Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, các chất màu hữu cơ như Methyl đỏ (MR) và Xanh Methylen (MB) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thuộc da, may mặc, thực phẩm, và bảo vệ thực vật. Tuy nhiên, việc sử dụng bừa bãi các chất này đã gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Tại Việt Nam, các phương pháp truyền thống như sắc ký lỏng và sắc ký khí được áp dụng để phát hiện các chất này với độ nhạy và chính xác cao, nhưng lại tốn nhiều thời gian và chi phí. Do đó, việc nghiên cứu phát triển các cảm biến có khả năng phát hiện nhanh, nhạy và đồng thời nhiều chất hữu cơ độc hại là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cảm biến nano bạc tích hợp với sắc ký lớp mỏng (TLC) nhằm phát hiện đồng thời Methyl đỏ và Xanh Methylen ở nồng độ vết. Phạm vi nghiên cứu bao gồm cấu trúc, thành phần và tính chất quang của các cảm biến TLC-Ag, cũng như thử nghiệm phát hiện đồng thời hai chất màu này. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây tại Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

Việc ứng dụng kỹ thuật tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) kết hợp với TLC hứa hẹn mang lại phương pháp phát hiện nhanh, nhạy, chi phí thấp và có thể áp dụng tại hiện trường. Đây là bước tiến quan trọng trong việc giám sát ô nhiễm môi trường và đảm bảo an toàn thực phẩm, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để giải thích tính chất quang của các hạt nano bạc:

  1. Lý thuyết Mie: Giải thích sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt nano bạc dạng cầu. Khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (2R << λ), dao động điện tử được xem là lưỡng cực, tạo ra phổ hấp thụ plasmon bề mặt với một đỉnh duy nhất. Kích thước hạt ảnh hưởng đến vị trí và độ rộng của đỉnh phổ hấp thụ, với đỉnh phổ dịch chuyển về phía sóng dài khi kích thước tăng.

  2. Lý thuyết Gans: Mở rộng lý thuyết Mie cho các hạt nano bạc có hình dạng bất đối xứng như nanorod hoặc nanodecahedra. Hình dạng bất đối xứng dẫn đến sự phân tách cộng hưởng plasmon thành hai dải: plasmon dọc (dịch đỏ) và plasmon ngang. Tỷ lệ giữa các trục của hạt nano ảnh hưởng đến vị trí và cường độ của các dải plasmon này.

Ngoài ra, luận văn ứng dụng nguyên lý tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) để tăng cường tín hiệu Raman của các phân tử mục tiêu. Cơ chế tăng cường bao gồm:

  • Tăng cường điện từ (EM): Do cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của các hạt nano bạc tạo ra các điểm nóng (hot spots) với điện trường mạnh, làm tăng cường tín hiệu Raman lên đến 10^8 - 10^12 lần.
  • Tăng cường hóa học (CM): Do sự truyền điện tích giữa đế kim loại và phân tử phân tích, tăng cường tín hiệu khoảng 10^3 - 10^5 lần.

Kỹ thuật sắc ký lớp mỏng (TLC) được tích hợp với SERS để tách riêng các thành phần trong hỗn hợp trước khi phát hiện, giúp phân tích đồng thời nhiều chất hữu cơ trong mẫu phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

