Nghiên cứu chế tạo các hạt nano au và ag nhằm ứng dụng phát hiện một số thành phần dược liệu dựa trên phổ tán xà raman tăng cường bề mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

ĐINH HOÀI LINH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
CÁC HẠT NANO Au VÀ Ag NHẰM ỨNG DỤNG
PHÁT HIỆN MỘT SỐ THÀNH PHẦN DƯỢC LIỆU
DỰA TRÊN PHỔ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT

Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN
Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: TS. LÊ THỊ NGỌC LOAN


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề tài là trung
thực, các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn
dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Ngọc Loan, các tài liệu tham khảo đã được
trích dẫn đầy đủ.
Học viên
Đinh Hoài Linh


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình học tập và hồn thành luận văn, tôi đã nhận được sự
ủng hộ, giúp đỡ quý báu từ các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và
người thân.
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới TS.
Lê Thị Ngọc Loan - người đã hướng dẫn trực tiếp, tận tình giúp đỡ, động viên

và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài
luận văn.
Tôi xin được cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, ân cần chỉ bảo và nhiệt tình
giảng dạy của các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học
tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn. Những kiến thức mà các thầy cô đã hết
lòng truyền đạt là nền tảng tri thức vững chắc cho chúng tơi trong q trình
học tập cũng như sau khi ra trường.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi nhận được rất nhiều sự quan
tâm và tạo điều kiện tốt nhất từ các thầy cô giáo trong Khoa học tự nhiên và
Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại Học Quy Nhơn. Tôi xin
bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và các anh
chị trong lớp Vật Lý Chất Rắn – K21 đã động viên, tạo điều kiện tốt nhất,
giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu khoa học.
Quy Nhơn, ngày…tháng…...năm 2020
Học viên

Đinh Hoài Linh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài ...................................................... 2
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................. 7

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 7
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 8
1.1. TỔNG QUAN HẠT NANO VÀNG VA NANO BẠC .......................... 8
1.1.1. Tính chất và ứng dụng các hạt nano Au và nano Ag....................... 8
1.1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano Au và nano Ag ....................... 14
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU ............................. 15
1.2.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 15
1.2.2. Phương pháp chụp ảnh TEM ( transmission electron microscop) . 17
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu phổ hấp thụ ............................................ 19
1.2.4. Phương pháp hồng ngoại (IR) ........................................................ 22
1.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DƯỢC LIỆU .................... 23
1.3.1. Dược liệu piperine và Curcumin .................................................... 23
1.3.2. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) và ứng dụng trong
phân tích thuốc, dược liệu chiết suất từ thực vật ...................................... 31
1.4. SẮC KÝ BẢN MỎNG (THIN LAYER CHROMATOGRAPHY – TLC) ..37


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 39
2.1. CHẾ TẠO CÁC HẠT NANO VÀNG VÀ NANO BẠC BẰNG
PHƯƠNG PHÁP KHỬ ION TỪ MUỐI VÀNG VÀ BẠC ........................ 39
2.1.1.Hóa chất, dụng cụ và các thiết bị chế tạo mẫu ................................ 39
2.1.2. Chế tạo hạt nano vàng (Au) và nano bạc (Ag) ............................... 40
2.1.3. Tiến hành nghiên cứu phổ hấp thụ của nano Au và nano Ag......... 41
2.2. PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP PHỔ SERS VÀ TLC ĐỂ PHÁT HIỆN
DƯỢC LIỆU NHANH PIPERINE VÀ CURCUMIN ................................ 43
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 46
3.1. KẾT QUẢ CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG VÀ NANO BẠC ............ 46
3.1.1. Dung dịch nano bạc ........................................................................ 46
3.1.2. Dung dịch nano vàng ...................................................................... 47

3.1.3. Ảnh TEM của hạt nano Au và hạt nano Ag ................................... 48
3.2. ẢNH SEM CỦA BẢN MỎNG TLC VÀ BẢN MỎNG CÓ GẮN CÁC
HẠT NANO BẠC ........................................................................................ 49
3.3. KẾT QUẢ HẤP THỤ UV-VIS CỦA HẠT NANO Ag VÀ NANO Au .......50
3.4. KẾT QUẢ ĐO HỒNG NGOẠI CỦA PIPERINE VÀ CURCUMIN .. 52
3.4.1. Kết quả đo phổ IR của piperine ...................................................... 52
3.4.2. Kết quả phổ IR của curcumin ......................................................... 54
3.5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT PIPERINE BẰNG PHƯƠNG PHÁP TLC
KẾT HỢP VỚI SERS .................................................................................. 56
3.6. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CURCUMIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TLC
KẾT HỢP VỚI SERS .................................................................................. 64
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 69
4.1. KẾT LUẬN ........................................................................................... 69
4.2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 69
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 71
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao)


