Nghiên cứu tính chất plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học bằng phương pháp mô hình hóa và tính số

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu tính chất plasmonic của cấu trúc nano tích hợp cho ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Vũ Văn Huy
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Nga
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic Của Cấu Trúc Nano Cho Ứng Dụng Quang Nhiệt Và Cảm Biến Sinh Học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MIE VÀ GẦN ĐÚNG MÔI TRƯỜNG HIỆU DỤNG
• 2.1. Tổng quan về lý thuyết Mie cho tính chất quang của các cấu trúc nano
• 2.2. Gần đúng môi trường hiệu dụng
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI HỢP VỚI PROTEIN BSA
• 3.1. Mô hình lý thuyết cơ sở cho tính chất quang của cấu trúc nano tích hợp
• 3.2. Kết quả tính số cho tính chất quang của hệ dây nano bạc – protein BSA
• 3.3. Hệ số điện môi của protein BSA
• 3.4. Tính chất quang của dây nano bạc bọc protein BSA
• 3.5. Giải thích tính chất quang của cấu trúc nano tích hợp bởi lý thuyết Mie – Gans
• CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: Code chương trình Mathematica để tính các phổ quang học của dây nano bạc bọc protein BSA

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic Của Cấu Trúc Nano

Nghiên cứu về tính chất plasmonic của các cấu trúc nano đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Các cấu trúc nano kim loại, đặc biệt là vàng và bạc, có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ nhờ vào hiện tượng cộng hưởng plasmon. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như quang nhiệt và cảm biến sinh học. Việc hiểu rõ về các tính chất này sẽ giúp phát triển các thiết bị và công nghệ mới, từ đó nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Ứng dụng của Tính Chất Plasmonic Trong Quang Nhiệt

Tính chất plasmonic được ứng dụng rộng rãi trong quang nhiệt, nơi các cấu trúc nano hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành nhiệt. Điều này có thể được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa bước sóng ánh sáng chiếu vào có thể nâng cao hiệu quả điều trị.

1.2. Tính Chất Plasmonic Trong Cảm Biến Sinh Học

Các cấu trúc nano cũng được sử dụng trong cảm biến sinh học, nhờ vào khả năng tăng cường tín hiệu quang học. Việc kết hợp giữa cấu trúc nano và các phân tử sinh học như protein BSA giúp tạo ra các cảm biến nhạy bén hơn, có khả năng phát hiện các chất gây bệnh với độ chính xác cao.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về tính chất plasmonic cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn là việc chế tạo các cấu trúc nano với hình dạng và kích thước đồng nhất. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất quang học và khả năng ứng dụng của chúng. Ngoài ra, việc tích hợp các cấu trúc nano với các phân tử sinh học cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương hợp sinh học.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Chế Tạo Cấu Trúc Nano

Việc chế tạo các cấu trúc nano đồng nhất về kích thước và hình dạng là một thách thức lớn. Các phương pháp hiện tại thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát các thông số này, dẫn đến sự biến đổi trong tính chất plasmonic của các hạt nano.

2.2. Tương Hợp Sinh Học Của Cấu Trúc Nano

Một vấn đề quan trọng khác là tính tương hợp sinh học của các cấu trúc nano. Các hạt nano kim loại có thể gây độc cho tế bào sống, do đó cần phải bọc chúng bằng các phân tử sinh học như protein BSA để giảm thiểu độc tính và tăng cường khả năng tương tác với tế bào.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic Của Cấu Trúc Nano

Để nghiên cứu tính chất plasmonic, các phương pháp mô hình hóa và tính số được áp dụng. Lý thuyết Mie là một trong những phương pháp chính được sử dụng để tính toán phổ hấp thụ và dập tắt của các cấu trúc nano. Phương pháp này cho phép dự đoán chính xác các đặc tính quang học của các hạt nano trong môi trường khác nhau.

3.1. Lý Thuyết Mie Trong Nghiên Cứu Plasmonic

Lý thuyết Mie cung cấp một cơ sở lý thuyết vững chắc để tính toán các đặc tính quang học của cấu trúc nano. Phương pháp này cho phép xác định các thông số như phổ hấp thụ và dập tắt, từ đó giúp hiểu rõ hơn về tính chất plasmonic của các hạt nano.

