Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Mở đầu Lý chọn đề tài ống nano cacbon (CN) giới thiệu lần đầu sau đó, chúng trở thành tâm điểm nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm ứng dụng to lớn nhờ tính chất điện chúng Cấu trúc vùng lượng CN thu từ lý thuyết trung bình liên kết mạnh Qua đó, thấy ống CN mang tính chất dẫn điện hay không dẫn điện phụ thuộc vào cấu trúc, ví dụ đường kính độ xoắn Những điều kiện thu dựa vào cấu trúc vùng lượng graphite chiều, dựa vào phương pháp k.p Nhiều công trình tiến hành để tìm hiểu tính chất điện quang ống nano cacbon, đặc điểm quang quan trọng tìm hiểu tính chất vật lý cấu trúc nano Gần đây, viễn cảnh ứng dụng công nghệ nano điều trị tim mạch bắt đầu: người ta đưa chíp cảm biến vào thể để đo nồng độ O2 máu nhịp tim Trong vật liệu nano nay, ống nano cacbon dùng để tạo chíp cảm biến quang học, chúng có khả phát huỳnh quang khoảng cận hồng ngoại, dải sóng mà mô yếu tố sinh học gần suốt Acid Deoxyribonucleic (ADN) acid nucleic có mang thông tin gen, dùng để phát triển truyền lại cho hệ sau tất sinh vật sống số loại virút Vai trò ADN lưu trữ thông tin Nhưng gần đây, công nghệ nano ADN sử dụng tính chất phân tử độc ADN acid nucleic khác để tạo nên thiết bị nano, nano-sesor, v.vv ADN đó, dùng vật liệu cấu trúc phân tử mang thông tin sinh học Thành phần SWNTs bao phủ DNA đưa vào tế bào sống để xác định lượng nhỏ chất độc hại cấp độ mức tế bào SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Khi DNA phơi nhiễm với ion số nguyên tử (như Calcium, thuỷ ngân, Natri) DNA thay đổi hình dạng, khiến cho cấu trúc điện tử SWNT xáo trộn dịch chuyển xạ huỳnh quang ống nano xuống mức lượng thấp Chính lý chọn đề tài: Khảo sát tính chất chíp cảm biến làm từ ADN ống Nano cacbon phụ thuộc vào độ pH môi trường làm đề tài khoá luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu về: - Tính chất cấu trúc ADN - ống nano cacbon lý thuyết hoạt động loại chíp cảm biến quang học phụ thuộc vào độ pH môi trường Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng mô hình lý thuyết đơn giản lý thuyết exiciton ống nano cacbon để giải thích nguyên lý hoạt động loại chíp cảm biến - Sử dụng ống nano cacbon phân tử ADN để chế tạo chíp cảm biến Bố cục khoá luận tốt nghiệp Khoá luận tốt nghiệp gồm chương: Chương 1: ống nano cacbon Trình bày cấu trúc, tính chất lý thuyết exciton Chương 2: Acid deoxyribonucleic (DNA) Trình bày cấu trúc, tính chất ADN tính chất điện môi phân tử sinh học dung dịch Chương 3: ống nano bon bao phủ ADN có vai trò chíp cảm biến, hoạt động tế bào sống Trình bày cấu trúc, tính chất ống nano cacbon Chương 4: Hoạt động chíp cảm biến phụ thuộc vào độ pH Trình bày phụ thuộc chíp cảm biến vào độ pH SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Nội dung Chương ống nano cacbon 1.1 Lời mở đầu Các ống nano cacbon (Tiếng Anh: Carbon nanotubes - CNNT) dạng thù hình cacbon Một ống nano cacbon đơn lớp than chì độ dày nguyên tử cuộn lại thành hình trụ, với đường kính cỡ nanomet, tỉ lệ chiều dài đường kính vượt 28.000.000:1, lớn cách đáng kể so với loại vật liệu Các phần tử cacbon hình trụ có tính chất thú vị khiến cho chúng có khả hữu dụng cao nhiều ứng dụng cao nhiều ứng dụng công nghệ nano, công nghệ điện tử, quang học số ngành vật liệu khác Chúng thể độ bền đáng kinh ngạc tính chất điện