Việc sử dụng tràn lan các chất kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản dẫn tới sự tồn dư kháng sinh trong thực phẩm, gây tác động xấu tới sức khoẻ của người tiêu dùng, gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm và làm giảm hiệu quả điều trị bởi hiện tượng kháng kháng sinh của vi khuẩn. Một hệ lụy khác về mặt kinh tế là thủy sản của Việt Nam gặp nhiều khó khăn khi xuất khẩu. Vì vậy, việc phát triển một phương pháp để phát hiện nhanh các chất kháng sinh trong thủy sản là vấn đề hết sức cần thiết.

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) là phương pháp được phát triển để phát hiện một lượng rất nhỏ trong vùng ppm-ppb (thường gọi là vết) của các phân tử hóa học và sinh học dựa trên việc ghi phổ Raman của các phân tử này. Đây là một phương pháp phân tích nhanh, chính xác, ít tốn kém và đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Do đó, SERS có thể được sử dụng để phát hiện lượng vết các chất kháng sinh tồn dư trong trong thủy sản.

Xuất phát từ thực tiễn trên, chủ nhiệm đề tài TS. Lương Trúc Quỳnh Ngân cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu thực hiện đề tài “Nghiên cứu phát hiện vết của một số thuốc kháng sinh hạn chế sử dụng trong nuôi trồng thủy sản bằng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)” với mục tiêu: Chế tạo thành công các hoa nano kim loại (bạc hoặc vàng) và sử dụng chúng làm các đế SERS có hiệu suất cao (hệ số tăng cường Raman ≥ 106 ) và (ii) Thử nghiệm sử dụng các đế SERS đã chế tạo được để phát hiện các chất kháng sinh Ciprofloxacin và Ampicillin (các chất kháng sinh hạn chế sử dụng trong nuôi trồng thủy sản) với nồng độ thấp tới 100 ppb (µg/kg) (đối với Ciprofloxacin) và 50 ppb (đối với Ampicillin) – mức dư lượng tối đa theo Văn bản hợp nhất số 08/VBHN-BNNPTNT do Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn ký ngày 25/02/2014.

Đề tài sẽ tập trung vào việc chế tạo các cấu trúc nanô kim loại với các hình thái cấu trúc khác nhau, có hiệu suất tăng cường SERS cao, làm đế SERS, sau đó sử dụng các đế này làm các cảm biến để phát hiện lượng vết của một số loại kháng sinh bị hạn chế sử dụng trong nuôi trồng thủy sản thông qua kỹ thuật SERS. Các điều kiện chế tạo và đo đạc sẽ được thay đổi sao cho có thể phát hiện được các chất kháng sinh với nồng độ thấp tới mức đảm bảo an toàn cho con người.

Với phương pháp nghiên cứu chính sẽ sử dụng là phương pháp vật lý và hoá học thực nghiệm. Cụ thể, các cấu trúc nano kim loại (bạc hoặc vàng) với nhiều hình thái khác nhau đã được chế tạo bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa để làm đế SERS. Các điều kiện chế tạo sẽ được thay đổi để có thể tạo được đế SERS có cấu trúc hình thái tối ưu. Hình thái và cấu trúc của các đế SERS sẽ được ghi nhận, phân tích và đánh giá thông qua ảnh SEM, TEM, phổ nhiễu xạ tia X và phép phân tích EDX. Sự cộng hưởng plasmon của đế SERS sẽ được khảo sát thông qua phép đo UV-Vis.

Hiệu suất của các đế SERS được đánh giá thông qua việc ghi phổ SERS của các chất mầu bằng hệ đo Raman xách tay i-RamanPro 785 nm (Model: BWS475-785H) của hãng BWTek - USA với chùm sáng laser kích thích có bước sóng 785 nm. Các hệ thiết bị trên hiện đều đang có tại Viện Khoa học vật liệu, cơ quan chủ trì của đề tài đăng ký. Tương tự, thử nghiệm sử dụng các đế SERS này để ghi nhận phổ SERS của một số chất kháng sinh được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản bằng các hệ Raman nói trên. Ngoài ra phổ FTIR cũng sẽ được sử dụng để nghiên cứu mối liên kết giữa phân tử chất phân tích với các cấu trúc nano trên đế SERS. Sau đó sẽ dùng các lý thuyết, mô hình sẵn có, phát triển các mô hình sẵn có hoặc đề xuất các mô hình mới để giải thích các kết quả thực nghiệm.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

- Đã chế tạo hệ các hạt nano bạc trên Si (AgNPs@Si) bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch cồn có chứa HF và AgNO3 bằng phương pháp lắng đọng điện hóa để làm đế SERS. Các kết quả thu được cho thấy sau quá trình chế tạo trên bề mặt Si được lắng đọng 1 lớp các AgNPs với kích thước nhỏ (10 - 20 nm) với độ đồng đều cao và mật độ dày, khoảng cách giữa các hạt lân cận chỉ 1 vài nm. Đế SERS này cho khả năng tăng cường SERS rất tốt với hệ số tăng cường Raman (Raman enhancement factor) đạt khoảng 109 lần. Kết quả nghiên cứu này được chúng tôi đăng trên tạp chí quốc tế uy tín (RSC Advances năm 2020).

