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 TP. Hồ Chí Minh. Mức độ ô nhiễm hữu cơ kéo dài gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như ung thư, ngộ độc, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và sự phát triển xã hội. Nhu cầu phát triển các phương pháp phân tích nhanh, chính xác và tiện lợi để giám sát các chất ô nhiễm hữu cơ là cấp thiết. Trong bối cảnh đó, đề tài nghiên cứu phát triển cảm biến quang học dựa trên vật liệu nano vàng lai polyme in dấu phân tử (MIP) ứng dụng phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) nhằm phân tích một số hợp chất hữu cơ, điển hình là Bisphenol A (BPA).

Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo thành công vật liệu lai cấu trúc lõi – vỏ nano vàng dạng thanh (AuNRs) và polyme in dấu phân tử, phủ lên lớp màng polystyrene sắp xếp tuần hoàn để tăng độ đồng đều và bền vững. Vật liệu này được ứng dụng để phát hiện BPA với độ nhạy và chọn lọc cao, tương đương các kỹ thuật sắc ký truyền thống nhưng thuận tiện hơn cho phân tích tại hiện trường. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022 tại Hà Nội, với phạm vi tập trung vào phát triển vật liệu nano và ứng dụng trong phân tích hóa học.

Đề tài có ý nghĩa lớn trong việc cung cấp công cụ phân tích nhanh, đáng tin cậy cho giám sát ô nhiễm hữu cơ, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Các chỉ số hiệu quả như độ nhạy phát hiện BPA ở mức mg/L thấp, độ đồng đều của vật liệu và khả năng tái sử dụng được đánh giá chi tiết trong nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) và công nghệ polyme in dấu phân tử (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 cộng hưởng plasmon bề mặt (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. Các điểm nóng (hot spots) trên bề mặt nano với cấu trúc phức tạp như nanorod, nanostar tạo ra sự tăng cường mạnh nhất.

  • Polyme in dấu phân tử (MIP): Là vật liệu polymer được tạo ra bằng cách polymer hóa các monomer chức năng xung quanh phân tử mẫu (chất cần phân tích), sau đó loại bỏ phân tử mẫu để tạo ra các khuôn phân tử đặc hiệu. MIP có khả năng nhận biết chọn lọc dựa trên hình dạng, kích thước và vị trí tương tác, tương tự như phản ứng kháng nguyên-kháng thể, nhưng ổn định hơn về mặt cấu trúc.

Các khái niệm chính bao gồm: nano vàng dạng thanh (AuNRs), tỷ số cạnh (aspect ratio - AR), hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), phổ tán xạ Raman, và các thành phần polymer như monomer chức năng, chất liên kết chéo, chất khởi tạo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu nano vàng dạng thanh tổng hợp bằng phương pháp phát triển mầm, sử dụng hai chất hoạt động bề mặt CTAB và potassium oleate (KOL). Các điều kiện tổng hợp được điều chỉnh bằng thể tích HCl, AgNO3 và lượng mầm vàng để kiểm soát tỷ số cạnh và kích thước hạt.

Vật liệu AuNRs sau đó được phủ lớp polyme in dấu phân tử (MIP) sử dụng BPA làm phân tử mẫu, monomer 2-Methacrylic Acid, chất liên kết chéo EGDMA và chất khởi tạo AIBN, polymer hóa dưới đèn UV bước sóng 365 nm trong 2 giờ. Sau đó, BPA được loại bỏ để tạo khuôn phân tử đặc hiệu.

Vật liệu AuNR@MIP được phủ lên lớp màng polystyrene hình cầu sắp xếp tuần hoàn trên đế thủy tinh để tạo đế SERS. Nồng độ AuNR@MIP trên màng được xác định bằng cân tinh thể thạch anh (QCM).

Phân tích đặc trưng vật liệu bằng phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ tán xạ Raman sử dụng laser 633 nm. Đánh giá khả năng tăng cường tín hiệu SERS, độ chọn lọc, độ đồng đều và khả năng tái sử dụng của đế SERS trong phân tích BPA.

Quy trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, với cỡ mẫu vật liệu tổng hợp và phân tích khoảng vài chục mẫu khác nhau để đảm bảo độ tin cậy và lặp lại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kiểm soát tỷ số cạnh và kích thước AuNRs bằng điều chỉnh HCl: 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 số cạnh tăng từ 2,8 đến 3,9. Hình ảnh SEM cho thấy thanh nano dài khoảng 40-47 nm, rộng 13 nm, với độ đồng đều cao và ít tạp chất hình dạng.

  2. Ảnh hưởng của AgNO3 đến tỷ số cạnh: Tăng thể tích AgNO3 từ 0,6 mL đến 1,2 mL làm bước sóng LSPR dịch chuyển từ 610 nm đến 750 nm, tỷ số cạnh tăng từ 2,1 đến 3,5. Điều này chứng tỏ ion Ag+ đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hình thái nanorod.

  3. Ảnh hưởng lượng mầm vàng: Tăng lượng mầm vàng từ 20 µL đến 60 µL làm bước sóng LSPR dịch chuyển từ 750 nm xuống 680 nm, tỷ số cạnh giảm từ 3,5 xuống 2,8. Lượng mầm nhỏ tạo ra nanorod dài hơn, phù hợp với mục tiêu tăng cường tín hiệu Raman.

  4. Đặc trưng vật liệu AuNR@MIP/PS: Vật liệu lai AuNR@MIP phủ trên màng polystyrene cho thấy khả năng tăng cường tín hiệu SERS mạnh mẽ với độ đồng đều cao. Độ chọn lọc với BPA được thể hiện qua phổ SERS với cường độ đỉnh Raman tại 1174 cm^-1 tăng tuyến tính theo nồng độ BPA từ 0,1 đến 1,0 mg/L. Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) dưới 10% cho thấy độ đồng đều tốt.

  5. Khả năng tái sử dụng: Đế SERS AuNR@MIP/PS có thể tái sử dụng ít nhất 10 lần với cường độ tín hiệu giảm dưới 15%, chứng tỏ tính ổn định và bền vững của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Việc điều chỉnh các tham số tổng hợp như HCl, AgNO3 và lượng mầm vàng cho phép kiểm soát chính xác tỷ số cạnh và kích thước AuNRs, từ đó tối ưu hóa hiệu ứng plasmon bề mặt và tăng cường tín hiệu Raman. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của ion bạc và pH đến sự phát triển nanorod.

Sự kết hợp giữa AuNRs và polyme in dấu phân tử tạo ra vật liệu lai có khả năng nhận biết chọn lọc BPA nhờ các khuôn phân tử đặc hiệu, đồng thời tăng cường tín hiệu Raman nhờ hiệu ứng plasmon. Độ đồng đều và khả năng tái sử dụng cao của đế SERS cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong phân tích nhanh tại hiện trường.

So với các phương pháp phân tích truyền thống như sắc ký lỏng hay sắc ký khí, cảm biến AuNR@MIP/PS cung cấp kết quả nhanh chóng, độ nhạy cao và thuận tiện hơn, phù hợp với yêu cầu giám sát ô nhiễm hữu cơ trong môi trường và thực phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện sự dịch chuyển bước sóng LSPR theo các điều kiện tổng hợp, hình ảnh SEM minh họa kích thước và hình thái nanorod, cùng đồ thị tuyến tính cường độ SERS theo nồng độ BPA để chứng minh độ nhạy và chọn lọc của cảm biến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp AuNRs: Khuyến nghị tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ HCl, AgNO3 và lượng mầm vàng để đạt tỷ số cạnh tối ưu (khoảng 3,5-4) nhằm tăng cường hiệu quả plasmon và tín hiệu SERS. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng thí nghiệm hóa học vật liệu đảm nhiệm.

  2. Phát triển cảm biến SERS di động: Thiết kế và chế tạo thiết bị đo SERS cầm tay tích hợp đế AuNR@MIP/PS để phân tích nhanh BPA và các hợp chất hữu cơ khác tại hiện trường. Mục tiêu giảm thời gian phân tích dưới 30 phút, thực hiện trong 1 năm, phối hợp với đơn vị công nghệ thiết bị.

  3. Mở rộng ứng dụng phân tích các chất ô nhiễm khác: Nghiên cứu áp dụng vật liệu AuNR@MIP cho các hợp chất hữu cơ độc hại khác như thuốc trừ sâu, dioxin, nhằm đa dạng hóa đối tượng phân tích. Thời gian 1 năm, do nhóm nghiên cứu hóa phân tích thực hiện.

  4. Nâng cao độ bền và khả năng tái sử dụng: Cải tiến vật liệu polymer để tăng số lần tái sử dụng đế SERS lên trên 20 lần mà không giảm hiệu suất. Thời gian 6 tháng, do nhóm vật liệu polymer đảm nhiệm.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng cảm biến cho các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp sản xuất thực phẩm. Thời gian triển khai 6 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa phân tích, vật liệu nano: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp nano vàng dạng thanh, công nghệ MIP và ứng dụng SERS, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và an toàn thực phẩm: Cung cấp công cụ phân tích nhanh, chính xác để giám sát ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt BPA trong thực phẩm và môi trường, giúp nâng cao hiệu quả quản lý.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và kiểm nghiệm thực phẩm, nước uống: Áp dụng công nghệ cảm biến SERS để kiểm tra nhanh dư lượng BPA và các chất độc hại, giảm chi phí và thời gian phân tích so với phương pháp truyền thống.

  4. Nhà phát triển thiết bị cảm biến và công nghệ phân tích: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu nano lai MIP-SERS để thiết kế các thiết bị đo cầm tay, phục vụ phân tích tại hiện trường với độ nhạy và chọn lọc cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến AuNR@MIP/PS có thể phát hiện BPA ở nồng độ thấp nhất là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy cảm biến có thể phát hiện BPA với nồng độ thấp đến 0,1 mg/L, với tín hiệu SERS rõ ràng và độ tuyến tính cao trong khoảng 0,1-1,0 mg/L, phù hợp với yêu cầu giám sát dư lượng BPA trong thực phẩm và môi trường.

  2. 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 KOL cho phép kiểm soát tốt tỷ số cạnh và kích thước nanorod, quy trình đơn giản, chi phí thấp, sản phẩm đồng đều và ổn định, phù hợp cho ứng dụng cảm biến.

  3. Lớp polyme in dấu phân tử (MIP) có vai trò gì trong cảm biến?
    Lớp MIP tạo ra các khuôn phân tử đặc hiệu cho BPA, giúp cảm biến nhận biết chọn lọc phân tử mục tiêu, giảm nhiễu từ các chất khác, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích.

  4. Đế SERS AuNR@MIP/PS có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Đế SERS có thể tái sử dụng ít nhất 10 lần với cường độ tín hiệu giảm dưới 15%, cho thấy tính ổn định và bền vững của vật liệu trong các phép đo lặp lại.

  5. Cảm biến này có thể ứng dụng ngoài phòng thí nghiệm không?
    Vật liệu và thiết kế đế SERS phù hợp để phát triển thành thiết bị đo cầm tay, cho phép phân tích nhanh tại hiện trường, hỗ trợ giám sát ô nhiễm hữu cơ trong môi trường và thực phẩm một cách tiện lợi và hiệu quả.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp nano vàng dạng thanh (AuNRs) với tỷ số cạnh điều chỉnh từ 2,8 đến 3,9, bước sóng LSPR dịch chuyển từ 695 đến 777 nm, đảm bảo hiệu ứng plasmon mạnh.
  • Vật liệu lai AuNR@MIP phủ trên màng polystyrene tạo đế SERS có khả năng tăng cường tín hiệu Raman và nhận biết chọn lọc BPA với độ nhạy cao và độ đồng đều tốt.
  • Đế SERS AuNR@MIP/PS có khả năng tái sử dụng ít nhất 10 lần, giữ được hiệu suất phân tích ổn định.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến quang học di động, nhanh chóng, tiện lợi cho giám sát ô nhiễm hữu cơ tại hiện trường.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa vật liệu, mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ trong thời gian tới nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng thực tiễn.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, cơ quan quản lý và doanh nghiệp trong lĩnh vực phân tích hóa học và công nghệ cảm biến. Để tiếp tục phát triển, cần triển khai các dự án ứng dụng thực tế và đào tạo nhân lực chuyên môn cao trong lĩnh vực này.