CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.5. Ứng dụng phát hiện MR bằng phương pháp phổ tán xạ Raman tăng
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ pH lên SERS
Như chúng ta biết, methyl đỏ (MR) là một chỉ thị mầu pH, dung dịch có màu đỏ ở pH dưới 4,4 và màu vàng ở pH trên 6,2 và màu cam ở giữa với pH là 5,1. Để thấy rõ điều này, phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang được ghi lại dung dịch chứa MR ở các pH khác nhau (pH = 2,01; 3,91; 5,1; 6,36 và 8,96). Trên hình 3.9a biểu diễn phổ hấp thụ với pH thay đổi của MR. Dễ dàng thấy rằng khi pH thấp (môi trường axit), pH = 2,01; 3,91 5,1 đỉnh phổ hấp thụ tương ứng ở bước sóng 517 nm, 505 nm và 408 nm. Dải hấp thụ này thuộc vào vùng đỏ tương ứng với mầu sắc của dung dịch ở hình 3.9b. Khi pH tăng trong khoảng 6,36 và 8,96 đỉnh phổ hấp thụ ở 408 nm thuộc vùng vàng và tương ứng với ảnh chụp của mầu dung dịch trong hình 3.9b. Ảnh thêm vào trong hình 3.9b là cấu trúc phân tử hoá học của methyl đỏ.
Hình 3.9. (a) Phổ hấp thụ của MR theo pH thay đổi từ 2,01 đến 8,96. (b) ảnh chụp màu
dung dịch MR với pH thay đổi tương ứng, phần hình thêm vào là cấu trúc phân tử hoá học của MR
Phổ quang huỳnh quang của MR theo độ pH thay đổi tương ứng được thể hiện trên hình 3.10. Các đỉnh phát quang có sự dịch nhẹ về sóng ngắn từ 567, 556, 555 và 551 theo thứ tự độ pH tăng dần 2,01; 3,91; 5,1; 6,36 và 8,96. Khi có dung dịch có pH lớn hơn từ 6,36 và 8,96 thì phát xạ gần như không thay đổi ở 551 nm và xuất hiện vai nhỏ ở 464 nm.
Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của MR có độ pH thay đổi
Trong phần tiếp theo các dung dịch MR ở các pH trên được khảo sát bằng phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt với đế AgNPs và AgNC. Hình
3.12 thể hiện phổ SERS của MR ở nồng độ 10-4 M có pH thay đổi 2,01; 3,91; 5,1; 6,36 và 8,96 trên AgNPs và AgNC. Cả 2 loại đế AgNPs và AgNC đều cho cường độ SERS mạnh nhất khi pH của dung dịch MR ở 5,1 và giảm khi pH giảm, ngoại trừ trường hợp pH = 6,36 và 8,96. Tuy nhiên có hiện tượng lý thú là ở cả 2 đế khi pH = 2,01 và 3,91 (tứ pH<4) thì cường độ SERS ở số sóng 1609 cm-1 tăng mạnh, trong khi 3 giá trị pH còn lại (5,1; 6,36 và 8,96) thì cường độ mạnh nhất ở 1396 cm-1. Sự thay đổi về ưu tiên cường độ ở các dải phổ đặc trưng khác nhau do pH gây ra có thể được giải thích như sau: các dải phổ được tăng cường mạnh ở xung quanh vùng 1609 cm-1 do có sự xuất hiện proton hố khi lượng H+ tăng dần (hình 3.11). Hình 3.12a,c cho thấy, tại 1609 cm-1 (dao động biến dạng trong mặt phẳng Nα-H của nhóm azo proton) và 1600 cm-1 (C-vòng C=C dao động). Sự tăng cường của hai dải này ở pH 2,01 nổi bật hơn đối với p-MR hơn hai đồng phân cịn lại. Nó ngụ ý rằng p- HMR có thể hấp phụ trên bề mặt các hạt Ag với các mặt phẳng phân tử (hình 3.13). Theo quy tắc chọn lọc SERS [50,51], đường bao quang phổ hấp phụ phụ thuộc nhiều vào sự định hướng của trục phân tử chính của nó đối với bề mặt bị hấp phụ (hình 3.13). Các chế độ có thành phần phân cực vng góc cao hơn đối với bề mặt sẽ có tăng cường lớn