MỞ ĐẦU Bệnh tiểu đƣờng là một trong những căn bệnh phổ biến trên thế giới với số lƣợng ngƣời mắc bệnh tăng nhanh chóng. Ƣớc tính có xấp xỉ 463 triệu ngƣời mắc bệnh trên khắp thế giới năm 2019 và con số này có thể tăng lên thành 700 triệu ngƣời vào năm 2045 [38]. Ngƣời mắc bệnh có thể phải chịu những biến chứng nguy hiêm gây ra do bệnh tiểu đƣờng nhƣ suy giảm hệ thống thần kinh, các bệnh về tim mạch, mù lòa. Mặc dù mức độ nguy hiểm của bệnh nhƣng cho đến nay vẫn chƣa có phƣơng pháp chữa trị hoàn toàn bệnh tiểu đƣờng.
Bệnh nhân chỉ có thể giảm tác động xấu của bệnh thông qua việc theo dõi sát sao lƣợng đƣờng huyết trong cơ thể. Vì vậy việc kiểm tra lƣợng đƣờng huyết chính xác với độ tin cậy cao vẫn là một vấn đề nghiên cứu đƣợc quan tâm ở thời điểm hiện tại. Cảm biến đo nồng độ đƣờng glucose đã đƣợc phát triển cách đây hơn 50 năm bởi Clark và Lyons dựa trên phƣơng pháp điện hóa với cấu trúc điện cực gắn enzyme năm 1962 [16]. Kể từ đó, các cảm biến đo hàm lƣợng đƣờng dựa trên phƣơng pháp điện hóa liên tục đƣợc phát triển.
Tuy nhiên, các loại cảm biến này thƣờng yêu cầu sử dụng tác nhân oxy hóa là enzyme khiến chúng có cấu trúc phức tạp và độ tin cậy chịu sự ảnh hƣởng của các điều kiện môi trƣờng nhƣ độ m, nhiệt độ, độ pH và ảnh hƣởng bởi các chất nền khác nhƣ acid ascorbic (AA), uric acid (UA) khi tiến hành đo thử với mẫu máu ngƣời [51][69][68]. Đồng thời nguyên lý hoạt động dựa trên cảm biến điện hóa có nhƣợc điểm là tín hiệu điện thu đƣợc dễ bị ảnh hƣởng bởi các nhiều điện từ gây ra bởi các chất khác nếu có trong mẫu làm suy giảm độ chính xác của phép đo. Vì vậy việc phát triển các loại cảm biến đƣờng glucose không cần sử dụng tới enzyme dựa trên các phƣơng pháp cảm biến khác với cảm biến điện hóa đƣợc xem là một hƣớng nghiên cứu tiềm năng nằm nâng cao độ tin cậy, độ chính xác của cảm biến. Với mục đích cải tiến và nâng cao khả năng cảm biến chất sinh học nói chung hay đƣờng glucose nói riêng đồng thời khắc phục những nhƣợc điểm tồn tại trên các cảm biến điện hóa, nhiều nghiên cứu phát triển các loại cảm biến dựa trên phƣơng 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng pháp quang học đã đƣợc đề xuất hình thành hệ thống các cảm biến quang sinh học [82][28].
Trong đó, cảm biến huỳnh quang là một trong những loại cảm biến quang sinh học đang đƣợc phát triển với hứa hẹn nâng cao độ nhạy cũng nhƣ sự chính xác của các cảm biến. Cảm biến huỳnh quang hoạt động dựa trên hiện tƣợng phát huỳnh quang của vật liệu trong cảm biến. Cụ thể, sự thay đổi trong phổ phát quang của các tâm phát quang trong cảm biến đƣợc sử dụng để chỉ ra sự có mặt cũng nhƣ xác định nồng độ của chất phân tích. Cùng với sự phát triển của công nghệ và khoa học vật liệu, các vật liệu có cấu trúc nano ngày càng đƣợc chú ý đến, đặc biệt là trong việc chế tạo cảm biến quang sinh học nhờ vào các đặc tính ƣu việt về kích thƣớc, cấu trúc bề mặt, tính dính ƣớt, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích, khả năng phát quang.