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV

Bức xạ vùng tử ngoại

UV-Vis

Phổ hấp thụ quang học

SPR

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

SERS

Surface Enhanced Raman Spectroscopy –
Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

AgNO3

Bạc nitrat

EG

Ethylene glycol

HAuCl4.3H2O Gold chloride trihydrate
Na3C6H5O7

Tri sodium citrate dehydrate

IR

Phổ hồng ngoại

CD

cyclodextrin

TLC

Sắc ký bản mỏng (thin layer chromatography)


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của nano hình cầu [10] ......... 10
Bảng 1.2. Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu nano Ag .......... 11
Bảng 3.1. Số sóng hấp thụ theo tính tốn và quan sát thực nghiệm và các
nhóm chức tương ứng trong phân tử piperine [39], [40] ................ 53
Bảng 3.2. Các kiểu dao động của phân tử curcumin trong nghệ [41] ............ 54
Bảng 3.3. Các đỉnh dao động Raman thu được từ hình 3.11 .......................... 58


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý tương tác giữa điện tử và vật liệu..................................16
Hình 1.2. Sơ đồ ngun lý kính hiển vi điện tử qt ................................................17
Hình 1.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua .................................................................18
Hình 1.4. Cơng thức cấu tạo của piperine..................................................................24
Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của các cyclodextrin ......................................................24
Hình 1.6. Phở FT-Raman của piperine ngun chất (A), quả ớt xanh nguyên vẹn
(B), hạt tiêu đen (C) và hạt tiêu đen oleoresin (D)................................25
Hình 1.7. Ba thành phần chủ yếu trong curcuminoid ...............................................26
Hình 1.8. Cơng thức hóa học chung của curcuminoid .............................................26
Hình 1.9. Cơng thức hóa học của Demetoxycurcumin ............................................27

Hình 1.10. Cơng thức hóa học của Bisdemetoxycurcumin .....................................27
Hình 1.11. Quá trình hình thành và di căn khối u và tác động của curcumin ......29
Hình 1.12. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [22] .......................................31
Hình 1.13. Mẫu sắc ký bản mỏng ...............................................................................37
Hình 2.1. Quy trình chế tạo hạt nano Au ...................................................................41
Hình 2.2. Máy đo phở hấp thụ UV – Vis Jenway 6800 ...........................................42
Hình 3.1. Dung dịch hạt nano Ag được tởng hợp bằng phương pháp khử
hóa học ......................................................................................................46
Hình 3.2. Dung dịch nano Au được chế tạo bằng Phương pháp khử hóa học từ
tiền chất HAuCl4 ..........................................................................................................47
Hình 3.3. Ảnh TEM của các hạt nano Au .................................................................48
Hình 3.4. Ảnh TEM của các hạt nano Ag .................................................................48
Hình 3.5. Ảnh SEM bản mỏng sau khi chạy sắc ký với curcumin .........................49


Hình 3.6. Phở hâp thụ UV-vis của các hạt nano Ag (màu xanh, phía dưới) và nano
Au (màu đỏ, phía trên) ............................................................................51
Hình 3.7. Phở hấp thụ hồng ngoại của các phân tử piperine....................................52
Hình 3.9. Phở IR của phân tử curcumin.....................................................................54
Hình 3.10. Cấu trúc phân tử curcumin .......................................................................55
Hình 3.11. Mẫu sắc ký bản mỏng ...............................................................................56
Hình 3.12. Phở Raman của phân tử piperine ngun chất .......................................57
Hình 3.13. Phở SERS của Piperine trên bản sắc kí trước và sau khi đính các hạt
nano Ag.....................................................................................................59
Hình 3.14. Phở Raman của piperine trên bản sắc kí được đính các hạt nano Ag ..60
Hình 3.15. Phở SERS của piperine tại 5 vị trí khác nhau tại vệt piperine trên bản
mỏng TLC ................................................................................................61
Hình 3.16. Mơ hình các hạt nano Ag phủ lên các phân tử piperine trên TLC ......62
Hình 3.17. So sánh phở của piperine ngun chất và piperine đính các hạt
nano Ag.....................................................................................................63

