Nghiên cứu và phát triển cảm biến quang học nano vàng lai polyme ứng dụng phân tích một số hợp chất hữu cơ

Trong đề tài này, sự kết hợp hiện tượng tăng cường tín hiệu phổ tán xạ Raman Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS của lõi nano vàng và công nghệ polyme in dấu phân tử Molecularly Impr

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN QUANG HỌC

NANO VÀNG LAI POLYME ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HOÁ HỌC

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Nguyễn Như Sáng

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN QUANG HỌC

NANO VÀNG LAI POLYME ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ

Chuyên ngành : Hoá phân tích

Mã số: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH

HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Nguyễn Thị Tuyết Mai

2 PGS.TS Nguyễn Tuấn Dung

Hà Nội - Năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm

Hà Nôi, ngày … tháng … năm 2022

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được bài luận văn thạc sĩ này, tôi xin bày tỏ sự cảm kích đặc biệt tới cố vấn của tôi, PGS.TS Nguyễn Tuấn Dung và TS Nguyễn Thị Tuyết Mai - Những người đã định hướng, trực tiếp dẫn dắt và cố vấn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm

ơn những bài giảng và kiến thức quý báu mà hai cô đã truyền đạt Đồng thời, hai cô cũng là người luôn cho tôi những lời khuyên vô cùng quý giá về cả kiến thức chuyên môn cũng như định hướng phát triển sự nghiệp Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến hai cô bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình.Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô bộ môn đã dạy dỗ tôi trong suốt hai năm học vừa qua, đồng thời, tôi cũng xin được gửi lời tri ân đến thầy cô trong ban Lãnh đạo, phòng Đào tạo và các phòng chức năng trực thuộc Học viện Khoa học và Công nghệ đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ông Nguyễn Văn Đức và bà Đinh Thị Bích Liễu cùng toàn thể đồng nghiệp thuộc công ty cổ phần Y học Rạng Đông đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong các công việc tại công ty để tôi có thể an tâm thực hiện đề tài nghiên cứu này

Sau cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên tôi trong cuộc sống cũng như trong thời gian hoàn thành luận văn thạc sĩ

Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên quốc tế 6

1.2 NANO VÀNG – TÍNH CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 11

1.2.1 Vật liệu nano vàng 11

1.2.2 Tính chất của hạt nano vàng 12

1.2.3 Các phương pháp chế tạo nano vàng 16

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÁN XẠ RAMAN VÀ PHỔ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT (SERS) 19

1.3.1 Phương pháp quang phổ tán xạ Raman 19

1.3.2 Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt 23

1.4 KỸ THUẬT POLYME IN DẤU PHÂN TỬ 26

1.5 NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA BISPHENOL A (BPA) LÊN SỨC KHOẺ CON NGƯỜI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐNG 27

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 28

2.2 NGUYÊN VẬT LIỆU 28

2.2.1 Hoá chất 28

2.2.2 Dụng cụ, thiết bị 29

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.3.1 Chế tạo nano vàng dạng thanh 29

2.3.2 Chế tạo vật liệu nano vàng lai polyme in khuôn phân tử (AuNR@MIP) 31

2.3.3 Phủ AuNR@MIP trên lớp polystyrene hình cầu 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA ĐẾ SERS 33

3.1.1 Nghiên cứu chế tạo nano vàng dạng thanh (AuNRs) 33

3.1.2 Đặc trưng vật liệu nano vàng lai AuNR@MIP 40

3.1.3 Đặc trưng vật liệu AuNR@MIP/PS 41

3.2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TĂNG CƯỜNG TÍN HIỆU PHỔ TÁN XẠ RAMAN CỦA VẬT LIỆU AuNR@MIP/PS TRONG PHÂN TÍCH BPA 43

3.3 TÍNH CHỌN LỌC CỦA ĐẾ SERS AuNR@MIP/PS 47

3.4 ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CỦA ĐỀ AuNR@MIP/PS 48

3.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG CỦA ĐẾ AuNR@MIP/PS 50 3.6 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH BPA TRONG MẪU THỰC 52

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 54

KẾT LUẬN 54

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 54

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

5 TSPR Transverse surface

plasmon resonance

Cộng hưởng plasmon bề mặt theo trục ngang

6 LSPR Longitudinal surface

plasmon resonance

Cộng hưởng plasmon bề mặt theo trục dọc

Độ lệch chuẩn tương đối

13 NP Nanoparticles Nano dạng cầu

14 AR Aspect Ratio Tỷ số cạnh dài/ngắn

15 EM Electro Magnetic Trường điện từ

16 FDA Food and Drug

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1: Danh mục hoá chất 28Bảng 2-2: Các điều kiện chế tạo nano vàng dạng thanh 31Bảng 3-1: Phát hiện BPA trong nước uống đóng chai bằng SERS sử dụng cảm biến AuNR@MIP/PS 53

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: (a) Các phổ SERS của Rhodamine B ở các nồng độ khác nhau

sử dụng đế có nano Ag hình cầu và (b) đồ thị mô tả mối quan hệ giữ cường độ của đỉnh Raman của Rhodamine theo nồng độ [6] 4Hình 1-2: Sơ đồ quy trình chế tạo điện cực MIP [12] 5Hình 1-3: Mô tả ứng dụng chính sử dụng kỹ thuật SERS và một số thiết

bị đo SERS cầm tay (Point-Of-Care) đã được Ocean Opyics phát triển [16] 6Hình 1-4: Mô hình tổng quát một số dạng cảm biến MIP-SERS và nguyên

lý phép đo [19] 8Hình 1-5: Các loại (A) monomer chức năng; (B) chất liên kết chéo ; (C) chất khởi tạo và (D) tiền chất polymer hóa sol-gel [19] 8Hình 1-6: Mô tả quá trình tổng hợp cảm biến SERS in dấu trên nền SiO2@AgNPs [22] 9Hình 1-7: Quá trình chế tạo cảm biến MIP-SERS trên vật liệu bAu@mSiO2@MIP [23] 9Hình 1-8: Mô tả một hệ đo SERS cầm tay dựa trên nguyên lý MIP-SERS xác đinh BPA [24] 10Hình 1-9: Màu sắc kháu nhau giữa các hạt nano vàng có kích thước khác nhau [25] 11Hình 1-10: Hiện tượng cổng hưởng plasmon bề mặt [28] 12Hình 1-11: Hiện tượng SPR của nano vàng dạng cầu [29] 13Hình 1-12: Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR (a); Phổ UV – Vis tương ứng của GNR (b) [31] 14Hình 1-13: Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước của hạt vàng nano [31] 15Hình 1-14: Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh 20Hình 1-15: Các mode dao động cơ bản 21Hình 1-16: Ba mode dao động của H2O và sự thay đổi kích thước (a), hình dạng (b) và định hướng (c) của các ellipsoid phân cực của các phân tử nước Các cột ở giữa cho thấy ellipsoid phân cực ở vị trí cân bằng của phân tử, còn các cột bên trái và bên phải hiện thị ellipsoid phân cực ở các vị trí biên của các dao động 21Hình 1-17: Phổ Raman của bột Sudan đỏ [46] 22

