Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của phosphoric acid đến sự chuyển hóa một số thực phẩm thành chấm lượng tử carbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
--------------------

NGUYỄN THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
PHOSPHORIC ACID ĐẾN SỰ CHUYỂN HÓA
MỘT SỐ THỰC PHẨM THÀNH
CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Vô Cơ

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
--------------------


NGUYỄN THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
PHOSPHORIC ACID ĐẾN SỰ CHUYỂN HÓA
MỘT SỐ THỰC PHẨM THÀNH
CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hoá Vô Cơ
Người hướng dẫn khoa học

ThS. HOÀNG QUANG BẮC

HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh phí Khoa học Công nghệ của
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 cho đề tài mã số: C.2017-18-05 do ThS.
Hoàng Quang Bắc làm chủ nhiệm đề tài.
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến ThS. Hoàng Quang Bắc,
người thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho em tư duy khoa học và tạo
điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian thực hiện khóa luận.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong
Khoa Hóa học, các thầy cô giáo Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã nhiệt
tình giảng dạy, truyền những kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ Viện Nghiên cứu Khoa học và
ứng dụng (ISA) đã giúp đỡ em trong phép đo phổ UV- vis.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Mai Xuân Dũng cùng các bạn thành viên
nhóm nghiên cứu N4O (Nanomaterials For Optoelectronics) đã giúp đỡ em
trong thời gian thực hiện khóa luận.
Cuối cùng, em xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ, động
viên khích lệ em trong quá trình thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2018
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Loan


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của Ths. Hoàng Quang Bắc. Các số liệu và kết quả trong khóa luận
là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Đề tài
không có sự sao chép tài liệu nào, công trình nghiên cứu nào của người khác
mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm
trước nhà trường về sự cam đoan này.
Hà Nội, tháng 4 năm 2018
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Loan


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu................................................................................. 1
3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 1
4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 2
5. Điểm mới của đề tài................................................................................... 2
NỘI DUNG..................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử.................................................................. 3
1.2. Chấm lượng tử carbon........................................................................... 7
1.2.1. Cấu trúc chấm lượng tử carbon............................................................. 7
1.2.2. Ưu điểm của chấm lượng tử carbon...................................................... 8
1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon .................................. 9
1.2.4. Các phương pháp tổng hợp chấm lượng tử carbon............................. 12
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................. 14
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử carbon ........................................................ 14
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ............................................................................ 14
2.1.2. Tổng hợp chấm lượng tử carbon......................................................... 14
2.2.Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng tính chất chấm lượng tử
carbon ........................................................................................................... 15
2.2.1. Phổ hấp thụ UV-vis............................................................................. 16
2.2.2. Phổ hồng ngoại IR............................................................................... 17
2.2.3. Phổ huỳnh quang PL ........................................................................... 18
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................. 20
3.1. Cấu trúc của chấm lượng tử carbon .................................................. 20


3.2. Tính chất quang của chấm lượng tử carbon ..................................... 25
3.2.1. Phổ hấp thụ UV- vis............................................................................ 25
3.2.2. Phổ phát xạ huỳnh quang PL .............................................................. 26
3.2.3. Hiệu suất phát xạ lượng tử (QY)......................................................... 29
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ......................................................................... 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 32
PHỤ LỤC ................................................................................................... 34


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử thay đổi theo kích thước.......... 4
Hình 1.2. Màu sắc chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước của chúng.......... 5
Hình 1.3. Chấm lượng tử dùng trong màn hình tivi.......................................... 5
Hình 1.4. Cấu trúc chấm lượng tử carbon......................................................... 8
2+

Hình 1.5. Chấm lượng tử Carbon để phát hiện ion Hg . ............................... 10
2+



Hình 1.6. Chấm lượng tử Carbon để phát hiện ion Cu . ............................... 10
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử carbon...................................... 14
Hình 2.2. Nguyên lí hoạt động máy đo phổ hấp thụ UV- VIS ....................... 16
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí hoạt động máy đo phổ hồng ngoại ....................... 17
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí hoạt động máy đo phổ phát xạ huỳnh quang PL .. 18
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại IR của chấm lượng tử carbon tổng hợp từ đường. 21
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại IR của chấm lượng tử carbon tổng hợp từ đỗ xanh.
Hình 3.3. Phổ hồng ngoại IR của chấm lượng tử carbon tổng hợp từ sữa.
............................................................................................................ 24
Hình 3.4. Phổ hấp thụ UV- vis của CQDs tổng hợp từ đường.
Hình 3.5. Phổ phát xạ huỳnh quang PL của CQDs tổng hợp từ đường......... 27
Hình 3.6. So sánh phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs tổng hợp từ đường
bằng phương pháp thủy nhiệt tại bước sóng kích thích 355 nm. ....... 28
Bảng 3.1. Hiệu suất phát xạ lượng tử của chấm lượng tử carbon................... 30


