Luận văn: Tổng hợp thanh nano ZnO làm cảm biến đo đường - Đỗ Phương Thảo

Luận văn thạc sĩ trình bày phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in PCB, ứng dụng chế tạo cảm biến huỳnh quang sinh học đo đường.

• Tác giả: Đỗ Phương Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Mai Hồng Hạnh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Tổng Hợp Thanh Nano ZnO Trên Đế Điện Cực In (PCB) Ứng Dụng Trong Cảm Biến Huỳnh Quang Sinh Học Đo Hàm Lượng Đường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cảm biến huỳnh quang đo đường

Cảm biến huỳnh quang là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực chẩn đoán y tế và giám sát sức khỏe. Cảm biến này có khả năng đo hàm lượng glucose một cách chính xác và nhanh chóng mà không cần sử dụng enzyme, giúp giảm chi phí và tăng độ ổn định của thiết bị. Các thanh nano ZnO được tổng hợp trên đế điện cực in (PCB) đóng vai trò quan trọng trong việc phát xạ ánh sáng huỳnh quang khi tương tác với glucose. Công nghệ này mở ra những triển vọng mới trong việc phát hiện và theo dõi nồng độ đường huyết ở bệnh nhân tiểu đường một cách hiệu quả và tiện lợi.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học bao gồm ba thành phần chính: phần nhận biết (receptor), bộ chuyển đổi (transducer) và hệ thống hiển thị (display). Khi glucose tương tác với thanh nano ZnO, các điện tử trên bề mặt vật liệu sẽ được kích thích, phát ra ánh sáng huỳnh quang. Cường độ ánh sáng này tỷ lệ thuận với nồng độ glucose, cho phép xác định chính xác hàm lượng đường trong mẫu.

1.2. Lợi ích của phương pháp không sử dụng enzyme

Phương pháp đo glucose không sử dụng enzyme mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Nó loại bỏ chi phí cao của enzyme, tăng độ ổn định lâu dài của cảm biến, và giảm khả năng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường. Cảm biến huỳnh quang dựa trên ZnO có khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau, từ đó cải thiện độ tin cậy và ứng dụng thực tiễn.

II. Tính chất và cấu trúc của vật liệu nano ZnO

Vật liệu nano ZnO là một hợp chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể Wurtzite, sở hữu các tính chất quang và điện tử xuất sắc. Cấu trúc lục giác của ZnO cho phép nó phát xạ ánh sáng huỳnh quang mạnh mẽ trong vùng tia cực tím (UV). Thanh nano ZnO có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng tương tác với các phân tử glucose. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng kích thước và hình dạng của nano ZnO ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cảm biến. Tính chất piezoelectric và photoelectric của ZnO làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến sinh học hiện đại.

2.1. Cấu trúc Wurtzite của ZnO

Cấu trúc Wurtzite là cấu trúc phổ biến nhất của ZnO ở nhiệt độ phòng. Cấu trúc này có tính đối xứng lục giác, với mỗi nguyên tử Zn bị bao quanh bởi bốn nguyên tử oxy theo hình tứ diện. Đặc điểm này tạo ra các quỹ đạo orbital phức tạp, dẫn đến các tính chất quang học đặc biệt của vật liệu nano ZnO khi sử dụng trong cảm biến huỳnh quang.

2.2. Các tính chất quang của thanh nano ZnO

Thanh nano ZnO phát xạ ánh sáng huỳnh quang ở bước sóng khoảng 380-450 nm khi được kích thích bằng ánh sáng UV. Cường độ phát xạ này có thể bị suy giảm khi có sự tương tác với glucose, tạo nên cơ chế phát hiện. Phổ huỳnh quang của ZnO thường có hai đỉnh: một từ tái hợp exciton (dải xanh) và một từ các khiếm khuyết bề mặt (dải vàng-cam).

III. Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO trên nền PCB

Tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in (PCB) là một quá trình kỹ thuật phức tạp yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic đã được chứng minh là cách tiếp cận hiệu quả nhất. Quá trình này bao gồm việc chuẩn bị nền PCB, tạo lớp hạt giống, và sau đó nuôi dưỡng thanh nano ZnO trong dung dịch chứa ion Zn2+. Nhiệt độ, pH, thời gian phản ứng và nồng độ tiền chất đều ảnh hưởng đến hình thái, độ dài và mật độ của các thanh nano. Kỹ thuật này có ưu điểm là chi phí thấp, dễ kiểm soát, và có thể tích hợp trực tiếp trên thiết bị điện tử.

3.1. Quy trình xử lí và chuẩn bị nền PCB

Bước đầu tiên trong tổng hợp thanh nano ZnO là chuẩn bị bề mặt PCB. Nền được làm sạch bằng dung dịch axít, rửa bằng nước cất, và sấy khô. Sau đó, một lớp mầm (seed layer) được沉积trên PCB bằng phương pháp thích hợp. Lớp mầm này cung cấp các vị trí hạt nhân hóa, từ đó thanh nano sẽ phát triển theo hướng cụ thể.

3.2. Phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng pin Galvanic

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng dung dịch chứa Zn(NO3)2 và hexamethylenetetramine (HMTA) ở nhiệt độ 90-100°C. Hiệu ứng pin Galvanic được tạo ra bằng cách sử dụng hai kim loại khác nhau, giúp tăng tốc độ phát triển thanh nano ZnO. Quá trình này kéo dài từ 2-6 giờ tùy thuộc vào điều kiện mong muốn, tạo ra những thanh nano có độ dài 1-2 μm với đường kính 100-200 nm.

IV. Ứng dụng cảm biến huỳnh quang trong phát hiện glucose

Cảm biến huỳnh quang dựa trên thanh nano ZnO có khả năng phát hiện glucose với độ nhạy cao và độ chọn lọc tốt. Khi glucose tương tác với bề mặt ZnO, nó làm giảm cường độ phát xạ huỳnh quang (quenching hiệu ứng). Sự giảm này tỷ lệ với nồng độ glucose, cho phép xây dựng đường cong hiệu chỉnh để đo lường chính xác. Cảm biến đã được kiểm tra với các mẫu huyết thanh từ bệnh nhân thực tế, cho kết quả tương đương hoặc tốt hơn các phương pháp truyền thống. Độ nhạy của cảm biến đạt khoảng 50-100 ng/mL, và nó có khả năng phân biệt glucose với các chất khác như fructose, maltose và sucrose.

4.1. Cơ chế quenching huỳnh quang và độ nhạy cảm biến

Cơ chế quenching xảy ra khi glucose gây quen tắt phát xạ của ZnO. Hiện tượng này có thể do sự chuyển năng lượng từ ZnO sang glucose hoặc do glucose gây chặn các lỗ trên bề mặt vật liệu. Độ nhạy của cảm biến được xác định bằng độ dốc của đường cong quenching, cho phép phát hiện những thay đổi nhỏ trong nồng độ glucose.

4.2. Độ chọn lọc và ứng dụng lâm sàng

Độ chọn lọc cao của cảm biến được chứng minh bằng cách thử với các chất gây nhiễu như axít uric, axít ascobic, và albumin huyết thanh. Cảm biến chỉ phản ứng mạnh với glucose, làm tăng độ tin cậy của các phép đo. Ứng dụng trong phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong chẩn đoán và giám sát bệnh tiểu đường ở lâm sàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC Theo L. Clark, cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phần tử chuyển đổi tín hiêụ ” [8]. Trong môṭ cuốn sách có tiêu đề “Biosenser: Fundamental and Applications” xuất bản năm 1987, Antony P. Tuner đã đưa ra môt bản thống kê về các đối tương sinh hoc cũng như các phẩn tử chuyển đổi tín hiêu (bảng 1.

