Nghiên cứu phát hiện các chất bảo vệ thực vật trên đế silic xốp phối hợp với keo nano bạc

Mục tiêu của đề tài là:•Tìm hiểu lý thuyết về hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)•Chế tạo được đế Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn hóa học.•Chế tạo đế SERS trên cơ sở đế Silic xốp với hạt nano bạc và keo nano bạc.•Ứng dụng hiệu ứng SERS để phát hiện thuốc BVTV Carbendazim.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Thị Chinh

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CÁC CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT TRÊN CƠ SỞ ĐẾ SILIC XỐP

PHỐI HỢP KEO NANO BẠC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ VĂN VŨ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Văn Vũ –người đã tận tình, hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiệncác nội dung nghiên cứu trong luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn thầyNguyễn Duy Thiện đã hỗ trợ và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình tôi thực hiện đề tàicủa mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể thầy cô của Bộ môn Vật lý Chấtrắn và toàn thể thầy cô trong Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại họcQuốc gia Hà Nội đã chỉ dạy và tạo điều kiện cho tôi Tôi cũng xin cảm ơn Trungtâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôiđược học tập và nghiên cứu tại đây

Tôi xin cảm ơn đề tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc Gia Hà Nội mã số QG18.19 đã hỗ trợ kinh phí giúp tôi thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè,những người đã luôn ở bên chia sẻ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trìnhhọc tập và thực hiện luận văn này

Học viên

Nguyễn Thị Chinh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn khoa học này là kết quả công trìnhnghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Lê Văn Vũ Tất cả các số liệuđược công bố là hoàn toàn trung thực và do chính tôi thực hiện Những nội dungtham khảo đều được trích dẫn từ các tài liệu được liệt kê trong danh mục tài liệutham khảo

Học viên

Nguyễn Thị Chinh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT

21.1 Tán xạ Raman 3

1.1.1.Hiện tượng tán xạ Raman 3

1.1.2.Cơ chế tán xạ Raman 4

1.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 6

1.2.1.Khái niệm plasmon bề mặt 6

1.2.2.Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 6

1.2.3.Lý thuyết Mie - sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt 7

1.3 Tán xạ Raman tăng cường bề mặt 9

1.3.1.Các cơ chế tăng cường SERS 10

1.3.1.1 Cơ chế tăng cường điện từ 10

1.3.1.2 Cơ chế tăng cường hóa học 11

1.3.2.Các loại đế SERS và ứng dụng 11

1.3.2.1 Các loại đế SERS 11

1.3.2.2 Các ứng dụng của SERS 14

1.4 Thuốc bảo vệ thực vật Carbendazim 14

1.4.1.Đặc điểm của hoạt chất Carbendazim 14

1.4.2.Mức độ độc hại của Carbendazim và hiện trạng sử dụng ở Việt Nam hiện nay 16

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 18

2.1 Phương pháp chế tạo đế SERS 18

2.2 Các phép đo khảo sát tính chất của đế 19

2.2.1.Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19

2.2.2.Phương pháp phân tích tán xạ Raman 20

2.2.3.Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) 22

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Nghiên cứu lắng đọng các hạt Ag lên đế Si (Ag/Si) 24

3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ AgNO 3 trong dung dịch lắng đọng lên hình thái bề mặt các hạt nano Ag trên đế Silic 24

3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian lắng đọng AgNO 3 lên hình thái bề mặt của đế Silic 25

3.1.3.Cấu trúc của các hạt Ag trên đế Si 25

3.2 Nghiên cứu chế tạo các đế Si xốp 27

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian lắng đọng các hạt Ag lên đế Si đến quá trình ăn mòn

đế 27

3.2.2.Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn lên hình thái cấu trúc đế Si 29

3.3 Chế tạo đế SERS trên đế Silic xốp 31

3.3.1.Khảo sát hình thái đế SERS 31

3.3.2.Khả năng tăng cường tán xạ Raman 32

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian phún xạ Ag lên bề mặt đế Silic xốp đến khả năng tăng cường tín hiệu Raman 33

3.3.4.Giới hạn nhận biết Carbendazim 35

3.3.5.Khảo sát độ lặp lại của đế SERS Ag 36

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

thấp nhất)

SERS Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ thu phổ Raman 3

Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của các quá trình tán xạ 4

Hình 1.3 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại 7

Hình 1.4 Phổ UV – VIS của nano bạc 9

Hình 1.5 Công thức hóa học của Carbendazim 14

Hình 2.1: Thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM), Model Nova-NANOSEM450, FEI-USA 20

Hình 2.2 Cơ chế hình thành phổ Raman 21

Hình 2.3 Sự tán xạ Rayleigh, Raman Stock, Raman Anti Stokes 21

Hình 2.4 Hệ đo phổ tán xạ Raman LaRam HR 800, Horiba 22

Hình 3.1 Ảnh SEM bề mặt của mẫu Si sau khi lắng đọng AgNO3 trong HF 0,2 M trong thời gian 15 phút với các nồng độ khác nhau 24

Hình 3.2 Ảnh SEM của đế Si sau khi lắng đọng trong HF 0,2 M và AgNO3 2 mM trong thời gian khác nhau 25

Hình 3.3 Phổ XRD của đế Si sau khi lắng đọng trong AgNO3 và HF 26

Hình 3.4 Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của mẫu đế Silic sau khi lắng đọng 10 phút (a, A) và 15 phút (b, B) trong HF 0,2 M và AgNO3 2 mM, sau đó cho ăn mòn 30 phút trong HF 4,8 M và H2O2 28

