Nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các hạt nano quang và ứng dụng chế tạo sensor sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ VĂN SƠN

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
GIỮA CÁC HẠT NANO QUANG VÀ ỨNG DỤNG
CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI –i 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ VĂN SƠN

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
GIỮA CÁC HẠT NANO QUANG VÀ ỨNG DỤNG
CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC

Ngành: Vật lý kỹ thuật
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trần Hồng Nhung
PGS. TS. Lê Quang Huấn

HÀ NỘI - 2017
ii


Lời cảm ơn
Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới PGS.TS.
Trần Hồng Nhung, PGS. TS. Lê Quang Huấn, những người thầy luôn tận tụy hết lòng
hướng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện
Vật Lý và Viện Công nghệ Sinh học.
Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp trong nhóm NanoBiophotonics đã hỗ trợ,
giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và các trao đổi khoa học trong suốt quãng
thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật lý.
Tôi xin dành những lời cảm ơn sâu nặng nhất đến những người thân thương trong
gia đình tôi: Bố, mẹ và các anh chị em đã dành cho tôi những tình cảm, động viên, hỗ trợ
cả về vật chất và tình cảm trong thời gian tôi thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo khoa Vật lý kỹ thuật,
trường đại học Công nghệ, Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện về thời gian và
động viên tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn đề tài "Nghiên cứu chế tạo đế nano kim
loại-giấy cho hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt nhằm ứng dụng trong phân
tích an toàn vệ sinh thực phẩm" cấp Viện Hàn lâm KHCNVN thuộc Chương trình phát
triển vật lý đến năm 2020, đã hỗ trợ kinh phí để tôi thực hiện luận văn này.
Vũ Văn Sơn

iii


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả nêu trong luận văn đều là sản phẩm của quá

trình làm việc và nghiên cứu của tôi tại Viện Vật lý- Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trần Hồng Nhung và PGS. TS. Lê
Quang Huấn. Nếu có bất kỳ sự tranh chấp và phản ánh nào về những kết quả trên, tôi xin
chịu mọi trách nhiệm.
Hà Nội, ngày tháng

Vũ Văn Sơn

iv

năm 2017


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ............................................................ viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN.............. 4
1.1. Các hạt nano quang ................................................................................................ 4
1.1.1.

Cộng hưởng plasmon bề mặt ....................................................................... 4

1.1.2.

Lý thuyết Mie giải thích mầu tán xạ của các hạt nano kim loại dạng keo .. 5

1.1.3.

Hạt nano vàng ............................................................................................ 10

1.1.4.

Các tính chất quang của các hạt keo kim loại ............................................ 12

1.1.5.

Hạt nano silica chứa phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ ................................ 13

1.2. Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET)......................... 20
1.3. Tương tác giữa chất phát quang và cấu trúc nano kim loại ................................. 22
1.4. Cảm biến sinh học................................................................................................ 24
1.4.1. Khái niệm ...................................................................................................... 24
1.4.2. Aptamer. ........................................................................................................ 28
1.4.3. Cảm biến truyền năng lượng. ........................................................................ 29
CHƯƠNG 2. SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC HẠT NANO QUANG ..... 31
2.1. Truyền năng lượng giữa hạt nano silica chứa tâm mầu FITC và các hạt nano
vàng với các kích thước khác nhau ............................................................................. 31
2.2. Truyền năng lượng giữa phân tử FITC với các hạt nano vàng có các kích thước
khác nhau .................................................................................................................... 37

v


CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CÁC HẠT NANO
QUANG ......................................................................................................................... 43
3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến...................................................................... 43
3.2. Lựa chọn các thông số của cảm biến ................................................................... 45
3.2.1. Lựa chọn cặp aptamer - sợi bổ trợ ................................................................ 45
3.2.2. Lựa chọn cặp donor - acceptor ...................................................................... 45

3.3. Khảo sát hoạt động của cảm biến. ....................................................................... 46
3.4. Sử dụng cảm biến phát hiện kháng nguyên ung thư vú HER2- Xây dựng đường
chuẩn. .......................................................................................................................... 49
3.5. Quy trình phân tích mẫu bằng cảm biến .............................................................. 51
CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ......................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 55

