Tổng quan luận án

Công nghệ vật liệu nano và quang học nano trong ba thập kỷ qua đã ghi nhận nhiều bước phát triển đối với các cấu trúc kim loại quý nhờ sự xuất hiện của các hiệu ứng quang học đặc thù ở thang nanomet. Trong đó, hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) và cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR) của các hạt nano kim loại quý như vàng (Au) và bạc (Ag) tạo ra sự tương tác mạnh mẽ với bức xạ điện từ. Sự tập trung và khuếch đại điện trường cục bộ tại bề mặt hạt nano plasmonic là nguồn gốc vật lý chính của hai hiệu ứng quang phổ quan trọng: hiệu ứng huỳnh quang tăng cường nhờ kim loại (Metal Enhanced Fluorescence - MEF) và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface Enhanced Raman Scattering - SERS).

Mặc dù hiệu ứng MEF và SERS mang lại tiềm năng lớn trong phân tích hóa học, y sinh và kiểm định an toàn thực phẩm, việc chế tạo các cấu trúc nano plasmonic có độ sạch cao, phân bố kích thước đồng đều và bề mặt cảm biến có hệ số tăng cường lớn, độ lặp lại ổn định vẫn là vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết. Các phương pháp hóa học truyền thống thường để lại dư lượng chất khử hoặc chất hoạt động bề mặt, gây nhiễu tín hiệu quang phổ. Tại Việt Nam, việc ứng dụng kỹ thuật bào mòn laser xung trong chất lỏng (Pulsed Laser Ablation in Liquids - PLA) để chế tạo cấu trúc nano plasmonic kim loại quý và tích hợp thành đế cảm biến SERS nhằm phân tích dư lượng kháng sinh trong thực phẩm thủy hải sản chưa được nghiên cứu hệ thống. Luận án tiến sĩ vật lí học của tác giả Trần Trọng Đức với đề tài "Nghiên cứu hiệu ứng tăng cường huỳnh quang và tán xạ Raman nhờ cấu trúc nano Ag, Au" được thực hiện tại Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật và thực nghiệm này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Chế tạo một số cấu trúc nano kim loại bằng kỹ thuật laser có khả năng ứng dụng cho hiệu ứng huỳnh quang tăng cường (MEF) và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS).
  2. Đánh giá hiệu ứng MEF và SERS của một số vật liệu nhờ các cấu trúc nano kim loại chế tạo bằng kỹ thuật laser.
  3. Ứng dụng phương pháp quang phổ SERS xác định dư lượng kháng sinh trong thực phẩm.

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

  1. Nghiên cứu chế tạo các hạt nano kim loại bằng kỹ thuật laser có khả năng ứng dụng cho hiệu ứng MEF và SERS.
  2. Nghiên cứu đánh giá hiệu ứng huỳnh quang tăng cường MEF của một số vật liệu phát quang nhờ hạt nano kim loại chế tạo bằng kỹ thuật laser.
  3. Nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano kim loại (đế SERS) bằng kỹ thuật laser có hệ số tăng cường SERS cao.
  4. Nghiên cứu sử dụng cấu trúc nano chế tạo được và phương pháp quang phổ SERS để phân tích xác định dư lượng kháng sinh trong thực phẩm.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các hạt nano đơn kim loại Au, Ag, hạt nano hợp kim Au-Ag trong các môi trường chất lỏng (nước cất, ethanol, dung dịch polymer Polyvinyl pyrrolidone - PVP); các cấu trúc nano kim loại Au, Ag trên đế đồng (aCu) và đế silic (aSi) được xử lý bằng kỹ thuật bào mòn laser; các chất phát quang hữu cơ và vô cơ gồm Rhodamine B (RhB), kẽm oxit (ZnO), kẽm sulfide pha tạp mangan ($ZnS:Mn^{2+}$); chất thử Raman chuẩn Malachite Green (MG) và chất kháng sinh Tetracycline (TC) trong dung dịch chuẩn cũng như trong nền mẫu tôm thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các quy trình thực nghiệm quang học, chế tạo vật liệu bằng laser xung nano giây, khảo sát đặc trưng cấu trúc - hình thái, đo đạc phổ phát quang và phổ Raman tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, hoàn thành và bảo vệ năm 2023.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Hiệu ứng huỳnh quang tăng cường nhờ kim loại (MEF) được ghi nhận từ những năm 1970 qua các công trình nền tảng của Drexhage (1974), Kuhn (1970), sau đó được phát triển bởi Lakowicz (2001, 2002), Geddes cùng các cộng sự (2005, 2010, 2012). Các nghiên cứu này chỉ ra rằng sự tương tác lưỡng cực giữa tâm phát quang và trường điện từ plasmon cục bộ có thể làm tăng cường độ phát quang hoặc gây dập tắt quang học tùy thuộc vào khoảng cách (thường tối ưu ở khoảng 10-20 nm) và mức độ chồng chập phổ giữa dải hấp thụ plasmon với dải kích thích/phát xạ của chất phát quang. Tiếp đó, các cấu trúc nano lõi - vỏ như $Ag@SiO_2$ (Deng và cộng sự, 2013), $Au@SiO_2$ pha tạp $Ag_2S$ (Cheng và cộng sự, 2015), hay mảng cấu trúc nhám ngẫu nhiên định hướng nhiệt (Sharma và cộng sự, 2014) đã được ứng dụng trong cảm biến sinh học và nhận diện các tác nhân vi sinh như vi khuẩn E. coli O157 (Huang và cộng sự, 2011), độc tố nấm Aflatoxin M1 (AFM1) hay virus.

Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được phát hiện bởi Fleischmann, Hendra và McQuillan (1974) trên điện cực bạc nhám, sau đó được giải thích qua cơ chế tăng cường trường điện từ (Electromagnetic Mechanism - EM) bởi Jeanmaire, Van Duyne (1977) và Albrecht, Creighton (1977), kết hợp cơ chế chuyển dịch điện tích hóa học (Chemical Mechanism - CM). Sự phát triển của các dạng cấu trúc nano plasmonic cho SERS đã mở rộng từ cấu trúc hạt keo citrate (Aroca, 2005), hạt nano hình sao (Dinh, 2008), thanh nano (Chaney, 2005; El-Sayed, 2006) đến kỹ thuật bọc hạt nano vỏ mỏng SHINERS (Li, Tian, 2010) và các mảng nano tuần hoàn chế tạo bằng kỹ thuật quang khắc hoặc lắng đọng lớp nguyên tử (ALD).

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu về MEF và SERS đã được triển khai tại các viện nghiên cứu và trường đại học:

  • Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Quang Liêm (Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam) khảo sát anten plasmon kết hợp nano tinh thể phát quang và chế tạo đế SERS trên cơ sở hạt nano bạc phun lên bề mặt silic xốp, đĩa nano vàng trên khuôn oxit nhôm anot hóa (AAO).
  • Nhóm Đào Trần Cao (Viện Khoa học Vật liệu) chế tạo cấu trúc nano bạc dạng hoa và lá hình kim bằng phương pháp lắng đọng hóa học và điện hóa làm đế SERS phát hiện thuốc trừ sâu paraquat, pyridaben, melamine, difenoconazole.
  • Nhóm Đỗ Quang Hòa và Trần Hồng Nhung (Viện Vật lý) nghiên cứu vật liệu phát quang nano định hướng đánh dấu sinh học và đế SERS trên nền giấy.
  • Nhóm Lê Văn Vũ (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) nghiên cứu ảnh hưởng plasmon của hạt Au, Ag lên vật liệu kẽm stannate ($Zn_2SnO_4$), opal $SiO_2$ và cấu trúc tuần hoàn.
  • Các nghiên cứu của Chu Việt Hà (Trường ĐH Sư phạm Thái Nguyên) và Nguyễn Minh Hoa (Trường ĐH Khoa học, ĐH Huế) về ảnh hưởng của hạt nano vàng lên huỳnh quang và truyền năng lượng cộng hưởng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc thiếu hụt các quy trình chế tạo cấu trúc nano plasmonic kim loại quý (Au, Ag, hợp kim Au-Ag) bằng phương pháp vật lý sạch PLA có khả năng kiểm soát kích thước, tạo đỉnh hấp thụ LSPR điều chỉnh được và việc kết hợp trực tiếp các hạt nano này lên các bề mặt đế kim loại (đồng) hoặc bán dẫn (silic) đã được vi cấu trúc hóa bằng laser để tạo ra đế SERS có độ nhạy cao ($EF \ge 10^6 - 10^7$). Đồng thời, việc ứng dụng đế SERS này kết hợp phổ kế Raman xách tay để xây dựng quy trình phân tích định lượng trực tiếp kháng sinh Tetracycline trong nền mẫu thực phẩm thủy hải sản (tôm) tại Việt Nam vẫn chưa được công bố.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện động lực học cổ điển và quang học lượng tử về dao động plasmon:

  • Lý thuyết Plasmon bề mặt định xứ (LSPR): Sự phân cực tập thể của các electron dẫn trong hạt nano kim loại quý dưới tác dụng của điện trường ánh sáng tới, tạo ra dải hấp thụ/tán xạ cộng hưởng phụ thuộc vào hàm điện môi phức của kim loại, chiết suất môi trường xung quanh, hình dạng và kích thước hạt (mô hình Mie và mô hình Gans).
  • Cơ chế hiệu ứng MEF: Tương tác trao đổi năng lượng giữa chất phát quang (donor) và hạt nano kim loại (acceptor) thông qua cơ chế truyền năng lượng bề mặt (SET) và lý thuyết Förster. Cường độ phát quang tổng cộng $I_T$ được biểu diễn qua phương trình: $$I_T = I_F + I_P = a A Q_m (1 - E) + a A Q_s$$ Trong đó $Q_m$ là hiệu suất lượng tử của chất phát quang, $Q_s$ là hiệu suất lượng tử tán xạ plasmon, $A$ là hệ số hấp thụ, $a$ là hằng số thiết bị, và $E$ là hiệu suất truyền năng lượng kích thích các plasmon phát xạ: $$E = \frac{k_T}{\Gamma + \Gamma_{nr} + k_T}$$ Với $\Gamma$ và $\Gamma_{nr}$ lần lượt là tốc độ hồi phục bức xạ và không bức xạ của chất phát quang khi không có kim loại; $k_T$ là tốc độ truyền năng lượng từ chất phát quang sang kim loại.
  • Cơ chế hiệu ứng SERS: Tín hiệu tán xạ Raman được khuếch đại chủ yếu nhờ cơ chế trường điện từ cục bộ ($E_{loc}$) tại các "điểm nóng" (hot spots) với cường độ tỉ lệ xấp xỉ bậc 4 của trường điện từ ($|E/E_0|^4$), kết hợp với cơ chế truyền điện tích hóa học giữa phân tử hấp phụ và bề mặt kim loại. Hệ số tăng cường ($EF$) được xác định thông qua so sánh cường độ tín hiệu SERS và tín hiệu Raman thông thường theo nồng độ và thể tích tương ứng.

Hệ thống phương pháp và thiết bị thực nghiệm được sử dụng trong luận án bao gồm:

Nhóm phương pháp / Kỹ thuật Thiết bị thực hiện Mục đích sử dụng trong luận án
Chế tạo nano bằng laser (PLA) Hệ laser xung rắn (Nd:YAG/He-Cd) tích hợp bộ điều khiển Bào mòn bia kim loại Au, Ag, Cu, Si trong môi trường chất lỏng và tạo cấu trúc bề mặt
Quang phổ hấp thụ UV-Vis Máy quang phổ UV-2450 PC (Shimadzu) Xác định đỉnh cộng hưởng plasmon LSPR và khảo sát phổ hấp thụ của keo nano, dung dịch màu
Kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM-1010 (TEM, HR-TEM) Quan sát hình thái học, cấu trúc tinh thể và đo phân bố kích thước hạt nano Au, Ag, Au-Ag
Kính hiển vi điện tử quét FESEM NANOSEM450 tích hợp đầu dò EDS Đánh giá hình thái bề mặt cấu trúc vi mô, nano của đế đồng (aCu) và đế silic (aSi)
Nhiễu xạ tia X (XRD) Máy nhiễu xạ tia X D5005 Phân tích cấu trúc pha tinh thể của hạt nano kim loại và vật liệu bán dẫn
Quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS-3300 Định lượng nồng độ kim loại trong dung dịch keo sau chế tạo
Quang phổ huỳnh quang (MEF) Máy đơn sắc Acton Sp-2500i / Princeton, laser He-Cd (325 nm, 442 nm) Khảo sát phổ phát quang và sự tăng cường/dập tắt huỳnh quang của RhB, ZnO, ZnS:Mn
Quang phổ Raman / SERS Quang phổ kế xách tay $\mu$Raman-Ci (Technospex), bước sóng kích thích 785 nm Thu phổ SERS của Malachite Green và Tetracycline; đánh giá độ đồng đều và độ lặp lại của đế cảm biến
Xử lý số liệu và mô phỏng MATLAB (thuật toán airPLS, giao diện GUI RamanSpec) Khử đường nền huỳnh quang tự động, tính diện tích đỉnh phổ và xây dựng đường chuẩn định lượng