Hình 1-18: Mô hình quá trình chế tạo và nhận biết bằng công nghệ in dấu

phân tử [65] 26

Hình 1-19: Công thức cấu tạo của Bisphenol A 27

Hình 2-1: Sơ đồ tóm tắt quy trình tổng hợp đế SERS 32

Hình 3-1: Sơ đồ quy trình chế tạo đế SERS đa chức năng 33

Hình 3-2: Phổ UV-vis của AuNRs tổng hợp với lượng HCl khác nhau: (1) 150 µL HCl; (2) 300 µL HCl; (3) 450 µL HCl 34

Hình 3-3: Hình ảnh SEM của dung dịch AuNRs khi sử dụng (a) 150 µL HCl; (b) 300 µL HCl; (c) 450 µL HCl 35

Hình 3-4: Phổ UV-vis của AuNRs tổng hợp với lượng AgNO3 khác nhau: (1) 0,6 mL AgNO3; (2) 0,8 mL AgNO3; (3) 1,2mL AgNO3 36

Hình 3-5: Hình ảnh SEM của AuNR tổng hợp với (a) 0,6 mL AgNO3; (b) 0,8 mL AgNO3; (c) 1,2 mL AgNO3 37

Hình 3-6: Phổ UV-vis của AuNRs tổng hợp với lượng dung dịch mầm vàng khác nhau: (1) 20 µL; (2) 40 µL; (3) 60 µL 38

Hình 3-7: Hình ảnh SEM của AuNR tổng hợp với (a) 20 µL; (b) 40 µL; (c) 60 µL mầm vàng 39

Hình 3-8: Hình ảnh SEM của hai mẫu AuNRs(a) và AuNR@MIP(b) 40

Hình 3-9: Quang phổ hấp thụ UV-vis của hai mẫu AuNRs và AuNR@MIP 41

Hình 3-10: Hình ảnh SEM của mảng đơn lớp tuần hoàn PS (a) và AuNR@MIP được phủ trên mảng PS với nồng độ khối lượng là 0,28mg/mL (b), 0,37 mg/mL (c), 0,55 mg/mL (d), 1,1 mg/mL (e); và (f) hình ảnh có độ phóng đại cao cho khu vực được đánh dấu bằng hộp đường nét đứt trong hình (e) 42

Hình 3-11: Phổ Raman đo trên các đế AuNR@MIP-BPA/PS, AuNR@NIP/PS và của mẫu bột BPA 43

Hình 3-12: Phổ SERS đo trên phiến mẫu AuNR@MIP-BPA/PS - đường màu xanh (trước khi loại bỏ BPA) và mẫu AuNR@MIP/PS - đường màu đỏ (sau khi loại bỏ BPA để tạo khuôn phân tử) 44

Hình 3-13: Phổ SERS đo trên phiến mẫu AuNR@MIP/PS - đường màu đen và mẫu AuNR@NIP/PS - đường màu xanh, sau khi được ngâm 10 phút trong dung dịch BPA 45

Hình 3-14: Phổ SERS đo trên chất nền AuNR@MIP/PS được ngâm với dung dịch BPA ở nồng độ (a) 0,1 mg/L, (b) 0,2 mg/L, (c) 0,4 mg/L, (d) 0,6 mg/L , và (e) 1,0 mg/L 46Hình 3-15: Mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ đỉnh SERS ở số sóng

1174 cm-1 và nồng độ BPA trên đế AuNR@MIP/PS 47Hình 3-16: Biến đổi cường độ của tín hiệu SERS ở 1174 cm-1 đo trên chất nền AuNR@MIP/PS sau khi được ngâm với 1,0 mg/L BPA, DES, BPAF và

BP, tương ứng 48Hình 3-17: Phổ SERS của BPA tại 8 vị trí bất kì trên cùng một chất nền AuNR@MIP/PS 49Hình 3-18: Đồ thị biểu diễn cường độ Raman của BPA tại 1174 cm-1 được

đo tại tám điểm bất kì trên cùng 1 tấm đế AuNR@MIP/PS 50Hình 3-19: Phổ SERS 1,0 mg/L BPA trên chất nền AuNR@MIP/PS với

10 lần tái sử dụng 51Hình 3-20: Cường độ đỉnh tại số sóng 1174 cm-1 trong 10 quá trình gắn và rửa giải BPA 52

MỞ ĐẦU

Tình trạng ô nhiễm hữu cơ hiện đang là một trong những vấn đề nhức nhối tại Việt Nam cũng như trên Thế giới Tại hai thành phố lớn Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, mức độ ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng là vấn đề đã xảy

ra nhiều năm và chưa có nhiều cải thiện Ô nhiễm hữu cơ cũng là nguyên nhân chủ yếu gây ra các bệnh cấp tính và mãn tính như ung thư, ngộ độc,…ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, sức khoẻ và sự phát triển chung của xã hội Với sự phát triển vượt bậc của khoa học và kỹ thuật đã nghiên cứu nhiều phương pháp phân tích chất ô nhiễm hữu cơ Tuy nhiên, thực tế cho thấy cần

có những phương pháp thoả mãn các điều kiện như sự tiện lợi, nhỏ gọn hoặc

có thể di chuyển đến nhiều địa hình khác nhau, kết quả phân tích nhanh chóng, đáng tín cậy, giúp cơ quan quản lý nhà nước và người dân có một công cụ hiệu quả để giám sát nhằm đưa ra những nhận định và xử lý kịp thời

Cho đến nay, các kỹ thuật phân tích nhanh với độ đặc hiệu cao thường sử dụng các đầu thu sinh học (kháng nguyên, kháng thể, enzyme, ADN…) nên đòi hỏi điều kiện làm việc và bảo quản khắt khe Do đó, các kỹ thuật này không thích hợp cho mục đích phân tích tại hiện trường Việc tìm kiếm, phát triển những kỹ thuật phân tích đáng tin cậy có khả năng phát hiện nhanh, với độ nhạy

và độ chọn lọc cao nhằm phát triển cảm biến phân tích tại hiện trường là vấn

đề có tính thời sự và cấp thiết

Trong đề tài này, sự kết hợp hiện tượng tăng cường tín hiệu phổ tán xạ Raman (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) của lõi nano vàng và công nghệ polyme in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymers, MIP) hứa hẹn tạo ra những vật liệu mới ứng dụng trong phát triển cảm biến quang học Lõi nano vàng có khả năng tăng cường rất mạnh (từ 106 tới 108 lần) tín hiệu phổ tán xạ Raman của chất cần phân tích Trong khi đó, lớp vỏ với cấu trúc dạng polyme in dấu phân tử (MIP) cho phép bẫy một cách chọn lọc các phân

tử chất cần phân tích Vì vậy, vật liệu nano cấu trúc lõi – vỏ Au@MIP được kỳ vọng sẽ đáp ứng yêu cầu của một hợp phần trong cảm biến quang học nhằm phát hiện một số chất hữu cơ với độ nhạy và độ chọn lọc cao tương đương các

kỹ thuật sắc ký cơ bản nhưng điều kiện phân tích nhanh và thuận lợi hơn

Mục tiêu cụ thể của đề tài là:

1 Chế tạo thành công các hệ vật liệu lai cấu trúc lõi – vỏ trên cơ sở nano vàng và polyme in dấu phân tử (Moleculary Imprinted Polymers, MIP)

