Luận văn thạc sĩ: Đế SERS hạt nano vàng trên bề mặt kim loại tuần hoàn

• Tác giả: Phạm Thị Thu Hường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thế Bình
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại có cấu trúc tuần hoàn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về đế SERS và hạt nano vàng trên bề mặt kim loại

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là kỹ thuật quang phổ mạnh mẽ, cho phép phát hiện phân tử ở nồng độ rất thấp. Hiệu ứng SERS xảy ra khi phân tử phân tích đặt gần bề mặt kim loại nano, thường là vàng (Au) hoặc bạc (Ag). Hệ số tăng cường Raman có thể đạt 10⁶ đến 10⁸ lần so với tán xạ Raman thông thường. Hạt nano vàng được ưa chuộng nhờ tính ổn định hóa học cao, khả năng tương thích sinh học tốt và dễ chế tạo. Cấu trúc tuần hoàn trên bề mặt kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các điểm nóng (hot spots) tập trung điện trường, từ đó nâng cao tín hiệu SERS. Các cấu trúc này bao gồm mảng hạt nano, cột nano, rãnh nano có kích thước và khoảng cách được kiểm soát chính xác. Nghiên cứu chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại có cấu trúc tuần hoàn đang là hướng nghiên cứu trọng tâm, nhằm đạt độ nhạy cao, độ lặp lại tốt và chi phí thấp cho các ứng dụng phân tích thực tế.

1.1. Cơ chế tăng cường điện từ và hóa học trong hiệu ứng SERS

Hiệu ứng SERS dựa trên hai cơ chế tăng cường chính. Cơ chế tăng cường điện từ (EM) chiếm vai trò chủ đạo, xảy ra khi ánh sáng kích thích tạo ra plasmon bề mặt trên hạt nano kim loại. Plasmon cộng hưởng làm tăng cường điện trường cục bộ tại bề mặt hạt nano, khuếch đại tín hiệu Raman của phân tử gần đó. Các điểm nóng hình thành tại khe hở giữa hai hạt nano liền kề, nơi điện trường tập trung mạnh nhất. Cơ chế tăng cường hóa học liên quan đến sự chuyển điện tích giữa phân tử và bề mặt kim loại, tạo ra trạng thái cộng hưởng mới. Cơ chế này thường đóng góp hệ số tăng cường nhỏ hơn, khoảng 10-100 lần. Sự kết hợp hai cơ chế mang lại hệ số tăng cường tổng thể rất lớn, cho phép phát hiện đơn lẻ phân tử.

1.2. Các loại cấu trúc tuần hoàn cho đế SERS hiệu quả cao

Cấu trúc tuần hoàn trên đế SERS được thiết kế với kích thước nanomet để tối ưu hóa cộng hưởng plasmon. Các loại cấu trúc phổ biến bao gồm mảng cột nano, mảng lỗ nano và mảng đảo kim loại. Kỹ thuật quang khắc điện tử (E-beam lithography) cho phép tạo cấu trúc có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn. Kỹ thuật FIB (Focused Ion Beam) khắc trực tiếp vi cấu trúc 3D với độ phân giải tốt hơn. Gần đây, đĩa DVD được sử dụng làm mẫu có sẵn cấu trúc tuần hoàn với khoảng cách rãnh khoảng 740 nm. Bề mặt kim loại nhôm của đĩa DVD sau khi xử lý tạo nền lý tưởng để ngưng đọng hạt nano vàng. Phương pháp này giảm chi phí đáng kể so với kỹ thuật lithography truyền thống.