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU

TIẾNG ANH

DỊCH NGHĨA

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

DLS

Dynamic Light Scattering

Tán xạ ánh sáng động học

FITC

Fluorescein isothiocyanate

DTT

Dithiothreitol

SiO2@FITC

Hạt silica chứa tâm mầu FITC

SiO2@FITC-

Phức hệ hạt nano silica chứa

sợi bổ trợ

tâm mầu FITC và sợi bổ trợ

Hạt vàng-

Phức hệ hạt nano vàng và sợi

aptamer

aptamer

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt.
Hình 1.2. Tương tác của ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thể được
mô tả đơn giản nếu  >> 2R. Trong trường hợp chung, các thay đổi pha của sóng điện từ
trên các hạt tạo ra các phản ứng quang học phức tạp.
Hình 1.3. Giản đồ phân tích hệ số dập tắt Mie toàn phần trong lưỡng cực, tứ cực và các
mode bậc cao hơn.
Hình 1.4. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích
thước khác nhau.
Hình 1.5. Màu sắc các hạt nano phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng.
Hình 1.6. Phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt của các hạt nano vàng với các kích thước khác
nhau.
Hình 1.7. Phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình.
Hình 1.8. Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu.
Hình 1.9. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Cy5.
Hình 1.10. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine và
rhodamine tự do trong dung môi.
Hình 1.11. Cường độ huỳnh quang theo thời gian chiếu kích thích của các hạt nano silica
chứa rhodamine B và rhodamine B tự do dưới kích thích của laser 532nm, mật độ công
suất 1.821011 W/cm2.
Hình 1.12. Đường suy giảm huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamin B và
rhodamine B tự do dưới kích thích hai photon của laser Ti:sapphire (900 nm, 80 fs) ở
nhiệt độ phòng.
viii

Hình 1.13. Sự chồng chập phổ huỳnh quang của Cy3 (donor) lên phổ hấp thụ của Cy5
(acceptor).
Hình 1.14. Mô hình cảm biến phát hiện đường glucose.
Hình 1.15. Một số mô hình cảm biến FRET.
Hình 2.1: Cấu trúc hóa học của chất mầu Fluorescein Isothiocyanate (FITC).
Hình 2.2. Ảnh TEM hạt nano silica chứa tâm mầu FITC.
Hình 2.3. Ảnh TEM các hạt keo vàng kích thước khác nhau: a. 5nm; b. 20 nm; c. 40 nm;
d. 60 nm.
Hình 2.4. Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của các hạt vàng kích thước khác nhau.
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của SiO2@FITC vào nồng độ hạt
vàng: a. Au 5nm, b. Au 20nm, c. Au 40nm, d. Au60nm.
Hình 2.6: Phổ huỳnh quang của tâm mầu FITC khi thêm các lượng hạt nano vàng khác
nhau với các kích thước hạt nano vàng khác nhau: a. Au 5nm, b. Au 20nm, c. Au 40nm,
d. Au 60nm.
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của phân tử mầu FITC vào nồng độ
hạt vàng: a. Au 5nm, b. Au 20nm, c. Au 40nm, d. Au60nm.
Hình 2.8. Trình bày đồ thị biểu diễn khoảng cách tới hạn d0 phụ thuộc vào kích thước hạt
vàng. Có thể cho là khoảng cách d0 phụ thuộc tuyến tính vào kích thước hạt vàng.
Hình 3.1: Mô hình thiết kế của sợi aptamer và sợi bổ trợ.
Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến.
Hình 3.3: Đường suy giảm huỳnh quang của cảm biến so với dung dịch chỉ chứa hạt
nano silica và dung dịch chứa hạt nano silica, hạt nano vàng không gắn aptamer.
Hình 3.4: Cảm biến thử nghiệm với đối chứng âm và đối chứng dương.
Hình 3.5: Cảm biến thử nghiệm với kháng nguyên.

ix

Hình 3.6: Tỉ lệ I80/I0 phụ thuộc vào lượng kháng nguyên có trong mẫu phân tích. I0 là
cường độ huỳnh quang của cảm biến lúc bắt đầu đo khi mà chưa có sự suy giảm huỳnh
quang. I80 là cường độ huỳnh quang của cảm biến khi có mặt các lượng kháng nguyên
khác nhau tại phút 80.
Bảng 2.1: Các thông số của dung dịch các hạt keo vàng thương phẩm sử dụng trong thí
nghiệm truyền năng lượng.
Bảng 2.3: Lượng acceptor và khoảng cách trung bình giữa các hạt.
Bảng 2.3: Khoảng cách truyền năng lượng tới hạn d0 của hạt SiO2@FITC với các hạt
vàng kích thước khác nhau.
Bảng 2.4: Lượng acceptor trong thí nghiệm truyền năng lượng giữa hạt nano vàng và
phân tử mầu FITC và khoảng cách trung bình giữa các hạt.
Bảng 2.5: Khoảng cách truyền năng lượng tới hạn d0 của phân tử mầu FITC với các hạt
vàng kích thước khác nhau.
Bảng 2.6: Khoảng cách trung bình giữa các hạt ở d0.