2 Phân tán vật liệu lai lên lớp màng polystyrene được sắp xếp tuần hoàn nhằm tăng độ đồng đều và độ bền của vật liệu

3 Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano cấu trúc lõi – vỏ Au@MIP chế tạo được để phân tích Bisphenol A ở hàm lượng cực thấp bằng kỹ thuật phổ

tán xạ Raman tăng tương bề mặt (SERS

Dưới đây là hình ảnh mô tả cấu trúc vật liệu mà đề tài tập trung nghiên cứu:

Sơ đồ biểu diễn đế SERS trên cơ sở vật liệu cấu trúc lõi – vỏ nano vàng dạng thanh – polyme in khuôn phân tử phủ trên mảng polystyrene đã được sắp xếp tuần hoàn (AuNR@MIP/PS) nhằm bắt/nhả và phân tích bisphenol A

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Không chỉ là phương pháp phân tích dùng trong nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm, phổ tán xạ Raman còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau

để giám định các chất và hợp chất trong nhiều đối tượng từ sản phẩm xây dựng,

cổ vật, đá quý, thuốc tân dược tới các chất ma túy, hướng thần… Các máy quang phổ Raman cũng đa dạng hơn về chủng loại từ các loại cầm tay nhỏ gọn hướng tới từng đối tượng đo cụ thể tới các hệ đa năng có độ chính xác cao, giải phổ rộng và độ phân giải tốt Năm 2017, tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổ chức hội thảo “ứng dụng phổ tán xạ Raman tăng cường

bề mặt (SERS) trong an toàn vệ sinh thực phẩm” Các nhà khoa học thống nhất rằng hiệu ứng SERS đáp ứng đầy đủ các tiêu chí để có thể phát triển thành một phương pháp phân tích nhanh dư lượng các chất độc hại trong thực phẩm Một số báo cáo khoa học đáng lưu ý trong thời gian gần đây có thể kể đến

đó là:

Các nhà khoa học tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Quang Liêm đã khảo sát các thông số cho quá trình chế tạo hạt nano Ag trên phiến Si bằng kỹ thuật ăn mòn hóa học và ứng dụng hiệu ứng SERS để xác định chất hữu cơ xanh malachite ở nồng độ 10-7 M [1]

GS Lê Anh Tuấn, TS Vũ Ngọc Phan (Trường Đại học Phenikaa) và TS

Lê Thị Tâm (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) với kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano cũng đã đưa ra một số nghiên cứu trong tổng hợp quang hóa tinh thể Ag trên hạt từ MnFe2O4 và vật liệu composite hạt nano Ag/ống nano cacbon trong xác định xanh metylen sử dụng hiệu ứng SERS [2, 3] Gần đây tập thể nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt nhằm phân tán hạt nano bạc trên bề mặt tấm graphene oxit tạo thành vật liệu cảm biến SERS trong phân tích thuốc nhuộm hữu cơ xanh methylen và thuốc trừ sâu tricyclazole.[4]

Có thể thấy hầu hết các nghiên cứu trong nước vào thời điểm hiện nay chú trọng vào phát triển quy trình chế tạo vật liệu plasmonic cấu trúc nano bằng

phương pháp vật lý hoặc kết hợp với hóa lý Tuy nhiên, phương pháp vật lý đòi hòi nhiều thiết bị đặc chủng, tinh vi và có điều kiện làm việc khắt khe, do vậy,

đế SERS tạo được bằng kỹ thuật vật lý thường khá đắt tiền và số lượng không nhiều sau mỗi lần chế tạo

Tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai đã theo đuổi các nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc nano có hiệu ứng plasmonics như nano Au và nano Ag bằng phương pháp hóa học có khả năng làm chất nền cho phép đo SERS [5-9] Những ưu điểm nổi bật của phương pháp chế tạo hóa học có thể kể đến như thời gian tổng hợp nhanh, quy trình tương đối đơn giản, không đòi hỏi các thiết

bị quá phức tạp, số lượng mẫu tổng hợp được thường khá nhiều và có thể tổng hợp được các dạng cấu trúc nano đặc biệt với nhiều góc-cạnh Bằng phương pháp hóa học, nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài đã chế tạo thành công các cấu trúc nano vàng hình cầu, hình que với độ dài biến đổi linh hoạt [5], hình viên sỏi [8]…

Các cấu trúc nano bạc hình cầu với kích thước khác nhau và nano bạc hình que cũng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai chế tạo thuận lợi bằng phương pháp hóa học [6] Kết quả nghiên cứu cho thấy thông qua phổ SERS sử dụng đế trên cơ sở các hạt nano plasmonics chế tạo bằng phương pháp hóa học có độ tin cậy cao, tiện dụng, với độ lặp lại tốt (hình 1-1)

Do đó, tác giả cho rằng sử dụng phương pháp hóa học trong chế tạo đế SERS

là một giải pháp khả thi hơn cả khi muốn ứng dụng các phép phân tích hóa và sinh học

Hình 1-1: (a) Các phổ SERS của Rhodamine B ở các nồng độ khác nhau

sử dụng đế có nano Ag hình cầu và (b) đồ thị mô tả mối quan hệ giữ cường độ

của đỉnh Raman của Rhodamine theo nồng độ [6]

Hiện nay, các nhà khoa học đã và đang phát triển một kỹ thuật mới được gọi

là công nghệ polymer in khuôn phân tử, polymer đánh dấu phân tử hay polymer

in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymer, MIP) nhằm tạo ra các khuôn mềm có khả năng bắt-nhả chính xác các chất cần phân tích ở kích thước phân

tử Công nghệ MIP rất đặc hiệu, độ đặc hiệu của nó được mô tả như quá trình tương tác kháng nguyên-kháng thể, hay lai hóa giữa các chuỗi protein rất hoàn hảo trong cơ thể sống Tại Việt Nam, các nghiên cứu về MIP có thể nhắc đến PGS Trương Thị Ngọc Liên (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), với nghiên cứu phủ đồng đều hạt nano vàng lên điện cực cacbon và tạo các khuôn MIP phân tán đồng nhất Bằng phương pháp điện hóa, các điện cực MIP này được ứng dụng xác định dư lượng kháng sinh chloramphenicol [10], axit amin sarcosine[11] và hocmon Estradiol (17β-estradiol) [12]

Hình 1-2: Sơ đồ quy trình chế tạo điện cực MIP [12]

Bên cạnh đó PGS Đỗ Phúc Quân (trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) cũng chế tạo điện cực MIP trên cơ sở polyme dẫn điện

là polypyrrole pha tạp graphen và nano Au nhằm hình thành các cảm biến có khả năng hấp phụ thuận nghịch phân tử dopamine giúp gia tăng độ chọn lọc cho cảm biến điện hóa trong nền mẫu thật [13] Tương tự, TS Nguyễn Vân Anh và ThS Nguyễn Lê Huy (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) cũng đã chế tạo cảm biến điện hóa MIP trên cơ sở nanocomposite graphen/poly(1,8-diaminonaphthalene) xác định kháng sinh chloramphenicol [14]

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên quốc tế

Hiện tượng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) là sự tăng cường độ tín hiệu phổ tán xạ Raman của phân tử chất phân tích lên gấp nhiều lần (từ 103 đến 106 lần, hoặc thậm chí có thể lên tới 1014 lần ở một số đối tượng cụ thể)

