Nghiên cứu, chế tạo màng mỏng kim loại được chức năng hóa nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH
HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH
HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60040104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỆT TUYÊN

Hà Nội 2015

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy
giáo TS. Nguyễn Việt Tuyên và TS. Nguyễn Hoàng Nam. Trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu, các thầy luôn tận tình chỉ bảo và giúp em định hướng để hoàn
thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Mạnh Quỳnh đã trực tiếp hướng dẫn và
đưa ra những ý kiến đóng góp quý báu giúp em hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của sinh viên Nguyễn Quang Lộc trong
quá trình làm thực nghiệm.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, anh, chị tại Trường Đại
học Khoa học tự nhiên nói chung và Trung tâm Khoa học vật liệu nói riêng đã giúp
đỡ trong suốt quá trình tôi học tập là thực hiện đề tài tại đây.
Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại phòng thí nghiệm Trung tâm
Khoa học vật liệu trường Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.
Em cũng xin cảm ơn Ban giám đốc trung tâm Khoa học Vật liệu đã tạo điều
kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị để em hoàn thành luận văn này.
Trong luận văn này có sử dụng thiết bị kính hiển vi trường tối tại Trung tâm
Khoa học vật liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, được sự hỗ trợ của dự án
Công nghệ nano và ứng dụng- Đại học Quốc gia Hà Nội.
Sau cùng, sự cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi từ gia đình,
người thân là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Học viên
Lê Ngọc Anh


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH VẼ
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………………….1
1.1.

Hiện tượng Plasmon bề mặt ................................................................. …….1

1.2.

Màng nano vàng và ứng dụng……………………………………………...3

1.2.1. Cộng hưởng Plasmon bề mặt…………………………………………….3
1.2.2. Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH……………………….5
1.2.3. Tăng cường tín hiệu Raman……………………………………………...7
1.3.

Các phương pháp chế tạo .............................................................................. 9

1.3.1.Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử…………………………………...9
1.3.2.Phương pháp phún xạ- Sputtering……………………………………….10
1.3.3.Phương pháp điện hóa…………………………………………………...11
1.3.4.Phương pháp lắng đọng hóa học………………………………………...12
1.4.

Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 15

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT……………16
2.1. Các bước tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 16
2.1.1. Hóa chất thí nghiệm…………………………………………………….16

2.1.2.Chế tạo màng vàng………………………………………………………17
2.2. Các yếu tố khảo sát ......................................................................................... 20
2.2.1. Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen………………………20
2.2.2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhóm hydroxyl ( –OH)…………………21


2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề
mặt lamen……………………………………………………………………...21
2.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm…………………..22
2.2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các
hạt mầm………………………………………………………………………..22
2.2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm………………………23
2.3.Các phép đo khảo sát ....................................................................................... 23
2.3.1. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia X…………...23
2.3.2. Phép đo phổ hấp thụ…………………………………………………….24
2.3.3. Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM
(Scaning Electron Microscope)………………………………………………..24
2.3.4. Phép đo hiển vi trường tối………………………………………………25
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………….26
3.1. Chế tạo màng nano vàng................................................................................. 26
3.1.1. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng……………………………………...26
3.1.2.Khảo sát hình thái của màng nano vàng…………………………………27
3.1.3.Khảo sát mật độ hạt nano vàng trên đế lamen…………………………...28
3.1.3.Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng…………………………………..28
3.2. Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiện ................................ 29
3.3. Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH) ........................................................... 31
3.4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen ... 32
3.5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tạo mầm .................................... 33
3.6. Ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm ....... 35
3.7. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vàng .............................................................. 37

KẾT LUẬN………………………………………………………………………..41
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..43


MỤC LỤC HÌNH VẼ
Tên hình
Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano

Trang
1

kim loại
Hình 1.2. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng

2

Hình 1.3. Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác

4

protein – kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử
dụng màng nano vàng
Hình 1.4. Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm

4

biến nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời
gian

Hình 1.5. Mô hình cảm biến xác định nồng độ DNA, trước khi DNA bắt

6

cặp (a) và sau khi bắt cặp (b).
Hình 1.6.Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau

