Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên sợi quang phát hiện hóa chất độc hại trong môi trường

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1. MỞ ĐẦU

1.1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG

1.1.1. Khái niệm về sợi quang

1.1.2. Cấu trúc sợi quang

1.1.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang

1.1.4. Một số thông số cơ bản của sợi quang

1.1.5. Cảm biến sợi quang (Fiber-optic sensor: FOS)

1.1.6. Phân loại cảm biến sợi quang

1.1.7. Những thông số đánh giá chất lượng của cảm biến

1.1.8. Sợi quang trong ứng dụng cảm biến quang-hóa

1.1.9. Cảm biến quang sợi dựa trên kỹ thuật sóng trường gần

1.1.10. Một số loại cảm biến quang-hóa sợi quang dựa trên kỹ thuật sóng trường gần

1.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

2. LÝ THUYẾT CẢM BIẾN QUANG-HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON

2.1. Cảm biến quang-hóa dựa trên FBG

2.1.1. Tổng quan về FBG

2.1.2. Ứng dụng cách tử Bragg sợi quang trong lĩnh vực cảm biến

2.1.3. Cảm biến quang hóa dựa trên FBG

2.1.4. Cảm biến quang hóa dựa vào hiệu ứng cộng hưởng Plasmon của các cấu trúc nano kim loại định xứ trên bề mặt sợi quang

2.1.5. Hiệu ứng plasmon

2.1.6. Cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon

2.1.7. Cảm biến quang hóa dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt

2.1.8. Đế SERS trên nền quang sợi

2.1.9. Các thông số đánh giá chất lượng của đế SERS

2.1.10. Tình hình nghiên cứu cảm biến SERS tại Việt Nam

2.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BẰNG VIỆC TÍCH HỢP D-FBG TRONG CẤU HÌNH LASER SỢI VỚI CẤU TRÚC GƯƠNG VÒNG

3.1. Chế tạo cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG

3.1.1. Phương pháp ăn mòn hóa học

3.1.2. Khảo sát đặc tính của cảm biến e – FBG

3.1.3. Phương pháp mài mòn cơ học

3.1.4. Khảo sát đặc tính của cảm biến D – FBG

3.1.5. Phát triển cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên cảm biến D - FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng

3.1.5.1. Cấu trúc của cảm biến

3.1.5.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến

3.1.5.3. Khảo sát đặc tính của cảm biến quang hóa dựa vào cảm biến D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng (loop-mirror)

3.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

4. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ĐẾ SERS SỢI QUANG VỚI CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG/NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÁC LASER BÁN DẪN

4.1. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag

4.1.1. Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ và hóa chất

4.1.2. Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag bằng phương pháp quang-hóa với sự hỗ trợ của chùm laser 532 nm

4.1.3. Khảo sát hình thái học đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag

4.1.4. Khảo sát tính chất đế SERS sợi quang phẳng với các cấu trúc nano Ag

4.2. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá

4.2.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị và hóa chất

4.2.2. Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá bằng phương pháp quang-hóa có sự hỗ trợ của hai laser 532 nm và 650 nm

4.2.3. Khảo sát hình thái học của đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá

4.2.4. Khảo sát tính chất đế SERS với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá trên đầu vi cầu

4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

5. ỨNG DỤNG CẢM BIẾN QUANG HÓA DỰA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG

5.1. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG để phân tích nitrate và một số dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng

5.2. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên e-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích nitrate trong môi trường lỏng

5.3. Ứng dụng cảm biến quang hóa dựa trên D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích một số dung môi hữu cơ

5.4. Ứng dụng đế SERS sợi quang với các cấu trúc nano AgNDs và AuNPs/AgNDs để phân tích một số chất bảo vệ thực vật

5.5. Ứng dụng đế SERS sợi quang phẳng với cấu trúc AgNDs để phân tích chất BVTV Permethrin

5.6. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AgNDs để phân tích chất BVTV Dimethoate

5.7. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AuNPs/AgNDs để phân tích chất BVTV Fention và Cypermethrin

5.8. KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU

CÁC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO NỘI DUNG LUẬN ÁN

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về cảm biến quang hóa trên sợi quang

Cảm biến quang hóa trên sợi quang là một công nghệ tiên tiến được ứng dụng để phát hiện các hóa chất độc hại trong môi trường. Công nghệ này dựa trên nguyên lý tương tác giữa ánh sáng và vật liệu, sử dụng quang phổ học và công nghệ sợi quang để đo lường và phân tích các chất độc hại. Cảm biến quang hóa có ưu điểm vượt trội như độ nhạy cao, khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng cảm biến quang hóa để phát hiện các chất độc hại như nitrate và các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang hóa

Cảm biến quang hóa hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa ánh sáng và vật liệu. Khi ánh sáng truyền qua sợi quang, nó tương tác với các hóa chất độc hại trong môi trường, gây ra sự thay đổi trong các đặc tính quang học như bước sóng, cường độ ánh sáng hoặc phổ quang. Những thay đổi này được đo lường và phân tích để xác định sự hiện diện và nồng độ của các chất độc hại. Công nghệ quang học và quang phổ học đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và độ nhạy của cảm biến.

1.2. Ứng dụng của cảm biến quang hóa trong môi trường

Cảm biến quang hóa được ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện và kiểm soát các hóa chất độc hại trong môi trường. Cụ thể, nghiên cứu này tập trung vào việc phát hiện nitrate và các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng. Cảm biến quang hóa cũng có thể được sử dụng để phát hiện các chất bảo vệ thực vật như Permethrin, Dimethoate, Fenthion và Cypermethrin. Những ứng dụng này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đóng góp vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống.

II. Công nghệ sợi quang và cảm biến quang hóa

Công nghệ sợi quang là nền tảng quan trọng trong việc phát triển cảm biến quang hóa. Sợi quang được sử dụng làm phương tiện truyền dẫn ánh sáng, đồng thời là bộ phận cảm biến chính. Các cảm biến quang hóa dựa trên sợi quang có thể được tích hợp với các công nghệ khác như quang phổ học và công nghệ laser để nâng cao hiệu quả phát hiện. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo cảm biến quang hóa dựa trên cách tử Bragg sợi quang (FBG) và hiệu ứng cộng hưởng plasmon.

2.1. Cách tử Bragg sợi quang FBG trong cảm biến quang hóa

Cách tử Bragg sợi quang (FBG) là một công nghệ quan trọng trong việc chế tạo cảm biến quang hóa. FBG hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng tại các bước sóng cụ thể, tạo ra sự thay đổi trong phổ quang khi có sự tương tác với các hóa chất độc hại. Nghiên cứu này sử dụng FBG để phát hiện nitrate và các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng, với độ nhạy và độ chính xác cao.

2.2. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon trong cảm biến quang hóa

Hiệu ứng cộng hưởng plasmon là một hiện tượng quang học xảy ra khi ánh sáng tương tác với các hạt nano kim loại, tạo ra sự tăng cường tín hiệu quang. Hiệu ứng này được ứng dụng trong cảm biến quang hóa để tăng cường độ nhạy và khả năng phát hiện các hóa chất độc hại. Nghiên cứu này sử dụng các cấu trúc nano vàng và bạc để tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon, giúp phát hiện các chất bảo vệ thực vật với độ nhạy cao.

III. Chế tạo và ứng dụng cảm biến quang hóa

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo cảm biến quang hóa dựa trên sợi quang và ứng dụng chúng trong việc phát hiện các hóa chất độc hại trong môi trường. Các phương pháp chế tạo bao gồm ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học, giúp tạo ra các cảm biến có độ nhạy và độ bền cao. Cảm biến quang hóa được tích hợp với công nghệ laser để nâng cao hiệu quả phát hiện và đo lường.

3.1. Phương pháp chế tạo cảm biến quang hóa

Nghiên cứu sử dụng hai phương pháp chính để chế tạo cảm biến quang hóa: ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học. Ăn mòn hóa học được sử dụng để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao, trong khi mài mòn cơ học giúp tăng độ bền và ổn định của cảm biến. Các cảm biến được chế tạo dựa trên cách tử Bragg sợi quang (FBG) và hiệu ứng cộng hưởng plasmon, giúp phát hiện các hóa chất độc hại với độ chính xác cao.

3.2. Ứng dụng cảm biến quang hóa trong phát hiện hóa chất độc hại

Cảm biến quang hóa được ứng dụng để phát hiện các hóa chất độc hại như nitrate và các dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng. Nghiên cứu cũng sử dụng cảm biến quang hóa để phát hiện các chất bảo vệ thực vật như Permethrin, Dimethoate, Fenthion và Cypermethrin. Các kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến quang hóa có độ nhạy cao và khả năng phát hiện các chất độc hại ở nồng độ thấp, đóng góp vào việc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

Luận án tiến sĩ: Chế tạo cảm biến quang hóa trên sợi quang ứng dụng phát hiện hóa chất độc hại