Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/Cds cho ứng dụng đánh dấu sinh học

Vũ Trọng Sinh và đtg<br /> <br /> 132<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 80(04): 127 - 131<br /> <br /> Chu Việt Hà và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 80(04): 133 - 138<br /> <br /> PHÁT XẠ HUỲNH QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe VÀ CdSe/CdS<br /> CHO ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU SINH HỌC<br /> Chu Việt Hà*1, Vũ Thị Kim Liên1,Trần Hồng Nhung2, Lê Tiến Hà1<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên<br /> Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS cấu trúc lõi /vỏ được chế tạo phân tán trong nước cho mục<br /> đích đánh dấu sinh học. Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tăng<br /> mạnh sau khi chế tạo và đạt ổn định sau 3 tháng, chất lượng của các chấm lượng tử này rất tốt, có<br /> độ ổn định quang cao, cường độ phát quang không giảm nhiều sau một đến hai năm chế tạo. Hiệu<br /> suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe/CdS đạt tới 20-50% và hiệu suất lượng tử của các chấm<br /> lượng tử CdSe đạt cỡ 10%. Cường độ phát quang của các chấm lượng tử không giảm khi cho vào<br /> các môi trường pH sinh học.<br /> Từ khóa: phát xạ huỳnh quang, chấm lượng tử, đánh dấu sinh học, CdSe, CdSe/CdS<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Ngày nay, các chấm lượng tử (là các hạt nano<br /> bán dẫn) đã là các vật liệu quen thuộc ứng<br /> dụng trong dán nhãn màu và đánh dấu sinh<br /> học, đang được quan tâm nghiên cứu sâu rộng<br /> trên thế giới. Các chấm lượng tử có các tính<br /> chất lượng tử đặc biệt là hệ quả của sự phụ<br /> thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước<br /> hạt do hiệu ứng giam giữ lượng tử. Hiệu ứng<br /> giam giữ lượng tử xảy ra khi kích thước tinh<br /> thể có thể so sánh với bước sóng de Broglie<br /> của điện tử và lỗ trống. Khi đó cả điện tử và<br /> lỗ trống đều bị giam giữ và các mức năng<br /> lượng của chúng bị lượng tử hóa. Sự giam giữ<br /> lượng tử làm gián đoạn các mức năng lượng<br /> theo chiều giam giữ và làm thay đổi mật độ<br /> trạng thái theo năng lượng. Kết quả là hấp thụ<br /> hay phát xạ của các chấm lượng tử phụ thuộc<br /> vào kích thước hạt, nghĩa là chúng ta có thể<br /> điều khiển được tính chất quang (hay màu<br /> phát xạ huỳnh quang) theo kích thước của các<br /> chấm lượng tử.<br /> Bằng cách sử dụng các chấm lượng tử khác<br /> nhau người ta có thể đánh dấu huỳnh quang<br /> trong khoảng rộng từ vùng khả kiến gần đến<br /> vùng hồng ngoại gần, trong khoảng từ 400nm<br /> đến 2000nm. Các chấm lượng tử thường được<br /> sử dụng trong đánh dấu sinh học là các chấm<br /> lượng tử trên cơ sở CdSe và CdTe vì phổ phát<br /> xạ của chúng trải toàn bộ vùng phổ nhìn thấy<br /> tùy thuộc vào kích thước [1].<br /> *<br /> <br /> Tel: 0912132036<br /> <br /> Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo các<br /> chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS phân tán<br /> trong nước cho ứng dụng đánh dấu sinh học.