BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Văn Khiêm

ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ CHẤM LƯỢNG

TỬ PHÁT QUANG ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ KẼM TRONG PHA NƯỚC

TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH VI KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC

Hồ Chí Minh – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Văn Khiêm

ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ CHẤM LƯỢNG

TỬ PHÁT QUANG ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ KẼM TRONG PHA NƯỚC

TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH VI KHUẨN

Chuyên ngành : Hóa Phân Tích

Mã số : 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. Lương Thị Bích

Hồ Chí Minh - 2020

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 1

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 4

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 5

Danh mục chữ viết tắt .......................................................................................... 6

Danh mục bảng ..................................................................................................... 8

Danh mục hình và đồ thị ..................................................................................... 9

Mở đầu ................................................................................................................ 13

Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 15

1.1 Vật liệu nano phát quang (hạt nano phát quang) .............................................. 15

1.1.1 Hat nano phát quang .................................................................................. 15

1.1.2 Vật liệu nano phát quang dựa trên nguyên tố kẽm .................................... 18

1.1.3 Chất ổn định bề mặt ................................................................................... 21

1.2 Cơ chế phát quang của hạt nano phát quang .................................................... 24

1.2.1 Sự phát quang ............................................................................................ 24

1.2.2 Cơ chế phát quang của hạt nano phát quang ............................................. 25

1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang ...................................... 27

1.3.1 Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp vật lý .............................................. 27

1.3.2 Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp hóa học .......................................... 27

1.3.3 Phương pháp tổng hợp trong pha hữu cơ và trong pha nước .................... 27

1.4 Phương pháp xác định tính chất hóa lý và cấu trúc vật liệu ............................. 30

1.4.1 Nghiên cứu cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ......................... 30

1.4.2 Nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp X-Ray Photoelectron

Spectroscopy .......................................................................................................... 31

1.4.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..................................................... 32

1.4.4 Phương pháp quang phổ hấp thu (UV - Vis) ............................................. 33

1.4.5 Phổ hấp thu hồng ngoại (IR) ...................................................................... 36

2

1.5 Ứng dụng của hạt nano phát quang .................................................................. 37

1.5.1 Trong lĩnh vực công nghiệp điện tử. .......................................................... 37

1.5.2 Trong lĩnh vực công nghệ sinh học. .......................................................... 38

1.6 Một vài ưng dụng vật liệu nano phát quang khác ............................................ 41

1.7 Tính cấp thiết đề tài .......................................................................................... 43

Chương 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 44

2.1 Hóa chất và thiết bị ........................................................................................... 44

2.2 Tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA, PVA,

PEG, TINH BỘT ........................................................................................................ 46

2.2.1 Quy trình tổng hợp của ZnSe sử dụng chất ổn định MPA trong môi trường

nước .................................................................................................................... 46

2.2.2 Quy trình tổng hợp của ZnSe:X (X:Mn, Cu, Mg, Ag) sử dụng chất ổn

định MPA trong môi trường nước ......................................................................... 47

2.3 Đánh giá hiệu năng phát quang của sản phẩm khi gắn với axit amin. ............. 48

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ......................................................... 51

3.1 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA ..................... 51

3.1.1 Khảo sát điều kiện tổng hợp ZnSe ............................................................. 51

3.1.2 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Mn .................................................. 56

3.1.3 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Ag ................................................... 60

3.1.4 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Cu ................................................... 65

3.1.5 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Mg .................................................. 71

3.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định PEG, PVA, TINH

BỘT .......................................................................................................................... 75

3.2.1 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt PEG . 75

3.2.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt PVA . 79

3.2.3 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt TINH

BỘT .................................................................................................................... 84

3.3 Đánh giá hiệu năng phát quang củPa sản phẩm khi gắn với axit amin. ........... 88

3

3.3.1 Xác định độ hấp thu (UV) của hạt nano phát quang khi được gắn thêm axit

amin .................................................................................................................... 88

3.3.2 Đánh giá sơ bộ hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi được gắn

với axit amin. .......................................................................................................... 90

3.3.3 Đánh giá khả năng định lượng của hệ nano phát quang đối với axit amin. ..

.................................................................................................................... 92

Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 99

4.1 Kết luận ............................................................................................................. 99

4.2 Kiến nghị ........................................................................................................ 100

Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 101

4

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới

sự hướng dẫn khoa học của TS. Lương Thị Bích. Các số liệu, những kết luận

nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực. Tôi xin hoàn

toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.

Người thực hiện

Nguyễn Văn Khiêm

5

LỜI CẢM ƠN

Con xin ghi nhớ công ơn của cha mẹ đã dưỡng dục, động viên con trên con

đường học vấn để con được thành quả hôm nay.

Tôi xin tri ân TS. Lương Thị Bích – người thầy và cũng là người đồng hành

đã cho tôi những kinh nghiệm và bài học quý báu, đã tận tình hướng dẫn, truyền

động lực cho tôi trong suốt kì luận văn này. Tôi đã được củng cố thêm kiến thức

và học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn trong suốt quá trình làm luận văn.

Tôi xin cám ơn đến Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam đã

tạo điều kiện cho tôi được học tập và hoàn thành luận văn.

Tôi cũng không quên gửi lời cảm ơn đến phòng phân tích tại Viện Khoa

Học Vật Liệu Ứng Dụng và đặc biệt là bạn Nguyễn Vũ Duy Khang đã giúp tôi rất

nhiều trọng việc phân tích các mẫu.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn và các anh chị

làm việc tại Phòng Vật Liệu Phụ Gia Dầu Khí – Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng

Dụng đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn tốt

nghiệp này.

Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Phạm Duy Khanh, người chỉ bảo tôi sử dụng

những thiết bị kỹ thuật. Bên cạnh đó anh cũng là người truyền đạt lại rất nhiều

kinh nghiệm đi trước, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.

6

Danh mục chữ viết tắt

µTAS Micro Total Analysis

ACTFEL AC Thin-film Electroluminescent

AND Deoxyribonucleic acid

Cd Cadium

DLS Dyamic Light Scattering

EPR Electron Paramagnetic Resonance

IgG Immunoglobulin G

IR Infrared Spectroscopy

LED Light-Emitting Diodes

LSPR Localized Surface Plasmon Resonance

Mn(OAC)2 Manganese (II) acetate

MPA 3 - Mercaptopropionic acid

Na2S Natri sunfua

NaBH4 Sodium borohydride

PEG Polyethylene glycol

PLQY Photoluminescence Quantum Yield

PPV p-phenylene Vinylene

PVA Polyvinyl alcohol

QDs Quantum Dots

Se Selenium

TEM Transmission Electron Microscopy

TOP Trioctylphosphine

7

TOPO Trioctylphosphine oxide

XRD X-Ray Diffraction

Zn(OAC)2 Zinc acetate

8

Danh mục bảng

Bảng 1. 1 Bán kính của một số ion thường sử dụng để pha tạp .......................... 19

Bảng 1. 2. Band gap của một số loại vật liệu ....................................................... 19

Bảng 1. 3. So sánh phương pháp tổng hợp trong dung môi hữu cơ và trong pha

nước ...................................................................................................................... 28

Bảng 2. 1. Danh mục hóa chất ............................................................................. 44

Bảng 2. 2. Thể tích axit amin Lysine trong mẫu đo PL ....................................... 50

Bảng 3. 1. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Ag(1%)/MPA ............................................................................... 93

Bảng 3. 2. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Cu(1%)/MPA ............................................................................... 95

Bảng 3. 3. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Mg(1%)/MPA .............................................................................. 97

9

Danh mục hình và đồ thị

Hình 1. 1. Vật liệu nano phát quang dưới ánh đèn UV. ................................................. 16

Hình 1. 2. Cấu trúc của một hạt nano phát quang. ......................................................... 17

Hình 1. 3. Phổ PL của hạt nano phát quang CdSe (A) và mối quan hệ với kích thước

của phần tử (B).. ............................................................................................................. 18

Hình 1. 4. Cơ chế phát xạ khác nhau khi pha tạp Mn vào trong tinh thể ZnSe . ........... 20

Hình 1. 5. Công thức cấu tạo của 3 - Mercaptopropionic acid (MPA). ......................... 22

Hình 1. 6. Cấu trúc của PEG. ......................................................................................... 22

Hình 1. 7. Công thức cấu tạo của tinh bột. ..................................................................... 24

Hình 1. 8. Cấu trúc của PVA: a) Thủy phân một phần b) Thủy phân hoàn toàn . ......... 24

Hình 1. 9. Cơ chế phát quang của Quantum Dot. .......................................................... 26

Hình 1. 10. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra trên một số hữu hạn mặt phẳng mạng hạt nano

phát quang. ..................................................................................................................... 31

Hình 1. 11. Phương pháp quang phổ hấp thu. ............................................................... 34

Hình 1. 12. Sơ đồ khối một hệ đo huỳnh quang thông thường. ..................................... 35

Hình 2. 1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano phát quang cấu trúc ZnSe:Mn/MPA. .......... 47

Hình 3. 1. Phổ UV hạt nano phát quang của ZnSe trong môi trường nước. ........ 51

Hình 3. 2. Hình ảnh các hạt nano phát quang ZnSe phân tán trong môi trường

nước. ..................................................................................................................... 52

Hình 3. 3. Phổ huỳnh quang của ZnSe phân tán trong môi trường nước. ........... 52

Hình 3. 4. Phổ IR của MPA và hạt nano phát quang ZnSe. ................................ 53

Hình 3. 5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano phát quang ZnSe với điều kiện

pH và thời gian khác nhau.................................................................................... 54

Hình 3. 6. Hình phân bố DLS của hạt nano phát quang ZnSe. ............................ 55

Hình 3. 7. Hình chụp TEM hạt nano phát quang ZnSe........................................ 56

Hình 3. 8. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp

khác nhau. ............................................................................................................. 57

Hình 3. 9. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp khác

nhau. ..................................................................................................................... 58

Hình 3. 10. Hình ảnh trước và sau khi chiếu đèn UV của nano phát quang

ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp 1-3-5-7 (từ trái sang phải). ............................... 58

Hình 3. 11. Phổ hồng ngoại IR của MPA và nano phát quang ZnSe:Mn ............ 59

Hình 3. 12. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp

khác nhau. ............................................................................................................. 60

10

Hình 3. 13. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Ag ở các nồng độ pha tạp

khác nhau. ............................................................................................................. 61

Hình 3. 14. Phổ PL của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag (0.5%-7% ). ............ 62

Hình 3. 15. Mẫu ZnSe:Ag (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV bước sóng .............. 63

Hình 3. 16. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag ở nồng độ pha tạp

khác nhau và MPA. .............................................................................................. 63

Hình 3. 17. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Ag pha tạp Ag+ tại những

hàm lượng khác nhau. ........................................................................................... 64

Hình 3. 18. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Ag – MPA sau khi tổng hợp. ............ 65

Hình 3. 19. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Cu. ............................... 66

Hình 3. 20. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Cu ............................................. 67

Hình 3. 21. Mẫu ZnSe:Cu (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm). ............... 68

Hình 3. 22. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Cu ở nồng độ pha tạp khác

nhau và MPA. ....................................................................................................... 69

Hình 3. 23. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Cu pha tạp kim loại Cu tại

những hàm lượng khác nhau. ............................................................................... 70

Hình 3. 24. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Cu – MPA sau khi tổng hợp. ............ 70

Hình 3. 25. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mg ở nồng độ Mg khác

nhau. ..................................................................................................................... 71

Hình 3. 26. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mg ở các nồng độ pha tạp khác

nhau. ..................................................................................................................... 72

Hình 3. 27. Mẫu ZnSe:Mg (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm). .............. 72

Hình 3. 28. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mg ở nồng độ pha tạp

khác nhau và MPA. .............................................................................................. 73

Hình 3. 29. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mg pha tạp kim loại Mg tại

những hàm lượng khác nhau. ............................................................................... 74

Hình 3. 30. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Mg – MPA sau khi tổng hợp. ........... 75

Hình 3. 31. Phổ UV-Vis của các hạt nano ZnSe:Mn ở nồng độ Mn pha tạp khác

nhau. ..................................................................................................................... 76

Hình 3. 32. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn / PEG ở các nồng độ Mn pha

tạp khác nhau. ....................................................................................................... 77

Hình 3. 33. Mẫu ZnSe:Mn/PEG (1% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm). ........ 77

11

Hình 3. 34. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mn /PEG ở nồng độ pha

tạp khác nhau và PEG. ......................................................................................... 78

Hình 3. 35. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/PEG pha tạp Mn tại

những hàm lượng khác nhau. ............................................................................... 79

Hình 3. 36. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/PVA....................... 80

Hình 3. 37. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn/PVA .................................. 81

Hình 3. 38. Mẫu ZnSe:Mn /PVA (1% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm). ....... 82

Hình 3. 39. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/PVA ........................ 83

Hình 3. 40. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/PVA tại những hàm

lượng kim loại pha tạp Mn khác nhau. ................................................................ 84

Hình 3. 41. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/TINH BOT. ........... 85

Hình 3. 42. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn / TINH BỘT ....................... 86

Hình 3. 43. Mẫu ZnSe:Mn /TINH BOT (1% - 7%) ............................................. 86

Hình 3. 44. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/TINH BỘT ............. 87

Hình 3. 45. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/TINH BOT tại những

hàm lượng kim loại pha tạp Mn khác nhau. ......................................................... 88

Hình 3. 46. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Ag/MPA khi cho thêm axit amin. ... 89

Hình 3. 47. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Cu/MPA khi cho thêm axit amin. ... 89

Hình 3. 48. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Mg/MPA khi cho thêm axit amin. .. 90

Hình 3. 49. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Ag khi cho thêm

axit amin. .............................................................................................................. 91

Hình 3. 50. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Cu khi cho thêm

axit amin. .............................................................................................................. 91

Hình 3. 51. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Mg khi cho thêm

axit amin. .............................................................................................................. 92

Hình 3. 52. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Ag/MPA khi cho thêm

axit amin theo bảng 2.2. ....................................................................................... 93

Hình 3. 53. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Ag/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm. ............................................................................ 94

Hình 3. 54. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Cu/MPA khi cho thêm

axit amin theo bảng 2.2. ....................................................................................... 94

Hình 3. 55. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Cu/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm vào. ..................................................................... 96

12

Hình 3. 56. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Mg/MPA khi cho thêm

axit amin theo bảng 2.2. ....................................................................................... 96

Hình 3. 57. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Mg/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm vào. ..................................................................... 98

13

Mở đầu

Các nano tinh thể bán dẫn cũng được biết đến là các hạt nano phát quang có

kích thước từ 1-20 nano mét (nm), sở hữu các tính chất quang và điện thú vị. Ta

có thể xếp tính chất của chúng nằm giữa các vật liệu bán dẫn khối và các phân tử

hay nguyên tử riêng biệt. Trong vòng 20 năm gần đây, các nghiên cứu về hạt nano

phát quang cũng như việc tìm hiểu và khám phá các tính chất quang điện của

chúng đã được tiến hành và đạt được những thành tựu đáng kể.

Các nano tinh thể bán dẫn hạt nano phát quang là các hạt có khả năng phát

quang ở kích thước rất bé. Các hạt này đã được nghiên cứu và phát triển một cách

mạnh mẽ, đã và đang được ứng dụng một cách rộng rãi trên nhiều lĩnh vực. Ví dụ

như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện

tử, các linh kiện phát sáng (hạt nano phát quang-LED), trong các ứng dụng y sinh

như hiện ảnh phân tử và tế bào, các cảm biến sinh học [1].

Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều được tiến hành dựa trên các nguyên

tố đất hiếm và sử dụng các dung môi hữu cơ. Mặc dù đã đạt được những thành

công đáng kể và được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ, nhưng vấn đề này đã

gây hại cho môi trường khi các hạt hạt nano phát quang được tổng hợp trong dung

môi hữu cơ, ảnh hưởng đến sức khỏe con người bởi các nguyên tố đất hiếm [2].

Vì vậy việc tổng hợp xanh các hạt hạt nano phát quang trong môi trường nước dựa

trên nguyên tố kẽm (Zn) với mục đích hướng hướng đến với tiêu chí thân thiện

với môi trường và giảm chi phí thực hiện. Trên cơ sở đó chúng tôi đề xuất đề tài

“Nghiên cứu tổng hợp hạt nano ZnSe phát quang trong pha nước hướng tới ứng

dụng cảm biến sinh học”.

14

Mục tiêu của luận văn.

Từ những kết quả đã được nghiên cứu [51,52]. Trong luận văn này sẽ tập

trung nghiên cứu và tổng hợp vật liệu nano phát quang được tiến hành dựa trên

nguyên tố kẽm trong môi trường nước tại các điều kiện thay đổi kim loại pha tạp

(dopping) trong quá trình tổng hợp nhằm tăng cường độ phát quang, hỗ trợ sự phân

tán của các hạt nano trong môi trường nước. Nhằm mục đích là xác định điều kiện

tổng hợp tối ưu để tiến hành ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau. Bước đầu khảo

sát khả năng làm cảm biến của sản phẩm.

Nội dung nghiên cứu của luận văn:

1. Tổng hợp nano phát quang ZnSe:X với X là Mn, Ag, Cu, Mg với việc

thay đổi hàm lượng pha tạp của X trong môi trường nước sử dụng chất ổn định

MPA là chất hỗ trợ phân tán và sử dụng chất ổn định PEG, PVA, TINH BỘT đối

với kim loại Mn. (Tổng hợp và phân tích UV/PL/IR/XRD/TEM/SEM/DLS).

2. Đánh giá hiệu năng phát quang của sản phẩm khi gắn với axit amin.

(Hệ nano tiếp hợp với axit amin và phân tích UV-VIS/PL).

