Đại hc Nguyn Tt Thành
1
Tp chí Khoa hc & Công ngh Vol 7, No 3
ng dng vt liu nano bc vàng vi cu trúc lõi v
trong cm biến si quang phát hiện dư lượng thuc bo v thc vt
Nguyễn Trần Trúc Phương1,*, Nguyễn Bảo Trân2,3, Đinh Đức Anh1, Trần Thị Như Hoa2
1Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
2Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
3Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cấu trúc Nano và Phân tử, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
*nttphuong@ntt.edu.vn
Tóm tt
Các bin pháp theo i và kiểm tra ng thuc bo v thc vt trong nông sản đóng
vai trò rt quan trng trong s phát trin ca ngành nông nghip Vit Nam. Trong nghiên
cu này, cm biến sợi quang đã được phát trin da trên nn vt liu nano bc vàng
vi cu trúc lõi v (Ag@Au NPs). Các ht vt liệu Ag@Au NPs được chế to bng
phương pháp khử hóa hc với kích thước ht khoảng 80 nm đưc ph trên lõi ca si
quang thông qua liên kết đặc bit ca Ag, Au vi nhóm NH2. Gii hn phát hin ca
cm biến này th nghim vi thuc th quinalphos đạt 3,043 × 1012 M. Các kết qu
trong nghiên cu này góp phần đặt nn móng cho s phát trin ca cm biến quang hc
trong lĩnh vực nông nghip và nhiều lĩnh vực khác.
® 2024 Journal of Science and Technology - NTTU
Nhn 15/05/2024
Đưc duyt 11/07/2024
Công b
T khóa
cm biến quang hc,
nano bc, nano vàng,
quinalphos, dư lượng,
nông nghip
1 Gii thiu
Trong những m gần đây, sự phát trin nhanh chóng
ca các ngành khoa hc công ngh trong nh vực
chẩn đoán y sinh [1], công nghip thc phm [2], kim
soát ô nhiễm môi trường [3] và phát hin cht cn phân
tích trong sinh hc, hóa hc [4] đã dẫn đến nhu cu
ngày càng cao v cm biến. Do đó, các hướng nghiên
cu mi v công ngh cm biến đã được trin khai
m rộng như cm biến tăng cường hunh quang, cm
biến so màu, cm biến điện tr. Mt trong các công
ngh cm biến đang được quan tâm hin nay cm
biến da trên hiện tượng cộng ng plasmon b mt
(SPR) cộng hưởng plasmon b mt cc b (LSPR)
[5-7]. Vàng (Au), bc (Ag) hai vt liu tiềm năng cho
các ng dng cm biến như cảm biến plasmonics [8], y
sinh hc, quang xúc tác [9], và cm biến hóa hc [10].
Trong đó, vt liu lai Ag Au cu trúc lõi v cho thy
nhiều ưu điểm hơn so với vt liệu đơn thành phần. S
ơng tác b mt tiếp xúc gia 2 vt liu Ag Au
dẫn đến s thay đổi v v trí hình dng của đỉnh
plasmon ca vt liu này so vi vt liệu đơn thành phần.
Da trên t l gia bán kính lõi v th d dàng
điều chnh v trí của đnh plasmon phù hp vi các ng
dng khác nhau.
Hin nay, vic kết hp si quang trong cm biến quang
hc cho thấy ưu điểm trong việc tăng cường độ nhy
biến sợi quang oxy (FOS) có kích thước micromet da
vào quá trình dp tt hunh quang ca thuc nhum
ruthenium trong nn acrylamide ng dng trong phát
hin nồng độ glucose đã được xác định [11]. Mc
phương pháp này thu được thi gian phn hi cc ngn
cùng vi nhng ưu điểm v kích thước cm biến như
d tích hp vào các thiết b di động, lượng mu s dng
thấp, cũng một s nhược điểm như yêu cu v
vic trang b b nhân quang và b đếm photon dẫn đến
giá thành cao. Thêm vào đó, hạn chế ln nht ca phép
thu nh kích thước ca các cm biến quang hc. Cm
https://doi.org/10.55401/c7154p02
28/08/2024
Đại hc Nguyn Tt Thành
Tp chí Khoa hc & Công ngh Vol 7, No 3
đo huỳnh quang các nhãn huỳnh quang thường s
dng các hp cht hữu có đc tính cao và thi gian
tn ti hn chế ca các phân t huỳnh quang. Do đó,
cm biến si quang da trên LSPR mt chiến lược
ci tiến hiu qu để khc phc những nhược điểm này.
