chế tạo hạt nano ZnS
Từ đây, ta có thể quan sát thấy, hạt ZnS chế tạo đƣợc có kích thƣớc vô cùng
nhỏ (< 2 nm) và nhỏ hơn bán kính Bohr [8]. Khi nồng độ TSC pha tạp tăng từ 1 ml
lên 10 ml, kích thƣớc tinh thể trung bình của hạt nano ZnS có xu hƣớng tăng từ 1,65
nm lên đến 1,8 nm. Đến khi lƣợng TSC pha tạp là 20 ml thì kích thƣớc tinh thể
giảm mạnh chỉ còn 1,45 nm. Hiện tƣợng này có thể đƣợc giải thích là do ban đầu,
khi lƣợng TSC tham gia vào quá trình phản ứng nhỏ, các gốc tự do -COOH, -COH
của phân tử TSC liên kết trực tiếp trên bề mặt tinh thể hạt nano ZnS và chính những
liên kết này làm cho các hạt tƣơng tác với nhau và có xu hƣớng kết đám lại. Lƣợng
TSC pha tạp càng lớn thì sự tƣơng tác gây ra do các gốc tự do -COOH, -COH càng
tăng, làm cho kích thƣớc tinh thể trung bình của hạt tăng lên. Phải đến khi lƣợng
TSC tăng lên là 20 ml, khi đó những liên kết của các phân tử TSC đã đủ lớn để tạo
thành một lớp điện tích âm, phủ kín xung quanh bề mặt hạt nano ZnS, làm cho các
hạt có xu hƣớng đẩy nhau. Chính hiệu ứng này đã làm giảm kích thƣớc của hạt nano
ZnS.
33
Nhƣ vậy có thể nhận định, chất hoạt hóa bề mặt TSC đã tác động làm thay
đổi kích thƣớc của hạt nano ZnS.
c. Phân tích phổ quang phát quang
Phổ quang phát quang (PL) và kích thích quang phát quang (PLE) của hạt
Phổ PL Kích thích tại 320 nm
Phổ kích thích Vị trí đo PL: 430 nm nm
) s t n u o c ( L P ộ đ
g n ơ ƣ C
Bƣớc sóng (nm)
nano ZnS trong dung dịch đƣợc thể hiện trong Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ quang phát quang và kích thích phát quang của hạt nano ZnS
Dƣới kích thích của tia cực tím (UV) ở 320 nm, các hạt nano trong dung dịch
phát ra ánh sáng màu xanh tím, trong đó phổ PL có một đỉnh ở 430 nm (2.88 eV),
phổ PLE có đỉnh tƣơng đối cao ở 320 nm (~3.89 eV). Kết quả cũng tƣơng tự với kết
quả nghiên cứu trƣớc đó của nhóm T.T. Quynh Hoa [8]. Dƣới ánh sáng kích thích ở
320 nm, hạt ZnS phát xạ màu xanh tím mạnh ở vùng UV.
Từ những kết quả trên, nhóm nghiên cứu có thể khẳng định đã chế tạo thành
công hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm, các hạt nano
ZnS thu đƣợc có kích thƣớc rất nhỏ và có khả năng phát huỳnh quang mạnh. Đồng
thời, nhóm nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hƣởng của chất hoạt hóa bề mặt TSC
tham gia vào quá trình tổng hợp hạt ZnS. Chất hoạt hóa Trisodium citrate (TSC)
đóng vai trò là chất ức chế sự phát triển kích thƣớc của các hạt nano ZnS, nồng độ
34
TSC càng tăng thì kích thƣớc hạt càng giảm.
Hạt nano ZnS chế tạo đƣợc với các tính chất nêu trên dự đoán sẽ là vật liệu
tiềm năng cho các ứng dụng trong y sinh, cùng với đó mở ra khả năng kiểm soát
kích thƣớc hạt nano cho nhiều ứng dụng đa ngành khác.
3.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ 4-ATP
Để khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng 4-ATP tham gia vào quá trình tổng
hợp hạt nano ZnS lên tính chất vật lý của hạt, các mẫu chứa hạt nano ZnS đã đƣợc
khảo sát bằng phổ hấp thụ Uv-Vis và phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier
FTIR.
Hình 3.7 mô tả phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu chứa hạt nano ZnS với
nồng độ chất hoạt hóa bề 4-ATP khác nhau, kết quả thu đƣợc hạt nano ZnS vẫn có
phổ hấp thụ đặc trƣng của ZnS đó là hấp thụ yếu ở vùng khả kiến và vùng tử ngoại
Lƣợng 4-ATP pha tạp tăng dần
) s b A
(
ụ h t
p ấ h
ộ Đ
Bƣớc sóng (nm)
gần, hấp thụ mạnh ở vùng UV.