Nguồn dữ liệu và mẫu phân tích bao gồm các hệ keo nano chế tạo trực tiếp tại phòng thí nghiệm, các mẫu phát quang chuẩn phòng thí nghiệm, mẫu kháng sinh Tetracycline pha chuẩn trong dung môi hữu cơ và các mẫu tôm thực phẩm được xử lý tách chiết thực tế, đối chứng song song với hệ thống sắc ký lỏng siêu hiệu năng ghép khối phổ hai lần (UHPLC-MS/MS).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hiệu ứng huỳnh quang tăng cường và tán xạ Raman tăng cường bề mặt nhờ cấu trúc nano kim loại

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về plasmon khối, plasmon bề mặt (SP) và plasmon bề mặt định xứ (LSP). Tác giả trình bày kết quả mô phỏng trường điện từ bằng phần mềm MATLAB trên các cấu trúc nano vàng (Au) có hình dạng khác nhau (hạt cầu đường kính 50 nm có $\lambda_{exc} = 525\text{ nm}$; hộp vuông kích thước 50 nm có $\lambda_{exc} = 570\text{ nm}$; thanh nano chiều dài 50 nm có $\lambda_{exc} = 890\text{ nm}$; tam giác cạnh 50 nm có $\lambda_{exc} = 825\text{ nm}$ theo mô hình của J. Waxenegger).

Chương này phân tích chi tiết cơ chế cạnh tranh giữa bức xạ tán xạ plasmon (gây tăng cường huỳnh quang) và quá trình hấp thụ tiêu tán năng lượng (gây dập tắt huỳnh quang) theo lý thuyết Förster và truyền năng lượng bề mặt (SET). Tác giả tổng hợp các cấu trúc nano plasmonic phục vụ MEF và SERS gồm hạt đơn lẻ lõi-vỏ ($Core@Shell$), thanh nano đa mode, mảng nano tuần hoàn, cấu trúc "ăng-ten trong khung" (antenna-in-box), và các mảng nhám ngẫu nhiên định hướng nhiệt. Đồng thời, chương 1 điểm luận các ứng dụng thực tế của MEF và SERS trong nhận diện dấu ấn ung thư (kháng nguyên PSA), phát hiện vi khuẩn, virus y sinh, và định hướng phát hiện dư lượng hóa chất trong thực phẩm.

Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm và thiết bị nghiên cứu

Chương 2 trình bày nguyên lý và sơ đồ hệ thực nghiệm chế tạo hạt nano kim loại bằng kỹ thuật bào mòn laser xung trong pha lỏng (PLA). Quy trình làm sạch bề mặt bia kim loại, cấu hình chùm tia laser, các thông số năng lượng xung, tần số lặp lại và môi trường phân tán (nước cất hai lần, cồn tuyệt đối ethanol, dung dịch polymer PVP 0,02 M) được mô tả chi tiết.

Tác giả trình bày các hệ thiết bị đo đạc đặc trưng: kính hiển vi TEM JEM-1010, HR-TEM, SEM NANOSEM450, phổ hấp thụ quang học UV-Vis Shimadzu UV-2450, nhiễu xạ tia X D5005, phổ hấp thụ nguyên tử AAS-3300. Hệ đo quang phổ phát quang sử dụng nguồn laser kích thích He-Cd phát xạ ở bước sóng 325 nm và 442 nm kết hợp máy đơn sắc Acton Sp-2500i. Hệ đo tán xạ Raman tăng cường bề mặt sử dụng thiết bị quang phổ kế xách tay $\mu$Raman-Ci (Technospex) tích hợp laser bán dẫn bước sóng 785 nm. Chương này cũng trình bày các hóa chất sử dụng (PVP, RhB, ZnO, bột tinh thể ZnS:Mn, Malachite Green, Tetracycline) cùng mã nguồn thuật toán xử lý dữ liệu tự động nền MATLAB sử dụng giải thuật bình phương tối thiểu thích nghi lặp (airPLS) để tách đường nền và định lượng diện tích pic phổ Raman.

Chương 3. Nghiên cứu hiệu ứng huỳnh quang tăng cường trên một số vật liệu phát quang nhờ cấu trúc nano kim loại chế tạo bằng kỹ thuật laser

Chương 3 tập trung vào thực nghiệm chế tạo hệ hạt keo nano kim loại và đánh giá hiệu ứng MEF trên 3 hệ vật liệu phát quang:

  1. Kết quả chế tạo hạt nano bằng kỹ thuật PLA:

    • Hạt nano Au và Ag trong nước cất: Au có kích thước trung bình 17 nm (công suất laser trung bình 500 mW, 15 phút); Ag có kích thước trung bình 27 nm (công suất 450 mW, 15 phút).
    • Hạt nano Au và Ag trong ethanol: Au có kích thước trung bình 13 nm; Ag có kích thước trung bình 31 nm (công suất 450 mW, 15 phút).
    • Hạt nano Au và Ag trong dung dịch PVP (0,02 M): Au có kích thước 13 nm (500 mW, 15 phút); Ag có kích thước 34 nm (500 mW, 7 phút).
    • Hạt nano hợp kim Au-Ag trong dung dịch PVP: tạo thành cấu trúc lưỡng kim đồng nhất có kích thước hạt trung bình 4 nm. Đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon LSPR dịch chuyển liên tục từ 420 nm đến 520 nm khi thay đổi tỷ lệ mol ban đầu của Au/Ag (từ 2/3 đến 3/2) dưới tác động chiếu xạ laser xung.

  2. Nghiên cứu hiệu ứng MEF trên các vật liệu phát quang:

    • Phẩm nhuộm Rhodamine B (RhB): Khi phối trộn với keo hạt nano Ag ở các nồng độ khác nhau (chuỗi mẫu M1-M6), cường độ phát quang cực đại tại dải 575 nm có sự phụ thuộc phi tuyến vào nồng độ hạt Ag. Khi kích thích bằng laser He-Cd bước sóng 325 nm và 442 nm, sự tăng cường huỳnh quang đạt giá trị tối ưu ở nồng độ hạt nano bạc thích hợp do sự tương thích giữa dải hấp thụ plasmon của Ag và phổ kích thích của RhB; vượt quá ngưỡng nồng độ tối ưu, hiệu ứng dập tắt huỳnh quang chiếm ưu thế do quá trình truyền năng lượng không bức xạ.
    • Vật liệu nano bán dẫn ZnO: Khảo sát các mẫu ZnO phối trộn keo hạt Ag (chuỗi mẫu M1'-M6') dưới bước sóng kích thích 325 nm. Tác giả ghi nhận sự gia tăng cường độ phát quang ở dải vùng tử ngoại - khả kiến khi nồng độ hạt Ag nằm trong khoảng tối ưu.
    • Vật liệu bán dẫn pha tạp $ZnS:Mn^{2+}$ ($C_{Mn} = 8\text{ mol}%$): Khảo sát chuyển dời bức xạ đặc trưng của ion $Mn^{2+}$ từ trạng thái kích thích $^4T_1(^4G)$ về trạng thái cơ bản $^6A_1(^6S)$ ở bước sóng 601 nm và dải phát xạ sai hỏng mạng nền tại 445 nm. Sự có mặt của hạt keo Au và Ag chế tạo bằng laser làm biến đổi rõ rệt cường độ phát quang thông qua cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng giữa vùng dẫn của ZnS, các mức năng lượng của ion tạp $Mn^{2+}$ và mode plasmon của hạt kim loại quý.

Chương 4. Nghiên cứu hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt của kháng sinh Tetracycline và định hướng ứng dụng

Chương 4 tập trung vào việc chế tạo đế cảm biến SERS hiệu năng cao và xây dựng quy trình phân tích kháng sinh Tetracycline trong thực phẩm:

  1. Chế tạo đế cảm biến SERS bằng kỹ thuật laser:

    • Đế kim loại đồng cấu trúc nano (AuNP/aCu và AgNP/aCu): Sử dụng laser bào mòn bề mặt tấm đồng tạo lớp vi cấu trúc nhám (aCu), sau đó phủ các hạt nano Au hoặc Ag. Thử nghiệm với chất chuẩn phân tích Malachite Green (MG) từ 10 ppm xuống 0,01 ppm cho thấy hệ số tăng cường SERS đạt $EF = 1,2 \times 10^6$ đối với đế AuNP/aCu và $EF = 6 \times 10^6$ đối với đế AgNP/aCu.
    • Đế silic cấu trúc nano phủ hạt bạc (AgNP/aSi): Bề mặt phiến silic được vi cấu trúc hóa bằng laser xung tạo nền nhám (aSi), sau đó phủ hạt nano Ag. Đế AgNP/aSi đạt hệ số tăng cường $EF = 10^7$, độ lệch chuẩn tuyệt đối (SD) và độ lệch chuẩn tương đối (RSD) giữa các vị trí đo khác nhau trên cùng một cảm biến ở mức thấp, thể hiện độ đồng nhất và độ lặp lại cao của tín hiệu SERS.

