1.2. Tỏn xạ Raman tăng cƣờng bề mặt
1.2.5. Một số ứng dụng của SERS
Từ khi ra đời, SERS đó đƣợc sử dụng để khỏm phỏ nhiều vấn đề quan trọng trong khoa học, đó cú hàng nghỡn bài bỏo về ứng dụng SERS đƣợc xuất bản.
Ngƣời ta kỳ vọng rằng việc ỏp dụng SERS tại chỗ sẽ giỳp thu đƣợc những thụng tin ở mức độ phõn tử về sự phỏ vỡ và hỡnh thành liờn kết trong phản ứng, quan sỏt phản ứng tức thời trờn bề mặt và cuối cựng, phõn biệt cỏc sản phẩm của phản ứng. Cấu trỳc rất nhỏ và mặt phõn cỏch với những phõn tử nƣớc là quan trọng trong việc hiểu bề mặt điện cực và vẫn đƣợc tiếp tục tiến triển tốt trong điện húa học cũng nhƣ khoa học bề mặt. Tuy nhiờn, tƣơng tỏc giữa cỏc phõn tử nƣớc và cỏc ion của chất điện phõn cũng nhƣ với bề mặt điện cực là rất phức tạp. Cỏc nhà khoa học lạc quan rằng SERS sẽ trở thành một cụng cụ khụng thể thiếu trong nghiờn cứu cấu trỳc bề mặt và cỏc quỏ trỡnh bề mặt khỏc nhau bao gồm mặt phõn cỏch giữa cỏc phõn tử nƣớc khụng cú sự gõy nhiễu của toàn bộ khối nƣớc. Mặc dự cũn nhiều tranh luận và cũn phải tiếp tục nghiờn cứu về cơ chế của hiệu ứng SERS nhƣng tỏc dụng
tăng cƣờng tớn hiệu Raman với hệ số cao (106 - 108) của SERS đó sớm đƣợc đƣa vào ứng dụng thực tiễn [22, 23, 24, 25, 80,84]. SERS là một phƣơng phỏp hiệu quả để nghiờn cứu bề mặt, giao diện và nhận dạng cỏc phõn tử ở những hàm lƣợng rất thấp - một kĩ thuật tỏ ra rất hữu dụng trong chẩn đoỏn y khoa, phỏp lớ, và nhận dạng những loại thuốc mới [14,60,62,63,64,71,124]. Gần đõy, một số nghiờn cứu tập trung vào việc phỏt hiện ra chất Anthrax Biomarker, Calciumdipicol-inate (CaDPA) bằng cỏch sử dụng SERS với ứng dụng cỏc hạt nano bạc. Bào tử Bacillus (chất khụng độc, cú dạng nhƣ Anthracis) đƣợc rung siờu õm trong axit nitric loóng để chiết lấy CaDPA; sau đú, dung dịch này đƣợc lắng đọng trờn đế bạc. Kết quả chỉ ra phổ SERS với peak rừ ràng tại 1020 cm−1, biểu thị sự cú mặt của CaDPA. Sử dụng phƣơng phỏp này, giới hạn phỏt hiện là 1400 bào tử, giới hạn này thấp hơn nhiều liều lƣợng truyền nhiễm là 104 bào tử. [23]
Một trong cỏc ứng dụng tiờu biểu và khả quan của SERS trong lĩnh vực y sinh học là cảm biến glucose. Cảm biến glucose thƣơng mại hiện cú phải dựa vào sự chăm chỉ và tỉ mỉ của ngƣời sử dụng để đọc dữ liệu từ lƣợng mỏu chớch ra một cỏch định kỳ, nghĩa là dữ liệu về nồng độ đƣờng mỏu chỉ đƣợc đƣa ra một vài lần trong cả ngày. Một cảm biến glucose ghộp cấy sẽ cú một sự cải tiến rất nhiều và SERS đƣợc kỳ vọng là cỏch thức để làm một thiết bị nhƣ vậy. Để phỏt triển một cảm biến glucose nhƣ thế, cỏc nhà nghiờn cứu phải tập trung vào một đế SERS mà cho phộp glucose tiếp cận với bề mặt kim loại để tạo ra đƣợc trƣờng EM tăng cƣờng, cũng để giải phúng nhanh từ bề mặt để duy trỡ một sự cõn bằng định lƣợng, phản ỏnh chớnh xỏc nồng độ glucose cục bộ. Trong trƣờng hợp cảm biến glucose, cỏc nhà nghiờn cứu đó phỏt triển một “đơn lớp tự liờn kết” với thành phần gồm cả Hydrophobic và Hydrophilic và cú thể liờn kết trờn đế bạc. Với đế SERS chức năng này, sự phỏt hiện định lƣợng nồng độ glucose cục bộ đó đƣợc chứng minh bằng cỏch sử dụng SERS cả trong và ngoài cơ thể sống. Hơn nữa, sensor gluco dựa trờn SERS đo đƣợc nồng độ glucose trực tiếp bằng đặc trƣng phổ của dấu hiệu nhiễm bệnh, tốt hơn phƣơng phỏp điện húa trực tiếp dựng cỏc sensor thƣơng mại. [23,26]
