Chương 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC
2.5. Các phương pháp khảo sát
2.5.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope −TEM)
−TEM)
Đối với hạt nano bạc kích thước nanomet, chúng tôi sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua để xác định hình dạng, kích thước của mẫu. Kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật: nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên nó có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm. Hơn nữa, việc xác định hình dạng và kích thước của hạt nano bạc cũng rất quan trọng. Vì vậy việc sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua là cần thiết.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron
microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng
chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên fim quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Nguyên lý hoạt động:
Kính hiển vi điện tử truyền qua làm việc theo nguyên tắc phóng đại nhờ các thấu kính, ánh sáng tới là tia điện tử có bước sóng ngắn cỡ 0,05 Å và thấu kính
thường là các thấu kính điện tử có tiêu cự f thay đổi được. Chùm tia điện tử phát ra từ súng điện tử được gia tốc với điện thế tăng tốc (80 kV), qua một số kính hội tụ và chiếu lên mẫu. Kính vật tạo ra ảnh trung gian và kính phóng sẽ phóng đại ảnh trung gian thành ảnh cuối cùng với độ phóng đại M = Mv∗ Mp.
Hiện nay, năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua không bị giới hạn. Phương pháp này có độ phân giải cỡ 2-3Å. Một nhược điểm cơ bản của kính hiển vi điện tử truyền qua là các mẫu nghiên cứu phải được xử lý thành các lát rất mỏng (< 0.1 mm), hoặc tạo thành các dung dịch để nhỏ lên các tấm lưới bằng đồng mà đã được trải một lớp màng Cacbon, các hạt nano tinh thể sẽ mắc trên các lưới đỡ này khi đo dưới kính hiển vi điện tử. Các lớp này phải đủ dày để tồn tại ở dạng rắn, ít nhất là vài chục đến vài trăm lớp nguyên tử. Như vậy ứng với mỗi điểm trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua là những cột điện tử mẫu (chiều cao của cột nguyên tử là chiều dày trên mẫu). Việc quan sát chi tiết của vật rắn như: lệch mạng, các sai hỏng,…được giải thích theo cơ chế tương phản nhiễu xạ. Nguyên lý hoạt động của TEM được minh họa trong Hình 2.8.
Hình 2.8. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua
Cơ chế tương phản nhiễu xạ ở ảnh TEM: Điện tử đi vào mẫu gặp các nguyên tử, bị tán xạ, nguyên tử số Z của mẫu càng lớn, phần tán xạ càng mạnh, phần truyền thẳng càng yếu. Mặt khác, khi điện tử đi qua chỗ dày gặp nhiều nguyên tử hơn là đi qua chỗ mỏng. Một trong những ưu điểm của TEM là có thể dễ dàng điều khiển thay đổi tiêu cự (bằng cách thay đổi dòng điện kích thích vào thấu kính) nên có thể thay đổi tiêu cự của kính phóng để trên màn có ảnh hiển vi
hay ảnh nhiễu xạ, nhờ đó mà kết hợp biết được nhiều thông tin về cấu trúc, cách sắp xếp các nguyên tử của mẫu nghiên cứu. Hơn nữa, có thể dùng diafram đặt ở vị trí thích hợp để che bớt các tia tán xạ, chỉ lấy các tia đi giữa, đó là cách tạo ảnh trường sáng BF (Bright Field) thông thường.
Kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát được nhiều chi tiết nano của mẫu cần nghiên cứu: hình dạng, kích thước hạt, biên các hạt…
Hình 2.9 là ảnh chụp thiết bị TEM tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Đây cũng là thiết bị mà trong quá trình thực hiện đề tài tác giả đã sử dụng đo và hiện ảnh các hạt nano bạc chế tạo được.
Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua-TEM tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương 2.5.3 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X tương tác với các mặt tinh thể của chất rắn, do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Chiếu một chùm tia X đơn sắc có bước sóng λ tới một tinh thể chất rắn, tia X đi vào bên trong mạng lưới. Tinh thể mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ gây ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X tới. Định luật phản xạ Bragg cho biết mối quan hệ giữa khoảng cách của hai mặt phẳng tinh thể song song (d), góc giữa phương tia X tới và mặt phẳng tinh thể (θ) và bước sóng tia X (λ) được xác định:
2dhklsinθ = nλ (2.1) với n là bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3, …).
