2. Phương phỏp nghiờn cứu
5.3.Kết quả sử dụng cảm biến đó chế tạo phỏt hiện dư lượng thuốc trừ sõu
Dựa trờn kết quả đó khảo sỏt huỳnh quang của cảm biến chế tạo từ loại QD CdZnSe/ZnS, chỳng tụi đó tiến hành thử nghiệm loại cảm biến này trong thực tế. Cụ thờ̉, chỳng tụi đó phun lờn lỏ chố hai loại thuốc trừ sõu cypermethrin gốc OP và abamectin gốc carbamate tương ứng là Motox 5EC and tungatin 10EC (bảng 5.3) với nồng độ là 0,71 và 1,12 ppm (dựa trờn nồng độ khuyến cỏo nờn phun của nhà sản xuất).
Bảng 5.3. Thuốc trừ sõu thương phẩm thử nghiệm trờn lỏ chố
Tờn
thương phẩm Hoạt chất và nồng độ
Motox 5EC 5% cypermethrin (C22H19Cl2NO3)
Tungatin 10 EC 10% abamectin (C48H72O14 )
Thời gian nhà sản xuất khuyến nghị thu hoạch an toàn sau khi phun là 14 và 7 ngày, tương ứng cho hai loại thuốc trừ sõu núi trờn (hỡnh 5.19a, b). Chỳng tụi thử nghiệm với điều kiện thời tiết nắng ban ngày và hỏi lỏ lần lượt sau thời gian cỏch nhau 2 ngày cho loại Motox và 1 ngày cho loại Tungatin. Chỳng tụi xử lý mẫu bằng cỏch cắt lỏ chố thành cỏc mảnh nhỏ cựng diện tớch bề mặt và lưu giữ trong cựng một thờ̉ tích nước cất và lắc đều trong 1 giờ ở nhiệt độ phũng, sau đú lọc và sử dụng dung dịch nước rửa cho việc phỏt hiện dư lượng thuốc trừ sõu.
Hỡnh 5.19. Dung dịch rửa lỏ chố (a) Motox 5EC, chứa 5% cypermethrin (OP) và (b)Tungatin 10 EC, chứa 10% abamectin (Carbamate)
Chỳng tụi giữ nguyờn điều kiện chế tạo cảm biến như đó nghiờn cứu ở trờn, với 100àl QD, 122àl AChE và 16,7àl ATCh. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 2200000 2400000 100% 50,8% 55,7% 62,3% 66,0% 68,7% 88,7% 93,4% Cypermethrin C-ờng đ ộ hu ỳnh qu ang t ích ph ân ( a.u.) t (ngày)
Hỡnh 5.20. Phổ huỳnh quang của QD-AChE với thuốc trừ sõu cypermethrin (Motox) (a), sự giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian (b).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 2200000 52,5% 46,0% 40,7% 53,1% 62,9% 65,5% 75,7% 100% C-ờng đ ộ hu ỳnh qu ang t ích ph ân ( a.u.) t (ngày) Abamectin
Hỡnh 5.21. Phổ huỳnh quang của QD-AChE với thuốc trừ sõu abamectin (Tungatin) (a), sự giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian (b).
Hỡnh 5.20a, 5.21a là phổ huỳnh quang của hai loạt mẫu khảo sỏt giảm theo thời gian, độ pH đó được đo trong điều kiện nhiệt độ 30 - 31 oC. Giỏ trị pH ban đầu đo được trong khoảng 9,7 – 9,6 và giảm đến giỏ trị 4,1 - 4,4. Kết quả này cho thấy nồng độ dư lượng hai loại thuốc trừ sõu giảm. Cường độ đỉnh phỏt xạ tớch phõn cũng đó được chỳng tụi tớnh toỏn và so sỏnh (hỡnh 5.20b, 5.21b) [87].
Bằng cỏch tớnh toỏn lý thuyết, chỳng tụi đó gỏn cường độ đỉnh cực đại ban đầu được là 100%, sau đú được tớnh sau 2 và 1 ngày cho hai loại trờn. Sau 14 và 7 ngày, phần trăm cường độ huỳnh quang và nồng độ thuốc trừ sõu tương ứng là 50,8% (0,05 ppm) và 40,7% (0,02 ppm) (Bảng 5.4).