độc đáo, độ dẫn nhiệt hiệu ống nano loại cấu trúc fullerene, bao gồm cầu bucky (buckyball) Trong cầu bucky có dạng hình cầu, ống nano lại có dạng hình trụ, hai đầu phủ bán cầu có cấu trúc buckyball Tên chúng đặt theo hình dạng chúng, đường kính ống nano vào cỡ vài nanomet (xấp xỉ nhỏ 50.000 lần sợi tóc) độ dài chúng lên đến vài milimet Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn tường (single-walled nanotubes - SWNTs) ống nano đa trường (multi-walled nanotubes - MWNTs) Bản chất liên kết ống nano cacbon giải thích hoá học lượng tử, cụ thể xen phủ orbital Liên kết hoá học ống nano cấu thành hoàn toàn liên kết sp2, tương tự với than chì Cấu trúc liên kết mạnh liên kết sp3 kim cương, tạo phân tử với độ bền đặc biệt Các ống nano thông thường tự xếp thành sợi dây thừng giữ với lực Van der Waals Dưới áp suất cao, ống nano có SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội thể trộn với nhau, trao đổi số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo khả sản sợi dây khoẻ, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao 1.1.1 Cấu trúc ống cacbon nano ống nano cacbon tìm thấy mô tả lần vào năm 1991 Iijima phòng thí nghiệm NEC Phát nhờ vào thành tựu phát triển kính hiển vi Các ống nano tạo từ vài lớp hình trụ đồng tâm đặn cách khoảng 3.4 A ta thấy vật liệu than chì (Hình 1.1, bên trái) Những ống nano đa tường tổng hợp lần với đường kính thay đổi từ vài nanomet đến vài trăm nanomet tương ứng từ lớp ngoài, chiều dài ống thường tổng hợp vào cỡ vài micromet Rất nhanh sau phát ống nano đa tường, ống nano cacbon đơn tường (single-wall carbon nanotubes - SWNTs) tổng hợp với chất lượng tốt dùng phương pháp phóng hồ quang với xúc tác kim loại chuyển tiếp (nhóm Bethune et al., 1993; Iijima and Ichihashi, 1993) Mỗi ống SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội nano cacbon tạo từ lớp than chì đơn cuộn lại thành hình trụ rỗng gọi ống nano đơn tường Những ống nhỏ đồng đường kính, cỡ 1nm = 10-9m Đường kính nhỏ chưa thấy này, tổ hợp với hoàn hảo mạng nguyên tử kết tinh thành, giải thích nguyên nhân đối tượng nhanh chóng coi hệ thống cacbon chiều Các chuỗi bó kết tinh SWNTs, mà chuỗi chứa từ 10 đến 100 ống đường kính, xếp chặt thành hình sáu cạnh, tổng hợp nhờ phương pháp bay laser (nhóm Guo et al., 1995), công nghệ hồ quang công nghệ CVD (chemical vapor deposition) (hình 1.1, bên phải) Những phương pháp tổng hợp khác cung cấp số lượng phong phú mẫu với đủ đặc điểm Bởi cấu trúc nhỏ SWNTs có liên quan chặt chẽ tới cấu trúc graphene, ống thường đặt tên theo vecto mang graphene Như miêu tả hình 1.2, ống nano cacbon mặt hình học, thu cuộn mảnh graphen đơn lại Cấu trúc định nghĩa vecto chu vi (Ch), định nghĩa vecto SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội (AA hình 1.2) nối hai điểm tinh thể học tương đương A A mảnh graphene Theo cách này, cấu trúc hình học SWNT định nghĩa trọn vẹn cặp số nguyên (n, m) biểu thị vị trí tương đương Ch na1 ma cặp nguyên tử mảnh graphene, mà cuộn lại tạo thành ống (a1 a2 yếu tố vecto mạng tổ ong lục giác, hình 1.2) Vecto Ch xác định chu vi ống Đường kính dt ống nano ước lượng từ công thức d t Ch / a n nm m , (1.1) đó, a số mạng mạng tổ ong: a x a cc (a cc 1.42 A, khoảng cách liên kết C - C) Vecto Ch xác định ống (n, m) cụ thể, góc , góc Ch a1 mảnh grapphene; xem hình 1.2 Góc tính