Tổng hợp nano phát quang và khảo sát sự ảnh hưởng của chúng lên sự sinh trưởng của e coli

1

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN/ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP
Tổng hợp Nano phát quang và khảo
sát sự ảnh hưởng của chúng lên sự sinh
trưởng của E. Coli

Người hướng dẫn: Ths. BÙI LÊ THANH KHIẾT
Người thực hiện: TRẦN KHẮC DUY
Lớp

: 14060301

Khoá

: 2014-2019
1


2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN/ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP
Tổng hợp Nano phát quang và khảo
sát sự ảnh hưởng của chúng lên sự sinh
trưởng của E. Coli

Người hướng dẫn: ThS BÙI LÊ THANH KHIẾT
Người thực hiện: TRẦN KHẮC DUY
Lớp

:

14060301
2


3

Khoá

:

2014-2019

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019
LỜI CAM ĐOAN DÀNH CHO BẬC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của ThS BÙI LÊ THANH KHIẾT ;. Các nội dung nghiên cứu,
kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào
trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,
đánh giá được chình tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần
tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường Đại học Tôn Đức Thắng không
liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình
thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày… tháng…năm …

3


4

Lời cảm ơn
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý Thầy cô giảng
viên trong trường Đại học Tôn Đức Thắng, Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hỗ
trợ, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập tại trường. Để hoàn thành khóa luận này,
em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ của thầy cô, gia đình và bạn bè. Với tình
cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Th.S Bùi Lê Thanh Khiết, Người thầy hướng dẫn luôn tận tình chỉ bảo, tạo mọi

điều kiện, hỗ trợ em tốt nhất để có thể hoàn thành khóa luận này.
Cảm ơn các bạn Ngọc Tình đã giúp đỡ mình về kiến thức phần Nano phát quang
Cảm ơn các bạn sinh viên tại trường Đại học Tôn Đức Thắng đã hỗ trợ mình
trong những lúc khối lượng công việc quá nhiều để mình có thể hoàn thành tốt mục
tiêu đề ra.

4


5

Tóm Tắt
Chấm lượng tử đã, đang là một trong những nghiên cứu mang tính đột phá trong
nhiều năm trở lại đây trên toàn thế giới. Việc ứng dụng chấm lượng tử trong sản xuất
và đặc biệt trong ứng dụng như cảm biến sinh học sử dụng trong các báo cáo là vô
cũng đáng kể. Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo phương pháp tổng hợp chấm
lượng tử có lõi là nguyên tố kẽm thay thế cho Cadimi vốn là nguyên tố kim loại độc
cũng như tiến hành khảo sát trên hai chủng vi khuẩn là Escherichia coli nhằm xác
định tính gây độc của hạt nano. Kết quả cho thấy, chấm lượng tử có cấu trúc lập
phương tinh thể. Chấm lượng tử có pha tạp Mn có khả năng phát quang ổn định và
thời gian sống phát huỳnh quang dài. Các chấm lượng tử có được nhóm chức -COOH
trên bề mặt nên có sự tương hợp với tế bào sinh học tốt hơn, giúp tăng khả năng ứng
dụng trong sinh học. Tuy nhiên cần tiến hành nhiều thực nghiệm hơn để xác định nồng
độ phù hợp khi cho chấm lượng tử tương tác và ứng dụng để phát hiện vi sinh vật.