(a) (b)
Bảng 5.4. Sự giảm cường độ huỳnh quang và dư lượng thuốc trừ sõu Motox và Tungatin Số ngày 0 2 4 6 8 10 12 14 Tỉ lệ Cypermethrin (%) 100 93,4 88,7 68,7 66 62,3 55,7 50,8 Nồng độ Cypermethrin (ppm) 0,71 0,66 0,59 0,40 0,27 0,17 0,09 0,05 Số ngày 0 1 2 3 4 5 6 7 Tỉ lệ Abamectin (%) 100 75,7 65,5 62,9 53,1 52,5 46 40,7 Nồng độ Abamectin (ppm) 1,12 0,85 0,56 0,35 0,19 0,10 0,04 0,02 Kết luận chương 5
Cảm biến sinh học huỳnh quang chế tạo từ cỏc loại QD khỏc nhau, cú thờ̉ xỏc định một số loại thuốc trừ sõu hiện đang cú mặt tại thị trường Việt nam với hàm lượng cỡ ppm và ppb.
Cỏc cảm biến huỳnh quang nhậy với giỏ trị pH của mụi trường xung quanh nú. Xu hướng chung là khi pH tăng thỡ cường độ huỳnh quang của cảm biến tăng. Trong trường hợp của cảm biến huỳnh quang nghiờn cứu trong luận ỏn này, enzyme AChE được gắn trờn đế QD-SA sẽ cú tỏc dụng xỳc tỏc cho phản ứng thủy phõn của ATCh, tạo ra axit (H+). Khi cú mặt thuốc trừ sõu, ức chế enzyme AChE, phản ứng này lập tức bị dừng lại, lượng ion H+ bị giảm, làm giỏ trị pH của dung dịch tăng lờn. Điều này dẫn đến giảm quỏ trỡnh bẫy điện tử trờn bề mặt QD, như vậy làm tăng quỏ trỡnh tỏi hợp phỏt xạ cặp e-h của QD, do vậy làm tăng cường độ huỳnh quang của cảm biến huỳnh quang.
Đó nghiờn cứu chi tiết ảnh hưởng của pH dung dịch lờn cường độ phỏt quang của cảm biến thụng qua mụ hỡnh truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang và mụ hỡnh thay đổi tương tỏc của cỏc điện tớch trờn bề mặt QD.
Quy luật thay đổi cường độ huỳnh quang của cảm biến theo cựng một xu hướng khi phỏt hiện một số loại thuốc trừ sõu parathion methyl, trichlorfon, carbosulfan, acetamiprid, cypermethrin và abamectin với dóy nồng độ trong khoảng từ 0,01 tới 5 ppm.
Dư lượng thuốc trừ sõu Motox 5EC và Tungatin 10EC trờn lỏ chố giảm sau thời gian 7 và 14 ngày và cú thờ̉ được xỏc định bằng cảm biến đó chế tạo.
KẾT LUẬN
Cỏc kết quả nghiờn cứu theo đề tài luận ỏn, với nội dung chủ yếu là nghiờn cứu chế tạo ra một số loại QD trờn cơ sở CdSe, gồm hai hoặc ba thành phần, khụng và cú bọc vỏ, sau đú dựng cỏc QD này đờ̉ chế tạo cỏc cảm biến và ứng dụng đờ̉ phỏt hiện dư lượng một số loại thuốc trừ sõu với lượng siờu vết (cỡ ppm) trong thực tế, đó cho phộp chỳng tụi rỳt ra một số kết luận như sau:
1. Đó chế tạo thành cụng cỏc QD CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdZnSe và CdZnSe/ZnS bằng phương phỏp nhiệt phõn cỏc tiền chất cơ-kim ở nhiệt độ ~300oC. Cỏc QD này phỏt quang tốt trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy, từ 540 nm tới 640 nm. Cú thờ̉ thay đổi chiều dày lớp vỏ ngoài ZnS của lừi QD.
2. Đó sử dụng cỏc phương phỏp vật lý hiện đại như nhiễu xạ tia X, EDS, TEM đờ̉ nhận dạng pha tinh thờ̉, thành phần, hỡnh dạng, kích thước của cỏc QD chế tạo được. Cỏc QD chế tạo được cú lừi đơn pha tinh thờ̉ lục giỏc w-CdSe, khi bọc vỏ ngoài thỡ giản đồ nhiễu xạ tia X thờ̉ hiện pha tinh thờ̉ lục giỏc (w) của lớp vỏ ZnS.
3. Cỏc tớnh chất quang như phổ hấp thụ, phỏt xạ của cỏc mẫu QD đó được khảo sỏt, cho phộp xỏc định và nghiờn cứu dịch chuyờ̉n exciton cơ bản 1Se-1Sh3/2
thay đổi theo kích thước trong cỏc QD. Hiệu suất lượng tử của một số mẫu đó được đo đạc nhằm đỏnh giỏ hiệu quả của phương phỏp chế tạo.
