Luận văn thạc sĩ chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano agau nhằm phát hiện chất mầu xanh methylene bằng phương pháp tán xạ raman tăng cường bề mặt

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano AgAu và khảo sát tính chất quang để phát hiện chất màu xanh methylene qua tán xạ Raman.

• Tác giả: Vương Hồng Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đắc Diện
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano AgAu nhằm phát hiện chất mầu xanh methylene bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cấu trúc nano AgAu trong phát hiện chất màu xanh methylene

Nghiên cứu cấu trúc nano AgAu đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu và hóa học. Các cấu trúc này không chỉ có tính chất quang học độc đáo mà còn có khả năng phát hiện các chất màu hữu cơ như chất màu xanh methylene. Việc phát hiện này chủ yếu dựa vào phương pháp tán xạ Raman, một kỹ thuật mạnh mẽ trong phân tích hóa học. Nghiên cứu này nhằm mục đích tối ưu hóa các cấu trúc nano AgAu để nâng cao hiệu suất phát hiện chất màu xanh methylene.

1.1. Tính chất quang học của cấu trúc nano AgAu

Cấu trúc nano AgAu có tính chất quang học đặc biệt nhờ vào hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Các hạt nano này có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng, tạo ra các tín hiệu mạnh mẽ trong phổ tán xạ Raman. Điều này giúp tăng cường độ nhạy của phương pháp phát hiện chất màu xanh methylene.

1.2. Ứng dụng của tán xạ Raman trong phát hiện chất màu

Phương pháp tán xạ Raman đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả trong việc phát hiện các hợp chất hóa học. Đặc biệt, với sự hỗ trợ của cấu trúc nano AgAu, khả năng phát hiện chất màu xanh methylene ở nồng độ thấp trở nên khả thi hơn. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về cơ chế và ứng dụng của phương pháp này.

II. Thách thức trong việc phát hiện chất màu xanh methylene bằng tán xạ Raman

Mặc dù phương pháp tán xạ Raman có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát hiện chất màu xanh methylene. Các yếu tố như độ nhạy của thiết bị, sự ổn định của cấu trúc nano và điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Việc hiểu rõ các thách thức này là cần thiết để cải thiện hiệu suất phát hiện.

2.1. Độ nhạy của phương pháp tán xạ Raman

Độ nhạy của phương pháp tán xạ Raman phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước và hình dạng của cấu trúc nano. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc nano AgAu có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của phương pháp này, nhưng vẫn cần tối ưu hóa thêm.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến kết quả phân tích

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến tín hiệu tán xạ Raman. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ion có thể làm thay đổi tính chất quang học của cấu trúc nano, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phát hiện chất màu xanh methylene.

III. Phương pháp chế tạo cấu trúc nano AgAu hiệu quả

Việc chế tạo cấu trúc nano AgAu là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này. Các phương pháp chế tạo khác nhau có thể ảnh hưởng đến tính chất quang học và khả năng phát hiện của cấu trúc. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp chế tạo hiệu quả và những ưu điểm của từng phương pháp.

3.1. Phương pháp hóa ướt trong chế tạo nano

Phương pháp hóa ướt là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo cấu trúc nano AgAu. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó tối ưu hóa tính chất quang học của chúng.

3.2. Phương pháp vật lý trong chế tạo nano

Phương pháp vật lý, như lắng đọng hơi hóa học, cũng được sử dụng để chế tạo cấu trúc nano AgAu. Phương pháp này có thể tạo ra các lớp nano đồng nhất và ổn định, giúp cải thiện hiệu suất phát hiện chất màu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc nano AgAu có khả năng phát hiện chất màu xanh methylene với độ nhạy cao. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng phương pháp tán xạ Raman có thể phát hiện chất màu ở nồng độ thấp, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực phân tích hóa học và môi trường.

4.1. Kết quả thí nghiệm phát hiện chất màu

Các thí nghiệm cho thấy rằng cấu trúc nano AgAu có thể phát hiện chất màu xanh methylene ở nồng độ thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp tán xạ Raman trong việc phát hiện các hợp chất hóa học.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực môi trường

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực hóa học mà còn có thể áp dụng trong việc giám sát chất lượng nước và phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường. Cấu trúc nano AgAu có thể được sử dụng như một cảm biến hóa học hiệu quả.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về cấu trúc nano AgAu trong phát hiện chất màu xanh methylene đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực phân tích hóa học. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa, đặc biệt trong việc phát triển các cảm biến hóa học nhạy bén.

