Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Liên đoàn Tiểu đường Quốc tế, tỷ lệ người mắc bệnh đái tháo đường đang gia tăng nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu, dự kiến tăng từ 347 triệu người vào năm 2005 lên 700 triệu người vào năm 2030. Tại Việt Nam, số liệu thống kê ghi nhận khoảng 5 triệu người mắc bệnh đái tháo đường tính đến năm 2023. Để kiểm soát biến chứng nguy hiểm của bệnh, việc giám sát định kỳ và liên tục nồng độ glucose trong dịch cơ thể là yêu cầu y tế cấp thiết.

Phần lớn các thiết bị đo đường huyết thương mại hiện nay hoạt động dựa trên phương pháp phân tích điện hóa sử dụng enzyme tự nhiên, điển hình là glucose oxidase (GOX). Tuy nhiên, các hệ cảm biến sinh học gốc enzyme bộc lộ những nhược điểm cố hữu: giá thành cao, độ bền kém do enzyme dễ bị biến tính hoặc suy giảm hoạt tính dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và pH môi trường. Bên cạnh đó, phương pháp đo đường huyết thông dụng chủ yếu là phương pháp xâm lấn (lấy máu mao mạch đầu ngón tay), gây đau đớn, tăng nguy cơ nhiễm trùng và bất tiện đối với bệnh nhân. Do đó, xu hướng phát triển các cảm biến không xâm lấn hoặc ít xâm lấn thông qua phân tích các dịch sinh học như nước tiểu, mồ hôi bằng các vật liệu thay thế enzyme (nanozyme, vật liệu phát quang nano) đang nhận được sự quan tâm lớn.

Khóa luận tốt nghiệp "Chế tạo polymer in dấu phân tử kết hợp chấm lượng tử carbon và ứng dụng trong xác định glucose" được thực hiện nhằm giải quyết các thách thức trên thông qua việc chế tạo một hệ vật liệu cảm biến huỳnh quang quang học có tính chọn lọc cao, độ bền ổn định và chi phí thấp.

Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp chấm lượng tử carbon (CQDs@MIP) ứng dụng trong việc nhận diện và xác định nồng độ glucose.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tổng hợp vật liệu chấm lượng tử carbon (CQDs) từ tiền chất acid citric bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn với sự hỗ trợ của thiết bị gia nhiệt heating mantle và chất truyền nhiệt glycerol.
  2. Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp CQDs (CQDs@MIP) và polymer không in dấu đối chứng (CQDs@NIP) bằng phương pháp sol-gel.
  3. Phân tích, đánh giá đặc trưng hình thái, cấu trúc và tính chất quang học của các mẫu vật liệu tổng hợp bằng các kỹ thuật hóa lý hiện đại.
  4. Khảo sát khả năng hấp phụ và dập tắt huỳnh quang của CQDs@MIP đối với glucose trong dung dịch đệm và môi trường nước tiểu nhân tạo.
  5. Đánh giá độ chọn lọc của vật liệu cảm biến đối với glucose so với các hợp chất gây nhiễu tiềm năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp chấm lượng tử carbon (CQDs@MIP), mẫu polymer đối chứng (CQDs@NIP) và quá trình xác định glucose bằng phổ phát xạ huỳnh quang.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quá trình tổng hợp vật liệu trong phòng thí nghiệm; đánh giá khả năng hấp phụ trong môi trường đệm Tris-HCl/PBS và dung dịch nước tiểu nhân tạo theo các nồng độ pha chế chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng

Đề tài xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa hai nhóm vật liệu nano tiên tiến:

  1. Chấm lượng tử carbon (Carbon Quantum Dots - CQDs): Vật liệu nano carbon 0 chiều có kích thước dưới 10 nm, cấu trúc lõi carbon lai hóa $sp^2$, bề mặt chứa nhiều nhóm chức phân cực (hydroxyl, carbonyl, carboxyl). CQDs sở hữu hiệu suất phát quang cao, tính tương thích sinh học tốt, độ hòa tan cao trong nước và có thể hoạt động như một chất chuyển đổi quang học.
  2. Polymer in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymer - MIP): Vật liệu polymer tổng hợp có khả năng tạo ra các vị trí (khoang) nhận dạng đặc hiệu mô phỏng thụ thể sinh học hoặc tương tác kháng nguyên - kháng thể. Quá trình in dấu sử dụng glucose làm phân tử khuôn mẫu (template), (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) làm monomer chức năng kiêm chất khơi mào, và Tetraethyl orthosilicate (TEOS) làm chất liên kết ngang thông qua mạng lưới liên kết Si–O.
Thành phần trong hệ MIP Hóa chất sử dụng Vai trò chức năng
Phân tử khuôn (Template) D-Glucose Định hình hình học và bố trí không gian cho khoang nhận dạng
Monomer chức năng APTES Tương tác không cộng hóa trị với glucose, khởi tạo mạng polymer
Chất liên kết ngang (Cross-linker) TEOS Cố định khung mạng sol-gel, tạo độ bền cơ học cho khoang in dấu
Chất nền phát quang Dung dịch CQDs Cung cấp tín hiệu huỳnh quang biến đổi theo lượng glucose gắn kết
Xúc tác Acetic acid Xúc tác cho phản ứng thủy phân và ngưng tụ sol-gel

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tổng hợp:
    • Tổng hợp CQDs: Phương pháp nhiệt phân pha rắn (pyrolysis) từ 2 g acid citric ở 200 °C trong 30 phút, sử dụng bể truyền nhiệt glycerol, phân tán sản phẩm vào đệm Tris-HCl 0.05 M (pH = 7.0), siêu âm 1 giờ và lọc 2 bước (5 lần qua giấy lọc và 1 lần lọc chân không).
    • Tổng hợp CQDs@MIP: Phương pháp sol-gel đồng trùng hợp APTES và TEOS trên bề mặt CQDs với sự có mặt của glucose tại 60 °C; sau đó loại bỏ glucose bằng phương pháp chiết Soxhlet với hỗn hợp methanol/acetic acid (tỷ lệ thể tích 9:1) trong 24 giờ ở 80 °C.
  • Phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất hóa lý:
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Xác định các nhóm chức bề mặt và liên kết hóa học.
    • Phổ quang điện tử tia X (XPS): Xác định thành phần nguyên tố và trạng thái liên kết bề mặt (orbital C1s, N1s, O1s).
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Khảo sát cấu trúc tinh thể/vô định hình của vật liệu.
    • Phổ phản xạ khuếch tán (DRS): Đánh giá mức độ hấp thụ và ước tính năng lượng vùng cấm thông qua hàm Kubelka-Munk.
    • Quang phổ hấp thụ UV-Vis và phát xạ huỳnh quang (PL): Đo đạc đặc trưng quang học, bước sóng kích thích ($\lambda_{ex}$) và bước sóng phát xạ ($\lambda_{em}$).
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM): Quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô.
    • Tán xạ ánh sáng động (DLS): Đo phân bố kích thước hạt thủy động trong dung dịch.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan lý thuyết và tình hình nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu chấm lượng tử carbon, bao gồm cấu trúc, đặc tính quang học (hấp thụ UV-Vis, dải Raman D, G, 2D, hiệu ứng giam hãm lượng tử) và các phương pháp chế tạo theo hai nhóm tiếp cận:

  • Phương pháp từ trên xuống (Top-down): Acid etching, bắn phá laser, bóc tách điện hóa, bóc tách bằng siêu âm.
  • Phương pháp từ dưới lên (Bottom-up): Thủy nhiệt (hydrothermal), hỗ trợ vi sóng (microwave), nhiệt phân pha rắn (pyrolysis).

