Nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH lên phổ tán xạ raman tăng cường bề mặt của methyl đỏ

Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được phát hiện đầu tiên năm 1974 bởi Fleischmann, Patrick J. Hendra và James A. McQuillan khi quan sát tín hiệu tán xạ Raman của pyridin hấp phụ trên một điện cực điện hóa bằng bạc có bề mặt gồ ghề. Nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhóm nghiên cứu thuộc các lĩnh vực khác nhau do những tiềm năng ứng dụng to lớn này. Phổ tán xạ Raman là một công cụ đặc biệt hữu ích trong việc phân tích và nhận biết các chất dựa vào các vạch đặc trưng là “dấu vân tay phân tử”. Tuy nhiên, đa phần các chất hữu cơ có cường độ tín hiệu Raman thường rất yếu ngay cả khi đo ở dạng khối. Do đó, càng khó khăn khi dùng phổ Raman để phân tích và nhận biết các chất hữu cơ ở nồng độ thấp. Với phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), người ta có thể phát hiện đơn phân tử với sự tăng cường lên tới 1014. Các nano kim loại quý như bạc (Ag) và vàng (Au) với cấu trúc và hình dạng khác nhau, nano bán dẫn kim loại (ZnOAg) đã được nghiên cứu rộng rãi để nhằm ứng dụng cho SERS do sự phụ thuộc rất lớn giữa tính bất đẳng hướng của nó với trường điện từ (EM) cục bộ xung quanh hạt.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về Methyl đỏ 3

1.1.1 Tính chất lý - hoá 3

1.1.2 Ứng dụng của methyl đỏ 3

1.2 Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) 4

1.2.1 Khái niệm về tán xạ Raman 4

1.2.2 Tán xạ Raman tăng cường bề mặt 7

1.2.3 Hệ số tăng cường SERS (EF) 11

1.2.4 Ứng dụng của SERS 14

1.3 Giới thiệu một số vật liệu dùng cho tán xạ Raman tăng cường bề mặt 20

1.3.1 Nano vàng, bạc 21

1.3.2 Nano composit bán dẫn/kim loại (ZnO/Ag) 24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC 26

2.1 Chuẩn bị một số hoá chất chính để sử dụng 26

2.2 Chế tạo các nano bạc 26

2.2.1 Chế tạo các nano bạc dạng cầu (AgNPs) 27

2.2.2 Chế tạo các nano bạc dạng tấm vuông (AgNC) 27

2.3 Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu 28

2.3.1 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 28

2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29

2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 31

2.3.4 Phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible) 32

2.3.5 Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Hình thái kích thước mầm nano bạc (AgNPs) và tấm nano bạc (AgNC) 37

3.2 Tính chất quang 38

3.3 Cơ chế hình thành tấm vuông nano bạc 40

3.4 Phân tích cấu trúc trúc tinh thể và thành phần hoá học của các AgNPs và AgNC … 42

3.5 Ứng dụng phát hiện MR bằng phương pháp phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt 45

3.5.1 Phổ Raman tăng cường bề mặt của đế SERS AgNPs và AgNC 45

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ pH lên SERS 47

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Danh mục một số hóa chất chính đã sử dụng………26Bảng 3.1: Kết quả phân tích các thông số kích thước tinh thể của mầm

AgNPs và tấm AgNC 44Bảng 3.2: Hệ số EF đối với MR có nồng độ 10-4M pH thay đổi trên các đế

mầm nano bạc AgNPs và tấm vuông AgNC 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 (a) Cấu trúc phân tử và (b) ảnh chụp bột methyl đỏ 3Hình 1.2 Giản đồ năng lượng cho tán xạ Raman, tán xạ Rayleigh [2] 5Hình 1.3 Các mode dao động cơ bản của phân tử H2O 6Hình 1.4 Ba mode dao động của H2O với sự thay đổi: (a) kích thước, (b)

hình dạng và (c) định hướng của các ellipsoid phân cực của cácphân tử nước 6Hình 1.5 Minh hoạ 2 cơ chế tăng cường SERS (a) cơ chế Raman thường

và (b) SERS.[4] 10Hình 1.6 Phổ SERS của các thuốc trừ sâu khác nhau: a) carbaryl [16] và

b) thiram [19] 16Hình 1.7 Cấu trúc và phổ SERS của polyadenosine sợi đơn (a)và polycytidine

sợi đơn (b) [4] 17Hình 1.8 So sánh phổ Raman bình thường (vạch xanh lục, a) và phổ SERS

khuếch đại (vạch đỏ, b) của Avidin (A), BSA (B), Cytochromo c (C)

và Hemoglobin (D) Phổ SERS thu được bằng phương pháp hạtnano Ag với các nồng độ mẫu phân tích lần lượt là 300, 300, 3, 30µg/mL Vạch màu xanh lam c, trong phổ BSA (B), bằng chứng vềhiệu ứng kết hợp: Không phát hiện được tín hiệu Raman trước khikết hợp Phổ Raman của chất rắn avidin, BSA và Hemoglobin thuđược với laser kích thích có công suất 20 mW và thời gian thunhận 30s [4] 19Hình 1.9 (a) Hình minh hoạ đế SERS từ thanh nano bạc được chế tạo bằng

hệ thống bốc bay chùm điện tử hay phún xạ lắng đọng theo gócxiên 86° trên màng mỏng 500 nm Ag (b) ảnh SEM của hai cácmẫu có chiều dài thanh nano khác nhau h = 868 nm, và (c) h =

2080 nm với đường kính 99 nm[23] 20Hình 2.1 Sơ đồ khối chế tạo các cảm biến nano bạc 27

Hình 2.2 Sơ đồ khối chế tạo các mầm nano bạc 27Hình 2.3 Ảnh chụp kỹ thuật số hệ thí nghiệm chế tạo các nano bạc dạng hợp

diện (AgNDs) 28Hình 2.4 Nhiễu xạ tia X trên tinh thể theo phương pháp Bragg 29Hình 2.5 Sơ đồ khối cấu tạo kính hiển vi điện tử quét 30Hình 2.6 Ảnh chụp SEM của mẫu nano bạc dạng tấm tam giác tại Viện

Khoa học Vật liệu 31Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 32Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ UV-Vis hai chùm tia 33Hình 2.9 Mô phỏng nguyên lý máy đo phổ UV - Vis 34Hình 2.10 Máy đo phổ hấp thụ UV–Vis V750 của hãng Jasco (Nhật Bản) 34Hình 3.1 (a, b) Ảnh TEM và phân bố kích thước của các mầm nano bạc

AgNPs được chế tạo bằng phương pháp hoá khử (c, d) là ảnhSEM và phân bố kích thước tương ứng của các tấm nano bạcdạng hình vuông (AgNC) được chế tạo bằng phương pháp pháttriển mầm dưới sự chiếu sáng của LED xanh lá 37Hình 3.2 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis của mầm nano bạc AgNPs và của các

tấm vuông nano bạc AgNCs (b) ảnh chụp kỹ thuật số dung dịchAgNPs và AgNCs 40Hình 3.3 Sơ đồ chế tạo các nano bạc dạng tấm vuông AgNCs 41Hình 3.4 (a) Mode cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) lưỡng cực trong

(hay dao động dọc) và tứ cực ngoài (hay dao động ngang) trongtấm nano bạc (b) 41Hình 3.5 (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mầm nano bạc AgNPs (đường

màu đen) và của tấm AgNC (đường màu đỏ) (b, c, d và e) lầnlượt thể hiện các đỉnh nhiễu xạ ở các mặt (111), (200), (220) và(311) tương ứng 43

Hình 3.6 (a) Ảnh SEM của các AgNC và (b) Biểu diễn phổ tán sắc năng

lượng EDX tương ứng vùng lấy ảnh ô vuông mầu vàng trong(a) 45Hình 3.7 Phổ Raman của phân tử chất mầu methyl đỏ (MR) dạng bột 46Hình 3.8 Phổ Raman của MR (10-4 M) được tăng cường khi dùng đế

AgNPs và AgNC 47Hình 3.9 (a) Phổ hấp thụ của MR theo pH thay đổi từ 2,01 đến 8,96 (b)