7

của cảm biến
Hình 1.7.Mô hình màng nano vàng ứng dụng trong tán xạ Raman nhằm

8

xác định nồng độ protein p53 và EGFR
Hình 1.8. Phổ Raman của 4-ATP/ p53 (a) và 6-MP/ EGFR (b)

8

Hình 1.9. Ảnh hưởng của nồng độ protein trên phổ Raman của 4ATP

9

Hình 1.10. Ảnh SEM của màng nano vàng xốp chế tạo bằng phương

10

pháp phún xạ - sputtering trước khi ủ (A) và sau khi ủ nhiệt (B)
Hình 1.11. Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa

11

Hình 1.12. Sơ đồ tạo màng vàng

13

Hình 2.1. Quy trình chế tạo màng nano vàng

17


Hình 2.2. Sơ đồ tạo nhóm –OH trên bề mặt đế lamen.

18

Hình 2.3. Sơ đồ chức năng hóa đế lamen bằng dung dịch APTES.

18

Hình 2.4. Sơ đồ tạo mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa.

19

Hình 2.5. Sơ đồ quá trình phát triển các hạt mầm vàng tạo màng nano

20

vàng.
Hình 2.6 .Thiết bị đo nhiễu xạ tia X tại Khoa Vật lý-

24

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Hình 2.7. Thiết bị Shimadzu UV-24500 tại Trung tâm Khoa học vật

24

liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGH
Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét S-4800 tại Viện vệ sinh dịch tễ

25

Trung Ương
Hình 2.9. Kính hiển vi trường tối AXIO- A1 Zeiss tại Trung tâm Khoa

25

học vật liệu- Trường Đại học Khoa học tự nhiên
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X mẫu màng nano vàng M0 chế tạo với nồng

26

độ HAuCl4= 1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian
ngâm= 2h.
Hình 3.2. Ảnh SEM màng nano vàng M0 chế tạo với nồng độ HAuCl4=

27

1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian ngâm= 2h.
Hình 3.3.Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng mẫu M0

27

Hình 3.4. Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng nano vàng M0.

28

Hình 3.5. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng M0

30

Hình 3.6. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng ngâm với dung dịch

31

KOH 1M
Hình 3.7. Phổ hấp thụ và ảnh hiển vi trường tối của mẫu màng Au trên

33


đế lamen có (m1) và không (m2) thực hiện quá trình ngâm dung dịch
KOH 1M.
Hình 3.8. Hấp thụ của mẫu màng vàng với các giá trị pH dung dịch

35

APTES khác nhau
Hình 3.9. Phổ hấp thụ của các mẫu màng vàng với các nồng độ dung

36

dịch HAuCl4 tạo mầm khác nhau.
Hình 3.10. Phổ hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi giá trị pH dung

37

dịch mầm
Hình 3.11. Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng vàng

37

thay đổi giá trị pH dung dịch mầm
Hình 3.12. Ảnh hưởng của giá trị pH dung dịch mầm vàng lên điện tích

38

bề mặt
Hình 3.13. Ảnh hưởng của giá trị pH lên điện tích bề mặt của NH3+ và

38

AuHình 3.14. Phổ hấp thụ của các mẫu màng Au được chế tạo với thời

39

gian ngâm mầm khác nhau (a) và đường fit hàm (b)
Hình 3.15. Vị trí đỉnh hấp thụ các mẫu thay đổi theo thời gian

40

Hình 3.16.Ảnh kính hiển vi trường tối các màng Au hình thành trên đế

41

lamen


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Tên bảng biểu

Trang

Bảng 2.1. Hóa chất thí nghiệm

17

Bảng 2.2. Thông số chế tạo mẫu M0

20

Bảng 3.2. Kết quả hấp thụ của các mẫu màng vàng chế tạo cùng điều

31

kiện.
Bảng 3.3. Kết quả hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi nồng độ dung
dịch HAuCl4 tạo mầm.

35

Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Hiện tƣợng Plasmon bề mặt

Các hạt nano kim loại: Au, Ag, Pt hoặc các oxit như Fe2O3, trong đó Au, Ag
được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang học do các hạt này có hiện
tượng plasmon bề mặt.
Plasmon là dao động tập thể của các điện tử tự do. Trong đó, plasmon bề mặt
là dao động của các điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dưới tác dụng của điện
trường ngoài. Ở kích thước nhỏ (nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử)
khi điện trường ngoài có tần số trùng với tần số dao động riêng của các điện tử tự
do sẽ dẫn đến sự cộng hưởng đồng thời của tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt thành
một dao động đồng pha, gọi là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt.

Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano
kim loại [22]
Khi tần số của ánh sáng trùng với tần số dao động của riêng của hạt nano sẽ
gây ra hiện tượng cộng hưởng và hấp thụ mạnh chùm sáng tới. tạo ra vị trí đỉnh phổ
hấp thụ như Hình 1.2.

1

Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.2. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng.[22]
Ở đây, đỉnh hấp thụ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dịch về phía
bước sóng dài khi kích thước hạt tăng lên và độ rộng phổ tăng khi kích thước bắt
đầu lớn hơn 20 nm.
Lý thuyết Mie
Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo hạt nano vàng
bằng phương trình Maxwell. Bằng cách này ông đã mô tả tính chất quang học của
hạt nano vàng ở bất kì kích thước nào. Lý thuyết cho rằng điện trường được sinh ra
là do kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt khi một hạt đơn lẻ không tương tác với
phần còn lại của môi trường xung quanh. Bản chất của phổ hấp thụ không phải là do
sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon
bề mặt. Theo tính toán của Mie cho các hạt cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon
phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản sau [6]:
Thứ nhất: Hình dạng, kích thước của hạt nano
Thứ hai: Bản chất của vật liệu đó (hằng số điện môi của vật liệu)
Thứ ba: Môi trường xung quanh kim loại đó.

2


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Do đó, phổ hấp thụ plasmon bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng, kích
thước của hạt nano kim loại.

Theo đó, hạt nano vàng có phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt xảy ra ở
vùng khả kiến tại bước sóng 520-540 nm. Nếu kích thước của hạt nano vàng tăng
lên thì cực đại hấp thụ plasmon bề mặt sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài, tức là
vùng ánh sáng đỏ. Tuy nhiên, khi hạt nano lớn đến một kích thước nào đó sẽ trở
thành dạng khối và hiện tượng plasmon bề mặt cũng biến mất.
1.2.

Màng nano vàng và ứng dụng
Màng nano vàng có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật như làm

cảm biến sinh học [14,16,18,20], điện cực [17]; ứng dụng trong việc sử dụng
phương pháp đo Raman tăng cường bề mặt [18,19,21]. Thông thường, trong các
ứng dụng làm cảm biến sinh học, vàng được lắng đọng dưới dạng màng trên bề mặt
của đế hoặc chất nền. Màng vàng lúc này trở thành một phần của bộ phận chuyển
đổi vừa có tác dụng cố định các đầu thu sinh học để làm địa điểm cho các phản ứng
tương tác giữa đầu thu sinh học và chất phân tích [16,20]; vừa có tác dụng làm điện
cực [17]. Dưới đây là một số ứng dụng thông qua các tính chất nổi bật của màng
nano vàng.
1.2.1. Cộng hƣởng Plasmon bề mặt

Nhóm nghiên cứu của Rakesh Singh Moirangthem đã nghiên cứu và đưa
ra mô hình cảm biến quang - sinh học ứng dụng màng nano vàng [20] (Hình 1.3).
Mô hình này là ứng dụng của màng vàng nhằm xác định số lượng tương tác sinh
học bằng cách xác định số lượng tương tác giữa huyết thanh bovine serum albumin
(BSA) và anti-BSA – Kháng thể đặc hiệu để nhận biết BSA.

3


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.3. Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác protein
– kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử dụng màng
nano vàng [20].
Cấu tạo của cảm biến gồm một đế thủy tinh được phủ lớp màng Titan 5
nm, kế tiếp là lớp màng vàng dày 40 nm được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng
chùm điện tử. Kháng nguyên gắn với các hạt nano vàng, trong khi đó kháng thể
được gắn với màng vàng. Tương tác kháng nguyên – kháng thể giữa các phân tử
BSA và anti-BSA đã lôi các hạt nano vàng về phía màng mỏng; hình thành một lớp
cấu trúc dạng màng bên trên bề mặt màng mỏng nano (lớp EMA). Theo thời gian
tương tác, số lượng hạt Au-BSA bám trên bề mặt ngày càng nhiều và được đo thông
qua khảo sát cộng hưởng Plasmon của lớp màng EMA kể trên.
Kết quả thu được như trong Hình 1.4. Khi độ dày lớp EMA tăng lên thì
đỉnh hấp thụ plasmon cũng dịch về phía bước sóng dài.

