MỞ ĐẦU Tán x¿ Raman °āc ặt theo tên nhà vÃt lý ng°åi Ân Đá Chandrashekhara Venkata Raman. Năm 1928, ông ã công bá kÃt quÁ nghiên cću cąa mình về hián t°āng tán x¿ không àn hãi cąa ánh sáng, qua ó giÁi thích să dách chuyển b°ãc sóng cąa ánh sáng tán x¿ so vãi ánh sáng kích thích khi t°¢ng tác vãi các phân tÿ [1]. Từ hián t°āng á dách chuyển b°ãc sóng cąa ánh sáng tán x¿ phă thuác vào cÃu trúc cąa phân tÿ hóa hãc, ph°¢ng pháp quang phå Raman °āc phát triển ể nghiên cću dao áng phân tÿ, từ ó khám phá cÃu trúc, tính ái xćng, cÃu trúc ián tÿ, áng hãc, liên kÃt hóa hãc cąa phân tÿ [2]. Do các rào cÁn về công nghá yêu cÅu nh° là nguãn sáng ¢n sÅc có c°ång á cao, máy quang phå có á phân giÁi lãn và phông nền t¿p quang thÃp, Åu thu quang hãc nh¿y., nên tãi tÃn cuái nhāng năm 1980, quang phå Raman mãi trç thành ph°¢ng pháp phå biÃn trong nghiên cću các hāp chÃt hóa hãc mát cách ánh tính cũng nh° ánh l°āng [3], [4].
Să xuÃt hián cąa kỹ thuÃt thu phå Raman biÃn åi Fourier (FT-Raman), Åu thu quang hãc CCD, nguãn laser và các kính lãc giao thoa ã t¿o ra cách m¿ng cho thiÃt bá thu phå Raman, mç ráng h¢n nāa các lĩnh văc ćng dăng cąa ph°¢ng pháp này. Là không quá khi có nhà khoa hãc ví vai trò cąa ph°¢ng pháp phå Raman là <ng°åi khång lã °āc ánh thćc= [5]. Minh chćng cąa iều này là să phå biÃn cąa ph°¢ng pháp phå Raman trong nghiên cću hóa hãc, vÃt liáu tiên tiÃn trong ó có thể kể tãi nh° là vÃt liáu nano [6], [7], vÃt liáu hai chiều [8], vÃt liáu graphene, fullerenes [9], [10], vÃt liáu mềm (soft- matters) [11]. Không chß dừng ç ó, ph°¢ng pháp phå Raman ã tiÃn xa h¢n nāa và trç thành ph°¢ng pháp nghiên cću th°ång quy cho nhiều ngành khác nhau, từ nhāng ngành t°çng chừng nh° không liên quan nh° là lách sÿ nghá thuÃt [12], nông nghiáp và an toàn thăc ph¿m [13], [14], tãi khoa hãc hình să [15], sinh hãc [16], [17], d°āc ph¿m [18], y hãc [19], [20].
Do vÃy, không có gì áng ng¿c nhiên khi ph°¢ng pháp quang phå Raman cũng ã °āc các nhà khoa hãc lăa chãn, thÿ nghiám trong các nghiên cću tìm kiÃm ph°¢ng pháp kiểm tra, xác ánh nhanh virus Corona [21], [22] khi ¿i dách COVID-19 bùng phát. 2 Thåi gian gÅn ây, să xuÃt hián cąa các máy o phå Raman xách tay/cÅm tay trên thá tr°ång ã và ang t¿o ra làn sóng thć ba trong lách sÿ phát triển cąa lĩnh văc thiÃt bá quang phå Raman [23]3[25]. Ý t°çng chÅp cánh cho thà há thiÃt bá này không chß dừng l¿i ç viác t¿o thiÃt bá o phå nhß gãn ể có thể mang tãi hián tr°ång và thăc hián viác o phå [26], mà còn là t¿o ra thiÃt bá giúp cho nhāng ng°åi sÿ dăng không chuyên nhanh chóng có °āc câu trÁ låi cho nghiáp vă cąa mình. Câu hßi ó có thể là chÃt l°āng nguyên liáu Åu vào có Ám bÁo hay không?, chÃt cÅn phát hián có trong mÁu không?, mÁu ph¿m này là chÃt hóa hãc gì, có thành phÅn chính là gì? chÃt lßng này có °āc mang lên máy bay hay không?.