15

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu nano phát quang (hạt nano phát quang)

1.1.1 Hat nano phát quang

Khoa học và Công nghệ nano đánh dấu bước phát triển lịch sử của khoa học

và công nghệ trên thế giới, trong thời gian qua đã đạt những thành tựu to lớn góp

phần thay đổi không chỉ khoa học công nghệ mà còn cả trong lĩnh vực kinh tế xã

hội. Sự phát triển nhanh của nền kinh tế luôn đặt ra các yêu cầu bức thiết đối với

khoa học công nghệ về giải pháp về năng lượng vật liệu và thiết bị với hiệu quả

vượt trội và tính năng đột phá. Trong bối cảnh đó, công nghệ nano ra đời đã phần

nào giải quyết được các vấn để cấp thiết và việc ứng dụng công nghệ nano vào các

ngành khoa học và cuộc sống ngày càng được quan tâm. Các nhu cầu về điện năng,

năng lượng mới, sức khỏe và môi trường tạo tiền đề cho các ứng dụng của khoa

học và công nghệ nano. Theo xu thế phát triển chung của công nghệ nano, các vật

liệu cấu trúc nano phát quang cũng như chất màu hữu cơ, các hạt nano phát quang

chế tạo từ vật liệu bán dẫn, các vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm đã ngày

càng được ứng dụng nhiều và đa dạng hơn trong các ngành kinh tế kỹ thuật và đời

sống xã hội.

Gần đây, một loại vật liệu nano phát quang trở thành đối tượng tâm điểm

của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng là vật liệu nano phát quang. Loại vật liệu này

khá thu hút được sự quan tâm nghiên cứu phát triển nhằm triển khai các ứng dụng

trong in bảo mật, công nghệ lượng tử ánh sáng, hiển thị hình ảnh, đánh dấu y sinh

học,…

Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm

80 của thế kỷ XIX, trong phòng thí nghiệm của Luis Brus tại Bell Laboratories và

của Alexander Efros cùng với Alexei I.Ekimov ở Viện Công Nghệ vật lý A.F.

Ioffe ở St.Peterburg. Thuật ngữ “hạt nano phát quang” được Mark A.Reed đưa ra

đầu tiên vào năm 1988 [3] . Trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát

16

quang, mà các exciton của chúng bị giam giữ một cách nghiêm ngặt khi bán kinh

của hạt nhỏ hơn bán kính Borh của electron.

Hình 1. 1. Vật liệu nano phát quang dưới ánh đèn UV.

Hạt nano phát quang bán dẫn được quan tâm đặc biệt là do hiệu ứng giam

giữ lượng tử thể hiện rất rõ và phụ thuộc nhiều vào kích thước của hạt nano. Hiệu

ứng lượng tử thể hiện trong các hạt nano phát quang là sự mở rộng vùng cấm của

chất bán dẫn tăng dần lên khi kích thước của hạt giảm đi và quan sát được qua sự

dịch chuyển về phía các bước sóng xanh (blue) trong phổ hấp thụ. Sự thay đổi

dạng cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận đỉnh vùng

hoá trị và đáy vùng dẫn, mà biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng giam giữ lượng tử

mạnh là các vùng năng lượng liên tục sẽ trở thành các mức gián đoạn. Những ưu

điểm nổi bật của hạt nano phát quang về quang học như: cường độ phát quang lớn

và ổn định hơn chất màu truyền thống, có thể còn phát quang nhiều giờ sau khi bị

kích thích [3]. Tinh thể nano bán dẫn có phổ hấp thụ rộng và phổ phát xạ hẹp thuận

lợi trong ứng dụng, điều này cho ta kích thích tại cùng một bước sóng ta có thể

kích thích một lúc nhiều các hạt nano phát quang với các kích thước khác nhau,

với một khoảng phổ rộng. Cùng với độ nhạy quang, độ chính xác, độ sáng cùng

17

với thời gian sống dài khi phát quang, tất cả đều nổi trội, tạo ra nhiều điểm mới

mẻ và đặc biệt cho hạt nano phát quang. Không giống như các đơn nguyên tử hay

phân tử khác, các hạt nano phát quang khi chế tạo có thể tùy biến lớp bề mặt của

hạt để có các tính chất hay chức năng cần thiết cho các ứng dụng khác nhau [4].

Hình 1. 2. Cấu trúc của một hạt nano phát quang.

Kích thước của hạt nano phát quang có ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc phát

ra của hạt nano phát quang. Với cùng một vật liệu nhưng kích thước hạt hạt nano

phát quang khác nhau sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc khác nhau. Nguyên nhân của

hiện tượng này chính là sự giam giữ lượng tử. Các hạt nano phát quang có kích

thước lớn hơn sẽ phát ra ánh sáng đỏ, nghĩa là mức năng lượng thấp hơn và các

hạt nano phát quang có kích thước nhỏ hơn sẽ phát ra ánh sáng xanh, nghĩa là mức

năng lượng tương ứng cao hơn. Khi kích thước hạt giảm đi thì vùng cấm của hạt

nano phát quang tăng dần, dẫn đến màu sắc của ánh sáng phát ra thay đổi từ đỏ

sang xanh [5].

18

Hình 1. 3. Phổ PL của hạt nano phát quang CdSe (A) và mối quan hệ với kích

thước của phần tử (B). Đường kính của các hạt nano phát quang từ trái sang phải

lần lượt: 2.1 nm, 2.5 nm, 2.9 nm, 4.7 nm, 7.5 nm [6].

1.1.2 Vật liệu nano phát quang dựa trên nguyên tố kẽm

Hạt nano phát quang đã đước biết đến hơn một thập kỷ qua, để phục vụ cho

những lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Hạt nano phát quang tổng hợp dựa trên

nguyên tố Cd. Nhưng vì Cd là nguyên tố độc hại thuộc nhóm A (Cd, Hg, Pb) gây

hạn chế một số lĩnh vực ứng dụng nên hạt nano phát quang không độc hại được

nghiên cứu.

Và những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các nguyên tố chuyển tiếp có

thể thay cho Cd để ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Các chất bán dẫn loại

II-VI không chứa Cd được làm lõi, trong đó ZnSe với vùng cấm (Band gap) ở

nhiệt độ phòng 2.71 eV (452 nm) là một vật liệu với nhiều ứng dụng rộng rãi như

các đi-ốt phát quang - Light Emitting Diodes (LEDs), tế bào quang điện, phân tích

quang, cảm biến sinh học. Để chọn ion kim loại chuyển tiếp có thể pha tạp vào hạt

19

nano phát quang ta dựa vào bán kính ion, band gap của tinh thể pha tạp với ion vật

liệu lõi được chọn cho phù hợp [7, 8].

Bảng 1. 1. Bán kính của một số ion thường sử dụng để pha tạp [4, 5].

Ion Ni2+

Cu2+

Co2+

Zn2+

Mn2+

Cd2+

Cr2+

Er3+

Ag+

Radius(A0) 0.69 0.71 0.72 0.74 0.8 0.92 0.94 0.95 1.14

Bảng 1. 2. Band gap của một số loại vật liệu [4, 5].

Material Band gap (eV)

ZnS 3.8

MnSe 3.4

MnS 3.1

ZnSe 2.71

CdS 2.42

CuS 2.1-2.55

CuSe 2

CdSe 1.8

CdTe 1.5

PdS 0.37

LnAs 0.35

PdTe 0.3

PdSe 0.27

lnSb 0.18

AgSe 1.35

20

Trong số đó Mn2+ là một chất pha tạp thường dùng của nhiều loại bán dẫn

loại II-VI vì:

(1) Vị trí bên trong mạng của nguyên liệu chính có thể xác nhận bởi cộng

hưởng thuận từ electron (EPR).

(2) Nó thể hiện một mũi phát quang đặc trưng từ Mn2+4T1 → 6A1, tâm chuyển

tiếp tại bước sóng 592-595 nm.

Hình 1. 4. Cơ chế phát xạ khác nhau khi pha tạp Mn vào trong tinh thể ZnSe

[13].

Trong những năm gần đây, một vài nhóm nhà khoa học đã báo cáo về

phương pháp tổng hợp ZnSe và mối quan hệ giữa doped Mn với ZnSe bằng

phương pháp cơ kim loại. Đó là phương pháp dùng nhiệt để nhiệt phân phức hợp

hữu cơ kim loại trong việc kết hợp với các dung môi hữu cơ như tri- n

octylphosphine oxide (TOPO), tri- n octylphosphine (TOP). Việc thay đổi các phối

tử kị nước (TOPO, TOP) thành phối tử ưa nước (thioacids) và chuyển pha của hạt

21

nano phát quang từ pha dầu thành dung dịch có thể làm giảm đáng kể đến hiệu

suất phát quang lượng tử (PLQY) của hạt nano phát quang [9].

Việc tổng hợp hạt nano phát quang phủ thiol trong môi trường nước sẽ hứa

hẹn thay thế những phản ứng cơ kim và mang lại những thuận lợi:

Sử dụng tiền chất ít độc hại hơn.

Sử dụng phương pháp tổng hợp đơn giản, rẻ tiền, nhiệt độ phản ứng

không quá 100oC.

Kích thước hạt nano phát quang nhỏ.

Trong luận văn này, tôi tiến hành tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe:X với

X là Cu, Ag Mg, Mn sử dụng chất ổn định MPA, PEG, PVA và tinh bột. Trong

đó tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe có pha tạp những kim loại trên đã được

nghiên cứu rộng rãi. Nhờ có cấu trúc tinh thể, bán kính ion và độ rộng vùng cấm

thích hợp mà người ta thường chọn những kim loại này để pha tạp. Vì vậy trong

đề tài cũng làm nhiều thực nghiệm về cấu trúc ZnSe:X.

1.1.3 Chất ổn định bề mặt

1.1.3.1 Tác dụng của chất ổn định bề mặt

Các tiền chất được tính toán và sử dụng để tạo phản ứng trong môi trường

có sử dụng chất ổn định bề mặt. Thông thường các tiền chất được chọn có thể hòa

tan trong dung môi phản ứng. Các dung môi có thể là các dung môi hữu cơ, nhưng

ở đây ta sử dụng dung môi là nước (vì nhiệt độ phản ứng dưới 100oC). Ở nhiệt độ

phản ứng phù hợp, các tiền chất phản ứng với nhau để hình thành hợp chất bán

dẫn muốn chế tạo. Chất ổn định bề mặt có chức năng như một phần tử điều chỉnh

tốc độ phản ứng và tốc độ phát triển tinh thể (liên quan đến khả năng điều chỉnh

kích thước của hạt vật liệu) và ngăn cản không cho các hạt vi thể tụ đám với nhau.

Do liên kết của chất ổn định bề mặt với các tinh thể khác nhau là khác nhau, nên

chất ổn định bề mặt còn có ý nghĩa điều chỉnh sự phát triển tinh thể theo hướng

khác nhau là khác nhau, cuối cùng là có thể tạo hình dáng tinh thể nano khác nhau.

Tính toán lượng chất ổn định bề mặt phù hợp cho phép có được sản phẩm có độ

22

đồng nhất kích thước tốt, với thời gian phát triển tinh thể ngắn và các vi tinh thể

không bị tụ đám. Ngoài ra, với liên kết phân tử với các liên kết hở trên bề mặt hạt

vật liệu, các phân tử chất ổn định bề mặt còn có tác dụng thụ động hóa, làm tăng

cường độ huỳnh quang của các tinh thể nano. Lượng chất ổn định bề mặt phù hợp

sẽ giúp cho sản phẩm tạo thành có sự đồng đều về kích thước, thời gian phát triển

tinh thể ngắn và các vi tinh thể không bị kết tụ.

Với nhứng tiêu chí trên, đề tài này sử dụng chất ổn định MPA, PEG, PVA

và tinh bột khi phản ứng tổng hợp hạt nano phát quang phát quang ZnSe:X.

1.1.3.2 3-Mercaptopropionic acid (MPA)

Công thức hóa học: C3H6O2S:

Hình 1. 5. Công thức cấu tạo của 3 - Mercaptopropionic acid (MPA) [54].

Cơ chế: Với cấu trúc là một đầu acid (-COOH) và một đầu base (-HS) đã

giúp MPA liên kết dễ dàng với các hạt hạt nano phát quang. Liên kết sử dụng là

liên kết cộng hóa trị. MPA được sử dụng để giúp phản ứng xảy ra thuận lợi trong

môi trường nước. Đặc biệt nó giúp cho các hạt nano phát quang tạo thành được

phân tán đồng đều trong môi trường nước, dễ dàng tương thích với các tế bào sinh

học khi ứng dụng.

1.1.3.3 Polyethylene glycol (PEG)

Hình 1. 6. Cấu trúc của PEG [10].

PolyEthylene Glycol là một polyete được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực

y học, sinh học, hóa học,… PEG cũng được biết đến như polyethyleneoxide (PEO)

23

hay polyoxyethylene (POE), tùy thuộc vào khối lượng phân tử của chúng. Cấu

trúc của PEG có dạng như trong hình 1.6.

PEG tan trong nước, methanol, ethanol, acetonitrile, benzen và dung dịch

dicloromethan, và không hòa tan trong dietyl ete và hexane.

PEG có độc tính thấp và được sử dụng trong một loạt các sản phẩm. Các

polymer được sử dụng như một lớp phủ bôi trơn cho các bề mặt khác nhau trong

môi trường dung dịch nước hoặc không nước; đồng thời còn là một chất trợ phân

tán dung môi [11].

1.1.3.4 Tinh bột (Starch)

Tinh bột là một polysaccharide được cấu tạo bởi các gốc monosaccharide

liên kết với nhau α- 1,6 glucoside hoặc α- 1,4 glucoside.

Công thức cấu tạo:

Amylose:

Amylopectin:

24

Hình 1. 7. Công thức cấu tạo của tinh bột.

1.1.3.5 Polyvinyl alcohol (PVA)

Hình 1. 8. Cấu trúc của PVA: a) Thủy phân một phần b) Thủy phân hoàn toàn [4].

Tất cả các loại PVA, thủy phân một phần hoặc thủy phân hoàn toàn đều có

giá trị ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau. Các tính chất quan trọng

nhất của PVA là khả năng tan trong nước, dễ tạo màng, chịu dầu mỡ và dung môi,

khả năng hoạt động như một chất ổn định – phân tán và hơn nữa PVA không độc

với cơ thể sống [12].

Khả năng tan của PVA trong nước phụ thuộc vào độ thủy phân, độ trùng

hợp và nhiệt độ xử lý. Tiến trình hòa tan của PVA cũng giống như các loại polymer

khác trong nước. Dung dịch PVA chịu được đáng kể các rượu đơn chức như

methanol, etanol và isopropanol [4].

1.2 Cơ chế phát quang của hạt nano phát quang

1.2.1 Sự phát quang

Khi một số chất hấp thu năng lượng thì chúng có khả năng phát ra bức xạ

điện từ (trong đó có vùng ánh sáng khả kiến). Hiện tượng đó được gọi là sự phát

25

quang. Không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Chẳng hạn: phản xạ,

tán xạ, bức xạ nhiệt cũng là sự phát sáng nhưng chúng không phải là sự phát quang.

Để phân biệt, Vavilop đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát

quang của một chất là sự phát những bức xạ dư ngoài bức xạ nhiệt do chất đó phát

ra và có thời gian phát quang (≥ 10-10 s) lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng

(~ 10-14 s). Tùy vào phương pháp kích thích phát quang, người ta phân chia thành

một số dạng phát quang sau:

Quang phát quang (Photoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất

phát quang được kích thích bằng bức xạ quang học (tia X, UV,...).

Điện phát quang (Electroluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất

phát quang được kích thích bằng cách đặt nó trong điện trường.

Âm cực phát quang (Cathodoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi

chất phát quang được kích thích bằng cách chiếu vào nó một chùm electron.

Hóa phát quang (Chemiluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát

quang được kích thích bằng năng lượng lấy từ các phản ứng hóa học (sự phát sáng

của đom đóm, phosphor, cây mục,...).

Phóng xạ phát quang (Radioluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất

phát quang được kích thích bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ (như các hạt

α, β, γ,...).

1.2.2 Cơ chế phát quang của hạt nano phát quang

Khi tinh thể nano bán dẫn bị kích thích, nghĩa là nhận được một năng lượng

nào đó, electron chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái trong điều

kiện cân bằng, tạo thành các cặp exciton – lỗ trống và chỉ tồn tại trong một thời

gian cực ngắn, sau đó chuyển về trạng thái cân bằng có mức năng lượng thấp hơn.

Sự chuyển dời này có thể kèm theo bức xạ. Trong các chuyển dời có kèm theo bức

xạ thì toàn bộ hoặc phần lớn năng lượng chênh lệch giữa hai trạng thái được giải

phóng dưới dạng photon (sự phát quang).

26

Hình 1. 9. Cơ chế phát quang của Quantum Dot [13].

Vùng Hóa Trị

Đối với các vật liệu bán dẫn, vùng bị chiếm đầy bởi các hạt tải điện, có mức

năng lượng thấp nhất gọi là vùng hóa trị.

Vùng Cấm

Vùng cấm là vùng mà không có bất kì hạt tải điện nào được phép có mức

năng lượng thuộc vùng này. Độ rộng vùng là Eg (do hiệu ứng kích thước → vùng

cấm càng rộng ra nếu vật liệu khối càng thu nhỏ kích thước).

Vùng Dẫn

Vùng nằm ngay trên vùng hóa trị (và hoàn toàn trống) là vùng dẫn. Các

electron muốn từ vùng hóa trị nhảy lên đây thì phải có thêm một lượng năng lượng

cỡ Eg.

Cặp Exciton

Khi chất bán dẫn hấp thụ photon kích thích thì trong bán dẫn hình thành cặp

electron – lỗ trống (e – h). Cặp e – h này có thể liên kết với nhau bằng thế Coulomb,

tạo thành một chuẩn hạt gọi là exciton. Khi các exciton (cặp e – h) này tái hợp thì

năng lượng có thể được giải phóng dưới dạng photon.

