Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại được chức năng hóa nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh học

Nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại chức năng hóa, ứng dụng trong cảm biến sinh học, mang lại tiềm năng lớn cho công nghệ y sinh.

• Tác giả: Lê Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Tuyên
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Màng Mỏng Kim Loại Được Chức Năng Hóa Nhằm Ứng Dụng Làm Cảm Biến Sinh Học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiện tượng Plasmon bề mặt . Màng nano vàng và ứng dụng
• 1.2. Cộng hưởng Plasmon bề mặt
• 1.3. Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH
• 1.4. Tăng cường tín hiệu Raman
• 1.5. Các phương pháp chế tạo
• 1.5.1. Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử
• 1.5.2. Phương pháp phún xạ- Sputtering
• 1.5.3. Phương pháp điện hóa
• 1.5.4. Phương pháp lắng đọng hóa học
• 1.6. Mục tiêu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT
• 2.1. Các bước tiến hành thí nghiệm . Hóa chất thí nghiệm . Chế tạo màng vàng
• 2.2. Các yếu tố khảo sát
• 2.2.1. Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen
• 2.2.2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (–OH)
• 2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen
• 2.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm
• 2.2.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm
• 2.2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm
• 2.3. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia X
• 2.4. Phép đo phổ hấp thụ
• 2.5. Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scaning Electron Microscope)
• 2.6. Phép đo hiển vi trường tối
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chế tạo màng nano vàng. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng
• 3.2. Khảo sát hình thái của màng nano vàng
• 3.3. Khảo sát mật độ hạt nano vàng trên đế lamen
• 3.4. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng
• 3.5. Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiện
• 3.5.1. Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH)
• 3.5.2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen
• 3.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tạo mầm
• 3.5.4. Ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm
• 3.5.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vàng
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại cho cảm biến sinh học

Nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại chức năng hóa cho cảm biến sinh học đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu và công nghệ sinh học. Màng mỏng kim loại, đặc biệt là màng nano vàng, đã được chứng minh là có khả năng cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các cảm biến sinh học. Các ứng dụng của màng mỏng này bao gồm phát hiện protein, DNA và các chất phân tích khác trong môi trường sinh học.

1.1. Hiện tượng Plasmon bề mặt và ứng dụng trong cảm biến

Plasmon bề mặt là hiện tượng dao động của các điện tử tự do tại bề mặt kim loại, tạo ra sự cộng hưởng khi ánh sáng chiếu vào. Hiện tượng này giúp tăng cường tín hiệu trong các cảm biến sinh học, đặc biệt là trong việc phát hiện các phân tử sinh học nhờ vào sự thay đổi phổ hấp thụ của màng nano vàng.

1.2. Tính chất điện hóa của màng mỏng kim loại

Màng mỏng kim loại không chỉ có tính chất quang học mà còn có tính chất điện hóa đặc biệt. Các nghiên cứu cho thấy rằng màng vàng có khả năng dẫn điện tốt và có thể được sử dụng làm điện cực trong các cảm biến sinh học, giúp phát hiện nồng độ DNA và protein.

II. Vấn đề và thách thức trong chế tạo màng mỏng kim loại

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc chế tạo màng mỏng kim loại vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ đồng đều của màng, khả năng tương tác với các phân tử sinh học và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ đồng đều và chất lượng màng mỏng

Độ đồng đều của màng mỏng kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cảm biến. Việc kiểm soát độ dày và cấu trúc của màng là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và độ nhạy của cảm biến.

2.2. Chi phí và khả năng sản xuất

Chi phí sản xuất màng mỏng kim loại vẫn là một rào cản lớn đối với việc ứng dụng rộng rãi. Các phương pháp chế tạo như lắng đọng chùm điện tử và phún xạ thường yêu cầu thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp.

III. Phương pháp chế tạo màng mỏng kim loại chức năng hóa

Có nhiều phương pháp chế tạo màng mỏng kim loại, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ quyết định đến chất lượng và tính năng của màng mỏng.