Hầu hết cỏc thớ nghiệm đều mụ tả sự dũ cỏc phõn tử đƣợc nhắc đến trong cỏc bề mặt cảm biến theo húa học pha lỏng. Tuy nhiờn SERS cú thể dũ cỏc phõn tử pha khớ, nhƣ đó chỉ ra trong cỏc nghiờn cứu trƣớc đõy, cỏc phõn tử khỏc nhau đƣợc lắng
đọng thể khớ lờn trờn một đế bạc trong chõn khụng siờu cao. Điều này đó đƣợc phỏt triển thành một quy luật để phỏt hiện một pha khớ dƣới những điều kiện xung quanh, đặc biệt đối với việc dũ 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES), một loại khớ độc trong chiến tranh húa học. Bằng cỏch ủ đế bạc tối ƣu đối với bƣớc súng kớch thớch 785nm với khụng khớ bóo hũa CEES, cỏc nhà nghiờn cứu đó cú những bƣớc quan trọng đầu tiờn để phỏt hiện dạng khớ độc này sử dụng quang phổ SERS [20].
Nhúm nghiờn cứu của Weaver đó tỡm ra một cỏch thức để mở rộng kĩ thuật SERS sang cỏc bề mặt kim loại dẫn bằng cỏch làm kết tủa điện cực kim loại trờn một chất nền bằng vàng cộng hƣởng đƣợc chế tạo sẵn. Mặc dự ý tƣởng này đó đƣợc thử nghiệm trƣớc đú, nhƣng vẫn khụng cú khả năng để tạo những lớp phủ lỗ trống. Khỏc với phƣơng phỏp kết tủa nhanh bằng điện thế truyền thống, ụng đó chế tạo ra những màng cú chất lƣợng cao bằng cỏch làm kết tủa chậm tại Catốt. Những màng này phải đủ dày để biểu hiện tớnh chất húa học khi phần lớn kim loại phải mỏng để thỳc đẩy sự cộng hƣởng điện từ của chất nền nằm dƣới. Cỏc ứng dụng từ phƣơng phỏp tại chỗ này dựng để nghiờn cứu biểu hiện hỗn hợp pha khớ và quỏ trỡnh điện động lực đó đƣợc đề cập gần đõy và tƣơng lai của lĩnh vực này cú nhiều hứa hẹn.
Nhúm của Natan đó cụng bố một loạt những bài bỏo gần đõy về sự phỏt triển của chất nền SERS dựa vào chất keo bằng vàng. Những đặc tớnh quan trọng của cỏc hệ là dễ chế tạo, sử dụng lại đƣợc, ổn định, hợp với cỏc phõn tử sinh học và cú khả năng quan trọng nhằm phự hợp với cỏc đặc trƣng điện từ của bề mặt bằng cỏch kiểm soỏt kớch thƣớc và sự xếp đặt hạt. Những cộng sự của ụng cũng chế tạo mẫu vàng phủ ngoài bằng bạc giống nhƣ một chất nền hữu ớch. Tớnh linh hoạt của phƣơng phỏp này là một sự phỏt triển hứa hẹn đối với cỏc ứng dụng phõn tớch.
Nie và Emory đó mang đến một thực nghiệm mới về SERS trờn đơn phõn tử bằng sự kết hợp giữa SERS với kỹ thuật kớnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với kớnh hiển vi quột đƣờng hầm (STM). Nghiờn cứu này cho phộp họ tỡm hiểu mối quan hệ giữa hỡnh thỏi của SERS với cỏc hạt nano hoạt động và hiệu ứng SERS. Họ quan sỏt thấy sự tăng cƣờng Raman 1014 đến 1015 lần từ đơn phõn tử Rhodamine 6G hấp thụ trờn cỏc hạt nano bạc. Trong trƣờng hợp SERS với đơn phõn tử, họ quan sỏt thấy một kết quả riờng biệt hơn là giỏ trị trung bỡnh của toàn bộ nhƣ thƣờng thu đƣợc của phộp
đo SERS. Sự khởi đầu của cụng nghệ SERS đơn phõn tử đó mang đến một phƣơng tiện mới trong nghiờn cứu y sinh nhƣ một cụng cụ thăm dũ để nghiờn cứu cỏc loại phõn tử sinh học khỏc nhau nhƣ virus, vi khuẩn, protein, DNA và RNA [63,97,119].
