Chế tạo Polymer in dấu phân tử Fe3O4 & Ứng dụng cảm biến màu xác định Glucose

Luận văn chi tiết về chế tạo polymer in dấu phân tử trên nền hạt nano Fe3O4 và ứng dụng trong cảm biến màu để xác định nồng độ glucose.

• Tác giả: Chế Huỳnh Quang Quý
• Người hướng dẫn: Ts. Lý Tấn Nhiệm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Chế tạo polymer in dấu phân tử trên nền hạt nano Fe3O4 và ứng dụng trong cảm biến màu xác định glucose
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Cảm Biến Glucose từ Polymer In Dấu Phân Tử Fe3O4

Cảm biến glucose từ polymer in dấu phân tử trên nền hạt nano Fe3O4 là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xác định glucose không xâm lấn. Vật liệu Fe3O4@polydopamine được tổng hợp thành công với kích thước hạt nano trong khoảng 10-30nm, có độ từ hoá bão đạt 52.6 emu/g và sở hữu tính siêu thuận từ độc đáo. Công nghệ này kết hợp tính chất từ của hạt nano Fe3O4 với khả năng nhận dạng đặc hiệu của polymer in dấu phân tử, tạo ra một hệ thống cảm biến hiệu quả cao. Ứng dụng trong xác định nồng độ glucose mở ra nhiều tiềm năng trong chẩn đoán y tế và giám sát sức khỏe. Nghiên cứu này đã chứng minh khả năng phân biệt các dải nồng độ glucose từ 0 đến 0.0001 M với độ chính xác cao.

1.1. Cơ Chế Hoạt Động của Cảm Biến Glucose

Cảm biến glucose hoạt động dựa trên nguyên lý xúc tác Fe3O4 trong phân hủy H2O2, tạo ra gốc tự do OH•. Chất chỉ thị TMB được sử dụng để nhận diện các gốc tự do này, dẫn đến thay đổi màu quan sát được bằng quang phổ UV-Vis. Polymer in dấu phân tử trên bề mặt hạt nano Fe3O4 cung cấp các vị trí kết hợp đặc hiệu với glucose, tăng độ chọn lọc và độ nhạy của cảm biến. Cơ chế này cho phép phát hiện glucose ở nồng độ thấp với độ lệch chuẩn RSD tối đa 8%.

1.2. Ưu Điểm của Công Nghệ Cảm Biến Này

Vật liệu Fe3O4@PDA sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật: tính siêu thuận từ cho phép tách chiết dễ dàng từ dung dịch, kích thước nano tăng diện tích bề mặt hấp phụ, và polymer in dấu phân tử cung cấp độ đặc hiệu cao. Cảm biến màu cho phép phát hiện glucose bằng mắt thường mà không cần thiết bị phức tạp. Ngoài ra, vật liệu này thể hiện độ chọn lọc tốt đối với glucose khi so sánh với các phân tử khác như sucrose, lysine, melamine.

II. Quy Trình Chế Tạo Polymer In Dấu Phân Tử trên Fe3O4

Quy trình chế tạo polymer in dấu phân tử Fe3O4@polydopamine bao gồm nhiều bước phức tạp và cần điều kiện kiểm soát chặt chẽ. Đầu tiên, hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, tạo ra các hạt có kích thước đồng nhất. Tiếp theo, lớp polydopamine được tích tụ trên bề mặt Fe3O4 thông qua oxy hóa tự động của dopamine trong điều kiện kiềm. Sau đó, glucose được sử dụng làm template phân tử để tạo các vị trí kết hợp đặc hiệu. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, điều kiện chiếu sáng và môi trường acetate đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả tổng hợp và tính chất cuối cùng của vật liệu.

2.1. Tổng Hợp Hạt Nano Fe3O4

Hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa từ muối Fe2+ và Fe3+ trong điều kiện không khí được loại bỏ. Các hạt thu được có kích thước 10-30nm với độ từ hoá bão 52.6 emu/g và sở hữu tính siêu thuận từ độc đáo. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt thông qua điều chỉnh tỷ lệ molar của các chất tiền chất và pH của dung dịch.