5


6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
E.coli

Escherichia coli

IR

Infrared Spectroscopy

LED

Light-Emitting Diodes

MnCl2

Manganese(II) chloride

MPA

Acid 3-mercaptopropionic

NA

Nutrient agar

NaBH4

Sodium borohydride

QDs

Quantum dots

TEM

Transmission Electron Microscopy

TSA

Trypton soy agar

UV

Ultraviolet

XRD

X-Ray Diffraction

Zn(OAC)2

Zinc acetate

ZnCl2

Zinc chloride

6

7

Danh mục hình
Hình 1.1. E.coli sinh trưởng trên môi trường TSA..com..........................................13
Hình 1.2: Sự phát quang của chấm tử lượng dưới ánh sáng đèn UV......................15
Hình 1.3: Cơ chế phát quang của chấm lượng tử...................................................17
Hình 1.4. Sơ đồ khối của một hệ đo PL...................................................................25
Hình 1.5.: Phổ PL của ZnS: 0.5%Mn2+ với lexc=337nm......................................26
Hình 1.6.: Quang phổ ánh sáng..............................................................................27
Hình 1.7.: Sơ đồ hệ thống hấp thu đo phổ UV-Vis...................................................29
Hình 1.8.: Mô tả nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua.............30
Hình 1.9.: Đề xuất hệ thống “ba trong một” sử dụng Cu2(OH)PO4/PAA QDs [5] 31
Hình 1.10. Bước sóng ánh sáng phát quang của QDs thay đổi theo kích thước......33
Hình 1.11. QDs cải thiện đáng kể tính năng màn hình sử dụng phosphor..............33
Hình 1.12.: Minh họa sự mềm dẻo về kích thước của QDs [10].............................34
Hình 2.1.: Sơ đồ quy trình tổng hợp nano phát quang cấu trúc ZnSe:Mn...............38
Hình 2.2. Sơ đồ dãy pha loãng quantum dots theo bậc 10.......................................42
Hình 2.3. Sơ đồ các bước tiến hành tăng sinh, trải vi khuẩn...................................42
Hình 3.1.: Phổ UV-Vis của QDs ZnSe:Mn ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau......45
Hình 3.2.: Phổ PL của QDs ZnSe:Mn ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau.............46
Hình 3.3.: Hình ảnh QDs ZnSe:Mn dưới đèn UV khi thay đổi nhiệt độ phản ứng...47
Hình 3.4.: Phổ IR của MPA và QD ZnSe:Mn ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau. .48
Hình 3.5.: Giản đồ XRD của QDs ZnSe:Mn ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau...49
Hình 3.6.: Phổ UV – Vis của QDs ZnSe:Mn ở các pH khác nhau...........................51
Hình 3.7.: Phổ PL của QDs ZnSe:Mn ở các pH khác nhau.....................................52
Hình 3.8.: Hình ảnh của QDs ZnSe:Mn ở các điều kiện pH khác nhau soi qua đèn
UV........................................................................................................................... 53
Hình 3.9.: Phổ IR của QDs ZnSe:Mn ở các điều kiện pH khác nhau......................54
Hình 3.10.: Giản đồ XRD của QDs ZnSe:Mn ở các điều kiện pH khác nhau..........55
Hình 3.11.: Hình chụp TEM mẫu QD ZnSe:Mn được tổng hợp ở 700C tại pH = 3 56

Hình 3.12.: Biểu đồ thể hiện cường độ quang mẫu QDs nồng độ từ 10-1-10-7......63
7


8

8


9

Mục Lục
Chương 1: Tổng Quan Nguyên Liệu....................................................................11
1.1.

Tình hình chung.........................................................................................11

1.2.

Tổng quan về vi khuẩn..............................................................................12

1.3.

Vật liệu nano phát quang (chấm lượng tử)..............................................14
1.3.1.

Chấm lượng tử phát quang...........................................................14

1.3.2.

Cơ chế phát quang của chấm lượng tử (QDs)..............................16

1.3.2.1. Hiện tượng phát quang.................................................................16
1.3.2.2. Cơ chế phát quang của chấm lượng tử..........................................17
1.4.

1.5.

1.6.

Phương pháp tổng hợp chấm tử lượng phát quang................................18
1.4.1.

Tổng hợp bằng phương pháp vật lí...............................................18

1.4.2.

Tổng hợp bằng phương pháp hóa học..........................................18

1.4.3.

Vật liệu nano phát quang dựa trên nguyên tố kẽm.....................21

Chất ổn định bề mặt..................................................................................22
1.5.1.

Tác dụng của chất ổn định bề mặt................................................22

1.5.2.

Acid 3-mercaptopropionic (MPA).................................................23

Phương pháp xác định tính chất hóa và cấu trúc vật liệu......................23
1.6.1.

Chiếu đèn UV.................................................................................23

1.6.2.

Phương pháp quang phổ huỳnh quang (Photoluminescence, PL)..
.........................................................................................................24

1.7.

1.6.3.

Phương pháp đo phổ hấp thu hồng ngoại (IR)............................26

1.6.4.

Phổ tử ngoại – khả kiến (Phổ kích thích electron – UV-Vis).......27

1.6.5.

Kính hiển vi điện tử qua (TEM)....................................................29

Ứng dụng của chấm lượng tử...................................................................31
1.7.1.

Chụp ảnh huỳnh quang.................................................................31

1.7.2.

Dẫn truyền thuốc............................................................................32

1.7.3.

Màn hình chấm tử lượng...............................................................32

1.7.4.

Cảm biến sinh học..........................................................................34

1.7.4.1. Cảm biến sàn lọc và chuẩn đoán ung thư.....................................34
9


10

1.7.4.2. Cảm biến phát hiện kí sinh trùng..................................................35
1.7.4.3. Cảm biến hạn chế vi khuẩn gây hại cho thực phẩm......................35
Chương 2: Thực nghiệm.......................................................................................36
2.1. Tổng hợp nano phát quang......................................................................36
2.1.1.

Tổng hợp Nano phát quang ZnSe pha tạp Mn............................36

2.1.1.1. Hóa chất và thiết bị.......................................................................36
2.1.1.2. Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn...........................................38
2.1.2.

