Luận văn thạc sĩ về cảm biến quang điện hoá ứng dụng trong đo nồng độ glucose

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vật lý kỹ thuật thiết kế cảm biến quang điện hoá ứng dụng đo nồng độ glucose, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Huỳnh Võ Anh Hào
• Người hướng dẫn: TS. Trần Trung Nghĩa
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
• Đề tài: Cảm Biến Quang Điện Hóa Đo Nồng Độ Glucose
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Cảm biến quang điện hóa (PEC) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong phân tích hóa sinh, đặc biệt là trong việc đo nồng độ glucose. Việc phát triển cảm biến PEC không chỉ giúp cải thiện độ nhạy mà còn giảm giá thành sản phẩm. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến PEC với khả năng đo nồng độ glucose trong máu, nhằm phục vụ cho các ứng dụng y tế và sức khỏe. Cảm biến PEC sử dụng các vật liệu nano, đặc biệt là thanh nano đồng (CuO), để tạo ra tín hiệu điện hóa nhạy bén, góp phần vào việc phát hiện nồng độ glucose một cách hiệu quả.

1.1. Cơ sở lý thuyết về cảm biến quang điện hóa

Cảm biến quang điện hóa hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Trong hệ thống PEC, vật liệu quang hoạt được phủ lên bề mặt điện cực, giúp thu nhận tín hiệu từ phản ứng oxi hóa – khử của glucose. Việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc thích hợp cho điện cực là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng các vật liệu nano có thể nâng cao đáng kể độ nhạy và tính chính xác của cảm biến glucose.

1.2. Tính ứng dụng của cảm biến quang điện hóa trong đo nồng độ glucose

Cảm biến quang điện hóa có khả năng đo nồng độ glucose một cách nhanh chóng và chính xác, điều này rất quan trọng trong việc theo dõi bệnh tiểu đường. Các hệ thống cảm biến này có thể được thiết kế nhỏ gọn, di động, và dễ sử dụng, phù hợp với nhu cầu của người bệnh. Nghiên cứu cho thấy rằng các vật liệu nano như CuO có thể tạo ra mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ glucose, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe.

II. Phương pháp thực hiện

Để xây dựng hệ thống cảm biến quang điện hóa, một quy trình cụ thể đã được thực hiện bao gồm việc thiết kế mạch điện hóa, xây dựng cấu trúc điện cực và thực hiện các thí nghiệm đo lường. Mạch đo điện hóa được thiết kế đa năng, cho phép hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, từ đó nâng cao khả năng đo lường. Việc tổng hợp vật liệu CuO bằng phương pháp thủy nhiệt và sử dụng chúng làm điện cực làm việc là một bước quan trọng trong nghiên cứu này. Kết quả cho thấy hệ thống có thể đo được các nồng độ glucose khác nhau với độ chính xác cao.

2.1. Thiết kế mạch điện hóa

Mạch điện hóa được thiết kế với khả năng hoạt động linh hoạt ở nhiều chế độ khác nhau, cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh và tối ưu hóa quá trình đo lường. Các thành phần chính của mạch bao gồm nguồn điện, bộ khuếch đại và mạch thu nhận tín hiệu. Sự kết hợp giữa các thành phần này giúp cải thiện khả năng đo lường, giảm thiểu độ nhiễu và nâng cao độ chính xác của kết quả.

2.2. Tổng hợp và đánh giá vật liệu

Quá trình tổng hợp vật liệu CuO được thực hiện thông qua phương pháp thủy nhiệt, cho phép tạo ra các thanh nano với kích thước đồng đều. Các thanh nano này sau đó được sử dụng làm điện cực trong hệ thống cảm biến. Việc đánh giá hiệu suất của vật liệu được thực hiện thông qua các thí nghiệm như phổ nhiễu xạ XRD và ảnh hiển vi điện tử quét SEM, giúp xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng trong cảm biến glucose.

III. Kết quả và bàn luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống cảm biến quang điện hóa có khả năng đo nồng độ glucose trong khoảng từ 0 đến 100 µM với độ chính xác cao. Sự oxi hóa – khử của cặp Cu2+/Cu3+ đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát hiện glucose, cho thấy rằng hiệu ứng quang điện có thể được khai thác để nâng cao độ nhạy của cảm biến. Các thí nghiệm cho thấy rằng mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ glucose, điều này chứng tỏ tính khả thi của hệ thống trong việc ứng dụng thực tiễn.

3.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Hệ thống cảm biến đã được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực nghiệm, cho thấy khả năng đo nồng độ glucose với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 1%. Các kết quả cho thấy rằng thiết kế mạch điện hóa và việc sử dụng vật liệu nano đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao hiệu suất của cảm biến. Hệ thống có thể hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau, cho thấy tính ứng dụng cao trong thực tế.

