5. Phương pháp nghiên cứu
1.2. PHỔ TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT SERS VÀ PHƯƠNG
PHƯƠNG PHÁP SẮC KÍ BẢN MỎNG TLC
1.2.1. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt SERS
Vào năm 1928, với tiên đoán của nhiều nhà vật lí rằng bức xạ bị tán xạ bởi phân tử không chỉ chứa photon với tần số ánh sáng tới mà còn gồm photon với tần số bị thay đổi. Tiên liệu này đã được khẳng định bởi Chandresekhara Venkata Raman (Ấn Độ) với thí nghiệm tán xạ ánh sáng trên chất lỏng Benzen.
Raman đã được giải Nobel và từ đó hiện tượng tán xạ này được mang tên tán xạ Raman. Tán xạ Raman là hiện tượng bức xạ điện từ tương tác với các phân tử vật chất. Hiện tượng tán xạ ánh sáng có thể xảy ra trong sự tương tác của ánh sáng với từng phần tử riêng biệt. Những vạch có tần số nhỏ hơn tần số ánh sáng tới (i <0) gọi là vạch tán xạ Stokes, những vạch có tần số lớn hơn tần số ánh sáng tới (i >0) gọi là vạch tán xạ đối Stokes. Dịch chuyển tần số của các vạch này so với vạch Rayleigh =0-i| là đặc trưng cho mỗi vật chất và không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới.
Những năm gần đây, tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được nhiều nhà nghiên cứu cho thấy hiệu quả cả về lí thuyết và thực nghiệm trong nhiều lĩnh vực như vật lí học, điện hóa học, khoa học bề mặt, khoa học vật liệu, khoa học môi trường và công nghệ nano, ... Họ đã phát hiện ra rằng có thể làm tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật chất bằng cách khai thác
các dao động tập thể của các electron bề mặt gọi là plasmon bề mặt. Các trường ánh sáng được tăng cường khi chúng cộng hưởng với những plasmon này, dẫn tới nhiều hiệu ứng tăng cường bề mặt, đặc biệt là SERS.
Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một phương pháp làm tăng cường độ tín hiệu Raman lên nhiều lần. Kết quả là sự tăng cường trong tán xạ Raman do phân tử hấp thụ trên bề mặt thô nhám của kim loại. Trong các cấu trúc kim loại, sự kích thích điện từ làm cho những electron dẫn dao động tập thể tạo nên một hệ dao động được gọi là plasmon trong không gian, tức là những dao động của mật độ điện tử tự do trong kim loại. Quang phổ Raman tăng cường bề mặt hoặc tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là một kĩ thuật nhạy cảm bề mặt giúp tăng cường sự tán xạ Raman bởi các phân tử
bị hấp phụ trên bề mặt kim loại thô hoặc bởi các cấu trúc nano như ống nano silica từ tính plasmonic.
Plasmon bề mặt định xứ là các dao động plasmon bị giam cầm trong cả 3 chiều không gian, ví dụ trong trường hợp các hạt nano kim loại, mode dao động. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cảm ứng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có được là do sự dao động tập thể của các điện tử được dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Hạt nano bị phân cực điện do sự phân bố của các điện tử tạo thành một lưỡng cực điện làm xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích bằng với tần số riêng của dao động mật độ điện tử.
Dải hấp thụ plasmon bề mặt mạnh và tăng cường trường điện từ cục bộ xuất hiện do sự kích thích bằng điện trường ánh sáng ở bước sóng tới ứng với cộng hưởng sẽ dẫn đến tán xạ ánh sáng mạnh. Tần số và cường độ trong dải hấp thụ plasmon bề mặt là đại lượng đặc trưng cho loại vật liệu, rất nhạy với kích thước, phân bố kích thước và dạng của cấu trúc nano cũng như với môi trường bao quanh.
1.2.2. Phương pháp sắc kí bản mỏng TLC
Sắc kí là phương pháp hóa lí dùng để tách hỗn hợp chất mà trong đó các thành phần hỗn hợp được phân bố vào pha tĩnh và pha động.
