Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kẽm oxit ($\text{ZnO}$) là một trong những vật liệu bán dẫn oxit kim loại được quan tâm nghiên cứu nhờ sở hữu nhiều đặc tính lý - hóa và quang điện nổi bật: độ rộng vùng cấm thẳng lớn ($E_g = 3,37\text{ eV}$ ở nhiệt độ phòng), năng lượng liên kết exciton cao ($60\text{ meV}$), độ bền nhiệt và độ ổn định hóa học cao, cùng tính tương thích sinh học và thân thiện với môi trường. Khi vật liệu được thu nhỏ về kích thước nanomet, diện tích bề mặt riêng và tỉ lệ nguyên tử bề mặt tăng lên đáng kể, làm gia tăng khả năng hấp phụ và hoạt tính xúc tác. Để nâng cao hiệu quả làm việc, $\text{ZnO}$ thường được biến tính hoặc kết hợp với các hạt nano kim loại quý như bạc ($\text{Ag}$), vàng ($\text{Au}$), hoặc platin ($\text{Pt}$) nhằm cải thiện khả năng truyền điện tích, độ nhạy, khoảng tuyến tính và độ ổn định.

Trong y học và phân tích thực phẩm, glucose đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng thiết yếu cho cơ thể sống. Tuy nhiên, sự rối loạn chuyển hóa glucose là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến bệnh đái tháo đường cùng các biến chứng tim mạch nguy hiểm. Mức nồng độ glucose bình thường trong máu dao động từ $80 - 120\text{ mg/dL}$; khi vượt ngưỡng hấp thu của thận ($8,8 - 10\text{ mmol/L}$), glucose sẽ bị đào thải qua nước tiểu. Do đó, việc định lượng nhanh và chính xác glucose trong máu và dịch sinh học có ý nghĩa then chốt trong chẩn đoán y khoa.

Các hệ thống cảm biến glucose sinh học truyền thống chủ yếu dựa trên enzyme Glucose Oxidase ($\text{GOx}$) để xúc tác phản ứng oxy hóa glucose tạo thành acid gluconic và $\text{H}_2\text{O}_2$. Mặc dù có độ đặc hiệu cao, cảm biến sử dụng enzyme bộc lộ nhiều hạn chế lớn: hoạt tính enzyme dễ bị suy giảm bởi nhiệt độ, độ ẩm, độ pH và môi trường hóa chất; quy trình cố định enzyme phức tạp; tuổi thọ cảm biến ngắn và chi phí bảo quản cao. Việc phát triển cảm biến quang học không sử dụng enzyme (non-enzymatic) trên cơ sở vật liệu tổ hợp nano $\text{ZnO/Ag}$ là một giải pháp nhằm khắc phục các nhược điểm này.

Đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tổng hợp vật liệu $\text{ZnO}$ cấu trúc dạng tấm nano bằng phương pháp thủy nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau ($160^\circ\text{C}, 180^\circ\text{C}, 200^\circ\text{C}, 220^\circ\text{C}$) và tổng hợp hạt nano $\text{Ag}$ bằng phương pháp khử hóa học.
  2. Chế tạo vật liệu nanocomposite $\text{ZnO/Ag}$ dạng tấm/hạt bằng phương pháp khử hóa học kết hợp khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và độ pH dung dịch phản ứng.
  3. Khảo sát đặc trưng hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, thành phần nguyên tố và tính chất quang học của các mẫu vật liệu chế tạo được.
  4. Phát triển cảm biến xác định nồng độ glucose không sử dụng enzyme dựa trên phép đo phổ hấp thụ quang học tử ngoại – khả kiến ($\text{UV-Vis}$), đánh giá dải tuyến tính và độ nhạy của cảm biến.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là vật liệu nano $\text{ZnO}$ dạng tấm, hạt nano $\text{Ag}$, vật liệu tổ hợp nanocomposite $\text{ZnO/Ag}$ và dung dịch glucose trong dải nồng độ từ $1\text{ mM}$ đến $4\text{ mM}$. Phạm vi thực nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (Trường Đại học Phenikaa), Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội), hoàn thành vào tháng 3 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Cấu trúc tinh thể và tính chất bán dẫn của $\text{ZnO}$: $\text{ZnO}$ thuộc nhóm bán dẫn II-VI, kết tinh phổ biến ở cấu trúc lục giác wurtzite với các hằng số mạng lý thuyết $a = 3,24\text{ \AA}$, $c = 5,21\text{ \AA}$. Vùng cấm thẳng $E_g = 3,37\text{ eV}$ được hình thành từ vùng hóa trị (trạng thái $2p$ của oxy) và vùng dẫn (trạng thái $4s$ còn trống của kẽm).
  • Định luật Vulf - Bragg và công thức Debye - Scherrer: Phân tích cấu trúc pha và tính toán kích thước hạt tinh thể trung bình $D$ dựa trên dữ liệu nhiễu xạ tia X: $$D = \frac{k\lambda}{\beta \cos\theta}$$ Trong đó $k = 0,893$ là hằng số Scherrer, bước sóng tia X $\lambda = 0,154056\text{ nm}$ ($\text{Cu-K}\alpha$), $\beta$ là độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ (FWHM tính theo radian), và $\theta$ là góc nhiễu xạ Bragg.
  • Định luật Bouguer - Lambert - Beer và mô hình Tauc: Xác định độ hấp thụ quang học $A = \lg(I_0 / I_t)$ và tính toán độ rộng vùng cấm quang học thông qua hệ thức: $$(\alpha h\nu)^2 = B(h\nu - E_g)$$
  • Cơ chế cảm biến không enzyme: Dựa trên sự tương tác trực tiếp và truyền điện tích giữa phân tử glucose và bề mặt tổ hợp $\text{ZnO/Ag}$, làm thay đổi mật độ quang và độ hấp thụ ánh sáng trong vùng bước sóng tử ngoại – khả kiến.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:
    • Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal): Sử dụng bình phản ứng kín lót Teflon vỏ thép không gỉ (dung tích $200\text{ mL}$) để tạo môi trường áp suất tự sinh ở nhiệt độ từ $160^\circ\text{C}$ đến $220^\circ\text{C}$ trong thời gian $20\text{ giờ}$ nhằm tạo mầm và phát triển tinh thể tấm nano $\text{ZnO}$.
    • Phương pháp khử hóa học (Chemical Reduction): Sử dụng chất khử $\text{NaBH}_4$ cùng chất hoạt động bề mặt Trisodium Citrate ($\text{TSC}$) để khử ion $\text{Ag}^+$ từ $\text{AgNO}_3$ thành hạt nano $\text{Ag}^0$ gắn trực tiếp lên bề mặt tấm $\text{ZnO}$.
  • Phương pháp phân tích và khảo sát tính chất:
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM, Hitachi S4800 / FEI-Quanta 200): Khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt/tấm.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEM 2100): Quan sát chi tiết cấu trúc vi mô, độ dày tấm và sự phân bố của hạt $\text{Ag}$ trên nền $\text{ZnO}$.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD, Bruker D8 Advance): Quét góc $2\theta$ từ $20^\circ$ đến $70^\circ$ với bước sóng $\text{Cu-K}\alpha$ ($\lambda = 1,54056\text{ \AA}$) để xác định các mặt mạng tinh thể và kiểm tra độ tinh khiết pha.
    • Quang phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS, Shimadzu EDX-7000): Phân tích định tính và định lượng thành phần nguyên tố ($\text{Zn}$, $\text{O}$, $\text{Ag}$).
    • Quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis, Jenway Spectrophotometer 6850): Đo phổ hấp thụ trong dải bước sóng $200 - 800\text{ nm}$ của dung dịch $\text{ZnO}$, $\text{ZnO/Ag}$ và hỗn hợp với dung dịch glucose ở các nồng độ khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về vật liệu nano $\text{ZnO}$, các phương pháp chế tạo và các nguyên lý cảm biến sinh học định lượng glucose:

