luận án tiến sĩ Khảo sát tính chất động lực học của một số hạt nano bằng phương pháp tương quan huỳnh quang trên hệ đo tự xây dựng (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

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

Nguyễn Thị Thanh Bảo

KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA MỘT SỐ HẠT NANO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN HUỲNH QUANG
TRÊN HỆ ĐO TỰ XÂY DỰNG

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 9.44.01.19

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

Hà Nội – 2022


Cơng trình được hồn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ
- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Đặng Tuyết Phương
2. PGS.TS. Đinh Văn Trung

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam vào hồi….. giờ……’, ngày
….. tháng…… năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại:
-

Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

-

Thư viện Quốc Gia Việt nam


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Các hạt nano với tính chất độc đáo đã được nghiên cứu rộng rãi
và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y - sinh học, diode phát
sáng, pin mặt trời. Trong số đó, nghiên cứu chấm lượng tử bán dẫn
(gọi tắt là chấm lượng tử) rất được quan tâm. Chấm lượng tử được chế
tạo với kích thước hạt thay đổi để có các đỉnh phổ mong muốn ở các
bước sóng khác nhau đang trở thành vật liệu hứa hẹn thay thế cho chất
màu truyền thống trong đánh dấu huỳnh quang do có tính bền quang

cao, phổ phát xạ hẹp. Bên cạnh đó, các vật liệu kích thước nano khác
như nano silica, nano kim loại và gần đây nhất là nanocacbon cũng
đang được phát triển nhằm hướng tới các ứng dụng bao gồm đánh dấu
sinh học, vận chuyển thuốc, liệu pháp quang nhiệt. Trong các hầu hết
các ứng dụng y sinh học, vật liệu nano được sử dụng chủ yếu trong
dung dịch, do đó cần tìm hiểu vật liệu trên phương diện khả năng
khuếch tán, đặc tính thuỷ động lực học, khả năng tương tác, v.v…
Kích thước thủy động lực học của hạt nano phân tán trong mơi
trường lỏng, bao gồm kích thước lõi và độ dày lớp chất hoạt động bề
mặt, là một thơng số quan trọng trong nhiều q trình y sinh. Kích
thước thủy động lực học rất khó dự đốn từ kích thước vật lý (kích
thước lõi) vì cấu trúc của các phân tử bề mặt, sự tương tác của hạt nano
với các thành phần của môi trường lỏng không được biết trước. Sự kết
đám của hạt nano trong dung dịch cũng có thể xảy ra làm thay đổi q
trình tương tác giữa vật liệu và các đối tượng y sinh như tế bào, mô,
môi trường sinh học.
Các phép đo trong thể tích khối khảo sát một tập hợp rất lớn các
phân tử hoặc hạt tại một thời điểm nên hầu như không đáp ứng được
yêu cầu nghiên cứu ở mức độ đơn phân tử hoặc đơn hạt (vì có sự trung
bình hóa các q trình xảy ra trong thể tích khối). Các kỹ thuật đo đơn


2

phân tử/đơn hạt được sử dụng ngày càng rộng rãi trên các đối tượng
như các protein hay các ADN kích thước vài nano-mét và trong nghiên
cứu các vật liệu kích thước nano phát quang. Một trong số các phương
pháp quang phổ đơn hạt được phát triển gần đây là phương pháp đo
tương quan huỳnh quang (FCS). Phương pháp này dựa trên phân tích
sự thăng giáng của tín hiệu huỳnh quang khi từng phân tử hoặc từng

hạt phát quang khuếch tán qua thể tích đo. FCS được phát triển trên
cơ sở đo đạc huỳnh quang nên phù hợp với đối tượng áp dụng là các
chất phát quang thường dùng để đánh dấu huỳnh quang trong các
nghiên cứu sinh học. Đây cũng là phương pháp cho phép nghiên cứu
các tính chất hóa lý của vật liệu kích thước nano ngay trong dung dịch.
Tuy nhiên, hệ đo FCS là hệ đo với độ phân giải không gian và thời
gian cao, hiện nay chưa có tại Việt nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Xây dựng hệ đo tương quan huỳnh quang
- Ứng dụng hệ để nghiên cứu các đối tượng hạt nano phát quang
và bước đầu thử nghiệm ứng dụng cho các đối tượng hạt nano không
phát quang.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Xây dựng hệ đo FCS đáp ứng yêu cầu thu tín hiệu từ đơn phân
tử/đơn hạt.
- Xác định các thông số của hệ đo.
- Khảo sát khả năng ứng dụng hệ đo trong nghiên cứu phản ứng
giữa các phân tử sinh học.
- Khảo sát kích thước thuỷ động lực học của chấm lượng tử bán
dẫn trong mơi trường nước và mơi trường có độ nhớt cao bằng phương
pháp FCS trên cơ sở hệ đo đã xây dựng.
- Khảo sát kích thước thủy động lực học của một số loại hạt nano
khác với chấm lượng tử bằng phương pháp FCS (trên cơ sở đo huỳnh


3

quang) hoặc SCS (trên cơ sở đo tán xạ). Các hạt này bao gồm: nano
silica mang tâm màu, nanocacbon phát quang, nano silica không mang
tâm màu và nano bạc.

