Tổng quan nghiên cứu

Thống kê từ Liên đoàn Đái tháo đường Thế giới ghi nhận trong năm 2019 có khoảng 463 triệu người trưởng thành mắc bệnh đái tháo đường và con số này dự kiến sẽ tăng vọt lên mức 700 triệu người vào năm 2045, kéo theo hơn 1,5 triệu ca tử vong mỗi năm. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp bách về việc phát triển các công cụ giám sát nồng độ glucose liên tục, chính xác và có chi phí thấp. Dù các kỹ thuật cảm biến quang học và điện hóa truyền thống đã đạt được nhiều bước tiến, nhưng việc triển khai các hệ thống cảm biến quang điện hóa hiện nay vẫn phụ thuộc chủ yếu vào các thiết bị thương mại cồng kềnh, phức tạp với giá thành lên đến hàng trăm triệu đồng, gây cản trở lớn cho việc ứng dụng tại chỗ.

Nhằm giải quyết bài toán trên, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung nghiên cứu đề tài thiết kế hệ cảm biến quang điện hóa ứng dụng đo nồng độ glucose. Nghiên cứu được triển khai toàn diện trong khung thời gian từ tháng 02 năm 2023 đến tháng 06 năm 2023 dưới sự tài trợ của đề tài khoa học công nghệ mã số B2022-20-01/HĐ-KHCN. Mục tiêu trọng tâm của công trình là chế tạo một hệ thu nhận tín hiệu quang điện hóa tích hợp, nhỏ gọn, có khả năng đo dòng điện cực nhỏ từ 18 mA xuống tới 1 nA với độ lệch chuẩn tương đối dưới 1%, đồng thời tích hợp hệ thống nguồn sáng LED đơn sắc đa bước sóng từ 405 nm đến 850 nm. Đóng góp nổi bật của luận văn là việc tổng hợp thành công vật liệu thanh nano đồng oxit làm việc theo cơ chế nanozyme, giúp đo nồng độ glucose trong phạm vi từ 0 đến 100 µM mà không cần sử dụng enzyme sinh học, mở ra tiềm năng thương mại hóa thiết bị y tế cá nhân với chi phí sản xuất giảm hơn 60% so với các hệ thống phân tích phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng của lý thuyết quang điện hóa hiện đại, kết hợp chặt chẽ giữa quá trình chuyển dịch điện tử quang sinh và động học phản ứng điện hóa trên bề mặt điện cực. Khi vật liệu bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm, các electron sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron và lỗ trống quang sinh. Các hạt mang điện này nhanh chóng tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử với chất phân tích trong dung dịch điện phân dưới sự chi phối của định luật Faraday với hằng số Faraday đạt giá trị 96.493 C/mol.

Cơ sở phân tích điện hóa dựa trên mô hình tế bào ba điện cực tiêu chuẩn gồm điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực tham chiếu bạc trên bạc clorua. Cấu trúc mạch đo ứng dụng lý thuyết khuếch đại chuyển đổi trở kháng để biến đổi dòng điện nanoampe thành điện áp có thể đọc được qua bộ chuyển đổi tương tự sang số. Đồng thời, nghiên cứu tích hợp cơ chế xúc tác giả enzyme, tận dụng phản ứng thuận nghịch của cặp oxy hóa khử Cu2+ và Cu3+ trên bề mặt vật liệu nano oxit kim loại để phân hủy glucose mà không phụ thuộc vào độ bền nhiệt của enzyme tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp thông qua hệ mạch điện tử tự thiết kế dựa trên vi điều khiển ESP32-WROOM-32 kết hợp bộ chuyển đổi tương tự sang số 20-bit và bộ chuyển đổi số sang tương tự có độ phân giải cao. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 50 chu kỳ kiểm tra mạch đo với hệ thống điện trở chuẩn có cấp chính xác sai số dưới 1%, cùng 15 mẫu điện cực nano đồng oxit được chế tạo lặp lại để đánh giá độ đồng đều. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng cho các dung dịch glucose chuẩn với 6 dải nồng độ từ 0 µM đến 100 µM pha trong môi trường natri hydroxit 0,1 M.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích quét thế vòng tuần hoàn và đo dòng điện theo thời gian là nhằm phân tách rõ ràng giữa động học phản ứng điện hóa thuần túy và dòng quang điện sinh ra dưới tác động của bức xạ ánh sáng. Cấu trúc hình thái và pha tinh thể của vật liệu được phân tích định lượng bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét và quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến trên máy đo quang phổ với bước sóng từ 200 nm đến 1100 nm. Toàn bộ quy trình thử nghiệm, tổng hợp vật liệu và hiệu chuẩn mạch đo được tiến hành liên tục trong suốt 5 tháng thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên sâu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống mạch đo potentiostat di động được thiết kế thành công với khả năng vận hành linh hoạt ở cả ba chế độ 2, 3 và 4 điện cực. Mạch xử lý tín hiệu đạt dải đo dòng điện cực rộng từ 18 mA xuống tới 1 nA với độ lệch chuẩn tương đối luôn duy trì ở mức dưới 1%. Khối nguồn dòng điều khiển hệ thống 6 đèn LED đơn sắc tại các bước sóng 405 nm, 470 nm, 525 nm, 630 nm, 770 nm và 850 nm hoạt động hoàn toàn tuyến tính trong phạm vi từ 0 mA đến 450 mA.

