Căn cứ vào đỏnh giỏ hiệu quả tăng cƣờng SERS cao, chỳng tụi đó đo phổ SERS của dung dịch MG nồng độ 1 ppm (hỡnh 4.33). Kết quả cho thấy đế Au/CuK5 cho phộp thu đƣợc phổ Raman của MG nồng độ 1ppm với đủ cỏc vạch phổ đặc trƣng cú độ phõn giải cao. Trong cỏch đỏnh giỏ hệ số tăng cƣờng SERS thực nghiệm, ngƣời ta thƣờng so sỏnh cƣờng độ phổ SERS của một mode dao động đặc trƣng thu đƣợc từ bề mặt đế SERS với cƣờng độ phổ Raman thƣờng của cựng mode dao động của chất phõn tớch ở dạng khối (bulk) trong cựng điều kiện đo đạc.
Chỳng tụi đó thu phổ Raman của lớp bột mỏng MG trờn đế Cu phẳng để so sỏnh (Hỡnh 4.34). So sỏnh cƣờng độ của vạch phổ 1617 cm-1
ta thấy cƣờng độ phổ của MG nồng độ 1ppm tƣơng đƣơng với phổ của MG khối. Kết quả tớnh toỏn cho thấy hệ số tăng cƣờng của đế SERS là 7. 106.
Nhƣ vậy cú thể kết luận: Việc kết hợp hạt nano Au với cấu trỳc nano trờn bề mặt đồng nhờ ăn mũn laser đó tạo ra đế SERS Au/Cu K5 cú hệ số tăng cƣờng SERS đƣợc cải thiện rừ rệt. Nguyờn nhõn dẫn đến hệ số tăng cƣờng cao này trƣớc hết là do bề mặt đồng đó cú sẵn độ nhỏm nhờ ăn mũn laser giỳp cho việc ngƣng đọng keo hạt nano Au tập trung hơn. Việc ngƣng đọng hạt nano Au kớch thƣớc khỏc nhau (5-40 nm) trờn cấu trỳc nano đồng cú thể đó tạo ra cỏc “hot spot” bao gồm cỏc hiệu ứng mũi nhọn
Dịch chuyển Raman (cm-1 ) C ƣờng độ (đvtđ )
(lightning rod) và cỏc khoảng cỏch thớch hợp giữa hai cấu trỳc nano kim loại (nanostructured gaps) giỳp tăng cƣờng hiệu ứng SERS theo cơ chế điện từ [17, 21, 75].
600 800 1000 1200 1400 1600 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 In te nsi ty Raman shift 528 804 916 1175 1216 1292 1367 1490 1618 1593 Hỡnh 4.34. Phổ Raman của lớp bột mỏng MG trờn đế Cu phẳng
4.5. Khảo sỏt một số khả năng ứng dụng của SERS trong y sinh
4.5.1. Khảo sỏt phổ SERS của Glucose
Glucose cú phõn tử khối là 180 và cụng thức phõn tử là C6H12O6 với cấu trỳc
mạch vũng rất phức tạp .
Glucose cú vai trũ sinh học quan trọng đối với sinh vật, và vụ cựng gần gũi với đời sống con ngƣời. Glucose cú trong hầu hết cỏc bộ phận của cõy nhƣ hoa, lỏ, rễ,...và nhất là trong quả chớn. Glucose cũng cú trong cơ thể ngƣời và động vật. Trong mỏu ngƣời cú một lƣợng nhỏ glucose với nồng độ hầu nhƣ khụng đổi khoảng 0,1%. Glucose đƣợc sử dụng để tạo năng lƣợng cần thiết cho sự sống, quỏ trỡnh này diễn ra trong tế bào. Việc sử dụng glucose của tế bào phụ thuộc vào hoạt động của màng tế bào dƣới tỏc dụng của Insuline (ngoại trừ cỏc tế bào nóo, tổ chức thần kinh, tế bào mỏu, tủy thận và thủy tinh thể). Việc phõn tớch, định tớnh và định lƣợng Glucose ở nồng độ nhỏ là một vấn đề đó và đang đƣợc quan tõm rất nhiều.