ảnh chụp màu dung dịch MR với pH thay đổi tương ứng, phầnhình thêm vào là cấu trúc phân tử hoá học của MR 48Hình 3.10 Phổ huỳnh quang của MR có độ pH thay đổi 48Hình 3.11 Cấu trúc của isomer MR có (a) và không có (b) proton hoá 51Hình 3.12 Phổ SERS của MR (10-4 M) thay đổi theo pH từ 2,01 đến 8,96

khi sử dụng đế AgNPs (a) và AgNC (b) 52Hình 3.13 Minh họa định tính các định hướng hấp phụ của các đồng phân

MR trên bề mặt Ag ở các giá trị pH khác nhau 52Hình 3.14 Hệ số tăng cường tán xạ Raman của MR (10-4 M) theo độ pH

trên các đế AgNPs (a) và AgNC (b) 54Hình 3.15 (a) Phổ SERS của các nồng độ MR trên đế AgNC (từ 10-8M đến

10-4M) và (b) là phổ SERS của riêng MR (10-8M) cho thấy giớihạn phát hiện của đế SERS AgNC 54

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

1 SERS Surface Enhanced RamanSpectroscopy Phổ tán xạ Raman tăng cường

bề mặt

3 XRD X-ray Diffraction Phổ nhiễu xạ tia X

4 TEM Transmission ElectronMicroscope Kính hiển vi điện tử truyền qua

5 SEM Scanning ElectronMicroscopy Kính hiển vi điện tử quét

6 UV - Vis Ultraviolet – Visible Máy đo quang phổ hấp thụ

MỞ ĐẦUPhổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được phát hiện đầu tiênnăm 1974 bởi Fleischmann, Patrick J Hendra và James A McQuillan khiquan sát tín hiệu tán xạ Raman của pyridin hấp phụ trên một điện cực điệnhóa bằng bạc có bề mặt gồ ghề Nó đã thu hút được sự quan tâm của rấtnhiều nhóm nghiên cứu thuộc các lĩnh vực khác nhau do những tiềm năngứng dụng to lớn này Phổ tán xạ Raman là một công cụ đặc biệt hữu íchtrong việc phân tích và nhận biết các chất dựa vào các vạch đặc trưng là

“dấu vân tay phân tử” Tuy nhiên, đa phần các chất hữu cơ có cường độ tínhiệu Raman thường rất yếu ngay cả khi đo ở dạng khối Do đó, càng khókhăn khi dùng phổ Raman để phân tích và nhận biết các chất hữu cơ ở nồng

độ thấp Với phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), người ta có thểphát hiện đơn phân tử với sự tăng cường lên tới 1014 Các nano kim loại quýnhư bạc (Ag) và vàng (Au) với cấu trúc và hình dạng khác nhau, nano bándẫn - kim loại (ZnO/Ag) đã được nghiên cứu rộng rãi để nhằm ứng dụng choSERS do sự phụ thuộc rất lớn giữa tính bất đẳng hướng của nó với trườngđiện từ (EM) cục bộ xung quanh hạt

Các đặc trưng và chất lượng của SERS được đặc trưng bởi các hệ số tăngcường (IF), giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) của chấtcần phân tích Do đó, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng lên SERS Một trong cácyếu tố là: (1) Kích thước và hình dạng đế SERS; (2) Chất hoạt động bề mặttrên các đế; (3) Khoảng cách sắp xếp giữa các nano dùng làm đế; (4) Môitrường của chính chất cần phân tích…

Hiện nay, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào 3 yếu tố đầu mà chưa để

ý đến môi trường của chất cần được phân tích ảnh hướng đến SERS như thếnào Do đó, trong đề tài này tôi đặt vấn đề: Trên cùng một loại vật liệu nanodùng làm đế SERS thì sự ảnh hưởng của môi trường (độ pH, nhiệt độ ) lênSERS như thế nào? Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn: “Nghiên cứu ảnh hưởng của

độ pH lên phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt của Methyl đỏ” là đề tài luậnvăn của mình

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ pH lên phổ tán xạ Raman tăngcường bề mặt của Methyl đỏ trên các đế SERS từ các nano bạc dạng cầu vàdạng tấm vuông

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm:

- Chế tạo, đo đạc, xử lý số liệu thực nghiệm thông qua một số phép đophổ tán xạ Raman, nhiễu xạ tia X, tán sắc năng lượng (EDX) và phổ hấp thụ,huỳnh quang

Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo các nano bạc dạng cầu AgNPs và dạng tấm vuông

- Khảo sát cấu trúc vật liệu (phổ tán xạ Raman, nhiễu xạ tia X, phổ tánsắc năng lượng) và tính chất quang (hấp thụ, huỳnh quang)

- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH (từ 2,01 đến 8,96) của Methyl đỏlên phổ SERS trên cơ sở các cấu trúc nano đã chế tạo

Báo cáo được trình bày trong 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm và các phương pháp khảo sát

Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu về Methyl đỏ

Methyl đỏ có khối lượng phân tử là 269.116427g/mol, khối lượng riêng là0,791g/cm3, là chất bột kết tinh màu đỏ sẫm không tan trong nước, tan trongethanol Methyl đỏ nóng chảy ở nhiệt độ từ 117oC đến 118oC Độ hấp thụ λmaxởbước sóng 410nm Methyl có khả năng thay đổi cấu trúc khi nó nhận thêmproton hoặc khi nó từ bỏ proton Sự thay đổi cấu trúc này khiến methyl có nhiềumàu sắc khác nhau Đây là đặc điểm chung với các chất chỉ thị pH khác

Hình1.1 (a) Cấu trúc phân tử và (b) ảnh chụp bột methyl đỏ

- Thêm nữa, methyl đỏ được dùng để phát hiện sự thay đổi độ pH củamôi trường

- Methyl đỏ được sử dụng trong phép đo quang phổ

1.2 Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)

1.2.1 Khái niệm về tán xạ Raman

Tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của một photon với vật chất,được Raman và Krishnan phát hiện vào năm 1928 [1] Sự khác nhau về nănglượng của photon tới và photon tán xạ tương ứng với năng lượng dao độngtrong mạng tinh thể hoặc dao động của phân tử vật chất

Khi chiếu photon có tần số (hay năng lượng h ) tới một phân tử(hoặc một tinh thể), photon bị tán xạ theo tất cả các hướng Tán xạ có thể làđàn hồi hoặc không đàn hồi Trong trường hợp tán xạ đàn hồi, các photon bịtán xạ có cùng tần số với photon tới (trường hợp này được gọi là tán xạRayleigh), xác suất xảy ra quá trình này là lớn Trong trường hợp có trao đổinăng lượng, các photon bị tán xạ có tần số (hay năng lượng) lớn hơn hoặc nhỏhơn năng lượng của photon tới , trong đó là tần số của daođộng của phân tử (hay tinh thể) Trường hợp này được gọi là tán xạ Raman,

có xác suất xảy ra thấp Tán xạ Raman gồm hai loại là tán xạ Stockes và đốiStockes (anti-Stockes) Nếu photon tán xạ có tần số thấp hơn tần số photon tới( ), ta có vạch Stokes trong phổ Raman Trường hợp photon tán

xạ có tần số lớn hơn tần số photon tới ( ) ta có các vạch đốiStokes (anti-Stockes) trong phổ Raman

Hình 1.2 mô tả sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh.Nguyên tử trong phân tử hoặc tinh thể có thể nằm ở trạng thái cơ bản hoặc cáctrạng thái kích thích Khi nhận được năng lượng từ photon ánh sáng, nguyên

tử có thể từ mức năng lượng cơ bản nhảy lên một mức năng lượng ảo rồi trở

về trạng thái kích thích và tạo ra vạch Stockes Trạng thái ảo không phải làmột trạng thái ổn định của hệ Nó không phải là nghiệm của phương trìnhSchrodinger không phụ thuộc vào thời gian và do đó không tương ứng vớimột giá trị năng lượng xác định Trong một quá trình hấp thụ thực năng lượngluôn luôn được bảo toàn và trạng thái tạo ra của hệ là một trạng thái rời rạc.Hấp thụ mà không bảo toàn năng lượng được gọi là hấp thụ ảo và trạng tháiđược tạo ra lúc này là một trạng thái ảo [2]

(1.1)Khi các nguyên tử từ trạng thái cơ bản nhảy lên mức ảo rồi lại trở vềtrạng thái dao động thì tạo ra vạch Stokes Raman (phương trình (1.1)).