Hình 3.5 Ảnh SEM các mẫu Si được lắng đọng trong HF và AgNO3 trong thời gian 15 phút sau đó được ăn mòn trong HF 4,8 M và H2O2 1,2 M với những khoảng thời gian lần lượt là (A) 10 phút; (B) 15 phút; (C) 30 phút và (D) 60 phút 29

Hình 3.6 Tốc độ ăn mòn mẫu đế Silic trong hỗn hợp HF 4,8 M và H2O2 1,2 M 30

Hình 3.7 Kết quả EDS 30

Hình 3.8 Ảnh SEM bề mặt và mặt cắt của đế SERS sau khi phún xạ Ag trong những khoảng thời gian khác nhau 25 s (A, a), 50 s (B, b), 75 s (C, c), 100 s (D, d) 31

Hình 3.9 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim với nồng độ 100 ppm trên đế SERS

(đường màu đỏ) và trên đế Silic sạch (đường màu xanh) 32

Hình 3.10 Phổ Raman của mẫu Carbendazim với nồng độ 10 ppm trên đế Silic xốp phún xạ Ag trong những khoảng thời gian khác nhau (25 s, 50 s, 75 s, 100 s) 34

Hình 3.11 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim trên đế SERS với các nồng độ khác nhau 35

Hình 3.12 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim nồng độ 0,1 ppm trên đế SERS 35

Hình 3.13 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim nồng độ 10 ppm trên đế SERS phún xạ Ag trong thời gian 50 s tại các vị trí khác nhau trên cùng một đế 36

Hình 3.14 Mức độ thăng giáng cường độ tán xạ Raman của đỉnh 1006 cm-1 và đỉnh 1277 cm-1 khi đo ở các vị trí khác nhau trên cùng một đế 37

Hình 3.15 Hình ảnh các hạt keo nano bạc chế tạo được 38

Hình 3.16 Phổ hấp thụ UV – VIS của keo bạc trong nước 38

Hình 3.17 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim nồng độ 10ppm trên đế SERS có phủ keo nano Ag và đế SERS không phủ keo nano Ag 39

Hình 3.18 Phổ tán xạ Raman của Carbendazim nồng độ 1ppm trên đế SERS có phủ keo nano Ag và đế SERS không phủ keo nano Ag 39

Hình 3.19 Ảnh SEM bề mặt của đế SERS trước và sau khi phủ keo nano bạc 39

Hình 3.20 Ảnh SEM mặt cắt của đế SERS sau khi phủ keo nano bạc 40

Hình 3.21 Liên kết giữa phân tử Carbendazim và các hạt bạc 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Giới hạn tối đa dư lượng Carbendazim trong thực phẩm 15Bảng 2: Giá trị hằng số mạng a 26Bảng 3: Nguồn gốc của các đỉnh đặc trưng được cho là các mode dao động của cácliên kết C-C, C-H, C-N, N-H và C-O-CH3 của các phân tử Carbendazim 33

MỞ ĐẦU

Hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) hay còn gọi là thuốc BVTV là tên chỉchung cho các sản phẩm hóa chất được sử dụng trong nông, lâm nghiệp nhằm mụcđích phòng trừ, ngăn ngừa và tiêu diệt các đối tượng gây hại cho cây trồng, chonông lâm sản hoặc để điều hòa, kích thích sinh trưởng cho cây trồng từ đồng ruộngcho tới kho bảo quản Tuy nhiên, hóa chất BVTV thường là các chất hóa học có độctính cao, có khả năng phá hủy tế bào, tác động đến cơ chế sinh trưởng, phát triểncủa sâu bệnh, cỏ dại và cả cây trồng nên khi các hợp chất này đi vào môi trường,chúng sẽ có những ảnh hưởng nguy hiểm đến môi trường, đến những đối tượng tácđộng trực tiếp hay gián tiếp Dư lượng hóa chất BVTV quá giới hạn cho phép trongnông sản, thực phẩm cũng là mối đe dọa đến sức khỏe con người Đây là những vấn

đề nhức nhối hiện nay của xã hội Tại Việt Nam, hóa chất BVTV được sử dụng từnhững năm 40 của thế kỷ XX nhằm bảo vệ cây trồng Theo thống kê năm 1957 tạimiền Bắc nước ta sử dụng khoảng 100 tấn Đến trước năm 1985, khối lượng hóachất BVTV dùng hàng năm khoảng 6.500 – 9.000 tấn, đặc biệt trong 3 năm gầnđây, hàng năm Việt Nam nhập và sử dụng từ 70.000-100.000 tấn Các loại thuốc màViệt Nam đang sử dụng có độ độc còn cao, nhiều loại thuốc đã lạc hậu Danh mụcthuốc BVTV được phép sử dụng ở nước ta đến năm 2013 đã lên tới 1643 hoạt chất,trong khi, các nước trong khu vực chỉ có khoảng từ 400 – 600 loại hoạt chất, nhưTrung Quốc 630 loại, Thái Lan, Malaysia 400 – 600 loại (Hội nông dân, 2015) Vớihiện trạng sử dụng lượng lớn thuốc BVTV một cách tràn lan như hiện nay thì việcphát hiện và kiểm soát dư lượng thuốc BVTV trong nông nghiệp đang là một trongnhững mối quan tâm hàng đầu của xã hội và Nhà nước