Nhờ ưu điểm vượt trội về khả năng tán xạ Raman rất mạnh, phương pháp phân tích dựa trên SERS có độ nhạy rất cao và hiện đang được quan tâm nghiên

cứu tập trung vào các hướng chính đó là (i) động học cơ chế SERS ; (ii) phát triển vật liệu có hiệu ứng SERS ; (iii) các kỹ thuật phân tích định lượng hóa- sinh kết hợp dựa trên hiệu ứng SERS ; (iv) chế tạo các hệ đo Raman và laser

phân giải cao nhỏ gọn Lợi thế của phổ Raman đó là sử dụng nguồn laser trong miền nhìn thấy nên có thể sử dụng các loại cáp quang silic mềm để kích thích

và thu thập tán xạ mà ít bị suy hao Thêm vào đó quang phổ Raman có thể làm việc trong môi trường nước do tín hiệu của các liên kết hydroxyl không thay đổi tính phân cực của liên kết phân tử Trong lĩnh vực phân tích hóa-sinh, quang phổ Raman hầu như không yêu cầu việc chuẩn bị mẫu, vì vậy mà tiết kiệm thời gian, không cần sử dụng thêm các dụng cụ bổ trợ khác, có thể đo xuyên qua các bao bì đựng như nhựa, thủy tinh mà không cần can thiệp vào cấu tạo bên trong mẫu, không làm hư hại cấu tạo của mẫu bạn đầu Khi sử dụng hiệu ứng SERS, cường độ tán xạ Raman lớn hơn rất nhiều lần không chỉ cải thiện mạnh

độ nhạy cho phép phân tích mà thực sự hữu ích cho phát triển các thiết bị SERS đơn giản, có khả năng di động nhằm phục vụ phân tích ngay tại hiện trường (hình 1-4) [16]

Hình 1-3: Mô tả ứng dụng chính sử dụng kỹ thuật SERS và một số thiết

bị đo SERS cầm tay (Point-Of-Care) đã được Ocean Opyics phát triển [16]

Nhóm nghiên cứu của tác giả Yuxia Fan từ trường hai trường đại học Shanghai Ocean và Washington đã áp dụng kĩ thuật tán xạ Raman tăng cường

bề mặt (SERS) cùng với các phương pháp đo hóa học đã được áp dụng để phân tích định lượng mức vết của thuốc trừ sâu carbaryl trong táo Mức thấp nhất có thể phát hiện được đối với carbaryl trong táo là 0,5 g.g-1, đủ nhạy để xác định táo bị nhiễm carbaryl trên mức dư lượng tối đa Nghiên cứu này chứng minh rằng SERS có khả năng định lượng thuốc trừ sâu carbaryl trong nền thực phẩm phức tạp một cách đáng tin cậy [17]

Nhà khoa học Yixuan Li cùng nhóm nghiên cứu của mình đã tích hợp hai phương pháp đó là phân tách miễn dịch và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) để phát hiện melamine trong sữa Giới hạn phát hiện có thể thấp tới 0,79.10-3 nmol/L Quá trình phân tích tổng thể có thể hoàn thành trong 20 phút,

do đó, đây là một kỹ thuật có hiệu suất cao để sàng lọc melamine trong các mẫu sữa [18]

Việc chế tạo thành công vật liệu nano plasmonics là yếu tố quyết định hình thành các linh kiện cảm biến (sensor) có hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (đế SERS) khi các phân tử của chất cần phân tích được hấp phụ trên đó Phụ thuộc vào đối tượng cần phân tích và dạng hình thái cấu trúc trên đế SERS

mà cường độ tín hiệu Raman của phân tử cần phân tích có thể được tăng lên đến 1014 lần Do đó việc chế tạo thành công một đế SERS cần đảm bảo yêu cầu: một là có khả năng tăng cường tín hiệu SERS cao, hai là có độ đồng nhất và ổn định và ba là có độ lặp lại tốt Trước đây, vật liệu nano plasmonics cho phép

đo SERS thường được chế tạo bằng các phương pháp vật lý như bốc bay, ăn mòn laser… với lợi thế về sự đồng nhất trong hình thái cấu trúc và ổn định trong các phép đo Tuy nhiên, hiện nay các phương pháp hóa học để tổng hợp vật liệu nano plasmonics đang là xu hướng do thời gian chế tạo nhanh chóng,

số lượng lớn, giá thành hợp lý và thích hợp trong triển khai ứng dụng

Trải quan gần 20 năm nghiên cứu và phát triển, đã có nhiều cách thức khác nhau để chế tạo các cảm biến MIP-SERS, khái quát lại có thể chia thành ba

dạng chính đó là (i) MIP được phủ lên đế SERS (M-o-S); (ii) các vật liệu có hiệu ứng SERS được phủ quanh lớp bề mặt MIP (S-o-M); và (iii) vật liệu MIP

và SERS trộn hợp vào nhau một cách ngẫu nhiên (M-m-S) (hình 1-5) [19-21]

Hình 1-4: Mô hình tổng quát một số dạng cảm biến MIP-SERS và

nguyên lý phép đo [19]

Cảm biến MIP-SERS đòi hỏi sự kết hợp khéo léo giữa các cấu trúc có khả năng tăng cường plasmon bề mặt với vật liệu phức hợp bao gồm chất cần phân tích làm khuôn in (template), các monomer chức năng (functional monomer), chất liên kết chéo (cross-linker) và chất khởi tạo (initiator) (Hình 1-6) Trong quá trình tổng hợp này, yếu tố then chốt đó là phân bố đồng đều các phân tử của chất cần phân tích và loại bỏ được chúng ra khỏi màng polymer để tạo thành các khuôn (dấu ấn) phân tử đặc thù Các khuôn phân tử này sẽ có khả năng bắt các phần tử đích, kéo sát tới bề mặt kim loại plasmonic để tạo ra phổ SERS dưới sự kích thích của nguồn laser phù hợp

Hình 1-5: Các loại (A) monomer chức năng; (B) chất liên kết chéo ; (C) chất khởi tạo và (D) tiền chất polymer hóa sol-gel [19]

Các nghiên cứu đã được công bố sử dụng công nghệ MIP-SERS làm cảm biến phần lớn ứng dụng trong phát hiện các hóa chất bảo vệ thực vật, các loại thuốc và các loại thuốc nhuộm hữu cơ ô nhiễm tồn dư trong môi trường Các nghiên cứu đều nhấn mạnh đến sự phức tạp của nền mẫu và khó phát hiện khi

sử dụng các kỹ thuật phân tích thông thường khác Ví dụ như Yin và cộng sự [22] đã dùng phương pháp sol-gel để chế tạo SiO2@AgNPs cấu trúc lõi vỏ, sau

đó màng MIP được phủ lên SiO2@AgNPs bằng cách cho lần lượt monomer chức năng TEOS và APTES làm chất liên kết chéo, rồi bisphenol A (BPA) được đưa vào để tạo khuôn Kết quả hình thành được cảm biến MIP-SERS nhờ

sự cộng hưởng plasma mạnh mẽ của AgNPs (hình 1-7)

Hình 1-6: Mô tả quá trình tổng hợp cảm biến SERS in dấu trên nền

SiO 2 @AgNPs [22]

