Quang phổ huỳnh quang khác gì so với quang phổ hấp thụ UV-Vis?

Quang phổ hấp thụ UV-Vis đo lường độ suy giảm của chùm ánh sáng truyền qua mẫu chất theo định luật Beer-Lambert, trong khi quang phổ huỳnh quang đo lường cường độ ánh sáng phát xạ thứ cấp phát ra khi các phân tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản. Do đo tín hiệu phát xạ trên nền tối quang học, quang phổ huỳnh quang đạt độ nhạy và giới hạn phát hiện vượt trội hơn nhiều so với quang phổ hấp thụ.

Dịch chuyển Stokes có ý nghĩa gì trong phân tích huỳnh quang?

Dịch chuyển Stokes biểu thị độ chênh lệch năng lượng và bước sóng giữa cực đại hấp thụ kích thích và cực đại phát xạ huỳnh quang. Bước sóng phát xạ luôn dài hơn bước sóng kích thích do sự tiêu hao năng lượng trong các quá trình hồi phục dao động và tổ chức lại dung môi, cho phép phân tách quang học hoàn toàn tín hiệu phát xạ khỏi nguồn kích thích ban đầu.

Tại sao trong thiết bị đo huỳnh quang đầu dò lại được đặt ở góc 90 độ?

Đầu dò tín hiệu huỳnh quang được bố trí theo phương vuông góc 90 độ so với hướng truyền của chùm tia kích thích nhằm ngăn chùm sáng kích thích cường độ mạnh đi thẳng vào bộ thu nhận. Cách bố trí quang học này giúp triệt tiêu hiện tượng tán xạ ánh sáng và tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép đo.

Hiện tượng truyền năng lượng FRET hoạt động theo cơ chế nào?

Truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) là quá trình chuyển giao năng lượng kích thích không bức xạ giữa phân tử cho (donor) và phân tử nhận (acceptor) thông qua tương tác lưỡng cực điện từ trường gần. Hiệu suất truyền năng lượng phụ thuộc tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 6 của khoảng cách giữa hai phân tử, biến FRET thành một thước đo khoảng cách phân tử cực kỳ chính xác ở quy mô nanomet.

Quang phổ huỳnh quang (fluorescence spectroscopy) là gì?

Quang phổ huỳnh quang (tiếng Anh: fluorescence spectroscopy, đôi khi được gọi là fluorometry hoặc spectrofluorimetry) là một phương pháp phân tích quang phổ phát xạ quang học chuyên sâu, dựa trên việc đo lường cường độ và bước sóng của bức xạ điện từ phát ra khi các phân tử chuyển từ trạng thái kích thích điện tử về trạng thái cơ bản sau khi đã hấp thụ photon năng lượng cao. Trong hệ thống các kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại, quang phổ huỳnh quang nổi bật nhờ độ nhạy đặc biệt vượt trội, độ chọn lọc phân tử cao và khả năng cung cấp thông tin động học ở thang thời gian siêu nhanh về cấu trúc phân tử cũng như vi môi trường xung quanh.

Nguyên lý quang vật lý và sơ đồ mức năng lượng Jablonski

Để hiểu rõ bản chất của hiện tượng huỳnh quang, các quá trình quang vật lý diễn ra sau khi phân tử hấp thụ ánh sáng thường được biểu diễn thông qua sơ đồ mức năng lượng do nhà vật lý Aleksander Jablonski đề xuất vào năm 1935. Sơ đồ Jablonski minh họa trực quan các trạng thái điện tử singlet và triplet cùng các phân mức dao động tương ứng của phân tử.

Ở điều kiện cân bằng nhiệt động thông thường, đa số các phân tử hữu cơ tồn tại ở trạng thái cơ bản singlet, ký hiệu là $S_0$ , trong đó mọi electron đều được ghép đôi spin đối song song theo nguyên lý loại trừ Pauli. Khi phân tử tương tác với chùm bức xạ kích thích có năng lượng thích hợp tương ứng với bước sóng vùng tử ngoại hoặc khả kiến, electron sẽ hấp thụ photon và chuyển dịch lên trạng thái kích thích singlet cao hơn, ký hiệu là $S_1$ hoặc $S_2$ . Quá trình hấp thụ photon kích thích diễn ra vô cùng nhanh chóng, với khoảng thời gian ước tính chỉ vào khoảng $10^{-15}$ giây theo nguyên lý Franck-Condon, trong đó vị trí không gian của các hạt nhân nguyên tử hầu như bất động trong suốt thời gian diễn ra bước nhảy điện tử.