- Nghiên cứu tính chất của chất màu và chấm lượng tử ở mức độ
đơn hạt/đơn phân tử qua hiệu ứng chống bó.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án góp phần phát triển các phương pháp hiện đại tại Việt
Nam để nghiên cứu các đối tượng nano. Từ đó, mở rộng khả năng tiếp
cận các phương pháp quang học tiên tiến, hỗ trợ và đáp ứng yêu cầu
nghiên cứu sâu hơn các vật liệu nano ở mức độ đơn hạt/đơn phân tử
ngay tại Việt Nam.
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Các hạt nano
Phần này trình bày các hiểu biết về các chấm lượng tử bán dẫn
(bao gồm hiệu ứng giam giữ lượng tử dẫn đến sự phụ thuộc của tính
chất phát xạ vào kích thước hạt, cấu trúc và tính chất quang), phương
pháp tổng hợp và tính chất của nano silica, cacbon nanodot, nano bạc
dạng lăng trụ tam giác.
Kích thước hạt nano có ý nghĩa quan trọng trong các nghiên cứu
tương tác giữa vật liệu nano và các đối tượng sinh học như tế bào, mô,
v.v… Các tương tác này thường xảy ra trong dung dịch, do đó cần xác
định kích thước thuỷ động lực học, đại lượng có liên quan chặt chẽ
đến đặc tính khuếch tán của hạt.
Một số kỹ thuật thông dụng được sử dụng để xác định kích thước
hạt bao gồm: hiện ảnh, tán xạ ánh sáng (DLS). Tuy nhiên các kỹ thuật
này có một số nhược điểm: đo đạc trong thể tích khối, cần lượng mẫu
lớn với nồng độ cao, không thể khảo sát hạt nano trong môi trường tồn
tại hoặc môi trường làm việc, không thể nghiên cứu in-situ.


4

1.2. Phương pháp đo tương quan huỳnh quang FCS

Phương pháp tương quan huỳnh quang – FCS (Fluorescence
correlation spectroscopy) được tiến hành với các phần tử phát huỳnh
quang khuếch tán tự do. FCS dựa trên phân tích thống kê sự thăng
giáng của cường độ huỳnh quang theo thời gian.
Phương pháp FCS đo đạc trong một thể tích rất nhỏ (cỡ
femto-lít), có thể ứng dụng cho các đối tượng như phân tử có gắn chất
màu, các hạt nano phát quang. Phương pháp FCS phù hợp để khảo sát
kích thước hạt, tương tác giữa các phân tử/hạt với các phân tử sinh
học, khảo sát tương tác của hạt với tế bào, …
Hệ đo FCS là hệ đo quang học hiện đại. Ngoài khả năng đo đạc
tương quan huỳnh quang FCS, hệ có thể được điều chỉnh để đo tương
quan của tín hiệu tán xạ (Scattering Correlation Spectroscopy – SCS).
Hiệu ứng chống bó (antibunching) của đơn phân tử/hạt nano là bằng
chứng thực nghiệm xác định nghiên cứu được thực hiện trên từng phân
tử/hạt. Hiệu ứng chống bó có thể đo đạc trên hệ FCS với cấu hình
quang học tinh tế và đầu thu hiệu suất cao.
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng xác định kích thước bằng FCS
có nhiều ưu điểm so với các phương pháp hiển vi truyền qua (TEM),
tán xạ tia X (XRD) hoặc tán xạ ánh sáng động (DLS) như tránh được
sự thay đổi mẫu do làm khơ, lượng mẫu cần dùng ít, có thể đo đạc
in-situ. Phương pháp FCS đã được ứng dụng để:
+ Đặc trưng tính chất động lực học của các hạt nano như chấm
lượng tử, các tinh thể nano dạng cầu, nano dạng que và các hạt nano
polyme phát quang, khảo sát các chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ và
chấm lượng tử đơn lõi với lớp vỏ bọc hữu cơ khác nhau.


