Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất chấm lượng tử cacbon (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ SINH

ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT
CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

Hà Nội, 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

NGUYỄN THỊ SINH

ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH
CHẤT
CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

Người hướng 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 hướng cho em có được những tư 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 - trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2, các thầy cô trong khoa, đặc biệt là các thầy cô
trong tổ Hóa lý - Công nghệ môi trường 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 dưới sự
hướng dẫn của TS. Mai Xuân Dũng. Các số liệu và kết quả trong khóa luận là
chính xác, trung thực và chưa được 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 lượng tử
C QDs: Chấm lượng 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. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................2
5. Điểm mới của đề tài .........................................................................................3

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

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

1.2.

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

1.2.1. Giới thiệu về chấm lượng tử Cacbon ......................................................7
1.2.1.1. Mô tả cấu trúc và tính chất của chấm lượng tử Cacbon ...................7
1.2.1.2 . Ứng dụng và tiềm năng của chấm lượng tử Cacbon .......................9
1.2.1.3. Phương pháp tổng hợp chấm lượng tử Cacbon ..............................12
1.2.1.4. Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chấm lượng tử Cacbon
.....................................................................................................................14
1.2.2. Giới thiệu về phần mềm Gaussian ........................................................16
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ............................................................................17
2.1. Tính toán số học: .........................................................................................17
2.2. Tính toán với phần mềm Gaussian..............................................................20
CHƯƠNG 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 lượng 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 lượng 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 thước bị giới
hạn theo 0, 1, 2, 3 chiều. b) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm lượng tử
khi kích thước giảm dần
8
Hình 1.5. Khả năng phát hiện ion kim loại của C QDs.

12

Hình 1.6. Bình thủy nhiệt trong phương pháp thủy nhiệt

14

Bảng 1.1: Tính chất phát xạ của chấm lượng 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
2

Hình 3.2. Kết quả tính toán năng lượng E, hàm sóng ψ và sự phân bố ψ ở
trạng thái cơ bản cho hệ một chiều khi thay đổi chiều cao V (a-g). h) Sự thay
đổi của năng lượng E, và % electron tìm thấy ở hàng rào thế khi thay đổi thế
năng V.
23
2

Hình 3.3. Kết quả tính toán năng lượng E, hàm sóng ψ và sự phân bố ψ 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 hưởng của số nhóm chức đến cấu trúc điện tử của chấm lượng
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 được nghiên cứu rộng rãi bởi sự xuất hiện
những tính chất hóa học và vật lý thú vị và có giá trị khi kích thước giảm
xuống cỡ nanomet. Trong các vật liệu nano đang được quan tâm, chấm lượng
tử - cấu trúc nhỏ của bán dẫn có thể hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử - đã và
đang chứng tỏ có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực quan trọng
như chiếu sáng (LEDs), màn hình, đánh dấu sinh học, y – dược, và nhiều ứng
dụng quang - điện tử khác.
Gần đây, chấm lượng tử cacbon (carbon quantum dots: C QDs) đang
được tập trung nghiên cứu vì những ưu điểm như dễ tổng hợp, phát quang tốt

trong vùng nhìn thấy, bền với môi trường, tan trong nước và đăc biệt là ít độc
hại hơn so với các chấm lượng tử đã được nghiên cứu khá đầy đủ là CdSe hay
PbS. Mặc dù các ứng dụng như LEDs hay đánh dấu sinh học đã được nghiên
cứu thử nghiệm nhưng những vấn đề cơ bản như cơ chế hình thành, cấu trúc,
ảnh hưởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến tính chất quang của C QDs chưa
được làm sáng tỏ bằng thực nghiệm.
Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng tới cấu
trúc điện tử và tính chất quang học của C QDs đặc biệt là kích thước 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 hưởng của kích thước phân tử đến tính chất của chấm
lượng tử cacbon.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đến tính chất của chấm
lượng tử cacbon.
 Nghiên cứu áp dụng phần mềm tính toán Gaussian vào tính toán cho
chấm lượng tử.
3. Nội dung nghiên cứu
 Tổng quan tài liệu: chấm lượng tử cacbon, phương pháp tổng hợp chấm
lượng tử cacbon, tính chất của chấm lượng 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 thước
và nhóm chức bề mặt khác nhau.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và cấu trúc bề mặt đến tính chất
quang của chấm lượng tử cacbon.

4. Phương 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 lượng tử cacbon có
kích thước và cấu trúc bề mặt khác nhau. Từ đó thấy được ảnh hưởng của cả
kích thước và cấu trúc tới chấm lượng tử cacbon.
- Có nhiều nhóm chức bề mặt thì làm giảm độ rộng vùng cấm, hay làm
tăng giá trị của bước sóng kích thích.
- Các phân tử có kích thước khác nhau, kích thước càng lớn thì độ rộng
vùng cấm giảm.

