Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

64
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu chế tạo và khảo sát tinh chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước điều khiển được. Thử nghiệm ứng dụng của vật liệu đã chế tạo trong hiện ảnh tế bào và trong hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN VẬT LÝ ------***------ ĐỖ THỊ HUẾ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ SILICA/VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số chuyên ngành: 944 01 04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – 2018 1
Công trình được hoàn thành tại: Viện Vật lý Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nghiêm Thị Hà Liên 2. PGS. TS. Trần Hồng Nhung Phản biện 1: TS. Nguyễn Cao Khang Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Năng Định Phản biện 3: TS. Nguyễn Trần Thuật Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đáng giá luận án cấp Viện họp tại........................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện Vật lý 2
1. Lý do chọn đề tài Các cấu trúc nano vàng là một trong những loại vật liệu nano được sử dụng nhiều trong các ứng dụng Y-Sinh để tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hướng đích. Đây đang là những hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển. Sở dĩ các cấu trúc nano vàng được sử dụng trong những ứng dụng đó là do chúng có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng cao gấp 4-5 bậc so với các phân tử mầu thông thường. Đặc biệt, tần số plasmon của các cấu trúc nano vàng, bạc nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy gây nên các hiệu ứng về màu sắc. Hơn nữa, đặc tính ưu việt của các cấu trúc nano vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tương thích sinh học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các phân tử sinh học như amino acid, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông qua các chất có chứa nhóm –SH. Với các đặc tính hóa học bề mặt đặc thù này, các nghiên cứu ứng dụng của các cấu trúc nano vàng ngày càng phát triển và hứa hẹn những thành tựu to lớn trong các ứng dụng y sinh. Chẳng hạn như: (i) nano vàng có khả năng chứa thuốc, tải thuốc trị liệu và phát quang hiện ảnh trong mô tế bào; (ii) nano vàng cấu trúc lõi/vỏ với khả năng tán xạ mạnh ánh sáng từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại gần (NIR), chúng được ứng dụng để tạo ảnh in vivo sâu trong cơ thể (10 cm) để phát hiện các tế bào ung thư. Đồng thời, với khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, các nano vàng thanh và nano vàng cấu trúc lõi/vỏ được sử dụng để tiêu diệt tế bào bệnh bằng liệu pháp quang nhiệt mà không làm ảnh hưởng đến các tế bào khỏe cũng như không làm ảnh hưởng đến yếu tố di truyền… Xuất phát từ những thực tế về nhu cầu ứng dụng và khả năng đáp ứng những nhu cầu đó của các cấu trúc nano vàng, đồng thời xuất phát 1
từ tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước, chúng tôi chọn và nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh”. 2. Mục tiêu: - Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tinh chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước điều khiển được. - Thử nghiệm ứng dụng của vật liệu đã chế tạo trong hiện ảnh tế bào và trong hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt. 3. Những điểm mới/đóng góp của luận án Luận án là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng với đối tượng là vật liệu nano vàng – một loại vật liệu đang và sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ nano đặc biệt là các ứng dụng y sinh. Luận án đã tìm ra quy trình đơn giản tạo hạt nano vàng dạng cầu ở nhiệt độ phòng kích thước hạt có thể điều khiển được trong một khoảng khá rộng từ 2nm tới trên 200 nm bằng phương pháp nuôi mầm. Luận án đã tìm ra quy trình chế tạo nano vàng cấu trúc lõi/vỏ với việc kiểm soát tinh tế độ dày lớp màng vàng trong khoảng từ 10- 30 nm bằng việc kiểm soát nồng độ “mầm”. Đồng thời với việc sử dụng hạt vàng Duff- Baiker biến đổi kích thước đồng đều và nhỏ nên tạo được lớp màng vàng mỏng hơn, ít gồ ghề hơn, chất lượng tốt hơn so với các công bố hiện nay. Đồng thời đã tạo được các hạt cấu trúc lõi/vỏ kích thước nhỏ dưới 100 nm có đỉnh hấp thụ plasmon khoảng 700 nm. 4. Kết cấu của luận án Luận án gồm có 150 trang được bố cục thành 5 chương 2