Thứ hai, vật liệu thanh nano đồng oxit được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 120 độ C trong 6 giờ đã tạo ra hình thái que nano đồng đều, đường kính trung bình khoảng 80 nm và chiều dài đạt 1,2 µm. Phổ nhiễu xạ tia X khẳng định pha đơn tinh thể đơn tà đặc trưng của đồng oxit mà không xuất hiện pha tạp chất.

Thứ ba, kết quả khảo sát đo dòng điện theo thời gian với bước sóng kích thích 405 nm ở dòng cấp 100 mA cho thấy mật độ dòng quang điện tăng tỷ lệ thuận với nồng độ glucose trong khoảng từ 0 µM đến 100 µM. Dưới tác động chiếu xạ quang phổ, cường độ tín hiệu đáp ứng tăng khoảng 35% so với phép đo điện hóa trong điều kiện không có ánh sáng.

Thứ tư, khi kiểm tra đối chứng với thiết bị đo điện hóa thương mại chuyên dụng model DY2100 và đồng hồ đo chuẩn Fluke 87V, hệ thống tự chế tạo đạt độ chính xác tương đương trên 98,5%, chứng minh khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị nhập ngoại đắt tiền trong các phép đo điện hóa và quang điện hóa cơ bản.

Thảo luận kết quả

Quá trình gia tăng mật độ dòng quang điện được giải thích bởi cơ chế bẫy lỗ trống quang sinh. Dưới bức xạ bước sóng 405 nm tương ứng mức năng lượng photon khoảng 3,06 eV, vượt qua năng lượng vùng cấm của đồng oxit, các lỗ trống sinh ra trên vùng hóa trị sẽ oxy hóa nhanh chóng các phân tử glucose hấp phụ trên bề mặt điện cực, trong khi các electron tự do di chuyển về phía đế dẫn ITO để tạo thành dòng quang anode đo được. Dữ liệu thực nghiệm này có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong quét thế vòng tuần hoàn dạng bậc thang và bảng thống kê sai số hồi quy tuyến tính với hệ số tương quan R bình phương đạt trên 0,992.

So sánh với các nghiên cứu cảm biến sử dụng enzyme glucose oxidase truyền thống vốn suy giảm hơn 50% hoạt tính sau 30 ngày bảo quản, điện cực thanh nano đồng oxit duy trì độ ổn định tín hiệu trên 94% sau hơn 60 ngày thử nghiệm. Việc sử dụng nguồn sáng LED bước sóng ngắn 405 nm mang lại hiệu suất lượng tử cao hơn khoảng 2,5 lần so với các bước sóng khả kiến dài hơn, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát hiện các phân tử sinh học có nồng độ cực thấp trong chẩn đoán lâm sàng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp cấu trúc vi mạch đo lường bằng cách tích hợp công nghệ hệ thống trên chip nhằm thu nhỏ kích thước bảng mạch in xuống dưới 30 cm2, đồng thời nâng tốc độ lấy mẫu của khối ADC lên trên 1000 mẫu mỗi giây, dự kiến hoàn thiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng nhúng.

Thứ hai, biến tính bề mặt vật liệu nano đồng oxit thông qua việc pha tạp các hạt nano kim loại quý như vàng hoặc bạc nhằm tạo cấu trúc dị thể, hướng đến mục tiêu tăng độ nhạy cảm biến thêm 40% và mở rộng dải đo tuyến tính lên mức 500 µM, thực hiện trong khung thời gian 9 tháng do các chuyên gia khoa học vật liệu chủ trì.

Thứ ba, chuẩn hóa buồng đo quang điện hóa bằng công nghệ vi lưu với thể tích mẫu thử yêu cầu giảm xuống dưới 50 microlit, tích hợp cảm biến nhiệt độ tự động bù trừ sai số môi trường, giao cho nhóm nghiên cứu kỹ thuật y sinh hoàn thành trong 12 tháng.

Thứ tư, triển khai thử nghiệm lâm sàng trên 200 mẫu huyết thanh và dịch kẽ sinh học thực tế để đánh giá độ chọn lọc trước các hợp chất gây nhiễu phổ biến như acid ascorbic, acid uric và paracetamol, với mục tiêu đạt độ đặc hiệu trên 96%, thực hiện trong 18 tháng thông qua sự liên kết giữa trường đại học và các cơ sở y tế chuyên khoa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng y sinh có thể khai thác trực tiếp sơ đồ nguyên lý mạch potentiostat, khối khuếch đại chuyển đổi dòng thành áp và kỹ thuật chống nhiễu cách ly nguồn tương tự - số để phát triển các thiết bị đo nồng độ cầm tay.

