Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc

Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Tải tài liệu tại sividoc.com
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
Hoàng Văn Quế
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG
SỐ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT NANO
VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG PHỨC HỢP
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Thái Nguyên - 2019

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
Hoàng Văn Quế
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG
PHỨC HỢP
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8840110
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa
PGS.TS. Trần Hồng Nhung
Thái Nguyên - 2019
Học viên : Hoàng Văn Quế

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa và PGS.TS
Trần Hồng Nhung đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực
hiện đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám hiệu trường THPT Lê Văn Thịnh
nơi tôi đang công tác. Ban giám hiệu trường Đại học khoa học- Đại học Thái Nguyên ,
các thầy cô khoa Vật lí và công nghệ trường Đại học khoa học đã tạo nhiều điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đồng nghiệp
đã luôn động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đề tài nhưng không tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Em rất mong được sự đánh giá, nhận xét và đóng góp ý kiến của các thầy cô
giáo và các bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, 12 tháng 6 năm 2019
Học viên
HOÀNG VĂN QUẾ

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................................1
Mục đích nghiên cứu
Vai trò và tính cấp thiết của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................................................ 3
1.1. Tổng quan về các hạt nano vàng..........................................................................................................3
1.1.1. Tính chất quang của hạt nano vàng .................................................................................. 3
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo hạt nano vàng ................................................................. 5
1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng................................................................................ .6
1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)........................................................................... 7
1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt ............................................................................................................ 10
1.3.1. Sự phát triển của SPT ........................................................................................................... 11
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều
(3D)............................................................................................................................................................13
1.3.3. Phân tích dữ liệu......................................................................................................................14
1.3.4. Kết luận....................................................................................................................................... 19
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG............................................ 20
2.1. Chế tạo hạt nano vàng............................................................................................................................. 20
2.2. Các phương pháp khảo sát.................................................................................................................... 21
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)................... 21
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis .............................................................................................................. 23
2.2.3.Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối ....... 25

2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp.................................... 27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................................... 33
3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu ............................................ 33
3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp ........................... 34
3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol .................................................... 34
3.2.2. Xác định hệ số khuếch tán (Dt)bằng phương pháp theo dõi đơn hạt ............... 36
3.2.3. Quãng đường dịch chuyển trung bình <r(t)>............................................................... 42
3.2.4 .Vận tốc dịch chuyển trung bình <v(t)>........................................................................... 45
KẾT LUẬN......................................................................................................................................................... 49
PHỤ LỤC............................................................................................................................................................ 50
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN....................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................................53

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol ......................35
Bảng 3.2: Bảng thống kê hệ số khuếch tán cho 5 đơn hạt trong hỗn hợp nước +20%
glycerol.................................................................................................................................................................. 37
Bảng 3.3a. Hệ số khuếch tán D của 5 hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol trong
dung dịch (Giá trị D trong bảng *10-12
m2
/s )...................................................................................... 41
Bảng 3.3b. Hệ số khuếch tán trung bình của các hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol
trong dung dịch...................................................................................................................................................42
Bảng 3.4a. Quãng đường dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong môi trường
hỗn hợp glycerol tương ứng (20%)............................................................................................................ 43
Bảng 3.4b . Quãng đường dịch chuyển trung bình của các hạt nano vàng trong từng môi
trường hỗn hợp glycerol.................................................................................................................................. 44
Bảng 3.5a. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong cùng môi trường
hỗn hợp glycerol................................................................................................................................................. 45
Bảng 3.5b. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong từng môi trường hỗn
hợp glycerol..........................................................................................................................................................45
Bảng 3.5c. Vận tốc dịch chuyển trung bình của nhiều hạt nano vàng trong từng môi trường
hỗn hợp glycerol.................................................................................................................................................46
Bảng 3.6. Thống kê chung các thông số động học trung bình của các hạt nano vàng trong
từng môi trường hỗn hợp glycerol khác nhau ......................................................................................47

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng .............................................................3
Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp
các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt lasmon
tương ứng (C) ........................................................................................................................................................4
Hình 1.3. Sơ đồ minh họa của SPT........................................................................................................... 13
Hình 1.4. Sơ đồ quang học khác nhau cho SPT trong 2D và 3D................................................. 14
Hình 1.5. Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí........................................................... 15
Hình 1.6. Liên kết các vị trí và xây dựng quỹ đạo các hạt.............................................................. 16
Hình 1.7. Phân tích quỹ đạo và đường cong MSD............................................................................. 18
Hình 2.1.Sơ đồ chế tạo hạt keo vàng bằng phương pháp Turkevitch........................................ 20
Hình 2.2. Mô hình phản ứng xảy ra trong phương pháp Turkevitch.......................................... 21
Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét............................................................................ 22
Hình 2.4. Biểu diễn định luật Lamber-Beer.......................................................................................... 24
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia .......................................... 25
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. So sánh ảnh trường tối
với ảnh trường sáng......................................................................................................................................... 26
Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử
dụng để quan sát các hạt nano vàng........................................................................................................... 27
Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt....................................................................... 28
Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt ....................................................................................................... 29
Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to để
thấy rõ hơn quỹ đạo dịch chuyển của một đơn hạt ) .......................................................................... 30
Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 19) xuất ra từ thuật toán của Mosaic trong
không gian 2 chiều ............................................................................................................................................ 30

Hình 2.12. Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa độ x và y tạo thành
các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano ......................................... 31
Hình 3.1. a) Ảnh các hạt nano vàng được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). b)
Phổ hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng tương ứng................................................................... 33
Hình 3.2. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho một hạt nano
vàng duy nhất (hạt số 1) có bán kính thủy động học Rh=14 nm................................................... 37
Hình 3.3. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho 4 hạt nano
vàng khác nhau trong hỗn hợp nước +20% glycerol ......................................................................... 38
Hình 3.4. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm và khớp lý thuyết
cho 12 hạt nano vàng trong nước +20% glycerol................................................................................ 39
Hình 3.5. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho các hạt nano
vàng trong các môi trường hỗn hợp nước có lượng glycerol khác nhau: a) 20%; b) 40%; c)
60%; d) 90%......................................................................................................................................................... 40
Hình 3.6 a) Thực nghiệm xác định MSDR và b) các giá trị D được suy ra từ hình a cho các
môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%) ...... 42
Hình 3.7. Hình ảnh quỹ đạo của một hạt nano vàng ( hạt số 1)trong môi trường hỗn hợp
glycerol tương ứng (20%).............................................................................................................................. 43
Hình 3.8. Quãng đường dịch chuyển trung bình trong các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%)................................................................... 44
Hình 3.9. Các giá trị vận tốc dịch chuyển trung bình cho các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%)................................................................... 46

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
STT
Ký
Tên đầy đủ Tên tiếng Việt
hiệu
1 MSD Mean square displacement Bình phương dịch chuyển trung bình
2 SPT Single Particle Tracking. Phương pháp theo dõi đơn hạt
3 PSF Disseminated function Hàm điểm lan tỏa
4 SEM
Scanning Electron
Kính hiển vi điện tử quét
Microscope
5 MSDR
Squared average movement Bình phương dịch chuyển trung bình
in 2-dimensional space trong không gian 2 chiều
6 D Diffusion coefficient Hệ số khuếch tán
7 <r> Average moving distance Quãng đường dịch chuyển trung bình
8 <v> Average movement speed Vận tốc dịch chuyển trung bình

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay công nghệ nano đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới nói chung và
trong nước ta nói riêng. Việc nghiên cứu các quá trình động học của các hạt nano trong
một môi trường đang được đặc biệt quan tâm vì từ đó nó mở ra nhiều ứng dụng trong các
môi trường giả sinh học và sinh học, đặc biệt là trong tế bào sống. Trên thế giới hiện nay,
hướng nghiên cứu Sinh học Quang tử (Biophotonics) với việc gắn kết các hạt nano với
các đối tượng sinh học đang phát triển rộng rãi sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng vào thực tiễn.
Do các chất đánh dấu trên cơ sở vật liệu nano với các ưu điểm vượt trội so với các chất
đánh dấu cổ điển như: độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường sinh
học. Các ưu điểm đó của các chất đánh dấu nano tạo ra nhiều khả năng phát hiện các đích
sinh học với độ nhạy cao trong các điều kiện khác nhau từ đơn phân tử cho đến các ứng
dụng trong cơ thể người ...v.v. Nhiều nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa các hạt
nano vàng phát quang và các chất đánh dấu huỳnh quang đã được thực hiện như BRET-
FRET nano particles, sử dụng kỹ thuật FRET trên các hạt nano để phân tích protein [1],
… Hiên nay, sự tương tác giữa các chất đánh dấu huỳnh quang vẫn được tiếp tục nghiên
cứu trong các ứng dụng sinh học như nghiên cứu cấu trúc DNA [2]...v.v.
Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can
thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất
đặc biệt và lý thú. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là lí sinh học nano, trong
đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lí sinh học nano đã và đang
được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật
liệu nano. Tuy nhiên, việc hiểu biết và theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng được đánh dấu
vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên cứu sâu và chi tiết.
Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư công sức vào đây. Trong
đề tài này, trước tiên chúng tôi nghiên cứu các thông số động học (hệ số khuếch tán dịch
chuyển, quãng đường dịch chuyển trung bình ,vận tốc dịch chuyển và bán kính thủy động lực
học) của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi trường phức hợp glycerol. Đây là môi
trường giả sinh học (gần môi trường sinh học), do đó việc nghiên cứu các thông số động học
trong môi trường này sẽ giúp cho có cách tiếp cận tốt trong việc
Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 1