Trong nghiên cu này, cm biến si quang s dng vt
liu lai cu trúc lõi v Ag@Au NPs cho thy tiềm năng
phát trin cao ng dụng trong các lĩnh vực nông nghip
phát hiện lượng thuc bo v thc vt vi gii hn
phát hiện đạt được đối vi thuc th quinalphos ti
3,043 × 1012 M. Nhng kết qu này góp phn chng
minh tiềm năng ứng dng ca cm biến quang hc si
quang nhằm đáp ứng nhu cu ngày càng cao ca nhiu
lĩnh vực khác nhau, không ch trong nông nghip.
2 Thc nghim
2.1 Hóa cht
Axit tetracloroauric (III) (HAuCl4, > 99 %), Bc nitrate
(AgNO3, 99 %), (3-Aminopropyl) triethoxysilane
(APTES, 99 %), ethylene glycol (EG, C2H4O2, 99,8 %),
polyvinylpyrrolidone (PVP, Mw ~ 55 000), sodium
sulfide nonahydrate natri sulfide (Na2S.9H2O, > 98 %),
Quinalphos (C12H15N2O3PS) được cung cp bi Sigma
Aldrich (USA). Sodium hydroxide (NaOH, 96 %),
ethanol (EtOH, C2H5OH, 99,8 %) được mua bi
Guangdong Guanghua Sci-Tech Co., Ltd. (China).
Polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow
Corning Co., USA). Sợi quang đa mode (khẩu độ s
0,37, JFTLH-Polymicro Technologies) với đường kính
lõi 200 µm được cung cp bi Thorlabs (USA).
2.2 Các phương pháp phân tích
Ph UV-vis thu được bng máy quang ph UV-vis/
NIR V-730 (JASCO, Tokyo, Japan) dùngc định tính
cht quang hc ca các ht nano bc vàng (Ag@Au
NPs) trong vùng bước sóng (300-1000) nm. Máy đo
nhiu x tia X Bruker D8 Advance vi bc x Cu
= 1,54178 Å) được s dụng để xác định cu trúc tinh
th ca vt liu trong vùng t (35-85) độ. Kính hin vi
điện t quét phát x trường (Hitachi S-4800, Japan)
được s dụng để quan sát hình dạng, kích thước s
phân b của Ag@Au NPs trên đế thy tinh. Ph tán sc
năng lượng tia X (EDX) được thu nhn t máy Hitachi
S-4800 (Japan) được s dng phân tích thành phn
nguyên t. Kính hin vi điện t truyn qua (The JEOL
JEM 2010) vi đin áp gia tốc 200 KV và đ phân gii
điểm 0,19 nm đã đưc s dụng để xác định hình thái và
cu trúc vt liu.
