Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất chấm lượng tử cacbon

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ SINH

ẢNH HƢỞNG CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT
CHẤM LƢỢNG TỬ CACBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

Hà Nội, 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ SINH

ẢNH HƢỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH
CHẤT
CHẤM LƢỢNG TỬ CACBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

TS. Mai Xuân Dũng

Hà Nội, 2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
TS. Mai Xuân Dũng đã định hƣớng cho em có đƣợc những tƣ duy khoa học
đúng đắn, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho em trong suốt quá
trình xây dựng và hoàn thiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học - trƣờng
Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, các thầy cô trong khoa, đặc biệt là các thầy cô
trong tổ Hóa lý - Công nghệ môi trƣờng đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình, giúp
em có những bài học rất bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu để hoàn
thành khóa luận và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình
học tập.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ,
động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2017
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Sinh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của TS. Mai Xuân Dũng. Các số liệu và kết quả trong khóa luận là
chính xác, trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nghiên
cứu nào khác.

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

SINH VIÊN

Nguyễn Thị Sinh


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
QDs: Chấm lƣợng tử
C QDs: Chấm lƣợng tử cabon
nm: nanomét
Eg : Độ rộng vùng cấm
TEM: transmission electron microscopy
FT-IR: Fourier transform – infrared spectroscopy
UV-vis: under violet – visible absorption spectroscopy
PL: photoluminescence spectroscopy
EDTA: etylendiamin tetra-axetic axit
PEG: polyetilen glicol
EDA: 1,2 – etilendiamin
TRIS: 2-amino-2-hydroxymethyl-propane-1, 3-diol


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................
MỤC LỤC .....................................................................................................................
PHẦN 1. MỞ ĐẦU .....................................................................................................1
1. Lí do chọn đề tài ...............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................2
5. Điểm mới của đề tài .........................................................................................3

PHẦN 2. NỘI DUNG .................................................................................................4
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ....................................................................................4
1.1.

Phƣơng pháp tính toán số học với giếng thế một chiều .............................4

1.2.

Phƣơng pháp tính toán DFT cấu trúc nano Cacbon ...................................7

1.2.1. Giới thiệu về chấm lƣợng tử Cacbon ......................................................7
1.2.1.1. Mô tả cấu trúc và tính chất của chấm lƣợng tử Cacbon ...................7
1.2.1.2 . Ứng dụng và tiềm năng của chấm lƣợng tử Cacbon .......................9
1.2.1.3. Phƣơng pháp tổng hợp chấm lƣợng tử Cacbon ..............................12
1.2.1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chấm lƣợng tử Cacbon
.....................................................................................................................14
1.2.2. Giới thiệu về phần mềm Gaussian ........................................................16
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM ............................................................................17
2.1. Tính toán số học: .........................................................................................17
2.2. Tính toán với phần mềm Gaussian ..............................................................20
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................22
3.1. Kết quả tính toán số học: .............................................................................22
3.2. Kết quả tính toán sử dụng phần mềm Gaussian: .........................................26
KẾT LUẬN...........................................................................................................32
PHẦN 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................34



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: a) Mô tả bài toán hạt trong giếng thế một chiều và b) sự phân bố

hạt ở các mức năng lƣợng 1, 2 và 3 theo trục x bên trong hố thế.
4
Hình 1.2. a) Cấu trúc một số phân tử và b) chấm lƣợng tử mà thế năng của
electron thay đổi theo vị trí.
6
Hình 1.3. Cấu trúc của C QDs

7

Hình 1.4. a) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của bán dẫn khi kích thƣớc bị giới
hạn theo 0, 1, 2, 3 chiều. b) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm lƣợng tử
khi kích thƣớc giảm dần
8
Hình 1.5. Khả năng phát hiện ion kim loại của C QDs.

