nghiên cứu luận án tiến sĩ chế tạo và tính chất của các nano tinh thể bán dẫn cấu trúc nhiều lớp cdse znse zns được chức năng hóa bề mặt nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến huỳnh quang xác định một số loại thuốc trừ sâu

1
MỞ ĐẦU

Hiện nay, chấm lượng tử (QD) nhóm A
II
B
VI
được nghiên cứu, chế tạo trong nước và
đã có một số định hướng ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc ứng dụng QD để làm cảm biến
huỳnh quang phát hiện nhanh dư lượng thuốc trừ sâu chưa được tập trung nghiên cứu.
Với những lý do đó, chúng tôi đã lựa chọn tên đề ti luận n l “Nghiên cứu chế tạo và tính
chất của các nano tinh thể bán dẫn cấu trúc nhiều lớp CdSe/ZnSe/ZnS được chức năng
hóa bề mặt nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến huỳnh quang xác định một số loại thuốc
trừ sâu”.
Trong bản luận án này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo các QD CdSe/ZnSe/ZnS và
CdZnSe/ZnS. Sau đó chế tạo các cảm biến huỳnh quang nhằm phát hiện dư lượng một số
loại thuốc trừ sâu thuộc nhóm lân hữu cơ (organophosphates - OP), carbamate,
neonicotinoids, cúc tổng hợp (pirethroit) và thuốc trừ sâu sinh học.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Đã chế tạo thành công các loại QD CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, và CdZnSe/ZnS.
Thành công trong việc biến đổi bề mặt các QD này với MPA.
Đã nghiên cứu phổ hấp thụ v phổ pht xạ theo chiều dy lớp v bọc, thnh phần chất
cấu tạo QD hai thành phần, QD ba thành phần.
Đã khai thc ứng dụng được tính chất của QD hai và ba thành phần, kết hợp với tác nhân
sinh học v đề xuất cơ chế giải thích sự thay đổi cường độ huỳnh quang của cảm biến.
Bố cục của luận án
Luận án gồm 130 trang, 80 hình, và 09 bảng, chia thành các phần mở đầu, kết luận, tài
liệu tham khảo và 05 chương. Nội dung cụ thể như sau:
Chương thứ nhất giới thiệu về các QD cấu trúc lõi và lõi/v đa lớp CdSe/ZnS,
CdSe/ZnSe/ZnS, CdZnSe, CdZnSe/ZnS và tính chất quang phụ thuộc vo kích thước và
thành phần của các QD.

Chương thứ hai bao gồm các nội dung về phương php chế tạo. Các kỹ thuật biến đổi bề
mặt bằng MPA và qui trình chức năng hóa bề mặt QD với SA và gắn enzyme AChE.
Chương thứ ba là trình bày kết quả về đặc trưng cấu trúc, hình dạng, kích thước, thành
phần nguyên tố và tính chất quang của các loại QD đã chế tạo. Từ đó xc định loại QD tối
ưu để chế tạo cảm biến.
Chương thứ tư trình bày các kết quả chế tạo cảm biến dựa trên QD và enzyme AChE.
Các kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số tác nhân đến cường độ huỳnh quang của
cảm biến và nguyên lý để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu.
Chương thứ năm trình bày kết quả phát hiện dư lượng một số loại thuốc trừ sâu và thử
nghiệm trên lá chè.



2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ BÁN DẪN
VÀ CẢM BIẾN SINH HỌC HUỲNH QUANG

1.1 Giới thiệu chung về nano tinh thể bán dẫn
Cấu trúc QD đã được nghiên cứu và ảnh các mẫu QD hai và ba thành phần và mẫu
thực do nhóm chúng tôi chế tạo được mô tả trên hình 1.1.

Hình 1.1 Minh họa của các QD cấu trúc lõi và lõi/vỏ có bước sóng phát xạ thay đổi theo
kích thước (a) , và ảnh QD CdSe (b) và CdZnSe (c) của nhóm nghiên cứu đã chế tạo.
1.2 Chấm lượng tử bán dẫn cấu trúc lõi/vỏ đa lớp
Sự nhấp nháy huỳnh quang là một hạn chế lớn đối với việc ứng dụng các QD. Do vậy,
có thể hạn chế hiện tượng này bằng cách: bọc một lớp v vô cơ dy xung quanh lõi QD hai
thành phần để cô lập hàm sóng của lõi với bề mặt v môi trường xung quanh. Hoặc chế tạo
các QD ba thành phần.
1.2.1 Chấm lượng tử bán dẫn hai thành phần CdSe/ZnS và CdSe/ZnSe/ZnS

Độ bền quang và QY có thể được cải thiện bằng việc bọc QD bằng một hay nhiều lớp
v là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn hơn, tạo ra các tinh thể có cấu trúc lõi/v hoặc
lõi/đệm/v
Lớp đệm ZnSe có độ dày tối ưu l 2 ML. Hạn chế tốt các khuyết tật tại mặt biên tiếp
giáp của hai pha tinh thể CdSe và ZnS.
1.2.2 Chấm lượng tử ba thành phần CdZnSe/ZnS
QD ba thành phần Zn
x
Cd
1-x
Se có thể điều chỉnh ánh sáng phát xạ bằng việc thay đổi
kích thước hoặc thành phần cc đơn chất. Có thể chế tạo ra các QD ba thành phần phát xạ từ
vùng xanh tới đ, hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang giảm.
1.3 Giới thiệu chung về cảm biến huỳnh quang dựa trên chấm lượng tử
1.3.1 Cấu tạo cảm biến huỳnh quang dựa trên QD và enzyme
Cảm biến huỳnh quang gồm ba thành phần (hình 1.17): i) một vật liệu có tính chất
chuyển đổi tính chất huỳnh quang (QD: CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdZnSe/ZnS) ii) chất
cảm biến dò tìm để tạo ra sự thay đổi huỳnh quang, đó l enzyme AChE gắn lên chất chuyển
3
đổi là QD. iii) chất chỉ thị ở đây l ATCh (S) sẽ được biến thành sản phẩm (P) khi có sự xúc
tác của enzyme. Tín hiệu vào là ánh sáng kích thích, tín hiệu ra ở đây l cường độ huỳnh
quang của cảm biến chứa QD.


Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến
sinh học huỳnh quang.

Hình 1.17 Mô hình một cảm biến huỳnh quang
dựa trên QD và AChE h 1.17 Mô hình một cảm
biến huỳnh quang dựa trên QD và AChE

- Đầu thu sinh học: Enzyme acetylcholinesterase (AChE)
- Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: QD
- Chất chỉ thị: acetylthiocholine (ATCh)
1.3.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến huỳnh quang dựa trên QD và enzyme để
phát hiện thuốc trừ sâu
Với sự xúc tác của enzyme AChE, ATCh thủy phân thành thiocholine (TCh) và acid
acetic. Chất cần phát hiện là các phân tử hoạt tính của thuốc trừ sâu sẽ ức chế đặc hiệu
enzyme AChE và phản ứng thủy phân sẽ bị hạn chế hoặc không xảy ra. Dựa trên sự thay đổi
cường độ huỳnh quang của QD để xc định sự có mặt và nồng độ thuốc trừ sâu.
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO NANO TINH THỂ BÁN DẪN
CẤU TRÚC NHIỀU LỚP VÀ CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1 Qui trình chế tạo chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS


Hình 2.2 Sơ đồ các bước chế tạo chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS
i
i
i
i
i
i
i
(a)
(b)
(c)
(d)
4
2.2 Phương pháp chế tạo chấm lượng tử ba thành phần CdZnSe/ZnS
2.2.1 Qui trình chế tạo chấm lượng tử CdZnSe

2.2.2 Qui trình bọc vỏ ZnS cho QD lõi CdZnSe




Hình 2.4 Sơ đồ các bước bọc vỏ
ZnS cho lõi CdZnSe.

