Nghiên cứu chế tạo cảm biến huỳnh quang nhằm ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

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

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

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

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

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20

2.1 Vật liệu 20

2.1.1 Chế tạo mầm nano bạc 20

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

CHƯƠNG 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

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

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

Hình 2.1 Sơ đồ tạo mầm nano bạc 21

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

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

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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các hóa chất và nồng độ sử dụng chế tạo mẫu 20

thay đổi nồng độ (từ 130 µL đến 565 µL dung dịch gốc) với

sự có mặt RhB 1,2 µM phụ thuộc vào bước sóng kích thích 42

Bảng 3.2 Hiệu suất huỳnh quang trong các hệ dung dịch RhB thay đổi

nồng độ và dung dịch đĩa nano Ag 270 µL 44

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 AgNPs Silver nanoparticles Nano bạc

2 UV-Vis Ultraviolet − Visible Máy đo quang phổ hấp thụ

3 TEM Transmission Electron

Microsscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

4 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang

7 SPR Surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt

8 IFE inner filter efect Hiệu ứng nội dập tắt

9 OPs Organophosphosphorus Họ thuốc trừ sâu

organophosphorus

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn nạn ô nhiễm thuốc trừ sâu, đặc biệt ở những nước nông nghiệp được chú trọng như Việt Nam là một vấn đề thu hút rất nhiều nhà khoa học quan tâm Mặc dù việc sử dụng thuốc trừ sâu luôn được khuyến nghị ở những liều lượng hợp lý, nhưng việc thường xuyên sử dụng có thể dẫn đến tích lũy dư lượng thuốc trừ sâu trong hệ sinh thái dẫn đến tăng các nguy hại cho sức khỏe con người [1] Do đó phân tích dư lượng thuốc trừ sâu là một yêu cầu cấp thiết để đảm bảo chất lượng thực phẩm, sự an toàn của hệ sinh thái và bảo vệ con người khỏi các nguy cơ bệnh tật nguy hiểm Cho đến nay, một số phương pháp truyền thống để phát hiện thuốc trừ sâu thường được sử dụng như phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao, phương pháp sắc ký khí, và phương pháp khối phổ Mặc dù những phương pháp này cho thấy độ chính xác, độ nhạy và khả năng lặp lại của phương pháp rất tốt, nhưng bên cạnh đó cũng có nhiều điểm bất lợi của phương pháp chưa khắc phục được như yêu cầu các trang thiết bị phức tạp, thời gian phân tích lâu, các bước chuẩn bị mẫu cầu kỳ

và phức tạp Chính vì vậy, nghiên cứu và phát triển những phương pháp bổ sung và thay thế để có thể nhận biết thuốc trừ sâu một cách nhanh chóng, đơn giản, chính xác, và thân thiện với môi trường đang là một hướng nghiên cứu thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới Trong những năm gần đây, một số phương pháp cảm biến đã được phát triển như tăng cường tán xạ Raman (SERS) [2], phương pháp quang phổ màu [3] để phát hiện thuốc trừ sâu đã cho thấy sự phát triển nhanh chóng Cùng với những phương pháp trên, phương pháp cảm biến huỳnh quang dựa trên nền tảng sự thay đổi cường độ tín hiệu huỳnh quang các vật liệu phát quang

để gián tiếp phát hiện thuốc trừ sâu cũng đã thu hút rất nhiều chú ý và đạt được những kết quả nhất định Trong số các hệ cảm biến huỳnh quang, hệ

cảm biến huỳnh quang gồm phân tử màu hữu cơ trên nền các nano kim loại quý với các tính chất quang xác định có thể dùng để phát hiện phân tử thuốc trừ sâu thông qua sự thay đổi cường độ huỳnh quang của hệ cảm biến [4, 5] Vật liệu nano Au và Ag với tính chất quang rất tốt với hệ số hấp thụ rất cao (108-1010 L.mol-1.cm-1), diện tích bề mặt lớn, dễ hợp sinh tạo điều kiện thuận lợi cho việc chức năng hóa Bề mặt vật liệu nano vàng và nano bạc có thể dễ dàng chức năng hóa với các phân tử màu hữu cơ hay các enzyme thông qua tương tác tĩnh điện Cường độ tín hiệu huỳnh quang của các phân tử màu khi kết hợp với các nano kim loại quý bị dập tắt huỳnh quang tùy theo tương tác cụ thể giữa phân tử màu và nano Ag hay Au dựa trên các cơ chế như truyền năng lượng, truyền điện tử hay do hiện tượng nội hấp thụ bên trong hệ [6, 7] Do đó, nghiên cứu chế tạo cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở kết hợp giữa các phân tử màu với các hạt nano kim loại quý để phát hiện sự có mặt của thuốc trừ sâu là một phương pháp rất mới tại Việt Nam, cần thiết được thực hiện có ý nghĩa khoa học và ứng dụng cao