3


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

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

dựng và giải phương trình Schrödinger cho các hệ lượng tử khác nhau. Hệ
lượng tử mặc dù đơn giản nhưng rất có ý nghĩa trong việc tìm hiểu các hiệu
ứng giam hãm lượng tử trong cấu trúc nano là “hạt trong giếng thế một
chiều với thế năng vô hạn”, như 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

x

0

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 lượng 1, 2 và 3 theo trục x bên trong giếng thế.
Phương trình Schrödinger của bài toán là:
�� 2
2��
+
2
����
ħ2

4

Ѱ=0


Kết quả giải bài toán cho hàm sóng và năng lượng tương ứng như sau:
- Hàm sóng:

=

Ѱ�

2

�

sin
�

- Năng lượng:

��� =

�

�

� 2 ��
2 ħ2

2�
��2

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, nhưng kết quả
của nó “năng lượng hạt lượng tử giảm khi kích thước 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 lượng tử đặc thù đối với vật
liệu nano như chấm lượng tử hay graphen.
Ngoài những hiểu biết về ảnh hưởng của kích thước và khối lượng của
vi hạt chuyển động đến năng lượng 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 như ảnh hưởng của các nhóm cấu trúc đến tính chất
của vi hạt. Bằng phương 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 trường liên kết, của nguyên tử đó trong phân tử.
sp2

Chẳng hạn năng lượng liên kết của electron 1s ở nguyên tử C
năng lượng này có thể tăng lên 285.1 eV khi C

sp2

là 284.1 eV;

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 lượng tử có
(bên phải) hay không có (bên trái) lớp vỏ vô cơ có tác dụng giảm thiểu các


nguyên tử chưa bão hòa hóa trị trên bề mặt của chấm lượng tử. Trong những
trường hợp này, việc đánh giá được sự phân bố electron trong hệ có ý nghĩa
quan trọng trong giải thích hoạt tính hóa học của phân tử cũng như tính chất
quang – điện tử của một số cấu trúc nano. Ví dụ, độ rộng vùng cấm của chấm
lượng 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 lượng tử mà thế năng của
electron thay đổi theo vị trí.
Về lý thuyết, ta có thể thiết lập và giải phương trình Schrödinger tương
ứng. Tuy nhiên, giải phương trình Schrödinger khi thế năng V(x) thay đổi theo
vị trí là không hề đơn giản. Chúng tôi đã xây dựng chương 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 được tích hợp trong Microsoft Office ở hầu hết các
máy tính cá nhân. Sử dụng chương trình này, chúng tôi có thể thay đổi V(x)
cho từng trường hợp cụ thể và nhanh chóng đánh giá ảnh hưởng của V(x) đến


sự phân bố electron trong hệ cũng như năng lượng của nó. Sự thuận tiện, đơn
giản, và nhanh là những ưu điểm của phương 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 phương pháp tính toán lượng tử hiện đại như DFT (density
functional theory).

1.2.

Phương 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 được mô tả và tổng hợp bao
gồm chấm lượng tử cacbon, hạt nano cacbon và polymer chứa hạt nano
cacbon. Các cấu trúc này được 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 lượng 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 thước của nó độ rộng vùng
cấm và sự lượng tử hóa các trạng thái năng lượng sẽ khác nhau theo hiệu ứng
giam hãm lượng tử. Với các C QDs tan trong nước, các nhóm chức bề mặt
thường là các nhóm phân cực như –OH, C=O, NH2, hay -CONH …


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 thước bị
giới hạn theo 0, 1, 2, 3 chiều. b) Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm
lượng tử khi kích thước giảm dần
Cấu trúc thứ hai là hạt nano cacbon, cấu trúc gồm lõi có chứa các hệ
liên hợp xếp chồng lên nhau tương tự như 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 thước 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 lượng tử cacbon. Như 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 thước của C QDs như mô tả trên hình 1.4. Giá trị Eɡ của C QDs phụ
thuộc vào kích thước của chúng theo phương trình:



