ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hoàng Văn Quế

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ
ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG
TRONG MÔI TRƯỜNG PHỨC HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thái Nguyên - 2019


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hoàng Văn Quế

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG
PHỨC HỢP
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8840110
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa
PGS.TS. Trần Hồng Nhung


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1
Mục đích nghiên cứu
Vai trò và tính cấp thiết của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................3
1.1. Tổng quan về các hạt nano vàng.................................................................................. 3
1.1.1. Tính chất quang của hạt nano vàng................................................................ 3
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo hạt nano vàng ...................................................5
1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng ...............................................................6
1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)...........................................................7
1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt......................................................................................10
1.3.1. Sự phát triển của SPT.....................................................................................11
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều
(3D)..........................................................................................................................13
1.3.3. Phân tích dữ liệu............................................................................................14
1.3.4. Kết luận..........................................................................................................19
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG ................................. 20
2.1. Chế tạo hạt nano vàng .................................................................................................20
2.2. Các phương pháp khảo sát ..........................................................................................21
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)................21
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis.......................................................................................23

Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol..................35
Bảng 3.2: Bảng thống kê hệ số khuếch tán cho 5 đơn hạt trong hỗn hợp nước +20%
glycerol.............................................................................................................................. 37
Bảng 3.3a. Hệ số khuếch tán D của 5 hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol trong
dung dịch (Giá trị D trong bảng *10-12 m2/s )...................................................................... 41
Bảng 3.3b. Hệ số khuếch tán trung bình của các hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol
trong dung dịch ................................................................................................................. 42
Bảng 3.4a. Quãng đường dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong môi trường
hỗn hợp glycerol tương ứng (20%) ....................................................................................43
Bảng 3.4b . Quãng đường dịch chuyển trung bình của các hạt nano vàng trong từng môi
trường hỗn hợp glycerol .................................................................................................... 44
Bảng 3.5a. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong cùng môi trường
hỗn hợp glycerol ................................................................................................................ 45
Bảng 3.5b. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn
hợp glycerol .......................................................................................................................45
Bảng 3.5c. Vận tốc dịch chuyển trung bình của nhiều hạt nano vàng trong từng môi trường
hỗn hợp glycerol ................................................................................................................46
Bảng 3.6. Thống kê chung các thông số động học trung bình của các hạt nano vàng trong
từng môi trường hỗn hợp glycerol khác nhau................................................................... 47

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng ................................................3
Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp

các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano..................................31
Hình 3.1. a) Ảnh các hạt nano vàng được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). b)
Phổ hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng tương ứng. ....................................................33
Hình 3.2. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho một hạt nano
vàng duy nhất (hạt số 1) có bán kính thủy động học Rh=14 nm............................................37
Hình 3.3. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho 4 hạt nano
vàng khác nhau trong hỗn hợp nước +20% glycerol............................................................38
Hình 3.4. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm và khớp lý thuyết
cho 12 hạt nano vàng trong nước +20% glycerol................................................................39
Hình 3.5. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho các hạt nano
vàng trong các môi trường hỗn hợp nước có lượng glycerol khác nhau: a) 20%; b) 40%; c)
60%; d) 90%........................................................................................................................40
Hình 3.6 a) Thực nghiệm xác định MSDR và b) các giá trị D được suy ra từ hình a cho các
môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%).......42
Hình 3.7. Hình ảnh quỹ đạo của một hạt nano vàng ( hạt số 1)trong môi trường hỗn hợp
glycerol tương ứng (20%) ...................................................................................................43
Hình 3.8. Quãng đường dịch chuyển trung bình trong các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%).......................................................44
Hình 3.9. Các giá trị vận tốc dịch chuyển trung bình cho các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%)......................................................46

