Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật liệu chấm lượng tử carbon (Carbon Dots - CDs) là nhóm vật liệu nano carbon không chiều (0D) thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu khoa học từ khi được phát hiện vào năm 2004 và định danh vào năm 2006. So với các chấm lượng tử bán dẫn truyền thống (Quantum Dots - QDs) vốn thường chứa các kim loại nặng độc hại như cadmium (Cd) hay chì (Pb) tiềm ẩn rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường, CDs sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội: nguồn nguyên liệu carbon dồi dào, độc tính thấp, khả năng tương thích sinh học cao, độ bền quang tốt, phân tán bền vững trong dung môi và bề mặt dễ dàng biến tính hóa học. Nhờ đó, CDs mở ra tiềm năng ứng dụng phong phú trong y sinh, cảm biến hóa học, quang điện tử, nông nghiệp và mực in phát quang.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tổng hợp CDs từ nguồn tiền chất thân thiện môi trường hoặc các hợp chất hữu cơ mới đang từng bước được phát triển. Tuy nhiên, nhiều phương pháp tổng hợp phổ biến hiện nay như thủy nhiệt (hydrothermal/solvothermal) hoặc nhiệt phân pha rắn (pyrolysis) đòi hỏi thời gian phản ứng kéo dài (từ vài giờ đến hàng chục giờ) hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng. Xuất phát từ thực tiễn đó, tác giả Đinh Phạm Quỳnh Như đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa vô cơ) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với đề tài: "Tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu Carbon Dots đồng pha tạp S và N bằng phương pháp gia nhiệt dung dịch sử dụng microwave hỗ trợ", dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Đình Khôi.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là xây dựng thành công quy trình tổng hợp nhanh chóng, tiết kiệm chi phí để tạo ra vật liệu CDs đồng pha tạp hai dị nguyên tố lưu huỳnh (S) và nitơ (N) từ nguồn nguyên liệu ban đầu mới, đồng thời khảo sát toàn diện các đặc trưng hóa lý và tính chất quang học của sản phẩm thu được.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm bốn nội dung chính:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về cấu trúc, tính chất, phương pháp điều chế và ứng dụng của vật liệu CDs.
  2. Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu CDs bằng phương pháp gia nhiệt dung dịch có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave).
  3. Khảo sát các điều kiện phản ứng đơn yếu tố (tỷ lệ mol giữa các tác chất phản ứng và thời gian chiếu xạ vi sóng) nhằm xác định chế độ tối ưu cho phản ứng tạo CDs.
  4. Phân tích, khảo sát hình thái, kích thước hạt, cấu trúc tinh thể/vô định hình, thành phần nguyên tố, nhóm chức bề mặt và tính chất quang học huỳnh quang của sản phẩm bằng các phương pháp phân tích hiện đại; bước đầu thử nghiệm khả năng ứng dụng làm cảm biến hóa học.

Đối tượng nghiên cứu là hệ vật liệu Carbon Dots đồng pha tạp S và N (N,S-CDs) được tổng hợp từ hai tác chất ban đầu là Adenine sulfate và Para-aminosalicylic acid. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ ngày 02/01/2024 đến ngày 04/08/2024 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt lý thuyết, CDs có cấu tạo gồm lõi carbon ($sp^2/sp^3$) và lớp vỏ bề mặt chứa nhiều nhóm chức năng gắn kết. Cơ chế phát quang huỳnh quang của CDs hiện được giải thích chủ yếu dựa trên hai mô hình: hiệu ứng giam hãm lượng tử tại trạng thái lõi (core state) liên quan đến sự chuyển mức điện tử giữa các orbital phân tử HOMO - LUMO, và trạng thái bề mặt (surface state) nơi các khuyết tật mạng liên kết cùng các dị nguyên tố (N, S) và nhóm chức hóa học đóng vai trò như các bẫy năng lượng bắt giữ photon để phát xạ ánh sáng huỳnh quang. Việc đồng pha tạp đồng thời hai dị nguyên tố nitơ và lưu huỳnh (N, S) vào cấu trúc mạng carbon được chứng minh giúp điều chỉnh cấu trúc vùng cấm điện tử, gia tăng mật độ khuyết tật phát xạ, từ đó nâng cao rõ rệt hiệu suất lượng tử huỳnh quang của vật liệu.