theo công thức: cos C h a1 2n m Ch a1 n nm m (1.2) Giá trị nằm khoảng 30o , cấu trúc lục giác đối xứng mạng grapphene Góc biểu thị góc nghiêng hình lục giác với hướng trục ống Các ống nano loại (n, 0) ( = 00) gọi ống SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội zic-zắc, chúng có đường viền hình zic-zắc dọc theo chu vi Các ống có liên kết cacbon-cacbon song song với trục ống nano Các ống nano thuộc loại (n, n) ( = 300) gọi ống ghế bành, chúng có dạng hình ghế bành dọc theo chu vi Các ống có liên kết cacbon-cacbon vuông góc với trục ống nano Cả ống nano zic-zắc ghế bành ống không cuốn, ngược lại trường hợp ống tổng quát n,m n (Hình 1.3) Hình học mạng graphene vecto xác định không đường kính ống mà ô sở số nguyên tử cacbon ô Vecto mạng grapphene nhỏ T vuông góc với Ch biểu chu kì tịnh tiến t theo trục ống Vecto T biểu diễn theo vecto sở a1 a2 T t1a1 t 2a Sử dụng C h T , biểu thức t1 t2 thành t1 2m n 2m n , , t2 NR NR (1.3) N R ước chung lớn 2m n 2n m Độ dài véc tơ tịnh tiến t tính t T 3a n nm m / N R (1.4) Ô sơ cấp ống nano thế, tạo từ mặt trụ có độ cao t đường kính dt Số nguyên tử cacbon ô sơ cấp NC biểu diễn phụ thuộc vào n m: N C n nm m / N R (1.5) Sự đối xứng ống nano cacbon miêu tả gọi nhóm đường, nhóm không gian đầy đủ hệ chiều bao gồm tịnh tiến cộng thêm đối xứng nhóm điểm quay phản xạ Các nhóm đường ống nano cacbon nhóm đối xứng chúng chứa trục xoắn Mỗi ống nano cacbon (n, m) thuộc nhóm đường khác (Damnjanovic et al., 1999; Reich et al., 2004) Chỉ có ống ghế bành (n, n) zic-zắc (n, 0) có chung giá trị n thuộc nhóm đối xứng Tuy SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội nhiên, nhiều ứng dụng, chuyển mức quang học tán xạ Raman bậc nhất, không cần thiết phải làm việc với nhóm đường đầy đủ, cần nhóm điểm đủ Những nhóm điểm nhóm Dq ống nano xoắn n,m n D 2nh ống không xoắn (n, n) or (n, 0) Sau phép đối xứng ống nano xác định, sử dụng nhóm điểm ống đo hầu hết thông số cấu trúc ống (như đường kính, độ cuốn, mạng tinh thể, vecto mạng nghịch đảo, tổng kết bảng 1.1), mảnh graphene tương ứng tạo cuộn lại thành hình trụ Symbol Name Formula Value a 3a cc 2.46 A a cc 1.42 A a lattice constant a1, a2 basis vectors ; a, ; a 2 2 b1, b2 reciprocal-lattice vectors ;1 , ; a a Ch chiral vector Ch na1 ma n, m dt tube diameter chiral angle dt Ch sin cos T translational vector a number of C atoms per unit cell a n nm m 3m n nm m 2n m tan n nm m T t1a1 t a t1 , t t1 NC 2m n 2n m , t2 NR NR n nm m NC m n 3m 2n m gcd t1 , t 1a N R gcd 2m n, 2n m a NR gcd (n, m) denotes the greatest common divisor of the two integers n and m Bảng 1.1: Các thông số cấu trúc ống nano cacbon (n, m) Trong bảng này, n, m, t1, t2 số nguyên SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội 1.1.2 Các tính chất Độ bền Các ống nano cacbon vật liệu cứng rắn tìm thấy với độ cứng độ dãn tuyệt đối lớn tương ứng Tính chất cứng kết liên kết hoá trị sp2 tạo nguyên tử cacbon riêng rẽ Năm 2000, ống nano cacbon đa tường thử nghiệm có độ cứng tới hạn 63 gigapascals (GPa) (Để thấy rõ độ cứng tới hạn tương đương với khả nâng đỡ vật nặng 6300 kg dây cáp có tiết diện 1mm2) Vì ống nano cacbon có khối lượng riêng thấp chất rắn khác cỡ 1.3 1.4g cm , độ cứng riêng chúng lên tới 48,000kN m kg giá trị tốt vật liệu biết, so sánh với thép giàu cacbon, giá trị 154kN m kg Khi bị