Hình 3.7. Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS chế tạo bằng phương pháp đồng
kết tủa kết hợp siêu âm với nồng độ chất hoạt hóa 4-ATP khác nhau.
Sự ảnh hƣởng của hàm lƣợng 4-ATP có trong dung dịch tới độ rộng vùng
cấm tính toán thông qua phổ hấp thụ biểu diễn trong Hình 3.8.
35
Hình 3.8. Các giá trị Eg tính toán từ phổ hấp thụ UV-vis phụ thuộc vào lượng 4-ATP
tham gia vào trong qua trình chế tạo.
Ở đây có thể thấy, năng lƣợng vùng cấm của các mẫu hạt nano ZnS có xu
hƣớng giảm mạnh khi lƣợng 4-ATP tăng từ 4 ml đến 20 ml, ứng với các giá trị Eg
giảm từ 3.82 eV xuống tới 3,68 eV. Điều này có thể giải thích là do các phân tử 4-
ATP đã liên kết với bề mặt của các tinh thể ZnS – khi lƣợng 4-ATP cho vào càng
nhiều thì số lƣợng liên kết càng lớn. Sự tƣơng tác bề mặt vô cơ với các phân tử hữu
cơ đã ảnh hƣởng đến độ rộng vùng cấm của vật liệu. Có thể giả thuyết, sự tƣơng tác
này làm giảm mạnh độ rộng vùng cấm của vật liệu.
Để khẳng định giả thuyết trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát phổ
hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR khi không có 4-ATP và khi chế tạo với 4
ml và 10 ml 4-ATP.
Hình 3.9 và Hình 3.10 mô tả phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của các mẫu chứa
các hạt ZnS, chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm, khi không có
chất hoạt hóa bề mặt (màu đen) và khi có chất hoạt hóa bề mặt 4-ATP với các lƣợng
là 4 ml (màu đỏ) và 20 ml (màu xanh).
36
Hình 3.9. Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số sóng) trong khoảng 350 cm-1 đến 1700 cm-1của các mẫu ZnS.
) s b A
( ụ h t p ấ h ộ Đ
Hình 3.10. Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Độ hấp thụ - Số sóng) trong khoảng 2000 cm-1 đến 3800 cm-1 của các mẫu ZnS.
Khi lƣợng cho vào là 4 ml 4-ATP, có thể thấy sự xuất hiện rất nhiều đỉnh đặc
trƣng của 4-ATP, nhƣng đặc biệt là không thấy sự có mặt của đỉnh hấp thụ đặc trƣng của gốc –SH thƣờng đƣợc gán tại vị trí quanh 2520 cm-1.
Khi lƣợng 4-ATP tăng lên 10ml có thể thấy sự xuất hiện thêm của gờ tại
37
khoảng 3256 cm-1, rất gần với hấp thụ đặc trƣng của dao động N-H dọc trục (νNH).
Nhƣ vậy, có thể nhận định rằng các hạt nano ZnS đã đƣợc chức năng hóa bề mặt
bằng chất hoạt hóa 4-ATP và đƣợc gắn các nhóm chức amin (NH2) trên bề mặt tinh
thể .
3.1.3. Ảnh hƣởng của công suất còi siêu âm sử dụng trong quá trình chế tạo hạt
ZnS.
Trong quá trình khảo sát ảnh hƣởng của công suất siêu âm, nhóm nghiên cứu
đã tiến hành thí nghiệm với loạt mẫu chế tạo với 10 ml TSC, là mẫu hạt chế tạo cho
kích thƣớc hạt lớn nhất nhƣ đã khảo sát ở phần trên, để tiến hành khảo sát với
những công suất siêu âm khác nhau. Hạt sau khi chế tạo đƣợc đo và phân tích bằng
phổ nhiễu xạ X-ray và phổ hấp thụ UV-Vis để khảo sát các tính chất vật lý.
) s b A
(
ụ h t
p ấ h
ộ Đ
Bƣớc sóng (nm)
a. Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis
Hình 3.11. Phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS với 10 ml TSC với các công suất
chế tạo khác nhau.
Hình 3.11 mô tả phổ hấp thụ UV-Vis của hạt nano ZnS với 10 ml TSC với
các công suất chế tạo khác nhau, kết quả thu đƣợc hạt nano ZnS vẫn có phổ hấp thụ
đặc trƣng của ZnS nhƣ đã nêu ra từ các phép khảo sát trên.
