Chế tạo và khảo sát các tính chất vật liệu cấu trúc nano zno ag au nhằm phân tích lượng vết chất màu hữu cơ

Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ------ NGUYỄN THỊ HƯỜNG CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO ZnO/Ag/Au NHẰM PHÂN TÍCH LƯỢNG VẾT CHẤT MÀU HỮU CƠ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

- -

NGUYỄN THỊ HƯỜNG

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO ZnO/Ag/Au NHẰM PHÂN

TÍCH LƯỢNG VẾT CHẤT MÀU HỮU CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA PHÂN TÍCH

THÁI NGUYÊN - 2023

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

- -

NGUYỄN THỊ HƯỜNG

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO ZnO/Ag/Au NHẰM PHÂN

TÍCH LƯỢNG VẾT CHẤT MÀU HỮU CƠ

Ngành: Hóa phân tích

Mã số: 8 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA PHÂN TÍCH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thị Thu Hà

THÁI NGUYÊN - 2023

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Cô giáo, TS Phạm Thị Thu Hà đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, những người đã tận tình giúp đỡ, dạy bảo và hướng dẫn trong quá trình tôi học tập tại trường

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người thân yêu luôn bên cạnh, quan tâm, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……… i

MỤC LỤC….……… ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về Methylene blue 4

1.1.1 Giới thiệu về Methylene Blue……….4

1.1.2.Độc tính của Methylene blue 5

1.2 Các phương pháp phân tích Methylene blue 7

1.2.1.Phương pháp UV -Vis 8

1.2.2.Phương pháp sắc ký lỏng 9

1.2.3.Phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) 12

1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO/Ag/Au 15

1.4.Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu 18

1.4.1.Kính hiển vi điện tử quyét (SEM – Scanning Electron Microscopy)18 1.4.2.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission electron microscopy) 19

1.4.3 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 20

1.4.4 Quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis - Ultraviolet Visible) 21

1.4.5 Phổ tán xạ Raman 23

1.4.6 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 25

2.1 Hoá chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng 25

2.1.1 Hoá chất 25

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 26

2.2 Chế tạo vật liệu nano tổ hợp ZnO/Ag/Au 27

2.2.1 Chế tạo vật liệu micro/nano ZnO dạng tấm 27

2.2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag 28

2.2.3 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Au 28

2.3 Khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu 29

2.4 Khảo sát phân tích MB bằng phổ Raman 29

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Phân tích hình thái vật liệu ZnO/Ag/Au 31

3.2 Phân tích cấu trúc vật liệu tổ hợp nano và thành phần các nguyên tố 32 3.3 Tính chất quang 36

3.3.1 Phổ hấp thụ 36

3.3.2 Phân tích phổ Raman 40

3.3 Cơ chế tạo thành vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Au 41

3.4 Thử nghiệm phát hiện Methylene blue (MB) bằng SERS 43

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Viết đầy đủ

enzyme

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số khảo sát sự thay đổi lượng HAuCl4 đến sự hình thành vật liệu tổ hợp ZnO/Ag/Au 29 Bảng 3.1 Kích thước tinh thể theo các mặt khác nhau của các mẫu ZnO,

ZnO/Ag, ZnO/Ag/Aux (x=1, 2, 3, 4 , 5, 6) 35 Bảng 3.2 Năng lượng vùng cấm của các vật liệu tổng hợp được …….38 Bảng 3.3 Các giá trị EF của MB (10-8M) hấp phụ trên đế ZnO/Ag/Au3 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của methylene blue 4

Hình 1.2 Dạng oxi hóa và dạng khử của Blue methylene 5

Hình 1.3 Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg 21

Hình 1.4 Mô phỏng nguyên lý máy đo phổ UV – Vis 23

Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ đo microRaman điển hình 24

Hình 3.1 Hình thái kích thước của vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Au3 32

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu ZnO tinh khiết và ZnO/Ag/Aux (x = 0÷6) 34

Hình 3.3 Hiện ảnh mầu các nguyên tố có trong mẫu TEM-EDS của một mẫu đại diện ZnO/Ag/Au3 36

Hình 3.4 (a) Phổ hấp thụ của mẫu ZnO tinh khiết và của vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Aux (x=0÷6) và (b) là phổ hấp thụ UV-Vis trong vùng bước sóng từ 400 nm đến 500 nm 39

Hình 3.5 Phổ hấp thụ của mẫu ZnO tinh khiết và vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Aux (x=0÷6) 39

Hình 3.6 Năng lượng vùng cấm (Eg) của các mẫu ZnO tinh khiết và ZnO/Ag/Aux (x=0÷6) 40

Hình 3.7 Phổ Raman của ZnO tinh khiết và vật liệu tổ hợp nano ZnO/Ag/Aux (x=0÷6) 41

Hình 3.8 Sơ đồ minh họa quá trình tạo thành ZnO/Ag/Au 42

Hình 3.9 (a) Phổ Raman của MB trên đế thuỷ tinh (b) Cấu hình phân tử của MB 44

Hình 3.10 (a) Phổ Raman của MB theo các nồng độ từ 10-8M đến 10-4 M trên đế ZnO/Ag/Au3 (b) Sự phụ thuộc của logarit nồng độ tương ứng của MB theo logarit cường độ Raman 45

MỞ ĐẦU

Hiện nay, thuốc nhuộm làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng các vùng nước, làm tăng nhu cầu oxy sinh hóa và hóa học (BOD và COD), làm suy giảm quá trình quang hợp, ức chế sự phát triển của thực vật, xâm nhập vào chuỗi thức

ăn, tích lũy sinh học, làm tăng độc tính, gây đột biến và ung thư Các thuốc nhuộm không những được đưa vào sử dụng ngành công nghiệp dệt nhuộm mà còn được

sử dụng vào ngành công nghiệp thực phẩm như tạo màu sản phẩm một cách rất bừa bãi, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người Một trong các chất màu đó cần kể đến Methylene Blue, Methyl Red, Methylene Orange, … Đây là các chất màu độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng rất lớn đến hệ sinh và bị cấm dùng trong sản xuất thực phẩm

Methylene blue thường được sử dụng để nhuộm màu vải, sợi, giấy và các sản phẩm từ tre, trúc, da, … Methylene blue có thể làm giảm hồng cầu, huyết

áp cao, dị ứng, nhức đầu, nôn mửa, … [1] Nồng độ Methylene blue (MB) trong nước quá cao sẽ cản trở sự hấp thụ oxi vào nước do đó sẽ làm cản trở sự sinh trưởng của các động thực vật gây ra hiện tượng xáo trộn hoạt động của vi sinh vật và ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước [2] Do đó việc kiểm soát Methylene blue trong nước, trong thực phẩm, … là rất cần thiết