<br /> Các chấm lượng tử này có cường độ phát<br /> quang mạnh với hiệu suất cao, phát xạ ở các<br /> bước sóng khác nhau phụ thuộc vào kích<br /> thước hứa hẹn là các chất đánh dấu sử dụng<br /> cho các ứng dụng sinh học. Nhằm tăng hiệu<br /> suất phát xạ huỳnh quang và tăng tính ổn định<br /> cho các ứng dụng trong sinh học, các chấm<br /> lượng tử này được bọc thêm một lớp protein<br /> BSA hoặc một lớp PEG (polyethyglycol) bên<br /> ngoài. Các kết quả cho thấy cường độ phát xạ<br /> huỳnh quang của các chấm lượng tử có lớp vỏ<br /> bọc tăng đáng kể so với các chấm lượng tử<br /> không được thụ động hóa bề mặt. Các quá<br /> trình thực nghiệm chế tạo mẫu đều được thực<br /> hiện tại phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn<br /> Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại<br /> học Thái Nguyên.<br /> THỰC NGHIỆM<br /> Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS được<br /> chế tạo bằng phương pháp hóa ướt sử dụng<br /> các hóa chất CdCl2.2,5H2O, sodium boro<br /> hydride (NaBH4 – là một chất có tính khử<br /> mạnh);<br /> trirodium<br /> citrate<br /> dihydrate<br /> (C6H5Na3O7.2H2O, là muối natri của axit<br /> chanh – được dùng trong thực phẩm) đóng vai<br /> trò là chất bẫy bề mặt, cồn tuyệt đối<br /> (C2H5OH), trihydroxy methyl aminomethane<br /> (tris) (chất này sử dụng trong các môi trường<br /> sinh học), nước cất, axit sunfuric (H2SO4),<br /> axit clohydric (HCl), bột selenium (Se).<br /> 133<br /> <br /> Phạm Thị Hà Thanh và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Các bước chế tạo chấm lượng tử CdSe trong<br /> nước được tiến hành như sau:<br /> Bước 1: Trong ethanol nguyên chất, với điều<br /> kiện sục khí N2 ở 450C, nguyên tố selenium<br /> phản ứng với sodium boro hydiride tạo thành<br /> dung dịch NaHSe/ethanol. Trisodium citrate<br /> dihydrate được cho vào dung dịch đệm tris HCl với pH = 8,9 (là giá trị pH cho thấy sản<br /> phẩm các chấm lượng tử thu được là ổn định<br /> nhất) đựng trong bình ba cổ. Sau đó nhỏ giọt<br /> dung dịch nước cadmium cloride có chứa các<br /> ion Cd2+ vào dung dịch trên trong điều kiện<br /> khuấy trộn mạnh để thu được dung dịch chứa<br /> các ion Cd2+ được bao quanh bởi các phân tử<br /> trisodium citrate.<br /> Bước 2: Khí H2Se bốc lên khi nhỏ chậm dung<br /> dịch H2SO4 loãng vào dung dịch<br /> NaHSe/ethanol trong dung dịch ban đầu trong<br /> điều kiện sục từ từ N2 để tổng hợp các chấm<br /> lượng tử CdSe ở nhiệt độ ổn định. Khí H2Se<br /> được đưa theo dòng chảy của khí N2 dẫn vào<br /> bình ba cổ phản ứng với các ion Cd2+. Trong<br /> điều kiện khuấy trộn mạnh liên tục, các mầm<br /> tinh thể của các nano tinh thể CdSe sẽ được<br /> hình thành và phát triển thành các nano tinh<br /> thể CdSe. Lượng muối Cd2+ ban đầu được sử<br /> dụng dư để thụ động hóa bề mặt các chấm<br /> lượng tử CdSe bằng việc bọc lớp vỏ CdS.<br /> Sau khi chế tạo được dung dịch có chứa các<br /> nano tinh thể CdSe với một lượng dư Cd,<br /> dung dịch chứa các nano tinh thể CdSe/CdS<br /> được tổng hợp bằng cách thổi khí H2S vào<br /> dung dịch chứa các hạt CdSe lõi theo dòng<br /> <br /> Hình 1. Ảnh TEM các chấm lượng tử CdSe/CdS<br /> với đỉnh phát xạ huỳnh quang ở 605 nm<br /> <br /> 134<br /> <br /> 80(04): 139 - 142<br /> <br /> chảy của khí N2 trong điều kiện nhiệt độ từ<br /> 45-75 oC. Khí H2S cũng được tổng hợp như<br /> khí H2Se theo cách trên.<br /> Kích thước của các chấm lượng tử được xác<br /> định qua hệ kính hiển vi điện tử truyền qua<br /> (TEM) JEOL JEM 1011 (Nhật Bản) có ở<br /> Viện Vệ sinh dich tễ Hà Nội. Phổ hấp thụ<br /> được xác định bằng máy quang phổ Jasco V600 (Nhật Bản) và phổ huỳnh quang đo bằng<br /> hệ máy FS 920 Edinburgh (Anh) có ở phòng<br /> thí nghiệm Vật lý Chất rắn, khoa Vật lý<br /> trường Dại học Sư phạm Thái Nguyên.