I. Tổng Quan về Cảm Biến Cyanua và Sợi Polyme Quang Học
Chất độc là mối đe dọa lớn đến sức khỏe con người. Từ xa xưa, việc phát hiện chất độc đã được quan tâm, ví dụ như dùng kim bạc để kiểm tra độc tính. Tuy nhiên, kim bạc không thể phát hiện nhiều loại chất độc. Sự ra đời của cảm biến hóa học là một bước tiến quan trọng. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu và chế tạo cảm biến cyanua có khả năng quan sát được bằng mắt thường, ứng dụng trong sợi polyme quang học bền và linh hoạt. Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp cảm biến cyanua, tuy nhiên hầu hết các cảm biến này mang trong mình cấu trúc hóa học cồng kềnh, phức tạp, đa số tan trong dung môi hữu cơ, chỉ một vài cảm biến có thể hoạt động trong môi trường nước. Bên cạnh đó, các fluorophore hữu cơ như vậy có thể cho hiệu suất lượng tử thấp và khả năng quang học kém, đòi hỏi việc sử dụng thiết bị hỗ trợ (đèn UV) để quan sát được hiện tượng. Điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng trong việc nhận biết cyanua ngoài thực tế.
1.1. Giới thiệu về Cyanua Nguồn gốc Độc tính và Ứng dụng
Cyanua là nhóm chức gồm một nguyên tử carbon liên kết ba với một nguyên tử nitơ (C ≡ N). Các hợp chất cyanua tồn tại ở dạng rắn, khí hoặc lỏng. Độc tính và mức độ phản ứng phụ thuộc vào trạng thái tồn tại, điều kiện môi trường. Chất thải chứa cyanua là một mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với sức khỏe. Nó đến từ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Cyanua thường được biết đến như một chất cực độc và được liệt vào danh sách những chất độc nhất trong các chất độc. Các hợp chất cyanua được phân bố rộng rãi và được sản xuất tự nhiên bởi nhiều sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm, thực vật và một số loại côn trùng. [2]
1.2. Tiềm năng của Sợi Polyme Quang Học trong Phát hiện Cyanua
So với các cảm biến hóa học dựa trên phân tử nhỏ, các cảm biến dựa trên polyme tan trong nước có một số ưu điểm như cấu trúc ổn định, khả năng tương thích sinh học cao, tăng cường hiệu quả liên kết. Điều đặc biệt, việc gắn thêm các nhóm thế có khả năng tạo màng vào cấu trúc của cảm biến tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng một thiết bị cảm biến khả thi về mặt thương mại. Từ đó ứng dụng vào việc tạo ra sợi polyme quang học có độ bền, tính linh hoạt cao để có thể hỗ trợ cho nhiều ngành nghề khác nhau.
II. Vấn Đề Phát Hiện Cyanua Hiệu Quả và Tiện Lợi hơn
Việc phát hiện cyanua nhanh chóng và chính xác là rất quan trọng do độc tính cao của nó. Các phương pháp truyền thống thường tốn thời gian và đòi hỏi thiết bị phức tạp. Các cảm biến hiện tại cũng có những hạn chế như độ nhạy chưa cao, độ chọn lọc kém, hoặc khó sử dụng trong điều kiện thực tế. Do đó, cần có một giải pháp cảm biến cyanua đơn giản, hiệu quả, có thể sử dụng tại chỗ và cho kết quả nhanh chóng. Theo [8] Chất thải chứa cyanua là một mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với sức khỏe và là một vấn đề toàn cầu. Hydro cyanua, natri cyanua và kali cyanua là các dạng cyanua có nhiều khả năng tồn tại trong môi trường do được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động công nghiệp như khai thác kim loại, khai thác vàng, sản xuất hóa chất hữu cơ.