Cho đến nay, việc xác định dư lượng thuốc BVTV được thực hiện bởi nhiềuphương pháp có độ chính xác cao như sắc ký lỏng hiệu suất cao, nhưng quy trìnhphức tạp, tốn nhiều thời gian, đòi hỏi thiết bị chỉ có ở các trung tâm thí nghiệm lớn,tính cơ động trong đánh giá dư lượng hóa chất ở các địa điểm vùng nông thôn, biêngiới, …gặp khó khăn Thực tế đòi hỏi cần xác định nhanh chóng và đơn giản hơn

Vì lí do đó nên người ta đã phát triển phương pháp mới như Raman để xác địnhlượng hóa chất một cách nhanh chóng và có thể phát triển các máy cầm tay để phân

11

tích tại hiện trường Tuy nhiên, khi phân tích các chất có nồng độ thấp, tín hiệu phổRaman thu được là rất yếu Điều này đã làm hạn chế rất lớn những ứng dụng củaphổ Raman Vào năm 1974, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt được pháthiện và sau đó phát triển thành phương pháp quang phổ học tán xạ Raman tăngcường bề mặt (SERS - Surface Enhanced Raman Spectroscopy) Hiệu ứng SERS làphương pháp tăng cường tín hiệu phổ Raman lên nhiều lần dựa trên hiệu ứngplasmon bề mặt hạt kim loại nano như vàng, bạc Kỹ thuật tán xạ Raman tăngcường bề mặt SERS đã cho thấy nhiều ưu việt trong việc xác định các chất hóa học,đặc biệt là các chất hữu cơ độc hại Hơn nữa, do cường độ tín hiệu SERS mạnh hơnrất nhiều lần so với tín hiệu Raman thông thường, người ta có thể phát triển cácthiết bị SERS đơn giản, cầm tay phục vụ phân tích tại hiện trường Như vậy, mộtthiết bị SERS có thể đáp ứng cùng lúc các yêu cầu về phân tích phát hiện nhanh,nhạy, thực hiện tại hiện trường và chi phí thấp Dựa trên các tài liệu tham khảo,đánh giá khả năng thực hiện nghiên cứu, cũng như xu hướng phát triển nghiên cứuchúng tôi quyết định chọn đề tài là: “Nghiên cứu khả năng phát hiện các chất bảo vệthực vật trên cơ sở đế Silic xốp phối hợp keo nano bạc”.

Mục tiêu của đề tài là:

• Tìm hiểu lý thuyết về hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)

• Chế tạo được đế Silic xốp bằng phương pháp ăn mòn hóa học

• Chế tạo đế SERS trên cơ sở đế Silic xốp với hạt nano bạc và keo nano bạc

• Ứng dụng hiệu ứng SERS để phát hiện thuốc BVTV Carbendazim

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có ba chương sau:

Chương 1: Tổng quan về tán xa Raman tăng cường bề mặt

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Cuối cùng là phần kết luận và các tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT 1.1 Tán xạ Raman

1.1.1 Hiện tượng tán xạ Raman

Vào năm 1928, nhà Vật lý học người Ấn Độ Chandrese Khara VenkataRaman đã thực hiện thí nghiệm tán xạ ánh sáng trên chất lỏng benzene Kết quả thínghiệm chỉ ra rằng bức xạ bị tán xạ bởi phân tử không chỉ chứa photon với tần sốánh sáng tới mà còn có photon với tần số bị thay đổi Năm 1930, Raman được nhậngiải Nobel Vật lý và hiện tượng này được mang tên tán xạ Raman [1]

Tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của một sóng điện từ với vật chất Sựkhác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ tương ứng với năng lượngdao động trong mạng tinh thể hoặc dao động của phân tử Photon tán xạ có thể cónăng lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với năng lượng của photon tới [3]

Hình 1.1 Sơ đồ thu phổ Raman [4].

Trong sơ đồ này, đèn thủy ngân (1) được dùng làm nguồn sáng đơn sắc chiếutới cuvet đựng benzene tinh khiết (3) Một kính lọc sử dụng dung dịch Nitrit Natri

(2) cho ánh sáng đơn sắc tần số ν 0 chiếu vào mẫu Ánh sáng tán xạ được quan sáttheo phương vuông góc qua máy quang phổ lăng kính Các bức xạ sau khi được tánsắc bởi lăng kính được ghi lại trên kính ảnh [4]

1.1.2 Cơ chế tán xạ Raman

Khi chiếu photon có năng lượng hν 0 tới một phần tử vật chất, các photon sẽtương tác với các phần tử vật chất đó và bị tán xạ Tán xạ có thể đàn hồi hoặc khôngđàn hồi

Trong trường hợp tán xạ đàn hồi, các photon bị tán xạ và có cùng tần số υ0với photon tới, trường hợp này gọi là tán xạ Rayleigh, xác suất xảy ra quá trình này

là rất lớn Tuy nhiên, một phần các photon với xác suất thấp bị tán xạ có năng lượng

lớn hơn hoặc nhỏ hơn năng lượng của photon tới (hν 0 = h (ν 0 ± ν m )), trong đó ν m làtần số của dao động của phân tử (trường hợp này gọi là tán xạ Raman)

Trong phổ Raman nếu photon tán xạ có năng lượng thấp hơn năng lượng của

photon tới (hν 0 = h (ν 0 - ν m )) ta có vạch Stokes, còn nếu photon tán xạ có năng

lượng lớn hơn photon tới (hν 0 = h (ν 0 + ν m )) ta có vạch đối Stokes Ở điều kiện bình

thường, các nguyên tử ở trạng thái cơ bản nhiều hơn rất nhiều so với nguyên tử ởtrạng thái kích thích (định luật phân bố Maxwell – Boltzmann) nên số nguyên tửtham gia vào quá trình Stokes lớn hơn nhiều so với nguyên tử tham gia vào quátrình đối Stokes dẫn đến cường độ của vạch Stokes lớn hơn nhiều so với vạch đốiStokes

Hình 1.2 Sơ đồ năng lượng của các quá trình tán xạ [4].

Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh được chỉ ra trên hình 1.2.Nguyên tử trong phân tử hoặc tinh thể có thể nằm ở trạng thái cơ bản (trạng thái 0)hoặc các trạng thái kích thích.

Khi nhận năng lượng từ photon ánh sáng, nguyên tử có thể từ mức nănglượng cơ bản nhảy lên một mức năng lượng ảo rồi trở về trạng thái kích thích và tạo

ra vạch Raman Stokes Trạng thái ảo này không phải là một trạng thái ổn định của

hệ Nó không phải nghiệm của phương trình Schrodinger không phụ thuộc vào thờigian và do đó không tương ứng với một giá trị năng lượng xác định Trong một quátrình hấp thụ năng lượng luôn luôn được bảo toàn và trạng thái tạo ra của hệ là mộttrạng thái rời rạc Hấp thụ mà không bảo toàn năng lượng được gọi là hấp thụ ảo vàtrạng thái được tạo ra lúc này là một trạng thái ảo [9]

Khi các nguyên tử từ trạng thái cơ bản nhảy lên mức ảo rồi lại trở về trạngthái cơ bản thì tạo ra vạch Rayleigh

Khi các nguyên tử từ trạng thái kích thích nhảy lên mức ảo rồi trở về trạngthái cơ bản thì tạo ra vạch Raman đối Stokes

Sự chênh lệch về năng lượng ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ được gọi làdịch chuyển Raman và được xác định thông qua phương trình [3]:

∆E : chênh lệch về năng lượng giữa hai trạng thái

λtoi , λtanxa : là bước sóng của ánh sáng tới và bước sóng của ánh sáng tán xạ.Tán xạ Raman là công cụ hữu ích để xác định cấu trúc phân tử Điều nàyxuất phát từ nguồn gốc xuất hiện của các loại tán xạ này Phổ tán xạ Raman cungcấp thông tin về các dao động phân tử và do mỗi loại phân tử đều có một số loại daođộng đặc trưng nên nó cho ta biết thành phần phân tử của chất được phân tích Tuyvậy, tán xạ Raman bị hạn chế rất nhiều do xác suất xảy ra rất thấp của nó Người tatính rằng, trung bình chỉ có một photon bị tán xạ Raman trong số 106 – 108 photonrơi vào vật liệu [24] Chính vì vậy mà cường độ của tín hiệu Raman đo được thườngrất yếu và hạn chế rất nhiều đối với các phân tử có nồng độ thấp

1.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng có thểlàm tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật chất bằng cách khai thác các daođộng tập thể của các electron bề mặt gọi là plasmon bề mặt Các trường ánh sángđược tăng cường khi chúng cộng hưởng với những plasmon này, dẫn đến hiệu ứngtăng cường bề mặt, đặc biệt là SERS Để hiểu sâu sắc hơn về nguyên nhân cũng như

cơ chế của SERS, trước hết chúng ta tìm hiểu một vài khái niệm quan trọng vềplasmon bề mặt

1.2.1 Khái niệm plasmon bề mặt

Plasmon bề mặt là những sóng điện từ được truyền dọc theo giao diện kimloại - điện môi Đơn giản hơn ta có thể định nghĩa plasmon bề mặt là sự kích thíchcác điện tử bề mặt của kim loại bằng nguồn sáng tới Cường độ điện trường củaplasmon bề mặt giảm theo hàm mũ khi xa dần giao diện kim loại - điện môi Tạivùng giao diện có sự định xứ lớn của năng lượng và các điện tích Những tính chấtcủa chúng phụ thuộc vào các tính chất của cả kim loại và điện môi

1.2.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự dobên trong vùng dẫn, dẫn tới hình thành các dao động đồng pha Sóng plasmon lantruyền trên biên phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi trái dấu hoặc bức

xạ ra không gian tự do trong điều kiện thích hợp Hình 1.3 minh họa sự tạo thànhdao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại Điện trường của sóng ánhsáng tới tạo nên sự phân cực của các điện tử dẫn đối với các lõi ion nặng của mộthạt nano cầu Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano hoạt động nhưlực phục hồi, tạo nên một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T Cácmode cao hơn của kích thích plasmon có thể xuất hiện như là mode tứ cực - khi mộtnửa đám mây điện tử di chuyển song song và một nửa di chuyển không song songvới trường định xứ [2]

Hình 1.3 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại [2].