  • Chế tạo nano bạc dạng cầu (AgNPs) bằng phương pháp hóa khử sử dụng NaBH4 làm tác nhân khử trong điều kiện nhiệt độ khoảng 4°C.
  • Phát triển nano bạc dạng hợp diện (AgNDs) từ các mầm AgNPs bằng phương pháp quang hóa dưới chiếu sáng LED xanh dương với các thời gian chiếu khác nhau (15-70 phút).
  • Tích hợp nano bạc lên tấm TLC để tạo cảm biến TLC-Ag.
  • Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của các nano bạc bằng các kỹ thuật: kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hấp thụ UV-Vis, phổ tán xạ Raman, phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng (EDX).
  • Khảo sát hệ dung môi phù hợp để tách riêng Methyl đỏ và Xanh Methylen bằng TLC, xác định hệ số lưu giữ (Rf) và độ phân giải (Rs).
  • Thử nghiệm phát hiện đồng thời Methyl đỏ và Xanh Methylen bằng kỹ thuật TLC kết hợp SERS trên các đế nano bạc đã chế tạo.
  • Phân tích dữ liệu sử dụng các phần mềm xử lý phổ và thống kê để đánh giá hiệu quả tách và độ nhạy phát hiện.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm nhiều mẫu nano bạc với thời gian chiếu LED khác nhau, cùng các mẫu hỗn hợp chất màu với nồng độ từ 10^-9 M đến 10^-4 M để đánh giá giới hạn phát hiện và độ nhạy của cảm biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công nano bạc dạng cầu và hợp diện: Các hạt nano bạc dạng cầu (AgNPs) có kích thước trung bình khoảng vài nanomet được tạo ra bằng phương pháp hóa khử. Sau khi chiếu sáng LED xanh dương, các hạt nano phát triển thành dạng hợp diện (AgNDs) với hình thái đa diện rõ rệt, kích thước và hình dạng thay đổi theo thời gian chiếu. Ví dụ, mẫu AgNDs50 (chiếu 50 phút) cho thấy phổ hấp thụ UV-Vis dịch chuyển về phía sóng dài, chứng tỏ sự phát triển của các hạt nano lớn hơn và bất đối xứng.

  2. Khảo sát hệ dung môi tách MB và MR bằng TLC: Hệ dung môi Metanol và Chloroform với tỷ lệ phù hợp đã tách hiệu quả hai chất màu, với hệ số lưu giữ Rf của MB và MR đạt giá trị phân biệt rõ ràng, độ phân giải Rs > 1, đảm bảo tách biệt tốt trên tấm TLC.

  3. Phát hiện đồng thời MB và MR bằng TLC-SERS: Sử dụng đế nano bạc AgNDs50 tích hợp trên tấm TLC, phổ SERS thu được cho thấy các pic đặc trưng của MB và MR xuất hiện đồng thời khi đo hỗn hợp. Giới hạn phát hiện (LOD) của MB đạt khoảng 10^-8 M, MR đạt khoảng 10^-9 M, thể hiện độ nhạy cao của cảm biến.

  4. So sánh hiệu quả các đế nano bạc với thời gian chiếu khác nhau: Đế AgNDs50 cho tín hiệu SERS mạnh nhất so với các mẫu AgNDs15, AgNDs25, AgNDs40, AgNDs60 và AgNDs70, cho thấy thời gian chiếu 50 phút là tối ưu để tạo ra cấu trúc nano có hiệu suất tăng cường cao nhất.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng phương pháp quang hóa với chiếu sáng LED xanh dương là hiệu quả trong việc điều khiển hình dạng và kích thước của các hạt nano bạc, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang và hiệu suất SERS. Sự phát triển từ hạt nano cầu sang hợp diện làm tăng mật độ các điểm nóng plasmon, nâng cao hiệu quả tăng cường tín hiệu Raman.

Việc lựa chọn hệ dung môi phù hợp trong TLC là yếu tố then chốt để tách riêng hai chất màu MB và MR, giúp giảm thiểu sự chồng lấn tín hiệu trong phổ SERS. Kết quả phát hiện đồng thời hai chất này trên cùng một tấm TLC-AgNDs cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong phân tích nhanh các hỗn hợp phức tạp.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ phát hiện đơn chất, nghiên cứu này đã thành công trong việc phát hiện đồng thời hai chất hữu cơ độc hại với độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh và chi phí thấp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis, phổ SERS so sánh các mẫu nano bạc và bảng thống kê hệ số lưu giữ Rf, độ phân giải Rs của các hệ dung môi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo nano bạc: Khuyến nghị duy trì thời gian chiếu LED xanh dương khoảng 50 phút để tạo ra các hạt nano bạc hợp diện có hiệu suất SERS cao nhất, nhằm nâng cao độ nhạy và độ ổn định của cảm biến.

  2. Phát triển hệ dung môi sắc ký lớp mỏng: Đề xuất nghiên cứu thêm các hệ dung môi mới để cải thiện khả năng tách các chất hữu cơ phức tạp hơn, mở rộng phạm vi ứng dụng của cảm biến trong phát hiện đa thành phần.