5

+ Nghiên cứu sự tương tác của hạt nano với các phân tử chất màu
hoặc phân tử sinh học trong dung dịch.
+ Khảo sát quá trình khuếch tán của hạt nano trong tế bào.
Trên cơ sở của phương pháp đo FCS, phổ tương quan tán xạ
(Scattering Correlation Spectroscopy - SCS) của các hạt nano được
phát triển trong thời gian gần đây và ứng dụng để đặc trưng các hạt
không phát quang.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, kích thước của các vật liệu nano phát quang như chấm
lượng tử, nano silica, cacbon nanodot được đặc trưng rộng rãi bằng
các phương pháp như TEM, hiển vi điện tử quét (SEM), DLS. Khơng
có báo cáo trình bày kết quả đo FCS thực hiện tại Việt Nam trên hệ đo
khác với hệ tự xây dựng trong luận án.
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hố chất và dụng cụ thí nghiệm
Hóa chất: Rođamin B, Rođamin 6G, chấm lượng tử CdTe/CdS,
các chấm lượng tử CdTe, nano silica mang tâm màu RB, bạc nitrat,
trinatri xitrat, natri bohyđrua, natri hydroxit, tetraetoxy silan, amoni
hydroxit, cồn tuyệt đối, đường tinh luyện, ADN phát quang (gắn phân
tử chất màu), ADN bổ trợ (gắn biotin), streptavidin, đệm SSPE 20X
pH 7,4, saccarozơ.
2.2. Tổng hợp các hạt nano
2.2.1. Tổng hợp nano silica
Nano silica không chứa tâm màu được tổng hợp từ TEOS bằng
quá trình thủy phân và ngưng tụ alkoxit silic trong mơi trường ancol
với sự có mặt của xúc tác bazơ NH4OH theo phương pháp sol-gel (kỹ
thuật Stober) (hình 2.1).

6

Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp nano silica khơng phát quang.
Nano silica phát quang mang tâm màu RB được TS. Phạm Minh
Tân tổng hợp theo phương pháp Stober có sự hỗ trợ của chất hoạt động
bề mặt. Qui trình tổng hợp được đã được trình bày trong tài liệu tham
khảo. Các mẫu với nhóm chức –OH được ký hiệu SB-x, trong đó x
tương ứng với số micro-lít NH4OH sử dụng để tổng hợp hạt (x = 20,
30, 40, 60). Các mẫu có nhóm chức–SH, –NH2, –COOH và –NH2&OH
(hỗn hợp hai nhóm chức) được ký hiệu tương ứng là SiO2–SH,
SiO2–NH2, SiO2–COOH và SiO2–NH2&OH.
2.2.2. Tổng hợp cacbon nanodot (CND)
Cacbon nanodot được tổng hợp từ các phân tử đường saccarozơ
theo phương pháp nhiệt phân sử dụng lị vi sóng gia dụng (hình 2.3).

Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp cacbon nanodot.


7

2.2.3. Tổng hợp nano bạc dạng lăng trụ (AgNPr)
Nano bạc dạng lăng trụ được tổng hợp bằng phương pháp
plasmon định hướng sử dụng đèn hơi natri làm nguồn chiếu sáng
(hình 2.4).

Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp nano bạc dạng lăng trụ.
2.3. Thiết kế hệ và đo đạc tương quan huỳnh quang FCS
2.3.1. Thiết kế hệ đo FCS
Hệ đo tương quan huỳnh quang được thiết kế theo sơ đồ khối

như trình bày trên hình 2.6.

Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ FCS xây dựng trong luận án.


8

Chùm laze từ nguồn phát được cho qua các phin lọc trung tính,
bộ lọc khơng gian, qua aperture (để giảm đường kính chùm) sau đó
phản xạ trên gương lưỡng chiết tới vật kính hiển vi. Vật kính hội tụ
chùm laze vào mẫu, đồng thời thu tín hiệu huỳnh quang phát ra từ
mẫu. Tín hiệu đi qua gương lưỡng chiết được lọc bằng phin lọc phát
xạ (loại tán xạ của ánh sáng kích thích). Tín hiệu huỳnh quang được
thấu kính phẳng lồi hội tụ vào một pinhole, sau đó đi đến đầu thu, được
khuếch đại qua bộ khuếch đại và ghi nhận bằng mô - đun đếm photon,
cuối cùng được xử lý bằng máy tính.
2.3.2. Xây dựng hệ điện tử thu nhận và xử lý tín hiệu quang
Kỹ thuật đếm photon được sử dụng trong các đầu thu của hệ
đo FCS để ghi nhận cường độ tín hiệu ánh sáng yếu. Các đầu thu được
sử dụng trong luận án đều ở dạng mô-đun tự xây dựng.
2.3.4. Căn chỉnh hệ đo
Hệ đo được căn chỉnh để đảm bảo chùm laze kích thích hội tụ
trong một thể tích tối ưu cho đo đạc FCS (thể tích nhỏ, phân bố cường
độ kích thích dạng hàm Gauss), đồng thời thu được tín hiệu huỳnh
quang lớn nhất có thể. Do tín hiệu thu được từ các đơn hạt/đơn phân
tử là các tín hiệu có cường độ rất thấp nên căn chỉnh hệ là bước đòi
hỏi nhiều thời gian và kinh nghiệm.
2.3.5. Tương quan tán xạ (SCS)
Đo đạc tương quan tán xạ (Scattering Correlation Spectroscopy –
SCS) được thực hiện trên cơ sở hệ đo tương quan huỳnh quang. Đối