Sắc kí bản mỏng (thin layer chromatography - TLC) là một kĩ thuật sắc kí được dùng để tách các chất trong hỗn hợp, bao gồm pha tĩnh là một lớp mỏng các chất hấp phụ, thường là silica gel, aluminium oxit, hoặc cellulose được phủ trên một mặt phẳng chất trơ và pha động là dung dịch cần phân tích được hòa tan trong một dung môi thích hợp rồi được hút lên bản sắc kí bởi mao dẫn, tách dung dịch thí nghiệm dựa trên tính phân cực của các thành phần trong dung dịch. TLC là phương pháp quan trọng để phân tích nhanh hỗn hợp đơn giản với chi phí thấp. Độ phân giải tốt nhất đạt được khi Rf là 0.25, ứng với hệ số chứa bằng 3 là khoảng tốt nhất trong sắc kí cột. Bởi tính đơn giản và nhanh, sắc kí bản mỏng thường được dùng để giám sát các phản ứng hóa học và phân tích chất lượng sản phẩm của phản ứng.
Một vệt nhỏ dung dịch chứa mẫu thử được thấm lên bản sắc kí, khoảng 1 cm từ dưới lên. Sau đó, nhúng bản sắc kí vào một dung môi thích hợp như ethanol hoặc nước rồi đặt vào trong một vật chứa có nắp. Dung môi di chuyển lên bản sắc kí bởi mao dẫn, gặp phải mẫu thử và dịch chuyển mẫu thử lên bản sắc kí. Các hợp chất được tách ra dựa trên sự cạnh tranh của chất tan và pha động để có được chỗ liên kết với pha tĩnh. Hợp chất khác nhau trong hỗn hợp mẫu thử dịch chuyển với tốc độ khác nhau do chúng có sức hút khác
nhau đối với pha tĩnh, và độ tan khác nhau trong dung môi. Dung môi thích hợp dùng trong sắc kí bản mỏng sẽ là một dung môi có tính phân cực khác với pha tĩnh. Nếu một dung môi phân cực được dùng để hòa tan mẫu thử trên một pha tĩnh phân cực, vệt nhỏ mẫu thử sẽ lan tròn do mao dẫn, các vệt khác nhau có thể trộn lẫn vào nhau. Do đó, để hạn chế sự lan tròn của các vệt mẫu thì dung môi được sử dụng để hòa tan mẫu thử phải không phân cực, hoặc phân cực một phần, nếu pha tĩnh phân cực, và ngược lại.
1.2.3. Ứng dụng của phổ SERS và TLC trong phân tích thành phần các chất hữu cơ
SERS đã được sử dụng để khám phá nhiều vấn đề rộng lớn trong khoa học, đặc biệt là trong các nghiên cứu cấu trúc bề mặt. Các nhà khoa học đã lạc quan rằng SERS sẽ trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu cấu trúc bề mặt và các quá trình bề mặt khác nhau bao gồm mặt phân cách giữa các phân tử nước không có sự gây nhiễu của toàn bộ khối nước. Việc áp dụng SERS tại chỗ sẽ giúp ta quan sát phản ứng tức thời trên bề mặt, phân biệt các sản phẩm của phản ứng thu được những thông tin ở mức độ phân tử về sự phá vỡ và hình thành liên kết trong phản ứng. Việc tìm hiểu bề mặt điện cực trong điện hóa học cũng như khoa học bề mặt thì cấu trúc nhỏ và mặt phân cách với những phân tử nước là vấn đề rất quan trọng. Nhưng trong đó, tương tác giữa các phân tử nước và các ion của chất điện phân cũng như với bề mặt điện cực là tương đối phức tạp.