27

1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano phát quang

1.3.1 Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp vật lý

Nhóm phương pháp vật lý tổng hợp vật liệu oxit kích thước nano bao gồm:

phương pháp phun nung, lắng đọng hóa nhiệt của tiền chất kim loại - hữu cơ trong

các buồng phản ứng, sử dụng các kỹ thuật laser và các quá trình aerosol khác để

cung cấp nhiệt độ cao trong sự biến đổi khí - hạt [15]. Các phương pháp vật lý có

nhiều ưu điểm trong chế tạo vật liệu nano với độ tinh khiết cao và có khả năng

ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên các phương pháp vật lý lại gặp nhiều khó khăn trong

việc điều khiển và tổng hợp nano tinh thể đơn pha vì đòi hỏi phải có các thiết bị

đồng bộ, hiện đại nên giá thành của sản phẩm cao.

1.3.2 Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học tổng hợp các hợp chất trong pha lỏng đã thu hút

nhiều nhà nghiên cứu hóa học, khoa học vật liệu và đã được thừa nhận như một

con đường tiềm năng trong tổng hợp vật liệu nano. Các phương pháp hóa học dựa

trên hóa học keo trong pha dung dịch với những ưu điểm như điều khiển được

kích thước hạt, thu được hạt nano đồng đều [16], thay đổi điều kiện tổng hợp, hình

dạng đa dạng như nano dạng hạt [17], dạng thanh, dạng sợi, dạng ống [18], dạng

đĩa [19].Tuy nhiên, thường lại chỉ tạo được lượng nhỏ vật liệu vào khoảng một vài

gram.

1.3.3 Phương pháp tổng hợp trong pha hữu cơ và trong pha nước

Những vấn đề gặp phải của phương pháp tổng hợp trong pha hữu cơ sẽ được

giải quyết khi tổng hợp trong pha nước. Các tinh thể nano ZnS:Mn, ZnSe:Mn,

CdTe, CdSe, ZnSe/ZnS, ZnSe:Mn/ZnS, CdTe/CdS/ZnS, CdS/ZnS, ZnS/ZnSe:Mn

đã được tổng hợp trong pha nước[20, 21].

28

Bảng 1. 3. So sánh phương pháp tổng hợp trong dung môi hữu cơ và trong pha

nước.

Phương pháp

tổng hợp Trong dung môi hữu cơ Trong pha nước

Dung môi

Trioctylphosphine (TOP),

methanol, butanol, hexane,

chloroform, Oleylamine, n-

hexylphosphonic acid (HPA).

Nước , 2-propanol.

Nguồn Zn, Se, Mn và

S, Cu

Diethyl zinc, manganese stearate,

TOP selenide,

Hexamethyldisilathiane, Copper

(II) acetate.

Zinc acetate,

manganese acetate,

Se, NaBH4, Na2S,

Copper (II) Chloride.

Chất ổn định Hexamethyldisilathiane. 3-Mercaptopropionic

acid (MPA).

Nhiệt độ 140-270 0C 60-95 0C

Các bước phản ứng Thực hiện qua 3 bước riêng lẻ, rửa

sau mỗi bước.

Thực hiện qua 3 bước

riêng lẻ và không rửa

sau mỗi bước.

Thời gian phản ứng 9 giờ 3-6 giờ

29

Hiệu suất huỳnh quang 65 % 55 %

30

1.4 Phương pháp xác định tính chất hóa lý và cấu trúc vật liệu

1.4.1 Nghiên cứu cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)

Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X giao thoa trên các mặt phẳng

mạng của tinh thể do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên. Kỹ thuật nhiễu

xạ tia X được sử dụng rộng rãi để phân tích cấu trúc tinh thể và vật liệu.

Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X được thiết lập dựa trên định luật

Bragg. Khi một chùm tia X có bước sóng λ đi vào mạng tinh thể dưới một góc θ

so với bề mặt tinh thể, chùm tia X sẽ bị tán xạ. Do các nguyên tử trong tinh thể

sắp xếp một cách có quy luật, tuần hoàn trong không gian nên các tia tán xạ từ các

nguyên tử khác nhau có thể giao thoa với nhau. Chùm tia tán xạ theo hướng ưu

tiên là những sóng kết hợp khi chồng chất lên nhau sẽ có biên độ tăng cường lẫn

nhau. Để vân giao thoa có biên độ tăng cường, hiệu số pha của các sóng đó phải

bằng số chẵn lần π (2nπ), hay hiệu số đường đi phải là số nguyên lần bước sóng

(nλ). Từ đó có mối quan hệ giữa bước sóng của chùm tia tới X với khoảng cách d

giữa các mặt phẳng mạng và góc θ thỏa mãn điều kiện cực đại nhiễu xạ là:

2dsinθ = nλ

Đây là phương trình Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt

tinh thể, trong đó, λ là bước sóng của tia X, θ là góc giữa tia X và họ mặt phẳng

mạng, d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng liên tiếp, n = 1, 2, 3,... là bậc

nhiễu xạ.

Từ điều kiện nhiễu xạ ta thấy, mỗi loại tinh thể có kiểu mạng xác định sẽ

cho một loại ảnh nhiễu xạ được phân biệt với nhau thông qua vị trí, số lượng và

cường độ của các vạch nhiễu xạ và do vậy có thể xác định được cấu trúc tinh thể

của vật liệu nghiên cứu thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X . Phép đo nhiễu xạ tia X

không những cho phép xác định cấu trúc tinh thể của các hạt nano, mà còn cho

phép đánh giá được kích thước của chúng. Các hạt nano có kích thước nhỏ hơn

100 nm đều thể hiện sự mở rộng vạch nhiễu xạ tia X.

31

Căn cứ vào sự mở rộng vạch, có thể đánh giá kích thước hạt. Kích thước

hạt D được xác định theo công thức Scherrer như sau:

D = 0.89𝜆

𝛽𝑐𝑜𝑠𝜃

Trong đó:

D: Kích thước trung bình của các hạt.

λ: Bước sóng của tia X.

θ: Góc nhiễu xạ.

β: Độ rộng tại một nửa chiều cao của cực đại nhiễu xạ.

1.4.2 Nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp X-Ray Photoelectron

Spectroscopy

XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) là kỹ thuật phân tích thành phần

hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác

với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển

vi điện tử). XPS đòi hỏi điều kiện chân không siêu cao, được thực hiện trong các

kính hiển vi điện tử, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng

Hình 1. 10. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra trên một số hữu hạn mặt

phẳng mạng hạt nano phát quang [53].

32

chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng

lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và

tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử.

Khi bề mặt mẫu được bắn phá bởi các photon năng lượng Ex= hν và điện tử

bật ra hoặc từ lớp điện tử hóa trị hoặc từ lớp điện tử trong cùng. Năng lượng E của

điện tử quang này được cho bởi biểu thức:

E = hν - Eb - Ф

Trong đó: ν là tần số của photon, Eb là năng lượng liên kết điện tử và Ф là

công thoát của mẫu. Mỗi nguyên tố sẽ có một tập mũi nhiễu xạ đặc trưng trong

phổ điện tử quang tại các động năng được xác định bởi năng lượng photon và các

năng lượng liên kết tương ứng. Bằng cách đo động năng điện tử quang và biết

năng lượng photon tới thì năng lượng liên kết điện tử có thể xác định được nguyên

tố đó. Năng lượng liên kết là đại lượng đặc trưng cho nguyên tử mà từ đó có thể

nhận được một số thông tin quan trọng về nguyên cứu mẫu như:

o Các nguyên tố có mặt trong mẫu.

o Hàm lượng phần trăm của mỗi nguyên tố.

o Trạng thái hóa học của các nguyên tố có mặt trong mẫu.

1.4.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua có thể xác định được hình dạng

thực và kích thước của các hạt nano phát quang. Thiết bị hoạt động theo nguyên

tắc phóng đại nhờ các thấu kính. Chùm tia điện tử được sử dụng để chiếu xuyên

qua vật chất có bước sóng rất ngắn, cỡ 0,04 Å. Các thấu kính trong hệ là các thấu

kính điện tử có tiêu cự thay đổi được, hiệu suất phân giải cỡ 2÷3 Å.

Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật

rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng,

sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn tới hàng triệu lần. Các

điện tử truyền qua mẫu được khuếch đại và ghi dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc

33

ảnh kỹ thuật số. Để tiến hành chụp ảnh TEM, các mẫu bột phải được phân tán lên

các lưới bằng đồng hoặc vàng.

Có hai cách để tạo ra chùm điện tử là sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử

và sử dụng súng phát xạ trường. Sau khi thoát ra khỏi catod, điện tử được gia tốc

đến anod rỗng dưới thế tăng tốc V (một thông số quan trọng của TEM). Với thế

tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00387 nm. Như vậy, về lý thuyết,

kính hiển vi điện tử có thể dễ dàng phân biệt được khoảng cách giữa hai nguyên

tử (vào cỡ 0,3 – 0,5 nm). Kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật là có

thể quan sát được vật có kích thước rất nhỏ vào cỡ chỉ 0,2 nm [53].

1.4.4 Phương pháp quang phổ hấp thu (UV - Vis)

Vùng ánh sáng bao gồm tia cực tím và ánh sáng khả kiến được gọi tắt tương

ứng là vùng UV–VIS. Phương pháp quang phổ đo ánh sáng hấp thu trong vùng

này gọi là phương pháp quang phổ hấp thu UV – Vis, hay phương pháp trắc quang.

Phương pháp quang phổ hấp thu cho biết khả năng hấp thu bức xạ phụ thuộc

vào bước sóng hay tần số. Phổ hấp thu là một công cụ trong việc nghiên cứu sự

tương tác của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, để biết được các thông tin về các

quá trình hấp thu xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học từ trạng thái cơ

bản mi lên trạng thái kích thích nj.

Các phân tử bình thường tồn tại ở trạng thái cơ bản, trạng thái này bền vững

và nghèo năng lượng. Nhưng khi có nguồn sáng kích thích tần số ν thích hợp thì

các điện tử hóa trị (liên kết) trong phân tử sẽ hấp thu năng lượng của chùm sáng

và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn.

Một chùm ánh sáng được phát ra từ nguồn (UV hay Vis), được đưa qua hệ

máy đơn sắc (hệ lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ), để được tách ra thành các bước

sóng đơn sắc. Mỗi tia sáng đơn sắc này sẽ lần lượt được chia thành hai tia để so

sánh, có cường độ như nhau nhờ một gương phản xạ bán phần. Một trong hai tia

sáng trên truyền qua một cuvet trong suốt bằng thạch anh, chứa dung dịch mẫu

cần nghiên cứu, cường độ của tia sáng sau khi truyền qua mẫu là I. Tia sáng còn

34

lại (tia sáng để so sánh) truyền qua một cuvet tương tự nhưng chỉ chứa dung môi

không chứa hạt nano phát quang, cường độ của nó sau khi truyền qua dung môi là

Io. Cường độ của các tia sáng sau đó được các detector ghi lại và so sánh trực tiếp

trong cùng điều kiện đo. Nếu mẫu không hấp thu ánh sáng ở một bước sóng đã

cho thì I Io. Tuy nhiên nếu mẫu hấp thu ánh sáng thì I Io .

Các phổ có thể được vẽ dưới dạng phổ truyền qua T I /Io hoặc

phổ hấp thu: A log10Io/ I. [22,23,24,25].

Phương pháp quang phổ huỳnh quang cho phép nghiên cứu các chuyển dời

điện tử từ các mức năng lượng cao hơn xuống các mức năng lượng thấp hơn trong

các hệ vật liệu hữu cơ, bán dẫn hay điện môi. Các kỹ thuật ghi phổ khác nhau đã

được xây dựng phù hợp với mục tiêu như: huỳnh quang dừng, huỳnh quang phân

giải thời gian, huỳnh quang phụ thuộc vào mật độ kích thích,… Tín hiệu huỳnh

quang phát ra do quá trình hồi phục của điện tử được phân tích qua máy đơn sắc

và thu nhận qua ống nhân quang điện để biến đổi thành tín hiệu điện đưa ra máy

tính xử lý.

Hình 1. 11. Phương pháp quang phổ hấp thu [23].

35

Năng lượng kích thích (photon) được dùng để kích thích điện tử từ trạng

thái cơ bản lên một trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, đối với chất bán

dẫn thì năng lượng này cần phải lớn hơn hoặc là bằng Eg (độ rộng vùng cấm), điện

tử sau đó quay trở lại trạng thái cơ bản bằng cách tái hợp với lỗ trống ở trạng thái

cơ bản, kèm theo sự phát xạ photon. Trong nghiên cứu này, phổ huỳnh quang có

nguồn gốc từ quá trình tái hợp phát xạ của cặp điện tử - lỗ trống bị giam giữ trong

hạt nano phát quang.

Ánh sáng từ nguồn kích thích đơn sắc chiếu tới mẫu là các hạt nano phát

quang đã được phân tán trong dung môi. Khi đo, mẫu được chứa trong cuvet thạch

anh, nhựa hoặc thủy tinh. Phát xạ huỳnh quang phát ra từ mẫu được thu vào một

đầu của sợi quang để phân tích thành các bước sóng riêng biệt. Sau đó, tín hiệu

quang được đưa vào bộ detector và được xử lý để biến đổi thành tín hiệu điện, sau

đó được xử lý bằng máy tính và phụ kiện - thiết bị xử lý để lưu giữ.

Hình 1. 12. Sơ đồ khối một hệ đo huỳnh quang thông thường [23].

Các phổ tương ứng ghi nhận được phân giải càng cao càng giúp xác định

chính xác các quá trình vật lý quang học liên quan. Nguồn ánh sáng kích thích có

thể là đèn thuỷ ngân, đèn xenon, hay các diod phát quang và laser. Ánh sáng có

thể kích thích trực tiếp vào mẫu thông qua hệ gương phản xạ và thấu kính hội tụ.

Ánh sáng phát ra từ mẫu đo gồm ánh sáng phản xạ và ánh sáng huỳnh quang. Sau

khi che chắn ánh sáng phản xạ (ánh sáng kích thích), tín hiệu được đưa vào máy

đơn sắc. Hiện nay, máy đơn sắc chất lượng cao thường được sử dụng là các cách

36

tử vạch. Tín hiệu sau đó sẽ được hướng đến bề mặt của nhân quang điện, tín hiệu

từ nhân quang điện được xử lý bằng máy tính và phụ kiện thiết bị xử lý để lưu giữ

[23,24].

1.4.5 Phổ hấp thu hồng ngoại (IR)

Phổ hấp thu hồng ngoại IR cho biết thông tin về cấu trúc phân tử. Phổ IR

xuất hiện khi có các dao động cơ bản (dao động co dãn và dao động uốn) kèm theo

sự thay đổi moment lưỡng cực do dao động.

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại

vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng

từ điện tử,…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh,

không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng

đơn giản là: các hợp chất hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại.

Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hoá học dao

động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thu gọi là phổ hấp thu

bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương

ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá

học. Vì vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học được coi như là "dấu vân

tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.

Vùng làm việc của phổ hấp thu hồng ngoại có số sóng trong khoảng 4000 –

400 cm-1. Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động

của các phân tử, đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử. Do số sóng tỷ lệ

thuận với năng lượng, nên biểu diễn phổ theo số sóng tăng dần đồng nghĩa với

biểu diễn phổ theo năng lượng tăng dần.

Trong phân tử, khi có nhóm nguyên tử nào đó hấp thu năng lượng và thay

đổi trạng thái dao động thì tạo nên một dải hấp thu trên phổ IR. Có mối liên quan

giữa nhóm nguyên tử và dải hấp thu nên có thể dựa vào sự có mặt của dải hấp thu

để nhận biết một nhóm chức nào đó. Nhiều nhóm chức có các dải phổ hấp thu đặc

trưng, đây là cơ sở của việc phân tích cấu trúc bằng IR. Việc xác định được sự có

37

mặt của các nhóm chức trong phân tử giúp chúng ta có thể dùng phổ hồng ngoại

IR để định tính một chất.

1.5 Ứng dụng của hạt nano phát quang

1.5.1 Trong lĩnh vực công nghiệp điện tử.

Hiện nay điện tử viễn thông được coi là một trong những ngành công nghiệp

năng động và quan trọng bấc nhất với tốc độ đổi mới nhanh.

1.5.1.1 Mạc tích hợp bán dẫn

Cuối những năm 1960, Gordon E. Moore, người đồng sáng lập tập đoàn

Intel, đã thực hiện một quan sát đáng nhớ mà sau này được gọi là định luật Moore.

Ông quan sát thấy rố lượng bóng bán dẫn trên một chip tăng gần gấp đôi

mooitx 18 tháng. Ban đầu, đây chỉ là một sự quan sát nhưng sau đó chúng được

dung trong ngành công nghiệp điện tử. Sự gia tang mật độ bóng bán dẫn trong

một chip trong 40 năm qua thực sự dựa theo định luật Moore. Để theo kip với

định luật này, các bóng bán dẫn phải ngày càng nhỏ hơn.

Bóng bán dẫn đầu tiên cao khoảng 1 cm và được làm bằng hai dây vàng

0.02 inch gắn trên một tinh thể germanium. Các transistor mới nhất từ Intel (Xeon

Broadwell-E5) có kích thước 14 nm và với cấu hình 22 nhân có hơn 7,2 tỉ bóng

dẫn [26,27].

1.5.1.2 Thiết bị lưu trữ dữ liệu

Thiết bị lưu trữ dữ liệu là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong

hầu hết các thiết bị điện tử. Ví dụ trong máy tính (thiết bị lưu trữ dữ liệu bao gồm

ổ đĩa cứng và RAM), các thiết bị di động (phương tiện bộ nhớ thường là thẻ nhớ,

như các camera kỹ thuật số) và thiết bị truyền thông cầm tay (ví dụ máy nghe nhạc

ipod và các điện thoại di động sử dụng bộ nhớ flash)

Ngày nay, công nghệ lưu trữ dữ liệu bao gồm hai nhóm chính, các ổ đĩa

cứng và các thiết bị lưu trữ dữ liệu trạng thái rắng, chia nhỏ hơn nữa ta có bộ nhớ

38

bay hơi và không bay hơi. “bay hơi có nghĩa là bộ nhơ được lưu lại khi nguồn điện

bị tắt.