Sau khi đạt đến các phân mức dao động cao của trạng thái kích thích singlet, phân tử nhanh chóng tiêu tán năng lượng dao động dư thừa để trở về phân mức dao động thấp nhất của trạng thái kích thích $S_1$ . Quá trình này bao gồm hai hiện tượng chính không bức xạ:

Hồi phục dao động (vibrational relaxation): Sự va chạm cơ học giữa phân tử chất tan bị kích thích với các phân tử dung môi xung quanh làm mất năng lượng nhiệt nhanh chóng.
Chuyển mức nội (internal conversion): Sự chuyển dời không phát xạ giữa hai trạng thái điện tử có cùng độ bội spin (ví dụ từ $S_2$ về $S_1$ ).

Cả hai quá trình giải tỏa năng lượng không bức xạ trên đều hoàn tất trong khoảng thời gian siêu ngắn, xấp xỉ $10^{-12}$ giây. Do tốc độ chuyển dịch này nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ phát xạ quang học, phân tử luôn tích tụ tại mức dao động đáy của trạng thái $S_1$ trước khi diễn ra bất kỳ sự phát xạ nào. Quy luật này được gọi là quy tắc Kasha (Kasha's rule), phát biểu rằng bức xạ huỳnh quang hầu như luôn xảy ra từ mức dao động thấp nhất của trạng thái kích thích điện tử thấp nhất.

Từ mức đáy của trạng thái kích thích $S_1$ , phân tử có thể giải phóng năng lượng để trở về các phân mức dao động khác nhau của trạng thái cơ bản $S_0$ thông qua quá trình phát xạ tự phát photon ánh sáng. Hiện tượng phát xạ photon từ trạng thái singlet kích thích về trạng thái singlet cơ bản được định nghĩa là huỳnh quang (fluorescence). Theo chuyên khảo của Lakowicz (2006), thời gian sống huỳnh quang (fluorescence lifetime, ký hiệu là $\tau$ ) đại diện cho khoảng thời gian trung bình mà một tập hợp phân tử lưu lại ở trạng thái kích thích trước khi phát quang, thường dao động trong khoảng từ 1 đến 10 nano giây, tức tương đương từ $10^{-9}$ đến $10^{-8}$ giây.

Bên cạnh huỳnh quang, phân tử ở trạng thái $S_1$ còn có thể trải qua quá trình biến đổi spin để chuyển sang trạng thái triplet kích thích $T_1$ thông qua hiện tượng giao thoa giữa các hệ (intersystem crossing). Do sự chuyển dời từ trạng thái triplet $T_1$ trở về trạng thái singlet cơ bản $S_0$ là một bước nhảy bị cấm bởi quy tắc chọn lọc spin lượng tử, tốc độ phát xạ diễn ra rất chậm chạp. Hiện tượng phát xạ photon từ mức triplet được gọi là lân quang (phosphorescence), với thời gian sống kéo dài hơn huỳnh quang rất nhiều bậc độ lớn, thường từ $10^{-3}$ đến 100 giây.

Dịch chuyển Stokes và đặc trưng phổ phát xạ

Một đặc tính nền tảng chi phối toàn bộ phương pháp quang phổ huỳnh quang là hiện tượng dịch chuyển Stokes (Stokes shift). Được nhà khoa học George Gabriel Stokes mô tả và giải thích bản chất lần đầu tiên vào năm 1852, quy luật này chỉ ra rằng năng lượng của photon phát xạ huỳnh quang luôn nhỏ hơn năng lượng của photon kích thích ban đầu, đồng nghĩa với việc bước sóng cực đại của phổ phát xạ huỳnh quang luôn dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn so với cực đại của phổ hấp thụ.

