Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các mảng hạt nano bạc trên đế silic chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THU HẢI

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG

BỀ MẶT CỦA CÁC MẢNG HẠT NANO BẠC TRÊN ĐẾ SILIC

CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN – 2018

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ Vật lý – Quang học có tên đề tài

“Nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các mảng hạt

nano bạc trên đế silic chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa” là công

trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. CAO TUẤN

ANH. Các kết quả và số liệu thu được trong luận văn là hoàn toàn trung thực.

Xác nhận của người hướng dẫn Thái Nguyên, tháng 8 năm 2018

i

Hoàng Thị Thu Hải

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Viện khoa học –Vật

Liệu, 18 Hoàng Quốc Việt – Hà Nội.

Luận văn hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Tuấn Anh.

Không có sự hướng dẫn của thầy thì luận văn này không thể hoàn thành được.

Thầy là người nhiệt tình tận tụy với nghiên cứu khoa học. Đối với tôi thầy

luôn hướng dẫn và quan tâm chỉ bảo. Mặc dù thời gian làm việc với thầy

không nhiều nhưng tôi học được thầy rất nhiều, mà sau này chắc chắn hữu ích

trong giảng dạy và nghiên cứu. Để bày tỏ sự trân trọng và lòng biết ơn đối với

thầy, tôi xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến thầy và các thầy cô trong

ii

Viện Khoa Học –Vật liệu tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN ...................................... 5

TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT ................................................................................ 5

1.1. Tán xạ Raman ............................................................................................ 5

1.2. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt...................................... 10

1.2.1. Các cơ chế tăng cường SERS ............................................................... 11

1.2.2. Hệ số tăng cường SERS ........................................................................ 17

1.2.3. Các loại đế SERS .................................................................................. 20

1.2.4. Các ứng dụng của SERS. ...................................................................... 25

1.3. Kết luận chương ....................................................................................... 26

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 28

2.1. Chế tạo đế các mảng hạt nano Ag trên đế Si phẳng bằng phương pháp lắng đọng

điện hóa ............................................................................................................ 28

2.1.1. Tóm tắt quy trình chế tạo ...................................................................... 28

2.1.2. Sơ đồ hệ chế tạo đế các mảng hạt nano Ag trên đế Si phẳng bằng

phương pháp lắng đọng điện hóa .................................................................... 30

2.1.3 Các phép đo khảo sát hình thái và cấu trúc................................................... 30

2.1.3.1. Khảo sát hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)................ 30

2.1.3. 2. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phép đo nhiễu xạ tia X............................ 31

2.1.4. Kết quả .................................................................................................... 32

2.2. Nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các mảng

AgNPs ............................................................................................................. 38

2.2.1. Quy trình ghi nhận phổ SERS của CV trên các mảng AgNPs ............. 38

2.2.2. Ảnh hưởng của hình thái lên tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt

của các mảng AgNPs ...................................................................................... 39

2.3 . Nghiên cứu ứng dụng các mảng hạt AgNPs để phát hiện một số chất

iii

độc hại trong thực phẩm và nước sinh hoạt bằng kỹ thuật ............................. 45

2.3.1. Tóm tắt quy trình phát hiện một số chất độc hại trong thực phẩm và

nước sinh hoạt bằng kỹ thuật SERS................................................................ 45

2.3.2 Phát hiện Malachite Green trong nước chè............................................ 47

2.3.2.1. Malachite Green ................................................................................. 47

2.3.2.2. Kết quả ............................................................................................... 48

2.3.3. Phát hiện Sudan trong ớt bột................................................................. 50

2.3.3.1 Sudan................................................................................................... 50

2.3.3.2. Kết quả ............................................................................................... 52

2.4. Kết luận chương ....................................................................................... 53

iv

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 55

DANH MỤC

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

AgNPs: Các hạt nano bạc

AgNPs@Si: Các hạt nano bạc trên đế silic

SERS: Tán xạ Reman tăng cường bề mặt (Surface Enhanced Raman

Scattering)

SEM : Kính hiển vi điện tử quét

TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua

AFM: Kính hiển vi lực nguyên tử

XRD: Nhiễu xạ tia X

PL : Huỳnh quang.

EM: Cơ chế điện từ

MG: Malachite green

SD: Sudan

v

PQ: Paraquat

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các vùng đặc trưng trong phổ Raman của phân tử Sudan đỏ

và các mode dao động tương ứng .

Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất sử dụng trong quy trình chế tạo loại

đế SERS dạng các hạt nano bạc trên Si phẳng và sử dụng các đế này để phân

tích dư lượng các chất hữu cơ độc hại.

Bảng 2.2. Giá trị của giới hạn xác định và hệ số tăng cường SERS đối

với CV của các đế SERS chế tạo với các mật độ dòng điện hóa khác nhau

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh: (a) sơ đồ

năng lượng của các quá trình tán xạ; (b) Phổ tán xạ Raman và tán xạ

Rayleigh

Hình 1.2. Các mode dao động cơ bản của phân tử H2O.

Hình 1.3. Ba mode dao động của H2O và sự thay đổi kích thước (a),

hình dạng (b) và định hướng (c) của các ellipsoid phân cực của các phân tử

nước. Các cột ở giữa cho thấy ellipsoid phân cực ở vị trí cân bằng của phân

tử, còn các cột bên

trái và bên phải hiện thị ellipsoid phân cực ở các vị trí biên của các

dao động.

Hình 1.4. Phổ Raman của bột Sudan đỏ [2].

Hình 1.5. Sơ đồ minh họa cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR)

với các điện tử dẫn tự do trong các hạt nano kim loại được định hướng theo

dao động do sự kết nối mạnh với ánh sáng tới.

Hình 1.6. Sơ đồ giải thích cơ chế tăng cường EM trong SERS

Hình 1.7. Ảnh SEM của các hạt nano bạc chế tạo bằng cách khử

AgNO3 với tác nhân khử là trisodium citrate có sự hỗ trọ của ascorbic acid

Hình 1.8. Ảnh SEM bề mặt của các mảng hạt nano bạc (a) trên đế

vi

phẳng chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hóa học và điện hóa tương ứng.

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo loại đế SERS dạng các hạt nano bạc

trên Si phẳng

Hình 2.2. Sơ đồ hệ chế tạo đế các mảng hạt Nano Ag trên đế Si phẳng

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.

Hình 2.2. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong 5 phút với mật độ dòng điện lắng đọng là 0,05 mA/cm2 bằng dung dịch nước của 0,14 M HF/AgNO3 có

nồng độ AgNO3 thay đổi: (a) 0,05; (b) 0,1; (c) 0,2 và (d) 0,4 mM tại nhiệt độ

phòng

Hình 2.3. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mảng hạt nano bạc chế

tạo trong các dung dịch có nồng độ AgNO3 (a) 0,05; (b) 0,1; (c) 0,2 và (d) 0,4

mM, các điều kiện khác là như nhau

Hình 2.4. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo bằng

phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M /0.1 mM, mật độ dòng điện lắng đọng là 0,05 mA/cm2 với các thời gian lắng đọng: (a) 3, (b)

5, (c) 7 và (d) 9 phút

Hình 2.5. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M

/0.1 mM, với các thời gian lắng đọng 5 phút, mật độ dòng điện lắng đọng là 0 (a); 0,05 (b); 0,1 (c); 0,2 (d); 0,4 (e) và 0,8 (f) mA/cm2

Hình 2.6. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M

/0.1 mM, với các thời gian lắng đọng 5 phút, mật độ dòng điện lắng đọng là 0 (a); 0,05 (b); 0,1 (c); 0,2 (d); 0,4 (e) và 0,8 (f) mA/cm2

Hình 2.7. Quy trình đánh giá hiệu suất của các loại đế SERS

Hình 2.8. Phổ SERS của CV trong nước với nồng độ 1 ppm trên các đế

vii

SERS dạng AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng hóa học (1) và lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,1 (2); 0,2 (3) và 0,4 (4) mA/cm2

Hình 2.9.Mô phỏng sự thay đổi của trường gần trên cùng một đơn vị

diện tích bề mặt mẫu ứng với các mảng hạt nano bạc (a) thưa, (b) dày nhưng

còn tách biệt từng hạt và (c) các hạt dày nhưng chồng lấn lên nhau [14]

Hình 2.10. Phổ SERS của CV trong nước trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,2 mA/cm2 với nồng độ là

100 (1), 50 (2), 25 (3) và 5 (4) ppb.

Hình 2.11. Phổ SERS của CV trong nước trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,2 mA/cm2 với nồng độ 50

ppb đo ở 10 điểm khác nhau trên đế SERS.

Hình 2.12. Quy trình phân tích dư lượng các chất hữu cơ độc hại sử

dụng các loại đế SERS

Hình 2.13. Phổ SERS chuẩn của MG trong nước với nồng độ 10-8 M

trên các đế AgNFs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong

dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM với các thời gian lắng đọng 5 phút

Hình 2.14. Phổ SERS của chè có trộn MG với hàm lượng 5 mg/kg được

nhỏ lên trên các đế AgNFs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

học trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM trong 5 phút với mật độ dòng 0,1 mA/cm2

Hình 2.15. Phổ SERS của mẫu chè bán trên thị trường có trộn MG

được nhỏ lên trên các đế AgNFs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng

điện hóa học trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM trong 5 phút với ật độ dòng 0.1 mA/cm2

Hình 2.16. Phổ SERS của sudan trong dung dịch chuẩn với các nồng

độ 10 ppb (a) và của sudan trong ớt bột với các hàm lượng khác nhau như

chú thích trên hình được nhỏ lên trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng

đọng điện hóa.

viii

.

MỞ ĐẦU

Hiệu ứng tán xạ Raman được phát hiện vào năm 1928 bởi nhà vật lý học

Ấn Độ Chandrasekhara Venkata Raman, nhờ phát hiện này mà Raman đã nhận

được giải Nobel vật lý vào năm 1930. Sau khi được phát hiện, tán xạ Raman đã

trở thành một công cụ rất hữu ích đối với việc phân tích các mẫu vật chất, đặc

biệt là các mẫu hóa học và sinh học. Trong hiệu ứng tán xạ Raman, ánh sáng

tới được tán xạ không đàn hồi bởi mẫu chất và tần số của nó bị dịch đi một

khoảng bằng năng lượng dao động của phân tử có trong mẫu. Vì vậy, phổ tán

xạ Raman cung cấp thông tin về các dao động phân tử và do mỗi loại phân tử

đều có một số loại dao động đặc trưng nên nó cho ta biết thành phần các loại

phân tử của mẫu chất được phân tích. Việc dùng phổ tán xạ Raman để nhận

biết phân tử giống như chúng ta vẫn dùng dấu vân tay để xác định con người.

Mặc dù có lợi thế như vậy nhưng tán xạ Raman lại bị hạn chế rất nhiều do xác

6 photon bị tán xạ Raman trong số 10

8 photon rơi vào vật liệu. Chính vì vậy - 10

suất xảy ra rất thấp của nó. Người ta đã tính ra rằng, trung bình chỉ có một

mà cường độ của tín hiệu Raman đo được thường rất yếu. Do đó việc phân tích

một lượng mẫu chất ít (tới ngưỡng vết) là rất khó.

Một bước ngoặt lớn đã xảy ra vào năm 1974, khi nhóm nghiên cứu của

Fleischmann đã phát hiện ra rằng sự có mặt của một điện cực bạc nhám sẽ

6 lần). Từ đây bắt đầu kỷ nguyên phát triển của “tán

làm cho cường độ tín hiệu Raman của pyridin hấp thụ trên bề mặt điện cực đó tăng lên nhiều lần (∼ 10

xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)” để trở thành một kỹ thuật phân tích

nhanh, đơn giản và giá thành thấp để phát hiện lượng vết của các phân tử hữu

cơ và sinh học. Trong hiệu ứng SERS, cường độ của các vạch phổ tán xạ

14

Raman của các phân tử nằm trên hoặc nằm gần các bề mặt kim loại gồ ghề ở

cấp độ nano sẽ được tăng cường lên rất nhiều lần (có thể lên tới trên 10 lần).

1

Các bề mặt kim loại gồ ghề ở cấp độ nano này được gọi là các đế SERS..

Trong kỹ thuật SERS sự tăng cường và ổn định của tín hiệu SERS phụ

chủ yếu vào các cấu trúc của đế SERS. Do đó việc nghiên cứu tính chất tán xạ

Raman của các loại đế SERS là một trong những vấn để trọng yếu của các

nghiên cứu về SERS hiện nay ở trên thế giới. Ở Việt Nam hiện nay đã có một số

nhóm nghiên cứu về SERS, tuy nhiên chưa có nhóm nghiên cứu nào thực hiện

các nghiên cứu một cách hệ thống về tính chất tán xạ Raman của các mảng hạt

nano bạc (AgNPs) hai chiều (các mảng hạt nano đơn lớp trên đế phẳng), đặc biệt

là các mảng hạt được chế tạo bằng lắng đọng điện hóa. Từ thực tế này chúng tôi

đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của

các mảng hạt nano bạc trên đế silic chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện

hóa” để thực hiện trong luận văn này.

Trong nghiên cứu này, trước hết chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo

các mảng AgNPs trên đế Si phẳng bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Lắng

đọng điện hóa là công nghệ khá đơn giản, phù hợp với điều kiện nghiên cứu của

Việt Nam nói chung và của nhóm nghiên cứu của chúng tôi nói riêng nhưng vẫn

tạo ra được các mảng hạt nano bạc, vàng có chất lượng tốt, đồng đều với khả

năng kiểm soát khá tốt các thông số cấu trúc.

Sau khi chế tạo, các phương pháp phân tích hình thái (ví dụ chụp ảnh

SEM, TEM,…), các phương pháp phân tích thành phần nguyên tố và cấu trúc

(ví dụ EDX,…) được sử dụng để nghiên cứu hình thái và cấu trúc của các

mảng hạt đã chế tạo được. Sau đó, phương pháp tán xạ Raman được chúng tôi

sử dụng để nghiên cứu tính chất tán xạ Raman của các mảng hạt trong hiệu

ứng SERS. Bên cạnh các phép đo đạc thực nghiệm, các lý thuyết, các mô hình

sẵn có, các tài liệu tham khảo… cũng được sử dụng để giải thích các kết quả

thực nghiệm về cơ chế tạo ra các mảng hạt nano. Các đề xuất mới cũng sẽ

được đưa ra để giải thích kết quả thực nghiệm trong những trường hợp cần

thiết. Cuối cùng, các mảng hạt tối ưu sẽ được sử dụng để phát hiện tồn dư của

2

một số chất độc hại trong nước và thực phẩm.