Cùng với định luật Moore, giảm kích thướng lien tục, các tế bào bộ nhớ trở

nên cực kỳ nhỏ và đạt mức 14nm ở thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, các thiết bị có

bộ nhowsbay hơi như bộ nhớ truy cập ngẫy nhiên tĩnh (SRAM) và bộ nhớ truy

cập ngẫu nhiên động (DRAM) bắt đầu có xuất hiện một vấn đề. Cũng như giảm

kích thước ở chất bán dẫn, hiệu ứng lượng tử bắt đầu trở nên đáng kể và các điện

tử có thể nhảy từ cổng nguồn đến cổng máng thông qua hiệu ứng đường hầm hoặc

chỉ bằng chuyển động nhiệt. Hơn nữa sự hoàn thiện trong cấu trúc tinh thể của các

nguyên tố trở nên quan trọng, ví dụ như sự rò rỉ điện tích trên nền tinh thể silicon

bị khuyết tật. Trong bộ nhớ flash, một lớp silicon oxide cách điện được dùng để

bọc lấy các cấu trúc của cổng (gate) trong bóng bán dẫn nhằm tạo một rào chắn

giúp lưu trữ điện tích. Khi lớp cách điện này trở nên quá mỏng, điện tích có thể

bắt đầu rò rỉ ra bên ngoài thiết bị [28-30].

1.5.2 Trong lĩnh vực công nghệ sinh học.

1.5.2.1 Chẩn đoán

Chẩn đoán là bước quan trọng nhất trong y học. Chẩn đoán ngày càng đòi

hỏi phải nhanh chóng, nhưng cũng phải đáng tin cậy, cụ thể và chính xác, nguy cơ

“ dương tính giả ” được hạn chế tối đa. Y học nano có tiềm năng cải thiện toàn bộ

quá trình chẩn đoán. Thay vì thu thập mẫu máu vào lọ và gửi chúng đến các phòng

thí nghiệm chuyên ngành để kiểm tra (có thể mất nhiều ngày), các bác sĩ có thể sử

dụng các thiết bị chẩn đoán thu nhỏ trong quá trình phẫu thuật. Các thiết bị này

tuy nhỏ nhưng được tích hợp nhiều thiết bị công nghệ cao, nhờ vậy chúng cho

phép tiến hành nhiều bài kiểm tra nhanh trong cùng một thời gian, với một lượng

nhỏ mẫu [31].

Một số thiết bị chẩn đoán thu nhỏ đã ra đời, bao gồm dụng cụ kiểm tra hàm

lượng rượu trong hơi thở, thiết bị kiểm tra hàm lượng glucose cho bệnh nhân tiểu

đường,... Các thiết bị này có thể đo các ion, các phân tử nhỏ như protein, hoặc có

39

thể kiểm tra các trình tự ADN. Gần đây, các thiết bị chẩn đoán có xu hướng thu

nhỏ nhằm thực hiện hàng trăm bài kiểm tra cùng lúc, đồng thời đơn giản hóa quá

trình sử dụng. Thiết bị chẩn đoán thu nhỏ bao gồm cảm biến sinh học, chíp sinh

học và thiết bị “ lab-on-a-chip ” (LOC), gọi là hệ vi phân tích tổng hợp (µ-TAS).

Công nghệ nano có một vai trò quan trọng trong phát triển các thiết bị này.

1.5.2.2 Cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là một thiết bị phân tích, được sử dụng để phát hiện một

hoặc một số chất thông qua nhận dạng sinh học phân tử. Chúng sử dụng một “bộ

chuyển đổi” để chuyển các tín hiệu thu được sinh ra từ sự tương tác giữa các chất

phân tích với cảm biến thành tín hiệu có thể định lượng. Cảm biến sinh học có thể

chia thành nhiều loại khác nhau, chẳng hạn cảm biến dựa trên cơ sở kháng

thể/kháng nguyên, axit nucleic hoặc các enzym. Hơn nữa, ứng với các kỹ thuật

truyền tín hiệu khác nhau, cảm biến sinh học còn được xếp vào loại cảm biến

quang sinh học, cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học nhạy khối hoặc

cảm biến sinh học nhiệt .

Một số các hạt nano có thể được dùng như thành phần của cảm biến sinh

học. Trong ứng dụng này, các hạt nano hoặc vật liệu cấu trúc nano được phủ một

lớp nhận dạng sinh học phân tử có khả năng liên kết chọn lọc với các phân tử sinh

học cần phân tích thông qua cơ chế chìa khóa, ổ khóa. Các tín hiệu phản hồi thu

được có thể dưới dạng thay đổi màu sắc, khối lượng hoặc các tính chất vật lý khác.

Hạt nano phát quang, các hạt nano kim loại, nano silica, nano từ tính và fulleren

là các vật liệu thường được sử dụng trong cảm biến sinh học [32 - 35].

Cảm biến sinh học trên nền plasmon

Tính chất quang học của hạt nano kim loại quý đã nhận được nhiều sự quan

tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Chúng có nhiều tiềm năng ứng dụng

trong cả cảm biến hóa học lẫn sinh hóa. Do chịu sự chi phối của hiệu ứng cộng

hưởng plasmon bề mặt cục bộ (localized surface plasmon resonance LSPR), các

hạt nano kim loại quý có khả năng hấp thụ mạnh các bước sóng ở dãy ánh sáng

40

khả kiến. Kết quả là, dung dịch keo của kim loại như vàng có màu đỏ, tím hoặc

cam, tùy thuộc vào hình dạng kích thước và môi trường xung quanh.

Năng lượng của LSPR nhạy với hàm điện môi của mỗi trường xung quanh

vật liệu, có nghĩa là nếu một phối tử như protein chẳng hạn, gắn vào bề mặt các

hạt nano kim loại, năng lượng LSPR của hạt nano sẽ bị thay đổi và hiện tượng

cộng hưởng plasmon bề mặt sẽ thay đổi theo.

Trong cảm biến sinh học trên nền plasmon, các hạt nano có thể phân tán

trong các môi trường lỏng (cảm biến sinh học trên nền plasmon dạng keo) hoặc

được gắn trên bề mặt của một vật thể (cảm biến sinh học trên nền plasmon bề mặt).

Trên thực tế, cả hai cảm biến đều hoạt động dựa trên sự thay đổi năng lượng cộng

hưởng plasmon bề mặt cục bộ, nhưng khác nhau về tín hiệu xuất ra.

Đối với cảm biến sinh học trên nền plasmon dạng keo (lấy hạt nano vàng

làm ví dụ), kết quả của cảm biến là sự thay đổi tính chất tập hợp của các chất xung

quanh hạt nano, điều này có thể xác định được thông qua sự thay đổi màu sắc của

hệ keo. Phổ hấp thụ được sử dụng để định lượng những thay đổi xảy ra trên cảm

biến sinh học. Trong trường hợp dung dịch keo vàng, hệ keo thường có màu đỏ,

kết quả của quá trình cảm biến có thể chuyển dung dịch trở nên xanh (blue) . Hiệu

ứng LSPR được sử dụng nhiều trong y học nano. Ví dụ ứng dụng hiệu ứng LSPR

trong xét nghiệm gen. Đầu tiên, trình tự ADN mục tiêu được xác định. Sau đó gắn

hai nhóm gen phù hợp lên hai loại nano vàng riêng biệt – nhóm thứ nhất gắn được

với một đầu của ADN mục tiêu và nhóm thứ hai gắn với đầu còn lại. Các hạt nano

được phân tán trong nước. Khi ADN mục tiêu được thêm vào, nó liên kết hai loại

hạt nano lại với nhau. Sự hình thành tập hợp này gây ra một sự thay đổi trong

quang phổ ánh sáng tán xạ từ dung dịch (tức là có sự thay đổi màu sắc trong dung

dịch, nhờ đó ta có thể dễ dàng phát hiện có hoặc không sự hiện diện của ADN mục

tiêu trong dung dịch đang xét) [36 - 39].

Lab-on-a-chip (LOC)

41

Các thiết bị này được “thu nhỏ tích hợp” cho phép phân chia và phân tích

các mẫu sinh học trong một thiết bị duy nhất. Chúng được làm bằng hệ thống vi

chất lỏng, bao gồm máy bơm vi mô và vi-van, tích hợp với các thành phần vi điện

tử. Các thiết bị này còn có thể tích hợp một hoặc nhiều bộ cảm biến. Ví dụ như

thiết bị trích xuất, khuếch đại và phát hiện các axit nucleic do Ruihua Tang và

cộng sự phát triển thiết bị cho phép phát hiện vi khuẩn Salmonella typhilurium với

giới hạn dưới 102 CFU.ml-1 trong nước thải và 103 CFU.ml-1 trong sữa hoặc nước

ép trong khoảng 1 giờ [40, 42].

1.5.2.3 Tạo lập hình ảnh nguồn bệnh

Bước thứ hai trong chẩn đoán bệnh liên quan đến các hình ảnh bên trong

cơ thể. Công nghệ nano có tác động rất lớn trong lĩnh vực này, chúng cho phép

xây dựng các hình ảnh bên trong mô sống ở cấp độ phân tử mà không cần thực

hiện quá trình phẫu thuật.

Chẩn đoán hình ảnh

Các kỹ thuật như X-quang, chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography -

CT), siêu âm (Ultrasound - US), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic resonance

imaging - MRI) và y học hạt nhân (Nuclear medicine - NM) là các kỹ thuật tạo lập

hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong y học và nghiên cứu sinh hóa. Ban đầu, các

kỹ thuật này chỉ có thể phát hiện những thay đổi lớn bên trong mô, khi mà các

triệu chứng của bệnh đã tương đối nặng. Gần đây, tác nhân hướng đích và hóa chất

tăng độ tương phản đã được sử dụng nhằm đánh dấu các tế bào bệnh, điều này cho

phép tăng tính chuyên biệt và độ phân giải của hình ảnh [42].

1.6 Một vài ưng dụng vật liệu nano phát quang khác

Các nano tinh thể huyền phù được lắng đọng thành các lớp xếp chặt chẽ

hoặc được cấy trong polymer (PPV) đã được sử dụng trong các ứng dụng điện

huỳnh quang, phát xạ laser, và các hiệu ứng nhớ [1]. Hạt nano phát quang còn

được dùng để chế tạo màn hình hoặc các thiết bị quang điện như thiết bị ACTFEL,

Laser, ghi ảnh tế bào như bio-labeling,... Ngoài ra, nano tinh thể bán dẫn còn được

42

sử dụng làm pin mặt trời với chi phí thấp, làm vật liệu phát quang (phosphor) cho

LED, dùng trong việc chế tạo mực in phát quang và vật liệu bảo mật,... Đối với

lĩnh vực ứng dụng trong sinh học, các nano tinh thể trong pha nước đã được gắn

với các phân tử sinh học, tạo thành các đầu dò huỳnh quang hay cảm biến sinh học

có tính ổn định và độ nhạy cao hơn hẳn các chất màu hữu cơ.

Hiện nay, các kỹ thuật dùng vật liệu nano để phát hiện thuốc trừ sâu qua

tính chất quang đã được phát triển và có nhiều công bố. Ở nước ta cũng đã có một

số nghiên cứu, chế tạo thành công các hạt nano phát quang cho mục đích xác định

dư lượng thuốc trừ sâu, dựa vào hiệu ứng huỳnh quang của hạt nano phát quang

khi được kích thích một cách thích hợp. Cụ thể hơn, cảm biến phát hiện thuốc trừ

sâu sử dụng hạt nano phát quang hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ huỳnh

quang của hạt nano phát quang khi có sự xuất hiện của thuốc trừ sâu với nồng độ

khác nhau, so với khi không có mặt thuốc trừ sâu. Tuy vậy, không thể sử dụng

trực tiếp hạt nano phát quang ngay sau khi chế tạo, mà phải biến đổi, chức năng

hóa bề mặt hạt nano phát quang một cách thích hợp. Enzyme acetylcholinesterase

được gắn lên bề mặt hạt nano phát quang. Enzyme là chất xúc tác cho một phản

ứng sinh hóa nhất định nào đó và có tính đặc hiệu rất cao. Kết quả là tính chất của

pha chứa các hạt nano phát quang sẽ khác nhau khi có và không có dư lượng thuốc

trừ sâu. Sự khác nhau này làm thay đổi sự phát quang của các hạt nano phát quang

đang được xét đến. Chính nhờ sự thay đổi đó mà ta có thể phát hiện ra sự có mặt

của thuốc trừ sâu trong dung dịch [14].

Gần đây, tinh thể nano huỳnh quang pha tạp đã được tổng hợp trong pha

nước, sử dụng 3-Mercaptopropionic acid như tác nhân phủ dưới sự hỗ trợ của vi

sóng sau khi chuyển từ pha hữu cơ [5]. Tinh thể nano có khả năng phát huỳnh

quang cao được sử dụng để dán nhãn các kháng nguyên để phát hiện globulin miễn

dịch của con người (IgG) dựa trên sự phát huỳnh quang cộng hưởng năng lượng

chuyển tiếp chỉ ra nhiều hứa hẹn cho việc ứng dụng trong cảm biến sinh học và

hình ảnh tế bào.

43

1.7 Tính cấp thiết đề tài

Hiện nay, vật liệu nano phát quang đã được nghiên cứu tổng hợp thanh công

với đa dạng hình thái, màu sắc cũng như kích thước ở trong nước cũng như trên

thế giới. Tuy nhiên, điều kiện tổng hợp các hạt nano phát quang rất là khắc nhiệt

với những điều kiện tổng hợp đã và đang sử dụng những hóa chất với giá thành và

tính độc hại cao. Hơn thế, nhiệt độ phản ứng rất cao và gây nguy hiểm cho bản

thân chính các nhà khoa học cũng như các bước thực hiện phản ứng phức tạp, thời

gian thực hiện phản ứng kéo dài lên đến hàng chục giờ. Để khắc phục những mặt

còn hạn chế trong quy trình tổng hợp hạt nano phát quang thì trong luận văn này,

đề tài được tiến hành với mục đích tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:Mn,

ZnSe:Cu , ZnSe:Mg và ZnSe:Ag trong môi trường nước, có sử dụng chất ổn định

MPA, PVA, PEG và TINH BỘT nhằm tổng hợp ra hạt nano phát quang có tính

tương thích cao với tế bào sinh học, phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng để

phát hiện nhanh những vi khuẩn gây bệnh.

44

Chương 2. THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và thiết bị

Các hóa chất được cung cấp từ các hãng Acros, Sigma Aldrich, Merck với

chất lượng cao và phù hợp mục đích sử dụng cho tổng hợp hóa học và phân tích.

Thiết bị và dụng cụ

Dụng cụ:

- Bình cầu 3 cổ, bình cầu cổ nhám hai cổ, ống nhỏ giọt; ống đong;

pipette; cá từ; becher ống tiêm, ống pi và các dụng cụ khác.

Thiết bị

- Tủ sấy, bồn siêu âm.

- Cân phân tích (Bo-1218): Max 120g; độ chính xác 10-4g (0.1mg).

- Máy khuấy từ Favorit: U = 230(V); f = 50(Hz); P = 50(W).

- Máy li tâm Hermle Z206A.

- Đèn UV UVGLUVP Model UVGL-58 Handheld, 6 Watt UV Lamp,

254/365nm, Wavelength, Upland, CA, USA.

- Đo cường độ phát quang (PL) bằng máy huỳnh quang FL-7000 HI-

TACHI.

- Đo UV-Vis bằng máy Optizen 2120UV.

- Đo XRD bằng máy VG multi-lab ESCA 200 system model sử dụng

nguồn phát xạ: Cu, Kα (λ= 1.5418 Å).

- Đo XPS Thermo Scientific nguồn kích thích tia X A1 K (1486,6 eV)

VG Multi-lab ESCA 200.

- Đo TEM bằng máy JEM 2100F với thế tăng tốc 200 kV.

- Đo IR bằng máy FT – IR Spectrometer Brucker Equinox 55.

45

Bảng 2. 1. Danh mục hóa chất

Hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết

Zinc acetate (Zn (CH3COO)2.2H2O) Merck 99.9%

Manganese (II) Chloride (MnCl2) Merck 99.9%

Silver nitrate (AgNO3) Merck 99.9%

Copper (II) Chloride Merck 99%

Magnesium sulfate China 98%

3-mercaptopropionic acid (MPA) Merck 99%

Tinh bột (Starch) Merck 99%

PVA-124 Merck 99%

PEG-1500 Merck 99%

Lysine Merck 99%

Sodiumborohydride (NaBH4) Merck 98%

Selenium powder (Se) Merck 99%

Nước cất – Deionized water

Sodium hydroxide (NaOH) Merck 99%

Iso propyl alcohol China 99.7%

Copper(II) chloride

dihydrate(CuCl2.2H2O) Merck 99%

46

2.2 Tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA,

PVA, PEG, TINH BỘT

2.2.1 Quy trình tổng hợp của ZnSe sử dụng chất ổn định MPA trong môi

trường nước

Chuẩn bị : Dung dịch NaHSe được điều chế từ bột Se, NaBH4, và nước trong môi

trường khí N2.

Chuẩn bị hệ phản ứng: bình cầu 3 cổ có chứa hỗn hợp dung dịch như sau: 10 ml

kẽm acatate 0.1 M, 90 ml nước, và 40 ml dung dịch acid mercaptopropionic (MPA) 0.1

M. Sau đó, hệ phản ứng được khuấy trộn đều và đuổi không khí bằng khí N2 trong vòng

30 phút.

Cho dung dịch NaHSe đã được điều chế vào hỗn hợp phản ứng trên, tiếp tục

khuấy trộn tại nhiệt độ 90.