Hình 2.3 Quy trình chế tạo các QD CdZnSe


Kết luận chương 2
Đã khảo st v tìm ra phương php tối ưu chế tạo QD hai thành phần cấu trúc lõi
CdSe, lõi/v CdSe/ZnS, lõi/đệm/v CdSe/ZnSe/ZnS và QD ba thành phần cấu trúc lõi
CdZnSe và lõi/v CdZnSe/ZnS trên cơ sở tiêm nóng các tiền chất cơ kim.
Đã trình by một cách tóm tắt về nguyên lý của các kỹ thuật thực nghiệm đã được sử
dụng trong các nghiên cứu của luận n. Đó l cc phương php: chụp ảnh TEM, nhiễu xạ tia
X, phân tích thành phần nguyên tố EDS, phương php đo phổ hấp thụ, xc định kích thước,
nồng độ của chấm lượng tử, phương php ghi phổ huỳnh quang, đo hiệu suất lượng tử và
khảo st đường cong huỳnh quang tắt dần và thời gian sống của mức exciton cơ bản
1S
e
S
h3/2
.

Chương 3
CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ
BÁN DẪN HAI VÀ BA THÀNH PHẦN CẤU TRÚC NHIỀU LỚP

3.1 Các tính chất của chấm lượng tử bán dẫn hai thành phần
3.1.1 Hình thái và cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS
5

Các QD CdSe trong khảo sát này
được chế tạo ở nhiệt độ 210
o
C, có
kích thước trung bình khoảng 4,2
nm, lớp v ZnS có chiều dày cỡ 7
nm tương ứng với ~ 19 ML theo
tính ton lượng tiền chất được bơm
vào. Các ảnh TEM (hình 3.1a, b, c,
d) cho thấy sự phân bố kích thước
kh đồng đều, hình dạng theo hai
chiều khá tròn.
Hình 3.1 Ảnh TEM các mẫu QD CdSe (a), CdSe/ZnSe
2ML (b), CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 4,4 ML(c) và
CdSe/ZnSe 2ML/ZnS4,4ML (d).




Hình 3.2 Giản
đồ nhiễu xạ tia
X của loạt mẫu
CdSe/ZnSe
2ML/ZnSxML
so với thẻ
chuẩn.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các nano tinh thể CdSe, CdSe/ZnSe 2ML và CdSe/ZnSe
2ML/ZnS được chỉ ra trên hình 3.2:
- QD CdSe có cấu trúc tinh thể đơn pha lục giác (wurtzite) (JCPDS số 08-459)
- Khi bọc thêm một lớp v ZnSe 2ML, các vạch nhiễu xạ bị mở rộng, xuất hiện các
vạch của pha tinh thể lục giác w-ZnSe (JCPDS số 15-0105).
- Bọc lớp v ZnS với chiều dy tính theo đơn lớp (ML) tăng dần, cc đỉnh nhiễu xạ
dịch chuyển về phía các giá trị 2θ lớn hơn. Khi bọc với 3 ML ZnS, cc đỉnh nhiễu xạ
tương ứng với hai pha tinh thể w-CdSe và w-ZnSe vẫn còn quan sát thấy rõ. Nhưng khi
bọc với 5 ML, 8 ML và 10 ML, trên giản đồ nhiễu xạ chỉ còn quan sát thấy các vạch đặc
trưng cho pha tinh thể lục giác w- ZnS (JCPDS số 36-1450).
3.1.2 Tính chất hấp thụ và huỳnh quang của chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS
3.1.2.1 Phổ hấp thụ của QD CdSe/ZnS x ML và CdSe/ZnSe/ZnS x ML

6
400 450 500 550 600 650 700
x


0
18
16
14
12
10
8
6
4
C-êng ®é hÊp thô (a.u.)
(nm)

CdSe/ZnSe2ML/ZnS xML
2


Hình 3.3 Phổ hấp thụ của các mẫu QD
CdSe/ZnSe 2ML/ZnS x ML (a), x = 2 -18 và
CdSe; CdSe/ZnSe 2ML và CdSe/ZnSe 2
ML/ZnS 4,4 ML (b).

- Khi có lớp đệm ZnSe và lớp v ZnS, đỉnh phổ hấp thụ nycó xu hướng dịch về
phía bước sóng di hơn v đỉnh phổ bị mở rộng ra.
- Độ dịch bờ hấp thụ giảm khi số đơn lớp l 8 ML đối với mẫu CdSe/ZnS và 4
ML đối với CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS
- Phổ hấp thụ trên hình 3.3b cho thấy có sự dịch đỉnh hấp thụ khi QD CdSe có thêm
lớp đệm ZnSe và lớp v ZnS, cụ thể với cc đỉnh tương ứng 530 nm, 546 nm và 586 nm.

3.1.2.2 Ảnh hưởng của các lớp đệm ZnSe lên huỳnh quang của lõi CdSe

Hình 3.4 Phổ huỳnh quang
của các QD CdSe;
CdSe/ZnSe 1,5 ML; 2 ML với
kích thước lõi 3,2 nm (a),và
CdSe; CdSe/ZnSe 2 ML;
CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 19 ML
kích thước lõi 4,2 nm (b).
- Lớp v ZnSe với chiều dày lớp v là 1,5 ML và 2 ML đã được khảo sát. Phổ huỳnh
quang đo tại nhiệt độ phòng của QD CdSe và lõi/đệm CdSe/ZnSe với kích thước lõi 4,2 nm.
- Độ dày lớp đệm ZnSe 2 ML dập tắt phat xạ bề mặt tiếp giáp lõi và lớp đệm.
3.1.2.3 Phổ huỳnh quang của QD CdSe/ZnSe/ZnS xML

450 500 550 600 650 700 750
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5

T = 300 K

CdSe/ZnSe2ML/ZnS4,4ML
CdSe/ZnSe2ML
CdSe
586
546
530
C-êng ®é hÊp thô (a.u.)


(nm)
7
550 600 650 700 750
0
1x10
6
2x10
6
3x10
6
4x10

6
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)


CdSe
CdSe/ZnSe 2ML
CdSe/ZnSe/ZnS 3ML
CdSe/ZnSe/ZnS 10ML
CdSe/ZnSe/ZnS 13ML
CdSe/ZnSe/ZnS 16ML
CdSe/ZnSe/ZnS 19ML

kt.
= 488 nm, T = 300K
(nm)





Hình 3.6 Phổ huỳnh quang của mẫu CdSe, CdSe/ZnSe 2ML/ZnS xML với x =
0, 2, 3, 10, 13, 16, 19 (a), sự thay đổi (b), tỉ lệ tăng cường độ đỉnh huỳnh
quang (c) và sự dịch đỉnh và độ bán rộng phổ (d) theo số lớp vỏ.