Sử dụng đế AgNPs@Si và AuNPs@Si để phát hiện MG trong chè,

Sudan trong ớt bột với nồng độ thấp sử dụng hiệu ứng SERS và thấy rằng, các đế

AgNPs/@Si có thể phát hiện MG trong các mẫu chè bán trên thị trường.

Bố cục của bản luận văn bao gồm các phần như sau:

Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, phương pháp và mục đích

nghiên cứu.

Chương 1: Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Chương này trình bày các nghiên cứu tổng quan về tán xạ Raman tăng

cường bề mặt (SERS) và tình hình ứng dụng của phương pháp này ở Việt

Nam và trên thế giới. Nội dung chủ yếu bao gồm: i) Tổng quan về cơ chế

SERS; ii) Tổng quan về các loại đế SERS (phương pháp chế tạo, ưu nhược

điểm và khả năng ứng dụng) đã được báo cáo bởi các nhóm nghiên cứu trên

thế giới và Việt Nam từ đó định hướng nghiên cứu công nghệ chế tạo sẽ sử

dụng trong luận văn; iii) Phần cuối cùng của chương trình bày về các ứng

dụng của SERS và các ưu, nhược điểm của phương pháp này.

Chương 2: Thực nghiệm

Nội dung chính của chương này: i) Nghiên cứu xây dựng quy trình chế

tạo các mảng hạt nano bạc vàng trên đế silic bằng phương pháp lắng đọng

điện hóa để dùng làm đế SERS, đồng thời chế tạo các cấu trúc này bằng

phương pháp lắng đọng hóa học để so sánh; ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của các

điều kiện chế tạo lên cấu trúc hình thái và độ đồng đều của các đế SERS để từ

đó tìm ra điều kiện chế tạo tối ưu cũng như điều khiển được hình thái cấu trúc

các mảng hạt nano bạc và vàng; iii) Sử dụng các chất mầu crystal violet để

đánh giá hiệu suất của đế SERS đã chế tạo được, trên cơ sở kết quả nghiên

cứu trên đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc và các thông số của các đế SERS

đã chế tạo được lên hệ số tăng cường Raman; iv) Xây dựng các mô hình để

giải thích sự tăng cường cường độ tán xạ Raman của các đế SERS trong các

3

điều kiện chế tạo cụ thể.

Nghiên cứu ứng dụng các mảng AgNPs và AuNPs để phát hiện một

số chất độc hại trong thực phẩm và nước sinh hoạt bằng kỹ thuật SERS

4

Kết luận: Trình bày các kết luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁN XẠ RAMAN

TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT

1.1. Tán xạ Raman

Như đã biết, tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của sóng điện từ với

vật chất. Sự khác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ tương

ứng với năng lượng dao động trong mạng tinh thể hoặc dao động của phân tử.

Photon tán xạ có thể có năng lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với năng lượng

của photon tới.

Cơ chế tán xạ Raman : Khi chiếu photon có tần số ν0 (hay năng lượng hν0) tới một phân tử (hoặc một tinh thể), photon bị tán xạ theo tất cả các

hướng. Tán xạ có thể là đàn hồi hoặc không đàn hồi. Trong trường hợp tán xạ đàn hồi, các photon bị tán xạ có cùng tần số ν0 với photon tới (trường hợp này

được gọi là tán xạ Rayleigh), xác suất xảy ra quá trình này là lớn. Trong

trường hợp có trao đổi năng lượng, các photon bị tán xạ có tần số (hay năng lượng) lớn hơn hoặc nhỏ hơn năng lượng của photon tới: ∆ν = ν0 ± νi, trong đó νi là tần số của dao động của phân tử (hay tinh thể). Trường hợp này được

gọi là tán xạ Raman, có xác suất thấp. Nếu photon tán xạ có tần số thấp hơn tần số photon tới (∆ν = ν0 - νi), ta có vạch Stokes trong phổ Raman. Trường hợp photon tán xạ có tần số lớn hơn tần số photon tới (∆ν = ν0 + νi) ta có các

vạch đối Stokes (anti-Stockes) trong phổ Raman.

Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh: (a) sơ đồ năng lượng

5

của các quá trình tán xạ; (b) Phổ tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh.

Ánh sáng tán xạ và ánh sáng chiếu vào bao giờ cũng có tần số lệch nhau

một khoảng đúng bằng tần số dao động của phân tử được ánh sáng chiếu vào,

không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng chiếu vào. Chính vì vậy, độ lệch của tần số tán xạ Raman ∆ν là đặc trưng cho phân tử hoặc tinh thể, các phân tử và

tinh thể khác nhau sẽ có ∆ν khác nhau do đó tán xạ Raman được dùng để xác

định sự có mặt của phân tử hay tinh thể. Cũng cần lưu ý là một phân tử sẽ có một bộ tần số ∆ν đặc trưng chứ không phải là chỉ có một giá trị ∆ν.

Sơ đồ biểu diễn tán xạ Raman và tán xạ Rayleigh được chỉ ra trên Hình

1.1. Nguyên tử trong phân tử hoặc tinh thể có thể nằm ở trạng thái cơ bản

(trạng thái 0) hoặc các trạng thái kích thích (trạng thái 1, 2,…). Khi nhận

được năng lượng từ photon ánh sáng, nguyên tử có thể từ mức năng lượng cơ

bản nhảy lên một mức năng lượng ảo rồi trở về trạng thái kích thích và tạo ra

vạch Raman Stockes. Trạng thái ảo này không phải là một trạng thái ổn định

của hệ. Nó không phải là nghiệm của phương trình Schrodinger không phụ

thuộc vào thời gian và do đó không tương ứng với một giá trị năng lượng xác

định. Trong một quá trình hấp thụ thực năng lượng luôn luôn được bảo toàn

và trạng thái tạo ra của hệ là một trạng thái rời rạc. Hấp thụ mà không bảo

toàn năng lượng được gọi là hấp thụ ảo và trạng thái được tạo ra lúc này là

một trạng thái ảo [6].

(1.1)

Khi các nguyên tử từ trạng thái cơ bản nhảy lên mức ảo rồi lại trở về

trạng thái cơ bản thì tạo ra vạch Rayleigh.

Khi các nguyên tử từ trạng thái kích thích nhảy lên mức ảo rồi trở về

trạng thái cơ bản thì tạo ra vạch Raman đối Stockes

(1.2)

Cường độ của vạch Stockes lớn hơn nhiều so với vạch đối Stockes. Nguyên

nhân là do trong điều kiện bình thường, các nguyên tử ở trạng thái cơ bản nhiều hơn

6

rất nhiều so với các nguyên tử ở trạng thái kích thích (định luật phân bố Maxwell-

Boltzmann), vì vậy số nguyên tử tham gia vào quá trình Stockes lớn hơn rất nhiều

so với các nguyên tử tham gia vào quá trình đối Stockes.

Sự chênh lệch về năng lượng ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ được gọi là

dịch chuyển Raman (Raman shift) và được xác định thông qua phương trình:

(1.3) trong đó ∆E là dịch chuyển Raman về bước sóng, λtới là bước sóng của ánh sáng tới còn λtán xạ là bước sóng của ánh sáng tán xạ.

Không phải trên tất cả các dao động của ta đều quan sát được phổ

Raman. Để quan sát được ở trên phổ Raman, các dao động cần phải tuân theo

quy tắc chọn lọc đó là chỉ có các dao động nào làm thay đổi độ phân cực của

phân tử, nguyên tử thì mới là dao động tích cực Raman và có thể quan sát

được trên phổ [6].

Dao động của các phân tử trong đó mỗi nguyên tử của phân tử dao

động cùng tần số và lệch ra khỏi vị trí cân bằng của nó cùng một lúc với tất cả

các nguyên tử khác trong phân tử, được gọi là các mode dao động cơ bản. Số

mode dao động cơ bản của một phân tử phụ thuộc vào số lượng của các

nguyên tử trong phân tử. Các mode dao động cơ bản của phân tử H2O được

minh họa tương ứng trong Hình 1.2.

7

Hình 1.2. Các mode dao động cơ bản của phân tử H2O.

Hình 1.3. Ba mode dao động của H2O và sự thay đổi kích thước (a),

hình dạng (b) và định hướng (c) của các ellipsoid phân cực của các phân tử

nước. Các cột ở giữa cho thấy ellipsoid phân cực ở vị trí cân bằng của phân

tử, còn các cột bên trái và bên phải hiện thị ellipsoid phân cực ở các vị trí

biên của các dao động.

Đối với một mode dao động được coi là tích cực Raman, sự dao động

phải gây ra một số thay đổi trong sự phân cực của phân tử. Ellipsoid phân cực

của các phân tử có thể thay đổi về độ lớn hoặc hình dạng hoặc hướng trong

quá trình dao động. Hình 1.3 minh họa các ellipsoid phân cực của phân tử

nước trong các mode dao động cơ bản. Đối với mỗi dao động, ellipsoid phân

cực được chỉ ra tại vị trí cân bằng của phân tử và ở các bước thay đổi của dao

động. Có thể thấy rằng cả ba mode dao động của phân tử nước đều gây ra một

sự thay đổi của ellipsoid phân cực bao gồm thay đổi về kích thước (Hình

1.3(a)), hình dạng (Hình 1.3(b)) và hướng (Hình 1.3(c)). Như vậy, cả ba mode

8

dao động cơ bản của phân tử nước là đều là các dao động tích cực Raman.

Hình 1.4. Phổ Raman của bột Sudan đỏ

Phổ Raman cung cấp các thông tin về các quá trình chuyển đổi dao

động của phân tử và do đó nó cung cấp các đặc điểm cấu trúc của chất phân

tích. Vì vậy, từ lâu tán xạ Raman đã được coi là một công cụ có giá trị cho

việc xác định các mẫu hóa học và sinh học, cũng như đối với sự giải thích của

cấu trúc phân tử, các quá trình bề mặt và các phản ứng giao diện. Một ví dụ

về phổ Raman của phân tử hữu cơ Sudan đỏ được chỉ ra trên Hình 1.4. Sudan

đỏ là một loại chất nhuộm màu đỏ có công thức hóa học là C16H12N2O. Phổ

Raman của Sudan đỏ bao gồm rất nhiều vùng đặc trưng, mỗi vùng đại diện

cho một mode dao động của phân tử Sudan đỏ. Nhờ các vùng đặc trưng này ta

có thể phân biệt được các phân tử Sudan đỏ với các phân tử khác. Các mode

dao động tương ứng với các vùng trên phổ Raman của phân tử Sudan đỏ được

9

liệt kê trong Bảng 1.1.

Bảng 1.1. Các đỉnh đặc trưng trong phổ Raman của phân tử Sudan đỏ

và các mode dao động tương ứng

Mode dao động Dịch chuyển Raman (cm-1)

985 Kéo căng C-C

1093 Uốn C-H và Uốn C=N

1171 Uốn trong mặt phẳng (in-plane bending) O-H và uốn trong

mặt phẳng C-H

1229 Kéo căng vòng phenyl-N và uốn trong mặt phẳng C-H

1338 Kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1390 Kéo căng N=N, kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1497 Kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1549 Kéo căng C-C và uốn trong mặt phẳng C-H

1596 Kéo căng C-C

1.2. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt

-8 nghĩa là , điểm nhất định. Xác suất xảy ra tán xạ Raman rất thấp (trung bình cỡ 10

8 photon tới thì mới có một photon bị tán xạ Raman), do đó cường độ của cứ 10

-8 cường độ ánh sáng tới. Vì hiệu ứng Raman thường rất thấp, chỉ vào khoảng 10

Việc nghiên cứu dao động bằng phổ tán xạ Raman cũng có những nhược

vậy rất khó để thu được tín hiệu Raman của các phân tử với nồng độ thấp. Ứng

dụng của tán xạ Raman trong việc phân tích phát hiện các phân tử do vậy cũng bị

hạn chế rất nhiều.

Một bước ngoặt lớn đã xảy ra vào năm 1974, khi nhóm nghiên cứu của

Fleischmann [40] đã phát hiện ra rằng sự có mặt của một điện cực Ag nhám

sẽ làm cho cường độ tín hiệu Raman của pyridin hấp thụ trên bề mặt điện cực

đó tăng lên nhiều lần. Từ đây, bắt đầu kỷ nguyên của “Tán xạ Raman tăng

cường bề mặt” như một kỹ thuật phân tích xác định lượng vết của các phân tử

10

hữu cơ và sinh học.

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là hiệu ứng mà trong đó

cường độ của các vạch phổ tán xạ Raman của các phân tử đang là đối tượng

phân tích tăng lên lên nhiều lần do chúng nằm trong môi trường có chứa bề

mặt kim loại đặc biệt Phương pháp này đã và đang được phát triển để phát

hiện một lượng rất nhỏ của các phân tử hóa học hữu cơ hoặc sinh học và trong

một vài trường hợp, SERS thậm chí có thể phát hiện tới đơn phân tử [19, 31].

