tomycin và hình ảnh camera ghi nhận được khi ánh sáng truyền qua mẫu Streptomycin)[16].
nguồn kích thích kết hợp cùng chất xúc tác AuNP (hạt nano vàng). Kích thước của thiết bị tương đối nhỏ gọn. Streptomycin trong mẫu dạng dung dịch được kết hợp cùng AuNP sẽ tạo ra phản ứng hóa học làm thay đổi độ hấp thụ của dung dịch tùy thuộc vào nồng độ của streptomycin. Thiết bị của nhóm có LOD là 12.3 nM thấp hơn cả so với tiêu chuẩn của kháng sinh ở các nước như Mỹ hay Trung Quốc [16].
Hình 1.14:Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ tetra-cycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp khi nồng độ cycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp khi nồng độ tetracycline thay đổi với các màu hộp khác nhau (trái). A, B, C và D là các màu sắc khác nhau của hộp đựng hệ đo[12].
Một nhóm nghiên cứu từ Thái Lan cũng đã đưa ra thiết bị nhằm nhận biết tetra- cycline trong sữa (hình 1.14). Trước khi được tiền hành đo, mẫu được tách chiết pha rắn (Solid phase extraction). Nguồn sáng kích thích là đèn huỳnh quang và ánh sáng
từ mẫu được thu trực tiếp bằng camera, tất cả hệ đo được đặt trong một hộp kín. LOD của thiết bị là 0.5µg/ml, tuy nhiên nhược điểm của thiết bị này đòi hỏi quá trình xử lí mẫu tương đối phức tạp[12].
Hình 1.15:Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để xác định nồng độ thủy ngân[14].
Ngoài ra thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên nguyên lý đo độ màu còn có những ứng dụng khác như phát hiện kim loại nặng. Nhóm nghiên cứu khác từ Trung Quốc đã phát triển thiết bị đánh giá nồng độ ion thủy ngân (Hg+) (hình 1.15). Thiết bị sử dụng một đèn LED có bước sóng là 532 nm làm nguồn kích thích cùng chất xúc tác AuNP. Điểm đặc biệt của thiết kế là thay vì sử dụng cảm biến CMOS của camera họ sử dụng cảm biến ánh sáng phía trước màn hình do đó thiết bị có kích thước tương đối nhỏ gọn với chiều dài chỉ 42 mm, đường kính 12 mm và nặng 3.5g [14].
Các thiết bị trên có những ưu điểm như thiết kế đơn giản, nhỏ gọn do hệ thống quang bên trong không cần phải có những bộ phận phân tách ánh sáng như lăng kính hay cách tử nhiễu xạ. Các thiết bị cũng cho kết quả nhanh do quá trính xử lý ảnh hay
phổ
1.2.2.1 Nguyên lý đo quang phổ
Thiết bị đo quang phổ đóng vai trò quan trọng trong khoa học với nhiệm vụ chính là phân tách ánh sáng thành các mảng màu riêng biệt được gọi là quang phổ. Từ quang phổ, các nhà khoa học xác định được thành phần hóa học của chất phát ra ánh sáng đó. Thiết bị này ban đầu được phát triển trong các nghiên cứu của vật lý, thiên văn học và hóa học.
Hình 1.16:Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ [29].
sáng được đưa vào máy quang phổ thông qua một khe hẹp bằng cách chiếu trực tiếp hoặc dẫn truyền bằng sợi quang.
Khe hẹp có độ mở rất nhỏ có chức năng hạn chế lượng ánh sáng đi vào trong thiết bị đo quang phổ. Với hầu hết thiết bị đo quang phổ, ánh sáng phân kỳ bên trong thiết bị đo quang phổ sẽ được chuẩn trực bởi một gương lõm và chiếu tới một cách tử. Cách tử là thành phần quan trọng có nhiệm vụ tán sắc ánh sáng thành các thành phần ở các góc khác nhau.
Các thành phần này sau đó được hội tụ bởi một gương lõm thứ hai và được chiếu tới đầu thu hay cảm biến. Tín hiệu từ đầu thu sẽ được số hóa gửi đến máy tính để xử lý và hiển thị dưới dạng phổ [29].
Hình 1.17:Bên trong máy quang phổ Ocean Optics USB4000-FL[18].
Hình 1.18:Một khe hẹp của hãng Thorlab với độ rộng khe là 200µm[37].
Độ rộng khe có nhiều kích cỡ khác nhau từ rất nhỏ 5µmđến rất lớn 800µmvới chiều cao từ 1mmđến 2 mm. Các máy quang phổ hiện nay phần lớn đều có khe hẹp có thể điều chỉnh độ rộng. Việc lựa chọn độ rộng khe tùy thuộc vào loại phép đo và ứng dụng.