Hình 3.18. Vết curcumin trên bản mỏng TLC theo tỷ lệ dung mơi khác nhau......64
Hình 3.19. Phở IR curcumin (hình trên) và phở Raman (hình dưới) ......................65
Hình 3.20. Phở Raman phân tử curcumin trên TLC (hình trên) và
Ag/curcumin/TLC ...................................................................................66
Hình 3.21. Phở Raman (hình trên) của Ag gắn TiO2/Curcumin/TLC và ảnh SEM
tương ứng (hình dưới) .............................................................................66
Hình 3.22. Phổ SERS (màu đen, phía dưới) và phổ Raman của curcumin (màu đỏ,
phía trên) của curcumin...........................................................................67


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vàng nano và bạc nano là những vật liệu kích thước nano không những
đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu khoa học mà cả các
ngành cơng nghiệp vì tính ứng dụng của nó đối với cuộc sống con người.
Các hạt nano vàng có đặc tính điện và từ đặc biệt do hình dạng và kích
thước của chúng, vì vậy chúng đã nhận được sự quan tâm đặc biệt trong các
lĩnh vực nghiên cứu, đặc biệt trong lĩnh vực gắn thẻ sinh học, cảm biến hóa
học và sinh học, quang điện tử, liệu pháp nhiệt quang, ghi ảnh sinh học, ghi
nhãn ADN, theo dõi và phân phối thuốc, làm chất xúc tác và điều trị ung thư,
. Một ứng dụng nữa của các hạt Au dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon
bề mặt trong các bộ cảm biến màu sắc dựa trên hạt nano vàng có thể phát hiện
các ion kim loại khác nhau bằng cách làm việc trên nguyên tắc thay đổi màu
sắc do sự kết hợp các hạt nano vàng. Những loại cảm biến này đã được sử
dụng rộng rãi để phát hiện đồng, chì, thủy ngân và arsenic trong nước. [1][2] .
Bạc được biết đến như một trong những chất sát trùng tự nhiên có tính
kháng khuẩn cao và ít độc nhất, không ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Các nghiên cứu về nano bạc cho thấy nano bạc có khả năng kháng khuẩn vượt

trội so với bạc khối; có khả năng giết chết hơn 650 loại vi khuẩn, trong đó có
vi rút HIV. Ngồi ra, các hạt nano bạc cũng sẽ giúp tạo ra các oxygen hoạt
tính từ trong khơng khí hoặc từ trong nước và từ đó phá hủy các màng tế bào
của vi khuẩn. Vì vậy, ngày nay hạt nano bạc được sử dụng trong sản xuất
vật liệu tiêu dùng có khả năng kháng khuẩn. [3][4]
Một trong những tính chất đặc biệt của các hạt nano Au và nano Ag là
tính plasmonic, từ thời cở xưa tính chất này các hạt nano Au và Ag đã được
ứng dụng làm trang trí trong các cửa kính trong các nhà thờ xưa. Nhờ hiện
tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (LSPR) các kim loại quý, các hạt nano Au


2
và nano Ag cũng đang được khai thác sử dụng nhiều trong quang xúc tác,
điện hóa, và đặc biệt là trong kỹ thuật phân tích Raman tăng cường bề mặt
(SERS).[2] Kỹ thuật phân tích SERS cho tín hiệu Raman ngay ở nồng độ thấp
và là kỹ thuật đo không phá hủy mẫu và khơng địi hỏi phải khâu chuẩn bị
mẫu phức tạp nên kỹ thuật này đang được quan tâm nhiều trong phân tích các
chất, đặc biệt dược chất chiết suất từ thiên nhiên. Thông thường phổ Raman
hoặc phổ SERS của một loại phân tử, đặc biệt phân tử hữu cơ, bao gồm nhiều
đỉnh và phức tạp. Do vậy để có thể triển khai ứng dụng kỹ thuật này trong
thực tế thì SERS thường kết hợp với các phương pháp sắc ký, đặc biệt là sắc
ký bản mỏng (TLC), để phân tách các chất trước khi khảo sát SERS. Do đó
việc kết hợp kỹ thuật SERS và TLC có thể giúp phân tách và phát hiện nhanh
thành phần cũng độ tinh khiết hoặc chất lượng sản phẩm đang thu hút các
nghiên cứu hiện nay trong nước và thế giới.
Nhận thấy được tiềm năng của hạt nano Au và nano Ag, và ứng dụng
trong phân tích dựa trên phương pháp SERS (kết hợp với TLC) chúng tôi
chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo các hạt nano Au và Ag nhằm ứng dụng
phát hiện một số thành phần dược liệu dựa trên phổ tán xạ Raman tăng
cường bề mặt” để nghiên cứu. Hi vọng kết quả đề tài sẽ là tài liệu tham khảo

bở ích cho bạn đọc, góp phần ứng dụng thực tiễn trong các kỹ thuật phân tích
các chất, đặc biệt là trong lĩnh vực phân tích thuốc và dược liệu .
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
2.1. Một sớ nghiên cứu tiêu biểu
2.1.1. Nghiên cứu nước ngồi
Năm 2009, Perault và Chan đã phát minh ra phương pháp mới để tổng
hợp vàng nano (phương pháp Perault), sử dụng hydroquione để khử HAuCl4
trong dung dịch có chứa sẵn các hạt vàng nano. Trong phương pháp này, các
hạt vàng nano có thể đóng vai trị là chất cầu nối với hydroquinone để xúc


