Luận văn: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn

Bài viết nghiên cứu chế tạo và đặc tính quang học của hạt nano bạc, đánh giá tiềm năng ứng dụng diệt khuẩn, đóng góp cho lĩnh vực y tế và công nghệ vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Văn A
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Văn C
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Công nghệ Nano
• Đề tài: Chế tạo và Nghiên cứu Tính chất Quang của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng dụng trong Diệt Khuẩn
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO NÓI CHUNG VÀ HẠT NANO BẠC NÓI RIÊNG
• 1.1. Tổng quan về các hạt nano
• 1.2. Các hạt vi cầu
• 1.3. Chấm lượng tử
• 1.4. Các hạt kim loại
• 1.5. Hạt nano bạc
• 1.5.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc
• 1.5.2. Tính chất vật lý của Ag
• 1.5.3. Tính chất quang của nano bạc
• 1.5.3.1. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra)
• 1.5.3.2. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt
• 1.5.3.3. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt
• 1.5.3.4. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào hình dạng hạt – lý thuyết Gans
• 1.5.4. Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO BẠC DẠNG ĐĨA VÀ THỬ NGHIỆM TRONG DIỆT KHUẨN
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hạt nano bạc

Hạt nano bạc là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y tế và công nghệ diệt khuẩn. Hạt nano bạc có kích thước từ 1 đến 100 nm, cho phép chúng thể hiện các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt mà các dạng lớn hơn không có. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano bạc có khả năng diệt khuẩn hiệu quả, nhờ vào diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác mạnh với vi khuẩn. Theo một số nghiên cứu, bạc nano có thể tiêu diệt đến 650 loài vi khuẩn khác nhau. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của hạt nano bạc trong việc phát triển các sản phẩm kháng khuẩn an toàn và hiệu quả.

II. Tính chất và cơ chế hoạt động của hạt nano bạc

Tính chất của hạt nano bạc chủ yếu được xác định bởi kích thước và hình dạng của chúng. Khi kích thước giảm xuống đến thang nano, các hạt nano này bắt đầu thể hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt, cho phép chúng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau. Hiện tượng này không chỉ làm tăng khả năng diệt khuẩn mà còn tạo ra các tính năng quang học độc đáo. Hạt nano bạc có khả năng tương tác với bức xạ điện từ, dẫn đến sự dịch chuyển của các electron dẫn, tạo ra lưỡng cực điện và tăng cường hiệu ứng tán xạ Raman. Điều này có thể được ứng dụng trong việc phát triển các thiết bị cảm biến và các công nghệ quang học tiên tiến.

III. Ứng dụng của hạt nano bạc trong diệt khuẩn

Ứng dụng của hạt nano bạc trong diệt khuẩn đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Các thử nghiệm cho thấy hạt nano bạc có khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn như Salmonella và E. coli. Việc sử dụng hạt nano bạc trong các sản phẩm y tế, như băng gạc kháng khuẩn, đã cho thấy hiệu quả cao trong việc ngăn ngừa nhiễm trùng. Hơn nữa, hạt nano bạc cũng được ứng dụng trong ngành thực phẩm để bảo quản và kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm. Sự an toàn và hiệu quả của hạt nano bạc trong các ứng dụng này đã mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm mới trong lĩnh vực y tế và công nghiệp thực phẩm.

IV. Phương pháp tổng hợp hạt nano bạc

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp hạt nano bạc, bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp sinh học và phương pháp quang hóa. Phương pháp hóa học là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất, cho phép điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt nano bạc thông qua việc thay đổi các điều kiện phản ứng. Phương pháp sinh học sử dụng các tác nhân sinh học để tổng hợp hạt nano bạc, mang lại lợi ích về tính an toàn và thân thiện với môi trường. Phương pháp quang hóa, sử dụng ánh sáng LED xanh, là một phương pháp mới hứa hẹn sẽ tạo ra hạt nano bạc với tính chất quang học tốt hơn. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và ứng dụng của hạt nano bạc trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đã trở thành một cuộc cách mạng trong đổi mới và sáng tạo sản phẩm công nghệ, đặc biệt là các vật liệu kích thước nano với nhiều tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt không có ở vật liệu khối. Trong đó, bạc nano nổi bật với khả năng kháng khuẩn hiệu quả, có thể tiêu diệt đến khoảng 650 loài vi khuẩn, đồng thời không tạo ra sản phẩm phụ độc hại cho môi trường. So với bạc kích thước lớn, bạc nano có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng khả năng tiếp xúc và hiệu quả diệt khuẩn. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng đèn LED xanh, đồng thời thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn với vi khuẩn Salmonella và E. coli.

