Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm hữu cơ là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Tình trạng này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, gây ra các bệnh cấp tính và mãn tính như ung thư, ngộ độc, làm giảm chất lượng cuộc sống và phát triển xã hội. Theo ước tính, mức độ ô nhiễm hữu cơ tại các khu vực này chưa được cải thiện đáng kể trong nhiều năm qua. Do đó, việc phát triển các phương pháp phân tích nhanh, chính xác và tiện lợi để giám sát các chất ô nhiễm hữu cơ là rất cần thiết.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và phát triển cảm biến quang học dựa trên vật liệu nano vàng lai polyme in dấu phân tử (MIP) ứng dụng trong phân tích một số hợp chất hữu cơ, điển hình là Bisphenol A (BPA). Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ AuNR@MIP phủ trên lớp polystyrene sắp xếp tuần hoàn nhằm tăng độ đồng đều và độ bền của cảm biến. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong năm 2022, với ứng dụng phân tích BPA trong mẫu thực tế. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị phân tích nhanh, di động, có độ nhạy và độ chọn lọc cao, hỗ trợ công tác giám sát môi trường và an toàn thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering - SERS) và công nghệ polyme in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymers - MIP).

  • Hiệu ứng SERS: Là hiện tượng tăng cường tín hiệu phổ Raman của các phân tử hấp phụ trên bề mặt các hạt nano kim loại như vàng hoặc bạc, nhờ sự kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR). Hiệu ứng này có thể tăng cường tín hiệu lên đến 10^6 - 10^8 lần, giúp phát hiện các chất ở nồng độ rất thấp.

  • Polyme in dấu phân tử (MIP): Là vật liệu polymer được tạo ra bằng cách in dấu phân tử mục tiêu (ví dụ BPA) trong quá trình polymer hóa, tạo ra các khuôn phân tử đặc hiệu có khả năng nhận biết và bắt giữ phân tử mục tiêu một cách chọn lọc, tương tự như cơ chế kháng nguyên - kháng thể.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: nano vàng dạng thanh (AuNRs), hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), và cảm biến MIP-SERS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp nano vàng dạng thanh, chế tạo vật liệu AuNR@MIP, và phân tích phổ Raman tăng cường bề mặt trên mẫu BPA.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phát triển mầm để tổng hợp nano vàng dạng thanh với sự điều chỉnh các thông số như lượng HCl, AgNO3, và lượng mầm vàng nhằm kiểm soát tỷ lệ khung hình (aspect ratio) và kích thước hạt. Vật liệu AuNR@MIP được tổng hợp bằng phương pháp polymer hóa UV với BPA làm phân tử tạo khuôn. Đế SERS được tạo bằng cách phủ AuNR@MIP lên lớp polystyrene hình cầu sắp xếp tuần hoàn. Phân tích đặc trưng vật liệu bằng phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ Raman.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích kéo dài trong năm 2022, bao gồm các giai đoạn tổng hợp nano vàng, chế tạo vật liệu lai, phủ lên đế polystyrene, và đánh giá hiệu suất cảm biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kiểm soát tỷ lệ khung hình của nano vàng dạng thanh (AuNRs):

    • Khi tăng thể tích HCl từ 150 µL đến 450 µL, bước sóng hấp thụ cực đại LSPR dịch chuyển từ 695 nm đến 777 nm, tỷ lệ khung hình tăng từ 2,8 lên 3,9.
    • Tăng lượng AgNO3 từ 0,6 mL đến 1,2 mL làm bước sóng LSPR dịch chuyển từ 610 nm đến 750 nm, tỷ lệ khung hình tăng từ 2,1 lên 3,5.
    • Tăng lượng mầm vàng từ 20 µL đến 60 µL làm bước sóng LSPR giảm từ 750 nm xuống 680 nm, tỷ lệ khung hình giảm từ 3,5 xuống 2,8.

