Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử cdse và CdSe/CdS cho ứng dụng đánh dấu sinh học - Chu Việt Hà

Vũ Trọng Sinh và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 127 - 131 132 Chu Việt Hà và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 133 - 138 133 PHÁT XẠ HUỲNH QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe VÀ CdSe/CdS CHO ỨNG DỤNG ĐÁNH DẤU SINH HỌC Chu Việt Hà*1, Vũ Thị Kim Liên1,Trần Hồng Nhung2, Lê Tiến Hà1 1Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên 2Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam TÓM TẮT Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS cấu trúc lõi /vỏ được chế tạo phân tán trong nước cho mục đích đánh dấu sinh học. Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tăng mạnh sau khi chế tạo và đạt ổn định sau 3 tháng, chất lượng của các chấm lượng tử này rất tốt, có độ ổn định quang cao, cường độ phát quang không giảm nhiều sau một đến hai năm chế tạo. Hiệu suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe/CdS đạt tới 20-50% và hiệu suất lượng tử của các chấm lượng tử CdSe đạt cỡ 10%. Cường độ phát quang của các chấm lượng tử không giảm khi cho vào các môi trường pH sinh học. Từ khóa: phát xạ huỳnh quang, chấm lượng tử, đánh dấu sinh học, CdSe, CdSe/CdS GIỚI THIỆU* Ngày nay, các chấm lượng tử (là các hạt nano bán dẫn) đã là các vật liệu quen thuộc ứng dụng trong dán nhãn màu và đánh dấu sinh học, đang được quan tâm nghiên cứu sâu rộng trên thế giới. Các chấm lượng tử có các tính chất lượng tử đặc biệt là hệ quả của sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước hạt do hiệu ứng giam giữ lượng tử. Hiệu ứng giam giữ lượng tử xảy ra khi kích thước tinh thể có thể so sánh với bước sóng de Broglie của điện tử và lỗ trống. Khi đó cả điện tử và lỗ trống đều bị giam giữ và các mức năng lượng của chúng bị lượng tử hóa. Sự giam giữ lượng tử làm gián đoạn các mức năng lượng theo chiều giam giữ và làm thay đổi mật độ trạng thái theo năng lượng. Kết quả là hấp thụ hay phát xạ của các chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước hạt, nghĩa là chúng ta có thể điều khiển được tính chất quang (hay màu phát xạ huỳnh quang) theo kích thước của các chấm lượng tử. Bằng cách sử dụng các chấm lượng tử khác nhau người ta có thể đánh dấu huỳnh quang trong khoảng rộng từ vùng khả kiến gần đến vùng hồng ngoại gần, trong khoảng từ 400nm đến 2000nm. Các chấm lượng tử thường được sử dụng trong đánh dấu sinh học là các chấm lượng tử trên cơ sở CdSe và CdTe vì phổ phát xạ của chúng trải toàn bộ vùng phổ nhìn thấy tùy thuộc vào kích thước [1]. * Tel: 0912132036 Trong bài báo này, chúng tôi chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS phân tán trong nước cho ứng dụng đánh dấu sinh học. Các chấm lượng tử này có cường độ phát quang mạnh với hiệu suất cao, phát xạ ở các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào kích thước hứa hẹn là các chất đánh dấu sử dụng cho các ứng dụng sinh học. Nhằm tăng hiệu suất phát xạ huỳnh quang và tăng tính ổn định cho các ứng dụng trong sinh học, các chấm lượng tử này được bọc thêm một lớp protein BSA hoặc một lớp PEG (polyethyglycol) bên ngoài. Các kết quả cho thấy cường độ phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử có lớp vỏ bọc tăng đáng kể so với các chấm lượng tử không được thụ động hóa bề mặt. Các quá trình thực nghiệm chế tạo mẫu đều được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. THỰC NGHIỆM Các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt sử dụng các hóa chất CdCl2.2,5H2O, sodium boro hydride (NaBH4 – là một chất có tính khử mạnh); trirodium citrate dihydrate (C6H5Na3O7.2H2O, là muối natri của axit chanh – được dùng trong thực phẩm) đóng vai trò là chất bẫy bề mặt, cồn tuyệt đối (C2H5OH), trihydroxy methyl aminomethane (tris) (chất này sử dụng trong các môi trường sinh học), nước cất, axit sunfuric (H2SO4), axit clohydric (HCl), bột selenium (Se). Phạm Thị Hà Thanh và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 139 - 142 134 Các bước chế tạo chấm lượng tử CdSe trong nước được tiến hành như sau: Bước 1: Trong ethanol nguyên chất, với điều kiện sục khí N2 ở 450C, nguyên tố selenium phản ứng với sodium boro hydiride tạo thành dung dịch NaHSe/ethanol. Trisodium citrate dihydrate được cho vào dung dịch đệm tris - HCl với pH = 8,9 (là giá trị pH cho thấy sản phẩm các chấm lượng tử thu được là ổn định nhất) đựng trong bình ba cổ. Sau đó nhỏ giọt dung dịch nước cadmium cloride có chứa các ion Cd2+ vào dung dịch trên trong điều kiện khuấy trộn mạnh để thu được dung dịch chứa các ion Cd2+ được bao quanh bởi các phân tử trisodium citrate. Bước 2: Khí H2Se bốc lên khi nhỏ chậm dung dịch H2SO4 loãng vào dung dịch NaHSe/ethanol trong dung dịch ban đầu trong điều kiện sục từ từ N2 để tổng hợp các chấm lượng tử CdSe ở nhiệt độ ổn định. Khí H2Se được đưa theo dòng chảy của khí N2 dẫn vào bình ba cổ phản ứng với các ion Cd2+. Trong điều kiện khuấy trộn mạnh liên tục, các mầm tinh thể của các nano tinh thể CdSe sẽ được hình thành và phát triển thành các nano tinh thể CdSe. Lượng muối Cd2+ ban đầu được sử dụng dư để thụ động hóa bề mặt các chấm lượng tử CdSe bằng việc bọc lớp vỏ CdS. Sau khi chế tạo được dung dịch có chứa các nano tinh thể CdSe với một lượng dư Cd, dung dịch chứa các nano tinh thể CdSe/CdS được tổng hợp bằng cách thổi khí H2S vào dung dịch chứa các hạt CdSe lõi theo dòng chảy của khí N2 trong điều kiện nhiệt độ từ 45-75 oC. Khí H2S cũng được tổng hợp như khí H2Se theo cách trên. Kích thước của các chấm lượng tử được xác định qua hệ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL JEM 1011 (Nhật Bản) có ở Viện Vệ sinh dich tễ Hà Nội. Phổ hấp thụ được xác định bằng máy quang phổ Jasco V- 600 (Nhật Bản) và phổ huỳnh quang đo bằng hệ máy FS 920 Edinburgh (Anh) có ở phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn, khoa Vật lý trường Dại học Sư phạm Thái Nguyên. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các mẫu chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS chế tạo được ở dạng dung dịch trong suốt (là hỗn hợp nước và dung dịch đệm tris – HCl) có chứa các hạt CdSe hoặc CdSe/CdS, phát xạ huỳnh quang các màu khác nhau tùy thuộc kích thước của các nano tinh thể CdSe. Bán kính của các hạt nano CdSe đã chế tạo được ước tính theo phổ hấp thụ và ảnh hiển vi điện tử truyền qua từ 3 đến 6 nm, và của các hạt nano CdSe/CdS được ước tính là từ 3,5 đến 10 nm. Hình 1 trình bày ảnh hiển vi điện tử truyền qua của một mẫu nano tinh thể CdSe/CdS. Có thể thấy các hạt nano tinh thể chúng tôi chế tạo được khá là đơn phân tán trong nước với kích thước đồng đều. Hình 2 là ảnh chụp một số mẫu nano tinh thể CdSe/CdS trong nước dưới ánh sáng của đèn tử ngoại, phát xạ với các màu khác nhau, với cường độ mạnh. Các chấm lượng tử này hứa hẹn là những chất đánh dấu huỳnh quang tốt cho ứng dụng sinh học. Hình 1. Ảnh TEM các chấm lượng tử CdSe/CdS với đỉnh phát xạ huỳnh quang ở 605 nm Hình 2. Ảnh chụp các mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS trong nước dưới ánh sáng đèn tử ngoại (từ trái sang phải là phát xạ màu xanh lá cây, mà vàng và màu đỏ cam) Chu Việt