Mục tiêu nghiên cứu gồm: (1) chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu và các dạng khác nhau; (2) khảo sát tính chất quang của các hạt nano; (3) thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc chế tạo được. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện chế tạo trong phòng thí nghiệm với các biến số như thời gian chiếu LED, nồng độ chất khử, độ pH dung dịch mầm. Ý nghĩa nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ chế tạo nano bạc hiệu quả, ứng dụng trong diệt khuẩn và y sinh, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng các tham số công nghệ đến tính chất quang và hình thái hạt nano bạc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng giam cầm lượng tử: Khi kích thước vật liệu giảm đến thang nano mét, các trạng thái điện tử bị lượng tử hóa, làm thay đổi tính chất quang và điện tử của vật liệu.
• Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt hạt nano bạc khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra các đỉnh hấp thụ đặc trưng trong phổ UV-Vis.
• Lý thuyết Mie và mô hình Gans: Mô tả sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng của các hạt nano kim loại, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh. Lý thuyết Mie áp dụng cho hạt cầu nhỏ, trong khi mô hình Gans mở rộng cho các hạt có hình dạng lệch khỏi cầu như đĩa tam giác, thanh nano.
• Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc: Bao gồm tấn công lớp peptidoglycan thành tế bào vi khuẩn, tạo gốc tự do, tương tác với các hợp chất chứa lưu huỳnh và phốt pho, phá hủy màng tế bào và DNA vi khuẩn.

Các khái niệm chính gồm: hạt nano bạc (AgNPs), phổ hấp thụ plasmon, hiệu ứng SPR, phương pháp quang hóa, hoạt tính kháng khuẩn, ảnh hưởng của pH và thời gian chiếu sáng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu hạt nano bạc chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh (λ ≈ 532 nm). Quy trình gồm hai bước chính: tạo mầm hạt nano bạc dạng cầu bằng phản ứng khử ion Ag+ với NaBH4 trong dung dịch chứa citrate làm chất ổn định; sau đó chiếu sáng bằng đèn LED xanh để kích thích phát triển hạt nano thành các dạng đĩa tam giác, tam giác cụt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phổ hấp thụ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ plasmon để xác định kích thước, hình dạng và sự phát triển của hạt nano theo thời gian chiếu LED và điều kiện pH.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái, kích thước và phân bố hạt nano.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc.
• Thử nghiệm kháng khuẩn: Phương pháp đục lỗ trên đĩa Petri để đo đường kính vùng vô khuẩn đối với vi khuẩn Salmonella và E. coli.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu hạt nano bạc được chế tạo với các điều kiện khác nhau về nồng độ chất khử, pH, thời gian chiếu LED (từ 0,5 đến 76 giờ), nhiệt độ 40-80°C. Phương pháp chọn mẫu dựa trên biến đổi các tham số công nghệ để khảo sát ảnh hưởng đến tính chất hạt nano. Phân tích dữ liệu sử dụng so sánh phổ hấp thụ, hình ảnh TEM và kết quả kháng khuẩn để đánh giá hiệu quả chế tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng thời gian chiếu LED đến hình thái và phổ hấp thụ plasmon:

   • Mầm hạt nano bạc dạng cầu có đỉnh plasmon duy nhất ở 401 nm, kích thước khoảng 8-10 nm.
   • Sau 2 giờ chiếu LED, xuất hiện thêm các đỉnh hấp thụ ở 332 nm, 645 nm, chứng tỏ sự hình thành các hạt nano dạng đĩa tam giác.
   • Khi chiếu LED 5 giờ, đỉnh plasmon dịch chuyển đến 661 nm và 817 nm, kích thước hạt tăng, hình dạng chuyển sang đĩa tam giác cụt.
   • Ảnh TEM xác nhận sự chuyển đổi từ hạt cầu sang đĩa tam giác và tam giác cụt với kích thước cạnh lên đến 41 nm.