38
)
V e ( g
E
Thể tích TSC (ml)
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cấm vào công suất siêu âm
Hình 3.12 thể hiện sự phụ thuộc của năng lƣợng vùng cấm vào thể thích TSC
và công suất siêu âm. Từ Hình 3.12 có thể thấy, khi công suất siêu âm tăng, năng
lƣợng vùng cấm của hạt nano ZnS có xu hƣớng tăng mạnh.
b. Phân tích phổ nhiễu xạ X-Ray
Bênh cạnh việc phân tích phổ hấp thụ UV-Vis, các mẫu chứa hạt nano ZnS
đƣợc chế tạo khi pha tạp với 10ml TSC đƣợc tiến hành đo phổ nhiễu xạ X-Ray để
tiếp tục khảo sát về cấu trúc.
1 1 1
) u
0 2 2
1 1 3
. a ( i ố đ
g n ơ ƣ t ộ đ
g n ờ ƣ C
2θ (o)
Hình 3.13. Phổ XRD của hạt nano ZnS chế tạo với 10ml TSC với các công
suất siêu âm khác nhau.
39
Các hạt nano ZnS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp siêu
âm khi có mặt 10ml chất họat hóa bề mặt TSC cũng cho kích thƣớc rất nhỏ và phổ
nhiễu xạ tia X đặc trƣng cho cấu trúc lập phƣơng tâm mặt – khớp với phổ chuẩn
đƣợc công bố (JCP2 – 05-0566) thể hiện trên Hình 3.13.
Sử dụng chƣơng trình Gaussian để tính toán vị trí các đỉnh và độ bán rộng
(FWHM), áp dụng công thức Debye-Sherrer và biểu diễn sự phụ thuộc của kích
thƣớc hạt vào công suất siêu âm (Hình 3.14), ta thu đƣợc kích thƣớc của hạt giảm
dần khi công suất siêu âm tăng lên, từ 1,88 nm giảm xuống còn 1,35 nm tƣơng ứng
)
m n ( h n ì b g n u r t t ạ h
c ớ ƣ h t
h c í K
Thể tích TSC (ml)
với việc tăng công suất siêu âm từ 150 W lên 300 W.
Hình 3.14. Kích thước tinh thể trung bình của ZnS chế tạo bằng phương pháp đồng
kết tủa kết hợp siêu âm pha tạp 10ml TSC.
Từ kết quả trên một lần nữa có thể khẳng định, công suất siêu âm đã tác động
tích cực làm thay đổi kích thƣớc hạt nano ZnS. Khi tăng công suất siêu âm thì kích
thƣớc hạt giảm xuống. Trong đó, sóng siêu âm đóng vai trò tạo ra các dòng xoáy
với tần số rất lớn, đồng thời hình thành các tâm thay đổi áp suất, làm cho các hạt
nano chuyển động hỗn loạn, liên lục, không liên kết đƣợc với nhau.
Tuy nhiên, luận văn còn có giới hạn là chƣa nghiên cứu đƣợc tới hạn về ảnh
hƣởng của công suất còi siêu âm đến tính chất vật lý mà cụ thể ở đây là kích thƣớc
40
của hạt nano ZnS.
Nhƣ vậy, việc kết hợp siêu âm và chất hoạt hóa bề mặt có thể giúp thay đổi
đƣợc kích thƣớc của các hạt nano ZnS. Các hạt nano chế tạo đƣợc có kích thƣớc vô
cùng nhỏ, đã đạt tới kích thƣớc lƣợng tử và là kích thƣớc hạt nhỏ nhất từ trƣớc đến
nay chế tạo bằng phƣơng pháp hóa lý. Không những vậy, hạt nano ZnS chế tạo
đƣợc còn biểu hiện đầy đủ khả năng phát huỳnh quang mạnh, điều này hứa hẹn khả
năng ứng dụng của các hạt trong đánh dấu và nghiên cứu y sinh.
3.2. Mô hình đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano ZnS trong cảm
biến điện hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus gây bệnh.
3.2.1. Đánh giá khả năng liên kết đặc hiệu của các phân tử ZnS-4ATP với
ARN2.
Với mục đích ứng dụng hạt nano ZnS trong cảm biến ADN nhằm phát hiện
virus gây bệnh, các hạt ZnS-4ATP đã đƣợc đính kết với các phân tử ARN2 – là một
chuỗi các nucleotide có khả năng nhận biết đặc hiệu ARN của virus EBV – tác nhân
gây ung thƣ vòm họng, ung thƣ hạch bạch huyết và ung thƣ dạ dày.