3.2. Phương Pháp Tính Số Và Phân Tích Dữ Liệu

Phương pháp tính số được sử dụng để mô phỏng các hệ thống nano phức tạp. Các phần mềm như Mathematica giúp phân tích dữ liệu và so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó xác nhận tính chính xác của các mô hình lý thuyết.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Tính Chất Plasmonic Trong Y Tế

Các ứng dụng thực tiễn của tính chất plasmonic trong y tế đang ngày càng được mở rộng. Các cấu trúc nano kim loại không chỉ được sử dụng trong quang nhiệt mà còn trong các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc phát triển các cảm biến sinh học dựa trên plasmonics có thể giúp phát hiện sớm các bệnh lý, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị.

4.1. Quang Nhiệt Trong Điều Trị Ung Thư

Quang nhiệt là một ứng dụng nổi bật của tính chất plasmonic trong điều trị ung thư. Các cấu trúc nano hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiệt độ cao tại vị trí tế bào ung thư, giúp tiêu diệt chúng mà không làm tổn thương các tế bào khỏe mạnh.

4.2. Cảm Biến Sinh Học Trong Chẩn Đoán

Các cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano có khả năng phát hiện các biomarker với độ nhạy cao. Điều này giúp chẩn đoán sớm các bệnh lý, từ đó cải thiện kết quả điều trị và giảm thiểu chi phí y tế.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic

Nghiên cứu về tính chất plasmonic của các cấu trúc nano đang mở ra nhiều cơ hội mới trong khoa học và công nghệ. Từ việc phát triển các cảm biến sinh học đến ứng dụng trong điều trị ung thư, tiềm năng của lĩnh vực này là rất lớn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa các ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển Trong Nghiên Cứu

Tiềm năng phát triển trong nghiên cứu tính chất plasmonic là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các cấu trúc nano để nâng cao hiệu suất quang học và khả năng tương hợp sinh học.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Hướng nghiên cứu tương lai có thể bao gồm việc phát triển các công nghệ mới dựa trên tính chất plasmonic, từ đó tạo ra các thiết bị y tế tiên tiến hơn. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ là chìa khóa để đạt được những thành tựu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng khoa học và công nghệ nano, tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại đã trở thành chủ đề nghiên cứu trọng điểm do ứng dụng đa dạng trong quang học, điện tử, cảm biến sinh học và y tế. Theo ước tính, các cấu trúc nano kim loại như hạt nano vàng, bạc có khả năng hấp thụ mạnh trường điện từ trong vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần, tạo ra hiệu ứng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) với bước sóng cộng hưởng phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và môi trường xung quanh. Việc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng các tính chất plasmonic giúp giải thích các hiện tượng thực nghiệm, từ đó phát triển các vật liệu và thiết bị nano với tính năng tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát tính chất plasmonic của dây nano bạc phủ protein BSA (albumin huyết thanh bò) bằng phương pháp mô hình hóa và tính số, nhằm ứng dụng trong quang nhiệt và cảm biến sinh học. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phổ hấp thụ và dập tắt plasmonic của cấu trúc nano lõi-vỏ, trong đó lõi là dây nano bạc và vỏ là lớp protein BSA, phân tán trong dung dịch nước. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các cảm biến sinh học tiên tiến và phương pháp điều trị ung thư bằng hiệu ứng quang nhiệt, góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong y học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để nghiên cứu tính chất quang của cấu trúc nano kim loại tích hợp:

1. Lý thuyết Mie: Đây là lời giải chính xác cho bài toán tán xạ và hấp thụ ánh sáng của hạt nano kim loại hình cầu, dựa trên hệ phương trình Maxwell trong tọa độ cầu. Lý thuyết này cho phép tính toán các hệ số dập tắt, hấp thụ và tán xạ của hạt nano với kích thước nhỏ so với bước sóng ánh sáng, đồng thời giải thích sự phụ thuộc của phổ quang học vào kích thước và hàm điện môi của vật liệu.

