ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------

TRẦN THỊ THANH HỢP

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT QDs CdTe
ỨNG DỤNG CHO CHẾ TẠO NANOSENSOR
Chuyên ngành

: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số

: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGÔ TRỊNH TÙNG

HÀ NỘI, 2014


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của mình
đến TS. Ngô Trịnh Tùng đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy tận tình giúp em hoàn
thành luận văn thạc sĩ này.
Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô thuộc khoa Hóa học Trường đại học Khoa
học Tự Nhiên, ĐHQG Hà Nội đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn em trong suốt


1.1.1

Clenbuterol..............................................................................................3

1.1.2

Rhodamine B ..........................................................................................5

1.2

Vật liệu nano và chấm lượng tử ....................................................................7

1.2.1 Tổng quan về chấm lượng tử .......................................................................7
1.2.2 Tổng hợp chấm lượng tử ...........................................................................10
1.2.3 Tính chất của Qds phát huỳnh quang ........................................................16
1.2.4 Chức năng hóa và biến tính bề mặt các chấm lượng tử ............................18
1.3

Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) ................22

1.3.1

Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng .............................................22

1.3.2

Cơ sở lý thuyết của hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng ..........23

1.4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.3.4 Phản ứng diazo Clenbuterol ......................................................................40
2.3.5 Phản ứng cộng hợp Clenbuterol với ligand ...............................................40
2.4

Các phương pháp nghiên cứu ......................................................................41

2.4.1

Đo phổ hấp thụ UV-Vis ........................................................................41

2.4.2

Đo phổ phát xạ huỳnh quang ................................................................42

2.4.3

Phương pháp đo phổ hồng ngoại ..........................................................43

2.4.4

Phương pháp đo thời gian sống huỳnh quang ......................................44

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 45
3.1

Sensor xác định Rhodamine B ....................................................................45


Bảng 2. 1: Nồng độ Rhodamine B của các mẫu .......................................................35
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Công thức cấu tạo của Clenbuterol ............................................................3
Hình 1. 2: Cấu trúc hóa học của một vài hợp chất nhóm β2- agonist .........................3
Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của Rhodamine B .........................................................5
Hình 1. 4: Số lượng các bài báo được xuất bản liên quan đến QDs từ 1986 đến 2012
.....................................................................................................................................8
Hình 1. 5: Mô hình cacboxyl hóa chấm lượng tử CdTe ...........................................19
Hình 1. 6: Liên kết hóa trị giữa Qds và các phân tử sinh học ...................................20
Hình 1. 7: Tạo liên kết trực tiếp với Qds ..................................................................20
Hình 1. 8: Tương tác tĩnh điện giữa Qds với phân tử sinh học .................................21
Hình 1. 9: Mô hình hiệu ứng FRET ..........................................................................22
Hình 1. 10: Giản đồ Jablonski mô tả hiệu ứng FRET.[22] .......................................23
Hình 1. 11: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của một cặp chất cho và nhận. Khu
vực màu đỏ nâu là sự chồng chéo quang phổ giữa quang phổ huỳnh quang của các
chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận.[28] ..............................................................24
Hình 1. 12: Quang phổ huỳnh quang của chất cho và chất nhận và dung dịch hỗn
hợp của chất cho và chất nhận ..................................................................................25
Hình 1. 13: Mô hình cơ chế hoạt động của Sensor hiệu ứng FRET dùng Qd của
Mauro[32]..................................................................................................................28
Hình 1. 14: Mô hình và cơ chế hoạt động của Biosensor DNA nano Qd (a,b) và thiết
bị kiểm tra (c).[29] ....................................................................................................30
Hình 1. 15: Sơ đồ cảm biến FRET cơ bản để phát hiện các protease hoạt động. (A)
Quá trình FRET thông thường (B) FRET sử dụng QDs. D và A cho các nhà tài trợ
năng lượng và chấp nhận năng lượng, tương ứng.....................................................31
Hình 1. 16: Minh họa sơ đồ của nanosensor QD-FRET để phân tích hoạt động của
enzyme. .....................................................................................................................32
Hình 2. 1: Phổ hấp thụ của Clenbuterol và phổ phát xạ của Qds CdTe....................36
Hình 2. 2: Các hợp chất napthol, naphtyl có khả năng tạo hợp chất azo tiêu biểu ..37
Hình 2. 3: Mô hình phản ứng của Naphtylethylene diamine với Qd và diazo