Theo tác giả, các phần tư đươ liêṭ kê có thể không phủ hết các đối tươn g nghiên cứ u cũng như các loaị tín hiêu c chuyển đổi, nhưng viêc thống kê này sẽ giúp ích rất nhiều cho viêc nghiên cứ u và phát triển các loaị cảm biến sinh hoc khác nhau hoặc tăng đô ̣ của cảm biến. ṇ hay Bảng 1.1: Các phần tử có thể đươc dùng để chế tao cảm biến sinh hoc [74]. Phần tử sinh hoc/ đối tương sinh hoc̣ Phần tử chuyển đổi/ tín hiêụ đo đươc̣ Các cơ chế sinh vâṭ Hiêụ điêṇ thế Mô Dòng điêṇ Tế bào Đô ̣dẫn Bào quan Tổng trở Màng tế bào Tính chất quang Enzyme Tính chất nhiêṭ Thành phần cấu taọ nên enzyme Tín hiêụ âm Thu ̣thể sinh hoc̣ Tín hiêụ cơ Kháng thể Điêṇ tử phân tử (molecular electronic) Acid nucleic Phân tử hữu cơ 4 Luận văn thạc Đỗ Phương Từ năm 1962 đến nay, trải qua hơn nử a thế kỷ phát triển cảm biến sinh hoc đa dần hoàn thiên hơn cả về đối tương nghiên cứ u, cách tiếp cũng như ứ ng dung các cân loaị khoa công nghê ̣mới như công nghê ̣nano [31,80]. Cấu trúc của môṭ cảm biến hoc sinh cũng đã thay đổi so với đinh ban đầu của Clark.

Phần tử nhân biết sinh hoc nghia ho đươ phân tích kĩ hơn và tách biêṭ ra khỏi phần tử nhân biết tín hiêu. Bên canh c c đó, phần tử mới là phần tử xử lí tín hiêu đươ thêm vào để có thể ứ ng dung các c đươc kĩ thuâṭ xử lí tín hiêu và hiển thi ̣kết quả [74]. Cấu trú c của cảm biến sinh hoc̣ Cảm biến sinh học bao gồm 3 bô ̣jphâṇ chính như trong hình 1.1: (1) phần tử nhận biết sinh học hay các đầu thu sinh hoc (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt các đối g cần biết với sự có mặt của các hóa tươn nhân chất khác nhau. 5 Luận văn thạc Đỗ Phương Hình 1.1: Sơ đồ khối của cảm biến sinh học Các yếu tố nhận biết phân tử có thể là các yếu tố sinh học enzyme, kháng thể, axit nucleic, vi sinh vật và các lectins [35,79] hoăc các chất vô cơ, ví dụ: kim loại 6 Luận văn thạc Đỗ Phương quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme và composite đã được khảo sát để phản ứng xúc tác điện phân của chúng đối với quá trình oxy hóa glucose [12,37].

Năm loại phần tử chuyển đổi tín chính là điện hóa, quang học, nhiệt kế, hiêu áp điện và từ trường [36]. Hệ thống xử lý tín hiệu được xác định và xây dựng bởi các loại phần tử chuyển đổi tín hiêu được lựa chọn. Cá c tiêu chí chất lương của cảm biến sinh hoc Song hành với các nghiên cứ u cải thiên chất lương cảm biến sinh hoc, các tiêu chí chất lương (performance criteria) đóng vai trò không thể thiếu trong đánh giá, so sánh cảm biến sinh hoc. Các tiêu chí này tâp trung vào đánh giá hiêu suất sử dung nhiều hơn là đánh giá bản chất quá trình sinh hóa xảy ra bên trong môṭ cảm biến sinh hoc.

Buck đã thống kê các tiêu chí chất lương đối với các hê ̣jđiêṇ cư khảo sát ion có tính loc lưa, Hiêp hô Hóa hoc và Hóa hoc ứ ng dung Quốc c đươc i tế (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) công bố [19]. Sau đó các tiêu chí này thu trên đối tương cảm biến sinh bởi D. Thesvenot đươc hep hoc [74] bao gồm: các thông số hiêu chỉnh, đô ̣ lo và đô ̣tin câỵ , thời gian phản ứ ng c̣ hon c và tính lăp lai, đô ̣bền và thời gian sống.  Cá c thông số hiêu chỉnh Các thông số hiêu chỉnh bao gồm đô ̣jnhaỵ , khoảng hoaṭ đôṇ g hay khoảng tuyến tính và giới hạn đo đac̣ ; đươc xác đinh thông qua khảo sát sự phu ̣j của tín hiêu thuôc đầu ra (S) và nồng đô ̣jcủa đối tương (C).