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại 1.1.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance - SPR) Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dưới kích thích của ánh sáng tới. Màu sắc của các dung dịch keo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi các plasmon bề mặt. Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại được lý giải bởi lý thuyết của Mie và Gans. 1.1.2. Lý thuyết Mie - sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt Từ lý thuyết Mie người ta có thể tính được tán xạ  sca và tiết diện hấp thụ abs của một hạt. Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một môi trường đồng nhất được cho bởi: 𝐼0 1 𝜆 𝐴(𝜆) = 𝑙𝑜𝑔 𝐼𝜆 = 2.303 𝑁. 𝜎𝑒𝑥𝑡 .𝑙 𝜆 trong đó ext là hệ số dập tắt của mẫu tại bước sóng  và N số hạt trong một lít, l là độ dày của môi trường hấp thụ (cm). 1.1.3. Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng 1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu Lý thuyết Mie đánh giá rằng tiết diện quang của các hạt nano vàng cầu cao hơn khoảng 4-5 bậc so với tiết diện quang của các tâm mầu. Tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của hạt: Các hạt có đường kính dưới 20 nm tán xạ ánh sáng không đáng kể. Khi đường kính của hạt tăng lên tỷ lệ đóng góp của tán xạ plasmon bề mặt cũng tăng lên đáng kể. Sự tăng như vậy của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa 3
chọn các hạt nano cho các ứng dụng thực tế: các hạt có kích thước lớn thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng mà các hạt nano vàng cầu với các kích thước thích hợp sẽ được lựa chọn. 1.1.3.2. Thanh nano vàng Đối với thanh nano vàng, khả năng phân cực lưỡng cực của điện tử theo chiều ngang và theo chiều dọc không còn tương đương. Do đó xuất hiện hai cộng hưởng plasmon: một cộng hưởng plasmon theo chiều dọc tương ứng với dao động của các điện tử tự do dọc theo trục dài của thanh và một cộng hưởng plasmon theo chiều ngang tương ứng với dao động của các điện tử tự do theo phương vuông góc với trục dài của thanh nano (hình 1) Hình 1. Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dưới kích thích của ánh sáng tới 1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng: SiO2 /Au Các hạt cấu trúc lõi/vỏ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau là do chúng có các đặc tính quang nổi trội: tiết diện dập tắt lớn, có thể điều khiển được phổ hấp thụ plasmon một cách linh hoạt bằng cách thay đổi tỉ lệ tương quan giữa độ dày lõi và độ dày lớp vỏ (hình 2). Tính chất quang của các hạt SiO2/Au được giải thích dựa trên mô hình lai (hình 3): plasmon được kích thích trên hạt SiO2/Au có thể được xem như sự tương tác giữa một hạt nano cầu đặc và một hạt nano cầu rỗng. 4
Hình 2. Mô hình lai mô tả sự tương tác giữa hạt nano cầu đặc và hạt nano cầu rỗng Các tần số cộng hưởng plasmon được xác định như sau 2 𝜔𝑝 1 𝑅1 𝜔𝑛± = [1 ± √1 + 4𝑛(𝑛 + 1)( )2𝑛+1 ] 2 2𝑛 + 1 𝑅2 Trong đó: R1 là bán kính lõi, R2 là bán kính vỏ, n là thứ tự của sóng hình cầu, p tần số plasmon khối, + là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode phản liên kết, - là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode liên kết. Ta thấy tần số cộng hưởng plasmon n phụ thuộc vào tỷ lệ lõi – vỏ của hạt. Đối với cấu trúc lõi/vỏ vàng vị trí đỉnh phổ dập tắt có thể dịch chuyển trong khoảng từ 600nm-1000nm. Phạm vi của bước sóng này đặc biệt quan trọng vì nó chứa dải bước sóng từ 700-900nm, là vùng cửa sổ quang học của da và mô người. 1.2. Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano vàng 1.2.1. Phương pháp nuôi mầm Nguyên lý của phương pháp nuôi mầm được trình bày như trong hình 3. 5
