Luận văn: Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano platin chế tạo bằng phương pháp step-edge

Nghiên cứu mới: Sợi nano platin phát hiện glucoza, mở ra tiềm năng ứng dụng trong y học và công nghiệp thực phẩm. Tìm hiểu chi tiết!

• Tác giả: Trần Nhân Ái
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Mậu Chiến
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật Liệu Và Linh Kiện Nano
• Đề tài: Khảo Sát Khả Năng Phát Hiện Glucoza Của Sợi Nano Platin Chế Tạo Bằng Phương Pháp Step-Edge
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. SƠ LƯỢC VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG
• 1.1.1. Bệnh tiểu đường
• 1.1.2. Thực trạng bệnh tiểu đường hiện nay
• 1.1.3. Những ảnh hưởng của bệnh tiểu đường
• 1.1.4. Mức đường huyết an toàn
• 1.2. CẢM BIẾN GLUCOZA
• 1.2.1. Cảm biến glucoza truyền thống
• 1.2.2. Cảm biến glucoza sử dụng các cấu trúc nano
• 1.2.2.1. Công nghệ nano
• 1.2.2.2. Phân loại các cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc nano
• 1.2.3. Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin
• 1.2.4. Cảm biến glucoza sử dụng enzyme làm chất xúc tác
• 1.2.4.1. Nguyên lý làm việc
• 1.2.4.2. Các phương pháp cố định enzyme
• 1.3. CẢM BIẾN GLUCOZA SỬ DỤNG CẤU TRÚC SỢI NANO PLATIN CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP STEP-EDGE
• 1.3.1. Phương pháp step-edge
• 1.3.1.1. Mô tả phương pháp
• 1.3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng
• 1.3.2. Quy trình chế tạo sợi nano Pt bằng phương pháp step-edge
• 1.3.3. Quy trình chế tạo cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc sợi nano Pt
• 1.4. NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HÓA HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN
• 1.4.1. Định nghĩa và phân loại
• 1.4.2. Các quá trình điện cực
• 1.4.2.1. Quá trình Faraday và quá trình không Faraday
• 1.4.2.2. Lớp điện tích kép
• 1.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng tại điện cực và dòng điện Faraday [14]
• 1.4.3. Phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán
• 1.4.4. Dòng điện và phân bố nồng độ của phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán [12]
• 1.4.5. Phản ứng khống chế bởi tốc độ chuyển điện tích
• 1.4.6. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn
• 1.4.6.1. Các tham số đặc trưng
• 1.4.7. Tế bào điện hóa
• 1.4.8. Phân tích đồ thị quét thế vòng
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết bị đánh giá hình thái cấu trúc của sợi nano Pt
• 2.1.1. Kính hiển vi điện tử quét Joel/JSM-6480 LV
• 2.1.2. Kính hiển vi lực nguyên tử Nanotec Electronica S
• 2.2. Thiết bị khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt
• 2.2.1. Nguồn gốc, xuất xứ
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Biến tính điện cực sợi nano và điện cực màng mỏng
• 2.3.1.1. Quy trình thực hiện
• 2.3.1.2. Khảo sát điện cực sau khi biến tính
• 2.3.2. Khảo sát khả năng phát hiện glucoza
• 2.3.2.1. Lập hệ đo điện hóa và thao tác đo
• 2.3.2.2. Khẳng định phản ứng xảy ra tại điện cực cần khảo sát tuân theo phương trình Randles-Sevčik và chọn khoảng quét thế phù hợp
• 2.3.2.3. Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt
• 2.3.2.4. Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của màng mỏng Pt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt VÀ MÀNG MỎNG Pt
• 3.1.1. Kết quả biến tính điện cực sợi nano Pt
• 3.1.2. Kết quả biến tính điện cực màng mỏng Platin
• 3.2. CHỨNG MINH SỰ NGHIỆM ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH RANDLES- SEVČIK VÀ CHỌN KHOẢNG QUÉT THẾ
• 3.2.1. Xác định peak đặc trưng
• 3.2.2. Giải thích sự xuất hiện của peak đặc trưng
• 3.2.3. Chứng minh phản ứng tuân theo phương trình Randles-Sevčik
• 3.2.3.1. Trường hợp độ pH 7,0
• 3.2.3.2. Trường hợp độ pH 7,4
• 3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt
• 3.3.1. Kết quả khảo sát sợi nano Pt biến tính bằng GOx (nw-GOx)
• 3.3.1.1. Trường hợp độ pH 7,0
• 3.3.1.2. Trường hợp độ pH 7,4
• 3.3.2. Kết quả khảo sát điện cực sợi Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx (nw-CHI/GAD/GOx)
• 3.3.2.1. Trường hợp độ pH 7,0
• 3.3.2.2. Trường hợp độ pH 7,4
• 3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỆN CỰC MÀNG MỎNG Pt
• 3.4.1. Kết quả khảo sát điện cực màng Pt biến tính bằng GOx (tf-GOx)
• 3.4.1.1. Trường hợp độ pH 7,0
• 3.4.1.2. Trường hợp pH 7,4
• 3.4.2. Kết quả khảo sát điện cực màng Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx (tf-CHI/GAD/GOx)
• 3.4.2.1. Trường hợp độ pH 7,0
• 3.4.2.2. Trường hợp độ pH 7,4
• 3.5. BÀN LUẬN VỀ TÁC DỤNG CỦA CHITOSAN VÀ GLUTARALDEHYDE
• 3.6. BÀN LUẬN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA DIỆN TÍCH ĐIỆN CỰC
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bệnh Tiểu Đường và Phát Hiện Glucose

