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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƯỢC 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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƯỢC 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

NGƯỜI HƯỚNG 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
CHƯƠNG

1:

TỔNG

QUAN……………………………………………………….Error! Bookmark not
defined.
1.1.

Hiện tượng Plasmon bề mặt ............... …….Error! Bookmark not defined.

1.2.

Màng

nano

vàng

và

ứng

dụng……………………………………………...Error! Bookmark not defined.
1.2.1.

hưởng

Cộng

Plasmon

bề

mặt…………………………………………….Error! Bookmark not defined.
1.2.2.

Điện

cực

dẫn

và

khả

năng

liên

kết

với

nhóm

–

SH……………………….Error! Bookmark not defined.
1.2.3.

Tăng

cường

tín

Raman……………………………………………...Error!

hiệu
Bookmark

not

defined.
1.3.

Các phương pháp chế tạo ............................ Error! Bookmark not defined.

1.3.1.Phương

pháp

Lắng

đọng

chùm

điện

tử…………………………………...Error! Bookmark not defined.
1.3.2.Phương

pháp

phún

Sputtering……………………………………….Error!

xạBookmark

not

defined.
1.3.3.Phương

pháp

hóa…………………………………………………...Error!
defined.

điện
Bookmark

not


1.3.4.Phương

pháp

lắng

đọng

hóa

học………………………………………...Error! Bookmark not defined.
1.4.

Mục tiêu của luận văn .................................. Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG

2:

THỰC

NGHIỆM

VÀ

CÁC

PHÉP

ĐO

KHẢO

SÁT……………Error! Bookmark not defined.
2.1. Các bước tiến hành thí nghiệm ....................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1.

Hóa

chất

thí

nghiệm…………………………………………………….Error!

Bookmark

not defined.
2.1.2.Chế

màng

tạo

vàng………………………………………………………Error!

Bookmark

not defined.
2.2. Các yếu tố khảo sát ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1.

Khảo

sát

sự

hình

thành

màng

vàng

trên

đế

lamen………………………Error! Bookmark not defined.
2.2.2.

Nghiên

cứu

sự

ảnh

hưởng

của

nhóm

hydroxyl

(

–

OH)…………………Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề
mặt
lamen……………………………………………………………………...Error!
Bookmark not defined.
2.2.4.

Nghiên

cứu

ảnh

hưởng

của

nồng

độ

dung

dịch

mầm…………………..Error! Bookmark not defined.
2.2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các
hạt


mầm………………………………………………………………………..Error
! Bookmark not defined.
2.2.6.

Nghiên

cứu

ảnh

hưởng

của

gian

thời

ngâm

mầm………………………Error! Bookmark not defined.
2.3.Các phép đo khảo sát ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1.

Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia

X…………...Error! Bookmark not defined.
2.3.2.

Phép

đo

phổ

hấp

thụ…………………………………………………….Error! Bookmark not
defined.
2.3.3. Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM
(Scaning

Electron

Microscope)………………………………………………..Error!

Bookmark

not defined.
2.3.4.

Phép

đo

hiển

vi

trường

tối………………………………………………Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG

3:

KẾT

VÀ

QUẢ

THẢO

LUẬN…………………………………….Error! Bookmark not defined.
3.1. Chế tạo màng nano vàng................................. Error! Bookmark not defined.
3.1.1.

Khảo

sát

cấu

trúc

màng

nano

vàng……………………………………...Error! Bookmark not defined.
3.1.2.Khảo

sát

hình

thái

của

màng

nano

vàng…………………………………Error! Bookmark not defined.
3.1.3.Khảo

sát

mật

độ

hạt

nano

vàng

lamen…………………………...Error! Bookmark not defined.

trên

đế


3.1.3.Phổ

hấp

thụ

của

mẫu

màng

nano

vàng…………………………………..Error! Bookmark not defined.
3.2. Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiệnError! Bookmark not defined.
3.3. Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH) ........... Error! Bookmark not defined.

3.4. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamenError! Bookma
3.5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tạo mầmError! Bookmark not defined.

3.6. Ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầmError! Bookmark
3.7. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vàng .............. Error! Bookmark not defined.
KẾT
LUẬN………………………………………………………………………..Error!
Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..1


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

học vật liệu- Trường Đại học Khoa học tự nhiên

25


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
Au-

38


Hình 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Văn Khá (2014), “Nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của màng
mỏng kim loại vàng (Au) kích thước nanomet bằng phương pháp hóa học‟‟,
luận văn thạc sỹ vật liệu và linh kiện nano, Trường Đại học Công nghệ- Đại
học Quốc Gia Hà Nội.

2. Lê Thị Tuyết Ngân (2012), “Nghiên cứu, chế tạo và tính chất quang của hạt cầu
cấu trúc lõi/vỏ: Silica/Vàng”, luận văn thạc sỹ, Viện Vật lý- Viện Hàn Lâm
Khoa Học & Công Nghệ Việt Nam.
Tiếng Anh
3. Alena Reznickova, Zdenka Novotna, Nikola Slepickova Kasalkova,(2013),”Gold
nanoparticles deposited on glass: physicochemical characterization and
cytocompatibility”, Nanoscale Res Lett, 10.1186/1556-276X-8-252
4.