  2. Xác định phổ SERS và quy gán dao động phân tử của Tetracycline: Phổ SERS của Tetracycline (TC) thu nhận trên đế AgNP/aSi và AgNP/aCu trong dung môi methanol ghi nhận các vạch dịch chuyển Raman đặc trưng. Tác giả tiến hành quy gán chi tiết các mode dao động liên kết: biến dạng vòng thơm, dao động kéo dãn $C-C$, $C=O$, dao động của nhóm amide và các nhóm chức amin trên khung phân tử Tetracycline.

  3. Quy trình phân tích dư lượng Tetracycline trong mẫu tôm thực tế:

    • Xây dựng quy trình tách chiết mẫu thịt tôm bằng dung môi thích hợp, ly tâm loại bỏ protein và chất béo nền để thu dịch chiết chứa TC.
    • Thu phổ SERS của dịch chiết tôm chứa TC ở các nồng độ pha chế: 0,1 ppm; 0,5 ppm; 1 ppm; 5 ppm và 10 ppm.
    • Xây dựng đường cong hiệu chuẩn biểu diễn mối tương quan giữa cường độ pic Raman đặc trưng (vị trí $1320\text{ cm}^{-1}$) theo nồng độ thực tế và theo hàm $\ln(\text{nồng độ})$.
    • Phát triển phần mềm tích hợp giao diện GUI trên MATLAB (RamanSpec_Main.m, RPlot.m, Calconcen.m) tự động nạp dữ liệu thô, trừ nền bằng thuật toán airPLS, trích xuất cường độ pic tại $1320\text{ cm}^{-1}$ và tự động tính toán nồng độ ppm của mẫu kiểm tra.

  4. Đối chứng thực nghiệm phương pháp SERS với phương pháp tiêu chuẩn UHPLC-MS/MS: Đánh giá độ chính xác của cảm biến SERS AgNP/aSi trên 4 mẫu tôm thử nghiệm mù (ký hiệu A, B, C, D) thông qua so sánh song song với phương pháp sắc ký lỏng siêu hiệu năng ghép khối phổ hai lần (UHPLC-MS/MS):

Ký hiệu mẫu Nồng độ pha chế (ppm) Kết quả đo bằng SERS (ppm) Kết quả đo bằng UHPLC-MS/MS (ppm) Độ lệch tuyệt đối giữa 2 phương pháp (ppm)
Mẫu A 5,0 5,204 5,310 0,106
Mẫu B 1,5 1,594 1,665 0,071
Mẫu C 0,4 0,436 0,465 0,029
Mẫu D 0,1 0,132 0,155 0,023

Kết quả đối chứng cho thấy phương pháp SERS sử dụng cảm biến AgNP/aSi và thiết bị quang phổ kế xách tay đạt giới hạn phát hiện 0,1 ppm (tương đương 100 ppb), đáp ứng yêu cầu kiểm soát dư lượng kháng sinh Tetracycline theo ngưỡng giới hạn tối đa cho phép quy định tại Thông tư số 31/2015/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Kết quả và những đóng góp mới

  1. Đóng góp về phương pháp chế tạo vật liệu plasmonic:

    • Hoàn thiện quy trình chế tạo các dung dịch keo hạt nano kim loại quý đơn kim (Au, Ag) và hợp kim lưỡng kim (Au-Ag) sạch, không chứa tạp chất hóa học hữu cơ trong các dung môi nước cất, ethanol và PVP bằng kỹ thuật bào mòn laser xung (PLA).
    • Kiểm soát được kích thước hạt nano hợp kim Au-Ag ở mức trung bình 4 nm và điều chỉnh liên tục vị trí đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon LSPR trong vùng bước sóng từ 420 nm đến 520 nm thông qua tỷ lệ thành phần và thông số chiếu xạ laser.

  2. Đóng góp về lý nghiệm quang phổ phát quang MEF:

    • Làm sáng tỏ thực nghiệm về cơ chế tăng cường và dập tắt huỳnh quang của các chất màu hữu cơ (Rhodamine B) và các vật liệu bán dẫn vô cơ ($ZnO$, $ZnS:Mn^{2+}$) khi tương tác với trường điện từ plasmon của hạt nano Au và Ag chế tạo bằng laser.
    • Xác định được điều kiện nồng độ keo nano tối ưu và sự phụ thuộc của hiệu ứng MEF vào sự chồng chập giữa dải kích thích quang học của vật liệu và dải cộng hưởng plasmon của kim loại.

