Nghiên Cứu Chế Tạo và Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Chu Việt Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử: Tính Chất Quang và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử Giới Thiệu

Công nghệ nano đang thay đổi các ngành khoa học, đặc biệt là trong ứng dụng y sinh học. Vật liệu nano phát quang, như hạt nano silica chứa chấm lượng tử, có nhiều ưu điểm so với chất đánh dấu cổ điển: khả năng thâm nhập, độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường sinh học. Các nano tinh thể bán dẫn hay chấm lượng tử thu hút sự quan tâm do tính chất điện, quang đặc biệt và kích thước tương đương thành phần cơ bản của cơ thể sống. So với chất màu hữu cơ và protein phát quang tự nhiên, chấm lượng tử có phổ hấp thụ rộng, phổ phát xạ hẹp, độ chói cao, thời gian sống phát quang dài và độ bền quang cao hơn nhiều lần. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, dù có nhiều ưu điểm, chấm lượng tử vẫn còn hạn chế do độ độc hại cao, khó phân tán trong nước và môi trường sinh học, và hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang. Để giải quyết vấn đề này, người ta tạo ra các lớp trung gian hoặc vỏ bao quanh chấm lượng tử.

1.1. Ưu điểm vượt trội của chấm lượng tử so với chất đánh dấu truyền thống

So với chất màu hữu cơ truyền thống và các protein phát quang tự nhiên, các chấm lượng tử có nhiều ưu điểm như: phổ hấp thụ rộng, phổ phát xạ hẹp và đối xứng (độ rộng phổ ở nửa cực đại khoảng 25 - 40 nm), độ chói cao; thời gian sống phát quang dài (10-50 ns), và điểm đặc biệt nhất là độ bền quang cao (gấp vài trăm lần so với chất màu hữu cơ). Điều này giúp chấm lượng tử trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng sinh học và y học.

1.2. Tại sao cần lớp vỏ silica cho chấm lượng tử

Các nghiên cứu cho thấy mặc dù là chất phát quang với rất nhiều ưu điểm như độ bền quang tốt và thời gian sống phát quang dài, vẫn còn nhiều hạn chế khi sử dụng chấm lượng tử trong các ứng dụng y - sinh do độ độc hại cao, các chấm lượng tử không phân tán tốt trong nước hay các môi trường sinh học, và huỳnh quang còn bị nhấp nháy. Lớp vỏ silica giúp cải thiện độ ổn định, không thay đổi tính chất quang của chấm lượng tử và có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học.

II. Thách Thức Chế Tạo Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử

Việc chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử gặp nhiều khó khăn. Các chấm lượng tử thường có điện tích bề mặt âm, gây khó khăn khi đưa vào mạng nền silica (các chấm lượng tử tích điện âm sẽ bị đẩy ra khỏi mạng nền silica). Do đó, cần cân bằng lực đẩy tĩnh điện giữa các chấm lượng tử và mạng nền silica. Các nghiên cứu hiện tại thường sử dụng chấm lượng tử thương phẩm hoặc chấm lượng tử CdTe, nhưng kích thước hạt nano silica tạo ra chưa đồng đều và hình cầu, huỳnh quang của chấm lượng tử bị giảm đáng kể sau khi bọc. Việc nghiên cứu chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử với cường độ huỳnh quang cao vẫn cần tiếp tục để ứng dụng thực tế.

2.1. Khó khăn trong việc đưa chấm lượng tử vào mạng nền silica

Các chấm lượng tử thường được chế tạo với điện tích bề mặt âm nên rất khó khăn khi đưa vào mạng nền silica (các chấm lượng tử tích điện âm sẽ bị đẩy ra khỏi mạng nền silica). Do đó, để có thể bọc lớp vỏ silica cho các chấm lượng tử, người ta thường phải làm cân bằng lực đẩy tĩnh điện giữa các chấm lượng tử và mạng nền silica.