Mặc dù phương pháp UV-Vis, LC, HPLC thường là phương pháp tiêu chuẩn để phát hiện, định lượng Methylene blue, nhưng những tiến bộ công nghệ gần đây đã thúc đẩy việc tạo ra các kỹ thuật thay thế, chẳng hạn như quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) với nhiều ưu điểm như phát hiện siêu nhạy, lặp lại tốt, quy trình đơn giản, phân tích mẫu tại chỗ, chi phí thấp [3] Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một phương pháp làm tăng cường độ tín hiệu Raman của phân tử chất cần phân tích lên nhiều lần khi phân

tử chất phân tích hấp thụ trên bề mặt gồ ghề của kim loại hoặc các cấu trúc nano dưới tác dụng của ánh sáng kích thích lazer Kim loại quý đã được khám

phá làm vật liệu cho chế tạo đế SERS dựa trên cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) dưới sự kích thích của tia laser tới Do có những ưu điểm như độ nhạy cao, độ ổn định và khả năng tái tạo, kim loại quý đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu hoạt động SERS [4] Tuy nhiên, vì kim loại quý có giá thành đắt và khả năng tương thích sinh học kém cho nên việc chế tạo với quy mô lớn bị hạn chế [5] So với kim loại quý, vật liệu bán dẫn sở hữu các đặc tính quang học, hóa học, điện học và xúc tác bổ sung thú vị [6] Nhiều loại vật liệu bán dẫn đã được chứng minh cho tăng cường SERS tốt chẳng hạn như oxit kim loại, muối sunfua, muối halogenua và một số nguyên tố bán dẫn Vật liệu oxit kim loại như kẽm oxit (ZnO) được coi như một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho hoạt động của SERS do các đặc tính và chức năng của nó

Người ta biết rằng cơ chế hoạt động của SERS trong trường hợp vật liệu kim loại chủ yếu là do hiệu ứng tăng cường trường điện từ cục bộ mạnh (EM)

và một phần đóng góp nhỏ là do cơ chế hóa học (CM) do sự hình thành các trạng thái chuyển điện tích [7] Đối với các phép đo SERS trong vùng khả kiến, chất nền bán dẫn thường kém hiệu quả hơn chất nền kim loại quý do phạm vi năng lượng kích thích plasmon của vật liệu bán dẫn dự kiến nằm trong khoảng

từ 4 đến 30 eV, khác xa so với năng lượng kích thích Raman thông thường [8]

Để khắc phục nhược điểm trên, chúng tôi tập trung vào vật liệu bán dẫn ZnO

được gắn kết với kim loại quý như Ag và Au, vì vậy tôi lựa chọn đề tài: “Chế

tạo và khảo sát các tính chất vật liệu cấu trúc nano ZnO/Ag/Au nhằm phân

tích lượng vết chất màu hữu cơ”

Mục tiêu của đề tài luận văn:

Chế tạo thành công và khảo sát các tính chất của vật liệu tổ hợp ZnO/Ag/Au có cấu trúc nano có khả năng tăng cường tín hiệu Raman của chất màu hữu cơ lên khoảng từ 106 - 108 lần

Nội dung chính cần giải quyết:

- Chế tạo vật liệu ZnO dạng tấm theo phương pháp thuỷ nhiệt

- Chế tạo vật liệu ZnO/Ag theo phương pháp oxi hoá khử

- Chế tạo vật liệu ZnO/Ag/Au theo phương pháp oxi hoá khử

- Khảo sát một số thông số công nghệ ảnh hưởng lên tính chất quang của các hạt nano chế tạo được,

- Phân tích hình thái, kích thước bằng phép đo SEM, TEM, HRTEM

- Phân tích các tính chất quang dựa vào phương pháp phổ hấp thụ Vis và XRD

UV Đánh giá khả năng phát hiện MB của vật liệu ZnO/Ag/Au

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Methylene blue

1.1.1 Giới thiệu về Methylene blue

Thuốc nhuộm công nghiệp là một trong những hóa chất chủ yếu khiến nước không thể sử dụng Trong số các loại thuốc nhuộm này, methylene blue (MB) độc hại, gây ung thư, không phân hủy sinh học và có thể gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và an toàn môi trường Nó thường được thải vào các nguồn nước tự nhiên, trở thành mối đe dọa sức khỏe đối với con người và các sinh vật sống

MB là chất rắn, không mùi, bột màu xanh đậm ở nhiệt độ phòng và tạo ra dung dịch màu xanh lam khi hòa tan trong nước MB có độ khuếch tán phân tử (Dmol)

là 4,7 × 106 (cm2/s) ở 25 ◦C Chiều dài của phân tử MB là 13,82 Å hoặc 14,47 Å và chiều rộng xấp xỉ 9,5 Å Thuốc nhuộm MB có pKa là 3,8 Nó hòa tan trong metanol, 2-propanol, nước, etanol, axeton và etyl axetat Độ hòa tan của nó trong nước là 43,6 g/L ở 25 ◦C Điểm nóng chảy của MB nằm trong khoảng 100 – 110 ◦C [9] Công thức phân tử là C16H18ClN3S, khối lượng phân tử: 319,85 g/mol.

Công thức cấu tạo:

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của methylene blue

Nhiệt độ nóng chảy: 100 - 110°C

MB có màu xanh đậm đặc trưng ở trạng thái oxy hóa và không màu ở dạng khử Cấu trúc của cả hai dạng được thể hiện trong hình 1.2 Màu sắc của MB phụ thuộc vào nhóm màu và nhóm phụ trợ của nó Phổ hấp thụ của MB cho thấy đỉnh hấp thụ mạnh nhất ở khoảng 664 nm liên kết với monome MB, với đỉnh vai ở khoảng 612 nm được quy cho dimer MB Hai dải bổ sung xuất hiện ở

vùng tử ngoại với các đỉnh khoảng 292 và 245 nm (liên kết với các vòng benzen được thay thế) [10] MB đối kháng với các loại hoá chất có tính oxi hoá và khử, kiềm, dichromate, các hợp chất của iod Khi phân huỷ sẽ sinh ra khí độc Cl2,

NO, CO, SO2, H2S MB nguyên chất 100% có dạng bột hoặc tinh thể MB có thể bị oxi hoá hoặc bị khử và mỗi phân tử MB bị oxi hoá và bị khử khoảng 100 lần/giây Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxi của tế bào [11]

Hình 1.2 Dạng oxi hóa và dạng khử của methylene blue

1.1.2 Độc tính của Methylene blue

Thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ thơm có màu hấp thụ ánh sáng và truyền màu cho vùng nhìn thấy Hơn 100.000 thuốc nhuộm thương mại đã được báo cáo trên toàn thế giới, lên tới khoảng 7 × 108 – 1 × 109 kg/năm [12] William Henry Perkin phát hiện ra thuốc nhuộm tổng hợp đầu tiên vào năm 1856, đặt tên nó là Mauveine (một loại thuốc nhuộm anilin hữu cơ) [13] Thuốc nhuộm được áp dụng cho các chất nền để tạo cho chúng màu sắc bền lâu, có thể chống phai màu khi tiếp xúc với nước, ánh sáng, tác nhân oxy hóa, mồ hôi và sự tấn công của vi sinh vật Do những ưu điểm này, nhiều loại thuốc nhuộm được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như dệt may, thực phẩm, cao su,

in ấn, mỹ phẩm, y học, nhựa, bê tông và công nghiệp giấy cho nhiều mục đích

Những ngành công nghiệp này tạo ra một lượng lớn nước thải có chứa thuốc nhuộm độc hại và gây ung thư, gây ô nhiễm nước, không phù hợp cho con người sử dụng [14] Trong số các ngành công nghiệp này, ngành dệt may là ngành tiêu thụ nhiều thuốc nhuộm nhất, sử dụng thuốc nhuộm dệt, là những hợp chất rất phức tạp với các nhóm cấu trúc khác nhau Một trong những nguyên liệu tiêu thụ nhiều nhất trong ngành nhuộm là methylene blue, thường