Hà và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 133 - 138 135 Kích thước của các nano tinh thể CdSe và CdSe/CdS được ước tính qua phổ hấp thụ. Phép đo phổ hấp thụ trong vùng UV-VIS được tiến hành ở nhiệt độ phòng. Phổ hấp thụ quang học là một trong các phương pháp quan trọng và nhanh nhất, để xác định sự hình thành và kích thước của các nano tinh thể. Do hiệu ứng giam giữ lượng tử, vùng cấm của các nano tinh thể tăng khi kích thước của hạt giảm, về mặt thực nghiệm, điều này có thể quan sát được qua sự dịch đỉnh (hay bờ hấp thụ) về phía năng lượng cao hơn (hay bước sóng ngắn hơn) so với vị trí độ rộng vùng cấm của bán dẫn khối. Phổ hấp thụ của một mẫu dung dịch chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS được so sánh với phổ hấp thụ của dung dịch các chấm lượng tử lõi CdSe (cùng một điều kiện chế tạo) được trình bày trên hình 3. Có một sự dịch của bờ hấp thụ về phía sóng ngắn so với bờ hấp thụ của bán dẫn CdSe khối (λCdSe khối ~ 690 nm tương ứng với năng lượng vùng cấm Eg ≈ 1,8 eV ở nhiệt độ phòng). Ở đây có thể thấy bờ hấp thụ của các chấm lượng tử là như nhau chứng tỏ sự thụ động hóa bề mặt các hạt CdSe bằng việc bọc một lớp CdS bên ngoài không làm ảnh hưởng đến sự hấp thụ. Kích thước của các nano tinh thể CdSe lõi đối với mẫu này được ước tính cỡ 4 nm qua công thức Brus [2]. Kích thước của các mẫu chấm lượng tử CdSe khác được ước tính khoảng từ 3 đến 5,5 nm. Các chấm lượng tử CdSe được chế tạo với mục đích tạo thành các chất đánh dấu trong sinh học nên môi trường pH bao quanh các chấm lượng tử là rất quan trọng, hơn nữa vẫn phải đảm bảo hiệu suất phát xạ cao của các chấm lượng tử này. Chúng tôi đã khảo sát điều kiện pH ban đầu khi chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS. Kết quả cho thấy ở điều kiện pH của dung dịch ban đầu là 8,9, hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử CdSe là lớn nhất. Hình 4 là phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với giá trị pH của dung dịch ban đầu là 7, 7,5, 8, 8,9 và 10 với cùng một độ hấp thụ ở bước sóng 480 nm. Bên cạnh đó, ở môi trường pH là 8, cường độ huỳnh quang cũng khá là mạnh. Đây là các giá trị pH thích hợp với môi trường sinh học. Chúng tôi lựa chọn môi trường pH = 8,9 ban đầu để chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS. Các giá trị pH thấp hơn của dung dịch ban đầu không cho kết quả tạo hạt CdSe. 400 500 600 700 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Bu lk Cd Se CdSe CdSe/CdS § é hÊ p th ô (® .v .t .y .) B−íc sãng (nm) 500 550 600 650 700 0 4 8 12 16 20 24 C −ê ng ® é hu ún h qu an g (® .v .t .y ) B−íc sãng (nm) 4 3 2 1 103X 5 1. pH = 7 2. pH = 7,5 3. pH = 8 4. pH = 8.9 5. pH = 10 500 550 600 650 700 0 2 4 6 8 10 CdSe CdSe/CdS C −ê ng ® é hu ún h qu an g (® .v .t .y ) B−íc sãng (nm) 104 X Hình 3. Phổ hấp thụ của các nano tinh thể CdSe và CdSe/CdS Hình 4. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe chế tạo với các giá trị pH của dung dịch ban đầu khác nhau dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng Hình 5. Phổ HQ của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tương ứng trong cùng một điều kiện Phạm Thị Hà Thanh và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 139 - 142 136 Các chấm lượng tử CdSe sau khi được thụ động hóa bề mặt bằng lớp vỏ bọc CdS thì cường độ phát xạ huỳnh quang tăng lên đáng kể. Hình 5 trình bày phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS có kích thước lõi CdSe tương ứng là ~ 6nm với cùng một độ hấp thụ dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng. Cường độ phát