với các hạt nano khơng phát quang, tín hiệu tán xạ từ được sử dụng để
xây dựng đường tương quan.
2.3.6. Hiệu ứng chống bó
Hệ đo FCS được sử dụng để đo đạc hiệu ứng chống bó theo cấu
hình HBT (Hanbury-Brown-Twiss). Bố trí thí nghiệm bao gồm một
bộ chia chùm phân cực để chia chùm tia huỳnh quang phát ra từ mẫu


9

thành 2 kênh. Hai photodiode thác lũ (APD) hoạt động ở chế độ đếm
đơn photon để phát hiện tín hiệu của đơn photon tại mỗi kênh.
2.4. Các phương pháp bổ trợ đặc trưng vật liệu
Các phương pháp đặc trưng vật liệu thông dụng được sử dụng
bao gồm:
- Phổ huỳnh quang
- Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến UV-VIS
- Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
- Tán xạ ánh sáng động (DLS)
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả xây dựng và đặc trưng hệ đo FCS
3.1.1. Cấu hình hệ đo FCS
Các chi tiết quang học của hệ đã được lựa chọn như sau:
Laze kích: Hệ FCS xây dựng trong luận án sử dụng kích thích
đơn photon. Lựa chọn laze Nd:YAG loại compact bơm bằng laze bán
dẫn phát liên tục ở bước sóng cơ bản 532 nm. Cường độ laze nằm
trong khoảng vài W đến vài mW trước khi đưa vào vật kính hiển vi.
Bộ lọc khơng gian: Pinhole có đường kính 20 μm đặt giữa hai
thấu kính hội tụ, tại tiêu điểm của mỗi thấu kính. Vị trí của pinhole
được điều chỉnh chính xác theo ba chiều khơng gian. Sau khi đi qua

bộ lọc không gian, chùm laze có dạng Gauss ở mode TEM00 chuẩn
trực; kích thước chùm > 6 mm (hình 3.1)

Hình 3.1. Bộ lọc khơng gian tạo chùm sáng ở mode TEM00.


10

Gương lưỡng chiết: phân tách giữa chùm sáng kích thích (bước
sóng 532 nm) và tín hiệu huỳnh quang (bước sóng > 565 nm).
Gương điện môi băng rộng: dùng gương hiệu suất cao để nâng
cao hiệu suất thu nhận ánh sáng huỳnh quang rất yếu từ từng phân tử
chất màu hoặc hạt nano đơn lẻ.
Vật kính hiển vi: có độ phóng đại 100x và khẩu độ số = 1,25.
Khẩu độ số lớn hơn 1 là yêu cầu cần thiết để đạt được độ phân giải cao
và thể tích kích thích cỡ femto-lít.
Gương lưỡng chiết, gương điện mơi băng rộng và vật kính hiển
vi lắp đặt trong hệ FCS được trình bày ở hình 3.2.
1. Giá đỡ mẫu
2. Cọc đồng giữ giá đỡ mẫu
3. Vật kính hiển vi
4. Các giá đỡ và giá dịch chuyển
vật kính
5. Gương điện mơi băng rộng hiệu
suất cao
6. Gương lưỡng chiết

Hình 3.2. Một phần khối quang học kích thích mẫu
và thu tín hiệu huỳnh quang.
Phin lọc phát xạ: phù hợp để đo mẫu phát quang ở vùng bước

sóng > 565 nm.
Thấu kính hội tụ trong phần thu tín hiệu huỳnh quang: thấu kính
phẳng lồi, mạ chống phản xạ trong vùng từ 350 -700 nm có tiêu cự
f = 150 mm.
Pinhole trong phần thu tín hiệu huỳnh quang: đường kính 50 μm,
có tác dụng loại bớt các phần ánh sáng nằm ngồi vùng hội tụ của ánh
sáng kích thích, thu hẹp kích thước vùng quan sát (cấu hình đồng tiêu).


11

Tồn bộ hệ đo được trình bày trên hình 3.3.

Hình 3.3. Hệ FCS xây dựng trong luận án.
3.1.2. Khảo sát kích thước của thể tích đo
Kích thước của thể tích đo (r0, z0) (bảng 3.3) ứng với cấu hình tối
ưu của hệ đo tự xây dựng được tính tốn từ đường tương quan điển
hình của RB đo trong 300s ở 25oC (hình 3.5).