được sử dụng để tạo màu cho len lụa, bông và giấy [15]

Các ngành công nghiệp dệt may thường thải ra một lượng lớn thuốc nhuộm

MB vào nguồn nước tự nhiên, trở thành mối đe dọa sức khỏe đối với con người

và vi khuẩn Thuốc nhuộm MB có hại cho sức khỏe con người ở một nồng độ nhất định do độc tính đáng kể của nó, gây ung thư và không thể phân hủy sinh học, có thể gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và tác động tàn phá đến môi trường MB gây ra một số rủi ro đối với sức khỏe con người như suy hô hấp, rối loạn bụng, mù lòa, rối loạn tiêu hóa và tâm thần [16]

MB tiếp xúc với da có thể dẫn đến đỏ da và ngứa Việc thải MB vào môi trường

là mối đe dọa đáng kể vì lý do thẩm mỹ và độc tính Nó cũng làm giảm sự thâm nhập của ánh sáng và là nguồn cung cấp chất độc cho chuỗi thức ăn của sinh vật Sự hiện diện của MB trong các vùng nước, thậm chí ở nồng độ rất thấp, tạo

ra các sản phẩm phụ có màu sắc rực rỡ Do hệ số hấp thụ mol cao (~8,4 × 104L.mol-1.cm-1 ở bước sóng 664 nm), làm giảm độ truyền ánh sáng mặt trời, làm giảm khả năng hòa tan oxy, ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của đời sống thủy sinh và làm giảm tính đa dạng và tính thẩm mỹ của môi trường sống [17]

MB là thuốc nhuộm cation, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và sản phẩm gia dụng Nó được sử dụng để nhuộm bông, gỗ, lụa và

để điều trị bệnh thiếu máu cục bộ, sốc nhiễm trùng và nhiều bệnh khác Nó cũng là một loại thuốc nhuộm chống nấm hiệu quả để chữa các bệnh về cá Tuy nhiên, tiếp xúc với MB có thể gây ra một số ảnh hưởng có hại cho sức

khoẻ con người, chẳng hạn như tăng nhịp tim, nôn mửa, sốc, tím tái, vàng

da, liệt tứ chi và hoại tử mô [18]

Trong hoá học, do dạng oxi hoá có màu xanh còn dạng khử không có màu mà MB được dùng như một chất chỉ thị oxi hoá khử với thế oxi hoá chuẩn là 0,01V MB đã được sử dụng để phân tích một số nguyên tố như phân tích sunfua, phát hiện một số chất hoạt động bề mặt anion trong mẫu nước (cacboxylat, phosphat, sulfat và sulfonat)

MB ngoài việc được sử dụng phổ biến trong các ngành nhuộm như da, vải, nilon, gỗ, nhựa, mực in; trong xây dựng để kiểm tra chất lượng bê tông, vữa, … MB còn được sử dụng trong y học để chuẩn đoán và điều trị, bao gồm chỉ thị để phát hiện khối u ác tính, chỉ thị phát hiện vi khuẩn, dùng để sát khuẩn và khử trùng, điều trị chống tăng huyết cầu [19] MB được sử dụng

để điều trị cấp cứu methaemoglobinemia, bệnh não trung bình do ifosfa gây

ra hoặc ngộ độc do cyanide, nitrat hoặc carbon monoxide, và để nhuộm mô trong phẫu thuật [20]

Ngoài ra, MB còn có khả năng ngăn chặn sự kích hoạt guanyl cyclase bởi oxit nitric nên có đặc tính giải lo âu và chống trầm cảm nên được sử dụng trong điều trị rối loạn tâm thần [21] Tuy nhiên, vào năm 2011, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ đã đưa ra cảnh báo an toàn liên quan đến nguy cơ mắc hội chứng serotonin khi MB được sử dụng đồng thời với thuốc điều trị tâm thần serotonergic [22]

1.2 Các phương pháp phân tích Methylene blue

Việc phân tích Methylene blue đòi hỏi một phương pháp chính xác và đáng tin cậy Gần đây, có rất nhiều phương pháp phát hiện MB khác nhau như đo quang phổ, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme (IC-ELISA), tán

xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme cạnh tranh gián tiếp (IC-ELISA), sắc ký lỏng cộng hưởng (LC), và

sắc ký lỏng – tán xạ khối phổ song song (RLS), và sắc ký lỏng – khối phổ (LC–MS/MS) Sau đây là một số phương pháp phổ biến

1.2.1 Phương pháp UV -Vis

Quang phổ UV-Vis là một phương pháp phân tích đơn giản và là một sự lựa chọn tốt cho phân tích thông thường Quang phổ UV-Vis, sử dụng ánh sáng cực tím và ánh sáng khả kiến để đo độ hấp thụ của hợp chất hóa học có trong mẫu Trong đó giá trị độ hấp thụ của ánh sáng truyền qua sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ của dung dịch trong cuvet Tuy nhiên, trước khi sử dụng phương pháp này, trước tiên cần phải xác nhận phương pháp phân tích Thẩm định các phương pháp phân tích là một quá trình quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả đo cũng như giảm thiểu sai sót trong quá trình đo Phương pháp này chính là phương pháp phổ hấp thụ của phân tử trong vùng UV- VIS Ở trạng thái cơ bản, phân tử và nhóm phân tử của chất có mức năng lượng thấp nên rất bền vững Nhưng khi chiếu một chùm sáng đơn sắc có năng lượng phù hợp thì các electron hoá trị trong các liên kết sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hay là trạng thái kích thích Hiệu số giữa hai mức năng lượng (cơ bản Eo và Em) chính là năng lượng

mà phân tử hấp thụ từ nguồn sáng để tạo phổ hấp thụ phân tử của chất

Về nguyên tắc phương pháp UV-Vis theo USP xác định MB dựa trên việc

đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch MB tại bước sóng 663 nm [23] Một số các công trình khoa học đã sử dụng phương pháp này để xác định MB nước, trong các mẫu sinh học Belaz-David và các cộng sự đã xác định MB trong huyết tương và máu bằng phương pháp quang phổ đo ở bước sóng 657 nm, khoảng nồng độ xác định 0,1 – 9,1 g/mL sai số 10% [24] Trong một nghiên cứu khác, Nekouei và các cộng sự đã xác định MB trong nước thải sinh hoạt bằng việc sử dụng máy quang phổ Shimadzu UV-1800, đo ở bước sóng 675

nm và đường chuẩn từ 2,0 - 350,0 μg/L, hệ số tương quan là 0,9996 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn lượng tử (LOQ) lần lượt là 0,65 và 2,05 μg/L [25] Trong một nghiên cứu gần đây, Mentik Hulupi và cộng sự đã sử dụng Máy quang phổ UV-Vis Evolution 360 để xác định nồng độ xanh methylene trong nước thải Phương pháp Máy quang phổ UV-Vis Evolution 360 đã được xác nhận bằng cách đo các thử nghiệm tuyến tính, giới hạn phát hiện và định lượng,