Phần lớn các kim loại như Pb, Ln, Hg, Sn và Cd có tần số dao động plasmonnằm trong vùng tử ngoại nên các vật liệu nano đó không có các hiệu ứng về màusắc Các kim loại như Au, Ag và Cu có tần số plasmon nằm trong vùng nhìn thấynên vật liệu nano của chúng có các hiệu ứng về màu Màu sắc của các dung dịchkeo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi các plasmon bề mặt[2] Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại được lý giải bởi lý thuyết củaMie và Gans

1.2.3 Lý thuyết Mie - sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt

Theo lý thuyết Mie (giới hạn cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và giả thiết cáchạt tách biệt, không tương tác với nhau), điện trường được sinh ra do kích thíchplasmon bề mặt cộng hưởng khi một hạt đơn lẻ không tương tác với phần còn lạitrong môi trường xung quanh Khi khoảng cách giữa hai hạt giảm đi sẽ có một dịchchuyển xảy ra trong phổ cộng hưởng plasmon và ta sẽ quan sát được thêm một đỉnhhấp thụ ở bước sóng dài hơn Bản chất của phổ hấp thụ không phải do dịch chuyểngiữa các mức năng lượng mà do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

Đối với hạt nano có kích thước nhỏ so với bước sóng ánh sáng tới (2r <λ

max )10chỉ có dao động lưỡng cực là ảnh hưởng đáng kể tới tiết diện tắt dần

này có thể được tính theo công thức (trong gần đúng lưỡng cực

điện):

g đó:

m

[ε(ω)]

2

+[ε(ω)]2

liệu

V: thể tích hình cầu, V =4 π

R3

3ω

:

tần

số

góc

của

án

hưởng chỉ thu được khi thỏa

mãn điều kiện với ε 2(ω) là

ị

trí

đỉnh

cộng

hưởng

plasmon

ph

ụ thuộc vào môitrường xungquanh kim loại

đó (phụ thuộcvào hằng số điệnmôi của vậtliệu)

Vì vậy, tính chất cộnghưởng plasmon của vật liệu

sẽ thay đổi khi có sự biến đổicủa kích thước hạt hay chiếtsuất của môi trường trên bềmặt hạt Điều này cho phépkhai thác tính chất cộnghưởng plasmon trong nhiềulĩnh vực khác nhau

Đối với hạt nano bạc,

do có mật độ điện tử tự dolớn, các điện tử tự do này sẽdao động dưới tác dụng củađiện trường ngoài như ánhsáng Khi kích thước củakim loại nhỏ hơn quãngđường tự do trung bình củađiện tử các điện tử sẽ daođộng cộng hưởng với ánhsánh kích thích Do vậy, tínhchất quang của hạt nano bạc

có được do sự dao động tậpthể của các điện tử dẫn đếnquá trình tương tác với bức

xạ sóng điện từ Khi dao độngnhư vậy, các điện tử sẽ phân bốlại trong hạt nano bạc làm chochúng bị phân cực điện tạo thànhmột lưỡng cực điện Cho nên sựxuất hiện một tần số cộng hưởngphụ thuộc vào nhiều yếu tốnhưng yếu tố về hình dáng, độlớn của các hạt nano bạc và môitrường xung quanh là các yếu tốảnh hưởng nhiều

nhất Ngoài ra, mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật

độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đếnảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt

Hình 1.4 Phổ UV – VIS của nano bạc.

1.3 Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Tán xạ Raman tăng cường bề măt (SERS) là hiệu ứng mà trong đó cường độcủa các vạch phổ tán xạ Raman của các phân tử đang là đối tượng phân tích tăng lênnhiều lần từ những phân tử được hấp thụ trên bề mặt thô nhám của kim loại SERS

đã được quan sát đối với các phân tử bám trên bề mặt của một số kim loại khácnhau, trong các môi trường vật lý và hình thái khác nhau Bạc, đồng, vàng là nhữngchất chiếm ưu thế cho SERS [4] Phương pháp này đã và đang được phát triển đểphát hiện một lượng rất nhỏ các phân tử hóa học hữu cơ hoặc sinh học và trong vàitrường hợp, SERS thậm chí có thể phát hiện tới phân tử [13,20]

Để xác định độ tăng cường tán xạ Raman, người ta đã đưa ra khái niệm về hệ

số tăng cường (EF – enhancement factor):

Trong đó:

EF = I S C nS

I S , I nS là cường độ đỉnh phổ Raman tương ứng với trường hợp có hiệu ứngSERS và không có hiệu ứng SERS.

C S ,CnS là nồng độ của chất phân tích trong trường hợp có hiệu ứng SERS vàkhông có hiệu ứng SERS

Để giải thích hiệu ứng SERS, có nhiều lý thuyết đã được đưa ra Tuy nhiên,khi đi sâu vào nghiên cứu, các nhà khoa học tập trung vào hai cơ chế được cho làtạo ra sự tăng cường trong tín hiệu Raman, đó là cơ chế tăng cường điện từ và cơchế tăng cường hóa học Trong đó, sự tăng cường điện từ đóng góp chủ yếu vào cơchế tăng cường SERS

1.3.1 Các cơ chế tăng cường SERS

1.3.1.1 Cơ chế tăng cường điện từ

Cơ chế tăng cường điện từ giải thích việc tăng cường tín hiệu Raman trongSERS chủ yếu là do hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface PlasmonResonace – SPR) Trong các cấu trúc kim loại, các tính chất quang học chủ yếu là

do các điện tử dẫn của kim loại gây ra Sự kích thích điện từ làm cho các electronnày dao động tập thể tạo nên một hệ dao động được gọi là plasmon bề mặt của cấutrúc kim loại đó [3] Các plasmon bề mặt này sẽ phát ra một trường lưỡng cực (và

do đó được gọi là các plasmon lưỡng cực) Thông thường, sự kích thích của ánhsáng cũng có thể gây ra một loạt các kích thích khác trong các cấu trúc kim loạibao gồm cả quá trình chuyển đổi giữa các vùng Đối với một hạt có kích thướcnhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tới, trừ plasmon lưỡng cực tất cả các kích thíchkhác có thể bỏ qua Các hệ với các điện tử tự do hoặc gần tự do sẽ duy trì kíchthích như vậy và các điện tử càng tự do thì cường độ cộng hưởng plasmon lưỡngcực càng mạnh Khi ánh sáng laser chiếu tới cộng hưởng với plasmon lưỡng cực,hạt nano kim loại sẽ phát ra ánh sáng đặc trưng cho bức xạ lưỡng cực Bức xạ này

là một quá trình liên quan tới trường kích thích và được mô tả bởi một phân bốkhông gian của trường điện từ Trong đó, cường độ ánh sáng từ một số phần củakhông gian xung quanh hạt bị suy giảm, trong khi cường độ tại một số phần gầnhạt kim loại được tăng cường