Khi các nguyên tử từ trạng thái kích thích nhảy lên mức ảo rồi trở vềtrạng thái cơ bản thì tạo ra vạch đối Stokes Raman (phương trình (1.2))

Hình 1.2 Giản đồ năng lượng cho tán xạ Raman, tán xạ Rayleigh [2].

Cường độ của vạch Stockes lớn hơn nhiều so với vạch đối Stockes.Nguyên nhân là do trong điều kiện bình thường, các nguyên tử ở trạng thái cơbản nhiều hơn rất nhiều so với các nguyên tử ở trạng thái kích thích (theođịnh luật phân bố MaxwellBoltzmann), vì vậy số nguyên tử tham gia vào quátrình Stockes lớn hơn rất nhiều so với các nguyên tử tham gia vào quá trìnhđối Stockes

Sự chênh lệch về số sóng ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ được gọi làdịch chuyển Raman (Raman shift) và được xác định thông qua phương trình:

(1.3)Trong đó, Δν là dịch chuyển Raman về số sóng, tới là bước sóng củaánh sáng tới còn tánxạ là bước sóng của ánh sáng tán xạ

Không phải trên tất cả các dao động đều quan sát được phổ Raman Đểquan sát được ở trên phổ Raman, các dao động cần phải tuân theo quy tắcchọn lọc, đó là chỉ có các dao động nào làm thay đổi độ phân cực của phân tử,nguyên tử thì mới là dao động tích cực Raman và có thể quan sát được trênphổ Raman [2] Dao động của các phân tử trong đó mỗi nguyên tử của phân

tử dao động cùng tần số và lệch ra khỏi vị trí cân bằng của nó cùng một lúcvới tất cả các nguyên tử khác trong phân tử, được gọi là các mode dao động

cơ bản Số mode dao động cơ bản của một phân tử phụ thuộc vào số lượngcủa các nguyên tử trong phân tử Các mode dao động cơ bản của phân tử H2Ođược minh họa tương ứng trong hình 1.3 Sự thay đổi về hình dạng, kíchthước và độ phân cực của chúng được mô tả trong hình 1.4

Hình 1.3 Các mode dao động cơ bản của phân tử H 2 O.

Hình 1.4 Ba mode dao động của H 2 O với sự thay đổi: (a) kích thước, (b) hình dạng và (c) định hướng của các ellipsoid phân cực của các phân tử nước.

Đối với một mode dao động được coi là tích cực Raman, sự dao độngphải gây ra một số thay đổi trong sự phân cực của phân tử Ellipsoid phân cựccủa các phân tử có thể thay đổi về độ lớn hoặc hình dạng hoặc hướng trongquá trình dao động Hình 1.4 minh họa các ellipsoid phân cực của phân tửnước trong các mode dao động cơ bản Đối với mỗi dao động, ellipsoid phâncực được chỉ ra tại vị trí cân bằng của phân tử và ở các bước thay đổi của daođộng Có thể thấy rằng cả ba mode dao động của phân tử nước đều gây ra một

sự thay đổi của ellipsoid phân cực bao gồm thay đổi về kích thước (hình 1.4(a)), hình dạng (hình 1.4 (b)) và hướng (hình 1.4 (c)) Như vậy, cả ba modedao động cơ bản của phân tử nước đều là các dao động tích cực Raman

Phổ Raman cung cấp các thông tin về các quá trình chuyển đổi dao độngcủa phân tử và do đó nó được coi là dấu vân tay phân tử của hóa chất và phân

tử sinh học Vì vậy, từ lâu tán xạ Raman đã được coi là một công cụ có giá trịcho việc xác định các mẫu hóa học và sinh học, cũng như đối với sự giải thíchcủa cấu trúc phân tử [3] Tuy nhiên, việc nghiên cứu dao động bằng phổ tán xạRaman cũng có những nhược điểm nhất định, như: xác suất xảy ra tán xạRaman rất thấp (cỡ 10-8, nghĩa là trung bình cứ 108 photon tới thì mới có mộtphoton bị tán xạ Raman) Do đó, cường độ của hiệu ứng Raman thường rấtthấp, chỉ vào khoảng 10-8cường độ ánh sáng tới Vì vậy rất khó để thu được tínhiệu Raman của các phân tử với nồng độ thấp Ứng dụng của tán xạ Ramantrong việc phân tích phát hiện các phân tử do vậy cũng bị hạn chế rất nhiều Đểhạn chế nhược điểm này, cần tìm cách làm tăng cường tín hiệu Raman của chấtcần phân tích, đó là tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)

1.2.2 Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Hiện nay, tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) đã trở thành mộtcông cụ mạnh mẽ trong ngành hóa chất, vật liệu và khoa học đời sống, nhờvào các tính năng nội tại của nó (như khả năng nhận dạng bằng dấu vân tayphân tử) và những tiến bộ công nghệ tạo ra các chất làm tăng cường tín hiệuRaman, từ đó đã làm giảm chi phí của các thiết bị và cải thiện độ nhạy củachúng, thân thiện với người dùng [4]

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt là hiện tượng cường độ tán xạ Ramantăng lên rất nhiều lần khi phân tử chất phân tích được hấp phụ trên bề mặt củamột cấu trúc nano kim loại gồ ghề Hiện tượng này lần đầu tiên được pháthiện bởi nhóm nghiên cứu của M Fleischmann vào năm 1974, khi họ quansát thấy tín hiệu Raman của pyridine được tăng cường lên gấp nhiều lần khipyridine được cho hấp phụ lên trên bề mặt của một điện cực bạc nhám [5].Các tác giả cho rằng nguyên nhân của sự gia tăng này là do sự tăng lên củadiện tích bề mặt Vào năm 1977, hai nhóm nghiên cứu của D L Jeanmaire và

M G Albrecht lần đầu tiên chứng minh rằng việc tăng cường rất lớn (cỡ 106lần) của cường độ tán xạ Raman của pyridine không chỉ do sự tăng lên củadiện tích bề mặt mà còn được gây ra bởi sự tăng cường trong hiệu suất tán xạRaman Tính chất quang đặc biệt của đế kim loại được đề xuất là nguyênnhân chính làm tăng cường điện trường cục bộ nơi mà các phân tử được hấpphụ Có hai cơ chế chủ yếu góp phần vào sự tăng cường tín hiệu Raman tronghiệu ứng SERS là:

1.2.2.1 Cơ chế tăng cường trường điện từ (EM)

Tín hiệu Raman được tăng cường do các hiệu ứng quang học như hấpthụ ánh sáng, bẫy ánh sáng, truyền điện tích tạo bởi ánh sáng, cộng hưởngquang học Cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) tạo ra sự tăng cườngkhổng lồ trường điện từ gọi là các điểm nóng (hot spot) ở bề mặt kim loại cấutrúc nano Độ nhạy cao là do cấu trúc nano kim loại bạc, vàng bề mặt gồ ghềtạo ra các điểm nóng (hot spot) ở mặt tiếp xúc giữa các hạt nano lân cận Hotspot (điểm nóng) tồn tại xung quanh cạnh, góc sắc nhọn của bề mặt kim loạihoặc ở khe nhỏ (nhỏ hơn 10 nm) giữa hai bề mặt kim loại [6] Các cấu trúc dịhướng như hình sao, thanh, tam giác, tấm, lá của vàng, bạc, hoặc hỗn hợpvàng/bạc sở hữu nhiều điểm nóng (hot spot) Sự tăng cường điện trường bởicấu trúc nano plasmonic kim loại do các cạnh hay đỉnh sắc nhọn được ứngdụng trong một số lĩnh vực như quang tử, cảm biến, chụp ảnh sinh học Sựtăng cường trường điện từ định xứ do dao động tập thể của các electron dẫn

trong cấu trúc nano kim loại gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ(LSPR) được kích thích bởi bức xạ ánh sáng bên ngoài Các cạnh hay đỉnhsắc nhọn có nhiều electron tự do đóng góp vào sự tăng cường trường điện từđịnh xứ nhờ hiệu ứng cột thu lôi (lighting rod) [7] Dao động của các electron

tự do ở các miền sắc nhọn bị kích thích bởi trường điện từ như là ánh sánglaser dẫn đến sự tăng cường đáng kể trường điện từ định xứ cho hoạt tínhSERS cao LSPR phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, khoảng cách giữa cáchạt và môi trường xung quanh [8] Hệ số tăng cường tín hiệu SERS tỉ lệ vớilũy thừa bậc 4 với tỉ số giữa trường điện từ định xứ với trường kích thích tới[8], hệ số tăng cường trong khoảng 103–106 tùy vào cấu trúc nano plasmonic.Trong cơ chế điện từ, ánh sáng hội tụ vào thể tích nhỏ trên cấu trúc nano vàđóng góp chính vào sự tăng cường SERS cho hệ số tăng cường (EF) cao 106-