x


MỞ ĐẦU
Hiện nay, sự bùng nổ của công nghệ nano đã tạo nên một cuộc cách mạng trong
nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và cuộc sống. Một trong các hướng khoa học đang
thu hút được sự quan tâm của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới là nghiên cứu chế tạo
và sử dụng các vật liệu nanô phát quang trong nghiên cứu y – sinh học như một chất đánh
dấu huỳnh quang mới. Để nâng cao độ nhạy phân tích trong các mẫu sinh học, các đối
tượng sinh học thường phải được đánh dấu bằng các chất phát quang. Cho đến nay, kỹ
thuật huỳnh quang vẫn là phương pháp phát hiện chiếm ưu thế trong công nghệ cảm biến
do các nguyên nhân: (i) thuận tiện và đơn giản trong thu nhận và xử lý các tín hiệu quang
học; (ii) tính sẵn có của các chất đánh dấu hữu cơ với các tính chất phổ đa dạng; (iii)
những tiến bộ mới đạt được trong hiện ảnh quang học. Tuy nhiên, rất khó để thu được các
tín hiệu huỳnh quang yếu do giới hạn của hiệu suất lượng tử của các chất mầu hữu cơ và

tỷ lệ các phân tử được đánh dấu là thấp. Đồng thời các chất đánh dấu hữu cơ thường
nhanh bị phân hủy quang và nhạy cảm với môi trường sinh học bao quanh. Để khắc phục
nhược điểm này, việc sử dụng các vật liệu có kích thước nanô mét là một hướng phát
triển mới trong nghiên cứu y – sinh học. Các vật liệu có cấu trúc nano đang trở thành các
chất đánh dấu thế hệ mới với nhiều tính chất nổi trội so với các chất đánh dấu cổ điển.
Vật liệu nano có thể được làm từ cả hai vật liệu vô cơ và hữu cơ và có ít nhất một
chiều nhỏ hơn 100 nm (tương đương kích thước của các phân tử sinh học) đang và hứa
hẹn là công cụ hữu hiệu để nghiên cứu các quá trình sinh học ở thang nanomet hay nói
cách khác là thang phân tử. Ở thang phân tử, các quá trình hay tính chất sinh học là các
quá trình và tính chất cơ bản đặc thù mang tính hệ thống, vì vậy việc sử dụng các vật liệu
nano trong các nghiên cứu sinh y học đã đưa lại những kết quả nổi trội so với các công cụ
truyền thống và mở ra một hướng mới: nano y sinh học. Do kích thước nhỏ nên tỷ lệ diện
tích bề mặt so với thể tích là lớn dẫn đến các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước
hạt. Bằng việc thay đổi thành phần và kích thước của các hạt nanô, người ta có thể tạo ra
một nhóm lớn các hạt phát quang với các tính chất quang đa dạng dùng trong đánh dấu.

1


Sự dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt của các hạt nano kim loại
khi được kích thích bằng ánh sáng hay còn gọi là plasmon sẽ gây ra một sự hấp thụ mạnh
từ vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần, phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của
hạt. Các hạt nano kim loại có hệ số dập tắt cao hơn 4-5 bậc so với chất đánh dấu sinh học
hữu cơ cổ điển nên các phân tử sinh học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp hơn hàng
nghìn lần nếu chúng được gắn với hạt nano kim loại, đặc biệt là hạt nano vàng do hạt
nano vàng bền quang và dễ tương thích với môi trường sinh học. Vì vậy, sử dụng hạt
nano kim loại vàng trong các cảm biến sinh học cho phép nâng cao độ nhạy của cảm biến
lên nhiều lần.
Cảm biến sinh học sử dụng hiệu ứng truyền năng lượng được sử dụng rộng rãi để
nghiên cứu các quá trình sinh học ở mức độ phân tử, nhưng việc sử dụng các chất đánh