12

Hình 1.6. Bình thủy nhiệt trong phƣơng pháp thủy nhiệt

14

Bảng 1.1: Tính chất phát xạ của chấm lƣợng tử cacbon tổng hợp từ các nguồn
nguyên liệu khác nhau
15
Hình 2.1. Mô tả cách giải số học cho bài toán một chiều có V(x) thay đổi theo
vị trí x.
17
Hình 2.2. Mô tả một số bài toán một chiều

19

Hình 2.3. Sơ đồ tiến hành tính toán Gaussian

20

Hình 2.4. Một số phân tử có nhóm chức bề mặt khảo sát

21

Hình 3.1. Hộp thế một chiều

22

Hình 3.2. Kết quả tính toán năng lƣợng E, hàm sóng ψ và sự phân bố ψ2 ở
trạng thái cơ bản cho hệ một chiều khi thay đổi chiều cao V (a-g). h) Sự thay
đổi của năng lƣợng E, và % electron tìm thấy ở hàng rào thế khi thay đổi thế
năng V.
23
Hình 3.3. Kết quả tính toán năng lƣợng E, hàm sóng ψ và sự phân bố ψ2 ở
trạng thái cơ bản cho hệ một chiều khi thay đổi chiều rộng d.
25
Hình 3.4. Sự phân bố electron của phân tử có cấu trúc gồm bốn vòng benzen
và một nhóm –COOH trên bề mặt.
26
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của kích thƣớc đến cấu trúc điện tử của hệ liên hợp 27
Hình 3.6. Năng lƣợng vùng cấm khi thay đổi kích thƣớc phân tử.

27

Hình 3.7. Biểu đồ năng lƣợng vùng cấm của một số nhóm chức bề mặt

28


Hình 3.8: Ảnh hƣởng của số nhóm chức đến cấu trúc điện tử của chấm lƣợng
tử cacbon. a) thay đổi cấu trúc bề mặt; b) thay đổi số nhóm –NH2 ; c) thay đổi
số nhóm –COOH; d) thay đổi số nhóm -NH-CHO.
30


CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
Nguyễn Thị Sinh, Nguyễn Thị Tuyến, Nguyễn Thị Mai, Mai Xuân Dũng, Tạ
Anh Tuấn “Tính toán số học hỗ trợ sinh viên học tập vận dụng sáng tạo bài
toán một chiều”, Tạp chí Hóa học & Ứng dụng,1(37)/2017,pp.6-9.


PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Vật liệu nano đã và đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi bởi sự xuất hiện
những tính chất hóa học và vật lý thú vị và có giá trị khi kích thƣớc giảm
xuống cỡ nanomet. Trong các vật liệu nano đang đƣợc quan tâm, chấm lƣợng
tử - cấu trúc nhỏ của bán dẫn có thể hiện hiệu ứng giam hãm lƣợng tử - đã và
đang chứng tỏ có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực quan trọng
nhƣ chiếu sáng (LEDs), màn hình, đánh dấu sinh học, y – dƣợc, và nhiều ứng
dụng quang - điện tử khác.
Gần đây, chấm lƣợng tử cacbon (carbon quantum dots: C QDs) đang
đƣợc tập trung nghiên cứu vì những ƣu điểm nhƣ dễ tổng hợp, phát quang tốt
trong vùng nhìn thấy, bền với môi trƣờng, tan trong nƣớc và đăc biệt là ít độc
hại hơn so với các chấm lƣợng tử đã đƣợc nghiên cứu khá đầy đủ là CdSe hay
PbS. Mặc dù các ứng dụng nhƣ LEDs hay đánh dấu sinh học đã đƣợc nghiên

cứu thử nghiệm nhƣng những vấn đề cơ bản nhƣ cơ chế hình thành, cấu trúc,
ảnh hƣởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến tính chất quang của C QDs chƣa
đƣợc làm sáng tỏ bằng thực nghiệm.
Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu rõ hơn các yếu tố ảnh hƣởng tới cấu
trúc điện tử và tính chất quang học của C QDs đặc biệt là kích thƣớc và cấu
trúc hóa học bề mặt nên tôi chọn “Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đến
tính chất chấm lượng tử cacbon”.