Hình 3.5. Đường tương quan điển hình của RB.


12

Bảng 3.3. Các thơng số của thể tích đo
Thơng số

Hệ FCS trong luận án

Tham khảo

ω = r0/z0

0,11

0,11

r0 (nm)

255

300

z0 (μm)

2,32

2,8

Veff (fl)

0,84

1,4

3.1.3. Hệ số khuếch tán của chất màu R6G
Hệ số khuếch tán của R6G xác định theo phương pháp FCS trên
hệ đo đã xây dựng phù hợp với các giá trị trình bày trong các tài liệu
tham khảo gần đây (bảng 3.5).
Bảng 3.5. Hệ số khuếch tán của R6G trong nước

so sánh với tài liệu tham khảo
o
D (25 C)
Phương pháp đo
Nguồn
(x 10-6 cm2s-1)
Tài liệu tham khảo
2,8 ± 0,3
FCS
Tài liệu tham khảo
3,0
FCS
Tài liệu tham khảo
2,9 ± 0,7
NMR
Tài liệu tham khảo
4,0
Cực phổ
Tài liệu tham khảo
4.14 ± 0.01
Dòng chảy mao quản
Tài liệu tham khảo
4,3 ± 0,4
NMR và FCS
Tài liệu tham khảo
4,14 ± 0,05
FCS hội tụ kép
3,72 ± 0,03 (200 M)*
3,91 ± 0,06 (100 M) *
4,02 ± 0,12 (50 M) *

3,95 ± 0,09
*

NMR

Tài liệu tham khảo

FCS

Luận án

Giá trị D phụ thuộc nồng độ.

3.1.4. Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ chất màu
Nồng độ chất màu RB và R6G thích hợp cho FCS nằm trong
khoảng 5x10-9 M đến 2x10-8 M.


13

3.1.5. Ảnh hưởng của cường độ laze
Kích thích với cơng suất laze cao dẫn tới thay đổi cả giá trị G(0)
và dạng của đường tương quan (hình 3.10). Đối với RB cơng suất laze
kích thích phù hợp là 125,3 W.

Hình 3.10. Ảnh hưởng của cường độ laze đến
đường tương quan của RB.
Mũi tên chỉ chiều tăng của năng lượng kích thích.

3.2. FCS xác định tương tác giữa các phân tử sinh học

Hình 3.12. Đường tương quan huỳnh quang của
ADN trước và sau khi đóng cặp.
1. ADN sợi đơn phát quang; 2. Hỗn hợp của ADN sợi đơn phát quang và
ADN bổ trợ sau phản ứng ở nhiệt độ cao; 3. Hỗn hợp của hai ADN sau phản ứng ở
nhiệt độ thường khi có mặt streptavidin; 4. Hỗn hợp của hai ADN sau phản ứng ở
nhiệt độ cao khi có mặt streptavidin.


14

Sự thay đổi của đường tương quan khi có mặt của ADN bổ trợ
cho thấy đã xảy ra tương tác giữa ADN sợi đơn với ADN bổ trợ tạo
thành sản phẩm là ADN sợi kép (hình 3.12).
Hằng số phân ly của ADN sợi kép ở nhiệt độ 25oC:
KD = 7,0 M
Các kết quả cho thấy phương pháp FCS và hệ đo đã xây dựng
trong luận án có tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu tương tác của
các đối tượng sinh học.
3.3. Xác định kích thước thủy động lực học của chấm lượng tử
bán dẫn
3.3.1. Xác định kích thước thủy động lực học của chấm lượng tử
CdTe/CdS
Từ đường FCS của mẫu CdTe/CdS (hình 3.15) thu được các giá
trị sau:
D = 160 µs, hằng số khuếch tán D = 1,06 x 10-6 cm2s-1
Kích thước thủy động lực học dFCS = 4,6 nm lớn hơn so với kích
thước vật lý TEM (3,5 - 4,1 nm).

Hình 3.15. Đường tương quan G() của chấm lượng tử CdTe/CdS.

Số liệu thực nghiệm biểu diễn bằng các chấm đen,
đường lý thuyết biểu diễn bằng đường liền nét. Công suất laze = 30 µW.