Lăng kính
Lăng kính là một quang cụ trong suốt với các bề mặt được đánh bóng. Các góc giữa các bề mặt sẽ quyết định tính chất của lăng kính. Lăng kính thường có dạng hình tam giác và các mặt xung quang hình chữ nhật. Tùy vào vật liệu chế tạo lăng kính sẽ cho phép truyền qua những bước sóng xác định. Các vật liệu thường được sử dụng như là thủy tinh, nhựa và fluorite [25].
Hình 1.19:Một số lăng kính của hãng Thorlab với các vật liệu khác nhau[35].
Vận tốc của ánh sáng thay đổi khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Điều này dẫn đến việc khúc xạ ánh sáng và (nguyên lý Huygen). Góc lệch của ánh sáng phụ thuộc vào góc mà chùm ánh sáng tới tạo với bề mặt lăng kinh và tỉ số giữa chiết suất của hai môi trường (định luật Snell). Đồng thời trong lăng kính xảy ra hiện tượng tán sắc do chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới. Hiện tượng này làm cho ánh sáng với bước sóng khác nhau sẽ khúc xạ và ra khỏi lăng kính với góc khác nhau, tạo ra hiệu ứng tương tự như cầu vồng. Do đó nó được sử dụng để tách một chùm ánh sáng trắng thành phổ của các thành phần màu cấu thành nó.
Hình 1.20:Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bước sóng dẫn đến các màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau, do đó ánh sáng trắng bị tách
Cách tử nhiễu xạ
Trong quang học, cách tử nhiễu xạ là thành phần quang học với cấu trúc tuần hoàn, nó có khả năng phân tách và nhiễu xạ ánh sáng thành nhiều chùm tia truyền đi theo các hướng khác nhau. Hướng của các chùm tia này phụ thuộc vào chu kì của cách tử và bước sóng của ánh sáng, do đó cách tử đóng vai trò là phần tử tán sắc như lăng kính.
Hình 1.21:Cách tử nhiễu xạ của hãng Thorlab[38].
Sự nhiễu xạ bởi cách tử được thể hiện trong hình 1.22. Một tia sáng tới có bước sóng λ với góc tới α bị nhiễu xạ bởi cách tử (có khoảng cách rãnhd) thành các tia với góc bm (b0, b1, b−1). Các góc được tính từ đường vuông góc với bề mặt cách tử, được vẽ bằng đường đứt nét. Quy ước dấu của các góc này phụ thuộc vào việc ánh sáng bị nhiễu xạ ở cùng phía hay khác phía đối với ánh sáng tới qua đường vuông góc với cách tử [5].
Mối quan hệ giữa các yếu tố trên được thể hiện bởi công thức:
mλ =d(sinα+sinβ) (1.4)
với λ là bước sóng ánh sáng nhiễu xạ. m là bậc nhiễu xạ (hay phổ bậc) và luôn là một số nguyên. Với m = 0 ánh sáng tuân theo định luật phản xạ.
Hình 1.22:(a) Cách tử phản xạ: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ nằm về cùng một phía của cách tử.(b) Cách tử truyền qua: ánh sáng tới và các tia nhiễu xạ
Hình 1.23:Cách tử nhiễu xạ lý tưởng và cách tử DVD
Cách tử nhiễu xạ của cảm biến quang sử dụng smartphone thường được lấy từ một phần của CD hay DVD nhằm giảm chi phí chế tạo.
1.2.2.2 Cảm biến quang sử dụng smartphone hoạt động dựa trên nguyênlý đo quang phổ và ứng dụng lý đo quang phổ và ứng dụng
Các thiết bị cảm biến quang được thiết kế dựa trên nguyên lí hoạt động của máy quang phổ nhằm phục vụ cho phép đo phổ hấp thụ hay phép đo huỳnh quang. Tuy nhiên để đảm bảo tính đơn giản và nhỏ gọn, các thiết bị này sử dụng cách tử nhiễu xạ thay cho lăng kính và không có các gương chuẩn trực. Tùy thuộc và thiết kế và cấu trúc, thiết bị sẽ có thêm các thấu kính hội tụ giúp tăng cường tín hiệu. Để bảo vệ và tránh nhiễu từ bên ngoài, tất cả các thành phần quang học được đặt cố định bên trong một khoang kín màu đen.