Phương pháp phân tích sản phẩm................................................39

2.2. Phương pháp đánh giá của QDs lên E. Coli...........................................40
2.2.1.

Chuẩn bị mẫu vi khuẩn.................................................................40

2.2.1.1. Hóa chất và dụng cụ.....................................................................40
2.2.1.2. Thực hiện......................................................................................41
2.2.2.

Chuẩn bị mẫu QDs.........................................................................41

2.2.2.1. Dụng cụ và hóa chất.....................................................................41
2.2.2.2. Thực hiện......................................................................................41
2.2.3.

Tiến hành Khảo sát QDs và E. Coli..............................................42

3.1. QUANTUM DOTS ZnSe:Mn..................................................................44
3.1.1.

Khảo sát nhiệt độ phản ứng...........................................................44

3.1.2.

Khảo sát pH....................................................................................50

3.2. Khảo sát QDs lên E. Coli.........................................................................57

3.3. Biện Luận Kết quả...................................................................................64
4.1. Kết luận.....................................................................................................65
4.2. Kiến nghị...................................................................................................65
Tài liệu tham khảo.................................................................................................66

10


11

Mở đầu
Quantum dots hay được gọi là chấm lượng tử là một phát minh mang tính đột
phá trong công nghệ nano, bởi cường độ phát quang lớn và ổn định hơn chất màu
truyền thống, có thể còn phát quang nhiều giờ thay thế cho nhiều chất phát quang hiện
tại. Chúng được ứng dụng nhiều trong sản xuất các thiết bị điện tử, cảm biến sinh học
để phát hiện khối u trong cơ thể, theo dõi thời gian thực của các phân tử và tế bào
trong thời gian dài của thời gian, có thể được sử dụng để nhắm mục tiêu các chấm
lượng tử với các protein cụ thể trên tế bào dựa trên việc đánh dấu các peptide, hoặc
trên DNA
Tuy nhiên, hiện tại việc ứng dụng chấm lượng tử trong sinh học hiện còn
đang hạn chế do các chấm lượng tử được tổng hợp hiện tại đa phần đều sử dụng
nguyên tố Cadimi là nguyên tố kim loại có tính độc, gây hại lên vật chủ nếu chấm
lượng tử không ổn định bị tách ra khỏi lõi, dẫn đến hiện tượng thay đổi nồng độ
chất trong cơ thể, làm tắc nghẽn mạch máu hoặc tích tụ trong gan, lách gây độc các
cơ quan này. Vì vậy cần đưa ra các chấm lượng tử mới, có tính ổn định cao không
gây độc hay hạn chế tính gây độc.
Để đáp ứng nhu cầu đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Tổng hợp và khảo
sát hạt nano phát quang nhằm ứng dụng phát hiện vi sinh vật gây bệnh” với
mục tiêu nghiên cứu:
-

Tổng hợp hạt nano phát quang có tính ổn định cao và ưa nước.

-

Khảo sát nồng độ thích hợp để ứng dụng trong phát hiện vi sinh vật
gây bệnh. ( E. Coli )

11


12

Chương 1: Tổng Quan Nguyên Liệu
1.1.

Tình hình chung

Đáp ứng với nhu cầu ngày càng cao của xã hội trong công việc và cuộc sống,
con người đã phải thích nghi với thói quen sinh hoạt và làm việc công nghiệp vì thế
không tránh khỏi việc sử dụng các thực phẩm không rõ nguồn gốc hoặc không đảm
bảo an toàn vệ sinh. Và điều này đã dẫn đến các ca ngộ độc khi ngày nay việc tiêu
thụ các thức ăn nhanh, thức ăn được bày bán bên lề đường, trong các quán xá vốn
không được quản lý, kiểm soát chặt chẽ về độ an toàn trong quá trình chế biến và
bảo quản, đã chiếm đã số. Trên toàn thế giới số ca gây tử vong cho trẻ em dưới 5
tuổi do nhiễm khuẩn nguồn nước còn nhiều hơn nguyên nhân do chiến tranh gây ra.
(WHO 2002). Thống kê cho thấy tiêu chảy gây nên cái chết của 4 tỷ người mỗi năm
và cho 2 triệu trẻ em dưới 5 tuổi đồng nghĩa với việc cứ 15 giây trôi qua là có thêm
một đứa trẻ chết do tiêu chảy (WHO and UNICEF 2000).
Việc nghiên cứu bộ kit phát hiện nhanh, hiệu quả và hiệu năng sử dụng cao