II. Phân tích vấn đề chế tạo đế SERS trên bề mặt cấu trúc tuần hoàn

Chế tạo đế SERS có độ lặp lại và đồng nhất cao vẫn là thách thức lớn trong nghiên cứu quang phổ SERS. Phương pháp quang khắc điện tử và chùm ion hội tụ tạo ra cấu trúc nano chính xác nhưng chi phí rất cao, khó ứng dụng trong đo lường thực tế quy mô lớn. Kích thước, hình dạng và khoảng cách giữa các hạt nano vàng ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí và cường độ cộng hưởng plasmon. Sự không đồng đều trong phân bố hạt nano dẫn đến tín hiệu SERS biến đổi giữa các vị trí đo trên cùng một đế. Keo hạt nano vàng tổng hợp bằng phương pháp hóa học thường có kích thước phân tán rộng, khó kiểm soát hình dạng hạt. Bề mặt kim loại nền phải được xử lý đúng cách để đảm bảo độ bám dính và phân bố đều hạt nano. Áp lực nghiên cứu đặt ra yêu cầu phát triển phương pháp chế tạo đế SERS chất lượng cao với chi phí thấp, phù hợp triển khai ứng dụng thực tiễn trong cảm biến và phân tích.

2.1. Hạn chế của phương pháp chế tạo đế SERS truyền thống

Phương pháp quang khắc điện tử (E-beam lithography) sử dụng chùm điện tử viết lên lớp cảm quang phủ trên đế Silicon, tạo chi tiết nano theo thiết kế. Kỹ thuật này đạt độ lặp lại và ổn định rất cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, quy trình phức tạp và thời gian chế tạo dài. Kỹ thuật FIB sử dụng chùm Ion năng lượng lớn khắc trực tiếp vi cấu trúc 3D, cho độ phân giải tốt hơn nhưng chi phí còn cao hơn. Keo hạt nano kim loại truyền thống dùng phương pháp khử hóa học tạo hạt có kích thước phân tán, hình dạng không đồng nhất. Các yếu tố này hạn chế khả năng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi đế SERS trong thực tế.

2.2. Thách thức trong kiểm soát kích thước và phân bố hạt nano vàng

Kích thước hạt nano vàng quyết định vị trí cộng hưởng plasmon bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tăng cường SERS. Hạt nano có kích thước 50-100 nm thường cho hiệu ứng SERS tối ưu trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Phân bố hạt nano không đều trên bề mặt dẫn đến sự biến đổi lớn tín hiệu SERS giữa các điểm đo, giảm độ tin cậy phân tích. Khoảng cách giữa các hạt nano ảnh hưởng đến mật độ điểm nóng, nơi điện trường tập trung mạnh nhất. Quá trình ngưng đọng hạt nano từ dung dịch keo khó kiểm soát uniformity trên toàn bề mặt. Cần phát triển phương pháp chế tạo mới để đạt sự đồng đều cao về kích thước hạt và phân bố trên cấu trúc tuần hoàn.

III. Giải pháp chế tạo đế SERS bằng hạt nano vàng trên đĩa DVD

Phương pháp chế tạo đế SERS trong nghiên cứu này kết hợp ăn mòn laser để tạo hạt nano vàng với bề mặt cấu trúc tuần hoàn từ đĩa DVD. Hạt nano vàng được chế tạo bằng ăn mòn laser Nd:YAG trong ethanol, cho phép kiểm soát kích thước thông qua điều chỉnh thông số laser. Bề mặt kim loại nhôm của đĩa DVD Maxell cung cấp cấu trúc tuần hoàn sẵn có với khoảng cách rãnh ghi khoảng 0,74 micromet. Quá trình chế tạo bao gồm bóc lớp bảo vệ polycarbonate, cắt mẫu 15mm x 15mm, rửa sạch bằng ethanol. Keo hạt nano vàng được ngưng đọng lên bề mặt DVD bằng micro pipette với thể tích 15 µL mỗi giọt. Quá trình bay hơi ethanol diễn ra nhanh dưới bóng đèn dây tóc, hạt nano vàng bám đều trên cấu trúc rãnh. Lặp lại nhiều lần nhỏ giọt để tăng mật độ phủ hạt nano, nâng cao tín hiệu SERS. Kết quả cho thấy đế SERS Au/DVD có hệ số tăng cường đạt mức 10⁵-10⁶, phù hợp ứng dụng cảm biến phân tích.