hơn. Như vậy, đối với phân tử có vịng benzen mặt phẳng nằm trên bề mặt Ag, các dải trong mặt phẳng tăng cường độ tương đối của chúng bằng hiệu ứng bề mặt. Không xuất hiện sự tăng cường về cường độ của các dải ngoài mặt phẳng được quan sát. Khi pH tăng từ 2,01 lên 8,96vùng số sóng 1600 cm-1và 1600 cm-1có sự dịch chuyển nhẹ tương ứng lên lần lượt là 3 và 9 cm-1. Đây hiện tượng đặc biệt hơn cho o- MR (ortho MR), hai hiện tượng đồng phân cịn lại có thể được quy cho hệ quả của liên kết hydro. Đối với p-MR (para-MR), mặc dù sự thay đổi tần số là không rõ ràng, cường độ tương đối của 1609 cm-1 và 1396 cm-1bị đảo ngược khi pH tăng từ 2 lên 8,96. Ở pH cao hơn 5,1 trở đi, chỉ còn lại 1 pic nhỏ cạnh 1613 cm-1 đỉnh còn lại. Điều này ngụ ý rằng p-HMR mất ký tự β-azo H mà khơng có nhiễu từ –COO- nhóm được gắn vào C-vòng (C-ring). Mặt khác, trong o-HMR và m-HMR, cịn có sự giao thoa (liên kết hydro) từ nhóm -
COO-vẫn ở pH ≥ 5,1. Dải phổ mạnh quan sát được trong p-MR ở 1396 cm-1, được ấn định cho N=N dao động kéo dài của nhóm azo là 20 cm-1 cao hơn so với quan sát ở o-MR và m-MR [52,53]. Nó chỉ ra rằng nhóm N=N có thể bị xáo trộn bởi liên kết hydro với -COO- và do đó mất đặc tính trong o-MR và m-MR. Quang phổ SERS cũng cho thấy hai dải lân cận ở 1392 (v(C-N=)) và 1362 cm-1(v(ΦCC-C), vòng C, kéo dài C - C) khi pH = 2,01ở p-MR trong khi
đối với o- và m-MR, băng tần v(ΦCC-C) chuyển sang khoảng 1366 cm-1 mà không tăng cường độ đáng kể. Sự khác biệt nổi bật trong miền này cho thấy rằng định hướng cấu trúc phân tử và hấp phụ trên bề mặt Ag rất nhạy với độ pH. Nó cho thấy rằng chế độ kéo căng N=N có thể đáng kể với cả dao động vòng N và vòng C cho p-MR. Sự tăng cường lớn của các dải này là một đặc điểm của mặt phẳng azobenzene trong hấp phụ p-MR song song hoặc gần song song với bề mặt Ag [54], trong khi đối với o-và m-MR khung phân tử azobenzene không nằm gần bề mặt Ag mà hơi nghiêng so với mặt phẳng Ag (hình 3.13). Hơn nữa, các dải quan sát thấy ở 1420, 1396 và 1360 cm-1 trong p-HMRs, được gán cho dao động v(N=N), v(C-N=), và v( C-C) tương ứng, và biến mất khi pH tăng từ 2,01 lên 5,1. Đây cũng cho thấy có sự thay đổi định hướng hấp phụ thành gần vng góc trên Ag. Ở pH từ 5,1 trở lên các dải 1311, 1280 và 1142 cm-1 được gán cho kéo căng C-N, uốn cong trong mặt phẳng vòng C-H và uốn cong N-N, tương ứng. Khi pH tăng từ 2,01 đến 8,96 mặt phẳng azobenzene trong p-MR có thể đã được hấp phụ trên bề mặt Ag từ nằm ngang đếnvng góc với pH tăng (hình 3.13), điều này phù hợp tốt với kết quả đã chỉ ra ở trên. Ngược lại, đối với o-MR, chỉ các dải 1311 cm-1 (pH ≥ 5,1), 1275 cm-1 và 1251 cm-1(pH = 2,01 và 3,91) được quan sát thấy. Đối với m-MR, khơng có dải nào được cải tiến đáng kể trong cùng một miền lân cận. Ở pH = 5,1; 6,36 và 8,96 các dải ở 1108 (p-MR), 1142 (m-MR) và 1190 cm-1
(o-MR) được gán cho vịng giãn C-C cho thấy có sự tiến triển hơn, các phân tử MR bị hấp phụ trên bề mặt Ag với nhóm anion -COO-. Do đó, phân tử MR tạo thành gần như 1 đường thẳng vng góc (với nhóm -COO- và nguyên tử O) đối với bề mặt Ag (hình 3.13).