Phương trình phản ứng

Zn2+ + HSe- + OH- → ZnSe + H2O

Sản phẩm thu được được kết tinh lại trong dung môi isopropyl alcohol – IPA và

được rửa lắng gạn nhiều lần, và ly tâm, sấy khô trong chân không tại nhiệt độ phòng để

thu hồi sản phẩm chất rắn cho việc phân tích cấu trúc, thành phần hỗn hợp và tính chất

quang học của các chấm lượng tử [51].

47

2.2.2 Quy trình tổng hợp của ZnSe:X (X:Mn, Cu, Mg, Ag) sử dụng chất ổn

định MPA (PVA, PEG, TINH BỘT) trong môi trường nước

Hình 2. 1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano phát quang cấu trúc ZnSe:Mn/MPA.

Chuẩn bị hệ phản ứng: bình cầu 3 cổ có chứa hỗn hợp dung dịch bao gồm

10 ml dung dịch kẽm acetate 0.1 M, V1 (ml) dung dịch Xn+ , V2 ml nước cất, và

thể tích tương ứng dung dịch chất ổn định bề mặt MPA (PVA, PEG, TINH BỘT).

10 ml dd Zn2+

0,1 M +

V1 ml dd X2+

+ V2 ml

H20 (X: Mn, Cu, Ag,

Mg)

Dd MPA / PEG / PVA

/ TINH BỘT

t = 4h

Để nguội

Sản phẩm

Rửa sản phẩm (2-3 lần)

Khuấy

Bình Phản ứng

DD NaHSe

Isopropyl

alcohol

Sục N2 30 phút

pH = 3-9

49

Bước 1: Phân tán lại các mẫu đo

Chuẩn bị : Mẫu đo được chuẩn bị bằng cách như sau:

Cho vào ống nghiệm 0,01 g mẫu rắn sản phẩm quantum dots ZnSe/ZnS:X

(X: Mn, Cu, Ag, Mg), sau đó cho thêm 10mL H2O.

Hỗn hợp được đánh siêu âm khoảng 5 phút để được khuấy trộn đều.

Bước 2: Đánh giá hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi

được gắn với axit amin Lysine

a) Đánh giá độ hấp thu của mẫu khi được gắn với axit amin bằng phương

pháp đo UV.

Các mẫu được phân tán lại sẽ được do UV để đánh giá độ hấp thu. Sau đó

tiếp tục cho thêm 0,1 ml axit amin Lysine 0,3% mỗi 10 ml rồi đo UV để đánh giá

khả năng phát quang của mẫu.

b) Đánh giá sơ bộ hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi được

gắn với axit amin (sử dụng phương pháp đo quang phổ huỳnh quang).

Các mẫu được phân tán lại sẽ được cho 0,1 ml axit amin Lysine 0,3% mỗi

10 ml rồi đo PL để đánh giá khả năng phát quang của mẫu.

c) Đánh giá khả năng định lượng của hệ nano phát quang đối với axit

amin (sử dụng phương pháp đo quang phổ huỳnh quang).

Mẫu MPA - ZnSe:X (X:Ag, Mg, Cu) được sử dụng để kiểm tra độ

tuyến tính của tín hiệu đối với lượng axit amin cho thêm.

Mẫu sẽ được để trong cuve thạch anh 3ml rồi cho axit amin thêm dần như

trong bảng. Lượng axit amin được cho vào mẫu theo thứ tự bảng 2.2 dưới đây.

50

Bảng 2. 2. Thể tích axit amin Lysine trong mẫu đo PL.

STT Lượng Lysine 0,1% (µl)

0 0

1 50

2 100

3 150

4 200

5 250

6 300

51

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN

3.1 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:X sử dụng chất ổn định MPA

3.1.1 Khảo sát điều kiện tổng hợp ZnSe

Tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong môi trường nước và có sử dụng

MPA làm chất ổn định để hỗ trợ phân tán, được kiểm tra bằng phổ hấp thu và phổ

huỳnh quang.

Hình 3.1 chỉ ra độ hấp thu của tinh thể nano ZnSe được tổng hợp ở các điều

kiện pH khác nhau. Dựa vào phổ UV-Vis ta thấy rằng tinh thể nano ZnSe hấp thụ

bức xạ ở khoảng bước sóng khoảng 345 – 365 nm. Kết quả ghi nhận được phù hợp

với việc sử dụng nguồn kích thích có bước sóng 365 nm để theo dõi tính chất

huỳnh quang của các tinh thể nano ZnSe bằng mắt thường. Dựa vào phổ UV-Vis

ta thấy đỉnh hấp thu chuyển dịch không đáng kể chứng tỏ kích thước của hạt thay

đổi không đáng kể khi ta thay đổi pH hoặc thời gian phản ứng. Khoảng bước sóng

này phù hợp với mức năng lượng vùng cấm (band gap) của tinh thể ZnSe.

Hình 3. 1. Phổ UV hạt nano phát quang của ZnSe trong môi trường nước.

52

Hình 3. 2. Hình ảnh các hạt nano phát quang ZnSe/MPA phân tán trong môi

trường nước [53].

Hình 3.2 cho thấy dung dịch các hạt nano ZnSe phân tán tốt trong dung dịch

nước vì chúng trong suốt không màu khi ở nhiệt độ thường và phát huỳnh quang

màu xanh lơ khi chiếu đèn UV với bước sóng 365 nm.

Hình 3. 3. Phổ huỳnh quang của ZnSe/MPA phân tán trong môi trường nước

[53].

53

Hình 3.3 là phổ huỳnh quang của các hạt hạt nano phát quang ZnSe được

phân tán trong dung dịch nước. Điều kiện tổng hợp hạt nano phát quang ZnSe thời

gian phản ứng là 3 giờ và pH là 6.5 được chọn từ kết quả phổ huỳnh quang trong

hình 3.3. Phổ huỳnh quang cho xuất hiện hai mũi phổ tại 395nm và 510 nm lần

lượt tương ứng với mức năng lượng band gap của ZnSe và mức năng lượng của

những điện tử bẫy ở bề mặt bị khiếm khuyết. Kết quả này phù hợp với những

nghiên cứu trước đây và phù hợp với màu xanh lơ trong hình 3.2.

Hình 3. 4. Phổ IR của MPA và hạt nano phát quang ZnSe [53].

Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA được gắn kết lên

bề mặt tinh thể ZnSe nhờ liên kết S – H . Hình 3.4 cho ta thấy nhóm phổ IR của

MPA và mẫu ZnSe, nhóm chức S-H của MPA không còn, các dao động của -OH

54

và C=O cũng bị giãn ra do không còn ảnh hưởng của nhóm S-H nữa chứng tỏ nó

đã hình thành liên kết trên bề mặt của tinh thể ZnSe. Đồng thời vẫn còn dao động

-OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên chứng tỏ nhóm –COOH vẫn còn,

nhờ đó giúp tăng khả năng phân tán trong nước và các hạt nano phát quang này có

ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tế bào sinh học hơn. Dao động –OH

tại 3300-3400 cm-1 to tròn hơn chứng tỏ trong tinh thể nano vẫn còn nước.

Hình 3. 5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano phát quang ZnSe với điều

kiện pH và thời gian khác nhau [53].

Giản đồ nhiễu xạ tia X được trình bày trong hình 3.5 cho thấy các hạt nano

phát quang ZnSe có cấu trúc tinh thể giả kẽm, lập phương tâm diện. Từ giản đồ

nhiễu xạ tia X tinh thể được hình thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc

giả kẽm -Zinc Blende) vì có các mũi nhiễu xạ tại 26.870, 47.360 và 54.170 tương

55

ứng với các mặt phẳng (111), (220), (311). Điều kiện pH và thời gian phản ứng

không ảnh hưởng đến cấu trúc của tinh thể hạt ZnSe.

Hình 3. 6. Hình phân bố DLS của hạt nano phát quang ZnSe [53].

Hình phân bố DLS với mũi phổ hẹp cho thấy sự phân tán của các hạt nano

phát quang ZnSe trong pha nước là đều đặn, độ phân tán kích thước của các hạt

hẹp. Kích thước hạt ở khoảng 20 nm là do quá trình solvat hóa là kích thước hạt

to ra trong môi trường nước. Kết quả có thể kết luận, các hạt có kích thước tương

đối đồng nhất.

Kết quả chụp TEM (hình 3.7) cho thấy kích thước trung bình của hạt nano

phát quang là 4.6 nm. Hạt nano phát quang thu được là có cấu trúc tinh thể, và các

hạt có kích thước tương đối đồng nhất.

56

3.1.2 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Mn

Mn pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong môi trường nước,

có sử dụng chất ổn định MPA là chất hỗ trợ phân tán được kiểm tra độ hấp thu và

huỳnh quang.

Hình 3.8 biểu thị độ hấp thu của tinh thể nano ZnSe:Mn ở các nồng độ pha

tạp khác nhau. Có mũi hấp thu ở bước sóng ở khoảng 325 – 327 nm. Dựa vào phổ

UV-Vis ta thấy đỉnh hấp thu chuyển dịch không đáng kể chứng tỏ kích thước của

hạt thay đổi không đáng kể khi ta thay đổi hàm lượng Mn pha tạp.

Hình 3. 7. Hình chụp TEM hạt nano phát quang ZnSe [53].

57

Hình 3. 8. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Mn ở các nồng độ pha

tạp khác nhau.

Khi chiếu dưới đèn UV thì ZnSe pha tạp Mn phát ra ánh sáng cam, là kết

quả của sự chuyển tiếp tâm ion của Mn2+ từ 4T1 tới 6A1 tại bước sóng 585-595 nm

(hình 3.8) , nhìn chung khi nồng độ Mn pha tạp tăng thì cường độ phát huỳnh

quang tăng, tăng từ 1% đến 3% sau đó giảm. Độ nhạy huỳnh quang khi tăng hàm

lượng Mn pha tạp vì nhiều ion Mn2+ trên tinh thể ZnSe làm tăng sự phát huỳnh

quang của Mn pha tạp. Tuy nhiên nếu hàm lượng Mn nhiều thì sẽ sinh ra tương

tác từ trường của Mn-Mn, làm giảm hiệu suất huỳnh quang.

Hình 3.9 cho thấy ở nồng độ pha tạp 3% thì nano phát quang ZnSe:Mn sử

dụng chất ổn định MPA có cường độ phát quang cao nhất, sau đó đến 1, 5,7%.

58

Hình 3. 9. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn-MPA ở các nồng độ pha tạp

khác nhau.

Hình 3. 10. Hình ảnh trước và sau khi chiếu đèn UV của nano phát quang

ZnSe:Mn ở các nồng độ pha tạp 1-3-5-7 (từ trái sang phải).

59

Số sóng (cm-1)

Độ t

ruyền

qu

a (%

)

Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt

tinh thể ZnSe không. Hình 3.11 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu

ZnSe:Mn pha tạp với hàm lượng 1,3,5,7%, nhóm chức S-H của MPA không còn

đồng thời các dao động của –OH và C=O được giãn ra do không còn tác nhân hút

điện tử của S-H kìm hãm chứng tỏ nó đã hình thành liên kết trên bề mặt của tinh

thể ZnSe. Vẫn còn các dao động -OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên

chứng tỏ nhóm –COOH vẫn còn. Nhờ đó, giúp tăng khả năng phân tán trong nước

và giúp cho nó có những ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tác nhân

sinh học hơn [47,48].

Hình 3. 11. Phổ hồng ngoại IR của MPA và nano phát quang ZnSe:Mn pha tạp.

Cấu trúc tinh thể của ZnSe:Mn được xác định bởi giản đồ nhiễu xạ tia X

đồi với hạt trên hình 3.12. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ta thấy tinh thể

hình thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) vì có

các peak nhiễu xạ tại 27.370, 45.470 và 53. Như vậy, việc pha tạp Mn vào trong

tinh thể ZnSe không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ZnSe ban đầu.

60

Hình 3. 12. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/MPA ở các nồng độ

pha tạp khác nhau.

3.1.3 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Ag

Ag pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong pha nước, có sử

dụng chất ổn định MPA là chất hỗ trợ phân tán, tinh thể nano ZnSe:Ag được kiểm

tra độ hấp thu và huỳnh quang. Hình 3.13 chỉ ra độ hấp thu của tinh thể nano

ZnSe:Ag ở các hàm lượng pha tạp Ag khác nhau.

61

Hình 3. 13. Phổ UV của hạt nano phát quang ZnSe:Ag ở các nồng độ pha tạp

khác nhau.

Phổ UV cho thấy có độ hấp thu nhẹ ở vùng bước sóng khoảng 320nm là sự

hấp thu của các thành phần hữu cơ và hấp thu tại vùng 345-355 nm là vùng hóa trị

(bandgap) của các hạt nano từ nguyên tố kẽm [49]. Từ nồng độ Ag pha tạp từ 0.5%

- 3% thì phổ UV gần như nhau, không thay đổi cho thấy kích thước và độ phân

tán của các hạt nano này tương tự nhau. Nhưng khi tăng nồng độ Ag pha tạp lên

5-7% thì mũi phổ mất dần, điều này cho thấy có sự tạo thành polycrystals – chuỗi

các hạt nano kết dính lại với nhau hơn.

62

Hình 3. 14. Phổ PL của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag (0.5%-7% ).

Khi tiến hành pha tạp Ag với những nồng độ (0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%) khác

nhau, ta thấy ở (Hình 3.14) khi nồng độ tăng thì cường độ phát quang tăng từ 0.5

% tới 1% và giảm dần khi ở nồng độ pha tạp từ 3% đến 7%. So sánh với cường

độ phát quang của ZnSe không pha tạp với cường độ phát quang của hạt ZnSe

được pha tạp kim loại Ag ta thấy cường độ phát quang khi pha tạp kim loại Ag

tăng lên gấp nhiều lần. Khi nồng độ pha tạp tăng cũng làm dịch chuyển mũi phổ

về phía bước sóng dài hơn điều này cũng chứng tỏ rằng khi pha tạp tăng làm cho

bán kinh nano tăng. Điều này chứng tỏ rằng khi tăng nồng độ pha tạp của Ag thì

kích thước của hạt có thể bị thay đổi lớn hơn (từ 3-7%) hoặc sự sắp xếp của các

ion bạc trong tinh thể nano tại các vùng kích thích khác nhau, nên sự giải phóng

năng lượng của các electron tại các vùng này cho ra các mức năng lượng khác

nhau, dẫn đến bước sóng dịch về bước sóng dài hơn.

63

Hình 3. 15. Mẫu ZnSe:Ag (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV.

Hình 3.15 cho thấy hình ảnh của mẫu tổng hợp ZnSe:Ag ở điều kiện phản

ứng 4 giờ và pH = 7 (hàm lượng pha tạp của Ag lần lượt là 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7 %)

ở điều kiện khi chiếu đèn UV ở bước sóng 365 nm. Màu của dung dịch nano phát

quang màu xanh ứng với bước sóng 430-470 nm trong phổ PL (hình 3. 14).

Hình 3. 16. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Ag-MPA ở nồng độ pha

tạp khác nhau và MPA.

Số sóng (cm-1)

Độ t

ruyền

qu

a (%

)

64

Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt

tinh thể ZnSe không. Hình 3.16 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu

ZnSe:Ag pha tạp với hàm lượng 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%, nối liên kết S-H của MPA

không thể hiện trên hạt nano phát quang sau khi được tổng hợp điều này đã cho ta

thấy được giữa MPA và tinh thể nano đã hình thành liên kết. Nhờ đó, giúp tăng

khả năng phân tán trong nước và giúp cho nó có những ứng dụng tốt trong sinh

học, tương thích với tế bào sinh học hơn [47,48]. Ngoài ra dao động –OH tại tần

số 3300-3400 to tròn hơn chứng tỏ trong tinh thể nano vẫn còn nước.

Hình 3. 17. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Ag tại những hàm lượng

khác nhau.

65

Cấu trúc tinh thể của ZnSe:Ag được xác định bởi giản đồ nhiễu xạ tia X

trên (hình 3.17). Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta thấy tinh thể hình thành có cấu trúc

lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) vì có các peak nhiễu xạ tại

27.370, 45.470 và 53.850 tương ứng với các mặt phẳng (111), (220), (311). Chúng

ta có thể thấy rằng việc pha tạp một lượng ít Ag vào trong tinh thể ZnSe không

làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ZnSe ban đầu. Khi lượng Ag nhiều hơn 5% thì

cấu trúc -Zinc Blende dần bị lệch đi do xuất hiện các mặt tinh thể mới (các mũi

mới).

Hình 3. 18. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Ag – MPA sau khi tổng hợp.

Hình 3.18 là ảnh SEM của hạt QDs ZnSe:Ag. Từ kết quả này, phần mền

imageJ đã được sử dụng để tính kích thước trung bình của hạt và cho ta thấy

được kích thước trung bình của hạt khoảng 157 5 (nm) và hạt có khả năng

phân tán tốt.

3.1.4 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Cu

Cu pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong pha nước, có sử

dụng chất ổn định MPA là chất hổ trợ phân tán, tinh thể nano ZnSe:Cu được kiểm

tra độ hấp thu và huỳnh quang. (Hình 3.19 ) chỉ ra độ hấp thu của tinh thể nano

ZnSe:Cu ở các hàm lượng pha tạp Cu khác nhau. Các sản phẩm có nồng độ Cu

66

pha tạp từ 0.8-1%, có một mũi hấp thu ở bước sóng ở khoảng 335 – 340 nm. Các

sản phẩm có nồng độ đồng pha tạp từ 3-7% có đỉnh hấp thụ không rõ ràng gần như

không có. Điều này có thể giải thích là khi tăng nồng độ pha tạp, thì có hiện tượng

các hạt nano tạo thành nanocrystal – chuỗi các tinh thể nên phổ hấp thu không cho

mũi rõ nét, còn khi có mũi hấp thu thì cho thấy các hạt được phân tán rời rạc và

độc lập với nhau.