3.2. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến

Cảm biến quang điện hóa có thể được ứng dụng rộng rãi trong việc theo dõi nồng độ glucose cho bệnh nhân tiểu đường. Với thiết kế nhỏ gọn và khả năng đo nhanh chóng, cảm biến này có thể trở thành một công cụ hữu ích trong chăm sóc sức khỏe. Việc phát triển thêm các vật liệu và kỹ thuật mới trong tương lai sẽ giúp nâng cao độ nhạy và tính chính xác của cảm biến, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào • Tìm hiểu quy trình và tiến hành tổng hợp vật liệu đồng (II) oxit dạng thanh. • Tiến hành đánh giá kỹ thuật của một số thông số của hệ nguồn sáng đơn sắc và mạch đo điện hóa và so sánh kết quả với một số thiết bị tham chiếu. • Tiến hành đánh giá cấu trúc của dạng vật liệu được tổng hợp. • Xây dựng quy trình thực nghiệm đo trên dung dịch glucose, tiến hành đo đạc và đánh giá kết quả đo glucose ở các nồng độ khác nhau.

Trần Trung Nghĩa || PGS. Trần Việt Cường 5 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. Tổng quan về cảm biến 2. Cảm biến và phân loại cảm biến Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác. Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất,. tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như điện tích, điện áp, dòng điện, … chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Cho tới hiện nay, việc phân loại cảm biến vẫn chưa có một quy chuẩn cụ thể nào.

Do đó, có rất nhiều cách để phân loại cảm biến khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau. Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và dựa vào những tiêu chí riêng biệt, ta có thể phân loại cảm biến dựa trên nguyên lý hoạt động, dựa trên đặc tính chủ động hoặc bị động hay dựa trên đối tượng mà chúng cảm nhận (cảm biến vật lý, cảm biến hóa học và cảm biến sinh học). Dựa trên đặc tính chủ động và bị động • Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt GVHD: TS.

Trần Trung Nghĩa || PGS. Trần Việt Cường 6 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào • Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. Dựa trên đối tượng mà chúng cảm nhận • Cảm biến vật lý: bức xạ điện từ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,.

• Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,. • Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, DNA/RNA, vi khuẩn, vi rút. Có một số thuộc tính tĩnh và động nhất định mà mọi cảm biến đều sở hữu. Dựa trên các thông số kỹ thuật này, hiệu suất của cảm có thể được tối ưu hóa cho các mục đích sử dụng thương mại.

Cảm biến điện hóa Cảm biến điện hóa là một thiết bị biến đổi thông tin điện hóa thành tín hiệu phân tích hữu ích. Cảm biến điện hóa thường bao gồm hai thành phần cơ bản, hệ thống nhận dạng hóa học (phân tử) là phần quan trọng nhất của cảm biến và đầu dò hóa lý là thiết bị chuyển đổi phản ứng hóa học thành tín hiệu có thể được phát hiện bằng thiết bị điện hiện đại [16]. Cảm biến điện hóa được tạo thành từ ba thành phần thiết yếu: một thụ thể liên kết mẫu (receptor), mẫu hoặc chất phân tích (sample) và một bộ chuyển đổi (transducer) để chuyển đổi phản ứng thành tín hiệu điện có thể đo được. Trong trường hợp cảm biến điện hóa, điện cực đóng vai trò là đầu dò [17].

Trần Trung Nghĩa || PGS. Trần Việt Cường 7 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào Hình 2. Các thành phần cơ bản của cảm biến [17] Trong các cảm biến điện hóa, bề mặt điện cực được sử dụng làm vị trí xảy ra phản ứng. Điện cực sẽ oxy hóa hoặc khử chất cần phân tích.

Dòng điện được tạo ra từ phản ứng được theo dõi và sử dụng để tính toán các dữ liệu quan trọng như nồng độ từ mẫu [18]. Tín hiệu từ cảm biến điện hóa bắt nguồn từ sự phản ứng điện trên bề mặt của chất phân tích và các phản ứng này sẽ được theo dõi bằng các phương pháp khác nhau (điện thế, điện lượng, độ dẫn, dòng điện, điện dung) [19]. Cơ chế cảm biến cơ bản của hệ thống điện hóa được mô tả như sau, khi một hệ điện cực được đo điện hóa trong dung dịch, hệ thống điện cực-chất điện phân có thể được chia thành bốn phần: (i) điện cực, (ii) lớp điện tích kép, (iii) lớp khuếch tán và (iv) phần lớn chất điện phân bên ngoài trong dung dịch [20] (Hình 2.2 Các thành phần cơ bảng của hệ điện cực – chất điện phân GVHD: TS. Trần Trung Nghĩa || PGS.

Trần Việt Cường 8 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào Lớp khuếch tán rất nhỏ so với chất điện phân khối bên ngoài (104-107 Å); do đó, đầu ra dòng điện hóa chủ yếu phụ thuộc vào các chất phân tích trong chất điện phân khối. Điện cực hoạt động giống như một máy bơm tĩnh điện; nó có thể hấp thụ các chất phân tích hoặc các ion với một điện tích cụ thể và tạo ra sự chuyển động của các chất phân tích từ phần điện phân khối sang phần khuếch tán [20]. Các chất phân tích ở gần điện cực sẽ trao đổi electron với điện cực, dẫn đến thay đổi dòng điện đầu ra. Do đó, khi tốc độ quét và diện tích điện cực được cố định, phép đo điện hóa có thể được sử dụng để mô tả thành công nồng độ của chất phân tích trong chất điện phân khối bên ngoài.