dấu hữu cơ làm cho độ nhạy và độ bền quang của cảm biến bị giới hạn. Gần đây đã có
một số nghiên cứu thay acceptor của cảm biến bằng hạt nano vàng làm tăng độ nhạy của
cảm biến [12]. Tuy nhiên, donor của cảm biến vẫn là chất đánh dấu hữu cơ. Các nghiên
cứu của tác giả Chu Việt Hà [6] chỉ ra rằng khoảng cách truyền năng lượng cộng hưởng
phụ thuộc vào độ lớn của trường định xứ nếu donor và acceptor là các hạt nano. Sự phát
xạ và hấp thụ của các hạt donor không còn được coi là các lưỡng cực điểm mà là các
lưỡng cực với biên độ dao động phụ thuộc vào trường điện định xứ của chúng. Nghiên
cứu trên đã đưa ra mô hình “trạm thu – phát sóng” để minh họa sự phụ thuộc trên, trong
đó độ lớn trường định xứ của donor và acceptor được coi như công suất của trạm. Công
suất càng lớn thì khả năng thu – phát sóng càng xa, tương đương với khả năng truyền
năng lượng ở khoảng cách xa tới micromet của các cặp hạt nano chứ tâm mầu – vàng.
Tuy nhiên, trong các nghiên cứu của tác giả Chu Việt Hà chưa có thí nghiệm truyền năng
lượng với các hạt vàng kích thước khác nhau.
Luận văn đặt vấn đề nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các phân tử mầu
FITC (Fluorescein isothiocyanate) với các hạt nano vàng kích thước khác nhau so sánh
với sự truyền năng lượng giữa các hạt nano silica chứa phân tử mầu FITC với các hạt

2


nano vàng khác nhau. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đó. Thiết kế cảm biến truyền
năng lượng phát hiện kháng nguyên ung thư sử dụng các hạt nano làm donor và acceptor.
Tên đề tài luận văn "Nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa các hạt nano
quang và ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học"
Bố cục của luận văn bao gồm:
 Chương I: Tổng quan các vấn đề và lý thuyết liên quan.
 Chương II: Sự truyền năng lượng giữa các hạt nano quang.
 Chương III: Cảm biến sinh học truyền năng lượng sử dụng các hạt nano quang.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
1.1. Các hạt nano quang
1.1.1.

Cộng hưởng plasmon bề mặt

Định nghĩa
Định nghĩa plasmon: là dao dộng tập thể của các điện tử tự do ở các tần số quang
học.
Plasmon bề mặt (surface plasmon): là dao động của các điện tử tự do ở bề mặt
kim loại dưới sự kích thích của ánh sáng.
Cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR): là sự kích
thích tập thể đồng thời của tất cả các điện tử dẫn thành một dao động đồng pha.

Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt [26]

Hình 1.1 minh họa sự tạo thành của dao động plasmon bề mặt. Điện trường của
sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự do) đối với lõi ion
nặng của một hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano về
phần mình hoạt động như lực hồi phục. Bằng cách đó, một dao động lưỡng cực của các
điện tử với chu kỳ T đã được tạo nên.

4


1.1.2.

Lý thuyết Mie giải thích mầu tán xạ của các hạt nano kim loại dạng

keo
Các lời giải chung của bài toán tán xạ của một hạt cầu kim loại đơn theo lý thuyết
điện động lực học lần đầu tiên được Mie đưa ra năm 1908 [18]. Mie đã áp dụng lý thuyết
tổng quan về sự tán xạ ánh sáng trên các hạt nhỏ giải thích hiện tượng thay đổi màu sắc
của các hạt keo vàng. Ông đã sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích
hợp trong hệ tọa độ cầu với các khai triển đa cực của từ trường và điện trường cho ánh
sáng tới. Từ đó đưa ra kết quả tính toán chính xác cho sự tương tác ánh sáng với các hạt
nano kim loại hình cầu. Lý thuyết Mie đã mô tả hệ số dập tắt - extinction coefficient (bao
gồm hấp thụ và tán xạ) của các hạt cầu có kích thước tùy ý. Thực tế các phương trình
Maxwell có thể giải được cho 11 dạng hình học với các điều kiện biên khác nhau. Có thể
thu được các nghiệm chính xác khi giải phương trình Maxwell cho một ống hình trụ vô
hạn, ellipsoid, hai hạt cầu, một hình cầu và một hình phẳng, hình hộp, các vỏ cầu….[24]
Tuy nhiên hầu hết các tính toán được áp dụng cho hạt hình cầu. Thực tế, các đặc trưng
phổ của các hạt nano chỉ có thể khảo sát đối với một tập hợp lớn các hạt này. Do đó, sử
dụng mô hình theo lý thuyết Mie cho ta các kết quả hợp lý.
Các giả thiết của lý thuyết Mie
Giả thiết chính của lý thuyết Mie là các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng
nhất và được mô tả bởi các hàm điện môi quang học khối. Điều kiện biên được xác định
bởi mật độ điện tử - là giả thiết để có được gián đoạn rõ nét tại bề mặt của hạt bán kính R.
Kích thước hạt, các hàm quang học của hạt và của môi trường xung quanh được sử dụng
như là các thông số đầu vào.