Để khảo sát khả năng gắn kết giữa hạt nano ZnS-4ATP với các phân tử
ARN, nhóm nghiên cứu tiến hành đo phổ Raman nhƣ Hình 3.15, trong đó nhóm đã
tiến hành đo với 2 loạt mẫu: mẫu ZnS-4ATP và mẫu ZnS-4ATP-ARN.
Trong số các đỉnh phổ thu đƣợc, ta có thể thấy một số đỉnh biểu diễn các dao động phonon đặc trƣng của tinh thể ZnS nhƣ các đỉnh tại vị trí 259 cm-1 và 348 cm-1 tƣơng ứng với các dao động phonon dọc và ngang [18]; đỉnh tại vị trí 307 cm-1
trùng với đỉnh tán xạ Raman loại 2 của tinh thể ZnS [15]. Trong khoảng từ 1000 cm-1 đến 1800 cm-1, phổ tán xạ có các đỉnh đặc trƣng cho dao động của các phân tử 4-ATP, đƣợc tổng hợp trong Bảng 3.3. Từ 370 cm-1 to 900 cm-1 phổ tán xạ còn có thêm đỉnh tại các vị trí 438 cm-1, 514 cm-1, 579 cm-1, 683 cm-1, 766 cm-1 ADN 863 cm-1. Sự xuất hiện các đỉnh này có thể là do những dao động mạnh của các phân tử
hữu cơ 4-ATP.
41
ZnS-4ATP-ARN
ZnS-4ATP
Hình 3.15. Phổ Raman của các hạt ZnS-ATP (a), ZnS-4ATP sau khi gắn với các
phân tử ARN nhận biết EBV (b) và sự khác biệt giữa hai phổ [(b)-(a)]. Kết quả cho
thấy sự có mặt của các đỉnh phổ đặc trưng cho các liên kết của chuỗi ARN/ADN
cùng với các hạt vật liệu.
Dao động Tham khảo
Đo đƣợc (cm-1) 259 307 348 387 1018 1188 1305 1409 1487 Đã công bố (cm-1) 259 304 347 389 1002 1178 1294 1386 1484 TO (ZnS) hoặc ν ZnS Second order W (ZnS) LO (ZnS) νCS+δNH+γ’ γCC+γCCC+νCS δCH νCN νCN+ γPhenyl γPhenyl +δNH [18] [15] [18] [16] [16] [16] [16] [16] [16]
Bảng 3.2. Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman của các hạt ZnS-ATP và ZnS-4ATP-ARN
Do nồng độ ARN thấp, các đỉnh phổ đo đƣợc do các dao động và liên kết của
phân tử ARN thấp hơn nhiều so với các phân tử 4-ATP. Để biểu thị sự khác nhau
giữa hai phổ, chúng tôi đã tiến hành nhân phổ của ZnS-4ATP để sao cho phổ của
42
ZnS-4ATP gần trùng nhất với phổ ZnS-4ATP-ARN, sau đó trừ hai phổ cho nhau để
thu đƣợc phổ mới – đƣợc gọi tên là phổ hiệu ((b) - (a)).
Phổ hiệu đã chỉ ra sự có mặt của chuỗi ADN đơn lẻ. Có thể thấy phổ hiệu có sự xuất hiện thêm một số đỉnh phổ tại 1082 cm-1, 1252 cm-1, 1474 cm-1, 1643 cm-1 và 1748 cm-1 lần lƣợt ứng với các liên kết đặc hiệu khung ribose, vòng thơm của
Thymine, -NC- của Thymine, C=O-CN- của Cytosine và –C-P(OH)2N- của chuỗi
nucleotide khớp với các đỉnh phổ đã công bố, đƣợc liệt kê trong Bảng 3.3. Bên cạnh đó có 2 đỉnh phổ ở vị trí 1354 cm-1 và 1748 cm-1, sự xuất hiện của hai đỉnh này có
thể đƣợc tạo nên từ dao động của nhóm (–N-P(OH)2-C-) hình thành từ phản ứng
giữa nhóm (–NH2) của 4-ATP với các nhóm phosphate của ARN.
Dao động Tham khảo
Đo đƣợc (cm-1) 1082 1252 1354 Đã công bố (cm-1) 1093 1238 DNA backbone Vòng + CH of Thymine -C3-P(OH)2-N- [38] [33] Nghiên cứu này
1474 [33]
1643 [33]
1748 1472 1482 1655 1657 -N1C2+C2N3 của Thymine N3C4 +N3C4 củaCytosine C2=O-C2N3 của Cytosine C4=O+C-C6 của Thymine -C3-P(OH)2-N- Nghiên cứu này
Bảng 3.3. Các đỉnh phổ nhiễu xạ Raman thu được từ phổ hiệu
Nhƣ vậy, có thể khẳng định các hạt nano ZnS-4ATP đã liên kết thành công
với các phân tử ARN.