Nguyên nhân vật lý sâu xa của dịch chuyển Stokes bao gồm hai cơ chế tiêu tán năng lượng độc lập:

Sự mất mát năng lượng nhiệt do quá trình hồi phục dao động nhanh chóng của phân tử về mức đáy dao động của trạng thái $S_1$ trước khi phát xạ, cũng như sự giải tỏa dao động sau khi rơi xuống các mức dao động kích thích của trạng thái $S_0$ .
Hiệu ứng tái cấu trúc vỏ dung môi: Moment lưỡng cực điện của phân tử chất phát quang ở trạng thái kích thích thường có độ lớn và hướng khác biệt đáng kể so với trạng thái cơ bản. Các phân tử dung môi có cực xung quanh sẽ nhanh chóng định hướng lại để làm bền hóa năng lượng của trạng thái kích thích, kéo theo sự hạ thấp mức năng lượng khả dĩ và làm giảm tần số photon phát ra.

Sự hiện diện của dịch chuyển Stokes mang ý nghĩa kỹ thuật vô cùng to lớn trong thực nghiệm quang phổ. Nhờ sự phân tách rõ rệt giữa dải bước sóng kích thích và dải bước sóng phát xạ, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các bộ lọc quang học hoặc hệ đơn sắc để loại bỏ hoàn toàn ánh sáng kích thích nguyên bản, chỉ thu nhận photon huỳnh quang tinh khiết. Điều này tạo nên môi trường đo lường quang học trên nền tối (zero background), lý giải tại sao phép đo huỳnh quang đạt được độ nhạy phát hiện cao hơn rất nhiều so với phép đo phổ hấp thụ phân tử.

Hơn nữa, đối với phần lớn các chất phát huỳnh quang thơm trong dung dịch, phổ phát xạ huỳnh quang thường có dạng đường cong đối xứng gương (mirror image rule) so với phổ hấp thụ chuyển dời điện tử tương ứng. Hiện tượng này xuất phát từ thực tế là các khoảng cách năng lượng giữa các phân mức dao động ở trạng thái cơ bản $S_0$ và trạng thái kích thích $S_1$ thường tương đồng nhau, phản ánh cấu trúc hạt nhân phân tử không bị biến dạng nghiêm trọng sau khi hấp thụ ánh sáng.

Hiệu suất lượng tử và động học quang hóa

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang (fluorescence quantum yield, ký hiệu là $\Phi$ ) là đại lượng định lượng quan trọng hàng đầu phản ánh khả năng phát quang của một phân tử chất màu (fluorophore). Đại lượng này được định nghĩa là tỷ số giữa tổng số photon huỳnh quang phát ra chia cho tổng số photon ánh sáng mà phân tử đã hấp thụ:

\Phi = \frac{\text{Số photon phát xạ}}{\text{Số photon hấp thụ}}

Theo tiêu chuẩn đo lường quốc tế do IUPAC công bố trong báo cáo kỹ thuật năm 2011, giá trị hiệu suất lượng tử huỳnh quang luôn là một số thực không thứ nguyên nằm trong khoảng giới hạn từ 0 đến 1, tương ứng với tỷ lệ từ 0 đến 100%. Một hợp chất có hiệu suất lượng tử tiến gần đến 1 là chất phát quang lý tưởng, hầu như mọi năng lượng hấp thụ đều được chuyển đổi thành bức xạ ánh sáng, trong khi các chất có hiệu suất bằng 0 được coi là không phát huỳnh quang.

Về mặt động học vi mô, hiệu suất lượng tử là kết quả cạnh tranh trực tiếp giữa hằng số tốc độ phát xạ bức xạ tự nhiên ( $k_r$ ) và tổng tất cả các hằng số tốc độ của các quá trình phân rã không bức xạ ( $\sum k_{nr}$ ), bao gồm chuyển mức nội, giao thoa giữa các hệ và dập tắt do dung môi:

\Phi = \frac{k_r}{k_r + \sum k_{nr}}

Mối liên hệ giữa hiệu suất lượng tử và thời gian sống huỳnh quang thực tế $\tau$ được xác định theo biểu thức động học:

\tau = \frac{1}{k_r + \sum k_{nr}}

Khi đó, nếu ký hiệu thời gian sống bức xạ tự nhiên là $\tau_0 = 1 / k_r$ , ta có biểu thức liên hệ đơn giản $\Phi = \tau / \tau_0$ . Các yếu tố môi trường như nhiệt độ chất lỏng, độ nhớt của dung môi, sự hiện diện của oxy hòa tan hoặc các ion kim loại nặng đều có thể làm gia tăng tốc độ khử kích thích không bức xạ $\sum k_{nr}$ , từ đó làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất lượng tử huỳnh quang của mẫu chất.