1.2.1. Các cơ chế tăng cường SERS

Các cơ chế gây ra SERS cho đến nay vẫn còn nhiều điểm chưa được

làm rõ. Fleischmann và các đồng nghiệp [40], những người đầu tiên quan sát

được hiện tượng này, ban đầu cho rằng sự tăng cường tín hiệu Raman mà họ

đã quan sát được là do sự tăng lên của diện tích bề mặt. Tuy nhiên, trong một

số trường hợp, các tín hiệu Raman lại bị suy yếu đi khi độ gồ ghề của bề mặt

tăng lên, do đó sự tăng lên của diện tích bề mặt không thể là lời giải thích đầy

đủ cho sự tăng cường tín hiệu này [30]. Vào năm 1977, hai công trình nghiên

cứu độc lập và được thực hiện đồng thời bởi hai nhóm Jeanmaire và Van

Duyne [4, 8] và Albrecht và Creighton [4] đã chỉ ra rằng cường độ tín hiệu

mạnh quan sát được không thể chỉ đơn giản là do sự gia tăng số tán xạ mà

phải được gây ra bởi sự tăng cường trong hiệu suất tán xạ Raman. Jeanmaire

và Van Duyne đã đề xuất một cơ chế tăng cường điện từ trường còn Albrecht

và Creighton lại cho rằng sự cộng hưởng tán xạ Raman từ các trạng thái điện

tử phân tử được mở rộng bởi sự tương tác của chúng với bề mặt kim loại có

thể là nguồn gốc của sự tăng cường tín hiệu Raman quan sát thấy trong SERS.

Sau nhiều thập kỉ tranh cãi, đến nay các nghiên cứu đã cho thấy sự thống nhất

rằng có hai cơ chế chủ yếu góp phần vào sự tăng cường tín hiệu Raman trong

hiệu ứng SERS là cơ chế điện từ và cơ chế hóa học trong đó sự tăng cường

14

điện từ đóng góp chủ yếu vào cơ chế tăng cường SERS [30, 8]. Cụ thể, trong

8

10

một số trường hợp, sự tăng cường SERS có thể đạt đến 10 thì sự tăng cường

[20],

2 1 [25, 30]. – 10 chỉ đóng góp cỡ 10

11

trong khi sự tăng cường hóa học điện từ sẽ đóng góp ít nhất 10 – 10

1.2.1.1. Cơ chế tăng cường điện từ

Cơ chế điện từ (EM) giải thích rằng việc tăng cường tín hiệu Raman

trong SERS chủ yếu là do cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (localized

surface plasmon resonances – LSPR). Trong các cấu trúc kim loại, các tính

chất quang học chủ yếu là do các điện tử dẫn của kim loại gây ra. Dưới sự

kích thích của ánh sáng tới, các điện tử tự do trên bề mặt kim loại bị kích

thích và dao động tập thể đối với các lõi ion kim loại. Tập hợp của các dao

động tập thể này được gọi là plasmon bề mặt. Các plasmon bề mặt này sẽ phát

ra một trường lưỡng cực (và do đó được gọi là các plasmon lưỡng cực).

Thông thường, sự kích thích của ánh sáng cũng có thể gây ra một loạt các

kích thích khác trong các cấu trúc kim loại bao gồm cả các quá trình chuyển

đổi giữa các vùng. Đối với các cấu trúc kim loại có kích thước nhỏ hơn so với

bước sóng ánh sáng kích thích (chẳng hạn như các hạt nano kim loại), ngoại

trừ các plasmon lưỡng cực, các quá trình khác có thể bỏ qua [4]. Sự tương tác

chặt chẽ giữa điện trường tới với các trường lưỡng cực dẫn đến sự phân bố lại

của điện trường tại các khu vực xung quanh các cụm kim loại. Khi các

plasmon lưỡng cực cộng hưởng với tần số của ánh sáng tới, LSPR sẽ xảy ra

[30] (Hình 1.5). LSPR sẽ gây ra sự tăng cường trường EM cục bộ ở bề mặt

của các hạt kim loại và trường này phân tán nhanh chóng ra khỏi bề mặt kim

loại. Đối với các phân tử phân tích hấp phụ trên bề mặt của các bề mặt nano

kim loại hoặc nằm gần các bề mặt này, trường tới sẽ được tăng cường do nó

cộng hưởng với plasmon bề mặt. Tương tự, trường tán xạ Raman cũng sẽ

được tăng cường nếu nó cộng hưởng với plasmon bề mặt của bề mặt kim loại

12

và tín hiệu Raman của các phân tử chất phân tích sẽ được tăng cường

Hình 1.5. Sơ đồ minh họa cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR)

với các điện tử dẫn tự do trong các hạt nano kim loại được định hướng theo

dao động do sự kết nối mạnh với ánh sáng tới.

Cơ chế EM có thể được giải thích một cách đơn giản theo sơ đồ được

mô tả bởi Kneipp và cộng sự [35] (Hình 1.6). Trong sơ đồ này, đế SERS là một quả cầu kim loại nhỏ với hằng số điện môi phức: ε(ν) = εr + εi, với ν là

tần số và r, i tương ứng là phần thực và phần ảo của hằng số điện môi của kim loại. Hằng số điện môi của môi trường xung quanh là ε0. Đường kính của quả

cầu 2r được giả định là nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng λ (giới hạn

Rayleigh). Một phân tử được đặt ở một khoảng cách d so với hạt nano kim

loại và được chiếu xạ bởi một điện trường tới E0. Trường tới sẽ gây ra một

moment lưỡng cực trong hạt nano kim loại (trường ESP). Khi đó, trường tại vị

trí phân tử EM sẽ là chồng chập của trường tới và các trường của lưỡng cực

gây ra trong các hạt kim loại và được xác định bởi:

3

=

r

SPE

E 0

3

EM = E0 + ESP (1.4)

ε ε

ε - 0 + ε 2

1 + d )

r (

0

(1.5)

Sự tăng cường trường EM sẽ được biểu diễn bởi hệ số tăng cường trường

3

=

∼

A

ν ( )

A(ν) được xác định bằng tỷ lệ của trường ở vị trí của phân tử và trường tới:

r +

ε ε

ν ( ) ν ( )

3 d )

ME E 0

ε - 0 + r ε 2 ( 0

13

(1.6)

Phương trình (1.4) cho thấy rằng hệ số tăng cường A(ν) sẽ rất lớn khi phần thực của hằng số điện môi, ε(ν) bằng -2ε0. Thêm vào đó, để có sự tăng

cường điện từ mạnh phần ảo của hằng số điện môi cũng cần phải nhỏ. Những

điều kiện này mô tả các kích thích cộng hưởng của plasmon bề mặt của quả

cầu kim loại.

Hình 1.6. Sơ đồ giải thích cơ chế tăng cường EM trong SERS [30].

Tương tự như đối với trường laser tới, các trường tán xạ Stokes hoặc

đối Stokes cũng sẽ được tăng cường nếu chúng cộng hưởng với plasmon bề

mặt của quả cầu kim loại. Hệ số tăng cường SERS được định nghĩa là tỉ số

của cường độ tán xạ Raman trong trường hợp có các hạt kim loại và giá trị

này ghi nhận được trong trường hợp không có các hạt kim loại [30]. Nếu tính

đến cả những hiệu ứng tăng cường đối với trường laser và trường Stokes, hệ

2

2

2

2

số tăng cường điện từ tổng cộng GEM (νS) có thể được viết dưới dạng như sau:

G

=

∼

)

A ν (

)

A ν (

)

ν ( EM S

L

S

12   

ε ν ( ε ν (

ε ) - L 0 ε + 2 )

ε ν ( ε ν (

ε ) - S 0 ε + 2 )

r   r +

d

L

S

0

0

(1.7)

với |A(νL)|2 và |A(νS)|2 tương ứng là các hệ số tăng cường của trường

laser tới tại tần số νL và trường tán xạ Raman tại tần số νS. Công thức này dựa

trên một mô hình rất đơn giản đã được sử dụng để mô tả các tính chất quan

trọng và đặc thù của sự tăng cường SERS điện từ. Nó cho thấy rằng mức độ

tăng cường gần bằng lũy thừa bốn của trường định xứ của cấu trúc nano kim

loại và nó sẽ trở nên rất mạnh khi sự kích thích và các trường tán xạ cộng

14

hưởng với plasmon bề mặt. Sự tăng cường điện từ không yêu cầu tiếp xúc

trực tiếp giữa các phân tử và kim loại, nhưng lại phụ thuộc rất nhiều vào

khoảng cách giữa chúng như được chỉ ra trong phương trình (1.6). Sự tăng cường sẽ giảm dần theo sự tăng khoảng cách theo hệ số (1/d)12.

Có thể dễ dàng thấy rằng sự tăng cường của trường EM trên bề mặt

kim loại được xác định bởi tần số của ánh sáng kích thích và độ nhám bề mặt

của đế. Bằng cách kiểm soát hình dạng, kích thước và khoảng cách giữa các

hạt nano, ta có thể có được sự tăng cường tín hiệu SERS tối ưu từ các cấu trúc

nano kim loại tại một bước sóng mong muốn [27]. Trong số những yếu tố

này, hình thái bề mặt và khoảng cách giữa các hạt là hai yếu tố đặc biệt quan

trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng cách giữa các hạt nano càng nhỏ

(khoảng một vài nano mét) có thể tăng cường rất mạnh tín hiệu Raman của

các phân tử chất phân tích hấp thụ trên các hạt nano này [30]. Các tính toán lý

thuyết cũng đã dự đoán rằng sự tăng cường của các trường EM sẽ mạnh hơn

đối với các điểm nhọn và khu vực có độ cong lớn trên các cấu trúc nano kim

loại Vì vậy, trong thời gian gần đây đã có một sự thay đổi mạnh trong việc

chế tạo các đế SERS trong đó thay vì sử dụng các hạt nano (với hình dạng

hình cầu hoặc gần hình cầu) thì các cấu trúc nano trật tự với hình dạng phức

tạp, chẳng hạn như dạng nhánh cây, dạng hoa hoặc dạng lông nhím [10] sẽ

được ưu tiên chế tạo để có được sự tăng cường SERS mạnh hơn. Các khu vực

mà trường EM cục bộ được tăng cường mạnh được gọi là “điểm nóng” SERS,

nghĩa là vùng giữa các hạt nano kim loại, các điểm nhọn, các vùng nhô ra của

các cấu trúc nano,… là các “điểm nóng” chính. Mật độ của các “điểm nóng”

càng nhiều thì sự tăng cường tín hiệu SERS sẽ càng mạnh.

Cũng cần nhấn mạnh rằng kích thước của các cấu trúc nano kim loại cũng

đóng một vai trò quan trọng trong sự tăng cường SERS. Để cho sự tăng cường

SERS đạt được giá trị tối ưu thì kích thước của các cấu trúc nano kim loại phải

nhỏ hơn so với bước sóng ánh sáng kích thích, nhưng cũng không được nhỏ hơn

15

quãng đường tự do trung bình điện tử (electronic mean free path) của các điện tử

dẫn .Khi kích thước của các cấu trúc kim loại là lớn hơn so với bước sóng ánh

sáng kích thích, lúc này ánh sáng không chỉ kích thích các plasmon lưỡng cực

mà các dao động đa cực và các quá trình khác trong kim loại cũng sẽ được kích

thích. Khác với plasmon lưỡng cực, các dao động đa cực và các quá trình khác là

các quá trình không bức xạ. Vì vậy, sự tăng cường SERS do đó sẽ bị giảm dần

đi. Tuy nhiên, nếu kích thước của kim loại trở nên quá nhỏ, độ dẫn hiệu dụng

của các hạt nano kim loại sẽ bị giảm đi do các quá trình tán xạ điện tử tại bề mặt

của các hạt. Sự tăng cường SERS vì vậy cũng bị giảm đi. Một số nghiên cứu đã

chỉ ra rằng, sẽ có một vùng kích thước tối ưu của các cấu trúc kim loại đối với sự

tăng cường SERS. Đối với các kim loại quý như Ag, Au, Pt, … vùng kích thước

tối ưu này là từ 10 đến 100 nm .

1.2.1.2. Cơ chế tăng cường hóa học

Các kết quả thực nghiệm xác nhận sự hiện diện của cơ chế tăng cường

EM mạnh trong SERS, tuy nhiên lại có bằng chứng khác để kết luận rằng cơ chế

EM không phải là cơ chế duy nhất trong SERS. Thật vậy, nếu SERS chỉ đơn

thuần là một cơ chế tăng cường EM thì sự tăng cường Raman mạnh sẽ được

quan sát thấy đối với một phân tử bất kỳ nằm gần bề mặt nano kim loại, nhưng

điều này lại không hoàn toàn đúng. Methanol không hiển thị bất kỳ một sự tăng

cường SERS nào dù nó có tín hiệu Raman mạnh [30]. CO và N2 là các phân tử

hai nguyên tử có cùng số điện tử với sự phân cực tương tự nhau và do đó theo cơ

chế EM sẽ có sự tăng cường SERS gần giống nhau cho cả hai. Tuy vậy, quan sát

thực nghiệm về tán xạ Raman từ các phân tử khí CO2 và N2 hấp thụ trên một bề

mặt kim loại đặc biệt cho thấy sự khác nhau 200 lần về cường độ SERS của

chúng trong cùng các điều kiện thí nghiệm như nhau [4, 8]. Những phát hiện

thực nghiệm này chỉ ra rằng có một sự phụ thuộc của hiệu ứng SERS vào sự

chọn lọc phân tử và tính chất hóa học của phân tử phân tích và cho thấy có sự

16

hiện diện của một cơ chế tăng cường ‘hóa học’ trong SERS.

Cơ chế tăng cường hóa học nêu ra rằng sự tương tác giữa các phân tử của

chất phân tích và nguyên tử của bề mặt kim loại sẽ xảy ra khi phân tử phân tích

được hấp phụ lên trên bề mặt kim loại. Tương tác này làm thay đổi phân bố mật

độ điện tử của phân tử và do đó sẽ làm tăng cường mặt cắt tán xạ Raman

(Raman scattering cross section) của các mode dao động của phân tử [30].