trong kiểm định thực phẩm là cực kỳ cần thiết khi hiện nay vấn đề an toàn vệ sinh
thực phẩm vốn gắn liền với sức khỏe con người được đặt lên hàng đầu với thực
trạng hiện tại. Trung bình một mẫu thực phẩm khi cần kiểm định được đưa về các
trung tâm lớn và hàng đầu cần khoảng 2 – 3 ngày hoặc lâu hơn để chắc chắn chình
xác lượng vi khuẩn khi sử dụng các phương pháp kiểm nghiệm sinh hóa cổ điển kết
hợp với việc sử dụng các phương pháp sinh học phân tử tính chình xác cũng như độ
tin cậy cũng được nâng cao. Nhưng khi tiến hành còn có những bất lợi đáng kể như
thời gian chờ và chi phí để chi trả cho hoạt động kiểm nghiệm trên mỗi mẫu sản
phẩm.
Ứng dụng công nghệ nano trong sinh học đang dần trở nên phổ biến trên toàn
thế giới và ngày càng nhiều những nghiên cứu về sinh học – công nghệ sinh học sử
dụng công nghệ nano như là một phương thức hiệu quả để xác định kết quả, đánh
dấu vị trí ung thư hay là chất mang thuốc. Với kích thước siêu nhỏ chỉ từ một đến
12


13

vài trăm nm việc đưa vào trong các thử nghiệm lâm sàng là vô cùng dễ dàng. Đặc
biệt hiện tại nhiều nhà khoa học trên thế giới đang ứng dụng chấm lượng tử trong
các nghiên cứu khoa học của mình bởi những ưu điểm nổi bật của chúng về quang
học như: cường độ phát quang lớn và ổn định hơn chất màu truyền thống, có thể
còn phát quang nhiều giờ sau khi bị kích thích. Tinh thể nano bán dẫn có phổ hấp
thụ rộng và phổ phát xạ hẹp thuận lợi trong ứng dụng, điều này cho ta kích thích tại
cùng một bước sóng ta có thể kích thích một lúc nhiều các chấm lượng tử với các
kích thước khác nhau, với một khoảng phổ rộng. Cùng với độ nhạy quang, độ chình
xác, độ sáng cùng với thời gian sống dài khi phát quang, tất cả đều nổi trội, tạo ra
nhiều điểm mới mẻ và đặc biệt cho QDs.
1.2.

Tổng quan về vi khuẩn.

Việc khám phá ra sự tồn tại của vi sinh vật không thể không nhắc tới Robert
Hooke, nhà toán học cũng là người đã phát minh ra kính hiển vi, trong cuốn sách
của mình ông đã mô tả cấu trúc của quả thể của nấm dưới sự quan sát thông qua
kính hiển vi. Đây được đánh dấu trong lịch sử của ngành vi sinh vật học như là mô
tả đầu tiên của con người về sinh vật này.
Vi sinh vật được biết như là hệ thống sống đầu tiên trên trái đất, các nhà khoa
học đã tìm ra bằng chứng về những tế bào đầu tiên trên thế giới có niên đại từ
khoảng 3,8 – 3,9 tỷ năm về trước và những thực thể sống này chình là vi sinh vật.
Chọn lọc tự nhiên trong tiến hóa đã phát triển và đa hình hóa những tế bào ban đầu
đó thành những tế bào sống có cấu trúc phức tạp và đa dạng như chúng ta biết tới
ngày hôm nay. Từ những phát hiện đơn giản ban đầu như của nhà khoa học Robert
Hooke đã mở đường cho ngành nghiên cứu này hiện nay việc nghiên cứu vi sinh vật
có vai trò không hề nhỏ tới sự phát triển và tiến bộ của loài người. Trong đó không
thể không nhắc đến sự phát triển của vaccine, việc nghiên cứu và sử dụng như là
một cách phòng bệnh hiệu quả đã đẩy lùi những căn bệnh gây ra nỗi khiếp sợ cho
loài người, đặc biệt là bệnh đậu mùa gây ra bởi Variola major và Variola minor đã
gây ra cái chết cho hàng triệu người ở châu Âu ở thế kỷ 17, 18. Những đóng góp
13


14

không chỉ dừng lại trong việc đảm bảo sức khỏe con người mà còn trong nghiên
cứu các cơ chế sinh hóa học, cấu trúc hóa học, chức năng sinh học của các đại phân
tử và còn nhiều lĩnh vực khác.
Tuy vậy, vẫn có những vấn đề cần xem xét đặc biệt là về các vi khuẩn mang
bệnh truyền nhiễm nguy hiểm hoặc những mầm bệnh về đường ruột thông thường
nhưng vẫn có thể xảy ra tử vong vẫn đang đe dọa hằng ngày tới cuộc sống con

người đặc biệt là các chủng vi khuẩn lây nhiễm qua thức ăn, nguồn lương thực thực
phẩm hằng ngày con người tiêu thụ.

