Nghiên cứu chế tạo đế tăng cường năng lượng tín hiệu raman (sers) dựa trên hiệu ứng plasmon của hạt nano bạc được chế tạo bằng phương pháp hóa học

Ngành: Công Nghệ Vật Liệu Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo đế tăng cường tín hiệu Raman SERS dựa trên hiệu ứng plasmon của hạt nano bạc được chế tạo bằng phương pháp hóa học Họ và t

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tổng quan tình hình nghiên cứu đế SERS

Không chỉ được sử dụng trong việc nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, phương pháp phân tích phổ tán xạ Raman còn được áp dụng ở nhiều lĩnh vực khác để kiểm tra các chất và hợp chất trong nhiều vật thể khác nhau Ví dụ như từ các sản phẩm xây dựng, cổ vật, đá quý, thuốc tân dược cho đến các chất ma túy hay cả trong thực phẩm…

Vì ứng dụng rộng rãi như vậy nên các máy quang phổ Raman cũng đa dạng hơn về chủng loại từ các loại cầm tay nhỏ gọn hướng tới người dùng cơ bản tới các hệ đa năng có độ chính xác cao Năm 2017, tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổ chức hội thảo “ứng dụng phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) trong an toàn vệ sinh thực phẩm” Các nhà khoa học thống nhất rằng hiệu ứng SERS đáp ứng đầy đủ các tiêu chí để có thể phát triển thành một phương pháp phân tích nhanh dư lượng các chất độc hại trong thực phẩm

Các nhà khoa học tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Quang Liêm đã khảo sát các thông số cho quá trình chế tạo hạt nano Ag trên phiến Si bằng kỹ thuật ăn mòn hóa học và ứng dụng hiệu ứng SERS để xác định chất hữu cơ xanh malachite ở nồng độ 10-7 M [1]

GS Lê Anh Tuấn, TS Vũ Ngọc Phan (Trường Đại học Phenikaa) và TS Lê Thị Tâm (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã đưa ra một số nghiên cứu trong tổng hợp quang hóa tinh thể Ag trên hạt từ MnFe2O4 và vật liệu composite hạt nano Ag/ống nano cacbon xác định chất hữu cơ xanh metylen sử dụng hiệu ứng SERS [2][3] Gần đây nhóm nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt nhằm phân tán hạt nano bạc trên bề mặt tấm graphene oxit tạo thành vật liệu cảm biến

SERS trong phân tích thuốc nhuộm hữu cơ xanh methylen và thuốc trừ sâu tricyclazole [4]

Có thể thấy hầu hết các nghiên cứu trong nước vào thời điểm hiện nay chú trọng vào phát triển quy trình chế tạo vật liệu plasmonic cấu trúc nano bằng phương pháp vật lý hoặc kết hợp với hóa lý Tuy nhiên, phương pháp vật lý đòi hòi nhiều thiết bị đặc chủng, tinh vi và có điều kiện làm việc khắt khe, do vậy, đế SERS tạo được bằng kỹ thuật vật lý thường khá đắt tiền và số lượng không nhiều sau mỗi lần chế tạo

Tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai đã có nhiều nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc nano có hiệu ứng plasmonics như nano Au và nano Ag bằng phương pháp hóa học có khả năng làm chất nền cho phép đo SERS [5] [6] Những ưu điểm nổi bật của phương pháp chế tạo hóa học có thể kể đến như: thời gian tổng hợp nhanh, quy trình tương đối đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị quá phức tạp, số lượng mẫu tổng hợp được thường khá nhiều và có thể tổng hợp được các dạng cấu trúc nano đặc biệt với nhiều góc-cạnh

Các cấu trúc nano bạc hình cầu với kích thước khác nhau và nano bạc hình que cũng đã được nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Thị Tuyết Mai chế tạo thuận lợi bằng phương pháp hóa học Kết quả nghiên cứu cho thấy thông qua phổ SERS sử dụng đế trên cơ sở các hạt nano plasmonics chế tạo bằng phương pháp hóa học có độ tin cậy cao, tiện dụng, với độ lặp lại tốt (hình 1-1) Do đó, tác giả cho rằng sử dụng phương pháp hóa học trong chế tạo đế SERS là một giải pháp khả thi hơn cả khi muốn ứng dụng các phép phân tích hóa và sinh học

Hình 1.1: (a) Các phổ SERS của Rhodamine B ở các nồng độ khác nhau sử dụng đế có nano Ag hình cầu và (b) đồ thị mô tả mối quan hệ giữ cường độ của đỉnh

Raman của Rhodamine theo nồng độ [6]

Hiện tượng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) là sự tăng cường độ tín hiệu phổ tán xạ Raman của phân tử chất phân tích lên gấp nhiều lần (từ 10 3 đến 10 6 lần, hoặc thậm chí có thể lên tới 10 14 lần ở một số đối tượng cụ thể)

Nhóm nghiên cứu của tác giả Yuxia Fan từ trường hai trường đại học Shanghai Ocean và Washington đã áp dụng kĩ thuật tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) cùng với các phương pháp đo hóa học đã được áp dụng để phân tích định lượng của thuốc trừ sâu carbaryl trong táo Mức thấp nhất có thể phát hiện được đối với carbaryl trong táo là 0,5 g.g-1 , đủ nhạy để xác định táo bị nhiễm carbaryl trên mức dư lượng tối đa Nghiên cứu này chứng minh rằng SERS có khả năng định lượng thuốc trừ sâu carbaryl trong nền thực phẩm phức tạp một cách đáng tin cậy [7]

Nhà khoa học Yixuan Li cùng nhóm nghiên cứu của mình đã tích hợp hai phương pháp đó là phân tách miễn dịch và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) để phát hiện melamine trong sữa Giới hạn phát hiện có thể thấp tới 0,79.10-3 nmol/L Quá

6 trình phân tích tổng thể có thể hoàn thành trong 20 phút, do đó, đây là một kỹ thuật có hiệu suất cao để sàng lọc melamine trong các mẫu sữa [8]

Việc chế tạo thành công vật liệu nano plasmonics là yếu tố quyết định hình thành các linh kiện cảm biến (sensor) có hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (đế SERS) khi các phân tử của chất cần phân tích được hấp phụ trên đó Phụ thuộc vào đối tượng cần phân tích và dạng hình thái cấu trúc trên đế SERS mà cường độ tín hiệu Raman của phân tử cần phân tích có thể được tăng lên đến 10 14 lần Do đó việc chế tạo thành công một đế SERS cần đảm bảo yêu cầu: một là có khả năng tăng cường tín hiệu SERS cao, hai là có độ đồng nhất và ổn định và ba là có độ lặp lại tốt Trước đây, vật liệu nano plasmonics cho phép đo SERS thường được chế tạo bằng các phương pháp vật lý như bốc bay, ăn mòn laser… với lợi thế về sự đồng nhất trong hình thái cấu trúc và ổn định trong các phép đo Tuy nhiên, hiện nay các phương pháp hóa học để tổng hợp vật liệu nano plasmonics đang là xu hướng do thời gian chế tạo nhanh chóng, số lượng lớn, giá thành hợp lý và thích hợp trong triển khai ứng dụng.

