Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường là một trong những căn bệnh phổ biến và có xu hướng gia tăng nhanh chóng trên toàn cầu, với khoảng 463 triệu người mắc bệnh vào năm 2019 và dự kiến tăng lên 700 triệu người vào năm 2045. Việc theo dõi chính xác nồng độ đường huyết đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và giảm thiểu các biến chứng nguy hiểm như suy giảm hệ thần kinh, bệnh tim mạch và mù lòa. Tuy nhiên, các phương pháp đo lường hiện nay, đặc biệt là cảm biến điện hóa sử dụng enzyme, còn tồn tại nhiều hạn chế về độ tin cậy và độ ổn định do ảnh hưởng của điều kiện môi trường như độ pH, nhiệt độ và các chất nền khác trong mẫu máu.

Luận văn tập trung phát triển cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng glucose dựa trên vật liệu nano ZnO phủ vàng, không sử dụng enzyme, nhằm khắc phục các nhược điểm của cảm biến điện hóa truyền thống. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, với mục tiêu nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc và tính ổn định của cảm biến glucose. Việc ứng dụng vật liệu nano ZnO kết hợp với hạt nano vàng tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt để tăng cường phát huỳnh quang, từ đó cải thiện hiệu suất cảm biến.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các thiết bị y tế hiện đại, hỗ trợ theo dõi bệnh tiểu đường chính xác, nhanh chóng và chi phí thấp, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cảm biến huỳnh quang sinh học: Hoạt động dựa trên hiện tượng phát huỳnh quang của các tâm phát quang, trong đó sự thay đổi cường độ hoặc bước sóng phát huỳnh quang tỷ lệ với nồng độ chất phân tích. Cảm biến huỳnh quang có ưu điểm về độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ so với cảm biến điện hóa.

  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Hiện tượng dao động tập trung của các electron tự do trên bề mặt kim loại nano khi bị kích thích bởi ánh sáng, làm tăng cường trường điện từ tại bề mặt và tăng cường phát huỳnh quang của các vật liệu gần đó.

  • Hiệu ứng huỳnh quang tăng cường kim loại (Metal Enhanced Fluorescence - MEF): Sự tăng cường phát huỳnh quang của các tâm phát quang khi tiếp xúc gần với các cấu trúc kim loại nano như vàng, nhờ vào hiệu ứng SPR và sự truyền năng lượng cộng hưởng Förster (FRET).

  • Cơ chế dập tắt huỳnh quang do va chạm: Sự suy giảm cường độ huỳnh quang khi các phân tử dập tắt như H2O2 tương tác với tâm phát quang, được ứng dụng để phát hiện nồng độ glucose thông qua sản phẩm oxi hóa glucose.

Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu nano ZnO (Zinc Oxide), hạt nano vàng (Au nanoparticles), cảm biến huỳnh quang sinh học, hiệu ứng MEF, dập tắt huỳnh quang, và cảm biến glucose không enzyme.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu ống nano ZnO phủ vàng tổng hợp trên đế đồng bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp phún xạ vàng. Mẫu máu huyết thanh người được cung cấp bởi bệnh viện địa phương để đánh giá hiệu suất cảm biến.

  • Phương pháp phân tích:

    • Hình thái và cấu trúc vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), và phổ Raman.
    • Tính chất quang học được đo bằng phổ huỳnh quang (PL) sử dụng laser He-Cd 325 nm.
    • Độ nhạy, độ chọn lọc và thời gian đáp ứng của cảm biến được xác định thông qua các phép đo huỳnh quang với các nồng độ glucose khác nhau, cùng với các chất interferent như uric acid, bovin serum albumin, fructose, maltose và sucrose.
    • So sánh kết quả đo glucose trong mẫu huyết thanh với kết quả xét nghiệm lâm sàng để đánh giá độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong 6 tháng đầu năm 2019, thử nghiệm cảm biến và phân tích dữ liệu trong 6 tháng cuối năm 2019 đến đầu năm 2020.

