1.2. Cảm biến huỳnh quang ứng dụng trong các phát hiện thuốc trừ sâu
1.2.3. Cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở hiệu ứng IFE
Hiệu ứng IFE là một quá trình chuyển đổi năng lượng không bức xạ quan trọng trong phương pháp phổ huỳnh quang khi ánh sáng kích thích hoặc
phát xạ bị hấp thụ bởi chất hấp thụ có trong thành phần mẫu đo [31]. Hiệu ứng IFE ban đầu được coi là một lỗi trong phép đo phổ huỳnh quang, đặc biệt là khi có mặt một chất hấp thụ được chuẩn nồng độ trong thành phần đo phổ huỳnh quang. Tuy nhiên, khi thay đổi nồng độ chất hấp thụ dẫn đến thay đổi cường độ huỳnh quang theo hàm mũ đã làm tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện các chất hấp thụ [32]. Yang và các cộng sự lần đầu tiên đã thiết kế một hệ cảm biến huỳnh quang độ nhạy cao phát hiện sự có mặt của ion CuII dựa trên hiệu ứng IFE của phổ hấp thụ của spiropyran và huỳnh quang của porphyrin [33]. Hệ cảm biến đã cho thấy tính khả thi khi dùng cách tiếp cận cảm biến huỳnh quang đơn giản dựa trên hiệu ứng IFE, và có thể khắc phục được các hạn chế về độ nhạy, độ lặp lại.
Hiệu ứng IFE đầu tiên chỉ ra là do sự hấp thụ ánh sáng kích thích của các phân tử màu trong dung dịch; hiệu ứng IFE thứ hai liên quan đến quá trình hấp thụ các bức xạ phát ra của các phân tử màu (Hình 1.8). Trong phân tích thực nghiệm, hiệu ứng IFE thứ hai có thể tránh được hoàn toàn khi bước sóng phát xạ trong vùng không có thành phần nào hấp thụ. Tuy nhiên, hiệu ứng IFE có thể tối ưu để giảm thiểu hoặc bỏ qua nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn bởi vì quá trình hấp thụ bởi các chất phát quang bắt buộc phải xảy ra để tạo ra sự kích thích chất phát quang.
Hình 1.8. Điều kiện xảy ra hiệu ứng IFE: phổ hấp thụ của chất hấp thụ bao phủ với (a) phổ kích thích huỳnh quang của chất phát quang; (b) phổ huỳnh quang của chất phát quang; (c) cả phổ kích thích và phổ huỳnh quang [31].
Trong nhiều phân tích thực nghiệm, hiệu ứng IFE được quan sát thấy rõ ràng. Đã có nhiều nỗ lực đã được thực hiện để bù lại sự giảm tín hiệu huỳnh quang do hiệu ứng IFE và phục hồi sự thay đổi tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang với tỉ lệ với nồng độ của chất phát quang [34, 35]. Hệ số làm đúng phổ huỳnh quang đầu tiên được đề xuất bởi Parker và Barners vào năm 1957, tuy nhiên phương trình đưa ra chưa thấy được sự rõ ràng [34]. Yappert và Ingle đã phân tích cụ thể mối quan hệ và biểu diễn theo phương trình làm đúng cường độ tín hiệu huỳnh quang được biểu thị theo công thức sau [35] :
𝐹𝑐𝑜𝑟𝑟
𝐹𝑜𝑏𝑠 = 2.3𝑑𝐴𝑒𝑥
1 − 10−𝑑𝐴𝑒𝑥10𝑔𝐴𝑒𝑚 2.3𝑠𝐴𝑒𝑚
1 − 10−𝑠𝐴𝑒𝑚 (1)
Trong đó đo cường độ huỳnh quang lớn nhất và Fcorr là cường độ huỳnh quang được làm đúng sau khi loại bỏ đi hiệu ứng IFE từ Fobs; Aex và Aem đặc trưng của độ hấp thụ ở bước sóng kích thích và phát xạ huỳnh quang mạnh nhất. s là độ dày của chùm tia kích thích, g là khoảng cách giữa cạnh của chùm tia kích thích và canh cuvet, và d là độ rộng của cuvet.