độ đúng và độ chính xác Giá trị R cho các phép đo tuyến tính lớn hơn 0,99, giá trị LOD và LOQ lần lượt là 0,46415 mg/kg và 1,54716 mg/kg, với giá trị %RSD dưới 2% [26]

Phương pháp UV-Vis này có độ nhạy, độ ổn định và độ chính xác khá cao, được sử dụng nhiều trong phân tích vi lượng Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là độ chọn lọc không cao, do đó khi phân tích MB trong các mẫu môi trường, mẫu thực phẩm với thành phần nền phức tạp thì cần phải tách chất phân tích ra khỏi mẫu ban đầu để loại bỏ ảnh hưởng của chất nền.

1.2.2 Phương pháp sắc ký lỏng

Sắc ký được sử dụng để tách các chất hữu cơ trong một hỗn hợp phức tạp Tuỳ theo đặc điểm, tính chất của chất phân tích như dễ bay hơi hay khó bay hơi, phân cực hay không phân cực mà sử dụng các kỹ thuật sắc ký khác nhau như sắc ký lỏng (LC, HPLC, UPLC) hoặc sắc ký khí (GC) hoặc hệ ghép nối sắc ký với khối phổ

Về bản chất MB là chất khó bay hơi do đó phương pháp sắc ký lỏng là phương pháp phù hợp được sử dụng để xác định MB trong các mẫu khác nhau như mẫu môi trường, thực phẩm, … Sắc ký lỏng (LC) tách các phân tử trong pha động (pha lỏng) bằng pha tĩnh rắn Sắc ký lỏng có thể được sử dụng cho các ứng dụng phân tích hoặc điều chế, làm giàu, tách chất Trong sắc ký lỏng cột, khi pha động lỏng đi qua cột, các thành phần trong pha động tương tác ở các mức độ khác nhau với pha tĩnh rắn, còn được gọi là môi trường sắc ký hoặc nhựa Các phân tử phân tích trong pha động được tách ra dựa trên các tương

tác hóa lý khác nhau của chúng với pha tĩnh và pha động Những tương tác này

có thể dựa trên các đặc tính khác nhau của các phân tử được tách ra Sau đó, mỗi hợp chất sẽ rửa giải khỏi cột theo một thứ tự cụ thể tùy thuộc vào cường

độ tương tác của nó với pha tĩnh và pha động

Theo dược điển Anh, về mặt lý thuyết MB được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng với detector UV (LC-UV) đo tại bước sóng 246 nm, sử dụng cột C-18, pha động là hỗn hợp acetonitrile và axit phosphoric (27:73, v/v) với tốc độ 1 ml/phút [27]

Một phương pháp nhạy và đáng tin cậy đã được phát triển để xác định MB

và dư lượng chất chuyển hóa của nó, bao gồm azure A (AZA), azure B (AZB)

và azure C (AZC) trong các sản phẩm thủy sản bằng HPLC–MS/MS Các mẫu được chiết bằng axetonitril và làm sạch bằng alumina-neutral (ALN) Các chất phân tích được phân tách trên cột Sunfire C18 (150 mm × 2,1 mm, 5 μm) Phương pháp này đã được xác nhận theo các tiêu chuẩn Châu Âu trong Quyết định 2002/657/CE của Ủy ban Phương pháp này có khoảng tuyến tính từ 1–

500 μg/L với hệ số tương quan (R2) lớn hơn 0,99 Giới hạn định lượng (LOQ)

là 1,0 μg/kg Độ thu hồi trung bình ở ba mức của mỗi hợp chất (1 μg/kg, 5 μg/kg và 10 μg/kg) nằm trong khoảng 71,8 % – 97,5%, với độ lệch chuẩn tương đối (RSD) từ 1,05 % đến 8,63 % Phương pháp này phù hợp để phát hiện xanh methylen và dư lượng chất chuyển hóa của nó trong các sản phẩm thủy sản [28]

Peter và các cộng sự đã sử dụng phương pháp LC-UV để xác định MB trong máu và nước tiểu sử dụng cột cyano đo tại bước sóng 660 nm, với pha động bao gồm: ammonium dihydrogen phosphate, axetonitril và metanol, ở pH

= 2,75; tốc độ 0,7 mL/phút, cho giới hạn định lượng (LOQ) đối với MB là 9

10-9 mol/L [29]

Gaudette, Lodge cũng xác định MB trong nước tiểu của chuột sử dụng phương pháp LC – UV đo tại bước sóng xác định là 660 nm, sử dụng cột C-18

với pha động bao gồm: acetonitrile và axit trifluoroacetic 0,1% trong nước Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) lần lượt là 3,9 ng/mL

và 13 ng/mL [30]

Để xác định MB trong huyết tương của lợn, Li và các cộng sự đã sử dụng phương pháp HPLC với detecto UV, kết hợp với chiết pha rắn, trong đó pha động bao gồm acetonitril và triethylamine (0,3%) trong nước (tỷ lệ 31:69, v/v)

có pH=2,07, kết quả đã xây dựng được khoảng tuyến tính trong khoảng 8,55 –

855 ppb và giới hạn định lượng là 8,55 ppb [31] Yu và cộng sự đã sử dụng phương pháp LC–MS/MS mới để xác định dư lượng MB trong mô cá, kết quả giới hạn định lượng (LOQ) của MB là 2,0 μg/kg [32]

Phương pháp phân tích dựa trên chiết pha rắn (SPE) và sắc ký lỏng siêu hiệu năng kết hợp với hai lần khối phổ (UPLC-MS/MS) đã được tối ưu hóa để phân tích định lượng MB trong các mẫu môi trường Để chiết MB, nhiều loại dung môi, bao gồm cả axit formic, đã được nghiên cứu để thu được hiệu quả thu hồi tối ưu Chiết xuất MB bằng phương pháp SPE đạt được hiệu quả tốt nhất khi sử dụng metanol với axit formic 1 M Việc phân tách sắc ký MB và methylene violet 3RAX (MV 3RAX, chất chuẩn nội) được thực hiện trên cột Acquity® BEH C18 sử dụng nước (64,99%) với axit formic (0,01%) và acetonitril (35%) Việc phân tách sắc ký cho cả MB và MV 3RAX đạt được trong khoảng <2 phút với độ phân giải tốt và tính đối xứng cực đại vượt trội