5


Hình 1.2. Tương tác của ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thể được mô tả
đơn giản nếu  >> 2R. Trong trường hợp chung, các thay đổi pha của sóng điện từ trên các hạt
tạo ra các phản ứng quang học phức tạp [5]

Giả thiết plasmon là một dao động lưỡng cực nhằm mục đích khảo sát tần số
plasmon của một hạt nano kim loại liên quan đến hằng số điện môi, chúng ta xét sự tương
tác của ánh sáng với một hạt cầu có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (2R <<
), trong đó R là bán kính hạt. Trong trường hợp này, điện trường của ánh sáng có thể
được coi là không đổi và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực
học. Do hằng số điện môi  của hạt kim loại và m của môi trường xung quanh phụ thuộc
vào bước sóng, người ta gọi là gần đúng giả tĩnh (quasi-static). Trong chế độ giả tĩnh, các
dịch chuyển pha hay các hiệu ứng trễ của trường điện động là không đáng kể, trường điện
từ trong hạt là đồng nhất. Một bức tranh đơn giản về sự tương tác của ánh sáng với các
hạt nano kim loại được trình bày trên hình 1.2. Nếu 2R >> , trường điện từ trong hạt là
không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn tới kích thích dao động đa cực.
Lý thuyết Mie
Các ảnh hưởng của kích thước hạt lên bước sóng cộng hưởng Plasmon có kết quả
từ hai cơ chế phụ thuộc vào thang kích thước. Trong giới hạn 2R <<  (với R là bán kính
hạt và  là bước sóng của ánh sáng trong môi trường, thì dao động của điện tử được xem
là plasmon dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản:

6


σext = 9

ε2  ω 
ω 3/2
εm V
2
2
c
ε1  ω  + 2εm  + ε2  ω  

(1.1)

trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu,  là tần số góc của ánh sáng kích thích, c
là vận tốc ánh sáng, m và () = 1() + i2() tương ứng là các hàm điện môi của môi
trường xung quanh hạt và của chính hạt. Tham số m được giả thiết là không phụ thuộc
tần số, còn () là phức và là hàm của năng lượng. Điều kiện cộng hưởng được đáp ứng
khi 1() = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào  [5].
Phổ hấp thụ UV-VIS của các hạt keo có thể được tính từ lý thuyết Mie. Độ hấp thụ
A của một dung dịch keo chứa N hạt trong một đơn vị thể tích được cho bởi:
A = (NabsL/ln10)

(1.2)

trong đó abs là tiết diện hấp thụ ngang của kim loại và L là quang trình của ánh
sáng. Số hạt trong một đơn vị thể tích dễ dàng được xác định từ số mol của vàng.

Hình 1.3. Giản đồ phân tích hệ số dập tắt Mie toàn phần trong lưỡng cực, tứ cực và các
mode bậc cao hơn [5]

Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được tiết diện tán xạ sca như sau:

σsca



k4 V2
27
=
|ε - 1|2 
2

2 
18π
 (ε1 + 2εm ) + ε2 

7

(1.3)


Ngoài ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ (tiết diện dập tắt,
tiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabs
trong plasmon bề mặt theo các biểu thức [4]:

Qsca =

 sca
S

, Q ext =

σ abs
σ ext
, Qabs =
S
S

(1.4)

trong đó S là diện tích hạt cầu S = R2, R là bán kính hạt cầu
Các phương trình trên đã được sử dụng rộng rãi để giải thích phổ hấp thụ của các

hạt nano kim loại nhỏ cả về định tính cũng như định lượng. Tuy nhiên đối với các hạt lớn
(hơn 20 nm trong trường hợp đối với vàng) khi mà gần đúng lưỡng cực không còn, cộng
hưởng lưỡng cực phụ thuộc một cách rõ ràng vào kích thước hạt do x là hàm của bán kính
R. Các hạt càng lớn, các mode bậc cao hơn càng trở nên quan trọng hơn do ánh sáng
không thể phân cực các hạt nano một cách đồng nhất. Kết quả là các tác dụng trễ của
trường điện từ qua hạt có thể gây ra những sự dịch phổ lớn và mở rộng phổ cộng hưởng
plasmon bề mặt. Các mode bậc cao có đỉnh ở năng lượng thấp hơn do đó dải plasmon
dịch về đỏ với sự tăng kích thước hạt. Điều này được minh họa trên hình 1.3, và kết quả
là phù hợp với lý thuyết Mie. Do phổ hấp thụ quang học phụ thuộc trực tiếp vào kích
thước hạt nên điều này được coi như một hiệu ứng kích thước bên ngoài. Lý thuyết Mie
chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thước hạt đối với trường hợp các hạt
có kích thước nhỏ hơn 20 nm.
Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt phụ thuộc
vào kích thước ε(ω, r) với các hạt có đường kính trung bình nhỏ hơn 20 nm. Kreibig và
Von Fragstein đề xuất tán xạ điện tử trên bề mặt tăng lên đối với các hạt nhỏ khi mà
quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị giới hạn bởi kích thước vật lý của hạt.
Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm.
Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bề mặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động
ngẫu nhiên bị mất. Sự va chạm không đàn hồi của điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi
pha.