kéo căng mức, ống biến dạng không đàn hồi, nghĩa biến dạng lâu dài Sự biến dạng bắt đầu sức căng khoảng 5% tăng lên sức căng cực đại mà ống chịu trước bị gãy giải phóng lượng kéo căng CNTs gần cứng ép Bởi cấu trúc rỗng tỉ lệ rộng dài cao, chúng có khuynh hướng chịu oằn đặt sức ép, xoắn bẻ cong Material SWNT Youngs Modulus (TPa) Tensile Strength (GPa) Elongation at Break (%) (from to 5) 15-53E 16 0.94T 126.2T 23.1 Armchair SWNT T Zigzag SWNT 0.94 Chiral SWNT 0.92 T 94.5 15.6-17.5 0.8-0.9E 150 Stainless Steel 0.2 0.65-1 15-50 Kevlar 0.15 3.5 KevlarT 0.25 29.6 NWNT Bảng 1.2: Sự so sánh tính chất học SVTH: Diệp Thị Hà Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học E Trường ĐHSP Hà Nội Kết thực nghiệm T Dự đoán lí thuyết Động lực học Các ống nano đa tường lồng xác với nhau, ống hoàn toàn đồng trục, thể tính chất thu hẹp lại đáng kể ống lõi bên trượt, gần ma sát, vào ống nano bên để tạo giá nguyên tử thẳng tròn hoàn hảo Đây số ví dụ thực tế cho công nghệ nano phân tử, công nghệ đặt cách xác nguyên tử để tạo nên máy móc hữu ích Những tính chất dùng để tạo động quay nhỏ giới Những ứng dụng tương lai máy dao động học gigahertz chế tạo Tính chất điện Nhờ vào đối xứng cấu trúc điện tử độc graphene, cấu trúc ống nano ảnh hưởng lớn tới tính chất điện Với ống nano cho trước n,m , n = m, ống nano kim loại; n - m bội 3, ống nano bán dẫn với bề rộng vùng cấm nhỏ, trường hợp lại chất bán dẫn Do đó, tất ống nano ghế bành (n = m) kim loại, ống nano (5,0), (6,4), (9,1), v.v bán dẫn Theo lí thuyết, ống nano kim loại mang dòng điện mật độ x 109 A/cm2 lớn 1,000 lần so với kim loại đồng Tính chất nhiệt Tất ống nano kì vọng vật liệu dẫn nhiệt tốt dọc theo trục, thể tính chất biết đến vật dẫn tuyệt đối, lại cách nhiệt tốt biên ống Người ta dự đoán ống nano cacbon truyền tới 6000 watts giây độ Kelvin nhiệt độ phòng; so với đồng, chất rắn dẫn nhiệt tốt tiếng, truyền 385 watts giây Kelvin Nhiệt độ bền vững ống nano cacbon SVTH: Diệp Thị Hà 10 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Chương Hoạt động chíp cảm biến phụ thuộc vào độ pH Sử dụng mô hình đơn giản, giải thích nguyên tắc hoạt động loại chíp cảm ứng nano sinh học chế tạo từ SWNT-DNA, phụ thuộc vào nồng độ muối thông số chíp Nhưng đặc điểm phần tử sinh học ADN, ARN, protein,v.v không phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, loại ion, nhiệt độ, mà phụ thuộc vào độ pH Hơn nữa, độ pH khác vị trí khác nhau, độ pH khác tác động đến chíp Trong chương trình bày hoạt động chíp cảm biến phụ thuộc vào độ pH môi trường, thông qua phụ thuộc ADN CNNT 4.1 Sự phụ thuộc số điện môi ADN vào pH Trong mô hình lí thuyết sử dụng chương trước, để xét gần số điện môi chíp cảm biến, giới thiệu môi trường hiệu dụng số điện môi hiệu dụng (phương trình 3.1): f DNA (1 f ) s Trong đó, DNA s tương ứng số điện môi ADN môi trường xung quanh CNNT thay đổi, khiến cho số điện môi hiệu dụng thay đổi Do đó, tín hiệu mà sensor thu bị biến đổi Trước tiên, thông số điện môi ADN phụ thuộc vào pH khảo sát Trên hình 4.1 số gia điện môi độ phân tán số điện môi thay đổi s s toán chúng ta, ý đến số điện môi tần số thấp Vì ổn định giá trị củ vào cỡ số điện môi nước Nên tính toán mình, lấy giá trị 80 SVTH: Diệp Thị Hà 41 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội 4.2 Sự phụ thuộc số điện môi dung dịch xung quanh