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CQDs

: Chấm lượng tử carbon (carbon quantum dots)

Eg

: Độ rộng vùng cẩm (energy gap)

FT-IR

: Fourier transform - infrared spectroscopy

N – CQDs

: Chấm lượng tử carbon pha tạp Nitrogen

PEG

: Polyethylene glycols

PL

: Photoluminescence spectroscopy

QDs

: Chấm lượng tử (quantum dots)

QY

: Hiệu suất lượng tử (quantum yield)

UV-VIS

: Ultra violet - visible absorption spectroscopy


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa thì ngành vật liệu
nano không ngừng phát triển để phục vụ nhu cầu của xã hội. Các loại vật liệu
nano được nhắc đến nhiều nhất gồm: nano oxit (SiO2, TiO2, ZnO...), hạt nano
kim loại (Ag, Au), nano carbon (fullerene, graphene, carbon tube). Trong một
số vật liệu nano carbon, gần đây chấm lượng tử carbon (C-QDs : carbon
quantum dots) đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do đặc tính
vượt trội và tiềm năng ứng dụng của mình. Các nghiên cứu cho thấy CQDs có
thể dễ dàng tổng hợp từ những phương pháp đơn giản, nguồn nguyên liệu dễ
kiếm, chi phí tổng hợp thấp. CQDs có thể được tổng hợp từ những thực phẩm
quen thuộc với chúng ta như glucose, đường, rau, hoa quả...CQDs được tổng
hợp từ thực phẩm có khả năng phát xạ khá tốt. Đặc biệt, các chấm lượng tử
carbon này có khả năng tự phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường [1].
Chính vì những ưu điểm của CQDs được tổng hợp từ thực phẩm và cùng với
sự mong muốn tìm hiểu sự ảnh hưởng của acid đến chấm lượng tử carbon,
nên trong khóa luận này, tôi xin đề cập tới đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của
phosphoric acid đến sự chuyển hóa một số thực phẩm thành chấm lượng tử
carbon”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của phosphoric acid (H3PO4) đến sự chuyển hóa
một số thực phẩm thành chấm lượng tử carbon.
Nghiên cứu tính chất quang của một số chấm lượng tử thu được.
3. Phương pháp nghiên cứu
Thực nghiệm kết hợp với lí thuyết mô phỏng.
Đầu tiên, tôi nghiên cứu điều kiện tổng hợp CQDs, tổng hợp CQDs , đo
tính chất quang (đo phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang PL), nghiên cứu

1


cấu trúc CQDs thu được bằng cách đo phổ IR, đưa ra giải thích tính chất
quang của chấm lượng tử thu được.
4. Nội dung nghiên cứu
Tổng hợp CQDs bằng phương pháp thủy nhiệt và phương pháp nhiệt
vi sóng.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của H3PO4 acid đến sự chuyển hóa CQDs.
Đặc trưng cấu trúc của các chấm lượng tử thu được bằng phổ hồng
ngoại IR.
Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được bằng phổ hấp
thụ UV- vis và phổ phát xạ PL.
5. Điểm mới của đề tài
Tổng hợp chấm lượng tử từ nguồn thực phẩm tự nhiên bằng hai phương
pháp khác nhau.
Nghiên cứu ảnh hưởng của H3PO4 acid đến sự chuyển hóa một số thực
phẩm thành chấm lượng tử carbon.