  • Cỡ mẫu: Mẫu vật liệu nano được tổng hợp nhiều lần để đảm bảo tính lặp lại; mẫu huyết thanh người được lấy từ khoảng 10-15 bệnh nhân để đánh giá thực nghiệm.

  • Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp thủy nhiệt kết hợp phún xạ vàng cho phép tổng hợp vật liệu nano với chi phí thấp, kiểm soát tốt hình thái và kích thước hạt nano. Phương pháp huỳnh quang giúp tăng độ nhạy và giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ so với cảm biến điện hóa truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hình thái và cấu trúc vật liệu: Ống nano ZnO phủ vàng có cấu trúc tinh thể Wurtzite ổn định với kích thước ống nano đồng đều, được xác nhận qua SEM và XRD. Lớp vàng phủ đều trên bề mặt ống nano ZnO với độ dày kiểm soát qua thời gian phún xạ (5-30 giây).

  2. Tính chất quang học: Phổ huỳnh quang của ống nano ZnO phủ vàng cho thấy sự tăng cường cường độ phát huỳnh quang vùng UV lên đến 3,5 lần so với mẫu ZnO không phủ vàng, nhờ hiệu ứng MEF từ hạt nano vàng. Đỉnh phổ UV ở khoảng 382 nm được sử dụng làm tín hiệu chính để đo nồng độ glucose.

  3. Độ nhạy và thời gian đáp ứng: Cảm biến cho độ nhạy khoảng 3,5%/mM trong dải nồng độ glucose từ 0,05 mM đến 14 mM, phù hợp với phạm vi sinh lý của glucose trong máu người. Thời gian đáp ứng nhanh, dưới 10 giây để đạt tín hiệu ổn định.

  4. Độ chọn lọc: Cảm biến thể hiện khả năng chọn lọc cao với glucose, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các chất interferent như uric acid, BSA, fructose, maltose và sucrose trong cùng nồng độ thử nghiệm.

  5. Đo nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh: Kết quả đo bằng cảm biến huỳnh quang tương quan tốt với kết quả xét nghiệm lâm sàng, với sai số trung bình dưới 5%, chứng tỏ độ chính xác cao của cảm biến.

Thảo luận kết quả

Sự tăng cường huỳnh quang của cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng được giải thích bởi hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt từ các hạt nano vàng, làm tăng mật độ điện tử kích thích và hiệu suất phát huỳnh quang vùng UV. Đồ thị phổ PL minh họa rõ sự gia tăng cường độ phát huỳnh quang theo thời gian phún xạ vàng, đồng thời biểu đồ thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang và nồng độ glucose cho thấy tính khả thi của cảm biến trong ứng dụng thực tế.

Khả năng dập tắt huỳnh quang do H2O2 sinh ra từ phản ứng oxi hóa glucose trên bề mặt ZnO phủ vàng là cơ chế chính giúp cảm biến nhận biết nồng độ glucose mà không cần enzyme, từ đó tăng tính ổn định và giảm chi phí sản xuất. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng enzyme, cảm biến này có ưu điểm vượt trội về độ bền và khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường đa dạng.

Kết quả độ chọn lọc cao cho thấy cấu trúc nano ZnO phủ vàng có khả năng hạn chế ảnh hưởng của các chất nền trong mẫu máu, điều này rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của cảm biến trong ứng dụng y tế. So sánh với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, cảm biến này có độ nhạy và thời gian đáp ứng cạnh tranh, đồng thời chi phí sản xuất thấp hơn nhờ sử dụng đế đồng và phương pháp tổng hợp thủy nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Nâng cao kiểm soát kích thước và phân bố hạt nano vàng trên ống nano ZnO để tối ưu hiệu ứng MEF, từ đó tăng độ nhạy cảm biến. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

  2. Phát triển thiết bị đo huỳnh quang mini: Thiết kế và chế tạo thiết bị đo huỳnh quang cầm tay tích hợp cảm biến ZnO/Au để ứng dụng trong theo dõi đường huyết tại nhà. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: nhóm kỹ thuật điện tử và y sinh.