3.2.2. Đánh giá khả năng ứng dụng của hạt nano ZnS trong cảm biến điện hóa
để phát hiện nồng độ ADN của virus EBV.
Các chuỗi ADN đích liên kết với các hạt ZnS-4ATP-ARN2 và với hệ điện
cực – ARN1 tạo thành một hệ thức sandwich phức: “điện cực – ADN – ZnS”. Khi
thay đổi nồng độ của ADN đích, quá trình lai tạo “điện cực – ADN – ZnS” tăng lên
do đó làm tăng số lƣợng hạt ZnS trên bề mặt điện cực. Khi điện thế quét vòng áp
dụng trong khoảng [-0,2V: 0,6V], một số các nguyên tố Zn từ tinh thể bỏ điện tử và
43
trở thành các ion dƣơng, thể hiện trong phƣơng trình sau:
Quá trình oxy hóa lớn nhất tại đỉnh oxy hóa = 0,34 V, tƣơng ứng với
Tăng nồng độ ADN đích
)
A μ ( E C g n ò D
Điện thế (V)
các đỉnh quan sát đƣợc trong hình 3.16.
Hình 3.16. Điện thế quét vòng với các nồng độ ADN khác nhau
Hình 3.16 mô tả sự phụ thuộc của dòng điện thay đổi trên bề mặt điện cực
vào điện thế trong phƣơng pháp đo điện thế quét vòng khi nồng độ ADN đích khác
nhau.
Nhƣ đã thảo luận, khi tăng nồng độ ADN đích, số lƣợng các hạt ZnS có trên
bề mặt điện cực tăng theo và do đó, quá trình oxy hóa diễn ra trên bề mặt điện cực
cũng tăng lên. Hình 3.16 cho thấy sự thay đổi của dòng điện đo đƣợc tại vị trí 0,34V – vị trí oxy hóa khử của Zn2+, nồng độ ADN đích càng lớn thì sự thay đổi càng rõ rệt. Khi nồng độ ADN đích giảm xuống còn 0,5×105 các tín hiệu gần nhƣ không
phân biệt đƣợc với nhau.
Tuy nhiên khi lập một đƣờng tuyến tính biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ
dòng vào nồng độ ADN tại vị trí 0,34 V, thể hiện trong Hình 3.17, ta có thể thấy rằng độ nhạy đạt đƣợc là cỡ 0,12 μA/mm2fM.
Mật độ dòng điện đƣợc tính toán theo công thức:
44
Trong đó: là mật độ dòng điện (A/m2); I là cƣờng độ dòng (A); S tiết diện
điện cực vàng đƣờng kính 3 mm
Và nồng độ ADN đƣợc tính bằng số phân tử ADN chia cho hằng số
Avogadro:
Trong đó CM(ADN) là nồng độ mol của ADN (M), N là số các phân tử ADN có
)
2
Mật độ dòng (μM/mm2) Đƣờng fit
/
m m A μ ( g n ò d
ộ đ t ậ
M
Nồng độ ADN (fM)
trong dung dịch, NA là hằng số Avogadro, NA = 6,022. 1023 mol−1.
Hình 3.17. Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện trong điện cực vào nồng độ ADN
đích.
Nhƣ vậy, hạt nano ZnS-4ATP chế tạo đƣợc đã bƣớc đầu ứng dụng thành
công trong cảm biến ADN để phát hiện nồng độ ADN của virus gây bệnh.
45
KẾT LUẬN
Luận văn đã chế tạo thành công hạt nano ZnS bằng phƣơng pháp đồng kết
tủa kết hợp siêu âm. Bằng việc khảo sát ảnh hƣởng của chất hoạt hóa bề mặt lên
tính chất vật lý của hạt ZnS đã thu đƣợc những kết quả nhƣ sau: với chất hoạt hóa
TSC, nghiên cứu đã cho thấy chất hoạt hóa bề mặt đã tác động làm thay đổi kích
thƣớc và năng lƣợng vùng cấm của hạt nano ZnS. Hạt nano chế tạo đƣợc có kích
thƣớc đạt tới kích thƣớc lƣợng tử (< 2 nm), có khả năng phát huỳnh quang mạnh, do
vậy vật liệu đƣợc dự đoán sẽ là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng trong y sinh.