2.2. Vấn đề về kích thước và độ đồng đều của hạt nano silica

Các hạt nano silica chứa các chấm lượng tử này có kích thước chưa phải là hình cầu và không đồng đều, huỳnh quang của các chấm lượng tử được bọc silica lại bị giảm đáng kể so với lúc chưa bọc. Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả phát quang và ứng dụng của vật liệu.

2.3. Giảm cường độ huỳnh quang sau khi bọc silica

Một trong những thách thức lớn nhất là làm sao để duy trì hoặc thậm chí tăng cường cường độ huỳnh quang của chấm lượng tử sau khi bọc lớp vỏ silica. Các phương pháp hiện tại thường dẫn đến sự suy giảm đáng kể, cần được khắc phục để đạt hiệu quả ứng dụng cao.

III. Phương Pháp Stöber Chế Tạo Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử

Phương pháp Stöber là cách tiếp cận đơn giản và phổ biến nhất để tổng hợp hạt nano silica. Phương pháp này có thể thực hiện với dung môi không độc hại như nước hoặc cồn. Nhóm nghiên cứu của PGS TS Trần Hồng Nhung đã ứng dụng hạt nano silica trong việc tạo phức hợp kháng thể để phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh. Hạt silica cũng được nghiên cứu để chế tạo hạt nano đa lớp, đa chức năng. Đề tài luận văn tập trung vào việc chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử với cường độ phát xạ huỳnh quang cao và phân tán ổn định, hướng đến ứng dụng sinh học. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào việc đánh dấu đối tượng sinh học, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ nano quang ở Việt Nam.

3.1. Ưu điểm của phương pháp Stöber trong tổng hợp hạt nano silica

Để tổng hợp các hạt nano silica, cách tiếp cận đơn giản và phổ biến nhất là phương pháp Stöber. Phương pháp Stöber đã được nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện chế tạo các hạt nano silica chứa các chất màu hữu cơ. Phương pháp đơn giản này có thể được thực hiện với các dung môi không độc hại như nước hoặc cồn.

3.2. Ứng dụng của hạt nano silica trong phát hiện vi khuẩn

Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS TS Trần Hồng Nhung, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH & CN VN là nhóm đầu tiên nghiên cứu chế tạo các hạt nano silica trên cơ sở các tâm màu hữu cơ và đã ứng dụng các hạt nano này trong việc tạo phức hợp kháng thể để phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh.

3.3. Mục tiêu nghiên cứu Cường độ huỳnh quang cao và độ phân tán ổn định

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các hạt nano silica chứa chấm lượng tử” được thực hiện với mục tiêu chế tạo được các hạt nano silica chứa các chấm lượng tử với cường độ phát xạ huỳnh quang cao và phân tán ổn định, định hướng cho các ứng dụng sinh học.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hạt Nano Silica Chứa CdTe và CdSe

Nghiên cứu tập trung vào chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử trên cơ sở bán dẫn CdSe và CdTe, hướng đến ứng dụng sinh học. Các bước bao gồm: bọc lớp vỏ silica cho chấm lượng tử CdSe và CdTe bằng phương pháp Stöber; nghiên cứu cấu trúc hình thái bằng kính hiển vi điện tử TEM hoặc SEM; nghiên cứu độ đơn phân tán và ổn định trong nước và môi trường khác nhau bằng phép đo PdI (DLS) và thế Zeta; nghiên cứu tính chất quang bằng phép đo hấp thụ và huỳnh quang; so sánh cường độ phát quang với chấm lượng tử chưa bọc silica; khảo sát độ ổn định quang theo thời gian và trong môi trường khác nhau.

4.1. Quy trình chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdTe và CdSe

Nghiên cứu chế tạo các hạt nano silica chứa các chấm lượng tử bằng cách bọc lớp vỏ silica cho các chấm lượng tử CdSe và CdTe có sẵn sử dụng phương pháp Stöber.