Hình 3. 19. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Cu ở nồng độ khác nhau.

67

Hình 3. 20. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Cu

ở các nồng độ pha tạp khác nhau.

Hình 3.20 cho thấy hình ảnh của mẫu tổng hợp ZnSe:Cu ở điều kiện phản ứng

4 giờ và pH = 7 (hàm lượng pha tạp của kim loại Cu lần lượt là 0.5, 0.8, 1, 3 , 5, 7

%) ở điều kiện khi được chiếu đèn UV ở bước sóng 365 nm. Cường độ phát quang

tăng từ 0.5 % tới 1% và giảm dần khi ở nồng độ pha tạp từ 3% đến 7% khi tiến

hành pha tạp Cu với những nồng độ (0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%) khác nhau (Hình 3.20).

So sánh với cường độ phát quang của ZnSe không pha tạp ta thấy cường độ phát

quang khi pha tạp Cu tăng lên gấp nhiều lần. Khi nồng độ pha tạp tăng cũng làm

dịch chuyển mũi phổ về phía bước sóng dài hơn từ 450nm đến 485nm điều này

cũng chứng tỏ rằng khi pha tạp tăng làm cho bán kinh nano tăng.

68

Hình 3. 21. Mẫu ZnSe:Cu (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm).

Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt

tinh thể ZnSe không. Hình 3.22 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu

ZnSe:Cu pha tạp với hàm lượng 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7 %, nối liên kết S-H của MPA

không thể hiện trên hạt nano phát quang sau khi được tổng hợp điều này đã cho ta

thấy được giữa MPA và tinh thể nano đã hình thành liên kết. Đồng thời vẫn còn

mũi -OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên chứng tỏ đuôi –COOH vẫn

còn. Nhờ đó giúp tăng khả năng phân tán trong nước và giúp cho nó có những ứng

dụng tốt trong sinh học, tương thích với tế bào sinh học hơn.

69

Số sóng (cm-1)

Độ t

ruyền

qua

(%)

Hình 3. 22. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Cu-MPA ở nồng độ pha

tạp khác nhau và MPA.

Cấu trúc tinh thể của ZnSe:Cu được xác định bởi giản đồ nhiễu xạ tia X

trên (Hình 3.23). Từ giản đồ nhiễu xạ tia X chứng minh được tinh thể đã hình

thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) vì có các

pic nhiễu xạ tại 27.370, 45.470 và 53.850 tương ứng với các mặt phẳng (111),

(220), (311). Chúng ta có thể thấy rằng việc pha tạp một lượng ít Cu vào trong

tinh thể ZnSe không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ZnSe ban đầu. Tuy nhiên,

khi nồng độ tăng lên 5-7% thì thu được hạt nano cấu trúc wurtzite. Như vậy nồng

độ pha tạp Cu ảnh hưởng lớn đến cấu trúc của hạt nano.

70

Hình 3. 23. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Cu pha tạp kim loại Cu tại

những hàm lượng khác nhau.

Hình 3. 24. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Cu – MPA sau khi tổng hợp.

71

Ở hình 3.24 là ảnh SEM của hạt QDs ZnSe:Cu. Từ kết quả này, phần mền

imageJ đã được sử dụng để tính kích thước trung bình của hạt và cho ta thấy

được kích thước trung bình của hạt khoảng 288 3 (nm) và hạt có khả năng

phân tán tốt.

3.1.5 Tính chất hóa lý của sản phẩm ZnSe:Mg

Kim loai Mg pha tạp trong tinh thể nano ZnSe được tổng hợp trong pha

nước, có sử dụng chất ổn định MPA là chất hổ trợ phân tán, tinh thể nano ZnSe:Mg

được kiểm tra độ hấp thu và huỳnh quang. Hình 3.25 chỉ ra độ hấp thu của tinh

thể nano ZnSe:Mg ở các hàm lượng pha tạp Mg khác nhau. Có một mũi hấp thu ở

bước sóng ở khoảng 335 – 345 nm.

Hình 3. 25. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mg ở nồng độ Mg khác

nhau.

72

Khi tiến hành pha tạp kim loại Mg với những nồng độ (0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7%)

khác nhau, kết quả phân tích (hình 3.26) chỉ ra rằng khi nồng độ tăng thì cường độ

phát quang tăng từ 0.5 % tới 1% và giảm dần khi ở nồng độ pha tạp từ 3% đến

7%. Cường độ phát quang của ZnSe khi được pha tạp với kim loại Mg cao hơn rất

nhiều so với mẫu ZnSe không pha tạp.

Hình 3. 26. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mg ở các nồng độ pha tạp khác nhau.

Hình ảnh của mẫu tổng hợp ZnSe:Mg được thể hiện qua hình 3.27 ở điều

kiện phản ứng 4 giờ và pH = 7 (hàm lượng pha tạp của Cu lần lượt là 0.5, 0.8, 1,

3 , 5, 7 %) ở sau khi được chiếu đèn UV ở bước sóng 365 nm.

Hình 3. 27. Mẫu ZnSe:Mg (0.5% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm).

73

Số sóng (cm-1)

Độ

tru

yền

qu

a (%

)

Phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt

tinh thể ZnSe không. Hình 3.28 cho ta thấy nhóm phổ IR của MPA và mẫu

ZnSe:Mg pha tạp với hàm lượng 0.5, 0.8, 1, 3, 5, 7 %, nối liên kết S-H của MPA

không thể hiện trên hạt nano phát quang sau khi được tổng hợp điều này đã cho ta

thấy được giữa MPA và tinh thể nano ZnSe đã hình thành liên kết. Đồng thời vẫn

còn mũi -OH và C=O của nhóm –COOH của MPA nên chứng tỏ đuôi –COOH

vẫn còn. Nhờ đó giúp tăng khả năng phân tán trong nước và giúp cho nó có những

ứng dụng tốt trong sinh học, tương thích với tế bào sinh học hơn.

Hình 3. 28. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mg-MPA ở nồng độ pha

tạp khác nhau và MPA.

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X trên hình 3.29, vì có các mũi nhiễu xạ tại 27.370,

45.470 và 53.850 độ tương ứng với các mặt phẳng (111), (220), (311) chứng minh

rằng cấu trúc của tinh thể của hạt QDs ZnSe:Mg-MPA là cấu trúc lập phương (cấu

74

trúc giả kẽm – Zince Blende). Chúng ta có thể thấy rằng việc pha tạp một lượng

nhỏ Mg vào trong tinh thể ZnSe không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của ZnSe

ban đầu.

Hình 3. 29. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mg/MPA pha tạp kim loại

Mg tại những hàm lượng khác nhau.

75

Hình 3. 30. Hình SEM của hạt QDs ZnSe:Mg – MPA sau khi tổng hợp.

Ở hình 3.30 là ảnh SEM của hạt QDs ZnSe:Mg. Từ kết quả này, phần mền

imageJ đã được sử dụng để tính kích thước trung bình của hạt và cho ta thấy

được kích thước trung bình của hạt khoảng 172 8 (nm) và hạt có khả năng

phân tán tốt.

3.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định PEG, PVA,

TINH BỘT

3.2.1 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt

PEG

Tinh thể ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định PEG được tổng hợp trong môi trường

nước được kiểm tra bằng phổ hấp thu và phổ huỳnh quang. Phổ hấp thụ biểu thị

sự phụ thuộc của hệ số hấp thu (hay độ hấp thụ A) theo bước sóng hay năng lượng

của photon đi qua vật chất.

76

Hình 3. 31. Phổ UV-Vis của các hạt nano ZnSe:Mn ở nồng độ Mn pha tạp khác

nhau.

Từ hình 3.31 thể hiện rõ phổ hấp thu của tinh thể ZnSe:Mn với các nồng độ

pha tạp khác nhau và PEG được sử dụng làm chất ổn định bề mặt. Tinh thể hạt

nano hấp thu rõ ràng ở bước sóng khoảng 235nm. Đồng thời bên cạnh đó, ở bước

sóng 425 nm thì hạt đã bắt đầu hấp thu. Điều này tốt cho việc ứng dụng vì chỉ cần

sử dụng nguồn kích thích có năng lượng thấp thì hạt nano đã có thể phát sáng. Hơn

nữa, trong dung dịch này, các hạt nano tạo thành các chuỗi kết dính gọi là

nanocrystals hơn là những hạt rời rạc tách biệt.

Khi tiến hành pha tạp kim loại Mn với những nồng độ (1, 3, 5, 7%) khác

nhau, hình 3.32 chỉ ra rằng nồng độ tăng thì cường độ phát quang tăng từ 1 % tới

7%. Ta so sánh với cường độ phát quang của ZnSe không pha tạp ta thấy cường

độ phát quang khi pha tạp kim loai Mn tăng lên gấp nhiều lần. Khi nồng độ pha

tạp tăng cũng làm dịch chuyển nhẹ mũi phổ về phía bước sóng dài hơn điều này

cũng chứng tỏ rằng khi pha tạp tăng làm cho bán kinh nano tăng lên rất ít.

78

Độ t

ruyền

qu

a (%

)

Số sóng (cm-1)

Phổ hồng ngoại FT-IR sử dụng để xác định xem PEG có phủ lên bề mặt của

hạt QDs hay không. Ở hình 3.34, cho ta thấy được các nhóm phổ của PEG và hạt

nano tại mũi 3422 cm-1 là mũi của gốc –OH [7]. Từ đó kết luận cấu trúc của PEG

đã được bảo toàn và không bị ảnh hưởng gì trong suốt quá trình hạt nano được

hình thành.

Hình 3. 34. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mn-PEG ở nồng độ pha

tạp khác nhau và PEG.

Dựa vào giản đồ XRD ở hình 3.35 của hạt QDs ZnSe:Mn/PEG ta có thể xác

định được cấu trúc của hạt QDs ZnSe:Mn / PEG này. Giản đồ cho thấy việc thay

đổi nồng độ Mn pha tạp không làm thay đổi cấu trúc tinh thể ZnSe ban đầu. Tuy

hạt nano phát quang được tổng hợp ở nồng độ Mn pha tạp khác nhau, nhưng tinh

thể hình thành vẫn có cấu trúc lập phương tinh thể wurtzite vì có các mũi nhiễu

xạ tại 23.800, 30.00 0, 44.000, 46.470 và 52.000 [40].

79

Hình 3. 35. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/PEG pha tạp Mn tại

những hàm lượng khác nhau.

3.2.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt

PVA

Tinh thể ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định PVA được tổng hợp trong môi

trường nước được kiểm tra bằng phổ hấp thu và phổ huỳnh quang.

Phổ hấp thụ biểu thị sự phụ thuộc của hệ số hấp thu (hay độ hấp thụ A) theo

bước sóng hay năng lượng của photon đi qua vật chất.

Các quang phổ hấp thu cho tinh thể các hạt nano ZnSe:Mn với các nồng độ

kim loại Mn pha tạp khác nhau của trong việc sử dụng PVA làm chất ổn định được

trình bày ở hình 3.36. Như trong hình ta thấy được tinh thể QDs hấp thu rõ ràng ở

bước sóng khoảng 245 và 365-370 nm. Kết quả này tương ứng với sự hấp thu của

các chất hữu cơ và vùng cấm của tinh thể ZnSe. Đồng thời bên cạnh đó phổ UV-

vis cho ta thấy đươc ở bước sóng 425 nm thì hạt đã bắt đầu hấp thu. Điều này tốt

80

cho việc ứng dụng vì chỉ cần sử dụng nguồn kích thích có năng lượng thấp thì hạt

nano đã có thể phát sáng.

Hình 3. 36. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/PVA

ở nồng độ khác nhau.

Khi tiến hành pha tạp Mn với những nồng độ (1, 3, 5, 7%) khác nhau, ta

thấy ở (Hình 3.37) cường độ phát quang lớn nhất là ở nồng độ pha tạp 7%. Ta so

sánh với cường độ phát quang của ZnSe không pha tạp ta thấy cường độ phát

quang khi nồng độ pha tạp kim loai Mn tăng vì tâm phát quang nhiều hơn.

82

Hình 3. 38. Mẫu ZnSe:Mn /PVA (1% - 7%) chiếu dưới đèn UV (365 nm).

Phổ hồng ngoại FT-IR sử dụng để xác định xem PVA có phủ lên bề mặt của

hạt QDs hay không. Ở hình 3.36, cho ta thấy được các nhóm phổ của PVA và hạt

QDs tại mũi 3422 cm-1 là mũi của gốc –OH [7]. Từ đó kết luận là PVA không bị

thay đổi tính chất trong quá trình tổng hợp các hạt nano phát quang.

83

Số sóng (cm-1)

Độ

tru

yền

qua

(%)

Hình 3. 39. Phổ IR của của hạt nano phát quang PVA-ZnSe:Mn

ở nồng độ pha tạp khác nhau và PVA.

Giản đồ XRD ở hình 3.39 giúp ta xác định được cấu trúc của hạt QDs

ZnSe:Mn / PVA. Từ giản đồ ta thấy rằng, việc thay đổi nồng độ Mn pha tạp không

làm thay đổi cấu trúc tinh thể ZnSe ban đầu. Tuy hạt QDs được tổng hợp ở nồng

độ Mn pha tạp khác nhau, nhưng tinh thể hình thành có cấu trúc hỗn hợp của lập

phương tinh thể wurtzite và lập phương zinc blende vì có các mũi nhiễu xạ tại

27.800, 32.00 0, 35.000, 37.000, 47.000, 57.0 và 63.000 [40].

84

Hình 3. 40. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/PVA tại những

hàm lượng kim loại pha tạp Mn khác nhau.

3.2.3 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định bề mặt

TINH BỘT

Tinh thể ZnSe:Mn sử dụng chất ổn định tinh bột được tổng hợp trong môi

trường nước được kiểm tra bằng phổ hấp thu và phổ huỳnh quang.

Phổ hấp thụ biểu thị sự phụ thuộc của hệ số hấp thu (hay độ hấp thụ A) theo

bước sóng hay năng lượng của photon đi qua vật chất.

Các quang phổ hấp thu cho tinh thể hạt nano:ZnSe:Mn với các nồng độ pha

tạp khác nhau của kim loại Mn trong việc sử dụng tinh bột làm chất ổn định được

trình bày ở hình 3.38. Như trong hình ta thấy được tinh thể hạt nano hấp thu rõ

ràng ở bước sóng khoảng 365-370 nm. Đồng thời bên cạnh đó phổ UV-vis cho ta

85

thấy đươc ở bước sóng 425 nm thì hạt đã bắt đầu hấp thu. Điều này tốt cho việc

ứng dụng vì chỉ cần sử dụng nguồn kích thích có năng lượng thấp thì hạt nano đã

có thể phát sáng.

Hình 3. 41. Phổ UV-Vis của hạt nano phát quang ZnSe:Mn/TINH BOT.

Khi tiến hành pha tạp Mn với những nồng độ (1, 3, 5, 7%) khác nhau, ta

thấy ở hình 3.42 cường độ phát quang tăng dần từ 1% đến 3% sau đó giảm dần tới

7%. Ta so sánh với cường độ phát quang của ZnSe không pha tạp ta thấy cường

độ phát quang khi pha tạp kim loai Mn tăng lên. Khi tăng nồng độ Mn đến một

hàm lượng giới hạn thì tâm phát quang tang theo, nhưng khi qua mức giớ hạn đó

(3%) thì hàm lượng Mn tăng cao dẫn đến tương tác từ tính giữa các ion Mn-Mn

tăng theo làm giảm cường độ phát quang.

86

Hình 3. 42. Phổ PL của nano phát quang ZnSe:Mn / TINH BỘT

ở các nồng độ pha tạp khác nhau.

Hình 3. 43. Mẫu ZnSe:Mn /TINH BOT (1% - 7%)

chiếu dưới đèn UV (365 nm).

Cư

ờng đ

ộ h

uỳnh q

uan

g (

a.u.)

Bước sóng (nm)

87

Số sóng (cm-1)

Độ

tru

yền

qu

a (%

)

Phổ hồng ngoại FT-IR sử dụng để xác định xem tinh bột có phủ lên bề mặt

của hạt QDs hay không. Ở hình 3.44, cho ta thấy được các nhóm phổ của tinh bột

và hạt QDs tại mũi 3422 cm-1 là mũi của gốc –OH [7]. Từ đó kết luận là tinh bột

không bị phân hủy trong quá trình tổng hợp các hạt nano phát quang.

Hình 3. 44. Phổ IR của của hạt nano phát quang ZnSe:Mn-TINH BỘT

ở nồng độ pha tạp khác nhau và TINH BỘT.

Giản đồ XRD ở hình 3.45 giúp ta xác định được cấu trúc của hạt QDs

ZnSe:Mn/TINH BOT. Từ giản đồ chứng minh được việc thay đổi nồng độ Mn pha

tạp không làm thay đổi cấu trúc tinh thể ZnSe ban đầu. Tuy hạt QDs được tổng

hợp ở nồng độ Mn pha tạp khác nhau, nhưng tinh thể hình thành có cấu trúc hỗn

hợp của cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm – Zinc Blende) và cấu trúc

88

lập phương wurtzite vì có các mũi nhiễu xạ tại 27.800, 32.000, 35.000, 37.000,

47.000, 57.0 và 63.000 [40].

Hình 3. 45. Giản đồ nhiễu xạ tia X đồi với hạt ZnSe:Mn/TINH BOT tại những

hàm lượng kim loại pha tạp Mn khác nhau.

3.3 Đánh giá hiệu năng phát quang của sản phẩm khi gắn với axit amin.

3.3.1 Xác định độ hấp thu (UV) của hạt nano phát quang khi được gắn

thêm axit amin

Sau khi được phân tán lại vào nước các hạt nano phát quang được gắn

thêm axit amin Lysine, rồi chụp phổ hấp thu.