MB và MV 3RAX được định lượng bằng phương pháp ion hóa phun điện kết hợp với MS/MS Kết quả đạt được giới hạn phát hiện (LOD) thấp là 0,1 ng/mL

và giới hạn định lượng (LOQ) là 0,4 ng/mL [33]

Các phương pháp đã được chuẩn hoá như HPLC, UV-Vis có độ nhạy cao, chính xác và có thể định lượng chất phân tích ở mức vết xuống tới ng/l hoặc pg/l nhưng đòi hỏi xử lí sơ bộ phức tạp, thiết bị đắt tiền, vận hành đa bước, mất nhiều thời gian, thiếu thiết bị xách tay, khó khăn trong kiểm soát thời gian thực, đòi hỏi chuyên gia phòng thí nghiệm được đào tạo để xử lí mẫu và vận hành

thiết bị và chỉ được thực hiện trong các phòng thí nghiệm trung tâm được trang

bị tốt, do đó không phù hợp với những xét nghiệm tại hiện trường

Phương pháp sắc ký lỏng có độ nhạy cao, chính xác và có thể định lượng chất phân tích ở mức vết xuống tới ng/l hoặc pg/l, tuy nhiên phương pháp đòi hỏi xử lí mẫu phức tạp, thiết bị đắt tiền, vận hành đa bước, mất nhiều thời gian, không có thiết bị xách tay, do đó không phù hợp với những xét nghiệm tại hiện trường

1.2.3 Phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)

SERS về cơ bản là sự kết hợp của hai kỹ thuật, đó là quang phổ Raman và công nghệ nano Tán xạ Raman lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1928 bởi Raman và Krishnan, đã quan sát thấy sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng chỉ tạo thành khoảng một phần triệu photon của ánh sáng tới chiếu vào một bề mặt Phần còn lại phản xạ đàn hồi, thường được gọi là tán xạ Rayleigh Người ta còn phát hiện thêm rằng những thay đổi tần số xảy ra do sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng khớp chính xác với những chênh lệch về mức năng lượng dao động Điều này cho phép mọi loại phân tử tạo ra các cấu hình phổ Raman riêng biệt do các nhóm chức khác nhau sở hữu năng lượng dao động đặc trưng khác nhau Do gắn với chất nền kim loại quý có bề mặt nhám, gồ ghề Mặc dù cơ chế chính xác của hiện tượng này vẫn chưa được hiểu rõ ràng, nhưng có hai bộ

lý thuyết đã được cộng đồng khoa học đón nhận nồng nhiệt; cụ thể là lý thuyết điện từ và hóa học Trong lý thuyết điện từ, sự tăng cường tín hiệu Raman được cho là do sự kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của các hạt nano khi ánh sáng tới chiếu vào bề mặt của chất phân tích mục tiêu gần vật liệu nano Để tăng cường tối đa tín hiệu Raman, tần số kích thích của vật liệu nano được sử dụng phải cộng hưởng với tần số của ánh sáng tới (tức là đối với kim loại quý, tần số này nằm trong phạm vi UV-vis) Điều này sau đó sẽ dẫn đến các đỉnh cường độ ở các dịch chuyển Raman cụ thể tăng cường với ít nhất 104– 106 lần Trong lý thuyết hóa học, sự tăng cường tín hiệu Raman xảy ra dựa

trên giả định rằng chất phân tích được hấp phụ trên bề mặt kim loại và xảy ra

sự chuyển điện tích Do sự hấp phụ hóa học của chất phân tích mục tiêu trên chất nền, trạng thái điện tử của phức chất được chuyển sang mức hấp thụ tối đa mới, cho phép nó cộng hưởng với tần số kích thích bằng laser và do đó tăng cường tín hiệu Raman Một số bài viết đánh giá gần đây có sẵn để hiểu sâu hơn

về cơ chế và lý thuyết của SERS [34]

Năm 1977, David và cộng sự thấy rằng nguồn gốc của sự tăng cường tán

xạ Raman phức tạp hơn nhiều so với mô hình ban đầu [35] Phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là sự tích hợp của công nghệ nano và kĩ thuật phổ Raman đã trở thành phương pháp phân tích phổ quan trọng Tín hiệu Raman tăng lên đến 1014 đối với các chất hấp phụ trên bề mặt kim loại kích thước nanomet cho phép phân tích đến mức đơn phân tử với độ nhạy cao SERS là

kĩ thuật phát hiện không phá mẫu với giới hạn phát hiện cực thấp, có thể phân tích định tính và định lượng Sau nửa thế kỷ khám phá ra SERS, nhiều loại cấu trúc nano đã được chế tạo và SERS đã tìm thấy nhiều ứng dụng trong thực

tế, đặc biệt là làm cảm biến phát hiện phân tử sinh học SERS cho phép phát hiện các phân tử hữu cơ hấp phụ trên đế kim loại ở nồng độ dưới micromol, bao gồm việc phát hiện các chất phân tích như hóa chất thực phẩm, chất gây

ô nhiễm môi trường, phân tử sinh học và các tác nhân chẩn đoán ung thư, cũng như điều tra các chủ đề rộng hơn như khoa học pháp y, an toàn thực phẩm và tích hợp với các công nghệ khác như vi lỏng

Chunying Li và cộng sự (Trung Quốc) phân tích lượng vết của xanh methylene (MB) trong cá bằng phổ Raman tăng cường bề mặt siêu nhạy Giới hạn phát hiện là 5 ng/ml đối với dung dịch MB chuẩn hoặc 10 ng/g trong cá rô phi sử dụng hạt nano vàng (AuNPs) kích thước 18 ± 2 nm [36]

Trong nhiều năm, các đế SERS tập trung chủ yếu vào các kim loại quý như Ag, Au và Cu do khả năng tăng cường tín hiệu Raman rất mạnh Taotao

Xu và cộng sự trong nghiên cứu của mình đã phát triển phương pháp SERS kết

hợp với vật liệu nano vàng (AuNR) để phát hiện nhanh methylene blue (MB)

và malachite green (MG) trong mô cá Sau khi xử lý bốn mô cá thông qua phương pháp chuẩn bị mẫu đơn giản, so sánh sự can thiệp của ma trận để phát hiện SERS Đối với 4 loài cá, nồng độ MB thấp nhất có thể phát hiện được là 5 ng/g đối với cá lóc và 1 ng/g đối với cá trê vàng, cá chép đen và philê cá rô phi Nồng độ MG thấp nhất có thể phát hiện được là 1 ng/g đối với cá lóc, 0,5 ng/g đối với cá trê vàng và cá chép đen và 0,3 ng/g đối với philê cá rô phi Nghiên cứu này cho thấy SERS kết hợp với AuNR có thể được sử dụng để phân tích lượng vết chất gây ô nhiễm trong nền thực phẩm phức tạp như một cách tiếp cận tích cực, nhanh chóng và hiệu quả [37]