Năng lăc tính toán và tác á cąa các thà há chip vi xÿ lý hián ¿i, công nghá ián tóan ám mây [30], [31], cùng vãi thuÃt toán hóa l°āng [32]3[34], hãc máy, trí tuá nhÃn t¿o AI [35], [36] cho phép hián thăc hóa ý t°çng này trên mát thiÃt bá nhß gãn. Ph°¢ng pháp phå Raman sç hāu iểm m¿nh là có thể nhanh chóng °a ra các thông tin ặc tr°ng, °āc ví nh° là vân tay cąa các chÃt hóa hãc và có thể áp dăng cho nhiều lo¿i vÃt liáu khác nhau ç thể rÅn, lßng và khí. Ngoài ra, ph°¢ng pháp o phå Raman còn là ph°¢ng pháp o không tiÃp xúc, không phá hąy mÁu, không yêu cÅu phÁi chu¿n bá mÁu o 3 th°ång thì chß cÅn chiÃu vào mÁu và o (point-and-shoot) [37]. Đặc biát là mát sá thiÃt bá o phå Raman có cÃu hình há quang cho phép o xuyên bao bì, xuyên các lãp bÁo vá mÁu nh° là nhăa, thąy tinh [38].
Nhāng tính chÃt °u viát và thuÃn lāi cho ng°åi sÿ dăng này giúp cho thiÃt bá quang phå Raman ngày càng trç nên phå biÃn trong ho¿t áng cąa lăc l°āng an ninh, biên phòng, xÿ lý să cá môi tr°ång, phòng hóa. Kích th°ãc nhß gãn và tính phå dăng cąa các thiÃt bá Raman xách tay/cÅm tay còn cho phép tích hāp chúng lên dây chuyền sÁn xuÃt cąa các ngành nh° hóa chÃt, sinh hãc, d°āc ph¿m, dÅu khí [39], [40]. Đặc biát, trong bái cÁnh phát triển cąa công nghá 4.0, nền tÁng công nghá internet v¿n vÃt (IoT), thiÃt bá Raman xách tay có rÃt nhiều tiềm năng trong lĩnh văc chà t¿o cÁm biÃn cho công nghá giám sát dây truyền sÁn suÃt PAT (processes analytical technology) [29]. Bên c¿nh các iểm m¿nh, ph°¢ng pháp phå Raman cũng có nhāng h¿n chÃ.
Mát yÃu iểm chính là c°ång á tín hiáu tán x¿ Raman thÃp do ó ph°¢ng pháp này khó áp 3 dăng cho các tr°ång hāp cÅn xác ánh, phân tích mÁu l°āng vÃt có nãng á thÃp. Nhiều kỹ thuÃt o phå Raman ã °āc phát triển ể khÅc phăc yÃu iểm này nh° là ph°¢ng pháp phå Raman c°ÿng bćc [41], phå Raman kÃt hāp ái Stoke (CARS) [42], tăng c°ång tán x¿ Raman dăa vào hiáu ćng mũi nhãn kim lo¿i TERS [43] và tăng c°ång tán x¿ Raman bề mặt SERS [44]. Trong sá các ph°¢ng pháp nêu trên, ph°¢ng pháp SERS không yêu cÅu nhiều về trang thiÃt bá nh° laser xung căc ngÅn, bá dách nano met cho Åu tip&, và có thể sÿ dăng kÃt hāp vãi các thiÃt bá o phå Raman thông th°ång. Các à SERS có thể giúp tăng c°ång tín hiáu Raman lên cÿ 108 lÅn hoặc thÃm chí cao h¢n, cho phép thăc hián các phép o phå cąa ¢n phân tÿ [45], [46].
Từ khi °āc vô tình phát hián Åu nhāng năm 1970 [47], ã có rÃt nhiều nghiên cću tìm hiểu bÁn chÃt vÃt lý và giÁi thích c¢ chà tăng c°ång tín hiáu Raman bề mặt, các ph°¢ng pháp chà t¿o và ćng dăng khác nhau [48]3[52]. Các nghiên cću ćng dăng kÃt hāp à SERS vãi thiÃt bá o phå Raman xách tay cũng °āc công bá nhiều trong nhāng năm gÅn ây. Trong ó phÁi kể tãi nhāng nghiên cću trong các lĩnh văc khó và òi hßi khÅt khe nh° là y tà [53], [54] và an toàn thăc ph¿m [55], [56]. Vãi nhu cÅu áp dăng à SERS ngày càng lãn, trên thá tr°ång ã xuÃt hián các à SERS th°¢ng m¿i, °āc cung cÃp bçi h¢n m°åi nhà sÁn xuÃt, trong ó có các hãng lãn nh° là Horiba, Ocean optics, Silmeco & [57]3[59].