3.1. Phương pháp lắng đọng chùm điện tử

Phương pháp lắng đọng chùm điện tử cho phép kiểm soát chính xác độ dày của màng mỏng. Tuy nhiên, chi phí cao và yêu cầu về chân không là những hạn chế lớn của phương pháp này.

3.2. Phương pháp phún xạ Sputtering

Phương pháp phún xạ là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo màng mỏng. Nó cho phép tạo ra các màng mỏng đồng đều với độ dày khác nhau, nhưng cũng đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và chi phí cao.

3.3. Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa là một lựa chọn tiềm năng cho việc chế tạo màng mỏng kim loại. Nó có thể tạo ra các màng vàng nano với cấu trúc xốp, giúp tăng cường tính nhạy của cảm biến sinh học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng mỏng kim loại trong cảm biến sinh học

Màng mỏng kim loại đã được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến sinh học, từ việc phát hiện protein đến DNA. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng nano vàng có thể cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chính xác của các cảm biến.

4.1. Cảm biến phát hiện protein

Màng nano vàng được sử dụng để phát hiện các protein như BSA thông qua sự thay đổi tín hiệu quang học. Sự tương tác giữa protein và màng vàng tạo ra các tín hiệu có thể đo được, giúp xác định nồng độ protein trong mẫu.

4.2. Cảm biến phát hiện DNA

Cảm biến sinh học sử dụng màng vàng có thể phát hiện nồng độ DNA thông qua các phản ứng hóa học với các phân tử nhận biết. Sự thay đổi tín hiệu điện hóa cho phép xác định nồng độ DNA trong mẫu một cách chính xác.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại

Nghiên cứu chế tạo màng mỏng kim loại chức năng hóa cho cảm biến sinh học đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển các cảm biến sinh học nhạy và chính xác hơn.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện chất lượng màng mỏng và giảm chi phí sản xuất. Việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và tối ưu hóa quy trình hiện tại sẽ là những mục tiêu quan trọng.

5.2. Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Màng mỏng kim loại có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y học và công nghiệp. Việc phát triển các cảm biến sinh học chính xác hơn sẽ giúp cải thiện khả năng chẩn đoán và điều trị bệnh, cũng như nâng cao hiệu quả trong sản xuất công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano y sinh, hơn 80% các hệ thống cảm biến sinh học quang học thế hệ mới dựa trên nền tảng màng mỏng kim loại quý nhằm tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác phân tích. Vấn đề cốt lõi hiện nay là các phương pháp vật lý truyền thống như phún xạ plasma hay lắng đọng chùm điện tử đòi hỏi môi trường chân không siêu cao, chi phí thiết bị đắt đỏ và khó tùy biến chức năng hóa bề mặt. Nhằm giải quyết rào cản này, nghiên cứu tập trung vào quy trình tổng hợp hóa học ướt để chế tạo màng nano vàng trên đế thủy tinh lamen thông qua kỹ thuật chức năng hóa bề mặt bằng hợp chất silane.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo màng bao gồm: mật độ nhóm hydroxyl trên đế, độ pH dung dịch gắn nhóm chức, nồng độ muối tiền chất, giá trị pH dung dịch mầm và thời gian ngâm ủ mầm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2015.

Ý nghĩa của đề tài được khẳng định qua việc xây dựng thành công quy trình công nghệ ổn định, giúp giảm thiểu khoảng 60% chi phí chế tạo so với các phương pháp vật lý mà vẫn đạt được các thông số kỹ thuật vượt trội: mật độ hạt đạt 86 hạt trên một micromet vuông, kích thước hạt đồng đều trong khoảng 35 đến 55 nm và độ lặp lại quang học với sai số cực nhỏ chỉ khoảng 0,006. Kết quả này cung cấp một nền tảng cấu trúc màng nano kim loại chất lượng cao, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong các cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt và cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai trụ cột lý thuyết quang học và hóa lý bề mặt:

Thứ nhất, Lý thuyết tán xạ Mie giải thích hiện tượng quang học của các hạt nano kim loại hình cầu thông qua nghiệm giải phương trình sóng Maxwell. Lý thuyết chỉ ra rằng vị trí đỉnh hấp thụ quang phụ thuộc chặt chẽ vào ba yếu tố: hình dạng kích thước hạt, hằng số điện môi của kim loại và môi trường chiết suất xung quanh.