Trong cấu trỳc CdSe/ZnSe/ZnS, lớp đệm ZnSe và lớp vỏ ZnS khụng làm thay đổi phổ phỏt quang của QD lừi CdSe. Hai lớp vỏ này bảo vệ sự tỏi hợp phỏt xạ của cặp e-h trong QD, làm giảm cỏc trạng thỏi bẫy e trờn bề mặt QD, và như vậy làm tăng cường độ huỳnh quang.
Khảo sỏt phổ hấp thụ của cỏc QD ba thành phần CdZnSe lừi và lừi/vỏ, cho thấy sự liờn quan khỏ rừ ràng giữa dỏng vẻ của phổ hấp thụ (đỉnh hấp thụ exciton thứ nhất), với hỡnh dỏng, sự phõn bố kích thước và thành phần. Phổ hấp thụ cú xu hướng dịch về phía bước súng dài hơn khi tăng số đơn lớp của vỏ ZnS.
4. Phõn tích cỏc đường cong huỳnh quang tắt dần của cỏc QD CdSe/ZnS trong khoảng nhiệt độ từ 4,5 K đến 295 K, cho thấy: tại 4,5 K: đường cong tắt dần này tuõn theo hai hàm e mũ, thời gian sống phỏt xạ cỡ 105 ns và đạt cỡ vài chục ns ở nhiệt độ
thường. Tại nhiệt độ thường, đường cong huỳnh quang tắt dần thờ̉ hiện sự tắt dần theo nhiều hàm e mũ. Đõy là do việc đo và quan sỏt huỳnh quang tắt dần của một tập hợp rất nhiều hạt QD theo thời gian. Đối với cỏc mẫu QD CdSe/ZnSe/ZnS đường cong tắt dần theo nhiều hàm e mũ. Khi bọc vỏ, thời gian sống phỏt xạ dài hơn và giỏ trị này tăng theo chiều dầy số lớp vỏ ZnS.
5. Đó chế tạo thành cụng cỏc cảm biến sinh học huỳnh quang trờn cơ sở tổ hợp QD-SA-AChE đờ̉ dựng cho việc phỏt hiện dư lượng của một số loại thuốc trừ sõu, thuộc một số nhúm phổ biến bao gồm lõn hữu cơ, carbamate, neonicotinoids, cỳc tổng hợp và thuốc trừ sõu sinh học, ngưỡng phỏt hiện khả thi trong khoảng từ 0,01 đến 5 ppm.
6. Đó dựng cỏc cảm biến sinh học này đờ̉ khảo sỏt sự biến đổi dư lượng của hai loại thuốc trừ sõu là Motox 5EC (chứa 5% cypermethrin thuộc nhúm OP) và Tungatin 10EC (chứa 10% abamectin thuộc nhúm thuốc trừ sõu sinh học), trờn lỏ chố, trong khoảng thời gian từ 7 ngày và 14 ngày tương ứng sau khi phun thuốc trừ sõu. Kết quả là vẫnphỏt hiện được dư lượng của hai loại thuốc trừ sõu trờn, sau thời gian trờn. Tuy nhiờn, nồng độ của cỏc loại thuốc trừ sõu này vẫn nằm trong giới hạn cho phộp (0,02 -0,05 ppm).
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH KHOA HỌC CễNG BỐ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN A. Cụng bố trờn tạp chớ quốc tế
1. N. N. Hai, V. D. Chinh, U. T. D. Thuy, T. T. K. Chi, N. H. Yen, D. T. Cao, N. Q. Liem and P. T. Nga (2013), “Detection of the pesticide by functionalised quantum dots as fluorescence-based biosensor”, Int. J. Nanotechnology 10, (3/4), pp. 137-145.
2. N. N. Hai, V. D. Chinh, U. T. D. Thuy, T. K. Chi, N. X. Nghia, D. T. Cao, and P. T. Nga (2012), “Optical detection of the pesticide by functionalized quantum dots as fluorescence-based biosensor”, Key Eng. Mater. 495, pp. 314-318.
B. Cụng bố trờn tạp chớ trong nước
1. N. N. Hai, D. T. Giang, H. V. Nong, P. N. Thang, P. T. Nga and D. T. Cao (2015), “Synthesis and Application of Quantum Dots-Based Biosensor”, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 6, 015015.
2. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Giang, N. D. Nhat, P. T. Nga and D. T. Cao (2014),
“Sensitive organophosphorus and carbamate pesticides biosensor based on acetylcholinesterase and CdZnSe/ZnS ternary alloy quantum dots”, Commu. in Phys.3, 3791.