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT



SEM

5

MSDR

6

Tên đầy đủ

Scanning Electron
Microscope

Tên tiếng Việt

Kính hiển vi điện tử quét

Squared average movement

Bình phương dịch chuyển trung bình

in 2-dimensional space

trong không gian 2 chiều

D

Diffusion coefficient


hướng nghiên cứu Sinh học Quang tử (Biophotonics) với việc gắn kết các hạt nano với các
đối tượng sinh học đang phát triển rộng rãi sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng vào thực tiễn. Do
các chất đánh dấu trên cơ sở vật liệu nano với các ưu điểm vượt trội so với các chất đánh
dấu cổ điển như: độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường sinh học. Các
ưu điểm đó của các chất đánh dấu nano tạo ra nhiều khả năng phát hiện các đích sinh học
với độ nhạy cao trong các điều kiện khác nhau từ đơn phân tử cho đến các ứng dụng trong
cơ thể người ...v.v. Nhiều nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa các hạt nano vàng phát
quang và các chất đánh dấu huỳnh quang đã được thực hiện như BRET-FRET nano
particles, sử dụng kỹ thuật FRET trên các hạt nano để phân tích protein [1], … Hiên nay,
sự tương tác giữa các chất đánh dấu huỳnh quang vẫn được tiếp tục nghiên cứu trong các
ứng dụng sinh học như nghiên cứu cấu trúc DNA [2]...v.v.
Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng
can thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính
chất đặc biệt và lý thú. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là lí sinh học nano,
trong đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lí sinh học nano đã và
đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả
của vật liệu nano. Tuy nhiên, việc hiểu biết và theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng được
đánh dấu vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên cứu sâu
và chi tiết. Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư công sức
vào đây. Trong đề tài này, trước tiên chúng tôi nghiên cứu các thông số động học (hệ số
khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển trung bình ,vận tốc dịch chuyển và bán
kính thủy động lực học) của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi trường phức hợp
glycerol. Đây là môi trường giả sinh học (gần môi trường sinh học), do đó việc nghiên cứu
các thông số động học trong môi trường này sẽ giúp cho có cách tiếp cận tốt trong việc
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

Chương 3: Kết quả và thảo luận
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan về các hạt nano vàng
1.1.1. Một số tính chất quang của các hạt nano vàng
Vàng là kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm 11, chu kỳ 6 và phân lớp d,
vàng có số thứ tự 79 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi ở dạng khối vàng là nguyên tố
kim loại có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay mầu tía khi được cắt mỏng.
Nó là kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế 1g vàng có thể được dát thành tấm
1m². Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước
cường toan để tạo thành muối cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của
các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc dạng hạt trong đá và trong các mỏ
bồi tích. Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên
chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ với ánh sáng mặt trời.
Bắt đầu từ khoảng thế kỉ 13, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng
như trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng khối vào các chất
khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau. Từ đó tới nay, có thể
tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa
sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng
tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc
khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt [3].
Tới thế kỷ thứ 19, khi Faraday chế tạo các hạt vàng và nhận ra rằng mầu sắc của dung

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

các thuộc tính quang học bị chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ
với tập thể các electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ, với các hạt
nano vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại
gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở thành ứng
viên sáng giá trong ứng dụng y sinh học.
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng
Trong đề tài này, tôi tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng đơn nhất, do vậy tôi
sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán trong dung dịch.
Nhìn chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó là
phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Tùy theo hình dạng hạt , kích thước hạt , cấu
trúc hạt và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp.
Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, thông thường chúng được chế tạo bằng phương
pháp hóa học. Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử hydro tetraclorua vàng
(HAuCl4). Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước được khuấy từ mạnh trong khi thêm tác nhân
khử vào. Do đó Au3+ bị khử thành ion vàng một cộng (Au+) và nhanh chóng trở thành
nguyên tử vàng, vàng bắt đầu dần dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và lớn dần
cho tới khi dung dịch trở nên siêu bão hòa. Nếu dung dịch được khuấy từ đủ mạnh thì các
hạt sẽ có kích thước đồng đều. Một trong các phương pháp đó là: Phương pháp Turkevitch
(phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp Brust, phương pháp siêu
âm,..
Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương

phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu không gắn
với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư. Khi có
kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh sáng hiển vi
trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi không có hạt
nano vàng gắn kết. Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân
tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học
khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân tách tế bào, dẫn
thuốc, nung nóng cục bộ…
Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng
hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng trắng ở kính hiển vi
thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được
(2) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman
Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên hàng
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các trạng thái điện tử của phân
tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử (single molecule detection). Ngoài ra
còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng.
Hiệu ứng này cũng được ứng dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinh học.
(3) Ứng dụng làm sensơ sinh học
Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là các phân tử
liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp thụ plasmon. Thí dụ:
làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các hạt nano từ mầu đỏ sang mầu