Hình 1.4. Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm biến
nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời gian [20].

4


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

1.2.2. Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm -SH
Nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati tại Đại học California đã chế tạo cảm
biến sinh học DNA nhờ sử dụng lớp màng vàng làm điện cực [17]. Cảm biến xác

định nồng độ DNA thông qua xác định tương tác DNA-Methylen Blue (MB).
Tín hiệu đầu vào là các xung vuông, tín hiệu đầu ra là dòng điện. Mô hình
của cảm biến được mô tả như trong Hình 1.3. Đầu 5‟ của Au-p1 và Au-p2 được
đính với nhóm thiol SH để dễ dàng gắn với bề mặt của điện cực thông qua liên kết
Au-S, đầu 3‟ của Au-p2 được gắn với nhóm amin và liên kết với MB. Trong đó:
Đầu nhận biết DNA (Au-p1): 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGT
AAT TTG GAA TT
Đầu nhận biết DNA (Au- p2): 5ThioMC6-D/CGT GTT ATA AAA TGT
AAT TTG GAA TT/3AmMO
Đối tượng khảo sát (Au-t): AAT TCC AAA TTA CAT TTT ATA ACA
CG
Điện cực được nhúng trong dung dịch MB. Các phân tử MB được cho là liên
kết hydro với các phân tử Guanine (G) chưa bắt cặp; vì vậy sẽ xuất hiện ở gần điện
cực ngay cả khi điện cực đã được rửa bằng dung môi PBS. Pallavi Daggumati đã đo
tín hiệu điện hóa của các phân tử MB này. Trước khi có sự bắt cặp đặc hiệu DNADNA (Au-p1 hoặc Au-p2 với đối tượng khảo sát Au-t), MB tồn tại khá nhiều (tham
khảo Hình 1.5a). Sau khi DNA bắt cặp, các đầu Guanin tự do bị giảm đi dẫn tới
nồng độ MB giảm, kéo theo với đó nồng độ DNA giảm đi rõ rệt (Hình 1.5b).

5


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.5. Mô hình cảm biến xác định nồng độ DNA, trước khi DNA bắt cặp
(a) và sau khi bắt cặp (b).
Có thể nhận thấy, khi nồng độ của đối tượng khảo sát tăng lên, số lượng MB
gắn trên bề mặt điện cực giảm đi; ứng với đó là số lượng chuỗi đơn DNA nhận biết
(Au-p1) không bắt cặp tồn tại ở trên bề mặt điện cực giảm đi. Sự suy giảm tín hiệu

điện hóa phụ thuộc vào nồng độ đối tượng Au-t được biểu diễn ở trong Hình 1.4. Từ
đây, Pallavi Daggumati đã tính toán suy giảm tín hiệu điện hóa theo công thức: [(Ip
- It )/Ip]×100%. Trong đó Ip, It lần lượt là cường độ dòng điện cực đại thu được tại
hiệu điện thế điện hóa đặc trưng của MB trước và sau khi cho Au-t.
Như vậy, cảm biến đã xác định được sự thay đổi tín hiệu điện hóa khi thay đổi
nồng độ DNA.

6


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.6.Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau
của cảm biến [17].
1.2.3. Tăng cƣờng tín hiệu Raman
Peter Owens và các cộng sự đã xác định được nồng độ protein bằng phương
pháp Raman tăng cường bề mặt (SERS) [18]. Họ đã sử dụng 4-aminothiophenol (4ATP) và 6-mercaptopurine (6- MP) để tạo ra các nhóm chức amin-NH2 trên bề mặt
điện cực trước khi gắn chúng với các kháng nguyên, kháng thể. Từ đó nghiên cứu
sự ảnh hưởng của nồng độ protein p53 và EGFR (Epidermal Growth Factor
Receptor) tới phổ Raman.
Mô hình của ứng dụng này được chỉ ra như trong Hình 1.7. Cấu tạo của cảm
biến gồm một đế silicon được phủ một lớp màng mỏng vàng hoặc bạc. Tiếp theo,
một lớp kháng nguyên- kháng thể với các nồng độ khác nhau được nhỏ lên lớp
màng này. Cấu trúc này được đo SERS trước và sau khi nhỏ kháng nguyên- kháng
thể nhằm nhận biết sự có mặt của chúng trên phổ Raman.