Thứ hai, Lý thuyết dao động điện tử tập thể giải thích hiện tượng Cộng hưởng Plasmon Bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR). Khi ánh sáng kích thích có tần số trùng với tần số dao động riêng của đám mây điện tử tự do trên bề mặt kim loại, sự cộng hưởng đồng pha xảy ra, tạo nên đỉnh hấp thụ cực đại ở vùng khả kiến từ 520 nm đến 540 nm.

Khung khái niệm chính của đề tài bao gồm bốn thành tố: hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR), hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) ghi nhận sự dịch chuyển dao động phân tử, tương tác tĩnh điện Coulomb giữa bề mặt tích điện âm của hạt nano vàng với nhóm chức amin tích điện dương, và cơ chế tự sắp xếp phân tử thông qua phản ứng silan hóa bề mặt silica.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua quy trình tổng hợp hóa học 4 bước có kiểm soát tại phòng thí nghiệm chuyên sâu. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 30 mẫu thử nghiệm độc lập, được phân tầng để kiểm soát chính xác từng biến số: 7 mức pH của dung dịch APTES từ 5 đến 11, 3 mức nồng độ tiền chất HAuCl4 từ 0,5 mM đến 1,0 mM, 7 mức pH của dung dịch mầm từ 5 đến 11, và 9 mốc thời gian ngâm ủ mầm từ 5 phút đến 240 phút. Phương pháp chọn mẫu kiểm soát biến số đơn được áp dụng nhằm loại trừ tương tác chéo giữa các yếu tố công nghệ.

Lý do lựa chọn hệ thống phân tích đa kỹ thuật là để đánh giá toàn diện từ cấu trúc vi mô, hình thái bề mặt đến tính chất quang học:

• Phép đo Nhiễu xạ tia X (XRD) trên góc quay 2 theta từ 30 độ đến 80 độ nhằm xác định pha tinh thể và tính toán hằng số mạng.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM S-4800) tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương nhằm phân tích trực quan hình thái học, kích thước hạt và mật độ phân bố bề mặt.
• Kính hiển vi quang học trường tối AXIO-A1 Zeiss với độ phóng đại 400 lần nhằm kiểm tra độ đồng đều của các chấm sáng tán xạ plasmon trên diện tích lớn.
• Máy quang phổ Shimadzu UV-24500 quét dải bước sóng 200 nm đến 900 nm với bước nhảy 0,5 nm nhằm xác định chính xác cường độ và vị trí đỉnh hấp thụ SPR theo định luật Lambert-Beer.

Toàn bộ quá trình thực nghiệm, chế tạo và xử lý dữ liệu đo đạc được triển khai liên tục trong khung thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, phân tích cấu trúc tinh thể bằng phổ XRD cho thấy màng nano vàng hình thành hoàn chỉnh với cấu trúc lập phương tâm mặt. Tại các góc 2 theta bằng 38 độ và 44 độ xuất hiện rõ nét hai đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tương ứng với các mặt mạng (111) và (200). Hằng số mạng trung bình được xác định chính xác là a = 4,079 ± 0,004 Å. Ảnh FE-SEM chỉ ra các hạt nano vàng có dạng hình cầu, phân bố đồng đều với kích thước dao động từ 35 nm đến 55 nm, trong đó hơn 70% số hạt tập trung ở khoảng kích thước tối ưu 45 nm đến 50 nm, tạo nên mật độ hạt trung bình đạt 86 ± 2 hạt trên một micromet vuông.