Trong các vật liệu cấu trúc nano, ZnO là một loại vật liệu tiềm năng trong việc phát triển các cảm biến huỳnh quang sinh học nhờ các tính chất nổi bật nhƣ: là chất bán dẫn vùng cấm thẳng có độ rộng vùng cấm khoảng 3,37 eV ở nhiệt độ phòng, có năng lƣợng liên kết exciton cỡ 60 meV, lớn hơn rất nhiều so với năng lƣợng liên kết exciton trong một số loại vật liệu bán dẫn khác, ổn định với môi trƣờng. Đặc biệt ZnO cũng là một vật liệu an toàn với môi trƣờng, không độc hại với điểm đẳng điện cao (IEP) khoảng 9,5 tạo thuận lợi cho sự hấp phụ các vật liệu IEP thấp hơn, chẳng hạn nhƣ protein và glucose tạo điều kiện để đƣợc sử dụng trong nghiên cứu y sinh học, môi trƣờng cụ thể là trong việc phát triển các loại cảm biến huỳnh quang sinh học [98][82][26]. Bên cạnh ZnO, các cấu trúc nano vàng cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong cảm biến sinh học nhờ kích thƣớc nhỏ, tính tƣơng thích sinh học cao và đặc biệt là hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt [52][62][56]. Sự kết hợp giữa ZnO và Au mang lại nhiều tính chất đặc biệt nhƣ khả năng tăng cƣờng huỳnh quang và diện tích bề mặt khiện loại vật liệu này hứa hẹn sẽ góp phần nâng cao hơn nữa khả năng hoạt động của cảm biến huỳnh quang.
Trong luận văn này, tác giả phát triển một loại cảm biến dựa trên cấu trúc nano của vật liệu ZnO phủ vàng để xác định nồng độ của đƣờng glucose bằng phƣơng pháp huỳnh quang mà không cần phải sử dụng tới enzyme. Cấu trúc nano sử dụng 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng trong cảm biến chính là các ống nano ZnO phủ vàng đƣợc tổng hợp trên đồng với giá thành thấp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Các hạt vàng và lớp vàng sẽ đƣợc phủ lên bề mặt các ống nano ZnO bằng phƣơng pháp phún xạ. Cấu trúc và hình thái học của ống nano ZnO đƣợc tổng hợp trên đế đồng cũng đƣợc khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tía X, quang phổ Raman và phổ PL.
Cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp ZnO/Au đƣợc kiểm tra thời gian phản hồi, xây dựng đƣờng chu n dùng để xác định độ nhạy sẽ đƣợc sử dụng để đo nồng độ Glucose trong mẫu máu serum và so sánh với kết quả xét nghiệm lâm sàng đề đánh giá độ chính xác của cảm biến. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến cũng đƣợc kiểm tra với các chất khác có trong máu ngƣời, uric acid, bovin serum abumin (BSA), fructose, maltose, sucrose. Cuối cùng cảm biến đƣợc dùng để đo hàm lƣợng glucose với mẫu huyết thanh của máu ngƣời đƣợc cung cấp bởi bệnh viện địa phƣơng. Cấu trúc của luận văn: Các kết quả nghiên cứu của luận văn đƣợc viết thành 4 chƣơng có bố cục nhƣ sau: Chƣơng : Tổng quan Trình bày tổng quan về các cảm biến sinh học và cảm biến huỳnh quang sinh học nói chung.
Đồng thời, cảm biến đo hàm lƣợng đƣờng glucose bằng các phƣơng pháp điện hóa và huỳnh quang cũng đƣợc trình bày cụ thể về cấu tạo, nguyên lý hoạt động. Trình bày cấu trúc cũng nhƣ một số tính chất của vật liệu nano ZnO, hạt nano vàng và cấu trúc tổ hợp Au/ZnO. Đồng thời trình bày phƣơng pháp tổng hợp cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng bằng phƣơng pháp thủy nhiệt kết hợp phún xạ. Chƣơng : Thực nghiệm Trình bày các bƣớc thực nghiệm để tổng hợp ống ZnO phủ vàng, các thiết bị khảo sát cấu trúc và hình thái bề mặt của ống nano ZnO phủ vàng.