7

Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.7.Mô hình màng nano vàng ứng dụng trong tán xạ Raman nhằm xác
định nồng độ protein p53 và EGFR [18].
Tại đỉnh 1080 cm-1 xuất hiện mode dao động C-S, đặc trưng cho 4ATP (Hình
1.8.a), đỉnh này phù hợp với sự xuất hiện của kháng nguyên- kháng thể p53 với các
nồng độ khác nhau. Tương tự, tại vị trí 860 cm-1 xuất hiện mode dao động của nhóm
thiol (Hình 1.8b).

Hình 1.8. Phổ Raman của 4-ATP/ p53 (a) và 6-MP/ EGFR (b)[18]

8


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.9. Ảnh hưởng của nồng độ protein trên phổ Raman của 4ATP[18].
Khi có sự xuất hiện của protein p53 và anti p53 thì đỉnh phổ Raman của 4ATP đã có sự thay đổi. Đỉnh phổ của 4-ATP dịch từ vị trí 1078 cm -1 đến 1079 cm-1
khi có anti p53 và đến 1080 cm-1 khi có p53. Khoảng dịch đỉnh này tăng lên khi số
lượng tương tác p53-antip53 tăng lên trên bề mặt của màng vàng (Hình 1.9).
1.3.

Các phƣơng pháp chế tạo
Màng nano vàng có rất nhiều phương pháp chế tạo như: phương pháp hóa

học [1,12,18,21,24], phương pháp vật lý như phún xạ- sputtering [11, 17], lắng
đọng chùm điện tử [20], điện hóa [21]. Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều
nhóm nghiên cứu chế tạo thành công màng nano vàng bằng các phương pháp kể
trên.
1.3.1. Phƣơng pháp Lắng đọng chùm điện tử
Rakesh Singh Moirangthem [20], đã chế tạo thành công màng nano vàng
bằng phương pháp lắng đọng chùm điện tử nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh học
phát hiện huyết thanh BSA.
9


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Phương pháp này có thể điều khiển được độ dày của màng và cho chất lượng
đồng đều nhờ điều khiển được các thông số chế tạo. Tuy nhiên, nguyên liệu làm
bia trong phương pháp này đắt tiền và đòi hỏi chân không cao.
1.3.2. Phƣơng pháp phún xạ- Sputtering
Nhóm nghiên cứu Jakub Siegel và Olexiy Lyutakov [11] đã nghiên cứu các
tính chất quang điện của màng vàng cấu trúc nano lắng đọng trên đế thủy tinh bằng
phương pháp phún xạ theo các thông số: Plasma Ar độ sạch 99,995%, công suất
7,5W, tốc độ xả khí 0,3 l/s, khoảng cách bia-đế 50 mm, diện tích đế 48 cm2. Các
mẫu được nghiên cứu tính chất theo độ dày khác nhau nhờ điều khiển được thời
gian phún xạ từ 4-500s.
Tháng 4 năm 2015, nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati đã sử dụng phương
pháp sputtering kết hợp với khử hóa học để chế tạo thành công màng vàng nano xốp
trên đế thủy tinh [17]. Đầu tiên một lớp màng vàng mỏng có độ dày 80 nm được
phún xạ lên một lớp chrom. Lớp màng này được coi là mầm để tiếp tục phún xạ
thêm một lớp màng hỗn hợp Ag-Au có độ dày 600 nm. Sau đó, phần Ag có trong

màng hỗn hợp kể trên được loại bỏ bằng cách ngâm trong HNO3 70%. Kết quả nhận
được là một lớp Au xốp có độ dày 600 nm (Hình 1.10).

Hình 1.10. Ảnh SEM của màng nano vàng xốp chế tạo
bằng phương pháp sputtering trước khi ủ (A) và sau
khi ủ nhiệt (B) [17].