Việc phát hiện sớm các dấu hiệu sinh học ung thư tuyến tụy đã được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp xét nghiệm miễn dịch dựa trên SERS. [47] Nền tảng phát hiện dấu ấn sinh học protein đa cơ sở SERS trong chip vi lỏng được sử dụng để phát hiện một số dấu ấn sinh học protein để dự đoán loại bệnh và các dấu ấn sinh học quan trọng, đồng thời tăng cơ hội chẩn đoán giữa các bệnh có dấu ấn sinh học tương tự (PC, OVC và viêm tụy ). Khả
năng phân tích thành phần của một hỗn hợp trên quy mô nano làm cho việc sử dụng chất nền SERS có lợi cho phân tích môi trường, khoa học vật liệu, dược phẩm, nghệ thuật, khoa học pháp y, nghiên cứu khảo cổ, phát hiện ma túy và chất nổ, phân tích chất lượng thực phẩm, [48]. SERS kết hợp với cảm biến plasmonic có thể được sử dụng để phân tích độ nhạy cao và định lượng các phân tử nhỏ trong nước thải sinh học của người, [49] phát hiện định lượng tương tác phân tử sinh học, [50] và để nghiên cứu các quá trình oxy hóa khử ở cấp đơn phân tử. [51]
TLC đã được áp dụng trong việc sàng lọc các phản ứng hữu cơ. Một ứng dụng đặc biệt của TLC là trong việc mô tả đặc tính của các hợp chất được gắn nhãn phóng xạ, mà nó được sử dụng để xác định độ tinh khiết của chất phóng xạ . Tấm TLC được hình dung bằng cách sử dụng một tấm phim ảnh hoặc một dụng cụ có khả năng đo độ phóng xạ . Phương pháp này nhạy hơn nhiều so với các phương pháp khác và có thể được sử dụng để phát hiện một lượng cực nhỏ của một hợp chất, với điều kiện là nó mang một nguyên tử phóng xạ.
TLC cũng được sử dụng để xác định sự hoàn thành của bất kì phản ứng hóa học nào. Để xác định điều này, người ta quan sát thấy khi bắt đầu phản ứng, toàn bộ vị trí bị chiếm bởi các hóa chất hoặc vật liệu ban đầu trên đĩa. Khi phản ứng bắt đầu diễn ra, vị trí được tạo thành bởi các hóa chất ban đầu bắt đầu giảm và cuối cùng thay thế toàn bộ vị trí của các hóa chất ban đầu bằng một sản phẩm mới có mặt trên đĩa. Sự hình thành của một điểm hoàn toàn mới quyết định sự hoàn thành của một phản ứng. Hơn nữa, TLC hai chiều thường được sử dụng như một phương pháp để kiểm tra xem một hợp chất có ổn định trong pha tĩnh hay không (chẳng hạn như silica gel, thường có tính axit nhẹ). Nhiều ứng dụng của TLC đã được báo cáo trong phân tích thành phần thực phẩm, phụ gia, chất nhiễm bẩn, và định lượng amino acid
(chất lượng của protein), lipid và các acid béo (chất lượng và sự pha trộn của chất béo), đường (chất lượng của thức uống), các amine có nguồn gốc sinh học (độ ổn định tồn trữ), vitamin (được thêm vào như những chất dinh dưỡng, màu và chất chống oxi hóa) và các acid hữu cơ (như chất bảo quản). TLC được dùng rộng rãi để phân tích các sản phẩm nông nghiệp.
Sắc kí bản mỏng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
xét nghiệm độ tinh khiết của các hóa chất phóng xạ trong dược khoa. xác định các sắc tố trong tế bào thực vật.
phát hiện thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng trong thức ăn. nhận biết những hóa chất trong một chất cho sẵn.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu phổ hấp thụ
Quang phổ tử ngoại-nhìn thấy (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 các vùng nhìn thấy đầy đủ, liền kề của phổ điện từ, có nghĩa là nó sử dụng ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy và liền kề. Sự hấp thụ hoặc độ phản xạ trong phạm vi nhìn thấy ảnh hưởng trực tiếp đến màu sắc cảm nhận của các hóa chất liên quan. Trong vùng này của quang phổ, các nguyên tử và phân tử trải qua quá trình chuyển đổi điện tử: Sự hấp thụ đo lường sự chuyển đổi từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích thì quang phổ huỳnh quang xử lí sự chuyển đổi của các electron từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản. Quang phổ hấp thụ bổ sung cho quang phổ huỳnh quang.
Hình 1.7. Thí nghiệm mô phỏng định luật Beer - Lambert
Các phân tử chứa electron liên kết π hoặc electron không liên kết (n- electron) có thể hấp thụ năng lượng tia cực tím hoặc năng lượng ánh sáng nhìn thấy và bị kích thích lên các obitan phân tử phản liên kết cao hơn. Quang phổ UV – vis khác với quang phổ IR ở các bước sóng kích thích và các phân tử trải qua quá trình chuyển đổi điện tử trong vùng tử ngoại hoặc vùng khả kiến, trong khi chúng trải qua quá trình chuyển đổi dao động trong vùng IR. Quang phổ UV – vis được sử dụng để xác định nồng độ nguyên tố một cách định lượng trong dung dịch theo định luật Beer – Lambert: Độ hấp thụ quang học của một hợp chất, ở một bước sóng nhất định, sẽ tỉ lệ tuyến tính với nồng độ của chất đó có trong dung dịch
Trong đó: A là độ hấp thụ đo được.