2.2. Phủ Lớp Polydopamine và Tạo In Dấu Phân Tử

Lớp polydopamine được tích tụ trên bề mặt hạt Fe3O4 thông qua oxy hóa tự động của dopamine. Glucose hoạt động như template phân tử để tạo các vị trí kết hợp. Vật liệu Fe3O4@PDA vẫn giữ được tính siêu thuận từ sau khi được phủ bởi lớp polydopamine. Độ dày lớp vỏ ở kích thước nano được kiểm soát bằng cách điều chỉnh thời gian và nồng độ dopamine.

III. Phương Pháp Phân Tích và Đánh Giá Tính Chất Vật Liệu

Để khảo sát đặc tính của polymer in dấu phân tử Fe3O4, nhiều kỹ thuật phân tích hiện đại đã được áp dụng. Kính hiển vi điển tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh hình thái bề mặt chi tiết ở độ phóng đại cao. Tán xạ ánh sáng động (DLS) đo kích thước hạt trong dung dịch lơ lửng. Phổ hồng ngoại Fourier biến đổi (FTIR) xác định các nhóm chức năng và độ xác nhận cấu trúc polymer. Nhiễu xạ tia X (XRD) xác minh cấu trúc tinh thể của Fe3O4. Từ kế mẫu rung (VSM) đo độ từ hoá và tính siêu thuận từ. Các kết quả từ các phương pháp này được tương đối hóa để xác minh sự thành công của tổng hợp vật liệu.

3.1. Kỹ Thuật Phân Tích Cấu Trúc Vật Liệu

SEM cung cấp thông tin về hình thái hạt và độ phân tán. XRD xác minh cấu trúc tinh thể Fe3O4 tại các góc nhiễu xạ đặc trưng. FTIR chứng minh sự hình thành lớp polydopamine thông qua các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm aromatic và C-O. DLS so sánh kích thước hạt với dữ liệu từ phương trình Scherrer tính toán từ XRD, cung cấp thông tin về sự liên quan giữa các phương pháp.

3.2. Đánh Giá Tính Từ và Hiệu Quả Cảm Biến

VSM đo độ từ hoá bão và tính siêu thuận từ của Fe3O4 và Fe3O4@PDA, chứng minh vẫn giữ được tính từ sau khi phủ. Khả năng cảm biến được đánh giá thông qua quang phổ UV-Vis đo cường độ màu của dung dịch TMB trong các điều kiện khác nhau. Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian, điều kiện chiếu sáng và môi trường acetate được khảo sát chi tiết để tối ưu hoá hiệu suất cảm biến.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Xác Định Glucose

Cảm biến glucose từ polymer in dấu phân tử Fe3O4 thể hiện tiềm năng lớn trong các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong chẩn đoán y tế và giám sát sức khỏe. Vật liệu Fe3O4@PDA có khả năng phân biệt các dải nồng độ glucose từ 0 đến 0.0001 M với độ lệch chuẩn RSD tối đa 8%, cho thấy độ chính xác cao. Cảm biến màu cho phép phát hiện glucose bằng mắt thường mà không cần thiết bị quang phổ phức tạp, làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng điều kiện thực tế và kiểm tra nhanh chóng. Độ đặc hiệu của vật liệu đối với glucose được xác nhận khi so sánh với các phân tử khác như sucrose, lysine, melamine, Ca2+, K+. Công nghệ này mở ra khả năng sử dụng trong các ứng dụng biosensor tiên tiến.

4.1. Ứng Dụng trong Chẩn Đoán Y Tế

Cảm biến glucose có thể được ứng dụng trong xác định nồng độ glucose máu cho bệnh nhân tiểu đường. Khả năng phát hiện glucose ở nồng độ thấp cho phép chẩn đoán sớm các bất thường trong chuyển hoá glucose. Tính siêu thuận từ của Fe3O4 cho phép thiết bị dễ dàng tách chiết vật liệu từ mẫu, đơn giản hóa quy trình xử lý mẫu. Độ chọn lọc cao đối với glucose giảm sai số do các chất can nhiễm trong mẫu thực tế.