2 Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo thành công cảm biến huỳnh quang dựa trên nano Au/Ag

Sử dụng hệ nano + chất màu này để phát hiện được sự có mặt của thuốc trừ sâu thuộc họ organophosphorus dựa trên sự thay đổi cường độ tín hiệu

huỳnh quang của hệ cảm biến khi có và không có mặt thuốc trừ sâu

3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các tính chất quang dựa trên các phương pháp quang phổ hấp thụ, huỳnh quang

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo các dung dịch nano bạc Nghiên cứu tính chất quang phổ của hệ cảm biến nano kim loại bạc với phân

tử màu RhB

Nghiên cứu tính chất quang của hệ cảm biến nano + chất màu khi có mặt thuốc trừ sâu

5 Đối tƣợng nghiên cứu

Các nano kim loại vàng (hoặc bạc), các chất màu R6G, RhB, thuốc trừ sâu thuộc họ organophosphorus

6 Nội dung nghiên cứu

Chế tạo các hạt nano vàng (hoặc bạc) bằng phương pháp hoá khử

Khảo sát nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano vàng (hoặc bạc) với sự có mặt các chất màu

Khảo sát hệ cảm biến huỳnh quang nano + chất màu khi có mặt thuốc trừ sâu thuộc họ organophosphorus

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Cảm biến quang học ứng dụng trong phát hiện nhanh thuốc trừ sâu

Thuốc trừ sâu được chủ yếu sử dụng trong việc ngăn ngừa, kiểm soát hay hạn chế sự phát triển của nấm mốc và cỏ dại, để giúp tăng cường sản lượng nông sản trong nông nghiệp Tuy nhiên việc sử dụng thuốc trừ sâu dù ở liều lượng thấp cũng gây ra những vấn đề không những ô nhiễm nguồn thức ăn mà dẫn đến ảnh hưởng tới cả hệ sinh thái, đặt con người trong những tình trạng nguy hại [8] Mặc dù phần lớn những loại thuốc trừ sâu đã được phát hiện đều trong giới hạn cho phép, tuy nhiên hiệu ứng tích lũy sinh học và việc liên tục sử dụng thuốc trừ sâu có thể tăng nguy cơ nguy hại đến sức khỏe con người [9] Do đó việc phân tích hàm lượng thuốc trừ sâu dư thừa là một yêu cầu cần thiết để đảm báo chất lượng thức ăn và an toàn cho hệ sinh thái cũng như bảo vệ sức khỏe con người Những phương pháp truyền thống dùng để phát hiện thuốc trừ sâu đã được thực hiện bằng những kĩ thuật như sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc

kí khí (GC), khối phổ kế (MS) Mặc dù những phương pháp này cho thấy độ nhạy và sự lặp lại cao, thì cũng có nhiều mặt hạn chế như dùng các máy móc phức tạp, thời gian thực hiện dài và yêu cầu những bước làm sạch mẫu cầu kì

Do đó việc phát triển những phương pháp mới bổ sung hỗ trợ cho việc phát hiện thuốc trừ sâu đang được khoa học rất quan tâm Dựa trên các đặc tính quang học khác nhau của vật liệu đã dẫn đến sự phát triển của các cảm biến quang khác nhau như cảm biến huỳnh quang [5], cảm biến quang phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) [2], phương pháp quang phổ màu [3], và một số phương pháp khác (Hình 1.1)

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 [5]