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nuôi mầm Phương pháp này có ưu điểm là: tổng hợp ở nhiệt độ phòng, dễ điều khiển kích thước hạt, kích thước đồng đều và ít sản phẩm phụ.Tuy nhiên để có được những kết quả đó phương pháp này yêu cầu: - Cần tạo được mầm có chất lượng tốt: đơn phân tán, đồng đều về hình dạng và kích thước. - Cần có dung dịch nuôi phù hợp để kiểm soát quá trình phát triển của hạt mầm. 1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phương pháp nuôi mầm 1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch 1.2.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu 1.2.3. Chế tạo thanh nano vàng 1.2.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng 1.3. Ứng dụng của các cấu trúc nano vàng 1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học 1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt 1.4. Các phương pháp đo đạc Chương 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI MẦM 2.1. Nguyên vật liệu hóa chất 2.2. Chế tạo hạt vàng kích thước nhỏ - vàng Duff-Baiker 6
2.2.1. Quá trình chế tạo 2.2.2. Hạt vàng Duff – Baiker 6 4 § é hÊp thô 2 0 300 400 500 600 700 B- í c sãng(nm) Hình 4. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm (trái) và phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải). Ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng được hình thành với kích thước trung bình cỡ 2 nm. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt có đặc trưng của các hạt nano vàng nhỏ (dưới 10 nm): phổ rộng với đỉnh cộng hưởng nằm trong dải bước sóng 505 nm – 510 nm. Các hạt này được bảo quản ở 40C để làm hạt mầm chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu kích thước lớn hơn hoặc gắn kết lên trên các hạt silica để tạo hạt silica - mầm cho quá trình hình thành hạt nano cấu trúc lõi silica/vỏ vàng. 2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi mầm 2.3.1. Dung dịch nuôi (GPS) 2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi Dung dịch nuôi là các dung dịch vàng hydroxyde được tạo thành khi cho K2CO3 vào trong dung dịch HAuCl4 để tạo thành các phức ion vàng. 2.3.1.2. Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde 7
Từ việc phân tích phổ hấp thụ của các dung dịch với pH khác nhau cho thấy tốc độ phản ứng khử xảy ra chậm trong các dung dịch vàng hydroxyde với các giá trị pH < 6.59 hoặc pH > 9,7 và xảy ra nhanh hơn trong các dung dịch có pH trong khoảng từ 8.3 đến 9.4. Vì vậy, chúng tôi chọn sử dụng dung dịch vàng hydroxyde có độ pH 9.4 để làm dung dịch nuôi mầm. 2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm Để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm đến quá trình kiểm soát sự phát triển của các hạt nano vàng, chúng tôi đã sử dụng loại hạt mầm là hạt vàng citrate, có kích thước là 19±1 nm với các mật độ hạt khác nhau, được nuôi trong một bước nuôi duy nhất. Hình 5. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d = 30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm. Kết quả cho thấy: với tỷ lệ [Au3+]/[Au mầm] sử dụng càng lớn thì hạt nhận được càng lớn và khi tỉ lệ đó lớn hơn 12.5 thì các hạt bị mất đi tính đối xứng cầu. Điều này có thể được giải thích theo cơ chế La Mer. 2.3.3. Điều khiển kích thước hạt nano vàng lên tới 200 nm 2.3.3.1. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng Duff-Baiker Các hạt vàng Duff-Baiker được sử dụng làm hạt mầm ban đầu cho các bước nuôi, kết quả là phát triển kích thước của hạt đến khoảng 15 nm. Các hạt mầm ban đầu có kích thước phân bố trong khoảng từ 1-3 nm, vì 8
