Nghiên cứu phát hiện ion kim loại trong nước bằng cấu trúc silic xốp

Kim loại là một trong những nguyên nhân chính gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay, đe dọa đến cuộc sống của động vật, thực vật mà thậm chí là chính con người. Kim loại là thành phần chính của các thuốc trừ sâu dẫn đến sự tích tụ các kim loại trong thực phẩm, nước uống,… Các ion kim loại ảnh hưởng rất lớn đến con người (phá hủy hoặc ảnh hưởng đến các thành phần trong máu, phá hủy phổi, thận và các cơ quan khác). Nếu quá trình phơi nhiễm để lâu dài có thể dẫn đến tình trạng suy giảm hệ thần kinh và ung thư. Trong một số trường hợp có thể dẫn đến tử vong. Do đó, nhận thức về vấn đề môi trường cần được tăng lên, cần có các quy định nghiêm ngặt để ngăn chặn việc chưa xử lý nước thải hay thuốc bảo vệ thực vật chứa kim loại với nồng độ cao trước khi thải ra các môi trường (môi trường đất và nước). Quá trình các kim loại tồn đọng trong đất và nước sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người và sinh vật thông qua nguồn nước uống và thực phẩm. Phương pháp định lượng truyền thống về phân tích kim loại bao gồm hấp thụ nguyên tử 4, quang phổ khối plasma kết hợp cảm ứng, quang phổ phát xạ nguyên tử kết hợp tự cảm, quang phổ UV Vis, đặt điện áp vào cực Anot và quang phổ hấp thụ tia X. Những kĩ thuật tại phòng thí nghiệm trước đây có tính chọn lọc và độ nhạy cao với nồng độ thấp đến hang triệu lần, nhưng đòi hỏi các quy trình chuẩn bị mẫu và các thiết bị tốn nhiều thời gian và mất nhiều công sức, chỉ được thực hiện bởi các chuyên gia có chuyên môn cũng như việc sử dụng các thiết bị đắt tiền và phức tạp. Ngược lại, cảm biến sinh học đã thể hiện một tiềm năng lớn vượt trội hơn, hạn chế những nhược điểm của cách phân tích trước đây. Dễ phát hiện, tính di động, thông lượng cao của một số chất gây ô nhiễm và thu nhỏ theo công nghệ phòng thí nghiệm. Đồng thời cải thiện độ nhạy (109 1020 M) và tính chọn lọc.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐẶNG ĐỨC TOÀN NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI TRONG NƯỚC BẰNG CẤU TRÚC SILIC XỐP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐẶNG ĐỨC TOÀN NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI TRONG NƯỚC BẰNG CẤU TRÚC SILIC XỐP Ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Thùy Chi PGS.TS Bùi Huy THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố, sử dụng cơng trình nghiên cứu Thái Nguyên, tháng 11 năm 2020 Tác giả Đặng Đức Tồn i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Đỗ Thùy Chi PGS.TS Bùi Huy tận tình hướng dẫn bảo suốt thời gian học tập trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, anh chị cơng tác Phịng Vật liệu Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện tốt giúp thực thực nghiệm trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên, Khoa Vật lý Phòng Đào tạo (Sau đại học) trường tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo giảng dạy khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, cổ vũ tinh thần giúp đỡ để tơi q trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng, song luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý giúp đỡ Hội đồng quý thầy cô, anh chị em đồng nghiệp bạn bè Xin trân trọng cảm ơn./ Thái Nguyên, tháng 11 năm 2020 Tác giả Đặng Đức Toàn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung đề tài nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SILIC XỐP VÀ TÁC ĐỘNG CỦA ION KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH TRÊN THỰC TẾ 1.1 Vật liệu silic xốp 1.1.1 Lịch sử silic xốp 1.1.2 Cơ sở trình hình thành silic xốp 1.2 Silic xốp ứng dụng cảm biến 14 1.2.1 Cấu trúc cảm biến nguyên lý hoạt động 14 1.2.2 Cảm biến hóa học 14 1.3 Ảnh hưởng ion kim loại đến người 18 1.3.1 Natri 18 1.3.2 Kali 19 1.3.3 Niken 20 1.4 Các kĩ thuật, mơ hình lý thuyết xử lý số liệu 21 1.4.1 Phương pháp biến đổi Fourier transform (FFT) 21 1.4.2 Phương pháp tính giá trị trung bình theo bước sóng (IAW) 23 iii Chương 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC MÀNG SILIC XỐP DÙNG LÀM CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH ION KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG 28 2.1 Quá trình chế tạo cấu trúc quang tử 28 2.1.1 Chuẩn bị 28 2.1.2 Chế tạo cấu trúc silic xốp 30 2.2 Kiểm tra độ nhạy cảm biến silic xốp 37 2.3 Quá trình phát ion kim loại dung dịch 38 2.4 Các kỹ thuật thực nghiệm 39 2.4.1 Máy quét điện tử hiển vi SEM 39 2.4.2 Máy phân tích phổ USB-4000 40 Chương 3: KẾT QUẢ VỀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN VÀ XÁC ĐỊNH ION KIM LOẠI TRONG NƯỚC 43 3.1 Kết chế tạo tính chất quang buồng vi cộng hưởng dựa màng silic xốp đa lớp màng silic xốp đơn lớp 43 3.1.1 Hình thái cấu trúc buồng vi cộng hưởng dựa màng silic xốp đa lớp màng silic xốp đơn lớp 43 3.1.2 Các tính chất quang buồng vi cộng hưởng dựa màng silic xốp đa lớp màng silic xốp đơn lớp 46 3.2 Xác định độ nhạy cảm biến dung môi hữu 49 3.3 Xác định nồng độ ion kim loại nước 53 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 67 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt DBR Viết đầy đủ Ý nghĩa Distributed Bragg Reflector Gương phản xạ Bragg phân bố DIW Deionized water Nước khử ion EOT Effective optical thickness Độ dày quang học hiệu dụng Phương pháp biến đổi số FFT Fourier transform liệu từ dạng thời gian sang tần số IAW Interferogram Average over Wavelength Giá trị trung bình bước sóng cộng hưởng PBG Photonic Bandgap Vùng cấm quang RIU Refractive index unit Đơn vị số chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TMM Transfer Matrix Method Phương pháp ma trận chuyển v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Ảnh hưởng thông số anot hóa đến hình thành silic xốp Tăng thông số cột dẫn đến thay đổi thành phần lại 13 Bảng 2.1 Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hưởng 1D 34 Bảng 3.1: Một số dung môi thường dùng với chiết suất biết bước sóng cộng hưởng cảm biến nhúng dung môi 51 Bảng 3.2: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối NaCl với nồng độ khác 57 Bảng 3.3: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối KCl với nồng độ khác 60 Bảng 3.4: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối NiSO4 với nồng độ khác 61 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ ăn mịn điện hóa chế tạo đế Silic xốp Hình 1.2 Đường cong liên hệ dòng điện - điện áp cho silic pha tạp loại n p dung dịch HF nước Hình 1.3 Mối quan hệ độ xốp chiết suất silic xốp Hình 1.4 Q trình hịa tan silic dung dịch axit HF Hình 1.5 Giản đồ mối liên hệ tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện loại silic P+ (0,01 cm ) với dung dịch axit HF 15% ethanol 10 Hình 1.6 Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng silic xốp 11 Hình 