Hiện tượng dập tắt huỳnh quang và phương trình Stern-Volmer

Hiện tượng dập tắt huỳnh quang (quenching) là quá trình làm suy giảm cường độ phát xạ hoặc thời gian sống huỳnh quang của chất phát quang do tương tác với các phân tử khác trong môi trường, được gọi là chất dập tắt (quencher, ký hiệu là Q). Sự dập tắt huỳnh quang được phân loại thành hai cơ chế vật lý cơ bản: dập tắt động học (va chạm) và dập tắt tĩnh học.

Dập tắt động học (Collisional Quenching)

Dập tắt động học xảy ra khi phân tử chất phát quang ở trạng thái kích thích $S_1$ va chạm cơ học với phân tử chất dập tắt trong suốt thời gian tồn tại ngắn ngủi của nó, dẫn đến việc tiêu tán năng lượng kích thích không bức xạ thông qua chuyển dịch điện tích hoặc truyền năng lượng. Động học của quá trình dập tắt va chạm được mô tả một cách xuất sắc bằng phương trình Stern-Volmer, do Otto Stern và Max Volmer công bố vào năm 1919:

\frac{F_0}{F} = 1 + K_{SV}[Q] = 1 + k_q \tau_0 [Q]

Trong đó:

$F_0$ và $F$ lần lượt biểu thị cường độ huỳnh quang đo được khi không có mặt và khi có mặt chất dập tắt ở nồng độ $[Q]$ .
$K_{SV}$ là hằng số dập tắt Stern-Volmer.
$k_q$ là hằng số tốc độ dập tắt lưỡng phân tử sinh ra do va chạm khuếch tán.
$\tau_0$ là thời gian sống huỳnh quang của phân tử phát quang khi không có chất dập tắt.

Trong trường hợp dập tắt động học thuần túy, tỷ số giữa thời gian sống huỳnh quang $\tau_0 / \tau$ biến thiên hoàn toàn trùng khớp với tỷ số cường độ $F_0 / F$ , bởi vì sự va chạm ngẫu nhiên làm rút ngắn trực tiếp thời gian sống của trạng thái kích thích.

Dập tắt tĩnh học (Static Quenching)

Trái ngược với dập tắt va chạm, dập tắt tĩnh học diễn ra khi phân tử chất phát quang ở trạng thái cơ bản tạo phức chất không phát quang bền vững với phân tử chất dập tắt trước khi hấp thụ ánh sáng. Khi chùm ánh sáng chiếu vào, phần phức chất này hấp thụ photon nhưng lập tức chuyển hóa năng lượng thành nhiệt mà không phát xạ photon huỳnh quang. Điểm khác biệt mấu chốt để phân biệt hai cơ chế này là trong dập tắt tĩnh học, thời gian sống huỳnh quang của những phân tử phát quang tự do còn lại hoàn toàn không bị suy giảm ( $\tau_0 / \tau = 1$ ), đồng thời nhiệt độ tăng cao sẽ làm kém bền phức chất, dẫn đến việc hằng số dập tắt tĩnh học suy giảm thay vì tăng lên như trong cơ chế va chạm khuếch tán.

Hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET)

Một trong những hiện tượng quang vật lý có giá trị ứng dụng cao nhất của quang phổ huỳnh quang hiện đại là hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng Förster (Förster Resonance Energy Transfer, viết tắt là FRET). Lý thuyết cơ bản về cơ chế này được nhà hóa lý Theodor Förster công bố vào năm 1948.

FRET là quá trình truyền năng lượng kích thích không phát xạ từ một phân tử cho ánh sáng (donor) đang ở trạng thái kích thích sang một phân tử nhận năng lượng (acceptor) ở khoảng cách gần. Quá trình truyền năng lượng này không thông qua việc phát xạ và tái hấp thụ photon trung gian, mà diễn ra thông qua tương tác cộng hưởng lưỡng cực - lưỡng cực trong trường gần điện từ giữa hệ electron của donor và acceptor.