- Cường độ huỳnh quang tăng tương ứng với độ tăng số lớp v ZnS với các giá trị 1,21
lần với 2 ML đến 7,95 lần với 19 ML
3.1.3 Thời gian sống phát xạ exciton của QD CdSe/ZnS và CdSe/ZnSe/ZnS ở nhiệt độ 300K

0 25 50 75 100 125 150 175 200
0.00248

0.00674
0.01832
0.04979
0.13534
0.36788
1
45,9 ns
4,1 ns



kt
= 400 nm

pt
= 550 nm
T = 300K
C-êng ®é chuÈn hãa
t(ns)
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 19ML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 16ML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 13ML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 10ML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 5ML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS 3ML
CdSe/ZnSe2ML
CdSe


(a)

(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
24,8
22,6
11,1
4,1
1,7
45,9
41,3
38,8
33,4
36,0
19,9
5,0

CdSe/ZnS xML
CdSe/ZnSe2ML/ZnS xML


(ns)
Sè ®¬n líp vá ZnS (ML)

Hình 3.7 Đường cong huỳnh quang tắt
dần, đo với bước sóng kích thích 400 nm
của mẫu CdSe/ZnS x ML (a), CdSe/ZnSe
2 ML/ZnS x ML (b) và đường phụ thuộc
của

vào số đơn lớp ZnS (c).
- QD bọc lớp v ZnS, thì thời gian sống phát xạ di ra, do lúc ny kênh tiêu tn điện tử
do quá trình tái hợp không phát xạ giảm đi, cc đường cong tắt dần sẽ ít bị dốc hơn (hình
3.7a).Với mẫu CdSe/ZnS với số lớp v ZnS 1; 1,6; 2,5 ML, giá trị thời gian sống có giá trị
tương ứng 11,1; 22,6; và 24,6 ns
- Thời gian sống của các mẫu QD CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS với số lớp v ZnS 3; 5; 10;
13; 16; 19 ML tăng tương ứng: 5,0; 19,9; 33,4; 36,0; 38,8; 41,3 và 45,9 ns.
3.1.4 Hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang của chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS
Sự nhấp nháy huỳnh quang của mẫu CdSe; CdSe/ZnSe 2ML, CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS
4,4 ML; CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 12 ML ở điều kiện nhiệt độ phòng, với nguồn kích thích
bằng laser có bước sóng 442nm.
Mẫu QD có cấu trúc đa lớp CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 19 ML là có số QD ở trạng thái
“sng” (“on”) nhiều hơn số QD “sng” ở mẫu lõi CdSe. Điều này là bằng chứng cho thấy
tác dụng của việc bọc v (hình 3.9)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Sè l-îng QD
Thêi gian tr¹ng th¸i "on" (%)
CdSe: 35% On

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Thêi gian tr¹ng th¸i "on" (%)
Sè l-îng QD
CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 19ML

47 % On

Hình 3.9 Biểu đồ phần trăm thời gian ở trạng thái “on” của đơn chấm CdSe
(a) và CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 19 ML (b).
3.2 Các tính chất của chấm lượng tử bán dẫn ba thành phần
3.2.1 Hình dạng và cấu trúc của các nano tinh thể CdZnSe/ZnS
Với mục đích tối ưu hóa tính chất quang của các QD, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo
loại QD cấu tạo ba thành phần CdZnSe.

(c)
(a)
(b)
9


Hình 3.11 Ảnh các mẫu QD ba thành phần
CdZnSe/ZnSeS x ML x = 0, 2, 4, 6, phân tán
trong toluen, phát xạ dưới ánh sáng 380 nm
Hình 3.13 Ảnh TEM của mẫu
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 4ML
- Các mẫu được chế tạo ở nhiệt độ từ 290 đến 310
o
C có kích thước từ 5 đến 8 nm
các hạt kh đồng đều.
- Phép phân tích EDX cho thấy kết quả về tỷ lệ các nguyên tố Cd:Zn v Se:S tương đối
khác với tỷ lệ tính ton ban đầu trong khoảng từ 0,06 đến 3,20. Dựa vào việc phân tích chi
tiết các chất cấu tạo tinh thể, chúng tôi đã xc định tương đối chính xác tỉ lệ thành phần thực

của các mẫu QD ba thành phần hợp kim (Bảng 3.3)





Hình 3.18 Phổ EDX của loạt mẫu Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS xML (x = 0, 2, 4, 6)



10
Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng EDX
Thành phần đưa vào theo
lượng cân ban đầu
Thành phần thực tế
(EDX)
Thành phần vỏ
thực tế
(EDX)
Số ML
Cd
0,2
Zn
0,8
Se
Cd

0,31
Zn
0,69
Se
0,53


Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 2ML
Cd
0,31
Zn
0,69
Se
0,96
Zn
2,32
S
2,46
2,6 ML
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 4ML
Cd
0,31

Zn
0,69
Se
1,39
Zn
10,83
S
7,17

5,1 ML
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 6ML
Cd
0,31
Zn
0,69
Se
2,1
Zn
22,61
S
12,08

7,6 ML

3.2.2. Tính chất hấp thụ và huỳnh quang của chấm lượng tử CdZnSe/ZnS
- Tùy vào nhiệt độ chế tạo, phổ phát xạ khác nhau, từ ~550 nm tới 605 nm (hình 3.16b).

Khi được bọc lớp v ZnS thì cường độ phát xạ của các mẫu đã tăng lên.
450 500 550 600 650 700
C-êng ®é hÊp thô (a.u.)
(nm)
Cd
0,2
Zn
0,8
Se
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 2 ML
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 4 ML
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS 6 ML



Hình 3.16Phổ hấp thụ (a) và phổ huỳnh quang được kích thích bằng ánh sáng có
bước sóng 380 nm (b) của mẫu lõi Cd
0.2

Zn
0.8
Se và lõi/vỏ CdZnSe/ZnS x ML, x = 2,
4, 6, chế tạo ở nhiệt độ 280
o
C.
3.2.3 Huỳnh quang tắt dần và nhấp nháy huỳnh quang của chấm lượng tử CdZnSe/ZnS

Hình 3.19 Cường độ vết thời gian độ phân giải 100 ms của bốn nano tinh thể khác
nhau của các mẫu lõi Cd
0.2
Zn
0.8
Se và lõi/vỏ CdZnSe/ZnS x ML, x = 2, 4, 6, (a), và tỉ lệ thời
gian ở trạng thái “on” (b).
(a)
(b)
(a)
(b)
11
Trung bình, mỗi nano tinh thể ở trạng thi “on” hơn 35% thời lượng. Đặc biệt, có 1/3
số nano tinh thể có khoảng thời gian “on” hơn 50% v khoảng 1/3 số tinh thể có thời gian
“on” nh hơn 20%.

Kết luận chương 3
Đã chế tạo được các QD CdSe/ZnS với độ dày lớp v thay đổi từ 1 đến 14 ML,
CdSe/ZnSe/ZnS với lớp v trong từ 2 đến 18 ML, CdZnSe và CdZnSe/ZnS x MLvới x=1-6
ML. Các mẫu nói trên đều phát quang mạnh, hiệu suất lượng tử lên đến khoảng 34%.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các loại QD nói trên cho thấy chúng kết tinh đơn pha tinh
thể.