CNNT phụ thuộc vào pH Đối với ống nano bán dẫn, tính lọc lựa phản ứng dễ dàng thấy qua phụ thuộc phổ hấp thụ vào độ pH [28] Phản ứng bề mặt gây định vị electron hoá trị tự tham gia vào trình hấp thụ photon Sự giảm bớt cường độ hấp thụ phù hợp với ion hoá trị cao ống nano Các ống nano bán dẫn có bề rộng vùng cấm quang SVTH: Diệp Thị Hà 42 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội học lớn hơn, khoảng 1600nm hình 4.3a, bị ảnh hưởng độ pH cao ống nano có bề rộng vùng cấm nhỏ Tốc độ phản ứng cân ống nano (SWNT) với số proton tự môi trường (n[H+]) tạo ống nano phức [P] nhận thêm proton ống nano phức có phổ hấp thụ bị giảm toàn K p n H SWNT P Trong Kp số phản ứng cân Xác định tỉ xích cường độ hấp thụ để thu phân số ống nano phản ứng, vào phương trình cân trên, ta thu được: SVTH: Diệp Thị Hà 43 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học A( pH ) Ap Ad Ap Kp n H K p Trường ĐHSP Hà Nội K 10 p ( npH ) (4.2) Kp Trong hình 4.3b phổ hấp thụ hai ống nano bán dẫn có vùng cấm khác vẽ phụ thuộc vào pH, giá trị n Kp thu sử dụng mô hình trình nhận proton Quá trình trình cân có giới hạn Trong Ap Ad cường độ hấp thụ trạng thái cho nhận proton cực đại, Kp số cân Các giá trị ln (Kp) thay đổi từ -36,39 ống nano (12,5) (vùng cấm rộng 0,83eV) đến -33,97 ống nano (8,3) (vùng cấm rộng 1.3eV) Độ dốc đường cong hình 4.3b mức n số proton trung bình phản ứng lần nhận proton xác định Giả sử lượng vùng cấm quang học với số xoắn (n,m) lấy từ công trình gần phổ quang học ống nano Theo phương trình 4.2, độ hấp thụ SWNT phụ thuộc vào pH viết A( pH ) ( Ad Ap ) K 10 p ( npH ) Kp Ap (4.3) Mặt khác, độ hấp thụ photon tuân theo nguyên tắc vàng Fermi (phương trình 1.21), nguyên tác viết lại thành A( pH ) Const e2 pcv s ( pH ) SVTH: Diệp Thị Hà ( Ev Ec ) 44 (4.4) Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Trong đó, yếu tố ma trận pcv yếu tố chuyển dời electron trạng thái đầu trạng thái cuối Nó không phụ thuộc vào độ pH Do đó, thông số phụ thuộc vào pH số điện môi Nếu SWNT môi trường trung tính, pH = 7, số điện môi (bằng số điện môi nước, cỡ 80), độ hấp thụ A0 bằng: A0 e2 = pcv ( Ev Ec ) (4.5) Chia 4.4 cho 4.5 thu A( pH ) A0 s ( pH )' (4.6) Có nghĩa là: s ( pH ) A0 A( pH ) (4.7) Thế 4.3 vào phương trình này, ta thu s ( pH ) ( Ad Ap ) A0 Kp 10 ( npH ) K p (4.8) Ap Do đó, số điện môi phụ thuộc vào pH thể hình 4.4 4.3 Sự phụ thuộc lượng exciton vào độ pH Hằng số điện môi DNA dung dịch bao quanh CNNT thay đổi độ pH thay đổi Do đó, phụ thuộc số điện môi hiệu dụng biểu diễn sau ( pH ) f DNA ( pH ) (1 f ) s ( pH ) (4.9) số điện môi hiệu dụng dung dịch bao quanh chíp cảm biến phụ thuộc vào pH thể hình 4.3 SVTH: Diệp Thị Hà 45 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Hình 4.5 Hằng số điện môi hiệu dụng mô hình phụ thuộc vào pH Nét đứt diễn tả (pH) chíp cảm biến tạo B-DNA quanh SWNT (10,2) nét liền diễn tả (pH) chíp cảm biến tạo Z-DNA quanh SWNT (10,2) Từ phương trình 1.29 lượng liên kết exciton SWNT dung dịch viết sau: Ebind ( pH ) AR ( pH ), (4.10) lượng exciton trung hoà (0) Ebind AR (4.11) Ebind ( pH ) ( ) (0) Ebind f DNA ( pH ) (1 f ) s ( pH ) (4.12) SVTH: Diệp Thị Hà 46 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Hình 4.6: Năng lượng Sự phụ thuộc lượng liên kết exciton phụ thuộc vào pH biểu diễn hình 4.6 Năng lượng exciton viết