Chỳng tụi đó nghiờn cứu tỡm hiểu khả năng thu phổ Raman của Glucose bằng việc sử dụng đế SERS 3Au/Si đó chế tạo (mục 4.1.2) .
Dung dịch D-Glucose trong nƣớc (nồng độ 10-1
M/L) đƣợc nhỏ lờn đế SERS và đƣợc làm khụ theo quy trỡnh đó mụ tả trong mục 4.1.1 .
Phổ Raman của Glucose trờn đế silic khụng phủ hạt nano kim loại rất yếu. (Hỡnh 4.35) C ƣờng độ (đvtđ ) Dịch chuyển Raman (cm-1 )
Hỡnh 4.35. Phổ Raman của Glucose /silic khụng phủ hạt nano kim loại.
Hỡnh 4.35 cho thấy cỏc đỉnh phổ Raman của Glucose đó xuất hiện nhƣng cũn rất yếu, đú là cỏc đỉnh: 421 cm-1
, 515 cm-1, 858 cm-1, 1074 cm-1, 1130 cm-1, 1325 cm-1, 1363 cm-1, 1459 cm-1.
Phổ Raman của Glucose đƣợc tăng cƣờng rừ rệt khi sử dụng đế SERS 3Au/Si do chỳng tụi chế tạo. Trờn hỡnh 4.36 là phổ SERS của Glucose trờn đế 3Au/silic trong đú cỏc đỉnh phổ tƣơng ứng với cỏc dịch chuyển Raman đặc trƣng của Glucose: 421 cm-1
, 511 cm-1, 562 cm-1, 772 cm-1, 858 cm-1, 926 cm-1, 1020 cm-
1
, 1074 cm-1, 1130 cm-1, 1160 cm-1, 1323 cm-1, 1360 cm-1, 1459 cm-1, 1681 cm-1. Kết quả này phự hợp với cỏc cụng bố đó cú về phổ Raman của Glucose [ 75 ]. Tập hợp cỏc dịch chuyển Raman đặc trƣng của Glucose và dao động phõn tử tƣơng ứng đƣợc trỡnh bày trờn bảng 4.5
Hỡnh 4.36. Phổ SERS của Glucose trờn đế Au/Silic
Dịch chuyển Raman (cm-1 ) Dịch chuyển Raman (cm-1 ) C ƣờng độ (đvtđ ) C ƣờng độ (đvtđ )
Bảng 4.5. So sỏnh phổ Raman và phổ SERS của Glucose Dịch chuyển Dịch chuyển
Raman (cm-1)
Dịch chuyển
SERS (cm-1) Dao động phõn tử tƣơng ứng
1 1441 1459 δCH2+ δOCH+δCCH 2 1352 1360 δOCH+ δCOH + δCCH 3 1333 1323 δCCH+ δOCH 4 1137 1130 νCO+ν CC 5 1058 1074 νCO+ν CC 6 1026 1020 νCO 7 944 926 νCO+ν CC
8 900 916 νCO+ν CCH + νas ring of pyranose
9 834 856 δCH
10 762 776 δCCO+δCCH
11 558 562 (CCO)
12 540 515 (CCO)
13 423 421 δCCC
Trong vựng phổ 1500-1200 cm-1, cỏc dịch chuyển Raman tƣơng ứng với dao động của cỏc nhúm nguyờn tử cú chứa nguyờn tử Hiđrụ H-C-H, O-C-H, C-O-H, C- C-H. Cỏc đỉnh phổ 1459 cm-1, 1360 cm-1, 1323 cm-1 khỏ tƣơng ứng với cỏc tớnh toỏn về lý thuyết.