Để hiện tượng FRET có thể diễn ra với xác suất cao, hệ thống phân tử cần thỏa mãn ba điều kiện tiên quyết:

Phổ phát xạ huỳnh quang của phân tử donor phải có phần diện tích xen phủ phổ đáng kể với phổ hấp thụ của phân tử acceptor.
Các moment lưỡng cực chuyển dịch quang học của donor và acceptor phải có hướng không gian thuận lợi, không vuông góc triệt tiêu nhau.
Khoảng cách không gian giữa hai phân tử phải đủ gần, thường nằm trong thang đo phạm vi kích thước nanomet.

Hiệu suất truyền năng lượng FRET, ký hiệu là $E$ , phụ thuộc tỷ lệ nghịch cực kỳ nhạy bén với lũy thừa bậc 6 của khoảng cách không gian $r$ giữa tâm phân tử donor và acceptor, theo biểu thức kinh điển:

E = \frac{R_0^6}{R_0^6 + r^6}

Trong công thức trên, $R_0$ được gọi là bán kính Förster (Förster distance). Bán kính Förster đại diện cho khoảng cách phân tử đặc trưng mà tại đó hiệu suất truyền năng lượng FRET đạt đúng mức 50%. Theo tổng quan của Roy và cs. (2008), đối với phần lớn các cặp chất đánh dấu huỳnh quang sinh học trong thực nghiệm, giá trị bán kính $R_0$ thường dao động trong khoảng từ 1 đến 10 nanomet (nm).

Do sự phụ thuộc vào lũy thừa bậc 6 của khoảng cách, chỉ cần một biến đổi không gian vô cùng nhỏ cỡ phân số nanomet cũng dẫn đến sự thay đổi sâu sắc của hiệu suất FRET. Đặc tính này biến FRET thành một công cụ định lượng trắc vi quang học vô song, được mệnh danh là chiếc thước đo quang phổ phân tử (spectroscopic ruler) nhằm theo dõi sự cuộn gập protein, tương tác lai ghép acid nucleic và động học liên kết thụ thể - phối tử trong tế bào sống.

Cấu hình thiết bị đo và kỹ thuật kiểm soát sai số

Một hệ thống thiết bị quang phổ huỳnh quang tiêu chuẩn (spectrofluorometer) bao gồm các khối chức năng quang học chính được thiết kế tỉ mỉ:

Nguồn sáng kích thích: Thường sử dụng đèn hồ quang Xenon công suất cao tạo phổ liên tục ổn định từ vùng tử ngoại đến cận hồng ngoại, hoặc các nguồn phát xạ đơn sắc chuyên dụng như laser và diode phát quang bán dẫn (LED).
Hệ đơn sắc kích thích và phát xạ: Sử dụng các cách mạng nhiễu xạ quang học hoặc bộ lọc giao thoa để lựa chọn bước sóng kích thích phân tử và phân giải phổ phát xạ huỳnh quang tương ứng.
Buồng chứa mẫu đo: Mẫu chất tan thường được chứa trong cuvet thạch anh quang học có chiều dài đường truyền ánh sáng chuẩn là 1 cm (tương đương 10 mm), có bốn mặt đều được đánh bóng trong suốt để cho phép ánh sáng đi qua tự do theo hai phương trực giao.
Hệ thống thu nhận và đầu dò tín hiệu: Các bộ nhân quang điện tử (photomultiplier tube, PMT), cảm biến mảng tích điện (CCD) hoặc diode tuyết lở quang điện có khả năng khuếch đại dòng electron để phát hiện các tín hiệu quang học cực kỳ yếu.

Về mặt hình học bố trí, đầu dò phát hiện tín hiệu huỳnh quang luôn được đặt theo góc 90 độ vuông góc so với trục truyền của chùm tia sáng kích thích. Cách bố trí quang học trực giao 90 độ này là nguyên tắc bất biến để ngăn chặn chùm ánh sáng kích thích ban đầu chiếu thẳng vào đầu dò, qua đó triệt tiêu tối đa các thành phần ánh sáng tán xạ Rayleigh và tán xạ Raman từ dung môi, đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu luôn ở mức tối ưu.