theo phương trình 1.28: Eexc = Eg - Ebind, E Exc( pH ) Eg Ebind ( pH ) (0)g ( ) (0) (0) Ebind Ebind Ebind f DNA ( pH ) (1 f ) s ( pH ) (4.13) hình 4.7 biểu diễn phụ thuộc vào pH lượng exciton Hình 4.7: Năng lượng SVTH: Diệp Thị Hà 47 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Chúng lưu ý tính toán, coi nồng độ muối ổn định để ADN tồn trạng thái pH thay đổi Sau đó, tính toán số gia lượng cho SWNT loại (10,2) so sánh với liệu thực nghiệm [1] cho loại SWNT (hình 4.8) Dữ liệu thực nghiệm thay đổi lượng chíp cảm biến DNA-SWNT môi trường M HgCl2 52.37mM HgCl2 SVTH: Diệp Thị Hà 48 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Kết luận Bằng việc sử dụng mô hình đơn giản, giải thích nguyên tắc hoạt động chíp cảm biến sinh học chế tạo từ SWNT DNA chứng minh có mặt lượng nhỏ ion môi trường Mô hình dùng để tính toán với nhiều loại SWNT khác môi trường muối khác Những kết thu hữu ích cho nghiên cứu thực nghiệm Cơ chế hoạt động loại chíp cảm ứng sinh học điều khiển thông số thích hợp, hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển tương lai Ngoài xây dựng thành công mô hình đơn giản áp dụng mô hình để khảo sát tính chất chíp cảm biến phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc biệt phụ thuộc vào độ pH môi trường Điều chứng tỏ độ pH có mặt ion H+ có tác động mạnh đến chíp cảm biên, ảnh hưởng biểu cụ thể Qua thấy rằng, môi trường hoạt động tốt cho chíp cảm biến nên có độ pH khoảng từ đến Ngoài lí vùng hoạt động đó, ADN bị biến tính, lí quan trọng khác độ pH đó, nồng độ ion đủ nhỏ để tác dụng chúng bỏ qua so với tác dụng cation Kết khác thu là, sử dụng sensor này, nên quan tâm đến điều kiện hoạt động Nồng độ muối nên lớn giá trị tới hạn để bỏ qua tương tác proton H+ Hơn nữa, tín hiệu thu sensor cần phải hiệu chỉnh nhiễu loạn proton Cấu trúc ADN CNNT hấp dẫn lí thú Trong tương lai, cố gắng cải tiến mô hình cách so sánh với kết thực nghiệm Qua đó, chọn thông số tốt cho SVTH: Diệp Thị Hà 49 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội mô hình Chúng vũng nghiên cứu, tìm hiểu thêm loại chíp cảm biến này, để hiểu hoạt động chúng, hiểu rõ tính chất chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, pKa, áp suất,v.v SVTH: Diệp Thị Hà 50 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Tài liệu tham khảo Nguyễn Ngọc Chân , Bài tập vật lý chất rắn, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội (2004) Nguyễn Văn Hùng , Lý thuyết chất rắn, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội (2000) Trần Thái Hoa , Cơ học lượng tử, Nxb Đại học Sư phạm (2005) Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình , Vật lí chất rắn, Nxb Giáo dục, Hà Nội (1992) Vũ Thanh Khiết , Vật lý lý thống kê, Nxb Giáo dục, Hà Nội (1987) Nguyễn Hữu Mình, Bài giảng lý thuyết chất rắn đại cương, Nxb Khoa học kỹ thuật SVTH: Diệp Thị Hà 51 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Lời cảm ơn Sau thời gian nghiên cứu đến luận văn em hoàn thành Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn Th.s Hoàng Phúc Huấn - người trực tiếp hướng dẫn em Trong thời gian nghiên cứu em nhận quan tâm giúp đỡ bảo tận tình thầy Em xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Vật lý - Trường ĐHSP Hà Nội Các thầy cô khoa tạo điều kiện thuận lợi để giúp em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Và em