Trong vựng phổ 1200-950 cm-1 cỏc dịch chuyển Raman tƣơng ứng với dao động thẳng của cỏc nguyờn tử C-C, C-O cũng nhƣ dao động của nhúm O-C-H, C-O- H, C-C-H. Trong phổ Raman thƣờng, chỳng ta chỉ thấy cỏc đỉnh 1160 cm-1 và 1130 cm-1, khi đƣợc tăng cƣờng cỏc đỉnh phổ xuất hiện là 1160 cm-1, 1130 cm-1, 1074 cm-1and 1020 cm-1.
Cỏc đỉnh trong vựng phổ 950-750 cm-1 ứng với cỏc dao động thẳng của C-C- O và C-C-H. Trong vựng phổ 750-400 cm-1 chủ yếu là cỏc tần số dao động liờn quan đến cả hai biến dạng của cỏc gúc tạo bởi cỏc nguyờn tử trong nhúm C-C-O, C-C-C, C-O-C, O-C-O và xoắn của cỏc nhúm hydroxyl. Xuất hiện phổ SERS của cỏc dịch chuyển 562 cm-1 (rung xoắn của nhúm OH), 515 cm-1 and 421 cm-1
4.5.3. Khảo sỏt phổ SERS của Amoxicillin Trihydrate
Amoxicillin Trihydrate là một trong cỏc khỏng sinh cú trong bảng hạn chế sử dụng của Bộ Y tế Việt nam trong chăn nuụi. Dƣ lƣợng khỏng sinh Amoxicillin trong cỏc sản phẩm thịt sữa, hải sản gõy nờn nhiều tỏc hại đến sức khỏe cộng đồng. Việc xỏc định hàm lƣợng Amoxicillin ở nồng độ thấp cú ý nghĩa ứng dụng thực tiễn thiết thực.
Sử dụng đế SERS 4Au/DVD đó chế tạo trong mục 4.4 chỳng tụi đó thử nghiệm đo phổ Raman của Amoxicillin Trihdyrate ở nồng độ thấp
Nguyờn liệu tạo mẫu đo là Amoxicillin Tryhdrate đƣợc lấy từ Đại học Dƣợc Hà Nội. Amoxicillin Tryhdrate đƣợc pha trong nƣớc cất với cỏc nồng độ 10 ppm và 1 ppm. Quy trỡnh tạo mẫu đo đƣợc thực hiện nhƣ mục 4.1.1 đó trỡnh bày. Phổ Raman đƣợc đo trờn quang phổ kế micro- Raman LABRAM HR .
Kết quả thu phổ SERS của Amoxicillin Trihydrate trờn đế 4Au/DVD đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 4.37 500 1000 1500 2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 In te nsi ty Raman shift (1)4A-M 10ppm/ 4Au/DVD (2)4A-M 1ppm/4Au/DVD 1579 1365 1250 1166 1450 (1) (2)
Hỡnh 4.37. Phổ SERS của Amoxicillin trihydrate nồng độ 10ppm và 1ppm trờn đế 4Au/DVD
Kết quả cho thấy mặc dự nồng độ rất thấp vẫn quan sỏt đƣợc cỏc đỉnh đặc trƣng của Amoxicillin trihydrate là 1166 cm-1, 1250 cm-1, 1363 cm-1, 1450 cm-1, 1579 cm-1, Cỏc dịch chuyển này đƣợc gỏn cho cỏc dao động C-C, CH
Bảng 4.6 trỡnh bày kết quả so sỏnh giữa cỏc dịch chuyển Raman thƣờng và dịch chuyển SERS của Amoxicillin trihydrate.