2. Ảnh hưởng độ pH dung dịch mầm:

   • Ở pH=6, đỉnh plasmon mầm dịch về bước sóng ngắn hơn (398 nm), cho thấy kích thước hạt nhỏ hơn so với các pH khác (7,4; 8,5; 9,4 đều khoảng 402 nm).
   • Các mẫu ở pH cao hơn có xu hướng phát triển hạt nano lớn hơn và hình dạng đa dạng hơn khi chiếu LED.

3. Cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc:

   • XRD cho thấy cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) với các mặt tinh thể (111), (200), (220), (311) rõ ràng ở mẫu mầm và mẫu đĩa nano.
   • Mẫu đĩa nano có sự dịch chuyển nhẹ các đỉnh (220) và (311) do dao động plasmon và méo mạng tinh thể khi chiếu LED.

4. Hoạt tính kháng khuẩn:

   • Các hạt nano bạc chế tạo có khả năng ức chế vi khuẩn Salmonella và E. coli rõ rệt, thể hiện qua đường kính vùng vô khuẩn trên đĩa Petri.
   • Hiệu quả kháng khuẩn tăng theo kích thước và hình dạng hạt nano, với các hạt đĩa tam giác và tam giác cụt có hoạt tính cao hơn hạt cầu.

Thảo luận kết quả

Sự phát triển hình thái hạt nano bạc từ dạng cầu sang dạng đĩa tam giác và tam giác cụt dưới tác động của ánh sáng LED được giải thích bởi cơ chế dao động plasmon bề mặt kích thích phản ứng hóa học của citrate trên bề mặt hạt. Các dao động plasmon lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo các góc, dẫn đến sự phát triển dị hướng của hạt. Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis và ảnh TEM tương thích chặt chẽ, minh họa rõ ràng sự thay đổi hình dạng và kích thước hạt theo thời gian chiếu sáng.

Độ pH ảnh hưởng đến kích thước và sự ổn định của hạt nano mầm, từ đó tác động đến sự phát triển hình thái hạt nano sau chiếu sáng. Kết quả XRD xác nhận cấu trúc tinh thể bạc ổn định, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc được củng cố bởi cơ chế tấn công màng tế bào vi khuẩn, tạo gốc tự do và tương tác với các thành phần tế bào, phù hợp với các báo cáo trong ngành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis theo thời gian chiếu LED và pH, bảng phân bố kích thước hạt từ ảnh TEM, cùng bảng kết quả đường kính vùng vô khuẩn trong thử nghiệm kháng khuẩn, giúp minh họa rõ ràng mối liên hệ giữa điều kiện chế tạo và tính chất sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thời gian chiếu LED: Khuyến nghị chiếu LED trong khoảng 2-5 giờ để tạo ra hạt nano bạc dạng đĩa tam giác có kích thước và tính chất quang tối ưu, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất nano bạc; Thời gian: ngay trong quy trình chế tạo.

2. Điều chỉnh độ pH dung dịch mầm: Duy trì pH trong khoảng 7,4-9,4 để đảm bảo kích thước hạt nano phù hợp và ổn định, tránh tạo hạt quá nhỏ hoặc không đồng đều. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên phòng thí nghiệm; Thời gian: trong bước chuẩn bị dung dịch mầm.

3. Ứng dụng phổ hấp thụ UV-Vis làm công cụ kiểm soát chất lượng: Sử dụng phổ hấp thụ plasmon để giám sát quá trình phát triển hạt nano, đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu về kích thước và hình dạng. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng; Thời gian: trong và sau quá trình chế tạo.

4. Phát triển sản phẩm ứng dụng diệt khuẩn: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục ứng dụng nano bạc dạng đĩa tam giác trong các sản phẩm y tế, khẩu trang, vật liệu kháng khuẩn và xử lý môi trường. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ sinh học và y tế; Thời gian: giai đoạn phát triển sản phẩm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano và hóa học: Nắm bắt kiến thức về phương pháp chế tạo nano bạc bằng quang hóa, ảnh hưởng các tham số công nghệ đến tính chất hạt nano.