3
tác việc khử các ion vàng trên bề mặt. Sự tồn tại các chất ởn định như các ion
citrate có thể tạo ra việc mọc các hạt có kiểm sốt. Phương pháp này có thể
tạo ra các hạt nano với kích thước rất lớn, khoảng 30-250 nm.
Năm 2010, nhóm tác giả Eah phát minh phương pháp Martin. Phương
pháp này tạo ra các hạt vàng nano trong nước bằng việc khử HAuCl4 bởi
NaBH4. Mặc dù không sử dụng các chất hoạt động bề mặt như citrate,
nhưng các hạt vàng nano có sự phân tán cao.
Wei và cộng sự đã sử dụng chitosan làm làm chất khử và chất ổn định
để tổng hợp nano bạc và vàng. Sản phẩm thu được có màu đỏ tía và có cực
đại hấp thụ tại bước sóng 520 nm.
Cùng thời gian đó, Sun và cộng sự cũng đã tổng hợp thành công vàng
nano dạng cầu chỉ sử dụng chitosan vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định.
Kết quả cho thấy các hạt vàng nano dạng cầu đã được hình thành với kích
thước trung bình 27,58 nm nhưng kém đồng đều, thể hiện ở giá trị sai số
chuẩn (SD) lớn (SD = 12,27).
2.1.2. Nghiên cứu trong nước
Năm 2013, Huỳnh Thị Mỹ Linh đã tổng hợp được hạt nano bạc từ dung
dịch bạc nitrat bằng tác nhân khử dịch chiết suất từ lá bàng có dạng hình cầu

với kích thước từ 9,25 nm – 26 nm, và hạt nano bạc tổng hợp được là tinh
khiết tại trường đại học Đà Nẵng [5].
Vào năm 2015, tại trường đại học Huế, Lê Thị Lành đã tổng hợp được
vành nano dạng cầu có kích thước trong khoảng 8 – 15 nm và vàng nano dạng
thanh với đường kính khoảng 15 nm  76 nm. Qua nghiên cứu khả năng
kháng khuẩn của hai loại vàng nano cho thấy, cả hai loại vàng nano này đều
có khả năng ức chế được sự phát triển của vi khuẩn [6].
Vào năm 2015, Hồ Thị Thanh Nhàn, đã tổng hợp thành công nano vàng
dạng que bằng phương pháp nuôi mầm trung gian. Các que nano vàng có độ


4
đơn phân tán cao và kích thước cỡ 15 nm × 60 nm [3].
2.2. Vật liệu nano vàng
Vật liệu nano vàng có rất nhiều tính chất đặc trưng và có khả năng ứng
dụng trong thực tiễn rộng rãi trên nhiều lĩnh vực nên đang nhận được sự quan
tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu. Các hạt nano vàng có kích thước từ 1 100 nano mét có tính chất quang, tính chất điện rất độc đáo. Đặc biệt, là sự
thay đổi màu sắc theo kích thước hạt. Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng
plasmon bề mặt gây ra.
Hiệu ứng Plasmon bề mặt là một tính chất quan trọng của vật liệu vàng
có kích thước nano. Nhờ vào tính chất này, vàng nano được ứng dụng rộng rãi
trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong việc chuẩn đoán và điều trị ung thư. Đây
cũng nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng tán xạ Raman tăng cường bề
mặt (SERS).
2.3. Vật liệu nano bạc
Bạc được biết đến và sử dụng trong hàng nghìn năm nay để trang trí,
làm trang sức, đơn vị tiền tệ, đặc biệt là kiểm tra độc, và kháng khuẩn.
Hạt nano bạc có diện tích bề mặt lớn nên có khả năng kháng khuẩn tốt
hơn so với vật liệu khối do khả năng giải phóng ion Ag+ hơn,
Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon. Hiện tượng này

tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc
với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ, kích thước của hạt.
Do có tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thường được sử dụng làm chất
khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi,…
2.4. Tán xạ Raman
Tán xạ Raman là tán xạ khơng đàn hồi của một sóng điện từ với vật
chất. Sự khác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ tương
ứng với năng lượng dao động của mạng tinh thể hoặc của phân tử. Tán xạ