Trong khi sự tăng cường EM áp dụng cho tất cả các chất phân tích thì

sự tăng cường hóa học lại phụ thuộc vào chất phân tích và yêu cầu một số loại

liên kết với bề mặt kim loại. Từ các cơ chế tăng cường SERS có thể thấy rằng

phổ SERS có thể hiển thị một số sai lệch về cường độ tương đối so với phổ

Raman thông thường của cùng một phân tử. Do sự tương tác giữa phân tử và

kim loại, các vạch Raman có thể bị một chút thay đổi về tần số và thay đổi

chiều rộng dải phổ so với một phân tử "tự do". Các gradient trường mạnh có

thể dẫn đến sự nới lỏng quy tắc chọn lọc và làm xuất hiện các vạch Raman bị

cấm thông thường [14, 26]. Bất chấp tất cả những thay đổi nhỏ có thể xảy ra

trong một phổ SERS so với một phổ Raman thông thường, nói chung phổ

SERS vẫn cung cấp một "dấu vết" rõ ràng của phân tử cần phân tích, đặc biệt

là các phân tử hữu cơ và y sinh

1.2.2. Hệ số tăng cường SERS

Hệ số tăng cường SERS (SERS enhancement factor - SERS EF) của

một phân tử phân tích có thể được định nghĩa là sự so sánh giữa các cường độ

của các đỉnh Raman thu được khi có và không sử dụng các đế SERS trong

điều kiện thử nghiệm tương tự nhau [13]. Đây là một trong những thông số

quan trọng nhất để đặc trưng cho hiệu ứng SERS. Có bốn phương pháp để

tính SERS EF bao gồm [12, 13] a) Hệ số tăng cường đơn phân tử, b) Hệ số

tăng cường đế SERS và c) Hệ số tăng cường phân tích và d) Hệ số tăng cường

17

được ước tính dựa trên phép đo mặt cắt ngang.

1.2.3.1. Hệ số tăng cường đơn phân tử (SMEF)[12, 13]

Đây là sự tăng cường SERS được xác định cho một phân tử tại một điểm

cụ thể. Nói chung, hệ số tăng cường này phụ thuộc vào sự định xứ của phân tử

cần phân tích, định hướng của nó trên bề mặt SERS và sự định hướng của đế

SERS đối với sự phân cực và hướng của laser tới. Do đó, nó đòi hỏi phải xác

định chính xác của hình thái học đế SERS và vị trí chính xác và định hướng của

phân tử phân tích đối với nó. Vì những khó khăn này nên định nghĩa này phù

hợp với ước tính lý thuyết về EF hơn so với phép đo thực nghiệm.

=

SMEF

Hệ số tăng cường SERS đơn phân tử được xác định bởi phương trình:

SM I SERS SM I RS

SM

(1.8)

I

SM SERS

RSI

với là cường độ SERS của đơn phân tử đang được xem xét còn

là cường độ Raman trung bình cho mỗi phân tử của chất phân tích tương tự.

1.2.3.2. Hệ số tăng cường đế SERS (SSEF)[12, 13]

Định nghĩa này cung cấp một sự so sánh giữa các hệ số tăng cường của

SERS

=

SSEF

các đế khác nhau và được trình bày về mặt toán học như sau:

I I

N Normal N

SERS

Normal

(1.9)

với INomarl và ISERS tương ứng là cường độ của phổ Raman của chất hữu

cơ hấp được phụ trên đế SERS và đế không SERS. NNormal = CNormalV là số

phân tử trung bình trong thể tích tán xạ V của phép đo Raman thông thường

(không SERS), và NSERS là số phân tử trung bình hấp thụ trong thể tích tán xạ

của các thí nghiệm SERS. Định nghĩa EF này thường xuyên được sử dụng bởi

nhiều tác giả trong các công trình khác nhau và được coi là đại diện cho sự

tăng cường của đế SERS. Để xác định số lượng của các phân tử góp phần vào

việc tạo ra một phổ SERS không phải là một việc dễ dàng do đó thông thường

18

người ta sẽ sử dụng một phép ước tính đối với số lượng phân tử trong SERS.

1.2.3.3. Hệ số tăng cường phân tích (AEF) [12, 13]

Đối với một số ứng dụng quan tâm đến sự tăng cường SERS có thể dự

đoán được là mạnh hơn bao nhiêu khi so sánh với tín hiệu từ điều kiện không

SERS. Trong trường hợp này căn cứ vào nồng độ của chất phân tích, hệ số

tăng cường phân tích (AEF) được sử dụng và được xác định bằng toán học

SERS

=

AEF

như sau:

I I

C Normal C

SERS

Normal

(1.10)

với CSERS là nồng độ của phân tử phân tích trong phép đo SERS và

CNormal là nồng độ của phân tử phân tích này trong cùng một điều kiện thí

nghiệm trong trường hợp phép đo không SERS. Định nghĩa này phụ thuộc

vào nhiều yếu tố như đặc tính hấp phụ và phạm vi bao phủ của đế cũng như

số phân tử hấp thụ. Vì vậy, quá trình chuẩn bị mẫu có vai trò quan trọng trong

định nghĩa này của EF.

1.2.3.4. Hệ số tăng cường được ước tính dựa trên phép đo mặt cắt

ngang [12, 13]

Việc thực hiện đo đạc trực tiếp mặt cắt ngang Raman là rất tốn thời

gian và đòi hỏi việc sử dụng các dụng cụ đặc biệt. Phương pháp thay thế là

xác định mặt cắt ngang tương ứng với mặt cắt ngang đã được báo cáo của tài

liệu tham khảo tiêu chuẩn. Trong trường hợp này mặt cắt ngang có thể được

I

Ref

=

Sample

Ref

tính toán bởi công thức:

Sample I

C C

d RS δ d Ω

d RS δ d Ω

  

  

  

  

Ref

Sample

(1.11)

với CSample và CRef tương ứng là nồng độ phân tử phân tích trong phép

đo SERS và trong trường hợp không SERS. ISample và IRef tương ứng là cường

độ của đỉnh Raman đo được trong phép đo SERS và không SERS. Phương

pháp này được sử dụng cho trường hợp đế SERS là các hạt nano kim loại

19

trong các dung dịch.

1.2.3. Các loại đế SERS

Kể từ khi phát hiện ra SERS, vấn đề quan trọng nhất đối với các nghiên

cứu ứng dụng của SERS là phải chế tạo được các đế SERS với khả năng tăng

cường tín hiệu Raman mạnh nhất và có độ ổn định, độ lặp lại tốt nhất. Do đó việc

lựa chọn loại đế SERS cũng như các phương pháp chế tạo đế SERS trở thành một

vấn đề trọng tâm của các nghiên cứu về SERS trong thời gian gần đây.

Có thể phác thảo một đế SERS lý tưởng như sau [39]: (1) Phải có khả năng tăng cường tín hiệu SERS tốt và có độ nhạy SERS cao. (2) Phải đồng nhất. (3) Có độ ổn định và khả năng lặp lại tốt. (4) Các đế phải sạch để có thể áp dụng được cho nghiên cứu không chỉ

các chất hút bám mạnh mà còn áp dụng cho các chất hút bám yếu hoặc thậm

chí cho cả những mẫu chưa biết rõ về độ thấm hút.

Thật không may, hiện nay rất khó để có được các đế SERS có thể cùng

một lúc đáp ứng tất cả các yêu cầu trên. Do đó, tùy theo từng mục đích ứng

dụng cụ thể, người ta phải thực hiện một số thỏa hiệp. Ví dụ, trong phân tích

định lượng, một đế SERS đồng nhất và tái sản xuất được là vô cùng quan

trọng; tuy nhiên, trong phân tích dấu vết, việc tăng cường tối đa là điều kiện

tiên quyết. Trong việc phát hiện liên quan đến sinh học, một đế SERS sạch và

cho hiệu suất tăng cường cao thường được sử dụng do sự phức tạp trong

nghiên cứu các hệ sinh học [39].

Cho đến nay các đế SERS có thể được phân ra chủ yếu các loại như sau: (1) Các bề mặt kim loại gồ ghề (loaik này hiện nay rất ít được sử dụng); (2) Huyền phù hạt nano kim loại (hình cầu, sao, hoa,…); (3) Hệ các hạt kim loại nano (hình cầu, sao, hoa,…) nằm cố định trên

bề mặt phẳng;

(4) Hệ các hạt nano kim loại hoặc các cấu trúc nano kim loại có hình

thái phức tạp nằm cố định trên bề mặt rắn (bề mặt nano xốp, bề mặt của một

20

hệ dây, thanh nano,…);

Ag và Au là những kim loại được sử dụng để chế tạo các đế SERS rộng

rãi nhất. Các kim loại này có thể hỗ trợ cộng hưởng plasmon tốt trong các

bước sóng kích thích trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần – những vùng

quan trọng đối với SERS [12]. Ag là vật liệu hứa hẹn nhất cho SERS vì nó

cung cấp sự tăng cường tín hiệu trong SERS tốt nhất. Au có lợi thế là tính ổn

định hóa học cao hơn và khả năng tương thích sinh học với nhiều phân tử

quan trọng tốt hơn so với Ag. Các kim loại khác như đồng (Cu) và bạch kim

(Pt) cũng đã được sử dụng để chế tạo đế SERS nhưng các kim loại này cho

hiệu quả tăng cường SERS thấp hơn so với Ag và Au.

1.2.3.1. Đế SERS dạng huyền phù

a. Phương pháp chế tạo

Trong số các loại đế SERS, các hạt kim loại nano trong dung dịch

huyền phù là đế SERS được sử dụng nhiều nhất [15, 22]. Các điểm thu hút chính

của các hạt nano huyền phù là chế tạo chúng dễ dàng với chi phí thấp. Hiện nay,

hai phương pháp chính để chế tạo loại đế này là phương pháp ăn mòn và phương

pháp khử.

+ Phương pháp ăn mòn

Trong phương pháp này các hạt nano kim loại được “cắt nhỏ” từ các đế

kim loại nguyên chất bằng tia laser. Cụ thể: đế kim loại được đặt trong một dung

môi sau đó chùm tia laser có công suất và bước sóng phù hợp được chiếu vào đế

kim loai, kết quả là các hạt nano kim loại được cắt ra từ khối kim loại và phân

tán vào trong dung môi để tạo ra đế SERS dạng huyền phù. Trên Hình 1.7a, b

lần lượt là ảnh TEM và phổ phân bố kích thước của các hạt nano vàng và bạc

chế tạo bằng phương pháp ăn mòn laser phân tán trong dung môi ethanol. Các

quả cho thấy kích thước các hạt kim loại là khá nhỏ, tuy nhiên không đồng đều

21

với dải phân bố từ 5-30 nm.

Hình 1.7. Ảnh TEM và phổ phân bố kích thước của các hạt

nano vàng (a) và bạc (b) chế tạo bằng phương pháp ăn mòn laser

Ưu điểm của phương pháp này là tạo ra các đế SERS với độ tinh khiết

cao cả về mặt hóa học và cấu trúc. Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp này

là sự không đồng đều của hạt kim loại, khó điều khiển kích thước hạt và điểm

hạt chế lớn nhất chính là quy mô chế tạo nhỏ.

+ Phương pháp khử

Trong phương pháp này các muối của kim loại (ví dụ như AgNO3,

HAuCl4,…) được khử trong dung môi bằng các tác nhân khác nhau như

nhưng phổ biến nhất là sodium citrate . Trên Hình 1.8 là ảnh SEM của các hạt

nano bạc dạng huyền phù chế tạo bằng cách khử cách khử AgNO3 trong dung

dịch nước với tác nhân khử là trisodium citrate có sự hỗ trọ của ascorbic acid.

Hình 1.8. Ảnh SEM của các hạt nano bạc chế tạo bằng cách khử AgNO3 với

tác nhân khử là trisodium citrate có sự hỗ trọ của ascorbic acid

Hình thái và kích thước của các hạt nano chế tạo bằng phương pháp này

22

có kích thước và hình thái khá đồng đều, các thông số này cũng có thể được điều

khiển một cách rễ ràng bằng cách thay đổi các điều kiện chế tạo như nồng độ

AgNO3, độ pH của dung dịch, nhiệt độ,… Đây là một phương pháp khá đơn

giản và chi phí thấp, khối lượng sản phẩm chế tạo trong mỗi lần là lớn. Tuy

nhiên, điểm yếu nhất của phương pháp này chính là sự tồn dư của các hóa chất

trong quá trình chế tạo trên các mẫu làm ảnh hưởng tới các phổ SERS.

b. Ưu, nhược điểm

Các đế huyền phù được báo cáo là có khả năng cung cấp sự tăng cường

SERS lớn. Tuy vậy, các đế thuộc loại này có một nhược điểm lớn là có độ ổn

định và độ lặp lại không cao do các hạt kim loại nano trong huyền phù liên

tục chuyển động khiến cho khoảng cách giữa chúng cũng liên tục thay đổi. Sự

tụ hợp của các hạt nano trong dung dịch huyền phù cũng là một nguyên nhân

làm cho khả năng tái sản xuất của đế loại này khó khăn hơn.

1.2.3.2. Đế SERS dạng các mảng hạt nano kim loại trên đế phẳng

a. Phương pháp chế tạo

Một cách tiếp cận để khắc phục được hạn chế về độ ổn định và sự lặp

lại của các đế hạt nano kim loại huyền phù là gắn cố định các hạt nano kim

loại trên một đế phẳng. Loại đế này cũng cho thấy hiệu quả tăng cường tín

hiệu Raman khá tốt với độ ổn định tốt hơn so với các đế SERS huyền phù

nano kim loại [18].

Phương pháp chủ yếu để chế tạo loại đế này là phương pháp lắng đọng

hóa học và lắng đọng điện hóa. Theo đó khi lắng đọng hóa học các đế (thường

là đế silic) được nhúng vào trong dung dịch muối của kim loại sử dụng làm đế

SERS dưới tác dụng của các chất trợ giúp (ví dụ như axit HF) các hạt nano

kim loại sẽ được hình thành trên bề mặt đế. Với kỹ thuật lắng đọng điện hóa

thì đế sẽ được nối với cực âm của ột nguồn một chiều, cực dương của nguồn

được nối với điện cực khác (thường được là bằng Pt) sau đó cả hai được

nhúng vào trong dung dịch muối của kim loại sử dụng làm đế SERS dưới tác

23

dụng của dòng điện và/hoặc các chất trợ giúp các hạt nano kim loại cũng sẽ

được hình thành trên bề mặt đế. Trong cả hai kỹ thuật này, hình thái, kích

thước và mật độ của các hạt nano bạc sẽ được điều khiển bằng nồng độ dung

dịch muối, nhiệt độ dung dịch lắng đọng, thời gian lắng đọng, các chất trợ

giúp, mật độ dòng điện hoặc điện thế,… Trong hai kỹ thuật này thì lắng đọng

điện hóa cho mật độ và kích thước các hạt nano đồng đều hơn, tuy nhiên kỹ

thuật phức tạp hơn.