8


Hình 1.4. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích
thước khác nhau [15]

Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh. Điện tử sau đó
có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là đối với hạt có kích thước lớn
hơn. Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm. Drude đã đưa ra công

thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích thước hạt D [5]:

εD = 1 -

ω2p
ω2 + iγω

,

(1.5)

trong đó ω 2p = Ne2 /ε 0 m eff là tần số của plasmon khối, N là mật độ điện tử tự do, e là
điện tích, 0 là hằng số điện môi trong chân không và meff là khối lượng điện tử hiệu
dụng.  là hàm của bán kính hạt r như sau:

γ(r) = γ 0 +

Aν F
,
r

(1.6)

trong đó 0 là hằng số tắt của vật liệu khối, A là một tham số phụ thuộc vào chi tiết
các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuếch tán) và F là vận tốc
của điện tử có năng lượng bằng mức Fermi.
Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ plasmon như hàm của
kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cực trong vùng kích thước
nội “intrinsic” (r <20 nm). Thông số

được sử dụng như một thông số “làm khớp các giá
9


trị thực nghiệm”. Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết này là đã đưa ra một mô hình mô tả sự
phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt vào kích thước.

1.1.3.

Hạt nano vàng

Các hạt nano kim loại là vật liệu có kích thước cỡ từ 1 đến 100 nm. Các hạt này
bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau. Các hạt nano
tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như: Au, Ag, Pt,
Cu, Co và các oxit như Fe2O3. Các hạt này có thể được phân bố trong không gian tự do
hoặc trong chất khí, lỏng, hoặc được nhúng trong chất rắn, hoặc được bao phủ bởi lớp vỏ
hay được lắng đọng trên một vật liệu nền. Thực nghiệm cho thấy kích thước hạt ảnh
hưởng lên các tính chất cấu trúc và điện tử, cụ thể là: thế ion hóa, năng lượng liên kết,
phản ứng hóa học, cấu trúc tinh thể, nhiệt độ nóng chảy.
Kim loại cấu trúc nano có tính chất quang học rất phức tạp và thú vị. Hiện tượng
nổi bật nhất gặp phải trong các cấu trúc nano là cộng hưởng điện từ do các dao động tập
thể của các điện tử dẫn được gọi là plasmon. Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh đến các
tính chất quang học của các cấu trúc nano kim loại nên đang được quan tâm nghiên cứu
và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.

Hình 1.5. Màu sắc các hạt nano phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng

10

Do ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon, các hạt nano vàng hay bạc có màu sắc khác
nhau tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, do đó người ta có thể tạo ra các dung
dịch với màu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước
hạt (hình 1.5).

Hình 1.6. Phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt của các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau[9]

Do có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, tiết diện tán xạ và hấp thụ của hạt
vàng nano lớn hơn đáng kể tiết diện hấp thụ và huỳnh quang của tâm mầu thường dùng
trong hiện ảnh sinh học và y sinh. Từ lý thuyết Mie người ta đánh giá được rằng tiết diện
quang của các hạt nano cầu vàng cao hơn khoảng 4-5 bậc của tâm mầu. Như vậy, các hạt
nano vàng dạng cầu với đường kính 40 nm có hệ số hấp thụ 2,93.10-15 m2 (tương ứng với
hệ số hấp thụ mol lý thuyết khoảng ~7,7.109 M-1 cm-1) ở bước sóng cực đại 530 nm, cao
hơn 4 bậc hệ số tắt của Rhodamine 6G (1,2.105M-1cm-1 ở 530 nm) và malachite green
(1,5.105M-1cm-1 ở 617 nm) [19]. Hơn nữa, lý thuyết tán xạ Mie chỉ ra rằng độ lớn của tán
xạ ánh sáng trong vùng nhìn thấy của hạt vàng có kích thước 80 nm (~ 1,2.10-14 m2) ở
11