1


2. Mục đích nghiên cứu
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của kích thƣớc phân tử đến tính chất của chấm
lƣợng tử cacbon.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của cấu trúc bề mặt đến tính chất của chấm
lƣợng tử cacbon.
 Nghiên cứu áp dụng phần mềm tính toán Gaussian vào tính toán cho
chấm lƣợng tử.
3. Nội dung nghiên cứu
 Tổng quan tài liệu: chấm lƣợng tử cacbon, phƣơng pháp tổng hợp chấm
lƣợng tử cacbon, tính chất của chấm lƣợng tử.
 Tính toán số học với bài toán hệ giếng thế một chiều
 Tính toán Gaussian bằng các basis set khác nhau cho cùng một phân tử.
 Tính toán Gaussian bằng một basis set cho các phân tử có kích thƣớc
và nhóm chức bề mặt khác nhau.
 Nghiên cứu ảnh hƣởng của kích thƣớc và cấu trúc bề mặt đến tính chất
quang của chấm lƣợng tử cacbon.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Sử dụng phần mềm tính toán Gaussian
 Tính toán số học bằng Excel.

2


5. Điểm mới của đề tài
- Áp dụng tính toán Gaussian cho các phân tử chấm lƣợng tử cacbon có
kích thƣớc và cấu trúc bề mặt khác nhau. Từ đó thấy đƣợc ảnh hƣởng của cả
kích thƣớc và cấu trúc tới chấm lƣợng tử cacbon.
- Có nhiều nhóm chức bề mặt thì làm giảm độ rộng vùng cấm, hay làm
tăng giá trị của bƣớc sóng kích thích.
- Các phân tử có kích thƣớc khác nhau, kích thƣớc càng lớn thì độ rộng
vùng cấm giảm.

3


PHẦN 2. NỘI DUNG
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1.

Phƣơng pháp tính toán số học với giếng thế một chiều
Một trong những kiến thức trọng tâm trong hóa học lƣợng tử là xây

dựng và giải phƣơng trình Schrödinger cho các hệ lƣợng tử khác nhau. Hệ
lƣợng tử mặc dù đơn giản nhƣng rất có ý nghĩa trong việc tìm hiểu các hiệu
ứng giam hãm lƣợng tử trong cấu trúc nano là “hạt trong giếng thế một
chiều với thế năng vô hạn”, nhƣ mô tả trong hình 1.1.

a)

0

b)

3

2

n= 3

V=0

2

2

n= 2

m

1

2

n= 1

L

0

x

L

x

Hình 1.1: a) Mô tả bài toán hạt trong giếng thế một chiều và b) sự phân
bố hạt ở các mức năng lƣợng 1, 2 và 3 theo trục x bên trong giếng thế.
Phƣơng trình Schrödinger của bài toán là:
𝑑2
2𝑚𝐸
+
Ѱ=0
𝑑𝑥 2
ħ2

4


Kết quả giải bài toán cho hàm sóng và năng lƣợng tƣơng ứng nhƣ sau:
- Hàm sóng:
- Năng lƣợng:

Ѱ𝑥 =
𝐸𝑛 =

2
𝐿

sin

𝑛𝜋
𝐿

𝑥

𝑛 2 𝜋 2 ħ2
2𝑚 𝐿2

Trong đó n là các số nguyên nhận giá trị 1, 2, 3…;
Mặc dù việc xây dựng và giải bài toán là khá đơn giản, nhƣng kết quả
của nó “năng lƣợng hạt lƣợng tử giảm khi kích thƣớc không gian giam giữ
tăng” lại có ý nghĩa to lớn trong việc giải thích tính bền vững trong các cấu
trúc liên hợp hay giải thích hiệu ứng giam hãm lƣợng tử đặc thù đối với vật
liệu nano nhƣ chấm lƣợng tử hay graphen.
Ngoài những hiểu biết về ảnh hƣởng của kích thƣớc và khối lƣợng của
vi hạt chuyển động đến năng lƣợng và sự phân bố của nó trong hệ, mô hình
giếng thế một chiều với thế năng thay đổi theo chiều dài trục còn cho biết
những thông tin lý thú nhƣ ảnh hƣởng của các nhóm cấu trúc đến tính chất
của vi hạt. Bằng phƣơng pháp phổ quang điện tử tia X (XPS: X-ray
photoelectron spectroscopy) cho thấy độ bền của electron với hạt nhân
nguyên tử không những phụ thuộc bản chất của nguyên tử mà còn phụ thuộc
trạng thái oxi hóa, hay môi trƣờng liên kết, của nguyên tử đó trong phân tử.
Chẳng hạn năng lƣợng liên kết của electron 1s ở nguyên tử Csp2 là 284.1 eV;
năng lƣợng này có thể tăng lên 285.1 eV khi Csp2 liên kết với nhóm NH2 [2].
Điều này có nghĩa rằng thế năng của electron trên một mạch cacbon liên hợp
còn phụ thuộc vào cấu trúc mạnh và các nhóm thế đính trên mạch đó. Hình
1.2a là một số ví dụ mà thế năng của electron thay đổi dọc theo chiều dài của
hệ liên hợp. Hình 1.2b biểu mô tả 2 cấu trúc cơ bản của chấm lƣợng tử có
(bên phải) hay không có (bên trái) lớp vỏ vô cơ có tác dụng giảm thiểu các

5


nguyên tử chƣa bão hòa hóa trị trên bề mặt của chấm lƣợng tử. Trong những
trƣờng hợp này, việc đánh giá đƣợc sự phân bố electron trong hệ có ý nghĩa
quan trọng trong giải thích hoạt tính hóa học của phân tử cũng nhƣ tính chất
quang – điện tử của một số cấu trúc nano. Ví dụ, độ rộng vùng cấm của chấm
lƣợng tử giảm xuống khi phủ một lớp vỏ trên bề mặt trong cấu trúc lõi/vỏ
(hình 1.2b).

a)

b)
Vỏ

Lõi

Lõi

Lớp phối tử

Lớp phối tử

Hình 1.2. a) Cấu trúc một số phân tử và b) chấm lƣợng tử mà thế năng của
electron thay đổi theo vị trí.
Về lý thuyết, ta có thể thiết lập và giải phƣơng trình Schrödinger tƣơng
ứng. Tuy nhiên, giải phƣơng trình Schrödinger khi thế năng V(x) thay đổi theo
vị trí là không hề đơn giản. Chúng tôi đã xây dựng chƣơng trình số học giải
bài toán một chiều với mọi dạng hàm V(x) bằng phần mềm Excel, một phần

mềm quen thuộc và đã đƣợc tích hợp trong Microsoft Office ở hầu hết các
máy tính cá nhân. Sử dụng chƣơng trình này, chúng tôi có thể thay đổi V(x)
cho từng trƣờng hợp cụ thể và nhanh chóng đánh giá ảnh hƣởng của V(x) đến

6


sự phân bố electron trong hệ cũng nhƣ năng lƣợng của nó. Sự thuận tiện, đơn
giản, và nhanh là những ƣu điểm của phƣơng pháp tính toán trên hệ một chiều
để tìm hiểu cấu trúc nano. Tuy nhiên, giá trị tuyệt đối của kết quả sai khác
nhiều với các phƣơng pháp tính toán lƣợng tử hiện đại nhƣ DFT (density
functional theory).
1.2.

Phƣơng pháp tính toán DFT cấu trúc nano cacbon

1.2.1. Giới thiệu về chấm lượng tử cacbon
1.2.1.1. Mô tả cấu trúc và tính chất của chấm lượng tử cacbon
Cho đến nay, có ba loại cấu trúc cacbon đã đƣợc mô tả và tổng hợp bao
gồm chấm lƣợng tử cacbon, hạt nano cacbon và polymer chứa hạt nano
cacbon. Các cấu trúc này đƣợc mô tả trên hình 1.3.