vậy ở các bước nuôi sau các hạt trong dung dịch sẽ phát triển không đồng đều dẫn đến sự đa dạng về kích thước hạt. Vì vậy, với mong muốn tổng hợp được các hạt nano vàng dạng cầu có kích thước biến thiên trong dải rộng để đa dạng hóa các ứng dụng của chúng, chúng tôi đã sử dụng mầm ban đầu là một loại hạt nano vàng có kích thước đồng đều hơn – hạt vàng citrate được làm theo phương pháp của Turkevich. 2.3.3.2. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate Quá trình này được thực hiện qua 18 bước nuôi được đánh số bắt đầu từ 5 đến 22 sao cho sản phẩm của bước nuôi này được sử dụng làm mầm cho bước nuôi kế tiếp. Hình 6. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu được ở các bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm. Các kích thước thu được từ tính toán, ảnh TEM và phép đo DLS là tương đối phù hợp với nhau. Điều này một lần nữa cho thấy rằng bằng phương pháp nuôi mầm, sử dụng các mầm là vàng Duff-Baiker và vàng citrate, dung dịch nuôi là vàng hydroxide pH 9.4, chúng tôi hoàn toàn có thể phát triển các hạt nano vàng ở nhiệt độ phòng tới các kích thước 9
mong muốn (từ vài đến vài trăm nanomet) và chất lượng sản phẩm (độ đồng đều, độ đơn phân tán) là tương đối tốt. Hình 7. Phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước nhỏ từ bước nuôi 1 đến bước nuôi 3 (A), phổ chuẩn hóa của các dung dịch từ bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16 (B ) và phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước lớn từ bước 17 đến bước 22 (C). Các hạt dưới 10nm có phổ plasmon rộng, các hạt càng nhỏ thì phổ plasmon càng mở rộng. Với các dung dịch hạt có kích thước lớn hơn từ 25 nm 140 nm tương ứng với các sản phẩm của bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16, phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của chúng có một đỉnh cộng hưởng. Sau mỗi bước nuôi đỉnh hấp thụ plasmon dịch 10
đỏ, kích thước hạt càng lớn thì đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về phía sóng dài. Đồng thời, cũng có thể nhận thấy độ rộng bán phổ của các phổ này hẹp hơn nhiều so với phổ của các hạt kích thước nhỏ (dưới 10nm) và trong dải kích thước này độ rộng bán phổ tăng theo sự tăng của kích thước hạt. Đây là kết quả của sự tương tác giữa sóng điện từ tới với hạt nano kim loại lớn. Kết luận chương 2 Các hạt nano vàng dạng cầu kích thước thay đổi từ vài nm đến 200 nm đã được chế tạo tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp “nuôi” mầm, sử dụng các mầm là các hạt vàng Duff-Baiker kích thước 1-3 nm và vàng citrate kích thước 19 ± 1 nm, với dung dịch nuôi chứa các phức ion vàng [AuClx(OH)4-x]-. Các đặc trưng quang của hạt vàng sản phẩm như hình thái, kích thước, độ đơn phân tán và tính chất quang đã được khảo sát. Các tính toán lý thuyết về tiết diện dập tắt, tán xạ và hấp thụ phụ thuộc kích thước hạt hoàn toàn phù hợp với các kết quả thu được từ thực nghiệm. Chương 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au 3.1. Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo 3.2. Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phương pháp Stober 3.2.1. Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica 3.2.2. Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica 11