4.2. Tiềm Năng Phát Triển trong Tương Lai

Vật liệu Fe3O4@PDA chế tạo được cho thấy tiềm năng sử dụng trong biosensor thế hệ mới. Nghiên cứu thêm có thể tập trung vào cải thiện độ nhạy, mở rộng dải đo và thử nghiệm ở mẫu thực tế như máu, nước tiểu. Tích hợp công nghệ này với các sensor khác có thể tạo ra các thiết bị chẩn đoán đa chỉ số. Ngoài ra, vật liệu này có thể được ứng dụng trong phát hiện các phân tử khác thông qua thiết kế lại template phân tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Thế giới càng ngày càng phát triển, mọi nhu cầu của con người như giải trí, ăn uống, sức khoẻ đều tăng lên cộng với nhịp sống nhanh khiến con người thường có xu hướng sử dụng những loại đồ ăn nhanh và nước ngọt. Tuy hợp khẩu vị với đại đa số người và có thể dùng liền mà không cần chuẩn bị nhưng những loại thực phẩm này có thể gây ra một số bệnh như đái tháo đường. Theo số liệu của bộ y tế năm 2022, tại Việt Nam hiện nay có khoảng 5 triệu người bị mắc bệnh đái tháo đường trong đó còn có tỉ lệ biến chứng tạo thành nhiều vấn đề gây nguy hiểm đến sức khoẻ khác nhau như bệnh tim mạch, thận, thần kinh[1]. Do đó, nhu cầu về việc chẩn đoán sơ bộ tình trạng sức khoẻ đặc biệt được quan tâm hàng đầu hiện nay.

Các nghiên cứu đánh giá hàm lượng glucose trong cơ thể hiện nay được chú tâm rất nhiều nhưng hầu hết là các thiết bị hoạt động dựa trên phương pháp điện hoá dựa trên các nền enzyme hữu cơ. Điều này khiến các thiết bị này khó phổ biến cho mục đích thương mại vì hầu hết các enzyme đều không bền và việc sử dụng các thiết bị điện hoá hiện tại còn khá tốn kém. Các vật liệu nano như vật liệu sắt từ, silica, graphane oxide, ống nano carbon… có tính xúc tác tương tự enzyme (còn được gọi nanozyme) nổi lên để thay thế cho các enzyme truyền thống trong việc tham gia các phản ứng định lượng glucose. Trong số chúng, các vật liệu từ tính trở nên nổi bật đặc biệt là Fe3O4 vì từ tính vốn có của nó bên cạnh các tính chất như tương thích sinh học, khả năng xúc tác.

Việc có từ tính giúp thu hồi các vật liệu này khá dễ dàng không cần dùng các phương pháp cơ học như ly tâm hay lọc. Nhờ sự xuất hiện của các nanozyme nên những nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến hiện tại có thể phát triển thành hai nhánh chính là cảm biến điện hoá và cảm biến màu trong đó cảm biến điện hoá hiện tại vẫn chiếm ưu thế hơn về số lượng nghiên cứu. Tuy được chú ý nhưng hiện tại các thiết bị điện hoá cảm biến glucose trên thị trường hầu hết là định lượng thông qua máu có thể gây khó chịu và đau, đặc biệt đối với những người mắc bệnh truyền nhiễm qua đường máu. Bên cạnh đó, các loại thiết bị này cũng cần enzyme glucose oxidase để phản ứng nên mỗi khi sử dụng phải thay que thử gây tốn kém.

Nhu cầu của đa số người dùng hiện tại là có thể dùng các loại thiết bị nhanh, chính xác, giá thành hợp lý đặc biệt là sử dụng nước tiểu thay vì máu khiến cảm biến màu như một phương pháp có thể thay thế phương pháp điện hoá vì tính dễ sử dụng và nhanh gọn của nó. Xuất phát từ những vấn đề trên, bài luận văn chọn đề tài “CHẾ TẠO POLYMER IN DẤU PHÂN TỬ TRÊN NỀN HẠT NANO Fe3O4 VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN MÀU 1 XÁC ĐỊNH GLUCOSE“ nhằm nghiên cứu tổng hợp được vật liệu có khả năng phát hiện được glucose và định hướng trong ứng dụng sử dụng trong nước tiểu. Vật liệu nano Fe3O4 1. Giới thiệu Oxide sắt từ Fe3O4 (Magnetite) là một trong những dạng cấu trúc của oxide sắt từ ở trạng thái tự nhiên ngoài những cấu trúc như - Fe3O4 (maghemite), α- Fe3O4 (hematite).

Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo (AB2O4) và thuộc nhóm đối xứng Fd3̅m[2]. Cấu trúc này gồm hai phần mạng không tương đương lồng vào nhau với ô đơn vị lập phương tâm mặt. Một ô cơ sở gồm 56 nguyên tử trong đó có 32 anion O2- , 16 cation Fe3+, và 8 cation Fe2+. Các ion Fe3+ được phân phối ngẫu nhiên giữa các vị trí bát diện và tứ diện, và các ion Fe2+ nằm trong các vị trí bát diện còn lại hình thành nên mạng lập phương tâm mặt (FCC) với hằng số mạng a = 0.8396 nm và các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính nhỏ hơn sẽ phân bố trong các khoảng trống giữa các ion O2-.

Cấu trúc tinh thể Fe3O4[3] Vật liệu Fe3O4 có nhiệt độ chuyển pha từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ là 850K và độ từ hóa bão hòa khoảng 92 emu/g. Khoảng nhiệt độ rộng cho phép vật liệu này hoạt động tốt với nhiều ứng dụng rộng rãi. Fe3O4 có thể tổng hợp được bằng phương pháp vật lý hoặc hoá học. Phương pháp vật lý (top down) được tổng hợp từ các vật liệu dạng khối rồi dùng các phương pháp vật lý như phương pháp bắn chùm phân tử[4], lắng đọng[5], nhiệt phân phun[6]…để các hạt nhỏ lại.

Tuy nhiên các phương pháp vật lý có bất lợi là kích thước hạt không đồng đều và khó tổng hợp. Tổng hợp bằng phương pháp hoá học được nghiên cứu sử dụng nhiều hơn vì tính dễ dàng, các hạt có kích thước đồng đều và có thể điều chỉnh kích thước mong muốn. Hiện nay có rất nhiều phương pháp hoá học để tổng hợp các hạt nano Fe3O4 như đồng kết tủa[7], phân huỷ nhiệt[8], nhũ tương[9], thuỷ nhiệt[10]… Trong số đó, phương pháp đồng kết tủa 3 và thuỷ nhiệt phổ biến hơn phần còn lại vì có thể tổng hợp được hạt nano Fe3O4 có chất lượng tốt hơn. - Phương pháp đồng kết tủa: Đây là phương pháp dễ thực hiện, tiết kiệm thời gian, chí phí thấp nhưng lại hiệu quả cao để tổng hợp nano Fe3O4 nên được sử dụng rộng rãi.

Các hạt nano Fe3O4 được hình thành bằng phản ứng kết tủa của muối Fe2+ và Fe3+ với tỉ lệ Fe2+/ Fe3+ = ½ ở nhiệt độ 60-100oC trong môi trường kiềm. Phương trình tổng hợp có thể được viết như sau[11]: Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- → Fe3O4 Một số yếu tố có thể ảnh hướng đến quy trình tổng hợp bao gồm: Tỉ lệ Fe2+/ Fe3+, loại muối được sử dụng, pH, nhiệt độ phản ứng. Các hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp này có phân bố kích thước hạt rộng, dễ bị oxy hoá thành Fe2O3 khi ở trong không khí. - Phương pháp thuỷ nhiệt: Tổng hợp nano Fe3O4 bằng phương pháp thuỷ nhiệt thu được vật liệu có kích thước lớn so với phương pháp đồng kết tủa.

Hệ thống phản ứng này đòi hỏi phải thực hiện trong môi trường nước trong lò phản ứng hoặc nồi hấp với áp suất và nhiệt độ cao tương ứng hơn 1,4 MPa và 200°C. Ở nhiệt độ cao hay thấp thì phương pháp thủy phân nhiệt có phản ứng chậm nên có nghiên cứu kết hợp của phương pháp thủy phân nhiệt và vi sóng để tăng động học của quá trình kết tinh cho làm cho vật liệu được tổng hợp với độ kết tinh tốt hơn và độ tinh khiết cao. Tính chất - Tính chất từ của Fe3O4 Fe3O4 thể hiện từ tính mạnh nhất trong các oxide của kim loại chuyển tiếp, từ tính hoặc hiệu ứng từ của vật liệu phát sinh từ sự liên kết của spin electron. Chuyển động của các hạt tích điện với cả khối lượng và điện tích sau đó có thể tạo ra một lưỡng cực từ, nên được gọi là từ tính.Các tính chất điện từ và sắt từ bắt nguồn từ các electron hoạt động trong quỹ đạo 3d (spin electron không ghép đôi).