1.1.1 Vai trò của vật liệu nano trong các cảm biến quang học

 Chấm lượng tử

Chấm lượng tử (Quantum dots -QDs) bao gồm các vật liệu nano bán dẫn với kích thước trong khoảng 1 – 10 nm Chấm lượng tử thể hiện tính chất quang học đặc trưng như phổ huỳnh quang có thể được kiểm soát (thậm chí

mở rộng để bao phủ toàn bộ vùng sóng nhìn thấy) bởi thay đổi kích thước và thành phần của chúng Đặc biệt, các QDs có dải phổ kích thích rộng với các đặc trưng vạch Stock hẹp và đối xứng với đỉnh phổ phát xạ (Hình 1.2(1)) QDs chỉ ra rất bền dưới quá trình chiếu sáng QDs có thể được tổng hợp bởi nhiều phương pháp như phương pháp thủy nhiệt, phương pháp dung môi hữu

cơ và các kĩ thuật chức năng hóa bề mặt Phương pháp thủy nhiệt thường được dùng trong lĩnh vực cảm biến quang học phát hiện chất phân tích vì phương pháp đơn giản, và QDs tan trong nước [10]

để điều chỉnh độ rộng vùng cấm để tăng hiệu suất phát quang và cải thiện hoặc tăng cường cấu trúc nội phân tử [11]

 Nano porphyrin

Với cấu trúc  đặc trưng, đặc tính điện tử nổi bật, cũng như các tính chất quang và điện hóa, khả năng tương thích sinh học, đã làm cho nano porphyrin trở thành một vật liệu lý tưởng cho các cảm biến sinh học Ứng dụng của nano

porphyrin cho các cảm biến đã được báo cáo bắt đầu từ năm 2000 Những phân tử porphyrin bền được trong các trạng thái nano của chúng nhờ các chất hoạt động bề mặt, và cũng nhờ đó mà tăng khả năng hòa tan porphrin trong các môi trường thức ăn để phát hiện nhanh chất cấm trong thức ăn [12]

Hình 1.2 Tính chất quang của các vật liệu nano [5]

chiết suất của môi trường xung quanh (Hình 1.2(4)) Các hạt nano vàng, bạc

có hệ số hấp thụ rất cao (108-1010 L.mol-1cm-1) nên theo định luật Beer, giới hạn phát hiện các hạt nano vàng và bạc là thấp Cùng với đó là diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện thuận lợi cho việc chức năng hóa [13, 14] Những yếu tố này đã làm cho vật liệu nano kim loại quý là một trong những ứng viên tuyệt vời cho phương pháp cảm biến huỳnh quang khi kết hợp với các phân tử màu hữu cơ cũng như các enzyme

Lambert-1.1.2 Cảm biến đo màu (quang phổ màu)

Phương pháp cảm biến đo màu (hay quang phổ màu) là một phương pháp thuận tiện và đơn giản nhưng đã chứng minh được điểm mạnh của phương pháp cho phát hiện những chất cần phân tích khác nhau như ion [15], những phân tử hữu cơ nhỏ [16], và những chất hóa học trong chiến tranh [17] Điểm nổi trội của phương pháp đo màu là có thể trực tiếp quan sát sự thay đổi của tín hiệu qua sự thay đổi của màu sắc Do đó, vấn đề then chốt của phương pháp đo màu là thay đổi tín hiệu biến đổi sang thay đổi màu sắc Hạt nano vàng đã được sử dụng rộng rãi để thiết kế những cảm biến màu trong ứng dụng phát hiện thuốc trừ sâu Xu và cộng sự đã sử dụng hạt nano vàng phát hiện sự có mặt của thuốc trừ sâu acetamiprid dựa vào ái lực mạnh giữa nhóm chức cyano và vàng [18] Cơ chế của cảm biến màu trong trường hợp này được chỉ ra là do sự thay đổi trạng thái của nano vàng từ đơn phân tán sang trạng thái tụ đám khi có mặt acetamiprid Nồng độ của acetamiprid có thể đánh giá định lượng qua sự thay đổi màu sắc từ đỏ sang xanh Cảm biến đo màu chỉ ra độ nhạy cao cho việc phát hiện thuốc trừ sâu trong mẫu thực

1.1.3 Cảm biến dựa trên hiện tượng tăng cường tán xạ Raman (SERS)

Phổ tán xạ Raman là một trong những phương pháp dùng khảo sát cấu trúc vật chất Tuy nhiên, tín hiệu phổ Raman thường yếu làm cho phổ Raman

có những hạn chế lớn trong phân tích cấu trúc Tuy nhiên, khi những chất hữu

cơ được hấp phụ trên những tấm kim loại quý như bạc, vàng, đồng ở kích thước nano thì thấy rằng tín hiệu Raman của những chất được hấp phụ lên sẽ tăng lên rất nhiều lần Phương pháp này làm tăng cường độ vạch Raman lên nhiều lần từ những phân tử được hấp phụ trên một bề mặt kim loại đặc biệt có cấu trúc nano gọi đó là hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) Phương pháp SERS thậm chí đạt đến độ nhạy ở mức độ đơn phân tử, đưa ra những cơ hội lớn trong việc phân tích phát hiện đơn phân tử [19] Dùng phương pháp SERS để phát hiện thuốc trừ sâu đã được tổng hợp báo cáo về