2.3 Chế to vt liu nano Ag@Au NPs
2.3.1 Tng hp dung dch nano bc (Ag NPs)
Dung dch nano bạc (Ag NPs) được tng hp bng
phương pháp khử hóa học theo qui trình được công b
trước đó của nhóm nghiên cu [12]. C th, 90 mg PVP
được thêm vào 15 mL EG cha trong bình cu, sau khi
bình cầu này được gia nhiệt đến 170 °C, 1 mL dung
dch EG cha 96 mg AgNO3 và 70 μL Na2S được thêm
nhanh vào. Sau đó, nh cu phn ng tiếp tục được duy
trì ti nhiệt độ 170 °C trong 100 phút trước khi được
làm nguội đến nhiệt độ phòng. Khuy t đưc thc hin
liên tc vi tốc độ 450 vòng/phút trong sut quá trình
phn ng xy ra. Sau khi dung dịch đưc làm nguội đến
nhiệt độ phòng, các ht trong dung dch s đưc làm
sch bng máy ly tâm ba ln trong dung môi acetone
vi tốc độ 5 000 vòng/phút. Cui cùng, các ht Ag NPs
được phân tán lại trong 30 mL DI lưu tr ti nhit
độ 4 °C.
2.3.2 Tng hp dung dch Ag@Au NPs
Hình 1 Sơ đồ mô tả quá trình tổng hợp vật liệu
Ag@Au NPs
Vt liệu Ag NPs đưc to thêm lp v Au theo qui trình
được mô t như trong Hình 1 c th như sau: đầu tiên,
20 mL dung dịch Ag NPs được thêm vào bình cu
được gia nhiệt đến 80 °C trong điều kin khuy t 100
vòng/phút. Sau đó, 0,8 mL dung dch vi t l khi
ng các thành phn HAuCl4, PVP, H2O được thêm
vào bình cu chứa Ag NPs đã chuẩn b trước đó. Phản
ng tiếp tục được duy trì thêm 10 phút trước khi được
làm ngui t nhiên đến nhiệt độ phòng và được lưu trữ
trong ti ti nhiệt độ 4 °C.
2.4 Chế to lp ph vt liu Ag@Au NPs trên si quang
hc
Lp vt liệu Ag@Au NPs được ph lên b mt lp lõi
ca si quang học theo qui trình sau: đầu tiên, mt phn
si quang hc chiu dài khoảng 1 cm được x tách
b lp v bo v bng máy hàn nhit ti nhiệt độ 350
°C tách b lp v phn x bng dung dch acetone
và ethanol t l 3:1. Sau đó, phần sợi quang đã được x
lý tri qua quá trình biến tính b mt bng oxy plasma
Đại hc Nguyn Tt Thành
3
Tp chí Khoa hc & Công ngh Vol 7, No 3
trong 2 phút đ to nhóm hydroxyl t do trên b mt.
Ngay sau đó, sợi quang tiếp tục được ngâm vào dung
dch APTES 3 % trong 2 gi để to nhóm chc amin
trên b mt. Cui cùng, phn sợi quang đã đưc x
s được ngâm trong dung dch Ag@Au NPs trong thi
gian kho sát (4, 6, 8) gi [4].
2.5 Chế to kênh dn cho cm biến quang hc
Kênh dn bng vt liệu PDMS nơi cha dung dch
chất phân tích được chế to theo qui trình chi tiết như
sau: đầu tiên, PDMS được đóng rắn to khuôn gm mt
kênh dẫn hai đu dn dung dch cn phân tích vào
kênh. Sau đó, bề mt khuôn PDMS lam kính thy
tinh đã được x lý trong môi trường oxy plasma trong
2 phút (để to nhóm chức −OH tự do trên b mặt) được
cho tiếp xúc với nhau để to thành kênh dn vi lng
hoàn chnh, Hình 2 [13].
Hình 2 Qui trình chế to kênh dn vi lng cho cm biến
quang hc.
2.6 Đánh giá khả năng phát hiện quinalphos ca cm
biến quang hc
Hình 3 Sơ đồ mô t h cm biến quang hc.
H cm biến quang học đã thiết lập được t trong
Hình 3 [14] bao gm mt nguồn laser bước sóng 633
nm, mt h thống điều chỉnh cho phép đều chnh laser
đi vào sợi quang, và mt cm biến quang học dùng để
thu nhn tia laser sau khi truyn qua si quang. Ánh
sáng laser t ngun phát s đi qua hệ thống điều chnh
đi vào sợi quang và truyn qua khu vc cm biến, cui
cùng s được thu nhn bng cm biến quang hc.
