Nghiên cứu chế tạo đế tăng cường tín hiệu Raman (SERS) trên nền vật liệu polymer

Khóa luận: Chế tạo đế tăng cường tín hiệu Raman SERS trên nền polymer tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Lưu Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thụy Ngọc Thủy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo đế tăng cường tín hiệu Raman (SERS) trên nền vật liệu polymer
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo đế SERS trên nền polymer PDMS

Quang phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt đóng vai trò then chốt trong phân tích hóa học hiện đại. Kỹ thuật này phát hiện dấu vết phân tử với độ nhạy phân tử đơn lẻ. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung phát triển đế SERS trên nền vật liệu polymer linh hoạt. Polydimethylsiloxane được chọn làm chất nền chính nhờ sở hữu độ đàn hồi cao, tính trơ hóa học và độ truyền qua quang học vượt trội. Nhóm nghiên cứu tiến hành phủ các hạt nano kim loại quý lên bề mặt polymer để kích hoạt hiệu ứng plasmonic. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ tạo ra trường điện từ cực lớn tại các khe hẹp giữa các hạt nano. Điểm nóng điện từ này giúp tín hiệu tán xạ từ các phân tử hấp phụ tăng vọt hàng triệu lần. Quá trình chế tạo đế SERS trên nền polymer mở ra hướng đi mới cho các cảm biến quang học linh hoạt, giá thành thấp và dễ tạo hình. Đề tài khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Vật liệu đã chứng minh tính khả thi của quy trình tích hợp hạt nano bạc và vàng lên nền polymer có cấu trúc vi mô định hình.

1.1. Bản chất hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt SERS

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ xảy ra khi ánh sáng kích thích tương tác với electron tự do trên bề mặt kim loại. Các hạt nano vàng và bạc sở hữu vùng dẫn đặc biệt. Ánh sáng tới làm dao động tập thể các electron dẫn. Khi tần số photon trùng với tần số dao động riêng, cộng hưởng xuất hiện. Sự kiện này khuếch đại điện trường cục bộ tại các vị trí tiếp xúc, gọi là điểm nóng quang học. Phân tử nằm trong vùng điểm nóng sẽ phát ra tín hiệu Raman mạnh hơn bình thường từ 10 mũ 6 đến 10 mũ 8 lần. Cơ chế điện từ đóng góp phần lớn vào hệ số tăng cường tín hiệu. Hiệu ứng giúp nhận diện hóa chất nồng độ cực thấp mà không cần xử lý mẫu phức tạp.

1.2. Vai trò vật liệu Polydimethylsiloxane làm chất nền

Polydimethylsiloxane là hợp chất polymer gốc silicon có nhiều đặc tính cơ lý ưu việt. Vật liệu có độ bền nhiệt tốt, tính đàn hồi cao và khả năng chống nước hiệu quả. Bề mặt PDMS dễ dàng sao chép các cấu trúc vi mô và nano với độ chính xác cao. Độ truyền quang trong suốt của PDMS hạn chế tối đa việc gây nhiễu nền khi phân tích quang phổ Raman. Ngoài ra, chi phí sản xuất PDMS rất rẻ so với các tấm đế silic hay thủy tinh truyền thống. Tính chất uốn dẻo cho phép vật liệu bám dính linh hoạt trên nhiều bề mặt phức tạp hoặc không bằng phẳng. Nhờ đó, đế SERS trên nền polymer PDMS đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu phân tích hiện trường nhanh chóng và tiện lợi.

II. Phân tích thách thức khi làm đế SERS trên nền polymer

Các đế SERS truyền thống thường được phát triển trên đế cứng như phiến silic hoặc tấm thủy tinh. Những vật liệu này có nhược điểm lớn về độ giòn, chi phí đắt đỏ và không thể uốn cong. Việc sử dụng đế cứng làm giảm khả năng lấy mẫu trực tiếp trên các bề mặt cong hoặc gồ ghề. Ngược lại, việc chuyển sang nền polymer như PDMS lại đặt ra thách thức lớn về cấu trúc hình học bề mặt. Một tấm polymer phẳng nhẵn không thể tạo ra mật độ điểm nóng quang học đủ dày đặc. Hạt nano kim loại khi lắng đọng trên nền phẳng thường bị phân tán rời rạc hoặc kết tụ không kiểm soát. Lực liên kết giữa hạt nano kim loại và bề mặt polymer hữu cơ vốn khá yếu do bản chất kỵ nước của PDMS. Nếu không tạo được bề mặt nhám vi mô, các hạt nano khó bám dính bền vững và dễ bị rửa trôi trong quá trình đo đạc. Sự thiếu hụt các khe hẹp nano dẫn đến tín hiệu tăng cường Raman không đồng đều và độ lặp lại thấp. Do đó, việc nghiên cứu các kỹ thuật tạo hình bề mặt gồ ghề cho polymer là yêu cầu sống còn để tối ưu hóa hiệu quả tán xạ.

2.1. Hạn chế của bề mặt nhẵn và độ bám dính nano kim loại

Bề mặt polymer nguyên bản có sức căng bề mặt thấp và trơ về mặt hóa học. Điều này khiến các hạt nano bạc hoặc vàng khó bám chắc chắn. Hiện tượng phân bố không đều tạo ra sự chênh lệch lớn giữa các vị trí phân tích. Khi bề mặt quá nhẵn, khoảng cách giữa các hạt kim loại trở nên quá xa nhau. Tình trạng này làm triệt tiêu hiệu ứng ghép cặp plasmon giữa các cấu trúc lân cận. Do đó, cường độ trường điện từ cục bộ giảm mạnh. Tín hiệu Raman thu nhận được sẽ suy yếu đáng kể và thiếu độ ổn định cần thiết. Việc xử lý bề mặt để cải thiện khả năng giữ hạt là bước bắt buộc trong quy trình sản xuất.