2.1. Các Phương Pháp Phát Hiện Cyanua Truyền Thống và Hạn Chế
Các phương pháp truyền thống thường tốn thời gian và đòi hỏi thiết bị phức tạp. Các cảm biến hiện tại cũng có những hạn chế như độ nhạy chưa cao, độ chọn lọc kém, hoặc khó sử dụng trong điều kiện thực tế. Bên cạnh đó, các fluorophore hữu cơ như vậy có thể cho hiệu suất lượng tử thấp và khả năng quang học kém, đòi hỏi việc sử dụng thiết bị hỗ trợ (đèn UV) để quan sát được hiện tượng. Điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng trong việc nhận biết cyanua ngoài thực tế.
2.2. Yêu Cầu về Cảm Biến Cyanua Thế Hệ Mới Nhanh Nhạy và Dễ Sử Dụng
Cần có một giải pháp cảm biến cyanua đơn giản, hiệu quả, có thể sử dụng tại chỗ và cho kết quả nhanh chóng. Giải pháp này cần khắc phục các nhược điểm của cảm biến hiện tại, đồng thời đảm bảo độ chính xác và tin cậy cao. Việc tổng hợp cảm biến nhận biết cyanua quan sát được hiện tượng thay đổi bằng mắt thường là rất cần thiết, phù hợp trong việc giám định cyanua tại chỗ.
III. Phương Pháp Chế Tạo Sợi Polyme Quang Học Cảm Biến Cyanua
Luận văn tập trung vào việc chế tạo sợi polyme quang học có khả năng cảm biến cyanua. Phương pháp tiếp cận bao gồm tổng hợp polyme chứa nhóm chức đặc biệt có khả năng tương tác với cyanua, sau đó kết hợp polyme này với polyme nền để tạo thành sợi quang. Quá trình chế tạo và thử nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng cảm biến cyanua của sợi quang, bao gồm độ nhạy, độ chọn lọc và độ bền. Mục tiêu là tạo ra một loại vật liệu là sợi polyme quang học có khả năng nhận biết Cyanua. Sợi quang học có khả năng nhận biết CN- với hàm lượng rất nhỏ, ngoài ra sợi còn có cơ tính rất tốt và giá thành thấp.
3.1. Tổng Hợp Polyme PMMA Chứa Gốc Spirooxazine Bước Quan Trọng
Đầu tiên, Luận văn đã tổng hợp thành công polyme PMMA có chứa gốc spirooxazine có khả năng tương tác với anion CN-. Spirooxazine là một chất chỉ thị màu nhạy với cyanua. Khi có mặt cyanua, spirooxazine sẽ chuyển đổi cấu trúc, dẫn đến thay đổi màu sắc có thể quan sát được. Vì vậy, việc sử dụng spirooxazine trong sợi polyme quang học sẽ giúp phát hiện cyanua một cách trực quan.
3.2. Trộn Hợp Polyme LLDPE và PMMA Tạo Sợi Quang Cơ Tính Tốt
Tiếp theo, PMMA sẽ được trộn hợp với polyme LLDPE để tạo ra sợi polyme quang học. LLDPE được chọn vì tính chất cơ học tốt và khả năng kéo sợi. Việc trộn hợp với PMMA sẽ giúp tạo ra sợi quang có cả tính chất cơ học tốt và khả năng cảm biến cyanua.
3.3. Quy trình Chế tạo sợi quang polyme Tối ưu hoá tỷ lệ phối trộn
Để tối ưu hóa hiệu suất của sợi quang, luận văn sẽ tiến hành khảo sát tỷ lệ trộn PMMA và LLDPE. Các tỷ lệ khác nhau sẽ ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo và khả năng cảm biến cyanua của sợi quang. Kết quả khảo sát cho thấy tỉ lệ trộn hợp tối ưu giữa PMMA và LLDPE là 20:100 theo khối lượng, với ứng suất kéo đứt cực đại là 32.
IV. Kết Quả Đánh Giá Khả Năng Cảm Biến Cyanua của Sợi Quang
Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi polyme quang học chế tạo thành công có khả năng cảm biến cyanua hiệu quả. Sợi quang thay đổi màu sắc khi tiếp xúc với cyanua, cho phép phát hiện cyanua bằng mắt thường. Các thử nghiệm cũng cho thấy sợi quang có độ nhạy và độ chọn lọc tốt đối với cyanua, đồng thời có độ bền cơ học đủ để sử dụng trong thực tế. Kết quả khảo sát cho thấy tỉ lệ trộn hợp tối ưu giữa PMMA và LLDPE là 20:100 theo khối lượng, với ứng suất kéo đứt cực đại là 32.