11

Carbon quantum dot

Carbon nano dot

Carbon polymer dot

Hình 1.3. Cấu trúc của C QDs
Chấm lƣợng tử cacbon (C QDs), gồm một hệ liên hợp π có hay không
các dị tố O, N, S…và các nhóm chức ở rìa cạnh. Trên hệ liên hợp π, các điện
tử có thể di chuyển tự do và tùy thuộc vào kích thƣớc của nó độ rộng vùng
cấm và sự lƣợng tử hóa các trạng thái năng lƣợng sẽ khác nhau theo hiệu ứng
giam hãm lƣợng tử. Với các C QDs tan trong nƣớc, các nhóm chức bề mặt
thƣờng là các nhóm phân cực nhƣ –OH, C=O, NH2, hay -CONH …

7


a)

D(E)

D(E)

EC

E

D(E)

D(E)

EC

E

E

EC

EC

E

Eg

Eg (I)

Eg (II)

Eg (III)

Vùng hóa trị

Vùng dẫn

b)

Hình 1.4. a) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của bán dẫn khi kích thƣớc bị
giới hạn theo 0, 1, 2, 3 chiều. b) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm
lƣợng tử khi kích thƣớc giảm dần
Cấu trúc thứ hai là hạt nano cacbon, cấu trúc gồm lõi có chứa các hệ
liên hợp xếp chồng lên nhau tƣơng tự nhƣ trong than chì. Ở bề mặt của hạt có
các nhóm chức quyết định đến độ tan và phần nào là tính chất quang học của
hạt. Cuối cùng là cấu trúc polymer có chứa hạt nano cacbon. Trong vật liệu
này, các hệ liên hợp π có kích thƣớc khác nhau liên kết với nhau bởi các mạch
hydrocarbon no. Một cách đơn giản có thể xem cấu trúc này là các hạt nano

cacbon trong nền polymer.
Trong các cấu trúc nano cacbon nêu trên, chúng tôi tập trung nghiên
cứu cấu trúc chấm lƣợng tử cacbon. Nhƣ các QDs khác, tính chất quang của C
QDs cũng phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eɡ; Eg phụ thuộc vào hình dạng
và kích thƣớc của C QDs nhƣ mô tả trên hình 1.4. Giá trị Eɡ của C QDs phụ
thuộc vào kích thƣớc của chúng theo phƣơng trình:

8


 2 2
m
E g  E   2  2 Ry
2m R  me
0
g

0
Trong đó: Eg là độ rộng vùng cấm của bán dẫn rắn; R là bán kính của C QDs,

và Ry= 13,6eV là hằng số Rydberg.
1.2.1.2 . Ứng dụng và tiềm năng của chấm lượng tử cacbon
C QDs những năm trở lại đây đã thu hút đƣợc sự quan tâm đông đảo
của các nhà khoa học do những đặc tính ƣu việt của chúng nhƣ dễ tổng hợp,
không độc hại, hiệu suất lƣợng tử lớn, tan trong nƣớc… Và chính những tính
chất này mà C QDs trở thành một tiềm năng to lớn ứng dụng trong pin mặt
trời, đánh dấu sinh học, xúc tác chuyển hóa CO2, xúc tác phân hủy H2O….
Pin mặt trời:
Hiện nay, với nhu cầu sử dụng năng lƣợng của con ngƣời, thì những
nguồn năng lƣợng truyền thống đƣợc cung cấp từ than đá, dầu mỏ và khí đốt

đang ngày một đứng trƣớc những thách thức lớn nhƣ cạn kiệt nguồn tài
nguyên, giá cả tăng cao và đặc biệt là vấn đề gây hại cho môi trƣờng sống của
con ngƣời. Và một trong các biện pháp ngƣời ta đang hƣớng tới đó chính là
các nguồn năng lƣợng sạch nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, sinh
học, địa nhiệt…. có khả năng thay thế đƣợc nguồn tài nguyên thiên nhiên
đang dần bị cạn kiệt mà ít gây ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng sống của con
ngƣời. Trong đó, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng hữu hạn,
không quá tốn kém để khai thác và luôn sẵn có. Pin mặt trời trở thành một
phƣơng tiện vô cùng hữu ích để có thể chuyển hóa nguồn năng lƣợng mặt
trời. Cùng với sự nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hiệu quả hơn, ứng dụng của
chấm lƣợng tử trong lĩnh vực này là rất lớn. Sự thực ngày nay, các thiết bị
biến đổi năng lƣợng mặt trời chế tạo từ chấm lƣợng tử đã và đang đƣợc rất
nhiều tổ chức khoa học nghiên cứu và phát triển.
9