Các kim loại quý như Ag, Au, và lưỡng kim/hợp kim Ag/Au đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu SERS thông thường nhờ độ nhạy, độ ổn định và khả năng tái tạo cao với hệ số tăng cường ở mức 106 trở lên Tuy nhiên, kim loại quý đắt tiền khi chế tạo và có khả năng tương thích sinh học kém, trong khi nhiều loại vật liệu bán dẫn (Fe2O3, TiO2, ZnO, v.v.) đã được ứng dụng làm chất nền SERS do các đặc tính có thể kiểm soát được của chúng như vùng cấm, phát quang, ổn định và ít bị suy thoái khi chiếu xạ Đã có rất nhiều nghiên cứu về việc chế tạo các thành phần đơn và lai bao giữa ZnO và kim loại (Ag, Au, Cu,

Sn, Ga, La, v.v.) để cải thiện các tính chất và mở rộng các ứng dụng như chất xúc tác quang, pin mặt trời, và cực dương của pin Li-ion Cấu trúc nano ZnO

từ cấu trúc tinh khiết đến cấu trúc lai đã được phát triển dưới dạng chất nền SERS do tính không độc hại và khả năng tương thích sinh học của chúng Các chất nền SERS dựa trên chất bán dẫn thường kém hiệu quả hơn so với các chất nền kim loại quý Các tín hiệu SERS hạn chế từ ZnO nguyên sơ có thể được cải thiện bằng cách xây dựng nhiều cấu trúc không đồng nhất khác nhau của cấu trúc nano ZnO ZnO được trang trí bằng các hạt nano kim loại là một họ vật liệu composite quan trọng và đã thu hút nhiều sự chú ý gần đây Cấu trúc nano ZnO/Agx bảo toàn diện tích bề mặt hoạt động lớn và cho phép khuếch tán

hóa chất vào các khe kẽ, từ đó cải thiện hiệu suất của các phản ứng bề mặt Cơ chế SERS đằng sau hiện tượng này thường được chấp nhận đồng thời là điện

từ trường (EM) và cơ chế tăng cường hóa học (CM) Trường điện từ cục bộ xung quanh các cấu trúc nano kim loại quý có bề mặt nhám được tăng cường nhờ sự cộng hưởng của plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của các hạt nano Cơ chế hóa học (CM) là do sự hình thành trạng thái chuyển điện tích cảm ứng giữa các phân tử bị hấp phụ và chất nền ZnO/Ag phụ thuộc vào phản ứng đặc hiệu giữa các phân tử bị hấp phụ và bề mặt của chất nền

Các cấu trúc nano lai hóa Ag - ZnO hoặc Au - ZnO cho tín hiệu Raman tăng cường đã được báo cáo Cấu trúc lõi vỏ ZnO/Ag gồm lõi là thanh nano ZnO và vỏ là hạt nano Ag thể hiện hoạt tính SERS tốt trong việc phát hiện R6G ZnO làm tăng tín hiệu Raman với hệ số EF cỡ 103 do cơ chế hóa học Wei Song

đã chế tạo tổ hợp vi cầu Ag - ZnO cho EF khoảng 9×104 [38] Tổ hợp Ag với cầu nano ZnO, dây nano ZnO, thanh nano ZnO, tấm nano ZnO để làm đế SERS

đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm [39] Thanh nano ZnO hình nón phủ đám nano Ag có thể phát hiện 10-12M R6G, 10-11M PCB-77 [40] Phương pháp SERS có nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, tính chọn lọc tốt, không xâm lấn, không phá hủy mẫu, vận hành đơn gian và chi phí thấp do đó cần nghiên cứu và phát triển phương pháp này để ứng dụng trong phân tích lượng vết các chất hữu cơ

1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO/Ag/Au

Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu tổ hợp ZnO/Ag/Au, như chế tạo vật liệu ZnO với hình dạng và kích thước mong muốn, sau đó khử muối bạc, vàng để tạo ra các hạt nano Ag, Au lắng đọng lên bề mặt của ZnO, hoặc trong quá trình tổng hợp vật liệu ZnO khử đồng thời ion bạc, vàng dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ tạo ra vật liệu pha tạp ZnO/Ag/Au

Thông thường vật liệu nano ZnO được tổng hợp theo một số phương pháp như phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp nhũ tương, phương pháp đốt cháy với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Trong đó phương pháp thuỷ nhiệt được sử dụng phổ biến hơn

do có nhiều ưu điểm như có độ kết tinh cao, đây là phương pháp đơn giản, dễ điều khiển hình dạng và kích thước của hạt nano thông qua nhiệt độ, thời gian, lượng tiền chất đưa vào Vật liệu ZnO sau khi tổng hợp được tiếp tục được tổ hợp lai hoá với các kim loại quý như Ag, Au bằng các phương pháp khử như quang học, plasma và hoá học

Trong công trình nghiên cứu của mình, Nithya Pandiyan và các cộng sự

đã chế tạo được vật liệu nano Ag-Au/ZnO bằng chất lỏng ion, sử dụng dịch chiết lá J.adhatoda theo phương pháp thủy nhiệt Chất lỏng ion được hoạt động như một chất ổn định và tạo khuôn để cải thiện hình thái bề mặt của nano ZnO pha tạp Ag và Au tổng hợp Các nano ZnO, ZnO pha tạp Ag, ZnO pha tạp Au

và ZnO pha tạp Ag-Au có kích thước tinh thể trung bình là 36, 34, 32, 25 nm

và các giá trị năng lượng vùng cấm của chúng lần lượt là 3,36, 3,29, 3,17 và 2,98 eV Kết quả XRD và UV-DRS cho thấy rằng sau khi pha tạp Au và Ag, kích thước tinh thể ZnO và năng lượng vùng cấm đã giảm, dẫn đến các đặc tính

y sinh (kháng khuẩn và chống ung thư) của nano ZnO pha tạp Ag-Au được tăng cường Các nano ZnO pha tạp Ag-Au có dạng thanh với phạm vi kích thước hạt từ 20 đến 25 nm [41]

Trong một phản ứng tổng hợp điển hình, Siva Chidambaram và các cộng

sự đã sử dụng các tiền chất như kẽm axetat (Zn(CH3CO2)2.2H2O) có nồng độ 5,0 × 10−3 M và 0,12 g polyvinylpyrrolidone ((C6H9NO)n) hòa tan trong etanol (90 V/V) Hỗn hợp đồng nhất được gia nhiệt đến 95°C, trong 3 giờ ở điều kiện khuấy mạnh theo phương pháp hồi lưu cho đến khi dung dịch trong suốt chuyển sang màu trắng sữa Để lắng đọng Au, axit cloroauric 0,02 mM được trộn đều trong dung dịch màu trắng, sau đó hỗn hợp phản ứng được gia nhiệt và duy trì