2 2
m
Eg  Eg   2  2

2m R  me
0

R

y

Trong đó: Eg0 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 được sự quan tâm đông đảo
của các nhà khoa học do những đặc tính ưu việt của chúng như dễ tổng hợp,
không độc hại, hiệu suất lượng tử lớn, tan trong nước… 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 mặ t trờ i:
Hiện nay, với nhu cầu sử dụng năng lượng của con người, thì những
nguồn năng lượng truyền thống được cung cấp từ than đá, dầu mỏ và khí đốt
đang ngày một đứng trước những thách thức lớn như cạn kiệt nguồn tài
nguyên, giá cả tăng cao và đặc biệt là vấn đề gây hại cho môi trường sống của
con người. Và một trong các biện pháp người ta đang hướng tới đó chính là
các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, sinh
học, địa nhiệt…. có khả năng thay thế được nguồn tài nguyên thiên nhiên
đang dần bị cạn kiệt mà ít gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sống của con
người. Trong đó, đặc biệt là năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng hữu hạn,
không quá tốn kém để khai thác và luôn sẵn có. Pin mặt trời trở thành một
phương tiện vô cùng hữu ích để có thể chuyển hóa nguồn năng lượng mặt
trời. Cùng với sự nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hiệu quả hơn, ứng dụng của
chấm lượng tử trong lĩnh vực này là rất lớn. Sự thực ngày nay, các thiết bị
biến đổi năng lượng mặt trời chế tạo từ chấm lượng tử đã và đang được rất

nhiều tổ chức khoa học nghiên cứu và phát triển.


Màng mỏng các tinh thể nano bán dẫn được sử dụng thay thế tấm
silicon ép giữa lớp kính như pin mặt trời truyền thống để hấp thụ ánh sáng.
Khi kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin mặt trời chấm lượng tử dễ dàng
hấp thụ được toàn bộ phổ phát xạ của mặt trời, giúp cắt giảm chi phí, đơn giản
hóa khâu sản xuất và có hiệu suất cao.
Cả m biế n quang học:
Trong ngành y học hiện nay, cảm biến huỳnh quang sinh học và điều trị
ung thư là những ứng dụng đang được quan tâm của chấm lượng tử - khi mà
căn bệnh ung thư ngày càng trở nên phổ biến trong xã hội. Ưu điểm kích
thước nhỏ giúp chấm lượng tử lưu thông khắp nơi trong cơ thể và sự phát
quang dưới tác dụng của tia cực tím giúp các chuyên gia dễ dàng quan sát
được 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 ưu việt hơn nhiều. Ví dụ
như: QDs có phổ kích rộng, thời gian phát xạ tương đối dài, có độ sáng tốt….
Trong tương lai, người ta đang hướng đến thiết kế chấm lượng tử mang thuốc
chống ung thư với liều lượng chính xác nhằm vào các tế bào cụ thể, làm giảm
tác dụng phụ không mong muốn cho bệnh nhân mà phương pháp hóa trị
truyền thống có thể mang lại.
Cả m biế n sinh họ c (biosensor):
Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp sử dụng các tác nhân sinh
học như 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 lượng
hoặc bán định lượng đặc trưng. Ngày nay, dưới sự phát triển nhanh chóng của
khoa học và kĩ thuật, cảm biến sinh học cũng đã có được những tiến bộ vượt
bậc . Khi kết hợp với chấm lượng tử hứa hẹn sẽ mang tới cho con người
những vi thiết bị giúp xác định nhanh chóng , chính xác các loại virut, mầm

mống gây bệnh để có biện pháp chữa trị kịp thời. Biosensor sử dụng chấm
lượng tử này có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với các biosensor cổ điển. Điển
hình như: bề mặt chấm lượng 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 thước nhỏ cũng là
một lợi thế vô cùng tốt của chấm lượng tử. Ngoài ra, những biosensor này có
khả năng ứng dụng trong công nghệ môi trường để xác định một số chất độc
hại như lượng dư thuốc trừ sâu, CO2, H2S…
Đá nh d ấ u sinh họ c:
Đánh dấu sinh học - một thuật ngữ không còn mới lạ đối với y học hiện
đại. Chấm lượng tử được sử dụng tối ưu 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
lượng tử đã khiến chúng trở nên lí tưởng hơn trong hiện ảnh sinh học tuy rằng
còn nhiều thách thức. Chấm lượng tử được gắn kết với kháng thể đặc hiệu
với cấu trúc phân tử đích trong tế bào. Chúng có thể được dùng để theo dõi sự
phát triển của các tế bào trong nuôi cấy tế bào. Khi tế bào được đưa vào dung
dịch chấm lượng tử, các chấm lượng tử bắt đầu xâm nhập vào chúng. Vì các
chấm lượng tử có độ bền quang cao nên có thể quan sát sự phân chia tế bào ở
trên được truyền qua cho cả các tế bào con và tín hiệu huỳnh quang có thể
được quan sát trong thời gian dài cho thấy nếu một tế bào trong một cụm tế
bào được đánh dấu với CQDs thì khi tế bào này phân chia,các tế bào con cũng
có chứa chấm lượng tử , từ đó có thể quan sát được các tế bào này. Trong một
số thử nghiệm, người ta đã sử dụng chấm lượng tử để phân biệt giữa tế bào
ung thư và tế bào không ung thư. Chấm lượng tử vẫn còn phát quang trong
hơn một tuần sau khi được gắn với tế bào. Đây là một đóng góp to lớn của
công nghệ nano nói chung và công nghệ chế tạo chấm lượng tử nói riêng đối
với nền y học.