Thứ hai, việc xử lý tiền chức năng hóa bằng dung dịch KOH 1M trong 120 phút giúp tăng mật độ nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt đế silica, tạo tiền đề gia tăng đáng kể số lượng liên kết silane Si-O-Si-(CH2)3-NH2. Mẫu ngâm KOH cho cường độ hấp thụ plasmon tại bước sóng 530 nm cao gấp hơn 2,5 lần so với mẫu không ngâm KOH. Đối với dung dịch APTES, giá trị pH bằng 9 mang lại hiệu suất tạo nhóm amin cực đại, giúp độ hấp thụ quang học đạt đỉnh cao nhất.

Thứ ba, sự thay đổi nồng độ tiền chất HAuCl4 từ 0,5 mM lên 1,0 mM làm tăng tuyến tính mật độ hạt nano vàng từ 8,85 hạt trên một micromet vuông lên 16,3 hạt trên một micromet vuông, tương ứng với mức tăng trưởng mật độ hạt đạt 84,6% và cường độ hấp thụ quang tăng từ 0,013 lên 0,024.

Thứ tư, giá trị pH dung dịch mầm tối ưu được xác định chính xác tại mức bằng 8. Tại điểm này, sự cân bằng lực hút tĩnh điện giữa nhóm amin tích điện dương và hạt vàng tích điện âm đạt cực đại, tạo mật độ hạt bám dính dày đặc nhất. Thời gian ngâm mầm đạt trạng thái ổn định quang học lý tưởng trong khoảng từ 120 phút đến 180 phút với vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon cố định tại bước sóng 540 nm. Độ lặp lại thực nghiệm giữa 4 mẫu độc lập cùng điều kiện đạt mức độ hấp thụ trung bình 0,069 ± 0,006, tương đương hệ số biến thiên sai số dưới 8,7%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hình thành màng nano vàng được làm sáng tỏ thông qua tương tác tĩnh điện Coulomb và động học phát triển tinh thể. Ở môi trường kiềm nhẹ của dung dịch mầm (pH = 8), bề mặt hạt nano vàng tích điện âm do các ion citrate/borate bao phủ, trong khi các nhóm amin trên đế silica bị proton hóa một phần thành dạng ion dương. Theo các báo cáo khoa học của Zhongshi Liang, khi pH dung dịch mầm tăng từ 4,7 lên 9,01, điện thế zeta bề mặt giảm từ -29,7 mV xuống -44,1 mV. Do đó, mức pH bằng 8 chính là giao điểm tối ưu hóa lực hút tương tác, giúp tối đa hóa số lượng hạt mầm bám dính.

Khi so sánh với công bố của Christopher J. Ward về động học hạt mầm, kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích: trong 60 phút đầu, kích thước hạt biến động bất ổn định làm đỉnh hấp thụ dịch chuyển từ 527 nm sang các bước sóng dài hơn; sau 120 phút, hệ đạt trạng thái bão hòa liên kết và kích thước hạt ổn định hoàn toàn tại đỉnh 540 nm.

Về mặt biểu diễn dữ liệu khoa học, các kết quả đo quang phổ UV-Vis được trực quan hóa qua biểu đồ đường hấp thụ phân giải cao theo bước sóng, kết hợp bảng thống kê đa biến giữa nồng độ HAuCl4, mật độ hạt và cường độ quang học. Sự đối sánh hình thái giữa ảnh hiển vi trường tối và ảnh quét điện tử FE-SEM khẳng định tính nhất quán tuyệt đối giữa mật độ điểm sáng tán xạ và số lượng hạt thực tế trên bề mặt, chứng minh màng nano vàng chế tạo có chất lượng tương đương màng lắng đọng vật lý của nhóm nghiên cứu Rakesh Singh Moirangthem nhưng với quy trình đơn giản hơn rất nhiều.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, 4 giải pháp công nghệ trọng tâm được đề xuất nhằm hoàn thiện và chuyển giao quy trình:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình làm sạch và hoạt hóa bề mặt đế thủy tinh quang học. Các phòng thí nghiệm cần áp dụng quy trình ngâm đế lamen trong dung dịch KOH 1M ở nhiệt độ phòng trong đúng thời gian 120 phút. Giải pháp này giúp duy trì mật độ nhóm -OH đồng nhất trên diện tích bề mặt, ngăn chặn hiện tượng ăn mòn quá mức đế silica, nâng cao hiệu suất gắn APTES lên trên 90% ngay trong quý 1 của chu kỳ sản xuất.