Ngoài hai phương pháp trên các mảng hạt nano kim loại trên đế phẳng

sử dụng làm đế SERS còn có thể được chế tạo bằng một số phương pháp khác

như bốc bay, phún xạ, VCD,...

b. Ưu, nhược điểm

Như đã nói ở trên, loại đế SERS này có sự độ ổn định và sự lặp lại của

tín hiệu SERS và do đó mở ra khả năng phân tích định lượng bằng phương

pháp SERS. Tuy nhiên nhược điểm của loại đế này chính là độ tăng cường tín

hiệu SERS là thấp hơn so với loại đế huyền phù.

1.2.3.3. Đế SERS dạng các cấu trúc nano kim loại trên các đế rắn

Để trung hòa giữa hai loại đế SERS trên thì một số các công trình

nghiên cứu đã được triển khai với mục đích gia tăng hệ số tăng cường SERS

nhưng vẫn tạo được sự ổn định và độ lặp lại tương đối của tín hiệu SERS

bằng cách sử dụng các đế có diện tích bề mặt lớn như các đế nano xốp hay

SiNW [3, 10] thay cho các đế phẳng. Với việc sử dụng các hệ SiNW, diện

tích bề mặt hiệu dụng của đế được tăng lên nhiều, nhờ đó số lượng các hạt

nano kim loại lắng đọng trên bề mặt đế cũng được tăng lên rất nhiều. Hơn

nữa, khi các phân tử của chất phân tích được lắng đọng lên trên đế SERS là

các hạt nano kim loại bao phủ trên các hệ SiNW, chúng sẽ được bao quanh

bởi các hạt nano kim loại theo nhiều hướng giống như trong một huyền phù

kim loại. Vì vậy chúng ta có thể mong đợi rằng sự tăng cường SERS sẽ tăng

lên đáng kể so với trường hợp của đế SERS là các hạt nano kim loại trên đế

24

phẳng. Hơn nữa sự chế tạo các hệ SiNW có trật tự đồng nhất đã trở nên khá

dễ tiếp cận và kiểm soát tốt. Do đó, hiệu suất SERS có thể được cải thiện hơn

nữa bằng cách thay đổi hình thái cấu trúc của các SiNW một cách thích hợp

đồng thời vẫn có thể đảm bảo độ lặp lại của đế SERS. Thời gian gần đây, một

số báo cáo cũng đã trình bày về việc chế tạo các hạt kim loại với các hình

dạng biến đổi phức tạp có nhiều góc cạnh và những điểm nhọn như dạng

nhánh cây (dendrite-like), dạng hoa (flower-like),… để làm các đế SERS với

hệ số tăng cường Raman rất lớn mở ra một bước tiến mới trong công nghệ

chế tạo các đế SERS [10].

Việc chế tạo các cấu trúc nano kim loại cho loại đế SERS cũng chủ yếu

sử dụng hai phương pháp là lắng đọng hóa học và lắng đọng điện hóa.

1.2.4. Các ứng dụng của SERS.

SERS khắc phục những vấn đề về độ nhạy và tăng giới hạn phát hiện

của kỹ thuật tán xạ Raman. Vì các tín hiệu SERS là hẹp hơn nhiều so với các

dải phổ huỳnh quang nên có thể phát hiện đồng thời nhiều chất phân tích.

SERS có tiềm năng ứng dụng trong phân tích hóa học, hóa sinh, khoa học

pháp y, môi trường,…, những lĩnh vực mà việc xác định và mô tả đặc điểm

cấu trúc của các phân tử đóng vai trò trung tâm. Một số ứng dụng nổi bật của

SERS bao gồm:

1.2.4.1. Ứng dụng trong các cảm biến sinh học

SERS từ lâu đã được sử dụng rất rộng rãi trong các nghiên cứu liên quan

đến sinh học [4, 5, 28, 29, 39]. Giống như các công cụ phân tích khác, ứng dụng

của SERS trong lĩnh vực sinh học bao gồm hai hướng chính: nghiên cứu cơ bản,

trong đó tập trung vào việc sử dụng SERS để kiểm tra cấu trúc, cấu tạo, truyền

điện tích của các phân tử sinh học [7, 32, 36]; và nghiên cứu ứng dụng [4, 5, 28].

Hướng thứ hai có thể được chia thành các ứng dụng như trực tiếp chẩn đoán y

25

sinh (ví dụ như chẩn đoán ung thư theo dõi glucose [28])

1.2.4.2. Ứng dụng trong các phân tích môi trường

Trong suốt thời gian kể từ khi được phát hiện cho đến nay, SERS đã

được sử dụng như một công cụ vô cùng hữu ích đối với các phân tích một

trường. Đã có nhiều báo cáo tổng quan về việc sử dụng kỹ thuật SERS trong

phân tích môi trường [23, 39, 13]. Các phân tử mục tiêu được phân tích bởi

SERS cũng rất phong phú bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các hóa chất

dược phẩm trong nước và trong nước bọt, các loại thuốc nhuộm thực phẩm bị

cấm, các hóa chất gốc thơm trong dung dịch nước thường và trong nước biển,

các dẫn xuất chlorophenol và axít amin, các thành phần hóa học dùng trong

chiến tranh, chất nổ, các chất ô nhiễm hữu cơ có trong đất, Technetium-99,

các hóa chất gây ảnh hưởng đến nội tiết và methane hòa tan,…[ 23, 39].

SERS có thể được sử dụng để phát hiện các chất gây ô nhiễm ở nồng độ

femtomol và có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chất gây ô nhiễm với tính

phân cực và trọng lượng phân tử khác nhau [13]. Bên canh đó, SERS rất nhạy

với sự khác biệt nhỏ trong cấu trúc vật liệu, do đó nó cho phép phân biệt các

phân tử hữu cơ và các chủng vi khuẩn có cấu trúc tương tự nhau.

1.3. Kết luận chương

1. Kỹ thuật SERS có rất nhiều lợi thế trong việc vĩnh vực khoa học phân

phân tích với ưu thế vượt trội là nhanh, chính xác, giới hạn phát hiện và giá

thành thấp. Là một kỹ thuật phổ dao động, một phổ SERS cung cấp nhiều thông

tin về cấu trúc phân tử và môi trường định xứ hơn so với quang phổ huỳnh

quang. Các quy tắc lựa chọn Raman bổ sung cho các quy tắc lựa chọn hấp thụ

hồng ngoại do đó các thông tin thu được từ phổ Raman là duy nhất và đặc trưng

cho từng phân tử cần phân tích. Ngoài ra, những thay đổi nhỏ trong định hướng

của một chất phân tích trên bề mặt cũng có thể được nhận biết bởi SERS do các

dao động nhẹ tạo ra các thay đổi có thể đo được tại các vị trí của các đỉnh phổ

Raman. Với các thiết bị thích hợp, các mode dao động tần số thấp vượt ra ngoài

26

phạm vi của quang phổ hấp thụ IR cũng có thể được quan sát bằng SERS. Điều

này giúp cho SERS trở thành một công cụ lý tưởng cho các nghiên cứu bề mặt,

phân tích dấu vết, hoặc các tương tác phân tử sinh học. Trong thực tế, các thí

nghiệm SERS thường được sử dụng để phân tích một đơn lớp nhỏ của các phân

tử liên kết với bề mặt kim loại, sự phát hiện các chất phân tích với nồng độ từ

pico tới zeptomol cũng có thể đạt được với SERS.

2. Các đế SERS thông dụng nhất được làm bằng Au, Ag và Cu. Các công

trình nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cũng đã chứng minh hiệu ứng SERS

trên các đế nhôm, cesium, gali, indi, kali,… tuy nhiên, các vật liệu này thường

không sử dụng được trừ khi chúng được dùng như một lớp phủ mỏng trên các đế

SERS. Hiện nay, sự ổn định và khả năng lặp lại của đế SERS vẫn đang là một

thách thức lớn đối với các nghiên cứu về công nghệ chế tạo đế SERS. Sự thay đổi

(dù rất nhỏ) trong quy trình chế tạo các đế SERS có thể sẽ dẫn đến sự tạo thành

các tính chất quang học tương phản nhau và theo đó, các hệ số tăng cường SERS

trên các đế sẽ khác nhau. Bởi vì hầu hết các kỹ thuật vi chế tạo hiện nay được thực

hiện để tạo ra các đế SERS cho thấy có sự không lặp lại dẫn đến các hệ số tăng

cường có thể dao động lên đến một bậc đối với các đế được chế tạo bởi các

phương pháp gần giống như nhau.

3. Mặc dù SERS có hiệu quả với vai trò là một kỹ thuật khoa học bề

mặt, nó lại bị hạn chế khi ứng dụng đối với các phân tử không hấp phụ trực

tiếp lên bề mặt. Các phương án khắc phục, chẳng hạn như sử dụng một lớp

phân vùng để tập trung các phân tử quan tâm trong khu vực tăng cường điện

từ, phải được thực hiện để nghiên cứu các phân tử không hấp phụ trực tiếp lên

bề mặt kim loại. Cuối cùng, một phổ nền liên tục khá cao thường hiển thị rõ

trong phổ SERS. Mặc dù nguồn gốc của phổ nền này đang được tranh luận,

nhưng điều quan trọng nhất là phổ nền cao có thể che khuất tín hiệu SERS

27

cường độ thấp và hạn chế phạm vi hoạt động đo lường.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Chế tạo đế các mảng hạt nano Ag trên đế Si phẳng bằng phương

pháp lắng đọng điện hóa

2.1.1. Tóm tắt quy trình chế tạo

Sơ đồ quy trình chế tạo loại đế SERS dạng các hạt nano bạc hình cầu

trên phiến Si phẳng được mô tả như Hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo loại đế SERS

dạng các hạt nano bạc trên Si phẳng.

Các hóa chất sử dụng trong quy trình đều là các loại hóa chất tinh khiết

28

và được liệt kê trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất sử dụng trong quy trình chế tạo loại

đế SERS dạng các mảng hạt nano bạc trên Si phẳng

TT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Xuất xứ

Si wafer Đài loan 1 Đế Si

2 Ethanol C2H6O Sigma-Aldrich

3 Acetone C3H6O Sigma-Aldrich

4 Axít nitric HNO3 Sigma-Aldrich

5 Axít flohydric HF Merck

6 Bạc nitrat AgNO3 Trung Quốc

7 Nước khử ion DI Việt Nam

Dụng cụ, máy móc thiết bị sử dụng trong quy trình bao gồm: Các cốc

thủy tinh và các cốc nhựa 100, 250, 500 mL; Bình Teflon nhựa 250 mL; Các

ống đong bằng thủy tinh và nhựa 100 và 250 mL; Các xi lanh tiệt trùng nhựa

1, 5, 10 mL; Các chai nhựa và chai thủy tinh trung tính 250 mL; Cân phân

tích Scientech với độ chính xác 0.1 mg; Tủ hút; Hệ nước khử ion; Máy khuấy

từ gia nhiệt; Giấy lọc định lượng, Găng tay cao su phẫu thuật; Nguồn ổn dòng

một chiều.

Các bước thực hiện quy trình bao gồm: 1) Chuẩn bị đế Si, pha các dung

dịch chế tạo; 2) Làm sạch đế Si; 3) Lắng đọng các hạt nano Ag lên đế Si; 4) Rửa

và làm khô các đế SERS; 5) Khảo sát hình thái cấu trúc của các đế SERS.

Chi tiết của quy trình chế tạo này được trình bày trong phần Phụ lục 1.

Lưu ý: Vì HF ăn mòn thủy tinh, do đó các ống đong, các cốc đựng và các

29

chai đựng dung dịch có chứa HF đều phải làm bằng nhựa hoặc làm bằng teflon.

2.1.2. Sơ đồ hệ chế tạo đế các mảng hạt nano Ag trên đế Si phẳng

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

Hình 2.2. Sơ đồ hệ chế tạo đế các mảng hạt Nano Ag

trên đế Si phẳng bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.

2.1.3 Các phép đo khảo sát hình thái và cấu trúc

2.1.3.1. Khảo sát hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hệ SEM S4800 của hãng

Hitachi để khảo sát hình thái của các mảng AgNP. Ngoài ra, hệ đo EDX đi kèm

với hệ cũng được sử dụng để phân tích thành phần các nguyên tố trên các mẫu.

30

S4800 là loại kính hiển vi điện tử quét có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cỡ 2

nm bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề

mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật ðýợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và

phân tích các bức xạ phát ra từ týõng tác của chùm ðiện tử với bề mặt mẫu.

Nguyên tắc hoạt ðộng của nó là: Khi chùm tia ðiện tử ðập vào mặt mẫu, các

ðiện tử va chạm vào các nguyên tử ở bề mặt mẫu có thể làm phát ra các ðiện

tử thứ cấp (ðiện tử phát ra từ mẫu dýới tác dụng của chùm ðiện tử chiếu vào),

các ðiện tử tán xạ ngýợc (ðiện tử ban ðầu khi týõng tác với bề mặt mẫu bị bật

ngýợc trở lại) và các bức xạ nhý tia X... Mỗi loại ðiện tử và bức xạ nêu trên

ðều phản ảnh một ðặc ðiểm của mẫu tại nõi chùm tia ðiện tử chiếu ðến. Do ðó

khi thu nhận và xử lý chùm ðiện tử thứ cấp sẽ cho ta hình ảnh về hình thái bề

mặt mẫu, với chỗ sáng, chỗ tối trên màn hình týõng ứng với chỗ lồi, chỗ lõm

trên mặt mẫu; Thu nhận và xử lý chùm ðiện tử tán xạ ngýợc sẽ cho phép phân

tích thành phần hóa học trên mẫu.

2.1.3. 2. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phép đo nhiễu xạ tia X

Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) được thực hiện trên hệ nhiễu xạ Bruker-

AXS D5005 (Siemens, Germany) của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên –

Đại học quốc gia Hà Nội. Như chúng ta đã biết, phép đo XRD dựa trên hiện

tượng nhiễu xạ Bragg trên các mặt phẳng mạng tinh thể khi chiếu chùm tia X

lên vật liệu. Khi chùm tia X đập vào mạng tinh thể thì sẽ xuất hiện các tia

nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau..