Hình 8. Ảnh TEM của các hạt nano silica được làm với lượng NH4OH khác nhau: 900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái sang phải) trước (dãy trên) và sau (dãy dưới) khi chức năng hóa bề mặt với APTES các tại thang đo 100nm với độ phóng đại 40000 lần. Các thông số thu được cho thấy khi lượng NH4OH tăng từ 900 µl tới 1300 µl với bước nhảy 100 µl thì kích thước của các hạt silica tăng lên tương ứng là a) 45±3nm;b) 65±5nm; c)110±5nm; d) 130±5nm; e) 150±5nm. Kết quả khảo sát thế zeta và phổ hấp thụ hồng ngoại cho thấy các hạt nano silica đã chức năng hóa thành công bằng các phân tử APTES. 3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm 3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề mặt khác nhau Ảnh TEM cho thấy khi các hạt nano silica chỉ có các nhóm -OH trên bề mặt thì gần như không có các hạt nano vàng mầm bám lên, mà nếu có thì các hạt nano vàng bám rất ít và không đồng đều. Trong khi đó với các hạt nano silica có các nhóm -NH2 trên bề mặt thì các hạt nano vàng Duff-Baiker bám trên bề mặt một cách đồng đều do có tương tác tĩnh điện giữa các nhóm chức amin –NH2 trên bề mặt hạt nano silica và nhóm COO- trên bề mặt hạt nano vàng Duff-Baiker. 12
Hình 9. Ảnh TEM của các hạt nano silica trước a) và sau b) chức năng hóa bề mặt bằng APTES khi được ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker trong cùng điều kiện. Độ phóng đại 40 nghìn lần 3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano vàng mầm lên hạt lõi nano silica. Các hạt nano vàng được ủ với các hạt nano silica trong các thời gian ủ khác nhau: 1h; 3h; 4h và sau 24h. Từ k ết quả ảnh TEM chúng tôi chọn thời gian ủ để hạt nano vàng nhỏ hấp phụ trên hạt nano silica là 2h đến 3h. 3.4. Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng 3.4.1. Ảnh hưởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên bề mặt hạt nano silica Lượng HCHO tối thiếu cần dùng cho phản ứng khử để tạo cấu trúc lõi/vỏ được xác định là tỷ lệ mol HCHO/vàng hydroxyde bằng 2.5. Trong các thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng tỷ lệ mol HCHO/vàng hydroxyde bằng 3 tương ứng với 15 µl HCHO 37% cho 10 ml dung dịch vàng hydroxyde nồng độ 3.7510-4M. 3.4.2. Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đường kính lõi và độ dày vỏ thay đổi 3.4.2.1. Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi Các hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi được thực hiện trên các hạt lõi đường kính 150 nm, bằng cách thay đổi lượng silica – vàng mầm 13
trong khi thể tích vàng hydroxyde và HCHO giữ cố định lần lượt là 10 ml và 15l. Độ dày lớp vỏ theo tính toán được ước tính là 5 nm, 7nm và 15nm. Việc dịch đỉnh phổ từ 530 nm về phía sóng dài được giải thích là các hạt vàng mầm trên hạt silica lớn lên về mặt kích thước, nhưng giữa chúng vẫn có khoảng cách, khoảng cách này sẽ dần bị thu hẹp lại khi các hạt vàng mầm lớn dần lên. Nhưng khi kích thước các hạt vàng chưa đủ lớn để phủ kín hạt silica thì phổ cộng hưởng plasmon của chúng có dạng giống với phổ cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng dạng cầu. Chỉ khi kích thước các hạt vàng đủ lớn để chúng chạm vào nhau tạo thành lớp vỏ vàng phủ kín hạt nano silica thì mới xuất hiện phổ đặc trưng của các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ. Hình 10. HTEM và ảnh phân tích EDX tương ứng của cấu trúc hạt lõi silica 150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tương ứng với các hạt trên hình 13(B), (C), (D). Mầu vàng tương ứng với nguyên tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si; với thang đo 100 nm. 14
Thành phần và cấu trúc của hạt nano SiO2/Au cũng đã được thể hiện trên ảnh HSEM và ảnh phân tích EDX. 3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đường kính trong khoảng 40-150 nm Chúng tôi đã tạo ra được các hạt nano silica với lõi có đường kính trong khoảng 40 nm đến 150 nm và độ dày vỏ được xác định bằng ảnh TEM thay đổi từ 10 nm đến 30 nm. Khảo sát ảnh TEM của chúng qua các giai đoạn phát triển và phổ hấp thụ của các dung dịch sau khi quá trình nuôi kết thúc. Với các kích thước lõi khác nhau (đường kính bằng 65 nm, 140 mnm, 180 nm) nhưng có cùng độ dày lớp vỏ 15 nm thì đỉnh cộng hưởng plasmon càng dịch về phía sóng dài khi kích thước hạt lớn (hình 13). Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả lí thuyết thu được từ mô hình lai khi giải thích tính chất quang của hạt SiO2/Au: khi tăng tỉ lệ đường kính lõi/độ dày vỏ thì đỉnh hấp thụ plasmon dịch về phía sóng dài. Hình 11. Phổ cộng hưởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt nano SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đường kính hạt lõi thay đổi. 15