560 nm là tương đương với tán xạ từ hạt vi cầu polystyrene với đường kính 300 nm (~
1,8.10-14 m2) ở cùng bước sóng ánh sáng. Hạt vi cầu này thường được sử dụng trong hiện
ảnh đồng tiêu (confocal imaging). Đối với cùng một cường độ ánh sáng kích thích, số
photon do fluorescein phát ra (hệ số bức xạ ~9,2.104 M-1cm-1 ở 483 nm, được giả thiết là
hiệu suất lượng tử bằng 1) là 5 bậc thấp hơn ánh sáng tán xạ từ hạt vàng 80 nm dạng cầu
(hệ số tán xạ mol ~ 3,2.1010 M-1cm-1 tại 560 nm).
Hình 1.6 biểu điễn phổ hấp thụ, tán xạ và dập tắt (extinction) của các hạt nano
vàng với các kích thước khác nhau (được tính theo lý thuyết Mie). Hạt vàng đường kính
20 nm thể hiện hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng plasmon định xứ là chủ yếu với phần không
đáng kể ánh sáng tán xạ. Nhưng khi đường kính của hạt tăng từ 20 nm lên 80 nm, tỷ lệ
đóng góp của tán xạ plasmon tăng lên đáng kể. Độ lớn của tán xạ ánh sáng trong vùng

nhìn thấy của hạt vàng 80 nm (~1,2.10-14 m2) ở 560 nm là tương đương với tán xạ từ hạt
vi cầu polystyrene với đường kính 300 nm (~1,8.10-14 m2) ở cùng bước sóng ánh sáng.
Sự tăng của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa chọn các hạt nano kim loại cho
các ứng dụng phản quang. Hiện nay, các hạt có kích thước lớn thích hợp với các ứng
dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng do bước sóng hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt
có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước và hình dạng hạt.

1.1.4.

Các tính chất quang của các hạt keo kim loại

Trái với bề mặt kim loại liên tục, các hạt kim loại keo biểu thị màu sắc mạnh mẽ
do sự kết hợp của hai quá trình hấp thụ và tán xạ. Trên bề mặt gương kim loại, các điện
tử có thể chuyển động trên các khoảng cách lớn. Trong các hạt keo kim loại, các khoảng
cách bị giới hạn bởi kích thước của hạt. Điều này tạo ra các lưỡng cực với mômen có bậc
cao hơn. Các tính chất quang của các hạt keo kim loại phù hợp tốt với lý thuyết Mie khi
xem xét các hạt hình cầu nhỏ và các hạt có kích thước có thể so sánh được với bước sóng
của ánh sáng tới. Lý thuyết Mie là khá đơn giản đối với các hạt kim loại hình cầu. Trong
trường hợp này, tiết diện dập tắt ngang của một hạt với hằng số điện môi 1 được cho bởi:

CE = C A + CS = k1Im  α  +
12

k14 2
α
6π

(1.7)

Trong đó độ phân cực  của quả cầu được xác định theo phương trình [5]:

α = 4πε 0 R 3

ε - εm
ε + 2ε m

(1.8)

2

Số hạng α là bình phương độ lớn của . Trong phương trình 1.7, số hạng thứ nhất (CA)
thể hiện tiết diện hấp thụ và số hạng thứ hai (CS) thể hiện tiết diện tán xạ. Nếu các hạt lớn
hơn khoảng 0,05 hoặc không phải hình cầu thì lý thuyết sẽ trở nên phức tạp hơn. Khi
thảo luận về tiết diện tán xạ của các hạt keo để thuận tiện chúng ta sử dụng các hiệu suất
(Q) cho sự dập tắt (E), hấp thụ (A) và tán xạ (S) tương ứng là QE, QA và QS. Các giá trị
này thu được khi chia các tiết diện tương ứng tương tác với ánh sáng cho tiết diện hình
học r2. Các hiệu suất này cho thấy khả năng một hạt tán xạ ánh sáng ra ngoài tiết diện
vật lý của nó. Chúng trở nên lớn hơn một đơn vị tại vị trí gần bề mặt hạt là do trường gần
bề mặt của hạt có thể lớn hơn giá trị trường trung bình của ánh sáng tới môi trường xung
quanh hạt.
Khi xét sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang bởi kim loại chúng ta mong đợi số
hạng hấp thụ (CA) gây ra sự dập tắt và số hạng tán xạ (CS) gây ra sự tăng cường. Phương
trình 1.8 chỉ ra rằng CA tăng cùng với r3 trong khi đó CS tỷ lệ với r6. Do đó các hạt keo có
kích thước lớn sẽ thích hợp hơn với cho hiệu ứng tăng cường huỳnh quang.