5
Raman là một công cụ rất hữu ích để xác định cấu trúc phân tử. Trong hiệu
ứng tán xạ Raman, ánh sáng tới được tán xạ không đàn hồi bởi vật liệu và tần
số của nó bị dịch đi một khoảng bằng năng lượng dao động của phân tử của
vật liệu đó. Vì vậy, phở tán xạ Raman cung cấp thông tin về các dao động
phân tử và do mỗi loại phân tử đều có một số loại dao động đặc trưng nên nó
cho ta biết thành phần phân tử của chất được phân tích.
2.5. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt ( Surface Enhanced Raman
Spectroscopy – SERS )
Việc nghiên cứu tán xạ Raman lại bị hạn chế rất nhiều do xác suất xảy
ra rất thấp của nó. Người ta đã tính ra rằng, trung bình chỉ có một photon bị
tán xạ Raman trong số 106-108 photon rơi vào vật liệu. Chính vì vậy mà
cường độ của tín hiệu Raman đo được thường rất yếu. Đối với các phân tử có
nồng độ thấp rất khó để thu được tín hiệu Raman. Tuy nhiên, vào năm 1974,
khi nhóm nghiên cứu của Fleischmann đã phát hiện ra rằng sự có mặt của một
điện cực bạc nhám sẽ làm cho cường độ tín hiệu Raman của pyridin hấp thụ
trên bề mặt điện cực đó tăng lên nhiều lần. Người ta gọi hiệu ứng này là tán
xạ Raman tăng cường bề mặt-SERS. Từ đây bắt đầu kỷ nguyên của “Tán xạ
Raman tăng cường bề mặt” – kỹ thuật phân tích xác định lượng vết của các
phân tử hữu cơ và sinh học.

Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa rõ các lý do cụ thể gây ra
SERS. Tuy nhiên, các nghiên cứu công bố đều đồng ý rằng nguyên nhân chủ
yếu gây ra SERS là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon
Resonance – SPR), trong đó plasmon là khái niệm dùng để chỉ dao động tập
thể của các điện tử tự do của kim loại. Giới hạn phát hiện của kỹ thuật SERS
phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của các đế SERS. Một trong những vấn đề
được quan tâm chủ yếu về SERS trong thời gian gần đây là chế tạo các đế
SERS với độ nhạy cao, dễ chế tạo, giá thành rẻ và có độ lặp lại tốt. Rất nhiều


6
các nghiên cứu đã được thực hiện để chế tạo ra các đế SERS sử dụng các hạt
nano kim loại quý, trong đó loại đế phở biến nhất là dung dịch dạng huyền
phù của các hạt nano kim loại. Các đế SERS loại này được báo cáo là cung
cấp sự tăng cường SERS khá tốt nhưng lại có nhược điểm lớn là kém ổn định
và độ lặp lại không tốt do các hạt nano kim loại liên tục chuyển động và
thường bị tụ lại với nhau. Một cách tiếp cận để khắc phục được các hạn chế
trên là gắn cố định các hạt nano kim loại trên một đế rắn có bề mặt gồ ghề,
hoặc các hệ dây nano sắp xếp thẳng hàng. Trong cách tiếp cận này thì các hạt
nano kim loại được sử dụng nhiều nhất là hạt nano vàng và bạc, nhờ có độ ởn
định cao, có cộng hưởng rộng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần nên
cho hiệu suất tăng cường SERS rất tốt.Đây là phương pháp đã được phát triển
để phát hiện một lượng rất nhỏ các phân tử hữu cơ có trong dung dịch, và
đang được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau.
2.6. Một số ứng dụng của phổ SERS hiện nay
- Phương pháp phân tích dựa trên SERS có độ nhạy rất cao và hiện nay
được quan tâm nghiên cứu để phát hiện các chất độc hại có trong thực phẩm,
sữa, các kim loại nặng trong nước, …
- Do cường độ tín hiện SERS mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu
Raman thơng thường, người ta có thể phát triển các thiết bị SERS đơn giản,

cầm tay phục vụ phân tích hiện trường như: phát hiện ma túy, chất nở, tiền
giả, chữ kí giả, …
- Ngồi ra, phở SERS cịn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
như: Địa chất, đá quý, Khảo cổ, mỹ thuật , Khoa học vật liệu, Y học, Bào chế
dược phẩm.
Hiện nay có rất nhiều các nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng kết hợp
hai phương pháp SERS và TLC nhưng theo tài liệu mà chúng tơi có thì chưa
có nghiên cứu phở SERS nào về hai phân tử piperne và curcumin.