độ nhạy, độ lặp lại và tính cơ động [20] Nhóm nghiên cứu của PGS TS Phạm Văn Hội (Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã sử dụng kĩ thuật SERS dựa trên đế cây nano bạc đính trên đầu sợi quang đã phát hiện thuốc trừ sâu pemethrin Giản đồ hình 1.3 là một

ví dụ miêu tả phân tích phát hiện thuốc trừ sâu thiabendazol bằng phương pháp SERS sử dụng nano vàng [20]

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 [20]

1.2 Cảm biến huỳnh quang ứng dụng trong các phát hiện thuốc trừ sâu

1.2.1 Các cách thức tiếp cận phổ biến của phương pháp cảm biến huỳnh quang

* Phương pháp sử dụng enzyme làm xúc tác trung gian

Phương pháp cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở ức chế enzyme, trên nền tảng các vật liệu phát quang mới được phát triển để ứng dụng phát hiện nhanh các loại thuốc trừ sâu Trong phương pháp này, enzyme - chất đóng vai trò như một yếu tố nhận biết sự có mặt của thuốc trừ sâu được gắn kết với thành phần phát quang, sẽ hoạt động như một cảm biến điều khiển tín hiệu huỳnh quang “off” hoặc “on” khi có và không có mặt thuốc trừ sâu thông qua quá trình ức chế enzyme

Hongxia cùng các cộng sự đã dùng các chấm cacbon để nhận biết sự có mặt của thuốc trừ sâu organophosphates (Ops) thông qua quá trình ức chế enzyme acetylcholinesterase (AChE) [21] Khi không có mặt thuốc trừ sâu OPs, acetylthiocholine sẽ phản ứng với AChE để tạo ra thiocholine Thiocholine chính là tác nhân gây ra quá trình phân hủy axit 2-nitrobenzoic (DTNB) ở trạng thái không màu thành axit 5-thio-2-nitrobenzoic (TNBA) có màu vàng TNBA có chức năng giống như một chất hấp thụ mạnh lên bề mặt các chấm cacbon dẫn đến sự dập tắt huỳnh quang của chấm cacbon thông qua quá trình động học Tuy nhiên, khi có mặt của thuốc trừ sâu OPs, enzyme AChE bị ức chế không thể phản ứng để tạo ra thiocholine, kết quả dẫn đến sự phục hồi huỳnh quang của chấm cacbon, các quá trình này được miêu tả trong hình 1.4 Kết quả của nghiên cứu này đã chỉ ra giới hạn phát hiện thuốc trừ sâu paraoxon là 0,4 ngmL-1

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]

 Phương pháp dùng sự hỗ trợ của kháng thể

Kháng thể giống như một nhân tố nhận diện sinh học, mang lại một công

cụ mới trong các chế tạo các cảm biến sinh học Kháng thể có thể nhận dạng các kháng nguyên của chúng một cách đặc hiệu Phương pháp sử dụng sự hỗ trợ của kháng thể đã được ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện thuốc trừ sâu Cùng với sự phát triển của công nghệ và vật liệu nano, nhiều cơ hội đã mang lại cho sự phát triển cảm biến huỳnh quang dựa trên sử dụng phương pháp liên kết kháng thể Nhóm nghiên cứu của Shen đã thành công trong việc gắn kết QDs với kháng thể hoạt động giống như một cảm biến huỳnh quang, gián tiếp phát hiện ra sulfamethazine trong mô thịt gà [22] Sự kết hợp vật liệu nano với kháng thể đã mở ra con đường để chế tạo các que test nhanh và nhạy Tuy nhiên, cũng tồn tại một vài những khó khăn cơ bản để sử dụng các cảm biến huỳnh quang với kháng thể trong phương pháp test nhanh, đặc biệt là cần

sự tương thích sinh học của các đầu dò nano, sự đồng nhất trong việc chế tạo các hạt nano và hiệu suất gắn kết giữa kháng thể với các vật liệu nano cũng cần được cải thiện để chế tạo các que test