108 Cách phổ biến nhất để cải thiện tín hiệu SERS một cách hiệu quả là tối

ưu hóa hình dạng, kích thước, thành phần, cấu trúc tự sắp xếp của hạt nanokim loại quý Hiệu ứng SERS rõ rệt hơn khi các phân tử chất phân tích hấpphụ trên bề mặt kim loại gồ ghề vàng, bạc Bạc tạo ra sự tăng cường trườngđiện từ do cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ, sự tăng cường do Ag mạnhhơn gần 3 lần sự tăng cường do Au [10] Tuy nhiên, Ag dễ bị oxi hóa trongmôi trường nên hạn chế ứng dụng của chúng trong thực tế Việc kết hợp Au

và Ag đã khắc phục được hạn chế của Ag Độ nhạy của tín hiệu SERS có thểđược cải thiện bằng việc kết hợp LSPR với dao động phân tử Tính chấtSERS phụ thuộc vào trạng thái vật lý và hóa học, độ bền vững của bề mặt,điện tích bề mặt đế, định hướng của cấu trúc phân tử chất phân tích, bướcsóng laser kích thích [11] Cơ chế này đóng góp chính trong sự tăng cường tínhiệu Raman của SERS

1.2.2.2 Tăng cường hóa học (CM)

Do sự hình thành của phức truyền điện tích cộng hưởng ở bề mặt cấutrúc nano kim loại giữa các mức năng lượng điện tử của kim loại với các phân

tử hấp phụ đóng góp vào tăng cường tín hiệu SERS với hệ số tăng cường cỡ

10 Sự tăng cường hóa học là do tương tác và truyền điện tích giữa phân tửchất phân tích và hạt nano kim loại Cơ chế hóa học dựa trên sự truyền điệntích giữa phân tử chất phân tích và bề mặt kim loại nên phụ thuộc vào bảnchất của chất phân tích và vị trí hấp phụ trên đế Các phân tử hấp phụ trên bềmặt kim loại thông qua lực van der Waals, liên kết đồng hóa trị hoặc tươngtác tĩnh điện Khi phủ vàng lên bề mặt hạt nano bạc, có sự truyền điện tíchgiữa bề mặt Au và phân tử hấp phụ, sự tăng cường tín hiệu SERS theo cơ chếhóa học vượt quá hệ số 100 [12] Sự tăng cường điện từ của chất hấp phụ dokích thích plasmon bề mặt kim loại, sự hấp thụ hóa học do hiệu ứng truyềnđiện tích giữa kim loại và phân tử hấp phụ Hiệu ứng điện từ chiếm ưu thế vàhiệu ứng hóa học chỉ đóng góp một hoặc hai bậc về độ lớn Cơ chế điện từphụ thuộc vào độ gồ ghề bề mặt, cơ chế hóa học liên quan đến sự thay đổitrạng thái điện tử do sự hấp thụ của chất phân tích [13] SERS là kĩ thuật pháthiện phân tử với độ nhạy và khả năng chọn lọc tốt, nó dựa trên đặc trưng daođộng của các nhóm chức trong phân tử Tín hiệu tán xạ Raman tăng lên 1014–

1015giúp phát hiện đến mức đơn phân tử nên được ứng dụng trong việc pháthiện nhanh thuốc trừ sâu còn dư bị cấm hoặc hóa chất độc hại trong thựcphẩm Hình 1.5 minh họa 2 cơ chế tăng cường SERS

Hình 1.5 Minh hoạ 2 cơ chế tăng cường SERS (a) cơ chế Raman thường và (b) SERS [4]

Một bức xạ laser, với điện trường E( ) dao động ở tần số góc tácđộng vào một phân tử, được đặc trưng bởi một tín hiệu Ramancó độ phân cựctensor ( , ) Tia laser tạo ra một lưỡng cực dao động ở tần số Raman(theo phương thẳng đứng mũi tên đỏ, p(ωL)); công suất Raman được phát rabởi lưỡng cực này tỷ lệ với môđun bình phươngcủa lưỡng cực Trong hình1.5b, tăng cường điện từ cho tán xạ Raman trên bề mặt (SERS) Khi phân tửđược đặt gần một đế nano plasmonic, điện trường mà phân tử sinh ra là ELoc( ), thường mạnh hơn nhiều so với tia laser tới E( ); tăng cường cục bộnày được xác định bởi ( ) Hơn nữa, sự có mặt của đế plasmonic đãnâng cao hiệu suất mà lưỡng cực phát ra bức xạ Raman; khi đó sự tăng cườngbức xạ này được xác định bởi ( ) Hệ số tăng cường điện từ tổng, trongkhoảng gần đúng |E|4, được định nghĩa là: ( ) = ( ) ( ).Đối với trường hợp tăng cường hóa học như hình 1.5c cho Raman thường, cácmode dao động của phân tử trong không gian trống được đặc trưng bởi cácthiết diện ngang Hình 1.5d thể hiện cơ chế tăng cường hoá học củaSERS Sự tương tác với đế plasmonic làm thay đổi cấu trúc của phân tử và do

đó dẫn đến thay đổi các thiết diện của các mode ( ) Sự tăng cường hóahọc được xác định bởi [4]:

1.2.3 Hệ số tăng cường SERS (EF)

Có thể nói rằng, hệ số tăng cường SERS là một trong những thông sốquan trọng nhất để mô tả đặc điểm của hiệu ứng SERS Điều này đặc biệtquan trọng đối với các ứng dụng thực tế mà mối quan tâm đầu tiên thường làmức độ của hệ số tăng cường có thể đạt được Những vấn đề này gần đây đãđược Natan và cộng sự nhấn mạnh trong một đánh giá chi tiết về hoạt độngcủa SERS Một số nghiên cứu khác đã tập trung vào việc xác định các yếu tố

ảnh hưởng đến hệ số EF trong các điều kiện cụ thể, tuy nhiên chủ yếu tậptrung vào giá trị EF trung bình Trên thực tế, EF phụ thuộc rất mạnh mẽ vàocác điều kiện SERS chính xác: bản chất vật liệu đế, chất phân tích, bước sóngkích thích, v.v

Hệ số tăng cường SERS (EF) có thể được hiểu đơn giản là tỉ số giữacường độ tín hiệu các đỉnh phổ Raman thu được của một phân tử cần phântích khi sử dụng đế SERS so với khi không sử dụng đế SERS trong điều kiệnthí nghiệm giống nhau Hệ số tăng cường SERS (EF) có thể được định nghĩatheo 3 cách sau[14]:

Hệ số tăng cường đơn phân tử (SMEF)

Hiện nay, nhữngcải tiến của SERS hầu hết dựa trên 2 hướng, một là cảitiến về đầu thu (detector) hoặc cải tiến về bản chất vật liệu đế SERS (vật liệu,hình dạng, kích thước ) Tuy nhiên, cải tiến theo hướng đế SERS vẫn được