  • Đặc trưng vật lý của $\text{ZnO}$: Trình bày chi tiết cấu trúc wurtzite lục giác với các thông số vật lý cơ bản: khối lượng mol $81,39\text{ g/mol}$, khối lượng riêng $5,606\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ nóng chảy $2250^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $2360^\circ\text{C}$, năng lượng vùng cấm $3,37\text{ eV}$ và năng lượng liên kết exciton $60\text{ meV}$. Tác giả phân tích hiện tượng dịch chuyển xanh (blue-shift) trong phổ phát quang khi kích thước hạt giảm.
  • Tổng quan các phương pháp tổng hợp $\text{ZnO}$: Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp: thủy nhiệt, sol-gel, lắng đọng điện hóa, phún xạ và chuyển pha hơi - lỏng - rắn ($\text{VLS}$). Phương pháp thủy nhiệt được lựa chọn do có ưu điểm nhiệt độ thấp ($100 - 200^\circ\text{C}$), không cần chân không cao hay khí mang phức tạp, sản phẩm có độ tinh khiết cao và khả năng kiểm soát hình thái tốt.
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học: Mô tả hệ thống gồm 3 khối: bộ phận nhận biết/đầu dò sinh học, bộ phận chuyển đổi tín hiệu (điện hóa, quang học, nhiệt) và bộ phận xử lý hiển thị tín hiệu.
  • Phân loại cảm biến glucose: So sánh hai nhóm công nghệ chính:
    • Cảm biến quang học: Đo lường dựa trên sự thay đổi chiết suất sợi quang, dập tắt huỳnh quang hoặc thay đổi phổ hấp thụ quang học.
    • Cảm biến điện hóa: So sánh hệ có sử dụng enzyme ($\text{GOx}$, $\text{HRP}$) gắn trên các chất nền ($\text{GCE}$, ống nano carbon $\text{CNT}$, dây nano $\text{ZnO}$) với hệ không sử dụng enzyme dựa trên xúc tác điện hóa của kim loại quý ($\text{Au}$, $\text{Ag}$, $\text{Pt}$) và oxit kim loại chuyển tiếp ($\text{NiO}$, $\text{MoS}_2$, $\text{CuO}$).

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm, định lượng hóa chất, điều kiện phản ứng và quy trình đo đạc:

  • Hóa chất sử dụng: Kẽm nitrat ngậm nước $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$, $\text{KOH}$ khan, $\text{AgNO}_3$, chất khử $\text{NaBH}_4$, $\text{NaOH}$, chất phân tán Trisodium Citrate ($\text{TSC}, \text{C}_6\text{H}_5\text{Na}_3\text{O}_7$), dung dịch $\text{HCl}\text{ 1 M}$, cồn tuyệt đối $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ và nước cất hai lần.
  • Quy trình chế tạo tấm nano $\text{ZnO}$ bằng phương pháp thủy nhiệt:
    • Hòa tan $7,4402\text{ g } \text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ trong $50\text{ mL}$ nước cất tạo dung dịch $0,5\text{ M}$ ($0,025\text{ mol}$).
    • Hòa tan $2,8\text{ g } \text{KOH}$ trong $100\text{ mL}$ nước cất tạo dung dịch $0,5\text{ M}$ ($0,05\text{ mol}$, đảm bảo tỉ số mol $\text{KOH}:\text{Zn}^{2+} = 2:1$).
    • Nhỏ từ từ dung dịch $\text{KOH}$ vào dung dịch muối kẽm bằng buret dưới điều kiện khuấy từ liên tục để tạo kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$.
    • Đưa $150\text{ mL}$ hỗn hợp vào bình thủy nhiệt Teflon $200\text{ mL}$, ủ nhiệt trong lò ở các mức $160^\circ\text{C}, 180^\circ\text{C}, 200^\circ\text{C}, 220^\circ\text{C}$ trong $20\text{ giờ}$. Lọc hút chân không, rửa bằng nước cất và cồn, sấy khô ở $80^\circ\text{C}$ trong $12\text{ giờ}$.
  • Quy trình tổng hợp hạt nano $\text{Ag}$ và composite $\text{ZnO/Ag}$:
    • Tổng hợp $\text{Ag}$ thuần: Sử dụng $0,33974\text{ g } \text{AgNO}_3$ ($0,2\text{ M}$), $0,076\text{ g } \text{NaBH}_4$ ($0,2\text{ M}$), $0,04\text{ g } \text{NaOH}$ ($0,1\text{ M}$) và $1,548\text{ g } \text{TSC}$ ($0,6\text{ M}$) làm chất khử và chất bảo vệ.
    • Tổng hợp $\text{ZnO/Ag}$: Phân tán $450\text{ mg}$ bột nano $\text{ZnO}$ (thủy nhiệt ở $180^\circ\text{C}$) trong $150\text{ mL}$ nước cất, sau đó bổ sung $\text{TSC}$, $\text{AgNO}_3$, $\text{NaBH}_4$ và điều chỉnh bằng $\text{NaOH}$ hoặc $\text{HCl}$ để tạo các mẫu với tỉ lệ và môi trường pH khác nhau.