5.1. Tương lai của cấu trúc nano AgAu

Cấu trúc nano AgAu có tiềm năng lớn trong việc phát triển các công nghệ mới. Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các đặc tính quang học và mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể khám phá thêm về các cấu trúc nano khác và sự kết hợp của chúng với các vật liệu khác để nâng cao hiệu suất phát hiện. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp tán xạ Raman trong phân tích hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Sự tổng hợp và tính chất của hạt nano kim loại quý (như bạc, vàng) đã được nghiên cứu rộng rãi qua nhiều thập kỷ, không chỉ vì các tính chất độc đáo của chúng, mà còn vì các ứng dụng tiềm năng của chúng trong xúc tác, điện tử, quang điện tử, lưu trữ thông tin, cảm biến sinh học và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) [1– 3]. Các hạt nano có thể tồn tại như các yếu tố cấu trúc phổ biến hoặc vật liệu tổng hợp, và chúng có sự đa dạng chức năng rộng so với vật liệu khối. Tính chất vật lý và hóa học của các hạt nano kim loại quý hầu hết được xác định bởi các tham số sau: kích thước, hình dạng, và thành phần [4]. Do đó, việc kiểm soát các tham số này là vô cùng quan trọng trong việc điều chỉnh tính chất của các cấu trúc nano.

Bên cạnh đó, chúng ta đều biết rằng các cấu trúc nano lưỡng kim Ag-Au đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt do đặc tính plasmonic độc đáo của chúng và khả năng ứng dụng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS). Đặc biệt, hiện nay, các cấu trúc nano kim loại quý đã mở ra một hướng nghiên cứu mới nhờ vào các tính chất quang lý thú của nó. Kể từ khi SERS được phát hiện năm 1974 bởi Fleischmann, Patrick J. Hendra và James A [5].

McQuillan khi quan sát tín hiệu tán xạ Raman của pyridin hấp phụ trên một điện cực điện hóa bằng bạc có bề mặt gồ ghề, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhóm nghiên cứu thuộc các lĩnh vực khác nhau do những tiềm năng ứng dụng to lớn này [5]. Phổ tán xạ Raman là một công cụ đặc biệt hữu ích trong việc phân tích và nhận biết các hợp chất. Với SERS, người ta có thể phát hiện phổ Raman của đơn phân tử với sự tăng cường lên tới 1014 lần. Các nano kim loại quý như bạc (Ag) và vàng (Au) với cấu trúc và hình dạng khác nhau đã được nghiên cứu rộng rãi để nhằm ứng dụng cho SERS do sự phụ thuộc rất lớn giữa tính bất đẳng hướng của nó với trường điện từ (EM) cục bộ xung quanh hạt.

Ví dụ với các hạt nano bạc có cấu trúc dạng tam giác ở mặt tinh thể {111} đã cho thấy sự kết hợp mạnh mẽ giữa cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) với các phân tử chất phân tích do sự tích lũy EM mạnh ở các cạnh của chúng, thể hiện qua tín hiệu SERS được tăng cường cao cho nhiều loại phân tử chất cần phân tích. Do đó, gần đây nhiều nghiên cứu chế tạo các cấu trúc nano kim loại cho SERS đang phát triển rất nhanh với những cấu trúc rất đa dạng sử dụng cả hai phương pháp chế tạo hóa ướt (hạt) và vật lý (màng) nhằm phát hiện nhanh các chất cấm hay được dùng trong bảo quản thực phẩm (như các chất mầu hữu cơ,. Tuy 2 nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các cấu trúc thuần nano bạc hoặc nano vàng đơn lẻ mà chưa quan tâm nhiều đến các nano lưỡng kim của hai kim loại này. Các kết quả cho thấy, với các cấu trúc thuần nano bạc hoặc vàng thường không ổn định về mặt nhiệt động học, tác nhân ổn định kém và độ đồng đều không cao dẫn đến hiệu suất phát hiện phân tích các phân tử không lớn.