Hình 3.11. Cấu trúc của isomer MR có (a) và khơng có (b) proton hố
Ở phía tần số thấp, dải 835 và 904 cm-1trong o-MR, tương ứng được gán cho uốn cong mặt trong vòng C-C và C-N-C - sự kéo dài đối xứng, được tăng cường một cách yếu ớt tại pH ≤ 3,91. Đối với p-MR, hai dải này dịch chuyển đến 843 và 917 cm-1.
Những thay đổi của cả cấu trúc phân tử và điện tử trong các đặc tính của MR cho thấy có sự định hướng hấp phụ khác nhau của thuốc nhuộm trên bề mặt kim loại. Nhóm cacboxylic với các vị trí khác nhau trong MR có các mức độ liên kết hydro khác nhau với nhóm azo. Do đó, sự kết hợp của nhóm cacboxylic với bề mặt Ag bị ảnh hưởng. Các phân tử MR được hấp thụ trên bề mặt Ag từ nằm ngang, nghiêng sang gần hướng vng góc khi pH thay đổi từ 2,01 đến 8,96. Quang phổ SERS đã bộc lộ rằng các định hướng hấp phụ của các phân tử MR thay đổi từ nằm ngang sang gần vng góc (p-MR) hoặc nghiêng (m- và o-MR) với bề mặt Ag khi pH thay đổi từ 2,01 đến 8,96 do có sự liên quan trực tiếp đến q trình truyền năng lượng hiệu dụng.
Hình 3.12. Phổ SERS của MR (10-4M) thay đổi theo pH từ 2,01 đến 8,96 khi sử dụng đế AgNPs (a) và AgNC (b)
Hình 3.13. Minh họa định tính các định hướng hấp phụ của các đồng phân MRtrên bề mặt
Tiếp theo, tác giả cũng đã đánh giá hệ số tăng cường EF cho 2 mẫu điển hình AgNPs và AgNC khi MR có nồng độ 10-4 M và pH thay đổi từ 2,01 đến 8,96 theo công thức [55]:
(3.2) Trong đó ISERS là cường độ tín hiệu của SERS tại đỉnh tán xạ quan tâm, tức là ở 1609 cm-1 và 1396 cm-1, CSERS là nồng độ của MR được hấp phụ hóa học trên đế và đóng góp vào tín hiệu SERS, IRSlà cường độ Raman ở cùng dải khi nồng độ MR 10-2 M trên Si mà không sử dụng đế, CRS = 10-2 M là nồng độ của MR tạo ra tín hiệu Raman (IRS). Ở đây, chúng tơi giả định rằng các phân tử MR được phân bố đều trong ethanol. Dựa trên cường độ của đỉnh nằm ở 1609 cm-1 và 1396 cm-1 kết quả EF đối với đế AgNPs và AgNc được trình bày trên bảng 3.1.
Bảng 3.2: Hệ số EF đối với MR có nồng độ 10-4 M pH thay đổi trên các đế mầm nano bạc AgNPs và tấm vuông AgNC.
Mẫu AgNPs + MR 10-4M pH Pic EF 1609 (cm-1) 1396 (cm-1) 2,01 3,6*104 1,7*104 3,91 3,5*104 1,7*104 5,1 4,2*104 4,5*104 6,36 1,8*104 2,7*104 8,96 1,6*104 3,1*104 Mẫu AgNC + MR 10-4M pH Pic EF 1609 (cm-1) 1396 (cm-1) 2,01 3,6*104 1,5*104 3,91 3,6*104 1,1*104 5,1 5,4*104 7,9*104 6,36 1,0*104 6,3*104 8,96 1,0*104 6,6*104
Trong cả 2 mẫu AgNPs và AgNC đều cho hệ số tăng cường mạnh nhất khi MR có pH = 5,1 và nhận các giá trị lần lượt là 4,2.104(ở 1609 cm-1), 4,5.104(ở 1396 cm-1) và 5,4.104(ở 1609 cm-1), 7,9*104(ở 1396 cm-1). Hình 3.14 thể hiện đồ thị biểu diễn EF theo pH của 2 loại nano bạc AgNPs và AgNC để thấy rõ hơn sự thay đổi này. Như vậy, cùng ở nồng độ 10-4 M của MR thì đế SERS AgNC cho EF lớn nhất 7,9*104(ở 1396 cm-1), do đó đề tài đã khảo sát chi tiết hơn với pH = 5,1 và đế này để đánh giá giới hạn phát hiện của MR.