Với chất hoạt hóa 4-ATP, nghiên cứu đã thu đƣợc hạt nano ZnS đã đƣợc chức năng
hóa với nhóm amin (-NH2), là cơ sở để ứng dụng vật liệu trong cảm biến điện hóa
ADN.
Luận văn còn chỉ ra đƣợc sự phụ thuộc của kích thƣớc hạt nano vào công
suất còi siêu âm, bƣớc đầu khẳng định công suất còi siêu âm càng lớn thì kích thƣớc
hạt càng nhỏ.
Luận văn đã bƣớc đầu xây dựng thành công mô hình ứng dụng hạt nano
ZnS-4ATP đã chức năng hóa với nhóm amin vào cảm biến điện hóa để xác định
nồng độ ADN của virus EBV.
Nhƣ vậy luận văn đã đạt đƣợc mục đích nghiên cứu đã đề ra là chế tạo thành
công hạt nano ZnS với kích thƣớc rất nhỏ, có khả năng phát huỳnh quang mạnh.
Luận văn đã đƣa ra một số phƣơng pháp có thể áp dụng để kiểm soát kích thƣớc của
hạt nano bằng các điều kiện chế tạo. Đồng thời, bƣớc đầu ứng dụng thành công vật
liệu trong cảm biến điện hóa để phát hiện nồng độ ADN của virus gây bệnh.
Một số hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn có thể triển khai nhƣ: khảo
sát tới hạn về ảnh hƣởng của công suất siêu âm đến tính chất vật lý của hạt nano;
khảo sát giới hạn đo của cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano ZnS đã chức năng hóa
với nhóm chức (-NH2) để xác định nồng độ AND của virus EBV.
46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
1. Nguyễn Ngọc Long, (2007), Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia
Hà Nội.
2. Nguyễn Đức Nghĩa, (2009), Hoá học nano, Công nghệ nền và vật liệu nguồn,
NXB Viện Khoa học Việt Nam, Hà Nội.
3. Nguyễn Trí Tuấn, (2010), Tổng hợp hạt nano tinh thể ZnS pha tạp Ni2+ bằng
phương pháp đồng kết tủa, Tạp chí Khoa học, Đại học Cần Thơ.
4. Nguyễn Trí Tuấn, Nguyễn Văn Đạt, Nguyễn Thị Phƣơng Em và Lê Văn
Nhạn, (2011), Tổng hợp thủy nhiệt và nghiên cứu tính chất của các hạt vi cầu
và nano hình cầu xốp ZnS, Tạp chí Khoa học, Đại học Cần Thơ.
Tài liệu Tiếng Anh
5. Ayşem Üzer, Ziya Can, İlknur Akin, Erol Erçağ, and Reşat Apak, (2013), 4-
aminothiphenol Functionalized Gold Nanoparticle-Based Colorimetric for
Determination of Nitramine Anergetic, Anal.Chem, pp. 351-356.
6. Bahram Hemmateenejad, Mojtaba Shamsipur, Fayezeh Samari, Hamid Reza
Rajabi (2015), Study of the interaction between human serum albumin ADN
Mn‑doped ZnS quantum dots. J. Iran Chem. Soc., 12(10), pp. 1729-1738.
7. Bijoy Barman, Sarma, K. C., (2011), Luminescence properties of ZnS quantum
dots embedded in polymer matrix. Chalcogenide Letter., 8(3), pp. 171-176.
8. Bhattacharjee, B., Ganguli, D., Iakoubovskii, K., Stesmans, A. and Chaudhuri, Y., (2002), Synthesis and characterization of sol-gel derived ZnS:Mn2+
nanocrystallites embedded in silica matrix. Bull. Mater. Sci., 25(3), pp. 175-
180.
9. Bonnemann, H. ADN Brijoux, (1996), Advanced Catalysts and
Nanostructured Materials, Academic Press, pp. 165.
47
10. Bradley, J. S., Hill, E. W., Klein, C., Chaudret, B. and Duteil, A., (1993),
Synthesis of monodispersed bimetallic palladium–copper nanoscale colloids.
Chem. Mater., 5, pp. 254–256.
11. Brus, L.E., (1984), Electron-electron ADN electron-hole interactions in
small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited
electronic state. J. Chem. Phys., 80(9), pp. 4403-4409.
12. Dhiraj Kumar, Brian J Meenan, Isha Mutreja, Raechelle D’Sa and Dorian
Dixon Nibec, (2012), Controlling the size and size distribution of gold
nanoparticles: a design of experiment study, International Journal of
Nanoscience, Vol.11, No.2 1250023.
