ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


PHẠM THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT
ĐỊNH XỨ CỦA CÁC HẠT NANO BẠC ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG
PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA TRÊN NỀN QUANG SỢI VÀ ỨNG
DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH–HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM


PHẠM THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT
ĐỊNH XỨ CỦA CÁC HẠT NANO BẠC ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG
PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA TRÊN NỀN QUANG SỢI VÀ ỨNG
DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH–HÓA

Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số : 8 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

tài KHCN: “Nghiên cứu phát triển đầu dò micro quang sợi và đế có hiệu ứng
tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) từ cách sắp xếp có trật tự của các nano
Au ứng dụng để phát hiện các chất Chlorpyrifor, Dimethoate và Permethrin”,
mã số KHCBVL.04/18-19 của ThS. Phạm Thanh Bình.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý – Trường Đại
học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên và các anh chị đang công tác tại Phòng Vật
liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất giúp em thực hiện các thực
nghiệm, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoàn thành.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người
luôn bên cạnh hỗ trợ và khuyến khích em có được những nỗ lực, quyết tâm để
hoàn thành luận văn.
Thái Nguyên, ngày 6 tháng 9 năm 2018
Học viên

Phạm Thị Mỹ Hạnh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 8
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1
2. Mục tiêu của luận văn ...................................................................................... 3

1.2.3.2. Cảm biến sợi quang dựa trên hiệu ứng plasmon .................................. 30
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 32
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm sử dụng ................................................... 32
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 32
2.1.2. Dụng cụ.................................................................................................... 32
2.2. Quy trình tổng hợp...................................................................................... 32
2.2.1. Quy trình tổng hợp AgNP bằng phương pháp chiếu xạ LED ................. 32
2.2.2. Quy trình tổng hợp bằng nguồn sáng laser .............................................. 34
2.3. Các phương pháp phân tích tính chất quang và cấu trúc của hạt nano bạc 39
2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ ................................................................... 39
2.3.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét ............................................ 42
2.3.3. Phương pháp đo quang phổ Raman ......................................................... 45

iv


CHƯƠNG III. KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC
HẠT NANO BẠC CHẾ TẠO TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG VÀ TRÊN ĐẦU
DÒ QUANG SỢI, ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH-HÓA ............... 50
3.1. Khảo sát kết quả vi hình thái của các AgNP được tổng hợp bằng phương
pháp chiếu LED ................................................................................................. 50
3.2. Khảo sát kết quả vi hình thái của các AgNP được tổng hợp bằng phương
pháp chiếu laser ................................................................................................. 53
3.3. Định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh-hóa ......................................... 58
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU .................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ...... 70

v


LED

Điốt phát quang

LSPR

Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ

R6G

Rhodamoine 6G

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

SERS

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

SPR

Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1 Các vùng đặc trưng trong phổ Raman của chất phân tích

Các phương pháp vật lý tổng hợp AgNP

12

Hình 1.4

Ảnh TEM của các AgNP được tổng hợp bằng phương pháp

14

quang-hóa ở cùng một nhiệt độ và khác nhau thời gian
chiếu sáng: (a) 4h; (b) 7h; (c) 21h; (d) 25h
Hình 1.5

a, Plasmon khối, b, Plasmon bề mặt, c, Plasmon bề mặt định

16

xứ
Hình 1.6

(a) Sơ đồ minh họa của một plasmon bề mặt truyền dọc theo

20

trục x trên giao diện giữa kim loại-điện môi với các đường
điện trường theo hướng ngược lại (b) Sự tán xạ của plasmon
bề mặt với photon trong chân không
Hình 1.7