Bệnh tiểu đường, đặc trưng bởi sự gia tăng glucose trong máu, là một thách thức sức khỏe toàn cầu. Nguyên nhân chủ yếu do tuyến tụy không sản xuất đủ insulin hoặc cơ thể không sử dụng hiệu quả insulin. Hậu quả là glucose tích tụ trong máu, dẫn đến nhiều biến chứng nguy hiểm. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), số lượng người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới đang tăng lên nhanh chóng, gây áp lực lớn lên hệ thống y tế và kinh tế xã hội. Tại Việt Nam, số lượng bệnh nhân tiểu đường cũng tăng nhanh, đặc biệt ở khu vực thành thị. Việc kiểm soát đường huyết là yếu tố then chốt để ngăn ngừa các biến chứng. Các phương pháp đo glucose truyền thống còn nhiều hạn chế về độ chính xác, độ ổn định và chi phí. Do đó, nhu cầu về các công nghệ phát hiện glucose tiên tiến là rất lớn, đặc biệt là các phương pháp có độ nhạy cao, nhanh chóng và dễ sử dụng. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc sử dụng công nghệ nano để cải thiện hiệu quả phát hiện glucose. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là sử dụng sợi nano platin, nhờ vào đặc tính xúc tác và diện tích bề mặt lớn, để tăng cường độ nhạy của cảm biến glucose. Nghiên cứu của Trần Nhân Ái đã khảo sát khả năng ứng dụng sợi nano platin trong việc xác định nồng độ glucose, mở ra tiềm năng cho việc phát triển cảm biến glucose chẩn đoán bệnh tiểu đường ở người. Cần có những nghiên cứu sâu hơn nữa để tối ưu hóa quy trình chế tạo và đánh giá toàn diện hiệu suất của cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin trong môi trường thực tế.

1.1. Tầm quan trọng của việc kiểm soát đường huyết

Việc kiểm soát đường huyết chặt chẽ là yếu tố quyết định trong việc ngăn ngừa các biến chứng của bệnh tiểu đường. Duy trì mức đường huyết ổn định giúp giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch, tổn thương thần kinh, suy thận và mù lòa. Bệnh nhân tiểu đường cần theo dõi đường huyết thường xuyên và tuân thủ chế độ ăn uống, luyện tập và dùng thuốc theo chỉ dẫn của bác sĩ. Các phương pháp đo glucose tại nhà ngày càng trở nên phổ biến, giúp bệnh nhân tự theo dõi và điều chỉnh đường huyết một cách chủ động. Tuy nhiên, cần lựa chọn các thiết bị đo glucose có độ chính xác cao và được chứng nhận bởi các tổ chức uy tín. Các nghiên cứu về cảm biến glucose liên tục (CGM) cũng đang được tiến hành, hứa hẹn sẽ mang lại giải pháp theo dõi đường huyết một cách liên tục và không xâm lấn.

1.2. Giới thiệu về công nghệ nano trong phát hiện glucose

Công nghệ nano đang mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực phát hiện glucose. Các nano vật liệu, như sợi nano platin, có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác đặc biệt với các phân tử sinh học. Nhờ đó, chúng có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến glucose có độ nhạy và độ chọn lọc cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các nghiên cứu về cảm biến glucose dựa trên nano vật liệu đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp điện hóa, quang học và cơ học để phát hiện glucose một cách nhanh chóng và chính xác. Một trong những ưu điểm của công nghệ nano là khả năng tích hợp nhiều chức năng vào một thiết bị nhỏ gọn, cho phép tạo ra các cảm biến glucose đa năng và dễ sử dụng.