nghiên cứu các môi trường sinh học thực sự sau này. Tiếp đó, chúng tôi sẽ hướng đến
nghiên cứu động học của các hạt nano vàng trong môi trường tế bào sinh học.
Ở đây, chúng tôi giới thiệu một vật liệu quý đó là hạt nano vàng dạng cầu. Để nghiên
cứu động học của chúng, một phương pháp hữu hiệu được tiếp cận là phương pháp theo dõi
đơn phân tử (hay theo dõi đơn hạt). Phương pháp này còn rất mới và hiện nay đang được đặc
biệt quan tâm. Phương pháp theo dõi đơn phân tử dựa trên những quan sát các quỹ đạo của
các hạt. Tính toán các bình phương dịch chuyển trung bình, nhờ đó xác định hệ số khuếch tán
và vận tốc dịch chuyển là hai thông số quan trọng mà chúng tôi cần quan tâm. Ở đây, chúng
tôi theo dõi sự chuyển động của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong dung dịch phức hợp
có độ nhớt xác định, sử dụng kính hiển vi quang học trường tối và camera CCD nhanh và
nhạy. Các vị trí của các hạt nano được xác định thông qua công cụ plugin de Mosaic để phát
hiện các tín hiệu của mỗi hạt và quan sát được quỹ đạo chuyển động của chúng, nhờ vào
chương trình Matlab chúng tôi phân tích và tính toán bình phương dịch chuyển trung bình
được lấy từ số liệu thực nghiệm. Sau đó làm khớp theo hàm tuyến tính từ lý thuyết chuyển
động Brownian 2 chiều để xác định hệ số khuếch tán dịch chuyển. Để nghiên cứu độ linh
động của hạt nano vàng dạng cầu có kích thước khác nhau chuyển động trong glycerol-nước,
chúng tôi tiến hành đo đạc bán kính thủy động lực học dựa vào công thức liên hệ Stock-
Einstein. Sau cùng là xác định quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của từng hạt
nano vàng dạng cầu duy nhất.
Từ các phân tích trên, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài “Chế tạo và khảo sát các thông
số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp” là rất cần thiết và cần
được tiến hành thực hiện. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp rất quan trọng vào những
hiểu biết về cơ chế dịch chuyển và quay ngẫu nhiên của đơn hạt nano trong môi trường
phức hợp.
Báo cáo luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương chính
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm: chế tạo, khảo sát và theo dõi hạt nano vàng
Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Tổng quan về các hạt nano vàng
1.1.1. Một số tính chất quang của các hạt nano vàng
Vàng là kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm 11, chu kỳ 6 và phân lớp d,
vàng có số thứ tự 79 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi ở dạng khối vàng là nguyên tố kim
loại có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay mầu tía khi được cắt mỏng. Nó là
kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế 1g vàng có thể được dát thành tấm 1m².
Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan
để tạo thành muối cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại
kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc dạng hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích. Đối với
vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dưới
dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ với ánh sáng mặt trời. Bắt đầu từ
khoảng thế kỉ 13, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng như trong kỹ
thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng khối vào các chất khác để tạo ra
các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau. Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các
ứng dụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men),
thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào
hình dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác nhau theo
ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt [3].
Tới thế kỷ thứ 19, khi Faraday chế tạo các hạt vàng và nhận ra rằng mầu sắc của
dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi kích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc
đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.1)
Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [3]

Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh được rằng
màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của hạt keo vàng và axit
Stannic. Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm 1925. Năm 1908 Mie đã giải thích
các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng là do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt.
Mặt khác, ta quan sát thấy rằng mầu sắc của dung dịch chứa các hạt nano vàng thay
đổi khi hình dạng của chúng thay đổi. Điều này được giải thích bởi lý thuyết Gans. Khi
hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng cao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của
chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tính đối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ
hấp thụ này tăng lên. Ví dụ như hạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ
Plasmon. Vị trí của đỉnh phổ tùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano
[4]. (xem hình 1.2).
Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp
các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt
plasmon tương ứng (C) .
Nội dung này mô tả các thuộc tính quang học của vật liệu nano vàng, có đặc tính
plasmonic. Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích,

các thuộc tính quang học bị chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục
bộ với tập thể các electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ, với các hạt
nano vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại
gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở thành ứng
viên sáng giá trong ứng dụng y sinh học.
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng
Trong đề tài này, tôi tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng đơn nhất, do vậy tôi
sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán trong dung dịch.
Nhìn chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó là
phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Tùy theo hình dạng hạt , kích thước hạt ,
cấu trúc hạt và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp.
Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, thông thường chúng được chế tạo bằng phương
pháp hóa học. Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử hydro tetraclorua
vàng (HAuCl4). Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước được khuấy từ mạnh trong khi thêm
tác nhân khử vào. Do đó Au3+
bị khử thành ion vàng một cộng (Au+
) và nhanh chóng trở
thành nguyên tử vàng, vàng bắt đầu dần dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và
lớn dần cho tới khi dung dịch trở nên siêu bão hòa. Nếu dung dịch được khuấy từ đủ
mạnh thì các hạt sẽ có kích thước đồng đều. Một trong các phương pháp đó là: Phương
pháp Turkevitch (phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp Brust,
phương pháp siêu âm,..
Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương
pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên mầm được tạo thành có dạng cầu cỡ 4 nm, sau đó
cho dung dịch mầm vào muối kim loại, tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản
ứng mà các hạt nhận được sẽ có hình dạng theo ý muốn. Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh
(rod) người ta gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muối kim loại. Phản
ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định và kết quả nhận được là các
thanh keo vàng. Ngoài các phương pháp chế tạo các hạt keo vàng thuần nêu

trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kích thước vài trăm nm để dùng làm chất
phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêu diệt các tế bào bệnh bằng hiệu ứng quang nhiệt.
Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng có thể còn
được chế tạo bằng phương pháp vật lí như: phương pháp bắn phá bằng tia laze, phương
pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay dùng plasma để tạo ra các
hạt nano vàng,...
1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng
Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong vật lí, hóa học và y sinh học. Một
trong các ứng dụng đó là:
(1) Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng
dụng hạt nano vàng trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng thể
đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết
kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh sáng
lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được
phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu không
gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư.
Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh sáng
hiển vi trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi
không có hạt nano vàng gắn kết. Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân
tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều
ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân
tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ…
Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng
hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng trắng ở kính hiển
vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được
(2) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman Scattering-
SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên hàng

nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các trạng thái điện tử của
phân tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử (single molecule detection).
Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh quang của các phân tử trên bề mặt
của hạt vàng. Hiệu ứng này cũng được ứng dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinh học.
(3) Ứng dụng làm sensơ sinh học
Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là các phân tử
liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp thụ plasmon. Thí dụ:
làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các hạt nano từ mầu đỏ sang mầu
xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh
bằng nước bọt.
(4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser để cắt bỏ
tế bào ung thư. Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Au cao.
- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2 bọc vàng
đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại. Sử dụng các
thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán nguyệt,. có thiết diện
tán xạ lớn trong vùng hồng ngoại. Đây là phương pháp hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo
và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới [5].
(5) Một vài ứng dụng khác:
- Sử dụng trong các ứng dụng nano và chất xúc tác
- Kết nối điện trở, chất dẫn, và các yếu tố khác của một chip điện tử
- Làm đầu dò cho kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
- Là chất xúc tác trong một số phản ứng hoá học
- Ứng dụng trong pin nhiên liệu
1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)
Khi một hạt vi mô đặt trong dung dịch, ngoài việc chúng chuyển động quay Brown
mà đồng thời chúng còn chuyển động dịch chuyển. Các quy luật cơ bản của chuyển động

dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và
đầy đủ hơn [6]. Perrin cho rằng chuyển động Brown là một lập luận rõ ràng cho sự tồn tại
của các phân tử, các luận cứ của ông như sau:
Điều thực sự lạ và mới trong chuyển động Brown chỉ là nó không bao giờ dừng lại.
Đầu tiên, điều này có vẻ mâu thuẫn với kinh nghiệm quan sát hàng ngày của chúng ta về
ma sát. Ví dụ: nếu chúng ta đổ một xô nước vào bồn, có vẻ như chúng ta sẽ thấy rằng sau
một lát, chuyển động bị chiếm hữu bởi khối chất lỏng đã biến mất. Tuy nhiên, hãy phân
tích cách đạt đến trạng thái cân bằng rõ ràng này: Tất cả các hạt của nước đều có vận tốc
xấp xỉ bằng nhau và song song, sự sắp xếp này bị phá vỡ ngay khi một số hạt, đập vào
thành bình nảy ra với vận tốc thay đổi, sẽ ngay lập tức lại va chạm với các phần tử khác
của chất lỏng.
Xét chuyển động Brown của một hạt vi mô trong môi trường có độ nhớt η(T) được
đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Các định luật cơ
bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng
cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời
gian giữa hai thời điểm tức thời. Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong
quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh
do kích động nhiệt.
Vấn đề đặt ra là: sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại
điểm tìm thấy nó là bao nhiêu? Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ
lệ với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều.
〈 2〉 = 2 (1.1)
Với D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng cầu.
Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt bằng cách
xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỉ lệ thuận với tốc độ. Sự cân bằng của các lực đó
có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình Langevin:
2
= − ( )+ ( ) (1.2)
2

Ở đó, ( ) là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, ( ) là vận tốc theo trục , là hệ số ma sát, giá trị của có thể được xác định trực tiếp từ thực
nghiệm.
Nhân 2 vế của phương (1.2) với và lấy trung bình, ta nhận được :
〈
2
〉 = 〈− + ( )〉
2
⇔ 〈
2
〉 = 〈− 〉 + 〈 ( )〉 (1.3)
2
Với 〈( )〉 = 0 do tính chất đối xứng,
Vì vậy : 〈
2
〉 = − 〈 ( )2〉 (1.4)
2
Ta nhận được:
− 〈 〉 = −〈 ( )2〉⟺2 〈 〉 = 2 〈( )2〉 =
2
〈 2〉 (1.5)
Với 〈 2〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục ox.
Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 1
〈 2 〉 =
1
2 2
Với là hằng số Boltzmann.
〈 2〉
⟹〈 2〉= 2
Ởđó :2 〈 〉 = 2 ⟺ = 2 . (1.6)
Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :
〈 2〉=
(1.7)
Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển, hệ số
nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (1.3) và (1.9):
= (1.8)
Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa hệ số ma
sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo:
= 6 (1.9)

Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-Stokes:
= (1.10)
6
Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lực học –là bán
kính hình học của hạt mà bị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanh hạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số
khuếch tán:
〈 2〉= (1.11)
-Xét trong không gian 3 chiều : 〈 2〉 = 6 .
- Xét trong không gian 2 chiều : 〈 2〉 = 4 . (1.12)
-Xét trong không gian 1 chiều : 〈 2〉 = 2 .
1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt
Để giải mã sự tương tác phức tạp giữa vô số các phân tử khác nhau được thể hiện
trong một môi trường đơn nhất là một vấn đề đã và đang được tìm hiểu trong nhiều thập kỷ
gần đây. Do đó, từ việc nghiên cứu kính hiển vi đã cho thấy rằng các thành phần tế bào, các
protein trên bề mặt tế bào và các bào quan trong tế bào và DNA trong nhân tế bào phân phối
không đồng nhất cả về không gian và thời gian. Đáng chú ý là không chỉ các nhà sinh học
đang tập trung vào việc làm sáng tỏ sự phức tạp của các tế bào, mà còn có các nhà vật lý đang
đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực này. Thật vậy, khả năng theo dõi các
phân tử đơn lẻ một cách tự nhiên của tế bào sống được chuyển thành một mô tả định lượng
và chính xác hơn về các quá trình động học để kiểm soát chức năng tế bào. Do đó các nhà vật
lý đang được thu hút vào các ngành sinh học, góp phần vào sự phát triển của công nghệ và
tạo ra các công cụ mới để phân tích dữ liệu. Họ cung cấp các mô hình quan trọng và toàn
diện mà chúng ta tiếp cận gần hơn để tìm hiểu sự chuyển động các phân tử và chuyển động
của các phân tử trong các tế bào và phản ứng của chúng đối với môi trường. Sự kết hợp giữa
sinh học và vật lý học sẽ làm bộc lộ rất nhiều các phân tử cũng như các cơ chế vật lý cơ bản,
sự phức tạp của các tế bào sống. Trọng tâm của những tiến bộ là sự phát

triển của kỹ thuật, khả năng nghiên cứu quá trình động học với độ nhạy và độ phân giải
cao mà không xâm phạm vào bên trong cơ thể. Một trong những kỹ thuật này là phương
pháp theo dõi đơn hạt (Single Particle Tracking- SPT).
1.3.1. Sự phát triển của SPT
Lịch sử phát triển của SPT từ giữa những năm 1980, khi Brabander và các đồng
nghiệp đầu tiên cho thấy rằng các hạt nano vàng có kích thước nhỏ 40 nm, có thể được
nhìn thấy trên bề mặt của các tế bào sống bằng các thiết bị quang học [7, 8]. Ban đầu được
gọi là “kính hiển vi nanovid”, các phương pháp được sử dụng dựa trên sự phân bố thưa
thớt của các hạt keo vàng, gắn liền với các phân tử sinh học. Trong một vị trí lý tưởng, chỉ
có một phân tử sinh học duy nhất được gắn vào một hạt vàng. Bởi vì sự tán xạ Rayleigh
có cường độ rộng, các tọa độ không gian của các vị trí tâm của các hạt đơn lẻ có thể được
lấy với độ chính xác cỡ nano mét và nó được được ghi ở hình ảnh bởi kính hiển vi tương
phản giao thoa (DIC) [7]. Đây là phương pháp đơn giản lần đầu tiên cho phép theo dõi và
điều khiển với độ chính xác quy mô nano mét [9] và mở ra lĩnh vực theo dõi phân tử đơn
lẻ trong màng tế bào [10, 11]. Thay vì sử dụng các hạt vàng, cao su lớn, polystyrene hoặc
các hạt silica với các kích cỡ khác nhau, có đường kính từ 200 nm đến 1 mm cũng có thể
được hiện ảnh và theo dõi bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học chuẩn. Nhiều năm
qua, SPT có chiến lược phát triển nhằm đến mục tiêu các phân tử khác nhau, xử lý dữ liệu
và mô hình hóa các phương pháp đã được nghiên cứu cụ thể, các tổ chức không đồng nhất
và động học của màng tế bào (xem [12] với một trong các đánh giá toàn diện đầu tiên trên
SPT). Trong điều kiện thực hiện với sự đơn giản của kỹ thuật này, rất nhiều nhóm nghiên
cứu trên thế giới dành những nỗ lực của họ để phát triển thuật toán phù hợp để xây dựng
quỹ đạo và phân tích khuếch tán và dòng chảy trong hệ thống hai và ba chiều (xem các
đánh giá gần đây [13]).
Vào năm 1930, kính hiển vi huỳnh quang đã có một bước đột phá mới, khi các phân
tử đơn lẻ có thể được phát hiện ở nhiệt độ phòng bằng tín hiệu huỳnh quang [14]. Ngay sau
đó, SPT đã được thực hiện bằng cách thay thế các hạt đơn lẻ bằng các phân tử huỳnh quang
đơn hoặc protein huỳnh quang [15, 16, 17]. Kể từ đó lĩnh vực này đã cho thấy một sự bùng

nổ về việc triển khai quang khác nhau, các thuật toán để xây dựng lại quỹ đạo và phân tích dữ
liệu, mô hình vật lý, và quan trọng, nó đã dẫn đến những khám phá mới trong sinh học.
Điều thú vị là, sự phát triển vượt trội của SPT đã không chỉ cho ta những hiểu biết
sâu về sinh học mà còn tạo ra một công cụ đơn phân tử tinh tế để khám phá sự phức tạp
của hệ thống sống từ góc độ vật lý. Đặc biệt, hai phát hiện chính từ các thí nghiệm SPT đã
tạo nên sự quan tâm của các nhà lý thuyết và các thống kê vật lý.
Để hiểu hơn về các thuật toán phân tích dữ liệu cần giải thích quỹ đạo từ hình ảnh SPT.
Các thuật toán này được tách thành hai khối chính:
 Phần đầu tiên của thuật toán là tập trung vào xác định các vị trí tâm của các
hạt sử dụng cho SPT và các liên kết của các tọa độ để tạo ra quỹ đạo mà mô tả
sự chuyển động của các hạt.

 Phần thứ hai của thuật toán là tập trung vào việc tái liên kết các hạt, giải thích
và phân tích những quỹ đạo để xác định các thông số như kiểu khuếch tán, hệ
số khuếch tán, vận tốc, quãng đường dịch chuyển trung bình, …v.v.
Cuối cùng, tập trung vào các mô hình lý thuyết hiện đang được phát triển để giải thích phép
đo SPT. Trong hình 1.3 cho thấy một loạt các hình ảnh được thực hiện ghi lại, có chứa một số
lượng ít các phân tử có gắn nhãn (đốm đỏ). Phim chứa từ hàng trăm đến hàng ngàn hình ảnh
ghi lại bằng camera nhanh. Trong bước xác định vị trí, hình ảnh huỳnh quang tại một thời
điểm nhất định được phân tích để lấy lại vị trí của các hạt. Độ chính xác vị trí cuối cùng phụ
thuộc vào nửa độ bán rộng tối đa (FWHM) của hàm điểm lan tỏa (PSF), số lượng photon thu
thập từ nguồn phát xạ và các nguồn nhiễu khác nhau từ thực nghiệm. Sau khi lặp đi lặp lại
bước xác định vị trí trên một chuỗi thời gian của rất nhiều hình ảnh, các vị trí được liên kết
lại để tạo ra quỹ đạo theo dõi sự chuyển động của các hạt (đường nét đứt mầu trắng được liên
kết lại như là một hàm của thời gian ở hình 1.3).

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa của SPT
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D)
Không gian hay sử dụng nhất SPT thực hiện quang học cho hình ảnh 2D dựa trên
vùng sáng rộng và phát hiện một vết loang thấp, máy ảnh có độ nhạy cao. Cấu hình này cho
phép phát hiện nhanh các tín hiệu để thu thập dữ liệu và theo dõi các phân tử chuyển động.
Ngày nay hầu hết các nghiên cứu sử dụng SPT dựa trên tín hiệu huỳnh quang.Thông thường,
các phân tử được kích thích sử dụng một chùm tia laser tập trung vào các mặt phẳng tiêu cự,
các vật kính tạo ra một chùm tia song song kích thích một vùng của mẫu trong suốt toàn bộ
chiều sâu của nó. Huỳnh quang phát ra được chọn lọc từ ánh sáng kích thích và phát hiện
bằng cách sử dụng máy ảnh. Việc phát hiện và theo dõi các tín hiệu phát ra riêng biệt đòi hỏi
đến tỷ lệ tín hiệu cao, mà phụ thuộc vào cách sử dụng tính chất ảnh vật lý của quá trình phân
tích. Thông thường, với khẩu độ số NA> 1.2 được sử dụng để thu thập số lượng lớn nhất có
thể của các photon phát ra. Hơn nữa, các bộ lọc huỳnh quang có độ sắc nét với độ truyền cao
(> 80%) và máy ảnh phát hiện với năng suất lượng tử cao.

Hình 1.4 Sơ đồ quang học khác nhau cho SPT trong 2D và 3D
Trong Hình 1.4 (a) dùng laser kích thích mẫu ở chế độ epi hoặc phản xạ nội toàn phần
(TIRF). Ánh sáng phát xạ được tách ra từ ánh sáng kích thích sử dụng bộ lọc phù hợp và
để phát hiện ta sử dụng một máy ảnh CCD... (b) Cách chiếu sáng khác nhau, bao gồm cả
epi, TIRF và (highly inclined and laminated optical) HILO. Trong các cấu hình này, các
chùm tia laser được hội tụ tại mặt phẳng tiêu cự của vật kính. Tùy thuộc vào độ nghiêng
của các chùm tia laser đối với trục của vật kính mà độ sâu chiếu sáng đạt được khác nhau.
(c) nguyên tắc theo dõi quỹ đạo của các hạt trong 3D sử dụng kính hiển vi hai photon. Tia
laser được quét trong vòng tròn xung quanh hạt quan tâm (hình elip màu xanh). Trong ví
dụ này, hai quỹ đạo vào vị trí z khác nhau và hai hạt khác nhau (màu xanh lá cây và màu
đỏ) được hiển thị. Các cường độ huỳnh quang được tích hợp tại điểm nhất định của những
quỹ đạo như di chuyển laze xung quanh hạt. Cường độ có liên quan đến vị trí thực tế của
hạt đối với các quỹ đạo và được sử dụng để theo dõi vị trí của hạt trong 3D. (d) kỹ thuật
PSF tiếp cận phá vỡ đối xứng trục của PSF để mã hóa thông tin 3D trong hình dạng PSF.
1.3.3. Phân tích dữ liệu
Các kết quả chung của một thí nghiệm SPT gồm một chuỗi hình ảnh nhiễu xạ được giới
hạn bởi thời gian của các hạt thu được thông qua các kỹ thuật kính hiển vi nói trên. Một bước
quan trọng để đánh giá định lượng về động học là phát hiện hạt với độ phân giải nhiễu xạ của
từng vị trí hạt và kết nối chúng lại để xây dựng lại quỹ đạo hạt duy nhất (Hình 1.5).

Toàn bộ quá trình này, thường được gọi là kỹ thuật “theo dõi hạt duy nhất” [13], kỹ thuật
này lần đầu tiên được thực hiện bằng một thiết bị điện tử. Bên cạnh đó kỹ thuật đó tốn
thời gian và không có độ phân dải cao nên rất chậm, nhu cầu về dữ liệu thông lượng cao
đòi hỏi một số lượng cao mật độ của các hạt, do đó một số thuật toán máy tính tiên tiến đã
được phát triển để đạt được độ chính xác về vị trí (xem xét trong [19], [20]). Các phân
tích gồm 2 bước chính:
(1). Các thuật toán cho việc xác định vị trí các hạt
Các dữ liệu ban đầu của thí nghiệm SPT thường bao gồm một trình tự thời gian của
các hình ảnh giới hạn nhiễu xạ của các hạt phát quang. Trong mỗi khung hình của một
chuỗi, hạt xuất hiện những đốm sáng trên nền tối. Chiều rộng PSF tỷ lệ thuận với các
bước sóng phát xạ quang và khẩu độ số của thấu kính chụp ảnh, xác định độ phân giải
không gian của các kính hiển vi, trong khi cường độ PSF là tỷ lệ thuận với số lượng của
các photon thu được.
Nhiệm vụ đầu tiên là ước tính các tọa độ trọng tâm trong những điểm phát quang, do
đó vị trí các hạt từ hình ảnh được xác định với độ chính xác cao (pixel) (Hình 1.5 (a) -
(d)). Xác định vị trí của một hạt từ hình ảnh khá phức tạp.
Hình 1.5 Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí

Hình 1.5 (a), (b) Mô phỏng hình ảnh giới hạn nhiễu xạ của một đốm sáng huỳnh quang đẳng
hướng, bao gồm hiệu ứng của nhiễu Poisson và đầu thu pixelation (a), và tương ứng
histogram đếm photon (b). Biểu tượng màu đỏ trong (a) đại diện cho vị trí thực phát xạ (c),
(d) Kết quả bình phương trọng số nhỏ nhất làm khớp với dữ liệu trong (a), (b) bằng khớp
hàm Gaussian 2D. Các vị trí trọng tâm ước tính được thể hiện như một dấu chấm màu xanh
trong (c). (e), (f) ước tính vị trí từ hình ảnh khác nhau của cùng một phát xạ (chấm màu
xanh). Các vết cắt màu xanh lá cây tương ứng với trung bình của vị trí riêng biệt, trong
khi các vòng tròn màu xanh lá cây biểu thị độ lệch chuẩn của chúng, tương ứng với độ
chính xác vị trí. Sự khác biệt giữa vị trí trung bình (vết cắt màu xanh lá cây) và vị trí hạt
thực tế (biểu tượng màu đỏ) cho vị trí chính xác. Các phân phối xác suất của vị trí riêng lẻ
điểm (f) được biểu diễn trên cùng một thang đo như (b) và (d).
(2). Các thuật toán cho liên kết hạt
Khi các tọa độ của hạt được tìm thấy, một thuật toán liên kết là cần thiết để kết nối
các vị trí của hạt từ frame này đến frame kế tiếp để xây dựng các quỹ đạo (Hình 1.6).
Hình 1.6 Liên kết các vị trí và xây dựng quỹ đạo các hạt
(a) ước tính về vị trí của một hạt khuếch tán (chấm xanh) .Các vị trí hạt thực được thể
hiện như những dấu cộng màu đỏ. Các vòng tròn màu xám bóng mờ tương ứng với độ
chính xác của vị trí. (b) các hình ảnh đại diện của một bộ phim SPT trong đó có vài hạt
huỳnh quang và mô tả sơ đồ của các nguyên tắc của thuật toán liên kết vị trí.
Trong khi các vị trí là tương đối thưa thớt có thể dễ dàng kết nối lại (hình chóp màu
xanh ngọc), phải dự tính các thuật toán khả năng để tính toán với sự xuất hiện hạt là không

rõ ràng phát sinh từ các vị trí gần nhau (tế bào hình nón màu vàng / cam), các hạt nhấp
nháy khi xuất hiện sẽ bị biến mất (nón màu xám) và dẫn đến không xác định được vị trí
(đường màu xám).
Trong trường hợp đơn giản của mật độ phát quang thấp, cách xác định vị trí có thể
được thực hiện tự động bằng cách định vị các điểm có cường độ với khoảng cách gần
nhất (Hình 1.6 (a)). Đối với mỗi hạt được định vị trong một frame nhất định, khoảng cách
với tất cả các vị trí thu được trong khung tiếp theo được tính toán tương ứng. Sự xác định
vị trí cho thấy khoảng cách tối thiểu được chọn là sự xuất hiện nhiều khả năng của hạt
giống trong khung hình kế tiếp và được liên kết với nhau. Lặp lại quy trình này trên tất cả
các hạt và tất cả các khung hình cuối cùng cung cấp cho ta các quỹ đạo được xây dựng
lại. Tuy nhiên, điều kiện thí nghiệm thường xuyên cản trở thiết lập này từ sự phân tích
đáng tin cậy (Hình 1.6 (b)). Một thách thức đầu tiên được đặt ra bởi những khả năng mà
các hạt bị biến mất hoặc tạm thời biến mất do nhấp nháy. Các tiêu chí để ngăn chặn sự tái
tạo quỹ đạo khi không có vị trí chính xác được tìm thấy trong một khoảng cách nhất định.
Đối với lý do tương tự, một hạt có thể (lại) xuất hiện ở bất kỳ khung được trong quá trình
ghi. Do đó, quá trình liên kết phải đối phó với những hiện tượng này và có khả năng
khoảng cách đóng lại do nguồn gốc từ hạt nhấp nháy và / hoặc xác định lỗi vị trí. Ở mật
độ cao, độ phức tạp tăng thêm nữa bởi khả năng của các hạt qua mỗi ảnh và không rõ
ràng có thể phát sinh khi tham gia xác định vị trí. Để tính toán cho những vấn đề này, các
thuật toán đã được phát triển để thiết lập lớn nhất của thông tin và cung cấp theo dõi đáng
tin cậy. Nhiều cách tiếp cận bao gồm theo dõi đa hạt, nghĩa là tất cả các quỹ đạo đồng
thời được xây dựng và tối ưu về sự va chạm giữa các hạt.
(3). Phân tích và giải thích quỹ đạo
Sau khi quá trình xử lý dữ liệu của SPT được thực hiện và thu được các quỹ đạo đã
hoàn thành, bước cuối cùng bao gồm việc phân tích quỹ đạo, kiểm tra động lực học hạt và mô
tả chúng theo kiểu chuyển động và định lượng các tham số khác nhau. Cách tiếp cận phổ biến
nhất để phân tích các quỹ đạo phân tử đơn bao gồm việc tính toán độ dịch chuyển bình
phương trung bình (MSD), mô tả phạm vi trung bình của không gian được phát hiện bởi một
hạt như là một hàm của độ trễ thời gian. Đối với một hạt j khuếch tán trong 3D, có

tọa độ vị trí xj = {xj, yj, zj} được lấy mẫu tại N lần rời rạc mΔt, MSD cho một quỹ đạo
đơn được tính như sau:
MSD(tlag=mΔt)= 1
∑ − [ ( + ∆ ) − ( )]2
(1.13)
−
=1
Một ví dụ về cách thực hiện tính toán MSD được cung cấp trong hình 1.7 (a) và (b) cho
trường hợp 2D. Cần lưu ý rằng MSD trong phương trình (1.13) được tính toán với giả
thiết về sự tương đương của các chuyển vị tại các thời điểm khác nhau và do đó nó đại
diện cho thời gian trung bình.
Hình 1.7. Phân tích quỹ đạo và đường cong MSD.
(a) Trình bày sơ đồ tính toán chuyển vị vuông của quỹ đạo trong một thời gian trong
không gian 2 chiều. (b) MSD trung bình theo thời gian của một quỹ đạo đơn hạt trong
trong không gian 2 chiều, như là một hàm của độ trễ thời gian. (c) Vẽ MSD trên thang đo
trong không gian 2 chiều .(d) Cho các loại khuếch tán đại diện trong không gian 2 chiều.

Tuy nhiên, quy mô khác nhau của MSD có thể xảy ra trong thực tế do hậu quả của
môi trường không đồng nhất trong đó các hạt khuếch tán và tương tác với các thành phần
xung quanh [18, 21, 22, 23].
1.3.4. Kết luận
Các nghiên cứu SPT đã chứng minh tầm quan trọng của việc thực hiện các thí
nghiệm động trong các tế bào sống bằng cách cung cấp quyền truy cập vào hành vi phân
tử đơn và do đó mô tả đặc điểm thống kê đầy đủ của hệ thống đang nghiên cứu. Từ những
hướng dẫn này, chúng ta đã có thể phát hiện ra các đặc tính vận chuyển trong các quá
trình sinh học ở quy mô nano và mesoscopic. Bây giờ chúng ta có thể hiểu làm thế nào
các tham số khác nhau liên quan đến tương tác phân tử di động và cách chúng chuyển
thành chức năng tế bào. Những kết quả này đã thúc đẩy rất nhiều sự hiểu biết của chúng
ta về các cơ chế phối hợp tổ chức các phân tử không gian trong các hệ thống sống. SPT
đã được thành lập trong gần ba mươi năm nay. Tuy nhiên, thay vì đạt đến độ chín bằng
cách trải qua các phát triển khiêm tốn, kỹ thuật này liên tục được mở rộng rất nhiều, được
hưởng lợi từ sự phát triển của các kỹ thuật quang học mới, chiến lược ghi nhãn tốt hơn và
từ những tiến bộ ấn tượng trong sinh học phân tử. Sau khi được thực hiện với các hạt keo
vàng lớn, SPT có thể được thực hiện với một loạt các phân tử huỳnh quang và không
huỳnh quang có kích thước nano.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu động học của các đơn hạt nano vàng dạng cầu
trong môi trường phức hợp Glycerol- nước. Do đó, trong phần thực nghiệm này, chúng
tôi sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến việc chuẩn bị mẫu, như: chế tạo hạt nano vàng
dạng cầu và đưa vào môi trường phức hợp, đo đạc và quan sát các đơn hạt chuyển động
trong môi trường phức hợp,…Các thông số động học mà chúng tôi quan tâm đó là: hệ số
khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của các đơn
hạt nano vàng.
2.1. Chế tạo các hạt nano vàng bằng phương pháp Turkevitch – Oxi hoá khử
Các hạt nano vàng dạng cầu được chế tạo bằng phương pháp Turkevitch với tiền
chất ban đầu là muối vàng HAuCl4.2H2O. Cụ thể, lấy 0,5 mL HAuCl4 0,05M đổ vào 50
mL H2O được gia nhiệt đến 100 o
C và khuấy từ mạnh. Tiếp đến thêm chậm từng giọt 0,5
mL tác nhân khử Na3C6H5O7. Quan sát bình phản ứng, dung dịch chuyển màu từ vàng
nhạt sang đỏ thẫm chứng tỏ đã hình thành các hạt nano vàng. Sau phản ứng 15 phút, dung
dịch được dừng gia nhiệt và để nguội tự nhiên. Thí nghiệm được biểu diễn trong hình 2.1.
HAuCl4
Bình phản ứng
Khuấy từ ~ 1000
C
Dung dịch hạt keo vàng
Na3C6H5O7
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo hạt keo vàng bằng phương pháp Turkevitch

Quá trình làm thí nghiệm được tiến hành theo mô hình của hình 2.2
1) 2) 3)
H2O HAuCl4 Na3C6H5O7
~1000
C ~1000
C ~1000
C ~1000
C ~1000
C
Hình 2.2. Mô hình phản ứng xảy ra trong phương pháp Turkevitch
Các dung dịch hạt nano vàng sau khi chế tạo có mầu đỏ thậm hoặc mầu vang nho tùy thuộc
vào kích thích hạt. Để nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường chứa hạt (như hệ số nhớt) lên
các thông số động học của hạt nano, chúng tôi tạo ra các môi trường phức hợp gồm nước và
glycerol với nồng độ khác nhau. 7 mẫu hỗn hợp dung dịch chứa nano vàng và glycerol theo
các tỉ lệ tương ứng trước khi đo đạc và xác định các thông số động học là:
Mẫu 1: 20% Glycerol - 80% Nước
2.2. Các phương pháp khảo sát
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)

Hiện nay, kính hiển vi điện tử quét đang được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên
cứu ảnh vi hình thái bề mặt mẫu. Tuỳ thuộc vào chất lượng thiết bị, có thể ghi ảnh hiển vi
với phân giải tới vài nanô mét.
Nguyên lý hoạt động: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ hội tụ tại
một diện tích rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu làm phát ra điện tử thứ cấp. Một
detector được bố trí để thu tín hiệu điện tử thứ cấp từ mẫu phát ra khi điện tử chiếu vào,
quét trên bề mặt mẫu và dùng tín hiệu này khuếch đại lên để điều khiển cường độ sáng
của tia điện tử quét trên màn hình quan sát (hình 2.3).
Giới hạn của độ phân giải hay khoảng cách tối thiểu d có thể phân biệt được theo
Rayleigh tỷ lệ với bước sóng của tia chiếu tới d ~ . Vì vậy tia điện tử có bước sóng
ngắn vài chục nm tùy thuộc vào trường gia tốc sẽ cho độ phân giải của kính hiển vi điện
tử cao nhiều lần so với giới hạn quang học.
Chùm tia
điện tử
Các cuộn
dây quét
Đầu dò điện tử
tán xạ ngược
Súng điện tử
Điện cực Anốt
Các thấu
kính từ
Bộ quét màn hình
Đầu dò điện
tử thứ cấp
Mẫu đo
Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét

Các tính năng của kính hiển vi điện tử quét SEM:
- Quan sát bề mặt mẫu rắn ở các độ phóng đại khác nhau.
- Độ sâu trường quan sát lớn hơn rất nhiều so với kính hiển vi quang học, cho phép
thu ảnh lập thể.
- Kết hợp với đầu thu phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) cho phép phân tích thành
phần nguyên tố của vùng quan sát.
Trên sơ sở đó trong đề tài này tôi đã dùng kính hiển vi điện tử quét SEM để quan
sát và xác định kích thước của các hạt nano vàng chế tạo được
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis
Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc có cường độ I0 vào môi trường vật chất có bề
dày l (cm) và nồng độ C(mol/l), thì chùm tia này sẽ bị môi trường vật chất hấp thụ và
truyền qua. Cường độ I của chùm tia truyền qua môi trường này bị giảm theo quy luật
Lamber-Beer:
( 0
)= . (2.1)
Hay: log ( 0
) = (2.2)
1
Trong đó: : là hệ số hấp thụ mol hay độ hấp thụ của môi trường, : là số mol chất
nghiên cứu đặt trên đường đi của bức xạ.
Đại lượng log( I 0 / I ) được gọi là mật độ quang (D) hoặc độ hấp thụ (A).
là hệ số hấp thụ mol (hệ số mol) có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi
nồng độ chất hấp thụ bằng một đơn vị và độ dầy chất hấp thụ bằng một đơn vị. Hệ số hấp
thụ chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ và bước sóng của bức xạ bị hấp thụ. Độ
truyền qua của môi trường T= I / I 0

Hình 2.4. Biểu diễn định luật Lamber-Beer
Không một chất nào lại hấp thụ trong toàn bộ các vùng phổ điện từ. Sự hấp thụ
thường tập trung vào từng vùng phổ hẹp, cho nên để thuận lợi, người ta thường biểu diễn
và xem xét từng vùng phổ riêng biệt như: vùng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại…
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ K ν vào tần số hoặc bước
sóng gọi là đường cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất hấp thụ đều hấp thụ lọc lựa
ở những bước sóng khác nhau.
Phương trình (2.1) là biểu thức toán học của định luật Beer-Lamber: khi hấp thụ
tia đơn sắc, độ hấp thụ phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ chất hấp thụ. Tùy từng chất, định
luật Beer-Lamber thường đúng trong một khoảng nồng độ.
Hình 2.5 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang hai chùm tia. Ánh sáng
tới được tách thành các ánh sáng đơn sắc nhờ cách tử nhiễu xạ. Tiếp đó, chùm sáng đơn sắc
được chia thành hai tia có cường độ bằng nhau nhờ gương bán phản xạ. Một trong hai tia
sáng truyền qua cuvet thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, có cường độ I sau khi
truyền qua mẫu. Tia còn lại truyền qua cuvet tương tự chứa dung môi để so sánh. Cường độ
của tia sáng sau khi truyền qua mẫu so sánh là I0. Việc quay cách tử và tự động so sánh
cường độ các tia sáng sau khi truyền qua dung dịch chứa mẫu nghiên cứu và mẫu

dung môi sẽ cho phép nhận được phổ hấp thụ của mẫu nghiên cứu dưới dạng sự phụ
thuộc của độ hấp thụ vào bước sóng.
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia
Các dung dịch chứa keo nano vàng được đo trên thiết bị UV-Vis hai chùm tia
Jasco V770 tại Khoa Vật lý và Công nghệ-Trường Đại học Khoa học-Đại học Thái
Nguyên. Thiết bị này cho phép đo phổ từ 200 nm đến 2700 nm.
2.2.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối
Để ghi lại hình ảnh và theo dõi sự chuyển động của các hạt nano vàng sau khi chế
tạo được, chúng tôi sử dụng kính hiển vi quang học trường tối.
Nguyên lý:
Dựa vào sự tương phản giữa ảnh vật với nền tối để nâng cao khả năng quan sát của mắt
người hay camera về ảnh đó. Kính hiển vi trường tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị khúc xạ
hay tán xạ mạnh. Chùm ánh sáng từ nguồn được chặn lại bởi tấm chắn sáng, màn chắn sáng
chắn chùm sáng trung tâm (tạo nền đen của trường nhìn), chỉ cho ánh sáng vòng ngoài

đi qua để tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng vòng ngoài được hội tụ trên mẫu và truyền
tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Như vậy ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên nền đen
trong trường nhìn. Với cấu hình này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về
mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu. Những ánh sáng nào không đi qua mẫu
sẽ không được vật kính thu thập và bị loại bỏ hoàn toàn (loại nhiễu). Nguyên lý hoạt động
của kính hiển vi trường tối được minh họa trên hình 2.6a.
(a) b)
Hình 2.6.(a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. (b) Ảnh trường tối (bên
phải) được so sánh với ảnh trường sáng (bên trái) được tạo bởi kính hiển vi trường tối.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng kính hiển vi trường tối có cấu hình quang học
được thiết kế như hình 2.7. Với cấu hình quang học này, ánh sáng kích mẫu có thể ở chế
độ truyền qua hoặc phản xạ nhờ đèn halogen 1 và halogen 2. Để điều khiển mẫu được dễ
dàng, một giá để mẫu với độ phân giải cao được lắp thêm vào và hiệu chỉnh một cách dễ
dàng tới µm. Sau khi ánh sáng tán xạ từ mẫu phát ra được thu vào một camera nhanh
nhạy EMCCD. Với camera này cho phép thu được tín hiệu với tần số lên đến gần 35 kHz,
từ đó có thể dễ dàng ghi lại các video mô tả quá trình chuyển động của hạt nano. Các kết
quả đo đạc sẽ được phân tích kỹ trong chương 3.

Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử
dụng để quan sát các hạt nano vàng
2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
Theo dõi một hạt duy nhất chuyển động trong dung dịch là một công nghệ theo dõi sự
chuyển động của từng phân tử phát quang (huỳnh quang chẳng hạn) dựa trên một hệ ghi ảnh
nhanh. Chúng ta lưu lại các quỹ đạo của từng hạt đã được đánh dấu, điều này cho phép nhận
được tín hiệu/nhiễu rất tốt và do đó xác định được vị trí của hạt cần theo dõi. Đây là một
phương pháp rất mới đang được phát triển để hiện ảnh các quỹ đạo từng phân tử phát quang
riêng lẻ có kích thước rất bé (do đó khuếch tán rất nhanh) hoặc là hiện ảnh quỹ đạo

các phân tử có nồng độ lớn. Công nghệ này được đánh giá rất cao trong lĩnh vực nghiên
cứu động học các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp. Như đã trình bày trong phần
trên, kính hiển vi trường tối là ứng viên sáng giá được dùng để quan sát sự tán xạ và hiện
ảnh plasmon của hạt nano vàng trong các môi trường phức hợp. Công nghệ theo dõi đơn
phân tử là rất lý tưởng cho việc làm bộc lộ các đặc trưng của từng hạt nano sẽ được sử
dụng để xác định sự dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc của nó. Để thuận lợi,
chúng tôi ghi một video gồm 1000 ảnh nhờ một camera rất nhạy EM-CCD Andor.
Khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s. Quy trình của công nghệ theo dõi đơn hạt thông
thường bao gồm 4 bước ( Hình 2.8)
Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt
Bước 1: Ghi một video dưới kính hiển vi trường tối.
Video bao gồm 1000 ảnh và khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s.
Bước 2: Xác định các vị trí tương ứng với mỗi ảnh hiển thị.
Một chuỗi các ảnh được ghi lại bởi camera, sau đó được phân tích bởi phần mềm ImageJ
bằng cách sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC [24]. Có một số thông số cần được lựa chọn
phù hợp để phát hiện ra các hạt, như; radius of particle (pixel) – đây là bán kích của vết sáng
trên ảnh chứ không phải bán kính thực của hạt nano; cutoff- số điểm để phân biệt các hạt;
percentile- để xác định các điểm ảnh sáng được coi như là hạt. Tất cả các điểm trong

percentile trên của phân bố các cường độ hình ảnh được coi là một hạt. Đơn vị: phần trăm
(%).
Để xác định vị trí và theo dõi các đơn hạt trong một video, phần mềm mã nguồn
mở ImageJ Plugin đã được sử dụng. Bằng phần mềm này dễ dàng tìm quỹ đạo chuyển
động của từng hạt nano theo thời gian. Dưới đây là trình bày tóm tắt cách sử dụng
plugin/Mosaic/Particles Tracker in 2D/3D trong ImageJ:

Tải và mở phim trong ImageJ

Một quỹ đạo của hạt được xác định khi liên kết các điểm trong từng ảnh. Trong báo
cáo này, chúng tôi xử lý video (phim) có số lượng là 1000 ảnh ứng với khoảng thời gian
giữa 2 ảnh là 0,3 giây. Khoảng thời gian giữa các ảnh tiếp theo cũng sẽ tăng dần theo số
lượng các ảnh: ∆tn ảnh=0,3 n (số ảnh tiếp theo). Thời gian đó, gọi là thời gian trôi của hạt.
Ký hiệu là , đơn vị giây (s).

Mở video/File -> Open , ... từ các tập tin.(Hình 2.9 a)

a) b)
Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt

Chọn các thông số phát hiện các hạt và xem trước (preview detected)

Lựa chọn Plugins
Mosaic
Particle Tracker 2D/3D (Hình 2.9b)

Xem kết quả

Sau khi hoàn thành việc theo dõi hạt, cửa sổ kết quả sẽ được hiển thị

Nhấp vào Visualize all Trajectories (quan sát tất cả các qũy đạo).
Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to
để thấy rõ hơn quỹ đạo dịch chuyển của một đơn hạt )
Từ đây chúng ta có thể lấy ra được các thông tin chi tiết cho từng quỹ đạo. Ví dụ dưới
đây là hiển thị chi tiết cho quỹ đạo của 1 hạt (trajectory 19) của đơn hạt được quan sát
Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 18) xuất ra từ thuật toán của
Mosaic[25]trong không gian 2 chiều

Hình 2.12.Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa
độ x và y tạo thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo
của hạt nano
Bước 3: Theo dõi sự dịch chuyển các hạt thông qua việc nối lại các đốm sáng đã được
phát hiện.
Từ bảng kết quả này cho ta những thông tin quan trọng để xác định các thông số động
học cần khai thác. Trên hình 2.12a chỉ các quỹ đạo tương ứng với mỗi đơn hạt được phát
hiện. Hình 2.12b bao gồm các hàng loạt các khung hình của quỹ đạo và chính là tương ứng
với các ảnh trong video, nó bắt đầu từ 0-nghĩa là nếu ta chọn trục z dọc theo thứ tự các ảnh
thì Frame 0 sẽ là gốc tọa độ (xem hình 2.11). Cột x và y là tọa độ phụ thuộc vào thời gian
(t) tương ứng của phân tử (khung hình) tại các ảnh theo hai trục x và y trong mặt phẳng (x,y).
Như vậy, ứng với mỗi vị trí (hay mỗi Frame hoặc mỗi ảnh) sẽ xác định được tọa độ x(t) và
y(t) (có đơn vị là pixel) của phân tử (trên ảnh là đốm sáng), từ đó dễ dàng tính được
bình phương trung bình dịch chuyển theo phương x và phương y. (Hình 2.12 b) thể hiện
các tọa độ x và y tạo thành các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame) cho 1 quỹ đạo của
một đơn hạt .

Nối liên kết quỹ đạo của đơn hạt

Bước này sẽ thực hiện việc liên kết (hay nối) các điểm tương ứng các ảnh với khoảng
cách giữa các ảnh theo thời gian (t). Từ đó, xác định được quỹ đạo chuyển động của
hạt (hình 2.12 b).
Bước 4: Phân tích kết quả thu được
Từ các bước đã thực hiện ở trên, chúng ta có một cơ sở dữ liệu để phân tích và tính
toán các đại lượng cần thiết. Từ đó tính được bình phương trung bình dịch chuyển từ số
liệu thực nghiệm trong không gian 2 chiều ( r 2
(t )  x 2
(t )  y 2
(t ) ) theo tất cả các
Frame nhờ vào phần mềm matlab (chương trình code được trình bày trong phần phụ
lục).Trong đề tài này, tôi đã thực hiện đo đạc và phân tích thống kê trên một số mẫu có tỉ
lệ % khác nhau và mỗi tỉ lệ % phân tích hàng chục đơn hạt riêng lẻ. Sau đó kết hợp với lý
thuyết (phương trình 1.10) để xác định hệ số khuếch tán , quãng đường dịch chuyển , vận
tốc dịch chuyển và bán kính thủy động lực học của từng đơn hạt nano trong các môi
trường phức hợp Glycerol-Nước có tỉ lệ khác nhau . Các kết quả thu được sẽ được tôi
trình bày và phân tích chi tiết và cụ thể hơn trong chương 3.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Sau quá trình làm thực nghiệm và xử lí số liệu như đã được trình bày ở chương 2.
Trong chương này tôi sẽ trình bày và phân tích các kết quả thu được và thảo luận về các
kết quả đó
3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu
Như trên tôi đã trình bày, các hạt nano vàng dạng cầu được chế tạo bằng phương
pháp Turkevitch - Oxi hoá khử tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học khoa học - Đại
học Thái nguyên. Trên hình 3.1a thể hiện ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các hạt
nano vàng dạng cầu. Chúng ta thấy rõ ràng rằng các hạt nano vàng phân bố kích thước
khá đồng đều khoảng 15 nm và đơn phân tán. Với những kích thước như vậy là một lợi
thế khi nghiên cứu chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên của các hạt trong dung dịch vì
các hạt nano khi nhận được có hình dạng cầu đối xứng hình học. Tuy nhiên, trong phạm
vi nghiên cứu của đề tài này tôi tập trung chủ yếu vào chuyển động dịch chuyển ngẫu
nhiên (chuyển động dịch chuyển Brown) dưới kính hiển vi trường tối.
Hình 3.1. a) Ảnh các hạt nano vàng được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM).
b) Phổ hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng tương ứng.

Hình 3.1 b là phổ hấp thụ plasmon của các nano vàng thu được. Kết quả cho thấy
phổ hấp thụ có 1 đỉnh duy nhất ở bước sóng 521 nm và độ bán rộng phổ 46 nm, điều đó
cho thấy chúng có dạng cầu với kích thước quãng 15 nm và phù hợp với lý thuyết Mie.
Các hạt nano này được dùng để nghiên cứu các thông số động học trong môi trường
Glycerlol- nước theo các tỷ lệ nồng độ khác nhau như đã được chuẩn bị trong chương 2.
3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol.
Những khảo sát về động học của hạt trong môi trường chất lỏng đòi hỏi hiểu biết
về độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ. Các dung dịch glycerol nước được sử
dụng rộng rãi trong các nghiên cứu thực nghiệm về chuyển động Brown của hạt. Các thí
nghiệm khi được thực hiện với các hỗn hợp glycerol tạo điều kiện thuận lợi cho việc khảo
sát các thông số động học trong môi trường hợp chất. Tuy nhiên, cách tiếp cận được sử
dụng để ước tính độ nhớt của dung dịch glycerol cần phải được làm sáng tỏ vì thực tế các
tài liệu nghiên cứu về nó chưa nhiều. Điều này phần lớn là do không có lý thuyết toàn
diện về độ nhớt của chất lỏng hiện nay. Một số phương pháp lý thuyết bao gồm những
phương pháp được phát triển trên cơ sở động lực phân tử có thể cung cấp những hiểu biết
có giá trị về các nguyên tắc cơ bản có liên quan nhưng thường gây ra sai lệch lớn so với
dữ liệu độ nhớt đo được [25], [26]. Thực tế, việc tính toán độ nhớt hỗn hợp thường được
thực hiện với sự tương quan trên cơ sở dữ liệu giữa độ nhớt và tính chất lỏng khác.
Chen và Pearlstein [27] đã đề xuất một mối tương quan bốn tham số cho độ nhớt
động lực của hỗn hợp nước glycerol-nước. Công thức đề xuất trong nghiên cứu này được
phân tích và tiến hành cho nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 100 °C ở áp suất khí quyển. Đầu
tiên, độ nhớt động lực của hỗn hợp glycerol-nước, có liên quan đến các thành phần của
hai thành phần ở dạng năng lượng.
ɳ(T) = . 1− . (3.1)
trong đó các chỉ số w và g biểu thị nước và glycerol tương ứng và α là một hệ số thay đổi
từ 0 đến 1 được xác định qua công thức:

=1− +
(1− )
(3.2)
+ (1− )
Với Cm là nồng độ glycerol. Để ước tính a và b, dữ liệu được sử dụng được tính toán khi
nhiệt độ thay đổi trong khoảng 0°C <T <100°C. Các mối quan hệ của a và b đến nhiệt độ
được hiển thị gần đúng bởi:
a=0,705 - 0,0017T
và b= (4,9 + 0,036T) a2,5
. (3.3)
Công thức đề xuất (3.1) có tính chất nội suy, do đó độ nhớt của hai thành phần, µw và µg,
phải được biết. Độ nhớt của nước µw thay đổi theo nhiệt độ, cần lưu ý rằng µw giảm khi
nhiệt độ T tăng.
= 1,790exp (
(−1230− )
) (3.4)
36100+360
Tương tự để tính độ nhớt động của glycerol µg ta có:
= 12100exp ( (−1233+ )
) (3.5)
9900+70
Từ các phân tích trên, hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp nước+glycerol ở theo
công thức 3.1 [28]. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol
Nhiệt độ (o
C) Glycerol (%) Nước (%) Hệ số nhớt hỗn hợp
20 80 0,0014
30 70 0,002
40 60 0,0029
23 (o
C) 50 50 0,0045
60 40 0,0078
70 30 0,0156
90 10 0,1244

Môi trường Glycerol+ nước là một môi trường giả sinh học và gần với môi trường
tế bào sống nên việc xác định các thông số động học trong môi trường này sẽ phù hợp cho
các hướng nghiên cứu sau này
3.2.2. Xác định hệ số khuếch tán (Dt) bằng phương pháp theo dõi đơn hạt
Chúng ta biết rằng khi một quả cầu nhỏ đắm mình trong một chất lỏng nó sẽ
chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển động Brown). Theo lý thuyết, bình phương
dịch chuyển trung bình trong không gian 2 chiều được xác định:
〈 2( )〉 = 4. . (3.6)
với , tương ứng là thời gian trôi và hệ số khuếch tán dịch chuyển của hạt. Trong thực nghiệm, chúng ta dễ dàng đo được giá trị 〈 2( )〉 theo:
〈 2( )〉 = 〈 2( )〉 + 〈 2( )〉
(3.7)
ở một nhiệt độ bất kỳ nhờ vào thuật toán của nhóm MOSAIC [24]. Với ( ) và ( ) là các tọa độ xác định vị trí tâm của hạt nano tại thời điểm t. Trong nghiên cứu này,
công nghệ
theo dõi một hạt nano duy nhất là rất lý tưởng cho việc làm bộc lộ các đặc trưng của từng
hạt nano sẽ được sử dụng để xác định sự dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc của
nó. Phương pháp này không chỉ cho phép xác định vị trí của một hạt nano hay một phân
tử mà còn xác định các tính chất chuyển động của riêng từng hạt
Để nghiên cứu hệ số khuếch tán của các hạt nano vàng trong các môi trường phức
hợp, chúng tôi chuẩn bị các dung dịch gồm nước và glycerol được trộn đều với các phần
trăm glycerol khác nhau. Đề tài khảo sát các dung dịch là nước và 20%, 30%, 40%, 50%,
60%, 70% và 90% glycerol tương ứng.
Theo cách tiếp cận trên, hệ số khuếch tán D được xác định bằng cách ghi lại các video
chuyển động của các hạt nano vàng dưới kính hiển vi trường tối (do các hạt nano vàng tán
xạ). Bằng phương pháp theo dõi đơn hạt, bình phương dịch chuyển trung bình trong không
gian 2 chiều (MSDR) dễ dàng tính được bằng thực nghiệm theo phương trình (3.7) nhờ vào
trợ giúp của phần mềm Matlab 7.0. Hệ số D được suy ra sau khi sử dụng phương trình (3.6)
làm khớp giữa lý thuyết với giá trị thực nghiệm. Hình 3.2 chỉ ra kết quả

đo đạc bình phương dịch chuyển trung bình cho một hạt nano vàng duy nhất trong nước
+20% glycerol có bán kính thủy động học Rh=14 nm ở nhiệt độ 23 o
C.
Hình 3.2. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho một hạt
nano vàng duy nhất (hạt số 1) có bán kính thủy động học Rh=14 nm.
Kết quả hình 3.2 cho thấy ở nhiệt độ 23 o
C có sự phù hợp tốt giữa lý thuyết và thực
nghiệm. Từ sự làm khớp giữa phương trình (3.6) và (3.7) hệ số khuếch tán D trong trường
hợp này tìm được bằng 2,6x10-12
m2
/s. Tiếp theo chúng tôi trình bày kết quả khảo sát trên
5 hạt nano vàng đơn lẻ điển hình trong hỗn hợp nước +20% glycerol (bảng 3.2) và 5 hạt
cho các tỉ lệ % khác nhau (bảng 3.3a). Đồng thời là sự làm khớp giữa lý thuyết với thực
nghiệm của 4 hạt khác nhau ( hình 3.3)
Bảng 3.2:Bảng thống kê hệ số khuếch tán cho 5 đơn hạt trong hỗn hợp nước +20% glycerol
Hạt D (m2
/s ) Giá trị trung bình D(m2
/s)
1 2,592x10-12
2 1,353x10-12
1,58363x10-12
3 1,321x 10-12
4 1,069x 10-12
5 1,583x 10-12

Hình 3.3. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho 4 hạt nano
vàng khác nhau trong hỗn hợp nước +20% glycerol
Qua bảng thống kê chúng ta thấy rằng trong cùng một môi trường thì hệ số khuếch
tán của các hạt khác nhau là khác nhau. Trong đó có một yếu tố ảnh hưởng đến sự “linh
động “của hạt đó là kích thước hạt trong môi trường hỗn hợp. Với 5 hạt trong hỗn hợp
nước +20% glycerol thì hệ số khuếch tán trung bình tính từ thực nghiệm bằng
1,58363x10-12
m2
/s, với 12 hạt thì hệ số khuếch tán trung bình bằng 9,12x10-13
m2
/s.

Chúng ta thấy rằng, đây là các giá trị trung bình của hệ số khuếch tán và đường
khớp lý thuyết phù hợp tốt với các giá trị thực nghiệm ở những khung hình đầu, do đó khi
theo dõi trong thời gian dài thì sự phù hợp giảm đi [24]. Xem hình 3.4.
Hình 3.4. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm và khớp lý
thuyết cho 12 hạt nano vàng trong nước +20% glycerol
Trong nghiên cứu này, ứng với mỗi dung dịch hỗn hợp nước +glycerol các hệ số
khuếch tán được đo đạc và phân tích thống kê trên nhiều hạt nano để tìm ra giá trị trung
bình của D. Trên cơ sở đó tôi đã làm cho các dung dịch với nồng độ glycerol khác nhau .
Hình 3.5 a tính MSDR cho 12 hạt nano riêng lẻ.
Hình 3.5 b ở 40% glycerol thực nghiệm đo đạc cho 14 hạt nano vàng.
Hình 3.5 c ở 60% glycerol tương ứng cho 11 hạt nano vàng.
Hình 3.5 d ở 90% glycerol cho 9 hạt .

Hình 3.5. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho các hạt
nano vàng trong các môi trường hỗn hợp nước có lượng glycerol khác nhau: a) 20%; b)
40%; c) 60%; d) 90%
Bên cạnh đó tôi cũng tính toán chi tiết ở 30% glycerol thực nghiệm đo đạc cho 18
hạt nano vàng, 50% glycerol tương ứng cho 20 hạt nano vàng và ở 70% glycerol cho 8
hạt. Từ đó tính được hệ số khuếch tán trung bình ứng với mỗi môi trường glycerol theo
phương trình (3.6). Kết quả được trình bày trong bảng 3.3b và hình 3.6. Những kết quả
này cho thấy, khi tăng dần lượng glycerol trong dung dịch thì hệ số khuếch tán giảm
dần.Vấn đề này được giải thích là do hệ số nhớt của dung dịch chứa hạt nano phụ thuộc
vào lượng glycerol [28]. Theo công thức liên hệ Stokes-Einstein [29]
= (3.8)
6 ɳ
( ) ℎ

Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc

Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc

Similar to Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Chế Tạo Và Khảo Sát Các Thông Số Động Học Của Các Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp.doc