Chế tạo và đánh giá đặc trưng cấu trúc Ag/AU/Tio2 nanotubes ứng dụng làm đế SERS
Mở đầu
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) là một phương pháp phân tích phổ quang học tiên tiến, nổi bật nhờ khả năng phát hiện và phân tích các phân tử với độ nhạy cao, không yêu cầu tách chiết mẫu và không phá hủy cấu trúc mẫu. SERS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ phân tích hóa học, sinh học, đến giám sát môi trường và an toàn thực phẩm.
Một đặc điểm quan trọng của SERS là khả năng nhận biết từng phân tử thông qua cơ chế tăng cường tín hiệu Raman, dựa trên sự tương tác giữa các phân tử phân tích và bề mặt vật liệu nano kim loại được sử dụng làm đế SERS. Công nghệ này mở ra nhiều triển vọng ứng dụng thực tế trong việc phát hiện các chất có nồng độ cực thấp, đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu về sinh học và hóa học.
Tuy nhiên, hiệu suất của SERS phụ thuộc rất lớn vào đặc tính của các vật liệu làm đế. Việc phát triển các đế SERS có tính chất plasmonic mạnh, ổn định và hiệu quả, đặc biệt là khi phân tích các chất trong điều kiện thực tế, vẫn là một thách thức đáng kể. Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo các đế SERS dựa trên cấu trúc nano TiO2 pha rutile được gắn với các hạt nano kim loại quý, nhằm tăng cường khả năng phát hiện và độ nhạy của công nghệ này.
Kết quả nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo và phát triển một hệ vật liệu SERS có cấu trúc độc đáo, kết hợp giữa hạt nano bạc (Ag) dạng lập phương, hạt nano vàng (Au) dạng cầu và ống nano TiO2 pha rutile. Hệ vật liệu này không chỉ có khả năng hấp thụ phân tử mục tiêu tốt mà còn tận dụng được cơ chế tăng cường hóa học (CE) và tăng cường điện từ (EM) để tối ưu hóa khả năng phát hiện phân tử ở nồng độ cực thấp.
Cụ thể hơn, đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm chế tạo thành công đế SERS với cấu trúc nano TiO2 pha rutile kết hợp với hạt nano Ag và Au; Tối ưu hóa cấu trúc và đặc tính plasmonic của các hạt nano để đạt hiệu suất tăng cường SERS cao nhất. Từ đó, đánh giá hiệu quả phát hiện phân tử mục tiêu ở nồng độ thấp dưới ppm, và mở rộng vùng hấp thụ khả kiến trong phổ quang học và ứng dụng đế SERS trong phát hiện các chất hóa học cụ thể, chẳng hạn như chất kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản.
Động lực chính của nghiên cứu này là sự cần thiết phải phát triển các đế SERS có hiệu suất cao hơn, bền hơn và dễ dàng chế tạo với chi phí thấp. Tiềm năng ứng dụng của SERS trong các lĩnh vực như phát hiện chất gây ô nhiễm, thuốc kháng sinh, hay chất cấm trong thực phẩm và môi trường đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học. Tuy nhiên, các thách thức liên quan đến độ bền và khả năng kiểm soát các đặc tính plasmonic của đế SERS hiện nay vẫn là một trở ngại lớn.
Nghiên cứu này dựa trên việc kết hợp các phương pháp hóa học dung dịch, phún xạ magnetron DC và thủy nhiệt để chế tạo các cấu trúc nano. Cụ thể, cấu trúc ống nano TiO2 pha rutile được chọn làm nền tảng do tính chất bền vững và khả năng dẫn điện tốt của vật liệu này. Ngoài ra, việc kết hợp hai kim loại quý Ag và Au được thực hiện nhằm tối ưu hóa cơ chế tăng cường điện từ (EM) và cơ chế tăng cường hóa học (CE). Nano bạc (Ag) được chọn nhờ tính chất plasmonic mạnh, trong khi nano vàng (Au) lại có độ ổn định cao trong môi trường sinh học. Sự kết hợp này nhằm tạo ra đế SERS với hiệu suất tối ưu, vừa bền vững vừa có độ nhạy cao.