Quá trình khảo sát độ nhạy, độ chọn lọc của vật liệu cũng đƣợc đề cập. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Trình bày các kết quả tổng hợp và khảo sát hình thái cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng cũng nhƣ độ nhạy, độ chọn lọc của cảm biến đo hàm lƣợng glucose dựa trên cấu trúc vật liệu tổ hợp này. Chƣơng 4: Kết luận Chƣơng này là kết luận chung của toàn luận văn và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN HUỲNH QUANG SINH HỌC 1.1 Cảm biến sinh học Leland C.
Clark đƣợc xem là cha đẻ của cảm biến sinh học khi lần đầu tiên đề xuất điện cực enzyme vào năm 1962 [16]. Sau đó, các nhà khoa học ở mọi lĩnh vực từ hóa học, khoa học vật liệu, đến vật lý đã nghiên cứu và phát triển thêm nhiều loại cảm biến sử dụng trong y học, ch n đoán lâm sàng, công nghệ sinh học hay nông nghiệp [51][85][78][82][33][4]. Ứng dụng của cảm biến sinh học thậm chí còn đƣợc sử dụng trong quân sự với mục đích phát hiện và ngăn chặn khủng bố sử dụng vũ khí sinh học [85]. Cảm biến sinh học đƣợc định nghĩa là một loại cảm biến có thể phát hiện và theo dõi các thực thể sinh học nhƣ các phân tử sinh học, acid nucleic, enzyme, kháng thể, thành phần tế bào hay thế bào thông qua sự tƣơng tác của các chất phân tích này với cảm biến [85].1: Sơ đồ khối cấu tạo cảm biến sinh học.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng Cảm biến sinh học nói chung gồm 3 thành phần: (1) đầu thu sinh học/phần tử nhận biết sinh học, (2) bộ ph n chuyển đổi tín hiệu sinh học, (3) bộ phận thu và xử lý tín hiệu (hình 1. Trong một cảm biến sinh học, đầu thu sinh học đóng vai trò là bộ phận nhận biết sự có mặt của chất phân tích; bộ ph n chuyển đổi tín hiệu sinh học biến tín hiệu xuất hiện từ sự tƣơng tác của chất phân tích và đầu thu thành các tín hiệu có thể đo đạc đƣợc, tùy theo loại tƣơng tác mà tín hiệu đƣợc sinh ra từ bộ phận chuyển đổi có thể là tín hiệu điện, quang, từ…;và cuối cùng bộ phận thu và xử lý tín hiệu giúp thu tín hiệu đầu ra từ bộ phận chuyển đổi và xử lý thông qua hệ thống điện tử để thu đƣợc kết quả đọc đƣợc[85][86][33]. ảng : C c ph n t c th đ c ng đ chế tạo cảm iến sinh học [86]. Phần tử nhận biết sinh học/đầu thu sinh Phần tử chuyển đổi/ tín hiệu đo học đƣợc Các cơ chế sinh vật Hiệu điện thế Mô Dòng điện Tế bào Độ dẫn Bào quan Tổng trở Màng tế bào Tính chất quang Enzyme Tính chất nhiệt Thành phần cấu tạo nên enzyme Tín hiệu âm Thụ thể sinh học Tín hiệu cơ Kháng thể Điện tử phân tử (molecular electronic) Acid nucleic Phân tử hữu cơ Vật liệu vô cơ cấu trúc nano Cảm biến quang sinh học có thể sử dụng nhiều các loại vật liệu từ hữu cơ sinh học nhƣ các loại enzyme, kháng thể, kháng nguyên, axit nucleic, thụ thể sinh 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Trần Đình Hoàng học….
tới các vật liệu vô cơ nhƣ là vật liệu bán dẫn nano, chấm lƣợng tử, kim loại, oxit kim loại, graphen…. để nhận biệt chất phân tích [85][13][33].