Hình 1.1. E.coli sinh trưởng trên môi trường TSA..com
Nguồn: www.microbiologyinpictures
Trong luận văn này sử dụng loại vi khuẩn gây bệnh trên thực phẩm phổ biến
nhất đó chình là Escherichia coli để khảo sát khả năng sinh trưởng khi có môi
trường có sự xuất hiện của QDs. E. coli là một loại vi khuẩn gram âm.
Đã có những công bố trên thế giới về nhiều loại vi khuẩn có độc tính trên
thực phẩm như : Bacillus subtilis là đại diện cho nhóm vi khuẩn gram dương,
Staphylococcus aureus … Nhưng vì giới hạn về điều kiện và thời gian nên luận văn
này chỉ sẽ tập trung vào E. coli.

Escherichia coli
14


15

-

-

Phân loại: Ngành: Proteobacteria
Lớp:
Gammaproteobacteria
Bộ:
Enterobacteriales
Họ:
Enterobacteriaceae

Chi:
Escherichia.
Đặc điểm sinh học: là vi khuẩn gram âm,
hình que, hiếu khí tùy ý, sinh sản bằng cách nhân đôi không mọc chồi. Phát
triển ở nhiệt độ cơ thể người, đa số các chủng E. coli không gây độc nhưng
có một vài chủng gây độc do tiết ra độc tố shiga, hoặc gây tiêu chảy nếu ăn

-

phải thức ăn bị nhiễm. Ngoài ra còn có thể gây nên sự hội chứng tan máu.
E.coli được sử dụng nhiều trong nghiên cứu như là sinh vật chủ mẫu thay thế
cho động vật đặc biệt là trong sinh học phân tử, ứng dụng để sản xuất protein
tái tổ hợp, nghiên cứu thuốc.

1.3.

Vật liệu nano phát quang (chấm lượng tử).

1.3.1. Chấm lượng tử phát quang
Để đáp ứng với nhu cầu trên đã có hàng loạt những nghiên cứu trong và ngoài
nước về phát hiện sự nhiễm khuẩn trong thực phẩm nhanh chóng và tiện dụng nhất
và tiêu biểu là việc sử dung chấm lượng tử (Quantum dots – QDs). Hạt nano phát
quang (Luminescence nanoparticle – LNP) là hạt có kích thước từ 1 – 30 nm, phát
quang dưới nguồn kích thìch là năng lượng ánh sáng vùng tử ngoại hoặc hồng
ngoại. Chấm lượng tử (Quantum dot – QD) là những tinh thể nano phát quang được
làm từ vật liệu chất bán dẫn mà kìch thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc
tình cơ học lượng tử (thường từ 1 – 10 nm).
Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm 80
của thế kỷ XIX, trong phòng thí nghiệm của Luis Brus tại Bell Laboratories và của
Alexander Efros cùng với Alexei I. Ekimov ở Viện Công Nghệ vật lý A.F. Ioffe ở

St. Peterburg. Thuật ngữ “chấm lượng tử” được Mark A. Reed đưa ra đầu tiên vào
năm 1988. Trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang, mà các exciton
(cặp electron – lỗ trống) của chúng bị giam giữ một cách nghiêm ngặt khi bán kinh
của hạt nhỏ hơn bán kính Borh của electron.
15


16

Đặc tính điện tử của một chấm lượng tử có liên quan chặt chẽ với kích thước
và hình dạng của nó. Hiệu ứng lượng tử thể hiện trong các chấm lượng tử là sự mở
rộng năng lượng vùng cấm (band gap) của chất bán dẫn tăng dần lên khi kích thước
của hạt giảm đi và quan sát được qua sự dịch chuyển về phía các bước sóng ngắn
hơn trong phổ hấp thụ. Tần số của ánh sáng phát ra tăng khi kích thước của các
chấm lượng tử giảm. Do đó, khi kích thước của các chấm lượng tử càng nhỏ màu
sắc của ánh sáng phát ra sẽ chuyển dần từ màu đỏ sang màu xanh. Vì kích thước của
một chấm lượng tử có thể điều khiển được khi chế tạo nó nên ta có thể kiểm soát
tính chất quang của chúng.

Hình 1.2: Sự phát quang của chấm tử lượng dưới ánh sáng đèn UV
Những ưu điểm nổi bật của chấm lượng tử về quang học như: cường độ phát
quang lớn và ổn định hơn chất màu truyền thống, có thể còn phát quang nhiều giờ
sau khi bị kích thích. Tinh thể nano bán dẫn có phổ hấp thụ rộng và phổ phát xạ hẹp
thuận lợi trong ứng dụng, với điều này, tại cùng một bước sóng ta có thể kích thích
một lúc nhiều các chấm lượng tử với các kích thước khác nhau, với một khoảng phổ
rộng. Cùng với độ nhạy quang, độ chính xác, độ sáng cùng với thời gian sống dài
16


17

khi phát quang, tất cả đều nổi trội, tạo ra nhiều điểm mới mẻ và đặc biệt cho QDs
mà không hề có trong các nguyên tử riêng biệt hay trong vật liệu khối có cùng thành
phần hóa học.
Nhờ những tính năng nổi trội đó mà tinh thể nano bán dẫn được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như đèn LED, laser, các tế bào năng lượng mặt trời,
cảm biến sinh học và hóa học. Đây là xu thế ứng dụng được quan tâm nhất hiện
nay.
1.3.2. Cơ chế phát quang của chấm lượng tử (QDs)
1.3.2.1.