Màng mỏng các tinh thể nano bán dẫn đƣợc sử dụng thay thế tấm
silicon ép giữa lớp kính nhƣ pin mặt trời truyền thống để hấp thụ ánh sáng.
Khi kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin mặt trời chấm lƣợng tử dễ dàng
hấp thụ đƣợc toàn bộ phổ phát xạ của mặt trời, giúp cắt giảm chi phí, đơn giản
hóa khâu sản xuất và có hiệu suất cao.
Cảm biến quang học:
Trong ngành y học hiện nay, cảm biến huỳnh quang sinh học và điều trị
ung thƣ là những ứng dụng đang đƣợc quan tâm của chấm lƣợng tử - khi mà
căn bệnh ung thƣ ngày càng trở nên phổ biến trong xã hội. Ƣu điểm kích
thƣớc nhỏ giúp chấm lƣợng tử lƣu thông khắp nơi trong cơ thể và sự phát
quang dƣới tác dụng của tia cực tím giúp các chuyên gia dễ dàng quan sát
đƣợc quá trình hấp thụ vật chất ở da và nội tạng. So với thuốc nhuộm hữu cơ
và các protein huỳnh quang, QDs có những đặc điểm ƣu việt hơn nhiều. Ví dụ
nhƣ: QDs có phổ kích rộng, thời gian phát xạ tƣơng đối dài, có độ sáng tốt….

Trong tƣơng lai, ngƣời ta đang hƣớng đến thiết kế chấm lƣợng tử mang thuốc
chống ung thƣ với liều lƣợng chính xác nhằm vào các tế bào cụ thể, làm giảm
tác dụng phụ không mong muốn cho bệnh nhân mà phƣơng pháp hóa trị
truyền thống có thể mang lại.
Cảm biến sinh học (biosensor):
Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp sử dụng các tác nhân sinh
học nhƣ enzim, các kháng thể, kháng nguyên, chất nền… để phát hiện, đo
đạc, hoặc phân tích hóa chất nhằm cung cấp thông tin phân tích định lƣợng
hoặc bán định lƣợng đặc trƣng. Ngày nay, dƣới sự phát triển nhanh chóng của
khoa học và kĩ thuật, cảm biến sinh học cũng đã có đƣợc những tiến bộ vƣợt
bậc . Khi kết hợp với chấm lƣợng tử hứa hẹn sẽ mang tới cho con ngƣời
những vi thiết bị giúp xác định nhanh chóng , chính xác các loại virut, mầm

10


mống gây bệnh để có biện pháp chữa trị kịp thời. Biosensor sử dụng chấm
lƣợng tử này có nhiều ƣu điểm nổi trội hơn so với các biosensor cổ điển. Điển
hình nhƣ: bề mặt chấm lƣợng tử có khả năng thay đổi dễ dàng, tạo ra những
lộ trình đơn giản hơn cho sự nhận biết các phân tử và kích thƣớc nhỏ cũng là
một lợi thế vô cùng tốt của chấm lƣợng tử. Ngoài ra, những biosensor này có
khả năng ứng dụng trong công nghệ môi trƣờng để xác định một số chất độc
hại nhƣ lƣợng dƣ thuốc trừ sâu, CO2, H2S…
Đánh dấu sinh học:
Đánh dấu sinh học - một thuật ngữ không còn mới lạ đối với y học hiện
đại. Chấm lƣợng tử đƣợc sử dụng tối ƣu trong lĩnh vực đánh dấu huỳnh quang
sử dụng trong hiện ảnh sinh học. Với sự ổn định lâu dài và độ sáng của chấm
lƣợng tử đã khiến chúng trở nên lí tƣởng hơn trong hiện ảnh sinh học tuy rằng
còn nhiều thách thức. Chấm lƣợng tử đƣợc gắn kết với kháng thể đặc hiệu
với cấu trúc phân tử đích trong tế bào. Chúng có thể đƣợc dùng để theo dõi sự