ưu tiên hơn do chúng có nhiều lợi thế hơn như: rẻ hơn, linh động hơn trongkhi theo hướng cải thiện đầu thu rất tốn kém chi phí và công nghệ sản xuất

Hệ số tăng cường đơn phân tử được xác định bằng biểu thức:

(1.5)Với là cường độ Raman thường và là cường độ SERS của đơnphân tử đang được xem xét, của cùng chất phân tích [14] Tuy nhiên, hệ

số tăng cường SERS được xác định như trên cũng còn có hạn chế do chúngcòn phụ thuộc vào sự định hướng của các phân tử phân tích trên đế

Hệ số tăng cường từ quan điểm đế SERS

Đối với nhiều ứng dụng và thực nghiệm SERS, sự phân bố của SMEFtrên đế không quá quan trọng vì một phần chủ yếu xử lý các tín hiệu SERStrung bình Do đó, điều quan trọng là xác định một hoặc nhiều yếu tố ảnhhưởng đến tăng cường đế SERS có thể được sử dụng để so sánh các cải tiến

tín hiệu trung bình của SERS Trên thực tế, hầu hết các nghiên cứu về SERSđều tập trung vào khía cạnh này Định nghĩa được sử dụng phổ biến nhất cho

EF trung bình được xác định bởi:

(1.6)Trong đó, là số phân tử trung bình trong thể tích tán xạ (V)cho tán xạ Raman (không phải SERS), là số phân tử trung bình hấp phụtrong thể tích tán xạ (V) cho trường hợp SERS

Hệ số tăng cường từ quan điểm hoá phân tích

Tăng cường đơn phân tử (SMEF) và tăng cường đế (EF) đã cố gắngnhấn mạnh các đặc tính nội tại của đế SERS Tuy nhiên, có một câu hỏi đượcđặt ra là: có bao nhiêu tín hiệu mong đợi từ SERS so với tín hiệu Ramanthường trong cùng điều kiện thực nghiệm? Để giải thích câu hỏi này, cần mộtđịnh nghĩa khác cho hệ số tăng cường SERS: Hệ số tăng cường được tiếp cận

từ lĩnh vực hoá phân tích Từ đó, căn cứ vào nồng độ chất cần phân tích, hệ sốtăng cường phân tích được xác định bằng biểu thức sau:

(1.7)Với lần lượt là cường độ tín hiệu Raman và nồng độ phân

tử của chất cần phân tích được hấp phụ trên đế SERS là cường độtín hiệu Raman và nồng độ tương ứng của chất cần phân tích khi không có

đế SERS

Định nghĩa này mặc dù có hữu ích cho các trường hợp cụ thể, tuy nhiên,

EF phụ thuộc mạnh vào nhiều yếu tố khác như: tính chất hấp phụ, phạm vibao phủ của đế cũng như số phân tử bị hấp phụ Thực tế, EF là một phươngpháp soi đặc điểm bề mặt Vì vậy, chuẩn bị đế SERS chính là một khâu vôcùng quan trọng trong định nghĩa này [14]

đó Đặc biệt, các kim loại như vàng, bạc, đồng ở cấu trúc nano và khi kíchthước của chúng nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới (laser) sẽ xuất hiện hiệntượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) Hiệntượng cộng hưởng plasmon bề mặt với bước sóng tương ứng của phổ Ramankích thích là điểm mấu chốt khuếch đại tín hiệu trong hiệu ứng SERS Trongcác nghiên cứu trước đây, khi sử dụng hệ nano phân tán trong dung dịchthường khó tránh khỏi hiện tượng keo tụ khiến bề mặt vật liệu không cònđồng đều và khó kiểm soát được sự tăng cường tín hiệu Raman cho vùngkhảo sát Để giải quyết vấn đề này, nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo các hạtnano vàng (AuNPs) với kích thước xác định và được sắp xếp đồng đều trên bềmặt phiến oxit thiếc indi (Indium Tin Oxide, ITO) bằng kỹ thuật quang khắcchùm điện tử (Electron-Beam Lythography, EBL) Và để có được tín hiệuSERS với cường độ mạnh liên quan tới phân tử cần phân tích, đồng nghĩa vớiviệc chúng phải có ái lực mạnh đối với bề mặt AuNPs AuNPs cần được chứcnăng hóa bề mặt nhằm bẫy và/hoặc làm giàu chất cần phân tích gần sát với bềmặt AuNPs.

SERS có tiềm năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong y học,môi trường, phân tích hóa học, ngành pháp y, hóa sinh, Các lĩnh vực nàyviệc xác định cấu trúc và đặc điểm phân tử đóng vai trò vô cùng quan trọng.Một số ứng dụng điển hình của SERS:

a) Ứng dụng trong phân tích môi trường

Từ khi được phát hiện đến nay, SERS đã được sử dụng như là một công

cụ vô cùng hữu ích trong việc phân tích một trường Các nghiên cứu vớiSERS trong lĩnh vực này cũng rất phong phú: phân tích và phát hiện thuốcdiệt cỏ, thuốc trừ sâu, các hóa chất dược phẩm trong nước, các loại chất cấm

là thuốc nhuộm thực phẩm, các hóa chất gốc thơm có trong nước ngọt, trongnước biển, axít amin các dẫn xuất chlorophenol, các thành phần hóa học làchất nổ trong chiến tranh, các chất ô nhiễm hữu cơ trong đất, các hóa chất gâyảnh hưởng đến nội tiết và methane hòa tan

Ngày nay, thuốc trừ sâu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nôngnghiệp Độc tính của thuốc trừ sâu tiềm ẩn đối với con người, động vật vàmôi trường Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), nồng độ chophép của thuốc trừ sâu là từ 0,1 đến 50 ppm trong các sản phẩm thực phẩmnông nghiệp (gạo, rau, củ, quả…) và các sản phẩm chế biến khác nhau Hầuhết các thuốc trừ sâu hóa học có thể được nhóm lại dựa trên cấu trúc hóa họccủa chúng, chẳng hạn như các nhóm cúc tổng hợp, lân hữu cơ, carbamat, clohữu cơ… Hiện nay, để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trên các sản phẩmnông nghiệp, phương pháp được sử dụng nhiều nhất là sắc ký Công bố đầutiên về việc sử dụng SERS để phát hiện thuốc trừ sâu lân hữu cơ là vào năm

1987 [15] Nghiên cứu này đã chứng minh được tiềm năng sử dụng SERStrong phân tích thuốc trừ sâu fonofoxon trong các mẫu đất với nồng độ 0,1M.Các nghiên cứu gần đây về việc sử dụng phương pháp SERS để phát hiệnthuốc trừ sâu đã có những bước tiến vượt bậc Cụ thể, với việc sử dụng đếSERS là các thanh nano vàng, F K Alsammarraie và đồng nghiệp đã nhậnbiết thuốc trừ sâu carbaryl trong sữa và nước hoa quả ở nồng độ thấp tới 50ppb (Hình 1.6 (a)) [16] Nhóm nghiên cứu của L Yande đã chỉ ra rằng bằngcông cụ SERS họ có thể nhận biết 2 loại thuốc trừ sâu là chlorpyrifos vàphosmet với nồng độ thấp nhất tương ứng là 1,26 mg/L và 1,23 mg/L [17].Ngoài ra, L Lin và các đồng nghiệp đã sử dụng các cấu trúc nano bạc và

vàng để nhận biết thiabendazole [18] Các tác giả đã chỉ ra rằng cấu trúcnano bạc có độ nhạy SERS là tốt hơn rất nhiều so với cấu trúc nano vàng vàgiới hạn nhận biết thiabendazole đạt được đối với cấu trúc nano bạc ở mức0,05µg/L Sử dụng đế SERS là giấy lọc với các hạt nano bạc được phủ lêntrên bề mặt để phát hiện nhanh thuốc trừ sâu thiram trên vỏ quả táo, nho và

lê Nhóm nghiên cứu của K Wang đã chỉ ra rằng giới hạn nhận biết thiram

mà họ đạt được trên các loại hoa quả trên tương ứng là 4,6261; 5,1799 và5,7061 ng/cm2 (Hình 1.6 (b)) [19]

