MỞ ĐẦU LASER (viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation - Khuếch đại ánh sáng bởi phát xạ kích thích) được coi là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20, góp phần làm thay đổi nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. So với ánh sáng thông thường laser có những đặc tính khác biệt như: cường độ, tính định hướng, tính đơn sắc và tính kết hợp cao. Nhờ các ưu điểm này laser (cùng với sợi quang) đã trở thành nền tảng của viễn thông và Internet tốc độ cao, góp phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba và lần thứ tư. Ngày nay laser có ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, nghiên cứu khoa học, sản xuất công nghiệp, chuẩn đoán và điều trị bệnh, vũ khí và khí tài quân sự.
Laser được chế tạo thành công lần đầu tiên vào năm 1960 [49]. Đến nay, nhiều loại laser khác nhau như laser rắn, laser bán dẫn, laser màu, laser khí đã được phát triển và sử dụng. Mặc dù vậy, nhóm laser mới vẫn tiếp tục được nghiên cứu như plasmon laser, polariton laser, laser chấm lượng tử, laser dựa trên vật liệu có nguồn gốc sinh học (gọi tắt là laser sinh học) [56, 25, 92, 21]. Trong các cấu trúc laser, dạng vi cầu (có buồng cộng hưởng dạng vi cầu) được bắt đầu nghiên cứu từ năm 1961 [29] là một trong các hướng được quan tâm chú ý nhiều với các ưu điểm về khả năng chế tạo, chất lượng của nguồn laser và phù hợp với nhiều loại ứng dụng: từ tích hợp trong các mạch quang tử cho tới các cảm biến siêu nhỏ [29, 89, 13, 65, 73].
Cùng với sự phát triển của vật liệu chế tạo [53] có nhiều loại laser vi cầu đã được nghiên cứu như: Laser vi cầu dạng rắn (sử dụng vật liệu thủy tinh, vật liệu bán dẫn) [18, 29, 33, 65, 73], laser vi cầu dạng lỏng (các giọt dung dịch chứa hoạt chất laser ) [5, 85], laser vi cầu polymer (sử dụng các loại polymer nhân tạo) [43], laser vi cầu sinh học (sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học) [81]. Với từng loại vật liệu lại có các phương pháp phù hợp để chế tạo như: Phương pháp nóng chảy, quang khắc ăn mòn, Sol-gel, bọc vỏ, khử nước [84, 97],.Trong số các vật liệu sử dụng chế tạo laser vi cầu, nhóm vật liệu có nguồn gốc sinh học với ưu điểm về tính tương thích sinh học, 17 mở ra triển vọng ứng dụng của laser vi cầu trong cảm biến sinh học thậm chí ở cấp độ tế bào [34, 50]. Laser sinh học mới được bắt đầu được nghiên cứu mạnh trong khoảng 25 năm trở lại đây. Năm 1995 các nhà khoa học tại Đại học New York (Mỹ) lần đầu tiên sử dụng mô của động vật làm cấu trúc tăng cường tán xạ cho việc phát xạ laser ngẫu nhiên [72].
Khoảng 10 năm sau, những ứng dụng thực tiễn của laser sinh học bắt đầu được triển khai. Năm 2004 các nhà Vật lý tại Đại học Utah (Mỹ) nhuộm chất màu (hoạt chất laser) vào mô của người, sau đó kích hoạt những mô này bằng laser xung và thu được laser ngẫu nhiên [59]. Sau khi nghiên cứu tính chất quang của chúng, các nhà khoa học phát hiện phổ laser từ những mô khỏe mạnh có đặc trưng khác với phổ từ những mô bị ung thư. Điều này giúp phân loại mô khỏe với mô bị ung thư đồng thời mở ra triển vọng phát hiện ung thư sớm theo một cách hoàn toàn mới.
Năm 2010 nhóm nghiên cứu tại Đại học Purdue (Mỹ) phát hiện ra những thay đổi cấp độ nano trong cấu trúc xương người thông qua khảo sát phổ phát xạ của laser. Gần đây vào năm 2016 các nhà khoa học Úc ở Đại học Macquarie sử dụng laser như một thiết bị cảm biến nồng độ Dopamine (chất dẫn truyền thần kinh) với độ nhạy vào khoảng 100 nM. Năm 2017 các nhà khoa học tại Anh (Đại học King London) chế tạo thành công laser từ vật liệu tơ tằm và được ứng dụng để nhận biết độ pH với độ nhạy gấp 200 lần so với cảm biến dựa trên nguyên lý phát huỳnh quang truyền thống [10]. Cũng trong năm 2017 laser vi cầu đã được chế tạo từ nhiều vật liệu có nguồn gốc sinh học khác nhau như protein, Pectin và Xenlulose, tinh bột [81].
Hiện nay nghiên cứu về laser vi cầu sinh học tập trung vào hai hướng chính: Hướng thứ nhất là khám phá và điều chế vật liệu sinh học mới ứng dụng cho laser [12, 51, 71]. Những vật liệu này bao gồm cả vật liệu phát quang để làm hoạt chất laser và vật liệu không phát quang để làm buồng cộng hưởng (cho laser thông thường) hoặc môi trường tán xạ (cho laser ngẫu nhiên); hướng thứ hai nghiên cứu và phát triển các nguồn laser sinh học có kích thước nhỏ (khoảng 5-150 µm) để ứng dụng cho các cảm biến sinh hóa học có có độ nhạy cao như: cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt 18 độ, cảm biến độ pH của môi trường,…[15, 28, 87] hay tích hợp vào trong các mô, tế bào và cơ thể sống. Chúng có thể hoạt động như các cảm biến sinh hóa, theo dõi hoạt động của tế bào, giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh. Tại Việt Nam hướng nghiên cứu về laser vi cầu cũng đã được triển khai.
