Đây là kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học cấp quốc gia: “Nghiên cứu chế tạo cấu trúc nano lõi/vỏ của đồng oxit/kim loại quý và ứng dụng làm cảm biến đo một số chất độc trong thực phẩm” do TS. Nguyễn Việt Tuyên cùng các cộng sự tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thực hiện từ 2018 đến năm 2021.
Cụ thể, đề tài hướng tới mục tiêu chế tạo vật liệu composite dạng nano bán dẫn/kim loại (CuO, Cu2O) /kim loại quý, đồng thời sử dụng các vật liệu đã chế tạo để phát hiện dư lượng kháng sinh và một 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.
Chia sẻ về quá trình nghiên cứu, TS. Nguyễn Việt Tuyên – chủ nhiệm đề tài cho biết, trong ba năm thực hiện, đề tài 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.
Theo đó, trong vùng nhiệt độ khảo sát từ 400 - 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.
Kết quả, nhóm nghiên cứu 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.
Ảnh SEM của các dây nano CuO/Ag với độ dày lớp vỏ khác nhau là 20, 40, 80 và 160 nm (Nguồn ảnh: Nhóm nghiên cứu)
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.
Ngoài ra, đề tài 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 cơ sở dây nano CuO/Ag được tóm lược như sau: Thứ nhất, 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.
Mỹ Anh