T¿i thåi iểm hián t¿i, giá thành cąa à SERS th°¢ng m¿i còn có giá thành cao, ch°a t°¢ng xćng ể dùng nh° là vÃt liáu tiêu hao. Nhiều nghiên cću vÁn ang °āc thăc hián, mát mặt nhằm tăng tính năng cąa à SERS, mặt khác tìm ph°¢ng pháp, vÃt liáu chà t¿o à SERS có giá thành thÃp, hoặc có thể sÿ dăng l¿i [60]3[62]. T¿i Viát Nam, từ khi Ãt n°ãc còn rÃt nhiều khó khăn do chiÃn tranh, bao vây cÃm vÃn, quang phå Raman cũng ã °āc các nhà khoa hãc quan tâm nghiên cću và ćng dăng t¿i các tr°ång ¿i hãc và vián nghiên cću lãn nh° tr°ång Đ¿i hãc Tång Hāp nay là tr°ång Đ¿i hãc Khoa hãc Tă nhiên. Trong thåi gian gÅn ây, nhāng năm 2005, nhóm nghiên cću cąa Tr°ång Đ¿i hãc khoa hãc Tă nhiên ã nghiên cću, xây dăng há o tán x¿ Raman °āc kích thích bằng laser He-Ne và laser Argon trên c¢ sç nâng cao á nhÃy cąa máy quang phå cách tÿ kép GD1000.
Các tác giÁ ã ćng dăng há o ể xác ánh 4 thành phÅn cacbua hydro th¢m trong chà ph¿m dÅu mß [63]. KÃt quÁ ghi nhÃn °āc cho á nhÃy cao h¢n sÿ dăng nguãn kích èn thąy ngân áp suÃt cao. Các nghiên cću gÅn ây cąa nhóm tÃp trung vào nâng cao á nhÃy và á phân giÁi phå Raman sÿ dăng hiáu ćng tăng c°ång tr°ång ián từ bề mặt cąa các h¿t nano kim lo¿i và ián môi. Nhóm cũng có nhiều nghiên cću phát triển các ph°¢ng pháp chà t¿o à SERS sÿ dăng xung laser bÅn phá kim lo¿i [64] và sÿ dăng h¿t nano vàng [65].
Chą ề về SERS cũng °āc nhóm nghiên cću thuác vián Khoa hãc VÃt liáu, Vián Hàn lâm Khoa hãc và Công nghá Viát Nam quan tâm nghiên cću và ã ¿t °āc nhiều thành tău. Nhóm ã phát triển ph°¢ng pháp chà t¿o à SERS dăa trên h¿t nano b¿c trên à silic [66] và h¿t nano b¿c ính lên dây nano silic ể phát hián chÃt hāu c¢ ç nãng á thÃp [67]. Đặc biát nhóm ã phát triển ph°¢ng pháp SERS ể giÁi quyÃt bài toán nhćc nhái ç Viát Nam ó là phát hián l°āng vÃt thuác trừ sâu, chÃt bÁo vá thăc vÃt [68]3[71]. Bên c¿nh các nhóm lãn này, ph°¢ng pháp quang phå Raman °āc quan tâm nghiên cću, phát triển và ćng dăng ç nhiều ¢n vá khác nh° là Vián VÃt lý, Đ¿i hãc S° ph¿m Hà Nái, Đ¿i hãc Thái Nguyên, Đ¿i hãc Viát NhÃt, Vián thuác phóng 3 thuác nå.
Tuy nhiên, theo tìm hiểu cąa chúng tôi, t¿i thåi iểm luÃn án này bÅt Åu °āc tiÃn hành nghiên cću, viác xây dăng mát há o Raman xách tay nói chung cũng nh° thiÃt bá Raman phăc vă giám sát an ninh nói riêng vÁn còn là chą ể mç ç Viát Nam. H¢n nāa, các nghiên cću về à SERS vÁn thiên về tìm ph°¢ng pháp chà t¿o mà ch°a i vào tìm hiểu các hián t°āng, quá trình vÃt lý ể có thể tái °u hóa chúng. Trong khuôn khå cąa luÃn án này, ba măc tiêu lãn ã °āc ặt ra: - Mát là nghiên cću chà t¿o à tăng c°ång tán x¿ Raman bề mặt SERS dăa trên các cÃu trúc có á tuÅn hoàn lãn. Các cÃu trúc d¿ng này mát mặt cho phép ái chćng các kÃt quÁ thăc nghiám vãi mô phßng lý thuyÃt.
Mặt khác, ặc tính tuÅn hoàn giúp cho các à SERS lo¿i này có phå Raman thu °āc ¿t á ãng ều theo không gian khi thu thÃp tín hiáu từ các vá trí khác nhau cąa à và á lặp l¿i cao. Các yÃu tá này vô cùng thiÃt yÃu, giúp cho viác nghiên cću tái °u hóa tính năng cąa à SERS chà t¿o °āc. Că thể là tÃp 5 trung nghiên cću nâng cao hiáu suÃt cąa à SERS bằng cách triát tiêu kênh tán x¿ vào các mode dÁn sóng cąa Ã. - Hai là xây dăng thÿ nghiám thiÃt bá o phå Raman xách tay ánh h°ãng tãi ćng dăng phăc vă công tác kiểm tra an ninh.