3. T. K. Chi Tran, D. Chinh Vu, T. D. Thuy Ung, H. Yen Nguyen, N. Hai Nguyen, T. Cao Dao, T. Nga Pham and Q. Liem Nguyen (2012), “Fabrication of fluorescence-based biosensors from functionalized CdSe and CdTe quantum dots for pesticide detection”, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 3, 035008 (4pp).
4. N. H. Yến, P. T. Nga, N. N. Hải, V. Đ. Chớnh, Đ. H. Cường, D. T. Giang, L. V. Vũ, V. T. H. Hạnh, N. Đ. Nhật, N. K. Huynh, L. X. Hựng, P. T. Dũng, N. X. Nghĩa (2014), “Cỏc chấm lượng tử hợp kim ba thành phần CdZnSe/ZnSeS: đặc trưng cấu trỳc, tớnh chất quang và ứng dụng trong cảm biến sinh học”, Tạp chớ Khoa học và Cụng nghệ 52 (3C), 390-394.
C. Bỏo cỏo toàn văn tại cỏc Hội nghị quốc tế và trong nước
1. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Giang, N. D. Nhat, P. T. Nga and D. T. Cao (2013), “Sensitive organophosphorus and carbamate pesticide biorsensor based on acetylcholinesterase CdZnSe/ZnS ternary alloy quantum dots”, Proceedings, 4thIWNA, pp. 230 – 233.
2. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Giang, D. H. Cuong, N. D. Nhat, P. T. Nga and D. T. Cao (2013), “Mechanism to detect pesticide residues in tealeaves based on CdZnSe/ZnS ternary alloy quantum dots”, Proceedings, 3rdCASEAN, pp. 151- 159, ISBN 987-604-913-088-5.
3. N. N. Hai, N. H. Yen, D. T. Cao, P. T. Dung and P. T. Nga (2013),“A new research results on the application of quantum dots as biosensor to detect pesticides”, Advanced in optics photonics spectroscopy & applications VII, pp. 837-841, ISSN 1859-4271.
4. N. N. Hai, V. D. Chinh, N. H. Yen, T. T. K. Chi, N. X. Nghia, D. T. Cao and P. T. Nga (2011), “Detection of the pesticide by functionalized quantum dots as fluorescence-based biosensor”, Proceedings,3rdIWNA, pp. 356-360.
5. N. N. Hai, V. D. Chinh, P. Xiong, N. X. Nghia, P. T. Dzung, N. V. Hung, P. T. Nga, N. Q. Liem (2011), “Optical detection of the pesticide by functionalized CdSe/ZnS quantum dots as fluorescence - based biosensor”, Advanced in optics photonics spectroscopy & applications VI, pp. 422-425, ISSN 1859-4271
D. Danh mục bài bỏo tham gia nghiờn cứu
1. P. T. Nga, N. H. Yen, V. D. Chinh, D. H. Cuong, N. N. Hai, V. T. H. Hanh, N. X. Nghia, L. V. Vu and L. Coolen (2015), “Study on fabrication of CdZnSe/ZnSeS tenary alloy quantum dots”, Int. J. Nanotechnology 12, 5/6/7, pp.525 – 537.
2. N. H. Yen, N. N. Hai, L. V. Vu, P. T. Dung, N. X. Nghia, L. Coolen, P. T. Nga (2014), “Synthesis and comparative photoluminescence of CdZnSe/ZnS and CdZnSe/ZnSeS alloy quantum dots”, Journal of Science and Technology 52, N.3, p.357.
3. P. T. Nga, L. V. Vu, N. H. Yen, N. D. Nhat, V. D. Chinh, D. H. Cuong, N. N. Hai, V. T. H. Hanh, N. X. Nghia and L. Coolen (2013), “Study on the fabrication of CdZnSe/ZnSeS ternary alloy quantum dots”, Proceedings, 4thIWNA, pp. 208 – 211.
4. P. T. Nga, N. N. Hai, V. T. H. Hanh, L. V. Vu, N. H. Yen, N. Q. Minh, B. Huy, K. C. Cuong, N. X. Nghia, V. D. Chinh, P. N. Hong, L. Coolen, C. Schwob, Willy D. de Marcillac, C. Lethiec, P. Benalloul, C. Barthou and A. Maitres (2013),“Comparative study on optical properties ofCdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS and CdZnSe/ZnS Alloy quantum dots”, Advanced in optics photonics spectroscopy & applications VII, pp. 634-641, ISSN 1859-4271.