Từ thực nghiệm có thể xác định được bước sóng λ, góc nhiễu xạ θ tương ứng với vạch nhiễu xạ thu được. Khi đó xác định được khoảng cách giữa các mặt mạng d theo phương trình (2.1) và (2.2). 2 2 2 2 2 2 2 1 c l b k d h dhkl (2.2)
Trong đó, h,k,l là các chỉ số Miler và a,b,c là các hằng số mạng. Hình 2.7 minh họa về mặt hình học định luật Bragg.
Vì mỗi một tinh thể khác nhau được đặc trưng bằng các giá trị d khác nhau. Do vậy, phương pháp nhiễu xạ tia X có thể xác định được thành phần pha tinh thể của vật liệu, xác định được kích thước tinh thể cũng như cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Hình 2.10. Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg
Giản đồ XRD của các mẫu chế tạo được thực hiện trên hệ nhiễu xạ kế tia X sử dụng nhiễu xạ kế D5000 (Siemens) với nguồn tia X là Cu Kα có bước sóng 1,5406 Å, có khả năng phân giải 0,01o với thời gian đếm xung tùy chọn được đặt tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.5.4. Phổ hấp thụ hồng ngoại
Phổ hấp thụ hồng ngoại chính là phổ dao động quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích.
Tất cả các phân tử được cấu tạo từ các nguyên tử nối với nhau bằng các liên kết hóa học. Dao động của các nguyên tử liên kết hóa học giống như dao động của một hệ thống các quả cầu nối với nhau bằng các lò xo. Chuyển động của các quả cầu đó có thể coi là kết quả của sự chồng chập hai dao động: kéo căng và uốn cong.
Tần số dao động không những phụ thuộc vào bản chất của từng liên kết riêng biệt như: C-H hay C-O, mà còn phụ thuộc vào cả phân tử và môi trường xung quanh nó. Tương tự như trong hệ các quả cầu tự do, cả hệ thống tác động lên dao động của từng quả cầu. Biên độ dao động của một hệ sẽ tăng lên dưới tác động của sự va đập. Tương tự như vậy, biên độ dao động của các liên kết hóa học và cùng với chúng là dao động của các điện tích cũng tăng lên khi trường điện từ (sóng hồng ngoại) tác động lên chúng. Sự khác nhau giữa hệ cầu lò xo và phân tử nằm ở mức năng lượng của dao động phân tử lượng tử hóa. Do đó, các phân tử chỉ hấp thụ các sóng hồng ngoại có năng lượng tương ứng với khoảng cách giữa hai mức năng lượng dao động của nguyên tử. Như vậy, biên độ dao động tăng không liên tục mà nhảy bậc.
Đối với các phân tử nhiều nguyên tử, dao động quay thường rất phức tạp, tuy nhiên luôn có thể quy một chuyển động phức tạp thành một số những dao động đơn giản hơn gọi là dao động riêng. Mỗi dao động riêng có một mức năng lượng nhất định. Trường hợp 2-3 dao động có cùng một mức năng lượng gọi là dao động suy biến.
Người ta phân biệt dao động riêng thành hai loại:
1)Dao động hóa trị (ký hiệu là ) là những dao động làm thay đổi góc liên kết.
2)Dao động biến dạng (ký hiệu là ) là những dao động làm thay đổi góc liên kết nhưng không làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử.
Mỗi loại dao động còn được phân chia thành dao động đối xứng (ký hiệu là:svà s) và bất đối xứng (ký hiệu là:asvà as).
Cường độ và hình dạng phổ:
Phổ hồng ngoại được ghi dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I/I0) vào số sóng. Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi những đám phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định. Việc định lượng chính xác cường độ thường gặp khó khăn, sai số lớn nên các phổ thường chỉ được đánh giá định tính với độ mạnh (m), trung bình (tb) và yếu (y).