Dịch chuyển Raman (cm-1 ) C ƣờng độ (đvtđ )
Bảng 4.6. So sỏnh giữa cỏc dịch chuyển Raman và dịch chuyển SERS của Amoxicillin Trihydrate
STT Dịch chuyển
Raman
Liờn kết trong phõn tử và dao động tƣơng ứng Dịch chuyển SERS (cm-1) Dịch chuyển SERS (cm-1) đó cụng bố 1 1159 δ (CH ring 2) + δ(O25H) + δ(CH) + δ (N19H2) 1166 1164 2 1233 δ(CH) 1250 1249 3 1371 δ(C3H) + δ(C8O2H)+(C3C8) 1365 1378 4 1432 ν (CCring2) + δ(CH ring2) + δ(O25H) + δ(C16H) 1450 1450 5 1585 ν (CCring2) + δ(CH ring2) +δ(O25H) 1579 1578
4.5.4. Khảo sỏt phổ SERS của Tetracyline
Tetracycline là một trong những loại khỏng sinh phổ biến nhất đƣợc dựng trong chăn nuụi thủy hải sản. Do giỏ thành rẻ nờn Tetracycline hay bị lạm dụng trong thỳ y và nuụi trồng thủy sản, đặc biệt là trong nuụi tụm. Việc giỏm định dƣ lƣợng Tetracycline nồng độ vết là một yờu cầu thiết thực hiện nay trong an toàn thực phẩm.
Tetracycline là một chất hữu cơ cú phõn tử rất phức tạp gồm 4 vũng Benzene với cỏc thành phần khỏc nhau trờn mỗi vũng [32], cú nhiều loại dẫn xuất khỏc nhau, dễ bị oxi húa và bị biến đổi tớnh chất khi ở dƣới cỏc điều kiện khỏc nhau nhƣ độ pH của mụi trƣờng, nhiệt độ, ở dạng tinh thể, bột hay dung dịch và thời gian oxy húa,…Do đú phổ Raman của Tetracycline cũng chịu ảnh hƣởng của cỏc yếu tố này.
Theo tỡm hiểu của chỳng tụi trờn cỏc tạp chớ cụng bố ở Việt nam hiện nay chƣa thấy cụng trỡnh nghiờn cứu nào về việc ghi phổ Raman của Tetracycline. Ngay cả trờn thế giới, những tài nghiờn cứu phổ Raman của Tetracycline khụng nhiều. Những cụng bố quốc tế cho thấy cỏc dịch chuyển Raman của Tetracycline cú thể sai khỏc từ 20 đến 30cm-1[3] tựy thuộc vào từng loại dẫn xuất và cỏc điều kiện thu phổ cụ thể.
Đầu tiờn chỳng tụi sử dụng đế SERS 3Au/Thủy tinh chế tạo bằng phƣơng phỏp coffee ring (mục 4.2). Do đế Au/Thủy tinh tại biờn cú độ nhạy khỏ cao và khụng tƣơng tỏc với thuốc nờn đƣợc chọn để thu phổ SERS của Tetracycline.
Phổ SERS của cỏc mẫu đƣợc đo trờn hệ thu phổ Micro-Raman Lab RAMHR800 tại trung tõm Khoa học Vật liệu, Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiờn - ĐHQGHN. Hệ thu phổ này sử dụng nguồn kớch thớch là laser He - Ne với bƣớc súng 632.8 nm.
Trờn hỡnh 4.38 là phổ SERS của dung dịch Tetracycline hydrochloride trong nƣớc cất khử ion cú nồng độ 100 ppm trờn đế SERS Au/thủy tinh.
Hỡnh 4.38. Phổ SERS Tetracycline hydrochloride nồng độ100ppm trờn đế SERS Au/thủy tinh
Kết quả thu đƣợc cho thấy 5 dịch chuyển Raman ứng với 5 dao động đặc trƣng của Tetracycline hydrochloride là: 490, 1274, 1314, 1484, 1587 cm-1. Kết quả này là phự hợp với cỏc cụng bố quốc tế trƣớc đú [20,22].
Trong đú dịch chuyển 490 cm-1 là kết quả của dao động biến dạng xoắn hoặc uốn của cỏc vũng. Do đú, vị trớ này cú thể xờ dịch vài chục cm-1
trong cỏc phộp đo Raman khỏc nhau của Tetracycline hydrochloride phụ thuộc vào mức độ xoắn, góy hay gúc xoắn, góy. Dịch chuyển 1274 cm-1 là kết quả của dao động uốn của cỏc liờn kết CH4,4a,5a; OH12; amid-NH và dao động dón của cỏc liờn kết CO10; CO3; CH7,8,9; amid-NC ; C4aC5; vũng phenyl D. Dịch chuyển này do nhiều dao động trong phõn tử tạo nờn, do đú vị trớ dịch chuyển Raman này cú thể thay đổi hay xờ dịch từ vài cm-1 đến vài chục cm-1 trong cỏc phộp đo khỏc.