Chương này cũng tổng thuật cơ chế hoạt động của cảm biến glucose từ lịch sử phát triển màng điện cực enzyme GOX (Clark & Lyons 1962, Updike & Hicks 1967) đến các xu hướng cảm biến quang học nanozyme hiện đại. Phần lý thuyết polymer in dấu phân tử làm rõ cơ chế tương tác (cộng hóa trị, bán cộng hóa trị, không cộng hóa trị), các phương pháp trùng hợp gốc tự do và sol-gel, vai trò của monomer, dung môi và kỹ thuật rửa giải khuôn bằng Soxhlet. Chương 1 kết thúc bằng việc tổng hợp các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước về cảm biến huỳnh quang và vật liệu in dấu phân tử (như cảm biến nano bạc của nhóm tác giả Nghĩa, cảm biến nanozyme CQDs của Shi và cộng sự, cảm biến metronidazole của Samarin).

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục 18 loại hóa chất (độ tinh khiết từ 99% đến 99.9%) và 18 thiết bị phân tích sử dụng trong nghiên cứu. Chương này thuyết minh toàn bộ quy trình thực nghiệm:

                                                                         + Glucose, APTES, TEOS (Sol-Gel, 60°C)

Bên cạnh quy trình chế tạo, chương 2 thiết lập quy chuẩn thực nghiệm khảo sát huỳnh quang:

  • Khảo sát hấp phụ glucose trong dung dịch đệm ở dải nồng độ rộng từ $5 \times 10^{-9}\text{ M}$ đến $1 \times 10^{-1}\text{ M}$.
  • Khảo sát hấp phụ trong môi trường nước tiểu nhân tạo với dải nồng độ từ $1 \times 10^{-8}\text{ M}$ đến $1 \times 10^{-1}\text{ M}$.
  • Bảng thành phần nước tiểu nhân tạo chuẩn hóa gồm các muối vô cơ và chất hữu cơ: $\text{Na}_2\text{SO}_4$, $\text{NaCl}$, $\text{KCl}$, $\text{CaCl}_2$, $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{MgSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$, $\text{Na}_2\text{HPO}_4$, $\text{NaH}_2\text{PO}_4$, $\text{Urea}$, $\text{Trisodium citrate}$.
  • Quy trình làm sạch cuvette thạch anh bằng dung dịch sulfochromate ($\text{Na}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ trong $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc) ở 60 °C trong 6 giờ để loại bỏ hoàn toàn tạp chất quang học.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm phân tích cấu trúc, hình thái và khả năng cảm biến của vật liệu:

  • Đặc trưng quang phổ và cấu trúc:
    • Quang học CQDs: Mẫu CQDs tổng hợp ở thời gian gia nhiệt 30 phút cho cường độ phát xạ huỳnh quang tối ưu ở vùng ánh sáng xanh lam ($\lambda_{em} = 450\text{ nm}$ khi kích thích tại $\lambda_{ex} = 360\text{ nm}$).
    • Phổ FTIR: Xác nhận sự xuất hiện của các dao động liên kết đặc trưng $\text{Si–O–Si}$ và $\text{Si–O–C}$ hình thành từ phản ứng sol-gel của APTES và TEOS; so sánh phổ giữa CQDs@MIP_glucose, CQDs@MIP (sau rửa) và CQDs@NIP chứng minh sự tách loại thành công của glucose sau khi chiết Soxhlet.
    • Phổ XPS và XRD: Làm rõ thành phần nguyên tố C, N, O và cấu trúc vô định hình của mạng polymer silica mang CQDs.
    • Kích thước hạt (DLS & TEM): CQDs có hai đỉnh phân bố kích thước tập trung tại 0.78 nm và 5 nm trong đệm pH = 7.0; ảnh SEM/TEM cho thấy hình thái hạt CQDs@MIP phân bố đồng đều với mạng lưới bao bọc xung quanh các chấm lượng tử.
  • Khảo sát khả năng cảm biến glucose:
    • Cơ chế nhận diện dựa trên hiệu ứng dập tắt huỳnh quang (fluorescence quenching): khi phân tử glucose tái hấp phụ vào các khoang in dấu trên bề mặt CQDs@MIP, cường độ phát xạ huỳnh quang tại bước sóng 450 nm giảm dần tỷ lệ nghịch với nồng độ glucose.
    • Mẫu đối chứng CQDs@NIP không có khoang in dấu đặc hiệu thể hiện mức độ dập tắt huỳnh quang không đáng kể khi tăng nồng độ glucose, khẳng định vai trò quyết định của khoang nhận diện phân tử.
    • Trong môi trường nước tiểu nhân tạo, mối quan hệ giữa tỷ số cường độ huỳnh quang và logarit nồng độ glucose biểu diễn độ tuyến tính tin cậy.
    • Thử nghiệm độ chọn lọc với các chất can thiệp ở nồng độ $1 \times 10^{-3}\text{ M}$ cho thấy tỷ số dập tắt $F_0/F$ của glucose đạt giá trị cao nhất ($F_0/F = 1.0067$), vượt trội so với các phân tử khác.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