 Cảm biến dựa trên cơ sở các aptamer

Aptamer là một đoạn phân tử nucleic axit (DNA, RNA hay peptide) được chọn lọc nhân tạo để gắn với một phân tử đích nào đó Khác với kháng thể, các aptamer với khối lượng phân tử nhỏ và thường được tổng hợp với giá thành rẻ, độ bền tốt Đặc biệt, aptamer có thể điều khiển để gắn kết với các phân tử màu qua quá trình tổng hợp Với những đặc tính trên aptamer được xem là một cách tiếp cận hứa hẹn đối với các cảm biến cả trong chẩn đoán sinh học và phát hiện chất ô nhiễm môi trường Lantian và cộng sự đã xây dựng cảm biến huỳnh quang trên cơ sở hạt nano vàng, chất màu RhB với

aptamer phát hiện thành công carbendazim trong môi trường nước [23]

1.2.2 Cơ chế hoạt động chung của cảm biến huỳnh quang

Cảm biến huỳnh quang hoạt động dựa trên những sự thay đổi như cường

độ, độ hấp thụ, bước sóng phát xạ, độ phân cực, hoặc thời gian sống huỳnh quang Tuy nhiên, cảm biến huỳnh quang dựa trên sự thay đổi về cường độ huỳnh quang là được ứng dụng rộng rãi nhất vì độ nhạy cao, dễ theo dõi và có thể đáp ứng cho phần lớn các chất phân tích và các hệ vật liệu [24] Kĩ thuật phát hiện chung của cảm biến huỳnh quang dựa trên sự thay đổi về cường độ huỳnh quang được gọi là quá trình dập tắt huỳnh quang Quá trình dập tắt huỳnh quang là quá trình cường độ huỳnh quang của phân tử phát quang bị giảm đi mà đặc trưng phổ huỳnh quang không bị thay đổi Có nhiều phân tử tương tác với chất phát quang có thể được dùng như tác nhân dập tắt huỳnh quang với các nguyên nhân khác nhau như: dập tắt huỳnh quang do va chạm ( cũng được gọi là dập tắt do động học), tự động dập tắt (auto-quenching) và dập tắt tĩnh (static quenching) (Hình 1.5) Quá trình dập tắt tĩnh là quá trình tạo ra các phân tử phức, những phân tử này không phát huỳnh quang do đó gây ra hiện tượng suy giảm cường độ huỳnh quang Tuy nhiên hiện tượng này

sẽ gây ra thay đổi phổ huỳnh quang vì tính chất của phân tử phức khác với phân tử ban đâu [25] Quá trình dập tắt tĩnh không được coi là quá trình dập tắt huỳnh quang vì dẫn đến sự thay đổi phổ huỳnh quang [24]

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) [24]

Dập tắt huỳnh quang do động học xảy ra khi sự biến đổi của trạng thái kích thích sẽ quan sát được sự suy giảm cả về cường độ huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang Hiện tượng dập tắt huỳnh quang đã được miêu tả qua các cơ chế bao gồm trao đổi năng lượng (trao đổi năng lượng Förster và trao đổi năng lượng Dexter) hiệu ứng nội dập tắt (inner filter efect -IFE), hiệu ứng trao đổi điện tử (PET) [26, 27]

Trao đổi năng lượng Förster là hiện tượng dựa trên tương tác lưỡng cực Phụ thuộc vào đặc trưng phát xạ của phân tử Trao đổi năng lượng Förster được chỉ ra lần đầu tiên vào năm 1950 khi đó trở thành hiện tượng được sử

dụng nhiều trong các kĩ thuật cảm biến huỳnh quang nhờ vào đặc tính nhạy và phản hồi nhanh của tín hiệu huỳnh quang [29] FRET là quá trình trao đổi năng lượng không phát xạ thường xảy ra ở giữa hai phân tử màu ở khoảng cách lớn (100 nm) Ở khoảng cách đó chất phát quang gần với phân tử acceptor, quá trình chuyền năng lượng từ trạng thái kích thích thông qua tương tác lưỡng cực Trong trao đổi năng lượng FRET yêu cầu có sự che phủ phổ hấp thụ của acceptor và phổ phát xạ của donor Hình 1.6 miêu tả cơ chế trao đổi năng lượng FRET của hai thành phần donor và acceptor