2. Phương pháp gần đúng môi trường hiệu dụng (Maxwell-Garnett): Phương pháp này mô hình hóa hệ nano lõi-vỏ và các tập hợp hạt nano trong môi trường đồng nhất, giúp tính toán hàm điện môi hiệu dụng của hệ thống. Qua đó, lý thuyết này giải thích sự tương tác giữa các hạt nano và môi trường xung quanh, cũng như ảnh hưởng của lớp vỏ protein BSA lên tính chất plasmonic của dây nano bạc.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Plasmon bề mặt định xứ (LSPR): Dao động tập thể của các electron tự do trên bề mặt hạt nano kim loại khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra cộng hưởng plasmon với bước sóng đặc trưng.
• Hiệu ứng quang nhiệt: Quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt tại vị trí các cấu trúc nano, ứng dụng trong điều trị ung thư.
• Hệ số lấp đầy protein BSA (f): Tỷ lệ diện tích bề mặt dây nano bạc được phủ bởi protein, ảnh hưởng đến phổ hấp thụ và dập tắt plasmonic.
• Mô hình lõi-vỏ: Cấu trúc dây nano bạc làm lõi, phủ bên ngoài bởi lớp protein BSA làm vỏ, mô phỏng tương tác vật lý và quang học giữa kim loại và phân tử sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các hàm điện môi của bạc, protein BSA và môi trường nước được lấy từ các tài liệu thực nghiệm và nghiên cứu trước đây. Phương pháp phân tích sử dụng lý thuyết Mie kết hợp với mô hình Maxwell-Garnett để tính toán các hệ số hấp thụ, dập tắt và tán xạ của dây nano bạc phủ protein BSA. Các phép tính số được thực hiện bằng phần mềm Mathematica với cỡ mẫu mô phỏng là dây nano bạc có đường kính 20 nm, lớp vỏ protein có độ dày xác định, và hệ số lấp đầy protein thay đổi từ 0 đến 0.9 để khảo sát ảnh hưởng của lớp phủ.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình lý thuyết, thực hiện tính toán số, so sánh kết quả với dữ liệu thực nghiệm và hoàn thiện luận văn. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào dây nano bạc do tính ổn định cấu trúc, khả năng tương hợp sinh học cao và phổ plasmon phù hợp với vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phổ quang học của dây nano bạc không phủ protein: Dây nano bạc đường kính 20 nm trong dung dịch nước có phổ hấp thụ với cực đại plasmon ngang ở bước sóng khoảng 370 nm. Đây là mode dao động plasmon bề mặt định xứ ngang, phù hợp với lý thuyết Mie và các kết quả thực nghiệm trước đó.

2. Ảnh hưởng của lớp phủ protein BSA: Khi phủ protein BSA với hệ số lấp đầy f từ 0.3 đến 0.6, phổ hấp thụ xuất hiện thêm một cực đại thứ hai ở vùng bước sóng dài hơn, từ 580 nm đến 620 nm, đồng thời cực đại plasmon ngang dịch chuyển đỏ khoảng 20 nm so với trường hợp không phủ protein. Cường độ cực đại thứ hai tăng theo hệ số lấp đầy protein, cho thấy sự liên kết mạnh mẽ giữa dây nano bạc và lớp vỏ protein.

3. Hiệu suất dập tắt và hấp thụ: Hiệu suất hấp thụ chiếm ưu thế trong hiệu suất dập tắt của dây nano bạc có bán kính 10 nm, trong khi hiệu suất tán xạ tăng lên khi kích thước dây nano lớn hơn. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến khả năng sinh nhiệt và ứng dụng cảm biến sinh học.

4. So sánh với lý thuyết Mie-Gans: Kết quả tính số từ lý thuyết Mie-Gans cho thấy dây nano bạc có mode plasmon ngang phù hợp với cực đại ở bước sóng ngắn, trong khi mode plasmon dọc không xuất hiện rõ do tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn (≥ 40). Điều này giải thích tại sao cực đại thứ hai không phải do plasmon dọc mà là do tương tác với lớp protein.