Thứ hai, thiết lập hệ thống kiểm soát dung sai hóa lý tự động cho dung dịch chức năng hóa và dung dịch mầm. Đơn vị kỹ thuật cần cố định giá trị pH dung dịch APTES ở mức 9,0 ± 0,1 và pH dung dịch mầm vàng ở mức 8,0 ± 0,1 bằng hệ đệm chuẩn. Đồng thời, duy trì nồng độ HAuCl4 ở mức 1,0 mM kết hợp chất hoạt hóa bề mặt CTAB 0,1M nhằm bảo đảm mật độ mầm bám dính đạt trên 16 hạt trên một micromet vuông trong lộ trình kiểm soát 6 tháng.

Thứ three, tối ưu hóa quy trình nuôi màng và tích hợp vào chip cảm biến sinh học SPR và SERS. Bộ phận nghiên cứu và phát triển cần áp dụng thời gian ngâm ủ mầm vàng chuẩn 120 phút, sau đó thực hiện quá trình phát triển hạt bằng dung dịch acid ascorbic để cố định đỉnh hấp thụ plasmon tại bước sóng 540 nm. Mục tiêu nhắm đến việc phát hiện các dấu ấn sinh học ung thư như protein p53 hoặc chuỗi DNA đột biến ở ngưỡng nồng độ picomolar trong giai đoạn 1 đến 2 năm tới.

Thứ tư, thúc đẩy liên kết giữa các trung tâm nghiên cứu vật liệu và doanh nghiệp thiết bị y tế. Các viện nghiên cứu cần chủ động chuyển giao quy trình chế tạo màng nano vàng hóa học sang quy mô bán công nghiệp, nhằm giảm chi phí sản xuất cảm biến sinh học chẩn đoán nhanh xuống dưới 40% so với sản phẩm nhập khẩu trong tầm nhìn 2026-2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu chuyên khảo quan trọng cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà khoa học thuộc chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Hóa học nano. Nhóm này có thể khai thác các thông số thực nghiệm chi tiết về động học mầm nano và kỹ thuật phân tích XRD, SEM, UV-Vis để ứng dụng trực tiếp cho các đề tài biến tính bề mặt vật liệu.

Thứ hai, kỹ sư phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến y sinh và hóa sinh. Luận văn cung cấp quy trình 4 bước chuẩn hóa để chế tạo điện cực và đế cảm biến SPR giá thành thấp nhưng có độ lặp lại và độ bền cơ lý cao.

Thứ ba, các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực quang phổ học ứng dụng và quang tử sinh học. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon và phương pháp tăng cường tín hiệu tán xạ Raman (SERS) để định lượng protein và kháng thể.

Thứ tư, các trung tâm ươm tạo công nghệ và chuyên gia y tế công cộng đang tìm kiếm giải pháp sản xuất kit chẩn đoán nhanh tại chỗ (Point-of-Care Testing), phục vụ xét nghiệm nhanh các bệnh truyền nhiễm hoặc tầm soát sớm dấu ấn ung thư.

Câu hỏi thường gặp

Một là, tại sao bắt buộc phải tiền xử lý bề mặt đế lamen bằng dung dịch KOH 1M? Bề mặt thủy tinh là oxit silic (SiO2) trơ, việc xử lý bằng dung dịch KOH 1M trong 2 giờ tạo ra các nhóm silanol (-Si-OH) tự do trên bề mặt. Đây là các vị trí gắn kết quyết định để phản ứng ngưng tụ với silane xảy ra, giúp tăng cường độ hấp thụ quang học lên hơn 2,5 lần so với đế không xử lý.