1.7 Các mode cảm biến phản xạ sử dụng silic xốp 15 Hình 1.8 Nguyên lý cảm biến quang tử silic xốp 17 Hình 1.9 Cấu trúc mạng tinh thể Natri clorua (NaCl) 19 Hình 1.10: Kali nguyên chất dầu parafin 20 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc phổ tương ứng buồng giao thoa đơn lớp silic xốp dùng ứng dụng cảm biến quang sinh học 21 Hình 1.12: Quy trình tính tốn phổ phản xạ giao thoa lấy trung bình theo bước sóng (IAW) 26 Hình 2.1 Phiến Silic loại p+ bốc bay Al 28 Hình 2.2 Phiến Silic thành miếng có kích thước 1,6 x 1,6 cm 29 Hình 2.3 Bình điện hóa chế tạo cấu trúc quang tử 29 Hình 2.4 Hệ thống ăn mịn điện hóa 30 Hình 2.5 (a) Sơ đồ minh họa cấu trúc silic xốp đa lớp dựa cấu trúc tinh thể quang tử 1D thể lớp khuyết tật có độ dài quang học λ/2 xen hai DBR gồm lớp có chiết suất cao thấp có độ dài quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau; (b) Phổ phản xạ tương ứng khe cộng hưởng cho thấy bước sóng cộng hưởng hẹp đỉnh phản xạ cực đại 32 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình tạo lớp silic xốp 33 Hình 2.7 (a) Sơ đồ minh họa cấu trúc đơn lớp; (b) Phổ phản xạ mô cấu trúc đơn lớp 35 vii Hình 2.8 Sơ đồ minh họa q trình ăn mịn tạo silic xốp 36 Hình 2.9 Sơ đồ quy trình tạo cấu trúc quang tử đơn lớp silic xốp 36 Hình 2.10 Bộ thí nghiệm thực tế đo độ nhạy cảm biến cấu trúc quang tử đơn lớp silic xốp 38 Hình 2.11 Dung dịch NaCl với nồng độ khác ghi nhãn lọ 39 Hình 2.12: Thiết bị hiển vi điện tử quét SEM 39 Hình 2.13: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét (SEM) 40 Hình 2.14 (a) USB 4000; (b) thành phần USB 4000 41 Hình 2.15 Sơ đồ đo phổ phản xạ sử dụng USB 4000 42 Hình 3.1: Ảnh SEM bề mặt mẫu silic xốp với mật độ dòng 50mA/cm2(a) 75mA/cm2(b) 44 Hình 3.2: Ảnh SEM tiết diện ngang cấu trúc silic xốp đa lớp đơn lớp tương ứng với mật độ dịng điện cấp vào bình điện hóa 50mA/cm2(a); 75mA/cm2(b) 45 Hình 3.3: Phổ phản xạ cấu trúc silic xốp đa lớp (a) cấu trúc đơn lớp chế tạo tương ứng với mật độ dịng 50mA/cm2 (b) 75mA/cm2(c) 47 Hình 3.4: Phổ phản xạ mẫu chế tạo tương ứng với mật độ dòng 50mA/cm2 (a) 75mA/cm2(b) sử dụng phương pháp biến đổi FT 48 Hình 3.5: Độ phản xạ mẫu silic xốp đa lớp (a) đơn lớp chế tạo tương ứng với mật độ dòng 50mA/cm2 (b) 75mA/cm2(c) 49 Hình 3.6: Các đường phổ phản xạ cảm biến silic xốp đa lớp (a-c) đơn lớp chế tạo với mật độ dòng 50mA/cm2(d) 75mA/cm2(e) đặt trong khơng khí (màu đen) dung mơi methanol 99.5% (màu đỏ), ethanol 99.7% (màu xanh) isopropanol 99.7% (màu đỏ đơ) 50 Hình 3.7 Sự phụ thuộc độ dịch chuyển bước sóng vào chiết suất tương ứng với mẫu silic xốp đa lớp (a) đơn lớp chế tạo với mật độ dòng 50mA/cm2(a) 75mA/cm2(b) 52 Hình 3.8 Phổ phản xạ cảm biến silic xốp đa lớp đơn lớp đặt dung dịch nước muối NaCl với nồng độ 0% (màu đen); 1% (màu đỏ); 3% (màu xanh da trời); 5% (màu xanh cây) 7% (màu đỏ đô) 53 viii chuyển bước sóng cộng hưởng dung dịch nước muối NaCl với nồng độ 0%, 1%, 3%, 5% 7% nhỏ khó phát Chúng ta giải thích kết dựa thay đổi chiết suất dung dịch phân tích Chiết suất dung dich NaCl 0%, 1% 5% 1,3336; 1,3342; 1,3365 độ chênh lệch chiết suất tương ứng 0,6.10-3; 2,9.10-3 Sự chênh lệch chiết suất nhỏ giá trị LOD cho cảm biến buồng vi cộng hưởng màng giao thoa chế tạo mật độ dòng 75mA/cm2 Như vậy, để phát khác chiết suất dung dịch phân tích cảm biến chế tạo cần sử dụng máy phân tích phổ có độ phân giải cao ví dụ Carry 5000 Dưới áp dụng phương pháp phổ phản xạ giao thoa trung bình theo bước sóng cho cảm biến màng giao thoa đơn lớp nhằm xác định nồng độ dung dịch NaCl dải nồng độ từ 0% -7% Quá trình áp dụng phương pháp phổ phản xạ giao thoa trung bình theo bước sóng cho cảm biến màng giao thoa đơn lớp xác định nồng độ dung dịch NaCl thực qua bước, áp dụng mẫu dung dịch NaCl có nồng độ 7% để thể rõ nét bước trình áp dụng phương pháp này: 54 (b) Cường độ (a) (c) Cường độ (d) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Hình 3.9: Minh họa kết tính toán thực tế phổ phản xạ giao thoa lấy trung bình theo bước sóng dung dịch NaCl 7% Áp dụng theo quy trình tính tốn, ban đầu thu thập đầy đủ phổ phản xạ mẫu cần phần tích bao gồm phổ phản xạ nước khử ion dung dịch NaCl 0% để làm đối chứng so sánh với phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch NaCl 7% thể hình 3.9a Do q trình thu thập số liệu cịn có tín hiệu đèn, bắt buộc xử lí số liệu cần phải loại bỏ tín hiệu nhiễu gây từ đen, kết thu hình 3.9b Sau loại bỏ giá trị phổ đèn, lúc tín hiệu phổ phản xạ đảm bảo đầy đủ điều kiện để tính tốn Lúc tính tốn phổ giao thoa phép trừ phổ phản xạ chất phân tích với phổ phản xạ tham chiếu (với dung dịch so sánh nghĩa với nước khử- DIW) loại bỏ giá trị trung bình giao thoa phổ thể hình 3.9c Bước cuối tính tốn tín hiệu IAW, giá trị trung bình dải bước sóng quan tâm giao thoa thu hình 3.9d 55 Hình 3.9 trình bày phổ phản xạ giao thoa trung bình theo bước sóng cho cảm biến màng giao thoa đơn lớp nhúng dung dịch NaCl với nồng độ dải từ 1%, đến 7% Dựa phổ phản xạ giao thoa giá trị trung bình phổ dải bước sóng từ 500 nm đến 700 nm cho nồng độ NaCl trình bày Bảng 3.2 Cho thấy cảm biến silic xốp đơn lớp có nhiều phương pháp phục vụ cho việc phân tích kết từ phát phân tử sinh học hay ion kim loại dung dịch so với cấu trúc silic xốp đa lớp Hình 3.10 trình bày phổ phản xạ đo giá trị trung bình cảm biến đặt nước dung dịch nước muối NaCl với nồng độ 1% (a); 3% (b); 5% Cường độ Cường độ (c) 7% (d) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Hình 3.10: Phổ phản xạ đo giá trị trung bình cảm biến đặt dung dịch nước muối NaCl với nồng độ khác 56 Phổ phản xạ đo giá trị trung bình cảm biến đặt dung dịch nước muối NaCl cho thấy giá trị trung bình độ cao phổ phản xạ tăng lên chiết suất dung dịch tăng lên Độ lớn giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối tăng dần từ nồng độ 0% lên đến 7% độ tăng giá trị trung bình phổ phản xạ (IAW) nhỏ phù hợp với đường phổ phản xạ sử dụng phương pháp biến đổi FT Độ dịch giá trị trung bình phổ phản xạ thay đổi nồng độ 1% vào khoảng - 10% giá trị trung bình nồng độ trước (Bảng 3.2) Bảng 3.2: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối NaCl với nồng độ khác STT Nồng độ dung dịch NaCl 0% 1% 3% 5% 7% Giá trị trung bình phổ phản xạ (IAW) 0,27395 0,33229 0,35777 0,37384 0,40276 IAW-IAW0(10-3) 58,34 83,82 99,89 128,81 Hình 3.11 Biểu diễn phụ thuộc hiệu số IAW-IAW0 vào nồng độ NaCl dải nồng độ từ 1% đến 7% 57 Hình vẽ cho thấy dải nồng độ giá trị hiệu số IAW phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ với hệ số khơng đổi 11,37 Ở nồng độ thấp hệ số bị biến đổi [20] Cảm biến chế tạo silic xốp đơn lớp có ý nghĩa thực tiễn quan trọng việc kiểm tra nồng độ dung dịch muối NaCl lưu thơng thị trường từ phát nồng độ kim loại tương ứng dung dịch tránh sản phẩm hàng