vào nhiệt độ ...............................................................................................................54
Hình 3. 12: Phổ hấp thụ của hợp chất Diazo Clenbuterol .........................................55
Hình 3. 13: Phổ hấp thụ của hợp chất Clenbuterol- Naphtylethylene diamin ..........56
Hình 3. 14: Phổ hấp thụ và phát xạ của chất cho (QD CdTe bước sóng phát xạ
530nm) và chất nhận (tổ hợp Clenbuterol- Naphtylethylene diamin) ......................57
Hình 3. 15: Phổ trùng chập của chất cho và chất nhận .............................................57
Hình 3. 16: Phổ hồng ngoại của muối diazo .............................................................58
Hình 3. 17: Sự thay đổi cường độ huỳnh quang theo nồng độ Clenbuterol .............59
Hình 3. 18: Tương quan giữa nồng độ Clenbuterol với cường độ phát xạ của
nanosensor .................................................................................................................60

TRẦN THỊ THANH HỢP


LUẬN VĂN THẠC SĨ

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
QDs

Quantum dots

nm

Nano mét

TOP

Trioctylphosphine

TOPO


ELISA

Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay

MPA

Axit 3-mercaptopropionic

MSA

Axit mercapto succinic

TRẦN THỊ THANH HỢP


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
Khi xã hội ngày càng phát triển thì vấn đề sức khoẻ của con người ngày càng
được chú trọng, trong đó vấn đề an toàn thực phẩm và vệ sinh môi trường được đặt
lên hàng đầu vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của con người, hơn nữa đó
cũng là vấn đề đáng quan tâm của các khu chế biến, sản xuất và xuất nhập khẩu
thực phẩm. Sự tồn dư của các chất độc hại có trong thực phẩm đang là vấn đề đáng
lo ngại đối với người tiêu dùng. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, nhiều kỹ thuật phân tích mới, hiện đại đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau đặc biệt trong đánh giá, kiểm định các chất gây độc trong thực phẩm.
Trong quá trình chế biến thực phẩm, để tạo cho thực phẩm màu sắc đẹp, bắt
mắt, người ta sử dụng phẩm màu công nghiệp. Phẩm màu công nghiệp nói chung,
Rhodamine B nói riêng đều độc hại, bị cấm sử dụng trong thực phẩm vì khó phân


2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN
1.1 Hóa chất độc hại tồn dư trong thực phẩm
1.1.1 Clenbuterol

Hình 1. 1: Công thức cấu tạo của Clenbuterol


Tên Hóa học: Clenbuterol



Tên hóa học do tổ chức IUPAC:
1-(4-amino-3,5-dichlorophenyl)-2-(tertbutylamino)ethanol



Cấu trúc phân tử: C12H18Cl2N2O



Khối lượng phân tử: 277,19 g/mol
Clenbuterol là một chất trong những hợp chất thuộc họ β- agonist (hình 1.2) -

những hợp chất dùng trong chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi heo để kích thích heo

sử dụng clenbuterol trong chăn nuôi bị phạt 50.000 đôla Hồng Kông và tù 6 tháng.
Các phương pháp được sử dụng cho việc xác định clenbuterol bao gồm HPLC,
GC/MS, mao dẫn điện và xét nghiệm miễn dịch (Horne et al. Năm 1998; Wasch et
al. Năm 1998; Johansson et al. 2004). Van Eenoo và Delbeke (2002) đã phát hiện
clenbuterol khi sử dụng GC/MS, với giới hạn là 0,1 ng ml-1 trong nước tiểu ngựa.
Niegocki et al. (2003) xử lý các mẫu bằng cách chiết pha-rắn, đạt được một giới hạn
phát hiện là 0,5 ng ml-1 trong nước tiểu. Để đơn giản hóa quá trình chiết clenbuterol
từ các mẫu thí nghiệm, một số phương pháp mới đã được thiết lập. Roda et al.
(2000) đã báo cáo cách xác định clenbuterol với độ nhạy được cải thiện.

TRẦN THỊ THANH HỢP

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay phân tích hàm lượng chất siêu vết ở dạng ppb, ppt chỉ có thể áp dụng
sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) hoặc phương pháp ELISA. Những phương pháp
này thường yêu cầu sự chuẩn bị mẫu công phu và tốn nhiều thời gian, vì vậy gặp
nhiều trở ngại trong chăn nuôi gia súc và thủy sản, khó khăn trong quản lý thị
trường. Chính vì lẽ đó một số phòng thí nghiệm ở các nước phát triển như Mỹ,
Nhật, Châu Âu, Trung quốc đang nghiên cứu chế tạo Biosensor theo công nghệ
nano để mục đích phát hiện nhanh, độ nhạy cao dư lượng Clenbuterol.
1.1.2 Rhodamine B

Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của Rhodamine B


Tên Hóa học: Rhodamine B

thể gây ung thư. Thực nghiệm trên chuột cho thấy Rhodamine B gây ung thư với
liều lượng 89,5mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch, khi Rhodamine B
đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng có phần độc hại hơn
loại Rhodamine B thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dầy, tại đây
Rhodamine B và dẫn xuất của nó sẽ tác động mạnh mẽ đến các quá trình sinh hóa
của tế bào gây ung thư gan, vì gan là cơ quan tạng đầu tiên lọc chất Rhodamine B.
Một số thực nghiệm khác cho thấy Rhodamine B tác động phá vỡ cấu trúc ADN và
nhiễm sắc thể khi đưa vào nuôi cấy tế bào.
Rhodamine B thường được sử dụng như một thuốc nhuộm tracer trong nước để
xác định tốc độ và hướng của dòng chảy vận chuyển. Được sử dụng rộng rãi trong
các ứng dụng công nghệ sinh học như kính hiển vi huỳnh quang, đếm tế bào dòng
chảy, quang phổ huỳnh quang. Rhodamine B đang được thử nghiệm để sử dụng như
một bio maker trong vacxin bệnh dại cho động vật hoang dã, như gấu trúc, để xác
định động vậthoang dã đã có thuốc phòng ngừa bằng cách cho Rhodamine B vào
râu và răng của động vật. Nó cũng được trộn vào thuốc diệt cỏ. Ngoài ra
Rhodamine B còn được sử dụng để tạo mầu và nhuộm mầu trong công nghiệp sợi,
nhuộm màu trong phòng thí nghiệm, để xét nghiệm tế bào do tính bền mầu.
Rhodamine B được sử dụng trong sinh học như là một thuốc nhuộm huỳnh quang.
Tận dụng đặc tính phát quang của Rhodamine B, người ta dùng chúng để giúp kiểm
soát lượng thuốc bảo vệ thực vật phun lên cây ớt, cây lấy dầu, Rhodamine B có thể
thấm vào ớt nếu dính dầu trong máy ép ớt, phơi ớt trên sàn được sơn cũng có thể
gây lây nhiễm chất nhuộm trên. Ủy ban Gia vị còn khuyến cáo không đựng các túi
cói nhuộm màu do nghi ngại chất nhuộm có thể thẩm lậu vào sản phẩm. Mặt khác
con đường thâm nhập hóa chất này vào các sản phẩm cây trồng hầu như không ai để
ý đến từ trước đến nay và nhất là chúng lại diễn ra ở nhiều nước đang phát triển.
Ngoài ra, không chỉ với ớt bột hay các chất gia vị nói chung, chất tạo mầu

TRẦN THỊ THANH HỢP

6


7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 4: Số lượng các bài báo được xuất bản liên quan đến QDs từ 1986 đến
2012
Các nano tinh thể chấm lượng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích
thước nm. Các hạt này đã được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các
ứng dụng đa dạng, ví dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời,
các linh kiện quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát sáng
QD-LED, trong các ứng dụng y-sinh như hiện ảnh phân tử và tế bào [14], [25],
[37], các cảm biến sinh học nano, nano-biosensor [26]. Có thể nói, hiện nay là thời
đại của chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi bật của chấm lượng
tử trong các lĩnh vực kể trên. Đặc tính nổi trội của các chấm lượng tử là hiệu ứng
giam giữ lượng tử do kích thước giảm xuống còn cỡ nm. Hiệu ứng này dẫn đến việc
các hạt tải tích điện bị giam giữ về mặt không gian, ở bên trong thể tích rất bé của
nano tinh thể. Do hiệu ứng này, các nhà khoa học có thể sử dụng kích thước của các
chấm lượng tử này để thay đổi, trong một khoảng rộng và chính xác, năng lượng
của các trạng thái điện tử gián đoạn và các dịch chuyển quang học. Kết quả là các
nhà khoa học có thể thay đổi phát xạ ánh sáng từ các hạt chấm lượng tửnày, từ
vùng phổ tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại gần và tới vùng phổ hồng ngoại giữa. Các