II. Sợi Nano Platin Giải Pháp Tiềm Năng Cho Cảm Biến Glucose

Sợi nano platin (PtNWs) đang nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn cho việc phát triển cảm biến glucose thế hệ mới. Platin là một kim loại quý hiếm, có tính chất xúc tác tuyệt vời và độ ổn định cao trong môi trường sinh học. Khi được chế tạo ở dạng nano, diện tích bề mặt của platin tăng lên đáng kể, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng oxy hóa glucose diễn ra hiệu quả hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin có độ nhạy cao hơn nhiều so với các cảm biến truyền thống. Sợi nano platin có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp step-edge, phương pháp điện hóa và phương pháp khử hóa học. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của sợi nano platin. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến glucose. Ngoài ra, cần chú ý đến việc biến tính bề mặt sợi nano platin bằng các vật liệu khác, như enzyme glucose oxidase (GOx) hoặc các polymer dẫn điện, để tăng cường độ chọn lọc và độ ổn định của cảm biến.

2.1. Ưu điểm vượt trội của sợi nano platin trong cảm biến glucose

Sợi nano platin mang lại nhiều lợi thế so với các vật liệu khác trong cảm biến glucose. Diện tích bề mặt lớn giúp tăng cường khả năng tiếp xúc với glucose, dẫn đến tín hiệu phát hiện mạnh hơn. Platin có khả năng xúc tác mạnh mẽ quá trình oxy hóa glucose, làm tăng hiệu quả cảm biến. Đồng thời, platin cũng có độ ổn định hóa học và điện cao, giúp kéo dài tuổi thọ của cảm biến. Đặc biệt, kích thước nano của sợi platin cho phép cảm biến có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị di động hoặc thiết bị y tế cầm tay. Nghiên cứu của Trần Nhân Ái cũng chỉ ra rằng cảm biến dựa trên sợi nano platin có độ nhạy cao hơn so với cảm biến màng mỏng platin, chứng minh tiềm năng của vật liệu này trong phát hiện glucose.

2.2. Các phương pháp chế tạo sợi nano platin phổ biến

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo sợi nano platin, mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp step-edge, được sử dụng trong nghiên cứu của Trần Nhân Ái, cho phép tạo ra các sợi nano có kích thước và hình dạng được kiểm soát. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi quy trình phức tạp và chi phí cao. Phương pháp điện hóa là một lựa chọn thay thế đơn giản và tiết kiệm hơn, cho phép điều khiển kích thước sợi nano thông qua các thông số điện hóa. Phương pháp khử hóa học cũng được sử dụng rộng rãi, cho phép tạo ra sợi nano với số lượng lớn, tuy nhiên việc kiểm soát kích thước và hình dạng có thể khó khăn hơn. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng cảm biến.

III. Phương Pháp Điện Hóa và Ứng Dụng Trong Phát Hiện Glucose

Phương pháp điện hóa là một kỹ thuật mạnh mẽ để phát hiện và định lượng các chất trong dung dịch dựa trên các phản ứng oxi hóa khử. Trong cảm biến glucose, phương pháp điện hóa thường được sử dụng để đo dòng điện hoặc điện thế phát sinh từ quá trình oxi hóa glucose. Có nhiều kỹ thuật điện hóa khác nhau có thể được áp dụng, bao gồm quét thế vòng (CV), ampe kế và đo điện thế. Kỹ thuật quét thế vòng là một phương pháp phổ biến để nghiên cứu các phản ứng oxi hóa khử và xác định các thông số điện hóa quan trọng. Kỹ thuật ampe kế đo dòng điện tại một điện thế cố định, cho phép xác định nồng độ glucose một cách nhanh chóng và chính xác. Kỹ thuật đo điện thế đo điện thế giữa hai điện cực, điện thế này tỷ lệ với nồng độ glucose. Việc lựa chọn kỹ thuật điện hóa phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng cảm biến glucose và tính chất của vật liệu điện cực. Phương pháp điện hóa có ưu điểm là độ nhạy cao, dễ sử dụng và có thể được tích hợp vào các thiết bị di động.

3.1. Kỹ thuật quét thế vòng CV trong nghiên cứu cảm biến glucose

Kỹ thuật quét thế vòng (CV) là một công cụ hữu ích để nghiên cứu các phản ứng oxi hóa khử liên quan đến phát hiện glucose. Trong kỹ thuật CV, điện thế của điện cực làm việc được quét theo một chu kỳ, từ một điện thế đầu đến một điện thế cuối và quay trở lại. Dòng điện phát sinh từ các phản ứng oxi hóa khử được ghi lại, tạo ra một đồ thị CV. Đồ thị CV cung cấp thông tin về các điện thế oxi hóa và khử, cũng như động học của các phản ứng. Phân tích đồ thị CV cho phép xác định tính chất điện hóa của vật liệu điện cực và đánh giá hiệu suất của cảm biến glucose. Ví dụ, độ lớn của dòng điện oxi hóa có thể được sử dụng để định lượng nồng độ glucose. Kỹ thuật CV cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu sự ổn định và khả năng tái sử dụng của cảm biến glucose.