xạ tương đối của các chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS cao hơn gần mười lần so với cường độ phát xạ của các hạt CdSe lõi cho thấy vai trò của lớp vỏ bọc CdS trong việc thụ động hóa bề mặt các hạt nano CdSe, làm giảm các chuyển dời không phát xạ xảy ra trong các hạt nano, từ đó làm cường độ phát xạ huỳnh quang tăng lên. Phát xạ của các trạng thái bề mặt ở phía sóng dài của các chấm lượng tử CdSe hầu như không còn khi được bọc thêm lớp vỏ CdS. Hơn nữa việc bọc lớp vỏ CdS còn dẫn tới hiệu suất lượng tử của các hạt nano được tăng lên. Cụ thể, khi so sánh hiệu suất phát xạ của các hạt nano CdSe và CdSe/CdS với chất màu Rhodamine 6G, hiệu suất phát xạ của các hạt nano CdSe chưa đạt đến10% trong khi đó các chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS có hiệu suất phát xạ cỡ 20- 50%. Hình 6 là phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS phát xạ ở bước sóng ~ 600 nm (kích thước lõi CdSe ~6,5 nm) được so sánh với chất màu Rhodamine 6G với cùng độ hấp thụ ở bước sóng 480 nm; còn hình 7 trình bày phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tương ứng với phổ hấp thụ trên hình 6 so sánh với sự phát xạ của Rhodamine 6G dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng. Hiệu suất phát xạ huỳnh quang của Rhodamine 6G là 0,95 [3], từ đó tính được hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS tương ứng. Hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử CdSe chưa có lớp vỏ bọc chỉ ~7% trong khi đó hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử CdSe/CdS ở đây đạt đến 60% (là mẫu có hiệu suất phát xạ cao nhất trong loạt mẫu mà chúng tôi chế tạo). Như vậy các chấm lượng tử CdSe/CdS có hiệu suất phát xạ khá cao, hứa hẹn là chất đánh dấu tốt cho các ứng dụng sinh học. Độ bán rộng của phổ phát xạ của các chấm lượng tử này cũng khá hẹp, từ 30 đến 45 nm. Hình 8 là phổ huỳnh quang đã chuẩn hóa của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các kích thước khác nhau, phát xạ lần lượt ở 572, 588, 609, 612, 617 và 650 nm tương ứng với các độ bán rộng ở nửa các đại lần lượt là 44, 41, 39, 34, 40 và 30 nm. 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 (1) CdSe (2) CdSe/CdS (3) Rh6G 3 2 1 480§ é h Êp t hô B−íc sãng (nm) 500 550 600 650 700 0 10 20 30 40 C −ê n g ®é h uú n h qu an g (d .v .t .y ) B−íc sãng (nm) 3 2 1 (1) CdSe (2) CdSe/CdS (3) Rh6G 104X λ exc = 480 nm 500 550 600 650 700 750 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 B−íc sãng (nm) C − ên g ® é h uú n h q ua n g ch u Èn h ãa 1 2 3 4 5 6 1. 44 nm 2. 41 nm 3. 39 nm 4. 34 nm 5. 40 nm 6. 30 nm λ exc = 480 nm Hình 6. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS với cùng độ hấp thụ ở 480 nm so sánh với Rhodamine 6G Hình 7. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS với cùng độ hấp thụ ở 480 nm so sánh với Rhodamine 6G Hình 8. Độ bán rộng của phổ huỳnh quang của một số mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS Chu Việt Hà và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 133 - 138 137 Các mẫu dung dịch chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS sau khi chế tạo được bảo quản ở nhiệt độ phòng hoặc ở 4oC. Chúng tôi nhận thấy sự phát xạ huỳnh quang của các mẫu nano tinh thể này ngày càng ổn định và cường độ huỳnh quang được tăng cường. Hình 9 trình bày phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS có cực đại phát xạ ~ 600 nm với cùng một độ hấp thụ được đo theo thời gian bảo quản dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng. Các chấm lượng tử khi vừa mới chế tạo có cường