Từ điều kiện nhiễu xạ ta thấy, mỗi loại tinh thể có kiểu mạng xác định

sẽ cho ảnh nhiễu xạ với vị trí, số lượng và cường độ của các vạch nhiễu xạ là

xác định và do vậy có thể xác định được bản chất, cấu trúc tinh thể của vật

liệu nghiên cứu thông qua phổ nhiễu xạ tia X. Ngoài ra, từ giản đồ nhiễu xạ

tia X người ta cũng có thể xác định được vật liệu trong mẫu đã kết tinh thành

tinh thể hay chưa. Thông thường, đối với vật liệu vô định hình thì các đỉnh

nhiễu xạ thường rất rộng và yếu trong khi đó đối với vật liệu đó ở dạng tinh

31

thể thì các đỉnh nhiễu xạ sẽ hẹp và có cường độ mạnh.

Ưu điểm của XRD là ngoài việc xác định được các hợp chất có mặt

trong mẫu, nó còn cho phép phân biệt các dạng kết tinh khác nhau của cùng

một chất. Hơn thế, phương pháp này không phá hủy mẫu và chỉ cần một

lượng mẫu nhỏ để tiến hành phép đo.

2.1.4. Kết quả

Như đã trình bày trong chương 1, tính chất tăng cường tín hiệu SERS

phụ thuộc rất mạnh hình thái và cấu trúc của các nano kim loại dùng để tạo

nên đế SERS. Trong trường hợp đế SERS là các mảng hạt nano bạc hình cầu

thì sự tăng cường này phụ thuộc mạnh vào kích thước và khoảng các giữa

chúng. Do đó để nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường của các mảng

AgNPs cần chế tạo được các mảng AgNPs với kích thước và mật độ các hạt

bạc khác nhau. Và để làm được điều này chúng tôi tiến hành thay đổi các

thông số chế tạo để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số này lên hình thái

và cấu trúc của lớp hạt nano bạc.

a. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 lên hình thái của các hạt nano bạc

Từ các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu tham khảo [10] chúng tôi

thấy rằng để tạo ra được các mảng AgNPs thì nồng độ AgNO3 phải khá thấp.

Do đó trước tiên chúng tôi tiến hành thay đổi nồng độ AgNO3 trong dung dịch

lắng đọng trong khoảng từ 0,05 đến 0,5 mM để nghiên cứu sự ảnh hưởng của

nồng độ AgNO3 lên hình thái của các mảng AgNPs. Trong nghiên cứu này

2 và thời gian lắng đọng 5 phút.

mật độ dòng điện lắng đọng là 0,05 mA/cm

Các kết quả về hình thái học bề mặt của một số mẫu trong thí nghiệm này

được thể hiện trên Hình 2.3. Kết quả đầu tiên có thể thấy là kích thước và mật

độ của các AgNPs phụ thuộc khá mạnh vào nồng độ AgNO3 trong dung dịch

lắng đọng, khi nồng độ tăng thì kích thước của các hạt cũng tăng. Khi nồng

độ AgNO3 thấp (cỡ từ 0,5 mM trở xuống) thì các hạt nano bạc là khá thưa và

không đồng đều (Hình 2.3a), còn khi nồng độ từ 0,2 mM trở lên thì kích

32

thước các hạt trở nên khá lớn, cỡ trên 100 nm, thêm nữa, các hạt lúc này

không còn có dạng hình cầu nữa. Các kết quả trong thí nghiệm này cho thấy,

với mật độ dòng điện hóa này, dung dịch lắng đọng có chứa 0,1 mM AgNO3

là dung dịch lắng đọng tối ưu đối cho sự tạo thành các AgNPs trên Si, cụ thể,

các hạt bạc lúc này có dạng hình cầu tách biệt nhau với mật độ các AgNPs

2 ), đường kính trung bình của các AgNPs trong

dày nhất (khoảng 144 hạt/µm

khoảng 45 nm, khoảng cách trung bình giữa các hạt cỡ 20 nm (Hình 2.3.b).

Hình 2.3. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong 5 phút với mật độ dòng điện lắng đọng là 0,05 mA/cm2 bằng dung dịch nước của 0,14 M HF/AgNO3 có nồng độ

AgNO3 thay đổi: (a) 0,05; (b) 0,1; (c) 0,2 và (d) 0,4 mM tại nhiệt độ phòng

Sau khi chế tạo, ngoài việc chụp ảnh SEM chúng tôi cũng đã tiến hành

đo EDX và XRD để nghiên cứu cấu trúc của các hạt nano bạc đã chế tạo

được. Phổ EDX của các hạt cho ta thấy đỉnh của Ag ứng với mức năng lượng

3,0 keV, khi nồng độ AgNO3 càng cao thì các vạch phổ của Ag càng mạnh,

như vậy trên bề mặt của Si đã tạo thành một lớp Ag. Các kết quả này được

khẳng định lần nữa bằng các phổ XRD. Trên Hình 2.3 là phổ XRD của mảng

hạt nano bạc trên đế silic chế tạo với các nồng độ AgNO3 khác nhau như trên

33

chú thích hình, kết cho thấy rõ sự tạo thành của các hạt bạc dưới dạng tinh thể

với các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với góc 2ɵ: 38,2 - ứng với mặt phẳng mạng

(111); 44,3 - ứng với mặt phẳng mạng (200); 64,5 - ứng với mặt phẳng mạng

(220). Có một kết quả cần chú ý ở đây đó là việc đỉnh nhiễu xạ ứng với mặt

(111) là mạnh nhất, hay nói cách khác là hướng ưu tiên mọc tinh thể trong

trường hợp này là hướng (111) [71].

Hình 2.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mảng hạt nano bạc chế

tạo trong các dung dịch có nồng độ AgNO3 (a) 0,05; (b) 0,1; (c) 0,2 và (d) 0,4

mM, các điều kiện khác là như nhau

Sự thay đổi hình thái của các hạt nano bạc theo nồng độ AgNO3 có thể

giải thích được thông qua cơ chế lắng đọng không điện (electroless

+

depositon). Theo đó sự lắng đọng bạc lên trên silic trong một dung dịch nước

chứa ion bạc (Ag ) và HF được dựa trên một phản ứng oxi hóa khử điện hóa,

trong đó cả hai quá trình anốt hóa và catot hóa xảy ra đồng thời ở bề mặt

silicon [9]. Các phản ứng diễn ra trong điện hóa được minh họa bằng các

34

phương trình sau đây:

-

+ + 4e

+

-

Si + 6HF = H2SiF6 + 4H , (2.1)

-

Ag + e = Ag. (2.2)

Trong phản ứng trên biểu thị e điện tử (với một điện tích âm). H2SiF6

là một hợp chất hòa tan trong nước, do đó phản ứng (2.1) là phản ứng ăn mòn

Si. Trong khi đó, phản ứng (2.2) là phản ứng reduction ion bạc thành nguyên

tử bạc trên bề mặt silicon. Từ các phương trình phản ứng trên cho thấy với

+

các điều kiện khác là như nhau thì khi nồng độ AgNO3 càng cao mật độ ion

Ag càng lớn và do đó tốc độ của phản ứng 2.2 càng mạnh. Kết quả là các hạt

bạc sẽ to và dày lên, khi tăng nồng độ AgNO3 lên nữa thì dần dần các hạt bạc

sẽ bị kết dính vào nhau và chuyển sang dạng thanh.

b. Ảnh hưởng của thời gian lắng đọng lên hình thái của các hạt nano bạc

Hình 2.5. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo bằng

phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M /0.1 mM, mật độ dòng điện lắng đọng là 0,05 mA/cm2 với các thời gian lắng đọng: (a) 3, (b) 5, (c) 7

và (d) 9 phút

Chúng tôi cũng tiến hành thay đổi thời gian lắng đọng để nghiên cứu sự

ảnh hưởng của yếu tố này lên hình thái lớp hạt nano bạc. Từ kết quả nghiên

cứu trên, dung dịch được lựa trong nghiên cứu này là HF/AgNO3 = 0,14 /0,1

2 . Kết quả SEM trên

35

mM, mật độ dòng điện hóa vẫn được giữ ở 0,05 mA/cm

Hình 2.4 cho thấy mật độ và kích thước các AgNPs cũng phụ thuộc vào thời

gian lắng đọng. Cụ thể: Khi thời gian lắng đọng là 3 phút (Hình 2.5a) đường

kính trung bình của các hạt cỡ 30 nm, tuy nhiên mật độ các hạt là khá thưa,

với khoảng cách giữa các hạt lên tới vài trăm nm. Khi thời gian tăng đến 9

phút (Hình 2.5d) thì kích thước hạt là khá lớn, trung bình đường kính cỡ 120

nm. Theo chúng tôi, trong trường hợp này thời gian lắng đọng 5 phút sẽ là

phù hợp nhất cho việc chế tạo các mảng AgNPs

c. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện lắng đọng lên hình thái của các hạt

nano bạc

Hình 2.6. Ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Ag phủ trên đế Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M

/0.1 mM, với các thời gian lắng đọng 5 phút, mật độ dòng điện lắng đọng là 0 (a); 0,05 (b); 0,1 (c); 0,2 (d); 0,4 (e) và 0,8 (f) mA/cm2

Trong thí nghiệm về sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện hóa lên hình

thái lớp hạt bạc chúng tôi sử dụng dung dịch nước có chứa 0.1 mM AgNO3 và

36

0.14 M HF với thời gian lắng đọng là 5 phút. Theo kết quả nghiên cứu đã

phân tích ở trên, đây là nồng độ dung dịch và thời gian lắng đọng là tối ưu

nhất. Trên Hình 2.6 là ảnh SEM bề mặt của AgNPs@Si lắng đọng với các

mật độ dòng điện khác nhau của nghiên cứu này. Hình 2.6a là hình thái bề

2 (lắng đọng

mặt của mẫu lắng đọng với mật độ dòng điện hóa bằng 0 mA/cm

hóa học), ở đây cho thấy các hạt bạc (các chấm mầu xám trắng) tạo thành một

lớp có kích thước và sự phân bố không đồng đều, đường kính của các hạt thay

đổi từ 10 đến 100 nm và mật độ của các hạt là thưa. Các Hình từ 2.6b đến 2.6f

là hình thái bề mặt của các mẫu chế tạo bằng lắng đọng điện hóa với các mật

2 . Kết quả cho thấy kích thước

độ dòng điện khác nhau từ 0,05 đến 0,8 mA/cm

và sự phân bố của các hạt nano bạc trở nên đồng đều hơn hẳn so với mẫu lắng

đọng hóa học. Khi mật độ dòng điện lắng đọng tăng thì mật độ và kích thước 2 của các hạt AgNP cũng tăng lên, với mật độ dòng điện hóa là 0,05 mA/cm

thì đường kính trung bình của các hạt là cỡ 45 nm (Hình 2.6b), khi mật độ

2 thì đường kính trung bình của các hạt tăng lên

dòng điện hóa là 0,1 mA/cm

2 thì

cỡ 50 nm (Hình 2.6c), còn khi mật độ dòng điện hóa tăng đến 0,2 mA/cm

đường kính trung bình của các hạt tăng lên cỡ 60 nm (Hình 2.6d), khoảng

cách trung bình giữa các hạt bạc lúc này là cỡ 10 nm, hình đính trên Hình

2.6.d cho thấy rõ kết quả này (Thang đo của hình đính trên Hình 2.6d là 100

2 thì các hạt nano bạc bắt

nm). Mật độ dòng điện hóa tăng lên đến 0,4 mA/cm

đầu có sự kết dính với nhau làm xuất hiện các hạt có kích thước lớn với

đường kính là trên 100 nm, đồng thời xuất hiện sự chồng chất lên nhau của

các hạt, hay nói cách khác các mảng hạt lúc này không còn là đơn lớp nữa

2 thì mảng các

(Hình 2.6e). Khi mật độ dòng điện hóa tăng lên đến 0,8 mA/cm

hạt nano bạc trở thành mảng đa lớp với đường kính của hạt nano bạc có thể

lên đến trên 200 nm, đồng thời bề mặt các hạt cũng trở nên xù xì hơn (Hình

2.6f). Nguyên nhân của sự gia tăng kích thước, mật độ, cũng như số lớp của

các hạt nano bạc theo sự gia tăng của mật độ dòng điện hóa hoàn toàn có thể

giải thích được từ cơ chế hình thành các hạt nano bạc trong quá trình lắng

37

đọng như đã được trình bày trong tài liệu tham khảo [9].

2.2. Nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các

mảng AgNPs

Để nghiên cứu tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các đế

SERS là các mảng hạt nano bạc đã chế tạo được chúng tôi tiến hành ghi nhận

phổ SERS của chất chuẩn CV pha loãng trong nước với các nồng độ khác

nhau. Sau đó đánh giá hiệu suất tăng cường tín hiệu SERS, độ đồng đều của

tín hiệu SERS và tính giới hạn phát hiện.

Cũng cần nói thêm rằng, tinh thể tím là một chất mầu với công thức

phân tử là C25H30N3Cl. Đây là một chất mầu được sử dụng khá phổ biến trong

công nghiệp giấy, in và dệt. Ngoài ra, CV cũng được sử dụng rộng rãi như là

một chất chống nấm và khử trùng trong nuôi trồng thủy sản, sử dụng làm

thuốc thú y, phụ gia trong thức ăn gia cầm để ức chế sự lan truyền các vi

khuẩn có hại, dùng làm chất khử trùng trong y tế [21]. Tuy nhiên, CV cũng

gây ra nhiều lo ngại về việc sử dụng nó. Các kết quả nghiên cứu cho thấy CV

có thể gây ra ung thư, đột biến gen, giòn xương và độc tính hô hấp cho những

người bị phơi nhiễm [21, 24]. Chính vì vậy mà việc xác định nhanh và chính

xác tồn dư của CV trong nước uống và thực phẩm với chi phí thấp là hết sức

quan trọng.