Về phương pháp chế tạo, các kỹ thuật tổng hợp CDs được chia thành hai nhóm tiếp cận:

  • Tiếp cận từ trên xuống (top-down): phá vỡ các khối vật liệu carbon kích thước lớn thông qua phóng điện hồ quang, bóc tách hóa học, chiếu xạ xung laser trong chất lỏng (LAL) hoặc oxy hóa điện hóa.
  • Tiếp cận từ dưới lên (bottom-up): chuyển hóa các phân tử hữu cơ nhỏ thành hạt nano carbon thông qua phương pháp thủy nhiệt/dung môi nhiệt, nhiệt phân pha rắn hoặc gia nhiệt dung dịch có vi sóng hỗ trợ. Đề tài lựa chọn phương pháp gia nhiệt vi sóng vì cơ chế truyền năng lượng trực tiếp ở mức phân tử qua tương tác trường điện từ, giúp phản ứng đạt tốc độ cao chỉ trong vài phút, tiết kiệm dung môi và hạn chế tiêu hao nhiệt năng so với gia nhiệt đối lưu truyền thống.

Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tinh khiết thương mại và dung môi được tổng hợp chi tiết theo bảng sau:

Tên hóa chất Công thức hóa học Độ tinh khiết Xuất xứ Vai trò trong nghiên cứu
Adenine sulfate (ADS) $C_5H_5N_5 \cdot 1/2 H_2SO_4$ 98% Trung Quốc Tác chất chính, cung cấp nguồn C, N và S
Para-aminosalicylic acid (PAS) $C_7H_7NO_3$ 99% Đức Tác chất phối hợp, cung cấp C, N và nhóm phân cực
Ethanol tuyệt đối $C_2H_5OH$ > 99,7% Trung Quốc Dung môi rửa, tinh chế
Methanol tuyệt đối $CH_3OH$ Tinh khiết Trung Quốc Dung môi giải hấp sắc ký
Fluorescein $C_{20}H_{12}O_5$ Chuẩn quang học Anh Quốc Chất chuẩn xác định hiệu suất lượng tử ($QY = 92%$)
Silica gel (C18) - Pha đảo Ấn Độ Chất nhồi cột sắc ký tinh chế CDs

Hệ thống thiết bị và phương pháp phân tích đặc trưng hiện đại được tác giả huy động gồm có:

  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thực hiện trên máy Tecnai G2 F30 S-Twin (JEOL/FEI) để đánh giá hình thái học, cấu trúc và phân bố kích thước hạt nano.
  • Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo thế Zeta trên thiết bị Malvern Zetasizer Pro nhằm đo kích thước thủy động và độ bền phân tán của hệ keo.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên máy Jasco FT-IR 4700 (dải đo 400–4000 $cm^{-1}$) nhằm nhận diện các liên kết và nhóm chức hóa học bề mặt.
  • Quang phổ huỳnh quang điện tử tia X (XPS) trên hệ máy Leybold ESCALAB 250 (nguồn tia X đơn sắc Theta Probe) nhằm phân tích định tính, định lượng thành phần nguyên tố và trạng thái liên kết hóa học.
  • Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) trên máy Hitachi U-3900 xác định dải hấp thụ quang và các dịch chuyển điện tử $\pi-\pi^$, $n-\pi^$.
  • Phổ phát xạ huỳnh quang (PL) trên thiết bị Horiba FluoroMax Plus khảo sát phổ phát xạ ở các bước sóng kích thích khác nhau.

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($QY$) của vật liệu CDs được tính toán theo phương pháp so sánh tương đối với dung dịch chất chuẩn Fluorescein trong NaOH 0,1 M theo công thức:

$$\Phi = \Phi_{st} \times \left(\frac{m}{m_{st}}\right) \times \left(\frac{\eta^2}{\eta_{st}^2}\right)$$

Trong đó: $\Phi$ và $\Phi_{st}$ lần lượt là hiệu suất lượng tử của mẫu CDs và chất chuẩn; $m$ và $m_{st}$ là độ dốc của đường hồi quy tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa diện tích tích phân phổ phát xạ PL và độ hấp thụ quang tại bước sóng kích thích 490 nm; $\eta$ và $\eta_{st}$ là chiết suất của dung môi pha mẫu (nước cất, $\eta = 1,33$) và môi trường đo chất chuẩn ($\eta_{st} = 1,33$). Quá trình xử lý số liệu phổ và đồ thị thực hiện trên phần mềm Origin 2024 và MS Office Excel; phân tích đường kính hạt nano từ ảnh TEM sử dụng phần mềm ImageJ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu Carbon Dots

Chương này tổng hợp các tư liệu khoa học cập nhật về lịch sử phát hiện CDs, cấu trúc vi mô, các tính chất quang lý đặc trưng, các quy trình tổng hợp và ứng dụng thực tiễn:

  • Lịch sử và tính chất đặc trưng: Trình bày từ mốc phát hiện tình cờ hạt nano carbon huỳnh quang khi tinh chế ống nano carbon đơn vách (SWCNTs) của Xu và cộng sự (2004), tên gọi "Carbon Dots" do Sun thiết lập (2006). Tác giả so sánh chi tiết ưu thế vượt trội của CDs đối với các chấm lượng tử bán dẫn chứa kim loại nặng (Cd, Pb), đồng thời phân tích bản chất cấu trúc lõi carbon vô định hình hoặc tinh thể graphite hóa kết hợp vỏ bề mặt giàu nhóm phân cực mang oxy, nitơ và lưu huỳnh. Cơ chế phát quang được luận giải dựa trên sự kết hợp đồng thời giữa hiện tượng giam hãm lượng tử (hiệu ứng kích thước) và các bẫy kích thích tại trạng thái khuyết tật bề mặt.
  • Các phương pháp điều chế: Tổng kết và so sánh có hệ thống hai nhánh phương pháp top-down (phóng điện hồ quang, bóc tách hóa học, chiếu xạ xung laser LAL, oxy hóa điện hóa) và bottom-up (thủy nhiệt, nhiệt phân pha rắn phi dung môi, gia nhiệt vi sóng). Qua đó chỉ ra phương pháp gia nhiệt vi sóng giúp tối ưu hóa thời gian phản ứng, đồng nhất nhiệt độ khối dung dịch và thân thiện với môi trường.
  • Tổng quan ứng dụng: Tổng hợp các công trình tiêu biểu ứng dụng CDs trong chụp ảnh huỳnh quang tế bào (tiêu biểu như nghiên cứu kết hợp CDs với polymer in dấu phân tử MIP-GlcA để nhận diện và định vị chọn lọc tế bào ung thư cổ tử cung HeLa so với tế bào lành HaCaT), ứng dụng làm mực in bảo mật chống giả mạo phát quang dưới ánh sáng tử ngoại (độ bền lưu giữ đến 3 năm và có thể tẩy xóa bằng nước), vật liệu gia cường in 3D, và ứng dụng nông nghiệp giúp tăng hiệu suất quang hợp chu trình Calvin (tăng năng suất cây lúa thêm 14,8%).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương này trình bày chi tiết quy trình công nghệ tổng hợp và các phương pháp kiểm chứng thực nghiệm:

  • Xây dựng quy trình tổng hợp: Hỗn hợp bột tác chất Adenine sulfate (ADS) và Para-aminosalicylic acid (PAS) sau khi cân chính xác trên cân phân tích 4 số được phối trộn vào cốc sứ dung tích 200 mL, bổ sung 15 mL nước cất rồi rung siêu âm cho đến khi tan hoàn toàn. Cốc phản ứng được đặt vào lò vi sóng dân dụng để thực hiện quá trình gia nhiệt phân hủy nhiệt dịch. Sau phản ứng, khối sản phẩm được làm nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng, hòa tan lại bằng 10 mL nước cất, rung siêu âm và lọc qua giấy lọc để loại bỏ cặn rắn không tan. Dung dịch lọc sau đó được dẫn qua cột sắc ký nhồi pha tĩnh silica gel C18 để tinh chế tạp chất hữu cơ sót lại, thu được dịch lỏng trong suốt màu xanh lá nhạt chứa các hạt CDs.
  • Khảo sát tối ưu hóa đơn yếu tố: Thiết lập ba hệ thực nghiệm thăm dò:
    • Thăm dò thành phần nguyên liệu đầu vào: so sánh khả năng tạo hạt phát quang của ADS đơn lẻ, PAS đơn lẻ và hỗn hợp ADS + PAS.
    • Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất ADS:PAS ở các mức 0,5:2,5; 1,0:2,0; 1,5:1,5; 2,0:1,0 và 2,5:0,5 trong thời gian cố định 5 phút.
    • Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng vi sóng từ 3 phút, 4 phút, 5 phút, 6 phút đến 7 phút tại tỷ lệ mol tối ưu.
  • Quy trình đặc trưng hóa và thử nghiệm ứng dụng: Thiết lập điều kiện vận hành cho các phép đo TEM, DLS, thế Zeta, FT-IR, XPS, UV-Vis, PL; xây dựng các bước chuẩn độ pha loãng xác định hiệu suất lượng tử $QY$ so với Fluorescein và thiết lập quy trình thử nghiệm phát hiện chất màu hữu cơ Alizarin red và Calcon-carboxylic acid ở nồng độ 0,1 mM với dung dịch CDs nồng độ 0,02 mg/mL.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương này trình bày và phân tích các số liệu thu được từ chuỗi thực nghiệm:

  • Kết quả tối ưu hóa điều kiện phản ứng:
    • Khảo sát nguyên liệu: Mẫu chỉ dùng ADS hoặc chỉ dùng PAS sau khi xử lý vi sóng đều tan trong nước nhưng hoàn toàn không phát huỳnh quang dưới đèn UV 395 nm, chứng tỏ một chất đơn lẻ không thể tạo thành hạt CDs phát quang. Khi kết hợp đồng thời ADS và PAS, dung dịch sau phản ứng phát huỳnh quang màu xanh lá rất mạnh.
    • Khảo sát tỷ lệ mol: Các tỷ lệ mol chênh lệch lớn (0,5:2,5 và 2,5:0,5) cho cường độ phát sáng yếu; tỷ lệ mol ADS:PAS đạt 1,5:1,5 (tương đương tỷ lệ mol 1:1) cho cường độ huỳnh quang xanh lá sáng nhất.
    • Khảo sát thời gian vi sóng: Thời gian 3–4 phút chưa đủ năng lượng để carbon hóa hoàn toàn; thời gian 5 phút cho cường độ phát xạ cao nhất; kéo dài thời gian lên 6–7 phút dẫn đến hiện tượng quá nhiệt, phá hủy các nhóm chức bề mặt và làm giảm độ sáng huỳnh quang. Điều kiện tối ưu được xác lập là tỷ lệ mol 1:1 và thời gian phản ứng 5 phút.
  • Kết quả khảo sát hình thái và cấu trúc: Ảnh TEM cho thấy các hạt CDs phân tán đồng đều, dạng hình cầu, không bị kết tụ với kích thước hạt trung bình tính toán qua ImageJ là $1,74 \pm 0,11\text{ nm}$. Kết quả đo DLS thể hiện kích thước hạt thủy động phân bố trong dung dịch và giá trị thế Zeta âm khẳng định hệ keo có bề mặt tích điện âm bền vững trong môi trường phân tán.
  • Kết quả thành phần nguyên tố và nhóm chức:
    • Phổ XPS khảo sát tổng quát chứng minh sự có mặt của bốn nguyên tố chính: C (cacbon), O (oxy), N (nitơ) và S (lưu huỳnh). Điều này chứng minh quá trình pha tạp đồng thời N và S vào khung carbon đã diễn ra thành công.
    • Phổ FT-IR ghi nhận các dải hấp thụ đặc trưng: vùng 2800–3440 $cm^{-1}$ tương ứng với dao động kéo giãn của liên kết O-H và N-H; các đỉnh hấp thụ tại vùng 1600–1700 $cm^{-1}$ đặc trưng cho liên kết $C=O$, $C=N$; vùng 1100–1400 $cm^{-1}$ tương ứng với $C-N$, $C-O-C$, $C-O$ và dao động của liên kết $C-S$, nhóm sulfat/sulfon ($SO_x$, $SO_4^{2-}$). Sự xuất hiện dày đặc của các nhóm ưa nước giải thích khả năng tan hoàn toàn trong nước của vật liệu.
  • Kết quả tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-Vis xuất hiện các dải hấp thụ mạnh trong vùng tử ngoại do chuyển dời điện tử $\pi-\pi^$ của vòng thơm ($C=C$) và $n-\pi^$ của các nhóm chứa dị tố ($C=O$, $C=N$). Phổ phát xạ huỳnh quang PL đo trong dải kích thích từ 400 nm đến 500 nm cho thấy đỉnh phát quang cực đại tại bước sóng 505 nm khi kích thích ở bước sóng 490 nm, hoàn toàn trùng khớp với màu phát quang xanh lá (green) quan sát được bằng mắt thường dưới đèn UV 395 nm. Hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($QY$) tương đối so sánh với Fluorescein đạt giá trị rất cao là 92%.
  • Thử nghiệm cảm biến hóa học: Khi cho dung dịch CDs (0,02 mg/mL) tiếp xúc với các hợp chất hữu cơ Alizarin red và Calcon-carboxylic acid (0,1 mM), xảy ra hiện tượng dập tắt huỳnh quang rõ rệt, chứng minh tính khả thi ban đầu của việc dùng vật liệu CDs này làm đầu dò quang học phát hiện các chất hữu cơ trên.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu thập và xử lý toàn diện các thông số thực nghiệm, tạo ra hệ dữ liệu hoàn chỉnh về cấu trúc và tính chất quang của vật liệu CDs:

Thông số / Chỉ tiêu khảo sát Kết quả đo đạc thực nghiệm Phương pháp / Thiết bị phân tích
Tác chất phản ứng tối ưu Hỗn hợp Adenine sulfate (ADS) + Para-aminosalicylic acid (PAS) Thử nghiệm vi sóng đối chứng
Tỷ lệ mol tác chất tối ưu ADS : PAS = 1 : 1 (mẫu 1,5 mmol : 1,5 mmol) Khảo sát đơn yếu tố / Đèn UV 395 nm
Thời gian phản ứng tối ưu 5 phút Lò vi sóng dân dụng
Màu sắc phát quang Màu xanh lá cây (Green) Chiếu đèn UV bước sóng 395 nm
Bước sóng kích thích cực đại ($\lambda_{ex}$) 490 nm Phổ huỳnh quang (PL, Horiba)
Bước sóng phát xạ cực đại ($\lambda_{em}$) 505 nm Phổ huỳnh quang (PL, Horiba)
Hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($QY$) 92% So sánh tương đối với Fluorescein (NaOH 0,1 M)
Kích thước hạt trung bình $1,74 \pm 0,11\text{ nm}$ Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEOL)
Thành phần nguyên tố bề mặt Carbon (C), Oxy (O), Nitơ (N), Lưu huỳnh (S) Quang phổ quang điện tử tia X (XPS)
Nhóm chức năng bề mặt $-OH$, $-NH_2$, $C=O$, $C=N$, $C-N$, $C-S$, $SO_x/SO_4^{2-}$ Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
Khả năng phân tán Phân tán tốt trong nước cất, dung dịch trong suốt Quan sát trực quan và thế Zeta
Ứng dụng cảm biến sơ bộ Nhận biết chất màu Alizarin red và Calcon-carboxylic acid Thử nghiệm dập tắt huỳnh quang (quenching)

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài được thể hiện qua các điểm chính:

  1. Phát hiện và thiết lập thành công hệ tiền chất mới: Việc kết hợp Adenine sulfate (vốn chủ yếu dùng trong công nghệ thực phẩm, y dược mang khung purine, chứa sẵn liên kết sulfate) với Para-aminosalicylic acid tạo ra một nguồn tiền chất hữu cơ giàu đồng thời cả N và S, chưa từng được công bố trong các nghiên cứu tiền nhiệm cùng lĩnh vực.
  2. Tối ưu hóa kỹ thuật gia nhiệt dung dịch bằng vi sóng: Rút ngắn thời gian phản ứng xuống còn 5 phút, thao tác đơn giản trong dung môi nước cất, không cần sử dụng nồi hấp áp suất cao (autoclave) kéo dài hàng giờ và loại bỏ hoàn toàn dung môi hữu cơ độc hại.
  3. Đạt hiệu suất lượng tử huỳnh quang vượt bậc ($QY = 92%$): Đây là giá trị hiệu suất lượng tử huỳnh quang rất cao đối với vật liệu CDs phát xạ màu xanh lá cây trong môi trường nước, mở ra triển vọng lớn cho các ứng dụng cảm biến quang sinh học và quang điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận và biên bản đánh giá của hội đồng chuyên môn đã chỉ ra một số hạn chế cụ thể cần tiếp tục hoàn thiện:

  • Sự sai lệch giữa kích thước hạt thu được từ kính hiển vi điện tử truyền qua TEM ($1,74\text{ nm}$) và phương pháp tán xạ ánh sáng động DLS chưa được tác giả luận giải sâu sắc trong bài viết (kích thước DLS thường lớn hơn do phản ánh cả đường kính thủy động học bao gồm lớp vỏ solvat hóa của các phân tử nước liên kết với nhóm chức ưa nước trên bề mặt).
  • Phần thử nghiệm ứng dụng làm cảm biến hóa học mới dừng lại ở bước khảo sát định tính khả năng nhận biết bằng hiện tượng dập tắt huỳnh quang khi tiếp xúc với Alizarin red và Calcon-carboxylic acid ở nồng độ cố định (0,1 mM), chưa khảo sát sâu về cơ chế dập tắt huỳnh quang (tĩnh hay động), chưa xây dựng đường chuẩn định lượng nồng độ và chưa xác định giới hạn phát hiện (LOD) cũng như độ chọn lọc của cảm biến trước các ion/chất gây nhiễu khác.
  • Bản thảo còn tồn tại một số lỗi chính tả kỹ thuật cần rà soát và chỉnh sửa theo góp ý của giảng viên phản biện.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Tiếp tục khảo sát cơ chế tương tác và động học dập tắt huỳnh quang của CDs đối với Alizarin red và Calcon-carboxylic acid, từ đó hoàn thiện cảm biến huỳnh quang định lượng với độ nhạy cao.
  • Mở rộng thử nghiệm ứng dụng vật liệu CDs này trong lĩnh vực chụp ảnh huỳnh quang y sinh hoặc pha chế mực in bảo mật chống hàng giả.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đinh Phạm Quỳnh Như là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa vô cơ, Kỹ thuật Vật liệu và Công nghệ Nano đang nghiên cứu về các phương pháp chế tạo chấm lượng tử carbon phát quang sinh thái.
  • Các nhóm nghiên cứu quan tâm đến kỹ thuật tổng hợp hóa học có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave-assisted synthesis) nhằm rút ngắn thời gian và đơn giản hóa quy trình điều chế vật liệu nano.
  • Nội dung đáng giá nhất để tra cứu thực tế bao gồm: quy trình tinh chế sản phẩm CDs bằng sắc ký cột silica gel C18, phương pháp tính toán chi tiết hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($QY$) tương đối dựa trên diện tích tích phân phổ phát xạ huỳnh quang PL, và quy trình phân tích hình thái hạt qua phần mềm ImageJ kết hợp vẽ phổ phân giải cao trên Origin.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn Adenine sulfate (ADS) kết hợp với Para-aminosalicylic acid (PAS) làm nguyên liệu tổng hợp CDs?
Adenine sulfate là một hợp chất hữu cơ chứa khung purine (kết hợp giữa vòng pyrimidine và imidazole) giàu liên kết nitơ, đồng thời chứa sẵn gốc muối sulfate ($H_2SO_4$), đóng vai trò cung cấp đồng thời cả nguồn carbon, nitơ và lưu huỳnh. Việc kết hợp thêm Para-aminosalicylic acid (chứa nhóm amin $-NH_2$, carboxyl $-COOH$ và hydroxyl $-OH$) giúp cung cấp bổ sung nitơ và tạo nên lớp vỏ bề mặt chứa nhiều nhóm chức phân cực, hỗ trợ quá trình hình thành bẫy năng lượng huỳnh quang màu xanh lá sáng và giúp hạt CDs phân tán bền vững trong nước.

2. Điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu CDs trong khóa luận là gì và vì sao thời gian phản ứng chỉ mất 5 phút?
Điều kiện tối ưu được xác lập qua thực nghiệm đơn yếu tố là: tỷ lệ mol tác chất ADS : PAS = 1 : 1 (sử dụng 1,5 mmol ADS và 1,5 mmol PAS hòa tan trong 15 mL nước cất) và thời gian gia nhiệt vi sóng là 5 phút. Vi sóng tương tác trực tiếp với các phân tử phân cực trong dung dịch thông qua dao động điện từ, tạo ra sự gia nhiệt cưỡng bức đồng nhất và cực nhanh, thúc đẩy quá trình trùng ngưng, carbon hóa và tạo mầm nano chỉ trong vòng vài phút mà không cần kéo dài hàng giờ như phương pháp thủy nhiệt truyền thống.

3. Tại sao có sự khác biệt về kích thước hạt khi đo bằng phương pháp TEM và phương pháp DLS?
Ảnh TEM ghi nhận kích thước vật lý thực tế của lõi nano carbon trong trạng thái khô và mất nước dưới chân không cao (kết quả đo được là $1,74 \pm 0,11\text{ nm}$). Trong khi đó, phép đo DLS xác định kích thước thủy động học (hydrodynamic diameter) của hạt khi đang khuếch tán trong dung dịch nước, bao gồm cả kích thước lõi hạt cộng với lớp vỏ solvat hóa tạo bởi các phân tử nước liên kết hydro mạnh mẽ với các nhóm chức bề mặt ($-OH$, $-COOH$, $-NH_2$). Do đó, giá trị kích thước thu được từ DLS luôn lớn hơn so với kích thước đo trực tiếp từ ảnh TEM.

4. Hiệu suất lượng tử huỳnh quang ($QY$) của vật liệu CDs trong đề tài đạt bao nhiêu và được xác định bằng cách nào?
Hiệu suất lượng tử huỳnh quang của CDs đạt giá trị 92%. Giá trị này được xác định bằng phương pháp so sánh tương đối với dung dịch chất chuẩn Fluorescein trong NaOH 0,1 M (chất chuẩn có $QY = 92%$ ở bước sóng kích thích 490 nm). Tác giả tiến hành đo phổ hấp thụ UV-Vis và phổ phát xạ huỳnh quang PL ở các nồng độ pha loãng khác nhau, sau đó lập đồ thị hồi quy tuyến tính giữa diện tích pic huỳnh quang và độ hấp thụ quang tại 490 nm để tính toán tỷ số độ dốc theo công thức chuẩn.

5. Vật liệu CDs sau khi tổng hợp đã được thử nghiệm ứng dụng cho mục đích nào?
Sản phẩm CDs đã được thử nghiệm sơ bộ làm cảm biến quang học nhận biết hai hợp chất hữu cơ là Alizarin red và Calcon-carboxylic acid. Khi thêm các chất này (nồng độ 0,1 mM) vào dung dịch CDs (nồng độ 0,02 mg/mL), cường độ phát quang màu xanh lá của CDs bị dập tắt rõ rệt, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu làm đầu dò quang học để phát hiện các phân tử hữu cơ này.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đinh Phạm Quỳnh Như đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu đề ra khi xây dựng thành công quy trình điều chế vật liệu nano Carbon Dots đồng pha tạp N và S từ hai tiền chất mới là Adenine sulfate và Para-aminosalicylic acid bằng phương pháp gia nhiệt vi sóng nhanh gọn trong 5 phút. Hạt nano thu được có cấu trúc đồng đều với kích thước trung bình $1,74\text{ nm}$, phân tán hoàn hảo trong nước, bề mặt giàu các nhóm chức mang hoạt tính cao và phát quang màu xanh lá mạnh mẽ với hiệu suất lượng tử đạt 92%. Kết quả thử nghiệm bước đầu khẳng định tiềm năng ứng dụng khả thi của vật liệu làm cảm biến hóa học nhận biết các hợp chất hữu cơ Alizarin red và Calcon-carboxylic acid, tạo tiền đề tin cậy cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.