Tổng quan hạt nano kim loại

Vật liệu nano là loại vật liệu trong đó có ít nhất một chiều ở kích thước nanomet (1nm = 10 -9 m) Các tính chất đặc biệt của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng ở mức nanomet, đạt đến kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường Tùy thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu, kích thước của vật liệu nano trải dài trong khoảng từ vài nanomet đến vài trăm nanomet và đây cũng là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu Xét theo hình dáng vật liệu, ta có thể phân thành những loại sau:

- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do cho điện tử) Ví dụ hạt nano, …

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử tự do chỉ trên một chiều còn lại Ví dụ ống nano, dây nano, …

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều còn lại tự do Ví dụ các loại màng mỏng

Ngoài các loại trên cũng còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nanomet hay cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau Các hạt nano kim loại Các đặc điểm tính chất khác biệt của vật liệu nano và các vật liệu khối chủ yếu dựa vào hai hiệu ứng:

- Hiệu ứng bề mặt: Khi vật có kích thước nhỏ thì tỉ số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng (gọi là tỉ số f) Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác với các nguyên tử trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử trên bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng Khi kích thước vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại

- Hiệu ứng kích thước tới hạn: Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất của vật liệu khối Các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của vật liệu đó bị thay đổi hoàn toàn Vật liệu nano có tính chất khác biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu Như phần trên, hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác so với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao điển hình trong khóa luận này chúng ta sẽ nói đến tính chất quang của vật liệu nano như vàng, bạc… để ứng dụng tạo đế SERS

Tính chất quang học của hạt nano như vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có các điện tử tự do có thể chuyển động khi chúng tương tác với ánh sáng Thường thì các chuyển động này nhanh chóng bị tắt bởi các hạt rối loạn trong kim loại hoặc do các điểm mạng tinh thể Nhưng khi kích thước của các hạt kim loại rất nhỏ, các chuyển động này không bị tắt mà tạo ra sự tương tác mạnh mẽ với ánh sáng Tính chất quang của các hạt kim loại nhỏ này được tạo ra từ sự chuyển động tập thể của các điện tử trong hạt, do tác động của ánh sáng.Khi các điện tử bắt đầu chuyển động như vậy, chúng sẽ chia lại trong hạt kim loại, tạo ra một sự phân cực điện, giống như việc các cực nam và bắc trong nam châm Vì vậy, sẽ có một tần số cộng hưởng xuất hiện, có thể thay đổi tùy theo nhiều yếu tố, như hình dáng và kích thước của hạt kim loại và môi trường xung quanh Ngoài ra, cách các hạt kim loại được sắp xếp trong thủy tinh cũng ảnh hưởng đến tính chất quang của chúng.

Tổng quan về nano bạc

Bạc là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn- ký hiệu Ag, có số nguyên tử 47 thuộc phân nhóm IB và khối lượng phân tử là 107,868 (đơn vị C) Cấu hình điện tử [Kr]4d 10 5s 1 , nguyên tử Ag có năng lượng ở hai mức 4d và 5s xấp xỉ nhau nên có sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s, điện tử của Ag có thể dịch chuyển về cả hai trạng thái này nhưng phổ biến nhất là trạng thái oxy hóa +1 Trong tự nhiên, Ag tồn tại hai dạng đồng vị bền là 107 Ag (52%) và 109 Ag (48%) Bạc là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, có tính mềm, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất trong các nguyên tố Bạc không tan trong nước, môi trường kiềm nhưng có khả năng tan trong một số axit mạnh như axit nitric, axit sunfuric đặc nóng …

Nano bạc hay còn có tên gọi khác là Nano Silver, là những hạt bạc có kích thước nano (1 nanomet = 1 phần tỷ mét) Công nghệ nano sẽ giúp chia nhỏ các phân tử bạc ở kích thước nhỏ nhất (nanomet), qua đó làm tăng diện tích bề mặt của bạc Các hạt bạc sau khi đã chuyển sang dạng ion nano (Ag+) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống con người

1.3.2 Các phương pháp chế tạo

Tính chất của hạt nano bạc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình dáng, kích thước và mật độ phân bố kích thước hạt Do đó để kiểm soát tốt tính chất của vật liệu, nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển Hạt nano được tổng hợp theo hai hướng: một là từ các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành hạt nhỏ, rồi kết tụ lại tạo ra hạt lớn hơn (gọi là bottom-up) Còn lại là từ một vật liệu khối lớn rồi phân tách ra thành các hạt nhỏ có kích thước nano (gọi là top-down) Tùy theo phương pháp tiến hành ta có thể chia thành phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp sinh học

Nguyên tác chính của phương pháp này là chuyển electron lên ion Ag + để đưa ion về nguyên tử Ag 0 Các nguyên tử Ag 0 này kết tự với nhau tạo thành hạt Ag có kích thước lớn hơn Với phương pháp này, các chất sử dụng như nguyên liệu đầu vào chứa ion Ag + như Ag2SO4, AgNO3, hay AgClO4 và các chất khử như borohydride, ascorbic acid, glucose, ethylene glycol hay một số dung dịch chiết từ cây

Hình 1.2: Sơ đồ quá trình hình thành hạt nano Ag: (1) khử, (2) kết tụ, (3) bền tạm thời, (4) tụ lại ở trạng thái bền [9]

Sự hình thành hạt nano Ag diễn ra theo trình tự từ ion Ag + đến nguyên tử Ag 0 rồi kết tụ lại tạo ra hạt Ag có kích thước vài nanomet như hình 1 Nếu trong dung dịch không có tác nhân bao bọc thì các hạt nhỏ sẽ liên kết với nhau tạo thành hạt lớn hơn và tách khỏi dung dịch Để duy trì dung dịch nano Ag ta cần sử dụng các chất làm bền thông thường là các chất hoạt động bề mặt như polyvinyl-pyrrolidone[10], polyvinyl-alcohol [11] hay ion BH4 - [12] Các nhóm chất này đóng vai trò như một lớp vỏ bọc ngăn cản đi sự kết dính của các hạt Ag, làm cho dung dịch Ag bền trong thời gian dài hơn