2.2.1. Quy trình ghi nhận phổ SERS của CV trên các mảng AgNPs

38

Hình 2.7. Quy trình đánh giá hiệu suất của các loại đế SERS

Để ghi nhận phổ SERS của CV chúng tôi tiến hành các bước như mô tả

Hình 2.7.

Hóa chất, dụng cụ, máy móc, thiết bị được sử dụng trong quy trình này

bao gồm: Các cốc thủy tinh 100, 250, 500 ml; Các ống đong 100 và 250 ml;

Các xi lanh tiệt trùng nhựa 1, 5, 10 ml; Các ống ly tâm nhựa 1,5 mL; Micro

pipet 10-100 µl; Các chai thủy tinh trung tính 250 ml; Cân phân tích

Scientech với độ chính xác 0.1 mg; Tủ hút; Hệ nước khử ion; Máy khuấy từ

gia nhiệt; Giấy lọc định lượng, Găng tay cao su phẫu thuật; Tinh thể tím

nguyên chất với độ tinh khiết 90% do Trung quốc sản xuất.

Việc ghi nhận phổ SERS được thực hiện bằng hệ đo Raman LabRAM HR

800 (HORIBA Jobin-Yvon, France) với laser kích thích có bước sóng 632,8 nm

của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

Việc dựng phổ và xử lý kết quả được thực hiện trên phần mềm Origin Pro 8.0.

Chi tiết của quy trình được trình bày trong phần Phụ lục 2.

2.2.2. Ảnh hưởng của hình thái lên tính chất tán xạ Raman tăng

cường bề mặt của các mảng AgNPs

Từ các kết quả nghiên cứu chế tạo các mảng AgNPs cho thấy sự thay đổi

của hình thái các hạt bạc khi thay đổi nồng độ AgNO3, thời gian lắng đọng và

mật độ dòng điện hóa có quy luật tương tự nhau. Do đó trong nghiên cứu này

chúng tôi chỉ sử dụng các mảng AgNPs chế tạo trong dung dịch nước có chứa

0.1 mM AgNO3 và 0.14 M HF với thời gian lắng đọng là 5 phút bằng các mật độ

dòng điện hóa khác nhau để nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình thái lên tính chất

tán xạ Raman tăng cường bề mặt. Trước tiên, trên mỗi lô mẫu chế tạo với một

mật độ dòng điện hóa chúng tôi tiến hành ghi nhận phổ SERS của CV với các

nồng độ khác nhau thay đổi từ 1ppm đến 1ppb. Các kết quả thu được cho thấy,

tất cả các mảng AgNPs@Si đều ghi nhận được các phổ SERS của CV với đầy

dủ các đỉnh đặc trưng. Tuy nhiên giới hạn phát hiện và hệ tăng cường SERS phụ

39

thuộc mạnh vào hình thái của hớp hạt nano bạc.

Hình 2.8. Phổ SERS của CV trong nước với nồng độ 1 ppm trên các đế

SERS dạng AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng hóa học (1) và lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,1 (2); 0,2 (3) và 0,4 (4) mA/cm2

Trước tiên, chúng tôi tiến hành so sánh cường độ tín hiệu SERS trên

các mẫu khác nhau ở các nồng độ CV khác nhau để đánh giá sự phụ thuộc của

cường độ SERS vào hình thái lớp hạt bạc. Trên Hình 2.8 là các phổ SERS của

CV với nồng độ 1 ppm trên các đế SERS khác nhau. Các kết quả cho thấy

-1

phổ SERS với đầy đủ các đỉnh đặc trưng của CV trong dải từ 600 đến 1800

-1

cm tương tự như đã kết quả trong báo cáo [17]. Cụ thể, các đỉnh ở 1616 và

-1

1583 cm là dao động co giãn đối xứng của liên kết C-phenyl trong mặt

phẳng; tín hiệu ở đỉnh 1371 cm là do dao động co giãn từ liên kết C-N và

-1

Phenyl-C-phenyl; đỉnh dao động co giãn đối xứng trong mặt phẳng của liên -1 kết C-H xuất hiện ở vị trí 1170 cm ; một trong những đỉnh mạnh ở 912 cm

-1

có liên quan đến mode dao động của vòng phenyl; một đỉnh mạnh khác ở 801

-1

cm được đóng góp bởi mode dao động uốn cong không đối xứng của liên kết

Phenyl-H; một đỉnh nhỏ ở 724 cm liên quan đến chế độ dao động kéo giãn

đối xứng của liên kết C-N-C.

So sánh các phổ SERS cho thấy cường độ các đỉnh phổ SERS đặc

trưng của CV ghi nhận bằng đế AgNPs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng

đọng hóa học là thấp hơn hẳn so với của các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng

40

đọng điện hóa. Trong các đế được chế tạo bằng lắng đọng điện hóa thì đế lắng

2 cho cường độ đỉnh phổ cao nhất.

đọng với mật độ dòng điện là 0,2 mA/cm

Các kết quả này là hoàn toàn phù hợp với các lý thuyết về cơ chế tăng cường

tín hiệu tán xạ Raman của các đế SERS như đã trình bày trong Chương 1.

Hình 2.9. Mô phỏng sự thay đổi của trường gần trên cùng một đơn vị

diện tích bề mặt mẫu ứng với các mảng hạt nano bạc (a) thưa, (b) dày nhưng

còn tách biệt từng hạt và (c) các hạt dày nhưng chồng lấn lên nhau [14]

Hình 2.10. Phổ SERS của CV trong nước trên các đế AgNPs@Si chế

41

tạo bằng lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,2 mA/cm2 với nồng độ là 100 (1), 50 (2), 25 (3) và 5 (4) ppb.

Theo đó, xét trường hợp các hạt nano có dạng hình cầu, sự gia tăng

cường độ tín hiệu SERS có sự đóng góp chính từ sự gia tăng của cường độ

trường gần (NFE) xung quanh nó và ở khe giữa các hạt (khi khoảng các giữa

các hạt nhỏ hơn khoảng cách suy giảm của trường gần) [14], các vị trí này

được gọi là các điểm nóng (hot spots). Sự gia tăng của NFE xung quanh các

hạt phụ thuộc vào kích thước và bản chất của hạt, còn sự gia tăng của NFE ở

khe giữa các hạt không những phụ thuộc vào kích thước và bản chất của hạt

mà còn phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai hạt. Như vậy trong trường hợp

kích thước của các hạt là tương tự nhau thì sự gia tăng của tín hiệu SERS đi

cùng với sự gia tăng của mật độ hạt. Trong hai yếu tố nói trên thì tín hiệu

SERS của phân tử chất phân tích sẽ được tăng cường mạnh hơn khi số lượng

các “điểm nóng” (hot spots) tăng [14]. Trên Hình 2.10 mô phỏng sự thay đổi

của trường gần trên cùng một đơn vị diện tích bề mặt ứng với các mảng hạt

nano bạc có hình thái khác nhau.

Từ các thảo luận trên và từ các ảnh SEM trong trường hợp mật độ dòng

2 thì mật độ các hạt còn thưa nên hiển nhiên mật

điện hóa nhỏ hơn 0,2 mA/cm

2 thì các hạt nano trường hợp mật độ mật độ dòng điện hóa lớn hơn 0,2 mA/cm

độ các khe nano là thấp và do đó cường độ tín hiệu SERS sẽ nhỏ. Còn đối với

bạc bị dính vào nhau đồng thời còn có sự chồng chất lên nhau của các hạt

nano bạc, điều này cũng làm cho số lượng các điểm nóng giảm và dẫn tới sự

42

giảm của tín hiệu SERS.

Bảng 2.2. Giá trị của giới hạn xác định và hệ số tăng cường SERS

đối với CV của các đế SERS chế tạo với các mật độ dòng điện hóa khác nhau

Hệ số tăng cường Mẫu Giới hạn xác định

2

2

0 mA/cm 5,142 ppb

1,936 ppb

0,1 mA/cm 1,332 ppb

0,2 mA/cm 0,936 ppb

0,4 mA/cm 1.133 ppb

0,05 mA/cm 2 2 2 2 0,8 mA/cm 1,836 ppb SERS 7 4,03 x 10 8 1,04 x 10 8 1,19 x 10 8 1,34 x 10 8 1,23 x 10 8 1,01 x 10

Việc ghi nhận phổ SERS của CV với các nồng độ khác nhau được thực

hiện để đánh giá sự ảnh hưởng của hình thái lớp hạt nano bạc lên giới hạn xác

định cũng như hệ số tăng cường SERS. Trên Hình 2.11 là phổ SERS của CV

trong nước trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng điện hóa với mật

2 với nồng độ cho thấy. Ở đây ta có thể thấy với nồng

độ dòng điện 0,2 mA/cm

là 5 ppb chúng tôi vẫn ghi nhận được phổ SERS của CV với đầy đủ các đỉnh -1 đặc trưng. Sau khi ghi nhận các phổ SERS, chúng tôi sử dụng đỉnh 1170 cm

và công thức (1.9) để tính hệ số tăng cường SERS. Sử dụng phần mềm excell

và công thức hồi quy để tính giới hạn xác định. Trong trường hợp mẫu chế tạo

2 chúng tôi đã tính được giới hạn xác định

với mật độ dòng điện 0,2 mA/cm

8 . Trên Bảng 2.2 là giá trị của giới hạn xác định và hệ số tăng cường x 10

CV và hệ số tăng cường của loại đế SERS này tương ứng là 0,936 ppb và 1,34

SERS của các đế SERS chế tạo với các mật độ dòng điện hóa khác nhau trong

các điều kiện khác như nhau. Các giá trị trên bảng 2.2 cho thấy giới hạn xác

định và hệ số tăng cường SERS phụ thuộc khá mạnh vào hình thái của hớp

nano bạc.

Lựa chọn dung dịch CV có nồng độ 50 ppb chúng tôi tiến hành ghi phổ

43

của CV trên mỗi loại đế SERS ở ngẫu nhiên 20 điểm khác nhau để đánh giá độ

đồng đều và ổn định của các đế SERS. Kết quả cho thấy mẫu chế tạo với mật độ

2 cho các phổ đồng đều và ổn định nhất cả về dạng phổ và 0,2 mA/cm

dòng điện là

cường độ. Từ các kết quả trên cho thấy kỹ thuật SERS có thể xác định định

lượng hàm lượng CV trong nước nhanh và chính xác. Các kết quả trên cũng cho

thấy rằng, bằng việc sử dụng kỹ thuật tán xạ Raman tăng cường bề mặt với các

đế SERS là các mảng hạt nano bạc lắng đọng trên đế silic bằng phương pháp

điện hóa chúng tôi có thể phát hiện được tồn dư của tinh thể tím trong nước tới

ngưỡng dưới 1 ppb.

Hình 2.11. Phổ SERS của CV trong nước trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng điện hóa với mật độ dòng điện 0,2 mA/cm2 với nồng độ 50

ppb đo ở 10 điểm khác nhau trên đế SERS.

Các kết trình bày ở trên cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng các mảng

AgNpS@Si chế tạo bằng kỹ thuật lắng đọng điện hóa để làm các đế SERS

cho việc phân tích phát hiện dư lượng của CV trong nước và có thể mở rộng

44

cho cả trên các loại thực phẩm một cách nhanh và chính xác.

2.3 . Nghiên cứu ứng dụng các mảng hạt AgNPs để phát hiện một

số chất độc hại trong thực phẩm và nước sinh hoạt bằng kỹ thuật

2.3.1. Tóm tắt quy trình phát hiện một số chất độc hại trong thực

phẩm và nước sinh hoạt bằng kỹ thuật SERS

Quy trình phân tích dư lượng các chất hữu cơ độc hại sử dụng các loại

đế SERS bao gồm các bước như Hình 3.1.

Hình 2.12. Quy trình phân tích dư lượng các chất hữu cơ

độc hại sử dụng các loại đế SERS

Các hóa chất sử dụng trong qui trình được liệt kê trong Bảng 3.1 và đều

45

là các loại tinh khiết phân tích.

Bảng 3.1. Danh mục các hóa chất sử dụng trong quy trình chế tạo loại

đế SERS dạng các hạt nanô bạc trên Si phẳng và sử dụng các đế này để phân

tích dư lượng các chất hữu cơ độc hại

TT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Xuất xứ

1 Ethanol C2H6O Trung Quốc

2 Acetone C3H6O Trung Quốc

3 Methanol CH3OH Trung Quốc

4 Tinh thể tím C25H30N3Cl Sigma-Aldrich

5 Malachite green C23H25ClN2 Trung Quốc

6 Kali Cyanua KCN Trung Quốc

7 Sudan II C18H16N2O Sigma-Aldrich

8 Paraquat [(C6H7N)2]Cl2 Sigma-Aldrich

9 Pyridaben C19H25ClN2OS Sigma-Aldrich

10 Nước khử ion DI Việt Nam

Việc ghi nhận phổ SERS được thực hiện bằng hệ đo Raman LabRAM HR

800 (HORIBA Jobin-Yvon, France) với laser kích thích có bước sóng 632,8 nm

của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

Việc dựng phổ và xử lý kết quả được thực hiện trên phần mềm Origin Pro 8.0.

Chi tiết của quy trình được trình bày trong phần Phụ lục 2.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các mảng AgNPs@Si chế tạo

bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch nước có chứa 0.1 mM

AgNO3 và 0.14 M HF với thời gian lắng đọng là 5 phút bằng mật độ dòng

2 làm các senxơ để phân tích, phát hiện tồn dư của các

điện hóa 0,2 mA/c.

chất trên dựa trên hiệu ứng SERS. Các AuNPs sẽ được lắng đọng lên trên bề

mặt Si bằng phương pháp lắng đọng điện hóa cúng được sử dụng trong việc

46

phân tích để so sánh.

2.3.2 Phát hiện Malachite Green trong nước chè

2.3.2.1. Malachite Green

Malachite green (MG) là một hóa chất hữu cơ có công thức hóa học là

C23H25ClN2, có dạng bột màu xanh lá cây, thường được sử dụng để nhuộm

các nguyên vật liệu như da, sợi và giấy trong ngành công nghiệp nhuộm.

