Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên sợi quang ứng dụng ...

• Tác giả: Phạm Thanh Bình
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Hội
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu Quang học, Quang điện tử và Quang tử
• Đề tài: Chế Tạo Cảm Biến Quang-Hóa Trên Sợi Quang Phát Hiện Hóa Chất Độc Hại
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG
• 1.1.1. Khái niệm về sợi quang
• 1.1.2. Cấu trúc sợi quang
• 1.1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang
• 1.1.4. Một số thông số cơ bản của sợi quang
• 1.1.5. Cảm biến sợi quang (Fiber-optic sensor: FOS)
• 1.1.6. Phân loại cảm biến sợi quang
• 1.1.7. Những thông số đánh giá chất lượng của cảm biến
• 1.1.8. Sợi quang trong ứng dụng cảm biến quang-hóa
• 1.1.9. Cảm biến quang sợi dựa trên kỹ thuật sóng trường gần
• 1.1.10. Một số loại cảm biến quang-hóa sợi quang dựa trên kỹ thuật sóng trường gần
• 1.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. LÝ THUYẾT CẢM BIẾN QUANG-HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON
• 2.1. Cảm biến quang-hóa dựa trên FBG
• 2.2. Tổng quan về FBG
• 2.3. Ứng dụng cách tử Bragg sợi quang trong lĩnh vực cảm biến
• 2.4. Cảm biến quang hóa dựa trên FBG
• 2.5. Cảm biến quang hóa dựa vào hiệu ứng cộng hưởng Plasmon của các cấu trúc nano kim loại định xứ trên bề mặt sợi quang
• 2.6. Hiệu ứng plasmon
• 2.7. Cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon
• 2.8. Cảm biến quang hóa dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt
• 2.9. Đế SERS trên nền quang sợi
• 2.10. Các thông số đánh giá chất lượng của đế SERS
• 2.11. Tình hình nghiên cứu cảm biến SERS tại Việt Nam
• 2.12. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BẰNG VIỆC TÍCH HỢP D-FBG TRONG CẤU HÌNH LASER SỢI VỚI CẤU TRÚC GƯƠNG VÒNG
• 3.1. Chế tạo cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG
• 3.2. Phương pháp ăn mòn hóa học
• 3.3. Khảo sát đặc tính của cảm biến e – FBG
• 3.4. Phương pháp mài mòn cơ học
• 3.5. Khảo sát đặc tính của cảm biến D – FBG
• 3.6. Phát triển cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên cảm biến D - FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng
• 3.6.1. Cấu trúc của cảm biến
• 3.6.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến
• 3.6.3. Khảo sát đặc tính của cảm biến quang hóa dựa vào cảm biến D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng (loop-mirror)
• 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ĐẾ SERS SỢI QUANG VỚI CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG/NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÁC LASER BÁN DẪN
• 4.1. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag
• 4.2. Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ và hóa chất
• 4.3. Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag bằng phương pháp quang-hóa với sự hỗ trợ của chùm laser 532 nm
• 4.4. Khảo sát hình thái học đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag
• 4.5. Khảo sát tính chất đế SERS sợi quang phẳng với các cấu trúc nano Ag
• 4.6. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá
• 4.7. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị và hóa chất
• 4.8. Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá bằng phương pháp quang-hóa có sự hỗ trợ của hai laser 532 nm và 650 nm
• 4.9. Khảo sát hình thái học của đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá
• 4.10. Khảo sát tính chất đế SERS với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá trên đầu vi cầu
• 4.11. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• 5. ỨNG DỤNG CẢM BIẾN QUANG HÓA DỰA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG
• 5.1. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG để phân tích nitrate và một số dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng
• 5.2. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên e-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích nitrate trong môi trường lỏng
• 5.3. Ứng dụng cảm biến quang hóa dựa trên D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích một số dung môi hữu cơ
• 5.4. Ứng dụng đế SERS sợi quang với các cấu trúc nano AgNDs và AuNPs/AgNDs để phân tích một số chất bảo vệ thực vật
• 5.5. Ứng dụng đế SERS sợi quang phẳng với cấu trúc AgNDs để phân tích chất BVTV Permethrin
• 5.6. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AgNDs để phân tích chất BVTV Dimethoate
• 5.7. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AuNPs/AgNDs để phân tích chất BVTV Fention và Cypermethrin
• 5.8. KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO NỘI DUNG LUẬN ÁN
• CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Cảm biến quang hóa trên sợi quang

Luận án tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để phát hiện các hóa chất độc hại trong môi trường. Cảm biến này dựa trên nguyên lý tương tác giữa ánh sáng truyền trong sợi quang và môi trường bên ngoài, làm thay đổi các đặc tính quang học như cường độ, bước sóng, và phân cực ánh sáng. Cảm biến quang hóa được thiết kế để hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, đặc biệt là trong môi trường có nguy cơ cháy nổ hoặc ăn mòn hóa học cao.