phát triển của các tế bào trong nuôi cấy tế bào. Khi tế bào đƣợc đƣa vào dung
dịch chấm lƣợng tử, các chấm lƣợng tử bắt đầu xâm nhập vào chúng. Vì các
chấm lƣợng tử có độ bền quang cao nên có thể quan sát sự phân chia tế bào ở
trên đƣợc truyền qua cho cả các tế bào con và tín hiệu huỳnh quang có thể
đƣợc quan sát trong thời gian dài cho thấy nếu một tế bào trong một cụm tế
bào đƣợc đánh dấu với CQDs thì khi tế bào này phân chia,các tế bào con cũng
có chứa chấm lƣợng tử , từ đó có thể quan sát đƣợc các tế bào này. Trong một
số thử nghiệm, ngƣời ta đã sử dụng chấm lƣợng tử để phân biệt giữa tế bào
ung thƣ và tế bào không ung thƣ. Chấm lƣợng tử vẫn còn phát quang trong
hơn một tuần sau khi đƣợc gắn với tế bào. Đây là một đóng góp to lớn của
công nghệ nano nói chung và công nghệ chế tạo chấm lƣợng tử nói riêng đối
với nền y học.

11


Phát hiện ion kim loại:
Ngoài những ứng dụng trên, C QDs có tiềm năng ứng dụng rất lớn
trong việc cảm biến xác định các phân tử hữu cơ trong nƣớc và các hạt nano
khác trong dung dịch nƣớc. Do hầu hết các ứng dụng của của C QDs đều
đƣợc phát triển trong môi trƣờng nƣớc để phát hiện ion kim loại bởi khả năng
hòa tan trong nƣớc tuyệt vời nhƣ là một chức năng của các nhóm phân cực ở
bề mặt của chúng.

Hg2+ , K+
Co2+ , Ni2+

Cu2+

,

Pd2+

Cr6+ , Mn2+

Fe3+ , Bi3+

C QDs

Ag+ , Au3+

Cd2+ , Zn2+
Pb2+ , Pt4+

Hình 1.5. Khả năng phát hiện ion kim loại của C QDs.
Việc sử dụng C QDs phát hiện kim loại nặng có độ nhạy cao, tƣơng đối
chính xác, không phá hủy mẫu. Trên thực tế đã thử nghiệm việc phát hiện ion
kim loại nặng Hg2+, Cu2+ của C QDs và thấy đƣợc điều đó.
1.2.1.3. Phương pháp tổng hợp chấm lượng tử cacbon
Có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tổng hợp C QDs và đƣợc
chia thành hai loại chính: phƣơng pháp vật lí và phƣơng pháp hóa học.

12


Phƣơng pháp vật lí :
Sử dụng các thiết bị bốc bay bằng chùm điện tử, hoặc bằng laser công
suất cao (laser ablation), hoặc bằng cách lắng đọng pha hơi các hợp chất cơ
kim hay bốc bay trùm phân tử. Các thiết bị đƣợc sử dụng trong tổng hợp C
QDs bằng phƣơng pháp vật lí thƣờng phức tạp, đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao và

cần có sự đầu tƣ lớn. Tuy nhiên, với một nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam
thì các phƣơng pháp này chƣa hoàn toàn phù hợp.
Phƣơng pháp hóa học:
Phƣơng pháp hóa học thƣờng đƣợc sử dụng là phƣơng pháp điện hóa
và phƣơng pháp thủy nhiệt. Phƣơng pháp điện hóa dựa trên sự ăn mòn điện
hóa của các chất với một điện cực đƣợc làm từ graphitic và một điện cực là
calomen bão hòa (dung dịch điện phân đƣợc sử dụng là NaH2PO4) hoặc điện
cực Ag/AgCl. Tuy nhiên, phƣơng pháp điện hóa này khá phức tạp về cả thiết
bị cũng nhƣ kĩ thuật cũng nhƣ vốn đầu tƣ. Và khắc phục đƣợc những khuyết
điểm đó là phƣơng pháp thủy nhiệt. Phƣơng pháp thủy nhiệt với đầu tƣ về
trang thiết bị không quá lớn, dễ triển khai, sản phẩm tạo thành có thể có giá
thành thấp hơn, thích hợp với điều kiện nghiên cứu và phát triển công nghệ tại
Việt Nam. Hơn nữa, phƣơng pháp hóa học có thể khống chế kích thƣớc các
hạt ở mức độ phân tử để chế tạo vật liệu bán dẫn. Việc khống chế kích thƣớc,
hình dạng hạt có thể thực hiện ngay trong quá trình tạo.