Phương pháp khử khóa học có ưu điểm là dễ thực hiện, chi phí thấp, hiệu suất tổng hợp khá cao tuy nhiêm phương pháp này cần sử dụng các hóa chất độc hại, có thể gây ô nhiễm môi trường như NaBH4 Nhằm hạn chế sử dụng các hóa chất độc hại, những năm gần đây các chất khử dần được thay thế bằng các hóa chất thân thiện môi trường hơn như glucose, ascorbic acid [13], tinh bột [14], enzyme [15] Tuy nhiên để sản suất quy mô công nghiệp của các phương pháp này rất khó do các chất này thường có tính khử yếu nên hiệu suất thấp, chứa nhiều tạp chất nên dung dịch

Ag thu được không có độ tinh khiết cao

Hình 1.3: Cấu tạo cơ bản của hệ bốc bay nhiệt [16]

Nano Ag có thể được tổng hợp theo các phương pháp bốc bay nhiệt (thermal evaporation), phương pháp ăn mòn laser (laser ablation) hay chiếu xạ tia gamma Với phương pháp bốc bay nhiệt, kim loại Ag được nâng lên nhiệt độ cao và bay hơi Các phân tử Ag tách khỏi hạt kim loại lớn, thoát ra môi trường xung quanh và bám dính lên vật liệu đế cần phủ Hạt Ag thu được theo phương pháp này thường có kích thước khoảng 10 – 20nm

Phương pháp này sử dụng các vi khuẩn, nấm, tảo để tổng hợp tạo ra hạt Ag Ưu điểm của phương pháp này là thân thiện môi trường, đơn giản, chi phí thấp Nguyên lý dựa trên phương pháp khử, các protein của vi khuẩn có khả năng đưa ion Ag + về trạng thái nguyên tử tạo tâm kết tinh, phát triển và tạo hạt Ag Để thực hiện phương pháp này cần phải nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường có nhiều ion Ag + Đối với nấm, cơ chế tổng hợp nano Ag dựa trên khả năng khử của enzyme do nấm tạo ra Khi ở trong môi trường chứa nhiều ion Ag + , các ion này sẽ bám lên tế bào nấm nhờ

12 vào lực hút tĩnh điện giữa màng tế bào tích điện âm và ion Ag + tích điện dương Các enzyme trên màng tế bào sẽ khử ion Ag + để tạo nguyên tử và từ đó tạo ra hạt nano

Ag Với phương pháp sinh học này khó cho việc đạt được khối lượng lớn nano Ag nên khả năng sản xuất quy mô công nghiệp rất thấp so với phương pháp vật lý và hóa học

1.3.3 Ứng dụng nano bạc

Bạc dưới dạng kim loại hoặc dung dịch bạc nitrat (AgNO3) được sử dụng để xử lý các vết thương và vết loét từ cách đây hàng trăm năm Tuy nhiên, khi xử lý vết thương bằng nano bạc, thời gian lành thương đã giảm đi đáng kể, vì nano bạc vừa có khả năng diệt khuẩn, vừa có khả năng kháng viêm Nano bạc nổi bật nhất với khả năng diệt khuẩn với nhiều ứng dụng từ y sinh như điều trị vết thương, làm sạch răng miệng, ngăn khử mùi,… đến các ứng dụng trong xử lý môi trường, dệt may và công nghiệp thực phẩm nano bạc diệt vi khuẩn bằng nhiều cách như thay đổi cấu trúc màng tế bào, tương tác với nhóm sulfhydryl của protein, bất hoạt enzyme hô hấp, thay đổi cấu trúc DNA của vi khuẩn

Chúng ta biết rằng, quang phổ tán xạ Raman thường được dùng để nhận biết các nguyên tố hóa học do các nguyên tố khác nhau sẽ phản xạ lại ánh sáng ở các bước sóng khác nhau (gọi là phổ), do vậy bạc thường được sử dụng để tăng cường tín hiệu của loại phổ này Để tăng cường tín hiệu phổ Raman của các phân tử sinh học, nano bạc được gắn vào các đối tượng cần quan sát Nhờ đó, người ta phát hiện được chi tiết tới phân tử protein, urea, trình tự DNA, RNA trong máu, và đây là công nghệ đầy triển vọng giúp chẩn đoán và phát hiện sớm các tế bào ung thư Với cơ chế tương tự, việc sử dụng nano bạc để tăng cường tín hiệu phổ Raman còn có thể rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực khác như khoa học vật liệu, phát triển thuốc, phân tích thực phẩm, phân tích môi trường [17], …

Tán xạ raman

1.4.1 Giới thiệu quang phổ raman

Các nhà vật lý từ đầu thế kỷ 20 đã suy đoán rằng bức xạ bị tán xạ bởi phân tử không chỉ chứa photon giống tần số ánh sáng tới mà còn có photon có tần số bị thay đổi Đến năm 1982 suy đoán này đã được chứng minh là đúng bởi thí nghiệm tán xạ ánh sáng trên chất lỏng Benzen do nhà vật lý Ấn Độ CV Raman thực hiện và từ đó hiện tượng tán xạ này được gọi là tán xạ Raman

Quang phổ Raman dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của các photon nên có thể nói tán xạ Raman là hiện tượng tán xạ không đàn hồi của một sóng điện từ với vật chất Sự khác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ sẽ tương ứng với năng lượng dao động của phân tử hoặc dao động trong mạng tinh thể Quang phổ Raman thường sử dụng một tia laser trong dải tử ngoại đến hồng ngoại để tương tác với các dao động phân tử, nguyên tử trên bề mặt vật liệu Sự tương tác này dẫn đến năng lượng của các photon laser bị dịch chuyển lên hoặc xuống và sự dịch chuyển năng lượng này cung cấp thông tin về các chế độ dao động của liên kết trong vật liệu

Hình 1.4: Sơ đồ các quá trình tán xạ Rayleigh và Raman [18]

Trong sơ đồ hình 1, 𝜔 𝑖𝑛𝑐 và 𝜔 𝑠 lần lượt là tần số của photon tới và photon tán xạ Nếu E1 là năng lượng mức dao động ở trạng thái cơ bản (v = 0) và E2 là năng lượng mức dao động kích thích 1 (v = 1) của trạng thái cơ bản của phân tử thì photon phát xạ thỏa mãn điều kiện sau: ħ 𝜔 𝑠 = ħ 𝜔 𝑖𝑛𝑐 ± (𝐸 2 − 𝐸 1 )