Phá t hi ệ n ion kim loạ i:

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 nước và các hạt nano
khác trong dung dịch nước. Do hầu hết các ứng dụng của của C QDs đều
được phát triển trong môi trường nước để phát hiện ion kim loại bởi khả năng
hòa tan trong nước tuyệt vời như là một chức năng của các nhóm phân cực ở
bề mặt của chúng.

Hg2+ , K+
Co2+ , Ni2+

Cr6+ , Mn2+

C QDs

Cu2+ , Pd2+

Ag+ ,
Au3+

Pb2+ , Pt4+

Fe3+ , Bi3+

Cd2+ , Zn2+

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, tương đối
chính xác, không phá hủy mẫu. Trên thực tế đã thử nghiệm việc phát hiện ion
2+

2+

kim loại nặng Hg , Cu của C QDs và thấy được điều đó.
1.2.1.3. Phương pháp tổng hợp chấm lượng tử cacbon
Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để tổng hợp C QDs và được
chia thành hai loại chính: phương pháp vật lí và phương pháp hóa học.


Phương phá p vậ t l í :
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 được sử dụng trong tổng hợp C
QDs bằng phương pháp vật lí thường phức tạp, đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao và
cần có sự đầu tư lớn. Tuy nhiên, với một nước đang phát triển như Việt Nam
thì các phương pháp này chưa hoàn toàn phù hợp.
Phương phá p hóa họ c:
Phương pháp hóa học thường được sử dụng là phương pháp điện hóa
và phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp điện hóa dựa trên sự ăn mòn điện
hóa của các chất với một điện cực được làm từ graphitic và một điện cực là
calomen bão hòa (dung dịch điện phân được sử dụng là NaH2PO4) hoặc điện
cực Ag/AgCl. Tuy nhiên, phương pháp điện hóa này khá phức tạp về cả thiết
bị cũng như kĩ thuật cũng như vốn đầu tư. Và khắc phục được những khuyết
điểm đó là phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt với đầu tư 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, phương pháp hóa học có thể khống chế kích thước các
hạt ở mức độ phân tử để chế tạo vật liệu bán dẫn. Việc khống chế kích thước,
hình dạng hạt có thể thực hiện ngay trong quá trình tạo.

Hình 1.6. Bình thủy nhiệt trong phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt, về nguyên tắc, các tiền chất được trộn lẫn
trong dung dịch ở điều kiện thường, sau đó tất cả được đưa vào bình teflon để
thuỷ nhiệt dưới nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao, dung môi trong teflon có thể là
nước 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 lưới 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 được phát hiện vào năm 2004, C QDs đã được nghiên
cứu tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau. Bằng các phương pháp
nghiên cứu thực nghiệm như TEM (transmission electron microscope), FT-IR
(fourier transform infrared spectroscopy), XPS, AFM (atomic force
microscope) … người 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 dưới đây vắn tắt tính
chất quang của C QDs tổng hợp từ các nguồn cacbon khác nhau.


Bảng 1.1: Tính chất phát xạ của chấm lượng 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
hydrocarbonat
e
Glucozo, kali
đihidrophotphat

(môi trường N2)

Phương pháp tổng hợp

Kích
thước
(nm)

Màu phát xạ

Thủy nhiệt 200 oC

2-6

Xanh da trời

Thủy nhiệt 200 C

2

Xanh da trời

Thủy nhiệt 180 oC

1.59

Xanh da trời

1.83
(3.83)

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

o

o

Thủy nhiệt 200 C

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
phương pháp thủy nhiệt là xanh da trời (blue) mặc dù kích thước của C QDs
có khác nhau. Trong một số trường hợp C QDs tổng hợp bằng phương pháp
khử hóa CCl4 với NaNH2 cho thấy màu sắc phát xạ của C QDs phụ thuộc vào
kích thước; C QDs có kích thước từ 1-2 nm cho phát xạ màu xanh da trời
trong khi C QDs có kích thước 2,5-4 nm cho phát xạ màu vàng. Ảnh hưởng của
kích thước và các nhóm chức bề mặt đến tính chất quang của C QDs vẫn là
một vấn đề chưa được làm sáng tỏ so với các loại chấm lượng tử truyền thống
như CdSe hay PbS.