Hình 1.24:Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo pH (trái), và kết quả thu được từ thiết bị với các dung dịch có nồng độ pH trong khoảng từ 4 đến 9 tăng dần tương ứng từ (i) đến (vii)[13].
Đã có rất nhiều thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone phục vụ cho việc đo pH. Một nhóm nghiên cứu ở Ấn Độ đã đưa ra thiết bị dựa trên nguyên lý của phép đo truyền qua (hình 1.24), nguồn sáng được sử dụng là nguồn đèn Halogen (Ocean Optics LS-1) kết hợp cùng một số chất hóa học. Ảnh chụp từ camera được xử lí bằng phần mềm Matlab. Đối với các mẫu nước có giá trị pH lớn hơn 7, kết quả cho thấy thiết bị đủ nhạy để đo được. Tuy nhiên, cảm biến không còn đủ độ nhạy để đo với các mẫu có giá trị pH dưới 7. Thiết bị này vẫn chưa thể hoàn toàn thay thế các thiết bị đo pH chuyên dụng hay phương pháp sử dụng thuốc nhuộm chỉ thị. Tuy nhiên với kết quả đáng tin cậy, thiết bị cảm biến quang của các nhóm nghiên cứu này đã mở ra một nền tảng cảm biến đo pH nhỏ gọn, với tính di động cao cũng chi phí thấp phù hợp để theo dõi độ pH của nước ở nhiều khu vực ngoài môi trường [13].
Hình 1.25:Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đo glúcose (trái), và kết quả thu được từ thiết bị với dung dịch ABTS/HRP/GOx khi có glucose theo thời gian[15].
Đặc biệt trong lĩnh vực y học và sinh học, thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone có rất nhiều ứng dụng, một trong số đó có thể kể đến như trong việc xác định nồng độ glucose. Thiết bị từ một nhóm ở Mỹ sử dụng chính là đèn Flash LED tích hợp sẵn trên điện thoại làm nguồn sáng để đo hấp thụ và cách tử nhiễu xạ là đĩa CD (hình 1.25). Giới hạn đo của hệ thống cảm biến đựa trên điện thoại thông minh trong ứng dụng này đã được cải tiến bằng cách sử dụng thuật toán xử lý dữ liệu tiên tiến nhằm giảm nhiễu, tăng cường tín hiệu. LOD của thiết bị là 50 ng/ml, kết quả này cho hiệu suất tương đương với máy quang phổ thương mại và máy quang phổ UV-VIS. Điều này mở đường cho việc phát triền các thiết nhỏ gọn và tính di động cao nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy [15].
Hình 1.26:Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone đa kênh trong ứng dụng ELISA (trái), và hình ảnh chụp được từ camera của thiết bị với các nồng độ BSA từ 0.125–1.5 mg/mL (phải)[8].
Thiết bị cảm biến quang dựa trên điện thoại thông minh còn được sử dụng trong các ứng dụng phức tạp hơn. Một nhóm nghiên cứu từ Mỹ đã đưa ra thiết bị cảm biến quang đa kênh hỗ trợ việc xét nghiệm hóa sinh (ELISA) với số lượng mẫu lớn. Thiết bị này đặc biệt cho phép đo cùng lúc 8 mẫu trong mỗi phép đo nhờ việc sự dụng micro-prism (vi lăng kính). Mẫu được đặt trong microplate (96-well) thay vì cuvett nhằm tiết kiệm không gian của thiết bị (hình 1.26). Ảnh chụp từ camera được xử lí bằng phần mềm Matlab. Thiết bị được sự dụng để xác định nồng độ của protein (BSA) và có LOD là 10.6 pg/mL. Các kết quả thu được từ thiết bị gần như tương đương khi so sánh với các máy quang phổ trong phòng thí nghiệm cho thấy thiết bị có độ tin cậy cao [8].
So với các thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên nguyên lý đo độ màu thì các thiết bị dựa trên nguyên lý đo phổ có kích thước lớn hơn do có thêm bộ phận phân tách chùm. Việc xử lí ảnh chụp từ các thiết bị dựa trên nguyên lý đo phổ cũng cầu kì và mất nhiều thời gian hơn. Tuy nhiên các thiết bị này lại có thể sử dụng trong các ứng dụng phức tạp hơn cũng như hoạt động với nhiều đối tượng cần nhận biết hơn trên cùng một thiết bị.
1.3 Một số chất hữu cơ độc hại có trong nước thải1.3.1 Methyl orange 1.3.1 Methyl orange
Trong khoa học, Methyl orange là một chỉ số pH thường được sử dụng trong chuẩn độ axit vì nó thay đổi màu sắc ở pH của một axit cường độ trung bình, có một điểm kết thúc sắc nét rõ ràng và khác biệt của nó ở các giá trị pH khác nhau. Methyl orange hiển thị màu hồng trong môi trường axit và cho thấy màu vàng trong môi trường bazơ.