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử
Chấm lượng tử là những tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn
có kích thước từ 2- 10 nm. Chúng được phát hiện đầu tiên vào năm 1981.
Kích thước của chấm lượng tử tương đương với bán kính Bohr:
��

rB = ħ 2

��
2

(

1

+

1
�ℎ

)

��

Với h, � me , mh lần lượt là hằng số Plank rút gọn, hằng số điện môi
,
của bán dẫn rắn đang xét, khối lượng electron và khối lượng lỗ trống. Từ đây,
ta có thể thấy rằng tùy thuộc vào bản chất vật liệu mà kích thước của QDs sẽ
khác nhau. Các đặc tính quang học của QDs xuất hiện do hiệu ứng giam giữ
lượng tử.
Bằng tính toán người ta đã chỉ ra mối liên hệ giữa bán kính của QDs với
năng lượng Eg qua phương trình :

Eg =
o

o
Eg

*

+

h2
8R2

( 1 ∗ 1∗ )
me
m h
+ −

1,786 e2
4πRεεo

*

Với R, E g , h, me , m h , e lần lượt là bán kính QDs, độ rộng vùng cấm,
hằng số Plank, khối lượng electron, khối lượng lỗ trống rút gọn và điện tích
nguyên tố. Từ đây ta thấy bán kính chấm lượng tử tỉ lệ nghịch với năng lượng
vùng cấm.


Hình 1.1. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử thay đổi theo kích thước.
Khi kích thước của tinh thể giảm, sự khác nhau giữa năng lượng giữa
vùng hóa trị cao nhất và vùng dẫn thấp nhất tăng lên. Do đó cần năng lượng
lớn để kích thích chấm lượng tử, và đồng thời nhiều năng lượng được giải
phóng khi tinh thể trở về trạng thái cơ bản của nó, dẫn đến sự dịch chuyển
màu từ đỏ sang xanh trong ánh sáng phát ra. Do hiện tượng này, các chấm
lượng tử có thể phát ra bất kỳ màu nào của ánh sáng từ cùng một chất liệu
đơn giản bằng cách thay đổi kích thước QDs. Ngoài ra, do mức độ kiểm soát
cao có thể vượt qua kích thước của các tinh thể nano được tạo ra, các chấm
lượng tử có thể được điều chỉnh trong quá trình sản xuất để phát ra bất kỳ
màu nào của ánh sáng [2].


Hình 1.2. Màu sắc chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước của chúng.
Những ứng dụng của chấm lượng tử
Màn hình TV
Do đặc tính quang học thú vị, nên chấm lượng tử đã được ứng dụng vào
công nghệ Tivi chấm lượng tử. Trong các màn hình LCD thông thường và
màn hình LED, màu sắc được xác định bởi một bộ lọc, điều này không tạo ra
được những màu sắc chính xác hoàn toàn. Trong khi đó công nghệ chấm
lượng tử đã mang đến một thế hệ tivi QD-LED có thể hiển thị màu rất chính
xác và sử dụng ít năng lượng hơn màn hình truyền thống [3].

Hình 1.3. Chấm lượng tử dùng trong màn hình tivi.


Ứng dụng trong y sinh
Các chấm lượng tử có tiềm năng lớn để sử dụng trong y sinh do đặc tính
đặc thù của mình. Chúng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các quá trình
nội bào, nhắm mục tiêu khối u, quan sát in vivo, in vittro, chụp ảnh tế bào ở
độ phân giải cao. Do các chấm lượng tử có hiệu suất lượng tử cao, bền, khả
năng quang phổ và phổ phát xạ có thể điều chỉnh nên chúng vượt trội hơn so
với thuốc nhuộm hữu cơ thông thường. QDs bền hơn gấp 100 lần và sáng hơn
20 lần so với thuốc nhuộm huỳnh quang truyền thống.
Các chấm lượng tử có thể nhắm mục tiêu các tế bào hoặc protein cụ thể
bằng cách sử dụng kháng thể hoặc phối tử sau đó quan sát thấy protein mục
tiêu hoặc tế bào. Theo nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Trường Đại
học Colorado chỉ ra chấm lượng tử có thể chống lại các bệnh nhiễm trùng
kháng thuốc. Chấm lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh của khối
u ung thư giúp điều trị ung thư [3].
Máy tính lượng tử
Chấm lượng tử đã mở đường mạnh mẽ cho các “siêu máy tính” gọi là
máy tính lượng tử. Các máy tính lượng tử hoạt động và lưu trữ thông tin bằng
cách sử dụng các bit lượng tử hoặc “qubit”, chúng sử dụng các chấm lượng tử
thay cho bóng bán dẫn. Điều đáng chú ý ở đây là khả năng xử lí thông tin và
dung lượng bộ nhớ của máy tính lượng tử được cải thiện rất nhiều so với các
máy tính thông thường [3].
Pin mặt trời
Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng của
con người ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng
cạn kiệt. Do đó, yêu cầu đặt ra cho xã hội là sử dụng nguồn năng lượng vô
hạn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió... Trong đó, công nghệ chấm
lượng tử đã giải quyết được một phần yêu cầu đó. Chấm lượng tử sẽ được