Thảo luận kết quả

Sự dịch chuyển đỏ của cực đại plasmon ngang khi phủ protein BSA được giải thích bởi sự thay đổi hàm điện môi hiệu dụng của lớp vỏ, làm tăng bước sóng cộng hưởng plasmon. Cực đại thứ hai ở vùng bước sóng dài hơn phản ánh sự liên kết vật lý và tương tác điện từ giữa các phân tử protein và dây nano bạc, tạo ra các mode plasmon mới. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm đã công bố, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của mô hình lõi-vỏ và phương pháp gần đúng môi trường hiệu dụng trong mô phỏng tính chất plasmonic.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ và dập tắt với các đường cong tương ứng cho các giá trị hệ số lấp đầy protein khác nhau, minh họa rõ sự dịch chuyển và tăng cường cường độ cực đại. Bảng số liệu tổng hợp các giá trị bước sóng cực đại và cường độ hấp thụ cũng giúp so sánh trực quan.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế tương tác giữa cấu trúc nano kim loại và phân tử sinh học, mở ra hướng phát triển các cảm biến sinh học nhạy và chính xác, cũng như các thiết bị quang nhiệt điều trị ung thư hiệu quả hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển mô hình quang nhiệt cho cấu trúc nano lõi-vỏ: Tiến hành nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của dây nano bạc phủ protein BSA bằng mô phỏng nhiệt động học kết hợp với lý thuyết Mie để xác định điều kiện chiếu sáng laser tối ưu, nhằm nâng cao hiệu quả điều trị ung thư. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu vật lý và y sinh phối hợp thực hiện.

2. Mở rộng nghiên cứu các hình dạng cấu trúc nano khác: Áp dụng lý thuyết Mie và phương pháp gần đúng môi trường hiệu dụng để tính toán phổ quang học của các cấu trúc nano kim loại có hình dạng như thanh nano, hình sao, hoặc dimer, nhằm tối ưu hóa tính chất plasmonic cho từng ứng dụng cụ thể. Khuyến nghị thực hiện trong 18 tháng với sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu vật liệu và công nghệ nano.

3. Tăng cường hợp tác giữa lý thuyết và thực nghiệm: Thiết lập các dự án liên ngành giữa các nhóm nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm để đối chiếu kết quả, hoàn thiện mô hình và phát triển các thiết bị cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano tích hợp. Thời gian triển khai 24 tháng, ưu tiên các trung tâm nghiên cứu quốc gia.

4. Ứng dụng trong phát triển cảm biến sinh học: Khuyến nghị phát triển các cảm biến dựa trên sự thay đổi phổ plasmonic của dây nano bạc phủ protein BSA để phát hiện các phân tử sinh học như ADN, kháng nguyên, hoặc các chỉ thị ung thư với độ nhạy cao. Thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm khoảng 2 năm, phối hợp với các đơn vị y tế và công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý chất rắn và vật liệu nano: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính số chi tiết về tính chất plasmonic của cấu trúc nano lõi-vỏ, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu về vật liệu nano kim loại và ứng dụng quang học.

2. Chuyên gia công nghệ sinh học và y sinh: Các kết quả về tương tác giữa dây nano bạc và protein BSA cùng ứng dụng quang nhiệt, cảm biến sinh học giúp thiết kế các thiết bị chẩn đoán và điều trị bệnh hiệu quả, an toàn hơn.

3. Kỹ sư phát triển thiết bị cảm biến và quang học: Thông tin về phổ hấp thụ, dập tắt plasmonic và ảnh hưởng của lớp phủ protein hỗ trợ thiết kế các cảm biến sinh học nhạy, chính xác, phù hợp với yêu cầu công nghiệp và y tế.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý, công nghệ nano: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết Mie, mô hình môi trường hiệu dụng và ứng dụng trong nghiên cứu plasmonics, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tính chất plasmonic là gì và tại sao quan trọng?
   Tính chất plasmonic là hiện tượng dao động tập thể của electron tự do trên bề mặt kim loại khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra cộng hưởng plasmon với bước sóng đặc trưng. Nó quan trọng vì giúp tăng cường tương tác ánh sáng với vật liệu nano, ứng dụng trong cảm biến sinh học, quang nhiệt và chẩn đoán y học.

2. Lý thuyết Mie được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Lý thuyết Mie được sử dụng để tính toán các hệ số hấp thụ, dập tắt và tán xạ của dây nano bạc hình trụ phủ protein BSA, giúp mô phỏng phổ quang học và giải thích các hiện tượng plasmonic quan sát được trong thực nghiệm.