Cảm biến SERS đó đƣợc sử dụng rộng rói để nhận biết cỏc chất húa - sinh và phõn tớch thuốc [25-32], nhƣng chỉ trong thời gian gần đõy mới cú cỏc cụng bố về phỏt hiện cỏc kim loại nặng [33-36]. SERS là một phƣơng phỏp phổ phõn tử cú thể cung cấp phổ đặc trƣng cho cỏc chất cần phõn tớch, và nú cú thể đƣợc sử dụng trực tiếp hoặc giỏn tiếp để phỏt hiện cỏc kim loại nặng. Cú thể xột đến một kim loại nặng điển hỡnh và cú độc tớnh cao nhất là As. Nhúm nghiờn cứu của Chen đó chức năng húa cỏc cấu trỳc nano plasmonic với một ligand hữu cơ cú liờn kết đặc hiệu với ion kim loại nặng. Sự kết đỏm của cỏc hạt vàng cú thể dẫn đến sự liờn kết của trƣờng plasmonic ở xung quanh cỏc hạt nano, hỡnh thành nờn những hot spot để tăng cƣờng tớn hiệu SERS. Trong mụ hỡnh sensor này, glutathione, cú liờn kết chọn lọc với ion As3+ qua liờn kết As-O, đƣợc đớnh trờn cỏc hạt nano bạc và 4-mercaptopyridine (4- MPY) đƣợc sử dụng làm chất chỉ thị Raman [33,36]. Khi cú sự xuất hiện của cỏc ion As3+, liờn kết của ion As3+ với glutathione gõy nờn sự kết đỏm của cỏc hạt Ag, điều này làm cho cỏc phõn tử chỉ thị Raman nằm ở cỏc hot spot, tăng cƣờng tớn hiệu SERS từ 4-MPY. Sensor này đơn giản nhƣng cú thể đạt ngƣỡng nhận biết 0.76 ppb với độ chọn lọc cao trong số cỏc ion kim loại khỏc nhau. Tuy nhiờn, vẫn cũn những vấn đề về độ bền, độ lặp lại của sensor SERS trờn cơ sở dung dịch thể nhũ tƣơng.
SERS cung cấp cả thụng tin về sự xuõt hiện của cỏc nguyờn tố húa học và cụng thức cấu tạo, đõy là một trong những yếu tố quan trọng trong việc nghiờn cứu độc tớnh của cỏc ion kim loại vỡ cỏc phức khỏc nhau của ion kim loại nặng cú thể cú độ độc tớnh rất khỏc nhau với cơ thể ngƣời và động vật [62]. Theo đú, SERS đó đƣợc sử dụng để phỏt hiện UO2+, TcO4-, CrO42-, NpO2+, NpO22+, WO42−. Irudayaraj et al. đó chứng minh việc phỏt hiện và chụp ảnh phõn bố chất độc chromate trong cơ thể vi khuẩn [37,38]. Cỏc kết quả của học chỉ ra rằng SERS cú độ nhạy cao và cú thể đƣợc sử dụng để phõn biệt 2 dạng húa trị bền của chromate trong cỏc tế bào.
Những tiến bộ gần đõy về cụng nghệ laser, cụng nghệ quang học và kỹ thuật điện tử đó làm giảm đỏng kể kớch thƣớc của cỏc hệ thiết bị Raman, làm quang phổ
học Raman dễ tiếp cận hơn và phỏt huy ƣu điểm nổi trội vốn cú của nú trong việc định danh cỏc liờn kết húa học trong hợp chất. Cỏc thành phần húa học khỏc nhau cú dấu “võn tay” Raman riờng biệt cú thể sử dụng để định danh [11]. Nhƣợc điểm chủ yếu của quang phổ học Raman là tiết diện tỏn xạ Raman tự phỏt thấp ảnh hƣởng đến việc dũ tỡm lƣợng vật chất nhỏ ở mức độ vết. Nhờ hiệu ứng SERS, độ nhạy Raman đó đƣợc tăng cƣờng đỏng kể và làm cho SERS trở thành một phƣơng ỏn khả thi để phỏt hiện chất ụ nhiễm thực phẩm ở mức vết. Gần đõy, SERS đó thành cụng trong việc đỏnh giỏ an toàn và chất lƣợng thực phẩm bao gồm việc giỏm định nhanh dƣ lƣợng khỏng sinh nhƣ khoỏng chất malachite green [71, 100], nitrofuran antibiotic [22], tetracycline [110], chloramphenicol [125] và cỏc phụ gia cấm khỏc nhƣ melanin trong thực phẩm. [131]. Ngoài giỏm định dƣ lƣợng khỏng sinh, phƣơng phỏp này hoàn toàn cú thể phỏt triển để giỏm định cỏc chất cấm khỏc do ụ nhiễm hoặc chủ động đƣợc thờm vào thực phẩm để bảo quản hoặc để tăng sản lƣợng chăn nuụi v.v…Trờn thế giới, nghiờn cứu SERS tiếp tục cú những bƣớc phỏt triển nhanh chúng với hàng trăm bài đƣợc xuất bản mỗi năm. Cỏc lĩnh vực cơ bản của hiện tƣợng vẫn đƣợc khỏm phỏ. Khả năng để cụ lập và mụ tả đặc điểm của cỏc đơn hạt và cỏc đỏm nhỏ đó cung cấp cho chỳng ta một phƣơng phỏp mới nghiờn cứu sự tăng cƣờng điện từ. Những tiến bộ trong kĩ thuật tớnh toỏn cho phộp mụ phỏng chớnh xỏc trƣờng điện từ tƣơng ứng của cỏc cấu trỳc rất phức tạp. Và sự khỏm phỏ ra SERS từ cỏc phõn tử hấp thụ trờn cỏc mặt đơn tinh thể bằng phẳng đó cho phộp nghiờn cứu cơ chế húa học một cỏch chọn lọc.