Hình 2.2

(a) Đèn LED xanh lá cây, (b) Buồng phản ứng, (c) Mô hình

35

buồng phản ứng khép kín chiếu sáng bằng LED
Hình 2.3

Sơ đồ bộ thiết bị mài sợi quang

Hình 2.4

Sợi quang được ăn mòn trong axit HF

36

Hình 2.5

Sơ đồ hệ tổng hợp AgNP bằng nguồn sáng laser công suất

38

cao

vi


Hình 2.6



Hình 2.12 Sơ đồ hệ đo quang phổ Raman

48

Hình 2.13 Hệ phân tích quang phổ Raman LabRAM HR Evolution

49

Hình 2.14 Sơ đồ hệ đo LabRAM HR Evolution

50

Hình 3.1

Dung dịch Ag trước và sau khi chiếu sáng

51

Hình 3.2

Phổ hấp thụ UV-VIS của hạt mầm AgNP

51

Hình 3.3

Phổ phát xạ của đèn LED xanh lá cây

52


Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong

56

thời gian 1 phút.
Hình 3.9

Ảnh SEM bề mặt của sợi quang chiếu sáng trong 3 phút 30

56

giây
Hình 3.10 Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong
thời gian 3 phút 30 giây

vii

57


Hình 3.11 Ảnh SEM tổng thể của sợi quang chiếu sáng trong 6 phút

58

Hình 3.12 Ảnh SEM phóng đại của các AgNP trên bề mặt sợi trong

58

thời gian 6 phút

1. Lý do chọn đề tài
Từ nhiều thế kỷ nay vật liệu có cấu trúc nano dưới các dạng khác nhau đã
thu hút được sự chú ý của nhân loại vì nó cho thấy những đặc tính vật lý mới lạ
mà chúng ta chưa thấy được ở các cấu trúc, kích thước của vật liệu khác. Đây là
nền tảng cho công nghệ nano, một lĩnh vực khoa học và công nghệ đã rất phát
triển trong suốt thập kỉ qua. Công nghệ nano đề cập đến các vật liệu, hệ thống và
thiết bị cỡ nano mét (1-100 nanomet), điều này có tác động lớn đến xã hội hiện
đại của chúng ta và số lượng các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano càng ngày
càng tăng. Công nghệ này nhanh chóng trở thành một ngành khoa học đáng chú
ý bởi nó liên quan đến các lĩnh vực nghiên cứu khác như: vật lý, hóa học, sinh
học, y học, điện tử, các ngành công nghiệp sản xuất và kĩ thuật…
Tính chất vật lý và quang học của vật liệu nano kim loại được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực, từ kĩ thuật quang cho đến đời sống. Trong số đó, không ít những
tính chất quang học thú vị được bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề
mặt định xứ (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR). Hiệu ứng này xảy
ra khi các electron tự do trong cấu trúc kim loại được kích thích bởi ánh sáng tới,
tạo ra sự dao động của các điện tử bị giới hạn trong cấu trúc nano. Kích thích của
plasmon bề mặt định xứ có thể được gây ra bởi bức xạ điện từ dẫn đến hiện tượng
tán xạ và hấp thụ mạnh bước sóng tại đó hay có nghĩa là tạo ra màu sắc đặc biệt
của vật liệu nano kim loại. LSPR phụ thuộc mạnh vào kích thước, hình dạng các
hạt nano kim loại, chiết suất môi trường xung quanh và khoảng cách giữa các hạt
nano [11]. Do vậy việc kiểm soát hình dạng và kích thước của hạt nano kim loại
là biện pháp hiệu quả để có được hạt nano với bước sóng cộng hưởng plasmon
như mong muốn. Nhiều phương pháp như là phương pháp vật lý, phương pháp
khử hóa học, khử sinh học, phương pháp quang hóa, phương pháp ăn mòn laser,
phương pháp điện hóa, phương pháp chiếu xạ… đã tổng hợp thành công các nano
kim loại đặc biệt là nano bạc với các hình dạng khác nhau như dạng cầu, dạng