7
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
- Tổng hợp thành cơng hạt nano vàng và nano bạc.
- Tìm hiểu, nghiên cứu khảo sát phương pháp quang phổ Raman tăng
cường bề mặt ( SERS) và TLC để phát hiện dược liệu pepirine (chiết suất từ
cây hồ tiêu) và curcumin (được chiết suất từ nghệ).
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng:
- Hạt nano Au.
- Hạt nano Ag.
- Đế SERS dựa trên vật liệu nano Au, Ag.
- Phổ SERS của các phân tử piperine và curcumin
 Phạm vi nghiên cứu:
Hạn chế trong nhóm vật liệu nano kim loại quý: Au, Ag, … và hai loại
phân tử piperine và curcumin (đã được chiết tách và cung cấp từ Bộ
mơn Hóa học, Khoa khoa học tự nhiên Trường Đại học Quy Nhơn).
5. Phương pháp nghiên cứu
Chủ yếu phương pháp thực nghiệm
- Tổng hợp các hạt nano Au, Ag bằng phương pháp khử ion các muối
kim loại Au, Ag.

- Các phương pháp khảo sát mẫu như:
+ Phổ Raman, UV-vis, IR
+ Ảnh SEM/TEM
+ TLC dựa trên vật liệu SiO2


8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN HẠT NANO VÀNG VA NANO BẠC
1.1.1. Tính chất và ứng dụng các hạt nano Au và nano Ag
1.1.1.1. Tính chất của hạt nano Au và nano Ag
a. Tính chất của hạt nano Au
+ Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại phụ thuộc vào điện trở của nó, điện trở của
nó nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong vùng dẫn. Mật độ electron tự
do trong vàng kim loại là 5,90 1022 cm-3. Vàng có tính dẫn điện rất tốt chỉ
kém bạc và đồng, và được dùng làm dây dẫn điện trong một số thiết bị tiêu
thụ nhiều điện năng. Đối với vật liệu vàng khối, các lí giải vật lý về độ dẫn
điện dựa trên cấu trúc vùng năng lượng. Điện trở của vàng cũng chính là
nguyên nhân chủ yếu gây nên sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong
mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon) [7].
+ Tính chất từ
Kim loại quý như vàng có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù
trừ cặp điện tử. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại
chuyển tiếp sắt, cơ ban, niken,…thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ
làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ
trường và khơng có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng
từ hồn tồn bằng khơng.[8].

+ Tính chất nhiệt
Kim loại vàng ở dạng khối có nhiệt độ nóng chảy rất cao 1063,4 0C. Vì
nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số
các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên


9
bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên
trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn.
Như vậy, nếu kích thước của các hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
Ví dụ: hạt vàng 2 nm có Tnc=5000C, kích thước 6 nm có Tnc=9500C.
b. Tính chất của hạt nano Ag
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn, có những tính chất
độc đáo như sau [9]:
- Khơng có độc hại đối với sức khỏe con người với liều lượng cao,
khơng có phụ gia hóa chất.
- Nano Ag Có khả năng phân tán ởn định định trong các dung mơi
khác nhau .
- Tính chống nấm, khử mùi,khử khuẩn, có khả năng phát xạ tia hồng
ngoại đi xa, chống tĩnh.
- Nano Ag không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác
nhân oxy hóa khử thơng thường, độ bền hóa học cao.
- Chi phí sản xuất thấp và ổn định ở nhiệt độ cao.
Vật liệu nano có những tính chất khác hẳn so với vật liệu khối đã
nghiên cứu trước. Sự khác biệt về tính chất này được giải thích từ hai hiện
tượng sau:
 Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử (gọi là tỉ số ) của vật liệu gia tăng. Do nguyên tử trên bề

mặt có nhiều khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở trong lòng vật
liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm dần thì hiệu ứng có liên quan đến các
các ngun tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng do tỉ số
kích thước của vật liệu giảm đến nano thì tỉ số

tăng. Khi

này tăng lên đáng kể. Hiệu

ứng bề mặt ln có tác dụng với tất cả các giá trị kích thước,hạt có kích thước


10
càng bé thì hiệu ứng bề mặt càng lớn và ngược lại [10].
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của nano hình cầu [10]

Đường kính
hạt nano

Sớ

Tỉ sớ nguyên

nguyên tử trên bề mặt

Năng lượng bề
mặt (erg/mol)

Năng lượng bề
mặt/Năng lượng

tử

(%)

10

30.000

20

4,08×1011

7,6

5

4.000

40

8,16×1011

14,3

2

250

80

2,04×1012

35,3

1

30

90

9,23×1012

82,2

(nm)

tổng (%)