giả công ty gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người dân Để tăng tính tin cậy mẫu cảm biến chế tạo silic xốp đơn lớp phát ion kim loại dung dịch muối thực lại phép đo tương tự đo dung dịch muối NaCl nồng độ khác với dung dịch muối KCl, NiSO4, MnSO4 đồng thời kiểm tra lại tính ưu việt cảm biến silic xốp đơn lớp so với cảm biến có cấu trúc silic xốp đa lớp Sau thực phép đo phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối KCl nồng độ 0% (màu đen); 1% (màu đỏ); 3% (màu xanh da trời); 5% (màu xanh cây) 7% Cường độ (màu đỏ đô) Bước sóng (nm) Hình 3.12 Phổ phản xạ cảm biến silic xốp đơn lớp đặt dung dịch nước muối KCl với nồng độ 0% (màu đen); 1% (màu đỏ); 3% (màu xanh da trời); 5% (màu xanh cây) 7% (màu đỏ đô) Cũng thu kết tương tự đo dung dịch muối NaCl, cảm biến cấu trúc silic xốp đa lớp khó quan sát độ dịch chuyển đặt cảm biến 58 dung dịch, cảm biến silic xốp cấu trúc đơn lớp ta thấy có dịch đỉnh phổ phản xạ độ dịch nhỏ nồng độ dung dịch thấp Điều cho thấy sử dụng dung dịch với nồng độ thấp thay đổi nồng độ dung dịch nhỏ phát có mặt ion kim loại cấu trúc silic xốp đơn lớp Cịn cấu trúc silic đa lớp ứng dụng phổ biến việc phân tích phát dung mơi hữu (hình 3.10) Để thể rõ phát ion kim loại dung dịch muối KCl, áp dụng tương tự phát ion kim loại dung dịch muối NaCl sử dụng phương pháp tính giá trị trung bình IAW thu kết tương ứng độ tăng giá trị trung bình vào khoảng - 10% giá trị trung bình nồng độ Cường độ Cường độ trước Điều thể hình 3.11 bảng 3.3 Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Hình 3.13: Phổ phản xạ đo giá trị trung bình cảm biến đặt dung dịch nước muối KCl với nồng độ khác 59 Bảng 3.3: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối KCl với nồng độ khác Nồng độ dung dịch Giá trị trung bình KCl phổ phản xạ (IAW) 0% 0,27395 1% 0,41280 13,89 3% 0,44199 16,80 5% 0,46357 18,96 7% 0,50662 23,27 STT IAW-IAW0(10-3) Hình 3.14 Biểu diễn phụ thuộc hiệu số IAW-IAW0 vào nồng độ KCl dải nồng độ từ 1% đến 7% Áp dụng tương tự phương pháp đặt cảm biến NaCl, từ hình vẽ 3.12 cho thấy dải nồng độ giá trị hiệu số IAW phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ với hệ số không đổi 1,515 Ở nồng độ thấp hệ số giảm 60 Cường độ Cường độ Hình 3.15: Phổ phản xạ đo giá trị trung bình cảm biến đặt dung dịch nước muối NiSO4 với nồng độ khác Bảng 3.4: Giá trị trung bình phổ phản xạ đặt cảm biến dung dịch muối NiSO4 với nồng độ khác STT Nồng độ dung dịch NiSO4 Giá trị trung bình phổ phản xạ IAW-IAW0(10-3) (IAW) 0% 0,27395 1% 0,42258 14,86 3% 0,44497 17,10 5% 0,47050 19,66 7% 0,50339 22,94 61 Hình 3.16 Biểu diễn phụ thuộc hiệu số IAW-IAW0 vào nồng độ NiSO4 dải nồng độ từ 1% đến 7% giá trị hiệu số IAW phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ với hệ số khơng đổi 1,34 62 KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu đạt đề tài luận văn bao gồm: Chế tạo thành công cảm biến buồng vi cộng hưởng chiều dựa cấu trúc màng silic xốp đa lớp cảm biến màng giao thoa dựa cấu trúc màng silic xốp đơn lớp Xây dựng thành cơng thuật tốn phần mềm ứng dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) nhằm xác định độ dày quang học (EOT) cảm biến màng giao thoa đơn lớp Xây dựng thành cơng quy trình xác định giá trị trung bình theo bước sóng (IAW) phổ phản xạ nhằm xác định thay đổi nồng độ dung dịch phân tích cho cảm biến màng giao thoa đơn lớp Độ nhạy cảm biến màng giao thoa chế tạo tăng với mật độ dịng điện hóa đạt độ nhậy cảm biến buồng vi cộng hưởng 160 nm/RIU với mật độ dịng điện hóa 75mA/cm2 Bước đầu thành công việc sử dụng cảm biến màng giao thoa đơn lớp cho việc xác định ion kim loại nặng nước nồng độ tương đối thấp kỹ thuật phổ phản xạ giao thoa trung bình theo bước sóng (IAW) Luận văn cho thấy kỹ thuật xử lý số liệu góp phần đáng kể nhằm mở rộng giới hạn đo cảm biến Việc nâng cao độ nhạy giới hạn phát cảm biến thực dựa phản ứng ức chế enzim kim loại nặng cách phủ enzim lên bề mặt cảm biến Khi chuyển việc nghiên cứu từ lĩnh vực cảm biến hóa học sang cảm biến sinh học 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Bộ khoa học công nghệ (2015), “Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10916:2015 Thực phẩm - xác định chất khoáng thức ăn thực phẩm dinh dưỡng đặc biệt” Đỗ Thuỳ Chi (2012), “Nghiên cứu chế tạo tính chất quang tinh thể quang tử chứa ion đất hiếm”, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Phùng Thị Hà (2017), “Nghiên cứu chế tạo cảm biên quang sở cấu trúc quang tử 1D”, Luận văn thạc sĩ, Đại học sư phạm - Đại học Thái Nguyên Hà Thị Thái Minh (2016), “Xác định hàm lượng chì, thủy ngân, asen số mẫu nước mặt đất khu vực mỏ than Khe Sim phương pháp phổ hấp thụ phát xạ nguyên tử”, Luận văn thạc sĩ, Đại học khoa học - Đại học Thái Nguyên II Tiếng Anh H Bui, T Van Nguyen, T A Nguyen, T B Pham, Q T Dang, T C Do, Q M Ngo, R Coisson, and V H Pham (Aug.2014), “A Vapor Sensor Based on a Porous Silicon Microcavity for the Determination of Solvent Solutions,” J Opt Soc Korea, vol 18, no 4, pp 301-306 H Föll (1991), “Properties of silicon-electrolyte junctions and their application to silicon characterization,” Appl Phys A, vol 53, no 1, pp 8-19 H Ouyang, M Christophersen, R Viard, B L Miller, and P M Fauchet (2005), “Macroporous Silicon Microcavities for Macromolecule Detection,” Adv Funct Mater., vol 15, no 11, pp 1851-1859 A Uhlir (1956), “Electrolytic Shaping of Germanium and Silicon,” Bell Syst Tech J., vol 35, no 2, pp 333-347 64 L De Stefano, L Moretti, I Rendina, and A M Rossi (2003), “Porous silicon microcavities for optical hydrocarbons detection,” Sensors Actuators A Phys., vol 104, no 2, pp 179-182 10 L M Bonanno, T C Kwong, and L A DeLouise (2010),“Label-Free Porous Silicon Immunosensor for Broad Detection of Opiates in a Blind Clinical Study and Results Comparison to Commercial Analytical Chemistry Techniques,” Anal Chem., vol 82, no 23, pp 9711-9718 11 L T Canham (1995), “Bioactive silicon structure fabrication through nanoetching techniques,” Adv Mater., vol 7, no 12, pp 1033-1037 12 L T Canham (1990), “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers,” Appl Phys Lett., vol 57, no 10, pp 1046-1048 13 M A Anderson, A Tinsley-Bown, P Allcock, E A Perkins, P Snow, M Hollings, R G Smith, C Reeves, D J Squirrell, S Nicklin, and T I Cox (2003), “Sensitivity of the optical properties of porous silicon layers to the refractive index of liquid in the pores,” Phys status solidi, vol 197, no 2, pp 528-533 14 M Bahar, H Eskandari, and N Shaban (2017), “Electrical Properties of Porous Silicon for N2 Gas Sensor,” J Theor Comput Sci., vol 4, no 1, pp 2-7 15 P Müller (1972), “IUPAC Manual of Symbols and Technology,” Pure Appl Chem., vol 31, no 4, pp 579-638 16 R C Anderson, R S Muller, and