Phạm Minh Tân Trang 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Mạc Văn Linh, xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến huỳnh quang nhằm ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu” là do cá nhân tôi tự nghi
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––– MẠC VĂN LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN HUỲNH QUANG NHẰM ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN THUỐC TRỪ SÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN – 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––– MẠC VĂN LINH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN HUỲNH QUANG NHẰM ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN THUỐC TRỪ SÂU Ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Trần Thu Trang 2 PGS.TS Phạm Minh Tân THÁI NGUYÊN – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Mạc Văn Linh, xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến huỳnh quang nhằm ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu” là do cá nhân tôi tự nghiên cứu thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Thu Trang và PGS.TS Phạm Minh Tân, không sao chép các công trình nghiên cứu, kết quả của người khác Số liệu và các kết quả của luận văn chưa từng được công bố ở bất kì một công trình khoa học nào khác Thông tin sử dụng trong luận văn được trích dẫn đầy đủ, có nguồn gốc rõ ràng, trung thực Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn Tác giả Mạc Văn Linh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Thu Trang (Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên), PGS.TS Phạm Minh Tân (Trường Đại học KTCN – Đại học Thái Nguyên) đã định hướng và trực tiếp hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho tôi, luôn tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian học tập cũng như quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Viện Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, trong suốt hai năm qua đã truyền đạt những kiến thức, cũng như thực nghiệm chế tạo mẫu và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thiện luận văn Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn bên cạnh động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 3 Phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Đối tượng nghiên cứu 3 6 Nội dung nghiên cứu 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1 Cảm biến quang học ứng dụng trong phát hiện nhanh thuốc trừ sâu 4 1.1.1 Vai trò của vật liệu nano trong các cảm biến quang học 5 1.1.2 Cảm biến đo màu (quang phổ màu) 7 1.1.3 Cảm biến dựa trên hiện tượng tăng cường tán xạ Raman (SERS) 7 1.2 Cảm biến huỳnh quang ứng dụng trong các phát hiện thuốc trừ sâu 9 1.2.1 Các cách thức tiếp cận phổ biến của phương pháp cảm biến huỳnh quang 9 1.2.2 Cơ chế hoạt động chung của cảm biến huỳnh quang 11 1.2.3 Cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở hiệu ứng IFE 14 1.3 Ứng dụng cảm biến huỳnh quang trong phát hiện thuốc trừ sâu 18 1.3.1 Quá trình phát triển của cảm biến huỳnh quang trong phát hiện thuốc trừ sâu 18 1.3.2 Thuốc trừ sâu Organophosphosphorus 19 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20 2.1 Vật liệu 20 2.1.1 Chế tạo mầm nano bạc 20 iv 2.1.2 Chế tạo đĩa nano bạc 22 2.1.3 Khảo sát sự thay đổi tín hiệu cường độ huỳnh quang chất màu Rhb khi có mặt mầm nano bạc 23 2.1.4 Khảo sát sự thay đổi cường độ tín hiệu huỳnh quang của chất màu Rhb dưới các nồng độ đĩa nano bạc khác nhau 23 2.1.5 Thử nghiệm khảo sát phát hiện thuốc trừ sâu Chlopirifos khi dùng hệ cảm biến “turn-off” 23 2.2 Các phương pháp khảo sát 24 2.2.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 24 2.2.2 Phương pháp phổ hấp thụ 25 2.2.3 Phương pháp phổ huỳnh quang 26 2.2.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X xác định cấu trúc tinh thể 28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Kết quả chế tạo mầm bạc và đĩa nano bạc 29 3.1.1 Phổ hấp thụ 29 3.1.2 Hình thái và kích thước mầm nano Ag và đĩa nano Ag 30 3.1.3 Phân tích cấu trúc 32 3.2 Cảm biến huỳnh quang trên cơ sở mầm nano Ag và phân tử màu Rhodamin B hướng tới ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu theo cơ chế “turn-off” tín hiệu huỳnh quang 33 3.2.1 Phổ hấp thụ thay đổi nồng độ mầm nano Ag trong hệ mầm nano Ag + RhB 0,7 µM 34 3.2.2 Khảo sát sự phụ thuộc tính chất phổ huỳnh quang vào bước sóng ánh sáng kích thích của hệ mầm nano Ag thay đổi nồng độ + RhB 0,7 µM 34 3.3 Cảm biến huỳnh quang trên cơ sở đĩa nano tam giác Ag và phân tử màu Rhodamin B hướng tới ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu theo cơ chế “turn-on” tín hiệu huỳnh quang 36 v 