 Hiệu ứng kích thước:
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã
làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống.
Các tính chất của vật liệu đều có một độ dài đặc trưng.Độ dài đặc trưng của
các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm (Bảng 1.2). Ở vật liệu
khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các
tính chất vật lí đã biết.Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được
với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay
đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây khơng có sự
chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu
nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính

chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem
xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem
xét tính chất khác thì lại khơng có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt
luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng


11
đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho
dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so
với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta
sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của
dịng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của
sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử
trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dịng và thế khơng cịn nữa mà tỉ lệ
gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử,
ħ là hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính
chất bị thay đởi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm
đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong
các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp
mang lại (giam hãm lượng tử). Bảng 1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của
một số tính chất của vật liệu [10].

Bảng 1.2. Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu nano Ag

Tính chất

Điện

Từ

Thơng sớ

Độ dài đặc
trưng (nm)

Bước sóng của điện tử

10-100

Quãng đường tự do trung bình khơng đàn hồi

1-100

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Vách đơ men, tương tác trao đổi

10-100

Quãng đường tán xạ spin

1-100

Giới hạn siêu thuận từ

5-100

12

Quang

Siêu dẫn

Cơ

Xúc tác
Siêu phân
tử

Hố lượng tử (bán kính Bohr)

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Hấp thụ Plasmon bề mặt

10-500

Độ dài liên kết cặp Cooper

0.1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Bán kính khởi động đứt vỡ

1-100

Sai hỏng mầm

0.1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Miễn dịch Nhận biết phân tử

1-10

1.1.1.2. Ứng dụng của hạt nano Au và nano Ag
a. Ứng dụng của hạt nano Au
+ Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano
Thường thì người ta sử dụng kháng sinh để diệt vi khuẩn nhưng nhược
điểm của kháng sinh là sử dụng thường xuyên sẽ gây ra hiện tượng kháng
thuốc, gây rối loạn hệ tiêu hóa của người và động vật. Để giải quyết vấn đề đó
người ta tăng cường sử dụng các hạt nano kim loại đặc biệt là nano vàng bởi
nó có diện tích bề mặt lớn và có khả năng chống oxi hóa bề mặt. Khả năng
kháng kháng khuẩn của nano vàng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của
chúng. [11]


13
Năm 2011, Zawrah và cộng sự [12] đã thử nghiệm thành công về khả

năng ức chế được sự phát triển của vi khuẩn với đường kính vịng vơ khuẩn
khoảng 13 mm của vàng nano dạng cầu.
+ Nano vàng được sử dụng để xác định hàm lượng melamin trong sữa
Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng melamin
trong thực phẩm như xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzym sắc, ký
khí ghép nối khối phở…Nhược điểm của những phương pháp này tốn thời
gian, phức tạp, thiết bị đắt tiền. Để khắc phục những nhược điểm này, các nhà
khoa học đã sử dụng các hạt nano vàng để xác định melamin trong sữa và các
sản phẩm từ sữa [13], [14], khi thêm melamin vào vàng nano có thể dùng
mắt thường để nhận biết sự thay đổi màu của dung dịch từ đỏ tía sang màu
tím (hay xanh tối)
+ Nano vàng được ứng dụng trong lĩnh vực y học.
Trong lĩnh vực y học nano vàng nhờ vào khả năng tương thích sinh học
cao và nhờ vào kích thướt gần giống như tế bào mà các hạt nano vàng được
dùng để dẫn truyền thuốc, phát quang tạo ảnh sinh học, dùng để cảm biến và
lắp vào ADN [15]. Đặc biệt nano vàng cịn có một tính chất rất đặc biệt đó là
hiệu ứng plasmon bề mặt. Nhờ tính chất này mà nano vàng được ứng dụng
trong chẩn đoán và điều trị ung thư [16], [17].
Nano vàng còn được ứng dụng trong lĩnh vực làm đẹp như ngăn ngừa
quá trình lão hóa, tăng độ hấp thu các chất dinh dưỡng cho da và nhờ có tính
kháng khuẩn cao mà nano vàng được ứng dụng để giải độc cho da, làm sạch
da [9].
+ Một vài ứng dụng khác.
Bên cạnh những ứng dụng trên các hạt nano vàng còn được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [18], [19], điện hóa [20] …
b. Ứng dụng của hạt nano Ag