Điều thực sự lạ và mới trong chuyển động Brown chỉ là nó không bao giờ dừng lại.
Đầu tiên, điều này có vẻ mâu thuẫn với kinh nghiệm quan sát hàng ngày của chúng ta về
ma sát. Ví dụ: nếu chúng ta đổ một xô nước vào bồn, có vẻ như chúng ta sẽ thấy rằng sau
một lát, chuyển động bị chiếm hữu bởi khối chất lỏng đã biến mất. Tuy nhiên, hãy phân
tích cách đạt đến trạng thái cân bằng rõ ràng này: Tất cả các hạt của nước đều có vận tốc
xấp xỉ bằng nhau và song song, sự sắp xếp này bị phá vỡ ngay khi một số hạt, đập vào thành
bình nảy ra với vận tốc thay đổi, sẽ ngay lập tức lại va chạm với các phần tử khác của chất
lỏng.
Xét chuyển động Brown của một hạt vi mô trong môi trường có độ nhớt η(T) được
đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Các định luật cơ bản
của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng cho phép
xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa
hai thời điểm tức thời. Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di
chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động
nhiệt.
Vấn đề đặt ra là: sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm
tìm thấy nó là bao nhiêu? Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ với
thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều.
〈𝑟 2 〉 = 2𝑛𝐷𝜏

(1.1)

Với D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng cầu.
Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt bằng cách xem
hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỉ lệ thuận với tốc độ. Sự cân bằng của các lực đó có thể
như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình Langevin:
𝑚

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

𝑑𝑡

𝑑𝑥
𝑑𝑡

+ 𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉

〉 + 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉

(1.3)

Với 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 = 0 do tính chất đối xứng,
〈𝑚𝑥

Vì vậy :

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

𝑑𝑥

〉 = − 〈𝑚( )2 〉

(1.4)

𝑑𝑡

Ta nhận được:
− 〈𝜇𝑥


(1.5)

Với 〈𝑣𝑥2 〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục ox.
1

1

2

2

Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 𝑚〈𝑣𝑥2 〉 = 𝑘𝐵 𝑇
Với 𝑘𝐵 là hằng số Boltzmann.
Ở đó : 2 〈𝑥

𝑑𝑥
𝑑𝑡

〉=2

𝑘𝐵 𝑇
𝜇

⟺

𝑑〈𝑥 2 〉
𝑑𝑡

=2


𝜇 = 6𝜋𝑅𝜂

Học viên: Hoàng Văn Quế

(1.9)

Trang 9


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-Stokes:
𝐷=

𝑘𝐵 𝑇

(1.10)

6𝜋𝑅𝜂

Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lực học –là bán
kính hình học của hạt mà bị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanh hạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số
khuếch tán:
〈𝑟 2 〉 = 𝑛𝐷𝑡

(1.11)


Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

triển của kỹ thuật, khả năng nghiên cứu quá trình động học với độ nhạy và độ phân giải cao
mà không xâm phạm vào bên trong cơ thể. Một trong những kỹ thuật này là phương pháp
theo dõi đơn hạt (Single Particle Tracking- SPT).
1.3.1. Sự phát triển của SPT
Lịch sử phát triển của SPT từ giữa những năm 1980, khi Brabander và các đồng
nghiệp đầu tiên cho thấy rằng các hạt nano vàng có kích thước nhỏ 40 nm, có thể được nhìn
thấy trên bề mặt của các tế bào sống bằng các thiết bị quang học [7, 8]. Ban đầu được gọi
là “kính hiển vi nanovid”, các phương pháp được sử dụng dựa trên sự phân bố thưa thớt
của các hạt keo vàng, gắn liền với các phân tử sinh học. Trong một vị trí lý tưởng, chỉ có
một phân tử sinh học duy nhất được gắn vào một hạt vàng. Bởi vì sự tán xạ Rayleigh có
cường độ rộng, các tọa độ không gian của các vị trí tâm của các hạt đơn lẻ có thể được lấy
với độ chính xác cỡ nano mét và nó được được ghi ở hình ảnh bởi kính hiển vi tương phản
giao thoa (DIC) [7]. Đây là phương pháp đơn giản lần đầu tiên cho phép theo dõi và điều
khiển với độ chính xác quy mô nano mét [9] và mở ra lĩnh vực theo dõi phân tử đơn lẻ trong
màng tế bào [10, 11]. Thay vì sử dụng các hạt vàng, cao su lớn, polystyrene hoặc các hạt
silica với các kích cỡ khác nhau, có đường kính từ 200 nm đến 1 mm cũng có thể được hiện
ảnh và theo dõi bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học chuẩn. Nhiều năm qua, SPT có
chiến lược phát triển nhằm đến mục tiêu các phân tử khác nhau, xử lý dữ liệu và mô hình
hóa các phương pháp đã được nghiên cứu cụ thể, các tổ chức không đồng nhất và động học
của màng tế bào (xem [12] với một trong các đánh giá toàn diện đầu tiên trên SPT). Trong
điều kiện thực hiện với sự đơn giản của kỹ thuật này, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế
giới dành những nỗ lực của họ để phát triển thuật toán phù hợp để xây dựng quỹ đạo và
phân tích khuếch tán và dòng chảy trong hệ thống hai và ba chiều (xem các đánh giá gần
đây [13]).
Vào năm 1930, kính hiển vi huỳnh quang đã có một bước đột phá mới, khi các phân
tử đơn lẻ có thể được phát hiện ở nhiệt độ phòng bằng tín hiệu huỳnh quang [14]. Ngay sau
đó, SPT đã được thực hiện bằng cách thay thế các hạt đơn lẻ bằng các phân tử huỳnh quang
đơn hoặc protein huỳnh quang [15, 16, 17]. Kể từ đó lĩnh vực này đã cho thấy một sự bùng