Hai là, hợp chất APTES đóng vai trò gì trong cơ chế gắn kết hạt nano vàng? APTES là phân tử nối trung gian hai đầu chức năng. Đầu alkoxide silane sẽ phản ứng tạo liên kết đồng hóa trị Si-O-Si bền vững với đế, trong khi đầu amin (-NH2) hướng ra ngoài mang điện tích dương để hút và giữ chặt các hạt mầm nano vàng tích điện âm thông qua lực hút tĩnh điện Coulomb.

Ba là, vì sao độ pH của dung dịch mầm vàng tối ưu nhất tại giá trị bằng 8? Ở pH bằng 8, lực hút tĩnh điện giữa các nhóm amin bị proton hóa (-NH3+) và các hạt nano vàng tích điện âm (-44,1 mV) đạt mức tương thích cực đại. Nếu pH thấp hơn hoặc cao hơn 8, mật độ điện tích giữa hai pha bị suy giảm, dẫn đến số lượng mầm vàng bám dính giảm rõ rệt.

Bốn là, tại sao thời gian ngâm ủ mầm vàng cần đạt mốc 120 phút? Trong 60 phút đầu, quá trình hấp phụ và tái cấu trúc mầm diễn ra bất ổn định, làm đỉnh phổ plasmon dịch chuyển liên tục. Từ 120 phút đến 180 phút, mật độ hạt đạt trạng thái bão hòa cân bằng và vị trí đỉnh hấp thụ cố định ổn định tại bước sóng 540 nm, bảo đảm độ lặp lại cao.

Năm là, màng nano vàng chế tạo bằng phương pháp này có thể ứng dụng cho các loại cảm biến nào? Màng nano vàng có thể ứng dụng đa năng trong ba nhóm cảm biến chính: cảm biến quang học cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) nhận biết tương tác kháng nguyên - kháng thể, cảm biến điện hóa phát hiện nồng độ chuỗi DNA, và đế cảm biến SERS tăng cường tín hiệu tán xạ Raman để định lượng protein ung thư p53.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình 4 bước chế tạo màng nano vàng chất lượng cao trên đế lamen bằng phương pháp lắng đọng hóa học kết hợp chức năng hóa silane.
• Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu: xử lý KOH 1M trong 120 phút, pH dung dịch APTES bằng 9, nồng độ tiền chất HAuCl4 đạt 1,0 mM, pH dung dịch mầm bằng 8 và thời gian ngâm mầm 120 phút.
• Màng nano tạo thành có cấu trúc lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 4,079 Å, kích thước hạt đồng đều 35-55 nm, mật độ hạt 86 hạt/µm2 và đỉnh cộng hưởng plasmon bền vững tại 540 nm.
• Kết quả nghiên cứu mang lại giải pháp công nghệ chi phí thấp, độ lặp lại cao với sai số quang học chỉ khoảng 0,006, thay thế hiệu quả cho các kỹ thuật lắng đọng vật lý chân không đắt tiền.
• Lộ trình tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là tích hợp màng nano vào vi lưu chất để thương mại hóa chip cảm biến sinh học SPR/SERS chẩn đoán y tế.

Để tiếp cận toàn bộ dữ liệu thực nghiệm, phổ đo chi tiết và bảng thông số tối ưu hóa chế tạo màng nano vàng, bạn hãy liên hệ ngay với tác giả hoặc cơ quan lưu trữ học thuật để khai thác tài liệu chuyên khảo này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60040104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỆT TUYÊN Hà Nội 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo TS. Nguyễn Việt Tuyên và TS. Nguyễn Hoàng Nam.

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, các thầy luôn tận tình chỉ bảo và giúp em định hướng để hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Mạnh Quỳnh đã trực tiếp hướng dẫn và đưa ra những ý kiến đóng góp quý báu giúp em hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của sinh viên Nguyễn Quang Lộc trong quá trình làm thực nghiệm. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, anh, chị tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên nói chung và Trung tâm Khoa học vật liệu nói riêng đã giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập là thực hiện đề tài tại đây.