I0 là cường độ của ánh sáng tới tại một bước sóng nhất định. I là cường độ truyền qua.
L là độ dài đường truyền qua mẫu, c là nồng độ của các chất hấp thụ. ε là hằng số được gọi là hệ số hấp thụ phân tử hoặc hệ số tắt đối với từng loài và bước sóng.
Thông thường, ε ở bước sóng hấp thụ cực đại ( λ max) được sử dụng trong phân tích định lượng vì các sai số do độ không đảm bảo đo bước sóng của thiết bị được giảm thiểu tại đỉnh của đường cong hấp thụ. Theo mối quan hệ này, nồng độ chất phân tích có thể được tính khi ε được biết đến , L là cố định, I0 và I được đo lường. Nồng độ của chất phân tích có thể được xác định chính xác hơn, khi có đường chuẩn của chất phân tích.
Các bộ phận cơ bản của máy quang phổ là nguồn sáng, giá đỡ mẫu, cách tử nhiễu xạ trong máy đơn sắc hoặc lăng kính để phân tách các bước sóng ánh sáng khác nhau và máy dò.
Hình 1.8. Sơ đồ đơn giản của các thành phần chính trong máy quang phổ UV - vis
Nguồn bức xạ thường là dây tóc Vonfram (300–2500 nm), đèn hồ quang đơteri liên tục trên vùng tử ngoại (190–400 nm), đèn hồ quang xenon liên tục từ 160 đến 2.000 nm; hoặc gần đây hơn, điốt phát quang (LED) cho các bước sóng nhìn thấy được. Đầu báo thường là một ống nhân quang, một đi-ốt quang, một dãy đi-ốt quang hoặc một thiết bị tích điện (CCĐ). Các đầu dò đi-ốt quang đơn và ống nhân quang được sử dụng với các thiết bị đơn sắc quét, lọc ánh sáng để chỉ có ánh sáng có bước sóng duy nhất đến được đầu dò tại một thời điểm. Bộ đơn sắc quét di chuyển cách tử nhiễu xạ đến "từng bước" từng bước sóng để cường độ của nó có thể được đo dưới dạng một hàm của bước sóng. Bộ đơn sắc cố định được sử dụng với CCD và
mảng điốt quang. Vì cả hai thiết bị này đều bao gồm nhiều máy dò được nhóm thành mảng một hoặc hai chiều, chúng có thể thu thập ánh sáng có bước sóng khác nhau trên các pixel hoặc nhóm pixel khác nhau đồng thời. Máy quang phổ có thể là chùm tia đơn hoặc chùm tia kép. Trong một thiết bị chùm tia đơn, tất cả ánh sáng đi qua ô mẫu. I0 phải được đo bằng cách loại bỏ mẫu. Đây là thiết kế sớm nhất và vẫn được sử dụng phổ biến trong cả phòng thí nghiệm giảng dạy và công nghiệp.
Các mẫu cho phép đo quang phổ UV/Vis thường là chất lỏng, mặc dù cũng có thể đo độ hấp thụ của chất khí và thậm chí của chất rắn. Mẫu thường được đặt trong một ô trong suốt, được gọi là cuvet . Cuvet thường có hình chữ nhật, thường có chiều rộng bên trong là 1 cm. Ống nghiệm cũng có thể được sử dụng như cuvet trong một số dụng cụ. Loại vật chứa mẫu được sử dụng phải cho phép bức xạ đi qua vùng phổ quan tâm. Các cuvet được ứng dụng rộng rãi nhất được làm bằng thủy tinh silica hoặc thạch anh nung chảy chất lượng cao vì chúng trong suốt các vùng tia cực tím, vùng nhìn thấy được và vùng hồng ngoại gần. Cuvet thủy tinh và nhựa cũng rất phổ biến, mặc dù thủy