xin gửi lời cảm ơn tới bạn sinh viên động viên tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010 Sinh viên Diệp Thị Hà SVTH: Diệp Thị Hà 52 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Lời cam đoan Em xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học riêng em hướng dẫn Thầy giáo Th.S Hoàng Phúc Huấn dựa sở kiến thức học môn Vật lý Chất rắn tham khảo tài hiệu Nội dung khoá luận không trùng lặp với công trình nghiên cứu tác giả trước công bố, kết nêu luận văn trung thực Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2010 Sinh viên Diệp Thị Hà SVTH: Diệp Thị Hà 53 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mở đầu Nội dung Chương ống nano cacbon 1.1 Lời mở đầu 1.1.1 Cấu trúc ống bon nano 1.1.2 Các tính chất 1.2 Excitons 11 1.2.1 Các trạng thái Exciton vật liệu bán dẫn 11 1.2.2 Hiệu ứng Exciton tính chất quang 14 1.2.3 Exciton ống nano bon 16 Chương Acid deoxyri bonucleic (DNA) 18 2.1 Các tính chất ADN 19 2.2 Cạnh (Grooves) 21 2.3 Các cấu trúc khác 22 2.3.1 A-DNA 23 2.3.2 Z-DNA 24 2.4 Tính chất điện tượng trễ điện môi ADN môi trường 25 2.4.1 Tính chất điện môi nước xung quanh chất điện môi Poly elec trolyte bao quanh ADN 25 2.4.2 Sự hưởng ứng ADN đặt điện trường 27 2.4.3 Cation 28 2.4.4 Sự chuyển tiếp ADN dạng xoắn cuộn 29 SVTH: Diệp Thị Hà 54 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội Chương ống nano cacbon bao phủ ADN có vai trò chíp cảm biến, hoạt động tế bào sống 32 3.1 Cấu trúc 32 3.2 Mô hình lý thuyết 34 3.3 Năng lượng Exciton ống SWNT-DNA vào nồng độ dung dịch 36 3.4 Sự phụ thuộc lượng Exciton SWNT-DNA vào nồng độ dung dịch 39 Chương Hoạt động chíp cảm biến phụ thuộc vào độ pH 41 4.1 Sự phụ thuộc số điện môi ADN vào pH 41 4.2 Sự phụ thuộc số điện môi dung dịch xung quanh CNNT phụ thuộc vào pH 42 4.3 Sự phụ thuộc lượng Exction vào độ pH 45 Kết luận 49 Tài liệu tham khảo 51 SVTH: Diệp Thị Hà 55 Lớp: K32C Vật lý [...]... môi của các vùng khác nhau bao quanh ph n tử Hằng số điện môi ph thuộc vào nồng độ dung môi, khoảng cách tới ph n tử, hiệu ứng biên giới, và sự bão hoà trường điện môi Sự biến thiên của hằng số điện môi theo vị trí thay đổi đáng kể dự đoán về điện thế ở những vùng có cạnh (groove) Những dự đoán từ các mô hình ph thuộc chủ yếu vào hằng số điện môi của nước đã biết Mô hình tính số của ph n tử ADN ph . .. Bảng 2.2: Ph n thực của hằng số điện môi bao quanh ph n tử ADN ph thuộc vào khoảng cách (nanomet) từ tâm của ADN và ph thuộc vào nồng độ điện môi (mol/l) Cấu trúc ph n tử của nước không đơn giản Ngoài cấu trúc cơ bản H2O của ph n tử, còn có những mạng lưới ph c tạp được liên kết với nhau bởi liên kết hidro tạo ra do tương tác giữa các lưỡng cực tạo ra từ các ion OH và OH Hằng số điện môi của nước... là rất cần thiết trong các ph n ứng tạo cặp base Sự chuyển tiếp vì nhiệt độ ph thuộc mạnh vào nồng độ muối và pH Nồng độ càng cao sẽ khiến cho nhiệt độ ph n li càng cao Đó là do sự che chắn của các điện tích của nhóm phosphate bởi môi trường muối Quá trình chuyển tiếp giữa trạng thái xoắn và trạng thái cuộn ph thuộc mạnh vào năng lượng tự do của các ph n tử với dung môi Ph n tử ở mỗi trạng thái có... gắn với ADN và các ph n tử nước tự do, nước ở vùng hidrat của ADN và lực hydrophobic Sự ổn định ở trạng thái xoắn ph thuộc vào nồng độ ion vì các counterion trung hoà điện tích và