- Mặc dù đã chế tạo được các đế SERS AgNPs@Si với cấu trúc hình thái rất tốt và khả năng tăng cường SERS tốt tuy nhiên sự phức tạp trong quy trình chế tạo như việc phải ổn định nhiệt độ chế tạo ở 17 độ C khiến cho khả năng ứng dụng của loại đế này cũng bị hạn chế phần nào. Do đó, chúng tôi tiến hành chế tạo các cấu trúc nano bạc có hình dạng phức tạp như cành lá và hoa nano với quy trình chế tạo đơn giản hơn. Việc lắng đọng hệ các cành lá nano bạc (AgNDs) được thực hiện lên trên bề mặt hai loại đế nền là Si và lá đồng (Cu) bằng lắng đọng điện hóa và lắng đọng hóa học. Các cấu trúc nano bạc với hình dạng giống như cây dương xỉ với phân nhánh cấp 3 với kích thước vài chục mm, mật độ dày đã được hình thành trên bề mặt Si và lá Cu sau quá trình chế tạo. Đế SERS này cho khả năng tăng cường SERS rất tốt với hệ số tăng cường Raman (Raman enhancement factor) cũng đạt khoảng 109 lần. Các kết quả nghiên cứu này được chúng tôi đăng trên tạp chí quốc tế uy tín (Optik năm 2021) và tạp chí quốc gia uy tín (Communications in Physics năm 2021).

- Do kích thước của các AgNDs chế tạo được là khá lớn (một vài chục mm) do đó loại đế SERS này có hạn chế về độ đồng đều của đế, do đó chúng tôi đã tiến hành chế tạo các cấu trúc nano bạc dạng hoa (AgNFs). Các cấu trúc hoa nano bạc đã được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp hóa học với hình dạng khác nhau (hình ngôi sao và hình cuộn len). Các cấu trúc hoa nano bạc hình ngôi sao đã được chúng tôi chế tạo bằng quy trình khử AgNO3 bằng chất khử hydroxylamine (HA) và trisodium citrate. Kết quả cho thấy rằng các hoa nano bạc hình ngôi sao chế tạo được có kích thước khoảng 250-300 nm và có độ gồ ghề đặc biệt cao do có nhiều nhánh nhô ra khỏi lõi trung tâm. Các hoa nano bạc hình ngôi sao chế tạo được có kích thước và hình dạng tương đối đồng đều với mật độ cao. Với các cấu trúc hoa nano hình cuộn len, chúng tôi sử dụng các chất khử là axit ascorbic và axit citric trong dung dịch hỗn hợp cồn - nước. Kết quả cho thấy rằng đã chế tạo được các cấu trúc hoa nano bạc hình dạng giống như cuộn len với kích thước có thể thay đổi được từ 280 nm đến 700 nm (tùy thuộc vào tỷ lệ dung môi cồn - nước), các hoa nano bạc có độ gồ ghề cao và mật độ dày, độ đồng đều tốt. Các hoa nano bạc mà chúng tôi chế tạo được có hệ số tăng cường SERS đạt khoảng 109 với độ đồng đều và độ ổn định tốt. Các kết quả về chế tạo các cấu trúc hoa nano bạc đã được chúng tôi công bố trên 02 tạp chí quốc tế uy tín (Optik và RSC Advances năm 2022), 01 báo cáo tại Kỷ yếu Hội nghị khoa học quốc tế (Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications XII) và 01 báo cáo tại Kỷ yếu Hội nghị khoa học trong nước (Kỷ yếu Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ XII).Các kết quả tổng hợp về chế tạo các cấu trúc nano bạc dạng hạt, cành lá đã được chúng tôi công bố trên tạp chí quốc gia uy tín (Communications in Physics năm 2022).

- Đã sử dụng các cấu trúc hoa nano bạc chế tạo được làm đế SERS để ứng dụng phân tích vết của hai thuốc kháng sinh sử dụng trong nuôi trồng thủy sản là ciprofloxaxin và ampicillin. Các kết quả đạt được cho thấy đế SERS hoa nano bạc cho phép phát hiện ciprofloxaxin với nồng độ thấp hơn 100 ppb và đạt giới hạn phát hiện là 0,23 ppb và cho phép phát hiện ampicillin với nồng độ thấp hơn 50 ppb và đạt giới hạn phát hiện là 0,1 ppb. Tất cả các ngưỡng phát hiện trên đều đáp ứng mức dư lượng tối đa theo Văn bản hợp nhất số 08/VBHN-BNNPTNT do Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn ký ngày 25/02/2014.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 23290/2023) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)