Bằng cách khảo st phổ hấp thụ v pht xạ của các loại QD nói trên, đãthấy rằng việc
bọc thêm lớp đệm ZnSe và lớp v ZnS thì làm giảm được phát xạ bề mặt v lm tăng cường
độ huỳnh quang nội tại của mẫu. QD với số lớp đệm ZnSe 2 ML và số lớp v ZnS khoảng 4
ML hoặc trong khoảng 8 – 14 ML có cường độ huỳnh quang tăng mạnh và ổn định về vị trí
v độ bán rộng đỉnh phát xạ.
Đã chế tạo được QD ba thành phần CdZnSe và QD cấu trúc lõi/v CdZnSe/ZnS. Chúng có
kích thước kh đồng đều trong khoảng ~ 5-6 nm. Giản đồ nhiễu xạ cho thấy cấu trúc lõi CdZnSe
có cấu trúc lập phương giả kẽm. Vị trí đỉnh nhiễu xạ nằm ở giữa vị trí đỉnh của bán dẫn khối
CdSe và ZnSe. Khi bọc v ZnS cho lõi CdZnSe, đỉnh nhiễu xạ dịch chuyển về phía góc lớn hơn
so với lõi CdZnSe, và thể hiện pha kết tinh của ZnS. Kết quả phân tích cho thấy sự có mặt của
Zn, Cd, Se trong các mẫu CdZnSe.
Hiệu ứng nhấp nháy huỳnh quang đã giảm đi đối với mẫu là QD bọc v, đối với cả hai
loại QD hai và ba thành phần. Loại QD CdSe/ZnSe/ZnS có thời gian “on” di nhất và thời
gian “off” ngắn nhất so với các mẫu QD hai thành phần khác. Loại QD ba thành phần
CdZnSe/ZnS 6 ML có tỉ lệ thời gian “on” cao.
Tùy thuộc vào nhiệt độ chế tạo, đã thu được cácmẫu QD ba thành phần có phổ phát xạ
khác nhau, từ ~550 nm tới 605 nm. Khi được bọc lớp v ZnS với số đơn lớp tăng thì cường
độ phát xạ của các mẫu đã tăng lên, với số đơn lớp từ 1 – 8 ML cường đồ tăng mạnh, khi số
đơn lớp 8 – 14 ML, thì cường độ huỳnh quang có xu hướng ổn định. Đây l cơ sở để lựa
chọn loại QD dùng để chế tạo cảm biến.

Chương 4
CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC SỬ DỤNG CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ
CẤU TRÚC NHIỀU LỚP ĐƯỢC CHỨC NĂNG HÓA
4.1 Biến đổi bề mặt các nano tinh thể bằng MPA
QD được biến đổi bề mặt bằng cách trao đổi ligand với các phân tử nhóm carboxyl (-
COOH) của 3- acid mercaptopropionic (MPA), cho phép ta thu được các QD phân tán rất
tốt trong nước và có thể sử dụng rất dễ dàng trong những ứng dụng y sinh học.
12

500 550 600 650 700
598
(nm)
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)

kt
= 488 nm
T = 300 K



QD/CHCl
3
QD/MPA

Hình 4.3 Dung dịch chứ QD tách
pha sau 40 giờ phát xạ dưới ánh
sáng kích thích 360 nm
Hình 4.4 Phổ HQ của mẫu QD
CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 4,4 ML phân
tán trong chloroform và trong nước
khi được gắn nhóm S-COOH (MPA),

kt
= 488 nm, T = 300 K.

- Cường độ huỳnh quang chỉ giảm đi khoảng 10,5% so với QD phân tán trong môi
trường CHCl
3
sau chế tạo

4.2 Chức năng hóa bề mặt các chấm lượng tử bằng SA và enzyme AChE



Hình 4.5 Sơ đồ các bước gắn SA cho
QD.
Hình 4.6 Sơ đồ các bước gắn AChE cho
QD.

Streptavidin (SA) là một dạng protein (thường được gọi l vitamin B7) được tách từ vi
khuẩn streptomyces avidinii. Liên kết giữa biotin và streptavidin là một trong những liên kết
ổn định.
Hơn nữa, các phân tử SA mang điện tích dương khi phân tn trong nước. Khi QD
được phân tn trong nước, nhóm chức carboxyl (-COOH) của MPA trên bề mặt sẽ mất
13
điện tích và trở nên mang điện âm. Đây l qu trình ion hóa (-COOH
-
). Enzyme trong
môi trường trung tính cũng mang điện tích âm [140], nên rất khó để gắn được chúng lên
trên bề mặt QD. Do vậy, phải gắn SA lên bề mặt QD nhờ tương tc tĩnh điện v sau đó
gắn enzyme nhờ liên kết sinh học AChE được gắn kết với SA thông qua liên kết avidin –
biotin.
4.4 Ảnh hưởng của ATCh lên huỳnh quang của QD
400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
5000
10000
15000
20000
25000

30000
35000
40000
ATCh x mmol/l
CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 4,4 ML

kt
= 442 nm
T = 300K


10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
(nm)
20
19
18
17
16
15
14

13
12
11


Hình 4.7 Phổ huỳnh quang của loạt mẫu CdSe/ZnSe/ZnS-ATCh với nồng độ ATCh
thay đổi (2-20mmol/l) (a), sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào nồng độ
ATCh (b)

-Nồng độ ATCh bằng 10 mmol/l thì cường độ huỳnh quang của 0,6 mol/l QD bắt đầu
giảm.
- Mỗi đơn vị (1 u) enzyme AChE xúc tc để chuyển hóa được 1 mol cơ chất trong
thời gian 1 phút. Như vậy, nếu chọn lượng AChE là 2 u thì thời gian để xúc tác 20 mol
ATCh thủy phân hoàn toàn là 10 phút.
4.5 Ảnh hưởng của thuốc trừ sâu lên huỳnh quang của QD


Hình 4.8 Phổ huỳnh quang của QD
CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 4,4 ML khi có
thuốc trừ sâu parathion methyl và
acetamiprid nồng độ 5 ppm.

Lượng thuốc trừ sâu trong giới hạn nồng độ cỡ ppm không ảnh hưởng đến cường độ
huỳnh quang của QD trong nước, khi không có AChE và ATCh



500 600 700 800
0
10000

20000
30000
40000
50000


C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
(nm)
QD
QD- Ace (0,1mg)
QD- PM (20 ng)

KT
= 488 nm
QD: CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 4,4ML
QD
QD-Acetamiprid
QD-Parathion methyl
(a)
(b)
14
4.6 Ảnh hưởng của độ pH lên huỳnh quang của QD
400 500 600 700 800 900
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000

7000
pH
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)


 (nm)
10,3 (*)
9,2
7,8
7,1
6,3
5,1
4,2
3,2

kt
= 442nm

400 500 600 700 800
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
pH
(nm)
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)

10,4 (*)
9,4
7,8
7,2
6,1
5,2
3,8
3,1

kt
= 442 nm

450 500 550 600 650 700 750
0
4000
8000
12000
16000
20000
24000
28000
pH


C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
 (nm)
9,6
8,4
7,2

6,8
5,4
4,2

kt
= 442 nm

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
4000000
4500000
C-êng ®é huúnh qunag tÝch ph©n (a.u.)