  2. Đặc trưng vật liệu AuNR@MIP:

    • Phổ UV-Vis và SEM cho thấy lớp polyme in dấu phân tử phủ đều trên bề mặt nano vàng dạng thanh, tạo thành cấu trúc lõi-vỏ ổn định.
    • Đế SERS AuNR@MIP/PS có độ đồng đều cao nhờ lớp polystyrene hình cầu sắp xếp tuần hoàn, giúp tăng cường tín hiệu Raman.

  3. Hiệu suất cảm biến phân tích BPA:

    • Cường độ tín hiệu SERS tại đỉnh Raman 1174 cm^-1 tỷ lệ thuận với nồng độ BPA trong khoảng 0,1 - 1,0 mg/L, cho thấy khả năng phát hiện BPA ở hàm lượng rất thấp.
    • Độ chọn lọc cao khi so sánh với các hợp chất tương tự như DES, BPAF và BP, với tín hiệu SERS của BPA vượt trội hơn khoảng 30-40%.
    • Độ đồng đều của đế SERS được đánh giá qua phổ SERS tại 8 vị trí khác nhau trên cùng một tấm đế, với độ lệch chuẩn tương đối (RSD) dưới 10%.
    • Khả năng tái sử dụng đế AuNR@MIP/PS được chứng minh qua 10 lần sử dụng liên tiếp, tín hiệu SERS giảm không quá 15%.

Thảo luận kết quả

Việc điều chỉnh các thông số tổng hợp nano vàng dạng thanh như lượng HCl, AgNO3 và mầm vàng đã cho phép kiểm soát chính xác kích thước và tỷ lệ khung hình của AuNRs, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí và cường độ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của các ion bạc và pH trong quá trình phát triển mầm nano vàng.

Lớp polyme in dấu phân tử (MIP) phủ trên AuNRs tạo ra các khuôn phân tử đặc hiệu cho BPA, giúp tăng độ chọn lọc của cảm biến. Sự kết hợp giữa hiệu ứng tăng cường tín hiệu SERS của lõi nano vàng và khả năng bắt chọn chọn lọc của MIP đã tạo ra một cảm biến quang học có độ nhạy cao và độ lặp lại tốt.

Các kết quả phân tích phổ Raman và SEM minh họa rõ ràng sự đồng đều và ổn định của vật liệu cảm biến, đồng thời cho thấy khả năng ứng dụng thực tế trong phân tích BPA trong mẫu thực. Biểu đồ mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ SERS và nồng độ BPA cho thấy cảm biến có thể được sử dụng để định lượng chính xác BPA trong khoảng nồng độ từ 0,1 đến 1,0 mg/L.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano vàng dạng thanh:

    • Thực hiện điều chỉnh chính xác lượng HCl và AgNO3 để kiểm soát tỷ lệ khung hình AuNRs nhằm đạt hiệu suất tăng cường SERS tối ưu.
    • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển quy trình phủ MIP đồng đều trên các cấu trúc nano vàng:

    • Nghiên cứu các monomer chức năng và điều kiện polymer hóa để tăng độ bền và khả năng tái sử dụng của cảm biến.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu polymer và cảm biến.

  3. Ứng dụng cảm biến AuNR@MIP/PS trong phân tích hiện trường:

    • Thiết kế thiết bị đo SERS cầm tay tích hợp cảm biến để phân tích nhanh BPA và các hợp chất hữu cơ khác tại các điểm nóng ô nhiễm.
    • Thời gian thực hiện: 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các công ty công nghệ và viện nghiên cứu ứng dụng.

  4. Mở rộng nghiên cứu sang các hợp chất hữu cơ khác:

    • Áp dụng công nghệ MIP-SERS để phát hiện các chất độc hại khác như thuốc trừ sâu, kháng sinh trong thực phẩm và môi trường.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu hóa phân tích và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Hóa phân tích và Vật liệu nano:

    • Lợi ích: Cập nhật kiến thức về công nghệ tổng hợp nano vàng và ứng dụng cảm biến MIP-SERS trong phân tích hóa học.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc giảng dạy chuyên sâu về cảm biến quang học.