Việc tính toán hệ số tăng cường SERS bằng các phép tính toán điện động lựccho kết quả rất khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc hạt được sử dụng nhưng hầu hếtcác tính toán tìm ra rằng hệ số tăng cường khoảng 106 – 108 Người ta cũng tìm thấyrằng giá trị này chiếm hầu hết hệ số tăng cường quan sát được trong hiệu ứng SERSthông thường (106 – 108), đây là một trong những lý do giải thích tại sao người tathường giả định rằng sự đóng góp của tăng cường hóa học là rất nhỏ (khoảng 102).

1.3.1.2 Cơ chế tăng cường hóa học

Các kết quả thực nghiệm xác nhận sự hiện diện của cơ chế tăng cường điện

từ mạnh trong SERS Tuy nhiên, cơ chế tăng cường điện từ không thể sử dụng đểgiải thích tất cả các trường hợp tăng cường cường độ Raman mà phải kết hợp với cơchế tăng cường hóa học

Cơ chế tăng cường hóa học dựa vào sự phụ thuộc thế điện hóa, hoạt độngđộc lập với cơ chế điện từ Trong tán xạ Raman thông thường, sự chuyển tiếp từquỹ đạo phân tử bị chiếm cao nhất (highest occupied molecular orbital – HOMO)tới quỹ đạo phân tử trống thấp nhất (lowest unoccupied molecular orbital – LUMO)của nhiều phân tử đòi hỏi phải có năng lượng lớn hơn nhiều năng lượng của photonánh sáng tới trong các thí nghiệm Raman Tuy nhiên, khi các phân tử hóa học đượchấp thụ lên bề mặt kim loại, mức Fermi của kim loại sẽ nằm giữa HOMO vàLUMO của các phân tử hấp thụ, do đó sự chuyển mức giữa HOMO và LUMO củaphân tử có thể thực hiện thông qua mức Fermi của kim loại mà chỉ cần ánh sáng cónăng lượng thấp hơn nhiều Trong trường hợp này các kim loại sẽ đóng vai tròchuyển điện tích trung gian, vì vậy cơ chế tăng cường hóa học cũng được gọi là cơchế chuyển điện tích trong một số trường hợp

3 Hệ các hạt kim loại nano nằm cố định trên bề mặt phẳng hoặc nhám;

4 Hệ các hạt kim loại nano nằm cố định trên bề mặt của một đế có cấu trúc tuần hoàn;

5 Hệ các hạt kim loại có hình dạng biến đổi (dạng lá, hoa, nhím, sao…)

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về SERS đều tập trung chế tạo ra

đế SERS đồng nhất, sạch, có độ ổn định và khả năng lặp lại tốt, có khả năng tăngcường tín hiệu SERS tốt và độ nhạy SERS cao Tuy nhiên, việc đáp ứng được hết tất

cả các tiêu chí trên là rất khó Cho nên tùy vào mục đích ứng dụng cụ thể mà người

ta có những yêu cầu sao cho phù hợp Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện đểchế tạo đế SERS sử dụng các hạt nano kim loại quý Ag và Au là những kim loạiđược sử dụng nhiều nhất để chế tạo đế SERS Các kim loại này có thể hỗ trợ cộnghưởng plasmon tốt trong các bước sóng kích thích trong vùng nhìn thấy và vùnghồng ngoại gần – những vùng quan trọng đối với SERS [10, 19] Au lợi thế là tính

ổn định hóa học cao và khả năng tương thích sinh học với nhiều phân tử quan trọng

Ag là vật liệu hứa hẹn nhất cho SERS vì nó cung cấp sự tăng cường tín hiệu trongSERS tốt nhất Các kim loại khác như đồng (Cu) và bạch kim (Pt) cũng đã được sửdụng để chế tạo đế SERS nhưng các kim loại này cho hiệu quả tăng cường thấp hơn

Au và Ag

Để chế tạo đế SERS, làm nhám bề mặt kim loại bằng ăn mòn điện hóa làphương pháp được sử dụng sớm nhất Tuy nhiên cho đến nay, các hạt nano trongdung dịch huyền phù là đế SERS được sử dụng nhiều nhất Người ta thường dùngcác hạt nano Au, Ag và Cu có đường kính khoảng 10 nm – 80 nm phân tán trongdung môi Chúng được chế tạo bằng phương pháp hóa khử, thủy nhiệt, ăn mònlaser, … Khi sử dụng đo tín hiệu Raman, người ta nhỏ hạt nano dạng huyền phù vớinồng độ thích hợp lên bề mặt đế có đối tượng cần phân tích Từ hỗn dịch người tacũng chế tạo ra đế SERS bằng cách cho hạt nano kim loại dạng huyền phù lắngđọng trên nền kính hoặc silic làm tăng cường độ Raman Ưu điểm của các hạt nanodạng này là chế tạo chúng dễ dàng và chi phí thấp [12, 26] Các đế huyền phù đượcbáo cáo là tạo ra sự tăng cường SERS lớn Tuy nhiên hạn chế lớn nhất của loại đếnày là các hạt nano kim loại có xu hướng kết đám sau khi nhỏ dung dịch cần phân