3.1. Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp ăn mòn laser

Phương pháp ăn mòn laser sử dụng tia laser Nd:YAG xung ngắn chiếu vào vật liệu kim loại ngâm trong dung môi hữu cơ. Laser Quanta Ray Pro 230 hoạt động ở bước sóng 1064 nm với năng lượng xung cao, phá vỡ bề mặt kim loại Au thành các hạt nano. Kích thước hạt nano vàng được điều khiển bằng công suất laser, thời gian chiếu và loại dung môi. Dung dịch ethanol làm dung môi cho phép tạo hạt nano có kích thước 20-80 nm, phân bố tương đối đồng đều. Đặc tính quang của hạt nano Au được khảo sát bằng phổ hấp thụ UV-Vis, cho đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt ở khoảng 520-530 nm. Kính hiển vi điện tử TEM xác nhận hình dạng và kích thước hạt nano. Phương pháp này đơn giản, không sử dụng chất khử hóa học độc hại, phù hợp chế tạo quy mô phòng thí nghiệm.

3.2. Sử dụng bề mặt đĩa DVD làm nền cấu trúc tuần hoàn cho đế SERS

Đĩa DVD có cấu trúc rãnh ghi dữ liệu với khoảng cách pit khoảng 0,74 micromet, độ rộng rãnh 0,3-0,5 micromet. Các rãnh song song tạo cấu trúc tuần hoàn một chiều trên bề mặt kim loại nhôm. Sau khi bóc lớp polycarbonate bảo vệ và rửa sạch bằng ethanol, bề mặt nhôm lộ ra với cấu trúc rãnh nano rõ nét. Ảnh SEM xác nhận cấu trúc tuần hoàn đều đặn trên bề mặt DVD của các hãng Maxell, Verbatim, Kachi. Đĩa DVD Maxell được chọn làm nền do có chất lượng bề mặt tốt nhất. Cấu trúc rãnh giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và tạo hiệu ứng tập trung điện trường. Kết hợp với hạt nano vàng ngưng đọng, hệ thống Au/DVD tạo ra nhiều điểm nóng, nâng cao đáng kể tín hiệu SERS so với đế phẳng thông thường.

IV. Kết luận và ứng dụng đế SERS hạt nano vàng cấu trúc tuần hoàn

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại có cấu trúc tuần hoàn từ đĩa DVD. Hạt nano vàng kích thước 20-80 nm được tạo thành bằng phương pháp ăn mòn laser Nd:YAG trong ethanol, có đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt ở 520-530 nm. Bề mặt kim loại nhôm của đĩa DVD cung cấp cấu trúc tuần hoàn sẵn có với chi phí rất thấp so với kỹ thuật lithography. Hệ thống đế SERS Au/DVD cho hệ số tăng cường tán xạ Raman đạt 10⁵-10⁶, đủ nhạy để phát hiện phân tử ở nồng độ rất thấp. Độ lặp lại tín hiệu SERS trên cùng đế được cải thiện nhờ cấu trúc rãnh đều đặn. Phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp, dễ triển khai trong phòng thí nghiệm. Đế SERS này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cảm biến sinh học, phân tích môi trường và phát hiện chất độc hại ở nồng độ vết.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến sinh học và phát hiện phân tử

Đế SERS Au/DVD có tiềm năng lớn trong lĩnh vực cảm biến sinh học nhờ độ nhạy cao và chi phí thấp. Kỹ thuật SERS cho phép phát hiện protein, DNA, kháng nguyên ở nồng độ picomolar đến femtomolar. Bề mặt hạt nano vàng có thể được chức hóa bằng phân tử sinh học để nhận diện mục tiêu đặc hiệu. Phát hiện sớm mầm bệnh, vi khuẩn, virus trong mẫu lâm sàng là ứng dụng quan trọng. Cấu trúc tuần hoàn từ đĩa DVD đảm bảo tín hiệu SERS ổn định, phù hợp thiết bị chẩn đoán point-of-care. Hệ thống cảm biến SERS di động dựa trên đế Au/DVD có thể triển khai tại hiện trường, bệnh viện vùng sâu vùng xa. Đây là hướng phát triển hứa hẹn cho y học cá nhân hóa và giám sát sức khỏe cộng đồng.