2.2. Nhược điểm về chi phí của đế cứng thủy tinh và silic

Đế silic và thủy tinh chiếm ưu thế lớn trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây. Tuy nhiên, quy trình gia công phòng sạch quang khắc có chi phí cực kỳ đắt đỏ. Thời gian chế tạo kéo dài và đòi hỏi thiết bị chân không phức tạp. Vật liệu nền cứng rất dễ vỡ khi chịu va đập cơ học từ bên ngoài. Người thao tác không thể dùng đế silic để dán ép trực tiếp lên bề mặt thực phẩm hay da sinh học. Hạn chế vật lý này ngăn cản việc phân tích mẫu tại chỗ. Chi phí cao cũng cản trở khả năng ứng dụng đại trà trong các xét nghiệm kiểm tra nhanh. Việc tìm kiếm vật liệu polymer thay thế mở ra giải pháp kinh tế và thiết thực hơn.

III. Phương pháp chế tạo đế SERS trên nền polymer tại HCMUTE

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển quy trình chế tạo đế SERS trên nền polymer hiệu quả cao. Nhóm tận dụng khuôn mẫu định hình vi mô từ nền nhôm ăn mòn điện hóa hoặc giấy nhám thô. Trong phương pháp điện hóa, tấm nhôm được xử lý qua hai giai đoạn ăn mòn trong dung dịch H2SO4 và C2H2O4 dưới điện áp ổn định 24V. Phản ứng điện phân oxy hóa nhôm tạo nên bề mặt rỗ tổ ong vi mô tự nhiên và đồng đều. Hỗn hợp PDMS cùng chất đóng rắn được đổ trực tiếp lên khuôn nhôm để đóng rắn nhiệt ở mức nhiệt độ thích hợp. Sau khi tách khuôn, màng PDMS giữ trọn vẹn hình thái bề mặt gồ ghề từ khuôn nhôm mẫu. Tiếp theo, các hạt nano bạc hoặc nano vàng được phủ đều lên bề mặt màng polymer bằng kỹ thuật nhỏ giọt tự lắp ráp hoặc lắng đọng dung dịch. Bề mặt gồ ghề bẫy các hạt nano vào các rãnh hẹp, tạo nên vô số điểm nóng plasmonic mật độ dày. Phương pháp này hoàn toàn không dùng thiết bị quang khắc đắt tiền, tiết kiệm tối đa chi phí vận hành và rút ngắn đáng kể chu kỳ sản xuất.

3.1. Kỹ thuật ăn mòn điện hóa nhôm làm khuôn đúc PDMS

Quá trình ăn mòn điện hóa sử dụng tấm nhôm làm việc trong hai loại dung dịch axit chuyên dụng. Giai đoạn đầu thực hiện trong dung dịch H2SO4 nồng độ 0.3 M suốt 3 giờ dưới hiệu điện thế 24V. Dây titan giữ vai trò giá đỡ tại cực dương và bản nhôm đóng vai trò cực âm. Giai đoạn hai tiếp tục ăn mòn trong C2H2O4 nồng độ 0.023 M trong 50 phút. Phản ứng oxy hóa hòa tan một phần nhôm kim loại trên cực dương tạo thành các lỗ xốp. Cấu trúc vi mô này biến tấm nhôm thành khuôn đúc hoàn hảo. Khi đổ PDMS lỏng lên bề mặt, polymer chảy đều vào từng khe rãnh nhỏ. Sau khi lưu hóa, tấm polymer thừa hưởng cấu trúc gồ ghề với độ chính xác cao.

3.2. Quy trình phủ hạt nano vàng và nano bạc lên polymer

Hạt nano vàng và bạc được tổng hợp bằng phương pháp hóa học ướt để đạt độ đồng đều cao về kích thước. Dung dịch chứa các hạt nano được phủ đều lên bề mặt chất nền PDMS đã định hình rãnh nhám. Quá trình bay hơi dung môi có kiểm soát hỗ trợ các hạt nano tự lắp ráp vào các kẽ rãnh vi mô. Nhờ hình thái gồ ghề của chất nền, các hạt nano phân bố sát nhau ở khoảng cách chỉ vài nanomet. Khoảng cách hẹp này tạo ra các khe plasmonic có điện trường siêu mạnh. Các hạt nano bám dính chắc chắn trên bề mặt polymer mà không bị bong tróc. Đế SERS hoàn thiện sở hữu mật độ điểm nóng quang học dày đặc, sẵn sàng cho các phép phân tích quang phổ với độ nhạy phân tử vượt trội.

IV. Ứng dụng thực tiễn của đế SERS trên nền polymer mới

Kết quả nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra triển vọng ứng dụng to lớn trong thực tiễn kiểm nghiệm. Đế SERS trên nền polymer được kiểm tra thử nghiệm thành công với dung dịch chất nhuộm Rhodamine B. Tín hiệu Raman đặc trưng của Rhodamine B được ghi nhận rõ ràng ngay cả ở nồng độ cực loãng. Khả năng tăng cường tín hiệu quang phổ đạt mức độ ổn định và có độ lặp lại rất cao giữa các mẻ chế tạo. Nhờ tính dẻo dai cơ học, đế SERS polymer hoạt động hiệu quả như một miếng gạc thông minh. Thiết bị có thể dán trực tiếp lên bề mặt vỏ trái cây để quét nhanh dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Ngoài ra, cảm biến linh hoạt này còn hỗ trợ phát hiện chất cấm, kháng sinh tồn dư trong thực phẩm tươi sống hoặc độc chất trong nguồn nước thải. Trong lĩnh vực y sinh, đế polymer kết hợp hạt nano cho phép phân tích nhanh các chỉ dấu sinh học trên bề mặt da. Đây là giải pháp cảm biến sinh học chi phí thấp, thân thiện môi trường và có tiềm năng thương mại hóa rộng rãi tại Việt Nam.

