Luận văn Nghiên cứu biến tính bề mặt QDs CdTe ứng dụng cho chế tạo Nanosensor

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu biến tính bề mặt QDs CdTe ứng dụng cho chế tạo Nanosensor

1. 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
2. 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 quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị thuộc tập thể vật liệu polymer chức năng và hóa học nano, viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành nhiệm vụ của mình. Em xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cung cấp chấm lượng tử CdTe để em có thể tiến hành thực nghiệm phục vụ cho luận văn. Em cũng xin cảm ơn PGS.TS Toshiaki Taniike, cùng các bạn trong Lab. Taniike của Viện Khoa học công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian em tiến hành nghiên cứu tại Viện. Cuối cùng, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành bản luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Người viết Trần Thị Thanh Hợp
3. LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1 MỤC LỤC ................................................................................................................... 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ...................................................................... 3 MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1 - TỔNG QUAN .......................................................................................... 3 1.1 Hóa chất độc hại tồn dư trong thực phẩm ..................................................... 3 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 Nanosensor .................................................................................................. 26 1.4.1 Nanosensor là gì? .................................................................................. 26 1.4.2 Một số loại cảm biến (nanosensor) sử dụng chấm lượng tử với hiệu ứng FRET . ......................................................................................................... 28 Chương 2 - THỰC NGHIỆM ................................................................................... 34 2.1 Hóa chất sử dụng trong thí nghiệm ............................................................. 34 2.2 Sensor để xác định Rhodamine B ................................................................ 34 2.3 Nanosensor để xác định Clenbuterol ........................................................... 35 2.3.1 Vấn đề cần nghiên cứu .............................................................................. 35 2.3.2 Nguyên lý hoạt động của biosensor dựa vào hiệu ứng FRET để xác định Clenbuterol ......................................................................................................... 38 2.3.3 Nghiên cứu biến tính bề mặt chấm lượng tử CdTe ứng dụng trong nanosensor .......................................................................................................... 39 TRẦN THỊ THANH HỢP
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 3.2 Nanosensor để xác định Clenbuterol ........................................................... 51 3.3 Diazo clenbuterol ......................................................................................... 55 3.4 Phản ứng cộng hợp của diazo clenbuterol với ligand.................................. 56 3.5 Mẫu thử sensor ............................................................................................ 59 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 62 TRẦN THỊ THANH HỢP
5. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Các phương pháp tổng hợp QDs phổ biến nhất hiện nay ........................ 12 Bảng 1. 2: So sánh tính chất của các chất huỳnh quang hữu cơ/protein và quantum dots [13]..................................................................................................................... 16 Bảng 1. 3: Bảng phân loại ba hướng chế tạo nanosensor thông dụng ...................... 27 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 clenbuterol ................................................................................................................. 38 Hình 2. 4: Mô hình nanosensor ................................................................................. 38 TRẦN THỊ THANH HỢP
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 2. 5: Mô hình hoạt động của nanosensor khi có thêm chất cần nhận biết Clenbuterol ................................................................................................................ 39 Hình 2. 6: Tương tác tĩnh điện giữa Qd và Naphtylethylene diamine ...................... 39 Hình 2. 7: Phản ứng diazo clenbuterol ...................................................................... 40 Hình 2. 8: Phản ứng cộng hợp giữa Naphtylethylene diamin và diazo clenbuterol . 40 Hình 2. 9: Sơ đồ mô tả hệ đo quang phổ hấp thụ UV-Vis ....................................... 41 Hình 2. 10: Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang ......................................... 42 Hình 2. 11: Sơ đồ khối thiết bị đo thời gian sống huỳnh quang ............................... 44 Hình 3. 1: Ảnh TEM của chấm lượng tử CdTe trong dung dịch .............................. 45 Hình 3. 2: Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử CdTe được dùng trong luận văn này ...................................................................................................................... 45 Hình 3. 3: Phổ hấp thụ của chất màu rhodamine B ở các nồng độ khác nhau .......... 46 Hình 3. 4: Phổ huỳnh quang của Qds và hấp thụ của chất màu Rhodamine b ......... 47 Hình 3. 5: Mô tả tương tác tĩnh điện giữa QDs CdTe và Rhodamine B ................... 48 Hình 3. 6: Phổ huỳnh quang của cặp CdTe/Rhodamine B với nồng độ Rhodamine B ................................................................................................................................... 48 Hình 3. 7: Đường biểu diễn phân rã huỳnh quang của CdTe trong sự không có ..... 50 Hình 3. 8: Phổ hấp thụ của Naphtylethylene diamin và phổ phát xạ của Qd ........... 51 Hình 3. 9: Phổ phát xạ của Qd và hỗn hợp Qd- Naphtylethylene diamin ................ 52 Hình 3. 10: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd- Naphtylethylene diamin vào pH ....................................................................................................................... 53 Hình 3. 11: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của Qd- Naphtylethylene diamin 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
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT QDs Quantum dots nm Nano mét TOP Trioctylphosphine TOPO Trioctylphosphine oxide Cd Cadimium Te Tellurium FRET Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang DNA Deoxyribonucleic acid HQ Huỳnh quang TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam GC/MS Sắc ký khí ghép khối phổ ELISA Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay MPA Axit 3-mercaptopropionic MSA Axit mercapto succinic TRẦN THỊ THANH HỢP
8. 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 huỷ. Tuỳ từng cơ thể mà ảnh hưởng đến gan, thận hoặc tồn dư lâu ngày gây độc hại đến cơ thể con người, đặc biệt có thể gây ung thư. Đặc biệt trong thời gian gần đây vấn đề thịt lợn siêu nạc được tạo nạc bằng chất hóa học Clenbuterol rất nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Nếu ăn phải có thể gây ngộ độc cấp với các triệu chứng: run cơ, đau tim, tim đập nhanh, tăng huyết áp, choáng váng, thậm chí tử vong. Chất độc thường tập trung trong nội tạng của gia súc như gan, cật, nước tiểu và không bị phân hủy ở nhiệt độ cao khi đun nấu. Vì vậy việc nghiên cứu xác định hàm lượng của Rhodamine B- một thành phần của phẩm nhuộm trong thực phẩm và Clenbuterol trong thịt là vấn đề cần thiết đối với sức khoẻ cộng đồng. Hiện nay, một hướng nghiên cứu mới trên thế giới đang tập trung vào việc ứng dụng khoa học và công nghệ nano mà ở đây là nanosensor nhằm phát hiện dư lượng chất hóa học độc hại còn tồn dư trong thực phẩm. Để góp phần vào xu hướng phát triển chung này tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu biến tính bề mặt QDs CdTe ứng dụng cho chế tạo nanosensor”. Bằng sự thay đổi cường độ phát huỳnh quang của các chấm lượng tử CdTe trong hiệu ứng FRET theo nồng độ của Rhodamine B và TRẦN THỊ THANH HỢP 1
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ Clenbuterol mà định lượng và định tính chúng. Nanosensor dựa vào hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang với chất cho là QDs CdTe xác định dư lượng chất hóa học với độ nhạy cao, phương pháp đơn giản chính xác. Kết quả thu được là triển vọng phát triển và hoàn thiện nanosensor ứng dụng trong thực tế. TRẦN THỊ THANH HỢP 2
10. 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 tăng trưởng và cho thịt siêu nạc. Hình 1. 2: Cấu trúc hóa học của một vài hợp chất nhóm β2- agonist TRẦN THỊ THANH HỢP 3