Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc cảm biến sers Fe3O4/Au VÀ Fe3O4/tio2/Ag ứng dụng phát hiện chất kháng sinh cv ở nồng độ thấp
Crystal Violet (CV) là hóa chất kháng sinh để nhuộm mô, phân loại vi khuẩn, làm chất tẩy rửa, phát triển trong nuôi cấy mô để bảo quản, thuốc nhuộm huỳnh quang, điều trị nhiễm nấm da, kháng khuẩn, được sử dụng trên vết xước để ngăn ngừa nhiễm trùng ngoài da, …
Tuy nhiên, CV có thể gây ung thư, gây đột biến khối u thận, gan và phổi ở động vật khi đưa vào cơ thể người hàm lượng vượt cho phép nên chất này được xem là chất cấm trong nuôi trồng thủy sản. Vì vậy, việc phát hiện chất CV ở nồng độ thấp trong thực phẩm nói chung và thủy sản nói riêng là cần thiết và cấp bách.
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để phát hiện chất cấm ở nồng độ thấp. Tuy nhiên, phương pháp SERS chiếm ưu thế hơn, SERS là một phương pháp đo không huỷ mẫu, có thể dùng được nhiều lần đối với loại đế màng hay rất tiết kiệm chi phí với loại đế dung dịch và khả năng phát hiện siêu nhạy của phương pháp, đồng thời với phương pháp này, công đoạn thực hiện đơn giản nên việc đo mẫu trở nên nhanh gọn hơn các phương pháp khác.
Để chế tạo được đế SERS có hiệu suất tốt có khả năng phát hiện ở mức vết thì cần ba tiêu chí cơ bản như cần tạo và sắp xếp được nhiều điểm nóng trong cấu trúc nano kim loại quý; chất nền SERS phải có diện tích bề mặt lớn để tạo điều kiện cho sự hấp thụ của các chất cần phân tích và đế SERS phải có khả năng tái sử dụng cao. Do đó, luận văn này tập trung thiết kế và chế tạo các đế SERS có các điện tử đóng vai trò là điểm nóng đồng đều và có mật độ cao để tăng cường SERS, đồng thời kết hợp các điểm nóng với cấu trúc bán dẫn dạng ôxit kim loại để tăng cường hiệu quả tính chất SERS nhằm nhận biết phân tử mục tiêu ở nồng độ thấp dưới ppm.
Khi nghiên cứu về đế SERS, có nhiều chất được quan tâm, trong đó Au, Ag, TiO2 và Fe3O4 là những hạt nano được chú ý với những tính chất phù hợp để nghiên cứu và phát triển chế tạo đế SERS. Vì vậy, đề tài này tập trung chế tạo và nghiên cứu hai cấu trúc SERS Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4/Au nhằm đánh giá và so sánh khả năng nhận biết chất kháng sinh CV ở nồng độ thấp của chúng.
Luận văn được thực hiện nhằm mục tiêu chế tạo cấu trúc nano Fe3O4/Au và Fe3O4/TiO2/Ag bằng phương pháp thủy nhiệt, hóa dung dịch, quang khử và kết hợp nhiều phương pháp này. Từ đó, đánh giá, phân tích tính chất, cấu trúc và hiệu ứng SERS của vật liệu Fe3O4/Au và Fe3O4/TiO2/Ag và ứng dụng hai cảm biến SERS này để phát hiện chất kháng sinh CV ở nồng độ thấp.
Để đạt được những mục tiêu đề ra, tác giả đã sử dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu, cụ thể:
Phương pháp chế tạo: Phương pháp thuỷ nhiệt, phương pháp hoá dung dịch, phương pháp tổng hợp vi sóng và kết hợp các phương pháp này. Đối với các nano TiO2, đề tài kế thừa từ sản phẩm của một nhóm nghiên cứu trước đó, các hạt nano TiO2 được nhóm này chế tạo bằng phương pháp thuỷ nhiệt.
Phương pháp phân tích được dùng để phân tích đặc điểm hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM, S-4800, Hitachi); phân tích thành phần hóa học bằng quang phổ năng lượng tán xạ tia X (EDX); Đánh giá pha và độ kết tinh của vật liệu bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) với bức xạ Cu Ka; Đánh giá phổ hấp thụ và các đỉnh cộng hưởng plasmon bằng phổ hấp thụ UV-Vis của máy quang phổ UV-Vis (V-690, JASCO, Inc.); Đánh giá tính chất SERS nhận biết chất ở nồng độ thấp bằng hệ thống micro-Raman đồng tiêu (Horiba XploRA PLUS).
Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau khi chế tạo thành công các hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp thuỷ nhiệt, nano Au bằng phương pháp vi sóng và nano Ag bằng phương pháp hoá dung dịch, cùng với TiO2 sẵn có, từ đây tiếp tục tiến hành kết hợp các hạt nano này lại để chế tạo hai tổ hợp Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4/Au tương ứng với khả năng nhận diện chất cấm CV được thể hiện thông qua hình ảnh phổ Raman dưới đây.
Hình 1. Phổ Raman của chất kháng sinh CV theo nồng độ của các mẫu Fe3O4/Au, Au và Fe3O4 thuần.
Phổ Raman của CV ở nồng độ thấp với cấu trúc Au, Fe3O4 và Au/Fe3O4 được thể hiện trên hình 1. Kết quả cho thấy khi có sự kết hợp giữa Fe3O4 và hạt nano Au thì các đỉnh CV có cường độ cao hơn, số đỉnh CV nhiều hơn so với mẫu Au và Fe3O4 thuần. Đặc biệt, có thể thấy rõ cường độ phổ cao hơn hẳn ở đỉnh có số sóng khoảng 700 cm-¹. Qua đây có thể thấy cấu trúc cảm biến SERS Fe3O4/Au có khả năng tăng cường hiệu quả tán xạ Raman bề mặt với khả năng nhận biết chất kháng sinh CV ở nồng độ 10-6 M tốt hơn so với các cấu trúc cảm biến SERS Fe3O4 và Au thuần.
Hình 2. Phổ Raman của phân tử CV ở nồng độ 10-8 M trên đế SERS Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4 /Au.
Kết quả hình 2 cho thấy các đỉnh tín hiệu Raman đặc trưng của chất nhận biết CV, đó là các đỉnh tại các vị trí 807 cm-1, 918 cm-1, 1179 cm-1, 1379 cm-1 1595 cm-1 và 1625 cm-1 được cho là các dao động liên quan đến các liên kết trong cấu trúc của vật liệu CV. Ở cùng nồng độ 10-8 M của các phân tử CV, kết quả thể hiện cường độ các đỉnh với cấu trúc SERS Au/Fe3O4 thấp hơn so với cấu trúc SERS Fe3O4/TiO2/Ag. Vậy khả năng nhận diện CV ở nồng độ 10-8 M của Fe3O4/TiO2/Ag là tốt hơn so với Fe3O4 /Au.
Từ các kết quả đạt được, luận văn đã chế tạo và nghiên cứu hai cấu trúc cảm biến Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4/Au.
Nghiên cứu đã tổng hợp và khảo sát thành công nano Fe3O4 theo phương pháp thuỷ nhiệt có dạng hình cầu với kích thước khoảng 300 nm, cùng với nano Au và nano Ag dạng hình cầu với kích thước lần lượt 30 nm và 10 nm. Điều này hỗ trợ tích cực cho việc chế tạo các đế SERS Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4 /Au có hiệu suất tốt.
Cảm biến Fe3O4/TiO2/Ag có thể nhận biết chất CV tốt ở nồng độ 10-8 M và cảm biến Fe3O4 /Au có thể nhận biết chất CV tốt ở nồng độ 10-6 M.
Đồng thời, tác giả cũng đã so sánh hai cảm biến Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4 /Au cho thấy CV ở cùng nồng độ 10-8 M cảm biến Fe3O4/TiO2/Ag cho hiệu ứng SERS tốt hơn cảm biến Fe3O4 /Au nhờ cơ chế CE (tăng cường hoá học) và EM (tăng cường điện từ) hiệp lực tốt hơn.
Luận văn đã thành công trong việc chế tạo hai loại đế SERS Fe3O4/TiO2/Ag và Fe3O4/Au để nhận biết chất kháng sinh CV ở nồng độ thấp và đế SERS Fe3O4/TiO2/Ag cho hiệu ứng SERS tốt hơn cảm biến Fe3O4 /Au ở nồng độ 10-8 M.
Nguồn tóm tắt KQNC “Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc cảm biến sers Fe3O4/Au VÀ Fe3O4/tio2/Ag ứng dụng phát hiện chất kháng sinh cv ở nồng độ thấp” của tác giả Lê Thị Thu Hường. Xem toàn văn tại Trung tâm Thông tin và Thống Kê Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Dương
Lê Thị Thu Hường