4.1. Khả năng phát hiện vết chất màu hữu cơ Rhodamine B

Thử nghiệm với Rhodamine B chứng minh hiệu năng vượt trội của đế SERS trên nền polymer PDMS. Hợp chất màu hữu cơ này thường dùng làm chất đánh dấu tiêu chuẩn để kiểm định độ nhạy quang phổ. Khi giọt dung dịch tiếp xúc với đế polymer phủ nano bạc hoặc vàng, các đỉnh phổ Raman đặc trưng hiện rõ với cường độ mạnh. Các đỉnh tán xạ ở các số sóng quan trọng hiển thị sắc nét mà không bị hiện tượng tán xạ nền che lấp. Giới hạn phát hiện phân tử đạt mức nồng độ siêu loãng micromol và nanomol. Sự đồng đều của tín hiệu tại nhiều điểm đo khác nhau khẳng định cấu trúc nhám vi mô phân bố vô cùng chuẩn xác.

4.2. Tiềm năng ứng dụng kiểm tra an toàn thực phẩm tại chỗ

Đế SERS màng polymer mở ra cuộc cách mạng trong xét nghiệm an toàn vệ sinh thực phẩm di động. Cán bộ kiểm định có thể dùng miếng dán polymer để miết nhẹ lên bề mặt rau củ và trái cây. Các phân tử thuốc trừ sâu và hóa chất bảo quản sẽ bám chặt vào bề mặt cảm biến. Máy đo Raman cầm tay chiếu tia laser trực tiếp qua lớp màng trong suốt để phân tích thành phần hóa chất ngay lập tức. Toàn bộ quy trình diễn ra trong vài phút mà không cần chuẩn bị mẫu phức tạp trong phòng thí nghiệm. Giải pháp này giúp kiểm soát chất lượng nông sản xuất khẩu nhanh chóng, chính xác và giảm thiểu tối đa chi phí kiểm nghiệm thực phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quang phổ tán xạ Raman là phương pháp phân tích quang học quan trọng cung cấp thông tin về dao động phân tử, đặc biệt phù hợp trong nhận diện các hợp chất hữu cơ. Phương pháp này sở hữu nhiều ưu điểm thực tiễn như không phá hủy mẫu, thời gian đo nhanh và mang phổ vân tay đặc trưng cho từng chất. Tuy nhiên, hiệu suất tán xạ Raman tự nhiên rất thấp (chỉ khoảng $10^{-6}$ đến $10^{-8}$ photon tới trải qua tán xạ không đàn hồi), đòi hỏi kỹ thuật tăng cường bề mặt (SERS) để phát hiện chất ở nồng độ vết. Phần lớn các nghiên cứu SERS trước đây tập trung trên nền chất nền silicon (Si) hoặc kim loại khối; tuy nhiên, nền Si có giá thành cao và quy trình chế tạo cấu trúc vi mô phức tạp. Nhằm giải quyết bài toán giảm thiểu chi phí và đơn giản hóa quy trình công nghệ, nghiên cứu đã lựa chọn vật liệu polymer dẻo Polydimethylsiloxane (PDMS) làm chất nền thay thế, kết hợp với các kỹ thuật tạo nhám bề mặt chi phí thấp từ vật liệu sẵn có.

Khóa luận xác định rõ 4 nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu chính:

1. Chế tạo đế SERS trên vật liệu polymer là PDMS có cấu trúc gồ ghề bề mặt kết hợp với các hạt nano kim loại (nano vàng hoặc nano bạc).
2. Chế tạo nền PDMS có cấu trúc gồ ghề dựa trên nền nhôm đã xử lý bề mặt bằng phương pháp điện hóa và dựa trên nền giấy nhám.
3. Tối ưu hóa quy trình phủ hạt nano vàng/bạc lên bề mặt đế PDMS.
4. Khảo sát khả năng tăng cường tín hiệu Raman của đế SERS đối với chất Rhodamine B ở nồng độ thấp.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quy trình tạo hình bề mặt nhám vi mô cho màng polymer PDMS thông qua kỹ thuật sao chép khuôn (từ khuôn giấy nhám thương mại và khuôn nhôm ăn mòn điện hóa), sự phân bố của các hạt nano kim loại quý (Ag, Au) trên đế PDMS, và khả năng khuếch đại tín hiệu tán xạ Raman trên phân tử chất phân tích Rhodamine B. Phạm vi thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 9 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên các cơ sở lý thuyết quang học và vật liệu:

• Hiện tượng tán xạ ánh sáng: Phân biệt tán xạ đàn hồi Rayleigh (không thay đổi năng lượng photon) và tán xạ không đàn hồi Raman (gồm tán xạ Stokes khi photon mất năng lượng, bước sóng dài hơn; và tán xạ phản Stokes khi photon nhận thêm năng lượng, bước sóng ngắn hơn).
• Cơ chế tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS): Tín hiệu Raman được gia tăng chủ yếu nhờ hiệu ứng điện từ phát sinh từ sự cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của các hạt nano kim loại và sóng phân cực plasmon bề mặt (SPPs). Trường điện từ cục bộ cực mạnh xuất hiện tại các vùng lân cận hạt nano và khe hẹp giữa các cấu trúc nano (điểm nóng - "hot spots"), kết hợp với hiệu ứng ghép điện tử (chuyển điện tích) giữa chất hấp phụ và hạt kim loại.
• Vật liệu Polydimethylsiloxane (PDMS): Một polymer gốc silicon có đặc tính quang học trong suốt, trơ hóa học, không độc hại, đàn hồi cao, tính chất lưu biến đặc trưng, dễ đúc khuôn ở nhiệt độ phòng.