Một số công bố gần đây nhất cho thấy SERS có thể hoàn toàn ứng dụngtrong nông nghiệp khi SERS cho kết quả rất tốt trong việc phân tích đồng thờinhiều loại thuốc bảo vệ thực vật [20] Chẳng hạn, SERS có thể phát hiệnnhiều thuốc sâu cùng một lúc có mặt trong nước trồng lúa

Hình 1.6.Phổ SERS của các thuốc trừ sâu khác nhau: a) carbaryl [16] và b) thiram [19]

b)Ứng dụng của SERS trong lĩnh vực sinh học, y học, pháp y

Các thí nghiệm SERS đã được thực hiện trên nhiều loài sinh vật khácnhau, từ axit amin, peptit, purin và các gốc pyrimidine và protein, đến DNA,RNA, chất diệp lục và các sắc tố khác, các phân tử chứa tế bào sắc tố (nhưprotein chứa heme), thuốc kích thích, và thuốc kháng u tương tác với DNA và

vi khuẩn, đạt độ nhạy cao, ngay cả ở cấp độ đơn phân tử Các hạt nano vàng

và bạc dạng keo cũng được sử dụng làm cảm biến SERS trong tế bào sống, đểtăng cường tín hiệu Raman của các thành phần nội bào và thu được thông tin

về cả thành phần và động lực học của tế bào

Điện cực bạc và các hạt nano bạc dạng keo là những đế SERS phổ biếnnhất được sử dụng trong dung dịch Chúng đã được sử dụng khảo sát quátrình động học của các dao động cấu trúc DNA [21], đồng thời để phân biệtcác chất dẫn truyền thần kinh như dopamine và norepinephrine, có cấu trúctương tự, trong phạm vi gần ở cấp độ nano, phát hiện phân tử đơn như đượcquan sát với adenin và adenosine monophosphat, thậm chí còn để phát hiện sựkhông khớp đơn trong đoạn DNA sợi kép (ds-DNA).

 Phát hiện phân tử DNA

Việc phát hiện các dấu hiệu sinh học có tiềm năng trong quá trình hiểubiết về cơ chế sinh bệnh, bao gồm nhiều bệnh ung thư, cũng có thể được thựchiện bằng cách xác định trình tự của micro RNA (miRNA), vì nó có chứcnăng như một cơ quan điều hòa biểu hiện gen Các thanh nano bạc đã được sửdụng thành công làm đế SERS plasmonic để phát hiện nhanh, nhạy các thànhphần trong họ miRNA Ngoài ra, các dung dịch keo bạc đã được sử dụngtrong các thiết bị vi lỏng để tăng cường tín hiệu Raman của các gốc RNAmạch đơn không có nhãn; tín hiệu của adenin và cytosine là dấu hiệu của cácgốc purine và pyrimidine ở dạng sợi đơn Phổ SERS cho thấy các nucleobase

có thể được phát hiện một cách chọn lọc ngay cả trong một vài giọt ở cỡnanolit (hình1.7) [4]

Hình 1.7 Cấu trúc và phổ SERS của polyadenosine sợi đơn (a) và polycytidine sợi đơn (b) [4]

Đối với purine bộc lộ hai cực đại chính ở 733 cm và 1332 cm , đượcchỉ định cho chế độ kéo căng vòng có thể được sử dụng làm dải đánh dấu.Phần đế pyrimidin thể hiện chế độ giãn vòng và chế độ kéo căng vòng, lầnlượt ở 795 và 1307 cm-1, và dải 1636 cm-1 được gán cho dao động C = O.Phân tích SERS của RNA ở mức độ siêu nhạy cũng đã được thực hiện bằngcách sử dụng các hạt nano bạc phủ tinh trùng tích điện dương Sử dụng các đếnano bạc này, tín hiệu SERS cho phép người ta xác định và phân loại các cấutrúc RNA tương tự; bằng cách phát hiện cấu trúc và thành phần của chúng,người ta có thể nhận diện các dạng phân đoạn bổ sung hoàn toàn, các RNAnhỏ và kẹp ngắn, đồng thời đa dạng hóa trình tự miRNA, bằng cách phân biệt

từ các khác biệt hóa học, chẳng hạn như các phương sai bazơ đơn

 Phân tích các chức năng và thành phần của tế bào trong môi trường vi mô

Để khảo sát các loại chất hóa học bên trong tế bào, cần phải kết hợp các hạtnano plasmonic vào các mẫu sinh học Vì vậy, các hạt nano keo vàng đã đượcchứng minh là phù hợp nhất nhờ tính tương thích sinh học của chúng, và hệ sốtăng cường Raman cao trong phạm vi kích thích cửa sổ sinh Các hạt nano keovàng cho phép một công cụ nhạy và chọn lọc để phát hiện các chất hóa học bêntrong tế bào và để theo dõi sự phân bố của chúng Hơn nữa, bằng cách thiết kếđúng kích thước, hình dạng và chức năng bề mặt của các hạt nano vàng, có thểxác định màng tế bào nào sẽ vượt qua và vị trí các hạt nano sẽ được định vị trong

tế bào của hệ thống sống [22] Các hạt nano vàng có đường kính 60 nm được kếthợp vào tế bào bằng cách hấp thụ pha chất lỏng, từ đó làm tăng tín hiệu Raman.Tín hiệu SERS cung cấp thông tin về cấu trúc mô, cho phép quan sát sự sửa đổicấu trúc và thậm chí cho phép lập bản đồ Raman của mô

 Phát hiện Protein

Các phương pháp khác nhau đã được sử dụng để xác định đặc tính củaprotein thông qua SERS SERS phân giải theo thời gian đã được sử dụng đểkhảo sát động học của quá trình oxy hóa khử của cytochromes, bị hấp phụ trênđiện cực Ag, do đó cung cấp thông tin động học và cấu trúc về phản ứng truyềnđiện tử của các đơn lớp bị hấp phụ Phổ Raman đã được ghi lại từ myoglobingắn với các hạt Ag cố định có kích thước quãng 100 nm Ngoài ra, bằng cách

sử dụng các hạt nano bạc dạng keo có thể xác định các đa protein không có dánnhãn Các hạt nano bạc dạng keo được hấp phụ trên màng nitrocellulose - nơicác protein đã được hấp thụ trước đó, cho phép dễ dàng hiển thị phổ SERS củamyoglobin và BSA đạt đến giới hạn phát hiện rất thấp (tới 4 ng) Tương tácgiữa các hạt nano và cấu trúc tự nhiên của protein cũng được đặc trưng bằngcách sử dụng SERS Việc phát hiện các oligonucleotide không có nhãn, gồm

12 - 14 cặp bazơ ở nồng độ 10-7 M, đã được thực hiện bằng cách sử dụng cáchạt nano bạc, như các đế SERS Gần đây, một phương pháp mới đã được đềxuất để cho phép khảo sát các protein bằng cách giữ chúng ở trạng thái nguyênbản, bao gồm việc sử dụng dung dịch keo nano bạc được biến tính bằng iốt, từ

đó tạo khả năng tái tạo tốt và độ nhạy của tín hiệu SERS [4] Hình 1.8 là ví dụđiển về việc sử dụng các dung dịch keo nano bạc để ứng dụng trong SERS pháthiện Avidin, BSA, Cytochrome và Hemoglobin

Hình 1.8 So sánh phổ Raman bình thường (vạch xanh lục, a) và phổ SERS khuếch đại (vạch

đỏ, b) của Avidin (A), BSA (B), Cytochromo c (C) và Hemoglobin (D) Phổ SERS thu được bằng phương pháp hạt nano Ag với các nồng độ mẫu phân tích lần lượt là 300, 300, 3, 30 µg/mL Vạch màu xanh lam c, trong phổ BSA (B), bằng chứng về hiệu ứng kết hợp: Không phát hiện được tín hiệu Raman trước khi kết hợp Phổ Raman của chất rắn avidin, BSA và Hemoglobin thu được với laser kích thích có công suất 20 mW và thời gian thu nhận 30s [4].

