intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo và khảo sát các thông số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST
Báo xấu
34
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú. Luận văn đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo và khảo sát các thông số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Hoàng Văn Quế CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG PHỨC HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thái Nguyên - 2019
  2. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Hoàng Văn Quế CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG PHỨC HỢP Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8840110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa PGS.TS. Trần Hồng Nhung Thái Nguyên - 2019 Học viên : Hoàng Văn Quế
  3. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa và PGS.TS Trần Hồng Nhung đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám hiệu trường THPT Lê Văn Thịnh nơi tôi đang công tác. Ban giám hiệu trường Đại học khoa học- Đại học Thái Nguyên , các thầy cô khoa Vật lí và công nghệ trường Đại học khoa học đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đồng nghiệp đã luôn động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đề tài nhưng không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong được sự đánh giá, nhận xét và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, 12 tháng 6 năm 2019 Học viên HOÀNG VĂN QUẾ Học viên : Hoàng Văn Quế
  4. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1 Mục đích nghiên cứu Vai trò và tính cấp thiết của đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................3 1.1. Tổng quan về các hạt nano vàng.................................................................................. 3 1.1.1. Tính chất quang của hạt nano vàng................................................................ 3 1.1.2. Một số phương pháp chế tạo hạt nano vàng ...................................................5 1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng ...............................................................6 1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)...........................................................7 1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt......................................................................................10 1.3.1. Sự phát triển của SPT.....................................................................................11 1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D)..........................................................................................................................13 1.3.3. Phân tích dữ liệu............................................................................................14 1.3.4. Kết luận..........................................................................................................19 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG ................................. 20 2.1. Chế tạo hạt nano vàng .................................................................................................20 2.2. Các phương pháp khảo sát ..........................................................................................21 2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)................21 2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis.......................................................................................23 2.2.3.Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối ......25 Học viên : Hoàng Văn Quế
  5. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp............................27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................33 3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu....................................33 3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp.......................34 3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol...........................................34 3.2.2. Xác định hệ số khuếch tán (Dt)bằng phương pháp theo dõi đơn hạt..............36 3.2.3. Quãng đường dịch chuyển trung bình ....................................................42 3.2.4 .Vận tốc dịch chuyển trung bình ...........................................................45 KẾT LUẬN........................................................................................................................49 PHỤ LỤC..........................................................................................................................50 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN...................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................53 Học viên : Hoàng Văn Quế