Tác giả đã lập bảng so sánh ưu điểm và nhược điểm của việc ứng dụng polymer làm đế SERS:

Tiêu chí so sánh	Ưu điểm của đế SERS polymer	Nhược điểm của đế SERS polymer
Chi phí & Quy trình	Chi phí nguyên liệu thấp; chế tạo dễ dàng, không cần thiết bị chân không đắt tiền	Khả năng tái tạo tín hiệu chưa cao; hiệu suất tăng cường thấp hơn cấu trúc kim loại/Si tối ưu
Cơ lý tính	Khối lượng nhẹ; độ linh hoạt và uốn dẻo cơ học cao	Độ bền nhiệt kém; độ bền cơ lý và tương tác bề mặt với hạt nano kém hơn đế rắn vô cơ

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

• Phương pháp ăn mòn điện hóa (anodizing) hai bước trên phôi nhôm tinh khiết 98% để tạo cấu trúc xốp/gồ ghề vi mô làm khuôn đúc.
• Phương pháp in rập mềm (soft lithography/replica molding): Đổ hỗn hợp chất nền PDMS và chất đóng rắn lên khuôn giấy nhám hoặc khuôn nhôm đã ăn mòn, sau đó xử lý nhiệt và bóc tách để tái tạo hình thái gồ ghề.
• Phương pháp xử lý bề mặt bằng máy Plasma Cleaner để tăng tính ưa nước của PDMS, phục vụ quá trình hấp phụ và phủ hạt nano kim loại (Au, Ag) bằng phương pháp phủ quay (spin coating) hoặc nhỏ giọt.
• Các kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu và quang học:
  • Kính hiển vi quang học (OM) để đánh giá tổng quan hình thái bề mặt trước và sau ăn mòn.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để quan sát hình thái vi cấu trúc, độ nhám và sự phân bố của hạt nano Ag/Au trên nền PDMS.
  • Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) nhằm xác định đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của hệ hạt nano kim loại.
  • Quang phổ tán xạ Raman sử dụng nguồn laser kích thích để ghi nhận độ tăng cường tín hiệu của dung dịch thử nghiệm Rhodamine B.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này tổng kết lịch sử phát triển của SERS từ khi được Fleischmann và cộng sự phát hiện năm 1974 trên bề mặt điện cực bạc thô ráp. Tác giả phân tích các hướng nghiên cứu hiện đại ứng dụng SERS trong an toàn thực phẩm, y sinh và giám sát môi trường, tiêu biểu như các công trình chế tạo cảm biến phát hiện Rhodamine của Nguyễn Trần Trúc Phương, phát hiện vết thuốc diệt cỏ của TS. Lương Trúc Quỳnh Ngân, và chế tạo cảm biến màng PDMS vi cấu trúc từ lá khoai môn phủ Ag của Pawan Kumar.

Về mặt lý thuyết, chương hệ thống hóa bản chất của hiệu ứng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) trên các hạt nano kim loại quý (MNPs) có kích thước từ 10 đến 100 nm, giải thích nguyên nhân làm đổi màu dung dịch keo nano do tương tác với ánh sáng khả kiến. Cấu trúc hóa học và đặc tính của PDMS được trình bày cùng cơ chế khuếch đại điện từ khi ánh sáng laser chiếu vào khe hở nano. Chương 1 cũng phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp tạo đế SERS truyền thống (ăn mòn ướt, quang khắc nanolithography, tự lắp ráp self-assembly).

Đối với vật liệu tạo khuôn gồ ghề, tác giả trình bày hai giải pháp:

• Giấy nhám: Chọn loại Riken C35P thương mại có cấp độ nhám P2500 (kích thước hạt mài trung bình khoảng 8,4 µm), cấu tạo từ 3 thành phần chính: hạt mài (oxit nhôm/silicon carbide), keo dính và lớp nền giấy/vải.
• Đế nhôm: Kim loại có cấu trúc mạng lập phương diện tâm, có lớp màng oxit tự nhiên $\text{Al}_2\text{O}_3$, được xử lý ăn mòn tạo lỗ xốp vi mô.

Về chất phân tích thử nghiệm, chương giới thiệu Rhodamine B ($\text{C}{28}\text{H}{31}\text{ClN}_2\text{O}_3$), một loại phẩm nhuộm công nghiệp phát huỳnh quang mạnh, độc hại đối với người và động vật, có khả năng gây kích ứng và nguy cơ ung thư nên bị cấm trong thực phẩm, đòi hỏi kỹ thuật phát hiện nồng độ cực thấp.