1.1.5.

Hạt nano silica chứa phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ

1.1.5.1 Phân tử mầu (tâm mầu) hữu cơ
Các chất màu hữu cơ (các chất hữu cơ phát huỳnh quang) từ lâu đã được sử dụng
trong các thí nghiệm hóa sinh và lý sinh, trong các nghiên cứu sinh học như theo dõi phân
tử, hiện ảnh tế bào, động học tế bào, máy đếm dòng tế bào, chẩn đoán, phân tích di
truyền, nghiên cứu trình tự ADN, ... bằng các phương pháp huỳnh quang do độ nhạy của
bản thân các kỹ thuật huỳnh quang và do thang đo thời gian thuận lợi của hiện tượng
huỳnh quang. Các chất màu dùng trong quang tử là các chất màu hữu cơ chứa các liên kết
đôi liên hợp, hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy.
Cấu trúc hóa học của chúng được đặc trưng bởi tổ hợp các vòng benzen, vòng pyridin,
13


vòng azine, vòng pyron…, nằm trong cùng một mặt phẳng. Hình 1.7 trình bày ảnh màu
phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình.

Hình 1.7. Phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ điển hình [14]

Cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học
Các phân tử chất màu có rất nhiều trạng thái là các tổ hợp phức tạp các trạng thái
điện tử, trạng thái dao động và trạng thái quay. Do vậy không thể xác định chính xác các
mức năng lượng của chất màu. Dựa vào mẫu điện tử của Bohr, Jablonski đã đưa ra giản
đồ các mức năng lượng đơn giản hóa phản ánh những đặc điểm quan trọng chủ yếu của
các chuyển dời lượng tử trong phân tử màu. Sự hấp thụ ánh sáng và sự phát huỳnh quang
của một phần tử chất màu được mô tả bởi giản đồ năng lượng Jablonski (hình 1.8). Trong
đó S0, S1, S2, ... là các trạng thái đơn điện tử (singlet) và các trạng thái điện tử bội ba
(triplet) là T1, T2, ... tương ứng với số lượng tử spin toàn phần S = 0 và S = 1. S0 là trạng
thái cơ bản. Khi điện tử ở trạng thái singlet nào đó, spin của nó đối song với spin còn lại
của phân tử. Ngược lại khi một điện tử nằm ở trạng thái triplet, spin của nó song song với
spin còn lại của phân tử. Mỗi một trạng thái điện tử kích thích đơn (S1, S2,...) tồn tại một
trạng thái bội ba có năng lượng thấp hơn một chút. Mỗi trạng thái điện tử bao gồm một

tập hợp dày đặc nhiều mức dao động (đường nét liền) và nhiều mức quay (không vẽ trong
hình). Thông thường khoảng cách giữa các mức dao động từ 1400  1700 cm-1 còn
khoảng cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai bậc. Do va chạm liên kết nội phân tử và

14


tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận trong dung môi mà vạch dao động được mở rộng.
Các mức quay thì luôn mở rộng do va chạm nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt độ phòng sẽ
cho các phổ băng rộng. Ở nhiệt độ phòng khi chưa bị kích thích các phân tử chủ yếu nằm
ở trạng thái dao động cơ bản S00 theo phân bố Boltzmann.

Hình 1.8. Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu [14]

Khi phân tử hấp thụ photon ánh sáng tới, điện tử từ trạng thái nền (trạng thái cơ
bản, S0) nhảy lên trạng thái kích thích (S1, S2, S3, …). Ở mỗi mức năng lượng, các phân
tử chất màu có thể tồn tại trong một số các mức năng lượng dao động. Từ trạng thái kích
thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau: hồi phục không bức
xạ và hồi phục bức xạ. Nếu điện từ hồi phục từ trạng thái kích thích đơn S1 trở về trạng
thái cơ bản ta sẽ có huỳnh quang của chất phát quang. Nếu điện tử hồi phục từ trạng thái
S1 đến một trạng thái bội ba Ti (có năng lượng thấp hơn, S1, và sự chuyển dời từ trạng
thái đơn, singlet, đến một trạng thái bội ba, triplet, được gọi là intersystem crossing).
Điện tử từ trạng thái bội ba Ti xuống một trạng thái bội ba khác Tj sẽ phát xạ ánh sáng gọi
là lân quang.
Độ dịch Stockes
Từ giản đồ Jablonski cho thấy năng lượng phát xạ thường thấp hơn năng lượng
hấp thụ, do trước khi hồi phục trở về trạng thái cơ bản, điện tử mất một phần năng lượng
15