CdSe/ZnS
CdSe/ZnSe/ZnS
CdZnSe/ZnS

pH

Hình 4.10 Phổ huỳnh quang CdSe/ZnS 13 ML (a), CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 19 ML (b) và
CdZnSe/ZnS 6ML (c) và cường độ huỳnh quang tích phân (d) phụ thuộc vào độ pH

- Cường độ huỳnh quang của QD chỉ cùng tăng với độ pH thay đổi trong khoảng từ 3 đến 10

- Đối với mẫu CdSe/ZnS, khi độ pH đạt giá trị 10,3 thì cường độ huỳnh quang giảm
mạnh, hiện tượng ny cũng lặp lại với loạt mẫu CdSe/ZnSe/ZnS khi pH đạt giá trị 10,4.

Kết luận chương 4
Đã biến đổi bề mặt các QD bằng phương php trao đổi ligand sử dụng MPA, để phân
tántốt chúng trong nước. Cường độ HQ với loại QD-MPA phân tn trong nước giảm khoảng
10,5 % so với QD gốc phân tn trong môi trường hữu cơ ban đầu.
Thời gian thủy phân chất chỉ thị ATCh được quyết định bởi nồng độ của enzyme
AChE v ATCh. Trong trường hợp thể tích của mẫu khảo sát là 2 ml, nồng độ AChE là 2u,
nồng độ ATCh là 10 mmol/l sẽ cho khoảng thời gian thủy phân sẽ là 10 phút khi không có
tác nhân ức chế enzyme AChE.
Thuốc trừ sâu với hm lượng nh cỡ ppm, khi phân tn vo môi trường chứa QD thì
không ảnh hưởng đến cường độ huỳnh quang của QD. Việc phát hiện này phải thông qua
một tc nhân trung gian để lm thay đổi cường độ huỳnh quang của QD.
Độ pH của môi trường xung quanh các QD thuộc loại CdSe/ZnS 13 ML,
CdSe/ZnSe 2 ML/ZnS 19 ML và CdZnSe/ZnS 6 ML ảnh hưởng mạnh đến cường độ
(a)
(b)
(c)
(d)
15
huỳnh quang. Cụ thể, khi giá trị độ pH tăng trong khoảng từ 3 đến 10, thì cường độ
huỳnh quang của QD tăng.
Tổ hợp cảm biến huỳnh quang bao gồm QD/MPA/SA/AChE. Cường độ huỳnh quang
của tổ hợp ny dùng để so sánh khi có mặt của ATCh và thuốc trừ sâu với nồng độ cỡ ppm.

Chương 5
SỬ DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC HUỲNH QUANG CHẾ TẠO TỪ CHẤM LƯỢNG
TỬ ĐỂ XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI THUỐC TRỪ SÂU

5.1 Giới thiệu chung về thuốc trừ sâu sử dụng trong luận án
Trong nội dung nghiên cứu ny, căn cứ trên danh mục thuốc trừ sâu được phép sử
dụng tại Việt Nam (Bảng 5.1), chúng tôi tập trung nghiên cứu phát hiện một số loại
thuốc trừ sâu phổ biến v có cơ chế gây độc gần giống nhau thuộc các nhóm: lân hữu cơ
(organophosphorus - OP), carbamate, pyrethroit, neonicotinoid và thuốc trừ sâu sinh học
[hình 5.1].
Bảng 5.1 Các thuốc trừ sâu đã sử dụng trong thực nghiệm luận án.
Nhóm
Tên hoạt chất
Công thứchóa học
Lân hữu cơ
(Organophosphorus)
Parathion methyl
C
10
H
14
NO
5
PS

Trichlorfon
C
4
H
8
Cl
3
O
4

P
Carbamate
Carbosulfan
C
10
H
11
ClN
4
Neonicotinoids
Acetamiprid
C
22
H
19
Cl
2
NO
3
Cúc tổng hợp (Pirethroit)
Cypermethrin
C
48
H
72
O
14

Thuốc trừ sâu sinh học
Abamectin

C
20
H
32
N
2
O
3
S

5.2 Kết quả khảo sát về cường độ huỳnh quang của các cảm biến chế tạo từ QD khi
nồng độ thuốc trừ sâu thay đổi
5.2.1 Qui trình chung để ghi phổ huỳnh quang của cảm biến đã chế tạo

Nguyên lý pht hiện thuốc trừ sâu với hai
trường hợp: Ô nét đứt trên (5.2a) mô tả
trường hợp không có thuốc trừ sâu, phản
ứng thủy phân ATCh xảy ra trong môi
trường nước với sự xúc tc của AChE, sinh
ra TCh và CH
3
COOH. V ô nét đứt dưới
(5.2b) biểu thị sự ức chế của enzyme AchE
khi có sự xuất hiện của thuốc trừ sâu v
phản ứng thủy phân của ATCh không xảy
ra. Sự thay đổi môi trường chứa QD lm
thay đổi cường độ huỳnh quang I
1
< I
2

.

Hình 5.2 Sơ đồ mô tả nguyên lý xác định
thuốc trừ sâu của cảm biến sử dụng QD và
AChE

(a)
(b)
16
Để xc định tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm, chúng tôi dựa trên căn cứ tiêu chuẩn của
Châu Âu. Mức cực đại dư lượng cho phép trong khoảng 0,01 - 5 ppm.
5.2.2 Huỳnh quang của cảm biến chế tạo từ QD CdSe/ZnS



Hình 5.4 Phổ huỳnh quang của mẫu
CdSe/ZnS-AChE với parathion
methyl, nồng độ0,5; 2; 5; 8; 10 (ppm)
(a) và acetamiprid nồng độ 2,5; 4;
5; 8; 10 (ppm). Đường phụ thuộc
giữa cường độ huỳnh quang tích
phân và nồng độ thuốc trừ sâu
parathion methyl và acetamiprid (c).

Đối với parathion methyl, tỉ lệ tăng cường độ huỳnh quang là  3,2 lần (hình 5.4a).
Đối với thuốc trừ sâu acetamiprid tỉ lệ này là  1,4 (hình 5.4b)


Hình 5.5 Phổ huỳnh quang của loạt mẫu QD CdSe/ZnS 14 ML-SA-AChE với nồng độ
parathion methyl thay đổi (0.05, 2, 5 and 8 ppb) (a) và sự phụ thuộc cường độ đỉnh và

nồng độ parathion methyl (b).
-Phân tích phổ huỳnh quang chúng tôi thấy sự thay đổi về cường độ đỉnh huỳnh quang
vẫn khá rõ rệt, cường độ của huỳnh quang của cảm biến với nồng độ thuốc trừ sâu 8 ppb
tăng 16,4 lần so với nồng độ 0,05 ppb. Sự biến thiên của cường độ khá tuyến tính với sự
tăng của nồng độ thuốc trừ sâu.