Sự xuất hiện của tán xạ ánh sáng không đàn hồi có thể được giải thích bằng lý thuyết cổ điển dưới dạng biến điệu bức xạ tới Eloc (𝜔 𝑖𝑛𝑐 ) bởi một dao động với tần số 𝜔 𝑣𝑖𝑏 [19] Tán xạ Rayleigh xảy ra khi năng lượng của phân tử trước và sau quá trình tán xạ không thay đổi (ħ 𝜔 𝑠 = ħ 𝜔 𝑖𝑛𝑐 ) Khi bức xạ tới được dịch chuyển đến mức năng lượng thấp hơn, ánh sáng tán xạ gọi là dịch chuyển Stockes Với kiểu tán xạ này, năng lượng được chuyển sang chế độ dao động của phân tử mà kết thúc ở trạng thái năng lượng dao động cao hơn Ngược lại với dịch chuyển Stockes là dịch chuyển Anti Stockes và kiểu tán xạ này xảy ra khi năng lượng được truyền từ một phân tử bị kích thích dao động, phân tử này kết thúc ở trạng thái dao động thấp hơn sau quá trình tán xạ

1.4.2 Tán xạ raman tăng cường bề mặt

Trong các cấu trúc kim loại, các tính chất quang học chủ yếu do các electron dẫn của kim loại Sự kích thích điện từ làm cho những electron này dao động tập thể, tạo thành một hệ dao động được gọi là plasmon Như vậy plasmon là những dao động của mật độ điện tử tự do trong kim loại Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng có thể làm tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật chất bằng cách khai thác các dao động tập thể của các electron bề mặt gọi là plasmon bề mặt Các trường ánh sáng được tăng cường khi chúng cộng hưởng với những plasmon này và dẫn tới nhiều hiệu ứng tăng cường bề mặt, đặc biệt là SERS

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt là hiệu ứng dựa trên sự tăng cường tán xạ Raman của các phân tử được hấp phụ trên cấu trúc nano kim loại thích hợp (thường là vàng và bạc) Phương pháp này đã và đang được phát triển để phát hiện hàm lượng

15 dấu vết các phân tử hóa học hữu cơ hay sinh học và trong một số trường hợp có thể phát hiện tới đơn phân tử [20] Các loại đế phủ nano kim loại có hiệu ứng tăng cường tín hiệu Raman được gọi chung là đế SERS Có nhiều nhiều loại đế SERS được chế tạo với các cấu hình khác nhau và sử dụng với hiệu suất cao trong kỹ thuật phân tích vật liệu bằng tán xạ Raman với độ nhạy phát hiện cực thấp và độ chọn lọc cao Việc tăng cường SERS có thể được giải thích bằng hai cơ chế cơ bản: tăng cường điện từ dựa trên cơ sự kích thích cộng hưởng của các plasmon bề mặt trong kim loại và cơ chế hóa học làm tăng tính phân cực của phân tử Tăng cường SERS là kết quả của hai cơ chế chính này mà tăng cường điện từ đóng vai trò chủ đạo

1.4.2.1 Cơ chế tăng cường điện từ

Cơ chế tăng cường điện từ giải thích việc tăng cường tín hiệu Raman trong SERS chủ yếu do cộng hưởng plasmon bề mặt cố định LSPR Khi ánh sáng tới (sóng điện từ) tương tác với bề mặt kim loại, các điện tử tự do trên bề mặt bị kích thích và dao động tập thể Tập hợp các dao động tập thể này được gọi là plasmon bề mặt và các plasmon bề mặt này sẽ phát ra một trường lưỡng cực (do đó được gọi là plasmon lưỡng cực) Khi các plasmon lưỡng cực cộng hưởng với tần số ánh sáng tới, LSPR sẽ xảy ra và từ đó gây ra sự tăng cường trường điện từ cục bộ E ở bề mặt hạt kim loại Đối với hệ kim loại, cường độ SERS phụ thuộc đầu tiên vào kích thước của cấu trúc nano – nguyên nhân đầu tiên gây ra sự tăng cường Sự tăng cường sẽ được tối ưu khi kích thước hạt kim loại (từ 10 – 100nm) nhỏ hơn so với bước sóng ánh sáng tới nhưng không quá nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của các điện tử dẫn Trường tới sẽ được tăng cường do cộng hưởng với plasmon bề mặt với hệ số |𝐸| 2 (𝐼 𝑅 ∝ 𝐸 2 , trong đó IR là cường độ trường Raman và E là trường điện từ cục bộ) Trường tán xạ Raman cũng sẽ được tăng cường với hệ số |𝐸| 4 (≈ |𝐸(𝜔)| 2 |𝐸(𝜔 ′ )| 2 ) Trong đó 𝐸(𝜔) là trường tăng cường bởi ánh sáng tới ở tần số

𝜔 và 𝐸(𝜔 ′ ) là trường tăng cường bởi tín hiệu Raman ở tần số tán xạ Stockes 𝜔 ′ Sự

16 tăng cường đạt mạnh nhất khi nó tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại Đối với các phân tử ở khoảng cách d so với bề mặt của một quả cầu kim loại, sự tăng cường suy giảm theo hệ số |𝑟/(𝑟 + 𝑑)| 12 trong đó r là bán kính của bề mặt hình cầu [21] Điều này cho thấy khoảng cách trung bình của các bề mặt kim loại/hạt nano ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu SERS Do đó các phương pháp chế tạo các bề mặt kim loại/hạt nano rất quan trọng với hiệu quả của SERS trong các ứng dụng phân tích

1.4.2.2 Cơ chế tăng cường hóa học

Cơ chế tăng cường hóa học chỉ ra 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 làm tăng cường mặt cắt tán xạ Raman của các mode dao động của phân tử [22] Thực tế là cơ chế tăng cường hóa học này ít rõ ràng hơn so với tăng cường điện từ, nhưng rõ ràng cơ chế tăng cường hóa học là kết quả của sự thay đổi cấu trúc điện tử của phân tử chất phân tích khi được hấp thụ trên bề mặt kim loại giúp tăng cường khả năng phân cực Raman của nó Khi một phân tử chất phân tích được hấp phụ trên bề mặt kim loại, sự tương tác giữa phân tử chất phân tích và bề mặt kim loại có thể tạo ra một liên kết điện tử cho phép chuyển điện tử giữa quỹ đạo của phân tử và quỹ đạo của kim loại Sự liên kết điện tử giữa kim loại và phân tử thiết lập một trạng thái cân bằng mới cho sự giãn ra của phân tử, từ đó làm tăng tiết diện tán xạ Raman