Độ hấp thu của hạt nano ZnSe:Ag/MPA khi được gắn thêm axit amin (hình

3.46)

89

Hình 3. 46. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Ag/MPA khi cho thêm axit amin.

Độ hấp thu của hạt nano phát quang ZnSe:Cu/MPA khi được gắn thêm axit amin

(hình 3.47).

Hình 3. 47. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Cu/MPA khi cho thêm axit amin.

90

Độ hấp thu của hạt nano phát quang ZnSe:Mg/MPA khi được gắn thêm

axit amin (hình 3.48).

Hình 3. 48. Phổ UV của chấm lượng ZnSe:Mg/MPA khi cho thêm axit amin.

Từ kết quả phân tích độ hấp thụ (UV-vis) của các hạt nano phát quang, ta

thấy các mẫu đều có độ hấp thu không đổi khi được gắn thêm axit amin, điều đó

chứng tỏ lượng năng lượng mà hạt nano được cung cấp là như nhau.

3.3.2 Đánh giá sơ bộ hiệu quả phát quang của hệ nano phát quang khi được

gắn với axit amin.

Hình 3.46 cho thấy sau khi gắn kết với axit amin qua cầu nối MPA thì cường

độ phát quang tăng lên 24.4% được giải thích là do có sự cộng hưởng của hệ thống

các hạt nano-cầu nối MPA và qua nhóm amin của acid, số lượng điện tích ở trạng

thái kích thích tăng lên khiến cho cường độ phát quang tăng lên. Hoặc do có sự

cộng hưởng làm gia tăng các mức năng lượng khiến cho các điện tử dễ dàng di

chuyển xuống các vùng năng lượng này và cho phát ra nguồn năng lượng tương

91

ứng với bước sóng mà chúng cho phát ra màu sắc sau khi chiếu đèn UV tại bước

sóng 365nm [45].

Hình 3. 49. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Ag khi cho

thêm axit amin.

Hình 3. 50. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Cu khi cho

thêm axit amin.

92

Hình 3. 51. Phổ PL của các hạt nano phát quang MPA ZnSe:Mg khi cho

thêm axit amin.

3.3.3 Đánh giá khả năng định lượng của hệ nano phát quang đối với axit

amin.

Từ các kết quả khảo sát trên, để đánh giá rõ hơn khả năng định lương của

hệ nano phát quang đối với axit amin, sản phẩm QDs: ZnSe:X (X: Ag, Cu, Mg)

đã được lựa chọn để khảo sát tiếp. Các sản phẩm này có cường độ phát quang cao

và độ phát quang được tăng cường khi được gắn thêm axit amin. Hình 3.52 cho

thấy sự gia tăng cường độ phát quang thể hiện rõ ràng khi tăng hàm lượng axit

amin từ 0 đến 150 µl và tăng nhiều nhất, rõ nét nhất tại hàm lượng axit amin 300

µl. như vậy có thể kết luận rằng với hạt nano phát quang ZnSe:Ag, độ nhạy tối

thiểu với axit amin là 150 µl và tối đa là 300 µl [50].

93

Hình 3. 52. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Ag/MPA khi cho thêm

axit amin theo bảng 2.2.

Bảng 3. 1. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Ag(1%)/MPA.

Thể tích aicd

amin (l)

Chiều cao mũi

phổ

Bước sóng phát

quang (nm)

0 12.29 467.2

50 12.40 468.8

100 12.50 470

150 13.3 468.8

200 13.56 467.6

250 14.02 469.6

300 15.20 468.0

94

Hình 3.53 biểu diễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Ag / MPA thay đổi

khi tăng dần nồng độ của axit amin cho vào. Ta thấy rằng đường đồ thị tương đối

tuyến tính ở các khoảng 0-100l và 150 -250l , có khả năng xây dựng đường

chuẩn để sử dụng trong mục đích phân tích nồng độ chất.

Hình 3. 53. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Ag/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm.

Hình 3. 54. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Cu/MPA khi cho

thêm axit amin theo bảng 2.2.

95

Hình 3.54 cho thấy sự gia tăng cường độ phát quang thể hiện rõ ràng khi

tăng hàm lượng axit amin từ 0 đến 50 µl và tăng nhiều nhất, rõ nét nhất tại hàm

lượng axit amin 300 µl. như vậy có thể kết luận rằng với hạt nano phát quang

ZnSe:Cu, độ nhạy tối thiểu với axit amin là 50 µl và tối đa là 300 µl [50].

Bảng 3. 2. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Cu(1%)/MPA.

Thể tích aicd amin

(l)

Chiều cao mũi phổ Bước sóng phát

quang (nm)

0 14.6 478.2

50 16.3 478.6

100 17.5 481.8

150 17.6 480.2

200 17.7 480.0

250 18.1 480.0

300 21.1 482.0

Cường độ phát quang của hạt ZnSe:Cu/MPA thay đổi khi tăng dần nồng

độ của axit amin cho vào (hình 3.55). Bên cạnh đó, đường đồ thị tương đối tuyến

tính ở các khoảng 0l -100l và 150l -250l , có khả năng xây dựng đường chuẩn

để sử dụng trong mục đích phân tích nồng độ chất.

96

Hình 3. 55. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Cu/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm vào.

Hình 3. 56. Phổ PL của các hạt nano phát quang ZnSe:Mg/MPA khi cho thêm

axit amin theo bảng 2.2.

97

Bảng 3. 3. Các giá trị cường độ phát quang tương ứng với lượng axit amin thêm

vào mẫu ZnSe:Mg(1%)/MPA.

Thể tích aicd

amin (l)

Chiều cao mũi

phổ

Bước sóng phát

quang (nm)

0 5.6 462.6

50 6.5 464.9

100 6.5 472.0

150 6.7 469.6

200 6.8 471.0

250 9.3 469.4

300 12.0 451.2

Cường độ phát quang của hạt ZnSe:Mg / MPA thay đổi khi tăng dần nồng

độ của axit amin cho vào (hình 3.57). Hình 3.57 cho thấy sự gia tăng cường độ

phát quang thể hiện rõ ràng khi tăng hàm lượng axit amin từ 0 đến 50 µl và tăng

nhiều nhất, rõ nét nhất tại hàm lượng axit amin 300 µl. Như vậy có thể kết luận

rằng với hạt nano phát quang ZnSe:Mg, độ nhạy tối thiểu với axit amin là 50 µl

và tối đa là 300 µl [51]. Bên cạnh đó, còn có sự dịch chuyển bước sóng ngắn

khoảng 10 đơn vị nm, theo sự gia tăng hàm lượng axit amin lên 250 và 300 µl. Do

đó, kết quả này giúp cho độ nhạy được gia tăng và hiệu quả hơn trong việc ứng

dụng làm cảm biến sinh học.

Bên cạnh đó, đường đồ thị tương đối tuyến tính ở các khoảng 200 -300l

, có khả năng xây dựng đường chuẩn để sử dụng trong mục đích phân tích nồng

độ chất.

98

Hình 3. 57. Đồ thị biểu điễn cường độ phát quang của hạt ZnSe:Mg/MPA khi

tăng dần lượng axit amin thêm vào.

99

Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận

Từ những kết quả nghiên cứu hoàn thành nội dung luận án, đã rút ra những

kết luận sau:

(1) Đã tổng hợp thành công các hạt tinh thể nano phát quang với chất ổn

định bề mặt là MPA, sản phẩm thu được là MPA-ZnSe:Ag va MPA-ZnSe:Cu

trong điều kiện phần trăm kim loại pha tạp Ag và Cu tối ưu 1%, pH=7, nhiệt độ

900C, kích thước 30 ± 5 nm và 60 ± 5 nm nm. Xác định được cấu trúc lập phương

tinh thể (cấu trúc giả kẽm -Zinc Blende) và tính chất của sản phẩm. Tổng kết được

một số quy luật của các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm trong quá trình

điều chế.

(2) Đã nghiên cứu, phát hiện và tổng hợp thành công mới MPA-

ZnSe:Mg trong điều kiện tối ưu Mg 1%, pH=7, nhiệt độ 900C, kích thước 30 ± 5

nm. Xác định được cấu trúc cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm – Zince

Blende) và tính chất của sản phẩm.

(3) Đã tổng hợp thành công hạt nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất

ổn định bề mặt PEG, PVA ở điều kiện phát quang sáng nhát trong các điều kiện

phần trăm pha tạp khảo sát là Mn 7%, pH=3 và nhiệt độ 80 0C. Xác định được cấu

trúc lập phương tinh thể wurtzite và tính chất của sản phẩm.

(4) Đã tổng hợp thành công hạt nano phát quang ZnSe:Mn sử dụng chất

ổn định bề mặt TINH BỘT ở điều kiện tối ưu là Mn 3%, pH 3 và nhiệt độ 80 0C.

Xác định được cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm – Zinc Blende) và

cấu trúc lập phương wurtzite và tính chất của sản phẩm.

(5) Thử nghiệm ứng dụng của các hạt nano phát quang qua việc đánh giá

hiệu năng phát quang của sản phẩm khi được gắn với axit amin nhằm đưa ra triển

vọng cao của các hạt nano phát quang trong việc chế tạo cảm biến sinh học.

100

4.2 Kiến nghị

(1) Tổng hợp các hạt nano phát quang ZnSe:X (X là Cu, Ag, Mg) sử dụng

chất ổn định bề mặt là PEG, PVA, Tinh bột.

(2) Nghiên cứu thêm về độ bền của sản phẩm. Tính chất của sản phẩm sau

khi chịu tác động của pH, nhiệt độ, thời gian lưu, thời gian chiếu xạ.

101

Tài liệu tham khảo

[1] Coe, S., W.-K. Woo, M. Bawendi, and V. Bulović (2002), "Electroluminescence

from single monolayers of nanocrystals in molecular organic devices", Nature,

420(6917): p. 800-803.

[2] Shionoya, S. and W. Yen (1999), "Phosphor handbook CRC Press", Boca raton.

pp, 190.

[3] Shih – Yuan Lu, Mei – Ling Wu, Hsin-Lung Chen, J.Appl. Phys. 93 (2003), pp.

5798-5793.

[4] S. Coe, W. K. Woo, M. G. Bawendi and V. Bulovic, Nature, 2002, 420, 800-803.

[5] B. Dong, L.Cao,G.SuandW. Liu, Chem. Commun, 2010, 46, 7331–7333.

[6] Bailey, R.E., A.M. Smith, and S. Nie (2004), "Quantum dots in biology and

medicine", Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 25(1): p. 1-

12.

[7] Rosenthal, S.J. J.C. Chang, O. Kovtun, J.R. McBride, and I.D. Tomlinson (2011),

"Biocompatible quantum dots for biological applications", Chemistry & biology,

18(1): p. 10-24.

[8] Cells, S.-P.S.N.S. (2011), "via Layer-by-Layer Assembly Jasieniak, Jacek;

MacDonald, Brandon I.; Watkins, Scott E.; Mulvaney, Paul", Nano Letters, 11(7):

p. 2856-2864.

[9] Wood, V., J.E. Halpert, M.J. Panzer, M.G. Bawendi, and V. Bulovic (2009),

"Alternating current driven electroluminescence from ZnSe/ZnS: Mn/ZnS

nanocrystals", Nano letters, 9(6): p. 2367-2371.

[10] Bich Thi Luong,ab Eunsu Hyeong,a Sujin Yoon,a Jongwan Choia and Nakjoong

Kim. RSC Adv, 2013, 3, 23395.

[11] Giaume, D., V. Buissette, K. Lahlil, T. Gacoin, J.-P. Boilot, D. Casanova, E.

Beaurepaire, M.-P. Sauviat, and A. Alexandrou (2005), "Emission properties and

102

applications of nanostructured luminescent oxide nanoparticles", Progress in

solid state chemistry, 33(2): p. 99-106.

[12] Cheng, C., G. Xu, H. Zhang, J. Cao, P. Jiao, and X. Wang (2006), "Low-

temperature synthesis and optical properties of wurtzite ZnS nanowires",

Materials Letters, 60(29): p. 3561-3564.

[13] Biswas, S., S. Kar, and S. Chaudhuri (2005), "Optical and magnetic properties of

manganese-incorporated zinc sulfide nanorods synthesized by a solvothermal

process", The Journal of Physical Chemistry B, 109(37): p. 17526-17530.

[14] B. Srivastava, B.; Jana, S.; Pradhan, N. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1007–1015.

[15] Lu, Y., H. Ni, Z. Mai, and Z. Ren (2000), "The effects of thermal annealing on

ZnO thin films grown by pulsed laser deposition", Journal of Applied Physics,

88(1): p. 498-502.

[16] Enustun, B. and J. Turkevich (1963), "Coagulation of colloidal gold", Journal of

the American chemical society, 85(21): p. 3317-3328.

[17] Bilyy, R., A. Tomyn, Y. Kit, A. Podhorodecki, J. Misiewicz, M. Nyk, W. Strek,

and R. Stoika (2009), "Detection of dying cells using lectin‐conjugated fluorescent

and luminescent nanoparticles", Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik,

40(4): p. 234-237.

[18] Chen, G., S. Sun, W. Zhao, S. Xu, and T. You (2008), "Template synthesis and

luminescence properties of CePO4: Tb nanotubes", The Journal of Physical

Chemistry C, 112(51): p. 20217-20221.

[19] Maillard, M., S. Giorgio, and M.-P. Pileni (2002), "Silver nanodisks", Advanced

Materials, 14(15): p. 1084.

[20] Luong, B.T., E. Hyeong, S. Ji, and N. Kim (2012), "Green synthesis of highly UV-

orange emitting ZnSe/ZnS: Mn/ZnS core/shell/shell nanocrystals by a three-step

single flask method", RSC Advances, 2(32): p. 12132-12135.

_____________________________________________________________________________________________________ *Corresponding author: E-mail: marialuongbich@gmail.com, marialuongbichcnd@gmail.com;

Advances in Research 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715 ISSN: 2348-0394, NLM ID: 101666096

Studying on Synthesis of Highly Luminescent Quantum Dots Based on Zinc and Their Application

for Escherichia coli O157: H7 and Methicillin- Resistant Staphylococcus aureus Detection

Diem Thi Bui1, Duy Khanh Pham2, Xuan Truong Mai2, Van Khiem Nguyen2,

Thanh Thao Bui3, Ngoc Quyen Tran2,4, Nguyen Thi Ngoc Nhi5, Tai The Diep5* and Bich Thi Luong2*

1Industrial University of Ho Chi Minh City, Vietnam.

2Institute of Applied Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology, Vietnam.

3Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnamese National

University in Ho Chi Minh City, Vietnam. 4Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang City 550000, Vietnam.

5Pasteur Institute of Ho Chi Minh City, Vietnam.

Authors’ contributions

This work was carried out in collaboration between all authors. Authors BTL, DTB and TTD designed the study. Authors XTM, NTNN and DTB performed the statistical analysis, wrote the protocol and

wrote the first draft of the manuscript. Authors BTL, DTB and TTD managed the analyses of the study. Authors NQT, DKP, VKN and TTB managed the literature searches. All authors read and approved

the final manuscript.

Article Information

DOI: 10.9734/AIR/2018/40715 Editor(s):

(1) Antonio Mastino, Professor, Department of Biological and Environmental Sciences, University of Messina, Italy and Institute of Translational Pharmacology, National Research Council, Rome, Italy.

Reviewers: (1) Noriah Bidin, Universiti Teknologi, Malaysia.

(2) Akinsiku, Anuoluwa Abimbola, Covenant University, Nigeria. Complete Peer review History: http://www.sciencedomain.org/review-history/24227

Received 26th

January 2018 Accepted 11th April 2018 Published 19

th April 2018

ABSTRACT

The synthesis of highly luminescent quantum dots ZnSe/ZnS:Mn(5%)/ZnS và ZnSe:Ag(1%) in aqueous phase was studied. This synthetic method is for green chemistry. Silver and manganese are used as a dopant to increase photoluminescence quantum yields of obtained products. Mercaptopropionic acid (MPA) is used as a capping agent which is a sufficient bridge to combine the quantum dots and antibody, bacteria via protein or EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)

Original Research Article

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

2

carbodiimide hydrochloride). Escherichia coli O157: H7 and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (E. coli O157: H7 and MRSA) are leading causes of food poisoning and they are also detected via luminescent signals. The results showed that the quantum dot complex was capable of detecting bacteria at 101 CFU / ml for 15 – 30 minutes. The specificity of the reaction is 100%. Optimal antibody concentration for detection of bacteria from 10 mg to 30 mg. Rapid detection of MRSA and E. coli O157: H7 on food and clinical samples are going on further test.

Keywords: Luminescent quantum dots; synthesis of quantum dots in aqueous phase; biosensor.

1. INTRODUCTION

Luminescence nanoparticle is a particle of size from 1 to 30 nm, emitted under the excitation source such as the light energy of ultraviolet or infrared. Quantum dots are semiconductor nanoparticles that have a crystal structure of 1-10 nm in size. When semiconductor nanoparticles absorb photons from light-emitting sources, negative electrons (e-electrons) are excited on the conduction and leave positive holes (h-holes) carrying positive charge in the region. Chemistry forms the exciton pair, which then jumps to lower energies and releases energy corresponding to the appropriate wavelength and gives the corresponding fluorescent colour [1]. The luminescent nanoparticles have been studied and synthesized by various methods. There are three main methods: synthesis in organic environment, phase transformation synthesis from organic to water phase and in aqueous phase. Based on the fluorescence properties of quantum dots, they become one of the sources of materials for many different applications. Jun-Jie Zhu and his colleagues have studied the synthesis of ZnSe/ZnS photoluminescence by phase transformation, and have initially applied in a variety of fields, such as biomedical [2], photoconductive [3], and a carrier for drug delivery [4]. Snee et al. [5] synthesized ZnSe/ZnS:Mn in organic media, luminescent quantum dots were attached to dye-dyes to increase luminescence sensitivity, study. Luminescent quantum dots are well dispersed in the water environment and are easily dispersed in the bioreactor through surface stabilizers with two functional groups -SH and -COOH, so they easily interact with biological agents such as antibodies and biological cells. The nanoparticles, after interacting with the biological agent, will produce different luminescence signals compared to their specific luminescence [6-9]. This will serve as a basis for the detection of bacteria and the production of biological sensors based on the sensitivity of the fluorescence system after binding of antibodies

to quantum dots through the effect Förster resonance energy transfer (FRET) from quantum dots to spheres and either bacteria, cell or DNA) [7-12].