Năm 2006 nhóm nghiên cứu của PGS. Phạm Văn Hội đã công bố các kết quả về laser vi cầu từ vật liệu thủy tinh pha tạp ion đất hiếm Er3+ [28]. Tuy nhiên các nghiên cứu chế tạo laser vi cầu từ vật liệu sinh học còn chưa được thực hiện. Nhìn chung laser vi cầu sinh học là hướng nghiên cứu mới với nhiều tiềm năng phát triển.
Chế tạo thành công laser vi cầu sinh học và triển khai ứng dụng có tính cấp thiết, đóng góp cho việc phát triển các hệ thống quang tử và hệ thống cảm biến sinh học siêu nhỏ, siêu nhạy. Một số vấn đề trọng tâm trong hướng nghiên cứu về laser vi cầu sinh học hiện nay có thể tóm lược là: (1) Nghiên cứu phát triển các phương pháp chế tạo đơn giản, hiệu quả, thời gian chế tạo nhanh, số lượng sản xuất lớn; (2) Nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu tiên tiến có nguồn gốc sinh học; (3) Điều khiển kích thước, hình dạng laser vi cầu; (4) Triển khai các ứng dụng thực tế. Do đó tôi lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số đặc trưng của laser vi cầu từ các vật liệu nguồn gốc sinh học”. Mục tiêu trọng tâm đặt ra cho luận án là: Chế tạo thành công laser vi cầu từ vật liệu có nguồn gốc sinh học với đặc trưng ngưỡng phát laser thấp và hệ số phẩm chất cao; Điều khiển thành công kích thước của laser, thu được các nguồn laser có đặc trưng tương đương nhau; Thử nghiệm ứng dụng laser đã chế tạo cho cảm biến nhiệt độ môi trường tiếp xúc.
Đối tượng nghiên cứu: Laser vi cầu chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc sinh học. 19 Phương pháp nghiên cứu sử dụng cho luận án: Sử dụng phương pháp khử nước từ dung dịch protein thông qua công nghệ nhũ tương và hệ thống kênh dẫn vi lưu. Trong đó kênh dẫn vi lưu là một phương pháp nghiên cứu mới có tính ưu việt trong điều khiển và kiểm soát kích thước của laser vi cầu; Phương pháp đo đặc trưng phổ laser kết hợp với thống kê, so sánh; Sử dụng kết hợp các phương pháp khác về điều khiển nhiệt độ, xây dựng hệ thiết bị công nghệ chế tạo phù hợp với đối tượng nghiên cứu và các phương pháp tính toán, mô phỏng khác. Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu và kết luận luận án được chia làm 4 chương: Chương 1: Trình bày tổng quan về laser vi cầu và laser vi cầu sinh học.
Trong chương này trước tiên trình bày tổng quan cơ sở lý thuyết về laser vi cầu và các thông số đặc trưng. Tiếp theo khái quát về laser vi cầu rắn, laser vi cầu mềm. Trong laser vi cầu mềm phân tích sâu hơn về laser vi cầu chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc sinh học (laser vi cầu sinh học). Cuối cùng phân tích một số ứng dụng của của laser vi cầu và laser vi cầu sinh học.
Chương 2: Trình bày thực nghiệm quá trình chế tạo và điều khiển kích thước laser vi cầu sinh học. Trong chương này các nội dung chính được trình bày bao gồm: Các vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo laser vi cầu và hệ thống kênh dẫn vi lưu; Quy trình chế tạo laser vi cầu sử dụng phương pháp khử nước từ dung dịch protein đối với vật liệu lòng trắng trứng và vật liệu protein chiết xuất; Quy trình chế tạo kênh dẫn vi lưu và ứng dụng kênh dẫn vi lưu để chế tạo và điều khiển kích thước của của laser vi cầu; Các hệ thiết bị nghiên cứu tính chất đặc trưng của laser vi cầu. Chương 3: Trình bày kết quả chế tạo laser vi cầu sinh học dựa trên phương pháp khử nước từ dung dịch protein. 20 Trong chương này trình bày các kết quả chế tạo laser vi cầu theo phương pháp khử nước từ dung dịch protein.
Phân tích quy trình chế tạo và các thông số ảnh hưởng, trình bày các kết quả đặc trưng của laser vi cầu sinh học sử dụng vật liệu lòng trắng trứng và liệu protein BSA pha hoạt chất màu RhB. Chương 4: Trình bày kết quả chế tạo và điều khiển kích thước laser vi cầu sinh học sử dụng kênh dẫn vi lưu, đặc trưng laser của chúng và bước đầu thử nghiệm ứng dụng trong cảm biến nhiệt độ môi trường tiếp xúc. Trong chương này trước tiên trình bày các kết quả về chế tạo kênh dẫn vi lưu. Các kết này bao gồm thiết kế mặt nạ cản quang, phim mặt nạ cản quang, khuôn hệ thống kênh dẫn từ màng mỏng, khuôn từ Polydimethylsiloxane (PDMS) và chip kênh dẫn vi lưu.
Tiếp theo sử dụng hệ thống kênh dẫn vi lưu để chế tạo, điều khiển kích thước của laser vi cầu sinh học. Sau đó, từ các kết quả chế tạo laser vi cầu tiến hành nghiên cứu đặc trưng của các laser có kích thước tương tự nhau. Cuối cùng thử nghiệm khả năng ứng dụng laser vi cầu sinh học đã chế tạo trong cảm biến nhiệt độ môi trường tiếp xúc. Kết luận: Tổng kết lại các kết quả đã đạt được và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.