Chương 2: Quy trình thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục trang thiết bị, hóa chất và quy trình thực nghiệm. Thiết bị chính gồm máy đánh siêu âm, máy làm sạch plasma (Plasma Cleaner), máy phủ quay (Spin Coating), kính hiển vi quang học, bộ nguồn điện hóa một chiều (DC), máy khuấy từ gia nhiệt, máy bơm hơi, hệ đo phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM và hệ đo quang phổ Raman. Hóa chất sử dụng gồm Acetone ($\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$), cồn Isopropyl alcohol (IPA - $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$), Axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$), Axit oxalic ($\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP), nước khử ion (DI) cùng dung dịch nano bạc và nano vàng.

Quy trình chế tạo đế khuôn nhôm trải qua 4 bước chuẩn bị và làm sạch: cắt phôi nhôm tinh khiết 98% kích thước $1 \times 1\text{ cm}$, tẩy rửa siêu âm trong Acetone 10 phút, trong nước DI 5 phút, sấy khô bằng khí $\text{N}_2$. Hệ điện hóa sử dụng điện cực dương (anode) là dây Titan kẹp phôi nhôm, điện cực âm (cathode) là một tấm nhôm đối điện.

Quy trình ăn mòn điện hóa hai giai đoạn được xác lập như sau:

• Bước 1: Điện phân trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ nồng độ $0{,}3\text{ M}$ trong thời gian 3 giờ dưới điện áp $24\text{ V}$, dòng điện $1\text{ A}$. Phản ứng tại cực âm sinh khí $\text{H}_2$ ($2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2$) và hoàn nguyên nhôm ($\text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}$). Tại cực dương diễn ra quá trình oxy hóa giải phóng ion nhôm ($2\text{Al} \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6\text{e}^-$) và oxy hóa nước tạo khí oxy ($\text{SO}_4^{2-} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$).
• Bước 2: Chuyển mẫu sang dung dịch $\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ nồng độ $0{,}023\text{ M}$, tiếp tục điện phân trong thời gian 50 phút ở $24\text{ V}$, dòng điện $1\text{ A}$. Tại cực dương, nhôm phản ứng tạo phức và giải phóng ion: $2\text{Al} + 6\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4 \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4^{2-} + 6\text{H}^+ + 6\text{e}^-$ cùng sự giải phóng khí $\text{CO}_2$ ($\text{C}_2\text{O}_4^{2-} \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{e}^-$).

Tác giả đã tiến hành khảo sát thực nghiệm các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ăn mòn nhôm, bao gồm: khảo sát nồng độ dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$, khảo sát nồng độ $\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4$, khảo sát thời gian ăn mòn trong $\text{H}_2\text{SO}_4$ (lần lượt tại các mốc 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ), thời gian ăn mòn trong $\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ (tại các mốc 40 phút, 50 phút, 60 phút) và biến thiên dòng điện cấp (1A, 2A, 3A).

Quy trình chế tạo đế PDMS gồ ghề:

• Trên nền giấy nhám: Hỗn hợp PDMS được phối trộn theo tỷ lệ chất nền/chất đóng rắn, khử bọt khí chân không, đổ trực tiếp lên mặt giấy nhám Riken C35P P2500, gia nhiệt đóng rắn rồi bóc tách màng.
• Trên nền khuôn nhôm: PDMS được phủ lên bề mặt tấm nhôm đã hoàn tất chu trình ăn mòn điện hóa, sấy khô và tách màng.
• Biến tính và phủ hạt kim loại: Màng PDMS sau khi lột được xử lý plasma làm sạch và phân cực bề mặt, sau đó tiến hành phủ dung dịch hạt nano vàng hoặc nano bạc để hoàn thiện đế SERS.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ các phép đo vi cấu trúc và quang phổ:

• Phân tích hình thái bằng kính hiển vi quang học (OM): Bề mặt đế nhôm trước ăn mòn xuất hiện nhiều vết xước cơ học định hướng; sau quy trình ăn mòn điện hóa hai bước, bề mặt chuyển sang dạng rỗ đồng đều. Màng PDMS bóc tách từ khuôn giấy nhám và khuôn nhôm đều ghi nhận sự sao chép rõ nét hình thái vi mô gồ ghề của khuôn gốc.
• Phổ hấp thụ UV-Vis: Kết quả đo quang phổ của dung dịch nano bạc và nano vàng phủ trên đế PDMS xác nhận sự hiện diện của đỉnh hấp thụ plasmon đặc trưng trong vùng ánh sáng khả kiến, chứng minh các hạt nano duy trì trạng thái phân tán quang học sau khi liên kết lên màng polymer.
• Ảnh kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM): Ảnh chụp bề mặt PDMS đúc từ giấy nhám thể hiện các gờ nổi bất đối xứng với kích thước vi mô tương ứng với kích thước hạt mài (~8,4 µm). Bề mặt PDMS từ khuôn nhôm thể hiện các cấu trúc rãnh và hốc rỗ tế vi phân bố đa hướng. Quan sát ảnh SEM độ phân giải cao của nano bạc và nano vàng trên cả hai loại nền PDMS cho thấy các hạt kim loại phân bố bám dính trên các gờ nhấp nhô, tạo thành các cụm hạt nano lân cận nhau.
• Kết quả quang phổ tán xạ Raman: Phép đo phổ Raman sử dụng chất thử Rhodamine B cho thấy đế PDMS gồ ghề phủ nano bạc có khả năng tăng cường tín hiệu vượt trội so với mẫu đối chứng không có cấu trúc nhám. Các đỉnh tán xạ đặc trưng của khung phân tử Rhodamine B được ghi nhận rõ nét ở nồng độ chất thử rất thấp là $0{,}1\text{ ppm}$. Khi so sánh trực tiếp giữa hai chất nền, đế PDMS chế tạo từ khuôn nhôm ăn mòn điện hóa và đế chế tạo từ giấy nhám đều cho tín hiệu phổ SERS rõ ràng, trong đó hình thái rỗ tế vi từ khuôn nhôm mang lại mật độ phân bố điểm nóng quang học đồng đều.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công đế polymer PDMS có cấu trúc bề mặt gồ ghề bằng kỹ thuật in rập mềm từ hai nguồn khuôn giá thành rẻ: giấy nhám mài mòn thương mại Riken C35P (độ nhám P2500) và đế nhôm ăn mòn điện hóa 2 bước.
• Thiết lập bộ thông số ăn mòn điện hóa ổn định cho phôi nhôm: Bước 1 trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4\ 0{,}3\text{ M}$ (thời gian 3 giờ), Bước 2 trong dung dịch $\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}\ 0{,}023\text{ M}$ (thời gian 50 phút), duy trì điện áp $24\text{ V}$ và dòng điện $1\text{ A}$.
• Hoàn thiện quy trình biến tính bề mặt PDMS bằng máy Plasma Cleaner và phủ thành công hạt nano kim loại quý (Ag, Au) lên màng polymer.
• Kiểm chứng hiệu năng tăng cường tín hiệu tán xạ Raman trên chất thử Rhodamine B, phát hiện thành công chất thử ở nồng độ vết $0{,}1\text{ ppm}$.