Năm 1994, Albinsson và cộng sự đưa ra biểu thức tính cường độ phổ huỳnh quang sau khi loại bỏ hiệu ứng IFE như sau [36]:
𝐹𝑐𝑜𝑟𝑟 = 𝐹𝑜𝑏𝑠 × 10(𝐴𝑒𝑥+𝐴𝑒𝑚)/2 (2)
Rõ ràng rằng hiệu ứng IFE đóng vai trò quan trọng và không thể tránh được trong các phép đo phổ huỳnh quang. Bất cứ sự thay đổi nào của tín hiệu huỳnh quang liên quan tới sự thay đổi của nồng độ chất phân tích có thể được sử dụng như một cảm biến huỳnh quang. Theo lý thuyết, sự thay đổi độ hấp thụ của chất hấp thụ tương ứng với sự thay đổi theo hàm mũ của tín hiệu huỳnh quang. Như vậy hiệu ứng IFE sẽ tăng độ nhạy và giới hạn phát hiện các chất phân tích [33].
Điều kiện xây dựng cảm biến huỳnh quang dựa trên hiệu ứng IFE Để xây dựng một hệ cảm biến IFE yêu cầu gồm ít nhất hai thành phần là chất hấp thụ và chất phát quang. Để có được một hệ cảm biến tốt trên cơ sở hiệu ứng IFE thì các điểm sau cần phải xem xét:
(i) Phổ hấp thụ của chất hấp thụ phải đủ bao phủ các vùng phổ kích thích và/hoặc phổ huỳnh quang của chất phát quang (Hình 1.5). Như vậy huỳnh quang phát ra của chất phát quang có thể bị thay đổi bởi chất hấp thụ.
Hiệu suất của hiệu ứng IFE phụ thuộc vào sự mở rộng che phủ phổ hấp thụ với các thành phần kể trên. Do đó việc chọn hệ chất hấp thụ và phát quang hợp lý đóng vai trò rất quan trọng.
(ii) Phổ hấp thụ của chất hấp thụ thay đổi nhạy theo sự thay đổi nồng độ chất hấp thụ, đây là nguyên lý cơ bản cho việc định lượng chất phân tích.
(iii) Phổ huỳnh quang của chất phát quang không nên phụ thuộc vào chất phân tích để đảm bảo chất phát quang hoạt động như một chất chỉ thị huỳnh quang trong một hệ hoạt động theo hiệu ứng IFE.
Cách thức phân tích hoạt động hệ cảm biến dựa trên hiệu ứng IFE Nhìn chung có ba cách để thiết kế một hệ cảm biến huỳnh quang dựa trên hiệu ứng IFE. Phần lớn cảm biến dựa trên IFE hoạt động ở chế độ “turn- off” tín hiệu huỳnh quang, khi mà độ hấp thụ của chất hấp thụ tăng cùng với sự tăng nồng độ của chất phân tích dẫn đến kết quả suy giảm cường độ huỳnh quang. Đặc biệt khi chất phân tích bản thân là một chất hấp thụ có thể trực tiếp hấp thụ huỳnh quang của chất phát quang phù hợp.
Tuy nhiên, cảm biến huỳnh quang theo chế độ “turn-off” có thể cho những tín hiệu sai lệch do sự ảnh hưởng của môi trường. Bên cạnh đó do ảnh hưởng của tín hiệu ban đầu lớn, nên chế độ “turn-off” thường kém nhạy hơn so với chế độ “tunr-on” tín hiệu huỳnh quang. Do đó thiết kế các hệ cảm biến
huỳnh quang theo chế độ “turn-on” rất được quan tâm để phát triển. Đối với hệ cảm biến “turn-on” tín hiệu huỳnh quang, đầu tiên, chất hấp thụ cần phải làm tắt tín hiệu huỳnh quang của chất phát quang. Sau đó, chất cần phân tích sẽ phục hồi tín hiệu huỳnh quang theo sự thay đổi nồng độ của chất phân tích.
Đối với cách thức “turn-on” tín hiệu huỳnh quang, cặp chất phân tích cyanid và hạt nano Ag đã cho thấy sự phù hợp rất tốt [37].
Cách thức thứ ba có thể thực hiện theo kiểu tỉ lệ tín hiệu huỳnh quan, trong đó nồng độ chất phân tích được xác định thông qua đo tỉ lệ cường độ huỳnh quang ở hai bước sóng. Cách thức này có thể hạn chế những tín hiệu sai lệch có nguồn gốc từ môi trường. Đối với cách tiếp cận này, thì các cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ sở PET/FRET đã được báo cáo nhiều. Tuy nhiên đối với cảm biến dựa trên cở sở IFE thì vẫn còn hạn chế số lượng báo cáo [38, 39].