TRẦN THỊ THANH HỢP

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ


TRẦN THỊ THANH HỢP

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

của các chấm lượng tử cho phép ta kích thích, tại cùng một bước sóng, kích thích
cùng một lúc các chấm lượng tử với kích thước khác nhau, trong vùng phổ rộng.
Các chấm lượng tử này có thể thay thế các chất màu hữu cơ như Rhodamine 640
trong các ứng dụng hiện ảnh sinh học, vì chúng phát quang mạnh và ít bị bạc màu
khi chiếu sáng so với chất mầu hữu cơ [33]. Không giống như các đơn phân tử
khác, các hạt chấm lượng tử chế tạo ra có thể được biến đổi bề mặt, để có các
tính chất hay chức năng cần thiết, cho các ứng dụng khác nhau.
1.2.2 Tổng hợp chấm lượng tử
Các công trình tiên phong từ những năm 1990 của P. Alivisatos ở Đại
học Berkley [6], [5], [20], của N.G. Bawendi ở Viện Công nghệ Massachusetts [3],
[2], [27] và của nhóm P. Guyot-Sionnest ở Đại học Chicago, đã dẫn đến phương
pháp mới chế tạo ra các chấm lượng tử bằng phép tổng hợp hoá học trong dung
dịch. Ta có thể chế tạo ra được hạt nano hình cầu kích thước vài nm, chứa cỡ vài
nghìn nguyên tử.
Họ chỉ ra rằng, Qd CdSe kết tinh cao, độ phân tán hẹp có thể được tổng hợp
ở nhiệt độ cao sử dụng một hỗn hợp của các tiền chất cơ kim và dung môi/ các
ligand trioctyl phosphine/trioctyl phosphine oxit (TOP/TOPO)[18]. Phản ứng tương
tự cũng được sử dụng để chế tạo lớp vỏ bọc tâm CdSe với một lớp bán dẫn có dải
vùng cấm rộng hơn như ZnS và CdS [7, 17]. Bề mặt thụ động lớp thứ hai này giữ và
làm tăng hiệu suất huỳnh quang [7, 8, 11]. Peng và các đồng nghiệp đã chế tạo ra
những sản phẩm chất lượng cao bằng cách sử dụng các tiền chất ít có khả năng tự
cháy như CdO và Cd axetate [23]. Đến nay, Qd lõi/vỏ CdSe/ZnS vẫn có giá trị nhất

Môi
trường

Vỏ

CdS, CdSe, CdTe Cd(CH3)2 trong TOP Se, Te,
(TMS)2S, (TMS)2Se hoặc
(BDMS)2Te trong TOP

190-320

Ar

-

Murray et al.(1993)

CdSe/ZnSe

23-260

Ar

Danek et al. (1996)

300-350

Ar

Zn(C2H5)2, Se

Se trong TOP

CdSe

CdO, Se, HPA trong TBP/TOP

250

Ar

CdSe/ZnS

Cd(acetylacetonate)2, Se, HAD,
HDDO trong TOP/TOPO

340-350

Ar/N2

CdSe/CdZnS

Cd(myristate)2, Se, oleic axit
trong 1-octadecene

240

Ar

CdS



-

-

-

-

-

Vossmeyer et al
(1994)
Li et al (2006)

CdSe

Cd(ClO4)2, H2S, thiourea,
1-thioglycerol
CdCl2, Na2S, poly
(N-vinyl-2-pyrolidone)
CdCl2, NaHSe, cysteine

90

N2

-

Liu et al (2009)


N2

-

Chen et al (2010a)

Mn-doped ZnSe

Zn(NO3)2, NaHSe, MnCl2, MPA

100

N2

-

Wang C. Et. Al (2009)

CdS

TRẦN THỊ THANH HỢP

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong đó: BDMS tert-butyldimethylsilyl; HDA hexadecylamine; HDDO 1,2hexadecanediol; HPA hexylphosphonic axit; MPA 3-mercaptopropionic axit; TBP
tributylphosphine; axit TGA thyoglycolic; TMS trimethylsilyl; TOA Trioctylamine;

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2NaBH4 + Te + 2H2O = NaHTe + NaBO2 + 11/2H2
-

Chuẩn bị dung dịch CdBr2 (cho ion Cd2+): 12.5 mM dung dịch CdBr2 được
trộn lẫn với 18.75 mM dung dịch MPA với tỉ lệ Cd:MPA = 1:1.5 (mol/mol)
và pH của dung dịch này được điều chỉnh trong khoảng 7-12 bằng cách
thêm dung dịch NaOH 1.0M.

-

Sau đó, dung dịch NaHTe 6.25 M được chuẩn bị (với tỉ lệ Cd:Te = 2:1)
được thêm nhanh vào bình cầu chứa Cd tại nhiệt độ phòng dưới điều kiện
khí N2. Hỗn hợp phản ứng ngay lập tức chuyển sang màu vàng chứng tỏ sự
hình thành các tinh thể CdTe.