Bảng 1: Lượng tiền chất và điều kiện chế tạo các mẫu tổ hợp $\text{ZnO/Ag}$

Ký hiệu mẫu Thể tích dịch ZnO AgNO₃ (0,2 M) TSC (0,6 M) NaBH₄ (0,2 M) Dung dịch kiềm/acid thêm vào Giá trị pH dung dịch
ZnO/Ag1 50 mL 150 µL 60 µL 300 µL 60 µL NaOH 0,1 M Môi trường kiềm
ZnO/Ag2 50 mL 250 µL 100 µL 500 µL 100 µL NaOH 0,1 M Môi trường kiềm
ZnO/Ag3 50 mL 400 µL 160 µL 800 µL 160 µL NaOH 0,1 M Môi trường kiềm
ZnO/Ag4 20 mL 600 µL 240 µL 1,2 mL 30 µL HCl 1 M pH = 8,2
ZnO/Ag5 20 mL 600 µL 240 µL 1,2 mL 45 µL HCl 1 M pH = 7,1
ZnO/Ag6 20 mL 600 µL 240 µL 1,2 mL 80 µL HCl 1 M pH = 6,0
ZnO/Ag7 20 mL 600 µL 240 µL 1,2 mL 405 µL HCl 1 M pH = 5,2
  • Quy trình chuẩn bị mẫu đo quang phổ phát hiện glucose:
    • Pha dung dịch glucose gốc $1\text{ M}$ ($1,9817\text{ g } \text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6\cdot\text{H}_2\text{O}$ trong $10\text{ mL}$ nước).
    • Phối trộn dung dịch glucose gốc với huyền phù $\text{ZnO}$ hoặc $\text{ZnO/Ag}$ ($0,1\text{ g}$ trong $10\text{ mL}$ nước) vào cuvet có tổng dung tích $4\text{ mL}$ để đạt các nồng độ phân tích $1\text{ mM}, 2\text{ mM}, 3\text{ mM}, 4\text{ mM}$. Tiến hành đo phổ hấp thụ $\text{UV-Vis}$ trong dải bước sóng $200 - 800\text{ nm}$.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 công bố các dữ liệu phân tích cấu trúc, hình thái và khả năng cảm biến quang học của vật liệu:

  • Đặc trưng hình thái bề mặt (SEM và TEM):
    • Ảnh SEM của $\text{ZnO}$ thủy nhiệt tại $160^\circ\text{C}, 180^\circ\text{C}, 200^\circ\text{C}, 220^\circ\text{C}$ cho thấy cấu trúc dạng tấm có độ đồng đều cao trên diện tích lớn; bề mặt phẳng nhẵn, các góc tù; nhiệt độ thủy nhiệt ít làm biến đổi hình dạng chung của tấm.
    • Ảnh TEM của mẫu $\text{ZnO}$ thủy nhiệt ở $180^\circ\text{C}$ xác định độ dày tấm đạt khoảng $40 - 50\text{ nm}$, chiều rộng $200 - 300\text{ nm}$, chiều dài dao động $300 - 600\text{ nm}$ (kích thước trung bình danh định $300\times 800\times 50\text{ nm}$).
    • Ảnh SEM và TEM của mẫu $\text{ZnO/Ag1}$ cho thấy các hạt nano bạc hình cầu gắn kết trên bề mặt tấm $\text{ZnO}$ mà không làm phá vỡ cấu trúc tấm nền.
    • Khảo sát ảnh hưởng của pH (từ $8,2$ xuống $5,2$ đối với các mẫu $\text{ZnO/Ag4}$ đến $\text{ZnO/Ag7}$) chỉ ra rằng khi giảm pH, hạt nano bạc có xu hướng tăng kích thước và kết tụ thành đám lớn, làm suy giảm độ phân bố đồng đều trên nền $\text{ZnO}$.
  • Cấu trúc tinh thể (XRD):
    • Giản đồ XRD của tấm $\text{ZnO}$ thể hiện cấu trúc đa tinh thể với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét tại các góc $2\theta$: $31,8^\circ; 34,5^\circ; 36,4^\circ; 47,5^\circ; 56,5^\circ; 63,0^\circ; 68,0^\circ$, tương ứng với các mặt phẳng mạng $(100), (002), (101), (102), (110), (103), (112)$ của cấu trúc lục giác wurtzite (chuẩn JCPDS 79-0205).
    • Hằng số mạng thực nghiệm đo được: $a = 3,249\text{ \AA}$, $b = 3,249\text{ \AA}$, $c = 5,205\text{ \AA}$. Kích thước tinh thể trung bình $D$ được tính toán từ độ bán rộng của đỉnh $(101)$ theo công thức Debye - Scherrer.
  • Khảo sát phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS): Xác nhận sự có mặt đầy đủ của các nguyên tố $\text{Zn}$, $\text{O}$ trong mẫu tấm thuần và bổ sung thêm pic của nguyên tố $\text{Ag}$ trong mẫu tổ hợp $\text{ZnO/Ag}$.
  • Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis và đáp ứng cảm biến:
    • Dung dịch $\text{ZnO}$ thuần thể hiện độ hấp thụ lớn ở vùng tử ngoại. Khi kết hợp với $\text{Ag}$, độ hấp thụ ban đầu có sự suy giảm do tương tác plasmon và truyền điện tích, sau đó tăng dần theo tỉ lệ hàm lượng $\text{Ag}$ gia tăng ($\text{ZnO/Ag1} < \text{ZnO/Ag2} < \text{ZnO/Ag3}$).
    • Phổ hấp thụ $\text{UV-Vis}$ của hệ $\text{ZnO/Ag}$ khi tương tác với các dung dịch glucose ở dải nồng độ $1\text{ mM}, 2\text{ mM}, 3\text{ mM}, 4\text{ mM}$ cho thấy cường độ hấp thụ quang thay đổi tuyến tính theo nồng độ glucose trong vùng bước sóng $250 - 360\text{ nm}$.
    • Cảm biến đạt độ nhạy $0,033\text{ mM}^{-1}$, dải làm việc tuyến tính từ $1 - 4\text{ mM}$ với giới hạn phát hiện ($\text{LOD}$) đạt $1\text{ mM}$.

