Công nghệ Raman giúp phát hiện tạp chất trong môi trường

Các nhà khoa học của Renishaw đã phát triển các nano vàng hình xoắn ốc làm chất nền Tán xạ Raman tăng cường bề mặt SERS bất đối xứng để phân tích các tạp chất trong môi trường. Hình dạng xoắn ốc tăng cường sự khác biệt khi sử dụng ánh sáng phân cực tròn thuận bên trái hoặc bên phải để thăm dò hình dạng của các phân tử.
Lần đầu tiên, tác dụng của chất nền SERS bất đối trên phổ Raman phân cực đã được chứng minh. Đây là bước quan trọng để phân biệt giữa các phân tử bất đối với các ứng dụng phát hiện hóa chất siêu nhạy trong môi trường. 

Kính hiển vi Raman đồng tiêu inVia™ đã được sử dụng để phân tích tạp chất trong môi trường trong công trình mang tính đột phá này.

Việc sử dụng các kỹ thuật kiểm tra thông thường có thể gặp khó khăn, đôi khi là không thể trong việc phát hiện các chất gây ô nhiễm có hại như nhựa nano, chất gây ô nhiễm không khí và vi khuẩn trong sinh vật sống và vật liệu tự nhiên. Những chất gây ô nhiễm này có thể được tìm thấy với số lượng nhỏ đến mức mà các xét nghiệm thông thường không thể xác định được một cách tin cậy.

Tuy nhiên, điều này có thể sớm được thay đổi nhờ Công nghệ nano mới dựa trên trạng thái "xoắn" của ánh sáng, hứa hẹn giúp xác định thành phần hóa học của tạp chất và hình dạng hình học của chúng trong các mẫu không khí, chất lỏng và mô sống một cách dễ dàng hơn. Kính hiển vi Raman đồng tiêu inVia™ đã được sử dụng trong công trình mang tính đột phá này.

Hình 1. Tóm tắt quy trình phân tích tạp chất thực hiện trên Kính hiển vi Raman đồng tiêu Renishaw inVia™

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, dẫn đầu là các nhà vật lý tại Đại học Bath, đang nghiên cứu công nghệ này, có thể mở đường cho các phương pháp giám sát môi trường mới và các loại thuốc tiên tiến. Công trình nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Advanced Materials.

Kỹ thuật phát hiện mới dựa trên sự tương tác giữa các vật chất ánh sáng được gọi là hiệu ứng Raman. Hiệu ứng Raman xảy ra khi một vật liệu được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng nhất định, gây ra hiện tượng tán xạ và biến đổi ánh sáng thành vô số màu khác nhau. Về cơ bản, nó tạo ra một cầu vồng nhỏ phụ thuộc vào dao động của các nguyên tử bên trong vật liệu.

Đo màu sắc của cầu vồng Raman cho thấy các liên kết nguyên tử riêng lẻ vì liên kết phân tử có kiểu dao động riêng biệt. Mỗi liên kết trong vật liệu tạo ra sự thay đổi màu sắc độc đáo của riêng nó so với màu sắc của ánh sáng. Nhìn chung, màu sắc trong cầu vồng Raman dùng để phát hiện, phân tích và giám sát thành phần hóa học (liên kết hóa học) của các phân tử phức tạp, chẳng hạn như các phân tử được tìm thấy trong hỗn hợp các chất ô nhiễm môi trường.

Tiến sĩ Robin Jones, Khoa Vật lý tại Đại học Bath cho biết: “Hiệu ứng Raman dùng để phát hiện thuốc trừ sâu, dược phẩm, kháng sinh, kim loại nặng, mầm bệnh và vi khuẩn. Nó cũng được sử dụng để phân tích các sol khí trong khí quyển có tác động đến sức khỏe con người và khí hậu”

Chất ô nhiễm có hại

Giáo sư Liwu Zhang, đồng tác giả của nghiên cứu, Khoa Khoa học Môi trường tại Đại học Fudan ở Trung Quốc cho biết: “Các chất ô nhiễm trong nước, ngay cả ở lượng nhỏ, vẫn có thể tích tụ trong các sinh vật sống thông qua chuỗi sinh học. Điều này gây ra mối đe dọa đối với sức khỏe con người, động vật và động vật hoang dã. Nói chung, thật khó để biết chính xác thành phần hóa học của các hỗn hợp phức tạp là gì."