13. Fang Xiaosheng, Zhai Tianyou, Gautam, U., K., Li Liang, Wu Limin, Bando
Yoshio and Dmitri Golberg, (2011), Progress in Materials Sciene, Fudan
University, China, pp. 178 – 182.
14. Gayou, V.V., Salazar-Hernández, B., Delgado Macuil, R., Zavala, G.,
Santiago, P. and Oliva, A.I., (2010), Structural Studies of ZnS Nanoparticles
by High Resolution Transmission Electron Microscopy. JouARNl of Nano
Research, 9, pp. 125-132.
15. George B. Wright, (1968), Light Scattering Spectra of Solids, Proceedings of
the International Conference held at New York University.
16. Ismail Hakki Boyaci, Havva Tümay Temiz , Hüseyin Efe Geniş , Esra Acar
Soykut, Nazife Nur Yazgan, Burcu Güven, Reyhan Selin Uysal, Akif Göktuğ
Bozkurt, Kerem İlaslan, Ozlem Torun, Fahriye Ceyda Dudak Şeker, (2015),
Dispersive and FT-Raman Spectroscopic Methods in Food Analysis, The
Royal Society of Chemistry.
17. John Rita, Frorence, S., Sasi, (2010), Optical, structural and morphological
of bean – like ZnS nanostructures by aqueous chemical method, Department
of Theoretical Physics, University of Madras, Guindy Campus, India.
48
18. Kim Ji Eun, Hwang Cheong-Soo, and Yoon Sangwoon, (2008), Synthesis
and Surface Characterization by Raman Spectroscopy of Water-Dispersible
ZnS:Mn Nanocrystals Capped with Mercaptoacetic Acid, Bull. Korean
Chem. Soc., Vol. 29, No. 6, pp. 1247 – 1249.
19. Landage S.M.*, Wasif A. I. and Dhuppe P., (2014), Synthesis of nanosilver
using chemical reduction methods, International Journal of Advanced
Research in Engineering and Applied Sciences, ISSN:2278-6252.
20. Lee Ji-Hwan, Choi Stephen, Jang Seok Pil and Seoung Youn Lee, (2012),
Production of aqueous spherical gold nanoparticles using conventional
ultrasonic bath, Nanoscale Research lettters, 7:420.
21. Li, G.H., Su, F.H., Ma, B.S, Ding, K., (2004), Photoluminescence of doped
ZnS nanoparticles under hydrostatic pressure, phys.stat.sol (b), 241,
No.14,3248-3256.
22. Li Z.Q., Liu Q.Q., Li J.J., Sun Z., Chen Y.W., Yang Z., Huang S.M., (2012),
Growth of Zn doped Cu(In, Ga)Se2 thin films by RF sputtering for solar cell
applications, Solid-State Electronics, Vo. 68, pp. 80 – 84.
23. Lian-sheng Jiao, Li Niu, Jing Shen, Tianyan You, Shaojun Dong and Ari
Ivaska, (2005), Simple azo derivatization on 4-aminothiophenol/Au
monolayer, Electro.Com. 7, pp. 219 – 222.
24. Lin Yow-Jon, Tsai Chia-Lung, Liu W.R. Hsieh, Hsu C.-H., Tsao Hou-Yen,
Chu Jian-An, Chang Hsing-Cheng, (2009), Effect of ultraviolet treatment on
the contact resistivity and electronic transport at the Ti/ZnO interfaces,
Journal of Applied Physics 106, pp. 013701-1 – 013701-5.
25. Liu Jun, Ma Junfeng, Liu Ye, Song Zuwei, Sun Yong, Fang Jingrui, (2009),
Systhesis of nanoparticles via hydrothermal process assisted by
microemulsion technique, China Building Materials Academy, China.
26. Lo, H., Y. Sylvia, Wang Yung-Yun and Wan Chi-Chao, (2007), Synthesis of
PVP stabilized Cu/Pd nanoparticles with citrate complexing agent and its
49
application as an activator for electroless copper desposition, Journal of
colloid and Interface Science, Volume 310, Issue 1, pp. 190-195.
27. Luu Manh Quynh, Nguyen Minh Hieu, Nguyen Hoang Nam, (2014), Fast
and Diagnostic Using Fe3O4 Magnetic Nanoparticles and Light Emitting
ZnS/Mn Nanoparticles, VNU Jounal of Science, Vol.30, No.3 1-11.
28. Murphy, C. J., Sau, T., Gole, A. and Orendorff, C., (2005),
Surfactantdirected synthesis and optical properties of one-dimensional
plasmonic metallic nanostructures. MRS Bull., 30, pp. 349–355.