Kết luận chương 3 Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au được tổng hợp theo phương pháp nuôi mầm vàng trên hạt lõi silica để tạo lớp vỏ có độ dày nhất định. Quá trình phát triển lớp vỏ được tối ưu hóa bằng việc xác định lượng HCHO vừa đủ cho phản ứng khử. Bằng cách tổng hợp hạt cấu trúc lõi/vỏ trên các hạt nano silica có đường kính khác nhau và độ dày lớp vỏ thay đổi, chúng tôi đã tổng hợp được các hạt SiO2/Au với đường kính lõi từ 40- 150nm, và độ dày lớp thay đổi trong khoảng 12-22 nm. Trên cơ sở đó khảo sát được sự phụ thuộc của phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch hạt vào tỷ lệ đường kính lõi và độ dày lớp vỏ. Từ đó rút ra các bộ thông số cho quy trình chế tạo các hạt nano SiO2/Au có kích thước và phổ hấp thụ plasmon phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Chương 4 CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH 4.1. Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo Các thanh nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp nuôi mầm. Quy trình gồm hai giai đoan: Giai đoạn tạo mầm vàng cấu trúc tinh thể và giai đoạn tạo phát triển bất đẳng hướng mầm tinh thể thành dạng thanh. Cấu trúc tinh thể của mầm được kiểm tra bằng ảnh HTEM. Qua phân tích vai trò của các yếu tố trong việc tạo thanh chúng tôi thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới việc hình thành và phát triển các thanh nano vàng chẳng hạn như: nồng độ AgNO3 hay tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+ và nồng độ tác nhân khử AA, nồng độ CTAB,... 4.2. Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 4.2.1. Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+ Để xem xét vai trò của tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ] /[Au3+] lên sự hình thành và phát triển của thanh nano vàng, các thể tích khác nhau từ 0 - 16
500 µl của dung dịch AgNO3 (2.5mM) đã được thêm vào trong các dung dịch nuôi. 4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA) Lượng tác nhân khử AA nồng độ 0.25 M được thay đổi từ 0-40 µl và tỷ lệ nồng độ [AA]/[Au3+]được khảo sát từ không đủ đến dư trong khoảng 0.92 tới 2.45. 4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng 4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng 100 {111} 80 C- êng ®é nhiÔu x¹ 60 {200} 40 {220} 20 0 10 20 30 40 50 60 70 2  (o ) Hình 12. Phổ XRD của thanh nano vàng Bằng việc phân tích phổ XRD của thanh nano vàng có thể thấy được các mặt tinh thể trên thanh bao gồm mặt {111} và {110}. 4.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của thanh 4.3.2.1. Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ]/[Au3+] 17
Hình 13. Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au3+] thay đổi, thang đo bằng 20nm Khi không có Ag trong giai đoạn phát triển hạt mầm, dung dịch thu được + đa số là các hạt vàng dạng cầu, một số ít dạng tam giác và dạng thanh. Ở đó, các thanh vàng có tỉ lệ các cạnh AR rất lớn. Khi nồng độ Ag+ tăng thì hiệu suất tạo thanh tăng lên từ 74,5% đến 88,9 và tỉ lệ các cạnh của thanh tăng từ 2,2 đến 4,5. Nhưng khi tỉ lệ mol của Ag+ và Au3+ trong dung dịch lớn hơn 0.289 thì hiệu suất tạo thanh giảm từ 88,9% đến 75,6% và tỉ lệ các cạnh của thanh giảm từ 4,5 xuống 3,2. Kết quả này cho thấy vai trò của ion Ag+ trong quá trình phát triển thanh nano vàng. 5 [Ag+]/[Au3+] M1 4 M2 § é hÊp thô M3 3 M4 M5 M7 2 M9 M11 1 0 400 600 800 1000 B- í c sãng (nm) Hình 14. Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của các dung dịch thanh nano vàng theo tỉ lệ mol [Ag+] /[Au3+] 18