Nghiên cứu chế tạo cảm biến quang-hóa trên sợi quang ứng dụng phát hiện hóa chất độc hại môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THANH BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG-HÓA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THANH BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG-HÓA TRÊN NỀN SỢI QUANG ĐỂ ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI TRONG MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật liệu Quang học, Quang điện tử và Quang tử Mã sỗ: 9. 27 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Bùi Huy Hà Nội – 2023 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới các thầy hướng dẫn khoa học là PGS. Phạm Văn Hội và PGS.

Bùi Huy, các thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo thuận lợi và định hướng cho em trong tư duy khoa học cũng như trong quá trình thực hiện luận án. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Bộ phận đào tạo sau đại học, Lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu này. Tôi xin cảm ơn các cô chú, anh chị em đồng nghiệp trong Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi đã luôn luôn hỗ trợ, khích lệ, động viên tôi trong công việc và trong cuộc sống.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. Vũ Đức Chính, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Nguyễn Thúy Vân và TS.

Hoàng Thị Hồng Cẩm, PGS. Phạm Văn Hải, TS. Đỗ Thùy Chi đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu của mình. Cuối cùng tôi xin được chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, và những người thân của tôi đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và công tác.

Tác giả luận án NCS. Phạm Thanh Bình ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của hai thầy giáo PGS. Phạm Văn Hội và PGS. Bùi Huy cùng sự hợp tác với các đồng nghiệp.

Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong luận án khác. Tác giả luận án NCS. Phạm Thanh Bình iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AgNPs Ag nanoparticles Các hạt nano bạc AgNDs Ag nano-dendrites Các cành lá nano bạc ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại AuNPs Au nanoparticles Các hạt nano vàng AuNPs/AgNDs Au nanoparticles/ Ag nano- Các hạt nano vàng phủ trên dendrites các cành lá nano bạc BVTV Bảo vệ thực vật CM Chemical enhancement Cơ chế tăng cường hóa học mechanism đ.y Đơn vị tùy ý EF Enhancement factor Hệ số tăng cường EM Electromagnetic enhancement Cơ chế tăng cường điện từ mechanism EDX Energy dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lượng tia X spectrometer FBG Fiber Bragg grating Cách tử Bragg trong sợi quang FE-SEM Field emission scanning electron Kính hiển vi điện tử quét microscope phát xạ trường FOM figure of merit Hệ số phẩm chất FOS Fiber-optic sensor Cảm biến quang sợi LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện LSPR Localized surface Plasmon Cộng hưởng plasmon bề mặt resonance định xứ LPG Long Period Grating Cách tử có chu kỳ dài NA Numerical Aperture Khẩu độ số iv OSA Optical Spectrum Analyzer Thiết bị phân tích phổ quang PCF Photonic Crystal Fiber Sợi quang tinh thể quang tử R6G Rhodamine 6G Chất màu Rhodamine 6G RI Refractive index Chỉ số chiết suất RIU Refractive index unit Đơn vị chỉ số chiết suất SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SERS Surface enhanced Raman Tán xạ Raman Tăng cường scattering bề mặt SMS Singlemode fiber-Mutilmode Cấu trúc sợi đơn mode-đa fiber-Singlemode fiber mode-đơn mode SPR Surface Plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TE Transverse Electric Điện trường ngang TFBG Tilted Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang có chu kỳ nghiêng TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TIR Total Internal Reflection Phản xạ nội toàn phần v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN.

ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iii MỤC LỤC .v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. ix DANH MỤC CÁC BẢNG. xiii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG. Khái niệm về sợi quang. Cấu trúc sợi quang. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang.

Một số thông số cơ bản của sợi quang. Cảm biến sợi quang (Fiber-optic sensor: FOS). Phân loại cảm biến sợi quang. Những thông số đánh giá chất lượng của cảm biến.

Sợi quang trong ứng dụng cảm biến quang-hóa. Cảm biến quang sợi dựa trên kỹ thuật sóng trường gần. Một số loại cảm biến quang-hóa sợi quang dựa trên kỹ thuật sóng trường gần .22 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CẢM BIẾN QUANG-HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON.

Cảm biến quang-hóa dựa trên FBG. Tổng quan về FBG. Ứng dụng cách tử Bragg sợi quang trong lĩnh vực cảm biến. Cảm biến quang hóa dựa trên FBG.

Cảm biến quang hóa dựa vào hiệu ứng cộng hưởng Plasmon của các cấu trúc nano kim loại định xứ trên bề mặt sợi quang. Hiệu ứng plasmon. Cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon. Cảm biến quang hóa dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt.