  3. Đóng góp về chế tạo đế cảm biến SERS:

    • Đề xuất và xây dựng thành công quy trình công nghệ tạo đế cảm biến SERS hai thành phần kết hợp giữa bề mặt kim loại đồng hoặc phiến silic vi cấu trúc bằng laser với lớp phủ hạt nano plasmonic (AuNP/aCu, AgNP/aCu, AgNP/aSi).
    • Đạt được hệ số tăng cường tán xạ Raman cao ($EF = 1,2 \times 10^6$ đối với AuNP/aCu; $EF = 6 \times 10^6$ đối với AgNP/aCu và $EF = 10^7$ đối với AgNP/aSi) với độ đồng đều và độ lặp lại tín hiệu tốt.

  4. Đóng góp về ứng dụng thực tiễn:

    • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình phân tích định lượng dư lượng kháng sinh Tetracycline trong mẫu tôm bằng phương pháp quang phổ SERS kết hợp thiết bị đo quang phổ kế Raman xách tay $\mu$Raman-Ci.
    • Xây dựng gói phần mềm chuyên dụng trên nền tảng MATLAB tích hợp thuật toán xử lý tín hiệu tự động airPLS, giúp tự động hóa quy trình phân tích từ phổ thô ra nồng độ dư lượng với giới hạn phát hiện đạt 0,1 ppm.
    • Kết quả nghiên cứu của luận án đã được Cục Sở hữu Trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ cho 02 giải pháp hữu ích / sáng chế:
      • Đơn Giải pháp hữu ích số 2-2021-00251: "Quy trình phân tích xác định dư lượng té-tra-xi-clin trong tôm bằng phương pháp quang phổ SERS" (Quyết định số 16629w/QĐ-SHTT ngày 20/10/2021).
      • Đơn Sáng chế số 1-2019-03103: "Quy trình chế tạo cảm biến Raman sử dụng bề mặt kim loại đồng cấu trúc nano và hạt nano vàng bằng kỹ thuật ăn mòn laser" (Quyết định số 55712/QĐ-SHTT ngày 10/7/2019).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày, luận án ghi nhận một số điểm cần tiếp tục mở rộng:

  • Độ nhạy của phương pháp quang phổ SERS trên thiết bị xách tay ở mức 0,1 ppm (100 ppb), mặc dù đã đáp ứng tiêu chuẩn kiểm định thực phẩm hiện hành theo Thông tư 31/2015/TT-BNNPTNT, nhưng mức giới hạn phát hiện tuyệt đối vẫn chưa đạt đến mức siêu vết cỡ phần tỷ (ppb thấp) như các hệ thống sắc ký khối phổ phân giải cao phòng thí nghiệm (UHPLC-MS/MS).
  • Phạm vi đối tượng thực phẩm thực tế mới tập trung kiểm chứng trên nền mẫu tôm đối với một nhóm kháng sinh Tetracycline; chưa mở rộng khảo sát trên các nền mẫu thực phẩm phức tạp khác hoặc các hỗn hợp đa dư lượng kháng sinh đồng thời.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được luận án đề xuất bao gồm:

  1. Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện quy trình chế tạo các cấu trúc nano kim loại bằng kỹ thuật laser phục vụ các ứng dụng trong quang phổ SERS và MEF, phát triển cảm biến SERS có hệ số tăng cường cao hơn, độ lặp lại tốt, trong đó khai thác sâu các cấu trúc nano lưỡng kim Au-Ag có các bước sóng hấp thụ plasmon tùy biến.
  2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng phương pháp quang phổ SERS và MEF trên các đối tượng phân tích khác như các nhóm chất kháng sinh khác, các chất bảo vệ thực vật tồn dư trong nông sản và thực phẩm nhằm phục vụ công tác kiểm định an toàn vệ sinh thực phẩm.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm và tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu ngành Quang học, Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Hóa phân tích: Tham khảo quy trình kỹ thuật chế tạo hạt nano plasmonic đơn kim và hợp kim bằng kỹ thuật laser xung trong chất lỏng (PLA); các thông số cấu trúc vi mô, phổ hấp thụ plasmon và cơ chế tương tác trường điện từ trong hiệu ứng MEF và SERS.
  • Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị cảm biến quang học: Tham khảo thiết kế và quy trình công nghệ chế tạo đế SERS trên nền đồng vi cấu trúc (aCu) và silic vi cấu trúc (aSi) kết hợp hạt nano kim loại quý với hệ số tăng cường đạt $10^6 - 10^7$; tham khảo mã nguồn xử lý phổ và thuật toán trừ nền airPLS trên MATLAB phục vụ tích hợp phần mềm cho các máy đo Raman cầm tay.
  • Cơ quan quản lý an toàn thực phẩm, phòng kiểm nghiệm nông lâm thủy sản: Tham khảo quy trình tách chiết mẫu nhanh và phương pháp kiểm tra sàng lọc dư lượng kháng sinh tại hiện trường bằng phổ kế Raman xách tay, hỗ trợ bổ sung công cụ phân tích bên cạnh phương pháp sắc ký chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật bào mòn laser trong chất lỏng (PLA) mang lại ưu thế gì trong việc chế tạo hạt nano plasmonic phục vụ MEF và SERS so với phương pháp hóa học?
Kỹ thuật PLA sử dụng năng lượng chùm laser xung tác động trực tiếp lên bia kim loại nguyên chất chìm trong chất lỏng, tạo ra hạt nano có độ tinh khiết cao, không chứa các hóa chất khử hay tiền chất hoạt động bề mặt dư thừa. Điều này giúp bề mặt hạt nano kim loại sạch, tránh hiện tượng nhiễu phổ nền và tương thích tốt với các phép đo quang phổ độ nhạy cao như MEF và SERS.