3. Protein BSA có vai trò gì trong cấu trúc nano?
   Protein BSA phủ lên bề mặt dây nano bạc giúp ổn định cấu trúc, tránh kết tụ, đồng thời tạo ra lớp vỏ ảnh hưởng đến hàm điện môi hiệu dụng, làm thay đổi phổ plasmonic và tăng khả năng ứng dụng trong cảm biến sinh học và quang nhiệt.

4. Hiệu ứng quang nhiệt được ứng dụng ra sao?
   Hiệu ứng quang nhiệt là quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt tại vị trí các cấu trúc nano, được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư một cách cục bộ, giảm thiểu tác dụng phụ so với phương pháp truyền thống như xạ trị.

5. Làm thế nào để điều chỉnh tính chất plasmonic của cấu trúc nano?
   Tính chất plasmonic có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng của hạt nano, cũng như hệ số lấp đầy và loại protein phủ lên bề mặt, từ đó điều chỉnh bước sóng cộng hưởng và cường độ hấp thụ phù hợp với ứng dụng mong muốn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình lý thuyết và tính số tính chất plasmonic của dây nano bạc phủ protein BSA dựa trên lý thuyết Mie và phương pháp gần đúng môi trường hiệu dụng.
• Phổ quang học của dây nano bạc có hai cực đại: mode plasmon ngang ở bước sóng ngắn (~390 nm) và cực đại thứ hai do tương tác với lớp protein BSA ở bước sóng dài hơn (580-620 nm).
• Kết quả tính toán phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm, khẳng định tính hiệu quả của mô hình lõi-vỏ trong mô phỏng tính chất quang học của cấu trúc nano tích hợp.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các ứng dụng quang nhiệt và cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano kim loại phủ protein.
• Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt chi tiết và mở rộng mô hình cho các hình dạng cấu trúc nano khác nhằm tối ưu hóa ứng dụng trong y sinh và công nghệ nano.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực vật lý nano, công nghệ sinh học và y học ứng dụng tiếp tục phát triển và ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để tạo ra các thiết bị và phương pháp điều trị tiên tiến, hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần Mở đầu, Kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn được trình bày trong 3 chương với nội dung: Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương này trình bày tổng quát tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại: Hiệu ứng plasmon bề mặt, tần số cộng hưởng plasmon, sự phụ thuộc của tính 4 chất plasmonic vào hình dạng của các cấu trúc nano kim loại; và ứng dụng plasmonic trong quang nhiệt, cảm biến sinh học và chẩn đoán Chƣơng 2: Lý thuyết Mie và gần đúng môi trƣờng hiệu dụng Chương này sẽ trình bày lý thuyết Mie và phương pháp gần đúng môi trường hiệu dụng để nghiên cứu và tính toán các hệ số dập tắt và hấp thụ của các cấu trúc nano kim loại. Chƣơng 3: Tính chất quang học của cấu trúc nano kim loại tích hợp với protein BSA Chương này sẽ xây dựng mô hình lý thuyết cơ sở cho tính chất quang của cấu trúc nano tích hợp, từ đó sẽ trình bày một giải thích toàn diện cho tính chất quang học của dây nano bạc bọc các phân tử protein BSA. 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại 1.

Hiệu ứng plasmon bề mặt – tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại Tính chất plasmonic của các cấu trúc nano kim loại được hiểu là các tính chất quang học đặc biệt của các hạt nano kim loại có liên quan đến hiện tượng cộng hưởng plasmon mạnh trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần của phổ điện từ. Sự cộng hưởng plasmon tồn tại trong tất cả các kim loại và là sự kích thích các dao động tập thể của các electron tự do trong vùng dẫn của một trường điện từ trường ngoài. Thuật ngữ “Plasmon” và “Plasmon bề mặt” được sử dụng để mô tả các dao động tập thể của một nhóm các electron tự do (còn gọi là các điện tử dẫn) trong kim loại. Plasmon bề mặt (SP) là các sóng điện từ lan truyền dọc theo biên phân cách của hai vật liệu với các hàm điện môi trái dấu, ví dụ như một kim loại và một điện môi [2].