Từ đó mà người ta đã chú ý đến các nano hợp kim quý với hình thái, cấu trúc, hình dạng và kích thước khác nhau, như lưỡng kim AgAu của nhóm S. Tuy nhiên, việc kiểm soát hình dạng, kích thước và cấu trúc của các cấu trúc nano lưỡng kim vẫn còn nhiều thách thức. Từ các phân tích trên, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano AgAu nhằm phát hiện chất mầu xanh methylene bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt” là rất cần thiết được thực hiện. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp rất quan trọng vào phương pháp mới trong việc sử dụng các cấu trúc nano AgAu như là các cảm biến hóa học nhằm phát hiện nhanh các chất mầu dùng trong nhuộm và bảo quản thực phẩm ở nồng độ thấp.

Tính chất quang của các hạt nano kim loại Các hạt nano kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang bởi chúng có tính chất độc đáo và khá dễ dàng điều khiển phổ hấp thụ, tán xạ plasmon từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần [7]. Đối với các hạt nano kim loại quý (Au, Ag) và kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, các thuộc tính quang học bị chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể các electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ: với các hạt nano bạc hoặc vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng thể nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần. Hạt nano có các tính chất khác biệt so với các tính chất của vật liệu khối do có hai hiệu ứng: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước [8].

Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Hiệu ứng này không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, xong hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên độc đáo hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống.

Đối với mỗi một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của các tính chất phần lớn đều nằm trong thang nanomet, vì vậy kích thước của vật liệu nano có thể so sánh với độ dài đặc trưng của các tính chất. Điều đó là nguyên nhân làm cho vật liệu nano có các tính chất đặc thù của riêng nó. Đối với vật liệu nano kim loại, mật độ điện tử tự do lớn nên khi được kích thích bởi điện trường của ánh sáng tới thì các điện tử tự do này dao động theo tần số của ánh sáng chiếu tới.

Thông thường các dao động này bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước vật liệu. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà dao động sẽ lan truyền trên bề mặt kim loại và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích nếu tần số của sóng ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của hệ điện tử [9]. Do vậy, sự dao động tập thể của các 4 điện tử dẫn khi tương tác với sóng ánh sáng đã tạo ra một hiệu ứng quang đặc biệt của các cấu trúc nano kim loại gọi là plasmon polariton bề mặt (surface plasmon polariton). Thêm vào đó, tính chất quang của các nano kim loại quý còn được đặc trưng bởi phổ hấp thụ plasmon và tán xạ plasmon bề mặt khi bước sóng ánh sáng kích thích lớn hơn kích thước hạt của chúng.

Điều này đã được nhà bác học Mie và Gans giải thích [10,11]. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dưới kích thích của ánh sáng tới. Hiện tượng tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại được kích thích đồng thời tạo thành một dao động đồng pha được gọi là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt và sóng plasmon lan truyền trên biên phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi trái dấu (ví dụ kim loại với điện môi) hoặc bức xạ ra không gian tự do trong điều kiện thích hợp [12].1 minh họa sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. Điện trường của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng của một hạt nano cầu.

Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano hoạt động như lực hồi phục (restoring force), tạo nên một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T. Các mode cao hơn của kích thích plasmon có thể xuất hiện như là mode tứ cực-khi một nửa đám mây điện tử di chuyển song song và một nửa di chuyển không song song với trường định xứ. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. Có thể thấy là plasmon bề mặt (SP) là các mode liên kết của trường điện từ của ánh sáng tới với các điện tử tự do trong kim loại.

Chúng có thể được xem như ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại-điện môi, trường SP có cường độ lớn nhất ở mặt phân cách và suy giảm theo hàm mũ ở các hướng vuông góc với bề mặt. Các sóng plasmon được tạo ra trên bề mặt các hạt 5 nano kim loại sẽ bị giam trên đó do kích thước của hạt và được gọi là plasmon bề mặt định xứ (localized surface plasmon - LSP) [12]. Phần lớn các kim loại như Pb, Ln, Hg, Sn và Cd có tần số dao động plasmon nằm trong vùng tử ngoại nên các vật liệu nano đó không có các hiệu ứng về màu sắc. Các kim loại như Au, Ag, và Cu có tần số plasmon nằm trong vùng nhìn thấy nên vật liệu nano của chúng có các hiệu ứng về màu.

Màu sắc của các dung dịch keo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi các plasmon bề mặt. Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại được lý giải bởi lý thuyết của Mie và Gans.