Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường

Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang hóa trên nền sợi quang để ứng dụng phát hiện một số hóa chất độc hại trong môi trường.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM THANH BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG-HĨA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM THANH BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG-HÓA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật liệu Quang học, Quang điện tử Quang tử Mã sỗ: 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Văn Hội PGS TS Bùi Huy Hà Nội – 2023 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Hội PGS.TS Bùi Huy, thầy tận tình bảo, tạo thuận lợi định hướng cho em tư khoa học trình thực luận án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lãnh đạo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn cán Bộ phận đào tạo sau đại học, Lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện cho thực tốt đề tài nghiên cứu Tôi xin cảm ơn cô chú, anh chị em đồng nghiệp Phòng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi ln ln hỗ trợ, khích lệ, động viên công việc sống Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Vũ Đức Chính, TS Nguyễn Văn Chúc, TS Nguyễn Thúy Vân TS Hoàng Thị Hồng Cẩm, PGS.TS Phạm Văn Hải, TS Đỗ Thùy Chi giúp đỡ, động viên thực tốt đề tài nghiên cứu Cuối tơi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân động viên, chia sẻ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập cơng tác Tác giả luận án NCS Phạm Thanh Bình LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thực hướng dẫn hai thầy giáo PGS TS Phạm Văn Hội PGS TS Bùi Huy hợp tác với đồng nghiệp Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố luận án khác Tác giả luận án NCS Phạm Thanh Bình DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AgNPs Ag nanoparticles Các hạt nano bạc AgNDs Ag nano-dendrites Các cành nano bạc ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát khuếch đại AuNPs Au nanoparticles Các hạt nano vàng AuNPs/AgNDs Au nanoparticles/ Ag nanodendrites Các hạt nano vàng phủ cành nano bạc BVTV Bảo vệ thực vật CM Chemical enhancement mechanism đ.v.t.y Cơ chế tăng cường hóa học Đơn vị tùy ý EF Enhancement factor Hệ số tăng cường EM Electromagnetic enhancement mechanism Cơ chế tăng cường điện từ EDX Energy dispersive X-ray spectrometer Phổ tán xạ lượng tia X FBG Fiber Bragg grating Cách tử Bragg sợi quang FE-SEM Field emission scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FOM figure of merit Hệ số phẩm chất FOS Fiber-optic sensor Cảm biến quang sợi LOD Limit of detection Giới hạn phát LSPR Localized surface Plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ LPG Long Period Grating Cách tử có chu kỳ dài NA Numerical Aperture Khẩu độ số OSA Optical Spectrum Analyzer Thiết bị phân tích phổ quang PCF Photonic Crystal Fiber Sợi quang tinh thể quang tử R6G Rhodamine 6G Chất màu Rhodamine 6G RI Refractive index Chỉ số chiết suất RIU Refractive index unit Đơn vị số chiết suất SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SERS Surface enhanced Raman scattering Tán xạ Raman Tăng cường bề mặt SMS Singlemode fiber-Mutilmode fiber-Singlemode fiber Cấu trúc sợi đơn mode-đa mode-đơn mode SPR Surface Plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TE Transverse Electric Điện trường ngang TFBG Tilted Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang có chu kỳ nghiêng TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TIR Total Internal Reflection Phản xạ nội toàn phần MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .iii MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix DANH MỤC CÁC BẢNG xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG .5 1.1 Khái niệm sợi quang 1.1.1 Cấu trúc sợi quang 1.1.2 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang 1.1.3 Một số thông số sợi quang 1.2 Cảm biến sợi quang (Fiber-optic sensor: FOS) 1.2.1 Phân loại cảm biến sợi quang .10 1.2.2 Những thông số đánh giá chất lượng cảm biến 14 1.3 Sợi quang ứng dụng cảm biến quang-hóa .17 1.3.1 Cảm biến quang sợi dựa kỹ thuật sóng trường gần .17 1.3.2 Một số loại cảm biến quang-hóa sợi quang dựa kỹ thuật sóng trường gần…… 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG 25 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CẢM BIẾN QUANG-HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON .26 2.1 Cảm biến quang-hóa dựa FBG 26 2.1.1 Tổng quan FBG 27 2.1.2 Ứng dụng cách tử Bragg sợi quang lĩnh vực cảm biến 33 2.1.3 Cảm biến quang hóa dựa FBG 38 2.2 Cảm biến quang hóa dựa vào hiệu ứng cộng hưởng Plasmon cấu trúc nano kim loại định xứ bề mặt sợi quang 40 2.2.1 Hiệu ứng plasmon 40 2.2.2 Cảm biến quang hóa sợi quang dựa hiệu ứng cộng hưởng plasmon 42 2.2.3 Cảm biến quang hóa dựa hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt 44 2.2.4 Các dạng đế SERS 47 2.2.5 Đế SERS quang sợi 49 2.2.6 Các thông số đánh giá chất lượng đế SERS 52 2.2.7 Tình hình nghiên cứu cảm biến SERS Việt Nam 53 KẾT LUẬN CHƯƠNG 56 CHƯƠNG CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BẰNG VIỆC TÍCH HỢP D-FBG TRONG CẤU HÌNH LASER SỢI VỚI CẤU TRÚC GƯƠNG VÒNG 57 3.1 Chế tạo cảm biến quang hóa sợi quang dựa FBG 57 3.1.1 Phương pháp ăn mịn hóa học 57 3.1.2 Khảo sát đặc tính cảm biến e – FBG: .62 3.1.3 Phương pháp mài mòn học 64 3.1.4 Khảo sát đặc tính cảm biến D – FBG .66 3.2 Phát triển cảm biến quang hóa sợi quang dựa cảm biến D - FBG tích hợp cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng 68 3.2.1 Cấu trúc cảm biến 68 3.2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến .69 3.2.3 Khảo sát đặc tính cảm biến quang hóa dựa vào cảm biến D-FBG tích hợp cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng (loop-mirror) 70 KẾT LUẬN CHƯƠNG 75 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ĐẾ SERS SỢI QUANG VỚI CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG/NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÁC LASER BÁN DẪN 76 4.1 Chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với cấu trúc nano-Ag 76 4.1.1 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ hóa chất: 76 4.1.2 Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với cấu trúc nanoAg phương pháp quang-hóa với hỗ trợ chùm laser 532 nm 77 4.1.3 Khảo sát hình thái học đế SERS sợi quang dạng phẳng với cấu trúc nano-Ag 79 4.1.4 Khảo sát tính chất đế SERS sợi quang phẳng với cấu trúc nano Ag.84 4.2 Chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành 91 4.2.1 Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị hóa chất: 91 4.2.2 Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/ Ag dạng cành phương pháp quang-hóa có hỗ trợ hai laser 532 nm 650 nm 92 4.2.3 Khảo sát hình thái học đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành 94 4.2.4 Khảo sát tính chất đế SERS với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành đầu vi cầu 98 KẾT LUẬN CHƯƠNG .105 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CẢM BIẾN QUANG HÓA DỰA TRÊN NỀN 106 SỢI QUANG ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI 106 TRONG MÔI TRƯỜNG 106 5.1 Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa FBG để phân tích nitrate số dung mơi hữu môi trường lỏng 106 5.1.1 Ứn g dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa e-FBG tích hợp cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vịng để phân tích nitrate môi trường lỏng106 5.1.2 Ứng dụng cảm biến quang hóa dựa D-FBG tích hợp cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vịng để phân tích số dung môi hữu 108 5.2 Ứng dụng đế SERS sợi quang với cấu trúc nano AgNDs AuNPs/ AgNDs để phân tích số chất bảo vệ thực vật 110 5.2.1 Ứn g dụng đế SERS sợi quang phẳng với cấu trúc AgNDs để phân tích chất BVTV Permethrin 110 5.2.2 Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AgNDs để phân tích chất BVTV Dimethoate 115 5.2.3 Ứn g dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AuNPs/AgNDs để phân tích chất 117 BVTV Fention Cypermethrin