<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Các mẫu chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS<br /> chế tạo được ở dạng dung dịch trong suốt (là<br /> hỗn hợp nước và dung dịch đệm tris – HCl)<br /> có chứa các hạt CdSe hoặc CdSe/CdS, phát xạ<br /> huỳnh quang các màu khác nhau tùy thuộc kích<br /> thước của các nano tinh thể CdSe. Bán kính của<br /> các hạt nano CdSe đã chế tạo được ước tính<br /> theo phổ hấp thụ và ảnh hiển vi điện tử truyền<br /> qua từ 3 đến 6 nm, và của các hạt nano<br /> CdSe/CdS được ước tính là từ 3,5 đến 10 nm.<br /> Hình 1 trình bày ảnh hiển vi điện tử truyền<br /> qua của một mẫu nano tinh thể CdSe/CdS. Có<br /> thể thấy các hạt nano tinh thể chúng tôi chế<br /> tạo được khá là đơn phân tán trong nước với<br /> kích thước đồng đều. Hình 2 là ảnh chụp một<br /> số mẫu nano tinh thể CdSe/CdS trong nước<br /> dưới ánh sáng của đèn tử ngoại, phát xạ với<br /> các màu khác nhau, với cường độ mạnh. Các<br /> chấm lượng tử này hứa hẹn là những chất đánh<br /> dấu huỳnh quang tốt cho ứng dụng sinh học.<br /> <br /> Hình 2. Ảnh chụp các mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS<br /> trong nước dưới ánh sáng đèn tử ngoại (từ trái sang phải<br /> là phát xạ màu xanh lá cây, mà vàng và màu đỏ cam)<br /> <br /> Chu Việt Hà và đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> đến sự hấp thụ. Kích thước của các nano tinh<br /> thể CdSe lõi đối với mẫu này được ước tính<br /> cỡ 4 nm qua công thức Brus [2]. Kích thước<br /> của các mẫu chấm lượng tử CdSe khác được<br /> ước tính khoảng từ 3 đến 5,5 nm.<br /> <br /> Kích thước của các nano tinh thể CdSe và<br /> CdSe/CdS được ước tính qua phổ hấp thụ.<br /> Phép đo phổ hấp thụ trong vùng UV-VIS<br /> được tiến hành ở nhiệt độ phòng. Phổ hấp thụ<br /> quang học là một trong các phương pháp<br /> quan trọng và nhanh nhất, để xác định sự hình<br /> thành và kích thước của các nano tinh thể. Do<br /> hiệu ứng giam giữ lượng tử, vùng cấm của<br /> các nano tinh thể tăng khi kích thước của hạt<br /> giảm, về mặt thực nghiệm, điều này có thể<br /> quan sát được qua sự dịch đỉnh (hay bờ hấp<br /> thụ) về phía năng lượng cao hơn (hay bước<br /> sóng ngắn hơn) so với vị trí độ rộng vùng<br /> cấm của bán dẫn khối. Phổ hấp thụ của một<br /> mẫu dung dịch chấm lượng tử lõi/vỏ<br /> CdSe/CdS được so sánh với phổ hấp thụ của<br /> dung dịch các chấm lượng tử lõi CdSe (cùng<br /> một điều kiện chế tạo) được trình bày trên<br /> hình 3. Có một sự dịch của bờ hấp thụ về phía<br /> sóng ngắn so với bờ hấp thụ của bán dẫn<br /> CdSe khối (λCdSe khối ~ 690 nm tương ứng với<br /> năng lượng vùng cấm Eg ≈ 1,8 eV ở nhiệt độ<br /> phòng). Ở đây có thể thấy bờ hấp thụ của các<br /> chấm lượng tử là như nhau chứng tỏ sự thụ<br /> động hóa bề mặt các hạt CdSe bằng việc bọc<br /> một lớp CdS bên ngoài không làm ảnh hưởng<br /> <br /> Các chấm lượng tử CdSe được chế tạo với<br /> mục đích tạo thành các chất đánh dấu trong<br /> sinh học nên môi trường pH bao quanh các<br /> chấm lượng tử là rất quan trọng, hơn nữa vẫn<br /> phải đảm bảo hiệu suất phát xạ cao của các<br /> chấm lượng tử này. Chúng tôi đã khảo sát<br /> điều kiện pH ban đầu khi chế tạo các chấm<br /> lượng tử CdSe và CdSe/CdS. Kết quả cho<br /> thấy ở điều kiện pH của dung dịch ban đầu là<br /> 8,9, hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử<br /> CdSe là lớn nhất. Hình 4 là phổ huỳnh quang<br /> của các chấm lượng tử CdSe với giá trị pH<br /> của dung dịch ban đầu là 7, 7,5, 8, 8,9 và 10<br /> với cùng một độ hấp thụ ở bước sóng 480 nm.