Trong lĩnh vực thủy sản, trước đây MG được sử dụng để xử lý nước, phòng

trị các bệnh nấm trong các mô hình nuôi trồng thủy sản. Vì là một hóa chất có

hiệu quả trong việc điều trị bệnh đối với thủy sản và lại rẻ tiền nên MG được

các hộ nuôi thủy sản sử dụng rất nhiều dẫn đến việc hóa chất này đã bị phát

hiện còn tồn lưu bên trong cơ thể của một số loài thủy sản. Theo các chuyên

gia về y học thì MG là một hóa chất có thể gây bệnh ung thư, ảnh hưởng đến

sức khoẻ con người nên đã bị cấm sử dụng trong thực phẩm ở nhiều nước trên

thế giới. Trước những tác hại có thể gây ra đối với sức khỏe con người và

nhằm đảm bảo an toàn thực phẩm, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

đã có thông báo về việc cấm sử dụng MG trong nuôi trồng thủy sản. Tuy

nhiên, trong thời gian gần đây MG vẫn được sử dụng trái phép trong nuôi

trồng thủy sản, không những thế nó còn đã được sử dụng bất hợp pháp để làm

cho thực phẩm trở thành màu xanh (điển hình là cốm, bánh cốm và chè thành

phẩm). Điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của những người

sử dụng. Với những ảnh hưởng tiêu cực trên, việc phát hiện dư lượng MG là

một điều rất cần thiết, cần được quan tâm nghiên cứu và phát triển.

Hiện nay, các phương pháp phân tích chủ yếu được sử dụng để xác

định lượng vết của các chất hữu cơ độc hại (bao gồm cả MG) là các phương

pháp sắc ký. Mặc dù các phương pháp này có hiệu quả trong việc xác định dư

lượng của các chất hữu cơ độc hại một cách định lượng, nhưng vẫn có một số

hạn chế như yêu cầu về các thao tác đo lường và chuẩn bị mẫu, thời gian phân

tích và giá thành cao. Do đó, việc phát triển một phương pháp đơn giản,

47

nhanh hơn và hiệu quả hơn để phát hiện lượng vết của các chất hữu cơ độc hại

và đặc biệt là MG là một vấn đề rất cần thiết. Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn

MG là đối tượng đầu tiên cần phát hiện dựa trên hiệu ứng SERS.

2.3.2.2. Kết quả

Trước tiên chúng tôi ghi nhận phổ SERS của MG trong nước để làm phổ

chuẩn. Trên Hình 3.2 là phổ SERS chuần của MG được nhỏ lên trên các đế

AgNPs@Si. So sánh với phổ Raman chuẩn của MG trong tài liệu tham khảo , có

-1 được cho là do các dao cường độ mạnh. Cụ thể là, tín hiệu quan sát tại 914 cm

-1 đến từ dao động động vòng khung xuyên tâm; các tín hiệu tại 1171 và 1294 cm -1 được đóng góp từ uốn trong mặt phẳng C-H của chất thơm; tín hiệu tại 1366 cm

-1

thể thấy rằng tất cả các đỉnh đặc trưng của MG được phân tách rõ ràng và có

sự co giãn N-C; tín hiệu tại 1394 cm

đến từ dịch chuyển phẳng C-C và C-H (của -1 được quy cho N-C (liên kết φ) và sự co chất thơm) và các tín hiệu ở 1617 cm

giãn C-C [55].

Hình 2.13. Phổ SERS chuẩn của MG trong nước với nồng độ 10-8 M

trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong

48

dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM với các thời gian lắng đọng 5 phút

Sau đó chúng tôi ghi nhận phổ SERS của nước chè sạch được trộn MG

-1

với hàm lượng khác nhau. Kết quả trên Hình 3.2 cho thấy sự xuất hiện các

-1

đỉnh đặc trưng của MG, cụ thể là các tín hiệu tại 1294 cm đến từ dao động

-1

uốn trong mặt phẳng C-H của chất thơm; tín hiệu tại 1366 cm được đóng

-1

góp từ sự co giãn N-C; tín hiệu tại 1394 cm đến từ dịch chuyển phẳng C-C

-1

và C-H (của chất thơm) và các tín hiệu ở 1617 cm của N-C (liên kết φ) và sự

-1

co giãn C-C. Tuy nhiên các tín hiệu tại 795, 914, 1171 cm không xuất hiện,

đồng thời xuất hiện nhiều đỉnh mới ở 660, 701, 1330, 1420, 1550 cm . Theo

chúng tôi đây có thể là các đỉnh của các chất có trong chè. Một kết quả đáng

chú ý đó là sự lặp lại của cường độ và dạng phổ khi ghi nhận ở các điểm khác

nhau trên đế SERS. Kết quả này cho thấy có thể sử dụng loại đế này cho việc

phân tích định lượng MG trong chè khô.

Hình 2.14. Phổ SERS của chè có trộn MG với hàm lượng 5 mg/kg được

nhỏ lên trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

học trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM trong 10 phút với mật độ dòng 1 mA/cm2

Chúng tôi đã tiến hành ghi phổ SERS của mẫu chè thực có trộn MG

bán trên thị trường (Hình 3.3). Kết qủa cho thấy việc ghi nhận được các đỉnh

đặc trưng của MG đồng thời cũng như mẫu trên, xuất hiện các đỉnh khác

49

ngoài đỉnh của MG. Kết quả thu được cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng kỹ

thuật SERS để phát hiện tồn dư của MG trên chè khô. Tuy nhiên cũng cần nói

thêm rằng, khi ghi nhận phổ SERS của các mẫu chè thì huỳnh quang của các

mẫu là khá mạnh, do đó cần phải xử lý mẫu trước khi đo.

Hình 1.14. Phổ SERS của mẫu chè bán trên thị trường có trộn MG

được nhỏ lên trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng phương pháp lắng đọng

điện hóa học trong dung dịch HF/AgNO3 = 0.14 M/0.1 mM trong 5 phút với mật độ dòng 0.1 mA/cm2

Chúng tôi cũng đã sử dụng các mảng AuNPs@Si để tiến hành ghi nhận

MG trong chè, kết quả cho thấy các đỉnh đặc trưng của MG xuất hiện rõ ràng

hơn so với khi sử dụng đế AgNPs@Si. Tuy nhiên, cường độ các đỉnh đặc

trưng có sự khác biệt đôi chút khi đo ở các điểm khác nhau trên mẫu.

2.3.3. Phát hiện Sudan trong ớt bột

2.3.3.1 Sudan

Như ta đã biết, Sudan là một loại chất nhuộm màu tổng hợp chứa các

hợp chất azo, naphtols và các gốc methyl di động. Họ nhà sudan gồm có

sudan đỏ I, sudan II màu cam, sudan III màu đỏ ceresin (màu đỏ đậm),

và sudan IV còn có tên là dung môi đỏ 24. Sudan được dùng khá phổ biến để

nhuộm da dày, vải vóc, các đồ dùng đồ chơi bằng plastic, pha màu dầu nhớt

và cả mỹ phẩm. Sudan tan ít trong nước nhưng tan trong aceton, trong dầu mỡ

50

và định màu trong đó.

Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới thì sudan

sau khi định màu trong các mô mỡ, sẽ bị phân đoạn do phản ứng azo-khử để

cho ra aniline và amino-naphtol là hai độc chất cho con người và có thể gây

ung thư. Thực tế, Cục Quản Lý Dược Hoa Kỳ FDA đã khuyến cáo chỉ nên sử

dụng sudan cho sản phẩm ngoài da – không dùng đường uống, tiêm. Theo

Hiệp Định mỹ phẩm của Châu Âu cũng đã từng khuyến cáo sudan

không được dùng trong mỹ phẩm (trừ sản phẩm trên tóc). Hiện nay việc sử

dụng sudan trong thực phẩm bị cấm.

Tuy nhiên, do tạo màu sắc đẹp giá thành lại thấp nên sudan thường bị

sử dụng trái phép trong thực phẩm. Ví dụ tạo màu cho các sản phẩm chiên rán

(cánh gà, thịt quay,…), tạo màu cho các loại quả (chery, đào,…) và đặc biệt

là tạo màu trong các sản phẩm liên quan tới ớt (ớt bột, tương ớt, bột cà ry,…).

Ở Việt Nam, cuối tháng 1/2007, theo kết quả kiểm nghiệm, có 9/18 mẩu

trứng mua tại chợ Sài Gòn có sự hiện diện của sudan I và Sudan IV dưới

nhiều hàm lượng khác nhau thay đổi từ 1.000 đến 20.000 ppb (phần tỷ). Trên

thực tế, sudan có trong trứng gà đã được Việt Nam khám phá từ ngày

23/11/2006 tại Hà Nội, và bột sudan đã được bày bán ngoài thị trường dưới

thương hiệu SRIV nhập cảng từ Trung Quốc. Điều có thể chắc chắn rằng sự

hiện diện của phẩm màu sudan trong thức ăn và trong dạng nguyên chất cũng

đã có ở Việt Nam từ lâu, mà Việt Nam chỉ mới vừa khám phá ra gần đây thôi.

Điều này khiến cho chúng ta cần phải động não để dự phòng cho một nguy cơ

có thể xảy ra cho các thế hệ Việt Nam về sau. Hiện tại, Trung Quốc là một

quốc gia sản xuất bột sudan và đã xuất cảng sang Việt Nam.

Do các lý do trình bày ở trên thì việc phát hiện sudan trong các loại

thực phẩm là một yêu cầu cấp thiết. Cũng như hầu hất các chất hữu cơ khác,

cho tới nay phương pháp chủ yếu là phương pháp sắc ký. Và như đã nói ở

51

trên đây là một phương pháp đắt đỏ, tốn thời gian và vận hành khó. Hiện nay

phương pháp SERS đang được nghiên cứu để hy vọng có thể thay thế với giá

thành thấp hơn nhiều, thời gian kiểm tra mẫu nhanh và vận hành đơn giản.

2.3.3.2. Kết quả

Hình 2.15. Phổ SERS của sudan trong dung dịch chuẩn với các nồng

độ 10 ppb (a) và của sudan trong ớt bột với các hàm lượng khác nhau như

chú thích trên hình được nhỏ lên trên các đế AgNPs@Si chế tạo bằng lắng

52

đọng điện hóa

Trong một nghiên cứu khác chúng tôi đã sử dụng kỹ thuật SERS để

phát hiện sudan II trong tương ớt. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng kỹ

thuật SERS với các đế SERS dạng AgNPs@Si chế tạo bằng lắng đọng điện

hóa để ghi phổ SERS của sudan II trong dung dịch chuẩn và trong ớt bột.

Trên Hình 3.5a là phổ SERS của sudan trong dung dịch chuẩn, so sánh với số

−1

liệu trong tài liệu tham khảo cho thấy đây là phổ của phân tử sudan II với các

−1

dao động đặc trưng tương ứng với các đỉnh: 1594 cm là do dao động kéo

dãn của liên kết N=N; 1225 và 1492 cm dao động kéo dãn của hai vòng

−1

benzen và liên kết C-H trong mặt phẳng uốn của các nhóm chức; 712 và 1375

−1

cm được xác định là dao động kéo dãn của liên kết C-N và C=C trong các

vòng benzen; 984 and 1158 cm là từ dao động của liên kết C-H, OH trong

mặt phẳng uốn và trong các vòng benzen. Các liên kết này hoàn toàn phù hợp

với cấu trúc phân tử của sudan II.

Chúng tôi cũng đã tiến hành ghi nhận sự xuất hiện của sudan II trong ớt

bột bằng kỹ thuật SERS. Để thực hiện nghiên cứu này, đầu tiên chúng tôi tiến

hành trộn sudan II vào trong ớt bột với các hàm lượng khác nhau, sau đó

chúng tôi lấy 10 mg hỗn hợp sudan tương ớt hào vào trong 100 ml dung dịch

aceton/nước. Sau đó 50 µl dung dịch này được nhỏ lên đế SERS và tiến hành

ghi nhận phổ SERS. Kết quả trên hình 3.5b cho thấy có thể ghi nhận được

phổ SERS của sudan trong ớt bột đến hàm lượng 1 mg/kg. Kết quả này cho

thấy hoàn toàn có thể sử dụng kỹ thuật SERS để phát hiện sudan trong ớt bột.

2.4. Kết luận chương

1. Đã nghiên cứu chế tạo được các mảng hạt nano bạc hình cầu trên bề

mặt đế silic phẳng bằng phương pháp lắng đọng điện hóa đồng thời nghiên

cứu điều khiển được kích thước và mật độ các hạt nano bạc thông qua việc

thay đổi các thông số chế tạo. .

3. Đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình thái các mảng AgNPs lên tính

53

chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của chúng. Đối với các mảng hạt

AgNPs@ thì đế SERS tối ưu có thể phân tích được CV với nồng độ dưới 1

ppb. Và đặc biệt là sự đồng đều của tín hiệu SERS trên các điểm khác nhau

của đế SERS dạng AgNPs@Si. Kết quả này mở ra khả năng phân tích định

lượng khi sử dụng loại đế SERS này.

3. Đã nghiên cứu sử dụng đế AgNPs@Si để phát hiện MG trong chè,

Sudan trong ớt bột với nồng độ thấp sử dụng hiệu ứng SERS và thấy rằng, các

54

đế AgNPs/@Si có thể phát hiện MG trong các mẫu chè bán trên thị trường.

KẾT LUẬN

1. Đã nghiên cứu chế tạo được các mảng hạt nano bạc, vàng trên bề

mặt đế silic phẳng bằng phương pháp lắng đọng điện hóa đồng thời nghiên

cứu điều khiển được kích thước và mật độ các hạt nano bạc thông qua việc

thay đổi các thông số chế tạo.

2. Đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình thái các mảng AgNPs cũng

như AuNPs lên tính chất tán xạ Raman tăng cường bề mặt của chúng. Đối với

các mảng hạt AgNPs@Si và AuNPs@Si thì đế SERS tối ưu có thể phân tích

được CV với nồng độ dưới 1 ppb. Và đặc biệt là sự đồng đều của tín hiệu

SERS trên các điểm khác nhau của đế SERS dạng AgNPs@Si. Kết quả này

55

mở ra khả năng phân tích định lượng khi sử dụng loại đế SERS này.