Đóng góp của khóa luận nằm ở việc đề xuất quy trình thực nghiệm đơn giản, chi phí thấp, không đòi hỏi các thiết bị quang khắc đắt tiền hay phòng sạch tiêu chuẩn cao, tận dụng được vật liệu polymer uốn dẻo PDMS cùng các khuôn tạo nhám dễ tiếp cận (giấy nhám, nhôm anod hóa) để thay thế cho chất nền silicon truyền thống trong nghiên cứu cảm biến quang học SERS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá của cán bộ phản biện và các ghi nhận trong văn bản, đề tài còn một số điểm hạn chế:

• Về nội dung chuyên môn: Cơ chế liên kết vật lý/hóa học chi tiết giữa hạt nano kim loại và bề mặt polymer PDMS chưa được phân tích sâu sắc; lượng hạt nano bám dính lên bề mặt sau xử lý plasma chưa được định lượng cụ thể; độ bền cơ học và tính ổn định tái lặp phổ sau nhiều lần uốn cong chưa được khảo sát toàn diện.
• Về hình thức trình bày: Khóa luận còn tồn tại nhiều lỗi chính tả, câu cú ngữ pháp chưa hoàn chỉnh, cấu trúc trình bày và diễn giải khoa học ở một số đoạn còn thiếu tính mạch lạc.

Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: nghiên cứu các phương pháp biến tính hóa học bề mặt để tăng cường lực liên kết bám dính của hạt nano lên PDMS, khảo sát độ lặp lại tín hiệu quang phổ trên nhiều điểm đo khác nhau, và thử nghiệm mở rộng đế SERS trên các đối tượng phân tích thực tế như dư lượng thuốc trừ sâu hoặc phụ gia thực phẩm khác.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Khoa học Vật liệu, Vật lý Kỹ thuật và Kỹ thuật Hóa học.

Nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cao nhất nằm ở Chương 2, cụ thể là quy trình công nghệ ăn mòn điện hóa hai bước trên nền nhôm (các thông số về điện áp, nồng độ dung dịch axit sulfuric/oxalic, thời gian điện phân) và kỹ thuật đúc màng polymer PDMS sao chép vi cấu trúc từ giấy nhám thương mại. Đây là các quy trình thực nghiệm rõ ràng, có thể áp dụng trực tiếp cho các đề tài nghiên cứu chế tạo bề mặt kỵ nước hoặc chất nền cảm biến linh hoạt trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng loại giấy nhám nào để làm khuôn đúc PDMS và thông số kỹ thuật của nó ra sao?
Khóa luận sử dụng giấy nhám thương mại Riken C35P với cấp độ nhám P2500. Kích thước trung bình của các hạt nhám (hạt mài) trên bề mặt giấy là khoảng $8{,}4\ \mu\text{m}$.

2. Thông số kỹ thuật của quy trình ăn mòn điện hóa hai bước trên đế nhôm được xác lập như thế nào?
Quy trình được thực hiện trên mẫu nhôm $1 \times 1\text{ cm}$ với điện áp nguồn $24\text{ V}$, dòng điện $1\text{ A}$:

• Giai đoạn 1: Điện phân trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4\ 0{,}3\text{ M}$ trong 3 giờ.
• Giai đoạn 2: Điện phân trong dung dịch $\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}\ 0{,}023\text{ M}$ trong 50 phút.

3. Phản ứng hóa học chính xảy ra tại hai điện cực trong dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ là gì?

• Tại điện cực âm (tấm nhôm cathode): $2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2$ và $\text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}$.
• Tại điện cực dương (dây Titan giữ mẫu nhôm anode): $2\text{Al} \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6\text{e}^-$ và $\text{SO}_4^{2-} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$.

4. Tại sao cần phải tạo cấu trúc gồ ghề vi mô trên bề mặt đế PDMS?
Độ gồ ghề vi mô giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của đế polymer và tạo điều kiện cho các hạt nano kim loại khi phủ lên sẽ hình thành các khe hở nano và cấu trúc tụ điểm. Khi chiếu tia laser, các khe hở này phát sinh hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR), tạo ra các điểm nóng điện từ trường cực mạnh, làm tăng cường độ tán xạ Raman của chất phân tích lên nhiều bậc độ lớn.