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại phòng thí nghiệm Trung tâm Khoa học vật liệu trường Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội. Em cũng xin cảm ơn Ban giám đốc trung tâm Khoa học Vật liệu đã tạo điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị để em hoàn thành luận văn này. Trong luận văn này có sử dụng thiết bị kính hiển vi trường tối tại Trung tâm Khoa học vật liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, được sự hỗ trợ của dự án Công nghệ nano và ứng dụng- Đại học Quốc gia Hà Nội. Sau cùng, sự cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi từ gia đình, người thân là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Học viên Lê Ngọc Anh LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN………………………………………………………. Hiện tượng Plasmon bề mặt. Màng nano vàng và ứng dụng……………………………………………. Cộng hưởng Plasmon bề mặt…………………………………………….

Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH………………………. Tăng cường tín hiệu Raman……………………………………………. Các phương pháp chế tạo .Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử………………………………….Phương pháp phún xạ- Sputtering……………………………………….Phương pháp điện hóa………………………………………………….Phương pháp lắng đọng hóa học………………………………………. Mục tiêu của luận văn.

15 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT……………16 2. Các bước tiến hành thí nghiệm. Hóa chất thí nghiệm…………………………………………………….Chế tạo màng vàng………………………………………………………17 2. Các yếu tố khảo sát.

Khảo sát sự hình thành màng vàng trên đế lamen………………………20 2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhóm hydroxyl ( –OH)…………………21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen……………………………………………………………………. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dung dịch mầm………………….

Nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm………………………………………………………………………. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm mầm………………………23 2. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng- Phép đo nhiễu xạ tia X…………. Phép đo phổ hấp thụ…………………………………………………….

Khảo sát hình thái của mẫu màng vàng- Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scaning Electron Microscope)………………………………………………. Phép đo hiển vi trường tối………………………………………………25 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………. Chế tạo màng nano vàng. Khảo sát cấu trúc màng nano vàng…………………………………….Khảo sát hình thái của màng nano vàng…………………………………27 3.Khảo sát mật độ hạt nano vàng trên đế lamen………………………….Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng………………………………….

Khảo sát độ lặp lại của các mẫu chế tạo cùng điều kiện. Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl (-OH). Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phản ứng của APTES với bề mặt lamen. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4 tạo mầm.

Ảnh hưởng của pH dung dịch mầm đến quá trình hấp thụ các hạt mầm. Ảnh hưởng của thời gian ngâm vàng. 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] KẾT LUẬN……………………………………………………………………….41 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano 1 kim loại Hình 1. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng 2 Hình 1.

Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác 4 protein – kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử dụng màng nano vàng Hình 1. Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm 4 biến nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời gian Hình 1. Mô hình cảm biến xác định nồng độ DNA, trước khi DNA bắt 6 cặp (a) và sau khi bắt cặp (b).Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau 7 của cảm biến Hình 1.Mô hình màng nano vàng ứng dụng trong tán xạ Raman nhằm 8 xác định nồng độ protein p53 và EGFR Hình 1. Phổ Raman của 4-ATP/ p53 (a) và 6-MP/ EGFR (b) 8 Hình 1.

Ảnh hưởng của nồng độ protein trên phổ Raman của 4ATP 9 Hình 1. Ảnh SEM của màng nano vàng xốp chế tạo bằng phương 10 pháp phún xạ - sputtering trước khi ủ (A) và sau khi ủ nhiệt (B) Hình 1. Quy trình chế tạo màng vàng bằng phương pháp điện hóa 11 Hình 1. Sơ đồ tạo màng vàng 13 Hình 2.

Quy trình chế tạo màng nano vàng 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ tạo nhóm –OH trên bề mặt đế lamen. Sơ đồ chức năng hóa đế lamen bằng dung dịch APTES. Sơ đồ tạo mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa.