  6. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol..................35 Bảng 3.2: Bảng thống kê hệ số khuếch tán cho 5 đơn hạt trong hỗn hợp nước +20% glycerol.............................................................................................................................. 37 Bảng 3.3a. Hệ số khuếch tán D của 5 hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol trong dung dịch (Giá trị D trong bảng *10-12 m2/s )...................................................................... 41 Bảng 3.3b. Hệ số khuếch tán trung bình của các hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol trong dung dịch ................................................................................................................. 42 Bảng 3.4a. Quãng đường dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%) ....................................................................................43 Bảng 3.4b . Quãng đường dịch chuyển trung bình của các hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn hợp glycerol .................................................................................................... 44 Bảng 3.5a. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong cùng môi trường hỗn hợp glycerol ................................................................................................................ 45 Bảng 3.5b. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn hợp glycerol .......................................................................................................................45 Bảng 3.5c. Vận tốc dịch chuyển trung bình của nhiều hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn hợp glycerol ................................................................................................................46 Bảng 3.6. Thống kê chung các thông số động học trung bình của các hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn hợp glycerol khác nhau................................................................... 47 Học viên : Hoàng Văn Quế
  7. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng ................................................3 Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt lasmon tương ứng (C)...................................................................................................................... 4 Hình 1.3. Sơ đồ minh họa của SPT..................................................................................... 13 Hình 1.4. Sơ đồ quang học khác nhau cho SPT trong 2D và 3D....................................... 14 Hình 1.5. Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí............................................... 15 Hình 1.6. Liên kết các vị trí và xây dựng quỹ đạo các hạt................................................. 16 Hình 1.7. Phân tích quỹ đạo và đường cong MSD............................................................. 18 Hình 2.1.Sơ đồ chế tạo hạt keo vàng bằng phương pháp Turkevitch.................................20 Hình 2.2. Mô hình phản ứng xảy ra trong phương pháp Turkevitch..................................21 Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét ...........................................................22 Hình 2.4. Biểu diễn định luật Lamber-Beer.......................................................................24 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia..................................25 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. So sánh ảnh trường tối với ảnh trường sáng........................................................................................................... 26 Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử dụng để quan sát các hạt nano vàng ...................................................................................27 Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt........................................................28 Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt..................................................................................29 Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to để thấy rõ hơn quỹ đạo dịch chuyển của một đơn hạt ).............................................................30 Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 19) xuất ra từ thuật toán của Mosaic trong không gian 2 chiều..............................................................................................................30 Học viên : Hoàng Văn Quế
  8. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Hình 2.12. Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa độ x và y tạo thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano..................................31 Hình 3.1. a) Ảnh các hạt nano vàng được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). b) Phổ hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng tương ứng. ....................................................33 Hình 3.2. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho một hạt nano vàng duy nhất (hạt số 1) có bán kính thủy động học Rh=14 nm............................................37 Hình 3.3. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho 4 hạt nano vàng khác nhau trong hỗn hợp nước +20% glycerol............................................................38 Hình 3.4. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm và khớp lý thuyết cho 12 hạt nano vàng trong nước +20% glycerol................................................................39 Hình 3.5. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho các hạt nano vàng trong các môi trường hỗn hợp nước có lượng glycerol khác nhau: a) 20%; b) 40%; c) 60%; d) 90%........................................................................................................................40 Hình 3.6 a) Thực nghiệm xác định MSDR và b) các giá trị D được suy ra từ hình a cho các môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%).......42 Hình 3.7. Hình ảnh quỹ đạo của một hạt nano vàng ( hạt số 1)trong môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%) ...................................................................................................43 Hình 3.8. Quãng đường dịch chuyển trung bình trong các môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%).......................................................44 Hình 3.9. Các giá trị vận tốc dịch chuyển trung bình cho các môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%)......................................................46 Học viên : Hoàng Văn Quế