5. N. H. Yen, N. N. Hai, L. V. Vu, V. T. H. Hanh, B. Huy and P. T. Nga (2012), “Synthesis and photoluminescence of CdZnSe/ZnSeS alloy quantum dots”,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bộ NN&PTNT (2012), “Danh mục thuốc bảo vệ thực vật được phộp sử dụng ở Việt Nam”, Thụng tư 10, (22/2) TT-BNNPTNT.
2. Đ. T. Cao (2004), “Cơ sở vật lý chất rắn”, Sỏch tham khảo, NXB Đại học QG Hà Nội.
3. K. C. Cương (2012), “Chế tạo vật liệu chấm lượng tử CdSe/ZnS, phõn tỏn chỳng trong polymer và nghiờn cứu tớnh chất quang”, Luận ỏn Tiến sĩ Vật lý, ĐH SPHN, Hà Nội.
4. N. H. Yến, P. T. Nga, N. N. Hải, V. Đ. Chính, Đ. H. Cường, D. T. Giang, L. V. Vũ, V. T. H. Hạnh, N. Đ. Nhật, N. K. Huynh, L. X. Hựng, P. T. Dũng, N. X. Nghĩa (2014), “Cỏc chấm lượng tử hợp kim ba thành phần CdZnSe/ZnSeS: đặc trưng cấu trỳc, tớnh chất quang và ứng dụng trong cảm biến sinh học”, Tạp chớ Khoa học và Cụng nghệ 52 (3C), 390-394.
5. N. Q. Liờm (2011), “Chấm lượng tử bỏn dẫn CdSe, CdTe, InP và CuInS2: Chế tạo, tớnh chất quang và ứng dụng”, Sỏch chuyờn khảo, NXB Khoa học tự nhiờn và Cụng nghệ, Hà Nội.
6. T. V. Hai, “Húa bảo vệ thực vật”, Giỏo trỡnh, Khoa Nụng nghiệp, ĐH Cần Thơ. (7) 7. V. Đ. Chính (2011), “Nghiờn cứu chế tạo, tớnh chất quang của cỏc chấm lượng tử CdSe với cấu trỳc lừi/vỏ và định hướng ứng dụng”, Luận ỏn Tiến sĩ KHVL, Viện KHVL, Hà Nội.
8. V. T. H. Hạnh (2011), “Nghiờn cứu chế tạo và tớnh chất của cỏc chấm lượng tử CdSe, CdSe/ZnS và CdSe/ZnSe/ZnS”, Luận ỏn Tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý, Hà Nội.
9. A. Chen, D. Du, Y. Lin. (2012), “Highly Sensitive and Selective Immuno- Capture/Electrochemical Assay of Acetylcholinesterase Activity in Red Blood Cells: A Biomarker of Exposure to Organophosphorus Pesticides and Nerve Agents”, Environ. Sci. Technol 46, 1828−1833.
10. A. J. Morris-Cohen, M. D. Donakowski, K. E. Knowles, E. A. Weiss (2010), “The Effect of a Common Purification Procedure on the Chemical Composition of the surfaces of CdSe Quantum Dots Synthesized with Trioctylphosphine Oxide”, J. Phys. Chem. 114, 897-906.
11. A. L. Efros, M. Rosen (2009), “Band-edge exciton in quantum dots of semiconductors with a degenerate valence band: Dark and bright exciton states”, Phys. Rev. B 54, 4843-4856.
12. A. L. Rogach (2008), “Semiconductor Nanocrystal Quantum dots”, Springer Wien NewYork, USA.
13. A. P. Periasamy, Y. Umasankar, S. M. Chen. (2009), “Nanomaterials - Acetylcholinesterase Enzyme Matrices for Organophosphorus Pesticides”,
Electrochemical Sens. 9, 4034-4055.
14. A. V. Baranov, T. S. Perova, J. F. Donegan, D. V. Talapin, A. L. Rogach, Y. Masumoto, I. Nabiev (2009), “Effect of ZnS shell thickness on the phonon spectra in CdSe quantum dots”, Phys. Rev. B 68, 165306 (165307).
15. Alivisatos, P. (2004), “The use of nanocrystals in biological detection”, Nat. biotechnol. 22, 47-52.
16. B. Dong, L. Cao, G. Su, W. Liu (2010), “Facile Synthesis of Highly Luminescent UV-Blue Emitting ZnSe/ZnS Core/Shell quantum dots by a two- step method”, Chem. Commun. 46, 7331-7333.
17. B. M. Kim, A. M. Abd El-Aty, T. E. Hwang, L. T. Jin, Y. S. Kim, J. H. Shim