5. Khả năng phát hiện chất phân tích Rhodamine B của đế SERS trong đề tài đạt mức nồng độ nào?
Đế SERS chế tạo từ PDMS phủ nano bạc đã phát hiện và ghi nhận rõ nét các vân phổ dao động đặc trưng của Rhodamine B ở nồng độ thấp đến mức $0{,}1\text{ ppm}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả Trần Lưu Minh Hiếu, Trần Hoàng Tân và Nguyễn Trường Danh đã hoàn thành nghiên cứu chế tạo đế SERS trên nền polymer PDMS dẻo với chi phí thấp và quy trình công nghệ đơn giản. Bằng phương pháp in rập vi cấu trúc từ giấy nhám P2500 và khuôn nhôm ăn mòn điện hóa hai bước kết hợp biến tính hạt nano Ag/Au, đế cảm biến đã khuếch đại thành công tín hiệu tán xạ Raman của dung dịch Rhodamine B ở nồng độ vết $0{,}1\text{ ppm}$. Công trình mang lại giá trị thực tiễn đối với lĩnh vực công nghệ vật liệu cảm biến, mở ra giải pháp thay thế hiệu quả cho các chất nền bán dẫn đắt tiền trong phân tích quang phổ y sinh và kiểm định an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. Tổng quan về việc nghiên cứu Raman tăng cường bề mặt và ứng dụng hiện nay Tán xạ Raman tăng cường bề mặt từ khi được phát hiện năm 1974 đã thu hút được sự quan tâm ngày càng nhiều vì nó có thể tăng cường các tín hiệu Raman lên vài bậc độ lớn và do đó trở thành một công cụ hữu hiệu để xác định các chất với hàm lượng nhỏ. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu về phương pháp chế tạo đế SERS định hướng ứng dụng trong y sinh và môi trường. Việc kiểm soát các loại chất có tính độc hại có trong thực phẩm là việc cần thiết và ưu tiên hàng đầu ở nước ta hiện nay, liên quan đến sức khỏe bản thân, gia đình và xã hội và ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế.

Việc ứng dụng tán xạ Raman tăng cường bề mặt vào đảm bảo an toàn thực phẩm, có khả năng ứng dụng vào trong khâu phân tích và kiểm định chất lượng sản phẩm vì nó có thể giải quyết các khuyết điểm của các phương pháp tiêu chuẩn hiện nay như tốn thời gian và đắt tiền [5]. Nhiều nhà khoa học trong nước đã và đang nghiên cứu hiện tượng Raman tăng cường bề mặt nhằm tìm ra vấn đề giải quyết yêu cầu cấp bách trên. Nhóm của tác giả Nguyễn Trần Trúc Phương đã nghiên cứu chế tạo cảm biến phát hiện thuốc nhuộm tổng hợp Rhodamine trong giám sát môi trường dựa trên SERS [6]. Nhóm của TS.

Lương Trúc Quỳnh Ngân cũng đã nghiên cứu về khả năng phát hiện dấu vết thuốc diệt cỏ bằng kỹ thuật SERS, sử dụng chất nền hoạt tính SERS được chế tạo từ các cấu trúc nano bạc khác nhau lắng đọng trên silicon [7]. Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu chế tạo đế SERS bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm phát hiện các chất có nồng độ thấp. Có nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau để chế tạo đế SERS như phương pháp ăn mòn ướt và tổng hợp, phương pháp điện hóa, phương pháp hóa học, phương pháp nanolithography. Năm 2022 các nhà khoa học đã chế tạo cảm biến dựa trên nền tảng SERS linh hoạt cao để phát hiện COVID-19 [8].

Nhóm 3 tác giả Pawan Kumar đã nghiên cứu chế tạo thành công cảm biến SERS linh hoạt, có độ nhạy cao để phát hiện màu xanh lá cây malachit dựa trên chất nền PDMS cấu trúc vi mô được trang trí bằng Ag được chế tạo từ lá khoai môn làm mẫu [9].1: Sơ đồ chế tạo chất nền PDMS SERS mảng vi khoang được trang trí bằng Ag sử dụng lá khoai môn làm mẫu [9]. Có thể thấy ứng dụng của SERS để làm cảm biến sinh học là một ứng dụng trong an toàn thực phẩm, y sinh và môi trường là hướng nghiên cứu mới mẻ ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Tổng quan về hạt nano kim loại và hiệu ứng plasmon 1. Tổng quan về hạt nano kim loại Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano (10-100nm) được tạo thành từ các kim loại.

Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. 4 Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt nano [10].2: Hạt nano kim loại. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng [11].

Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học như trên.

Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn được biết có khả năng diệt khuẩn. Hàng ngàn năm trước người ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để được lâu hơn. Ngày nay người ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào. Hiệu ứng plasmon Bề mặt kim loại được bao phủ bởi các electron, chúng là những điện tử dẫn được giữ trong mạng tinh thể bởi sự có mặt của điện tích dương từ các ion kim loại.

Khi một chùm sáng tương tác với các electron này, chúng bắt đầu dao động trên bề mặt. Plasmon bề mặt là những sóng điện từ được truyền dọc theo giao diện kim loại - điện môi. Nói cách khác, ta có thể định nghĩa là plasmon bề mặt là sự dao động của điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới. Cường độ điện trường của plasmon bề mặt giảm theo hàm mũ khi xa dần giao diện kim loại - điện môi.3: Minh họa về hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ [12].