3.3.1 Phổ hấp thụ dung dịch nano đĩa Ag thay đổi nồng độ với sự có mặt 1,2 µM RhB 38 3.3.2 Khảo sát phổ hấp thụ huỳnh quang phụ thuộc bước sóng kích thích của các hệ dung dịch đĩa nano Ag thay đổi nồng độ và RhB 1,2 µM 39 3.3.3 Thử nghiệm cảm biến huỳnh quang trong phát hiện thuốc trừ sâu Chlopirifos 45 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Giản đồ miêu tả các phương pháp cảm biến quang phát hiện thuốc trừ sâu dựa trên các thành phần nhận biết khác nhau như enzyme, kháng thể, aptamer 4 Hình 1.2 Tính chất quang của các vật liệu nano [5] 6 Hình 1.3 Phân tích thuốc trừ sâu bên trong mẫu Mẫu được nhúng trong dung dịch nano vàng, sau đó phân tích SERS thực hiện theo chiều sâu Ngày dưới bề mặt nơi nhiều thuốc trừ sâu (được chỉ ra trong thang màu đỏ) Phổ SERS được đo ở những chỗ sâu hơn của mẫu, cường độ đỉnh giảm dần 8 Hình 1.4 Giản đồ Miêu tả ngắn gọn cơ chế hoạt động của cảm biến huỳnh quang sử dụng chấm cacbon dựa vào quá trình ức chế enzyme AchE Mô phỏng theo [21] 10 Hình 1.5 Giản đồ phân loại chung cơ chế dập tắt huỳnh quang: dập tắt do va chạm (hay động học -collisional or dynamic), tự dập tắt, dặp tắt tĩnh, và quá trình nội dập tắt (IFE) Các hình tròn miêu tả cụ thể các loại dập tắt liên quan đến mỗi cơ chế khác nhau FRET: quá trình trao đổi năng lượng Froster, DET: trao đổi năng lượng Dexter, PET: quá trình truyền điện tử và IFE (quá trình nội dập tắt) 12 Hình 1.6 Cơ chế trao đổi năng lượng FRET thông qua tương tác lưỡng cực 13 Hình 1.7 Giản đồ miêu tả cơ chế trao đổi năng lượng Dexter 14 Hình 1.8 Điều kiện xảy ra hiệu ứng IFE: phổ hấp thụ của chất hấp thụ bao phủ với (a) phổ kích thích huỳnh quang của chất phát quang; (b) phổ huỳnh quang của chất phát quang; (c) cả phổ kích thích và phổ huỳnh quang 15 Hình 2.1 Sơ đồ tạo mầm nano bạc 21 vii Hình 2.2 Ảnh chụp kĩ thuật số mầm bạc sau khi chế tạo 21 Hình 2.3 Quá trình chiếu đèn LED (bước sóng 520 nm ) để tổng hợp nano đĩa Ag 22 Hình 2.4 Giản đồ miêu tả quá trình phát triển các hạt nano vàng khi chiếu bằng đèn LED ( 520 nm) theo thời gian 22 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 24 Hình 2.6 Hê đo phổ hấp thụ UV – Vis V750 của hãng Jasco tại Viện Khoa học và Công nghệ, trường Đại học Khoa học 26 Hình 2.7 Sơ đồ mô tả hệ đo quang phổ huỳnh quang 27 Hình 2.8 Hệ phổ huỳnh quang tích hợp đo thời gian sống huỳnh quang FLS1000 27 Hình 2.9 Định luật nhiễu xạ Bragg 28 Hình 3.1 (a) Phổ hấp thụ của dung dịch mầm nano Ag, và mầm nano Ag chiều đèn LED ( 520 nm) ở các khoảng thời gian khác nhau; (b) Hình ảnh mầu sắc của mầm nano Ag và mầm nano Ag sau các khoảng thời gian chiếu đèn tương ứng 30 Hình 3.2 Ảnh TEM của mầm nano Ag 31 Hình 3.3 Ảnh TEM của mẫu mầm nano Ag sau khi chiếu bằng đèn LED ánh sáng xanh ( 520 nm) 70 phút 31 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mầm nano Ag (đường mầu đỏ) và đĩa nano Ag sau khi chiếu đèn LED ( 520 nm) 70 phút (đường màu đen) 32 Hình 3.5 Phổ hấp thụ chuẩn hóa của mầm nano Ag (đường màu đen) và phổ hâp thụ và huỳnh quang chuẩn hóa của chất màu RhB trong nước, tương ứng với đường màu xanh và màu đỏ 33 Hình 3.6 (a) Phổ hấp thụ mầm nano Ag thay đổi đổi nồng độ; (b) Phổ hấp thụ mầm nano Ag với các nồng độ thay đổi với sự có mặt RhB 0,7 µM 34 viii Hình 3.7 Phổ huỳnh quang của các hệ mẫu mầm nano Ag ở các nồng độ khác nhau + RhB 0,7 µM so sánh với phổ huỳnh quang của RhB 0,7 µM phụ thuộc vào bước sóng kích thích: (a) 349 mm, (b) 515 nm, (c) 530 nm 35 Hình 3.8 Phổ hấp thụ chuẩn hóa của đĩa nano Ag (đường màu đen) và phổ hấp thụ và huỳnh quang chuẩn hóa của chất màu RhB.37 Hình 3.9 (a) Phổ hấp thụ thay đổi lượng nano đĩa Ag dung dịch gốc trong cùng chuẩn một đơn vị thể tích; (b) Phổ hấp thụ dung RhB 1,2 µM; và (c)phổ hấp thụ dung dịch thay đổi các lượng dung dịch gốc nano đĩa Ag với sự có mặt của RhB nồng độ 1,2 µM Các dung dịch đều được chuẩn nồng độ trong cùng một đơn vị thể tích giống nhau 39 Hình 3.10 (a) Phổ hấp thụ RhB và phổ kích thích huỳnh quang chuẩn hóa của dung dịch RhB + đĩa nano Ag (quan sát ở bước sóng 570 nm); (b) Phổ huỳnh quang chuẩn hóa của dung dịch RhB và dung dịch RhB+đĩa nano Ag, kích thích ở bước sóng 515 nm 40 Hình 3.11 Phổ huỳnh quang của các hệ dung dịch bao gồm đĩa nano Ag thay đổi nồng độ và RhB 1,2 µM dưới sự kích thích ở các bước sóng (a) 349 nm, (b) 515 nm, và (c) 530 nm 41 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hiệu suất huỳnh quang của RhB 1,2 µM trong các dung dịch có nồng độ đĩa nano Ag thay đổi vào bước sóng kích thích 43 Hình 3.13 (a) Phổ hấp thụ và (b) phổ huỳnh quang của Ag + RhB và Ag + RhB với các nồng độ Chlopirifos thay đổi Bước sóng kích thích 530 nm 46