Điều này có thể được xác minh bằng cách phát hiện trực tiếp gốc oxi hóa tự do (ROS) trong dung dịch và có thể đạt được bằng cách sử dụng điện cực điện hóa trần mà không cần biến đổi. Cảm biến điện hóa đã có nhiều ứng dụng được đưa vào thực tiễn và cũng đang phát triển từng ngày nhờ vào sự phát triển của các công nghệ hỗ trợ khác như công nghệ vật liệu hay công nghệ vi mạch,. Việc đo lường sức khỏe con người, ô nhiễm, thông tin về thực phẩm và đồ uống, phân tích dược phẩm, phân tích môi trường, ô nhiễm nước, thuốc bất hợp pháp hoặc vi rút,. có thể được thực hiện bằng các giải pháp và kỹ thuật điện hóa [21-25].

Cảm biến điện hóa cũng đóng một vai trò cơ bản trong các lĩnh vực công nghiệp như nông nghiệp và chăn nuôi, có thể đo vô số thông số áp dụng cho việc cải tiến và phát triển chúng [26, 27]. Cảm biến điện hóa là một giải pháp có độ nhạy cao, nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm chi phí cho các phép đo tại chỗ. Đồng thời, các cảm biến với chiến lược mới đã phát triển các vật liệu, chất nền và định dạng mới giúp cải thiện độ chính xác, khả năng thu nhỏ và tính di động của chúng để đáp ứng các mô hình phân tích mới ở các thị trường khác nhau. Những đặc điểm như vậy làm cho các giải pháp này phù hợp để tích hợp vào các hệ thống giám sát hoặc tự động hóa khác nhau, kết hợp với cấu trúc truyền dữ liệu, có thể tạo ra những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực cảm biến sinh học, GVHD: TS.

Trần Trung Nghĩa || PGS. Trần Việt Cường 9 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào tạo ra những khả năng mới và quan trọng cho thị trường như những giải pháp thực tế và tương lai. Cảm biến quang điện hóa Kỹ thuật PEC được phát triển từ phương pháp điện hóa, đây là một loại thiết bị phân tích mới đang phát triển dựa trên các đặc tính quang điện hóa của vật liệu [28]. Nó liên quan tới sự kích thích của ánh sáng lên bề mặt vật liệu quang hoạt làm điện cực, cũng như là sự chuyển đổi năng lượng quang thành năng lượng điện.

Năng lượng này sẽ hỗ trợ cho quá trình cơ bản của PEC đó là các phản ứng oxi hóa – khử giữa các chất tham gia vào phản ứng này trong dung dịch trong suốt quá trình vật liệu quang hoạt được kích thích bởi ánh. Ban đầu, quang điện hóa được giới thiệu để sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện vì việc chỉ dựa vào quang hợp sinh học tự nhiên để chuyển năng lượng mặt trời thành nhiên liệu sẽ tốn thời gian và không thực tế [29]. Vì vậy, điều cần thiết là phải biết cách sử dụng một kỹ thuật nhân tạo để chuyển đổi năng lượng từ các vật liệu dồi dào thành năng lượng điện hoặc nhiên liệu (chẳng hạn như sản suất hydro). Quang điện hóa có thể chuyển đổi năng lượng quang học và hóa học từ các chất oxi hóa - khử thành năng lượng điện bằng dòng điện tử; nó cũng có thể tạo ra hydro bằng cách tách nước thành hydro và oxy [30, 31].

Một hệ cảm biến PEC bao gồm 3 thành phần chính đã được mô tả ở hình 1. Hệ thống ba điện cực của cảm biến PEC bao gồm: • Working Electrode (điện cực làm việc): đây là nơi diễn ra các phản ứng oxi hóa - khử, bề mặt điện cực sẽ được phủ lớp vật liệu quang hoạt. Tại đây, sẽ có sự chuyển các dung dịch sang bề mặt phân cách điện cực và sự truyền điện tích (sự chuyển electron trên bề mặt điện cực làm việc). Trần Trung Nghĩa || PGS.

Trần Việt Cường 10 CHƯƠNG 2 Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào • Reference Electrode (điện cực tham chiếu): dùng để tham chiếu điện áp cho điện cực làm việc. • Counter / Auxiliary Electrode (điện cực đối / điện cực phụ trợ). Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến PEC Nguyên tắc của quang điện hóa dựa trên một điện cực quang hoạt với các cặp electronhole được phân tách dưới ánh sáng, để lại các electron tự do ở CB và lỗ trống ở VB. Khi các vật liệu bán dẫn được cố định trên WE, các electron tự do có sẵn trong các vật liệu bán dẫn này để trao đổi với điện cực hoặc dung dịch.