2. Hạt nano hợp kim Au-Ag chế tạo bằng laser trong dung dịch PVP có đặc trưng cấu trúc và quang học như thế nào?
Các hạt nano hợp kim Au-Ag chế tạo bằng laser trong dung dịch PVP có kích thước trung bình 4 nm với cấu trúc tinh thể đồng nhất. Đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của hạt hợp kim có thể điều chỉnh liên tục trong khoảng bước sóng từ 420 nm đến 520 nm bằng cách thay đổi tỷ lệ nồng độ mol giữa Au và Ag trước khi chiếu xạ laser.

3. Các loại đế cảm biến SERS được chế tạo trong luận án đạt hệ số tăng cường ($EF$) là bao nhiêu?
Luận án đã chế tạo thành công ba cấu trúc đế cảm biến SERS chính:

  • Đế hạt nano vàng trên nền đồng vi cấu trúc laser (AuNP/aCu): đạt hệ số tăng cường $EF = 1,2 \times 10^6$.
  • Đế hạt nano bạc trên nền đồng vi cấu trúc laser (AgNP/aCu): đạt hệ số tăng cường $EF = 6 \times 10^6$.
  • Đế hạt nano bạc trên nền silic vi cấu trúc laser (AgNP/aSi): đạt hệ số tăng cường $EF = 10^7$.

4. Giới hạn phát hiện dư lượng kháng sinh Tetracycline trong mẫu tôm bằng phương pháp SERS của luận án là bao nhiêu và có đáp ứng tiêu chuẩn kiểm định không?
Giới hạn phát hiện Tetracycline trong mẫu tôm thực tế đạt mức 0,1 ppm (tương đương 100 ppb). Mức nồng độ này nằm trong ngưỡng quy định cho phép về dư lượng tối đa của kháng sinh nhóm Tetracycline theo Thông tư số 31/2015/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

5. Kết quả phân tích định lượng bằng phương pháp SERS được đối chứng với phương pháp nào và sai số ra sao?
Kết quả phân tích SERS được đối chứng trực tiếp với phương pháp sắc ký lỏng siêu hiệu năng ghép khối phổ hai lần (UHPLC-MS/MS) trên 4 mẫu tôm nồng độ từ 0,1 ppm đến 5,0 ppm. Kết quả cho thấy độ lệch tuyệt đối giữa hai phương pháp chỉ dao động trong khoảng từ 0,023 ppm đến 0,106 ppm, khẳng định độ tin cậy của cảm biến và quy trình phân tích SERS.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Trọng Đức đã nghiên cứu hệ thống quy trình chế tạo cấu trúc nano plasmonic kim loại quý Au, Ag và hợp kim Au-Ag bằng kỹ thuật bào mòn laser trong chất lỏng (PLA), làm sáng tỏ các cơ chế tăng cường và dập tắt huỳnh quang (MEF) trên các vật liệu RhB, ZnO, ZnS:Mn. Công trình đã chế tạo thành công các hệ đế cảm biến SERS trên nền đồng và silic vi cấu trúc có hệ số tăng cường đạt từ $1,2 \times 10^6$ đến $10^7$. Luận án đã ứng dụng thành công đế cảm biến AgNP/aSi kết hợp thiết bị quang phổ Raman xách tay và phần mềm chuyên dụng để xây dựng quy trình phân tích dư lượng kháng sinh Tetracycline trong tôm đạt ngưỡng phát hiện 0,1 ppm, được xác thực độ chính xác qua đối chứng với phương pháp UHPLC-MS/MS và được bảo hộ qua 02 đơn đăng ký sở hữu trí tuệ hợp lệ.