Sựphu ̣ giữa S và C có thể đươc vẽ ơ ṭ huôc dang đồ thi ̣S(C) [13,60,81,85], S(logC) [75,82], hay logS(logC) [69] tùy thuôc vào bản chất tương tác của đối tương sinh hoc và quá trình chuyển đổi tín hiêu – đồ thi này goi là “đồ thi ̣jhiêu chỉnh” (calibration curve). Khoảng hoaṭ đôṇ g của cảm biến là khoảng tuyến tính của đồ thi ̣jhiêu chỉnh; và đô ̣jdốc của đoan tuyến tính này chính là 7 Luận văn thạc Đỗ Phương đô ̣nhay của cảm biến. 8 Luận văn thạc Đỗ Phương  Độ cho lo và độtin cây n c Tính hiê (specificity) coi là môt trong những tính đăc trưng của cảm đăc u đươc biến sinh hoc do sựbắt căp giữa đối tương nhân biết vớ i thu ̣j thể trong phần tử nhân biết. Tuy nhiên, ái lưc bắt căp đối tương – thu ̣j thể không nhất thiết cố đinh đối vớ i mỗi đối tương cần nhân biết.

Ví du ̣j trong liên kết kháng nguyên – kháng thể có thể đươ phân từ các cá thể me ̣khác nhau (từ ngưa, từ thỏ) nên cấu trúc phân tử khác c căp nhau. Đô ̣ lo (selectivity), vì cũng có thể thay đổi khi thay đổi thu ̣thể trong c̣ hon c vây cảm biến, hay thay đổi cấu trúc cảm biến. Đô ̣tin của cảm biến đươc đánh giá thông qua đô ̣jchon lo và khả năng lăp cây c lai.  Thời gian phản ứ ng Thời gian phản ứ ng có thể đánh giá hiêu suất đo đac của cảm biến – có thể hiểu là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo của cảm biến.

Hai dang thời gian phản ứ ng thường nhắc tới trong cảm biến sinh hoc sử dung trong cảm biến sinh hoc đươc sử dung tín hiêu điên; đó là thời gian phản ứ ng ổn đinh và thời gian phản ứ ng tứ c thời.  Tính lăp lai, độbền và thời gian sống Cũng giống như các phép đo khác, tính lăp laị của cảm biến sinh hoc đươ tính c toán dưa trên sai số của phép đo. Trong khi đó, thời gian sống hay đô ̣bền vẫn luôn là thách thứ c với cảm biến sinh hoc̣. Các phần tử sinh hoc luôn rất với môi trường, nhay vì đô ̣ của cảm biến cũng bi ̣ảnh hưởng khá nhiều bởi các yếu tố môi trường vây ṇ hay 9 Luận văn thạc Đỗ Phương như nhiêt đô đô ̣j ẩm, hay điều bảo quản.

Bên canh đó, các phần tử sinh hoc , kiên thường không bền ở các điều kiên bảo quản thường vì thời gian sống của các cảm vây biến sinh hoc không cao. Phương pháp giải quyết thường là các mẫu cảm biến đươc bảo quản trong điều kiên đa biêṭ và sử dung môt lần. c 1 Luận văn thạc Đỗ Phương 1.1 Cảm biến sinh hoc xá c đinh nồng đô ̣Yglucose. Cảm biến sinh hoc xác đinh nồng đô ̣j glucose đầu tiên đề xuất bởi Clark đươc năm 1962 từ bênh viên Nhi Cincinnati [37,84].