Trong hiệu ứng SERS, sự tăng cường cường độ các vạch phổ tán xạ Raman của các phân tử được quyết định chủ yếu bởi cơ chế tăng cường trường điện từ cục bộ (có thể tăng cường tín hiệu Raman lên xấp xỉ 10 12 lần) Nơi có sự tăng cường của trường điện từ mạnh nhất trong cơ chế này là các điểm nhọn (sharp tips), các góc cạnh (sharp edges) và các khe nano (nanogaps) trên các cấu trúc nano kim loại Do đó việc cố gắng chế tạo các đế SERS dưới dạng các cấu trúc nano có hình dạng phức

17 tạp như dạng bông hoa, dạng cành cây, … rất được quan tâm để có được sự tăng cường SERS mạnh hơn

1.4.3 Ứng dụng phổ raman trong thực tiễn

Phép đo phổ Raman được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

- Hóa học: Phổ Raman được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của các phân tử, các hợp chất hữu cơ và vô cơ, các chất polymer, các chất xúc tác,

- Khoa học vật liệu: Phổ Raman được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các vật liệu, chẳng hạn như các chất bán dẫn, các vật liệu từ tính, các vật liệu gốm,

- Y học: Phổ Raman được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các tế bào, các mô, các protein,

- Thực phẩm và dược phẩm: Phổ Raman được sử dụng để phân tích chất lượng của thực phẩm và dược phẩm, để phát hiện các chất phụ gia, các chất độc hại

- An ninh: Phổ Raman được sử dụng để phát hiện các chất cấm, các tài liệu giả mạo,

Phép đo phổ Raman là một kỹ thuật có nhiều ưu điểm như:

- Độ nhạy cao: Phổ Raman có thể phát hiện các chất với hàm lượng rất thấp, thậm chí là dưới 1 ppm

- Độ tin cậy cao: Phổ Raman cho kết quả phân tích chính xác và đáng tin cậy

- Đa dạng mẫu: Phổ Raman có thể được sử dụng để phân tích nhiều loại mẫu khác nhau, từ các mẫu rắn, lỏng đến khí

- Nhanh chóng: Phổ Raman có thể phân tích một mẫu trong thời gian ngắn, chỉ vài phút

Phép đo phổ Raman là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ và linh hoạt, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Phương pháp này có nhiều ưu điểm giúp nâng cao việc hiểu biết và phát triển khoa học công nghệ để ứng dụng vào cuộc sống tốt hơn.

Đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc

1.5 Đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc

1.5.1 Giới thiệu cảm biến dựa trên đế SERS

Cảm biến dựa trên đế SERS (SERS) là một loại cảm biến sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) để phát hiện các phân tử SERS là một kỹ thuật quang phổ có thể được sử dụng để phát hiện các phân tử với nồng độ rất thấp, thậm chí thấp hơn nhiều so với các kỹ thuật quang phổ khác, chẳng hạn như quang phổ hấp thụ

Cảm biến dựa trên đế SERS được tạo thành từ một đế được phủ bằng một lớp hạt nano kim loại, chẳng hạn như bạc hoặc vàng Khi một phân tử được áp dụng cho đế, nó sẽ hấp thụ ánh sáng và phát ra ánh sáng Raman Ánh sáng Raman được phát ra từ phân tử sẽ được tăng cường bởi các hạt nano kim loại, điều này dẫn đến sự phát hiện các phân tử với nồng độ rất thấp

Cảm biến dựa trên đế SERS đã được sử dụng để phát hiện một loạt các phân tử, bao gồm thuốc, chất độc, vi sinh vật và các phân tử sinh học Chúng có tiềm năng được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, chẳng hạn như chẩn đoán y tế, giám sát môi trường và kiểm soát chất lượng thực phẩm

Cảm biến dựa trên hiệu ứng Raman tăng cường bề mặt (SERS) có nhiều ưu điểm quan trọng, bao gồm:

- Độ nhạy cao: Cảm biến SERS có khả năng phát hiện các chất với độ nhạy cực cao Hiệu ứng Raman tăng cường bề mặt tạo ra một hiện tượng tăng cường mạnh mẽ của tín hiệu Raman, giúp phát hiện các phân tử ở các nồng độ thấp đáng kể

- Chọn lọc: Cảm biến SERS cho phép nhận biết chất riêng biệt trong hỗn hợp phức tạp Mỗi chất có một phổ Raman độc đáo, dựa trên cấu trúc phân tử của nó, cho phép phân tách và xác định các chất một cách chính xác

- Phân loại nhanh chóng: Cảm biến SERS có thể hoạt động trong thời gian ngắn, giúp phân loại và phân tích nhanh chóng các mẫu

- Khả năng sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt: Cảm biến SERS có thể hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như dung dịch, khí, và cả trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

Một số hạn chế của cảm biến dựa trên đế SERS:

- Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt: Hiệu suất của cảm biến SERS có thể bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt của đế, điều này có thể tạo ra biến thiên trong kết quả thử nghiệm

- Độ ổn định và khả năng tái lặp: Cấu trúc bề mặt tăng cường (như nano hạt kim loại) có thể thay đổi theo thời gian hoặc khi bị tác động bởi môi trường, gây ảnh hưởng đến sự ổn định và khả năng tái lặp của cảm biến

- Độ chuẩn xác: Đôi khi, độ chuẩn xác của cảm biến SERS có thể bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi trong việc sản xuất các cấu trúc tăng cường

- Tính ứng dụng hẹp: Mặc dù có thể áp dụng rộng rãi, cảm biến SERS có thể hạn chế trong việc xác định các chất phức tạp hoặc kích thước siêu nhỏ

- Chất rối nhiễu từ môi trường: Môi trường xung quanh, như dầu mỡ da, bụi, hoặc các phân tử khác có thể gây nhiễu cho tín hiệu SERS

- Chi phí sản xuất: Quá trình sản xuất cảm biến SERS có thể đắt đỏ và phức tạp, đặc biệt khi sử dụng các vật liệu đắt tiền

- Điều kiện thích nghi: Một số mẫu có thể yêu cầu điều kiện thích nghi cụ thể để hoạt động tốt với cảm biến SERS

Nhìn chung, cảm biến dựa trên đế SERS là một công nghệ mới và hứa hẹn có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng Chúng vẫn đang được phát triển và

20 cải thiện và có tiềm năng cách mạng hóa cách chúng ta phát hiện và đo lường các phân tử

1.5.2 Cảm biến dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc Đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc là một loại đế được tạo thành từ một đế silicon được phủ bằng một lớp hạt nano bạc Các hạt nano bạc được phủ để bám trên bề mặt các cấu trúc kim tự tháp, điều này giúp tăng cường tín hiệu Raman của các phân tử được áp dụng cho đế

Các đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc đã được sử dụng để phát hiện một loạt các phân tử, bao gồm thuốc, chất độc, vi sinh vật và các phân tử sinh học Chúng có tiềm năng được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, chẳng hạn như:

- Chẩn đoán y tế: Các đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc đã được sử dụng để phát hiện một loạt các phân tử liên quan đến bệnh tật, bao gồm vi khuẩn, virus và protein

- Giám sát môi trường: Các đế SERS dựa trên cấu trúc kim tự tháp Si và hạt nano bạc đã được sử dụng để phát hiện các chất ô nhiễm môi trường, bao gồm thuốc trừ sâu, kim loại nặng và dầu

Chất nhuộm màu RhodaminB

Rhodamin B (RhB) là một hợp chất hóa học và cũng là thành phần của phẩm màu công nghiệp có công thức phân tử là C28H31ClN2O3, phân tử khối là 479,02g/mol và nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ 210 – 211 o C RhB là thuốc nhuộm độc hại, tan tốt trong ethanol, methanol và nước (khoảng 50g/l) [26]

Hình 1.7: Dung dịch RhodaminB 100ppm

Trong quá trình chế biến thực phẩm, để thực phẩm có màu sắc bắt mắt thì người ta thường sử dụng phẩm màu công nghiệp nhưng các phẩm màu công nghiệp đều bị cấm sử dụng trong thực phẩm vì khó phân hủy cũng như ảnh hưởng trực tiếp đến các cơ quan nội tạng RhB nếu tích tụ trong cơ thể sẽ gây hại cho gan, thận, hệ thần kinh và có thể gây ung thư Thực nghiệm trên chuột đã cho thấy RhB gây ung thư với liều lượng 89,5 mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch [27] [28] Khi RhB đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm độc hại hơn RhB thường, phát triển khối u dạ dày, tác động mạnh mẽ đến quá trình sinh hóa của tế bào ung thư gan vì gan là cơ quan nội tạng đầu tiên lọc RhB Vì vậy việc xác định hàm lượng của Rhodamin B trong thực phẩm là rất cần thiết đối với sức khỏe cộng đồng

Hình 1.8: Công thức phân tử của Rhodamin B [28]

1.6.2 Ứng dụng của Rhodamin B

Một số ứng dụng phổ biến của Rhodamin B có thể kể đến như:

- RhB thường được sử dụng với vai trò yếu tố đánh dấu trong nước để xác định tốc độ và hướng chảy [29]

- Đóng vai trò chất tạo màu trong các ngành công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm do tính bền về màu sắc [30]

- Với đặc tính phát quang của RhB, người ta dùng chúng để kiểm soát lượng thuốc bảo vệ thực vật lên cây ớt, cây lấy dầu nhưng ngược lại thì RhB cũng có khả năng lây nhiễm vào ớt trong quá trình sơ chế [31].

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH 2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng

STT Tên hóa chất Công thức phân tử

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị

Bảng 2.2: Các thiết bị và dụng cụ được sử dụng

STT Tên dụng cụ và thiết bị Hình ảnh

Máy khuấy từ gia nhiệt

Quy trình thực nghiệm

2.2.1 Quy trình chế tạo nano bạc bằng phương pháp hóa học

Vật liệu nano bạc được chế tạo bằng phương pháp polyol với tiền chất AgNO3, PVP đóng vai trò chất hoạt động bề mặt và EG vừa là chất khử vừa là dung môi Phản ứng xảy ra như sau:

2HOCH2CH2OH ➔ 2CH3CHO + 2H2O (1) 2CH3CHO + 2Ag + ➔ 2Ag 0 + 2H + + CH3COCOCH3 (2) Ở nhiệt độ cao, phân tử EG sẽ tách nước tạo CH 3 CHO như phản ứng (1), sau đó

CH3CHO sẽ khử Ag + thành mầm Ag 0 Các mầm này tiếp tục phát triển với sự bảo vệ của các phân tử PVP trở thành vật liệu nano bạc Quy trình này có ưu điểm là sử dụng ít loại hóa chất, không sử dụng chất khử mạnh như NaBH4, vật liệu nano bạc tạo thành có độ bền cao nhưng nhược điểm là mất nhiều thời gian Sau đây là các bước tiến hành:

Bước 1: Phân tán PVP trong EG đến khi hòa tan hoàn toàn

Bước 2: Sau đó, cho AgNO3 vào hỗn hợp và giữ 10p cho hệ ổn định

Bước 3: Tiếp theo gia nhiệt hỗn hợp từ nhiệt độ phòng lên 160 o C (giữ ổn định 10p mỗi khi tăng 20 o C)

Bước 5: Khi đạt nhiệt độ đạt 160 o C, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 90p

Bước 6: Sau khi kết thúc để nguội dung dịch, lưu trữ ở nơi thoáng mát

2.2.2 Quy trình chế tạo đế silic bằng phương pháp ăn mòn hóa học

Phương pháp chế tạo đế silic mà nhóm thực hiện là phương pháp ăn mòn hóa học sử dụng KOH (Potassium hydroxide) và IPA (Isopropyl alcohol)

Quy trình ăn mòn bề mặt đế Silic bằng dung dịch KOH (Potassium hydroxide) và IPA (Isopropyl alcohol) gồm hai giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Rửa đế Silic

Bảng 2.3: Quy trình rửa mẫu Silic

Bước Hóa chất Thực hiện Thời gian

1 Acetone Rửa mẫu kết hợp đánh siêu âm 10 50

2 IPA Rửa mẫu kết hợp đánh siêu âm 10 50

3 DI Rửa mẫu kết hợp đánh siêu âm 10 50

5 IPA Rửa mẫu kết hợp đánh siêu âm 10 50

7 IPA Rửa mẫu kết hợp đánh siêu âm 10 50

Ghi chú: Bước rửa trong dung dịch HF và HCl:H2O2 không đánh siêu âm Đế Silic trước khi ăn mòn cần được thực hiện quy trình làm sạch mẫu để đảm bảo độ sạch của mẫu Mẫu bị nhiễm bẩn gây ảnh hưởng rất lớn tới kết quả của việc

29 ăn mòn như bề mặt ăn mòn không đồng đều dẫn tới kích thước và mật độ tháp không đáp ứng được yêu cầu của thực nghiệm Các hóa chất được sử dụng trong quy trình rửa mẫu đều có những vai trò riêng của nó:

+Aceton kết hợp đánh siêu âm nhằm loại bỏ các hợp chất hữu cơ trên bề mặt + IPA (isopropyl alcohol) hòa tan một loạt các hợp chất không phân cực giúp loại bỏ tạp chất và các dung dịch làm sạch bề mặt (acetone, HF, HCL:H2O2) + HF loại bỏ lớp SiO2 thụ động trên bề mặt (SiO2 có tính chất của oxit axit tan chậm trong dung dịch kiềm)

+ HCl:H2O2 giúp loại bỏ các hợp chất vô cơ trên bề mặt mẫu và làm cho bề măt mẫu trở nên đồng đều hơn

Khi kết thúc các công đoạn rửa mẫu cần thực hiện làm khô mẫu bằng N2 vì khí

N2 trơ về mặt hóa học nên không có tác động tới bề mặt đế Silic Làm khô mẫu bằng

N2 cũng giúp mẫu tránh bị nhiễm bẩn khi để nước khô tự nhiên trên bề mặt đế Silic vì khi nước khô tự nhiên thì khi bay hơi nước sẽ để lại các vết bẩn

Giai đoạn 2: Quy trình ăn mòn

Bước 1: Gia nhiệt dung dịch ăn mòn

Trước khi bắt đầu quá trình ăn mòn, chúng ta chuẩn bị dung dịch ăn mòn Sau đó, ta gia nhiệt dung dịch đến 70 O C để đảm bảo nó có nhiệt độ ổn định và tối ưu cho quá trình ăn mòn sắp tới

Bước 2: Cho mẫu vào dung dịch và tiến hành ăn mòn

Tiếp theo, ta đặt mẫu Silic đã rửa và xử lý vào dung dịch đã chuẩn bị và tiến hành quá trình ăn mòn trong 7 phút Trong thời gian này, mẫu sẽ tương tác với dung dịch và dần bị ăn mòn theo thời gian

Bước 3: Sau khi kết thúc quá trình ăn mòn, rửa mẫu qua DI và làm khô bằng khí N2

Khi quá trình ăn mòn kết thúc, ta rửa mẫu Silic qua nước khử DI để loại bỏ các dư lượng dung dịch và các chất còn tồn đọng Sau đó, ta sử dụng khí N2 để làm khô

30 mẫu một cách cẩn thận và nhanh chóng, tránh tác động của không khí và ẩm thấp có thể gây biến đổi cho mẫu

Bước 4: Quan sát bề mặt mẫu Silic sau khi ăn mòn bằng kính hiển vi quang học

OM Tiến hành chụp, lưu hình ảnh kết quả và lưu mẫu

Cuối cùng, chúng ta sử dụng kính hiển vi quang học OM (Optical Microscope) để quan sát và đánh giá bề mặt mẫu Silic sau quá trình ăn mòn Kỹ thuật này giúp chúng ta nhìn thấy các chi tiết về sự ăn mòn, các đỉnh hình kim tự tháp là mục tiêu của quá trình ăn mòn và các vết xước cùng với các hiện tượng liên quan Chúng ta sẽ tiến hành chụp hình ảnh kết quả để lưu giữ thông tin và lưu giữ mẫu như một tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu và phân tích tiếp theo Các kết quả trong quá trình ăn mòn sẽ được trình bày ở mục tiếp theo

2.2.3 Quy trình xử lý và phủ dung dịch nano bạc lên bề mặt đế

Bước 1: Lần lượt rửa đế Silic bằng aceton, ethanol, IPA, nước DI

Aceton: Là một dung môi hữu cơ mạnh thường được sử dụng để loại bỏ dầu mỡ, bụi bẩn và các tạp chất khác từ bề mặt Aceton có khả năng làm sạch mạnh mẽ nhưng cần phải cẩn trọng vì có thể làm hỏng bề mặt nếu sử dụng quá nhiều hoặc quá thường xuyên

Ethanol: Là một dung môi tương đối nhẹ, thường được sử dụng để làm sạch bề mặt, loại bỏ tạp chất Nó không tạo ra tác động mạnh lên bề mặt như aceton

IPA (Isopropyl Alcohol): Tương tự như ethanol, IPA là một dung môi dùng để làm sạch bề mặt mẫu Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng điện tử và vệ sinh vì tạo ra bề mặt khá sạch và khô nhanh

Nước DI (Deionized Water): Nước đã được tinh chế để loại bỏ các ion và tạp chất, do đó thích hợp cho các quy trình yêu cầu nước tinh khiết Dùng để rửa sạch bề mặt sau khi sử dụng các dung môi trước đó, để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn các tạp chất còn lại

Rửa đế silic qua các chất trên để làm sạch đế chuẩn bị cho các bước tiếp theo

Bước 2: Xử lý bề mặt Silic cần phủ bằng oxygen plasma (150W 2p)

Oxygen Plasma: Là một quá trình sử dụng plasma (trạng thái cao cấp của chất) chứa oxy để xử lý bề mặt Plasma oxy có khả năng tạo ra các loại nhóm chức trên bề mặt silic, làm cho nó trở nên dễ dàng liên kết với các tác nhân hoá học khác Quá trình này có thể tạo ra một bề mặt có tính chất bám dính tốt hơn cho quá trình phủ nano bạc lên bề mặt

Hình 2.1: Máy Plasma Cleaner Bước 3: Ngâm đế Silic trong dung dịch nano bạc cô đặc 2h

Các phương pháp phân tích

2.3.1 Phương pháp quan sát bề mặt đế silic

Kính hiển vi quang học là thiết bị chuyên dụng trong các phòng thí nghiệm sinh học, phòng lab vi sinh, bệnh viện, trung tâm nghiên cứu… giúp quan sát những mẫu vật có kích thước rất nhỏ mà nếu quan sát bằng mắt thường sẽ không thấy được Độ phóng đại của kính hiển vi quang học không bằng kính hiển vi điện tử

Kính hiển vi quang học được sử dụng để quan sát một mẫu thông qua việc phóng đại thấu kính với ánh sáng khả kiến, sử dụng một hoặc một loạt các thấu kính để phóng to hình ảnh các mẫu nhỏ Các thấu kính được đặt giữa mẫu và mắt của người xem để phóng to hình ảnh sao cho có thể kiểm tra chi tiết hơn

Hình 2.2: Kính hiển vi quang học

Có rất nhiều loại kính hiển vi quang học Chúng có thể thay đổi từ một thiết kế rất đơn giản đến độ phức tạp cao mang đến độ phân giải và độ tương phản cao hơn Một số loại kính hiển vi quang học bao gồm:

- Kính hiển vi đơn giản: một ống kính đơn để phóng đại hình ảnh của mẫu, tương tự như kính lúp