4.2. Phân tích cấu trúc và hình thái hạt nano bằng TEM SEM

Nghiên cứu cấu trúc hình thái của các hạt nano silica chứa chấm lượng tử đã chế tạo bằng phương pháp kính hiển vi điện tử TEM hoặc SEM.

4.3. Đánh giá độ ổn định và phân tán của hạt nano trong môi trường

Nghiên cứu độ đơn phân tán và ổn định của các hạt silica đã chế tạo trong nước và các môi trường khác nhau thông qua phép đo PdI bằng phương pháp đo tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo thế Zeta.

V. Ảnh Hưởng Điều Kiện Chế Tạo Đến Tính Chất Quang Hạt Nano

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo (xúc tác NH4OH, lượng nước, lượng APTES) lên đặc điểm và tính chất quang của hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdTe và CdSe. Kết quả cho thấy, điều kiện chế tạo có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước, hình thái và cường độ huỳnh quang của hạt nano. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hạt nano có tính chất quang mong muốn, phục vụ cho các ứng dụng cụ thể.

5.1. Ảnh hưởng của xúc tác NH4OH đến huỳnh quang hạt nano

Phổ huỳnh quang của các hạt nano SiO2@CdTe với các lượng xúc tác khác nhau. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của các hạt nano SiO2@CdTe theo các lượng xúc tác khác nhau.

5.2. Tác động của lượng nước đến tính chất quang của hạt nano

Phổ hấp thụ của các hạt nano SiO2@CdTe được chế tạo với các lượng nước khác nhau. Phổ huỳnh quang của các hạt nano SiO2@CdTe được chế tạo với các lượng nước khác nhau. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của các hạt nano SiO2@CdTe theo lượng nước tham gia phản ứng.

5.3. Vai trò của APTES trong quá trình chế tạo hạt nano silica

Phổ huỳnh quang của các hạt nano SiO2@CdTe được chế tạo với các lượng APTES khác nhau. APTES (Aminopropyltriethoxysilane) đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết chấm lượng tử với mạng lưới silica.

VI. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Hạt Nano Silica Chứa Chấm Lượng Tử

Các hạt nano silica chứa chấm lượng tử có độ tương thích sinh học cao, dễ dàng gắn kết và không độc hại, nên việc sử dụng silica làm lớp vỏ cho chấm lượng tử sẽ cải thiện các hạn chế của tinh thể bán dẫn. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào việc đánh dấu các đối tượng sinh học, đóng góp vào sự phát triển của hướng công nghệ nano quang ở Việt Nam. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm: cảm biến sinh học, chẩn đoán hình ảnh y học, và phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh.

6.1. Ứng dụng trong đánh dấu sinh học và chẩn đoán y học

Các chấm lượng tử kể từ khi được phát hiện, đã dần trở thành các chất đánh dấu huỳnh quang quan trọng dùng trong cảm biến sinh học và hiện ảnh. Các chấm lượng tử có phổ hấp thụ rộng, phổ phát xạ hẹp, do đó có thể linh hoạt lựa chọn bước sóng kích thích cũng như giảm thiểu sự chồng chập phổ phát xạ từ các chấm lượng tử đa thành phần, làm cho chúng trở thành các chất đánh dấu sinh học tuyệt vời.

6.2. Tiềm năng phát triển công nghệ nano quang tại Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trực tiếp vào việc đánh dấu các đối tượng sinh học, đóng góp vào sự phát triển của hướng công nghệ nano quang ở nước ta hiện nay.

6.3. Phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh bằng hạt nano silica

Nhóm nghiên cứu của PGS TS Trần Hồng Nhung, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH & CN VN là nhóm đầu tiên nghiên cứu chế tạo các hạt nano silica trên cơ sở các tâm màu hữu cơ và đã ứng dụng các hạt nano này trong việc tạo phức hợp kháng thể để phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh.