Đo quang phổ huỳnh quang trên hạt nano Carbon

Co Viet Nguyen Bài viết, Kiến thức kỹ thuật – sản phẩm, TIN TỨC permalink

ĐO QUANG PHỔ HUỲNH QUANG TRÊN HẠT NANO CARBON

1. Giới thiệu

1.1 Huỳnh quang là gì?

Huỳnh quang là sự phát quang khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt hoặc dạng quang (photon). Khi đó phân tử ở trạng thái cơ bản S0 hấp thu năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron lên mức năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích S*. Trạng thái này là trạng thái không bền, do đó các điện tử bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra photon. Trạng thái kích thích trung gian ở năng lượng thấp hơn S*0, thời gian tồn tại của điện tử giữa mức năng lượng S* và S*0 vào khoảng 10-9 đến 10-12 giây.

1.2 Quang phổ huỳnh quang

 

 

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy quang phổ huỳnh quang

Quang phổ huỳnh quang là phương pháp phân tích dựa trên phép đo cường độ huỳnh quang phát ra từ một chất hóa học khi nó được kích thích do hấp thụ bức xạ tử ngoại, khả kiến hoặc các bức xạ điện từ khác. Quang phổ huỳnh quang chủ yêu liên quan đến các trạng thái điện tử và dao động.

1.3 Hạt nano carbon

Hình 2: Phương pháp tổng hợp hạt nano carbon theo hướng từ dưới lên(Top-down) và từ trên xuống(Bottom-up)

Hạt nano Carbon(C-dots) là những hạt nano cấu tạo bởi những hạt có kích thước dưới 10 nm. Hạt nano carbon đã được tìm ra bởi nhóm nghiên cứu của Xiaoyou Xu vào năm 2004, khi đang nghiên cứu tìm phương pháp tinh chế ống nano carbon. Kể từ khi được tìm ra, hạt nano carbon đã được cộng đồng khoa học vật liệu chú ý đến bởi tiềm năng thay thế các chấm lượng tử (quantum dots). Một số ứng dụng của hạt nano carbon được ứng dụng vào quang xúc tác, pin năng lượng mặt trời, hình ảnh sinh học và dẫn thuốc.

Có nhiều ứng dụng của hạt nano carbon dựa vào quang phổ huỳnh quang (photoluminescence – PL). Hạt nano carbon sở hữu hiệu suất lượng tử huỳnh quang cao và thể hiện dịch chuyển đặc trưng trong phổ phát xạ với bước sóng kích thích. Những đặc điểm này có thể phân tích qua bản đồ kích thích-phát xạ (Excitation-Emission Map – EEM).

Một vài giả thuyết đã được đặt ra để giải thích quang phổ phát xạ bước sóng độc lập của hạt nano carbon. Một trong số đó là hiệu ứng của kích thước hạt nano carbon tương tự như chấm lượng tử. Khi những hạt carbon giảm kích thước xuống, sự hạn chế lượng tử có thể xảy ra tạo ra sự lượng tử hóa năng lượng thành những mức khác biệt trong vùng hóa trị và vùng dẫn. Vì vậy hạt nano carbon có thể được xem như là một “nguyên tử ảo”. Năng lượng phát xạ phụ thuộc vào bán kính của hạt, nên nếu hạt muốn nhỏ lại thì cả quang phổ kích thích và phát xạ đều phải chuyển xuống bước sóng ngắn hơn. Hạt nano carbon với nhiều kích thước khác nhau sẽ bị kích thích với nhiều bước sóng kích thích khác khác nhau.

Sau đây, chúng ta tiến hành phân tích hạt nano carbon phân bố không đồng đều được tạo ra từ phép nhiệt phân sữa. Trong trường hợp này, carbon hóa được thực hiện đơn giản bằng việc gia nhiệt sữa lên 220 °C trong 2 tiếng. Và sau đó đem đi phân tích phổ huỳnh quang phát quang và chu kỳ phân rã của hạt nano carbon bằng máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 của hãng Edinburgh Instruments(Anh) đi kèm với nguồn tạo ánh sáng trắng AGILE.

Hình 3: Máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 (FLS1000 Photoluminescence Spectrometer)

2. Kết quả phân tích

Hình 4: Bản đồ kích thích phát xạ 3D và 2D của hạt nano carbon chiết với dung môi dichloromethan từ nhiệt phân sữa.

Quang phổ huỳnh quang Excitation-Emission Map(EEM) của hạt nano carbon được khảo sát với dichloromethan như trong hình trên. Hình ảnh cho thấy khảo sát sự phát xạ của hạt nano carbon trong khoảng bước sóng từ 400 – 600 nm cũng như dải UV hẹp khi kích thích tại 300 – 500 nm (hình bản đồ 3D phía trên) . Dải bước sóng này có thể do cấu trúc đa vòng thơm hydrocarbon có trong sữa. Đối với sự phát xạ của hạt nano carbon (hình bản đồ 2D phía dưới) thể hiện dải phổ rất rộng với sự dịch chuyển rõ ràng của các đỉnh bước sóng kích thích về hướng màu đỏ.

Hình 5: Phổ phát xạ phân giải theo thời gian của hạt nano carbon chiết với dung môi dichloromethan từ nhiệt phân sữa, cường độ màu phát quang được thể hiện trong biểu đồ.

Phép đo quang phổ huỳnh quang phân giải theo thời gian có thể khảo sát được nhiều thông tin hơn về cơ chế phát quang của hạt nano carbon. Phổ phát xạ phân giải theo thời gian (Time-Resolved Emission Spectrum – TRES) là chuỗi các phổ huỳnh quanh với bước sóng phát xạ thay đổi tạo ra sự dịch chuyển quang phổ phát xạ trong một khoảng thời gian sau khi bị kích thích. Bản đồ phổ phát xạ phân giải theo thời gian được đo bằng phương pháp đếm photon đơn tương quan theo thời gian thể hiện như trong hình trên.

Hình 6: Phổ phát xạ kích thích phân giải theo thời gian của hạt nano carbon chiết với dung môi methanol từ nhiệt phân sữa

Với nguồn đếm Photon đơn tương quan theo thời gian như AGILE, chúng ta có thể nghiên cứu được chu kỳ bán rã huỳnh quang trong bước sóng kích thích. Hình trên là một ví dụ được biết đến như phổ phát xạ kích thích phân giải theo thời gian.

 

3. Kết luận

Hạt nano carbon(C-dots) dễ dàng được phân tích với máy quang phổ huỳnh quang FLS1000 của hãng Edinburgh Instruments sử dụng bản đồ kích thích-phát xạ có sẵn trên phần mềm “Fluoracle”. Phổ kích thích và phát xạ phân giải theo thời gian có thể cung cấp thông tin về cơ chế phát quang và các thành phần dị thể trong hạt nano carbon.

 

Tài liệu tham khảo:

 

  1. X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H. J. Ploehn, L. Gearherat, K. Raker and W. A. Scrivens, J. Am. Chem. Soc.126, 12736-12737 (2004)
  2. R. Das, R. Bandyopadhyay, P. Pramanik, Materials Today Chemistry8, 96-109 (2018)
  3. Edinburgh Instruments, Photophysical Characterisation of Perovskite Quantum Dots(2018)
  4. A. Sharma, T. Gadly, A. Gupta, A. Ballal, S. K. Ghosh and M. Kumbhakar, J. Phys. Chem. Lett.7, 3695 – 3752 (2016)
  5. S. Han, H. Zhang, J. Zhang, Y. Xie, L. Liu, H. Wang, X. Li, W. Liu and Y. Tang, RSC Adv.4, 58084-58089 (2014)
  6. C. Naccari, M. Cristani, F. Giofrè, M. Ferrante, L. Siracusa, D. Trombetta, Food Research International44, 716-724 (2011)
  7. K. Hola, et al, Carbon70, 279-286 (2014)

 

Việt Nguyễn là đại diện của Hãng  Edinburgh Instruments(Anh) tại Việt Nam.

Tham khảo link sản phẩm hãng Edinburgh Instruments tại đây: https://vietnguyenco.vn/thuong-hieu/edinburgh-anh/

Một số model phổ biến máy quang phổ huỳnh quang Photoluminescence Spectrometer của hãng Edinburgh Instruments:

https://vietnguyenco.vn/san-pham/may-quang-pho-huynh-quang-fls1000-su-dung-den-ho-quang-xenon/

https://vietnguyenco.vn/san-pham/may-do-quang-pho-huynh-quang-lan-quang-model-fs5/

 

Quý khách có nhu cầu tư vấn, vui lòng liên hệ:

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI – DỊCH VỤ – KỸ THUẬT VIỆT NGUYỄN
Địa chỉ VPHCM: số N36, đường số 11, P. Tân Thới Nhất,  Q.12, Tp. Hồ Chí Minh

VPĐN: Số 10 Lỗ Giáng 5, phường Hòa Xuân, quận Cẩm Lệ, Tp. Đà Nẵng

VPHN: 138 Phúc Diễn, P. Xuân Phương, Q. Nam Từ Liêm, Tp. Hà Nội
Hotline PHÒNG MARKETING – TRUYỀN THÔNG:

•    0824 66 44 22 (Mr. Sơn) – E: son.nguyen@vietnguyenco.vn

•    0832 66 44 00 (Mr. Tuyến) – E: tuyen.nguyen@vietnguyenco.vn
Email info@vietnguyenco.vn
Website https://www.vietcalib.vn| https://www.vietnguyenco.vn