15

3.3.2. Xác định kích thước thủy động lực học của chấm lượng tử
CdTe
Kích thước thủy động lực học của các chấm lượng tử đơn lõi
CdTe (với lớp bọc hữu cơ chứa nhóm chức –COOH) xác định theo
FCS đều lớn hơn so với kích thước vật lý (bảng 3.8 và hình 3.20).
Bảng 3.8. Kích thước của các chấm lượng tử CdTe
Cực đại

Vị trí đỉnh

Đường kính hạt

Ký hiệu

huỳnh

hấp thụ

(nm)

mẫu

quang f

thứ nhất

CdTe 1
CdTe 2
CdTe 3
CdTe 4
CdTe 5
CdTe 6

(nm)
608
608
622
641
664
695

a (nm)
554,0
546,5
564,5
578,5
598,5
625,5

dFCS - dTEM

FCS

TEM

4,1  0,4
3,9  0,1
4,2  0,2
4,4  0,1
6,8  0,2
11,5  0,2

3,3
3,2
3,4
3,5
3,6
3,9

(nm)
0,8
0,7
0,8
0,9
3,2
7,6

Hình 3.20. Kích thước thủy động lực học (FCS)
và kích thước vật lý (TEM) của các chấm lượng tử CdTe
phụ thuộc vào vị trí đỉnh hấp thụ.
Trong trường hợp lớp vỏ bọc hữu cơ của CdTe là MSA, sự phụ
thuộc của kích thước thuỷ động lực học của hạt xác định bằng FCS

16

vào đỉnh hấp thụ thứ nhất có thể biểu diến bằng phương trình sau:
𝑑

= 5,89016×10-5 λ3 − 9,949×10-2 λ2 +(56,0117)λ − (10507,43)

3.4. Nghiên cứu quá trình khuếch tán của phân tử chất màu và
chấm lượng tử trong mơi trường có độ nhớt thay đổi

Hình 3.22. Các đường tương quan chuẩn hóa của RB và
chấm lượng tử CdTe/CdS trong mơi trường
với nồng độ saccarozơ (% trọng lượng) khác nhau.
Số liệu thực nghiệm biểu diễn bằng các điểm,
đường liền nét là các đường lý thuyết.

Khi tiến hành đo trong mơi trường có độ nhớt cao, các đường
tương quan FCS thực nghiệm của chất màu và chấm lượng tử được so
sánh với mô hình khuếch tán ba chiều đi kèm quá trình triplet
(hình 3.22).
Trong khoảng độ nhớt của môi trường từ 0,89 -8,33 cP,


17

bán kính thuỷ động lực học Rh (RB) = 0,5 - 0,8 nm và Rh (CdTe/CdS)
= 3,4 - 4,2 nm (hình 3.26). Các kết quả đều thể hiện độ dày lớp vỏ hữu
cơ của các phân tử RB và chấm lượng tử ít thay đổi trong khi độ nhớt
của mơi trường thay đổi khá nhiều. Như vậy, bề mặt hạt khơng thay
đổi do khơng có sự tương tác giữa chấm lượng tử với saccarozơ.

Hình 3.26. Bán kính thủy động lực học Rh của phân tử RB
và chấm lượng tử CdTe/CdS theo sự thay đổi độ nhớt của dung dịch.
3.5. FCS của các hạt nano silica mang tâm màu
Kích thước thủy động lực học của nano silica phát quang
SiO2 –OH xác định bằng phương pháp FCS (bảng 3.9) thay đổi theo
trình tự:
SB20 < SB30  SB40 < SB60
Kích thước theo FCS ln lớn hơn kích thước theo TEM.
Bảng 3.9. Hệ số khuếch tán và kích thước của nano silica phát quang
có nhóm chức bề mặt -OH
Mẫu

Thời gian
khuếch tán D
(25oC) (ms)
(FCS)

Hệ số khuếch tán
D (25oC)
(x10-6 cm2.s-1)
(FCS)

FCS

TEM*

DLS*

SB20

1,14

0,145

35

15-20

22

SB30

2,32

0,071

69

40-45

50

SB40

2,35

0,070

70

45-50

55

3,99

0,042

118

70-75

78

SB60
*

Đường kính hạt d (nm)

Kết quả đo TEM và DLS được tham khảo từ tài liệu.


18

Nano silica được chức năng hóa với các nhóm khác nhau có
sự khác nhau rõ rệt về kích thước thủy động lực học (bảng 3.10).
Bảng 3.10. Kích thước của nano silica phát quang có nhóm chức
bề mặt khác nhau
Đường kính hạt d (nm)

Hệ số khuếch
o

Mẫu

tán D (25 C)
(x10-6 cm2.s-1)

DLS*
FCS

TEM*

(FCS)

Trung

Phân bố theo

bình

cường độ tán xạ

10 (0,5%)
SiO2-SH

0,087

56

30-35

50

61 (98%)
4571 (1,5%)

SiO2-NH2
SiO2-NH2&OH
SiO2-COOH
*

0,06

83

0,072

204

0,002

3278

0,024

164

0,002

1949

25-30

63

25-30

73

25-30

72

124
45 (41%)
212 (59%)
106 (96%)
3314 (4%)

Kết quả đo TEM và DLS được tham khảo từ tài liệu.