<br /> Bên cạnh đó, ở môi trường pH là 8, cường độ<br /> huỳnh quang cũng khá là mạnh. Đây là các<br /> giá trị pH thích hợp với môi trường sinh học.<br /> Chúng tôi lựa chọn môi trường pH = 8,9 ban<br /> đầu để chế tạo các chấm lượng tử CdSe và<br /> CdSe/CdS. Các giá trị pH thấp hơn của dung<br /> dịch ban đầu không cho kết quả tạo hạt CdSe.<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> 0.0<br /> 400<br /> <br /> 500<br /> <br /> 600<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> 700<br /> <br /> 10 X 10<br /> <br /> 4<br /> 1. pH = 7<br /> 2. pH = 7,5<br /> 3. pH = 8<br /> 4. pH = 8.9<br /> 5. pH = 10<br /> <br /> 20<br /> 16<br /> <br /> 3<br /> <br /> 12<br /> 8<br /> <br /> 5<br /> <br /> 1<br /> 4<br /> 0<br /> 500<br /> <br /> 2<br /> <br /> 550<br /> <br /> 600<br /> <br /> 650<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> 700<br /> <br /> C−êng ®é huúnh quang (®.v.t.y)<br /> <br /> C−êng ®é huúnh quang (®.v.t.y)<br /> <br /> CdSe<br /> CdSe/CdS<br /> <br /> 2.0<br /> <br /> Bulk CdSe<br /> <br /> §é hÊp thô (®.v.t.y.)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 10 X 24<br /> <br /> 2.5<br /> <br /> 80(04): 133 - 138<br /> <br /> CdSe<br /> CdSe/CdS<br /> <br /> 8<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0<br /> 500<br /> <br /> 550<br /> <br /> 600<br /> <br /> 650<br /> <br /> 700<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> Hình 3. Phổ hấp thụ của các nano Hình 4. Phổ huỳnh quang của các Hình 5. Phổ HQ của các chấm<br /> tinh thể CdSe và CdSe/CdS<br /> chấm lượng tử CdSe chế tạo với lượng tử CdSe và CdSe/CdS tương<br /> các giá trị pH của dung dịch ban<br /> ứng trong cùng một điều kiện<br /> đầu khác nhau dưới bước sóng kích<br /> thích 480 nm ở nhiệt độ phòng<br /> <br /> 135<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Các chấm lượng tử CdSe sau khi được thụ<br /> động hóa bề mặt bằng lớp vỏ bọc CdS thì<br /> cường độ phát xạ huỳnh quang tăng lên đáng<br /> kể. Hình 5 trình bày phổ huỳnh quang của các<br /> chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS có kích<br /> thước lõi CdSe tương ứng là ~ 6nm với cùng<br /> một độ hấp thụ dưới bước sóng kích thích 480<br /> nm ở nhiệt độ phòng. Cường độ phát xạ<br /> tương đối của các chấm lượng tử lõi/vỏ<br /> CdSe/CdS cao hơn gần mười lần so với<br /> cường độ phát xạ của các hạt CdSe lõi cho<br /> thấy vai trò của lớp vỏ bọc CdS trong việc thụ<br /> động hóa bề mặt các hạt nano CdSe, làm giảm<br /> các chuyển dời không phát xạ xảy ra trong<br /> các hạt nano, từ đó làm cường độ phát xạ<br /> huỳnh quang tăng lên. Phát xạ của các trạng<br /> thái bề mặt ở phía sóng dài của các chấm<br /> lượng tử CdSe hầu như không còn khi được<br /> bọc thêm lớp vỏ CdS. Hơn nữa việc bọc lớp<br /> vỏ CdS còn dẫn tới hiệu suất lượng tử của các<br /> hạt nano được tăng lên. Cụ thể, khi so sánh<br /> hiệu suất phát xạ của các hạt nano CdSe và<br /> CdSe/CdS