 Phát hiện vi rút, vi khuẩn

SERS còn được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện vi rút, vi khuẩntrong thực phẩm gây bệnh đối với y học Nano Ag dưới dạng keo đã được sửdụng trong thời gian trên tế bào vi khuẩn bởi Efrima và cộng sự [23] Họ đãkhảo sát vi khuẩn Escherichia coli bằng cách sử dụng các hạt nano bạc đượctạo ra ở cả bên trong và thành ngoài vi khuẩn Đặc biệt, thí nghiệm đã thu đượctín hiệu cường độ SERS rất cao nhờ sự có mặt của nano bạc Các thanh nanobạc đã được sử dụng làm chất đế SERS để khảo sát virus gây hại đường hô hấp

ở người ở nồng độ vết Phổ SERS được ghi lại từ một lượng mẫu cực nhỏ vàcho phép phân biệt giữa vi rút đường hô hấp và vi rút biến đổi gen (hình 1.9)

Hình 1.9.(a) Hình minh hoạ đế SERS từ thanh nano bạc được chế tạo bằng hệ thống bốc bay chùm điện tử hay phún xạ lắng đọng theo góc xiên 86° trên màng mỏng 500 nm Ag (b) ảnh SEM của hai các mẫu có chiều dài thanh nano khác nhau h = 868 nm, và (c) h = 2080

nm với đường kính 99 nm [23].

1.3 Giới thiệu một số vật liệu dùng cho tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Lựa chọn và chế tạo đế SERS là khâu vô cùng quan trọng trong ứngdụng kĩ thuật SERS Đế SERS có thể là đế cứng hoặc đế mềm dẻo Thôngthường, đế SERS được dùng là các thanh kim loại hoặc hệ hạt nano kim loại.Chúng có tác dụng khuếch đại tín hiệu tán xạ Raman của các phân tử chấtphân tích được hấp phụ đặt trên nó Đế SERS tốt phải có khả năng tăng cườngtín hiệu Raman mạnh nhất, có độ ổn định và độ lặp cao Một số bề mặt kimloại có thể được dùng làm đế SERS Bề mặt kim loại (có cấu trúc hạt cỡ nano)

càng gồ ghề thì tín hiệu tán xạ Raman thu được càng mạnh Ở đây tín hiệuRaman cũng phụ thuộc vào hình thái cấu trúc kim loại Tập hợp các hạt kimloại cũng có thể thay thế cho một thanh kim loại có cấu trúc nano với bề mặt

gồ ghề Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện để chế tạo ra các đếSERS sử dụng các hạt nano kim loại quý, trong đó loại đế phổ biến nhất làdung dịch dạng huyền phù của các hạt nano kim loại (bạc, vàng) Các đếSERS loại này được báo cáo là cung cấp sự tăng cường SERS khá tốt nhưnglại có nhược điểm lớn là kém ổn định và độ lặp lại không cao do các hạt nanôkim loại liên tục chuyển động và thường bị tụ lại với nhau Một cách tiếp cậnkhác để khắc phục được các hạn chế trên là gắn cố định các hạt nanô kim loạitrên một đế rắn có bề mặt gồ nghề, hoặc các hệ dây nano sắp xếp thẳng hàng.Trong cách tiếp cận này thì các hạt nano kim loại được sử dụng nhiều nhất làcác hạt nano bạc (AgNPs) nhờ có độ ổn định cao, có cộng hưởng plasmonrộng trong các vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần và đặc biệt là các AgNPscho hiệu suất tăng cường SERS rất tốt [24]

Trong các kim loại, Au và Ag là hai kim loại được dùng nhiều nhất đểchế tạo đế SERS, bên cạnh đó có thêm nano composit bán dẫn cũng đượcdùng trong kĩ thuật SERS Các kim loại này có thể hỗ trợ cộng hưởngplasmon tốt trong các bước sóng kích thích trong vùng nhìn thấy và hồngngoại gần - những vùng quan trọng đối với SERS [25]

1.3.1 Nano vàng, bạc

Các chất keo bạc và vàng hình cầu là những hạt nano được sử dụng rộngrãi nhất cho các thí nghiệm SERS trong dung dịch Chúng thường được tổnghợp bằng cách khử muối tiền chất kim loại Ag, Au bởi natri citrate hoặcbromide trong nước; citrate được hấp thụ trên bề mặt của các hạt nano cũnghoạt động như một chất ổn định [26] Cộng hưởng plasmon bề mặt định xứthường đạt cực đại tương ứng ở khoảng 400 và 520 nm đối với bạc và vàng

Các hạt nano hình cầu cũng có thể được chế tạo bằng cách cắt đốt bằng laser[27] Trong trường hợp này, miếng kim loại được đặt dưới đáy của một dungdịch và một tia laze phát xung gần như hội tụ ở bề mặt của nó; quá trình gianhiệt và quang hóa làm cho kim loại thay đổi trạng thái kết tụ, tạo thành cácgiọt chất lỏng, hơi hoặc chùm tia plasma Vật liệu được nguyên tử hóa từ đíchsau đó ngưng tụ, dẫn đến sự hình thành các hạt nano Với sự đốt bằng laser, cáchạt nano có thể được chế tạo từ các vật liệu khác nhau mà tuỳ chọn tấm đíchthích hợp và cũng không cần chất khử như trong phương pháp hoá học [27].Ngoài các hạt nano hình cầu, một số hình dạng khác nhau đã được phát triển đểtạo ra một dải phổ rộng hơn và cải thiện các đặc tính tăng cường SERS củachúng Một phương pháp rất hiệu quả để tăng tín hiệu SERS dựa vào sự tậphợp của các hạt nano Ví dụ, nó có thể được thực hiện bằng cách thêm một sốmuối (NaCl, NaNO3 ) vào dung dịch Do đó, sự gia tăng cường độ ion củadung dịch làm giảm sự sàng lọc các điện tích ổn định trên bề mặt của các hạtnano dẫn đến sự kết tụ Bản thân chất phân tích có thể đóng vai trò tương tựnếu nó là thuốc nhuộm ion hoặc nếu do các nhóm chức của nó thay thế cácphối tử ổn định trên bề mặt của các hạt nano (ví dụ pyridin) Meyer và cộng sựcho thấy rằng keo nano bạc trong các điều kiện thích hợp có thể được kết tụbằng cách bổ sung KCl để tạo thành một trạng thái tồn tại lâu dài mà khôngdẫn đến sự kết tủa của các cụm hạt lớn Chất keo ở trạng thái bền vững này cóthể tạo ra tín hiệu SERS có cường độ cao được thử với thuốc nhuộm màu (nhưxanh methylen, methyl đỏ ) và cho nhiều ưu điểm rõ ràng về độ ổn định củatín hiệu và độ lặp lại cao Các phân tử liên kết có thể được sử dụng để tạo racác dimer có khe hở rất nhỏ tương ứng với kích thước của chính chất liên kết

đó Với mục đích này, các phân tử chức năng sinh học như diaminoazobenzene hoặc các sợi DNA bổ sung đã được sử dụng

4,40-Trong số các vật liệu được quan tâm, bạc có nhiều tính chất đặc trưng vàhữu ích mà con người đã biết đến từ lâu như tính kháng khuẩn, tính xúc tác,

tính dẫn điện và nhiệt tốt Các tính chất của nano Ag phụ thuộc vào kíchthước, hình dáng và hóa bề mặt [13] Do đó, nhiều phương pháp tổng hợpđược phát triển để khai thác các tính năng của hạt nano Ag.