Parathion methyl
Acetamiprid
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
17
5.2.3 Huỳnh quang của cảm biến chế tạo từ QD CdSe/ZnSe/ZnS
550 600 650 700
0
10000
20000
30000
40000
Trichlorfon: x ppm
x= 5,0
x= 3,0
x= 1,0
x= 0,5
x= 0,1
QD
QD-AChE-ATCh


kt.
= 442 nm
T = 300K
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
(nm)

0 1 2 3 4 5 6
15000
20000
25000
30000
35000
40000
x ppm
5,0
3,0
1,0
0,5
0,1
I
x
/I
o
2,35
1,99
1,49
1,34
1,27
QD-MPA
QD-MPA-AChE-ATCh

(
I
o
)


C-êng ®é huúnh quang tÝch ph©n (a.u.)
Nång ®é Trichlorfon (ppm)

Hình 5.7 Phổ huỳnh quang của CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 4,4 ML với nồng độ thuốc trừ
sâu trichlorfon 0,1; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 (ppm)(a) và cường độ huỳnh quang tích phân
tương ứng (b).
Cảm biến loại ny cũng đã được thử nghiệm với loại thuốc trừ sâu trichlorfon, là loại
thuốc trừ sâu cùng nhóm với parathion methyl. Nồng độ trichlorfon được thay đổi với các
giá trị 0,1; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 (ppm). Phép ghi phổ huỳnh quang được thực hiện với điều kiện
nhiệt độ phòng v bước sóng ánh sáng kích thích 442 nm. Kết quả được biểu diễn trên hình
5.7a. Cường độ huỳnh quang tích phân được tính toán và biểu diễn trên hình 5.7b. Cường độ
huỳnh quang của cảm biến tăng lên kh tuyến tính (đường làm khớp mu đ) với nồng độ
thuốc trừ sâu trong khoảng từ 0,1 đến 0,5 ppm. Chúng tôi tính toán tỉ lệ tăng cường độ
huỳnh quang I
x
/I
o
với I
o
l cường độ huỳnh quang của mẫu ban đầu QD-SA-AChE-ATCh, I
x

l cường độ huỳnh quang của cảm biến với x là nồng độ thuốc trừ sâu có các giá trị 0,1; 0,5;
1,0; 3,0 và 5,0. Tỉ lệ tăng tương ứng là 1,27; 1,34; 1,49; 1,99 và 2,35.

5.2.4 Huỳnh quang của cảm biến chế tạo từ QD CdZnSe/ZnS


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
3600
4000
4400
4800
(CdZnSe/ZnS-AChE-ATCh)
C-êng ®é huúnh quang tÝch ph©n (a.u.)
t (phót)

Hình 5.10 Phổ huỳnh quang (a) và cường độ đỉnh tích phân(b) của mẫu
Cd
0,2
Zn
0,8
Se/ZnS6ML gắn AChE-ATCh.

Tương đồng với những lập luận ở phần trên, khi hỗn hợp 122 µl AChE và 16,7µl
ATCh được bơm đồng thời vào dung dịch chứa QD đã gắn SA, cường độ đỉnh phổ huỳnh
(a)
(b)
(a)
(b)
18
quang giảm đều trong khoảng 12 phút. Sau khoảng thời gian ny, cường độ đã có xu hướng
ổn định. Kết quả này phù hợp với lập luận lý thuyết.
Kết quả thử nghiệm với 4 loại thuốc trừ sâu: Trichlorfon, Cypermethrin, Abamectin,
Carbosulfan:

400 450 500 550 600 650 700
2000
4000
6000
8000
10000
QD: CdZnSe/ZnS 6ML; Trichlorfon: x ppm
pH
t:31.5
o
C
7,1
7,0
6,9
6,7
6,6
5,5




(nm)
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
QD-AChE
x: 8.00
x: 5.00
x: 2.00
x: 0.05
QD-AChE-ATCh


kt
= 325 nm

400 450 500 550 600 650 700
2000
4000
6000
8000
10000
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
QD:CdZnSe/ZnS 6 ML
Cypermethrin: x ppm


(nm)
7,1
6,9
6,6
6,2
6,1
5,8
5,5
pH
t=31.5
o
C


QD-AChE
x: 10,0

x: 8,00
x: 5,00
x: 2,00
x: 0,05
QD-AChE-ATCh

kt.
= 325 nm

400 450 500 550 600 650 700
3000
6000
9000
12000
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
QD: CdZnSe/ZnS 6 ML
Abamectin: x ppm
pH
t = 32
o
C
7,2
7,0
6,7
6,2
5.7

(nm)
x: 10,0
x: 8,00
x: 5,00
x: 2,00
x: 0,05

kt.
= 325 nm

400 450 500 550 600 650 700
3000
6000
9000
C-êng ®é huúnh quang (a.u.)
QD: CdZnSe/ZnS 6 ML
Carbosulfan: x ppm




(nm)
pH
t = 32
o
C
7,3
7,1
6,6
6,0

5,3
x: 10,0
x: 8,00
x: 5,00
x: 2,00
x: 0,05

kt.
= 325 nm

0 2 4 6 8 10
700000
800000
900000
1000000
1100000
1200000
1300000
1400000
1500000


TF
CH
AT
CS

C-êng ®é tÝch ph©n (a.u.)
Nång ®é thuèc trõ s©u (ppm)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8




I/I
o
Nång ®é thuèc trõ s©u (ppm)
Abamectin
Cypermethrin
Carbosulfan
Trichlorfon
§-êng lµm khíp tuyÕn tÝnh

Hình 5.11 Phổ huỳnh quang và giá trị pH tương ứng của trichlorfon (a), cypermethrin (b),
abamectin (c), carbosulfan (d), và sự biến đổi cường độ huỳnh quang theo nồng độ thuốc trừ
sâu (e) và cường độ đỉnh tương đối I/I
o
(f).

So snh cường độ tương đối
o
II /
, hình 5.11e cho thấy một xu hướng biến đổi đồng
nhất đối với bốn trường hợp đã khảo st. Cường độ huỳnh quang tăng khi nồng độ bốn loại
thuốc trừ sâu tăng lên trong khoảng 0,05; 2,0; 5,0; 8,0 và 10,0 ppm. Kết quả biểu diễn trong
bảng 5.2.


(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
19
Bảng 5.2 Tỉ lệ biến đổi cường độ huỳnh quang tương đối I/I
o

C (ppm)
0.0
0.05
2.0
5.0
8.0
10.0
Thuốc trừ sâu
I/I
o
(Huỳnh

quang)

1.0
1.22
1.38
1.48
1.50
1.52
Trichlorfon
1.0
1.30
1.31
1.35
1.47
1.56
Cypermethrin
1.0
1.12
1.23
1.35
1.46
1.58
Abamectin
1.0
1.02
1.04
1.07
1.24
1.30
Carbosulfan

5.2.5 Sự thay đổi của cường độ huỳnh quang của cảm biến theo thời gian
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát quá trình biến đổi cường độ huỳnh quang theo thời
gian của loạt mẫu CdSe/ZnSe/ZnS-SA-AChE với nồng độ Parathion methyl trong khoảng
0,05-1,0 ppm. Phép ghi phổ huỳnh quang được tiến hành tại các thời điểm 0, 10, 20, 30, 40,
50, 60, 70, 80, 90, và 120 phút tính từ thời điểm bơm thuốc trừ sâu parathion methyl và
ATCh vào cảm biến.
500
550
600
650
700
750
800
QD: CdSe/ZnSe/ZnS
Parathion methyl: 0,1 ppm

kt.
= 405 nm
120'
90'
80'
70'
60'
50'
40'
30'
20'
10'
0'


(nm)