Hình 1.6 Cơ chế trao đổi năng lượng FRET thông qua tương tác lưỡng cực [28]

Cơ chế truyền năng lượng Dexter thường xảy ra ít phổ biến hơn, với khoảng cách ngắn hơn so với khoảng cách donor và acceptor của truyền năng lượng Froster Quá trình truyền năng lượng Dexter yêu cầu có sự che phủ orbital của hai thành phần donor và acceptor để dẫn đến quá trình dập tắt huỳnh quang Cơ chế truyền năng lượng Dexter xảy ra khi có sự trao đổi điện tử từ orbital phân tử bị chiếm thấp nhất (LUMO) của phân tử donor chuyển sang trạng thái LUMO của acceptor đồng thời với quá trình orbitan phân tử chiếm cao nhất (HOMO) của acceptor sẽ chuyển sang HOMO của donor Vì vậy quá

trình này còn được gọi là cơ chế trao đổi Hình 1.7 miêu tả cơ chế trao đổi năng lượng Dexter

Hình 1.7 Giản đồ miêu tả cơ chế trao đổi năng lượng Dexter [26]

Lý thuyết về cơ chế trao đổi điện tử được Marcus đưa ra vào những năm

1950 [26, 30] Trao đổi điện tử giữa hai thành phần donor và acceptor cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến dập tắt huỳnh quang của trạng thái kích thích của donor Quá trình trao đổi điện tử không có sự hình thành liên kết mới hay phá vỡ những liên kết cũ mà chỉ là sự chuyển dịch điện tử Điện

từ được truyền từ quỹ đạo của phân tử này sang quỹ đạo của phân tử khác Quá trình trao đổi điện tử sẽ là thuân lợi nếu quá trình đó tỏa nhiệt

Các hiệu ứng FRET, PET, và IFE thường được ứng dụng phổ biến trong các cảm biến huỳnh quang Trong khuôn khổ của luận văn, cảm biến huỳnh quang được xây dựng chủ yếu dựa trên hiệu ứng IFE

1.2.3 Cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở hiệu ứng IFE

Hiệu ứng IFE là một quá trình chuyển đổi năng lượng không bức xạ quan trọng trong phương pháp phổ huỳnh quang khi ánh sáng kích thích hoặc

phát xạ bị hấp thụ bởi chất hấp thụ có trong thành phần mẫu đo [31] Hiệu ứng IFE ban đầu được coi là một lỗi trong phép đo phổ huỳnh quang, đặc biệt

là khi có mặt một chất hấp thụ được chuẩn nồng độ trong thành phần đo phổ huỳnh quang Tuy nhiên, khi thay đổi nồng độ chất hấp thụ dẫn đến thay đổi cường độ huỳnh quang theo hàm mũ đã làm tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện các chất hấp thụ [32] Yang và các cộng sự lần đầu tiên đã thiết kế một hệ cảm biến huỳnh quang độ nhạy cao phát hiện sự có mặt của ion CuIIdựa trên hiệu ứng IFE của phổ hấp thụ của spiropyran và huỳnh quang của porphyrin [33] Hệ cảm biến đã cho thấy tính khả thi khi dùng cách tiếp cận cảm biến huỳnh quang đơn giản dựa trên hiệu ứng IFE, và có thể khắc phục được các hạn chế về độ nhạy, độ lặp lại

Hiệu ứng IFE đầu tiên chỉ ra là do sự hấp thụ ánh sáng kích thích của các phân tử màu trong dung dịch; hiệu ứng IFE thứ hai liên quan đến quá trình hấp thụ các bức xạ phát ra của các phân tử màu (Hình 1.8) Trong phân tích thực nghiệm, hiệu ứng IFE thứ hai có thể tránh được hoàn toàn khi bước sóng phát xạ trong vùng không có thành phần nào hấp thụ Tuy nhiên, hiệu ứng IFE

có thể tối ưu để giảm thiểu hoặc bỏ qua nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn bởi vì quá trình hấp thụ bởi các chất phát quang bắt buộc phải xảy ra để tạo ra

sự kích thích chất phát quang

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 [31]