Những tiến bộ, cựng với sự phỏt triển cú tớnh cỏch mạng trong khoa học nghiờn cứu hứa hẹn một tƣơng lai tƣơi sỏng cho SERS. Những tiến bộ bao gồm: mỏy đo phổ hiệu quả và kĩ thuật khắc và lọc, thiết bị detector liờn kết điện tớch với hiệu suất lƣợng tử cao và kớnh hiển vi Raman hoạt động trong cả trƣờng gần và cỏc mode đồng tiờu. Cơ chế của tỏn xạ Raman tăng cƣờng bề mặt trong thời gian tới sẽ đƣợc đầy đủ hơn và sẽ cú cỏc ứng dụng mới của quang phổ học phõn tử trong lĩnh vực này.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Cỏc nghiờn cứu tổng quan về tỏn xạ Raman và tỏn xạ Raman tăng cƣờng bề mặt (SERS) đó đƣợc trỡnh bày trong chƣơng 1.
Cỏc cơ chế tăng cƣờng SERS bao gồm cơ chế tăng cƣờng điện từ và cơ chế tăng cƣờng húa học đó đƣợc đặc biệt chỳ ý phõn tớch. Cỏc cấu trỳc nano kim loại khỏc nhau (đế SERS) cú khả năng cho hệ số tăng cƣờng SERS cao đó đƣợc hệ thống, phõn tớch để từ đú lựa chọn, xỏc định giải phỏp, hƣớng nghiờn cứu của luận ỏn. Cụ thể là:
Cú rất nhiều phƣơng phỏp khỏc nhau với kỹ thuật khỏc nhau để chế tạo đế SERS. Vấn đề đặt ra ở đõy là tỡm ra giải phỏp đơn giản, nhanh, khụng tốn kộm và phự hợp với điều kiện phũng thớ nghiệm hiện cú.
Cỏc cỏch tớnh hệ số tăng cƣờng SERS khỏc nhau cũng đó đƣợc nghiờn cứu để xỏc định cỏch đỏnh giỏ hệ số tăng cƣờng SERS thực nghiệm sau này của luận ỏn.
Tổng quan về ứng dụng của SERS cũng cho thấy khả năng ứng dụng rất phong phỳ và hiệu quả của SERS trong cỏc lĩnh vực phõn tớch húa học, nghiờn cứu khoa học vật liệu, y học, dƣợc học, sinh học phõn tử, giỏm định dƣ lƣợng khỏng sinh, thuốc bảo vệ thực vật trong an toàn thực phẩm, phõn tớch, đỏnh giỏ ụ nhiễm mụi trƣờng.
Chƣơng 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Chƣơng này trỡnh bày cỏc phƣơng phỏp và thiết bị phục vụ nghiờn cứu chế tạo đế SERS, gồm cú: Phƣơng phỏp chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mũn laser, Cỏc phƣơng phỏp xỏc định cấu trỳc, hỡnh thỏi, kớch thƣớc hạt nano kim loại, cỏc thiết bị sử dụng để nghiờn cứu SERS, cỏc vật liệu, húa chất sử dụng trong nghiờn cứu của luận ỏn.
Xuất phỏt từ điều kiện phũng thớ nghiệm chỳng tụi đó lựa chọn sử dụng kỹ thuật laser để chế tạo cỏc hạt nano kim loại. Ƣu điểm của phƣơng phỏp này là cú thể tạo ra cỏc keo hạt nano từ kim loại tinh khiết trong cỏc chất lỏng sạch tinh khiết khỏc nhau, đỏp ứng yờu cầu của cơ chế SERS, với thời gian chế tạo nhanh [10].