Nghiên cứu hiệu ứng plasma trên bề mặt hạt nano kim loại tại Đại học Thái Nguyên

Hạt nano kim loại thể hiện các tính chất quang học khác biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng giam cầm lượng tử và cộng hưởng plasmon bề mặt. Những tính chất này có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát kích thước, hình dạng, thành phần và môi trường xung quanh hạt. Điều này làm cho hạt nano kim loại trở thành ứng cử viên hấp dẫn cho nhiều ứng dụng, bao gồm ứng dụng cảm biến, ứng dụng quang xúc tác và ứng dụng y sinh. Kích thước hạt nano ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng plasmon và cường độ tương tác ánh sáng-vật chất.

Hạt nano kim loại có tiềm năng ứng dụng rộng rãi nhờ tính chất quang học độc đáo của chúng. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến để phát hiện các phân tử và vật liệu khác nhau. Trong ứng dụng quang xúc tác, chúng tăng cường các phản ứng hóa học bằng cách hấp thụ ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống. Trong ứng dụng y sinh, chúng được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Ví dụ, hạt nano vàng được sử dụng trong ứng dụng điều trị ung thư do khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiệt, tiêu diệt các tế bào ung thư.

Cơ chế tương tác giữa plasma và chất phát quang bao gồm truyền năng lượng cộng hưởng (FRET), tăng cường trường điện từ cục bộ, và thay đổi tốc độ phát xạ. FRET xảy ra khi năng lượng từ chất phát quang được truyền không bức xạ đến hạt nano kim loại. Tăng cường trường điện từ cục bộ do hiệu ứng SPR có thể làm tăng cường cả sự hấp thụ và phát xạ của chất phát quang. Thay đổi tốc độ phát xạ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lượng tử và thời gian sống của chất phát quang.

Hiệu ứng tăng cường huỳnh quang (MEF) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước, hình dạng và thành phần của hạt nano kim loại, khoảng cách và định hướng giữa hạt nano và chất phát quang, cũng như sự chồng lấp giữa phổ hấp thụ và phát xạ. Khoảng cách tối ưu giữa hạt nano và chất phát quang thường nằm trong phạm vi vài nanomet. Hình dạng và thành phần của hạt nano ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng plasmon và cường độ trường điện từ cục bộ.

Kỹ thuật đo phổ hấp thụ được sử dụng để xác định phổ hấp thụ của hạt nano kim loại và chất phát quang. Phổ hấp thụ cung cấp thông tin về các quá trình hấp thụ ánh sáng và năng lượng chuyển đổi. Kỹ thuật đo phổ phát xạ huỳnh quang được sử dụng để xác định phổ phát xạ của chất phát quang khi bị kích thích bởi ánh sáng. Phổ phát xạ cung cấp thông tin về các quá trình phát xạ ánh sáng và hiệu suất phát quang.

Dữ liệu thu được từ các phép đo phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang được phân tích để xác định các tham số quang học quan trọng, chẳng hạn như tần số cộng hưởng plasmon, cường độ hấp thụ, cường độ phát xạ, và hiệu suất lượng tử. Các tham số này được so sánh giữa các mẫu có và không có hạt nano kim loại để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng plasma. Các mô hình lý thuyết được sử dụng để giải thích các kết quả thực nghiệm và làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa plasma và chất phát quang.

Sự thay đổi phổ hấp thụ của chất màu hữu cơ khi có hạt nano vàng cho thấy rằng các electron trong hạt nano kim loại tương tác với các electron trong chất màu hữu cơ. Sự tương tác này có thể dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc điện tử của chất màu, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng của nó. Sự thay đổi phổ hấp thụ cũng có thể là do sự hình thành các phức hợp giữa hạt nano và chất màu.

Sự biến đổi cường độ huỳnh quang của chất màu hữu cơ khi có hạt nano vàng là một kết quả quan trọng. Sự tăng cường huỳnh quang có thể là do sự tăng cường trường điện từ cục bộ do hiệu ứng SPR. Sự dập tắt huỳnh quang có thể là do FRET, trong đó năng lượng từ chất màu được truyền đến hạt nano kim loại và bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.

Việc phát triển cảm biến SPR độ nhạy cao đòi hỏi việc tối ưu hóa các thông số của hạt nano kim loại, chẳng hạn như kích thước, hình dạng và thành phần. Các phương pháp chế tạo tiên tiến, chẳng hạn như lithography nano và tự lắp ráp, có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano có tính chất SPR được điều chỉnh. Việc kết hợp cảm biến SPR với các kỹ thuật tăng cường tín hiệu khác, chẳng hạn như phân tích quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS), có thể cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến.

Cảm biến SPR có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực y sinh, chẳng hạn như phát hiện biomarker bệnh, chẩn đoán sớm, và theo dõi hiệu quả điều trị. Các cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện các phân tử mục tiêu trong các mẫu sinh học, chẳng hạn như máu, nước tiểu và dịch não tủy. Việc phát triển cảm biến SPR đa kênh có thể cho phép phân tích đồng thời nhiều biomarker, cải thiện khả năng chẩn đoán và dự đoán bệnh.

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các cấu trúc nano phức tạp hơn với tính chất plasma được điều chỉnh, khám phá các vật liệu mới với hiệu suất plasmon cao, và tích hợp các thiết bị plasma nano vào các hệ thống lớn hơn. Việc sử dụng các kỹ thuật mô phỏng điện toán tiên tiến sẽ giúp hiểu rõ hơn về các cơ chế tương tác phức tạp và thiết kế các vật liệu và thiết bị tối ưu. Các nghiên cứu cơ bản về plasmon vẫn là điều cần thiết.

Để thúc đẩy ứng dụng thực tế của plasmon, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà sản xuất. Việc phát triển các quy trình sản xuất có thể mở rộng và chi phí thấp sẽ cho phép sản xuất hàng loạt các thiết bị plasma nano. Việc chứng minh tính khả thi của các ứng dụng plasma trong các môi trường thực tế sẽ giúp tăng cường niềm tin của công chúng và thúc đẩy sự chấp nhận rộng rãi của công nghệ này.