4.1. Phân tích phổ UV Vis Xác định độ nhạy của cảm biến
Phân tích phổ UV-Vis được sử dụng để xác định độ nhạy của sợi polyme quang học đối với cyanua. Sự thay đổi trong phổ hấp thụ hoặc phản xạ của sợi quang khi tiếp xúc với cyanua sẽ cho biết độ nhạy của cảm biến. Kết quả cho thấy sợi polyme quang học có 20% PMMA ở môi trường bên ngoài (trên) và ở trong dung dịch cyanua (dưới) sau khi được chiếu đèn vis 2h
4.2. Thử Nghiệm Độ Chọn Lọc Loại Bỏ Ảnh Hưởng của Các Chất Khác
Các thử nghiệm độ chọn lọc được thực hiện để đảm bảo sợi polyme quang học chỉ phản ứng với cyanua và không bị ảnh hưởng bởi các chất khác có trong môi trường. Điều này rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của cảm biến trong điều kiện thực tế. Sợi polyme quang học sau khi tương tác với KSCN (0.01M), Na2SO4 dưới tia UV 10 phút
4.3. Đánh giá giới hạn phát hiện cyanua
Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ thấp nhất của chất phân tích có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy bởi một phương pháp phân tích cụ thể. LOD thường được xác định bằng cách sử dụng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N). Một LOD thường được định nghĩa là nồng độ mà S/N bằng 3.
V. Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển của Cảm Biến Cyanua
Cảm biến cyanua dựa trên sợi polyme quang học có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm kiểm tra an toàn thực phẩm, giám sát môi trường, và phát hiện cyanua trong công nghiệp. Với những ưu điểm về độ nhạy, độ chọn lọc và tính tiện dụng, cảm biến này hứa hẹn sẽ là một công cụ hữu ích trong việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Ngoài ra, sợi quang có cơ tính rất tốt và giá thành thấp.
5.1. Kiểm Tra An Toàn Thực Phẩm Phát Hiện Cyanua trong Thực Phẩm
Cyanua có thể tồn tại trong một số loại thực phẩm, chẳng hạn như sắn và hạnh nhân. Cảm biến này có thể được sử dụng để kiểm tra nhanh chóng và chính xác hàm lượng cyanua trong thực phẩm, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.
5.2. Giám Sát Môi Trường Phát Hiện Cyanua trong Nước và Đất
Cyanua có thể gây ô nhiễm nguồn nước và đất do hoạt động công nghiệp và khai thác mỏ. Cảm biến này có thể được sử dụng để giám sát nồng độ cyanua trong môi trường, giúp phát hiện và ngăn chặn ô nhiễm kịp thời.
VI. Kết Luận Sợi Polyme Quang Học Mở Ra Hướng Phát Triển Mới
Nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi của việc chế tạo sợi polyme quang học có khả năng cảm biến cyanua. Kết quả nghiên cứu mở ra một hướng phát triển mới cho cảm biến cyanua, với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ nhạy, độ chọn lọc và độ bền của cảm biến, cũng như phát triển các phương pháp sản xuất sợi quang quy mô lớn và giá thành thấp.
6.1. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Cải Thiện Độ Nhạy và Độ Bền
Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ bền của cảm biến. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các vật liệu polyme mới, tối ưu hóa quy trình chế tạo sợi quang, và phát triển các phương pháp bảo vệ cảm biến khỏi các yếu tố môi trường.
6.2. Triển Vọng Thương Mại Hóa Ứng Dụng Thực Tiễn Rộng Rãi
Cảm biến cyanua dựa trên sợi polyme quang học có tiềm năng thương mại hóa cao do tính tiện dụng, độ nhạy cao và khả năng sản xuất quy mô lớn. Việc thương mại hóa cảm biến này sẽ góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.