2. Chuyên gia phát triển sản phẩm y sinh và kháng khuẩn: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm diệt khuẩn hiệu quả, an toàn và thân thiện môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị y tế: Tối ưu quy trình sản xuất nano bạc, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Tham khảo để xây dựng các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong y tế và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano bạc được chế tạo bằng phương pháp quang hóa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng LED xanh giúp điều khiển phản ứng bằng ánh sáng, phản ứng dừng khi ngừng chiếu sáng, tạo hạt nano có hình dạng đa dạng và kích thước đồng đều, đồng thời giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại.

2. Tại sao citrate lại quan trọng trong quá trình chế tạo nano bạc?
   Citrate đóng vai trò chất ổn định bề mặt, giữ kích thước hạt mầm trong khoảng 3 nm, đồng thời tham gia phản ứng oxi hóa dưới ánh sáng để kích thích phát triển hạt nano bạc thành các dạng đĩa tam giác.

3. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED đến hình dạng hạt nano bạc như thế nào?
   Thời gian chiếu LED càng dài, hạt nano bạc phát triển từ dạng cầu sang dạng đĩa tam giác và tam giác cụt, kích thước tăng lên, phổ hấp thụ plasmon dịch chuyển về bước sóng dài hơn, tăng hiệu quả quang học và kháng khuẩn.

4. Nano bạc có thể diệt khuẩn hiệu quả với những loại vi khuẩn nào?
   Nano bạc có khả năng diệt khuẩn rộng, bao gồm khoảng 650 loài vi khuẩn, đặc biệt hiệu quả với vi khuẩn Gram âm như Salmonella và E. coli, nhờ cơ chế tấn công màng tế bào và tạo gốc tự do.

5. Làm thế nào để kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano bạc trong quá trình chế tạo?
   Có thể điều chỉnh các tham số như nồng độ chất khử NaBH4, tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3], độ pH dung dịch mầm, thời gian và công suất chiếu LED để kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano bạc theo mong muốn.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo các hạt nano bạc dạng cầu và các dạng đĩa tam giác, tam giác cụt bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh.
• Thời gian chiếu LED và độ pH dung dịch mầm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất quang của hạt nano bạc.
• Các hạt nano bạc chế tạo có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) ổn định và thể hiện phổ hấp thụ plasmon đặc trưng, phù hợp với lý thuyết Mie và Gans.
• Hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc được chứng minh hiệu quả với vi khuẩn Salmonella và E. coli, mở rộng ứng dụng trong y sinh và xử lý môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo và phát triển sản phẩm ứng dụng nano bạc trong lĩnh vực y tế và công nghiệp.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và công nghệ để phát triển các vật liệu nano bạc đa chức năng, khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả trong thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả diệt khuẩn và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hạt nano nói chung và hạt nano bạc nói riêng; Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm chế tạo hạt nano bạc dạng đĩa và thử nghiệm trong diệt khuẩn; Chương 3: Kết quả và thảo luận. Tổng quan về các hạt nano Hạt nano là vật liệu có kích thước từ vài đến hàng trăm nm, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thước nhỏ nên các tính chất lý hóa của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối [2]. Các hạt nano tinh thể được phân tán trong dung môi, vì vậy phải áp dụng các biện pháp cần thiết để tránh hiện tượng kết đám.

Các hạt nano tinh thể thường có dạng cầu, ngoài ra còn có dạng khác như: thanh (rod), trụ (cylinder), lăng trụ (prism), tam giác (triangle), tứ giác (quadrilateral)… Vì kích thước của các hạt nano nhỏ cùng bậc với độ lớn của bước sóng de Broglie của điện tử và lỗ trống ở nhiệt độ phòng, do đó các trạng thái của hạt tải tự do trong hạt nano bị lượng tử hóa. Các hạt nano tinh thể dạng cầu, các điện tử và lỗ trống bị cầm giữ cả ba chiều thì chuyển động của các hạt tải bị quyết định hoàn toàn bởi cơ học lượng tử, vì vậy các mức năng lượng của các hạt nano phụ thuộc vào kích thước hạt của chúng. Bằng cách khống chế kích thước hạt trong quá trình tổng hợp người ta có thể thu được các hạt với tính chất mong muốn. Các hạt có kích thước càng nhỏ thì khoảng cách giữa các mức năng lượng của chúng càng lớn.