Carrasco và cộng sự [23] cũng bằng cách chế tạo trước nano Au cấu trúc hình sao nhiều cánh được bọc ngoài là vật liệu vi mao quản SiO2 (bAu@mSiO2) Sau đó màng MIP tổng hợp trên bề mặt bAu@mSiO2 nhờ tác nhân RAFT dùng trong xác định dư lượng thuốc kháng sinh enrofloxacin (ENRO) với giới hạn phát hiện lên tới 1,5 nM (hình 1-8)

Hình 1-7: Quá trình chế tạo cảm biến MIP-SERS trên vật liệu

bAu@mSiO 2 @MIP [23]

Mặc dù cơ sở lý thuyết và nguyên lý của phương pháp được tạo lập rất cơ bản và chắc chắn nhưng những thách thức trong chế tạo và phát triển cảm biến MIP-SERS vẫn còn rất nhiều Có ba khía cạnh cần được giải quyết đó là: cải thiện độ nhạy, tăng độ lặp lại, và mở rộng ứng dụng với nhiều đối tượng hơn nữa Dưới đây, sẽ trình bày các cách thức đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu để giải quyết các thách thức trên:

- Cải thiện độ nhạy cho cảm biến MIP-SERS bao gồm chế tạo các đế

SERS mới có khả năng tăng cường tín hiệu mạnh hơn hoặc rẻ tiền, dễ chế tạo hơn Đó có thể là kết hợp nano Au, Ag với vật liệu chấm lượng tử như CdTe; oxit kim loại như TiO2, ZnO; nano cacbon như graphen,… hay tạo ra các dạng cấu trúc lõi-vỏ, lưỡng kim với cấu trúc có nhiều góc cạnh

- Tăng độ lặp lại là yếu tố rất quan trọng trong các phép đo phân tích

Thường thì để độ lặp lại tốt cần chế tạo đế SERS phải đồng đều và phải có mẫu nội chuẩn

- Mở rộng ứng dụng trên nhiều đối tượng là bước tiếp theo để đưa cảm

biến MIP-SERS vào giám sát môi trường và chất lượng thực phẩm mang lại giá trị gia tăng cho sản phẩm này Ví dụ như Xue và cộng sự [24] đã giới thiệu

hệ đo bisphenol A (BPA) trên hệ đo SERS cầm tay (hình 1-10)

Hình 1-8: Mô tả một hệ đo SERS cầm tay dựa trên nguyên lý MIP-SERS

xác đinh BPA [24]

Có thể thấy rằng, cảm biến MIP-SERS là một trong những xu hướng công nghệ có tính ứng dụng cao và còn rất mới mẻ Nắm bắt xu hướng, tiếp cận, từng bước giải mã và làm chủ công nghệ trong những điều kiện đặc thù của Việt Nam là đòi hỏi có tính tất yếu

1.2 NANO VÀNG – TÍNH CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

1.2.1 Vật liệu nano vàng

Nano là một từ có nguồn gốc Hy lạp, có nghĩa là kích thước nhỏ Các hạt

có kích thước trong phạm vi từ 1 – 100nm được xác định là hạt nano

Năm 1875, Michael Faraday đã phát hiện ra các hạt nano vàng ruby (AuNPs), đặt nền tảng cho công nghệ nano hiện đại Bốn mươi năm sau, Zsigmonday đã sát nhập công nghệ của ông với khám phá của Faraday và giới thiệu một quy trình gọi là “Phương pháp phát triển mầm”, vẫn được sử dụng đến ngày nay để tổng hợp hạt nano vàng Zsigmondy cũng phát minh ra một máy siêu âm để mô tả cấu trúc, hình dạng và kích thước hạt nano vàng

Những hạt nano vàng có kích cỡ từ 1 – 100nm có tính chất khác nhiều so với dạng miếng/khối mà chúng ta thường thấy Trong đó sự khác biệt đáng lưu

ý là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể là sẽ chuyển từ màu vàng sang màu

đỏ tía, màu tím hoặc xanh tuỳ thuộc vào kích cỡ của hạt vàng nano Sự thay đổi màu sắc này được giải thích là do hiệu ứng plasmon bề mặt gây ra

Hình 1-9: Màu sắc kháu nhau giữa các hạt nano vàng có kích thước

khác nhau [25]

1.2.2 Tính chất của hạt nano vàng

1.2.2.1 Tính chất cộng hưởng plasmon về mặt

Một trong những tính chất quan trọng của vàng nano là hiệu ứng cộng

hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance: SPR) Hiện tượng “cộng

hưởng plasmon bề mặt” (SPR) được giải thích là: điện trường của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (hình 1-12) [26] Sau đó, dưới tác dụng của lực phục hồi Coulombic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu Vì có bản chất sóng, nên điện trường dao động làm cho sự phân cực này dao động theo Sự dao động này được gọi là “plasmon” Khi tần số dao động của đám mây electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do Hiện tượng này gọi là “cộng hưởng plasmon bề mặt” (SPR) [27, 28] Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng bán dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức

xạ tới, khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do

ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Đối với hạt vàng nano, dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch vàng nano Số lượng và vị trí của dãy plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của hạt vàng nano Vì vậy, peak cộng hưởng có thể xuất hiện trong vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần Ngoài ra, hằng số điện môi của vật liệu cấu trúc nano, chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng thái của

bề mặt (dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến vị trí và hình dạng của cộng hưởng plasmon bề mặt

Hình 1-10: Hiện tượng cổng hưởng plasmon bề mặt [28]

• Sự phụ thuộc tính chất SPR vào hình thái và kích thước của vật liệu

i Nano vàng dạng cầu (Gold nanoparticle: AuNP)

Tính chất quang của vàng nano dạng cầu có thể được tính toán theo thuyết của Mie [29] Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo vàng nano dạng cầu bằng cách giải phương trình Maxwell Bằng cách này, ông đã

mô tả tính chất quang học (tán xạ và hấp thụ) của vàng nano dạng cầu ở bất kỳ kích thước nào Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bước sóng khoảng 520-540 nm (hình 1-13) Nếu kích thước (d) của hạt tăng lên thì cực đại hấp thụ ứng với SPR sẽ dịch chuyển về vùng có bước sóng dài, tức là vùng ánh sáng đỏ (red-shift) Tuy nhiên, khi hạt cầu lớn đến một kích thước nào đó, sẽ trở thành dạng khối (bulk) và hiện tượng SPR sẽ biến mất

Hình 1-11: Hiện tượng SPR của nano vàng dạng cầu [29]

ii Nano vàng dạng thanh (AuNRs)

Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựa vào thuyết Gans [26, 29] Theo đó, trên phổ UV-Vis xuất hiện 2 peak hấp thụ cực đại: Một cực đại hấp thụ tương ứng với cộng hưởng plasmon bề mặt dọc theo trục ngang (transverse surface plasmon resonane: TSPR) và một dao động theo trục dọc (longitudinal surface plasmon resonance: LSPR) của hạt (hình 1-14) Trong đó, dao động TSPR có cực đại nằm trong vùng khả kiến (khoảng 520-540 nm), còn dao động LSPR có cường độ mạnh hơn rất nhiều so với dao động TSPR và có cực đại nằm trong vùng có bước sóng lớn hơn, từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần phụ thuộc vào tỷ số cạnh (tỷ số giữa trục dọc/trục ngang hay tỷ số dài/ngang) của vật liệu Khi tỷ số cạnh tăng, LSPR

dịch chuyển về vùng hồng ngoại gần (NIR), trong khi TSPR gần như không thay đổi Ngoài ra, bước sóng hấp thụ cực đại của dao động LSPR còn phụ thuộc nhiều vào chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh nó Khi chỉ số khúc

xạ tăng, thì SPR có xu hướng chuyển sang vùng sáng màu đỏ và sự dịch chuyển SPR gần như tuyến tính với chỉ số khúc xạ [30] Đây là một tính chất quan trọng được áp dụng trong các ứng dụng về cảm biến plasmon