Thuật ngữ plasmon polariton (SPP) cũng được sử dụng tương tự như plasmon bề mặt. SPP là sự kết hợp của SP với photon ánh sáng tới, có thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi năng lượng của nó mất hết do sự hấp thụ trong trong kim loại hoặc sự bức xạ năng lượng trong không gian tự do. Do đó có thể hiểu Plasmon bề mặt (Surface plasmon, SP) là các mode liên kết của trường điện từ của ánh sáng tới và các điện tử tự do trong kim loại [5]. Chúng có thể xem như ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại - điện môi và có thể bị giam giữ theo các kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng trong không gian tự do.

Trong các hạt nano kim loại, cộng hưởng plasmon tồn tại ở lớp tiếp xúc giữa kim loại và chất điện môi. Các nghiên cứu cho thấy, cộng hưởng plasmon còn bị giới hạn theo chiều ngang vì kích thước nano của các hạt nano kim loại. Do đó, chúng được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (Localized surface plasmon resonances (LSPR). Bước sóng LSPR phụ thuộc vào hàm điện môi của cả kim loại và môi trường xung quanh, hình thái của các hạt nano kim loại và số lượng điện tử tối ưu [29].

Vì bước sóng kích thích của trường ánh sáng tới thường lớn hơn nhiều so với kích thước của các hạt nano kim loại được nghiên cứu (λ >> r), các mode LSPR (các 6 dao động cộng hưởng plasmon định xứ) có một lưỡng cực đặc trưng (gọi là lưỡng cực cảm ứng). Trong trường hợp các hạt nano hình cầu (đẳng hướng), một lưỡng cực cảm ứng dọc theo vectơ điện trường của sóng ánh sáng. Mô men cảm ứng (corresponding moment) µind được xác định bởi điện từ trường ngoài E0(ω0) và độ phân cực α của các hạt nano kim loại (µind = αE0(ω0)). Trong trường hợp các hạt nano dị hướng thì phức tạp hơn vì độ phân cực α là một tenxơ, các thành phần của nó có thể khác nhau dọc theo ba trục chính và một vài mode lưỡng cực có thể tồn tại phụ thuộc vào sự đối xứng và định hướng hạt nano.

Điển hình nhất là đối với các thanh nano kim loại.1 mô tả sự hình thành cộng hưởng plasmon định xứ của thanh nano kim loại. Thanh nano kim loại có hai LSPR lưỡng cực khác nhau, đó là mode ngang (dao động điện tử vuông góc với trục chính) và mode dọc (dao động điện tử song song với trục chính) [4]. Minh họa cộng hưởng plasmon bề mặt của thanh nano kim loại [4] Các nghiên cứu cho thấy, ứng với mỗi mode dao động ngang và dọc của các electron trên thanh nano kim loại, đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon quan sát thấy khác nhau.2 trình bày phổ hấp thụ cộng hưởng lasmon của một thanh nano kim loại vàng được quan sát thấy 2 đỉnh cộng hưởng (hình 1. Đỉnh cộng hưởng ở 7 bước sóng sóng ngắn hơn được quy cho mode dao động ngang; còn đỉnh cộng hưởng ở bước sóng dài hơn được quy cho mode dao động dọc.

Bước sóng của mode dọc ở đây dịch chuyển đỏ đáng kể so với mode ngang, do độ phân cực α của mode dọc lớn hơn [4, 22]. Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của thanh nano vàng [4] Hình 1. Phân bố cường độ trường định xứ cho thanh nano (ii) và nano hình sao (iii), so với hình cầu (i) trong điều kiện kích thích ở hai bước sóng khác nhau 8 Sau khi kích thích cộng hưởng các LSPR mạnh, trường EM định xứ (trường gần) được tăng cường đáng kể so với trường kích thích tới E0 (ω0) được tạo ra ở bề mặt hạt nano. Trường định xứ này lần lượt kết hợp các trường tới và phát xạ lại bức xạ có cùng bước sóng (tán xạ cộng hưởng).

Khi tiết diện tán xạ tỷ lệ với α2, trường định xứ cũng tăng mạnh đối với các hạt nano dị hướng nếu so với các hạt nano dạng cầu do α lớn hơn. minh họa phân bố trường định xứ ở các hạt nano kim loại có cấu trúc khác nhau. Các hạt nano dài hoặc có góc, cạnh chẳng hạn như nano thanh, ống, cubic sẽ có trường định xứ mạnh tập trung ở các đỉnh. Các đỉnh trên các hạt nano này được miêu tả tương tự như các bẫy điện tử.