Phần dưới đây giới thiệu một số hạt nano tinh thể phát quang chính được sử dụng trong đánh dấu sinh học như: Các chấm lượng tử (QD), các hạt vi cầu, các hạt kim loại. Các hạt vi cầu Các hạt vi cầu là những hạt nano trên nền polymer hoặc silica chứa các chất màu hữu cơ hoặc vô cơ. Chất màu có thể được gắn trên bề mặt hoặc đưa vào trong hạt vi cầu bằng liên kết hóa trị hay liên kết không hóa trị. So với các chất màu hữu cơ thì các hạt vi cầu có độ bền quang cao hơn vì nền polymer và silica bảo vệ các chất màu hữu cơ khỏi oxi hóa.

Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của vi cầu có thể được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi vi cầu với mật độ chất màu 4 lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vì vậy, hạt vi cầu có thể có độ bền quang tương đối tốt. Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu polystyrene có độ bền quang cao gấp 40 lần trong dung môi. Chấm lượng tử Các nano tinh thể trên cơ sở bán dẫn được quan tâm nghiên cứu nhiều từ khoảng ba thập kỷ trở lại đây bởi những tính chất lượng tử đặc biệt thú vị của chúng.

Các tính chất đó là hệ quả của sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước hạt. Về mặt vật lý mà nói, các tính chất lượng tử (trong trường hợp này là sự phụ thuộc của huỳnh quang vào kích thước hạt) xuất hiện nếu cặp điện tử-lỗ trống (exciton) bị cầm giữ trong kích thước nhỏ hơn bán kính Borh của vật liệu khối (bán kính exciton Bohr). Hệ quả của điều kiện này là trạng thái của các hạt tải tự do trong nano tinh thể bán dẫn bị lượng tử hóa và khoảng cách giữa các mức năng lượng (màu của bức xạ) liên quan tới kích thước của hạt. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các chấm lượng tử có kích thước khác nhau được làm từ một số vật liệu [3].1, mỗi vạch biểu diễn khoảng vùng phát quang nhận được từ chấm lượng tử nhỏ nhất (cận trái) đến lớn nhất bên phải (cận phải) của vật liệu nêu tên 5 1.

Các hạt kim loại Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co và các oxit như Fe 2 O 3 , CuO, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích thích quang chính được sử dụng để kích thích quang các hạt kim loại là: 1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kim loại; 2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim loại; 3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán dẫn - kim loại. Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: Phát quang, quang phi tuyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS). Hạt nano bạc 1.

Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc Bạc là kim loại mềm, dẻo, dễ uốn, có hóa trị một, có màu trắng bóng ánh kim nếu bề mặt có độ đánh bóng cao. Bạc có độ dẫn điện tốt nhất trong các kim loại, cao hơn cả đồng, nhưng do giá thành cao nên nó không được sử dụng rộng rãi để làm dây dẫn điện như đồng. Bạc nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao nhất, màu trắng nhất, độ phản quang cao nhất (mặc dù nó là chất phản xạ tia cực tím rất kém) và điện trở thấp nhất trong các kim loại. Các muối halogen của bạc nhạy sáng và có hiệu ứng rõ nét khi bị chiếu sáng.

Kim loại này ổn định trong không khí sạch và nước, nhưng bị mờ xỉn đi trong ôzôn, sulfua hiđrô, hay không khí có chứa lưu huỳnh. Trạng thái oxi hóa ổn định nhất của bạc là +1; có một số hợp chất trong đó nó có hóa trị +2 đã được tìm thấy [4]. Tính chất vật lý của Ag Trạng thái vật chất Rắn Điểm nóng chảy 1.924 °F) Trạng thái trật tự từ nghịch từ Thể tích phân tử 10,27 ×10-6 m³/mol Nhiệt bay hơi 250,58 kJ/mol Nhiệt nóng chảy 11,3 kJ/mol Áp suất hơi 0,34 Pa tại 1234 K Vận tốc truyền âm thanh 2.600 m/s tại 293,15 K Độ âm điện 1,93 (thang Pauling) Nhiệt dung riêng 232 J/(kg. 731,0 kJ/mol Năng lượng ion hóa 2.3 Tính chất quang của nano bạc 3.

Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra) Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance-SPR) là hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt của vật liệu khi bị kích thích bởi ánh sáng tới. Hạt nano kim loại quý nói chung và hạt nano bạc nói riêng có khả năng tương tác mạnh với bức xạ điện từ [5]. Khi bị bức xạ điện từ kích thích, các electron dẫn linh động của các hạt nano này sẽ bị dịch chuyển (Hình 1. Nếu kích thước hạt nano nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng chiếu tới thì sự dịch chuyển của các electron sẽ tạo thành một lưỡng cực điện.

Lưỡng cực điện này sẽ dao động 7 với tần số của ánh sáng kích thích [5]. Trong trường hợp tần số của ánh sáng tới cộng hưởng với tần số nội tại của các electron dẫn tại vùng gần bề mặt của hạt thì ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ mạnh. Trong phổ hấp thụ và tán xạ của hạt nano xuất hiện dải có cường độ cực đại gọi là dải cộng hưởng plasmon bề mặt [6]. Theo lý thuyết Mie, đối với các hạt nano dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: (i) thứ nhất là hình dạng và kích thước của hạt nano, (ii) thứ hai là bản chất của vật liệu, (iii) thứ ba là môi trường xung quanh của hạt nano.

Lý thuyết Mie được áp dụng cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và bỏ qua tương tác giữa các hạt nano [6]. Đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano bạc sẽ dịch về phía bước sóng ngắn khi kích thước hạt giảm và dịch về bước sóng dài khi kích thước của hạt nano bạc tăng lên [6]. Sự dao động plasmon của hạt nano bạc dưới tác dụng của bức xạ điện từ [7]. A trình bày phổ UV-vis của các mẫu hạt nano bạc dạng cầu có kích thước thay đổi từ 5 nm đến 100 nm [6].

Đối với hạt nano bạc không có dạng hình cầu thì đỉnh phổ hấp thụ của chúng sẽ dịch về phía bước sóng dài [5]. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt Hiện tượng tín hiệu tán xạ Raman được tăng cường dựa trên hiệu ứng plasmon bề mặt được gọi là hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface- Enhanced Raman Scattering- SERS). Sự tăng cường tán xạ Raman ở gần bề mặt kim loại được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1974 khi nghiên cứu phổ Raman của pyridine được hấp phụ trên điện cực bạc [5]. Cường độ của các dải phổ tăng cường từ 105-106 lần so với phổ Raman thường của pyridine.

Sau đó, tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được quan sát đối với nhiều loại phân tử hấp phụ trên các màng bạc mỏng nhám và hạt nano bạc [5]. Hiệu ứng SERS được giải thích dựa trên hai cơ chế chính: (i) thứ nhất là cơ chế tăng cường trường điện từ (Electromagnetic enhancement), (ii) thứ hai là cơ chế tăng cường hóa học (Chemical enhancement) [8]. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt Các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của các hạt keo đã được khảo sát chuyên sâu thông qua tán xạ Mie. Lý thuyết Mie mô tả toán lý sự tán xạ của bức xạ điện từ bởi các hạt cầu nhúng trong một môi trường liên tục bằng cách giải phương trình Maxwell cho một sóng điện từ tương tác với một quả cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số giống như vật liệu khối.

Đối với các hạt nano kim loại có kích thước d nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng tới ( 2r  , hoặc một cách gần đúng 2r < max/10) thì dao động của điện tử được coi là dao động lưỡng cực và thiết diện tắt được viết dưới dạng đơn giản:   ( ) Cext ( )  9  m3 / 2V ( )  2 2 (1.1) c [ 1  ]  [ 2 ( ) ]2 m 2 9 Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được thiết diện tán xạ Csca và thiết diện hấp thụ Cabs với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dưới dạng: k 4V 2 2 27  Csca   1  2 (1.2) 18  (1  2 2 )   2  2 4 Trong đó: V  r 3 là thể tích hình cầu,  là tần số góc của ánh sáng tới, 3 c là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không, m và () = 1() + i2() là hằng số điện môi của môi trường xung quanh và của vật liệu hạt.