Cũng theo thuyết Gans, cực đại hấp thụ của dao động LSPR tỷ lệ tuyến tính với tỷ số cạnh (tỷ số dài/ngang, aspect ratio: AR) theo phương trình sau:

𝐿𝑆𝑃𝑅 (𝑛𝑚) = 95𝐴𝑅 + 420

Hình 1-12: Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR

(a); Phổ UV – Vis tương ứng của GNR (b) [31]

Tóm lại, hình dạng và kích thước của hạt vàng nano ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của chúng, cụ thể là: hạt dạng cầu chỉ có một cực đại hấp thụ với bước sóng max ~ 520 nm và khi tăng kích thước (d) thì max cũng tăng theo (Hình 1-15) [31] Trong khi đó, vàng nano dạng thanh có 2 cực đại hấp thụ: 1 cực đại hấp thụ có bước sóng max ~ 520 nm và 1 cực đại hấp thụ có bước sóng nằm trong vùng khả kiến đến hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số AR, cụ thể là AR tăng thì cực đại hấp thụ càng dịch chuyển về vùng hồng ngoại gần như minh họa ở Hình: 1-15

Hình 1-13: Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích

thước của hạt vàng nano [31]

1.2.2.2 Một số tính chất khác của hạt nano vàng

i Tính chất nhiệt

Nhiệt độ nóng chảy (Tm) của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể trạng thái khác hơn Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm Ví dụ, hạt vàng 2nm có Tm=500oC, kích thước 6nm có Tm = 950oC

ii Tính chất dẫn điện

Do mật độ electron tự do rất lớn dẫn đến vàng là kim loại có tính dẫn điện rất tốt và điện trở dòng nhỏ

iii Tính chất từ

Các kim loại quý như vàng, bạc,…có tính nghịch từ ở trạng thái khối do

sự bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh

iv Tính chất xúc tác trên chất mang

Các hạt nano vàng đã được chứng minh là chất xúc tác hiệu quả cho một loạt các phản ứng trong nhiều thập kỷ qua, chẳng hạn như quá trình oxy hóa và hydro hóa Ngoài ra xúc tác vàng còn có khả năng kháng đầu độc Một số công trình nghiên cứu đã chứng minh xúc tác vàng nano trên chất mang có khả năng chịu đựng sự đầu độc lưu huỳnh gấp 5-7 lần so với xúc tác thông thường Bên cạnh đó có thể sử dụng nano Au để làm sạch lưu huỳnh đầu độc trên bề mặt xúc tác kim loại ở nhiệt độ thấp [32, 33]

1.2.3 Các phương pháp chế tạo nano vàng

Hiện nay có hai phương pháp chủ yếu để chế tạo vật liệu nano Thứ nhất

đó là phương pháp từ trên xuống Phương pháp từ trên xuống liên quan đến tổng hợp bắt đầu từ các vật liệu khối bằng cách giảm kích thước của chúng Phương pháp thứ hai, phương pháp từ dưới lên bắt đầu từ các nguyên tử hoặc các ion liên kết lại với nhau Các phương pháp chế tạo dung dịch vàng nano có thể chia làm ba nhóm chính: hóa học, bức xạ và khử sinh học Phương pháp bức xạ sử dụng các bức xạ tử ngoại, khả kiến, vi sóng, bức xạ gama,…[34-37]

để khử AuCl4- về Au0 trong sự có mặt của chất ổn định thích hợp Nguyên tắc

cơ bản của phương pháp khử hóa học là sử dụng một chất khử thích hợp dùng

để khử muối vàng Au3+ thành nguyên tử vàng, và sử dụng một số chất bảo vệ

để ngăn chặn sự kết dính của chúng lại với nhau

1.2.3.1 Các phương pháp chế tạo nano vàng dạng cầu (AuNPs)

ii Phương pháp Brust-Schiffin

Năm 1994, Brust và Schiffrin đã phát triển một phương pháp nhằm tạo ra các hạt nano vàng ổn định nhiệt và có kích thước nằm trong khoảng từ 1,5-5,2nm, thông qua một quy trình tổng hợp đơn giản Phương pháp Brust liên quan đến chuyển pha Au từ pha nước đến pha hữu cơ bằng thuốc thử chuyển pha, tetraoctyl ammonium bromide (TOAB) Tuy nhiên, TOAB không được bọc xung quanh hạt nano một cách hoàn chỉnh, do đó, sau khoảng 15 ngày, dung dịch sẽ xuất hiện hiện tượng kết tủa, để xử lý hiện tượng này, các nhà khoa học đã sử dụng một số hợp chất như alkanethiol, chúng được sử dụng một tác nhân làm bền tốt hơn Bổ sung các chất khử gây ra sự thay đổi màu sắc của pha hữu cơ, từ màu cam sang nâu sẫm, cho thấy có sự hình thành của hạt nano vàng [40]

iii Phương pháp Martin

Nhà nghiên cứu Eah và các cộng sự đã đưa ra một phương pháp ứng dụng phản ứng khử hoá học giúp chế tạo các hạt nano vàng phân tán trong nước bằng phản ứng khử HAuCl4 bởi NaBH4 mà không cần sử dụng đến các chất hoạt động bề mặt như citrate, tuy nhiên vẫn đảm bảo các hạt nano vàng có độ phân tán cao và ổn định, phương pháp này được đặt tên là phương pháp Martin [41] Hầu hết kỹ thuật chế tạo nano phương pháp khử hóa học cho ra sản phẩm

có độ phân tán cao Tuy nhiên, phương pháp này lại có một nhược điểm rất lớn

đó là yêu cầu phải sử dụng các tác nhân khử gây ảnh hưởng xấu đến môi trường

và sức khoẻ như natri citrate, NaBH4, … Để xử lý vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra các phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường hơn (green method) việc tổng hợp vàng nano sử dụng chitosan có ưu điểm không gây ảnh hưởng tới môi trường Tuy nhiên, chitosan có nhược điểm

là chỉ tan được trong axit mà không tan trong nước hay môi trường trung tính Điều này làm hạn chế phần nào khả năng ứng dụng của vàng nano được tổng hợp từ chúng

1.2.3.2 Các phương pháp tổng hợp nano vàng dạng thanh (AuNRs)

Trong những năm qua, có nhiều phương pháp được phát triển để có thể định hướng và kiểm soát quá trình phát triển bất đẳng hướng của vật liệu vàng nano Dựa trên cơ chế hình thành của vật liệu, các phương pháp đó có thể phân thành 3 nhóm như sau

i Phương pháp khử quang hoá

Được các nhà nghiên cứu đề xuất vào năm 1990, phương pháp chế tạo nano vàng dạng thanh bằng khử quang hoá sử dụng bức xạ UV ( = 254 nm)

và chất hoạt động bề mặt CTAB Tuy nhiên phương pháp này cho hiệu suất tổng hợp thấp, đồng thời tỷ lệ nano vàng hạt cầu sinh ra trong quá trình chế tạo vẫn chiếm tỷ lệ cao Phương pháp này sau đó đã được cải tiến bằng cách bổ sung AgNO3 và sử dụng chất hoạt động bề mặt thứ hai là tetradodecylamonium bromide (TDAB) Từ đó tăng hiệu suất tổng hợp đồng thời cho phép kiểm soát