Kết quả và đóng góp

Bảng 2: Tổng hợp thông số vật liệu và đặc trưng hoạt động của cảm biến

Thông số / Đặc tính Giá trị / Kết quả thực nghiệm trong đồ án
Hình thái vật liệu ZnO Tấm nano chữ nhật góc tù, kích thước trung bình 300 × 800 × 50 nm
Cấu trúc tinh thể ZnO Lục giác wurtzite đa tinh thể (JCPDS 79-0205; a = 3,249 Å, c = 5,205 Å)
Phương pháp chế tạo ZnO Thủy nhiệt (160°C – 220°C trong 20 giờ, nung sấy 80°C trong 12 giờ)
Phương pháp chế tạo Ag & ZnO/Ag Khử hóa học bằng NaBH₄ và chất bảo vệ Trisodium Citrate (TSC)
Điều kiện pH tối ưu cho Ag/ZnO Môi trường kiềm nhẹ; pH acid (5,2 – 7,1) làm hạt Ag bị kết tụ
Phương pháp phát hiện glucose Quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
Khoảng tuyến tính phát hiện 1 – 4 mM
Độ nhạy cảm biến (Sensitivity) 0,033 mM⁻¹
Giới hạn phát hiện (LOD) 1 mM

Đóng góp của đồ án

  • Thiết lập thành công quy trình công nghệ đơn giản, chi phí thấp để tổng hợp tấm nano $\text{ZnO}$ kích thước đồng đều bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp ($180^\circ\text{C}$).
  • Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp $\text{ZnO/Ag}$ dạng tấm/hạt bằng phương pháp khử hóa học; khảo sát định lượng ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và độ pH dung dịch đến sự phân bố của hạt $\text{Ag}$ trên bề mặt tấm $\text{ZnO}$.
  • Đề xuất và chứng minh tính khả thi của phương pháp phát hiện nồng độ glucose không sử dụng enzyme bằng quang phổ hấp thụ $\text{UV-Vis}$, loại bỏ các nhược điểm về tính kém bền và chi phí bảo quản của cảm biến sinh học dùng enzyme truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Dải đo tuyến tính của cảm biến còn hẹp ($1 - 4\text{ mM}$) và giới hạn phát hiện dừng lại ở mức $1\text{ mM}$, chưa đạt tới mức phát hiện siêu vết ($\mu\text{M}$ hoặc $\text{nM}$) như một số cấu trúc cảm biến điện hóa phức tạp.
  • Khi điều chỉnh pH dung dịch sang vùng trung tính hoặc acid ($\text{pH } 5,2 - 7,1$), các hạt nano bạc có xu hướng kết tụ, gây khó khăn cho việc kiểm soát mật độ hạt nano phân tán đồng nhất trên nền tấm $\text{ZnO}$.
  • Đồ án chưa tiến hành các phép đo thử nghiệm tính chọn lọc đối với các chất can thiệp thường gặp trong dịch sinh học thực tế như acid ascorbic, acid uric, dopamine hay ure.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục tối ưu hóa tỉ lệ mol giữa $\text{ZnO}$ và hạt nano $\text{Ag}$, cũng như thử nghiệm các chất hoạt động bề mặt khác nhằm nâng cao độ phân tán của hạt $\text{Ag}$ trên nền $\text{ZnO}$.
  • Mở rộng khảo sát nồng độ glucose ở dải thấp hơn ($< 1\text{ mM}$) và dải cao hơn ($> 4\text{ mM}$) để mở rộng khoảng làm việc tuyến tính và hạ thấp giới hạn phát hiện $\text{LOD}$.
  • Đánh giá độ ổn định thời gian, độ lặp lại và kiểm tra độ chọn lọc của cảm biến khi có mặt các ion và phân tử gây nhiễu trong mẫu máu hoặc nước tiểu nhân tạo.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Vật liệu Điện tử - Nano: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng thủy nhiệt điều chế oxit kim loại dạng tấm và phương pháp khử hóa học tạo hạt nano kim loại quý.
  • Nghiên cứu viên trong lĩnh vực Cảm biến sinh học và Kỹ thuật Y sinh: Cung cấp số liệu tham chiếu về cấu trúc tinh thể (phân tích XRD wurtzite), hình thái hiển vi điện tử (SEM, TEM), phổ năng lượng tia X (EDS) và quy trình chuẩn bị mẫu đo quang phổ $\text{UV-Vis}$ định lượng chất phân tích không qua enzyme.
  • Các nghiên cứu về vật liệu quang xúc tác và linh kiện quang điện tử: Các dữ liệu về vùng cấm $E_g$, phổ hấp thụ và tương tác plasmon giữa $\text{Ag}$ và $\text{ZnO}$ là cơ sở tham khảo cho việc phát triển các cấu trúc dị thể bán dẫn/kim loại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tấm nano $\text{ZnO}$ trong đồ án được tổng hợp bằng phương pháp nào và có thông số kích thước ra sao?
Vật liệu $\text{ZnO}$ được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ tiền chất $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ và $\text{KOH}$ trong bình Teflon ở các nhiệt độ từ $160^\circ\text{C}$ đến $220^\circ\text{C}$ trong $20\text{ giờ}$. Kích thước tấm nano thu được ở điều kiện tối ưu $180^\circ\text{C}$ có chiều dày khoảng $40 - 50\text{ nm}$, chiều rộng $200 - 300\text{ nm}$, chiều dài $300 - 600\text{ nm}$ (kích thước danh định trung bình $300\times 800\times 50\text{ nm}$), bề mặt phẳng nhẵn và các góc tù.