- Kính hiển vi hợp chất: một loạt các thấu kính để phóng đại hình ảnh mẫu lên độ phân giải cao hơn, thường được sử dụng trong nghiên cứu hiện đại

- Kính hiển vi kỹ thuật số: có thể có các thấu kính đơn giản hoặc hợp chất, nhưng sử dụng máy tính để trực quan hóa hình ảnh mà không cần thị kính để xem mẫu, rất hữu ích cho việc mổ xẻ, phân tích mẫu vật

- Kính hiển vi so sánh: cho phép xem đồng thời hai mẫu khác nhau, mỗi mẫu trong mỗi mắt

- Kính hiển vi đảo ngược: xem mẫu từ bên dưới, rất hữu ích để kiểm tra các tế bào nuôi cấy từ tế bào chất lỏng

- Các loại kính hiển vi quang học khác bao gồm thạch học, phân cực, tương phản pha và kính hiển vi tiêu điểm

Một kính hiển vi quang học có thể tạo ra một micrograph sử dụng máy ảnh nhạy sáng tiêu chuẩn Phát triển công nghệ hiện đã cho phép chụp ảnh kỹ thuật số bằng máy ảnh và thiết bị sạc đôi cho kính hiển vi quang học Kết quả là, hình ảnh có thể được chiếu lên màn hình máy tính trong thời gian thực để quan sat mẫu Điều này làm tăng sự tiện lợi của việc sử dụng khi thị kính không còn cần thiết nữa Để sử dụng kính hiển vi quang học hiệu quả, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng kính hiển vi được thiết lập chính xác Việc lắp đặt và điều chỉnh thông số ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả Ống kính nên được đưa gần mẫu nghiên cứu để cho phép ánh sáng bên trong ống kính hiển vi Điều này tạo ra một hình ảnh mở rộng, đảo ngược của mẫu, có thể được xem qua thị kính của kính hiển vi

Kính hiển vi quang học thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu bao gồm vi sinh, vi điện tử, nanophysics, công nghệ sinh học và nghiên cứu dược phẩm Nó cũng có thể hữu ích để xem mẫu sinh học cho chẩn đoán y tế

Các mẫu silic sau khi đã ăn mòn được nhóm quan sát dưới kính hiển vi quang học để xem xét và đánh giá khả năng ăn mòn của quy trình từ đó tạo ra các cấu trúc tháp đều và có kích thước phù hợp để phủ nano bạc tạo ra đế SERS với độ nhạy cao

2.3.2 Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis

Máy quang phổ hấp thu UV-VIS là một trong những thiết bị không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm, phòng sạch.Quang phổ UV-Vis là một kỹ thuật phân tích đo lượng bước sóng rời rạc của tia UV hoặc ánh sáng khả kiến được hấp thụ hoặc truyền qua mẫu so với mẫu chuẩn hoặc mẫu trắng Tính chất này bị ảnh hưởng bởi thành phần mẫu, có khả năng cung cấp thông tin về những gì có trong mẫu và ở nồng độ nào

Hình 2.3: Máy đo quang phổ UV-Vis

Kỹ thuật quang phổ này dựa vào việc sử dụng ánh sáng, trước tiên chúng ta hãy xem xét các đặc tính của ánh sáng Ánh sáng có một lượng năng lượng tỉ lệ nghịch với bước sóng của nó Như vậy, ánh sáng có bước sóng ngắn hơn mang nhiều năng lượng hơn và bước sóng dài hơn mang ít năng lượng hơn Một lượng năng lượng cụ thể là cần thiết để thúc đẩy các điện tử trong một chất lên trạng thái năng lượng cao hơn mà chúng ta có thể phát hiện ra là sự hấp thụ Các electron trong các môi trường

35 liên kết khác nhau trong một chất đòi hỏi một lượng năng lượng cụ thể khác nhau để thúc đẩy electron lên trạng thái năng lượng cao hơn Đây là lý do tại sao sự hấp thụ ánh sáng xảy ra đối với các bước sóng khác nhau trong các chất khác nhau Con người có thể nhìn thấy quang phổ ánh sáng khả kiến, từ khoảng 380 nm, mà chúng ta thấy là màu tím, đến 780 nm, mà chúng ta thấy là màu đỏ Ánh sáng UV có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy đến khoảng 100 nm Do đó, ánh sáng có thể được mô tả bằng bước sóng của nó, có thể hữu ích trong quang phổ UV- Vis để phân tích hoặc xác định các chất khác nhau bằng cách định vị các bước sóng cụ thể tương ứng với độ hấp thụ cực đại

Các mẫu thí nghiệm của nhóm được phân tích bằng phương pháp UV-Vis ở bước sóng từ 600 – 300 nm với tốc độ quét 200 nm/phút để khảo sát các đỉnh hấp thụ cực đại từ đó nhận biết và dự đoán được hình dạng, kích thước và mật độ của các hạt nano bạc trong dung dịch nhóm vừa chế tạo Các kết quả về quang phổ UV-Vis sẽ được nhóm đánh giá và nhận xét ở mục tiếp theo của khóa luận

2.3.3 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)

Kính hiển vi điện tử quét SEM có tên tiếng Anh là Scanning Electron Microscopy, là một kỹ thuật kiểm tra, phân tích nổi tiếng, kỹ thuật SEM sử dụng một đầu dò là chùm điện tử (electron), quét trên bề mặt mẫu, xuống độ phân giải nm (nanomet): [1nm -9 m]

Kính hiển vi điện tử quét SEM tạo hình ảnh có độ phóng đại lớn (hàng chục nghìn, hàng trăm nghìn lần) Khả năng này đưa Kính hiển vi điện tử quét SEM trở nên phù hợp cho nhiều lĩnh vực khoa học và ứng dụng công nghiệp

Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử quét SEM

Kính hiển vi điện tử quét SEM hoạt động dựa trên sự tương tác của chùm điện tử đến bề mặt của mẫu trong môi trường chân không

Các điện tử (electron) được phát ra từ một nguồn phát điện tử (electron source)

Có 2 loại nguồn phát điện tử là: Nguồn phát xạ nhiệt (Thermionic Emission Source) và Nguồn phát xạ trường (Field Emission Source (FEG))

Nguồn phát xạ nhiệt thường dùng là Bóng đèn sợi đốt Tungsten (filament) sử dụng trên dòng SEM VEGA Nguồn phát xạ trường phổ biến là Schottky FEG được sử dụng trên dòng FEG-SEM MIRA, dòng FEG-SEM độ phân giải siêu cao CLARA, MAGNA và các hệ tích hợp chùm ion hội tụ FIB-SEM