thay thế cho tấm silicon như pin truyền thống. Pin mặt trời lượng tử có tiềm
năng tăng hiệu suất chuyển đổi photon mặt trời lên tới 66% so với pin truyền
thống. Hiệu quả cao hơn là do các tinh thể nano được chế tạo từ một số chất
bán dẫn có thể phát ra nhiều hơn một electron cho mỗi photon hấp thụ [4].
Đèn LED
Các diodes phát quang lượng tử (QD- LEDs) gần đây đã thu hút rất
nhiều sự chú ý do ứng dụng quang điện tử đa dạng của nó, nhờ khả năng
quang phổ rộng, hiệu suất lượng tử cao,… QD- LEDs có ưu điểm đó là tiết
kiệm năng lượng, an toàn, phản ứng nhanh, cường độ sáng cao và tuổi thọ lâu
dài. Chấm lượng tử có màu sắc phát xạ khác nhau được sử dụng để chuyển
hóa ánh sáng năng lượng cao thành ánh sáng trắng hay tạo thành các giải màu
đơn sắc trong vùng nhìn thấy [5].
1.2. Chấm lượng tử carbon
1.2.1. Cấu trúc chấm lượng tử carbon
Chấm lượng tử carbon (CQDs: Carbon Quantum Dots) là một loại nano
carbon mới có kích thước dưới 10 nm, thu được lần đầu tiên vào năm 2004 và
được nghiên cứu sâu rộng trong những năm gần đây. Carbon thường là một
chất rắn màu đen, kém tan trong nước và có độ phát quang yếu. Trong khi đó,
CQDs có khả năng phát quang tốt, tan tốt trong nước, độc tính thấp, khả năng
tương thích sinh học cao nên CQDs đã thu hút được sự nghiên cứu của nhiều
nhà khoa học. Trong vài năm qua, nhiều tiến bộ đã đạt được trong quá trình
tổng hợp, nghiên cứu ứng dụng CQDs. Tuy nhiên, cấu trúc của chấm lượng tử
carbon vẫn chưa được mô tả rõ ràng. Các nhà nghiên cứu cho rằng CQDs sở
hữu lõi là các hệ đa vòng liên hợp bao quanh bởi bề mặt ưa nước. Các đặc
tính bề mặt ưa nước là do CQDs chứa các nhóm chức phân cực như NH2, OH,
SH, COOH,...Chính các nhóm chức này đã quyết định độ tan của CQDs trong
nước [6].


COOH
OH
Carbon quantum dots
(CQDs)

NH2
Hình 1.4. Cấu trúc chấm lượng tử carbon.
1.2.2. Ưu điểm của chấm lượng tử carbon
Chấm lượng tử đang dần được thay thế cho các chấm lượng tử bán dẫn
thông thường do một số hạn chế của chấm lượng tử bán dẫn. Hạn chế của
chấm lượng tử nhóm II- VI điển hình là chấm lượng tử CdSe, CdTe có chứa
nguyên tố Cd gây độc cho tế bào (Các nhà nghiên cứu chỉ ra chấm lượng tử
CdTe được phủ axit mercaptoacetic là độc hại đối với các tế bào
pheochromacytoma ở chuột) [7]. Nhóm III-V điển hình là chấm lượng tử InP
gây khó khăn về tổng hợp do nguyên tố In đắt, quy trình tổng hợp khắt khe.
Để ứng dụng trong y sinh thì chấm lượng tử Silicon, Germanium (Ge),
Carbon được ưu tiên sử dụng hơn. Tuy nhiên để điều chế được chấm lượng tử
Ge thường cần điều kiện nhiệt độ cao, hay sử dụng nhiều hóa chất cho quá
trình khử tiền chất. Do khả năng ứng dụng trong quang điện tử, chấm lượng
tử silicon cũng đã thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Nhưng
chấm lượng tử silicon lại kém bền, kĩ thuật tổng hợp khắt khe đã làm hạn chế
việc ứng dụng nó trong y sinh [8]. Chấm lượng tử carbon được lựa chọn thay