ở 75°C trong 2 giờ Các tổ hợp nano Au/ZnO thu được có màu tím Tổng hợp ZnO/Ag và ZnO/(Ag-Au) bằng cách tương tự Các hạt nano ZnO thu được có kích thước 10–20 nm và các hạt nano kim loại Ag, Au lắng đọng có kích thước 1–3 nm [42]

Trong nghiên cứu chế tạo các màng ZnO được trang trí bằng nano plasmonic Au và Ag theo phương pháp oxy hóa điện phân plasma (PEO) với

sự phóng điện cao thế, sau đó là trang trí các hạt nano Au (NP) trên bề mặt của chúng V D Thinh và các cộng sự đã tổng hợp được các màng ZnO theo quy trình hai bước Ở bước đầu tiên, lớp hạt mầm được chuẩn bị trên đế thủy tinh bằng cách phủ quay bằng phương pháp nước Đối với lớp phủ, dung dịch được chuẩn bị bằng cách hòa tan Zn(CH3COO)2.2H2O trong 20 mL etanol Sau đó, thêm từng giọt 0,5 mL etanolamine vào dung dịch ở nhiệt độ phòng, sau đó khuấy ở 50°C trong 1 giờ Lớp mầm cuối cùng được hình thành bằng cách quay dung dịch trên đế thủy tinh với tốc độ 3000 vòng/phút trong 30 giây và ủ ở 450°C trong 1 giờ Bước tiếp theo, màng ZnO được phát triển trên lớp mầm ZnO bằng thủy nhiệt Các màng Au – Ag - ZnO được chế tạo bằng quy trình PEO, các màng ZnO trên được đặt trong các dung dịch AgNO3 và HAuCl4 Hệ thống PEO để tổng hợp nano Ag bao gồm nguồn xung tự chế cung cấp xung lên tới 6 kV ở tần số lặp lại 50 Hz và chu kỳ hoạt động 50%, vòi phun plasma, điện cực vàng [43]

Để tổng hợp ra vật liệu lai hoá ZnO với các kim loại quý Ag và Au dạng bông hoa, Li và các cộng sự đã chế tạo ra nano ZnO dạng hoa, sau đó khử trực tiếp ion bạc, vàng bằng cách cho dung dịch AgNO3 và HAuCl4 vào bột ZnO thu được và chiếu đèn thuỷ ngân áp suất cao ở bước sóng 365 nm trong 15 phút [44] Tương tự, để tổng hợp vật liệu tổ hợp ZnO/Ag và ZnO/Au, Pragati và các cộng sự đã tổng hợp ra các hạt nano ZnO, sau đó phân tán nano ZnO vào trong nước bằng sóng siêu âm trong 30 phút Thêm các dung dịch AgNO3 và HAuCl4

vào dung dịch ZnO phân tán ở trên trong 2h để các ion Ag, Au hấp thụ tốt trên

bề mặt ZnO Sau đó khử các ion Ag, Au bằng dung dịch hydrazine hydrat Các hạt Ag và Au sẽ được lắng đọng trên bề mặt của các hạt ZnO Kết quả thu được vật liệu tổ hợp ZnO/Ag hoặc ZnO/Au [45]

1.4 Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu

1.4.1 Kính hiển vi điện tử quyét (SEM – Scanning Electron Microscopy)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một trong những kỹ thuật phân tích bề mặt linh hoạt và được sử dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép nghiên cứu cả hình thái và thành phần của các vật liệu khác nhau trong khoa học hiện đại Nó được coi là một cách tiếp cận tương đối nhanh chóng, rẻ tiền và về cơ bản không phá hủy để phân tích bề mặt Nó bao gồm một số lĩnh vực ứng dụng như sinh học, địa chất, luyện kim, nghiên cứu chất bán dẫn và xúc tác Ngày nay có nhiều loại kính hiển vi điện tử quét khác nhau được thiết kế cho các mục đích cụ thể,

từ nghiên cứu hình thái thông thường đến phân tích thành phần tốc độ cao hoặc nghiên cứu các vật liệu nhạy cảm với môi trường (ví dụ: kính hiển vi điện tử quét môi trường) Ưu điểm chính của SEM là độ phân giải ngang cao (1–10 nm), độ sâu tiêu cự lớn (thường là 100 μm ở độ phóng đại × 1000) và nhiều loại tương tác electron - mẫu vật có thể được sử dụng cho mục đích chụp ảnh hoặc phân tích hóa học Ngược lại với kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), các mẫu có kích thước khác nhau có thể được kiểm tra mà không cần chuẩn bị mẫu phức tạp [45]

Nhờ những tiến bộ nhanh chóng về sức mạnh tính toán, SEM đã trở nên tương đối dễ dàng Điều này cho phép sự phát triển của kính hiển vi tập trung vào khía cạnh phân tích của vấn đề Do đó, thế hệ mới nhất của các thiết bị này ngày càng được sử dụng nhiều hơn để kiểm soát quy trình và sản phẩm Sự thay đổi trong ứng dụng kính hiển vi điện tử này bắt đầu trong ngành công nghiệp

bán dẫn, trong đó SEM được sử dụng để kiểm tra tự động các kích thước tới hạn trên các tấm bán dẫn

Trong thời đại hiện nay, kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một công cụ chụp ảnh mạnh mẽ và hiệu quả Nó được sử dụng để quét bề mặt ở độ phóng đại từ 1 µm đến 1 nm tùy thuộc vào phần cứng được sử dụng để tạo ra chùm tia điện tử với nhiều thấu kính và hệ thống chân không khác nhau SEM được tích hợp với máy quang phổ tán sắc năng lượng để kết hợp khả năng phân tích nguyên tố trên bề mặt mẫu vật Hai tính năng mới của ảnh SEM là các electron tán xạ ngược và các electron thứ cấp đã cải thiện rõ rệt khả năng quét

Nguyên tắc hoạt động của SEM: các điện tử được phát xạ từ các súng phóng điện tử (phát xạ nhiệt, phát xạ trường ) và sau đó được tăng tốc bởi hiệu điện thế Thế tăng tốc của SEM thông thường từ 10 kV đến 50 kV

Điện tử được phát ra và tăng tốc, sau đó được hội tụ thành một chùm hẹp (có kích thước cỡ vài trăm Ao cho đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó chùm điện tử hẹp này quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện

Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước của chùm điện tử Ngoài ra,

độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu và điện tử Khi điện tử tương tác với vật mẫu thì sẽ có các bức xạ được phát ra Sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện và ghi lại các bức xạ này trên kính ảnh hoặc máy ảnh kỹ thuật số

1.4.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission electron microscopy)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một kỹ thuật kính hiển vi trong

đó một chùm electron được truyền qua mẫu vật để tạo thành hình ảnh có độ phóng đại cao TEM có thể phóng đại vật thể lên tới 2 triệu lần Mẫu thường là phần siêu mỏng có độ dày dưới 100 nm hoặc huyền phù trên lưới Hình ảnh được hình thành từ sự tương tác của các electron với mẫu khi chùm tia truyền

qua mẫu vật Sau đó, hình ảnh được phóng to và tập trung vào một thiết bị chụp ảnh, chẳng hạn như màn hình huỳnh quang, một lớp phim ảnh hoặc cảm biến như máy nhấp nháy được gắn vào thiết bị ghép điện tích