Khi phân tích phổ hồng ngoại, ngoài việc xem xét vị trí như đã trình bày ở trên, phân tử không thể hấp thụ bức xạ một cách hỗn loạn, mà chỉ hấp thụ những bức xạ tương ứng chính xác với biến thiên giữa các mức năng lượng của chúng và tuân theo nguyên tắc chọn lọc của cơ lượng tử, để một chuyển dời dao động có thể xảy ra thì phải có sự biến đổi mô men lưỡng cực điện d/dr0 trong quá trình chuyển dời.
Những chuyển mức được phép thì có xác suất lớn và được đặc trưng bởi cường độ hấp thụ lớn. Những chuyển mức bị cấm có xác suất nhỏ và đặc trưng cường độ hấp thụ nhỏ.
Phổ hồng ngoại của các mẫu trong thí nghiệm được ghi trên phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourrier (FTIR) NICOLET.
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu
3.1.1. Phổ hấp thụ
Các hạt keo nano bạc sau khi chế tạo từ phương pháp trên được đo phổ hấp thụ UV-Vis để khảo sát tính chất quang của chúng. Đây chính là bản chất hấp thụ Plasmon bề mặt của kim loại bạc. Quang phổ UV-Vis là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để mô tả cấu trúc của các hạt nano bạc. Nó rất nhạy với hạt keo bạc vì những hạt nano này có độ hấp thụ Plasmon bề mặt phụ thuộc mạnh vào kích thước và hình dạng.
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của hạt keo nano bạc có kích thước ~40 nm được tổng
hợp bằng phương pháp khử citrate
Dải hấp thụ trong phạm vi khả kiến 350nm đến 450nm là đặc trưng điển hình cho cộng hưởng Plasmon bề mặt của các hạt keo nano bạc [26]. Hình 3.1 là kết quả đo phổ UV-Vis của mẫu được tổng hợp theo tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 2:1
có 𝜆𝑚𝑎𝑥 = 427 𝑛𝑚. Chi tiết phổ hấp thụ của các mẫu chế tạo trong luận văn này
3.1.2. Hình thái và kích thước hạt
Một số mẫu sau khi tổng hợp được khảo sát kích thước và hình dạng hạt nano bằng phương pháp đo dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Nhìn chung các hạt nano bạc sau chế tạo có dạng tựa cầu, đơn phân tán, kích thước khá đồng đều. Điều này là do sau phản ứng tạo khử Ag+ thành Ag0, các hạt nano được bọc bởi một lớp citrate. Lớp này đóng vai trò là tác nhân ổn định. Hình 3.2a và 3.2b thể hiện hình thái bề mặt và phân bố kích thước của các hạt nano bạc sau chế tạo tương ứng. Kết quả cho thấy, các hạt AgNPs được chế tạo theo tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1 có dạng tựa cầu, đơn phân tán và khá đồng đều với kích thước trung bình 40nm. Trên hình 3.2 cho thấy rằng, phân bố kích thước có dạng phân bố Gauss (đường mầu đỏ là đường làm khớp theo hàm Gauss).
Hình 3.2. a) Ảnh TEM của các hạt keo AgNPs;
b) Xác suất phân bố kích thước hạt tương ứng
3.1.3. Phân tích cấu trúc
Để xác định cấu trúc tinh thể và cấu trúc hóa học của các hạt nano bạc, đề tài này lựa chọn phương pháp giản đồ tia X và phổ hồng ngoại để phân tích.
a)Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X
Hình 3.3 mô tả kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1. Kết quả xác nhận rằng, mẫu chế tạo được có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC), có các mặt tinh thể (111), (200), (220) và (311) tương ứng với các đỉnh nhiễu xạ ở các góc 2 theta: 37,93; 44,23; 65,07 và 76,97. Điều này chứng tỏ hạt nano chế tạo được là nano bạc [27]
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [TSC]/[AgNO3] = 5:1
b) Phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại
Hình 3.4. Phổ FTIR của các AgNPs với tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1
sau khi được tổng hợp
Phổ FTIR được sử dụng để phân tích cấu trúc hóa học và xác định nhóm chức năng của hạt keo nano bạc chế tạo được. Hình 3.4 cho thấy phổ hấp thụ FTIR của AgNPs (tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1). Các đỉnh phổ FTIR hấp thụ mạnh ở các số sóng 1550,1 cm-1, 1397,8 cm-1 và 1371,8cm-1 tương ứng với sự có mặt của các nhóm NO2 mà nó xuất hiện từ trong dung dịch AgNO3. Thêm vào đó, cũng từ phổ hấp thụ FTIR này các nhóm chức năng được phát hiện quy cho nhóm OH, như ở
số sóng 3413 cm-1 (kéo căng OH) và 1058 cm-1 (giãn COH) và 1157 cm-1 (kéo căng C-O). Đây là bằng chứng chỉ ra sự tương tác của nhóm OH với AgNPs [28– 30].