AR trong quá trình chế tạo Dù vậy, phương pháp khử quang hóa cần đến 48 giờ để chiếu bức xạ UV, để tiết kiệm thời gian phản ứng, người ra đã sử dụng thêm axit ascorbic làm chất khử của phản ứng, rút ngắn thời gian khử xuống còn khoảng1 giờ và kiểm soát tỷ lệ AR trong khoảng 5[42, 43]

ii Phương pháp điện hoá

Phương pháp này được phát minh bởi Wang và cộng sự [44] Theo đó, muối vàng được khử trên điện cực platin khi có mặt hỗn hợp hai chất hoạt động

bề mặt là CTAB và TDAB Phương pháp này đơn giản, có thể tạo ra vàng nano với tỷ số AR khoảng 1-7 Tuy nhiên, các hạt vàng nano được tạo ra theo phương pháp này có sự phân bố kích thước rộng và chứa một lượng lớn hạt dạng cầu, điều này làm hạn chế ứng dụng của chúng

iii Phương pháp phát triển mầm

Phương pháp phát triển mầm có thể tạo ra hạt nano vàng có đường kính 5-40nm và có phân bố kích thước hẹp Kích thước hạt có thể được kiểm soát bằng tỷ lệ thay đổi của hạt mầm với muối kim loại, dó đó mọi hạt nano có kích thước trong phạm vi 5-40nm đều có thể tổng hợp được Ưu điểm của phương pháp là quy trình đơn giản, nhanh chóng và chi phí thấp Các hạt nano kim loại quý không đẳng hướng có hình dạng khác nhau có thể được tổng hợp một cách thuận tiện khi sử dụng phương pháp này Dung dịch phát triển mầm chứa các ion kim loại dư, chất hoạt động bề mặt hoặc chất tạo hình và chất khử nhẹ Các muối kim loại bị khử trên bề mặt của các hạt nano và phát triển thành các hạt nano có kích thước mong muốn [45]

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÁN XẠ RAMAN VÀ PHỔ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT (SERS)

Tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của một sóng điện từ với vật chất

Sự khác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ tương ứng với năng lượng dao động trong mạng tinh thể hoặc dao động của phân tử Photon tán xạ có thể có năng lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với năng lượng của photon tới

1.3.1 Phương pháp quang phổ tán xạ Raman

Khi trường điện từ (Electronmagnetic – EM) tương tác với phân tử, chúng

có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ hoặc hoàn toàn không tương tác với phân tử Trong quá trình tán xạ ánh sáng, một photon chuyển sang trạng thái “ảo”

và ngay lập tức tán xạ photon có cùng năng lượng (tán xạ Rayleigh đàn hồi) hoặc hơi khác biệt (tán xạ Raman không đàn hồi) Hiệu ứng này chủ yếu liên quan đến sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng dao động của cùng một trạng thái điện tử của phân tử (nói chung là trạng thái cơ bản) Hình 1-16 minh họa

sơ đồ các quá trình tán xạ Rayleigh và Raman Trong biểu đồ này, ωinc và ωs lần lượt là tần số của photon tới và photon tán xạ Nếu E1 là năng lượng của mức dao động ở trạng thái cơ bản (v = 0) và E2 là năng lượng của mức dao động kích thích 1 (v = 1) của trạng thái cơ bản của phân tử, thì photon tán xạ thoả mãn điều kiện sau:

ħωs = ħωinc ± (E2 – E1) Tán xạ Rayleigh xảy ra khi năng lượng của hệ phân tử cả trước và sau quá trình tán xạ là như nhau (ħωs = ħωinc) Sự xuất hiện của tán xạ ánh sáng không đàn hồi có thể được giải thích bằng lý thuyết cổ điển dưới dạng biến điệu bức

xạ tới Eloc (ωinc) bởi một phân tử dao động với tần số ωvib Tần số Raman có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn tần số của photon tới ωinc (ω = ωinc ± ωvib) Khi bức xạ tới được dịch chuyển đến một tần số thấp hơn (năng lượng thấp hơn), ánh sáng

bị tán xạ được gọi là dịch chuyển Stokes Trong kiểu tán xạ này, năng lượng được chuyển sang chế độ dao động của phân tử mà kết thúc ở trạng thái năng lượng dao động cao hơn Tương tự, khi bức xạ tới được dịch chuyển đến một

tần số cao hơn (năng lượng cao hơn), ánh sáng bị tán xạ được gọi là dịch chuyển đối Stokes Trong kiểu tán xạ này, năng lượng được truyền từ một phân tử bị kích thích dao động, phân tử này kết thúc ở trạng thái dao động thấp hơn sau quá trình tán xạ

Hình 1-14: Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh

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 lúc với 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 lượng của các nguyên tử trong phân tử Có ba loại dao động cơ bản (Hình 1-17 và Hình 1-18):

Một là, dao động kéo dãn hoá trị (v) (Mode kéo đối xứng) tương ứng

với sự kéo dài và co lại của liên kết giữa hai nguyên tử lân cận mà không có sự thay đổi về góc liên kết

Hai là, các rung động uốn hoặc biến dạng (δ) (Mode uốn) thường được chia làm các dạng dao động: dao động cắt kéo, dao động lắc lư, dao động xoắn

Ba là, dao động kéo bất đối xứng liên quan đến sự kéo của một liên kết

dọc theo chục chính của nó

Hình 1-15: Các mode dao động cơ bản

Hình 1-16: Ba mode dao động của H 2 O và sự thay đổi kích thước (a), hình dạng (b) và định hướng (c) của các ellipsoid phân cực của các phân tử nước Các cột ở giữa cho thấy ellipsoid phân cực ở vị trí cân bằng của phân

tử, còn các cột bên trái và bên phải hiện thị ellipsoid phân cực ở các vị trí

biên của các dao động

Hình 1-17: Phổ Raman của bột Sudan đỏ [46]

Phổ Raman cung cấp các thông tin về các quá trình chuyển đổi dao động của phân tử và do đó nó cung cấp các đặc điểm cấu trúc của chất phân tích Vì vậy, từ lâu tán xạ Raman đã được coi là một công cụ có giá trị cho việc xác định các mẫu hóa học và sinh học, cũng như đối với sự giải thích của cấu trúc phân tử, các quá trình bề mặt và các phản ứng giao diện Một ví dụ về phổ Raman của phân tử hữu cơ Sudan đỏ được chỉ ra trên Hình 1-19 Sudan đỏ là một loại chất nhuộm màu đỏ có công thức hóa học là C16H12N2O Phổ Raman của Sudan đỏ bao gồm rất nhiều vùng đặc trưng, mỗi vùng đại diện cho một mode dao động của phân tử Sudan đỏ Nhờ các vùng đặc trưng này ta có thể phân biệt được các phân tử Sudan đỏ với các phân tử khác Các mode dao động tương ứng với các vùng trên phổ Raman của phân tử Sudan đỏ được liệt kê trong Bảng 1-2