Với số lương ca mắc bênh tiểu đường ngày càng tăng, nghiên cứ u ra những cảm biến sinh nhân biết nồng đô ̣đường viêc hoc trở nên cấp thiết trong những năm đầu thế kỷ XXI [59,68].1 Nguyên lý cơ chất – enzyme trong cảm biến đo nồng độglucose Cảm biến sinh hoc đo nồng đô ̣j glucose đều trên cơ sở tương tác cơ chất với dưa enzyme. Có ba enzyme đươc sử dung trong các cảm biến sinh hoc xác đinh nồng đô glucose và đều đóng vai trò là các phần tử nhân biết sinh hoc: hesokinase, glucose oxidise (GOx) [62] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [38]. Enzyme hexokinase sử dung thành căp với enzyme Glucose-6P-dehydrogenase đươc (G-6P-D) để có sản phẩn cuối cùng là H+, theo hê ̣phương trình phản ứ ng sau [39]: 𝑫 − 𝒈 𝒍 𝒖𝒄 𝒐𝒔 𝒆 + 𝑨 𝑻 𝑷 hexokinase 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑨𝑫𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑵𝑨𝑫𝑷+ 𝑮 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 − 𝟔 − 𝑷 (1.1) G-6P-D +𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+ Trong đó ATP và ADP là Adenosine triphosphate và Adenosine diphosphate, NADP+ và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và daṇ g khử của NADP+. Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme oxi hóa khử.

Khi tương tác với D-glucose xuất hiên quá trình trao đổi electron để biến D-glucose thành Glucolactone. Nếu GOx cần phải có thêm phối tử (cofactor) là Flavine adenine nucleotide (FAD) để chuyển hóa glucose trong môi trường giàu oxi (phương trình 1.2) thì GHD khi có phối tử NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) chuyển hóa glucose mà không bi j ảnh hưởng bở i oxi môi trườ ng (phương trình 1. Vì GDH ưu tiên sử dung cho vây đươc 1 Luận văn thạc Đỗ Phương các cảm biến sinh hoc đươ chế tao bởi các hang danh tiếng như Bayer, Roche hay c Abbott [84]. Tuy nhiên, GDH cần yêu cầu bảo quản và giá thành cao; nên hầu hết các nghiên cứ u nhằm tăng đô ̣nhay cảm biến laị sử dung GOx [55,58,63,89].

1 Luận văn thạc Đỗ Phương 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫 → 𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 + 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫𝑯 (1.2) 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫𝑯 + 𝑶𝟐 → 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫 + 𝑯𝟐𝑶𝟐 H2O2 bị oxy hóa ở cực điện cực dương. Dòng electron tương ứng với số lượng các phân tử glucose và được nhận biết bởi điện cực.3) 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫𝑯 → 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫+ + 𝑯+ + 𝟐𝒆 Tín hiêu sinh có thể là nồ ng đô ̣j củ a các chất tham gia sản phẩm của hoc hoăc các phản ứ ng như ATP, ADP hay H2O2; cũng có thể là số electron cần thiết để chuyển hóa glucose thành gluconic acid – thường là các tín hiêu không đoc đươc. Phần tư chuyển đổi tín hiêu gắn với các đối tương mang tín hiêu sinh hoc, để chuyển đổi tín hiê sinh thành các tín đo đươc. Ban đầu, vào các phép đo đã biết u hoc c dưa hiêu đươc trước trong sinh phân tử , các chất tham gia phản ứ ng sử dun g làm đối tương hoc đươc gián tiếp để đo đac glucose.

Nhóm nghiên cứ u Deeg sử dung phương pháp đo nồng đô ̣j ATP để đưa ra xét về tốc đô ̣j quá trình chuyển hóa glucose củ a hexokinase nhân [39]. Nhóm nghiên cứ u Ziegenhorn sử dung peroxidase và chất nhuôm màu dể nhân biết nồng đô ̣j H2O2 – sản phẩm củ a phương trình 1.2 – từ đó đưa ra mố i liên hê ̣ vớ i nồng đô ̣glucose có trong mẫu dung dich [93].