CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC. Tình hình nghiên cứu trong nước. Không chỉ là phương pháp phân tích dùng trong nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm, phổ tán xạ Raman còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau để giám định các chất và hợp chất trong nhiều đối tượng từ sản phẩm xây dựng, cổ vật, đá quý, thuốc tân dược tới các chất ma túy, hướng thần… Các máy quang phổ Raman cũng đa dạng hơn về chủng loại từ các loại cầm tay nhỏ gọn hướng tới từng đối tượng đo cụ thể tới các hệ đa năng có độ chính xác cao, giải phổ rộng và độ phân giải tốt.
Năm 2017, tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổ chức hội thảo “ứng dụng phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) trong an toàn vệ sinh thực phẩm”. Các nhà khoa học thống nhất rằng hiệu ứng SERS đáp ứng đầy đủ các tiêu chí để có thể phát triển thành một phương pháp phân tích nhanh dư lượng các chất độc hại trong thực phẩm. Một số báo cáo khoa học đáng lưu ý trong thời gian gần đây có thể kể đến đó là: Các nhà khoa học tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Quang Liêm đã khảo sát các thông số cho quá trình chế tạo hạt nano Ag trên phiến Si bằng kỹ thuật ăn mòn hóa học và ứng dụng hiệu ứng SERS để xác định chất hữu cơ xanh malachite ở nồng độ 10-7 M [1].
Lê Anh Tuấn, TS. Vũ Ngọc Phan (Trường Đại học Phenikaa) và TS. Lê Thị Tâm (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) với kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano cũng đã đưa ra một số nghiên cứu trong tổng hợp quang hóa tinh thể Ag trên hạt từ MnFe2O4 và vật liệu composite hạt nano Ag/ống nano cacbon trong xác định xanh metylen sử dụng hiệu ứng SERS [2, 3]. Gần đây tập thể nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt nhằm phân tán hạt nano bạc trên bề mặt tấm graphene oxit tạo thành vật liệu cảm biến SERS trong phân tích thuốc nhuộm hữu cơ xanh methylen và thuốc trừ sâu tricyclazole.[4] Có thể thấy hầu hết các nghiên cứu trong nước vào thời điểm hiện nay chú trọng vào phát triển quy trình chế tạo vật liệu plasmonic cấu trúc nano bằng n 4 phương pháp vật lý hoặc kết hợp với hóa lý.
Tuy nhiên, phương pháp vật lý đòi hòi nhiều thiết bị đặc chủng, tinh vi và có điều kiện làm việc khắt khe, do vậy, đế SERS tạo được bằng kỹ thuật vật lý thường khá đắt tiền và số lượng không nhiều sau mỗi lần chế tạo. Tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai đã theo đuổi các nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc nano có hiệu ứng plasmonics như nano Au và nano Ag bằng phương pháp hóa học có khả năng làm chất nền cho phép đo SERS [5-9]. Những ưu điểm nổi bật của phương pháp chế tạo hóa học có thể kể đến như thời gian tổng hợp nhanh, quy trình tương đối đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị quá phức tạp, số lượng mẫu tổng hợp được thường khá nhiều và có thể tổng hợp được các dạng cấu trúc nano đặc biệt với nhiều góc-cạnh. Bằng phương pháp hóa học, nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài đã chế tạo thành công các cấu trúc nano vàng hình cầu, hình que với độ dài biến đổi linh hoạt [5], hình viên sỏi [8]… Các cấu trúc nano bạc hình cầu với kích thước khác nhau và nano bạc hình que cũng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai chế tạo thuận lợi bằng phương pháp hóa học [6].
Kết quả nghiên cứu cho thấy thông qua phổ SERS sử dụng đế trên cơ sở các hạt nano plasmonics chế tạo bằng phương pháp hóa học có độ tin cậy cao, tiện dụng, với độ lặp lại tốt (hình 1-1). Do đó, tác giả cho rằng sử dụng phương pháp hóa học trong chế tạo đế SERS là một giải pháp khả thi hơn cả khi muốn ứng dụng các phép phân tích hóa và sinh học. Hình 1-1: (a) Các phổ SERS của Rhodamine B ở các nồng độ khác nhau sử dụng đế có nano Ag hình cầu và (b) đồ thị mô tả mối quan hệ giữ cường độ của đỉnh Raman của Rhodamine theo nồng độ [6] n 5 Hiện nay, các nhà khoa học đã và đang phát triển một kỹ thuật mới được gọi là công nghệ polymer in khuôn phân tử, polymer đánh dấu phân tử hay polymer in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymer, MIP) nhằm tạo ra các khuôn mềm có khả năng bắt-nhả chính xác các chất cần phân tích ở kích thước phân tử. Công nghệ MIP rất đặc hiệu, độ đặc hiệu của nó được mô tả như quá trình tương tác kháng nguyên-kháng thể, hay lai hóa giữa các chuỗi protein rất hoàn hảo trong cơ thể sống.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về MIP có thể nhắc đến PGS. Trương Thị Ngọc Liên (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), với nghiên cứu phủ đồng đều hạt nano vàng lên điện cực cacbon và tạo các khuôn MIP phân tán đồng nhất. Bằng phương pháp điện hóa, các điện cực MIP này được ứng dụng xác định dư lượng kháng sinh chloramphenicol [10], axit amin sarcosine[11] và hocmon Estradiol (17β-estradiol) [12]. Hình 1-2: Sơ đồ quy trình chế tạo điện cực MIP [12].
Bên cạnh đó PGS. Tương tự, TS. Nguyễn Vân Anh và ThS. Nguyễn Lê Huy (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) cũng đã chế tạo cảm biến điện hóa MIP trên cơ sở nanocomposite graphen/poly(1,8- diaminonaphthalene) xác định kháng sinh chloramphenicol [14].
Tình hình nghiên cứu trên quốc tế. Hiện tượng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) là sự tăng cường độ tín hiệu phổ tán xạ Raman của phân tử chất phân tích lên gấp nhiều lần (từ 103 đến 106 lần, hoặc thậm chí có thể lên tới 1014 lần ở một số đối tượng cụ thể). Nhờ ưu điểm vượt trội về khả năng tán xạ Raman rất mạnh, phương pháp phân tích dựa trên SERS có độ nhạy rất cao và hiện đang được quan tâm nghiên cứu tập trung vào các hướng chính đó là (i) động học cơ chế SERS ; (ii) phát triển vật liệu có hiệu ứng SERS ; (iii) các kỹ thuật phân tích định lượng hóa- sinh kết hợp dựa trên hiệu ứng SERS ; (iv) chế tạo các hệ đo Raman và laser phân giải cao nhỏ gọn. Lợi thế của phổ Raman đó là sử dụng nguồn laser trong miền nhìn thấy nên có thể sử dụng các loại cáp quang silic mềm để kích thích và thu thập tán xạ mà ít bị suy hao.
Thêm vào đó quang phổ Raman có thể làm việc trong môi trường nước do tín hiệu của các liên kết hydroxyl không thay đổi tính phân cực của liên kết phân tử. Trong lĩnh vực phân tích hóa-sinh, quang phổ Raman hầu như không yêu cầu việc chuẩn bị mẫu, vì vậy mà tiết kiệm thời gian, không cần sử dụng thêm các dụng cụ bổ trợ khác, có thể đo xuyên qua các bao bì đựng như nhựa, thủy tinh. mà không cần can thiệp vào cấu tạo bên trong mẫu, không làm hư hại cấu tạo của mẫu bạn đầu. Khi sử dụng hiệu ứng SERS, cường độ tán xạ Raman lớn hơn rất nhiều lần không chỉ cải thiện mạnh độ nhạy cho phép phân tích mà thực sự hữu ích cho phát triển các thiết bị SERS đơn giản, có khả năng di động nhằm phục vụ phân tích ngay tại hiện trường (hình 1-4) [16].
Hình 1-3: Mô tả ứng dụng chính sử dụng kỹ thuật SERS và một số thiết bị đo SERS cầm tay (Point-Of-Care) đã được Ocean Opyics phát triển [16]. n 7 Nhóm nghiên cứu của tác giả Yuxia Fan từ trường hai trường đại học Shanghai Ocean và Washington đã áp dụng kĩ thuật tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) cùng với các phương pháp đo hóa học đã được áp dụng để phân tích định lượng mức vết của thuốc trừ sâu carbaryl trong táo. Mức thấp nhất có thể phát hiện được đối với carbaryl trong táo là 0,5 g.g-1, đủ nhạy để xác định táo bị nhiễm carbaryl trên mức dư lượng tối đa. Nghiên cứu này chứng minh rằng SERS có khả năng định lượng thuốc trừ sâu carbaryl trong nền thực phẩm phức tạp một cách đáng tin cậy [17].
Nhà khoa học Yixuan Li cùng nhóm nghiên cứu của mình đã tích hợp hai phương pháp đó là phân tách miễn dịch và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) để phát hiện melamine trong sữa. Giới hạn phát hiện có thể thấp tới 0,79. Quá trình phân tích tổng thể có thể hoàn thành trong 20 phút, do đó, đây là một kỹ thuật có hiệu suất cao để sàng lọc melamine trong các mẫu sữa [18]. Việc chế tạo thành công vật liệu nano plasmonics là yếu tố quyết định hình thành các linh kiện cảm biến (sensor) có hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (đế SERS) khi các phân tử của chất cần phân tích được hấp phụ trên đó.
Phụ thuộc vào đối tượng cần phân tích và dạng hình thái cấu trúc trên đế SERS mà cường độ tín hiệu Raman của phân tử cần phân tích có thể được tăng lên đến 1014 lần. Do đó việc chế tạo thành công một đế SERS cần đảm bảo yêu cầu: một là có khả năng tăng cường tín hiệu SERS cao, hai là có độ đồng nhất và ổn định và ba là có độ lặp lại tốt. Trước đây, vật liệu nano plasmonics cho phép đo SERS thường được chế tạo bằng các phương pháp vật lý như bốc bay, ăn mòn laser… với lợi thế về sự đồng nhất trong hình thái cấu trúc và ổn định trong các phép đo. Tuy nhiên, hiện nay các phương pháp hóa học để tổng hợp vật liệu nano plasmonics đang là xu hướng do thời gian chế tạo nhanh chóng, số lượng lớn, giá thành hợp lý và thích hợp trong triển khai ứng dụng.
Trải quan gần 20 năm nghiên cứu và phát triển, đã có nhiều cách thức khác nhau để chế tạo các cảm biến MIP-SERS, khái quát lại có thể chia thành ba dạng chính đó là (i) MIP được phủ lên đế SERS (M-o-S); (ii) các vật liệu có hiệu ứng SERS được phủ quanh lớp bề mặt MIP (S-o-M); và (iii) vật liệu MIP và SERS trộn hợp vào nhau một cách ngẫu nhiên (M-m-S) (hình 1-5) [19-21]. n 8 Hình 1-4: Mô hình tổng quát một số dạng cảm biến MIP-SERS và nguyên lý phép đo [19]. Cảm biến MIP-SERS đòi hỏi sự kết hợp khéo léo giữa các cấu trúc có khả năng tăng cường plasmon bề mặt với vật liệu phức hợp bao gồm chất cần phân tích làm khuôn in (template), các monomer chức năng (functional monomer), chất liên kết chéo (cross-linker) và chất khởi tạo (initiator) (Hình 1-6).