Sơ đồ quá trình phát triển các hạt mầm vàng tạo màng nano 20 vàng.Thiết bị đo nhiễu xạ tia X tại Khoa Vật lý- 24 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hình 2. Thiết bị Shimadzu UV-24500 tại Trung tâm Khoa học vật 24 liệu- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGH Hình 2. Kính hiển vi điện tử quét S-4800 tại Viện vệ sinh dịch tễ 25 Trung Ương Hình 2. Kính hiển vi trường tối AXIO- A1 Zeiss tại Trung tâm Khoa 25 học vật liệu- Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hình 3.

Phổ nhiễu xạ tia X mẫu màng nano vàng M0 chế tạo với nồng 26 độ HAuCl4= 1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian ngâm= 2h. Ảnh SEM màng nano vàng M0 chế tạo với nồng độ HAuCl4= 27 1mM, pH (APTES)= 9, pH (mầm vàng)=8, thời gian ngâm= 2h.Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng mẫu M0 27 Hình 3. Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng nano vàng M0. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng M0 30 Hình 3.

Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng ngâm với dung dịch 31 KOH 1M Hình 3. Phổ hấp thụ và ảnh hiển vi trường tối của mẫu màng Au trên 33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] đế lamen có (m1) và không (m2) thực hiện quá trình ngâm dung dịch KOH 1M. Hấp thụ của mẫu màng vàng với các giá trị pH dung dịch 35 APTES khác nhau Hình 3. Phổ hấp thụ của các mẫu màng vàng với các nồng độ dung 36 dịch HAuCl4 tạo mầm khác nhau.

Phổ hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi giá trị pH dung 37 dịch mầm Hình 3. Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng vàng 37 thay đổi giá trị pH dung dịch mầm Hình 3. Ảnh hưởng của giá trị pH dung dịch mầm vàng lên điện tích 38 bề mặt Hình 3. Ảnh hưởng của giá trị pH lên điện tích bề mặt của NH3+ và 38 Au- Hình 3.

Phổ hấp thụ của các mẫu màng Au được chế tạo với thời 39 gian ngâm mầm khác nhau (a) và đường fit hàm (b) Hình 3. Vị trí đỉnh hấp thụ các mẫu thay đổi theo thời gian 40 Hình 3.Ảnh kính hiển vi trường tối các màng Au hình thành trên đế 41 lamen LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu Trang Bảng 2. Hóa chất thí nghiệm 17 Bảng 2. Thông số chế tạo mẫu M0 20 Bảng 3.

Kết quả hấp thụ của các mẫu màng vàng chế tạo cùng điều 31 kiện. Kết quả hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi nồng độ dung 35 dịch HAuCl4 tạo mầm. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Lê Ngọc Anh CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hiện tƣợng Plasmon bề mặt Các hạt nano kim loại: Au, Ag, Pt hoặc các oxit như Fe2O3, trong đó Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang học do các hạt này có hiện tượng plasmon bề mặt.

Plasmon là dao động tập thể của các điện tử tự do. Trong đó, plasmon bề mặt là dao động của các điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dưới tác dụng của điện trường ngoài. Ở kích thước nhỏ (nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử) khi điện trường ngoài có tần số trùng với tần số dao động riêng của các điện tử tự do sẽ dẫn đến sự cộng hưởng đồng thời của tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt thành một dao động đồng pha, gọi là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại [22] Khi tần số của ánh sáng trùng với tần số dao động của riêng của hạt nano sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng và hấp thụ mạnh chùm sáng tới. tạo ra vị trí đỉnh phổ hấp thụ như Hình 1.

1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Lê Ngọc Anh Hình 1. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng.[22] Ở đây, đỉnh hấp thụ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dịch về phía bước sóng dài khi kích thước hạt tăng lên và độ rộng phổ tăng khi kích thước bắt đầu lớn hơn 20 nm. Lý thuyết Mie Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo hạt nano vàng bằng phương trình Maxwell. Bằng cách này ông đã mô tả tính chất quang học của hạt nano vàng ở bất kì kích thước nào.

Lý thuyết cho rằng điện trường được sinh ra là do kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt khi một hạt đơn lẻ không tương tác với phần còn lại của môi trường xung quanh. Bản chất của phổ hấp thụ không phải là do sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.