4.2. Ứng dụng trong phân tích môi trường và phát hiện chất ô nhiễm

Quang phổ SERS sử dụng đế Au/DVD có khả năng phát hiện chất ô nhiễm môi trường ở nồng độ rất thấp. Các chất độc hại như thuốc trừ sâu, kim loại nặng, phẩm màu công nghiệp được xác định nhanh chóng qua vân phổ Raman đặc trưng. Nước uống, nước thải công nghiệp, đất ô nhiễm có thể được phân tích trực tiếp tại hiện trường. Thời gian đo chỉ vài giây đến vài phút, nhanh hơn nhiều so với phương pháp sắc ký truyền thống. Đế SERS chi phí thấp cho phép sử dụng một lần, tránh ô nhiễm chéo giữa các mẫu. Kết hợp với thiết bị quang phổ Raman di động, hệ thống đáp ứng yêu cầu giám sát môi trường liên tục. Phương pháp này hỗ trợ cơ quan quản lý môi trường trong việc kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐẾ SERS SỬ DỤNG HẠT NANO VÀNG TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI CÓ CẤU TRÚC TUẦN HOÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC THÁI NGUYÊN, 9/2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐẾ SERS SỬ DỤNG HẠT NANO VÀNG TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI CÓ CẤU TRÚC TUẦN HOÀN Ngành: Quang học Mã số: 8.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. NGUYỄN THẾ BÌNH THÁI NGUYÊN, 9/2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2018 Học viên Phạm Thị Thu Hường i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Nguyễn Thế Bình, người thầy đã tận tình giúp đỡ, dành thời gian trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học, cũng như luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô của trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Thái Nguyên đã tận tâm truyền đạt cho chúng tôi vốn kiến thức quý báu trong suốt hai năm học Thạc Sỹ tại trường. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã quan tâm, giúp đỡ, ủng hộ và khích lệ tôi để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 9 năm 2018 Tác giả Phạm Thị Thu Hường ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. vi MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT SERS. Hiện tượng tán xạ Raman. Quan điểm cổ điển về phổ tán xạ Raman. Quan điểm lượng tử về phổ tán xạ Raman. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt SERS. Cơ chế tăng cường điện từ. Cơ chế tăng cường hóa học. Hệ số tăng cường SERS. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng cường đế SERS. Một số cấu trúc nano kim loại cho hiệu ứng SERS. Đế SERS dùng keo hạt nano kim loại. Đế SERS dùng các hạt nano kim loại với hình dạng khác nhau ngưng kết trên đế phẳng. Đế SERS chế tạo bằng kỹ thuật phủ hạt nano kim loại lên cấu trúc tuần hoàn . Các kỹ thuật chế tạo đế SERS khác. Một số ứng dụng của quang phổ học Raman tăng cường bề mặt SERS. Ứng dụng trong cảm biến sinh học. Ứng dụng trong phân tích môi trường. 21 iii Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser. Nguyên lý chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser. Sơ đồ hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp ăn mòn laser. Laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230. Các phương pháp đo đạc. Phương pháp quang phổ hấp thụ (UV - VIS). Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phân tích phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectroscopy). Hệ thu phổ tán xạ Raman LabRAM HR 800. Các hóa chất sử dụng. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Chế tạo và khảo sát thuộc tính quang của hạt nano Au. Chế tạo hạt nano vàng (Au) trong ethanol bằng phương pháp ăn mòn laser. Khảo sát thuộc tính quang của hạt nano Au trong ethanol. Chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại cấu trúc tuần hoàn. Nghiên cứu khảo sát, lựa chọn các bề mặt kim loại cấu trúc tuần hoàn của đĩa DVD. Chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt của đĩa DVD. Khảo sát hiệu ứng SERS và đánh giá hệ số tăng cường SERS của đế SERS được chế tạo. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp hạt nano Au trên bề mặt DVD lên hiệu ứng SERS. Khảo sát thu phổ SERS của Malachite Green nồng độ thấp. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 49 iv BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt hiệu AAS Atomic Absorption Spectroscopy Phổ hấp thụ điện tử AEF The analytical enhancement factor Hệ số tăng cường chất phân tích Au Gold Vàng Cu Copper Đồng EF Enhancement factor Hệ số tăng cường SERS Surface Enhanced Raman Scattering Tán xạ Raman tăng cường bề mặt SMEF The single-molecule enhancement factor Hệ số tăng cường đơn phân tử SSEF The SERS substrate enhancement factor Hệ số tăng cường đế SERS TEM Transmission electron microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua UV Ultra Violet Tử ngoại v DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng Bảng 3.1: Dịch chuyển Raman và các dao động phân tử tương ứng của Malachite Green 44 Hình Hình 1.1: Sơ đồ thu phổ tán xạ Raman.2: Vạch tán xạ Rayleigh (a) và các vạch tán xạ Stokes (b), đối Stokes (c) trong phổ tán xạ Raman.3: Sơ đồ mức năng lượng của tán xạ Rayleigh và tán xạ Raman.4: Sơ đồ nguyên lý của SERS.5: Sơ đồ biểu diễn của cơ chế dịch chuyển điện tử (charge-transfer).6a: Ảnh TEM của hạt keo Ag citrate.6b: Ảnh TEM của hạt keo Au borohydride.7a: Ảnh SEM của các hạt và đảo nano vàng.7b: Ảnh SEM của các cấu trúc nano hình sao và lá nano vàng.8: Sơ đồ mô tả quá trình tạo ra đế SERS bằng E-beam Lithography.9a: Ảnh SEM các cột SiO2 có các hạt nano Ag ở trên đỉnh cột.9b: Phổ SERS và phổ Raman thường của benzenethion.10: Phương pháp electrohydrodynamic lithography tạo ra các cấu trúc dạng cột tuần hoàn có kích thước micro.11: Đế SERS chế tạo bằng cách phân tán hạt nano kim loại trên cấu trúc tuần hoàn.12: Cấu trúc hoa và lá bạc (Ag).13: Sợi giấy lọc phủ hạt nano vàng.1: Mô hình nguyên lý ăn mòn laser trong chất lỏng.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ăn mòn laser.5: Bộ điều khiển.6: Ảnh chụp hệ đo phổ hấp thụ UV-2450 Shimadzu.7: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua JEM101, JEOL.8: Ảnh chụp máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-3300.9: Ảnh chụp hệ thu phổ tán xạ Raman LABRAM HR 800.10: Sơ đồ hệ thu phổ tán xạ Raman LabRAM HR 800.11: Công thức cấu tạo của Manachite green (MG).1: Phổ hấp thụ của hạt nano Au trong ethanol tinh khiết, công suất laser 500mW, thời gian chiếu laser 15 phút 35 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano vàng trong ethanol tinh khiết, công suất laser 500 mW, thời gian chiếu 15 phút 36 Hình 3.3: Ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo bằng ăn mòn laser trong ethanol.4: Phân bố kích thước hạt nano vàng trong ethanol.5: Mặt cắt dọc của đĩa DVD.6: Mô hình nguyên lý đọc dữ liệu.7: Kích thước đường dữ liệu của đĩa DVD.8: Ảnh SEM bề mặt của 3 loại đĩa DVD sau khi bóc lớp bảo vệ và làm sạch 41 Hình 3. Ảnh SEM của bề mặt đế 4Au/DVD.10: Phổ tán xạ Raman của MG trên đế DVD không có hạt nano vàng và đế 4Au/DVD 43 Hình 3. Phổ SERS của MG trên các đế 2Au/DVD(a), 4Au/DVD(b) và 6Au/DVD(c) 45 Hình 3.12a: Phổ SERS của MG nồng độ 100ppm từ đế SERS 6Au/DVD.12b: Phổ SERS của MG nồng độ 10ppm từ đế SERS 6Au/DVD.47 vii MỞ ĐẦU Chúng ta biết rằng, tán xạ Raman là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon (lượng tử ánh sáng) và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình va chạm, năng lượng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lượng bằng năng lượng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lượng tử dao động. Nhờ những thông tin về quang phổ dao động phân tử thu được, tán xạ Raman được sử dụng để phân tích thành phần của nhiều chất cũng như nghiên cứu cấu trúc phân tử của chúng và trở thành một công cụ quan trọng trong các phòng thí nghiệm phân tích hóa học, khoa học vật liệu, y- dược, sinh học, môi trường v.v… Tuy nhiên, khi phân tích các chất có nồng độ thấp, tín hiệu phổ Raman thu được là rất yếu. Điều này đã làm hạn chế rất lớn những ứng dụng của phổ Raman. Vào năm 1974, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt đã được phát hiện và sau đó phát triển thành phương pháp quang phổ học tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS -Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Hiệu ứng SERS xảy ra đối với các phân tử ở sát gần hoặc hấp phụ trên các bề mặt kim loại có độ ráp trong thang kích thước nano mét. Đến nay, đã có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được nghiên cứu nhằm tạo ra các cấu trúc nano kim loại cho hiệu ứng SERS (đế SERS) có hệ số 6 14 tăng cường tín hiệu phổ Raman cao (cỡ 10 - 10 lần). Dựa trên các tài liệu tham khảo, đánh giá khả năng thực hiện, cũng như xu hướng phát triển nghiên cứu tôi quyết định chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu chế tạo đế SERS sử dụng hạt nano vàng trên bề mặt kim loại có cấu trúc tuần hoàn”. Mục đích của đề tài là: - Tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm về hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS). - Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp ăn mòn laser trong ethanol. 1 - Nghiên cứu sử dụng hạt nano vàng chế tạo các đế SERS trên bề mặt kim loại cấu trúc tuần hoàn nhằm tăng cường hiệu ứng tán xạ Raman. - Khảo sát phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) và đánh giá hệ số tăng cường SERS. Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3 chương chính như sau: Chương 1. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt SERS. Phương pháp nghiên cứu và thiết bị sử dụng. Kết quả và thảo luận . 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT SERS 1. Hiện tượng tán xạ Raman Khi ánh sáng truyền qua một môi trường, một phần ánh sáng bị đổi hướng, cường độ ánh sáng bị phân bố lại trong không gian. Hiện tượng này gọi là hiện tượng tán xạ ánh sáng [1]. Vào năm 1928, nhà vật lý học người Ấn Độ Chandresekhara Venkata Raman đã thực hiện thí nghiệm tán xạ ánh sáng trên chất lỏng benzen. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng bức xạ bị tán xạ bởi phân tử không chỉ chứa photon với tần số ánh sáng tới mà còn gồm photon với tần số bị thay đổi. Năm 1930, Raman được nhận giải Nobel vật lý và hiện tượng tán xạ này được mang tên tán xạ Raman [2]. Mẫu nghiên cứu 4. Kính ảnh Hình 1.1: Chandresekhara 5 v i v0 v' Venkata Raman (1888-1970 i Hình 1.1: Sơ đồ thu phổ tán xạ Raman Sơ đồ thu phổ tán xạ Raman được bố trí như hình 1.