Giáo sư Ventsislav Valev, người đứng đầu nghiên cứu, từ Đại học Bath cho biết thêm: “ Chúng ta cần hiểu rõ về các chất gây ô nhiễm phức tạp, có khả năng gây hại trong môi trường để có thể tìm ra cách phân hủy chúng thành các thành phần vô hại. Nhưng vấn đề không chỉ là chúng là những nguyên tử gì, mà còn là cách các nguyên tử đó được sắp xếp như thế nào. Nó có thể quyết định cách thức hoạt động của các phân tử, đặc biệt là trong các sinh vật sống.

“Công trình của chúng tôi nhằm mục đích phát triển những cách thức mới. Trong đó, hiệu ứng Raman có thể cho chúng ta biết về cách sắp xếp các nguyên tử trong không gian và chúng tôi đã thực hiện một bước đột phá trong công nghệ bằng cách sử dụng các ăng-ten hình xoắn ốc nhỏ làm bằng vàng.”

Hiệu ứng Raman rất yếu, chỉ có một trong số 1.000.000 photon (hạt ánh sáng) bị thay đổi màu sắc. Để tăng cường nó, các nhà khoa học sử dụng ăng-ten thu nhỏ được chế tạo ở cấp độ nano để truyền ánh sáng tới vào các phân tử. Thông thường những ăng-ten này được làm bằng kim loại quý và thiết kế của chúng bị hạn chế bởi khả năng chế tạo nano.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Bath đã sử dụng ăng-ten xoắn ốc nhỏ nhất từng được sử dụng: chiều dài của chúng nhỏ hơn 700 lần độ dày của sợi tóc người và chiều rộng của ăng-ten nhỏ hơn 2.800 lần. Những ăng-ten này được làm từ vàng bởi các nhà khoa học trong nhóm của Giáo sư Peer Fischer tại Đại học Stuttgart ở Đức.

Tiến sĩ Jones cho biết: “Các phép đo của chúng tôi cho thấy những ăng-ten xoắn ốc này giúp thu được nhiều photon cầu vồng Raman ra khỏi các phân tử hơn”. Nhưng quan trọng hơn, hình dạng xoắn ốc giúp tăng cường sự khác biệt giữa hai loại ánh sáng thường được sử dụng để phát hiện hình học của các phân tử. Chúng được gọi là ánh sáng phân cực tròn.

"Ánh sáng phân cực tròn có thể thuận bên trái hoặc thuận bên phải và về cơ bản, các vòng xoắn ốc của chúng ta có thể tương tác với ánh sáng. Bởi vì chúng ta có thể làm cho các vòng xoắn ốc xoắn sang trái hoặc sang phải, nên việc tương tác với ánh sáng mà chúng tôi nghĩ ra có thể là cả hai phía trái hoặc phải."

"Mặc dù những tương tác như vậy đã được quan sát trước đó, nhưng bước tiến quan trọng ở đây là lần đầu tiên chúng tôi chứng minh được rằng các phân tử "cảm nhận" được vì nó ảnh hưởng đến cầu vồng Raman của chúng. Đây là một bước tiến quan trọng cho phép chúng tôi phân biệt một cách hiệu quả và đáng tin cậy giữa các phân tử thuận bên trái và bên phải, đầu tiên là trong phòng thí nghiệm và sau đó là trong môi trường."

Chất phân tích Crystal violet

Để chứng minh rằng sự tương tác mới giữa ánh sáng và ăng-ten có thể được truyền đến các phân tử, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phân tử crystal violet không thể tự tương tác với ánh sáng. Tuy nhiên, các phân tử crystal violet được gắn với các nano vàng hình xoắn ốc thì có thể thực hiện chức năng này.

Hình 2. Kết quả SERS thu được từ nghiên cứu

Giáo sư Valev cho biết: “Một khía cạnh quan trọng khác trong công trình của chúng tôi là chúng tôi đã làm việc với hai đối tác công nghiệp. VSParticle sản xuất vật liệu nano tiêu chuẩn để đo ánh sáng Raman. Việc có được các tiêu chuẩn chung thực sự quan trọng đối với các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới để có thể so sánh kết quả."

Ông nói thêm: "Đối tác Renishaw của chúng tôi là nhà sản xuất Kính hiển vi Raman hàng đầu thế giới. Những mối quan hệ hợp tác như vậy là rất cần thiết để công nghệ mới có thể bước ra khỏi phòng thí nghiệm và đi vào thế giới thực, nơi có nhiều thách thức về môi trường."

Dựa trên công trình này, nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực phát triển các dạng công nghệ Raman tiên tiến hơn.