tích Điều này khiến cho dung dịch trở lên không bền dẫn đến việc đo phổ SERS có

độ lặp lại không cao

Một cách tiếp cận để khắc phục được hạn chế về độ ổn định và sự lặp lại củacác đế hạt nano kim loại huyền phù là gắn cố định các hạt nano kim loại lên một đếphẳng Loại đế SERS này thường được chế tạo bởi sự ngưng kết kim loại (Au, Ag)trên bề mặt đế phẳng bằng các phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không, phún

xạ catot, ngưng kết bằng chùm xung điện tử (PED) … Sau ngưng kết màng được xử

lý nhiệt, lớp màng mỏng kim loại thường có sự tổ chức lại và tạo ra các đảo táchbiệt Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng cho hầu hết mọi loại đế, lớpkim loại nano có độ sạch cao, cấu trúc hình học của các hạt nano có thể điều khiểnđược bằng tốc độ ngưng kết, độ nhám và nhiệt độ để ngưng kết, nhiệt độ xử lý mẫu,

… Loại đế này cho thấy hiệu quả tăng cường tín hiệu Raman khá tốt

Gần đây, để tăng cường SERS ngày càng mạnh hơn người ta đã triển khaikhai thác sử dụng các đế có diện tích bề mặt lớn hơn như các hệ dây nano hay các

đế có cấu trúc nano xốp thay thế cho các đế phẳng Các cấu trúc nano xốp, baogồm Si xốp, GaN xốp, ZnO xốp, chứa các hạt nano kim loại quý được chế tạo đảmbảo được yêu cầu về độ nhạy và độ lặp lại tốt [15, 17, 22] Trong đó, Silic là vậtliệu được sử dụng phổ biến nhất Việc chế tạo đế SERS từ Silic được chia thànhhai giai đoạn chính là chế tạo đế Silic xốp và sau đó là phủ một lớp kim loại lêntrên bề mặt xốp của đế để tạo hiệu ứng SERS tăng cường bề mặt Trong giới hạnluận văn này, chúng tôi hi vọng nghiên cứu, chế tạo được đế SERS dựa trên Silicxốp với sự tăng cường tín hiệu SERS tốt để tăng khả năng phát hiện thuốc bảo vệthực vật Carbendazim Các kết quả đạt được sẽ được được trình bày trong cácphần tiếp theo

Thời gian gần đây, một số báo cáo cũng đã trình bày về việc chế tạo các hạtkim loại với các hình dạng biến đổi phức tạp có nhiều biến đổi góc cạnh và cácđiểm nhọn như dạng nhánh cây, dạng hoa, … để làm đế SERS với hệ số tăng cườngRaman rất lớn mở ra một bước tiến mới trong công nghệ chế tạo đế SERS

1.3.2.2 Các ứng dụng của SERS

Từ khi ra đời, SERS dã được sử dụng để khám phá nhiều vấn đề trong khoahọc, đặc biệt trong các nghiên cứu cấu trúc bề mặt Những lợi thế phân tích chínhcủa SERS là độ nhạy, đặc trưng bề mặt, hoạt động trong dải rộng của áp suất vànhiệt độ, không hủy mẫu và làm phai màu chất đó Vì vậy nên SERS có nhiều tiềmnăng trong phân tích hóa học, hóa sinh, môi trường, y học [7, 11, 23], …những lĩnhvực mà việc xác định và mô tả đặc điểm cấu trúc phân tử đóng vai trò trung tâm

Trong phân tích môi trường, SERS được sử dụng như một công cụ hữu íchvới các phân tử mục tiêu được phân tích phong phú như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,các loại hóa chất dược phẩm trong nước, chất màu trong thực phẩm [18, 22, 25], …SERS có thể được sử dụng để phát hiện các chất gây ô nhiễm ở nồng độ thấp và cókhả năng phát hiện đồng thời nhiều chất gây ô nhiễm với tính phân cực và trọnglượng phân tử khác nhau Bên cạnh đó, SERS rất nhạy với sự khác biệt nhỏ trongcấu trúc vật liệu, do đó nó cho phép phân biệt các phân tử hữu cơ và các chủng vikhuẩn có cấu trúc tương tự nhau

Trong lĩnh vực sinh học, giống như các công cụ phân tích khác SERS đượcứng dụng trong nghiên cứu cơ bản để kiểm tra cấu trúc, cấu tạo, truyền điện tích củacác phân tử sinh học và ứng dụng nghiên cứu ứng dụng như trực tiếp chuẩn đoán ysinh (chẩn đoán ung thư, theo dõi glucose, …) hay phát hiện mục tiêu (protein,DNA, virut, vi khuẩn, …) [6, 21]

1.4 Thuốc bảo vệ thực vật Carbendazim

1.4.1 Đặc điểm của hoạt chất Carbendazim

Hình 1.5 Công thức hóa học của Carbendazim

Carbendazim có công thức hóa học là C9 H9N3O2, tên hóa học là Methy benzimidazol-2-ylcarbamate Khối lượng phân tử là 19 Hoạt chất có nhiệt độ nóngchảy cao (3050C) và tan rất ít trong nước.