Đế SERS trên nền quang sợi. Các thông số đánh giá chất lượng của đế SERS. Tình hình nghiên cứu cảm biến SERS tại Việt Nam .53 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HÓA SỢI QUANG DỰA TRÊN FBG VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BẰNG VIỆC TÍCH HỢP D-FBG TRONG CẤU HÌNH LASER SỢI VỚI CẤU TRÚC GƯƠNG VÒNG.

Chế tạo cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG. Phương pháp ăn mòn hóa học. Khảo sát đặc tính của cảm biến e – FBG:. Phương pháp mài mòn cơ học.

Khảo sát đặc tính của cảm biến D – FBG. Phát triển cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên cảm biến D - FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng. Cấu trúc của cảm biến. Nguyên lý hoạt động của cảm biến.

Khảo sát đặc tính của cảm biến quang hóa dựa vào cảm biến D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng (loop-mirror) .70 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ĐẾ SERS SỢI QUANG VỚI CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG/NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HÓA CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÁC LASER BÁN DẪN. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag. Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ và hóa chất:.

Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano- Ag bằng phương pháp quang-hóa với sự hỗ trợ của chùm laser 532 nm. Khảo sát hình thái học đế SERS sợi quang dạng phẳng với các cấu trúc nano-Ag. Khảo sát tính chất đế SERS sợi quang phẳng với các cấu trúc nano Ag. Chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá.

Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị và hóa chất:. Quy trình chế tạo đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá bằng phương pháp quang-hóa có sự hỗ trợ của hai laser 532 nm và 650 nm. Khảo sát hình thái học của đế SERS sợi quang dạng vi cầu với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá. Khảo sát tính chất đế SERS với cấu trúc nano Au/Ag dạng cành lá trên đầu vi cầu .98 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.

ỨNG DỤNG CẢM BIẾN QUANG HÓA DỰA TRÊN NỀN .106 SỢI QUANG ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ HÓA CHẤT ĐỘC HẠI .106 TRONG MÔI TRƯỜNG. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên FBG để phân tích nitrate và một số dung môi hữu cơ trong môi trường lỏng. Ứng dụng cảm biến quang hóa sợi quang dựa trên e-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích nitrate trong môi trường lỏng. Ứng dụng cảm biến quang hóa dựa trên D-FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi có cấu trúc gương vòng để phân tích một số dung môi hữu cơ.

Ứng dụng đế SERS sợi quang với các cấu trúc nano AgNDs và AuNPs/AgNDs để phân tích một số chất bảo vệ thực vật. Ứng dụng đế SERS sợi quang phẳng với cấu trúc AgNDs để phân tích chất BVTV Permethrin. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AgNDs để phân tích chất BVTV Dimethoate. Ứng dụng đế SERS sợi quang vi cầu với cấu trúc nano AuNPs/AgNDs để phân tích chất BVTV Fention và Cypermethrin .117 viii KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 .123 KẾT LUẬN CHUNG .124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .126 CÁC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO NỘI DUNG LUẬN ÁN .126 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN .128 TÀI LIỆU THAM KHẢO .130 ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.

Cấu trúc của sợi quang. Sự truyền dẫn của tia sáng trong sợi quang 7 Hình 1. Hệ thiết bị cảm biến sợi quang 9 Hình 1.4 Một số ứng dụng của cảm biến sợi quang 10 Một số cấu trúc và nguyên lý của đầu dò cảm biến sợi quang Hình 1. 11 trong phân tích các tác nhân gây hại trong môi trường.

Cấu trúc và nguyên lý của đầu dò cảm biến sợi quang ăn mòn Hình 1. Cấu trúc và nguyên lý của đầu dò cảm biến sợi quang dạng chữ Hình 1. Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của FBG 28 Hình 2. Phổ phản xạ của FBG theo sự suy giảm độ dày của lớp vỏ.

40 (a) Plasmon khối; (b) Plasmon bề mặt; (c) Plasmon bề mặt định Hình 2. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ. Cấu trúc cảm biến SPR sợi quang 43 Hình 2. Một số đế SERS dạng rắn 49 Hình 2.

Một số đế SERS linh hoạt trên nền polyme 49 Hình 2. Một số đế SERS linh hoạt trên nền sợi quang 50 Cấu trúc cảm biến SERS trên cơ sở sợi quang đã được nghiên Hình 2. Đế SERS với cấu trúc nano vàng hoặc bạc trên khuôn anot hóa Hình 2.10 oxit nhôm của tập thể nghiêm cứu của GS.