In this study, the "green" synthesis of ZnSe: Ag and ZnSe / ZnS: Zn nanoparticle ZnSe / ZnS quantum dots in water is studied and initial application of obtained quantum dots in the detection of Escherichia coli O157: H7 and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (E. coli O157: H7 and MRSA) is mentioned.

2. EXPERIMENTAL

2.1 Synthetic Quantum Dots

2.1.1 Synthesized ZnSe quantum dot aggregation: Ag

NaHSe solution was prepared from Se, NaBH4 powder, and water in N2 gas. For the synthesis of ZnSe:Ag (1%), the reaction system was prepared in a 3-necked flask containing the following solution mixture. It was made by mixing of 10 ml of 0.1M zinc acetate and 0.01 M AgNO3 with 90 ml of water, and 40 ml of mercaptopropionic acid (MPA) 0.1 M was added. Then, using a 2M NaOH solution to adjust the pH of the reaction mixture at pH 3.8, the reaction was agitated under air evaporated with N2 gas for 30 min. Applying NaHSe solution to the reaction mixture, the reaction system was kept stirring at 90-100°C for 3 hours.

2.1.2 Synthesized ZnSe/ZnS:Mn(5%)/ZnS quantum dots [13]

ZnSe/ZnS:Mn(5%)/ZnS is synthesized by the following steps: at first the synthesis of ZnSe was conducted, reaction system was prepared: in the 3-neck flask containing the following solution mixture of 10 ml zinc acatate 0.1 M with 90 ml of water, and 40 ml of mercaptopropionic acid solution (MPA) of 0.1M. Then, using 2M NaOH solution to adjust pH = 8, the reaction system was stirred and air evaporated with N2 30 minutes, raise the system temperature to 90-95°C [7].

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

3

Fig. 1. Schematic mapping of antibodies (Ab) and bacteria on luminescent quantum dots via MPA bridge

Then, NaHSe solution was added into the reaction mixture and kept stirring at 90-100°C for 3 hours. The reaction system would be cooled to room temperature. The shell layer (ZnS: Mn) covered by the core layer (ZnSe) is formed by adding to the reaction system in step 1 a mixture of 7.9 ml of Zn(CH3COO)2 0.1 M and 5 ml of Mn(CH3COO)2 0.01 M at a rate of 1 drop per second. The outer coating of ZnS shell is covered with the following two layers: the reaction system is stirred at 80°C, 8.3 ml of Zn(CH3COO)2 0.1 M solution were added, after 20 minutes of stirring, 8.3 ml of Na2S solution 0.1 M is added to the reaction system and agitated for 1 hour. The obtained product is crystallized in isopropyl alcohol and washed several times with centrifuge, dried in vacuum at room temperature. The obtained product was prepared for structural and optical properties analysis. UV–vis absorption spectra were obtained using an Optizen 2120UV spectrophotometer (Science and Technology Development) in order to clarify the excitation wavelength of obtained samples. Fluorescence measurements were performed using WGY-10 fluorescence spectrophotometer. All optical measurements were carried out at room temperature at the excitation wavelength (315 nm).

2.2 Application of Luminescent Nanoparticles to Detect Bacteria

Quantum dots were diluted in sterile distilled water into concentrations of 10-1, 10-2, 10-3. The test bacteria are diluted to a solution of McF 0.5 equivalent to 108 CFU / ml. Research and evaluation of optimal conditions for protein A binding on luminescent photon nanoparticles (protein A).Gel column was used with built-in protein A (commercial column) and washed with sticky pad to stabilize the column. Applying 2 ml of nanoparticles to the column with 1 ml / 10 minutes, then 25 μl antibody was given against E.coli, and Staphylococcus through the column at 1 μl / 1 minute 2 ml of column buffer solution wa also applied to stabilize the column and wash the unsustainable bonds from the column. 1 ml of bacterial solution was added at 108 CFU / ml via column at 1 ml / 20 min. The results were prepared for the control 25 μl of E.coli antibody and Staphylococcus interacts with 2 ml of a luminescent nanoparticle solution for 20 minutes. Addition of 1 ml of bacterial solution was taken at 108 CFU / ml via column at 1 ml / 20 min. Examinations of the solutions under UV light were taken and their results were also recorded [9-11].

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

4

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Analysis of Optical Structure and Properties of Quantum Dots

Luminescence properties of ZnSe:Ag nanoparticles were determined. The luminescence of the ZnSe:Ag agglomerates at different silver salt doping concentrations and the same pH value of 8 was shown by fluorescence spectra (Fig. 2a). PL spectrum show that the amount of doped Ag was increased (1, 3, 5, 7%), the light intensity decreases. Maximum light intensity when doped Ag content is 1%. The Ag+ emits at the energy band relating to 460-490 nm of wavelength. When amount of doped Ag was increased, the position of the peak of the emission also varies with the longer wavelength,

which proves that the doped amount was raised, the radius of the nanoparticles. At the same time, due to the competition of Ag+ions in the crystals, the increase in the doping concentration of Ag is slightly lower. The IR spectra show the functional groups oiscillations of the MPA and the ZnSe: Ag sample doped with concentrations of 1, 3, 5, 7 (%), the SH group of the MPA no longer demonstrates that it has formed a bond on the surface of the crystal ZnSe. At the same time, there is still the tip -OH and C = O of the COOH group of the MPA, so the COOH tail is still present (Fig. 3a). This helps to increase the dispersion of water and helps it to have better applications in biology, more compatible with biological cells.

Fig. 2. (a) The PL spectrum and (b) real images under UV light (365nm) of ZnSe: Ag quantum dots solutions with doping of 1, 3, 5, 7%. (pH = 8)

Fig. 3. a) IR spectrum, b) XPS spectra, c) X-ray diffraction patterns of ZnSe: Ag (pH = 8) Ag dopping at 1, 3, 5 and 7% concentrations; d) TEM image of ZnSe sample: Ag (1%)

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

5

The XPS spectrum (Fig. 3b) shows the presence of Zn, Se, Ag, C and O elements in the ZnSe granule: Ag is bonded to -H-CH2-CH2-COO-, suitable for the product obtained after synthesis. From the X-ray diffraction pattern (Fig. 3c), the crystals are still forming crystalline cubic (Zinc Blende) crystals because of the diffraction peaks at 27, 370o, 45, 470o and 53, 850o relating to (111), (220) and (311), respectively. The agitation of small amounts of Ag in the ZnSe crystal does not alter the crystal structure of the original ZnSe. TEM images showed that the average size of the particles was 7.5 ± 0.3 (nm). Determination of luminescence properties of ZnSe/ZnS:Mn/ZnS quantum dots in the UV-Vis spectra (Fig. 4a), the absorption peak of the sputtered Mn quantum dots at different concentrations has an unequal shift, indicating that the size of the particle varies negligible when we change the content of Mn doped. Absorption band is about 325 - 330 nm. The PL spectrum given in Fig. 4(b), show that dopping into ZnSe crystals with Mn at different concentrations causes to various luminescent

intensities. The brightness of ZnSe / ZnS: Mn / ZnS quantum dots solutions under UV light at 574 nm is optimal when the concentration of Mn doped is 5%, Mn2+. At 0.1% Mn2+ doping concentration, the Mn2+ luminance emission is weak, the orange intensity at the Mn2+ center is approximately equal to the green light intensity of the ZnSe crystal. The higher the Mn2+ concentration is applied, the higher the Mn emission is and the optimum is at 5%. However, increasing the doping concentration further, the Mn2+ luminescence center began to decrease. This is explained by the higher the Mn concentration is , the higher the magnetic field between Mn-Mn is, which reduces the fluorescence efficiency. At a concentration of 10% Mn, the fluorescence obtained is white. So the concentration of doping Mn greatly affects the luminous intensity and luminescent color of quantum dots. The ZnSe core quantum dots have two emission peaks that is the emission of deep trap of ZnSe due to the suitable band gap (400-420 nm), [14,15] and another peak at 500-520 nm wavelength is surface trap emission of ZnSe

Fig. 4. a) UV-Vis spectrum, b) PL spectrum and c) IR of ZnSe / ZnS: Mn / ZnS at different concentrations; d) real images of ZnSe/ZnS:Mn/ZnS colloidal solutions under 365 nm

wavelength

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

6

stabilized by MPA capping agent synthesized in aqueous phase. Therefore, the ZnSe/ZnS:Mn/ZnS core/shell/shell have three emission peaks that from 400-420, 500-520, and 580-600 nm due to the Mn dopant concentrations. Since the Mn2+ dopping concentration is high enough, the yellow or orange/red emission could be obtained] More interestingly, the low enough Mn2+ dopant concentrations were added, the white emission of the ZnSe/ZnS:Mn/ZnS core/shell/shell was obtained due to the well-control between blue, green and yellow/orange/red emissions so that the UV- white light was shown at the three emissions at different nm wavelength with the suitable intensity in PL spectra. Thus, the molar ratio between Zn and Mn is the most important parameter that affects on the colortunable emission [7,16]. The real images of obtained ZnSe / ZnS: Mn / ZnS with various manganese dopping concentrations under UV light (Fig. 4d). It shows that the 5% Mn doped sample gives the luminous intensity of the Mn2+ center corresponding to the PL measurement result (Fig. 5a). Fig. 4c shows the IR spectral group of MPA and ZnSe / ZnS: Mn / ZnS doped Mn 5%, the SH group of MPA no longer demonstrates that it formed on the surface of the nanocrystal . At the same time, there is still -OH and C = O of the -COOH group of the MPA, indicating that the COOH group is still present. This helps to increase the dispersion of water and helps it to have better applications in biology, more compatible with biological cells. From the X-ray diffraction pattern we can see that ZnNe/ZnS:Zn/ZnS quantum dots at other concentrations of Mn doped in Fig. 5a form crystalline cubic crystals Zinc Blende) because of the diffraction peaks at 27,370, 45,470 and

53,850 corresponding to the planes (111), (220), (311). Doping of Mn into ZnSe crystals did not alter the crystalline structure of the original ZnSe. The TEM image of the ZnSe/ZnS:Mn/ZnS light emitting dots using MPA stabilizer with 5% Mn doped has a particle size of 19 nm. The size of the tang is much higher than that of the core (ZnSe: Ag 7.5 nm), which suggests that the ZnSe core was covered with a shell.

3.2 Results of Binding of Protein A and Antibody to Luminescence Nanoparticles (Quantum Dot-Protein A)

According to obtained quantum dots, the luminescence of different seeds may be due to the attachment of bacteria which would affect the luminescence of the grain. However, this does not affect the detection of strains. In addition, if the isolation can be detected through the luminescent nanoparticle suspension, antibodies should be followed by further parameters such as the difference between the bacterial solution and the bacteria-free one via electrophoresis (Fig. 6a and b). Initial results suggest that antibodies can be bound to quantum dots via the A. protein bridge. The reaction is incubated at 40°C for 5 hours. The E. coli O157: H7 antibody [5.5 mg / ml] and the MRSA antibody [1 mg / ml] were diluted in the above mixture into different concentrations of 1 μg, 5 μg, 10 μg, 20 μg, 30 μg. The entire quantum and antibiotic complexes were further incubated at 40°C overnight following the following scheme: Antibody-binding complexes were performed to determine the difference between antibody- and antibody-free nanoparticles (Fig. 6c and d). Quantum dots which have lower antibody would luminesce than non-antibody quantum dots. The complexes selected for subsequent experiments were

Fig. 5. a) XRD schema and b) TEM image of ZnSe / ZnS sample: Mn (5%) / ZnS

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

7

Fig. 6. Test results for binding protein A and antibody to luminescence nanoparticles. a) Screened for MRSA and b) E. coli O 157: H7 under fluorescence microscope; c) Results of

testing protein A and antibody on seeds (A: luminescent nanoparticles, B: solution of luminescent nanoparticles and antibodies, bacteria, C: solution of luminescent nanoparticles,

antibodies, proteins A and bacteria); d) The result of flowcytometry for good luminescence and antibody binding. Flow cytometry is performed on the FACSCalibur Calibrate BD

clear and antibody-binding luminescence complexes. Complexes for the signal are not known, although antibodies that can be attached to the particle remain unelected for further experiments. Mercaptopropionic acid (MPA) has become a bridge in which the thiol -SH group is bound to quantum dot linkage and the -COOH group of MPA binds directly to antibody resistance to detect and detect antibodies [12,13].

4. CONCLUSION With ZnSe photons quantum dots: Ag (1%), ZnSe / ZnS: Mn (5%) / ZnS with size less than 20 nm, successfully synthesized in water phase, E.coli O 157: H7 and MRSA are quite good. Through protein A and EDC bridging, the proportions of the complexes A1, A2, A3 and B1, B2, B3 produce very good results. The ratio of complexes to antibody responses ranged from 5 μg to 30 μg. At a rate of 1 μg the reaction gives an unknown signal. Time to detect bacteria needs 30 minutes, however, bacteria can still be detected at 15 minutes, signal is not as good as 30 minutes. Direct detection of bacteria, for a high sensitivity of 101 CFU / ml, also uses bacterial detection from a specimen with a sensitivity of 102 CFU / ml. Specificity of 100% leaf reaction. The storage time is 40°C, for stable

operation and does not affect the quality of the reaction. Based on the results of the study, compounds containing thiol and carboxylic acid (HS-R-COOH), especially 3-Mercaptopropionic acid, are used. MPA or HS- R-COOH is less toxic than EDC and with this design the cost is more acceptable due to the simplification of detection and analysis. Due to the close association between the COOH group and the amine of the bacterium, the photoluminescence of quantum dots after binding is altered, based on the difference in optical properties (intensity or wavelength) of the dot systems. Quantum-crosslinker- Ab-bacteria, bacteria will be detected.

COMPETING INTERESTS Authors have declared that no competing interests exist.

REFERENCES 1. Sandra J, Rosenthal, Jerry C, Chang, Oleg

K, James R, et al. Biocompatible quantum dots for biological applications. Chemistry & Biology. 2011;18(1):10-24.

2. Dong Z, Xiaoxing J, Cuie Z, Xiaolian S, Jianrong Z, Jun-Jie Z. Green synthesis and potential application of low-toxic Mn:

Bui et al.; AIR, 14(4): 1-8, 2018; Article no.AIR.40715

8

ZnSe/ZnS core/shell luminescent nanocrystals. Chem. Commun. 2010; 46(29):5226–5228

3. Vanessa W, Jonathan EH, Matthew JP, Moungi GB, Vladimir B. Alternating current driven electroluminescence from ZnSe/ ZnS:Mn/ZnS nanocrystals. Nano Lett. 2009;9(6):2367-2371.

4. William, Yu W, Emmanuel C, Rebekah D, Vicki L, Colvina. Water-soluble quantum dots for biomedical applications. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2006;348(3):781-786.

5. Rahul T, Yingchuan C, Preston T, Snee. Efficient emission from Core/(Doped) Shell nanoparticles: Applications for chemical sensing. Nano Lett. 2007;7(11):3429-3432.

6. Wing CL, Ken TY, Indrajit R, Hong D, Rui H, Weiwei Z, et al, Aqueous phase synthesis of highly luminescent CdTe/ZnTe Core/Shell quantum dots optimized for targeted bioimaging. Small. 2009;5(11): 1302-1310

7. Bich TL, Eunsu H, Seokhwan J, Nakjoong K. Green synthesis of highly UV-orange emitting ZnSe/ZnS: Mn/ZnS core/shell/ shell nanocrystals by a three-step single flask method. RSC Advances. 2012;2(32): 12132-12135.

8. Sonal M, Jhimli S, Rajib D, Mitra MK. Biofunctionalised quantum dots for sensing and identification of waterborne bacterial pathogens. Journal of Experimental Nanoscience. 2010;5(5):438-446.

9. Luxin W, Chung SW, Xudong F, Azlin M. Detection of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella in ground beef by a bead-free quantum dot-facilitated isolation method. Internationa l Journal of Food Microbiology. 2012;156(1):83–87.

10. Hu Y, Wang C, Bai B, Li M, Ronghui W, Yanbin L. Detection of Staphylococcus aureus using quantum dots as fluorescence labels. Int J Agric & Biol Eng. 2014;7(1):77-83.

11. Park IS, Kim DK, Nora A, Maria V, Namsoo K. Development of a direct-binding chloramphenicol sensor based on thiol or sulfide mediated self-assembled antibody monolayers. Biosensors and Bioelectronics. 2004;19(7):667–674.

12. Igor L, Medintz, Ellen R, Goldman, Michael E, Lassman, et al. A fluorescence resonance energy transfer sensor based on maltose binding protein. Bioconjugate Chem. 2003;14(5):909–918.

13. Bich Thi Luong, Eunsu Hyeong, Sujin Yoon, Jongwan Choi and Nakjoong Kim. Facile synthesis of UV-white light emission ZnSe/ZnS:Mn core/(doped) shell nanocrystals in aqueousPhase. RSC Adv. 2013;3:23395-23401.

14. Shavel A, Gaponik N, Eychmüller A. J. Phys. Chem. B. 2004;108:5905-5908.

15. Fang Z, Wu P, Zhong X, Yang YJ. Nanotechnology. 2010;21:305604(9pp).

16. Shao P, Wang HZ, Zhang QH, Li YG. J. Mater. Chem. 2011;22:17972-17977.

_________________________________________________________________________________ © 2018 Bui et al.; This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Peer-review history: The peer review history for this paper can be accessed here:

http://www.sciencedomain.org/review-history/24227