29. Nan Xiao and Chenxu Yu, (2010), Rapid-Response and Highly Sensitive
Noncross-Linking Colorimetric Nitrite Sensor Using 4-Aminothiophenol
Modified Gold Nanorods, Anal. Chem. 2010, 82, 3659–3663.
30. N. T. Trang, L. M. Quynh, T. V. Nam, H. N. Nhat, (2013), Charge transfer
at organic-inorganic interface of surface-activated PbS by DFT method.
Surface Science., 608, pp. 67-73.
31. Ocana, M., Hsu, W. P. ADN Matijevic, E., (1991), Preparation and
properties of uniformcoated colloidal particles, Titania on zinc oxide.
Langmuir, 7, pp. 2911–2916
32. Ogawa T, Kanemitsu, (1996), Optical properties of Low – Dimensional
Materials, pp. 217 – 222.
33. Otto, C., van den Tweel, T. J. J., de Mul, F. F. M., and Greve, J., (2005), Surface-enhanced Raman spectroscopy of DNA bases, Journal of Raman Spectroscopey. 34. Parvaneh Iranmanesh, Samira Saeednia, and Mohsen Nourzpoor, (2015),
Characterization of ZnS nanoparticles synthesized by co-precipitation
method, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Iran.
35. Qi Xiao, Chong Xiao., (2008), Synthesis and photoluminescence of water-
soluble Mn:ZnS/ZnS core/shell quantum dots using nucleation-doping
strategy. Optical Materials , 31(2), pp. 455-460.
50
36. Qin, D., Xiaoxiao, H., Wang, K., Xiao, J.Z., Tan, W., ADN Chen, J., (2007),
Fruorescent nanoparticles – based indirect immunofluorescence microscope
for detection of Mycobacterium tuberculosis. Hindawi Publishing
Corporation, JouARNl of Biomedicine ADN Biotechnology, Vol Article ID
89364: 1-9.
37. Raju Kumar ChADNrakar, Bagle, R., N., and ChADNra, B., P., (2015),
Systhesis, characterization ADN thermoluminescence studies of Mn-doped
ZnS nanoparticles, The Jourrnal of Biological ADN Chemical
Luminessence.
38. Rodrigo Marques Ferreira, Maycon Motta, Augusto Batagin-Neto, Carlos
Ferderico de Oliveira Graeff, Paulo Noronha Lisboa-Filho, Francisco Carlos
Lavarda, (2014), Theoretical Investigation of Geometric Cofigurations and
Vibrational Spectra in Citric Acid Complexes, Materials Research,
Universidade Estadual Paulista.
39. Roman Tuma, George J. Thomas Jr, (2006), Raman Spectroscope of Viruses,
Viley Online Library.
40. Rosensweig, R.E., (1985), Ferrohydrodynamics, Cambridge University
Press.
41. Sharma Manoj, Jain Turan, Singh Sukhvir, and Pandey, O.P., (2012),
Tunable emission in surface passivated Mn-ZnS nanophosphors and its
application for Glucose sensing, Department of Nanotechnology, Sri Guru
Granth Sahib World University, Fatehgarh Sahib-140407, Punjab, India.
42. Swapna K., Mahamuda S., Srinivasa Rao A, Shakya S., Sasikala T., Haranath D., Vijaya Prakash G., (2014), Optical studies of Sm3+ ions doped
zinc alumino bismuth borate glasses, Spectrochim Acta A Mol Biomol
Spectros, pp. 53-56.
43. Tiwary, K., P., Choubey, S., K., ADN Sharma, K., (2013), Structural and
51
Optical properties of ZnS nanoparticles synthesized by microwave
irradiation method, Birla Institute of Technology, Patna Campus, India.
44. Tran Thi Quynh Hoa, Le Van Vu, Ta Dinh Canh, and Nguyen Ngoc Long,
(2009), Preparation of ZnS nanoparticles by hydrothermal method, Vietnam
National University, Vietnam.
45. Vij, D.R. and Singh, N., Luminescence and Related Properties of II-VI
Semiconductor, p.203.
46. Y.Liu, M. Tourbin, S.Lachaize, and P. Guiraud, (2013), Silica nanoparticles
separation from water: aggregation by cetyltrimethylammonium bromide
(CTAB), Chemosphere, Elsevier, 2013, vol. 92, pp. 681-687.
47. Yu Zhi-gang and Lai Y. Rebecce, (2013), Effect of Signaling Probe Conformation on Sensor Performance of a Displacement-Based Electrochemical DNA Sensor, Anal. Chem, 85(6), pp. 3340 – 3346.
52