do đó làm giảm lực đẩy giữa các nhóm phosphate Sự ổn định cũng ph thuộc cả vào nhiệt độ vì khi động năng tăng, xác suất ph vỡ các liên kết hidro sẽ tăng theo định luật Arrhenius Sự có mặt của nước liên kết với ph n tử... điện và hiện tượng trễ điện môi của ADN trong môi trường 2.4.1 Tính chất điện môi của nước xung quanh và chất điện môi polyelectrolyte bao quanh ADN Vùng gần ph n tử ADN có hằng số điện môi thấp và điện tích lẫn lộn Vùng xa ph n tử hơn có hằng số điện môi gần với hằng số điện môi của nước Lamam đã nghiên cứu sự thay đổi của hằng số điện môi ở các cạnh, gần bề mặt, và xa ph n tử ADN hơn Bảng 2.2 liệt kê... cấu trúc và các tính chất của ống nano cacbon và ph n tử ADN Mục đích của chương mới này là giới thiệu một loại chíp cảm biến quang học ở cấp độ tế bào được chế tạo từ hai vật liệu trên Sau khi giới thiệu, chúng tôi đưa ra mô hình lý thuyết, dựa vào lí thuyết exciton trong CNNTs, và giải thích nguyên lí hoạt động của loại chíp cảm biến quang học này 3.1 Cấu trúc Các tính chất quang của vật liệu có vai... base của ph n tử ADN là cuốn, xoắn và trượt SVTH: Diệp Thị Hà 27 Lớp: K32C Vật lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Trường ĐHSP Hà Nội 2 Một số các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hiện tượng trễ điện môi của các ph n tử ADN dạng xoắn và dạng khác trong dung dịch điện ph n ph thuộc cả vào tần số và cường độ trường ngoài ADN đơn nhánh trễ điện môi ít hơn ADN xoắn kép Takashima kết luận rằng khi ADN bị biến. .. biến dạng thành dạng vòng sẽ làm giảm độ dài hiệu dụng và dẫn đến giảm moment ph n cực Hơn nữa, cường độ điện trường lớn tác động đến tính dẫn điện của ADN theo hai cách khác nhau Đầu tiên, nó làm tăng sự ph n li của ph n tử và do đó, làm tăng độ dẫn điện Thứ hai, nó làm tăng hiệu ứng định hướng theo trường ngoài khi sự sắp xếp thẳng hàng của các polyion làm tăng độ dẫn ADN đơn nhánh khi ở trạng thái... ĐHSP Hà Nội 2 2.3 Các cấu trúc khác ADN có thể tồn tại ở nhiều hình dạng khác nhau Tuy nhiên, chỉ có 3 trạng thái A, B và Z là đã được quan sát thấy trong các cơ thể sống ADN ở trạng thái nào là ph thuộc vào trình tự của ADN, độ lớn và hướng của chiều xoắn, sự biến thể hoá học của các base cũng như của các điều kiện môi trường, như là nồng độ ion kim loại và nồng độ polyamine Trong ba loại hình dạng... ion tác động đến cả ph n thực và ph n ảo của hằng số điện môi Nước bao quanh protein và ADN đều có hằng số điện môi giảm Điều này xảy ra là do sự hạn chế chuyển động của các ph n tử khi chúng bị dính với các vật liệu sinh học ADN có chứa các ph n tử nước bao quanh Có khoảng 5 đến 20 ph n tử nước đính với một cặp base Trong số các ph n tử nước đính vào các cạnh lớn và nhỏ của ADN, có một số ph n tử ... 3: ống nano bon bao ph ADN có vai trò chíp cảm biến, hoạt động tế bào sống Trình bày cấu trúc, tính chất ống nano cacbon Chương 4: Hoạt động chíp cảm biến ph thuộc vào độ pH Trình bày ph thuộc. .. hoạt động chíp cảm biến ph thuộc vào độ pH môi trường, thông qua ph thuộc ADN CNNT 4.1 Sự ph thuộc số điện môi ADN vào pH Trong mô hình lí thuyết sử dụng chương trước, để xét gần số điện môi chíp. .. chuyển xạ huỳnh quang ống nano xuống mức lượng thấp Chính lý chọn đề tài: Khảo sát tính chất chíp cảm biến làm từ ADN ống Nano cacbon ph thuộc vào độ pH môi trường làm đề tài khoá luận tốt nghiệp