  9. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Ký STT Tên đầy đủ Tên tiếng Việt hiệu 1 MSD Mean square displacement Bình phương dịch chuyển trung bình 2 SPT Single Particle Tracking. Phương pháp theo dõi đơn hạt 3 PSF Disseminated function Hàm điểm lan tỏa Scanning Electron 4 SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope Squared average movement Bình phương dịch chuyển trung bình 5 MSDR in 2-dimensional space trong không gian 2 chiều 6 D Diffusion coefficient Hệ số khuếch tán 7 Average moving distance Quãng đường dịch chuyển trung bình 8 Average movement speed Vận tốc dịch chuyển trung bình Học viên : Hoàng Văn Quế
  10. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay công nghệ nano đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới nói chung và trong nước ta nói riêng. Việc nghiên cứu các quá trình động học của các hạt nano trong một môi trường đang được đặc biệt quan tâm vì từ đó nó mở ra nhiều ứng dụng trong các môi trường giả sinh học và sinh học, đặc biệt là trong tế bào sống. Trên thế giới hiện nay, hướng nghiên cứu Sinh học Quang tử (Biophotonics) với việc gắn kết các hạt nano với các đối tượng sinh học đang phát triển rộng rãi sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng vào thực tiễn. Do các chất đánh dấu trên cơ sở vật liệu nano với các ưu điểm vượt trội so với các chất đánh dấu cổ điển như: độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường sinh học. Các ưu điểm đó của các chất đánh dấu nano tạo ra nhiều khả năng phát hiện các đích sinh học với độ nhạy cao trong các điều kiện khác nhau từ đơn phân tử cho đến các ứng dụng trong cơ thể người ...v.v. Nhiều nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa các hạt nano vàng phát quang và các chất đánh dấu huỳnh quang đã được thực hiện như BRET-FRET nano particles, sử dụng kỹ thuật FRET trên các hạt nano để phân tích protein [1], … Hiên nay, sự tương tác giữa các chất đánh dấu huỳnh quang vẫn được tiếp tục nghiên cứu trong các ứng dụng sinh học như nghiên cứu cấu trúc DNA [2]...v.v. Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là lí sinh học nano, trong đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lí sinh học nano đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nano. Tuy nhiên, việc hiểu biết và theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng được đánh dấu vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên cứu sâu và chi tiết. Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư công sức vào đây. Trong đề tài này, trước tiên chúng tôi nghiên cứu các thông số động học (hệ số khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển trung bình ,vận tốc dịch chuyển và bán kính thủy động lực học) của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi trường phức hợp glycerol. Đây là môi trường giả sinh học (gần môi trường sinh học), do đó việc nghiên cứu các thông số động học trong môi trường này sẽ giúp cho có cách tiếp cận tốt trong việc Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 1
  11. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên nghiên cứu các môi trường sinh học thực sự sau này. Tiếp đó, chúng tôi sẽ hướng đến nghiên cứu động học của các hạt nano vàng trong môi trường tế bào sinh học. Ở đây, chúng tôi giới thiệu một vật liệu quý đó là hạt nano vàng dạng cầu. Để nghiên cứu động học của chúng, một phương pháp hữu hiệu được tiếp cận là phương pháp theo dõi đơn phân tử (hay theo dõi đơn hạt). Phương pháp này còn rất mới và hiện nay đang được đặc biệt quan tâm. Phương pháp theo dõi đơn phân tử dựa trên những quan sát các quỹ đạo của các hạt. Tính toán các bình phương dịch chuyển trung bình, nhờ đó xác định hệ số khuếch tán và vận tốc dịch chuyển là hai thông số quan trọng mà chúng tôi cần quan tâm. Ở đây, chúng tôi theo dõi sự chuyển động của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong dung dịch phức hợp có độ nhớt xác định, sử dụng kính hiển vi quang học trường tối và camera CCD nhanh và nhạy. Các vị trí của các hạt nano được xác định thông qua công cụ plugin de Mosaic để phát hiện các tín hiệu của mỗi hạt và quan sát được quỹ đạo chuyển động của chúng, nhờ vào chương trình Matlab chúng tôi phân tích và tính toán bình phương dịch chuyển trung bình được lấy từ số liệu thực nghiệm. Sau đó làm khớp theo hàm tuyến tính từ lý thuyết chuyển động Brownian 2 chiều để xác định hệ số khuếch tán dịch chuyển. Để nghiên cứu độ linh động của hạt nano vàng dạng cầu có kích thước khác nhau chuyển động trong glycerol-nước, chúng tôi tiến hành đo đạc bán kính thủy động lực học dựa vào công thức liên hệ Stock-Einstein. Sau cùng là xác định quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của từng hạt nano vàng dạng cầu duy nhất. Từ các phân tích trên, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài “Chế tạo và khảo sát các thông số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp” là rất cần thiết và cần được tiến hành thực hiện. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp rất quan trọng vào những hiểu biết về cơ chế dịch chuyển và quay ngẫu nhiên của đơn hạt nano trong môi trường phức hợp. Báo cáo luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương chính Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm: chế tạo, khảo sát và theo dõi hạt nano vàng Chương 3: Kết quả và thảo luận Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 2
  12. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về các hạt nano vàng 1.1.1. Một số tính chất quang của các hạt nano vàng Vàng là kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm 11, chu kỳ 6 và phân lớp d, vàng có số thứ tự 79 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi ở dạng khối vàng là nguyên tố kim loại có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay mầu tía khi được cắt mỏng. Nó là kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế 1g vàng có thể được dát thành tấm 1m². Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan để tạo thành muối cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc dạng hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích. Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ với ánh sáng mặt trời. Bắt đầu từ khoảng thế kỉ 13, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng như trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng khối vào các chất khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau. Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt [3]. Tới thế kỷ thứ 19, khi Faraday chế tạo các hạt vàng và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi kích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.1) Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [3] Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 3
  13. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh được rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của hạt keo vàng và axit Stannic. Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm 1925. Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng là do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt. Mặt khác, ta quan sát thấy rằng mầu sắc của dung dịch chứa các hạt nano vàng thay đổi khi hình dạng của chúng thay đổi. Điều này được giải thích bởi lý thuyết Gans. Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng cao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tính đối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ hấp thụ này tăng lên. Ví dụ như hạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon. Vị trí của đỉnh phổ tùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano [4]. (xem hình 1.2). Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt plasmon tương ứng (C) . Nội dung này mô tả các thuộc tính quang học của vật liệu nano vàng, có đặc tính plasmonic. Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 4
  14. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên các thuộc tính quang học bị chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể các electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ, với các hạt nano vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở thành ứng viên sáng giá trong ứng dụng y sinh học. 1.1.2. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng Trong đề tài này, tôi tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng đơn nhất, do vậy tôi sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán trong dung dịch. Nhìn chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó là phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Tùy theo hình dạng hạt , kích thước hạt , cấu trúc hạt và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp. Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, thông thường chúng được chế tạo bằng phương pháp hóa học. Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử hydro tetraclorua vàng (HAuCl4). Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước được khuấy từ mạnh trong khi thêm tác nhân khử vào. Do đó Au3+ bị khử thành ion vàng một cộng (Au+) và nhanh chóng trở thành nguyên tử vàng, vàng bắt đầu dần dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và lớn dần cho tới khi dung dịch trở nên siêu bão hòa. Nếu dung dịch được khuấy từ đủ mạnh thì các hạt sẽ có kích thước đồng đều. Một trong các phương pháp đó là: Phương pháp Turkevitch (phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp Brust, phương pháp siêu âm,.. Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên mầm được tạo thành có dạng cầu cỡ 4 nm, sau đó cho dung dịch mầm vào muối kim loại, tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản ứng mà các hạt nhận được sẽ có hình dạng theo ý muốn. Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh (rod) người ta gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muối kim loại. Phản ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định và kết quả nhận được là các thanh keo vàng. Ngoài các phương pháp chế tạo các hạt keo vàng thuần nêu Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 5