SiO2 –SH: kích thước đồng đều, khơng có hiện tượng kết đám.
SiO2 –NH2: có sự sai lệch giữa đường FCS thực nghiệm so
với lý thuyết, có thể do kích thước không đồng đều của các hạt.
SiO2 –NH2&OH và SiO2 –COOH: có khả năng xảy ra hiện
tượng tụ đám của các hạt.
3.6. FCS của cacbon nanodot
Kích thước thủy đơng lực học của cacbon nanodot theo FCS

là d = 2,3 ± 0,3 nm (bảng 3.11). Kết quả xác định kích thước theo TEM
cho thấy trong mẫu có tồn tại các hạt cacbon kích thước d = 4 – 5 nm
(hình 3.33) (lớn hơn kích thước thủy động lực học theo FCS). Như


19

vậy, không thể kết luận huỳnh quang của mẫu sau tinh chế là của các
hạt cacbon có kích thước như quan sát thấy trên ảnh TEM.
Bảng 3.11. Kích thước của CND tổng hợp từ saccarozơ
D (s)

dFCS (nm)

dTEM (nm)

CND ngay sau tổng hợp

45

1,2

-

CND sau khi tinh chế

86

2,3

4-5

Hình 3.33. Ảnh TEM của CND sau tinh chế.
Một số bằng chứng trong các tài liệu tham khảo đã cho thấy CND
quan sát thấy qua ảnh TEM thực tế là các kết tụ (aggregate) của các
phân tử phát quang ở dạng tinh thể nano hoặc dạng vơ định hình. Bên
cạnh các phương pháp nghiên cứu tính chất vẫn thường dùng rộng rãi
cho CND như TEM và phổ phát xạ, nên có sự hỗ trợ từ các phương
pháp mới cho kết nối trực tiếp giữa tính chất vật lý và tính chất quang
như FCS.
3.7. Tương quan tán xạ SCS
3.7.1. Tương quan tán xạ của nano bạc
Sử dụng hệ đo FCS, đường SCS thực nghiệm của hạt AgNPr được
xây dựng dựa trên tín hiệu tán xạ từ các hạt (hình 3.37). Đường thực
nghiệm SCS phù hợp với đường lý thuyết, cho thấy các hạt AgNPr có
kích thước tương đối đồng đều.
D = 1,85 ms, tương ứng với d = 50,8 nm. SCS và DLS cho các
giá trị kích thước xấp xỉ nhau (bảng 3.12).


20

Hình 3.37. Đường tương quan tán xạ của AgNPr.
Các điểm rời rạc ứng với giá trị thực nghiệm.
Đường tương quan lý thuyết được biểu diễn bằng đường liền nét.

Bảng 3.12. Kích thước của AgNPr
xác định theo các phương pháp khác nhau
Tương quan
DLS*

tán xạ (SCS)
(theo cường độ tán xạ)
50,8 nm
*

TEM

59,48 nm (83,8%),  = 24,68 nm
30 – 50 nm
5,26 nm (16,2%),  = 1,31 nm (chiều dài cạnh)

 : độ rộng phân bố kích thước

3.7.2. Tương quan tán xạ của nano silica không phát quang
Đường tương quan tán xạ thực nghiệm và lý thuyết (hình 3.40)
cho giá trị D = 7,81 ms, tương ứng với kích thước hạt d = 215 nm.
Đường SCS lý thuyết giả thiết hạt chỉ có một kích thước có sự sai lệch
so với đường thực nghiệm.

Hình 3.40. Đường tương quan tán xạ của nano silica
không phát quang.
Các điểm rời rạc ứng với giá trị thực nghiệm. Đường tương quan
lý thuyết được biểu diễn bằng đường liền nét.


21

Do có các hạt lớn, kích thước xác định theo phương pháp SCS có
ý nghĩa tham khảo.
3.8. Đo đạc đơn hạt/đơn phân tử. Hiệu ứng chống bó của đơn

phân tử chất màu và đơn hạt phát quang
Giá trị thời gian sống huỳnh quang F của RB bằng 2 ns và
của CdTe bằng 45 ns xác định từ các đường chống bó (hình 3.43 và
hình 3.44). Thời gian sống huỳnh quang của RB và chấm lượng tử
CdTe phù hợp với các giá trị đo đạc gần đây. Kết quả cho thấy hệ đo
FCS đã xây dựng có khả năng ứng dụng để khảo sát các đơn hạt/đơn
phân tử qua hiệu ứng chống bó.

Hình 3.43. Đường chống bó của phân tử RB.
Đường màu đỏ biểu diễn hàm lý thuyết phù hợp nhất với giá trị thực nghiệm,
ứng với thời gian sống F = 2 ns.

Hình 3.44. Đường chống bó của chấm lượng tử CdTe.
Đường màu đỏ biểu diễn hàm lý thuyết phù hợp nhất với giá trị thực nghiệm,
ứng với thời gian sống F = 45 ns.