13


Hình 1.6. Bình thủy nhiệt trong phƣơng pháp thủy nhiệt
Phƣơng pháp thủy nhiệt, về nguyên tắc, các tiền chất đƣợc trộn lẫn
trong dung dịch ở điều kiện thƣờng, sau đó tất cả đƣợc đƣa vào bình teflon để
thuỷ nhiệt dƣới nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao, dung môi trong teflon có thể là
nƣớc hoặc dung môi khác sinh ra áp suất cao. Từ đó thúc đẩy quá trình hòa
tan – kết tủa làm giảm các khuyết tật mạng lƣới tinh thể nano và tạo ra vật
liệu có độ đồng nhất cao.
1.2.1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chấm lượng tử cacbon
Ngay sau khi đƣợc phát hiện vào năm 2004, C QDs đã đƣợc nghiên
cứu tổng hợp theo nhiều phƣơng pháp khác nhau. Bằng các phƣơng pháp
nghiên cứu thực nghiệm nhƣ TEM (transmission electron microscope), FT-IR

(fourier transform infrared spectroscopy), XPS, AFM (atomic force
microscope) … ngƣời ta đã mô tả rằng C QDs có cấu trúc gồm hệ liên hợp π
ở giữa và có đính các nhóm chức trên bề mặt. Bảng 1.1 dƣới đây vắn tắt tính
chất quang của C QDs tổng hợp từ các nguồn cacbon khác nhau.

14


Bảng 1.1: Tính chất phát xạ của chấm lƣợng tử cacbon tổng hợp từ các
nguồn nguyên liệu khác nhau

Chất tổng hợp
Axit citric và
etilenđiamin
Axit citric và
ethanolamine
Natri citrate và
ammonium
hydrocarbonate
Glucozo, kali
đihidrophotphat (môi
trƣờng N2)

Phƣơng pháp tổng hợp

Kích
thƣớc
(nm)

Màu phát xạ

Thủy nhiệt 200 oC

2-6

Xanh da trời

Thủy nhiệt 200 oC

2

Xanh da trời

Thủy nhiệt 180 oC

1.59

Xanh da trời

Thủy nhiệt 200 oC

1.83
(3.83)

Xanh da trời
(xanh lá cây)
Xanh da trời,
tím, xanh lá mạ,
vàng
Xanh lá cây

CCl4, NaNH2

Thủy nhiệt 200 C

1-2,
2.5-4

Glucosamine
hidroclorua

Thủy nhiệt 140 oC

15-70

o

Có thể thấy rằng, màu sắc phát xạ chủ đạo của C QDs tổng hợp bằng
phƣơng pháp thủy nhiệt là xanh da trời (blue) mặc dù kích thƣớc của C QDs
có khác nhau. Trong một số trƣờng hợp C QDs tổng hợp bằng phƣơng pháp
khử hóa CCl4 với NaNH2 cho thấy màu sắc phát xạ của C QDs phụ thuộc vào
kích thƣớc; C QDs có kích thƣớc từ 1-2 nm cho phát xạ màu xanh da trời
trong khi C QDs có kích thƣớc 2,5-4 nm cho phát xạ màu vàng. Ảnh hƣởng
của kích thƣớc và các nhóm chức bề mặt đến tính chất quang của C QDs vẫn
là một vấn đề chƣa đƣợc làm sáng tỏ so với các loại chấm lƣợng tử truyền
thống nhƣ CdSe hay PbS.

15