  15. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kích thước vài trăm nm để dùng làm chất phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêu diệt các tế bào bệnh bằng hiệu ứng quang nhiệt. Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng có thể còn được chế tạo bằng phương pháp vật lí như: phương pháp bắn phá bằng tia laze, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay dùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,... 1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong vật lí, hóa học và y sinh học. Một trong các ứng dụng đó là: (1) Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng dụng hạt nano vàng trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư. Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh sáng hiển vi trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi không có hạt nano vàng gắn kết. Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ… Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được (2) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên hàng Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 6
  16. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các trạng thái điện tử của phân tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử (single molecule detection). Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng. Hiệu ứng này cũng được ứng dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinh học. (3) Ứng dụng làm sensơ sinh học Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là các phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp thụ plasmon. Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các hạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt. (4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser để cắt bỏ tế bào ung thư. Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Au cao. - Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2 bọc vàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại. Sử dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán nguyệt,. có thiết diện tán xạ lớn trong vùng hồng ngoại. Đây là phương pháp hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới [5]. (5) Một vài ứng dụng khác: - Sử dụng trong các ứng dụng nano và chất xúc tác - Kết nối điện trở, chất dẫn, và các yếu tố khác của một chip điện tử - Làm đầu dò cho kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) - Là chất xúc tác trong một số phản ứng hoá học - Ứng dụng trong pin nhiên liệu 1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown) Khi một hạt vi mô đặt trong dung dịch, ngoài việc chúng chuyển động quay Brown mà đồng thời chúng còn chuyển động dịch chuyển. Các quy luật cơ bản của chuyển động Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 7
  17. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [6]. Perrin cho rằng chuyển động Brown là một lập luận rõ ràng cho sự tồn tại của các phân tử, các luận cứ của ông như sau: Điều thực sự lạ và mới trong chuyển động Brown chỉ là nó không bao giờ dừng lại. Đầu tiên, điều này có vẻ mâu thuẫn với kinh nghiệm quan sát hàng ngày của chúng ta về ma sát. Ví dụ: nếu chúng ta đổ một xô nước vào bồn, có vẻ như chúng ta sẽ thấy rằng sau một lát, chuyển động bị chiếm hữu bởi khối chất lỏng đã biến mất. Tuy nhiên, hãy phân tích cách đạt đến trạng thái cân bằng rõ ràng này: Tất cả các hạt của nước đều có vận tốc xấp xỉ bằng nhau và song song, sự sắp xếp này bị phá vỡ ngay khi một số hạt, đập vào thành bình nảy ra với vận tốc thay đổi, sẽ ngay lập tức lại va chạm với các phần tử khác của chất lỏng. Xét chuyển động Brown của một hạt vi mô trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Các định luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai thời điểm tức thời. Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động nhiệt. Vấn đề đặt ra là: sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy nó là bao nhiêu? Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều. 〈𝑟 2 〉 = 2𝑛𝐷𝜏 (1.1) Với D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng cầu. Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt bằng cách xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỉ lệ thuận với tốc độ. Sự cân bằng của các lực đó có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình Langevin: 𝑑2𝑥 𝑚 = −𝜇𝑣𝑥 (𝑡 ) + 𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡) (1.2) 𝑑𝑡 2 Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 8