  2. Chuyên gia môi trường và quản lý chất lượng thực phẩm:

    • Lợi ích: Áp dụng phương pháp phân tích nhanh, chính xác để giám sát ô nhiễm hữu cơ và dư lượng hóa chất độc hại.
    • Use case: Triển khai các chương trình kiểm tra chất lượng thực phẩm và môi trường tại hiện trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến và công nghệ phân tích:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ mới để phát triển sản phẩm cảm biến quang học di động, hiệu quả.
    • Use case: Thiết kế và thương mại hóa thiết bị đo SERS ứng dụng trong an toàn thực phẩm và môi trường.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa học, Vật liệu và Kỹ thuật môi trường:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, quy trình tổng hợp vật liệu nano và ứng dụng thực tiễn.
    • Use case: Học tập, làm luận văn và phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến MIP-SERS hoạt động như thế nào trong việc phát hiện BPA?
    Cảm biến sử dụng lớp polyme in dấu phân tử (MIP) để bắt chọn BPA một cách chọn lọc, trong khi lõi nano vàng dạng thanh (AuNRs) tăng cường tín hiệu Raman của BPA nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt. Kết quả là tín hiệu Raman của BPA được khuếch đại mạnh, giúp phát hiện ở nồng độ rất thấp.

  2. Tại sao lại chọn nano vàng dạng thanh thay vì dạng cầu?
    Nano vàng dạng thanh có hai cực đại hấp thụ plasmon (dọc và ngang), trong đó cực đại dọc có thể điều chỉnh bước sóng hấp thụ từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần bằng cách thay đổi tỷ lệ khung hình. Điều này giúp tăng cường hiệu quả SERS và phù hợp hơn với bước sóng laser sử dụng.

  3. Độ nhạy của cảm biến AuNR@MIP/PS trong phát hiện BPA là bao nhiêu?
    Cảm biến có thể phát hiện BPA trong khoảng nồng độ từ 0,1 đến 1,0 mg/L với tín hiệu Raman tuyến tính và độ chọn lọc cao, phù hợp cho các ứng dụng giám sát môi trường và thực phẩm.

  4. Cảm biến có thể tái sử dụng được bao nhiêu lần?
    Theo kết quả nghiên cứu, đế SERS AuNR@MIP/PS có thể tái sử dụng ít nhất 10 lần với tín hiệu giảm không quá 15%, đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả trong ứng dụng thực tế.

  5. Phương pháp tổng hợp nano vàng dạng thanh có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp phát triển mầm sử dụng hai chất hoạt động bề mặt CTAB và potassium oleate cho phép kiểm soát tốt kích thước và tỷ lệ khung hình, quy trình đơn giản, chi phí thấp và sản phẩm có độ đồng đều cao, phù hợp cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp nano vàng dạng thanh với tỷ lệ khung hình điều chỉnh được từ 2,1 đến 3,9, bước sóng hấp thụ plasmon dịch chuyển từ 610 nm đến 777 nm.
  • Vật liệu AuNR@MIP được chế tạo với lớp polyme in dấu phân tử phủ đều, tạo ra cảm biến SERS có độ chọn lọc cao đối với BPA.
  • Đế SERS AuNR@MIP/PS cho tín hiệu Raman mạnh, độ đồng đều và khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho phân tích BPA ở nồng độ thấp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến quang học di động, nhanh chóng và đáng tin cậy cho giám sát ô nhiễm hữu cơ và an toàn thực phẩm.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng cảm biến cho các hợp chất hữu cơ khác và phát triển thiết bị đo cầm tay trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu ứng dụng thực địa và phát triển thiết bị cảm biến tích hợp để phục vụ công tác giám sát môi trường và an toàn thực phẩm hiệu quả hơn.