C W Tobias (1991), “Investigations of the Electrical Properties of Porous Silicon,” J Electrochem Soc., vol 138, no 11, p 3406 17 R Caroselli, D Martín Sánchez, S Ponce Alcántara, F Prats Quilez, L Torrijos Morán, and J García-Rupérez (2017), “Real-Time and In-Flow Sensing Using a High Sensitivity Porous Silicon Microcavity-Based Sensor,” Sensors, vol 17, no 12, p 2813 65 18 R L Smith and S D Collins, “Porous silicon formation mechanisms (1992),” J Appl Phys., vol 71, no 8, pp R1-R22 19 Sharon M Weiss, (2005), “Tunable porous silicon photonic bandgap structures”, university of rochester, New York, p17 20 Stefano Mariani, Lucanos Marsilio Strambini, and Giuseppe Barillaro (2018), “Electrical Double Layer-Induced Ion Surface Accumulation for Ultrasensitive Refractive Index Sensing with Nanostructured Porous Silicon Interferometers”, ACS sensors, no.5, pp 595 - 605 21 S M Weiss (2005), “Tunable porous silicon photonic bandgap structures: mirrors for optical interconnects and optical switching,” University of Rochester 22 V S Lin, K Motesharei, K P Dancil, M J Sailor, and M R Ghadiri (1997), “A porous silicon-based optical interferometric biosensor.,” Science, vol 278, no 5339, pp 840-3 23 W Theiβ, (1997), “Optical properties of porous silicon”, Surf.Sci Rep, 29, p91 66 PHỤ LỤC Phụ lục CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG XỬ LÝ SỐ LIỆU PHỔ PHẢN XẠ FOURIER TRANSFORM Chương trình mô xử lý số liệu phổ phản xạ - Fourier transform cấu trúc quang tử Silic xốp đơn lớp xây dựng sử dụng chương trình Matlab Sử dụng chương trình xử lý số liệu chuyển từ hàm thời gian sang hàm tần số Nhằm xác định đỉnh bước sóng phản xạ với độ xác chương trình thể thơng qua phù hợp tính tốn lý thuyết thực nghiệm Phần trình bày chương trình này: %% Load data % Wavenumber from USB 4000 in cm-1 scale or wavelength in nm scale load (Đường dẫn đến file số liệu) b = Tên file(:,1); a = b; %a = flip(a1); % Reverse data % Amplitude %load C:\\avenger7.txt f = Tên file(:,2); %f = flip(f1); Reverse data %% Resample data for Fourier Transform %rea = linspace(min(a), max(a), length(a)); ref = resample(f,a); %plot (rea,f); %%Fourier Transform %y = fft(ref); nfft = 4096*100; 67 y = fft(ref, nfft); %y = y(1:nfft/2); %fF = (0:nfft-1)*2200/nfft;%*2*pi*sqrt(10^9); fF = (0:length(y)-1)*(max(a-min(a)) *100/length(y)*length(a)/length(y)*100; %% Ploting plot(fF, abs(y),'y', 'linewidth',1) grid on title('Fourier Transform','fontsize',18) xlabel('2nL (nm)','fontsize',18) ylabel('Intensity (a.u.)','fontsize',18) %Save figure in running folder %saveas(gca,['Fourier.png'],'png') axis([10000 40000 5*10^6]); hold on %% Export to CSV file % ba = b1'; % wa = w' % xlswrite('Amplitude_1.xlsx',ba); % xlswrite('frequency.xlsx',wa); 68 ... hữu 2/ Phát ion kim loại dung dịch nước cấu trúc silic xốp: - Mơ q trình phát ion kim loại dung dịch nước - Khảo sát thực nghiệm sử dụng cảm biến silic xốp phát ion kim loại dung dịch nước nồng... biến dựa silic xốp kết nghiên cứu đạt được, sử dụng cấu trúc Silic xốp làm silic cho ứng dụng cảm biến hóa học để phát ion kim loại dung dịch nước 1.3 Ảnh hưởng ion kim loại đến người Kim loại nguyên... thạc sĩ chọn là: ? ?Nghiên cứu phát ion kim loại nước cấu trúc silic xốp? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo cấu trúc silic xốp phương pháp ăn mịn điện hóa đế silic với vùng bước sóng hoạt