Nhà nghiên cứu khoa học vật liệu và công nghệ nano sẽ tìm thấy trong luận văn quy trình chi tiết về phản ứng thủy nhiệt tổng hợp thanh nano oxit kim loại, kỹ thuật phủ màng mỏng bằng phương pháp phun siêu âm lên đế kính dẫn điện ITO và phương pháp phân tích phổ XRD, SEM, UV-Vis.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Vật lý Kỹ thuật, Hóa phân tích và Kỹ thuật Y sinh có thể sử dụng công trình như một tài liệu giảng dạy thực hành chuyên sâu về cơ chế quang điện hóa, mô hình mạch tương đương và phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến sinh học.

Các doanh nghiệp khởi nghiệp và đơn vị sản xuất thiết bị y tế chẩn đoán tại chỗ có thể ứng dụng nền tảng công nghệ này để thương mại hóa các dòng máy theo dõi đường huyết không xâm lấn hoặc ít xâm lấn với giá thành chỉ bằng một phần ba so với thiết bị nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp cảm biến quang điện hóa có ưu điểm vượt trội nào so với cảm biến điện hóa truyền thống? Cảm biến quang điện hóa sử dụng ánh sáng làm nguồn kích thích và đo tín hiệu điện đầu ra, giúp tách biệt hoàn toàn dạng năng lượng kích thích và năng lượng thu nhận. Điều này làm giảm đáng kể dòng nhiễu nền, giúp tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tăng hơn 3 lần và cải thiện giới hạn phát hiện xuống mức nanoampe.

Tại sao luận văn lựa chọn cấu trúc thanh nano đồng oxit thay vì enzyme sinh học? Enzyme tự nhiên rất nhạy cảm với nhiệt độ và độ pH, thường mất hoạt tính sau 2 đến 4 tuần. Cấu trúc thanh nano đồng oxit đóng vai trò là chất giả enzyme bền vững, có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn 10 lần so với dạng khối, mang lại độ bền hóa học cao và khả năng xúc tác oxy hóa glucose ổn định trong hơn 60 ngày.

Hệ thống mạch đo potentiostat trong đề tài đạt được các thông số kỹ thuật then chốt nào? Mạch đo hỗ trợ đầy đủ ba cấu hình 2, 3 và 4 điện cực, dải đo dòng trải rộng từ 18 mA đến 1 nA với độ lệch chuẩn tương đối dưới 1%. Khối nguồn dòng LED cho phép điều chỉnh mịn từ 0 mA đến 450 mA trên 6 bước sóng quang phổ khác nhau.

Việc tích hợp hệ thống 6 đèn LED đơn sắc mang lại lợi ích gì trong nghiên cứu? Hệ thống 6 bước sóng từ 405 nm đến 850 nm cho phép khảo sát đáp ứng quang phổ của nhiều loại vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau. Bước sóng 405 nm kích hoạt tối đa hiệu ứng quang điện trên thanh nano đồng oxit với dòng điện cấp 100 mA ổn định.

Dải nồng độ đo glucose từ 0 đến 100 µM của thiết bị có ý nghĩa thực tiễn như thế nào? Dải đo từ 0 đến 100 µM hoàn toàn phù hợp để phân tích glucose trong các mẫu sinh học không xâm lấn như nước mắt, mồ hôi và nước bọt, nơi nồng độ đường thấp hơn khoảng 50 lần so với trong máu toàn phần, mở ra hướng phát triển thiết bị xét nghiệm không đau cho bệnh nhân.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công hệ đo quang điện hóa nhỏ gọn với mạch potentiostat đa năng đo dải dòng từ 18 mA đến 1 nA và độ lệch chuẩn nhỏ hơn 1%. • Tích hợp hoàn chỉnh khối nguồn dòng điều khiển 6 đèn LED đơn sắc từ 405 nm đến 850 nm với dòng điện tuyến tính 0 đến 450 mA. • Tổng hợp thành công cấu trúc thanh nano đồng oxit đơn tinh thể bằng phương pháp thủy nhiệt và phủ màng dẫn điện ITO qua kỹ thuật phun siêu âm. • Xác lập mối tương quan tuyến tính giữa mật độ dòng quang điện và nồng độ glucose trong phạm vi từ 0 đến 100 µM dưới ánh sáng kích thích 405 nm. • Khẳng định tiềm năng ứng dụng công nghệ cảm biến quang điện hóa không enzyme trong việc phát triển các thiết bị chẩn đoán y tế tại điểm chăm sóc với chi phí tiết kiệm.

Kế hoạch phát triển trong giai đoạn tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm lâm sàng trên mẫu dịch sinh học thực tế và tích hợp module truyền thông không dây trong vòng 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp y tế quan tâm có thể kết nối chuyển giao công nghệ để đưa sản phẩm vào sản xuất thực tế phục vụ cộng đồng.