0 20 40 60 80 100 120
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800

C-êng ®é huúnh quang tÝch ph©n (a.u.)
QD: CdSe/Znse/ZnS
Parathion methyl: x ppm
t (phót)
x = 0,05
x = 0,1
x = 0,3
x = 0,5
x = 0,7
x = 1,0

kt.
= 405 nm

Hình 5.13 Phổ huỳnh quang theo thời gian của CdSe/ZnSe2ML/ZnS4,4 MLvới
parathion methyl1,0 ppm (a) và cường độ đỉnh huỳnh quang tích phântheo thời gian từ
0-120 phút của loạt mẫu trênvới nồng độ parathion methyl thay đổi (b).
Đối với cc trường hợp khác, kết quả cho thấy, từ 0 - 30 phút, cường độ huỳnh quang

có xu hướng tăng lên (vùng ô nét đứt). Tuy nhiên, từ 30-120 phút, cường độ huỳnh quang
của loạt mẫu lại giảm theo cùng qui luật. Và quan sát mẫu sau 24 giờ thì hỗn hợp QD bị
lắng xuống, màu sậm, phát quang kém (hình 5.13b).
Kết quả ghi phổ trong khoảng thời gian 30 – 120 phút.
(a)
(b)
20




Hình 5.14 Phổ huỳnh quang của QD CdSe/ZnS 14ML với thuốc trừ sâuacetamiprid
(a); CdSe/ZnSe 2ML/ZnS 8MLvới parathion methyl (b) và acetamiprid (c). Đường
phụ thuộc cường độ huỳnh quang tích phân và nồng độ thuốc trừ sâu (d).
- Cường độ đỉnh huỳnh quang của ba trường hợp có xu hướng giảm (hình 5.14d).
5.3 Kết quả sử dụng cảm biến đã chế tạo phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trên lá chè

Bảng 5.3 Thuốc trừ sâu thương phẩm thử nghiệm trên lá chè
Tên
thương phẩm
Hoạt chất và nồng độ
Motox 5EC
5% cypermethrin (C22H19Cl2NO3)
Tungatin 10 EC
10% abamectin (C48H72O14 )

(a)
(b)
(c)
(d)

21

0 2 4 6 8 10 12 14 16
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
2200000
2400000


100%
50,8%
55,7%
62,3%
66,0%
68,7%
88,7%
93,4%
Cypermethrin
C-êng ®é huúnh quang tÝch ph©n (a.u.)
t (ngµy)

Hình 5.20 Phổ huỳnh quang của QD-AChE với thuốc trừ sâu cypermethrin
(Motox) (a), sự giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian (b).

0 1 2 3 4 5 6 7 8
800000
1000000

1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
2200000



52,5%
46,0%
40,7%
53,1%
62,9%
65,5%
75,7%
100%
C-êng ®é huúnh quang tÝch ph©n (a.u.)
t (ngµy)
Abamectin


Hình 5.21 Phổ huỳnh quang của QD-AChE với thuốc trừ sâu abamectin
(Tungatin) (a), sự giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian (b).

Hình 5.20a, 5.21a là phổ huỳnh quang của hai loạt mẫu khảo sát giảm theo thời gian,
độ pH đã được đo trong điều kiện nhiệt độ 30 - 31
o
C. Giá trị pH ban đầu đo được trong
khoảng 9,7 – 9,6 và giảm đến giá trị 4,1 - 4,4. Kết quả này cho thấy nồng độ dư lượng hai

loại thuốc trừ sâu giảm. Cường độ đỉnh phát xạ tích phân cũng đã được chúng tôi tính toán
và so sánh (hình 5.20b, 5.21b) [87].
Bảng 5.4 Sự giảm cường độ huỳnh quang và dư lượng thuốc Motox và Tungatin
Số ngày
0
2
4
6
8
10
12
14
Tỉ lệ Cypermethrin (%)
100
93,4
88,7
68,7
66
62,3
55,7
50,8
Nồng độ Cypermethrin (ppm)
0,71
0,66
0,59
0,40
0,27
0,17
0,09
0,05

Số ngày
0
1
2
3
4
5
6
7
Tỉ lệ Abamectin (%)
100
75,7
65,5
62,9
53,1
52,5
46
40,7
Nồng độ Abamectin (ppm)
1,12
0,85

0,56
0,35
0,19
0,10
0,04
0,02

(a)
(b)
(a)
(b)
22
Bằng cách tính toán lý thuyết, chúng tôi đã gn cường độ đỉnh cực đại ban đầu được là
100%, sau đó được tính sau 2 và 1 ngày cho hai loại trên. Sau 14 và 7 ngày, phần trăm
cường độ huỳnh quang và nồng độ thuốc trừ sâu tương ứng là 50,8% (0,05 ppm) và 40,7%
(0,02 ppm) (Bảng 5.4).

Kết luận chương 5
Cảm biến sinh học huỳnh quang chế tạo từ các loại QD khác nhau, có thể xc định một
số loại thuốc trừ sâu hiện đang có mặt tại thị trường Việt nam với hm lượng cỡ ppm và
ppb.
Các cảm biến huỳnh quang nhậy với giá trị pH của môi trường xung quanh nó. Xu
hướng chung l khi pH tăng thì cường độ huỳnh quang của cảm biến tăng. Trong trường hợp
của cảm biến huỳnh quang nghiên cứu trong luận n ny, enzyme AChE được gắn trên đế
QD-SA sẽ có tác dụng xúc tác cho phản ứng thủy phân của ATCh, tạo ra axit (H
+
). Khi có
mặt thuốc trừ sâu, ức chế enzyme AChE, phản ứng này lập tức bị dừng lại, lượng ion H
+
bị

giảm, làm giá trị pH của dung dịch tăng lên. Điều này dẫn đến giảm quá trình bẫy điện tử trên
bề mặt QD, như vậy lm tăng qu trình ti hợp phát xạ cặp e-h của QD, do vậy lm tăng
cường độ huỳnh quang của cảm biến huỳnh quang. Đã nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng của pH
dung dịch lên cường độ phát quang của cảm biến thông qua mô hình truyền năng lượng cộng
hưởng huỳnh quang v mô hình thay đổi tương tc của cc điện tích trên bề mặt QD.
Quy luật thay đổi cường độ huỳnh quang của cảm biến theo cùng một xu hướng khi phát
hiện một số loại thuốc trừ sâu parathion methyl, trichlorfon, carbosulfan, acetamiprid,
cypermethrin và abamectin với dãy nồng độ trong khoảng từ 0,01 tới 5 ppm.
Dư lượng thuốc trừ sâu Motox 5EC và Tungatin 10EC trên lá chè giảm sau thời gian 7
và 14 ngày và có thể được xc định bằng cảm biến đã chế tạo.


KẾT LUẬN
Các kết quả nghiên cứu theo đề tài luận án, với nội dung chủ yếu là nghiên cứu chế tạo
ra một số loại QD trên cơ sở CdSe, gồm hai hoặc ba thành phần, không và có bọc v, sau đó
dùng cc QD ny để chế tạo các cảm biến và ứng dụng để phát hiện dư lượng một số loại
thuốc trừ sâu với lượng siêu vết (cỡ ppm) trong thực tế, đã cho phép chúng tôi rút ra một số
kết luận như sau:
1.Đã chế tạo thành công các QD CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdZnSe và CdZnSe/ZnS
bằng phương php nhiệt phân các tiền chất cơ-kim ở nhiệt độ ~300
o
C. Các QD này phát
quang tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy, từ 540 nm tới 640 nm. Có thể thay đổi chiều dày
lớp v ngoài ZnS của lõi QD.
2. Đã sử dụng cc phương php vật lý hiện đại để như nhiễu xạ tia X, EDS, TEM để
nhận dạng pha tinh thể, thành phần, hình dạng, kích thước của các QD chế tạo được. Các
23
QD chế tạo được có lõi đơn pha tinh thể lục giác wCdSe, khi bọc v ngoài thì giản đồ nhiễu
xạ tia X thể hiện pha tinh thể lục giác (w) của lớp v ZnS.
3. Các tính chất quang như phổ hấp thụ, phát xạ của các mẫu QD đã được khảo sát,

cho phép xc định và nghiên cứu dịch chuyển exciton cơ bản 1S
e
-1S
h3/2
thay đổi theo kích
thước trong các QD. Hiệu suất lượng tử của một số mẫu đã được đo đạc nhằm đnh gi hiệu
quả của phương php chế tạo.
Trong cấu trúc CdSe/ZnSe/ZnS, lớp đệm ZnSe và lớp v ZnS không lm thay đổi
phổ phát quang của QD lõi CdSe. Hai lớp v này bảo vệ sự tái hợp phát xạ của cặp e-h
trong QD, làm giảm các trạng thái bẫy e trên bề mặt QD, v như vậy lm tăng cường độ
huỳnh quang.
Khảo sát phổ hấp thụ của các QD ba thành phần CdZnSe lõi và lõi/v, cho thấy sự liên
quan khá rõ ràng giữa dáng vẻ của phổ hấp thụ (đỉnh hấp thụ exciton thứ nhất), với hình
dáng, sự phân bố kích thước và thành phần. Phổ hấp thụ có xu hướng dịch về phía bước
sóng dài hơn khi tăng số đơn lớp của v ZnS.
4. Phân tích cc đường cong huỳnh quang tắt dần của các QD CdSe/ZnS trong khoảng
nhiệt độ từ 4,5 K đến 295 K, cho thấy: tại 4,5 K: đường cong tắt dần ny tuân theo hai hm e
mũ, thời gian sống phát xạ cỡ 105 ns ở 4,5 K v đạt cỡ vài chục ns ở nhiệt độ thường. Tại
nhiệt độ thường, đường cong huỳnh quang tắt dần thể hiện sự tắt dần theo nhiều hm e mũ.
Đây l do việc đo v quan st huỳnh quang tắt dần của một tập hợp rất nhiều hạt QD theo thời
gian. Đối với các mẫu QDs CdSe/ZnSe/ZnS đường cong tắt dần theo nhiều hm e mũ. Khi
bọc v, thời gian sống phát xạ di hơn v gi trị ny tăng theo chiều dầy số lớp v ZnS.
5. Đã chế tạo thành công các cảm biến sinh học huỳnh quang trên cơ sở tổ hợp QD-SA-
AChE để dùng cho việc phát hiện dư lượng của một số loại thuốc trừ sâu, thuộc một số nhóm
phổ biến bao gồm lân hữu cơ, cabamates, neonicotinoids, cúc tổng hợp và thuốc trừ sâu sinh
học, ngưỡng phát hiện trong khoảng từ 0,01 đến 5 ppm.
6. Đã dùng cc cảm biến sinh học ny để khảo sát sự biến đổi dư lượng của hai loại
thuốc trừ sâu là Motox 5EC (chứa 5% cypermethrin thuộc nhóm OP)và Tungatin 10EC
(chứa 10% abamectin thuộc nhóm thuốc trừ sâu sinh học), trên lá chè, trong khoảng thời
gian từ 7 ngy v 14 ngy tương ứng sau khi phun thuốc trừ sâu. Kết quả là vẫnphát hiện

được dư lượng của hai loại thuốc trừ sâu trên, sau thời gian trên. Nồng độ của dư lượng hai
loại thuốc trừ sâu này được xc định sau khoảng thời gian trên tương ứng là 0,02 ppm và
0,05 ppm.







24
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
CÔNG BỐ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN
A. Công bố trên tạp chí quốc tế
1. N. N. Hai, V. D. Chinh, U. T. D. Thuy, T. T. K. Chi, N. H. Yen, D. T. Cao, N. Q. Liem
and P. T. Nga (2013), “Detection of the pesticide by functionalised quantum dots as
fluorescence-based biosensor”, Int. J. Nanotechnology 10, (3/4), pp. 137-145.
2. N. N. Hai, V. D. Chinh, U. T. D. Thuy, T. K. Chi, N. X. Nghia, D. T. Cao, and P. T. Nga
(2012), “Optical detection of the pesticide by functionalized quantum dots as
fluorescence-based biosensor”, Key Eng. Mater. 495, pp. 314-318.
B. Công bố trên tạp chí trong nước
1. N. N. Hai, D. T. Giang, H. V. Nong, P. N. Thang, P. T. Nga and D. T. Cao (2015),
“Synthesis and Application of Quantum Dots-Based Biosensor”, Adv. Nat. Sci.: Nanosci.
Nanotechnol.6, 015015.
2. N. H. Yến, P. T. Nga, N. N. Hải, V. Đ. Chính, Đ. H. Cường, D. T. Giang, L. V. Vũ, V. T.
H. Hạnh, N. Đ. Nhật, N. K. Huynh, L. X. Hùng, P. T. Dũng, N. X. Nghĩa (2014), “Cc
chấm lượng tử hợp kim ba thành phần CdZnSe/ZnSeS: đặc trưng cấu trúc, tính chất quang
và ứng dụng trong cảm biến sinh học”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 52 (3C), 390-394.
3. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Giang, N. D. Nhat, P. T. Nga and D. T. Cao (2014), “Sensitive
organophosphorus and carbamate pesticides biosensor based on acetylcholinesterase and

CdZnSe/ZnS ternary alloy quantum dots”, Commu. in Phys. 3, 3791.
4. T. K. Chi Tran, D. Chinh Vu, T. D. Thuy Ung, H. Yen Nguyen, N. Hai Nguyen, T. Cao
Dao, T. Nga Pham and Q. Liem Nguyen (2012), “Fabrication of fluorescence-based
biosensors from functionalized CdSe and CdTe quantum dots for pesticide
detection”,Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 3, 035008 (4pp).
C. Báo cáo toàn văn tại các Hội nghị quốc tế và trong nước
1. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Giang, D. H. Cuong, N. D. Nhat, P. T. Nga and D. T. Cao
(2013), “Mechanism to detect pesticide residues in tealeaves based on CdZnSe/ZnS
ternary alloy quantum dots”, Proceedings, 3
rd
CASEAN, pp. 151-159, ISBN 987-604-
913-088-5.
3. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Cao, P. T. Dung and P. T. Nga (2013), “A new research
results on the application of quantum dots as biosensor to detect pesticides”, Advanced in
optics photonics spectroscopy & applications VII, pp. 837-841, ISSN 1859-4271.
4. N. N. Hai, V. D. Chinh, N. H. Yen, T. T. K. Chi, N. X. Nghia, D. T. Cao and P. T. Nga
(2011), “Detection of the pesticide by functionalized quantum dots as fluorescence-based
biosensor”, Proceedings,3
rd
IWNA, pp. 356-360.
5. N. N. Hai, V. D. Chinh, P. Xiong, N. X. Nghia, P. T. Dzung, N. V. Hung, P. T. Nga, N.
Q. Liem (2011), “Optical detection of the pesticide by functionalized CdSe/ZnS quantum
dots as fluorescence - based biosensor”,Advanced in optics photonics spectroscopy &
applications VI, pp. 422-425, ISSN 1859-4271.