ờng độ laser được ghi nhận trong 60 giây tương ng
với 60 đim d liu liên tc cho mi nồng độ
quinalphos. Dung dch cht phân tích quinalphos
nồng độ t (0 107) M s được bơm liên tục qua kênh
dn vi lỏng để đánh giá sự biến đổi ca công sut laser
truyn qua si quang theo nồng độ quinalphos.
3 Kết quả và thảo luận
3.1 Tính chất của hạt nano
Hình 4 a) Ph UV-vis ca dung dch Ag NPs và Ag@Au
NPs, b) nh TEM ca Ag@Au NPs.
Kết qu ph UV-vis trong Hình 4a cho thấy bước sóng
hp th cực đại ca dung dch Ag NPs tại bước sóng
427 nm. Sau khi được to thêm lp v Au, bước sóng
hp th cực đại ca dung dch mt s dch chuyn
đỏ sang bước sóng 490 nm, đồng thời đỉnh hp th m
rộng hơn trải dài v vùng bước sóng dài ng với đỉnh
plasmon của Au. Điều này chứng minh được s hình
thành ca thành phn lp v Au trong dung dch. Bên
cạnh đó, không quan sát thấy đỉnh hp th đặc trưng
cho các hạt nano vàng, điều này gián tiếp chng minh
s hình thành vt liệu lai đồng nht không s hình
thành các ht nano vàng riêng l [15]. Vt liu Ag@Au
NPs đã được chng minh cu trúc lõi v thông qua
nh TEM Hình 4b. Các ht Ag@Au NPs dng hình
cầu, kích thước trung bình khoảng 80 nm tương ng vi
độ dày lp v khong 8 nm.
Hình 5 a) Giản đồ nhiu x tia X ca mu Ag NPs và
Ag@Au NPs; b) Ph EDX ca mu Ag@Au.
Cu trúc tinh th ca vt liu Ag NPs và Ag@Au NPs
được quan sát t giản đồ XRD trong Hình 5a. Mu Ag
NPs cho thấy các đỉnh nhiu x đặc trưng của Ag ti
góc theta 38° 44° tương ng vi các mt mng (111),
(200) [16]. Đối vi mu Ag@Au NPs ch quan t thy
một đỉnh nhiu x đặt trưng của Ag Au ti 38° (so
Đại hc Nguyn Tt Thành
Tp chí Khoa hc & Công ngh Vol 7, No 3
sánh vi ph chun ca Au Ag t ngân hàng d liu
RRUFF). Việc không quan sát được các đỉnh nhiu x
khác ca Ag, Au ngoi tr đỉnh nhiu x 38° th
do lp v Au quá mng khoảng 8 nm (đo t nh
TEM) nên ch có th quan sát được dưới dng một đỉnh
nhiu x ti 38°. Tht vy, chúng tôi tham kho so
sánh vi các tài liu nghiên cu khác, các ht vt liu
lai Agcore - Aushell cho thấy các đỉnh nhiu x XRD
ờng độ thấp hơn nhiều ln so vi các vt liệu Ag đơn
lẻ, c đnh nhiu x khác hầu như không nhìn thấy
được ngoi tr đỉnh 38°[17]. Kết qu ph EDX được
trình bày trong Hình 5b, kết hp vi kết qu TEM
(Hình 4b) đã chứng minh s hình thành ca cu trúc lai
hóa lõi v ca hai vt liu Ag và Au.