Các bẫy các điện tích kim loại này dao động trong không gian giới hạn, ví dụ như tại các đầu típ của các hạt nano hình sao, có thể dẫn đến tăng cường trường định xứ mạnh hơn. Những vùng có trường gần định xứ cao này được gọi là các “hot pots” nội tại. Một loại khác, các “hot pots” được tạo ra khi các hạt nano ở gần nhau trong khoảng cách rất ngắn (1-10nm) hoặc nằm trên đỉnh một đế rắn. Sự kết hợp của các mode plasmon giữa các hạt nano riêng lẻ hoặc giữa một hạt nano với một bề mặt kim loại phẳng dẫn đến các mode mới với các trường EM định xứ có cường độ cao tại các khoảng trống hẹp trong phạm vi tiếp xúc [39].

Minh họa tính chất tứ cực (b) và sáu cực (c) của LSPR trong các thanh nano so với lưỡng cực (a) và phân bố cường độ trường EM tương ứng Trong các hạt nano lớn hoặc những hạt có tỷ lệ các cạnh cao, các mode LSPR với tính chất đa cực cũng có thể bị kích thích, chẳng hạn như mode đa cực dọc trong 9 các hạt nano thanh dài. Các mode này khác nhau về độ lớn trường gần và phân bố. Ngoài hai loại “hot pot” như đã nói ở trên, các nút giao trường cao tương ứng với các mode dao động hình thành dọc theo trục chính, như được mô tả trong hình 1. Tần số cộng hƣởng plasmon và sự phụ thuộc vào hình dạng trong các cấu trúc nano kim loại Các nghiên cứu cho thấy, tính chất độc đáo của cộng hưởng plasmon bề mặt là sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng plasmon vào bản chất của kim loại, kích thước, hình dạng hạt nano, và môi trường xung quanh hạt.

Các biến số trong các thông số này cho phép điều chỉnh cả tần số cộng hưởng plasmon cũng như cường độ của trường plasmon của các cấu trúc nano kim loại. Giả sử có một hạt nano kim loại với hàm điện môi 1 đặt trong môi trường có hàm điện môi 2 (hình 1.5), chúng ta sẽ đi nghiên cứu tần số cộng hưởng plasmon của hạt nano này và các thông số liên quan đến nó. Minh họa một hạt nano kim loại với hàm điện môi 1 đặt trong môi trường có hàm điện môi 2 Theo mô hình khí điện tư tự do cuả Drude, phần thực r trong hàm điện môi của kim loại ( ( ) ( ) ( )) được xác định như sau [16]: ω2p εr  1 2 (1.1) ω + γ2 trong đó  là tần số dao động cộng hưởng plasmon (gọi tắt là tần số plasmon); p là là tần số của dao động plasma trong kim loại khối và γ là tần số va chạm của điện tử. Vì γ << ω, phần thực hàm điện môi của kim loại được biểu diễn [16]: ω2p εr  1 2 ω trong đó P là tần số plasma của kim loại khối, có biểu thức trong đơn vị SI là: 10 ne2 ωp  ε 0 m* với n là mật độ điện tích, e là điện tích của điện tử, m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử và 0 là hằng số điện môi trong chân không.

Tần số plasmon bề mặt được cho bởi: SP  P / 1  2 (1.2) Sự khác nhau về tần số cộng hưởng plasmon trong các hạt nano kim loại keo khác nhau này được giải thích là do có sự ảnh hưởng đáng kể của các điện tử bên trong lõi hạt nano kim loại lên các chuyển dời liên vùng hoặc bên trong một vùng năng lượng của điện tử làm cho tính chất điện tử của các kim loại khác nhau là khác nhau. Để minh họa sự ảnh hưởng này, số hạng  mô tả phần tần số cao được thêm vào hàm điện môi của kim loại theo biểu thức sau [16]: ω2p ε r  ε  2 (1.3) ω Từ điều kiện xảy ra cộng hưởng, biểu thức tần số cộng hưởng plasmon bề mặt của kim loại là: ne2 ωSP  ω  (1.