Dịch chuyển 1314 cm-1
là kết quả của cỏc dao động dón của cỏc liờn kết C9C10, C10C10a, C10aC11; CO11,12, CO3 và uốn của cỏc liờn kết CH7,8,9. Dịch chuyển Raman tại vị trớ này đƣợc quy định bởi nhiều cỏc dao động phức tạp vỡ vậy nú cú thể thay đổi trong cỏc phộp đo khỏc.
Dịch chuyển Raman (cm-1 ) C ƣờng độ (đvtđ )
Vạch ứng với dịch chuyển 1484 cm-1 là kết quả của cỏc dao động uốn của cỏc liờn kết CH7,8,9; OH12, vũng phenyl D, amid-CH3 và dón của cỏc liờn kết CO10, CO11, CO12. Dịch chuyển Raman này cú thể nằm trong khoảng 1314- 1321cm-1.
Vạch ứng với dịch chuyển1587 cm-1 là kết quả của cỏc dao động uốn của cỏc liờn kết OH10,12; vũng D và dón của liờn kết C11aC12. Dịch chuyển Raman này cú thể nằm trong khoảng 1573-1590.
Dƣới đõy là bảng so sỏnh giữa dịch chuyển SERS mà chỳng tụi thu đƣợc và dịch chuyển Raman của Tetracycline đó đƣợc cụng bố ứng với cỏc liờn kết dao động đƣợc quy gỏn.
Trong bảng 4.7 dƣới đõy là cỏc dịch chuyển Raman thu đƣợc đƣợc đối chiếu so sỏnh với cỏc cụng bố quốc tế.
Bảng 4.7. Dịch chuyển Raman và dao động phõn tử tƣơng ứng Dịch chuyển Dịch chuyển
Raman [5,6] (cm-1)
Dao động của liờn kết phõn tử tƣơng ứng Dịch chuyển Raman của Tetracycline thực nghiệm (cm-1)
498 Sự biến dạng xoắn hoặc uốn của cỏc vũng 490 1278 δ(CH4,4a,5a), δ(OH12), δ(amid-NH), υ(CO10),
υ(CO3),υ(CH7,8,9),υ(amid-NC),υ(C4aC5), υ(D) 1274 1314-1321 υ(C9C10,C10C10a,C10aC11),υ(CO11,12), υ(CO3), δ(CH7,8,9) 1314 1450-1480 δ(CH7,8,9), δ(OH12), υ(D), υ(CO10,CO11,CO12), δ(amid-CH3) 1484 1573-1590 δ(OH10,12), υ(D), υ(C11aC12) 1587
Cỏc nghiờn cứu đó cụng bố cho thấy, phổ Raman của Tetracycline hydrochloride rất phức tạp đƣợc quy định bởi chớnh sự phức tạp trong cấu trỳc và do nhiều cỏc liờn kết trong dao động của phõn tử vỡ vậy cỏc dịch chuyển Raman cú thể thay đổi đến vài chục cm-1 [30,32].
Từ kết quả thu đƣợc, chỳng tụi tiến hành khảo sỏt thu phổ Raman của Tetracycline hydrochloride với cỏc nồng độ khỏc nhau, giảm dần từ 100 ppm xuống 10 ppm và 1 ppm.