3.2 Tính cht ca lp ph Ag@Au NPs trên si quang
hc
Hình 6 Ảnh SEM của lớp phủ Ag@Au NPs trên nền SiO2
theo thời gian (4, 6, 8) giờ.
nh SEM ca lp ph Ag@Au NPs trên đế thy tinh
theo thi gian (4, 6 và 8) gi tương ứng, lần lượt trong
Hình 6, cho thy s phân b các ht Ag@Au NPs trên
b mt cm biến. Như quan sát trong Hình 6a, các ht
Ag@Au NPs ti thi gian ngâm 4 gi độ bao ph b
mt thp, nhiu khong trng trên b mặt đế đưc quan
sát thy trong khi hai mẫu tương ng vi thi gian
ngâm 6 gi và 8 gi (Hình 6b, c) các ht Ag@Au NPs
bao ph vi mật độ cao hơn. Nhiều nghiên cu chng
minh khong cách gia các ht Ag@Au NPs trên b
mt cm biến (nano gap) ảnh hưởng lớn đến cường độ
plasmon sinh ra [18]. Do đó, điều kin chế to lp ph
thi gian ngâm 6 gi đưc la chọn để tối ưu hóa hiệu
sut và thi gian chế to cm biến.
3.3 Đánh giá khả năng phát hiện quinalphos ca h cm
biến
Cm biến quang hc sợi quang đưc th nghim vi
thuc th quinalphos t nồng độ 1012 M đến 5 × 107
M vi kết qu trình bày trong Hình 7 cho thấy năng
ợng đầu ra gim phi tuyến khi nồng độ quinalphos
tăng dần. H thng cm biến da trên s thay đổi cường
độ ánh sáng đầu ra do s thay đổi ch s khúc x ca
dung dch cht phân tích theo các nồng độ khác nhau.
Ch s khúc x mt trong nhng yếu t dẫn đến s
thay đổi điều kin cộng hưởng LSPR nguyên nhân
chính gây ra s thay đổi đáng k tín hiệu đầu ra.
Hình 7 S ph thuc ca công suất quang đầu ra theo
nồng độ quinalphos trên nn vt liu Ag@Au NPs.
Khi nồng độ quinalphos được bơm qua kênh dẫn vi
lỏng tăng lên, số ng phân t quinalphos hp th lên
b mt cm biến ca cm biến sợi quang cũng tăng lên
[19]. Điều này gây ra những thay đổi trong điu kin
cộng hưởng plasmon. Bi s ợng dao động hp th
trên một đơn v th tích tăng lên gây ra sự tn thất năng
lượng ánh sáng khi nó truyn qua si quang. Ngoài ra,
s ợng dao động hp th t l thun vi nồng độ các
phân t gn trên b mt cm biến ca si quang. vy,
công sut truyn quang b suy gim khi nồng độ
quinalphos tăng lên. Cụ th, khi nồng độ quinalphos
tăng từ (0 107) M thì tín hiệu đầu ra giảm 40 µW. Đó
là hiu ng plasmonic ca s tn thất năng lượng được
tăng cường bi nhiu phn x ánh sáng dn dc theo lõi
ca cm biến sợi được ph Ag@Au NPs [20]. Gii hn
phát hin (LOD) ca quinalphos tính toán đạt 3,043 ×
1012 M. Kết qu này tạo cơ sở nn cho vic phát trin
ng dng cm biến quang hc trong vic phát hin
và theo dõi cht phân tích ti nồng độ thp. Cm biến
quang học được đề xut trong nghiên cu này cho thy
s ci thin rõ rt v LOD so vi mt s cm biến được
báo cáo trước đó như trong báo cáo ca Pang c
cng s [21], vi nghiên cu phát trin thiết b da trên
si nano tng hp vi lng và luminol có kh năng điều
khiển đạt LOD là 0,035 mg/L trong thi gian phn hi
là 30 giây. Trong mt nghiên cu khác, vt liu cacbon
quantum dot được kết hp với UiO−66−NH2 da trên
bt tt huỳnh quang đạt LOD 0,3 nM trong khong
Đại hc Nguyn Tt Thành
5
Tp chí Khoa hc & Công ngh Vol 7, No 3
(0-16) μM [22]. Có thể thy cm biến quang hc đang
dn chng minh s thng tr trong lĩnh vc cm biến
với độ nhy cao và kh năng đáp ng các yêu cu ngày
càng tăng về độ nhạy trong các lĩnh vực khác nhau.