1.1. Nguyên lý hoạt động

Cảm biến quang hóa hoạt động dựa trên sự thay đổi của ánh sáng khi tương tác với các hóa chất độc hại. Khi ánh sáng truyền qua sợi quang, nó sẽ bị ảnh hưởng bởi các hóa chất trong môi trường, dẫn đến sự thay đổi trong phổ ánh sáng. Sự thay đổi này được đo lường và phân tích để xác định sự hiện diện và nồng độ của các hóa chất độc hại.

1.2. Ưu điểm của cảm biến quang hóa

Cảm biến quang hóa trên sợi quang có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại cảm biến truyền thống. Chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, hoạt động ổn định trong môi trường ăn mòn hóa học, và không tạo ra tia lửa điện trong môi trường nguy hiểm. Ngoài ra, cảm biến này có thể được tích hợp với các thiết bị quang điện tử hiện đại để tăng độ chính xác và độ nhạy.

II. Ứng dụng của cảm biến quang hóa

Luận án đề cập đến việc ứng dụng cảm biến quang hóa trên sợi quang để phát hiện các hóa chất độc hại trong môi trường. Các ứng dụng cụ thể bao gồm phát hiện nitrate trong nước, phân tích các dung môi hữu cơ, và nhận biết các chất bảo vệ thực vật như Permethrin, Dimethoate, Fenthion, và Cypermethrin. Cảm biến quang hóa được chứng minh là có độ nhạy cao và khả năng phát hiện các hóa chất ở nồng độ rất thấp, đạt đến mức ppm hoặc thấp hơn.

2.1. Phát hiện nitrate trong nước

Cảm biến quang hóa được sử dụng để phát hiện nitrate trong nước với độ nhạy cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến có thể phát hiện nitrate ở nồng độ từ 10 ppm đến 80 ppm. Sự dịch chuyển bước sóng của tín hiệu quang phản ánh sự thay đổi nồng độ nitrate trong mẫu nước.

2.2. Phân tích chất bảo vệ thực vật

Luận án cũng trình bày việc sử dụng cảm biến quang hóa để phân tích các chất bảo vệ thực vật như Permethrin, Dimethoate, Fenthion, và Cypermethrin. Cảm biến này có khả năng phát hiện các chất này ở nồng độ rất thấp, đạt đến mức 0.1 ppm. Kết quả phân tích được thể hiện qua phổ Raman, cho thấy sự tăng cường tín hiệu khi sử dụng các cấu trúc nano kim loại như AgNDs và AuNPs/AgNDs.

III. Chế tạo và đánh giá cảm biến

Luận án mô tả chi tiết quy trình chế tạo cảm biến quang hóa trên sợi quang, bao gồm các phương pháp ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học để tạo ra các cấu trúc cảm biến đặc biệt như e-FBG và D-FBG. Các cảm biến này được tích hợp vào cấu hình laser sợi với cấu trúc gương vòng để tăng độ nhạy và độ chính xác. Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến có độ ổn định cao và khả năng phát hiện các hóa chất độc hại với độ chính xác đáng kể.

3.1. Phương pháp chế tạo

Quy trình chế tạo cảm biến quang hóa bao gồm các bước như chuẩn bị thiết bị, dụng cụ, và hóa chất, sau đó tiến hành ăn mòn hóa học hoặc mài mòn cơ học để tạo ra các cấu trúc cảm biến. Các cấu trúc nano kim loại như AgNDs và AuNPs/AgNDs được sử dụng để tăng cường tín hiệu quang học.

3.2. Đánh giá hiệu suất

Hiệu suất của cảm biến quang hóa được đánh giá thông qua các thử nghiệm trong môi trường lỏng với chiết suất thay đổi. Kết quả cho thấy cảm biến có độ nhạy cao và khả năng phát hiện các hóa chất độc hại với độ chính xác đáng kể. Các thông số như hệ số tăng cường tán xạ Raman và giới hạn phát hiện được đo lường và phân tích để đánh giá hiệu quả của cảm biến.