Hiện tượng phát quang

Khi một số chất hấp thu năng lượng thì chúng có khả năng phát ra bức xạ điện từ
(trong đó có vùng ánh sáng khả kiến). Hiện tượng đó được gọi là sự phát quang.
Không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Phản xạ, tán xạ, bức xạ nhiệt
cũng là sự phát sáng nhưng chúng không phải là sự phát quang. Để phân biệt,
Vavilop đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát quang của một chất
là sự phát những bức xạ dư ngoài bức xạ nhiệt do chất đó phát ra và có thời gian
phát quang ( ≥ 10

-10

s ) lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng (~ 10

-14

s). Tùy

vào phương pháp kích thích phát quang, người ta phân chia thành một số dạng phát

quang sau:
-

Quang phát quang (Photoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất
phát quang được kìch thìch bằng bức xạ quang học (tia X, UV, ...).

-

Điện phát quang (Electroluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất
phát quang được kìch thìch bằng cách đặt nó trong điện trường.

-

Âm cực phát quang (Cathodoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất
phát quang được kìch thìch bằng cách chiếu vào nó một chùm electron.

-

Hóa phát quang (Chemiluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát
quang được kích thích bằng năng lượng lấy từ các phản ứng hóa học (sự phát
sáng của đom đóm, phosphor, cây mục, ...).
17


18

-

Phóng xạ phát quang (Radioluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất
phát quang được kìch thìch bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ (như các

hạt α, β,γ, ...).
1.3.2.2.

Cơ chế phát quang của chấm lượng tử

Khi tinh thể nano bán dẫn bị kích thích, nghĩa là nhận được một năng lượng
nào đó, electron chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái trong điều
kiện cân bằng, tạo thành các cặp exciton – lỗ trống và chỉ tồn tại trong một thời gian
cực ngắn, sau đó chuyển về trạng thái cân bằng có mức năng lượng thấp hơn. Sự
chuyển dời này có thể kèm theo bức xạ. Trong các chuyển dời có kèm theo bức xạ
thí toàn bộ hoặc phần lớn năng lượng chênh lệch giữa hai trạng thái được giải
phóng dưới dạng photon (sự phát quang).

Hình 1.3: Cơ chế phát quang của chấm lượng tử

1.4.

Phương pháp tổng hợp chấm tử lượng phát quang
18


19

1.4.1. Tổng hợp bằng phương pháp vật lí
Nhóm phương pháp vật lý tổng hợp vật liệu kích thước nano bao gồm:
phương pháp phun nung, lắng đọng hóa nhiệt của tiền chất kim loại - hữu cơ trong
các buồng phản ứng, sử dụng các kỹ thuật laser và các quá trình aerosol khác để
cung cấp nhiệt độ cao trong sự biến đổi khí - hạt. Phương pháp vật lý có nhiều ưu
điểm như độ tinh khiết cao, ứng dụng rộng. Nhưng cũng có nhiều nhược điểm như
cần thiết bị đồng bộ, hiện đại để điều khiển và tổng hợp nano tinh thể đơn pha nên

giá thành sản phẩm cao.
1.4.2. Tổng hợp bằng phương pháp hóa học
Các phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano phát quang đã thu hút nhiều
nhà khoa học. Với ưu điểm điều khiển được kích thước hạt trong quá trình tổng
hợp, có thể thay đổi điều kiện tổng hợp để thu được quá trình tối ưu, tạo hạt nano đa
dạng về hình dáng như hình cầu, thanh thẳng, dạng đĩa, dạng sợi, … Tuy nhiên
phương pháp này có nhược điểm là chỉ tạo được một lượng nhỏ vật liệu nano, khó
đưa vào sản xuất ứng dụng với số lượng lớn.
Phương pháp tổng hợp trong pha hữu cơ và trong pha nước:
Tổng hợp trong pha dung môi hữu cơ (trioctylphosphine – TOP selenide,
trioctylphosphine oxide - TOPO và hexamethyldisilanthiane - (TMS) 2S), cho hiệu
suất quang lượng tử cao nhưng không có khả năng phân tán, muốn phân tán phải
qua xử lý. Việc tổng hợp sẽ phức tạp, nguy hiểm và khó kiểm soát dưới điều kiện
nhiệt độ phòng.
Nhiệt độ phản ứng cao sẽ gây tốn kém năng lượng khi sản xuất ở quy mô lớn.
Các sản phẩm thải ra sau phản ứng (như tác chất không phản ứng hết, dung môi
hữu cơ để rửa và phân tán lại tinh thể nano) không thân thiện và gây ô nhiễm môi
trường xung quanh. Tuy hiệu suất quang lượng tử cao, nhưng phương pháp tổng
hợp trong pha hữu cơ còn nhiều hạn chế về giá cả, nhiều bước chuẩn bị, rửa nhiều,