22

KẾT LUẬN
1. Luận án đã thiết kế, xây dựng thành công hệ đo FCS và xác
định được các thông số của thể tích đo, từ đó xác định hệ số khuếch
tán trong nước của phân tử chất màu Rhodamine 6G với kết quả phù
hợp với các giá trị đã công bố. Hệ đo xây dựng được trong luận án đã
đáp ứng được các yêu cầu về hiệu quả, độ chính xác, cho phép nghiên
cứu các quá trình tương tác vật lý, hoá học, sinh học ở cấp độ đơn phân
tử với độ phân giải và độ chính xác cao.
2. Trên cơ sở hệ đo FCS tự xây dựng, đã khảo sát được sự thay
đổi về tính chất khuếch tán của các ADN sợi đơn và ADN sợi kép, và
khi ADN được gắn kết với một protein. Kết quả này cho thấy hệ đã

xây dựng có thể ứng dụng trong khảo sát nhiều phản ứng tương tự, ví
dụ như các tương tác đặc hiệu trong sinh học: kháng nguyên – kháng
thể, aptamer – protein, v.v…
3. Kích thước thủy động lực học trong dải từ vài nm đến dưới
20 nm của các chấm lượng tử bán dẫn CdTe/CdS và CdTe được xác
định bằng phương pháp FCS và so sánh với các kích thước vật lý thu
được từ các phép đo TEM cho thấy sự đóng góp của lớp vỏ hữu cơ
trên bề mặt hạt và lớp vỏ solvat hóa. Phương pháp FCS cho kết quả
chính xác hơn và thuận tiện hơn TEM để khảo sát kích thước trong
dung dịch của các chấm lượng tử dưới 20 nm. Kích thước thủy động
lực học của phân tử chất màu RB và chấm lượng tử CdTe/CdS trong
mơi trường có độ nhớt thay đổi hầu như ít bị ảnh hưởng trong khoảng
độ nhớt của môi trường từ 0,89 đến 8,33 cP. Đối với các mẫu nano
silica phát quang có phân bố kích thước hẹp, kết quả FCS phù hợp với
các phép đo DLS. Đối với cacbon nanodot, phương pháp FCS cho thấy
có hình thành hạt nano phát quang trong mẫu.
4. Luận án đã xác định được kích thước thuỷ động lực học của
các hạt nano khơng phát quang gồm nano silica và nano bạc trên cơ sở


23

đo đạc tương quan tán xạ SCS. Phương pháp SCS hiệu quả khi ứng
dụng cho các hạt kích thước < 200 nm. Kết quả này cho thấy tiềm năng
chuyển đổi hệ đo từ đo đạc trên cơ sở tín hiệu huỳnh quang sang đo
đạc trên cơ sở tín hiệu tán xạ và thể hiện tính đa năng của hệ đo đã xây
dựng.
5. Luận án đã tiến hành nghiên cứu tính chất quang ở mức độ đơn
hạt/đơn phân tử, ứng dụng hệ đo FCS để đo đường chống bó, từ đó
xác định được thời gian sống huỳnh quang của đơn phân tử RB trong

nước là 2 ns và đơn hạt chấm lượng tử CdTe trong nước là 45 ns.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Thiết kế và xây dựng thành công hệ đo FCS với các mô-đun
quang học, cơ quang và điện tử từ các linh kiện riêng lẻ. Xây dựng
thành công hệ đo mở ra khả năng sử dụng phương pháp đo hiện đại
chưa thực hiện được tại Việt nam. Đây cũng là cơ sở để nâng cấp, phát
triển các hệ đo quang học đáp ứng cho các yêu cầu nghiên cứu hiện
đại.
2. Luận án đã đưa ra phương pháp tương quan huỳnh quang/tán xạ
để khảo sát tính chất động lực học của hạt nano. Đây là một phương
pháp mới so với các phương pháp xác định kích thước thơng dụng tại
Việt nam hiện nay, gắn kết giữa tính chất động lực học với tính chất
huỳnh quang của hạt nano (hiện chưa có phương pháp đo trong nước
đáp ứng yêu cầu này), có ưu thế trong nghiên cứu y sinh vì cho phép
đo đạc trong thể tích rất nhỏ, lượng mẫu cần dùng ít, nồng độ mẫu
lỗng, và khả năng nghiên cứu in-situ trong tế bào. Ngoài ra, đây cũng
có thể xem là phương pháp bổ trợ cho các phương pháp hiện có tại
Việt nam như DLS để nghiên cứu các hạt nano không phát quang.
3. Trên cơ sở mở rộng ứng dụng của hệ đã xây dựng, đo đường
chống bó (antibunching) cho phân tử chất màu RB và chấm lượng tử