Đối với nano vàng, với tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt [29], hạtnano vàng cũng đã và đang trở thành mối quan tâm lớn của nghiều nhà khoahọc Những ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhưxúc tác [3], điện hóa, khả năng chống oxi hóa, phát hiện và điều trị ung thư[30] Các hạt vàng nano với kích thước từ 1nm đến lớn hơn 100nm có tínhchất quang, điện độc đáo, khác hẳn so với vật liệu vàng dạng khối(bulkmaterial) [31] Trong đó, sự khác nhau đáng chú ý giữa vàng nano vàkim loại vàng dạng khối là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể là sẽ chuyển

từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh phụ thuộc vào kíchthước của hạt vàng nano Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bềmặt tạo ra

Chính nhờ tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt mà vàng nano đượcứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chẩn đoán vàđiều trị ung thư [32] Đối với hạt vàng nano, dao động cộng hưởng plasmondẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến Điều này dẫn tới sựthay đổi lớn về màu sắc của dung dịch vàng nano Số lượng và vị trí của dảiplasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của nano vàng Vìvậy, đỉnh cộng hưởng có thể xuất hiện từ vùng khả kiến đến vùng hồngngoại gần Ngoài ra, hằng số điện môi của vật liệu cấu trúc nano (tức môitrường chứa nano), chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng tháicủa bề mặt (dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnhhưởng đến vị trí và hình dạng của cộng hưởng plasmon bề mặt Tính chấtquang của nano vàng dạng cầu có thể được tính toán theo thuyết của Mie.Đối với nano vàng dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựavào thuyết Gans

1.3.2 Nano compossit bán dẫn/kim loại (ZnO/Ag)

Để mở rộng khả năng ứng dụng của SERS, việc nghiên cứu và phát triểncác vật liệu mới đáp ứng yêu cầu tăng cường SERS mạnh là rất được quan tâm.Ngoài nano kim loại thuần như đã giới thiệu ở trên, vật liệu tổng hợp nano kimloại - bán dẫn đã nhận được sự quan tâm lớn cho lĩnh vực tán xạ Raman tăngcường bề mặt do các đặc tính độc đáo của chúng Vật liệu nano Ag - ZnO đượcđiều chế bằng phương pháp thủy nhiệt và khử hóa học đơn giản Vật liệu tổnghợp nano đồng thời tích hợp các hiệu ứng tăng cường riêng lẻ của hai vật liệutrong SERS, như tăng cường điện từ của các hạt nano bạc và tăng cường hóahọc của vật liệu bán dẫn ZnO Bằng cách sử dụng đế này, các phân tửRhodamine 6G có nồng độ thấp tới 10-8 M có thể được phát hiện Vật liệu tổhợp nano được điều chế bằng cách chọn vật liệu bán dẫn thích hợp và vật liệukim loại có thể được ứng dụng làm đế SERS và trong một số phản ứng xúc tácnhất định [33]

Kể từ khi phát hiện ban đầu về tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)vào những năm 1970, nó đã cho thấy một tiềm năng ứng dụng to lớn trongnhiều lĩnh vực do những ưu điểm vượt trội của nó Cấu trúc nano kim loạiquý siêu nhạy ngày càng bộc lộ khi gặp một số vấn đề trong quá trình ứngdụng như dễ bị oxy hoá (bạc), đắt đỏ (vàng, bạc) thì chất bán dẫn dần dầnđược khai thác như một trong những vật liệu đế SERS quan trọng để tậndụng những ưu điểm đặc biệt của chúng ZnO là một trong những chất bándẫn oxit kim loại tiêu biểu nhất với trữ lượng dồi dào, các kỹ thuật chế tạo

đa dạng và hiệu quả về chi phí, cũng như các tính chất vật lý và hóa học đặcbiệt Nhờ các hình thái đa dạng, độ ổn định hóa học tốt, độ rộng vùng cấm

có thể điều chỉnh được, nồng độ hạt tải điện và phép đo phân vị, cấu trúcnano ZnO đang có tiềm năng được khai thác làm đế SERS nhiều hơn Hơnnữa, các đặc tính đặc biệt khác của ZnO như khả năng tương thích sinh học,

xúc tác quang, độ nhạy với khí có thể được tích hợp với nano kim loại đểhoạt động SERS Nhờ một số nghiên cứu đã làm rõ nguyên nhân gốc rễ của

sự chênh lệch lớn giữa hệ số tăng cường (EF) của kim loại quý và của cấutrúc nano ZnO, từ đó kết hợp cả 2 loại vật liệu này sẽ hứa hẹn tạo ra phươngpháp cải thiện hoạt tính SERS [34]

Đối với ZnO-Ag hay ZnO-Au có các cấu trúc tồn tại như dạng lõi/vỏ, dạngpha tạp hay cấu trúc hetereous Trong công bố mới nhất của nhóm PGS VũXuân Hoà và cộng sự cho thấy [35]: các hạt nano bạc (AgNPs) được phân bốđồng đều trên bề mặt của các tấm nano kẽm oxít (ZnO) thông qua quy trìnhkhử bạc nitrat bằng natri borohydrid để tạo ra kim loại lai bán dẫn LượngAgNP trên bề mặt ZnO được kiểm soát cẩn thận bằng cách thay đổi nồng độ bạcnitrat (AgNO3) Hơn nữa, ảnh hưởng của AgNP đến đặc tính tán xạ Raman tăngcường bề mặt (SERS) của các ZnO/Ag đã được khảo sát kỹ lưỡng bằng cách sửdụng xanh metylen (MB) làm phân tử đích Hệ số tăng cường tối đa cho 10-4Mcủa MB đạt 6,2 x 106tại đỉnh phổ ở 1436 cm-1 và giới hạn phát hiện là 10-9 M[35] Ngoài ra, hệ nano lai có thể phân tích phân tử MB với khả năng tái tạo tốthơn với phạm vi nồng độ rộng, từ 10-9 đến 10-4 M Cơ chế SERS cũng đãđược làm sáng tỏ dựa trên các cơ chế điện từ và hóa học liên quan đến sự hợplực của ZnO và Ag trong việc tăng cường tín hiệu Raman Các điểm nóngđược tạo ra nhiều nằm ở khoảng cách giữa các hạt nano Ag riêng biệt và liền

kề các tấm nano ZnO tạo thành một trường điện từ định xứ mạnh và sự truyềnđiện tử giữa ZnO và Ag được coi là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệusuất SERS của đế ZnO/Ag Các tấm nano ZnO/Ag có độ nhạy cao trong việcphát hiện các phân tử MB Hệ thống nano lai kim loại - bán dẫn độc đáo nàyrất thuận lợi cho việc hình thành tín hiệu Raman và do đó thích hợp để pháthiện vết thuốc nhuộm và một số hóa chất khác

CHƯƠNG 2THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC

2.1 Chuẩn bị một số hoá chất chính để sử dụng

Các hoá chất chính được sử dụng để chế tạo các nano bạc và methyl đỏ(MR) để nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH trong đề tài được liệt kê trong bảngdưới đây Các hoá chất đều được mua từ hãng Merk – Đức

Bảng 2.1: Danh mục một số hóa chất chính đã sử dụng

Thể tíchdung dịch(ml)

Nồng độdung dịch(M)

Hình 2.1 Sơ đồ khối chế tạo các cảm biến nano bạc

2.2.1 Chế tạo các nano bạc dạng cầu (AgNPs)

Một bình cầu 3 cổ (đã được làm sạch và sấy khô) được chuẩn bị sẵn 200

ml nước cất, thêm 2,5ml dung dịch AgNO3nồng độ 0,01M; thêm tiếp 0,45 mlTSC nồng độ 0,6M và 0,6ml PVP nồng độ 0,006M, đặt vào một chậu thủytinh có thêm đá lạnh Bình cầu chứa dung dịch thí nghiệm được khuấy từmạnh trong 10 phút Tiếp theo, thêm 0,6ml một cách từng giọt NaBH4 nồng

độ 0,1M và khuấy tiếp trong 1 giờ để phản ứng xẩy ra hoàn toàn Cuối cùngthêm 0,42ml NaOH nồng độ 0,5M, khuấy tiếp trong 15 phút Bình phản ứngđược làm trong môi trường khoảng 4oC Sơ đồ chế tạo các hạt mầm nano bạcđược minh họa như trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ khối chế tạo các mầm nano bạc

2.2.2 Chế tạo các nano bạc dạng tấm vuông (AgNC)

Các mầm AgNPs sau khi được chế tạo ở bước trên, chúng tiếp tục được

sử dụng để chế tạo các nano bất đẳng hướng dạng tấm vuông phẳng (AgNC)