thế cho các chấm lượng tử bán dẫn thông thường do chi phí tổng hợp thấp, độ
hòa tan tốt trong dung môi phân cực, độ hấp thụ quang học rộng xuyên suốt
các vùng bước sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại giúp CQDs có khả năng ứng
dụng cho quang điện. Ngoài ra, CQDs có độc tính thấp, khả năng tương thích
sinh học cao và bền đã giúp CQDs trở nên quan trọng trong ứng dụng y sinh.
1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon
Là nhóm vật liệu nano huỳnh quang mới nổi , CQDs cho thấy tiềm năng
ứng dụng to lớn như: Cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, quang xúc tác,...
đặc biệt là những ứng dụng trong y sinh.
Đánh dấu sinh học
Do có tính chất quang học độc đáo và khả năng tương thích sinh học
tuyệt vời, độ hòa tan cao trong nước nên CQDs đã được ứng dụng vào đánh
dấu sinh học trong y sinh. Các chấm lượng tử sẽ được gắn với kháng thể đặc
hiệu với cấu trúc đích trong tế bào. CQDs có khả năng phát xạ tốt dưới tia UV
và có độ bền quang học cao nên các nhà nghiên cứu dễ dàng quan sát được sự
phát triển của tế bào, sự hấp thụ vật chất trong thời gian dài [9].
Cảm biến các ion kim loại
2+

Ion thủy ngân (II) (Hg ) là một trong những chất gây nguy hiểm tới sức
2+

khỏe con người và ô nhiễm môi trường nhất. Ion Hg

rất dễ hấp thụ qua da,

hệ thần kinh, cơ quan hô hấp và tiêu hóa. Khi bị nhiễm thủy ngân sẽ gây ra
viêm miệng, viêm ruột, xuất huyết đường tiêu hóa, bỏng da, run mí mắt, run
chân tay, co giật...và dẫn đến tử vong. Vì vậy, việc phát hiện ra ion thủy ngân
là rất cần thiết. Chấm lượng tử carbon đã được cải biến làm đầu dò huỳnh
2+

quang để phát hiện nhanh nhạy ion Hg . Cơ chế cảm biến của các đầu dò
thường dựa trên sự dập tắt huỳnh quang của chấm lượng tử carbon do các
chất phân tích gây ra thông qua việc truyền tải điện, gây ra sự tái tổ hợp hoặc
tái phân hủy electron [10].


Chấm lượng
tử Cacbon

Hg2+

Biothiols
2+

Hình 1.5. Chấm lượng tử Carbon để phát hiện ion Hg .
Chấm lượng tử carbon còn được chế tạo làm đầu dò huỳnh quang để
2+

phát hiện ra Cu . CQDs được điều chế từ o-phenylenediamine (OPD) bằng
2+

phương pháp thủy nhiệt. Khi có các ion Cu , màu của CQDs thay đổi từ màu
vàng sang màu da cam, với cường độ PL tăng lên ở 567 nm khi kích thích ở
bước sóng 420 nm. Sự tăng cường huỳnh quang là do sự ức chế chuyển điện
tử hình ảnh do sự hình thành phức hợp Cu (OPD) 2 trên bề mặt của các chấm
carbon [11].

Cu2+

Cu2+ dập tắt sự
phát xạ màu xanh

2+

Hình 1.6. Chấm lượng tử Carbon để phát hiện ion Cu .
3+

+

2+

Ngoài ra, một số ion kim loại khác như Fe , K , Zn ,... cũng được phát
hiện bởi đầu dò huỳnh quang từ CQDs [12].


Cảm biến sinh học
Chấm lượng tử carbon cũng được sử dụng trong quá trình sinh học dựa
trên việc sử dụng các kháng thể và gen. Chấm lượng tử carbon chủ yếu được
áp dụng trong các xét nghiệm miễn dịch dưới dạng nhãn huỳnh quang.
CQDs được đánh giá là ít tốn kém, ổn định hơn, có độ nhạy cao hơn các
hạt nano vàng.
CQDs cũng đã cho thấy khả năng làm đầu dò huỳnh quang trong việc
phát hiện các chất phân tích sinh học nhỏ như thuốc chống vi khuẩn,
dopamine. CQDs phát xạ cao được tổng hợp từ dopamine và áp dụng chúng
để phát hiện dopamine không có nhãn. Tương tự như cảm biến hóa học,
3+