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng 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, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất hiện [13]. Tổng quan về Polydimetylsiloxane (PDMS) Polydimethylsiloxane (PDMS), còn được gọi là dimethylpolysiloxane hoặc dimethicone, là một loại polymer silicon có tính linh hoạt, đàn hồi và độ bền cao trong các ứng dụng khoa học và công nghệ. Hiện nay, PDMS đang được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y tế, điện tử, màng lọc và các ứng dụng sinh học như trồng tế bào và tạo hình.

Với nhiều ưu điểm và đặc tính vượt trội, PDMS đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn sẽ đóng góp lớn trong việc giải quyết các vấn đề khoa học kỹ thuật và đời sống.5: Cấu trúc hóa học của PDMS [14]. Nó đặc biệt được biết đến với tính chất lưu biến (hoặc dòng chảy) bất thường của nó. PDMS trong suốt về mặt quang học và trơ, không độc hại và không bắt lửa. Nó là một trong một số loại dầu silicon (siloxan trùng hợp).

Các ứng dụng của nó bao gồm kính áp tròng và thiết bị y tế, chất đàn hồi. Nó cũng có mặt trong dầu gội đầu (vì nó làm cho tóc bóng và trơn), thực phẩm (chất chống tạo bọt), chất bôi trơn và gạch chịu nhiệt. Quang phổ Raman Quang phổ Raman là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để nghiên cứu sự chuyển tiếp quay và rung động trong các phân tử như chất rắn, chất lỏng và chất khí. Nó được phát hiện vào năm 1928 bởi Krishnan và Raman, khi họ chứng minh bằng thực nghiệm hiện tượng tán xạ ánh sáng không đàn hồi bởi các phân tử [15].6 cho ta thấy rõ tán xạ Rayleigh có tính đàn hồi và không làm thay đổi năng lượng của photon.

Phân tử hấp thụ năng lượng trong tán xạ Stokes Raman, trong đó photon được dịch chuyển sang bước sóng dài hơn và ngược lại là tán xạ anti-Stokes. Các phép đo tán xạ Raman được sử dụng trong quang phổ Raman để phát hiện và định lượng các phân tử.6: Ba hình thức tán xạ khác nhau [16]. Hầu hết ánh sáng đi qua một chất trong suốt trải qua tán xạ Rayleigh. Đây là cơ chế tán xạ đàn hồi, có nghĩa là ánh sáng không tăng hoặc mất năng lượng trong quá trình tán xạ.

Trong tán xạ Rayleigh, một photon tương tác với một phân tử, làm phân cực đám mây electron và nâng nó lên trạng thái năng lượng "kích thích". Điều này tồn tại cực kỳ ngắn (cỡ 10-14 giây) và phân tử sớm quay trở lại trạng thái cơ bản, giải phóng một photon. Điều này có thể được giải phóng theo bất kỳ hướng nào, dẫn đến tán xạ. Tuy nhiên, vì phân tử đang rơi trở lại trạng thái ban đầu, năng lượng được giải phóng trong photon phải giống như năng lượng từ photon ban đầu.

Do đó, ánh sáng tán xạ có cùng bước sóng. Tán xạ Raman khác ở chỗ nó không đàn hồi. Các photon ánh sáng mất hoặc thu được năng lượng trong quá trình tán xạ, và do đó tăng hoặc giảm bước sóng tương ứng. Nếu phân tử được đẩy từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích và sau đó giảm trở lại trạng thái rung động (năng lượng cao hơn) thì photon tán xạ có ít năng lượng hơn photon tới, và do đó bước sóng dài hơn.

Điều này được gọi là tán xạ Stokes. Nếu phân tử ở trạng thái rung 9 động để bắt đầu và sau khi tán xạ ở trạng thái cơ bản thì photon tán xạ có nhiều năng lượng hơn, và do đó bước sóng ngắn hơn. Điều này được gọi là tán xạ phản Stokes. Tán xạ Rayleigh xuất hiện mạnh hơn nhiều so với ánh sáng tán xạ Raman tương đối yếu, trong đó chỉ có một trong 106 đến 108 photon trải qua hiệu ứng Raman.

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một kỹ thuật có độ nhạy cao giúp tăng cường tán xạ Raman của các phân tử được hỗ trợ bởi một số vật liệu cấu trúc nano. Về nguyên tắc, bất kỳ chất phân tích nào có thể phân cực dưới chiếu xạ laser đều có thể được phát hiện bằng quang phổ Raman. Tuy nhiên, các tín hiệu tán xạ Raman yếu khiến việc phát hiện nồng độ chất phân tích thấp trở nên rất khó khăn. Ngoài ra, tán xạ Raman bình thường bị nhiễu huỳnh quang, đặc biệt là đối với các mẫu sinh học.

Để cải thiện độ nhạy phát hiện và giảm thiểu nhiễu huỳnh quang, SERS kết hợp các cấu trúc nano để tăng cường tán xạ Raman của các chất phân tích và dập tắt huỳnh quang nền. Cấu trúc nano, chủ yếu là kim loại quý với kích thước, hình dạng và cấu trúc phù hợp có thể hoạt động như chất tăng cường tín hiệu Raman của các mục tiêu phân tích [17].7: So sánh giữa kỹ thuật Raman và kỹ thuật SERS. a) Kỹ thuật Raman b) Kỹ thuật SERS [17]. 10 Nhờ độ nhạy và độ chọn lọc cực cao, SERS có rất nhiều ứng dụng trong hóa học bề mặt, xúc tác, công nghệ nano, sinh học, y sinh, khoa học thực phẩm, phân tích môi trường và các lĩnh vực khác.