Trong phân tích định lượng, mối quan hệ giữa cường độ huỳnh quang đo được $F$ và nồng độ chất tan $c$ ở khoảng nồng độ rất loãng được mô tả gần đúng qua biểu thức tuyến tính:

F = K \cdot I_0 \cdot \Phi \cdot \varepsilon \cdot b \cdot c

Trong đó $I_0$ là cường độ chùm sáng kích thích ban đầu, $\varepsilon$ là hệ số hấp thụ mol, $b$ là chiều dài đường quang của cuvet, và $K$ là hệ số hình học của thiết bị đo. Tuy nhiên, tính chất tuyến tính này chỉ được duy trì nghiêm ngặt khi dung dịch có độ hấp thụ quang rất thấp. Khi nồng độ chất tan gia tăng, một hiện tượng sai số nghiêm trọng được gọi là hiệu ứng lọc trong (inner filter effect) sẽ xuất hiện.

Hiệu ứng lọc trong bao gồm hai cơ chế: hiệu ứng lọc trong sơ cấp (dung dịch ở phần trước cuvet hấp thụ quá nhiều photon kích thích khiến chùm tia bị suy giảm cường độ trước khi chạm đến tâm đo) và hiệu ứng lọc trong thứ cấp (các phân tử chất tan tái hấp thụ photon huỳnh quang vừa phát ra). Theo khuyến nghị thực nghiệm của Lakowicz (2006), để loại bỏ hoàn toàn sai số méo mó phổ này, các quy trình phân tích chuẩn mực quy định mẫu đo huỳnh quang phải được pha loãng sao cho độ hấp thụ quang (absorbance) tại bước sóng kích thích luôn được kiểm soát chặt chẽ ở mức dưới 0,05 hoặc tối đa không vượt quá 0,1 tại chiều dài đường quang 1 cm.

Phương pháp phổ thời gian sống huỳnh quang (FLIM) và ứng dụng hiện đại

Trong khi quang phổ huỳnh quang ở trạng thái dừng (steady-state fluorescence) đo lường cường độ trung bình theo thời gian, phương pháp phổ huỳnh quang phân giải thời gian (time-resolved fluorescence) tập trung đo đạc sự suy giảm cường độ phát xạ theo từng phần tỷ giây sau xung kích thích ngắn. Đỉnh cao của kỹ thuật này là kính hiển vi hình ảnh thời gian sống huỳnh quang (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, viết tắt là FLIM).

Đặc tính ưu việt tuyệt đối của phép đo thời gian sống huỳnh quang, như đã được Berezin và Achilefu hệ thống hóa toàn diện vào năm 2010, nằm ở chỗ thời gian sống huỳnh quang là một thuộc tính nội tại của trạng thái kích thích phân tử, hoàn toàn không phụ thuộc vào nồng độ chất phát quang tại chỗ, sự biến thiên cường độ nguồn kích thích hay sự suy giảm tín hiệu do hiện tượng quang tẩy (photobleaching). Nhờ đó, phương pháp này cho phép định lượng chính xác các thông số vật lý vi mô bên trong nội bào như độ pH nội bào, áp suất oxy hòa tan, nồng độ ion tự do và sự tương tác giữa các đại phân tử sinh học.

Ngày nay, quang phổ huỳnh quang cùng các kỹ thuật phát triển từ nó đã trở thành công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ mũi nhọn:

Sinh học phân tử và y sinh học: Giải trình tự gen thế hệ mới dựa trên các nucleotide gắn chất huỳnh quang, định lượng protein bằng xét nghiệm miễn dịch huỳnh quang (FIA), chẩn đoán tế bào dòng chảy (flow cytometry) và phẫu thuật nội soi dẫn đường bằng chất phát quang huỳnh quang cận hồng ngoại.
Hóa học phân tích và kiểm nghiệm dược phẩm: Kiểm tra độ tinh khiết của dược chất, phát hiện dư lượng kháng sinh và độc tố sinh học trong thực phẩm với độ nhạy ở cấp độ vết.
Khoa học vật liệu và công nghệ nano: Nghiên cứu tính chất quang điện tử của chấm lượng tử bán dẫn (quantum dots), ống nano carbon, vật liệu khung cơ kim (MOF) và đánh giá hiệu suất của các tế bào quang điện hữu cơ thế hệ mới.
Quan trắc môi trường: Phát hiện các vết dầu tràn, hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) độc hại trong nguồn nước và theo dõi hàm lượng chất hữu cơ hòa tan tự nhiên trong hệ sinh thái biển.