với chất màu Rhodamine 6G, hiệu<br /> suất phát xạ của các hạt nano CdSe chưa đạt<br /> đến10% trong khi đó các chấm lượng tử<br /> lõi/vỏ CdSe/CdS có hiệu suất phát xạ cỡ 2050%. Hình 6 là phổ hấp thụ của các chấm<br /> lượng tử CdSe và CdSe/CdS phát xạ ở bước<br /> <br /> (1) CdSe<br /> (2) CdSe/CdS<br /> (3) Rh6G<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 10 X 40<br /> <br /> C−êng ®é huúnh quang (d.v.t.y)<br /> <br /> §é hÊp thô<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> 2<br /> 0.2<br /> <br /> 480<br /> 1<br /> <br /> 0.0<br /> 400<br /> <br /> 500<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> 600<br /> <br /> còn hình 7 trình bày phổ huỳnh quang của các<br /> chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tương ứng<br /> với phổ hấp thụ trên hình 6 so sánh với sự<br /> phát xạ của Rhodamine 6G dưới bước sóng<br /> kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng. Hiệu<br /> suất phát xạ huỳnh quang của Rhodamine 6G<br /> là 0,95 [3], từ đó tính được hiệu suất phát xạ<br /> của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS<br /> tương ứng. Hiệu suất phát xạ của các chấm<br /> lượng tử CdSe chưa có lớp vỏ bọc chỉ ~7%<br /> trong khi đó hiệu suất phát xạ của các chấm<br /> lượng tử CdSe/CdS ở đây đạt đến 60% (là<br /> mẫu có hiệu suất phát xạ cao nhất trong loạt<br /> mẫu mà chúng tôi chế tạo). Như vậy các<br /> chấm lượng tử CdSe/CdS có hiệu suất phát xạ<br /> khá cao, hứa hẹn là chất đánh dấu tốt cho các<br /> ứng dụng sinh học. Độ bán rộng của phổ phát<br /> xạ của các chấm lượng tử này cũng khá hẹp,<br /> từ 30 đến 45 nm. Hình 8 là phổ huỳnh quang<br /> đã chuẩn hóa của các chấm lượng tử<br /> CdSe/CdS với các kích thước khác nhau, phát<br /> xạ lần lượt ở 572, 588, 609, 612, 617 và 650<br /> nm tương ứng với các độ bán rộng ở nửa các<br /> đại lần lượt là 44, 41, 39, 34, 40 và 30 nm.<br /> <br /> (1) CdSe<br /> (2) CdSe/CdS<br /> (3) Rh6G<br /> <br /> 3<br /> <br /> λexc = 480 nm<br /> <br /> 30<br /> 2<br /> 20<br /> <br /> 10<br /> 1<br /> 0<br /> 500<br /> <br /> 550<br /> <br /> 600<br /> <br /> 650<br /> <br /> 700<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> Hình 6. Phổ hấp thụ của các Hình 7. Phổ huỳnh quang của các<br /> chấm lượng tử CdSe và<br /> chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS<br /> CdSe/CdS với cùng độ hấp thụvới cùng độ hấp thụ ở 480 nm so sánh<br /> ở 480 nm so sánh với<br /> với Rhodamine 6G<br /> Rhodamine 6G<br /> <br /> 136<br /> <br /> 80(04): 139 - 142<br /> <br /> sóng ~ 600 nm (kích thước lõi CdSe ~6,5 nm)<br /> được so sánh với chất màu Rhodamine 6G<br /> với cùng độ hấp thụ ở bước sóng 480 nm;<br /> <br /> C−êng ®é huúnh quang chuÈn hãa<br /> <br /> Phạm Thị Hà Thanh và đtg<br /> <br /> 1 2 34 5<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> 6<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> 1. 44 nm<br /> 2. 41 nm<br /> 3. 39 nm<br /> 4. 34 nm<br /> 5. 40 nm<br /> 6. 30 nm<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> λexc = 480 nm<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> 0.2<br /> 0.0<br /> 500<br /> <br /> 550<br /> <br /> 600<br /> <br /> 650<br /> <br /> 700<br /> <br /> 750<br /> <br /> B−íc sãng (nm)<br /> <br /> Hình 8. Độ bán rộng của phổ<br /> huỳnh quang của một số mẫu<br /> chấm lượng tử CdSe/CdS<br /> <br />