Hình 3.14. Hệ số tăng cường tán xạ Raman của MR (10-4M) theo độ pH trên các đế AgNPs (a) và AgNC (b)
Hình 3.15a biểu diễn sự thay đổi của cường độ SERS với nồng độ MR khác nhau được ghi lại và cường độ SERS tăng lên khi nồng độ MR tăng. Sự tăng của cường độ SERS ứng với các nồng độ của MR từ 10-8 M đến 10-4 M. Hình 3.15b là phổ SERS riêng của MR ở nồng độ 10-8 M cho thấy pic đặc trưng ở 1396 cm-1 vẫn còn quan sát được tuy cường độ đã giảm mạnh (80 đ.v.t.y), và đây cũng là giới hạn phát hiện (LOD) của miền khảo sát này.
Hình 3.15. (a) Phổ SERS của các nồng độ MR trên đế AgNC (từ 10-8M đến 10-4M) và (b) là phổ SERS của riêng MR (10-8M) cho thấy giới hạn phát hiện của đế SERS AgNC.
KẾT LUẬN
Luận văn đã thu được một số kết quả và đạt được mục tiêu đề ra, cụ thể: - Đã chế tạo thành công các nano bạc dạng cầu và dạng tấm vng để làm đế SERS có độ nhạy cao.
- Đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH của methyl đỏ lên phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) với cả 2 loại nano AgNPs và AgNC. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, sự thay đổi pH của dung dịch MR dẫn đến sự định hướng của cấu trúc phân tử hấp phụ trên bề mặt Ag khác nhau. Điều này cũng dẫn đến sự ưu tiên tăng cường các pic đặc trưng khác nhau. Khi pH = 2,01 hay 3,91 thì pic đặc trưng mạnh nhất ở số sóng 1609 cm-1và khi pH ≥ 5 thì ưu thế của pic đặc trưng ở số sóng 1396 cm-1.
- Đề tài đã khảo sát hoạt động SERS chi tiết hơn với các tấm vuông AgNC, kết quả cho giới hạn phát hiện MR đạt đến 10-8 M.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. V. Raman, K. S. Krishnan, A new type of secondary radiation,
Nature, 1928, 121, 501-502.
[2] J. T. Motz, M. Fitzmaurice, A. Miller, et al, In vivo Raman spectral pathology of human atherosclerosis and vulnerable plaque, J. Biomed.
Opt, 2006, 11, 021003-9.
[3] Luong Truc Quynh Ngan, Kieu Ngoc Minh, Dao Tran Cao, Cao Tuan Anh & Le Van Vu, Synthesis of Silver Nanodendrites on Silicon and Its Application for the Trace Detection of Pyridaben Pesticide Using SurfaceEnhanced Raman Spectroscopy, J. Electron. Mater, 2017, 46,
3770-3775.
[4] Roberto Pilot , Raffaella Signorini , Christian Durante, Laura Orian , Manjari Bhamidipati , Laura Fabris, A Review on Surface- Enhanced Raman Scattering,Biosensors, 2019, 9, 57.
[5] M. Fleischman, P. Hendra, A. McQuillan, Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode, Chem. Phys. Lett., 1974, 26, 163-166.
[6] Z. Yang, J. Aizpurua, and H. X. Xu,Electromagnetic field enhancement in TERS configurations, J. Raman Spectrosc., 2009, 40, 1343-1348.
[7] Manohar Chirumamilla, Anisha Gopalakrishnan, Andrea Toma, Remo Proietti Zaccaria, Roman Krahne, Plasmon resonance tuning in metal nanostars for surface enhanced Raman scattering,
Nanotechnology,2014, 25, 235303.