Đối với vật liệu sắt, các nguyên tử hoặc ion lân cận đang có xu hướng sắp xếp không song song khi không có trường từ. Dưới nhiệt độ Curie, từ tính trong khớp nối không đồng đều do sự sắp xếp spin của Fe3O4 được thể hiện như sau: Fe3+↓ [Fe3+ ↑ Fe2+↑] O4. Cấu trúc spinel đảo ảnh hướng tới tính từ Fe3O4[12] Khi oxide sắt từ khi đạt đến kích thước nano xuất hiện một số sự thay đổi tính chất, đặc biệt là tính chất từ. Tại kích thước 60nm, các hạt từ trạng thái đa domain từ chuyển về trạng thái đơn doamin từ và có tính chất siêu thuận từ.

Khi áp từ trường ngoài, vật liệu xuất hiện từ tính nhưng khi ngừng áp từ trường thì vật liệu không còn từ tính nữa. Tính chất siêu thuận từ của Fe3O4 được ưa chuộng và có tiềm năng cao cho tất cả các loại ứng dụng sinh học và y sinh[13], xử lý nước thải[14], xúc tác[15], hấp phụ[16]… Trong các ứng dụng đặc biệt của sinh học, trị liệu và chẩn đoán y tế, các hạt nano cần phải ổn định ở độ pH = 7 trong môi trường nước hoặc môi trường sinh lý. - Tính xúc tác của Fe3O4 Ngoài từ tính thì vật liệu Fe3O4 còn nhiều tính chất đặc biệt khác như là dẫn điện, và tính xúc tác. Tính xúc tác của Fe3O4 lần đầu được phát hiện vào năm 2007 khi Yan và đồng nghiệp phát hiện các hạt Fe3O4 thể hiện tính xúc tác peroxidase như Horseradish Peroxidase (HRP)[17].

Khi có mặt hydrogen peroxide H2O2, các hạt nano Fe3O4 phản ứng tạo thành các nhóm hydroxyl tự do giúp đổi màu một số chất chỉ thị như 3,3′,5,5′- tetramethylbenzidine (TMB), 3,3′-diamino Benzidine (DAB), o-phenylenediamine (OPD)… Do bản chất là vật liệu vô cơ nên Fe3O4 có tính ổn định và độ bền tốt hơn so với những enzyme hữu cơ, nó có thể xúc tác ở các điều kiện khắc nghiệt hơn như dải pH và nhiệt độ hoạt động rộng hơn. Mặc dù càng ngày càng có nhiều vật liệu thể hiện tính 5 peroxidase nhưng Fe3O4 vẫn được coi là vật liệu cổ điển nhất và thường được sử dụng để so sánh đánh giá các nanozyme khác. Phản ứng thể thiện tính xúc tác của các vật liệu có tính xúc tác peroxidase của Fe3O4 được thể hiện như phương trình[18]: Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2• + H+ Fe3+ + HO2• → Fe2+ + O2 + H+ Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •OH + OH- Trong môi trường axit, H2O2 được xúc tác để tạo thành các gốc hydroxyl tự do •OH như là một chất trung gian. Các gốc •OH sau đó phản ứng với các chất tạo màu như TMB, DAB, OPD… để tạo ra các sản phẩm thay đổi màu dung dịch thích hợp cho việc ứng dụng vào cảm biến màu[19], [20].

Ứng dụng Trong vài thập kỷ vừa qua, các hạt nano từ tính được tập trung nghiên cứu vào nhiều lĩnh vực như y sinh, xúc tác, xử lý nước thải, hấp phụ… Các hạt nano Fe3O4 được chú trọng hơn cả vì tính siêu thuận từ, bền hoá học, kích thước có thể thay đổi và có thể biến tính dễ dàng[21]. Đối với khả năng cảm biến màu, các hạt nano Fe3O4 cũng được chú tâm nghiên cứu ở thời gian gần đây. He và cộng sử đã tổng hợp vật liệu nano Fe3O4@Pt để tăng cường khả năng xúc tác peroxidase cho vật liệu để ứng dụng xác định nồng glucose trên nước tiểu[22].