dopamine có hiệu quả dập tắt huỳnh quang của phức Fe - CQD. Ngoài ra,
các nhà khoa học đã điều chế N- CQD huỳnh quang từ glutamic acid bằng
phương pháp nhiệt phân một bước. N- CQD sau đó được sử dụng để phát
hiện amoxicillin. Amoxicillin là thuốc kháng sinh phổ biến để điều trị
nhiễm khuẩn [13].
Thuốc nano
Chấm lượng tử carbon cũng hấp dẫn trong việc tổng hợp thuốc nano vì
chúng không có bất kì dấu hiệu ngộ độc nào ở động vật và do đó có thể được
sử dụng nghiên cứu in vivo. Người ta đã thử độc tính trên chuột bằng cách
tiêm CQDs vào tĩnh mạch chuột và theo dõi nó trong bốn tuần. Kết quả là nội
tạng và chức năng hầu như không bị ảnh hưởng. Kết quả còn chỉ ra CQDs
không hạn chế hoạt động của thrombin và không dẫn đến hiện tượng đông
máu. CQDs còn có thể được sử dụng trong điều trị các khối u. CQDs có tác
dụng ức chế cao trên các tế bào ung thư do CQDs có khả năng tạo ra nhiều
loại oxi phản ứng hơn, khiến chúng trở thành chất kích thích có triển vọng.
CQDs được bài tiết nhanh chóng ra khỏi cơ thể [13].


Quang xúc tác
Trong những năm gần đây, quang xúc tác là giải pháp xanh thay thế việc
tổng hợp hữu cơ. Quang xúc tác là hiện tượng sử dụng ánh sáng để kích hoạt
các phản ứng hóa học. Một nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng CQDs có kích
thước khoảng 1- 4 nm là các xúc tác quang điện tử NIR có hiệu quả ánh sáng
cho quá trình oxi hóa của alcohols với benzaldehyd với hiệu suất chuyển đổi
tốt (92%) và khả năng chọn lọc 100%. CQDs có kích thước lớn hơn
(khoảng 5 – 10 nm) có thể được sử dụng làm chất xúc tác làm biến đổi hữu cơ
trong môi trường nước dưới ánh sáng nhìn thấy [13].
1.2.4. Các phương pháp tổng hợp chấm lượng tử carbon
Các phương pháp tổng hợp chấm lượng tử carbon được phân thành hai
nhóm: phương pháp hóa học và phương pháp vật lí. Phương pháp hóa học bao
gồm: phương pháp điện hóa, thủy nhiệt nhiệt vi sóng, ... Phương pháp vật lí
gồm phóng điện hồ quang, laser... Sau đây, tôi xin trình bày một số phương
pháp tổng hợp thông dụng.
a) Phương pháp tổng hợp điện hóa (Electrochemical)
Phương pháp điện hóa là phương pháp điều chế CQDs sử dụng số lượng
lớn tiền chất khác nhau. Ở phương pháp này, hai tấm Pt được sử dụng làm
điện cực làm việc và điện cực phụ trơ, một điện cực calomel gắn trên mao
mạch Luggin có thể điều chỉnh được sử dụng làm điệc cực tham chiếu [14].
b) Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal)
Thuỷ nhiệt là phương pháp thân thiện với môt trường, chi phí thấp,
không độc hại để điều chế CQDs từ các tiền chất khác nhau. Các tiền chất sẽ
được cho vào bình teflon rồi đưa vào lò thủy nhiệt ở nhiệt độ cao (dưới
o

250 C). Nhiệt độ cao và áp suất cao sẽ thúc đấy quá trình hòa tan, kết tủa, vì
vậy sẽ giảm các khuyết tật mạng lưới tinh thể nano và tạo ra vật liệu có độ
đồng nhất.