  1. Thông số quang học và kích thước:
    • Bước sóng kích thích tối ưu: $\lambda_{ex} = 360\text{ nm}$.
    • Bước sóng phát xạ cực đại: $\lambda_{em} = 450\text{ nm}$ (phát quang xanh lam).
    • Kích thước hạt CQDs trong dung dịch đệm pH = 7: phân bố tập trung tại hai đỉnh 0.78 nm và 5.0 nm.
  2. Hiệu năng phân tích định lượng glucose:
    • Giới hạn phát hiện (Limit of Detection - LOD) trong dung dịch đệm: 2.5 nM.
    • Khả năng cảm biến trong nước tiểu nhân tạo: đáp ứng tốt ở dải nồng độ từ $1 \times 10^{-8}\text{ M}$ đến $1 \times 10^{-1}\text{ M}$ với tương quan logarit có hệ số xác định $R^2$ cao.
    • Độ chọn lọc: Tỷ số dập tắt huỳnh quang $F_0/F$ đối với glucose ở nồng độ $1 \times 10^{-3}\text{ M}$ đạt 1.0067, cao nhất trong số các hợp chất đối chứng.
Môi trường thử nghiệm Dải nồng độ khảo sát Giới hạn phát hiện (LOD) Đáp ứng quang phổ
Dung dịch đệm (PBS/Tris-HCl) $5 \times 10^{-9}\text{ M} - 1 \times 10^{-1}\text{ M}$ $2.5\text{ nM}$ Cường độ phát xạ tại 450 nm giảm dần khi nồng độ glucose tăng
Nước tiểu nhân tạo $1 \times 10^{-8}\text{ M} - 1 \times 10^{-1}\text{ M}$ Dưới ngưỡng micromol Tương quan logarit tuyến tính chặt chẽ giữa $\log[C]$ và cường độ huỳnh quang

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài

  • Làm chủ quy trình tổng hợp CQDs hiệu suất cao bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn đơn giản, sử dụng tiền chất giá thành thấp (acid citric) kết hợp hệ truyền nhiệt glycerol ở 200 °C.
  • Tích hợp thành công mạng lưới in dấu phân tử sol-gel (APTES/TEOS) lên bề mặt chấm lượng tử carbon, tạo ra hệ cảm biến quang học có độ nhạy cao (LOD mức nano mol) mà không phụ thuộc vào enzyme tự nhiên.
  • Chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu CQDs@MIP trong phân tích không xâm lấn trên nền mẫu dịch sinh học phức tạp (nước tiểu nhân tạo).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thời gian chiết tách khuôn: Quy trình rửa giải loại bỏ glucose bằng bộ chiết Soxhlet đòi hỏi thời gian đun hồi lưu kéo dài (24 giờ liên tục ở 80 °C), tiêu tốn dung môi hữu cơ.
  • Hiện tượng kết tụ hạt khi lưu trữ: Dung dịch CQDs sau thời gian bảo quản ở 5 °C trong tủ lạnh có xu hướng kết tụ, bắt buộc phải xử lý siêu âm lại 1 giờ trước mỗi lần phối trộn thực nghiệm.
  • Phạm vi nền mẫu thực nghiệm: Nghiên cứu mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu năng trên môi trường dung dịch đệm và nước tiểu nhân tạo mô phỏng, chưa tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên mẫu nước tiểu thực tế thu thập từ người bệnh.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Tối ưu hóa dung môi và phương pháp rửa giải phân tử khuôn mẫu (như hỗ trợ vi sóng hoặc sóng siêu âm) nhằm rút ngắn thời gian chiết Soxhlet và bảo vệ độ bền cấu trúc của khoang in dấu.
  • Khảo sát độ ổn định lâu dài và cải thiện khả năng phân tán chống kết tụ của CQDs bằng các tác nhân biến tính bề mặt.
  • Mở rộng thử nghiệm định lượng glucose trên các mẫu bệnh phẩm nước tiểu và huyết thanh thực tế, tiến tới tích hợp vật liệu vào các que thử hoặc thiết bị đo quang học cầm tay.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa phân tích, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Y sinh đang thực hiện các đề tài về vật liệu nano carbon, tổng hợp sol-gel và công nghệ in dấu phân tử.
  • Các nhóm nghiên cứu cảm biến sinh học: Cung cấp thông số thực nghiệm chuẩn xác về tỷ lệ phản ứng (APTES, TEOS, acid citric), quy trình làm sạch thiết bị quang phổ bằng dung dịch sulfochromate, và công thức pha chế dung dịch nước tiểu nhân tạo 10 thành phần.