1


2


lớp nano bạc, dựa vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ làm cho các
đầu dò cảm biến có độ nhạy cao để phát hiện sự tồn dư của các chất hóa học độc
hại thông qua phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt. Trên cơ sở đó và với những
điều kiện trang thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm của phòng Vật liệu và ứng
dụng quang sợi thuộc Viện khoa học vật liệu Việt Nam tôi chọn đề tài: “Nghiên
cứu hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt nano bạc được
tổng hợp bằng phương pháp quang-hóa trên nền quang sợi và ứng dụng
trong cảm biến sinh-hóa” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp thạc
sĩ của mình.
2. Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc và sử dụng phương
pháp quang-hóa để tổng hợp nano bạc.
- Chế tạo các dạng đầu dò quang sợi như đầu dò dạng phẳng, dạng D-form,
dạng tuýp… và phủ các hạt nano bạc lên trên đầu dò quang sợi dạng phẳng.
- Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của các dạng hạt nano bạc chế tạo
được; hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman trên đầu dò sợi quang và bước
đầu ứng dụng kết quả trên trong cảm biến sinh-hóa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Tính chất quang của các hạt nano bạc, hiệu ứng plasmon bề mặt định
xứ và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt.
+ Cách chế tạo các hạt nano bạc và chế tạo các dạng đầu dò quang sợi,
ứng dụng hiệu ứng plasmon bề mặt định xứ của hạt nano bạc trên nền quang sợi
để nghiên cứu phổ Raman.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hiệu ứng plasmon, các phương pháp tổng
hợp các hạt nano kim loại bạc và ứng dụng các hạt nano kim loại bạc trong cảm
biến sinh-hóa.


4


5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu, các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc bằng phương
pháp quang-hóa, các dạng đầu dò quang sợi, hiệu ứng plasmon bề mặt định
xứ, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt.
- Thiết kế xây dựng quy trình thí nghiệm tổng hợp các hạt nano bạc dựa trên
phương pháp quang-hóa bằng các nguồn LED công suất cao và nguồn laser
có bước sóng 532nm.
- Nghiên cứu các tính chất quang và cấu trúc của mẫu hạt nano bạc tổng hợp
được trên hệ thiết bị đo phổ UV-VIS-NIR phân giải cao (Cary 5000) và hệ
thiết bị hiển vi điện tử quét HR-SEM.
- Sử dụng các đầu dò quang sợi dạng phẳng có phủ hạt nano bạc chế tạo được
để làm đế SERS bước đầu nghiên cứu hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường
bề mặt đối với R6G.
6. Ý nghĩa của luận văn
Luận văn trình bày cách tổng hợp các dạng nano bạc bằng phương pháp
quang-hóa và tính chất quang của các hạt nano bạc phụ thuộc vào hình dạng và
kích thước của hạt nano. Ứng dụng các hạt nano bạc vào việc chế tạo cảm biến
sinh-hóa dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của hạt
nano bạc trên sợi quang. Phương pháp quang-hóa dễ sử dụng và dễ thực hiện tại
Việt Nam, không độc hại, thân thiện với môi trường và có thể điều khiển kích
thước, hình dạng hạt như mong muốn, hơn nữa có hiệu quả và chi phí thấp. Tiếp
đó dựa vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của hạt nano
Ag tích hợp trên đầu dò quang sợi thông qua phổ Raman để bước đầu nghiên cứu
ứng dụng trong cảm biến sinh-hóa, hy vọng chế tạo và sản xuất một loại cảm
biến nhỏ gọn, tiện lợi, dễ dàng phân tích các chất độc hại phục vụ trực tiếp nhu
cầu của con người trong đời sống.

tính nâng cao.
1.1.1.2. Tính chất của AgNP
Hạt nano kim loại nói chung cũng như AgNP có hai tính chất khác biệt so
với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do
đặc điểm các AgNP có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các
tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độ
điện tử tự do cao.
1.1.1.2.1 Tính chất quang học
Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc lẫn trong thủy tinh làm cho
các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử
dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng
hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) do điện tử tự do
trong hạt nano kim loại hấp thụ ánh sáng tới. Kim loại có nhiều điện tử tự do,

7


các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài
như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai
hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường
tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim
loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử thì hiện tượng dập tắt
không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do
vậy, tính chất quang của AgNP có được do sự dao động tập thể của các điện tử
dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy,
các điện tử sẽ phân bố lại trong AgNP làm cho AgNP bị phân cực điện tạo thành
một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của AgNP và môi trường
xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ AgNP cũng
ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng

chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu
kích thước của hạt nano bạc giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [4].
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc
Hiện nay có nhiều phương pháp tổng hợp thành công AgNP theo nhiều con
đường khác nhau như hóa học, vật lý, sinh học…Mỗi phương pháp đều có ưu điểm
và nhược điểm riêng với các vấn đề thường gặp là chi phí sản xuất, kích cỡ hạt, sự
phân bố kích cỡ…Tùy vào điều kiện và mục đích sử dụng mà có thể lựa chọn
phương pháp tổng hợp AgNP phù hợp. Nhìn chung có hai phương pháp tổng hợp
AgNP là chế tạo từ trên xuống (top-down) và lắp ráp từ dưới lên (bottom-up).
Hình 1.2 mô tả hai phương pháp này một cách đơn giản và dễ hiểu.