Christian Pfeiffer, Christop Rehbock (2014),”Interaction of colloidal
nanoparticles with their local environment: the (ionic) nano environment
around nanoparticles is different from bulk and determines the physicochemical properties of the nanoparticles‟‟, The royal society publishing,
doi: 10.1098/rsif.2013.0931

5. Christopher J Ward, Robert Tronnodorf, Alica S. Eustes,et al , (2014), ‟‟SeedMediated Growth of Gold Nanorods: Limits of Length to Diameter Ratio
Control‟‟, Journal of Nanomaterials, 765618
6. Colis, R. T. H, and P. B. Russell, (1976), „‟Lidar Measurements of particles and
gases by elastic backscattering and differential absorption‟‟, Laser
monitoring.

1


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

7. Erkin Seker, Michael L. Reed, Matthew R.Begley (2009), “ Nanoporous Gold:
Fabrication, Characterzitaion and Application”, Materials, 2(4), 2188-2215;
doi:10.3390/ma2042188

8.Guoping

Chen,

Michiaki

Takezawa,

Naoki

Kawazoe,

Tetsuya

Tateishi,‟‟Preparation of Cationic Gold Nanoparticles for Gene Delivery‟‟,
(2008), The Open Biotechnology Journal, , 2, pp 152-156
9.James C.Y.Kah, Nopphawan Phonthammachai, Rachel C. Y. Wan, Jing
Song,‟‟Synthesis of gold nanoshells based on the deposition precipitation
process‟‟, Gold Bulletin 2008, 41(1), pp 23-36
10. Jain, P.K, Lee, K.S, Al-Sayed,et al,‟‟ Caculated Absorption anh scattering
properties of gold nanoparticiles of different size, shape, and composition:
applications in biological imaging and biomedicine‟‟, The Journal of Physical
Chemistry B, 110 (14), pp 7238–7248
11. Jakub Siege, Olexiy Lyutakov, Vladimír Rybka et al,(2011),”Properties of gold
nanostructures sputtered on glass”, Nanoscale Research Letters,
doi:10.1186/1556-276X-6-96
12. John Watt, Bradley G.Hance, Recheal S. Anderson,( 2015),‟‟Effect of Seed Age
on Gold Nanorod Formation: A Microfluidic, Real-Time Investigation‟‟,
Chem. Mater. , 27 (18), pp 6442–6449
13. Mathias Brust, Donald Bethell et al,( 1998),‟‟Self-Assembled Gold

Nanoparticle Thin Films with Nonmetallic Optical and Electronic Properties‟‟,
Langmuir, 14(19), pp 5425-5429
14. Mealling Tapp, Rick Sullivan, Patrick Dennis, Rajesh R. Naik, Valeria
T.Milam,

( 2015) ,‟‟Spectroscopic studies of nucleic acid additions during

seed-mediated growth of gold nanoparticles‟‟, J Mater Res, 30(5), pp 666–676

2


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

15. Minwoo Lee, Yoo-Lee Kang, Won-Yeop Rho, San Kyeong, Sinyoung Jeong,
Cheolhwan Jeong,( 2015), ‟‟Preparation of plasmonic magnetic nanoparticles
and their light scatteing properties‟‟, The Royal Society of Chemistry, 5, pp
21050-21053
16. Nguyen Ngoc Long, Le Van Vu, Chu Dinh Kiem, et al,( 2009), „‟Synthesis and
optical properties of colloidal gold nanoparticles‟‟,

Journal of Physics,

Conference Series 187, 012026 doi:10.1088/1742-6596/187/1/012026
17. Pallavi Daggumati, Zimple Matharu, and Erkin Seker , (2015),‟‟Effect of
*

Nanoporous Gold Thin Film Morphology on Electrochemical DNA Sensing‟‟,

Anal. Chem, , 87 (16), pp 8149–8156
18 . Peter Owens, Nigel Phillipson Jayakumar Perumal, “Sensing of p53 and EGFR
Biomarker using high efficiency SERS substrates”, (2015), Journal
Biosensors, 5, pp 664-677
19. R.A.Alvarez-Puebla,et al, (2005), „‟Surface-enhanced Raman scattering on
nanoshells with tunable surface plasmon resonance‟‟, Langmuir, 21 (23), pp
10504–10508.
20. Rakesk Singh Moieangthem, Yia Chung chang, (2011),‟‟Ellipsometry study on
gold-nanoparticle-coated gold thin film for biosensing application‟‟, Biomed
Opt Express, 2(9), pp 2569-2576
21. Sheng –Qing Zhu, Tong Zhang, et al, (2012), ‟‟Gold nanoparticle thin films
fabricated by electrophoretic deposition method for highly sensitive
SERS application”, Springer Science, 7:613
22. Ulrich Hohenester, Joachim Krenn,( 2005),” Surface plasmon resonances of
single and coupled metallic nanoparticles: A boundary integral method
approach “, Physical Review B 72, pp 195429

3


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

23. Wolfgang Haiss, Nguyen T. K. Thanh, Jenny Aveyard,( 2007), ‟‟Determination
of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV-Vis Spectra‟‟,
Analytical Chemistry, 79 (11), pp 4215–4221
24. Zhongshi Liang , Yun Liu , Sameul S. Ng,et al,( 2011), ‟‟The effect of pH value
on the formation of gold nanoshells‟‟, Journal of Nanoparticle Research,
13(8), pp 3301-3311

25. Zhichao Lou, Yanan Zhang, Xiaohong Zhang, Zhiwei,et al, (2014), ‟‟A Facile
Approach to Monodisperse Au nanoparticles on Fe3O4 nanostructures with
surface plasmon resonance amplification‟‟,
nanotechnology, pp. 2371-2378

4

Journal of nanoscience and