Ngoài ra, Qd CdTe chất lượng cao cũng được điều chế theo cách khác từ TeO2
và CdBr2 với chất hoạt tính bề mặt MSA. Trong phương pháp tổng hợp này, TeO2
phản ứng với NaBH4 để hình thành NaHTe trong sự có mặt CdBr2, do đó các hạt
CdTe được hình thành cùng một lúc. Ưu điểm của phương pháp này là tránh tạo ra
sản phẩm trung gian NaHTe và không cần khí trơ để bảo vệ trong suốt quá trình
tổng hợp.
Kích cỡ của Qd được kiểm soát bằng thời gian từ vài phút đến vài giờ ở nhiệt độ
1200C. Mẫu Qd được giữ ở 40C trong bóng tối. Các Qds được tổng hợp trong dung
dịch nước có thể sử dụng trực tiếp trong thí nghiệm gắn nhãn huỳnh quang.



Cao, gấp 10-100 lần chất
huỳnh quang

Phổ phát xạ

Rộng, phát xạ đuôi đỏ bất đối Bề rộng hẹp, khoảng
xứng
25-40 nm

Dịch chuyển Stokes

< 100 nm

> 200 nm

Thay đổi huỳnh quang Không

Khoảng từ UV đến IR

Hiệu suất lượng tử

Biến đổi tử thấp đến cao

Cao, 0.2 đến 0.7 trong dung
dịch đệm phụ thuộc lớp bọc
bề mặt

Thời gian sống huỳnh
quang

Là các chất cho phát huỳnh
quang mạnh, phổ phát xạ
Không bền, hầu hết dạng
phụ thuộc vào kích thước
chất cho đơn – chất nhận đơn trùng chập với chất màu là
chất nhận, có thể có dạng
chất cho đơn, chất nhận đa.

Khả năng nhân bội

Hiếm

Tốt

Tính gián đoạn

Không đáng kể

Có thể khó giải quyết trong

TRẦN THỊ THANH HỢP

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

những trường hợp bị cô lập
(phân tử đơn)
Tính hóa học


Đường kính 4-7 nm

Electrochromicity

Hiếm

Chưa nghiên cứu rộng

Chi phí

Rẻ, nhiều

Đắt, hiếm

Các tính chất khác

Vài tính chất quang lý của Qd thì rõ ràng vượt trội khi so sánh với các chất
huỳnh quang truyền thống. Đầu tiên là khả năng thay đổi huỳnh quang như là một
hàm của kích cỡ lõi và hệ số giam hãm lượng tử cho các liên kết nhị nguyên của vật
liệu bán dẫn. Những tính chất độc đáo này cho phép kiểm soát phổ phát xạ của Qd
bằng cách kiểm soát kích cỡ lõi. Tính chất thứ hai là phổ hấp thụ rộng bắt đầu từ
màu xanh của phát xạ của Qd và tăng đều về phía vùng UV. Thực tế, hệ số dập tắt
molar của Qd thì lớn hơn 10 đến 100 lần so với các chất màu truyền thống và có thể
đạt đến giá trị vài triệu.Rõ ràng rằng, Qd có thể được sử dụng để xác định đồng thời
hoặc phối hợp các tín hiệu huỳnh quang. Mà điều này khó có thể đạt được đối với
các chất huỳnh quang truyền thống do sự trùng chập phổ hấp thụ/phát xạ. Qd cũng
có hiệu suất lượng tử cao, khả năng chống chịu cao với cả dập tắt huỳnh quang và
sự phân hủy hóa học [13].
Các chấm lượng tử thì hầu hết có cường độ lớn hơn nhiều chất màu hữu cơ

hút, như lực hút tĩnh điện hoặc tương tác kỵ nước, hầu hết bằng một nhóm của một
đầu phân tử ligand. Về tương tác của phân tử ligand với dung môi, các
phân tử ligand phân cực hay tích điện sẽ tan trong các dung môi phân cực hoặc
nước trong khi các hạt nano với các phân tử ligand không phân cực như các chuỗi
hydrocacbon chỉ tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực, ví dụ trong
hexane, toluene hay chloroform, các phân tử hữu cơ như TOPO, TOP hay HDA
thường được sử dụng trong chế tạo chấm lượng tử. Các phân tử ligand có hai đầu ưa
nước và kỵ nước, như poly ethylene glycol, và các hạt nano kết hợp với chúng hay

TRẦN THỊ THANH HỢP

18