Phổ Raman của Tetracycline hydrochloride 10 ppm và 1 ppm trờn đế SERS đó chế tạo đƣợc trỡnh bày trong hỡnh 4.10
Hỡnh 4.39. Phổ SERS của Tetracycline hydrochloride nồng độ 10 ppm và 1 ppm
Kết quả thu đƣợc đối với Tetracycline hydrochloride 10ppm cú 4 đỉnh đặc trƣng là: 1274, 1314, 1484, 1587 cm-1. Kốm theo đú là sự thay đổi hay mất đi một số dịch chuyển Raman khi nồng độ giảm mạnh do nhiều nguyờn nhõn khỏc nhau. Trong đú, dịch chuyển tại 1274 cm-1
và 1587 cm-1 cú cƣờng độ mạnh nhất cú thể chọn dựng làm vạch phổ để phõn tớch định lƣợng Tetracycline.
Đối với mẫu Tetracycline hydrochloride cú nồng độ rất thấp 1 ppm, cƣờng độ giảm đi rừ rệt nhƣng vẫn thu đƣợc phổ Raman cú 3 đỉnh đặc trƣng là 1274, 1314, 1587 cm-1 .
Tiếp theo, sử dụng đế 6Au/CuK5 đó chế tạo (mục 4.5) chỳng tụi khảo sỏt khả năng thu phổ SERS của Tetracycline hydrochloride. Kết quả thu phổ SERS của Tetracycline hydrochloride với cỏc nồng độ thay đổi 10ppm, 1ppm và 0.1ppm đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 4.40
Hỡnh 4.40. Phổ SERS của Tetracycline hydrochloride với cỏc nồng độ thay đổi 10ppm (a), 1 ppm (b) và 0.1ppm(c) 500 1000 1500 2000 0 50 100 150 200 250 300 C uo ng d o
Dich chuyen Raman
Tetra 0.1ppm/Au/CuK5 1586 1318 1274 500 1000 1500 2000 0 200 400 600 800 1000 C uo ng d o
Dich chuyen Raman
Tetra 10ppm/Au/CuK5 1586 1318 1274 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 C uo ng d o
Dich chuyen Raman
Tetra 1ppm/Au/CuK5 1586 1318 1274 (a) (b) (c) Dịch chuyển Raman (cm-1 ) C ƣờng độ (đvtđ )
Hỡnh 4.40. cho thấy phổ SERS của Tetracycline hydrochloride nồng độ 1 ppm xuất hiện đủ cả 3 đỉnh đặc trƣng 1274 cm-1, 1318 cm-1 và 1586 cm-1. Sự khỏc biệt về cƣờng độ tƣơng đối giữa cỏc đỉnh phổ và dich chuyển một chỳt của cỏc đỉnh phổ thu đƣợc trờn đế Au/CuK5 so với đế Au/Thủy tinh thể hiện sự tƣơng tỏc khỏc nhau của Tetracycline với cỏc cấu trỳc đế SERS khỏc nhau này.
Kết quả này cho thấy cỏc đế SERS chế tạo cú độ nhạy cao, cú thể dựng để phỏt hiện Tetracycline ở nồng độ vết, đỏp ứng yờu cầu để tiếp tục nghiờn cứu xõy dựng cỏc quy trỡnh phõn tớch định lƣợng sau này.
4.5.5. Khảo sỏt phổ SERS của Malachite Green
Malachite green Malachite Green (cũn gọi là Xanh Malachite) là một húa chất cú màu xanh, hay dựng để nhuộm cỏc nguyờn vật liệu nhƣ da, sợi và giấy trong ngành cụng nghiệp. Trong lĩnh vực thủy sản, trƣớc đõy Malachite Green đƣợc sử dụng để xử lý nƣớc, phũng trị cỏc bệnh nấm thủy mi, bệnh trựng quả dƣa... trong cỏc mụ hỡnh nuụi trồng thủy sản. Vỡ là một húa chất cú hiệu quả trong việc điều trị bệnh cỏ và lại rẻ tiền nờn Malachite Green đƣợc cỏc hộ nuụi thủy sản sử dụng nhiều dẫn đến việc húa chất này đó bị phỏt hiện cũn tồn lƣu bờn trong cơ thể của một số loài thủy sản. Malachite Green là một húa chất cú thể gõy bệnh ung