Kết quả nghiên cứu đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là việc chế tạo thành công hệ vật liệu plasmonic lưỡng kim loại (Ag/Au) trên nền bán dẫn TiO2 pha rutile. Cấu trúc này không chỉ đạt được độ tinh khiết cao mà còn có cấu trúc tinh thể tốt, giúp tối ưu hóa tính chất quang học và hiệu suất SERS.
Hệ vật liệu AgNCs/AuNSs/r-TNRs (cấu trúc plasmonic gồm nano lập phương Ag và nano cầu Au trên nền ống nano TiO2 pha rutile) đã thể hiện khả năng phát hiện phân tử crystal violet (CV) với độ nhạy cao. Hệ số tăng cường SERS (EF) đạt giá trị 3.34×106, cao hơn nhiều so với các hệ vật liệu thuần chỉ có hạt nano Ag hoặc Au. Khả năng phát hiện phân tử CV ở nồng độ thấp dưới 10-8 M cho thấy tiềm năng ứng dụng của hệ vật liệu này trong thực tế.
Dựa trên kết quả nghiên cứu, có một số đề xuất cải tiến và mở rộng cho các nghiên cứu tiếp theo:
1. Tối ưu hóa kích thước và khoảng cách giữa các hạt nano: Việc điều chỉnh kích thước và khoảng cách giữa các hạt nano Ag và Au có thể cải thiện hơn nữa khả năng tăng cường tín hiệu SERS, đặc biệt là khi phân tích các chất khác nhau.
2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho nhiều loại phân tử hơn: Hệ vật liệu Ag/Au/TiO2 không chỉ có tiềm năng phát hiện phân tử CV mà còn có thể ứng dụng để phát hiện nhiều loại phân tử hóa học và sinh học khác, đặc biệt là các chất độc hại hoặc vi sinh vật trong môi trường.
3. Kiểm nghiệm trong điều kiện thực tế: Để đảm bảo tính khả thi của hệ vật liệu trong quy mô công nghiệp, cần tiến hành thêm các thử nghiệm trong điều kiện thực tế và đánh giá tính ổn định của hệ vật liệu khi sử dụng lâu dài.
4. Khả năng tích hợp vào các hệ thống phát hiện tự động: Một hướng nghiên cứu tiềm năng là tích hợp hệ vật liệu SERS vào các thiết bị phát hiện tự động, nhằm tối ưu hóa quy trình phát hiện chất với độ chính xác cao và thời gian nhanh chóng.
Kết luận
Nghiên cứu về đế SERS dựa trên cấu trúc Ag/Au/TiO2 đã mở ra một hướng phát triển mới cho công nghệ phân tích phổ Raman. Cấu trúc plasmonic lưỡng kim loại kết hợp với ống nano TiO2 pha rutile không chỉ giúp tăng cường tín hiệu SERS mà còn mang lại sự ổn định và độ nhạy cao. Với khả năng phát hiện các phân tử ở nồng độ thấp dưới ppm, hệ vật liệu này có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực, từ an toàn thực phẩm đến giám sát môi trường và sinh học.
Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất tối ưu trong các điều kiện thực tế, cần tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa các đặc tính của hệ vật liệu, cũng như mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác. Nghiên cứu này đã đặt nền móng quan trọng cho sự phát triển của các vật liệu SERS thế hệ mới và hứa hẹn mang lại những tiến bộ lớn trong công nghệ phân tích và phát hiện chất.
Nguồn tóm tắt KQNC “Chế tạo và đánh giá đặc trưng cấu trúc Ag/AU/Tio2 nanotubes ứng dụng làm đế SERS ” của tác giả Bùi Thanh Nguyên. Xem toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống Kê Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Dương
Bùi Thanh Nguyên