photon thu thập từ nguồn phát xạ và các nguồn nhiễu khác nhau từ thực nghiệm. Sau khi
lặp đi lặp lại bước xác định vị trí trên một chuỗi thời gian của rất nhiều hình ảnh, các vị trí
được liên kết lại để tạo ra quỹ đạo theo dõi sự chuyển động của các hạt (đường nét đứt mầu
trắng được liên kết lại như là một hàm của thời gian ở hình 1.3).

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 12


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa của SPT
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D)
Không gian hay sử dụng nhất SPT thực hiện quang học cho hình ảnh 2D dựa trên
vùng sáng rộng và phát hiện một vết loang thấp, máy ảnh có độ nhạy cao. Cấu hình này cho
phép phát hiện nhanh các tín hiệu để thu thập dữ liệu và theo dõi các phân tử chuyển động.
Ngày nay hầu hết các nghiên cứu sử dụng SPT dựa trên tín hiệu huỳnh quang.Thông
thường, các phân tử được kích thích sử dụng một chùm tia laser tập trung vào các mặt phẳng
tiêu cự, các vật kính tạo ra một chùm tia song song kích thích một vùng của mẫu trong suốt
toàn bộ chiều sâu của nó. Huỳnh quang phát ra được chọn lọc từ ánh sáng kích thích và
phát hiện bằng cách sử dụng máy ảnh. Việc phát hiện và theo dõi các tín hiệu phát ra riêng
biệt đòi hỏi đến tỷ lệ tín hiệu cao, mà phụ thuộc vào cách sử dụng tính chất ảnh vật lý của
quá trình phân tích. Thông thường, với khẩu độ số NA> 1.2 được sử dụng để thu thập số
lượng lớn nhất có thể của các photon phát ra. Hơn nữa, các bộ lọc huỳnh quang có độ sắc
nét với độ truyền cao (> 80%) và máy ảnh phát hiện với năng suất lượng tử cao.

Học viên: Hoàng Văn Quế



Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Toàn bộ quá trình này, thường được gọi là kỹ thuật “theo dõi hạt duy nhất” [13], kỹ thuật
này lần đầu tiên được thực hiện bằng một thiết bị điện tử. Bên cạnh đó kỹ thuật đó tốn thời
gian và không có độ phân dải cao nên rất chậm, nhu cầu về dữ liệu thông lượng cao đòi hỏi
một số lượng cao mật độ của các hạt, do đó một số thuật toán máy tính tiên tiến đã được
phát triển để đạt được độ chính xác về vị trí (xem xét trong [19], [20]). Các phân tích gồm
2 bước chính:
(1). Các thuật toán cho việc xác định vị trí các hạt
Các dữ liệu ban đầu của thí nghiệm SPT thường bao gồm một trình tự thời gian của các
hình ảnh giới hạn nhiễu xạ của các hạt phát quang. Trong mỗi khung hình của một chuỗi,
hạt xuất hiện những đốm sáng trên nền tối. Chiều rộng PSF tỷ lệ thuận với các bước sóng
phát xạ quang và khẩu độ số của thấu kính chụp ảnh, xác định độ phân giải không gian của
các kính hiển vi, trong khi cường độ PSF là tỷ lệ thuận với số lượng của các photon thu
được.
Nhiệm vụ đầu tiên là ước tính các tọa độ trọng tâm trong những điểm phát quang, do đó
vị trí các hạt từ hình ảnh được xác định với độ chính xác cao (pixel) (Hình 1.5 (a) - (d)).
Xác định vị trí của một hạt từ hình ảnh khá phức tạp.

Hình 1.5 Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 15