c) Phương pháp nhiệt vi sóng (Microwave)
Đây là 1 phương pháp để tổng hợp CQDs nhanh chóng, dễ dàng và
không tốn kém. Một lượng dung dịch polyethylene glycol và saccharide được
thêm vào nước cất sau đó được đưa vào lò vi sóng. Dưới tác dụng của nhiệt vi
sóng 500W trong thời gian từ 2 - 10 phút, chấm lượng tử carbon đã được hình
thành. Khi đo phổ phát xạ huỳnh quang PL ở bước sóng kích thích từ 330 460 nm của các chấm lượng tử carbonthu được có hiệu suất lượng tử từ 3,1 –
6,3%. Khi kích thích bước sóng lên 700 - 1000 nm, hiệu suất lượng tử lên tới
7% [15].
d) Phương pháp cắt laser (Laser ablation)
Sun và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra chấm lượng tử carbon bằng
cách cắt laser bằng một mục tiêu carbon trong sự hiện diện của hơi nước và
o

khí argon như một khí mang ở 900 và 75 kPa. Sau khi hồi lưu trong HNO3
trong 12 giờ và thụ động bề mặt bằng cách gắn các hợp chất hữu cơ đơn giản
(PEG 1500 N hoặc poly (propionylethyleneimine-co-ethyleneimine (PPEIEI)), các chấm lượng tử được xử lí bằng acid tạo ra phát quang. Bằng cách
chọn dung môi hữu cơ khác nhau, trạng thái bề mặt của các CQDs có thể
được sửa đổi để đạt được phát xạ ánh sáng, nguồn gốc của phát quang là do
các trạng thái bề mặt liên quan đến các phối tử trên bề mặt các CQDs [6].
Xem xét các ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp tổng hợp CQDs,
kết hợp với việc xem xét cơ sở vật chất, trang thiết bị hiện có của phòng thí
nghiệm khoa Hóa học và Viện Nghiên cứu Khoa học và Ứng dụng (ISA)
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, trong khóa luận này, tôi đã sử dụng hai
phương pháp để tổng hợp CQDs đó là: phương pháp nhiệt vi sóng và phương
pháp thủy nhiệt. Hai phương pháp tổng hợp này thân thiện với môi trường,
chi phí thấp, dễ tổng hợp và tổng hợp nhanh, phù hợp với điều kiện.


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử carbon
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ
- Nguyên liệu : đỗ xanh, đường saccharose, sữa không đường
- Hóa chất: Phosphoric acid
- Dụng cụ: Cốc thủy tinh, phễu thủy tinh, giấy lọc, đũa thủy tinh.
- Thiết bị: Bếp từ, máy li tâm, cân phân tích, lò vi sóng, lò thủy nhiệt.
2.1.2. Tổng hợp chấm lượng tử carbon
- Quy trình tổng hợp chấm lượng tử carbon được thể hiện ở sơ đồ dưới
đây:
Dung dịch thực phẩm đã sơ
chế
( đỗ xanh, đường, sữa)

Thủy nhiệt trong 2 giờ ở 180oC

Dùng nhiệt vi sóng với hiệu suất
18% với các thời gian khác nhau.

Dung dịch chấm lượng tử

Hình 2.1. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử carbon.
a) Từ đường saccharose
Quy trình: Hòa tan hoàn toàn 50 (g) đường saccharose trong 146 ml
nước cất hai lần thu được nước đường.


+ Lấy 70 ml dung dịch nước đường cho vào bình teflon. Sau đó, cho vào
o

bình vỏ thép rồi đưa vào máy thủy nhiệt, thủy nhiệt ở 180 C trong 2 giờ. Sau
2 giờ, bỏ bộ bình vỏ thép ra để nguội ở nhiệt độ phòng. Sau đó thu lấy dung
dịch đem lọc và li tâm, thu được chấm lượng tử carbon.
+ Lấy 70 ml dung dịch nước đường thêm 2ml acid H3PO4 cho vào bình
teflon. Sau đó, cho vào bình vỏ thép rồi đưa vào máy thủy nhiệt, thủy nhiệt ở
o

