Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU Cảm biến quang tử đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh trên thế giới do chúng có những đặc trưng ưu việt rất rõ ràng so với các loại cảm biến điện tử khác như: độ nhạy phát hiện cực cao, không bị nhiễu do ảnh hưởng bởi môi trường điện-từ, bền trong các môi trường ăn mòn hóa học và vật lý, không gây cháy nổ do nguồn điện cực. Cảm biến quang tử nói chung được phân loại theo nguyên lý vật lý là cảm biến nội sinh và cảm biến ngoại sinh. Cảm biến ngoại sinh thường sử dụng các nguyên lý vật lý là ánh sáng bị thay đổi về cường độ lan truyền; phản xạ; tán xạ; khúc xạ; hoặc chuyển đổi bước sóng do tương tác với môi trường bên ngoài. Loại cảm biến này tương đối dễ chế tạo, tuy nhiên việc xử lý tín hiệu ánh sáng thay đổi do môi trường bên ngoài đòi hỏi các thiết bị đi kèm phức tạp mới có độ nhạy cao. Cảm biến quang tử nội sinh sử dụng nguyên lý vật lý là bản thân cảm biến bị thay đổi về cấu trúc và tính chất quang khi tương tác với môi trường, vì vậy chúng có độ nhạy rất cao, xử lý tín hiệu thu được khá dễ dàng, kích thước thiết bị nhỏ gọn. Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến quang tử nội sinh là khả năng dùng nhiều lần cho một cảm biến và tính chọn lọc của cảm biến. Cảm biến quang tử nội sinh đang được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển trên thế giới do chúng có độ nhạy phát hiện cực cao, có thể kết hợp với nhiều chuyên ngành hóa học, sinh học... để ứng dụng cho các đối tượng cụ thể cần nghiên cứu. Hiện nay, các phương pháp nâng cao độ chọn lọc của cảm biến quang tử nội sinh (cũng như các loại cảm biến điện tử khác) đang là đối tượng nghiên cứu rất sôi động trên thế giới và đã có một số kết quả rất khả quan. Các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới đã đề xuất phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) [1]–[4], sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis [5] để phân tích định lượng các thành phần với nồng độ cực nhỏ. Các phương pháp này đã đóng vai trò chủ đạo trong phân tích dư lượng các chất hữu cơ hòa tan với nồng độ thấp trong quy trình kiểm định hoặc kiểm soát môi trường. Tuy nhiên, các phương pháp này có một số nhược điểm là thời gian phân tích khá lâu, quy trình phân tích phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích (cán bộ phân tích cần được đào tạo kỹ), không thể thực hiện di động ngoài hiện trường, giá thành thiết bị rất cao. Trong lĩnh vực cảm biến điện hóa [6][7], phương pháp hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được nghiên cứu phát triển để ứng dụng trong xác định dư lượng các chất hữu cơ đặc trưng dựa trên nguyên lý kháng nguyên – kháng thể. Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh, vì vậy đã có khá nhiều mô hình thiết bị cảm biến sử dụng nguyên lý ELISA được đề xuất và nghiên cứu. Phương pháp ELISA có nhược điểm cần khắc phục là độ chính xác thấp trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều Phòng nghiên cứu cảm biến trên thế giới. Các thiết bị cảm biến quang tử nội sinh dựa trên nguyên lý thay đổi chiết suất của môi trường cảm biến khi tương tác với môi trường đang là đối tượng nghiên cứu rất mạnh trên thế giới. Các nguyên lý truyền dẫn, giao thoa và tán xạ; khúc xạ ánh sáng được nghiên cứu và áp dụng triệt để trong các cảm biến quang tử nội sinh trên cơ sở thay đổi chiết suất môi trường. Kết quả được công bố gần đây nhất về sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang có thể xác định được độ thay đổi chiết suất đến 7,2.10 -6 trong môi trường lỏng [8] cho phép nhận dạng nồng độ chất hòa tan cực nhỏ. Hướng nghiên cứu về cảm biến quang tử dựa trên cấu trúc của buồng vi cộng hưởng một chiều làm bằng vật liệu silic xốp được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa có độ xốp rất cao và đặc biệt với diện tích bề mặt hiệu dụng lớn [9], đang được quan tâm đặc biệt trong công nghệ chế tạo các thiết bị cảm biến quang tử nội sinh ứng dụng trong kiểm soát môi trường và sinh-hóa. Cảm biến quang tử nội sinh dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng có kích thước nhỏ gọn, độ nhạy rất cao và không sử dụng nguồn điện trong cảm biến, vì vậy độ an toàn trong sử dụng rất cao. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học-công nghệ đã đẩy mạnh nghiên cứu và sử dụng các cảm biến quang tử nội sinh cho việc xác định nồng độ các dung môi hòa tan, các kháng thể sinh học [10], xác định mức ô nhiễm dầu mỏ và các chế phẩm từ dầu mỏ [11], xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong nước và bùn (ghi nhận được nồng độ thuốc trừ sâu với nồng độ 1 ppm) [12], xác định nồng độ DNA (nồng độ DNA 0,1 mol/mm 2 ) [13], cảm biến hóa học [14]. Xu hướng nghiên cứu phát triển cảm biến quang tử nội sinh trên thế giới hiện nay là nâng cao độ nhạy phát hiện của cảm biến (xuống dưới ppm), chọn lọc các chất có tính chất quang gần nhau và chế tạo các loại thiết bị hoạt động tại hiện trường với giá thành thấp... Hơn nữa, vật liệu silic xốp (porous silicon) kích thước nano-mét với độ xốp khác nhau sẽ có chiết suất khác nhau, vì vậy cấu trúc màng silic xốp đa lớp rất dễ dàng tạo thành hốc cộng hưởng quang học với giá thành thấp, bền trong môi trường để ứng dụng trong kỹ thuật cảm biến quang tử [15]. Các kết quả nghiên cứu vừa qua trên thế giới cho thấy cảm biến quang tử dựa trên hốc cộng hưởng có khả năng đo nồng độ dung môi hòa tan và chất bảo vệ thực vật trong môi trường nước với nồng độ cực thấp, vì vậy việc nghiên cứu phát triển các phương pháp cảm biến quang sử dụng hốc vi cộng hưởng quang ứng dụng trong thiết bị cầm tay để đo mức độ ô nhiễm môi trường nước do các dung môi hữu cơ từ sản xuất công nghiệp hoặc các chất bảo vệ thực vật do sản xuất nông nghiệp đang trở thành hướng nghiên cứu công nghệ rất quan trọng. Dựa trên diện tích tiếp xúc bề mặt lớn của silic xốp, vật liệu silic xốp đã trở thành vật liệu khá lý tưởng cho cảm biến đo môi trường lỏng và khí. Nguyên lý hoạt động của các cảm biến quang tử là sự dịch chuyển bước sóng cộng hưởng của linh kiện theo chiết suất của môi trường cần đo khác với chiết suất của môi trường chuẩn (nền) cho cảm biến (chủ yếu là không khí hoặc nước sạch). Ưu điểm của cảm biến quang tử này là chúng có độ nhạy rất phù hợp cho việc xác định các chất hữu cơ hòa tan hoặc chất bảo vệ thực vật với nồng độ thấp có trong môi trường, có khả năng đo ngay tại hiện trường, không bị ảnh hưởng bởi sóng điện-từ và có độ an toàn rất cao trong môi trường có nguy cơ cháy nổ cao. Chính vì vậy, “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất của vi cộng hưởng quang tử 1D làm cảm biến quang” đã được lựa chọn làm đề tài nghiên cứu của luận án.