2. Cấu trúc tinh thể của $\text{ZnO}$ chế tạo được xác định bằng phương pháp nào và thuộc hệ tinh thể nào?
Cấu trúc tinh thể được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ($\text{XRD}$, bức xạ $\text{Cu-K}\alpha$, $\lambda = 1,54056\text{ \AA}$). Giản đồ XRD xác nhận $\text{ZnO}$ có cấu trúc lục giác wurtzite đa tinh thể (chuẩn JCPDS 79-0205) với các mặt phẳng mạng $(100), (002), (101), (102), (110), (103), (112)$ và các hằng số mạng thực nghiệm $a = 3,249\text{ \AA}$, $c = 5,205\text{ \AA}$.

3. Sự thay đổi độ pH trong quá trình tổng hợp composite $\text{ZnO/Ag}$ ảnh hưởng như thế nào đến hình thái hạt nano bạc?
Khi giảm độ pH dung dịch từ $8,2$ xuống lần lượt $7,1; 6,0$ và $5,2$ (sử dụng $\text{HCl}\text{ 1 M}$), các hạt nano $\text{Ag}$ bị gia tăng kích thước và xuất hiện xu hướng kết tụ thành từng đám lớn, làm mất đi sự phân bố đồng đều của hạt $\text{Ag}$ trên bề mặt tấm nền $\text{ZnO}$.

4. Cảm biến $\text{ZnO/Ag}$ phát hiện glucose dựa trên nguyên lý gì và đạt được các thông số phân tích nào?
Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý quang phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến ($\text{UV-Vis}$), đo sự biến đổi độ hấp thụ quang của dung dịch tổ hợp $\text{ZnO/Ag}$ khi tương tác với phân tử glucose trong dải bước sóng $250 - 360\text{ nm}$. Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến đạt dải tuyến tính từ $1 - 4\text{ mM}$, độ nhạy $0,033\text{ mM}^{-1}$ và giới hạn phát hiện ($\text{LOD}$) là $1\text{ mM}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Bạch Văn Trường đã chế tạo thành công vật liệu tấm nano $\text{ZnO}$ cấu trúc wurtzite bằng phương pháp thủy nhiệt và tổ hợp thành công với hạt nano bạc $\text{Ag}$ bằng phương pháp khử hóa học. Các đặc trưng hình thái, cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của vật liệu đã được khảo sát toàn diện thông qua các phép đo chuẩn mực gồm SEM, TEM, XRD, EDS và UV-Vis. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ vật liệu nanocomposite $\text{ZnO/Ag}$ có khả năng định lượng glucose không cần enzyme trong khoảng nồng độ $1 - 4\text{ mM}$ với độ nhạy $0,033\text{ mM}^{-1}$, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong lĩnh vực cảm biến quang sinh học phục vụ theo dõi và chẩn đoán y tế.