10


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Với môi trường chế tạo vật liệu chặt chẽ, các phương pháp vật lý nói chung ở đây là phương pháp phún xạ - thường cho các màng mỏng có độ đồng đều cao với
độ dày theo ý muốn; thông qua việc điều khiển các thông số kỹ thuật như áp suất
chân không, tốc độ thổi khí, thời gian phún xạ, nhiệt độ hay khoảng cách giữa bia
với đế. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chế tạo cũng như nguyên liệu
làm bia với chất lượng cao, giá thành lớn.
1.3.3. Phƣơng pháp điện hóa
Sheng-Qing Zhu đã lắng đọng các hạt nano vàng trên đế ITO bằng phương
pháp điện hóa để nghiên cứu các tính chất bằng phương pháp tán xạ Raman tăng
cường bề mặt [21]. Ban đầu, dung dịch nano vàng được chế tạo bằng phương pháp
nuôi mầm từ các tiền chất HAuCl4, NaBH4, CTAB, Acid Ascobic. Sau đó, hai đế
ITO kích thước 30 × 10 × 0,6 mm được nhúng vào dung dịch nano vàng ở trên, và
được sử dụng làm anode và cathode. Sơ đồ của phương pháp này được biểu diễn
như Hình 1.11.

Hình 1.11. Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa [21]
11

Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Trong nghiên cứu này, các màng vàng được khảo sát mật độ theo thời gian
điện hóa là 1 phút, 2 phút và 8 phút. Tuy nhiên các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình
tạo sol vàng chưa được quan tâm là pH dung dịch nuôi.
1.3.4. Phƣơng pháp lắng đọng hóa học
Đây là phương pháp khử các muối để tạo ra các ion kim loại lắng đọng trên
bề mặt đế [1,18]. Phương pháp này sử dụng các hợp chất có nhóm amin NH2 như 3aminopropytriethoxydilane (APTES) , aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) để
gắn các hạt nano nhỏ lên đế thủy tinh. Sau đó tiến hành phát triển tăng kích thước
hạt bằng phương pháp khử. Sản phẩm của phản ứng khử là các ion kim loại sẽ bám
dính lên các hạt mầm khiến kích thước hạt tăng dần. Đến khi các hạt có kích thước
đủ lớn và kết dính với nhau sẽ hình thành màng.
Dung dịch ban đầu là muối vàng HAuCl4. Tác nhân khử ion kim loại Au3+
thành Au0 là các chất hóa học như: Acid Citric, Sodium Borohydride NaBH4, Aicd
Ascobic… Nguyên tắc khử của như sau:
Au3+ + X  Au0  nano Au
Dưới tác dụng của chất khử X, Au3+ sẽ tạo ra các nguyên tử Au, sau đó các
nguyên tử này sẽ kết hợp với nhau, phát triển thành các hạt nano vàng.
Tạo màng bằng phương pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát được độ
đồng đều của màng, độ lặp lại không cao, khả năng gắn kết giữa màng và đế còn
thấp. Ngoài ra quá trình chế tạo còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ , độ
pH dung dịch… Tuy nhiên phương pháp này không đòi hỏi các điều kiện khắt khe
về chân không, áp suất… và thực hiện với chi phí thấp.
Quy trình chế tạo của một số nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước
[1,5,7,12,23,24] gồm 4 bước chính như sau: Tạo nhóm ưa nước trên bề mặt đế
lamen: Ngâm đế lamen trong dung dịch KOH nhằm tạo nhóm –OH trên bề mặt đế;

chức năng hóa đế lamen đã có sẵn nhóm –OH bằng dung dịch APTES; tạo lớp mầm

12


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

vàng trên đế; nuôi mầm vàng, phát triển lớp mầm vàng trên đế. Quy trình này được
thể hiện như trong sơ đồ dưới đây:

Hình 1.12. Sơ đồ tạo màng vàng
Tuy nhiên, mỗi bước thực hiện trên đều chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
Trong bước 1, nhóm hydroxyl –OH có ảnh hưởng đáng kể lên sự hình thành
các hạt vàng trên đế lamen [1]. Bề mặt đế lamen là SiO2 cần có nhiều nhóm –OH
làm đầu chờ cho nhóm amin thay thế theo phương trình (1) :
=Si-OH + (C2H5-O)3- Si-(CH2)3-NH2