Kính hiển vi điện tử truyền qua là một phương pháp phân tích chính trong khoa học vật lý, hóa học và sinh học TEM được ứng dụng trong nghiên cứu ung thư, virus học và khoa học vật liệu cũng như nghiên cứu ô nhiễm, công nghệ nano và chất bán dẫn cũng như trong các lĩnh vực khác như cổ sinh vật học và phấn hoa TEM có thể cho chúng ta biết về cấu trúc, sự kết tinh, hình thái và ứng suất của một chất trong khi kính hiển vi điện tử quét chỉ có thể cung cấp thông tin về hình thái của mẫu vật Tuy nhiên, TEM yêu cầu các mẫu rất mỏng, bán trong suốt đối với các electron, điều này có nghĩa là việc chuẩn bị mẫu sẽ mất nhiều thời gian hơn

1.4.3 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật phân tích không phá hủy linh hoạt được sử dụng để phân tích các tính chất vật lý như thành phần pha, cấu trúc tinh thể và định hướng của các mẫu bột, rắn và lỏng

Nhiễu xạ tia X là kết quả của sự giao thoa tăng cường giữa tia X và mẫu tinh thể Bước sóng của tia X được sử dụng có cùng bậc độ lớn với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Điều này dẫn đến một hình ảnh nhiễu xạ có thể được phân tích theo nhiều cách, cách phổ biến nhất là áp dụng Định luật Bragg (hình 1.3) nổi tiếng (nλ=2d sin θ; với n là bậc nhiễu xạ) được dùng trong phép đo tinh thể và các pha của chúng

Vì mỗi một tinh thể khác nhau được đặc trưng bằng các giá trị d khác nhau

Do vậy, phương pháp nhiễu xạ tia X có thể xác định được thành phần pha tinh thể của vật liệu, xác định được kích thước tinh thể cũng như cấu trúc tinh thể của vật liệu

Hình 1.3 Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg

Nhiều nhà nghiên cứu, trong công nghiệp cũng như trong các phòng thí nghiệm khoa học, dựa vào nhiễu xạ tia X (XRD) như một công cụ để phát triển vật liệu mới hoặc nâng cao hiệu quả sản xuất Những cải tiến về nhiễu xạ tia X theo sát các nghiên cứu về vật liệu mới, chẳng hạn như trong công nghệ bán dẫn hoặc nghiên cứu dược phẩm

Các ứng dụng phổ biến của nhiễu xạ tia X bao gồm phân tích pha định tính

và định lượng của các chất và hỗn hợp nguyên chất, phân tích sự thay đổi pha trong các điều kiện đặc biệt khác như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất, phân tích các tính chất vật lý như kích thước tinh thể (đường kính), hướng tinh thể và ứng suất

dư, cùng được gọi là 'cấu trúc vi mô' của vật liệu đa tinh thể Nhiều kỹ thuật trong

số này cũng có thể được sử dụng cho các vật liệu phân lớp đa tinh thể như lớp phủ và màng mỏng

1.4.4 Quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis - Ultraviolet Visible)

Phép đo quang phổ UV-Vis là một kỹ thuật phân tích được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học khác nhau để đo độ hấp thụ ánh sáng trên các phạm vi tia cực tím (UV) và khả kiến (Vis) của phổ điện từ Bằng cách đo cường độ ánh sáng truyền qua dung dịch mẫu và so sánh nó với cường độ ánh sáng tới, và sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer

Chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch có bề dày d, sau khi

bị hấp thụ cường độ chùm tia ló ra là I

Độ hấp thụ A: A = −logT = logIo

I = ε l C Trong đó ε là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bản chất của chất tan trong dung dịch, l là bề dày của dung dịch và C là nồng độ của dung dịch

Quang phổ UV/Vis được sử dụng thường xuyên trong hóa học phân tích

để định tính, định lượng các chất phân tích hoặc mẫu khác nhau, chẳng hạn như các ion kim loại chuyển tiếp, các hợp chất hữu cơ liên hợp cao và các đại phân

tử sinh học Phân tích quang phổ thường được thực hiện trong các dung dịch nhưng chất rắn và chất khí cũng có thể được nghiên cứu

Quang phổ UV hoặc quang phổ nhìn thấy UV-Vis (UV-Vis hoặc UV/Vis)

đề cập đến quang phổ hấp thụ hoặc quang phổ phản xạ trong một phần của tia cực tím và toàn bộ vùng khả kiến liền kề của phổ điện từ Tương đối rẻ tiền và

dễ thực hiện, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cơ bản

và ứng dụng đa dạng Yêu cầu duy nhất là mẫu phải hấp thụ ở vùng UV-Vis, tức

là phải là chất mang màu Quang phổ hấp thụ bổ sung cho quang phổ huỳnh quang Các thông số quan tâm, ngoài bước sóng đo, là độ hấp thụ (A) hoặc độ truyền qua (%T) hoặc độ phản xạ (%R) và sự thay đổi của nó theo thời gian

Hình 1.4 Mô phỏng nguyên lý máy đo phổ UV – Vis 1.4.5 Phổ tán xạ Raman

Hệ đo tán xạ Raman thu thập các ánh sáng tán xạ không đàn hồi từ mẫu Các ánh sáng này có tần số rất gần với tần số của ánh sáng kích thích do năng lượng dao động thường nhỏ (vài trăm meV) Mặt khác, xác suất của quá trình tán xạ Raman rất nhỏ (nhỏ hơn xác xuất huỳnh quang vài bậc), nên các tín hiệu Raman thường nằm sát chân laser kích thích và lẫn với nhiễu huỳnh quang Vì vậy, các hệ đo tán xạ Raman thường dùng cách tử hoặc phin lọc để “làm sạch” tia laser trước khi kích thích lên mẫu và dùng phin lọc tần số cao để loại bỏ ánh sáng laser và Rayleigh lẫn vào tín hiệu Đây là điểm đặc biệt của các hệ đo tán

xạ Raman

Ngày nay một hệ đo tán xạ Raman thường có năm bộ phận chủ yếu:

- Nguồn kích thích phổ Ranman, thường là các laser liên tục

- Các phim lọc để loại bỏ hết các ánh sáng ở vùng chân vạch laser kích thích trước khi tới mẫu và loại bỏ ánh sáng laser khuếch tán

- Máy đơn sắc

- Đầu thu là các thiết bị CCD (Charge Coupled Device) có chức năng thu nhận tín hiệu ánh sáng tán xạ từ mẫu và chuyển thành tín hiệu điện

- Phần mềm điều khiển hệ đo

Ngoài ra còn có các linh kiện quang học gồm các gương, giá đỡ, vật kính,

hệ thống chiếu mẫu và hệ thống thi nhận các ánh sáng tán xạ, bộ phận giữa mẫu