4 Kết lun
Nghiên cứu này đã tổng hp thành công vt liu
Ag@Au NPs bằng phương pháp khử hóa hc ng dng
trong cm biến quang hc ng dng trong phát hin
cht hữu quinalphos tại nồng độ thp. Vt liu
Ag@Au NPs đưc tng hp dng hình cu vi cu
trúc lõi v kích thước khoảng 80 nm được chng
minh qua nh ảnh TEM. Đồng thi, các nh cht v
cu trúc tinh th, tính cht quang ca vt liệu cũng được
chng minh qua các kết qu phân tích XRD, UV-
vis. Cm biến quang hc sợi quang đưc chế to thành
công s dng vt liu PDMS làm kênh dn dung dch
cht phân tích vi ph lp vt liu Ag@Au NPs,
LOD đt 3,043 × 1012 M. Kết qu này được đánh giá
cao trong kh năng phát hiện quinalphos so vi mt s
các cm biến đã được nghiên cứu và báo cáo trước đó.
Đây một trong nhng sở to tiền đề cho nhng
nghiên cu phát trin ng dụng, đáp ứng nhu cu trong
các lĩnh vực khác nhau.
Li cảm ơn
Nghiên cứu được tài tr bi Qu Phát trin Khoa hc
và Công ngh − Đại hc Nguyn Tất Thành, mã đề tài
2024.01.28/HĐ-KHCN.
Tài liu tham kho
1. G. Rong, S. R. Corrie, and H. A. Clark. (2017). In vivo biosensing: progress and perspectives. ACS Sensors, 2,
327-338, doi: 10.1021/acssensors.6b00834.
2. D. SHANKARAN, K. GOBI, and N. MIURA. (2006). Recent advancements in surface plasmon resonance
immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest. Sensors and
Actuators B: Chemical, 121, 1, doi: 10.1016/j.snb.2006.09.014.
3. E. Mauriz, A. Calle, A. Abad, A. Montoya, A. Hildebrandt, D. Barceló, & L. Lechuga. (2006). Determination
of carbaryl in natural water samples by a surface plasmon resonance flow-through immunosensor, Biosensors and
Bioelectronics, 21, 11, 2129-2136, doi: 10.1016/J.BIOS.2005.10.013.
4. V. T. Huong, N. T. T. Phuong, N. T. Tai, N. T. An, V. D. Lam, D. H. Manh et al. (2021). Gold Nanoparticles
Modified a Multimode Clad-Free Fiber for Ultrasensitive Detection of Bovine Serum Albumin. Journal of
Nanomaterials, 12356, doi: 10.1155/2021/5530709.
5. J. Homola. (2003). Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Analytical and Bioanalytical
Chemistry, 377, 3, 528-539, doi: 10.1007/s00216-003-2101-0.
6. K. Yoshimoto, M. Nozawa, S. Matsumoto, T. Echigo, S. Nemoto, T. Hatta, & Y. Nagasaki. (2009). Studies on
the adsorption property and structure of polyamine-ended poly(ethylene glycol) derivatives on a gold surface by
surface plasmon resonance and angle-resolved X-ray photoelectron spectroscopy. Langmuir: the ACS Journal of
Surfaces and Colloids, 25(20), 12243-12249. doi: 10.1021/la901143h.
7. J. Homola, S. S. Yee, and G. Gauglitz. (1999). Surface plasmon resonance sensors: review. Sensors and
Actuators B: Chemical, 54, 3 15. doi: 10.1016/S0925-4005(98)00321-9.
8. H. Liu, T. Liu, L. Zhang, L. Han, C. Gao, and Y. Yin. (2015). Etching-Free Epitaxial Growth of Gold on Silver
Nanostructures for High Chemical Stability and Plasmonic Activity. Advanced Functional Materials, 25, 34, 5435-
5443, doi: 10.1002/adfm.201502366.