14
Ứng dụng các hạt nano bạc để khử khuẩn trong đồ dùng gia đình đang

được nhiều hãng sản xuất lựa chọn do đảm bảo được sự an toàn về sức khoẻ.
Hiện nay, tính năng khử khuẩn bằng hạt nano bạc đã được ứng dụng
vào nhiều loại thiết bị gia dụng như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy giặt, ... và
một số dụng cụ đựng thực phẩm như bình sữa trẻ em, bát đĩa, máy khử độc
hoa quả…
Ngoài ra, nano bạc còn ứng dụng sản xuất sợi nhân tạo dùng dệt vải,
khăn quần áo có chức năng kháng khuẩn, chống hơi. Trong lĩnh vực hóa học
polimer để sản xuất PET, PP, PA, các hạt nhựa sẽ được trộn chung vào các
hạt nhựa khơng chứa Nano bạc khác trong q trình sản xuất, kéo sợi. Nano
bạc không chỉ tẩm, phủ lên bề mặt mà được đưa vào trong sản phẩm qua qui
trình nóng chảy dùng sản xuất tấm ra trải giường, khăn lau chén, bát, thảm
trải nền nhà, túi bọc tấm đệm giường, quần áo (tạp dề, vớ (tất), t-shirts…)
cũng như các sản phẩm vệ sinh khác như quần áo cho bệnh viện, quần áo bảo
vệ, khẩu trang. Ngoài ra, nano bạc cịn dùng trong các quy trình sản xuất khác
như sản xuất nhựa nhiệt dẻo, quy trình phun ép các bộ phận, các bình chứa,
chai… hoặc ống nhựa dẫn chất lỏng, nước.
1.1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano Au và nano Ag
- Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng các tác nhân
hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Để các hạt phân tán tốt trong
dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh
điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng
phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt nano tạo thành bằng
phương pháp này có kích thước từ 10 nm đến 100 nm [21].
- Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp này sử dụng chùm tia laze
với bước sóng ngắn bắn lên vật liệu khối đặt trong dung dịch có chứa chất
hoạt hóa bề mặt. Các hạt nano được tạo thành với kích thước khoảng 10 nm


15
và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt [21].

- Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lý dùng các tác nhân vật
lý như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia
laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý,
có nhiều q trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung mơi để
sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại [21].
- Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim
loại. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để
thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường
và có thể tạo hạt với số lượng lớn [21].
- Phương pháp khử hóa lý: Đây là phương pháp trung gian giữa hóa
học và vật lý. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm
để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thơng thường chỉ có thể tạo được
màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử
kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bám lên điện cực âm. Lúc
này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt
nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [21].
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
1.2.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Vào những năm 60, bắt đầu phở biến Kính hiển vi điện tử qt
(Scanning Electron Microscopy - SEM). Việc phóng đại ở đây khơng dựa vào
nguyên tắc dùng các thấu kính như hiển vi quang học hoặc hiển vi điện tử
truyền qua. Cách tạo ảnh phóng đại theo phương pháp qt thực hiện như
hình 1.1. và hình 1.2. Phương pháp này được sử dụng để khảo sát cấu trúc bề
mặt mẫu. Thông qua mỗi loại điện tử hay tia X do mẫu phát ra ta có thể xác
định được một số tính chất của mẫu như kích thước trung bình của hạt, sự
phân bố các hạt trên bề mặt mẫu (đồng nhất hay không đồng nhất).


16
Nguyên lý của phép đo SEM được trình bày như hình 1.1

(1)

(5)

(3)
(4)

(2)

(6)

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý tương tác giữa điện tử và vật liệu

Khi chùm điện tử (1) tới đập vào mẫu (2), từ bề mặt mẫu phát ra các
điện tử tán xạ ngược (3), điện tử thứ cấp (4), bức xạ tia X (5), điện tử hấp thụ
(6).
Trong kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử sơ cấp được phát ra từ
súng phóng điện tử, sau đó được gia tốc bằng điện thế từ 1 ÷ 50 kV giữa catot
và anot rồi đi qua thấu kính hội tụ quét lên bề mặt mẫu vật đặt trong buồng
chân không. Khi chùm tia electron đập vào mặt mẫu, các electron va chạm
vào các nguyên tử ở bề mặt mẫu. Từ đó có thể phát ra các electron thứ cấp,
các electron tán xạ ngược, các bức xạ như tia X. Mỗi loại tia hoặc bức xạ nêu
trên đều phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chùm tia electron chiếu đến.
Ví dụ, số electron thứ cấp phát ra phụ thuộc vào độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số
electron tán xạ ngược phụ thuộc nguyên tử số, bước sóng tia X phát ra phụ
thuộc bản chất nguyên tử ở bề mặt mẫu (hình 1.1).