  3. Mở rộng thử nghiệm lâm sàng: Thực hiện khảo sát trên mẫu huyết thanh đa dạng hơn với số lượng bệnh nhân lớn để đánh giá độ ổn định và độ chính xác trong điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu y sinh phối hợp bệnh viện.

  4. Nghiên cứu ứng dụng cảm biến trong các mẫu sinh học khác: Khảo sát khả năng đo glucose trong nước tiểu, dịch mô hoặc các mẫu sinh học khác để mở rộng phạm vi ứng dụng. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu hóa sinh.

  5. Phát triển cảm biến đa chỉ tiêu: Kết hợp cảm biến ZnO/Au với các vật liệu nano khác để phát triển cảm biến đa chỉ tiêu sinh học, phục vụ chẩn đoán bệnh đa dạng. Thời gian thực hiện: 18 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu và y sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và cảm biến sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano ZnO/Au trong cảm biến huỳnh quang, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu mới về vật liệu và thiết bị cảm biến.

  2. Chuyên gia y sinh và công nghệ y tế: Tham khảo để hiểu rõ cơ chế hoạt động và ứng dụng cảm biến glucose không enzyme, từ đó phát triển các thiết bị y tế hiện đại, cải thiện chất lượng chăm sóc bệnh nhân tiểu đường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế: Cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để phát triển sản phẩm cảm biến glucose mới với chi phí thấp, độ chính xác cao, phù hợp với thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành quang học, vật liệu và y sinh: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano và ứng dụng trong cảm biến sinh học, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến huỳnh quang ZnO/Au hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    Cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ huỳnh quang của ống nano ZnO khi phủ hạt nano vàng, tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt để tăng cường phát huỳnh quang. Nồng độ glucose được xác định thông qua sự dập tắt huỳnh quang do sản phẩm H2O2 trong phản ứng oxi hóa glucose.

  2. Ưu điểm của cảm biến không sử dụng enzyme so với cảm biến enzyme truyền thống là gì?
    Cảm biến không enzyme có độ ổn định cao hơn, ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, và không bị suy giảm hoạt tính do enzyme bị phân hủy, từ đó kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo quản.

  3. Phương pháp tổng hợp ống nano ZnO phủ vàng được thực hiện như thế nào?
    Ống nano ZnO được tổng hợp trên đế đồng bằng phương pháp thủy nhiệt, sau đó phủ hạt nano vàng bằng kỹ thuật phún xạ vàng với thời gian điều chỉnh để kiểm soát độ dày và phân bố hạt vàng trên bề mặt.

  4. Cảm biến có thể đo được nồng độ glucose trong khoảng nào?
    Cảm biến đo được nồng độ glucose trong khoảng từ 0,05 mM đến 14 mM, phù hợp với phạm vi sinh lý của glucose trong máu người, với độ nhạy khoảng 3,5%/mM.

  5. Cảm biến có khả năng chống nhiễu từ các chất khác trong mẫu máu không?
    Nghiên cứu cho thấy cảm biến có độ chọn lọc cao, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các chất interferent như uric acid, BSA, fructose, maltose và sucrose, đảm bảo độ chính xác trong đo lường thực tế.

Kết luận

  • Phát triển thành công cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng, tận dụng hiệu ứng MEF để tăng cường phát huỳnh quang.
  • Cảm biến đạt độ nhạy cao khoảng 3,5%/mM, thời gian đáp ứng nhanh dưới 10 giây và có độ chọn lọc tốt với các chất interferent trong mẫu máu.
  • Kết quả đo nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh người tương quan tốt với kết quả xét nghiệm lâm sàng, chứng minh tính khả thi và độ chính xác của cảm biến.
  • Phương pháp tổng hợp vật liệu nano chi phí thấp, dễ thực hiện, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn và ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa vật liệu, phát triển thiết bị đo cầm tay, mở rộng thử nghiệm lâm sàng và ứng dụng trong các mẫu sinh học khác.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển cảm biến glucose hiện đại, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cho người bệnh tiểu đường. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp tục khai thác và ứng dụng các kết quả này trong nghiên cứu và thực tiễn.