Hình 1.1: Mô tả phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên.

9


Trong công nghệ chế tạo nano phương pháp từ trên xuống liên quan đến
việc sử dụng các vật liệu rời giảm chúng thành các hạt nano bằng quá trình vật
lý, hóa học hoặc cơ học còn phương pháp từ dưới lên thì bắt đầu bằng các phân
tử hoặc nguyên tử để tổng hợp thu được các hạt nano. Tổng hợp các hạt nano với
cách tiếp cận từ trên xuống thường bằng các phương pháp như là nghiền cơ năng
lượng cao, laser năng lượng cao, phương pháp nhiệt và phương pháp quang
khắc…còn với cách tiếp cận từ dưới lên thì có thể bằng các phương pháp lắng
đọng hơi hóa học, sol-gel, thủy phân, lắng đọng hồ quang điện...[23].
1.1.2.1. Phương pháp hóa học
Trong tổng hợp hóa học, phương pháp khử hóa học thường được sử dụng
để tổng hợp các hạt nano. Cùng với phương pháp này, tổng hợp hóa học bao gồm
phương pháp thủy nhiệt, phương pháp âm hóa, phương pháp điện hóa, phương
pháp vi nhũ tương, phương pháp sol-gel, phương pháp hóa ướt… để tổng hợp
các AgNP [21].

glucose) và chất ổn định (tức là PVA, PVP, natri oleate)[6, 21].
1.1.2.2. Phương pháp vật lý
Các phương pháp hóa học để tổng hợp các AgNP thường liên quan đến
các hóa chất độc hại, có thể gây hại cho môi trường. Mặc dù phương pháp này
tạo ra các AgNP có kích thước và hình dạng đồng đều nhưng chúng đòi hỏi một
số chất khử, chất ổn định cũng như phụ gia để tránh sự tích tụ của các AgNP
trong khi đó các phương pháp vật lý không liên quan đến hóa chất độc và thường
nhanh hơn. Kvitek đã báo cáo phương pháp tiếp cận vật lý tiến bộ để tổng hợp
hạt nano Ag và Au và các hạt có dạng hình cầu với đường kính trung bình khoảng

11


3,5 nm. Phương pháp vật lý chủ yếu bao gồm phương pháp bốc hơi, ngưng tụ,
phương pháp ăn mòn laser, phương pháp phóng xung điện, phương pháp lắng
đọng hồ quang… để tổng hợp các AgNP. Không có ô nhiễm dung môi trong quá
trình tổng hợp màng mỏng và hình thành các hạt có kích thước đồng đều trong
phân bố hạt nano là những ưu điểm của phương pháp vật lý so với tổng hợp hóa
học [15].

Hình 1.3: Các phương pháp vật lý tổng hợp AgNP.
Jung và các cộng sự đã công bố quá trình tổng hợp các AgNP thông qua
phương pháp bốc hơi/ngưng tụ ống bằng cách sử dụng một lò nung gốm nhỏ với
gia nhiệt cục bộ [21]. Các AgNP được hình thành có dạng hình cầu và phân tán
tốt. Phương pháp này có một số nhược điểm như cần không gian rộng để thiết
lập hệ thống, tiêu thụ năng lượng cao để tăng nhiệt độ môi trường xung quanh
nguồn nguyên liệu và đòi hỏi thời gian đáng kể để thiết lập ổn định nhiệt. Lee và
Kang đã tổng hợp các AgNP bằng phương pháp phân hủy nhiệt bằng cách sử
dụng bạc nitrat làm tiền chất ở 290°C. Kết quả quan sát thấy các hạt nano có kích
thước đồng đều với sự phân tán tốt và kích thước trung bình của các AgNP là 9,5

nhiều ion Ag+, các ion này sẽ bị khử thành nguyên tử Ag. Citrate trong quá trình

13