Trong nhiều phân tích thực nghiệm, hiệu ứng IFE được quan sát thấy rõ ràng Đã có nhiều nỗ lực đã được thực hiện để bù lại sự giảm tín hiệu huỳnh quang do hiệu ứng IFE và phục hồi sự thay đổi tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang với tỉ lệ với nồng độ của chất phát quang [34, 35] Hệ số làm đúng phổ huỳnh quang đầu tiên được đề xuất bởi Parker và Barners vào năm

1957, tuy nhiên phương trình đưa ra chưa thấy được sự rõ ràng [34] Yappert

và Ingle đã phân tích cụ thể mối quan hệ và biểu diễn theo phương trình làm đúng cường độ tín hiệu huỳnh quang được biểu thị theo công thức sau [35] :

Năm 1994, Albinsson và cộng sự đưa ra biểu thức tính cường độ phổ huỳnh quang sau khi loại bỏ hiệu ứng IFE như sau [36]:

𝐹𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝐹𝑜𝑏𝑠 × 10(𝐴𝑒𝑥 +𝐴𝑒𝑚)/2 (2)

Rõ ràng rằng hiệu ứng IFE đóng vai trò quan trọng và không thể tránh được trong các phép đo phổ huỳnh quang Bất cứ sự thay đổi nào của tín hiệu huỳnh quang liên quan tới sự thay đổi của nồng độ chất phân tích có thể được

sử dụng như một cảm biến huỳnh quang Theo lý thuyết, sự thay đổi độ hấp thụ của chất hấp thụ tương ứng với sự thay đổi theo hàm mũ của tín hiệu huỳnh quang Như vậy hiệu ứng IFE sẽ tăng độ nhạy và giới hạn phát hiện các chất phân tích [33]

 Điều kiện xây dựng cảm biến huỳnh quang dựa trên hiệu ứng IFE

Để xây dựng một hệ cảm biến IFE yêu cầu gồm ít nhất hai thành phần là chất hấp thụ và chất phát quang Để có được một hệ cảm biến tốt trên cơ sở hiệu ứng IFE thì các điểm sau cần phải xem xét:

(i) Phổ hấp thụ của chất hấp thụ phải đủ bao phủ các vùng phổ kích thích và/hoặc phổ huỳnh quang của chất phát quang (Hình 1.5) Như vậy huỳnh quang phát ra của chất phát quang có thể bị thay đổi bởi chất hấp thụ Hiệu suất của hiệu ứng IFE phụ thuộc vào sự mở rộng che phủ phổ hấp thụ với các thành phần kể trên Do đó việc chọn hệ chất hấp thụ và phát quang hợp lý đóng vai trò rất quan trọng

(ii) Phổ hấp thụ của chất hấp thụ thay đổi nhạy theo sự thay đổi nồng độ chất hấp thụ, đây là nguyên lý cơ bản cho việc định lượng chất phân tích (iii) Phổ huỳnh quang của chất phát quang không nên phụ thuộc vào chất phân tích để đảm bảo chất phát quang hoạt động như một chất chỉ thị huỳnh quang trong một hệ hoạt động theo hiệu ứng IFE

Nhìn chung có ba cách để thiết kế một hệ cảm biến huỳnh quang dựa trên hiệu ứng IFE Phần lớn cảm biến dựa trên IFE hoạt động ở chế độ “turn-off” tín hiệu huỳnh quang, khi mà độ hấp thụ của chất hấp thụ tăng cùng với

sự tăng nồng độ của chất phân tích dẫn đến kết quả suy giảm cường độ huỳnh quang Đặc biệt khi chất phân tích bản thân là một chất hấp thụ có thể trực tiếp hấp thụ huỳnh quang của chất phát quang phù hợp

Tuy nhiên, cảm biến huỳnh quang theo chế độ “turn-off” có thể cho những tín hiệu sai lệch do sự ảnh hưởng của môi trường Bên cạnh đó do ảnh hưởng của tín hiệu ban đầu lớn, nên chế độ “turn-off” thường kém nhạy hơn

so với chế độ “tunr-on” tín hiệu huỳnh quang Do đó thiết kế các hệ cảm biến

huỳnh quang theo chế độ “turn-on” rất được quan tâm để phát triển Đối với

hệ cảm biến “turn-on” tín hiệu huỳnh quang, đầu tiên, chất hấp thụ cần phải làm tắt tín hiệu huỳnh quang của chất phát quang Sau đó, chất cần phân tích

sẽ phục hồi tín hiệu huỳnh quang theo sự thay đổi nồng độ của chất phân tích Đối với cách thức “turn-on” tín hiệu huỳnh quang, cặp chất phân tích cyanid

và hạt nano Ag đã cho thấy sự phù hợp rất tốt [37]