Bảng 1-1: Các vùng đặc trưng trong phổ Raman của phân tử Sudan đỏ

và các mode dao động tương ứng [46]

1390 Kéo căng N=N, kéo căng C-C và uốn trong mặt

phẳng C-H

1497 Kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1549 Kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1596 Kéo căng C-C

Việc nghiên cứu dao động bằng phổ tán xạ Raman cũng có những nhược điểm nhất định Xác suất xảy ra tán xạ Raman rất thấp, do đó cường độ của hiệu ứng Raman thường rất thấp, chỉ vào khoảng 10-8 cường độ ánh sáng tới [47] Vì vậy rất khó để thu được tín hiệu Raman của các phân tử với nồng độ thấp Ứng dụng của tán xạ Raman trong việc phân tích phát hiện các phân tử

do vậy cũng bị hạn chế rất nhiều

1.3.2 Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Năm 1974, trong quá nghiên cứu, Fleischmann và cộng sự [48] đã tình cờ phát hiện ra rằng khi đo tín hiệu Raman của pyridin hấp thụ trên bề mặt điện cực bạc (Ag) nhám sẽ cho tín hiệu Raman được tăng lên nhiều lần Từ đây, bắt đầu kỷ nguyên của “Tán xạ Raman tăng cường bề mặt” như một kỹ thuật phân tích xác định lượng vết của các phân tử hữu cơ và sinh học

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) là hiệu ứng dựa trên sự tăng cường đáng kể sự tán xạ Raman của các phân tử được hấp phụ trên các cấu trúc nano kim loại (chủ yếu là bạc và vàng) thích hợp Phương pháp này đã và đang được phát triển để phát hiện hàm lượng vết của các phân tử hóa học hữu cơ hoặc sinh học và trong một vài trường hợp, SERS thậm chí có thể phát hiện tới đơn phân tử [49-51]

Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã thống nhất rằng có hai cơ chế chủ yếu góp phần vào sự tăng cường tín hiệu Raman trong hiệu ứng SERS là cơ chế điện từ dựa trên sự kích thích cộng hưởng của các plasmon bề mặt trong kim loại và cơ chế hóa học (hoặc phân tử) làm tăng tính phân cực của phân tử trong

đó sự tăng cường điện từ đóng góp chủ yếu vào cơ chế tăng cường SERS 57]

[52-Cơ chế điện từ (EM) giải thích rằng việc tăng cường tín hiệu Raman trong SERS chủ yếu là do cộng hưởng plasmon bề mặt cố định (localized surface plasmon resonances – LSPR) Cụ thể, dưới sự kích thích của ánh sáng tới, các điện tử tự do trên bề mặt kim loại bị kích thích và dao động tập thể đối với các lõi ion kim loại Tập hợp của các dao động tập thể này được gọi là plasmon bề mặt Các plasmon bề mặt này sẽ phát ra một trường lưỡng cực (và do đó được gọi là các plasmon lưỡng cực) Khi các plasmon lưỡng cực cộng hưởng với tần

số của ánh sáng tới, LSPR sẽ xảy ra LSPR sẽ gây ra sự tăng cường trường EM

cục bộ (E) ở bề mặt của các hạt kim loại và trường này phân tán nhanh chóng

ra khỏi bề mặt kim loại Đối với các phân tử phân tích hấp phụ trên bề mặt của các bề mặt nano kim loại hoặc nằm gần các bề mặt này, trường tới sẽ được tăng cường do nó cộng hưởng với plasmon bề mặt (với hệ số |𝐸|2) Tương tự, trường tán xạ Raman cũng sẽ được tăng cường (với hệ số tổng cộng là |𝐸|4) nếu nó cộng hưởng với plasmon bề mặt của bề mặt kim loại và tín hiệu Raman của các phân tử chất phân tích do đó sẽ được tăng cường

Cơ chế tăng cường hóa học nêu ra rằng sự tương tác giữa các phân tử của chất phân tích và nguyên tử của bề mặt kim loại sẽ xảy ra khi phân tử phân tích được hấp phụ lên trên bề mặt kim loại Tương tác này làm thay đổi phân bố mật

độ điện tử của phân tử và do đó sẽ làm tăng cường mặt cắt tán xạ Raman (Raman scattering cross section) của các mode dao động của phân tử [58] Trong khi sự tăng cường EM áp dụng cho tất cả các chất phân tích thì sự tăng cường hóa học lại phụ thuộc vào chất phân tích và yêu cầu một số loại liên

kết với bề mặt kim loại Từ các cơ chế tăng cường SERS có thể thấy rằng phổ SERS có thể hiển thị một số sai lệch về cường độ tương đối so với phổ Raman thông thường của cùng một phân tử Do sự tương tác giữa phân tử và kim loại, các vạch Raman có thể bị một chút thay đổi về tần số và thay đổi chiều rộng dải phổ so với một phân tử "tự do" Các gradient trường mạnh có thể dẫn đến

sự nới lỏng quy tắc chọn lọc và làm xuất hiện các vạch Raman bị cấm thông thường [59, 60] Bất chấp tất cả những thay đổi nhỏ có thể xảy ra trong một phổ SERS so với một phổ Raman thông thường, nói chung phổ SERS vẫn cung cấp một "dấu vết" rõ ràng của phân tử cần phân tích, đặc biệt là các phân tử hữu cơ và y sinh

Bề mặt kim loại hoặc hệ hạt nano kim loại được dùng để khuếch đại tín hiệu tán xạ Raman của các phân tử chất phân tích hấp phụ trên nó được gọi là

đế SERS Kể từ khi phát hiện ra SERS, vấn đề quan trọng nhất đối với các nghiên cứu ứng dụng của SERS là phải chế tạo được các đế SERS với khả năng tăng cường tín hiệu Raman mạnh nhất và có độ ổn định, độ lặp lại tốt nhất Do

đó việc lựa chọn loại đế SERS cũng như các phương pháp chế tạo đế SERS trở thành một vấn đề trọng tâm của các nghiên cứu về SERS trong thời gian gần đây [61, 62]

Ag và Au là những kim loại được sử dụng để chế tạo các đế SERS rộng rãi nhất Các kim loại này có thể hỗ trợ cộng hưởng plasmon tốt trong các bước sóng kích thích trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần – những vùng quan trọng đối với SERS [63, 64]

Trong hiệu ứng SERS, sự tăng cường cường độ của các vạch phổ tán xạ Raman của các phân tử được quyết định chủ yếu bởi cơ chế tăng cường trường điện từ cục bộ (cơ chế này có thể làm ra tăng cường tín hiệu Raman lên ~1012lần) Trong cơ chế này các “điểm nóng” (hot spots) trên đế SERS là nơi có được

sự tăng cường của trường điện từ mạnh nhất Các điểm nóng chính ở đây là các điểm nhọn (sharp tips), các góc cạnh (sharp edges) và các khe nano (nanogaps) trên các cấu trúc nano kim loại Vì vậy, người ta cố gắng chế tạo các đế SERS dưới dạng các cấu trúc nano có hình dạng phức tạp, chẳng hạn như dạng các cành lá cây, dạng hoa hoặc dạng lông nhím…, để có được sự tăng cường SERS mạnh hơn