180 C trong 2 giờ. Sau 2 giờ, bỏ bộ bình vỏ thép ra để nguội ở nhiệt độ
phòng. Sau đó thu lấy dung dịch đem lọc và li tâm, thu được chấm lượng tử
carbon.
+ Lấy 20 ml dung dịch nước đường cho vào cốc thủy tinh chịu nhiệt rồi
đưa vào lò vi sóng. Để hiệu suất lò vi sóng ở 18%. Sau các thời gian khác
nhau, thu được chất rắn khan. Hòa tan chất rắn thu được bằng nước cất hai
lần, lọc và li tâm dung dịch, thu được chấm lượng tử carbon.
+ Lấy 20 ml dung dịch nước đường thêm 2 ml acid H3PO4 cho vào cốc
thủy tinh chịu nhiệt rồi đưa vào lò vi sóng. Để hiệu suất lò vi sóng ở 18%. Sau
các thời gian khác nhau, thu được chất rắn khan. Hòa tan chất rắn thu được
bằng nước cất hai lần, lọc và li tâm dung dịch, thu được chấm lượng tử
carbon.
b) Từ đỗ xanh
Quy trình: Lấy khoảng 200 (g) đỗ xanh bóc vỏ luộc chín với nước cất
bằng bếp từ, thu được dung dịch, sau đó đem lọc qua giấy lọc và li tâm để loại
bỏ các hạt rắn lớn, sau đó ta thu được dung dịch nước đỗ xanh trong suốt.
Tiếp theo, làm tương tự như mẫu đường saccharose
c) Từ sữa
Làm tương tự như mẫu đường saccharose


2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng tính chất chấm lượng tử
carbon
2.2.1. Phổ hấp thụ UV-vis
Phổ UV- vis được sử dụng khá phổ biến, thường dùng cho các mẫu ở
dạng dung dịch trong suốt và đồng nhất. Máy đo phổ UV-vis được hoạt động
theo nguyên lí sau: Khi chiếu một chùm ánh sáng qua nguồn sáng là đèn D2
(vùng tử ngoại UV) hay đèn tungsten– halogen (vùng khả kiến), được đưa qua
bộ lọc là kính lọc, lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ để tách ánh sáng tạo ánh
sáng đơn sắc. Ánh sáng đơn sắc này sẽ được chia làm hai tia có cường độ như
nhau để so sánh. Một tia sẽ truyền qua cuvet trong suốt chứa dung môi chuẩn,
cường độ tia sáng sau khi truyền qua là Io. Tia còn lại sẽ truyền qua một cuvet
tương tự chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, cường độ ánh sáng sau khi
truyền qua là I. Cường độ của các tia sáng sau khi đi qua dung dịch mẫu và
dung môi chuẩn sẽ được detecto thu tín hiệu và so sánh trực tiếp trong cùng
điều kiện đo. Nếu mẫu không hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng đã cho thì
I=Io. Nếu mẫu hấp thụ ánh sáng thì I < Io. Các phổ được vẽ theo phương trình
của định luật Lambert – Beer:
I

A= - log Io

= log

Io
I

. Trong đó, A là độ hấp thụ quang.

Hình 2.2. Nguyên lí hoạt động máy đo phổ hấp thụ UV- VIS


Chuẩn bị mẫu: Lấy 2 cuvet thủy tinh, 1 cuvet chứa dung môi chuẩn
(nước cất), 1 cuvet chứa dung dịch mẫu. Pha loãng dung dịch mẫu ở các nồng
độ khác nhau rồi đo phổ hấp thụ UV-vis ở bước sóng từ 200 - 800nm.
Phổ hấp thụ UV-vis được đo trên máy SINCO 3150 tại Viện Nghiên
cứu Khoa học và Ứng dụng ( ISA) trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
2.2.2. Phổ hồng ngoại IR
Phổ hồng ngoại IR được dùng để xác định thành phần, cấu trúc của các
phân tử. Hầu hết các phân tử, năng lượng hồng ngoại không đủ để kích thích
chuyển dịch trạng thái điện tử mà chỉ đủ để chuyển dịch các trạng thái năng
lượng dao động hay năng lượng quay. Để hấp thụ tia hồng ngoại, các phân tử
phải thay đổi momen lưỡng cực khi chúng thay đổi trạng thái quay hay dao
động . Chùm tia hồng ngoại phát ra từ nguồn được tách ra hai phần, một tia đi
qua mẫu và một tia đi qua dung môi sau đó được bộ tạo đơn sắc tách thành
từng bức xạ có tần số khác nhau và chuyển đến detector. Bằng cách so sánh
cường độ hai chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với
phần bức xạ mà mẫu đã hấp thụ. Dòng điện này có cường độ rất nhỏ nên phải
nhờ bộ khuếch đại tăng lên nhiều lần trước khi chuyển sang bộ phận tự ghi vẽ
lên bản phổ hoặc đưa vào máy tính xử lý số liệu rồi in ra phổ [16].

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí hoạt động máy đo phổ hồng ngoại


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×