3.1.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số chế tạo lên sự hình thành hạt keo nano bạc, đề tài tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ mol chất khử TSC và tiền chất AgNO3, ảnh hưởng của thời gian phản ứng và ảnh hưởng của pH của môi trường. Dưới đây trình bày chi tiết kết quả đạt được.
a) Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ mol [TSC]/[AgNO3]
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng chất khử, đề tài đã tiến hành làm 7 thí nghiệm riêng rẽ, với tỷ lệ mol giữa TSC/AgNO3 lần lượt: 2:1; 3,5:1; 5:1; 8:1; 15:1; 20:1 và 35:1 và phản ứng được thực hiện trong 25 phút (như đã trình bày trong bảng 2.1 ở chương 2). Để khảo sát tính chất quang của các mẫu sau chế tạo, chúng được đo đạc phổ hấp thụ Plasmon. Hình 3.5 cho thấy, phổ hấp thụ của các AgNPs được tổng hợp với các tỷ lệ nồng độ mol [TSC]/[AgNO3] khác nhau có dải hấp thụ Plasmon khoảng 420 nm, đây là đặc trưng của các hạt bạc [26]. Hơn nữa, phổ chỉ có một đỉnh có nghĩa là các hạt chủ yếu là hình cầu. Theo lý thuyết của Mie, số đỉnh cực đại cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) tăng lên khi sự đối xứng của các hạt giảm. Cường độ hấp thụ cực đại tăng khi tăng nồng độ TSC (đến tỷ lệ mol 5:1-Hình 3.5b) và đạt được gần bão hòa cho các nồng độ TSC cao hơn (cho đến khi tỷ lệ mol 20:1). Sau đó cực đại hấp thụ giảm với tỷ lệ mol lớn hơn 20:1. Kết quả này phù hợp với công bố trước đó bởi G. Zhou và cộng sự [31]. Cường độ hấp thụ tăng tương ứng với tỷ lệ mol phân tử, điều này có nghĩa số hạt nano bạc tăng. Cuối cùng, ở tỷ lệ mol TSC/AgNO3 (35:1) rất thấp (Hình 3.5b), độ hấp thụ giảm tương ứng do các hạt co cụm dẫn đến chúng có kích thước lớn lơn và phân bố kích thước rộng hơn. Ở quá trình co cụm này, cường độ đỉnh hấp thụ Plasmon ở 420 nm bị giảm. Từ đó, tìm ra tỷ lệ nồng độ mol [TSC]/[AgNO3] tối ưu cho tổng hợp hạt nano bạc là 5:1 hoặc 8:1.
Hình 3.5. (a)- Phổ hấp thụ UV-vis của hạt keo nano bạc với tỷ lệ
molTSC/AgNO3 khác nhau.
(b)-Cường độ đỉnh phổ hấp thụ Plasmon như một hàm
của tỷ lệ mol TSC/AgNO3.
b) Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Thời gian phản ứng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc hình thành nên các hạt keo nano bạc. Đó là thời gian cần thiết để khử ion Ag+ thành nguyên tử bạc Ag0. Do đó, đề tài đã khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên AgNPs. Tỷ lệ mol của TSC/AgNO3 là 5:1 được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên quá trình chế tạo các hạt nano bạc. 7 mẫu với thời gian phản ứng khác nhau được khảo sát lần lượt: 4, 8, 14, 20, 25, 32 và 42 phút. Ở mỗi thời gian phản ứng này, 10 ml dung dịch keo hạt nano bạc được lấy