ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH
HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------LÊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÀNG MỎNG KIM LOẠI
ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA NHẰM ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH
HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60040104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỆT TUYÊN

Hà Nội 2015

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH VẼ
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………………….1
1.1.

Hiện tượng Plasmon bề mặt ................................................................. …….1

1.2.

Màng nano vàng và ứng dụng……………………………………………...3

1.2.1. Cộng hưởng Plasmon bề mặt…………………………………………….3
1.2.2. Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm –SH……………………….5
1.2.3. Tăng cường tín hiệu Raman……………………………………………...7
1.3.

Các phương pháp chế tạo .............................................................................. 9

1.3.1.Phương pháp Lắng đọng chùm điện tử…………………………………...9
1.3.2.Phương pháp phún xạ- Sputtering……………………………………….10
1.3.3.Phương pháp điện hóa…………………………………………………...11
1.3.4.Phương pháp lắng đọng hóa học………………………………………...12
1.4.

Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 15

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHÉP ĐO KHẢO SÁT……………16
2.1. Các bước tiến hành thí nghiệm ....................................................................... 16
2.1.1. Hóa chất thí nghiệm…………………………………………………….16



KẾT LUẬN………………………………………………………………………..41
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..43


MỤC LỤC HÌNH VẼ
Tên hình
Hình 1.1.Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt của các hạt nano

Trang
1

kim loại
Hình 1.2. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng

2

Hình 1.3. Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác

4

protein – kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử
dụng màng nano vàng
Hình 1.4. Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm

4

biến nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời
gian

11

Hình 1.12. Sơ đồ tạo màng vàng

13

Hình 2.1. Quy trình chế tạo màng nano vàng

17


Hình 2.2. Sơ đồ tạo nhóm –OH trên bề mặt đế lamen.

18

Hình 2.3. Sơ đồ chức năng hóa đế lamen bằng dung dịch APTES.

18

Hình 2.4. Sơ đồ tạo mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa.

19

Hình 2.5. Sơ đồ quá trình phát triển các hạt mầm vàng tạo màng nano

20

vàng.
Hình 2.6 .Thiết bị đo nhiễu xạ tia X tại Khoa Vật lý-



27

Hình 3.4. Ảnh hiển vi trường tối mẫu màng nano vàng M0.

28

Hình 3.5. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng M0

30

Hình 3.6. Phổ hấp thụ của mẫu màng nano vàng ngâm với dung dịch

31

KOH 1M
Hình 3.7. Phổ hấp thụ và ảnh hiển vi trường tối của mẫu màng Au trên

33


đế lamen có (m1) và không (m2) thực hiện quá trình ngâm dung dịch
KOH 1M.
Hình 3.8. Hấp thụ của mẫu màng vàng với các giá trị pH dung dịch

35

APTES khác nhau
Hình 3.9. Phổ hấp thụ của các mẫu màng vàng với các nồng độ dung



Hình 3.16.Ảnh kính hiển vi trường tối các màng Au hình thành trên đế

41

lamen


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Tên bảng biểu

Trang

Bảng 2.1. Hóa chất thí nghiệm

17

Bảng 2.2. Thông số chế tạo mẫu M0

20

Bảng 3.2. Kết quả hấp thụ của các mẫu màng vàng chế tạo cùng điều

31

kiện.
Bảng 3.3. Kết quả hấp thụ của mẫu màng vàng thay đổi nồng độ dung
dịch HAuCl4 tạo mầm.

35

Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.2. Phổ hấp thụ plasmon bề mặt của hạt nano vàng.[22]
Ở đây, đỉnh hấp thụ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng dịch về phía
bước sóng dài khi kích thước hạt tăng lên và độ rộng phổ tăng khi kích thước bắt
đầu lớn hơn 20 nm.
Lý thuyết Mie
Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo hạt nano vàng
bằng phương trình Maxwell. Bằng cách này ông đã mô tả tính chất quang học của
hạt nano vàng ở bất kì kích thước nào. Lý thuyết cho rằng điện trường được sinh ra
là do kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt khi một hạt đơn lẻ không tương tác với
phần còn lại của môi trường xung quanh. Bản chất của phổ hấp thụ không phải là do
sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon
bề mặt. Theo tính toán của Mie cho các hạt cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon
phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản sau [6]:
Thứ nhất: Hình dạng, kích thước của hạt nano
Thứ hai: Bản chất của vật liệu đó (hằng số điện môi của vật liệu)
Thứ ba: Môi trường xung quanh kim loại đó.

2


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Do đó, phổ hấp thụ plasmon bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng, kích
thước của hạt nano kim loại.


