Cảm biến dựa trên đầu dò SERS sử dụng silic xốp phủ nano kim loại bạc để xác định nồng độ thấp các phân tử

Bài viết trình bày một phương pháp mới để xác định nồng độ vô cùng thấp của các phân tử bằng cách sử dụng đầu dò tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) trên nền vật liệu silic xốp (PSi) có phủ các hạt nano bạc (AgNPs).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến dựa trên đầu dò SERS sử dụng silic xốp phủ nano kim loại bạc để xác định nồng độ thấp các phân tửTẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 16, Số 1 (2020) CẢM BIẾN DỰA TRÊN ĐẦU DÒ SERS SỬ DỤNG SILIC XỐP PHỦ NANO KIM LOẠI BẠC ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ THẤP CÁC PHÂN TỬ Nguyễn Thúy Vân1*, Phạm Thanh Bình1, Vũ Đức Chính1, Ngô Thị Thu Hiền2, Đỗ Thùy Chi2, Hoàng Thị Hồng Cẩm3, Nguyễn Văn Ân4, Bùi Huy1, Phạm Văn Hội1, Phạm Thanh Sơn1 1 Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam 2 Trường Đại học sư phạm, Đại học Thái Nguyên 3 Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam 4 Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: vannt@ims.vast.ac.vn Ngày nhận bài: 21/7/2020; ngày hoàn thành phản biện: 28/7/2020; ngày duyệt đăng: 28/7/2020 TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một phương pháp mới để xác định nồng độ vô cùng thấp của các phân tử bằng cách sử dụng đầu dò tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) trên nền vật liệu silic xốp (PSi) có phủ các hạt nano bạc (AgNPs). Trên bề mặt PSi do được phủ các liên kết Si-H, liên kết này có tác dụng khử các ion Ag+ để hình thành các nguyên tử Ag, sau đó các nguyên tử Ag kết hợp với nhau thành hạt nano Ag với mật độ cao của các vùng điểm nóng. Đế SERS AgNPs/PSi với hiệu suất tăng cường cao được đánh giá qua việc xác định các phân tử chất màu methyl da cam (MO) với các nồng độ khác nhau trong khoảng từ 10-3 M tới 10- 11 M. Hệ số tăng cường (EF) của đế SERS AgNPs/PSi đạt khoảng 3x1011 tại nồng độ 10-11 M. Giới hạn phát hiện (LOD) thu được 10-12 M đối với các phân tử MO. Các kết quả này mở ra triển vọng trong lĩnh vực cảm biến khi sử dụng đế SERS AgNPs/PSi. Từ khóa: hạt nano bạc, methyl da cam, SERS; silic xốp.1. MỞ ĐẦU Quang phổ Raman (Raman spectroscopy - RS) đã thu hút được sự quan tâm lớnnhư một kỹ thuật cảm biến sinh học nhờ tính đặc hiệu hóa học tuyệt vời của nó, vìchúng có đặc điểm quan trọng là mỗi phân tử đều có các phổ Raman riêng biệt, vì vậyphương pháp phân tích vật liệu bằng tán xạ Raman có tính chọn lọc rất cao (khôngthua kém phương pháp khối phổ kế). Tuy nhiên, tín hiệu Raman thông thường cócường độ rất nhỏ do hiệu suất tương tác giữa chùm sáng kích thích và các phân 75Cảm biến dựa trên đầu dò SERS sử dụng silic xốp phủ nano kim loại bạc để xác định nồng độ thấp ...tử/nguyên tử trong mẫu đo rất thấp (cỡ 10-9), vì vậy phương pháp Raman thôngthường chỉ áp dụng có hiệu quả khi nồng độ phân tử/nguyên tử cần phân tích có nồngđộ lớn. Hiệu ứng tăng cường tín hiệu tán xạ Raman khi có mặt các màng kim loại đãđược phát hiện từ giữa thế kỷ XX do có cộng hưởng dao động của các điện tử trên bềmặt kim loại với tần số thích hợp của sóng điện từ kích thích và đặc biệt khi công nghệnano được phát triển đã phát hiện hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman trên các nanokim loại định xứ trên bề mặt có hiệu suất tăng cường lên đến hàng tỷ lần so với tínhiệu Raman thông thường [1]. Các loại đế phủ nano kim loại có hiệu ứng tăng cườngtín hiệu Raman được gọi chung là đế SERS (Surface Enhanced Raman Scattering). Đãcó nhiều loại đế SERS với các cấu hình khác nhau được chế tạo và đưa vào sử dụng vớihiệu suất cao trong kỹ thuật phân tích vật liệu bằng tán xạ Raman với độ nhạy pháthiện cực thấp và độ chọn lọc rất cao. Trong vài thập kỷ qua, nhờ các đặc tính quang học và vật lý độc đáo của silicxốp mà nó đã được sử dụng rộng rãi làm cảm biến như cảm biến sinh học [3], cảm biếnđiện hóa [4] và cảm biến quang [5]. Trong các loại cảm biến này, cảm biến SERS đãnhận được nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây. Silic xốp códiện tích bề mặt lớn, độ nhám bề mặt cao và kích thước lỗ xốp chọn lọc được là nhữngthông số quan trọng có thể tạo ra sự tăng cường tín hiệu tán xạ Raman cao cho các mụctiêu khác nhau. Silic xốp là một trong những vật liệu xốp được sử dụng làm đế SERS(như nhôm xốp, thủy tinh xốp) do bề mặt SERS có độ nhám cao sẽ giúp tạo ra sự tăngcường tán xạ Raman cao hơn so với bề mặt nhẵn [6]. Các hạt nano Si trong cấu trúcsilic xốp được phủ các kim loại quý như vàng, bạc, hợp kim vàng-bạc...có thể giúp việctruyền điện tích điện tử tăng cường từ các hạt nano kim loại đến các phân tử cần phântích và như vậy sẽ làm tăng cường hiệu ứng SERS. Trong công bố này, các hạt nano bạc (AgNPs) lắng đọng trên bề mặt cấu trúcsilic xốp (PSi) như một đầu dò SERS được thiết kế để xác định và nhận biết định lượngcác phân tử chất màu methyl da cam (MO). Cấu trúc PSi được chế tạo bằng phươngpháp ăn mòn điện hóa anốt phiến S ...