Nghiên Cứu và Phát Triển Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme Ứng Dụng Phân Tích Hợp Chất Hữu Cơ

• Tác giả: Nguyễn Như Sáng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Tuyết Mai
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme Ứng Dụng Phân Tích Một Số Hợp Chất Hữu Cơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trên quốc tế
• 1.4. NANO VÀNG – TÍNH CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
• 1.4.1. Vật liệu nano vàng
• 1.4.2. Tính chất của hạt nano vàng
• 1.4.3. Các phương pháp chế tạo nano vàng
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÁN XẠ RAMAN VÀ PHỔ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT (SERS)
• 1.5.1. Phương pháp quang phổ tán xạ Raman
• 1.5.2. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt
• 1.6. KỸ THUẬT POLYME IN DẤU PHÂN TỬ
• 1.7. NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA BISPHENOL A (BPA) LÊN SỨC KHOẺ CON NGƯỜI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐNG
• 1.8. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.8.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.8.2. NGUYÊN VẬT LIỆU
• 1.8.2.1. Dụng cụ, thiết bị
• 1.8.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.8.3.1. Chế tạo nano vàng dạng thanh
• 1.8.3.2. Chế tạo vật liệu nano vàng lai polyme in khuôn phân tử (AuNR@MIP)
• 1.8.3.3. Phủ AuNR@MIP trên lớp polystyrene hình cầu
• 1.9. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.10. THIẾT KẾ VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA ĐẾ SERS
• 1.10.1. Nghiên cứu chế tạo nano vàng dạng thanh (AuNRs)
• 1.10.2. Đặc trưng vật liệu nano vàng lai AuNR@MIP
• 1.10.3. Đặc trưng vật liệu AuNR@MIP/PS
• 1.11. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TĂNG CƯỜNG TÍN HIỆU PHỔ TÁN XẠ RAMAN CỦA VẬT LIỆU AuNR@MIP/PS TRONG PHÂN TÍCH BPA
• 1.11.1. TÍNH CHỌN LỌC CỦA ĐẾ SERS AuNR@MIP/PS
• 1.11.2. ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CỦA ĐỀ AuNR@MIP/PS
• 1.11.3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG CỦA ĐẾ AuNR@MIP/PS
• 1.12. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH BPA TRONG MẪU THỰC
• 2. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 2.1. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme

Tình trạng ô nhiễm hợp chất hữu cơ đang là vấn đề cấp bách tại Việt Nam và trên thế giới. Ô nhiễm gây ra nhiều bệnh nguy hiểm, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống. Cần có những phương pháp phân tích nhanh chóng, đáng tin cậy để giám sát và xử lý kịp thời. Các kỹ thuật phân tích nhanh hiện nay thường sử dụng đầu thu sinh học, đòi hỏi điều kiện bảo quản khắt khe, không phù hợp cho phân tích tại hiện trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển kỹ thuật phân tích đáng tin cậy, có khả năng phát hiện nhanh, độ nhạy và độ chọn lọc cao, ứng dụng trong phát triển cảm biến quang học tại hiện trường. Đề tài này kết hợp hiện tượng tăng cường tín hiệu phổ tán xạ Raman (SERS) của lõi nano vàng và công nghệ polyme in dấu phân tử (MIP) hứa hẹn tạo ra những vật liệu mới ứng dụng trong phát triển cảm biến quang học. Lõi nano vàng có khả năng tăng cường rất mạnh tín hiệu phổ tán xạ Raman của chất cần phân tích. Lớp vỏ polyme in dấu phân tử (MIP) cho phép bẫy một cách chọn lọc các phân tử chất cần phân tích. Vật liệu nano cấu trúc lõi – vỏ Au@MIP được kỳ vọng sẽ đáp ứng yêu cầu của một hợp phần trong cảm biến quang học nhằm phát hiện một số hợp chất hữu cơ với độ nhạy và độ chọn lọc cao tương đương các kỹ thuật sắc ký cơ bản nhưng điều kiện phân tích nhanh và thuận lợi hơn.

1.1. Giới Thiệu Về Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme

Cảm biến quang học nano vàng lai polyme là sự kết hợp giữa đặc tính quang học vượt trội của nano vàng và khả năng nhận diện chọn lọc của polyme. Vật liệu này hứa hẹn mang lại độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong việc phát hiện và phân tích hợp chất hữu cơ. Theo nghiên cứu, lõi nano vàng có khả năng khuếch đại tín hiệu quang học, trong khi lớp polyme giúp tăng cường khả năng chọn lọc đối với chất phân tích mục tiêu.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme

Cảm biến quang học nano vàng lai polyme có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng y sinh, ứng dụng môi trường, và ứng dụng thực phẩm. Khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác các hợp chất hữu cơ độc hại giúp đảm bảo an toàn và chất lượng trong các lĩnh vực này. Ví dụ, cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm hoặc các chất ô nhiễm trong nước.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Cảm Biến Quang Học Nano Vàng

Mục tiêu cụ thể của đề tài là: Chế tạo thành công các hệ vật liệu lai cấu trúc lõi – vỏ trên cơ sở nano vàng và polyme in dấu phân tử (Moleculary Imprinted Polymers, MIP). Phân tán vật liệu lai lên lớp màng polystyrene được sắp xếp tuần hoàn nhằm tăng độ đồng đều và độ bền của vật liệu. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano cấu trúc lõi – vỏ Au@MIP chế tạo được để phân tích Bisphenol A ở hàm lượng cực thấp bằng kỹ thuật phổ tán xạ Raman tăng tương bề mặt (SERS).

2.1. Vấn Đề Độ Ổn Định Của Vật Liệu Nano Vàng Lai Polyme

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ ổn định của vật liệu nano vàng lai polyme trong quá trình sử dụng. Các hạt nano vàng có xu hướng kết tụ lại với nhau, làm giảm hiệu quả cảm biến. Do đó, cần có các phương pháp để ổn định cấu trúc nano và ngăn chặn sự kết tụ, ví dụ như sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các kỹ thuật bọc polyme tiên tiến.

2.2. Cải Thiện Độ Nhạy Và Tính Chọn Lọc Của Cảm Biến

Mặc dù nano vàng và polyme đều có những ưu điểm riêng, việc kết hợp chúng để tạo ra một cảm biến có độ nhạy và tính chọn lọc cao vẫn là một thách thức. Cần tối ưu hóa các thông số như kích thước và hình dạng của nano vàng, cũng như cấu trúc và thành phần của polyme để đạt được hiệu quả cảm biến tốt nhất. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất gây nhiễu trong mẫu phân tích.

2.3. Khả Năng Tái Sử Dụng Của Cảm Biến Quang Học

Một yếu tố quan trọng khác là khả năng tái sử dụng của cảm biến. Việc làm sạch và tái tạo bề mặt cảm biến sau mỗi lần sử dụng là cần thiết để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các phương pháp làm sạch phải không làm ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu nano vàng và polyme. Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các quy trình làm sạch hiệu quả và thân thiện với môi trường.

III. Phương Pháp Chế Tạo Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Lai Polyme

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.

3.1. Tổng Hợp Nano Vàng Với Kích Thước Và Hình Dạng Kiểm Soát

Việc tổng hợp nano vàng với kích thước và hình dạng kiểm soát là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu ứng SERS. Các phương pháp tổng hợp hóa học như phương pháp Seed-Mediated Growth cho phép điều chỉnh kích thước và hình dạng của nano vàng (ví dụ: vàng nano hình cầu, vàng nano hình que) để đạt được hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) tối ưu. Kích thước và hình dạng nano vàng ảnh hưởng trực tiếp đến bước sóng cộng hưởng và cường độ tín hiệu SERS.

3.2. Kỹ Thuật Polyme In Dấu Phân Tử MIP Để Tạo Tính Chọn Lọc

Kỹ thuật polyme in dấu phân tử (MIP) được sử dụng để tạo ra các vị trí liên kết đặc hiệu cho chất phân tích mục tiêu. Quá trình này bao gồm việc trùng hợp các monome xung quanh chất phân tích (template molecule), sau đó loại bỏ chất phân tích để lại các khuôn có hình dạng và kích thước phù hợp. Các khuôn này có khả năng nhận diện và liên kết chọn lọc với chất phân tích, giúp tăng cường tính chọn lọc của cảm biến.

3.3. Lai Hóa Nano Vàng Và Polyme Để Tạo Cảm Biến SERS

Sau khi tổng hợp nano vàng và tạo khuôn polyme, chúng được lai hóa để tạo thành cảm biến SERS. Có nhiều phương pháp lai hóa khác nhau, ví dụ như bọc nano vàng bằng lớp polyme MIP hoặc gắn nano vàng lên bề mặt polyme. Quá trình lai hóa cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự phân bố đồng đều của nano vàng và duy trì tính chất của cả hai thành phần.

IV. Ứng Dụng Cảm Biến Quang Học Nano Vàng Phân Tích BPA

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 phân tích định lượng thuốc trừ sâu carbaryl trong nền thực phẩm phức tạp một cách đáng tin cậy [17].

4.1. Đánh Giá Khả Năng Phát Hiện BPA Bằng Cảm Biến SERS

Để đánh giá khả năng phát hiện BPA, cảm biến SERS được sử dụng để đo phổ Raman của các dung dịch BPA với nồng độ khác nhau. Cường độ tín hiệu Raman đặc trưng của BPA được theo dõi để xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của cảm biến. Các kết quả này cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện BPA ở nồng độ rất thấp, phù hợp với các yêu cầu phân tích môi trường và an toàn thực phẩm.

4.2. Nghiên Cứu Tính Chọn Lọc Của Cảm Biến Đối Với BPA

Tính chọn lọc của cảm biến được đánh giá bằng cách đo phổ Raman của các dung dịch chứa BPA và các chất gây nhiễu tiềm năng khác (ví dụ: các hợp chất tương tự BPA). Sự khác biệt về cường độ tín hiệu Raman giữa BPA và các chất gây nhiễu cho thấy khả năng nhận diện chọn lọc của cảm biến. Các kết quả này chứng minh rằng cảm biến có thể được sử dụng để phân tích BPA trong các mẫu phức tạp mà không bị ảnh hưởng bởi các chất khác.

4.3. Ứng Dụng Cảm Biến Để Phân Tích Mẫu Thực Tế

Để đánh giá hiệu quả của cảm biến trong điều kiện thực tế, nó được sử dụng để phân tích BPA trong các mẫu môi trường (ví dụ: nước thải) hoặc mẫu thực phẩm (ví dụ: nước đóng chai). Các kết quả phân tích được so sánh với các phương pháp phân tích chuẩn (ví dụ: sắc ký lỏng khối phổ - LC-MS) để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến. Các kết quả này cho thấy cảm biến có thể được sử dụng để phân tích BPA trong các mẫu thực tế với độ chính xác chấp nhận được.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Cảm Biến Quang Học Nano Vàng

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.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Về Cảm Biến Quang Học Nano Vàng

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo và ứng dụng cảm biến quang học nano vàng lai polyme để phân tích BPA. Cảm biến cho thấy độ nhạy và tính chọn lọc cao, cũng như khả năng ứng dụng trong phân tích mẫu thực tế. Các kết quả này mở ra tiềm năng lớn cho việc phát triển các cảm biến SERS hiệu quả và tiện lợi cho nhiều ứng dụng khác nhau.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Cải Tiến Cảm Biến

Để cải tiến cảm biến, các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu, phát triển các phương pháp lai hóa tiên tiến hơn, và nghiên cứu các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Ngoài ra, cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và khả năng tái sử dụng của cảm biến để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả kinh tế.

5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Rãi Của Cảm Biến Trong Tương Lai

Cảm biến quang học nano vàng lai polyme có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng y sinh (chẩn đoán bệnh), ứng dụng môi trường (giám sát ô nhiễm), và ứng dụng thực phẩm (kiểm tra an toàn). Sự phát triển của các cảm biến này sẽ góp phần quan trọng vào việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường sống.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm hữu cơ là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường tại Việt Nam cũng như trên toàn cầu. Tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, mức độ ô nhiễm hữu cơ và các chất dinh dưỡng đã duy trì ở mức cao trong nhiều năm, gây ra các bệnh lý cấp tính và mãn tính như ung thư và ngộ độc. Nhu cầu phát triển các phương pháp phân tích nhanh, tiện lợi, có thể di động và cho kết quả tin cậy là rất cấp thiết để giám sát và xử lý kịp thời các chất ô nhiễm. Trong bối cảnh đó, đề tài nghiên cứu tập trung phát triển cảm biến quang học dựa trên sự kết hợp giữa hiện tượng tăng cường tín hiệu phổ tán xạ Raman bề mặt (SERS) và công nghệ polyme in dấu phân tử (MIP) nhằm phân tích các hợp chất hữu cơ, điển hình là Bisphenol A (BPA).

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là chế tạo thành công vật liệu nano vàng dạng thanh (AuNRs) lai với polyme in dấu phân tử (AuNR@MIP), phủ lên lớp màng polystyrene sắp xếp tuần hoàn để tạo đế SERS có 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 hữu cơ. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả giám sát ô nhiễm hữu cơ, hỗ trợ quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

1. Hiện tượng tăng cường phổ tán xạ Raman bề mặt (SERS): SERS là hiệu ứng tăng cường tín hiệu Raman của các phân tử hấp phụ trên bề mặt các hạt nano kim loại như vàng và bạc, nhờ cơ chế cộng hưởng plasmon bề mặt (LSPR). 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. Cơ chế tăng cường chủ yếu là điện từ, tạo ra các "điểm nóng" trên bề mặt nano với trường điện từ cục bộ mạnh.

2. Công nghệ polyme in dấu phân tử (MIP): 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 trong sinh học.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Nano vàng dạng thanh (AuNRs): Hạt nano vàng có hình dạng thanh với tỷ số cạnh dài/ngắn (aspect ratio) điều chỉnh được, ảnh hưởng đến vị trí cộng hưởng plasmon bề mặt.
• Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR): Dao động tập thể của electron tự do trên bề mặt hạt nano khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra sự tăng cường tín hiệu quang học.
• Tán xạ Raman: Hiện tượng tán xạ không đàn hồi của photon, cung cấp thông tin về dao động phân tử và cấu trúc hóa học.
• Bisphenol A (BPA): Hợp chất hữu cơ có tính độc hại, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa, có ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học để chế tạo nano vàng dạng thanh (AuNRs) 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 dung dịch AgNO3, HCl và lượng mầm vàng để kiểm soát tỷ số cạnh và kích thước hạt.

Sau đó, vật liệu AuNRs 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 ánh sáng UV bước sóng 365 nm trong 2 giờ. Các phân tử BPA được loại bỏ bằng dung dịch axit axetic 0,1 M để tạo khuôn phân tử đặc hiệu.

Vật liệu AuNR@MIP sau đó được phủ lên lớp màng polystyrene hình cầu đường kính 5 µm đã sắp xếp tuần hoàn trên đế thủy tinh sạch. Nồng độ AuNR@MIP trên màng được xác định bằng cân tinh thể thạch anh (QCM) với các mức 0,28; 0,37; 0,55 và 1,1 mg/mL.

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm phổ UV-Vis, ảnh SEM để đặc trưng hình thái và kích thước hạt, phổ Raman và SERS để đánh giá khả năng tăng cường tín hiệu và chọn lọc của đế SERS. Phân tích dữ liệu sử dụng các phương pháp định lượng phổ học và so sánh với mẫu đối chứng AuNR@NIP không chứa khuôn phân tử BPA. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, với các giai đoạn tổng hợp, đặc trưng vật liệu và thử nghiệm ứng dụng.

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 lên 777 nm, tỷ số cạnh tăng từ 2,8 lên 3,9. Ảnh SEM cho thấy chiều dài thanh nano tăng từ 40 nm lên 47 nm, chiều rộng giữ khoảng 13 nm, thể hiện khả năng điều chỉnh hình thái hạt hiệu quả.

2. Ảnh hưởng của lượng AgNO3 đến hình thái AuNRs: Tăng thể tích AgNO3 từ 0,6 mL đến 1,2 mL làm bước sóng LSPR dịch chuyển từ 610 nm lên 750 nm, tỷ số cạnh tăng từ 2,1 lên 3,5. Hạt nano dài hơn và đồng đều hơn khi lượng AgNO3 tăng, phù hợp với cơ chế phát triển mầm có sự hỗ trợ của ion bạc.

3. Ảnh hưởng lượng mầm vàng đến tỷ số cạnh: Khi tăng lượng mầm vàng từ 20 µL đến 60 µL, bước sóng LSPR giảm từ 750 nm xuống 680 nm, tỷ số cạnh giảm từ 3,5 xuống 2,8. Điều này cho thấy lượng mầm lớn tạo ra nhiều hạt nhỏ hơn, làm giảm chiều dài thanh nano.

4. Đặc trưng vật liệu AuNR@MIP và khả năng tăng cường SERS: Vật liệu AuNR@MIP phủ trên màng polystyrene cho tín hiệu SERS mạnh mẽ và chọn lọc cao đối với BPA. Mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ đỉnh Raman tại 1174 cm^-1 và nồng độ BPA trong khoảng 0,1 - 1,0 mg/L được xác nhận, cho thấy giới hạn phát hiện thấp và độ nhạy cao. Độ đồng đều tín hiệu tại nhiều điểm trên đế đạt RSD thấp, đảm bảo tính lặp lại.

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 hình thái và kích thước của AuNRs, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí cộng hưởng plasmon bề mặt và hiệu quả tăng cường tín hiệu SERS. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của ion bạc và pH đến sự phát triển nanorod vàng.

Sự kết hợp giữa AuNRs và polyme in dấu phân tử tạo ra vật liệu lai có khả năng bắt giữ chọn lọc BPA nhờ các khuôn phân tử đặc hiệu, đồng thời tăng cường tín hiệu Raman nhờ hiệu ứng plasmon. Điều này giúp khắc phục hạn chế của các phương pháp phân tích truyền thống như sắc ký, vốn đòi hỏi thiết bị phức tạp và thời gian chuẩn bị mẫu lâu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện sự dịch chuyển bước sóng LSPR, ảnh SEM minh họa hình thái hạt nano, và đồ thị tuyến tính cường độ SERS theo nồng độ BPA. Bảng so sánh các thông số cảm biến giữa mẫu AuNR@MIP và mẫu đối chứng AuNR@NIP cũng làm rõ hiệu quả chọn lọc và tái sử dụng của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp AuNRs: Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh các tham số như nồng độ chất hoạt động bề mặt, pH và lượng mầm để nâng cao độ đồng đều và kiểm soát chính xác hơn tỷ số cạnh, nhằm tối ưu hiệu suất tăng cường SERS. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu.

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 ứng dụng phân tích nhanh tại hiện trường, phục vụ giám sát ô nhiễm môi trường và an toàn thực phẩm. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: nhóm kỹ thuật điện tử và quang học.

3. Mở rộng ứng dụng phân tích các hợp chất hữu cơ khác: Nghiên cứu mở rộng khuôn mẫu MIP để phát hiện các chất độc hại khác như thuốc trừ sâu, kháng sinh tồn dư trong thực phẩm và môi trường, tăng giá trị ứng dụng của cảm biến. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: nhóm hóa phân tích.

4. Đánh giá độ bền và khả năng tái sử dụng: Thực hiện các thử nghiệm dài hạn về độ ổn định, độ lặp lại và khả năng tái sử dụng của đế SERS trong điều kiện thực tế để đảm bảo tính khả thi khi ứng dụng rộng rãi. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

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 vật liệu nano vàng dạng thanh, công nghệ MIP và ứng dụng SERS, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Chuyên gia phát triển cảm biến và thiết bị phân tích: Thông tin về quy trình chế tạo đế SERS đa chức năng và đánh giá hiệu suất cảm biến giúp thiết kế các thiết bị phân tích nhanh, di động phục vụ giám sát môi trường và an toàn thực phẩm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và an toàn thực phẩm: Kết quả nghiên cứu cung cấp công cụ phân tích nhanh, chính xác các chất ô nhiễm hữu cơ như BPA, hỗ trợ công tác kiểm tra, giám sát và xử lý ô nhiễm.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị phân tích: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá để phát triển sản phẩm cảm biến quang học mới, nâng cao giá trị gia tăng và khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn nano vàng dạng thanh (AuNRs) thay vì dạng cầu?
   Nano vàng dạng thanh có hai cực đại hấp thụ plasmon (dọc và ngang), trong đó cực đại dọc có thể điều chỉnh bước sóng từ vùng khả kiến đến hồng ngoại gần bằng cách thay đổi tỷ số cạnh. Điều này giúp tăng cường tín hiệu SERS hiệu quả hơn so với hạt cầu chỉ có một cực đại tại ~520 nm.

2. Công nghệ polyme in dấu phân tử (MIP) có ưu điểm gì?
   MIP tạo ra các khuôn phân tử đặc hiệu dựa trên hình dạng và tương tác hóa học với phân tử mục tiêu, cho độ chọn lọc cao, ổn định về mặt cấu trúc và khả năng tái sử dụng tốt hơn so với các cảm biến sinh học truyền thống như kháng thể.

3. Giới hạn phát hiện của cảm biến AuNR@MIP đối với BPA là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy cảm biến có thể phát hiện BPA trong khoảng nồng độ từ 0,1 đến 1,0 mg/L với mối quan hệ tuyến tính rõ ràng, đáp ứng yêu cầu phân tích dư lượng BPA trong thực phẩm và môi trường.

4. Đế SERS có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
   Đế AuNR@MIP/PS thể hiện khả năng tái sử dụng ít nhất 10 lần mà không giảm đáng kể cường độ tín hiệu SERS, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

5. Phương pháp tổng hợp AuNRs có thân thiện với môi trường không?
   Phương pháp phát triển mầm sử dụng các chất hoạt động bề mặt và chất khử hóa học có thể gây ảnh hưởng môi trường nếu không xử lý đúng cách. Nghiên cứu đề xuất phát triển các phương pháp tổng hợp xanh hơn trong tương lai để giảm thiểu tác động môi trường.

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, phù hợp cho ứng dụng SERS.
• Vật liệu lai AuNR@MIP được chế tạo với khả năng bắt giữ chọn lọc BPA và tăng cường tín hiệu Raman mạnh mẽ, cho phép phát hiện BPA ở nồng độ thấp.
• Đế SERS AuNR@MIP/PS có độ đồng đều cao, độ lặp lại tốt và khả năng tái sử dụng, đáp ứng yêu cầu phân tích nhanh, tiện lợi tại hiện trường.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến quang học đa chức năng ứng dụng trong giám sát ô nhiễm hữu cơ và an toàn thực phẩm.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, phát triển thiết bị đo cầm tay và mở rộng ứng dụng phân tích các hợp chất hữu cơ khác.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục khai thác và ứng dụng công nghệ cảm biến MIP-SERS để nâng cao hiệu quả giám sát môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.