Trong công nghiệp, Methyl orange được sử dụng làm thuốc nhuộm vải, đặc biệt là ở các làng nghề thủ công. Việc sử dụng nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu làng nghề thủ công này có thể gây hại cho sức khỏe.
1.3.1.1 Tính chất
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu cam
1.3.1.2 Tính độc hại
Metyl orange là một chất có độc tính mạnh, khi tiếp xúc nếu không cẩn thận sẽ gây ra nhiều nguy hại ảnh hưởng tới sức khỏe.Chất này khi tiếp xúc với da, mắt gây ra nhiều biến chứng vô cùng nguy hiểm. Nếu độc tính xâm nhập vào trong cơ thể hoặc tiếp xúc quá liều sẽ làm cho chất độc tích tụ trong các cơ quan nội tạng, lâu ngày có thể gây ra tử vong [26].
1.3.2 Methyl violet
Methyl violet là một loại thuốc nhuộm. Loại thuốc nhuộm này được dùng để nhuộm mô và dùng trong phương pháp Gram để phân loại vi khuẩn. Methyl violet có tính kháng khuẩn, kháng nấm và anthelmintic, từng được coi là chất sát trùng hàng đầu. Tác dụng y học của chất này đã được thay thế bởi các loại thuốc mới, mặc dù nó vẫn nằm trong danh sách của Tổ chức Y tế thế giới.
Trong công nghiệp, Methyl orange được sử dụng làm thuốc nhuộm vải, đặc biệt là ở các làng nghề thủ công. Việc sử dụng nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu làng nghề thủ công này có thể gây hại cho sức khỏe.
1.3.2.1 Tính chất
• Tên quốc tế: Tris(4-(dimethylamino)phenyl)methylium chloride
• Công thức phân tử:C25H30CIN3 • Phân tử khối: 407.99 g/mol
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu tím
1.3.2.2 Tính độc hại
Một nghiên cứu trên chuột cho thấy tiềm năng gây ung thư tại một số cơ quan khác nhau. Methyl violet không có thông tin khoa học đầy đủ để an toàn để sử dụng trong thức ăn chăn nuôi. Methyl violet trong thức ăn chăn nuôi làm cho thức ăn bị tạp nhiễm. Nhiều quốc gia đặc biệt là Hoa Kỳ đã ban hành luật nghiêm ngặt về hóa chất này. Methyl violet dễ dàng được hấp thu vào mô từ tiếp xúc với nước. Theo nghiên cứu của Chương trình Độc học, Methyl violet gây ung thư, gây đột biến ở động vật gặm nhấm [27].
1.3.3 Rhodamine B
Rhodamine B là một hợp chất hóa học và thuốc nhuộm. Nó thường được sử dụng như thuốc nhuộm đánh dấu vết để xác định hướng và lưu tốc của dòng chảy. Thuốc
B để nhuộm màu giúp thực phẩm có màu tươi. Việc sử dụng các thực phẩm này hay nguồn nước chưa qua xử lí từ các khu chế biến này đều gây hại cho sức khỏe.
1.3.3.1 Tính chất
• Công thức cấu tạo:
• Tên quốc tế: [9-(2-carboxyphenyl)-6-diethylamino-3-xanthenylidene]-diethylammonium chloride
• Công thức phân tử:C28H31CIN2O3 • Phân tử khối: 479.02 g/mol
• Trạng thái: rắn, dạng bột, màu đỏ hoặc tím
1.3.3.2 Tính độc hại
Tại California, rhodamine B bị nghi ngờ là chất gây ung thư, do đó sản phẩm chứa nó phải được dán nhãn cảnh báo. Tại New Jersey, bảng chỉ dẫn an toàn hóa chất
nêu rằng có bằng chứng còn hạn hẹp về khả năng gây ung thư ở thí nghiệm trên động vật, và không có bằng chứng nào ở người [28].
1.3.4 Coumarin
Coumarin là một hữu cơ thơm hợp chất hóa học trong benzopyrone lớp hóa chất, mặc dù nó cũng có thể được xem như là một lớp con của lacton. Nó là một chất tự nhiên được tìm thấy trong nhiều loại thực vật và là chất kết tinh không màu ở trạng thái tiêu chuẩn.
Coumarin có giá trị y tế lâm sàng, như một công cụ điều chỉnh phù nề. Coumarin