19


20

không thân thiện với môi trường, thêm vào đó, tinh thể nano có khả năng phân tán
vào nước thấp để đáp ứng nhu cầu ứng dụng cho cảm biến hóa học và y sinh học.
Những vấn đề gặp phải của phương pháp tổng hợp trong pha hữu cơ sẽ được
giải quyết khi tổng hợp trong pha nước.

Bảng: So sánh phương pháp tổng hợp trong dung môi hữu cơ và trong pha
nước
Phương pháp tổng hợp

Trong dung môi hữu cơ

Trong nước

20


21

Trioctylphosphine (TOP),
methanol, butanol, hexane,
Dung môi

chloroform, Oleylamine, n-

Nước, 2-propanol

hexylphosphonic acid(HPA).

Zinc acetate, manganese
Diethyl zinc, mangane

acetate, Se, NaBH4,

Nguồn Zn, Se, Mn và S,

sestearate, TOP selenide,

Na2S, Copper (II),

Cu

Hexamethyldisilathiane,

Chloride.

Copper (II) acetate.

Chất ổn định

Hexamethyldisilathiane.

Nhiệt độ

140-270 0C
Thực hiện qua 3 bước riêng

Các bước phản ứng

lẻ, rửa sau mỗi bước.

3-Mercaptopropionic acid
(MPA)
60-95 0C
Thực hiện qua 3 bước
riêng lẻ, không rửa sau

mỗi bước.

Thời gian phản ứng

9 giờ

3-6 giờ

Hiệu suất huỳnh quang

65%

55%

1.4.3. Vật liệu nano phát quang dựa trên nguyên tố kẽm
Trong hơn một thập kỷ, sự tổng hợp nano phát quang luôn dựa trên nguyên
tố Cadimium (Cd). Tuy nhiên, do Cd là nguyên tố gây độc cho cơ thể con người,
làm hạn chế một số ứng dụng quan trọng trong y học và sinh học liên quan trực tiếp
21


22

đến cơ thể người. Nên một lượng lớn nghiên cứu gần đây đã chuyển hướng sang tìm
kiếm sử dụng một nguyên tố khác giống Cd về phương diện hóa học, nghĩa là vẫn
thể hiện được đầy đủ tính chất của vật liệu nano phát quang, nhưng đồng thời không
độc ứng dụng được trong y học, đó là nguyên tố kẽm (Zn).
Nhiều nghiên cứu gần đây đã chứng minh, khi pha tạp các nguyên tố kim
loại (như Fe, Ni, Mn, Cu) và đất hiếm (Eu, Er, Tm, Tb) vào QDs có thể cải thiện tốt
tính chất quang của vật liệu. Để chọn ion kim loại chuyển tiếp có thể pha tạp vào

QDs, ta dựa vào bán kính ion và năng lượng vùng cấm (band gap) của tinh thể pha
tạp so với ion vật liệu lõi để lựa chọn cho phù hợp.
Bảng: Bán kính của một số ion thường sử dụng để pha tạp trong tổng hợp
QDs
Ion
Bán kính
(A0)

Ni2+

Cu2+

Co2+

Zn2+

Mn2+

Cd2+

Cr2+

Er3+

Ag+

0.69

0.71

0.72

0.74

0.8

0.92

0.94

0.95

1.14

Bảng: Năng lượng vùng cấm của một số loại vật liệu
Vật liệu
ZnS
MnSe
MnS

Eg (eV)
3.8
3.4
3.1
22


23

ZnSe

CdS
CuS
CuSe
CdSe
CdTe
PdS
LnAs
PdTe
PdSe
lnSb
AgSe
1.5.