  3. Ứng dụng TLC-SERS tại hiện trường: Khuyến khích phát triển thiết bị Raman xách tay tích hợp cảm biến nano bạc để thực hiện phân tích nhanh, trực tiếp tại hiện trường, giảm thiểu thời gian và chi phí vận chuyển mẫu.

  4. Nâng cao khả năng tái sử dụng cảm biến: Đề xuất nghiên cứu các phương pháp bảo vệ bề mặt nano bạc nhằm tăng tuổi thọ và khả năng tái sử dụng của tấm TLC-Ag, góp phần giảm chi phí vận hành.

  5. Mở rộng nghiên cứu phát hiện các chất hữu cơ khác: Khuyến nghị áp dụng phương pháp này để phát hiện các chất màu và hợp chất hữu cơ độc hại khác trong thực phẩm, môi trường nhằm tăng cường công tác giám sát an toàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học, Quang học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chế tạo và ứng dụng nano bạc trong cảm biến quang học, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia phân tích môi trường và an toàn thực phẩm: Phương pháp TLC-SERS được trình bày là công cụ hữu hiệu để phát hiện nhanh các chất ô nhiễm hữu cơ, hỗ trợ công tác giám sát và kiểm soát chất lượng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến và phân tích hóa học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển các sản phẩm cảm biến nano bạc có độ nhạy cao, chi phí thấp, phù hợp với thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và an toàn thực phẩm: Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra nhanh các chất độc hại trong thực phẩm và môi trường, nâng cao hiệu quả quản lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc có vai trò gì trong kỹ thuật SERS?
    Nano bạc tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (LSPR), sinh ra các điểm nóng điện trường mạnh giúp tăng cường tín hiệu Raman của phân tử mục tiêu lên đến 10^8 - 10^12 lần, nâng cao độ nhạy phát hiện.

  2. Tại sao cần kết hợp TLC với SERS trong phát hiện các chất hữu cơ?
    TLC giúp tách riêng các thành phần trong hỗn hợp dựa trên tính phân cực, giảm chồng lấn tín hiệu. Kết hợp với SERS cho phép phát hiện đồng thời nhiều chất với độ nhạy cao và thời gian phân tích nhanh.

  3. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến nano bạc đối với Methyl đỏ và Xanh Methylen là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy LOD của Xanh Methylen đạt khoảng 10^-8 M, Methyl đỏ đạt khoảng 10^-9 M, thể hiện khả năng phát hiện ở nồng độ rất thấp.

  4. Thời gian chiếu LED xanh dương ảnh hưởng thế nào đến tính chất nano bạc?
    Thời gian chiếu ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng hạt nano bạc. Thời gian chiếu khoảng 50 phút tạo ra nano bạc hợp diện với hiệu suất SERS cao nhất, trong khi thời gian quá ngắn hoặc quá dài làm giảm hiệu quả.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng để phát hiện các chất hữu cơ khác không?
    Có, phương pháp TLC-SERS với cảm biến nano bạc có thể mở rộng để phát hiện nhiều loại chất hữu cơ độc hại khác trong thực phẩm và môi trường, tùy thuộc vào việc tối ưu hóa hệ dung môi và cấu trúc nano bạc.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công các cảm biến nano bạc dạng hợp diện tích hợp trên tấm TLC, có khả năng phát hiện đồng thời Methyl đỏ và Xanh Methylen với độ nhạy cao.
  • Phương pháp TLC-SERS cho phép tách và phát hiện nhanh các chất hữu cơ trong hỗn hợp, giảm thiểu thời gian và chi phí so với các kỹ thuật truyền thống.
  • Thời gian chiếu LED xanh dương khoảng 50 phút là điều kiện tối ưu để tạo ra các hạt nano bạc có hiệu suất SERS cao nhất.
  • Hệ dung môi Metanol - Chloroform được xác định phù hợp để tách riêng hai chất màu trên tấm TLC với độ phân giải cao.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các cảm biến quang học chi phí thấp, ứng dụng rộng rãi trong giám sát ô nhiễm môi trường và an toàn thực phẩm.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm trên mẫu thực tế đa dạng hơn và phát triển thiết bị Raman xách tay tích hợp cảm biến nano bạc để ứng dụng tại hiện trường. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ này nhằm nâng cao hiệu quả giám sát và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.