Câu hỏi thường gặp

1. CQDs trong nghiên cứu được tổng hợp bằng phương pháp nào và từ tiền chất gì?
CQDs được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt phân pha rắn (pyrolysis) sử dụng 2 g acid citric làm tiền chất, được gia nhiệt ở 200 °C trong 30 phút trên thiết bị heating mantle với glycerol đóng vai trò là chất truyền nhiệt trung gian.

2. Vai trò của APTES và TEOS trong quá trình chế tạo vật liệu CQDs@MIP là gì?
APTES ((3-Aminopropyl)triethoxysilane) đóng vai trò là monomer chức năng kiêm chất khơi mào tạo tương tác với glucose; TEOS (Tetraethyl orthosilicate) đóng vai trò là chất liên kết ngang giúp ổn định và cố định cấu trúc khoang in dấu phân tử thông qua mạng lưới liên kết Si–O.

3. Phân tử khuôn glucose được loại bỏ khỏi mạng polymer bằng kỹ thuật nào?
Glucose được rửa giải khỏi vật liệu bằng phương pháp chiết Soxhlet, đun hồi lưu liên tục trong 24 giờ ở 80 °C với hệ dung môi methanol/acetic acid theo tỷ lệ thể tích 9:1.

4. Đặc trưng phát xạ huỳnh quang tối ưu của CQDs tổng hợp được ghi nhận ở bước sóng nào?
CQDs phát quang mạnh nhất ở vùng ánh sáng xanh lam tại bước sóng phát xạ $\lambda_{em} = 450\text{ nm}$ khi được kích thích ở bước sóng $\lambda_{ex} = 360\text{ nm}$.

5. Giới hạn phát hiện (LOD) glucose của vật liệu CQDs@MIP trong dung dịch đệm đạt bao nhiêu?
Giới hạn phát hiện của cảm biến huỳnh quang CQDs@MIP đối với glucose trong dung dịch đệm được xác định là 2.5 nM.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Võ Thị Kim Xuyến đã chế tạo thành công vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp chấm lượng tử carbon (CQDs@MIP) phục vụ mục đích định lượng glucose không sử dụng enzyme. Bằng việc kết hợp phương pháp nhiệt phân pha rắn và kỹ thuật sol-gel, hệ vật liệu tạo ra sở hữu các khoang nhận dạng đặc hiệu cùng khả năng phát huỳnh quang xanh lam bền vững tại bước sóng 450 nm. Cảm biến đạt giới hạn phát hiện 2.5 nM trong dung dịch đệm, thể hiện độ chọn lọc cao với tỷ số dập tắt $F_0/F = 1.0067$ và hoạt động ổn định trong môi trường nước tiểu nhân tạo. Công trình cung cấp quy trình công nghệ chi tiết và mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các thiết bị chẩn đoán y tế không xâm lấn.