2.71
2.42
2.1-2.55
2
1.8
1.5
0.37
0.35
0.3
0.27
0.18
1.35

Chất ổn định bề mặt

1.5.1. Tác dụng của chất ổn định bề mặt
Các tiền chất đươc tính toán và sử dụng để tạo phản ứng trong môi trường có

sử dụng chất hoạt động bề mặt. Thông thường các tiền chất được chọn có thể hòa
tan trong dung môi phản ứng. Các dung môi có thể là các dung môi hữu cơ, nhưng
ở đây ta sử dụng dung môi là nước (vì nhiệt độ phản ứng dưới 100 oC). Ở nhiệt độ
phản ứng phù hợp, các tiền chất phản ứng với nhau để hình thành hợp chất bán dẫn
muốn chế tạo. Chất hoạt động bề mặt có chức năng như một phần tử điều chỉnh tốc
độ phản ứng và tốc độ phát triển tinh thể (liên quan đến khả năng điều chỉnh kích
thước của hạt vật liệu) và ngăn cản không cho các hạt vi thể tụ đám với nhau. Do
liên kết của chất hoạt động bề mặt với các tinh thể khác nhau là khác nhau, nên chất
hoạt động bề mặt còn có ý nghĩa điều chỉnh sự phát triển tinh thể theo hướng khác
nhau là khác nhau, cuối cùng là có thể tạo hình dáng tinh thể nano khác nhau. Tính
toán lượng chất hoạt động bề mặt phù hợp cho phép có được sản phẩm có độ đồng
nhất kích thước tốt, với thời gian phát triển tinh thể ngắn và các vi tinh thể không bị
tụ đám. Ngoài ra, với liên kết phân tử với các liên kết hở trên bề mặt hạt vật liệu,

23


24

các phân tử chất hoạt động bề mặt còn có tác dụng thụ động hóa, làm tăng cường độ
huỳnh quang của các tinh thể nano .
1.5.2. Acid 3-mercaptopropionic (MPA)
Việc sử dụng MPA như là một chất ổn định bề mặt đã trở nên phổ biến trên
thế giới trong rất nhiều nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử. Do một số hiệu quả
trong việc phân tán hạt nano trong môi trường nước, với tác dụng như chất ổn định
bề mặt MPA làm giảm thiểu sự phân tán các ion tự do thoát ra ngoài môi trường
giảm việc tăng nồng độ các ion có hại lên tế bào trong ứng dụng sinh học đặc biệt
khi các chấm lượng tử có lõi là Cadimi (Cd) là một nguyên tố kim loại nặng gây
độc.
Nhưng vẫn còn một số nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng MPA như là chất

ổn định bề mặt trong tổng hợp vật liệu nano sẽ mang lại một số hạn chế cực kỳ to
lớn ví như MPA có mang độc tính có khả năng gây ưng thư hoặc ảnh hưởng đến quá
trình sinh sản phát triển bình thường của một số vật chủ trong thử nghiệm.
1.6.

Phương pháp xác định tính chất hóa và cấu trúc vật liệu

1.6.1. Chiếu đèn UV
Chiếu đèn UV là phương pháp đơn giản và nhanh chóng để xác định mẫu
QDs có khả năng phát quang hay không. Bản chất của phương pháp là dùng năng
lượng tia UV có bước sóng khoảng 365nm để kích thích các hạt electron rời khỏi
trạng thái cơ bản, electron sẽ hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng thích hợp để
nhày lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn.
Ở trạng thái kích thích, electron có xu hướng quay về trạng thái cân bằng và
giải phóng một năng lượng E xác định, phát ra photon có tần số và bước sóng tương
ứng với màu sắc ta quang sát được. Tuy nhiên, áp dụng phương pháp này chỉ cho ta
biết được một cách cơ bản cường độ phát quang ứng với một bước sóng nhất định,
không thể dùng để đo đạc chình xác.

24


25

1.6.2. Phương pháp quang phổ huỳnh quang (Photoluminescence, PL)
Quang phổ huỳnh quang là phương pháp dùng để xác định bản chất và nồng
độ của một chất, cấu trúc của vật liệu, … nhờ phân tích bước sóng và cường độ của
bức xạ huỳnh quang. Có độ nhạy và độ chình xác rất cao. Hơn nữa phổ huỳnh
quang khi có mặt của những chất không phát huỳnh quang vẫn có thể được phân
tích thậm chí là khi hỗn hợp có phổ hấp thu che phủ lên nhau. Phổ huỳnh quang cho

các thông tin về cấu trúc vật liệu tốt hơn phổ hấp thụ.
Nguyên lý chình của phương pháp quang phổ huỳnh quang cũng giống như
khi chiếu đèn UV. Quang phổ huỳnh quang (viết tắt là PL) là sự phát xạ ánh sáng
sau khi hấp thụ các photon (bức xạ điện từ). Nó là một trong nhiều hình thức phát
quang và được bắt đầu bởi sự kích thích bằng quang học (bởi các photon) để kích
thích điện tử từ trạng thái cơ bản lên một trạng thái năng lượng cao hơn, đối với
chất bán dẫn thì năng lượng này cần phải lớn hơn hoặc là bằng E g (band gap), điện
tử sau đó quay trở lại trạng thái cơ bản bằng cách tái hợp với lỗ trống, kèm theo sự
phát xạ photon. Đối với QDs phổ huỳnh quang có nguồn gốc từ quá trình tái hợp
phát xạ của cặp điện tử - lỗ trống bị giam giữ trong QDs.

Hình 1.4. Sơ đồ khối của một hệ đo PL

25