[8] K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, George C. Schatz,
The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment, Journal of Physical Chemistry B,
[9] Thi Thuy Nguyen, Thi Dieu Thuy Ung, Quang Liem Nguyen,Square- inch 2D-arrays of Au nanodisks fabricated by sputtering Au onto anodic aluminum oxide templates for SERS applications, Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology,2016, 7, 045017. [10] F.J. Garcia de Abajo, Colloquium: Light scattering by particle and
hole arrays, Reviews of Modern Physics,2007,79, 1267-1290.
[11] Aiping Zhang, Yan Fang, Adsorption orientations and interactions of methyl orange on negatively and positively charged colloidal silver particles, Journal of Colloid and Interface Science, 2007, 305,
270-274.
[12] Seth M. Morton, Lasse Jensen, Understanding the molecule-surface chemical coupling in SERS, Journal of the American Chemical
Society,2009,131, 4090-4098.
[13] Amy M. Michaels, Jiang Jiang, Louis Brus, Ag nanocrystal junctions as the site for surface-enhanced Raman scattering of single Rhodamine 6G molecules, Journal of Physical Chemistry B, 2000,104, 11965-
11971.
[14] Le Ru, E.C.; Blackie, E.J.; Meyer, M.; Etchegoin, P.G. Surface Enhanced Raman Scattering Enhancement Factors: A Comprehensive Study. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 13794–13803.
[15] A. M. Alak, T. Vo-Dinh, Surface-enhanced Raman spectrometry of organophosphorus chemical agents, Anal Chem, 1987, 59, 2149-53.
[16] F. K. Alsammarraie, M. Lin,Using Standing Gold Nanorod Arrays as SurfaceEnhanced Raman Spectroscopy (SERS) Substrates for Detection of Carbaryl Residues in Fruit Juice and Milk,J. Agric. Food Chem., 2017, 65, 666-674
[17] L. Yande, Z. Yuxiang, W. Haiyang, et al, Detection of pesticides on navel orange skin by surface-enhanced Raman spectroscopy coupled with Ag nanostructures, Int J Agric & Biol Eng, 2016, 9, 179-185.
[18] L. Lin, T. Dong, et al, Rapid Determi-nation of Thiabendazole Pesticides in Rape by Surface Enhanced Raman Spectroscopy, Sensors,
2018, 18, 1082-14.
[19] K. Wang, M. Huang, J. Chen, et al, Adrop‐wipe‐test SERS method for rapid detection of pesticide residues in fruits,J Raman Spectrosc, 2018, 49, 493-498
[20] P. Li, W. Chen, D. Liu, et al,Template growth of Au/Ag nanocomposites on phosphorene for sensitive SERS detection of pesticides,
Nanotechnology, 2019, 30, 275604.
[21] Koglin, E.; Séquaris, J.M.; Valenta, P. Hydrogen-Deuterium exchange in Adenosine 50 -monophosphate Detected by Surface Enhanced raman Scattering (SERS). Z. Naturforsch. Sect. C J. Biosci. 1981, 36, 809–812.
[22] Kneipp, J.; Kneipp, H.; McLaughlin, M.; Brown, D.; Kneipp, K.In vivo molecular probing of cellular compartments with gold nanoparticles and nanoaggregates. Nano Lett. 2006, 6, 2225–2231.
[23] Efrima, S.; Bronk, B.V. Silver Colloids Impregnating or Coating Bacteria. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5947–5950.
[24] Wabuyele, M.B.; Vo-Dinh, T. Detection of human immunodeficiency virus type 1 DNA sequence using plasmonics nanoprobes. Anal. Chem.
2005, 77, 7810–7815.
[25] Ngo, H.T.; Wang, H.N.; Fales, A.M.; Vo-Dinh, T. Label-free DNA biosensor based on SERS molecular sentinel on nanowave chip. Anal.
Chem. 2013, 85, 6378–6383.
[26] Turkevich, J.; Stevenson, P.C.; Hillier, J. The formation of colloidal Adsorption and Surface-Enhanced Raman of Dyes on Silver and Gold,
[27] Amendola, V.; Meneghetti, M. What controls the composition and the structure of nanomaterials generated by laser ablation in liquid solution? Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 3027–3046.
[28] ZhangR, PiaoMJ, KimKC, KimAD, ChoiJY, Choi J, et al.