Cách thức thứ ba có thể thực hiện theo kiểu tỉ lệ tín hiệu huỳnh quan, trong đó nồng độ chất phân tích được xác định thông qua đo tỉ lệ cường độ huỳnh quang ở hai bước sóng Cách thức này có thể hạn chế những tín hiệu sai lệch có nguồn gốc từ môi trường Đối với cách tiếp cận này, thì các cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở PET/FRET đã được báo cáo nhiều Tuy nhiên đối với cảm biến dựa trên cở sở IFE thì vẫn còn hạn chế số lượng báo cáo [38, 39]

1.3 Ứng dụng cảm biến huỳnh quang trong phát hiện thuốc trừ sâu

1.3.1 Quá trình phát triển của cảm biến huỳnh quang trong phát hiện thuốc trừ sâu

Trên thế giới, sử dụng phương pháp cảm biến huỳnh quang để phát hiện nhanh thuốc trừ sâu trong các môi trường khác nhau đã đạt được sự phát triển nhanh chóng và đã thể hiện được các ưu điểm nổi trội như thao tác nhanh chóng, đơn giản, chính xác, chi phí thấp, và thân thiện với môi trường [40] Vật liệu nano đã cho thấy sự đa dạng trong cách tiếp cận đối với phương pháp cảm biến huỳnh quang, được chứng minh qua các kết quả nghiên cứu phong phú dựa trên các nền tảng vật liệu như hạt nano kim loại [4], các ống nano cacbon [41], vật liệu graphen, graphen oxit [42], các chấm lượng tử [43], chấm cacbon [44]

Vận dụng cơ chế IFE để xây dựng cảm biến huỳnh quang phát hiện thuốc trừ sâu cũng đã thu được những kết quả khả quan Zhang cùng các cộng

sự đã sử dung hệ cảm biến huỳnh quang trên cơ sở hạt nano Au và huỳnh quang của chấm lượng tử CdTe để phát hiện melamine trong sữa [45]

1.3.2 Thuốc trừ sâu Organophosphosphorus

Thuốc trừ sâu Organophosphosphorus (OPs) là họ thuốc trừ sâu được phân loại là những hợp chất hóa học cực độc bởi tổ chức y tế thế giới (WHO) Mặc dù dễ phân hủy so với các loại thuốc trừ sâu khác, nhưng chúng vẫn có độc tính cao Do tính chất hòa tan trong nước thấp, OPs có khuynh hướng gắn vào bề mặt các chất khác ÓP có ái lực liên kế mạnh với enzyme acetycholinesteras (AChE) OPs cũng hoạt động như một chất độc tấn công

hệ thần kinh, nên chúng đã được sử dụng như những tác nhân trong suốt chiến tranh thế giới thứ II

Thuốc trừ sâu OPs là nguyên nhân của rất nhiều bệnh liên quan đến hệ thống thần kinh, hệ tiêu hóa và ung thư Những triệu chứng thông thường khi

bị nhiễm quá liều cho phép của OPs như nôn mửa, mệt mỏi, chóng mặt, đau đầu, tê chân tay, mất chức năng thần kinh và thậm chí tử vong Một số lượng lớn những thuốc trừ sâu OPs đã bị cấm theo công ước Rotterdam có thể được thực hiện cho các nước đang phát triển như: parathion, parathion-methy, phosphamidon Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn Châu âu thì thuốc trừ sâu dimethoate, chlopirifos và malathion được phép sử dụng theo liều lượng quy định [46]

Trong khuôn khổ của luận văn, cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở các mầm nano Ag và chất màu RhB đã được sử dụng để thử nghiệm phát hiện thuốc trừ sâu chlopirifos

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu

Các hóa chất và nồng độ sử dụng trong quá trình nghiên cứu tổng hợp mầm nano bạc, cũng như loại thuốc trừ sâu được nghiên cứu trong luận văn được chỉ ra trong bảng 1

Bảng 1.1 Các hóa chất và nồng độ sử dụng chế tạo mẫu

Thể tích dung dịch (ml)

Nồng độ dung dịch (M)

C) Sau khi khuấy từ, tiếp tục