Nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano lõi/vỏ của đồng oxit/kim loại quí và ứng dụng làm cảm biến đo một số chất độc trong thực phẩm

Trong thời gian từ năm 2018 đến năm 2021, TS. Nguyễn Việt Tuyên cùng các cộng sự tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano lõi/vỏ của đồng oxit/kim loại quí và ứng dụng làm cảm biến đo một số chất độc trong thực phẩm”.

Đề tài hướng đến thực hiện mục tiêu chế tạo thành công vật liệu composite dạng nano bán dẫn/kim loại (CuO, Cu2O) /kim loại quí; và sử dụng các vật liệu đã chế tạo để phát hiện dư lượng kháng sinh và 1 số chất độc khác trong thực phẩm ở nồng độ nhỏ đáp ứng được yêu cầu phân tích thực phẩm theo tiêu chuẩn Việt Nam trên cơ sở tán xạ Raman tăng cường bề mặt.

Sau ba năm nghiên cứu, đề tài đã thu được các kết quả như sau:

- Đã nghiên cứu chế tạo cấu trúc dây nano CuO có mật độ cao bằng phương pháp oxi hóa nhiệt. Ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ oxi hóa, thời gian phản ứng… đã được nghiên cứu chi tiết để thu được các cấu trúc dây nano CuO có mật độ cao, đồng đều và độ định hướng tốt.

Các kết quả cho thấy trong vùng nhiệt độ khảo sát từ 400 đến 600oC đều thu được các cấu trúc dây nano của đồng oxit, trong đó ở vùng nhiệt độ thấp từ 400 - 450oC dây nano thu được gồm cả Cu2O và CuO. Khi nhiệt độ ủ tăng lên trên 500oC, các dây nano thu được là đơn pha CuO và nhiệt độ oxi hóa ở 500oC cũng cho các dây có độ kết tinh tốt, cấu trúc đồng đều, định hướng tốt và mật độ cao so với các nhiệt độ ủ khác. Cơ chế phát triển của các dây nano CuO trong quá trình oxi hóa nhiệt cũng đã được nghiên cứu chi tiết bằng các phép đo Raman, quét EDS và ảnh hiển vi điện tử. Các dây nano CuO được hình thành do quá trình khuếch tán các nguyên tử Cu từ đế qua các biên hạt lên bề mặt, rồi bị oxi hóa tại bề mặt bởi oxy trong môi trường.

- Đã chế tạo thành công cấu trúc lõi vỏ CuO/Au bằng phương pháp phún xạ, thể hiện ảnh SEM của các dây nano CuO/Ag với độ dày lớp vỏ khác nhau là 20, 40, 80 và 160 nm. Kết hợp với ảnh tán sắc năng lượng cho thấy sự phân bố của các nguyên tố Cu, Ag và ảnh chồng chập rõ ràng cho thấy cấu trúc thu được ở dạng lõi Cu và vỏ Ag.

Cấu trúc dây nano dạng lõi vỏ CuO/Ag thu được là hoàn toàn tinh khiết và Ag tồn tại ở dạng kim loại không bị oxi hóa với mật độ cao, đồng đều là tiền đề quan trọng để sử dụng làm đế Raman tăng cường bề mặt.

- Đã nghiên cứu khả năng tăng cường tín hiệu Raman của cấu trúc nano lõi vỏ đã chế tạo được.

Một số cơ chế tăng cường có thể tạo ra độ nhạy cao của các đế SERS trên cở sở dây nano CuO/Ag được tóm lược như sau. Đầu tiên, cấu trúc phức tạp được hình thành bởi các dây nano CuO/Ag có vỏ dày tạo ra nhiều điểm giao cắt và các điểm gần tiếp xúc (nanogap) đóng vai trò là điểm nóng cho việc tăng cường Raman. Thứ hai, bề mặt thô ráp của các dây nano lõi/vỏ ở thời gian phún xạ dài và hiệu ứng cột thu lôi đồng thời có thể góp phần tăng cường trường điện từ trong quá trình đo Raman. Một đóng góp quan trọng khác có thể thuộc về sự truyền năng lượng cộng hưởng do plasmon gây ra giữa lõi CuO và lớp vỏ bạc.

Các kết quả nghiên cứu đã đáp ứng đầy đủ các mục tiêu đề ra ban đầu và được công bố trên các tạp chí ISI, tạp chí quốc gia và quốc tế uy tín.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19234/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

N.P.D (NASATI)