Lê Ngọc Anh

Hình 1.3. Mô hình cảm biến sinh học nghiên cứu tương tác protein
– kháng thể giữa BSA (huyết thanh) và anti BSA sử dụng màng
nano vàng [20].
Cấu tạo của cảm biến gồm một đế thủy tinh được phủ lớp màng Titan 5
nm, kế tiếp là lớp màng vàng dày 40 nm được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng
chùm điện tử. Kháng nguyên gắn với các hạt nano vàng, trong khi đó kháng thể
được gắn với màng vàng. Tương tác kháng nguyên – kháng thể giữa các phân tử
BSA và anti-BSA đã lôi các hạt nano vàng về phía màng mỏng; hình thành một lớp
cấu trúc dạng màng bên trên bề mặt màng mỏng nano (lớp EMA). Theo thời gian
tương tác, số lượng hạt Au-BSA bám trên bề mặt ngày càng nhiều và được đo thông
qua khảo sát cộng hưởng Plasmon của lớp màng EMA kể trên.
Kết quả thu được như trong Hình 1.4. Khi độ dày lớp EMA tăng lên thì
đỉnh hấp thụ plasmon cũng dịch về phía bước sóng dài.

Hình 1.4. Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng Plasmon của cấu trúc cảm biến
nhận biết BSA/anti BSA khi độ dày lớp EMA thay đổi theo thời gian [20].

4


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

1.2.2. Điện cực dẫn và khả năng liên kết với nhóm -SH
Nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati tại Đại học California đã chế tạo cảm
biến sinh học DNA nhờ sử dụng lớp màng vàng làm điện cực [17]. Cảm biến xác

điện hóa phụ thuộc vào nồng độ đối tượng Au-t được biểu diễn ở trong Hình 1.4. Từ
đây, Pallavi Daggumati đã tính toán suy giảm tín hiệu điện hóa theo công thức: [(Ip
- It )/Ip]×100%. Trong đó Ip, It lần lượt là cường độ dòng điện cực đại thu được tại
hiệu điện thế điện hóa đặc trưng của MB trước và sau khi cho Au-t.
Như vậy, cảm biến đã xác định được sự thay đổi tín hiệu điện hóa khi thay đổi
nồng độ DNA.

6


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Hình 1.6.Sự thay đổi tín hiệu đầu ra theo các nồng độ DNA khác nhau
của cảm biến [17].
1.2.3. Tăng cƣờng tín hiệu Raman
Peter Owens và các cộng sự đã xác định được nồng độ protein bằng phương
pháp Raman tăng cường bề mặt (SERS) [18]. Họ đã sử dụng 4-aminothiophenol (4ATP) và 6-mercaptopurine (6- MP) để tạo ra các nhóm chức amin-NH2 trên bề mặt
điện cực trước khi gắn chúng với các kháng nguyên, kháng thể. Từ đó nghiên cứu
sự ảnh hưởng của nồng độ protein p53 và EGFR (Epidermal Growth Factor
Receptor) tới phổ Raman.
Mô hình của ứng dụng này được chỉ ra như trong Hình 1.7. Cấu tạo của cảm
biến gồm một đế silicon được phủ một lớp màng mỏng vàng hoặc bạc. Tiếp theo,
một lớp kháng nguyên- kháng thể với các nồng độ khác nhau được nhỏ lên lớp
màng này. Cấu trúc này được đo SERS trước và sau khi nhỏ kháng nguyên- kháng
thể nhằm nhận biết sự có mặt của chúng trên phổ Raman.

7


học [1,12,18,21,24], phương pháp vật lý như phún xạ- sputtering [11, 17], lắng
đọng chùm điện tử [20], điện hóa [21]. Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều
nhóm nghiên cứu chế tạo thành công màng nano vàng bằng các phương pháp kể
trên.
1.3.1. Phƣơng pháp Lắng đọng chùm điện tử
Rakesh Singh Moirangthem [20], đã chế tạo thành công màng nano vàng
bằng phương pháp lắng đọng chùm điện tử nhằm ứng dụng làm cảm biến sinh học
phát hiện huyết thanh BSA.
9


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Phương pháp này có thể điều khiển được độ dày của màng và cho chất lượng
đồng đều nhờ điều khiển được các thông số chế tạo. Tuy nhiên, nguyên liệu làm
bia trong phương pháp này đắt tiền và đòi hỏi chân không cao.
1.3.2. Phƣơng pháp phún xạ- Sputtering
Nhóm nghiên cứu Jakub Siegel và Olexiy Lyutakov [11] đã nghiên cứu các
tính chất quang điện của màng vàng cấu trúc nano lắng đọng trên đế thủy tinh bằng
phương pháp phún xạ theo các thông số: Plasma Ar độ sạch 99,995%, công suất
7,5W, tốc độ xả khí 0,3 l/s, khoảng cách bia-đế 50 mm, diện tích đế 48 cm2. Các
mẫu được nghiên cứu tính chất theo độ dày khác nhau nhờ điều khiển được thời
gian phún xạ từ 4-500s.
Tháng 4 năm 2015, nhóm nghiên cứu Pallavi Daggumati đã sử dụng phương
pháp sputtering kết hợp với khử hóa học để chế tạo thành công màng vàng nano xốp
trên đế thủy tinh [17]. Đầu tiên một lớp màng vàng mỏng có độ dày 80 nm được
phún xạ lên một lớp chrom. Lớp màng này được coi là mầm để tiếp tục phún xạ
thêm một lớp màng hỗn hợp Ag-Au có độ dày 600 nm. Sau đó, phần Ag có trong



Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

Trong nghiên cứu này, các màng vàng được khảo sát mật độ theo thời gian
điện hóa là 1 phút, 2 phút và 8 phút. Tuy nhiên các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình
tạo sol vàng chưa được quan tâm là pH dung dịch nuôi.
1.3.4. Phƣơng pháp lắng đọng hóa học
Đây là phương pháp khử các muối để tạo ra các ion kim loại lắng đọng trên
bề mặt đế [1,18]. Phương pháp này sử dụng các hợp chất có nhóm amin NH2 như 3aminopropytriethoxydilane (APTES) , aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) để
gắn các hạt nano nhỏ lên đế thủy tinh. Sau đó tiến hành phát triển tăng kích thước
hạt bằng phương pháp khử. Sản phẩm của phản ứng khử là các ion kim loại sẽ bám
dính lên các hạt mầm khiến kích thước hạt tăng dần. Đến khi các hạt có kích thước
đủ lớn và kết dính với nhau sẽ hình thành màng.
Dung dịch ban đầu là muối vàng HAuCl4. Tác nhân khử ion kim loại Au3+
thành Au0 là các chất hóa học như: Acid Citric, Sodium Borohydride NaBH4, Aicd
Ascobic… Nguyên tắc khử của như sau:
Au3+ + X  Au0  nano Au
Dưới tác dụng của chất khử X, Au3+ sẽ tạo ra các nguyên tử Au, sau đó các
nguyên tử này sẽ kết hợp với nhau, phát triển thành các hạt nano vàng.
Tạo màng bằng phương pháp này có nhược điểm là khó kiểm soát được độ
đồng đều của màng, độ lặp lại không cao, khả năng gắn kết giữa màng và đế còn
thấp. Ngoài ra quá trình chế tạo còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ , độ
pH dung dịch… Tuy nhiên phương pháp này không đòi hỏi các điều kiện khắt khe
về chân không, áp suất… và thực hiện với chi phí thấp.
Quy trình chế tạo của một số nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước
[1,5,7,12,23,24] gồm 4 bước chính như sau: Tạo nhóm ưa nước trên bề mặt đế
lamen: Ngâm đế lamen trong dung dịch KOH nhằm tạo nhóm –OH trên bề mặt đế;

13


Luận văn thạc sĩ

Lê Ngọc Anh

liên kết Si-OH trên bề mặt để lamen không bền – như đã bàn luận ở trong bước 1.
Chính điều này lại làm giảm số lượng APTES bám được trên bề mặt của đế lamen.
Như vậy phải tồn tại một giá trị pH phù hợp sao cho số nhóm amin hình thành trên
bề mặt đế là lớn nhất.
Trong bước 3, các hạt nano vàng có kích thước nhỏ (khoảng 1-5 nm) thường gọi là mầm vàng [5,12] – được chế tạo bằng phương pháp hóa khử trước khi
cho hấp phụ lên trên bề mặt của đế lamen đã được chức năng hóa. Các nghiên cứu
trước đó đã cho rằng sau khi chức năng hóa bởi nhóm chức –NH2 thì bề mặt lớp
SiO2 sẽ tích điện dương [9] sẽ hút các hạt vàng có điện tích bề mặt âm [21] thông
qua tương tác Coulomb.
Việc tạo lớp mầm vàng trên đế lamen đã được chức năng hóa ở bước 3 rất
quan trọng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như: pH dung dịch mầm,
nồng độ muối vàng HAuCl4, thời gian ngâm mầm có ảnh hưởng sâu sắc tới khả
năng bám dính của các hạt vàng trên đế [5,12,24].
Khi giá trị pH của dung dịch mầm tăng thì điện tích dương của lớp NH2 trên
bề mặt tăng, nhưng điện tích của bề mặt của các hạt vàng tích điện âm lại giảm. Vì
vậy, tồn tại một giá trị pH mà tại đó lực tĩnh điện giữa lớp NH2 và các hạt mầm Au
là lớn nhất [24]. Bên cạnh đó, nồng độ của dung dịch HAuCl4 là một trong những
yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến lượng mầm vàng bám dính trên bề mặt lớp NH2
[5,12].
Trong các nghiên cứu chế tạo thanh nano vàng [5,12], thời gian phù hợp để
sử dụng các hạt mầm được cho là từ 2 đến 5 h. Vì vậy, việc nghiên cứu thời gian
ngâm đế lamen sau khi được chức năng hóa vào dung dịch chứa mầm cũng rất quan
trọng.