  18. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Ở đó, 𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡) là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, 𝑣𝑥 (𝑡) là vận tốc theo trục 𝑥, 𝜇 là hệ số ma sát, giá trị của 𝜇 có thể được xác định trực tiếp từ thực nghiệm. Nhân 2 vế của phương (1.2) với 𝑥 và lấy trung bình, ta nhận được : 𝑑2𝑥 𝑑𝑥 〈𝑚𝑥 〉 = 〈−𝜇𝑥 + 𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 𝑑𝑡 2 𝑑𝑡 𝑑2𝑥 𝑑𝑥 ⇔ 〈𝑚𝑥 〉 = 〈−𝜇𝑥 〉 + 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 (1.3) 𝑑𝑡 2 𝑑𝑡 Với 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 = 0 do tính chất đối xứng, 𝑑2𝑥 𝑑𝑥 Vì vậy : 〈𝑚𝑥 〉 = − 〈𝑚( )2 〉 (1.4) 𝑑𝑡 2 𝑑𝑡 Ta nhận được: 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑚 𝑑𝑥 2𝑚 − 〈𝜇𝑥 〉 = − 〈𝑚( )2 〉 ⟺ 2 〈𝑥 〉=2 〈( )2 〉 = 〈𝑣𝑥2 〉 (1.5) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝜇 𝑑𝑡 𝜇 Với 〈𝑣𝑥2 〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục ox. 1 1 Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 𝑚〈𝑣𝑥2 〉 = 𝑘𝐵 𝑇 2 2 Với 𝑘𝐵 là hằng số Boltzmann. 𝑑𝑥 𝑘𝐵 𝑇 𝑑〈𝑥 2 〉 𝑘𝐵 𝑇 𝑘𝐵 𝑇 Ở đó : 2 〈𝑥 〉=2 ⟺ =2 ⟹ 〈𝑥 2 〉 = 2 .𝑡 (1.6) 𝑑𝑡 𝜇 𝑑𝑡 𝜇 𝜇 Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có : 𝑘𝐵 𝑇 〈𝑟 2 〉 = 𝑛 𝑡 (1.7) 𝜇 Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển, hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (1.3) và (1.9): 𝐷𝜇 = 𝑘𝐵 𝑇 (1.8) Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng 𝜂 theo: 𝜇 = 6𝜋𝑅𝜂 (1.9) Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 9
  19. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-Stokes: 𝑘𝐵 𝑇 𝐷= (1.10) 6𝜋𝑅𝜂 Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lực học –là bán kính hình học của hạt mà bị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanh hạt. Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số khuếch tán: 〈𝑟 2 〉 = 𝑛𝐷𝑡 (1.11) -Xét trong không gian 3 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 6𝐷𝑡. - Xét trong không gian 2 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 4𝐷𝑡. (1.12) -Xét trong không gian 1 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 2𝐷𝑡. 1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt Để giải mã sự tương tác phức tạp giữa vô số các phân tử khác nhau được thể hiện trong một môi trường đơn nhất là một vấn đề đã và đang được tìm hiểu trong nhiều thập kỷ gần đây. Do đó, từ việc nghiên cứu kính hiển vi đã cho thấy rằng các thành phần tế bào, các protein trên bề mặt tế bào và các bào quan trong tế bào và DNA trong nhân tế bào phân phối không đồng nhất cả về không gian và thời gian. Đáng chú ý là không chỉ các nhà sinh học đang tập trung vào việc làm sáng tỏ sự phức tạp của các tế bào, mà còn có các nhà vật lý đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực này. Thật vậy, khả năng theo dõi các phân tử đơn lẻ một cách tự nhiên của tế bào sống được chuyển thành một mô tả định lượng và chính xác hơn về các quá trình động học để kiểm soát chức năng tế bào. Do đó các nhà vật lý đang được thu hút vào các ngành sinh học, góp phần vào sự phát triển của công nghệ và tạo ra các công cụ mới để phân tích dữ liệu. Họ cung cấp các mô hình quan trọng và toàn diện mà chúng ta tiếp cận gần hơn để tìm hiểu sự chuyển động các phân tử và chuyển động của các phân tử trong các tế bào và phản ứng của chúng đối với môi trường. Sự kết hợp giữa sinh học và vật lý học sẽ làm bộc lộ rất nhiều các phân tử cũng như các cơ chế vật lý cơ bản, sự phức tạp của các tế bào sống. Trọng tâm của những tiến bộ là sự phát Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 10
  20. Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên triển của kỹ thuật, khả năng nghiên cứu quá trình động học với độ nhạy và độ phân giải cao mà không xâm phạm vào bên trong cơ thể. Một trong những kỹ thuật này là phương pháp theo dõi đơn hạt (Single Particle Tracking- SPT). 1.3.1. Sự phát triển của SPT Lịch sử phát triển của SPT từ giữa những năm 1980, khi Brabander và các đồng nghiệp đầu tiên cho thấy rằng các hạt nano vàng có kích thước nhỏ 40 nm, có thể được nhìn thấy trên bề mặt của các tế bào sống bằng các thiết bị quang học [7, 8]. Ban đầu được gọi là “kính hiển vi nanovid”, các phương pháp được sử dụng dựa trên sự phân bố thưa thớt của các hạt keo vàng, gắn liền với các phân tử sinh học. Trong một vị trí lý tưởng, chỉ có một phân tử sinh học duy nhất được gắn vào một hạt vàng. Bởi vì sự tán xạ Rayleigh có cường độ rộng, các tọa độ không gian của các vị trí tâm của các hạt đơn lẻ có thể được lấy với độ chính xác cỡ nano mét và nó được được ghi ở hình ảnh bởi kính hiển vi tương phản giao thoa (DIC) [7]. Đây là phương pháp đơn giản lần đầu tiên cho phép theo dõi và điều khiển với độ chính xác quy mô nano mét [9] và mở ra lĩnh vực theo dõi phân tử đơn lẻ trong màng tế bào [10, 11]. Thay vì sử dụng các hạt vàng, cao su lớn, polystyrene hoặc các hạt silica với các kích cỡ khác nhau, có đường kính từ 200 nm đến 1 mm cũng có thể được hiện ảnh và theo dõi bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học chuẩn. Nhiều năm qua, SPT có chiến lược phát triển nhằm đến mục tiêu các phân tử khác nhau, xử lý dữ liệu và mô hình hóa các phương pháp đã được nghiên cứu cụ thể, các tổ chức không đồng nhất và động học của màng tế bào (xem [12] với một trong các đánh giá toàn diện đầu tiên trên SPT). Trong điều kiện thực hiện với sự đơn giản của kỹ thuật này, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới dành những nỗ lực của họ để phát triển thuật toán phù hợp để xây dựng quỹ đạo và phân tích khuếch tán và dòng chảy trong hệ thống hai và ba chiều (xem các đánh giá gần đây [13]). Vào năm 1930, kính hiển vi huỳnh quang đã có một bước đột phá mới, khi các phân tử đơn lẻ có thể được phát hiện ở nhiệt độ phòng bằng tín hiệu huỳnh quang [14]. Ngay sau đó, SPT đã được thực hiện bằng cách thay thế các hạt đơn lẻ bằng các phân tử huỳnh quang đơn hoặc protein huỳnh quang [15, 16, 17]. Kể từ đó lĩnh vực này đã cho thấy một sự bùng Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2073 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2