1H-Carbendazim được hấp thụ qua mầm, chồi, lá và qua rễ Sau đó, nó được vậnchuyển đi tới các vị trí khác nhau của cây thông qua hệ thống mạch dẫn.Carbendazim thông qua việc ức chế quá trình phân bào giảm nhiễm trong tế bào sợinấm mà ảnh hưởng đến sự phát triển của sợi nấm Hoạt chất này có tác dụng phòng

và trừ diện rộng trên cây ngũ cốc, cây ăn quả và trên rau các loại Carbendazimđược sử dụng trừ bệnh đạo ôn, khô vằn, đốm nâu, giả sương mai, ghẻ, loét và đốm

lá trên nhiều loại cây trồng Không những vậy, chúng còn được sử dụng trước khithu hoạch nhằm tăng cường chống thối rữa trong quá trình bảo quản sản phẩm câytrồng Hoạt chất này cũng thường được dùng xử lý hạt giống trước khi thu hoạch

Tại Việt Nam, giới hạn cho phép sử dụng Carbendazim đã được bộ Y tế quyđịnh cụ thể trong thông tư số 50/2016/TT-BYT được ký vào ngày 30/12/2016 và cóhiệu lực thi hành năm 2017 Cụ thể được thể hiện ở bảng 1 dưới đây

Bảng 1: Giới hạn tối đa dư lượng Carbendazim trong thực phẩm

(Ban hành kèm theo Thông tư số 50/2016/TT-BYT ngày 30/12/2016 của Bộ trưởng

15 Nội tạng ăn được của động

19 Các loại gia vị từ quả và

quả mọng

0,1 38 Các loại gia vị từ củ và

thân rễ

0,1

1.4.2 Mức độ độc hại của Carbendazim và hiện trạng sử dụng ở Việt Nam hiện nay

Carbendazim là hoạt chất bảo vệ thực vật đang tiềm ẩn những nguy cơ khônlường về môi trường, sức khỏe và bị nhiều nước trên thế giới cấm sử dụng Độc tínhcủa nó được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) kiểm tra và xác nhận [16]

Tại Mỹ, theo báo cáo thường niên của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA)công bố vào tháng 9/2015, Carbendazim được xếp vào nhóm C, là các hoạt chất cókhả năng gây ung thư cho con người

Đối với môi trường sinh thái, các nghiên cứu cũng cho thấy Carbendazim cóảnh hưởng nặng nề tới hệ sinh thái và môi trường, gây độc cho ong, cá, các độngvật thủy sinh, giun đất, ít độc với chim Bên cạnh đó, thời gian thủy phân củaCarbendazim trong đất cũng rất dài (từ 6 đến 12 tháng), trên nền đất có thực vật chephủ là từ 3 – 6 tháng Đất và trầm tích có thể chứa dư lượng Carbendazim trong thờigian 3 năm

Với những tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con người và môi trườngnên mặc dù trước đây Carbendazim từng là hoạt chất được sử dụng trong sản xuấtnông nghiệp tại nhiều quốc gia trên thế giới, nhưng hiện nay, tại nhiều nước, hoạtchất Carbendazim đã bị đưa vào danh sách cấm đăng kí sử dụng.

Tại Việt Nam, trước 2016, theo Cục BVTV, thống kê số lượng thuốc bảo vệthực vật có chứa hoạt chất Carbendazim được nhập khẩu trong ba năm gần đó chothấy, lượng nhập khẩu trung bình khoảng 2000 tấn/ năm, chủ yếu từ thị trườngTrung Quốc và các nước khác như Ấn Độ, Thái Lan và Singapore Trong danh mụcthuốc BVTV được phép sử dụng tại Việt Nam, có 109 tên thương phẩm thuốcBVTV có chứa hoạt chất Carbendazim (37 tên thương phẩm có hoạt chất đơnCarbendazim và 72 tên thương phẩm là hỗn hợp của Carbendazim và các hoạt chấtkhác) đăng kí phòng trừ bệnh hại trên khoảng 29 loại cây trồng Đồng thời, có 16tên thương phẩm có chứa hoạt chất Benomyl, 90 tên thương phẩm chứaThiophanate metyl (hai dẫn xuất của Carbendazim)

Ngày 03/01/2017, Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn đã ban hànhQuyết định số 03/QĐ-BNN-BVTV về việc loại bỏ thuốc BVTV chứa Carbendazim,Benomyl và Thiophnate-metyl ra khỏi Danh mục thuốc BVTV được phép sử dụngtại Việt Nam

Từ ngày 03/01/2019, các thuốc BVTV có chứa hoạt chất Carbendazim,Benomyl và Thiophnate-metyl sẽ bị cấm buôn bán và sử dụng tại Việt Nam Việclàm này là hoàn toàn phù hợp và đáp ứng yêu cầu sản xuất, đảm bảo an toàn thựcphẩm, sức khỏe người tiêu dùng và đáp ứng các điều kiện của các nước nhập khẩunông sản của Việt Nam

Có một số báo cáo về việc sử dụng SERS để phát hiện Carbendazim [5, 8,14] Bằng cách sử dụng thanh nano Au để đo SERS, A.D Strickland và cộng sự [5]

đã phát hiện Carbendazim với giới hạn phát hiện là 9,5 ppm Carbendazim trong láchè được phát hiện bởi Chun-Hua Ma và cộng sự [8] thông qua kỹ thuật SERS sửdụng các hạt nano Au trên đế Si với giới hạn phát hiện 0,1 ppm L.N Furini và cộng

sự [14] đã phát hiện Carbendazim ở nồng độ thấp tới 0,02 ppm trên các hạt nano Ag

thông qua hiệu ứng SERS.