=Si-O-Si-(CH2)3- NH2 + C2H5OH

(1)

Càng nhiều nhóm –OH trong Si-OH thì khả năng tạo nhóm NH2 càng lớn và
khả năng lượng vàng đính kết càng nhiều. Chính vì vậy, việc tạo ra nhóm ưa nước
bằng việc ngâm đế lamen trong dung dịch KOH rất quan trọng.
Ở bước 2, phản ứng khi chức năng hóa bề mặt đế lamen chịu ảnh hưởng của
pH dung dịch APTES [1]. Phản ứng (1) xảy ra theo hai chiều, tạo ra =Si-O-Si(CH2)3- NH2 như phương trình (1). Ở pH cao, tức là trong môi trường kiềm hơn,
liên kết Si-OH bền nên lượng =Si-O-Si-(CH2)3- NH2 hình thành ít, nói cách khác
phản ứng nghịch có thể xảy ra, do đó hiệu suất tạo màng thấp. Nhưng pH thấp thì

13


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

liên kết Si-OH trên bề mặt để lamen không bền – như đã bàn luận ở trong bước 1.
Chính điều này lại làm giảm số lượng APTES bám được trên bề mặt của đế lamen.
Như vậy phải tồn tại một giá trị pH phù hợp sao cho số nhóm amin hình thành trên
bề mặt đế là lớn nhất.
Trong bước 3, các hạt nano vàng có kích thước nhỏ (khoảng 1-5 nm) thường gọi là mầm vàng [5,12] – được chế tạo bằng phương pháp hóa khử trước khi
cho hấp phụ lên trên bề mặt của đế lamen đã được chức năng hóa. Các nghiên cứu
trước đó đã cho rằng sau khi chức năng hóa bởi nhóm chức –NH2 thì bề mặt lớp
SiO2 sẽ tích điện dương [9] sẽ hút các hạt vàng có điện tích bề mặt âm [21] thông
qua tương tác Coulomb.
Việc tạo lớp mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa ở bước 3 rất
quan trọng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như: pH dung dịch mầm,
nồng độ muối vàng HAuCl4, thời gian ngâm mầm có ảnh hưởng sâu sắc tới khả
năng bám dính của các hạt vàng trên đế [5,12,24].
Khi giá trị pH của dung dịch mầm tăng thì điện tích dương của lớp NH2 trên
bề mặt tăng, nhưng điện tích của bề mặt của các hạt vàng tích điện âm lại giảm. Vì
vậy, tồn tại một giá trị pH mà tại đó lực tĩnh điện giữa lớp NH2 và các hạt mầm Au
là lớn nhất [24]. Bên cạnh đó, nồng độ của dung dịch HAuCl4 là một trong những
yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến lượng mầm vàng bám dính trên bề mặt lớp NH2
[5,12].
Trong các nghiên cứu chế tạo thanh nano vàng [5,12], thời gian phù hợp để
sử dụng các hạt mầm được cho là từ 2 đến 5 h. Vì vậy, việc nghiên cứu thời gian
ngâm đế lamen sau khi được chức năng hóa vào dung dịch chứa mầm cũng rất quan
trọng.

Như vậy, mỗi bước trong quy trình chế tạo màng vàng nói trên đều chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố. Một số nghiên cứu về các yếu tố này còn đơn lẻ, chưa sâu
[1,5,7,12,23,24].

14


Luận văn thạc sĩ

1.4.

Lê Ngọc Anh

Mục tiêu của luận văn
Như đã nói ở trên, việc chế tạo màng vàng bằng phương pháp hóa học đã có

một số nhóm nghiên cứu thực hiện, nhưng khảo sát về các yếu tố ảnh hưởng tới quy
trình chế tạo còn đơn lẻ.
Vì vậy, luận văn này tập trung tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng như: ảnh
hưởng của nhóm hydroxyl (-OH) tạo bề mặt ưa nước, ảnh hưởng của giá trị pH
dung dịch APTES, nồng độ HAuCl4, thời gian ngâm mầm và pH của dung dịch
mầm. Nghiên cứu này đưa ra quy trình tối ưu cho việc chế tạo màng vàng, định
hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học.

15