độ huỳnh quang yếu, nhưng với các mẫu càng để lâu, cường độ huỳnh quang càng tăng lên và đạt sự ổn định sau từ một đến ba tháng. Điều này có thể do các phân tử bảo vệ citrate đã làm ổn định bề mặt các hạt nano, từ đó làm tăng cường phát xạ huỳnh quang. Cường độ huỳnh quang của mẫu sau ba tháng tăng gần 20 lần so với mẫu vừa mới chế tạo. Hiện tượng này cũng được thấy như trong tài liệu tham khảo số 4, các mẫu nano CdSe/CdS của nhóm nghiên cứu này cũng có cường độ huỳnh quang được tăng cường sau khi để mẫu dưới ánh sáng tự nhiên, mặc dù độ hấp thụ giảm đi. Tuy nhiên khi mẫu để quá lâu, cường độ huỳnh quang có giảm, nhưng sự giảm này là không nhiều. Độ phát xạ của các chấm lượng tử CdSe/CdS sau một đến hai năm chế tạo vẫn là khá tốt. Với mục đích ứng dụng trong sinh học, phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS được khảo sát trong các môi trường pH khác nhau. Hình 10 là phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với kích thước lõi CdSe ~ 6 nm trong các môi trường pH khác nhau. Có thể thấy hiệu suất phát xạ của các chấm lượng tử này lớn nhất trong các môi trường với pH từ 8 đến 8,9. Điều này là rất tốt vì quãng pH này là pH của môi trường sinh học, nghĩa là nếu đem các chấm lượng tử này vào môi trường sinh học thì không làm ảnh hưởng đến phát xạ huỳnh quang của chúng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Biofunctionalization of Nanomaterials, Nanotechnologies for the Life Sciences Vol. 1, Copyright © 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, ISBN: 3-527-31381-8 [2]. Brus L E 1984 J. Chem. Phys. 80 4403 [3]. R. F. Kubin and A. N. Fletcher, J. Luminescence, 27, 455-462, 1982. [4]. Parak W. J., Pellegrino T., and Plank C., Labeling of cell with quantum dots, Nanotechnology 16 (2005) 9-25 520 560 600 640 680 0 10 20 30 40 50 60 PL In te n si ty (co u n ts ) W avelength (nm) 104X 1 2 3 4 5 6 (1) fresh (2) 1 day (3) 7 days (4) 3 months (5) 12 months (6) 14 months 500 550 600 650 700 0 100 200 300 400 500 In te n si ty (a. u . ) Wavelength (nm) (1) pH = 5 (2) pH = 6 (3) pH = 7 (4) pH = 7.5 (5) pH = 8 (6) pH = 8.5 (7) pH = 8.9 1 2 3 4 5 6 7 Hình 9. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS theo thời gian bảo quản Hình 10. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS trong các môi trường pH khác nhau Lời cảm ơn Công trình được sự hỗ trợ của đề tài B2009-TN04-08 cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo và đề tài ĐH2011-04-07 cấp Đại học Thái Nguyên Chu Việt Hà và đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 80(04): 133 - 138 138 SUMMARY PHOTOLUMINESCENCE EMISSION OF WATER-SOLUBLE CDSE AND CDSE/CDS QUANTUM DOTS FOR BIOLABELING Chu Viet Ha1*, Vu Thi Kim Lien1,Tran Hong Nhung2, Le Tien Ha1 1College of Education – Thai Nguyen University 2Institute of Physics – Vietnam Academy of Science and Technology The CdSe and CdSe/CdS quantum dots have been prepared directly in aqueous solution. The size of the quantum dots is estimated as 3 – 6 nm (for CdSe) and 3.5 – 10 nm (for CdSe/CdS). The quantum yield is from 20 to 50% for CdSe/CdS quantum dots and ~10% for CdSe quantum dots. The results show the strongest intensity of photoluminescence emission in media with the pH value at about from 8 to 8.5 which are suitable values for biological medium. The photostability is high and mostly unchanged after many months of preparation. The results may lead to the applications of the quantum dots for biological labeling. Keywords: fluorescent radiation, quantum dots, marked biological, CdSe, CdSe/CdS * Tel: 0912132036