3.2. Ampe kế Phương pháp đo dòng điện trực tiếp để phát hiện glucose

Ampe kế là một kỹ thuật điện hóa đơn giản và hiệu quả để phát hiện glucose. Trong kỹ thuật này, điện thế của điện cực làm việc được duy trì ở một giá trị cố định, và dòng điện phát sinh từ quá trình oxi hóa glucose được đo. Dòng điện này tỷ lệ thuận với nồng độ glucose, cho phép xác định nồng độ glucose một cách trực tiếp. Ampe kế có ưu điểm là độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh và dễ dàng tích hợp vào các thiết bị di động. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong các cảm biến glucose tại nhà và các thiết bị y tế cầm tay. Để tăng cường độ chọn lọc của cảm biến, điện cực làm việc thường được biến tính bằng enzyme glucose oxidase (GOx), enzyme này xúc tác phản ứng oxi hóa glucose một cách đặc hiệu.

IV. Ứng Dụng Của Cảm Biến Glucose Sợi Nano Platin Trong Y Sinh

Cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt trong việc chẩn đoán và kiểm soát bệnh tiểu đường. Với độ nhạy cao và khả năng phát hiện glucose ở nồng độ thấp, cảm biến này có thể giúp phát hiện bệnh tiểu đường ở giai đoạn sớm, khi các triệu chứng chưa rõ ràng. Cảm biến cũng có thể được sử dụng để theo dõi đường huyết liên tục, cung cấp thông tin chi tiết về sự biến động đường huyết trong ngày, giúp bệnh nhân kiểm soát bệnh tốt hơn. Ngoài ra, cảm biến này có thể được tích hợp vào các thiết bị y tế cấy ghép, cho phép theo dõi đường huyết một cách liên tục và không xâm lấn. Cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin cũng có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác, như phân tích thực phẩm và đồ uống, kiểm tra chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp dược phẩm và giám sát môi trường.

4.1. Chẩn đoán bệnh tiểu đường sớm với cảm biến glucose độ nhạy cao

Việc chẩn đoán bệnh tiểu đường ở giai đoạn sớm là rất quan trọng để ngăn ngừa các biến chứng nguy hiểm. Cảm biến glucose có độ nhạy cao có thể giúp phát hiện glucose ở nồng độ thấp, cho phép chẩn đoán bệnh ở giai đoạn tiền tiểu đường hoặc tiểu đường type 2 giai đoạn đầu. Cảm biến này có thể được sử dụng trong các xét nghiệm sàng lọc đường huyết cho dân số có nguy cơ cao, như người thừa cân, béo phì, có tiền sử gia đình mắc bệnh tiểu đường hoặc có các yếu tố nguy cơ khác. Việc chẩn đoán sớm và can thiệp kịp thời có thể giúp trì hoãn hoặc ngăn ngừa sự tiến triển của bệnh tiểu đường.

4.2. Theo dõi đường huyết liên tục và không xâm lấn

Theo dõi đường huyết liên tục (CGM) là một công cụ quan trọng để kiểm soát bệnh tiểu đường hiệu quả. Cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin có thể được tích hợp vào các thiết bị CGM, cho phép theo dõi đường huyết một cách liên tục và không xâm lấn. Thiết bị CGM sẽ đo nồng độ glucose trong dịch kẽ dưới da và truyền dữ liệu về một thiết bị theo dõi. Dữ liệu này có thể được sử dụng để điều chỉnh liều insulin và chế độ ăn uống, giúp bệnh nhân duy trì mức đường huyết ổn định. Các thiết bị CGM hiện đại cũng có chức năng cảnh báo khi đường huyết quá cao hoặc quá thấp, giúp bệnh nhân phòng ngừa các biến chứng nguy hiểm.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Nghiên Cứu Sợi Nano Platin

Nghiên cứu về sợi nano platin trong ứng dụng phát hiện glucose đã cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong việc cải thiện hiệu suất của cảm biến glucose. Với độ nhạy cao, độ ổn định tốt và khả năng tích hợp vào các thiết bị nhỏ gọn, cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho bệnh nhân tiểu đường và các ứng dụng y sinh khác. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để đưa công nghệ này vào thực tế. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo sợi nano platin, cải thiện độ chọn lọc và độ bền của cảm biến, và đánh giá hiệu suất của cảm biến trong môi trường thực tế. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp sản xuất sợi nano platin với chi phí thấp hơn để mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ này.

5.1. Các thách thức và hướng giải quyết trong phát triển cảm biến glucose

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc phát triển cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin vẫn đối mặt với một số thách thức. Độ chọn lọc của cảm biến cần được cải thiện để giảm thiểu ảnh hưởng của các chất khác trong máu. Độ bền của cảm biến cũng cần được tăng cường để kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí. Quy trình chế tạo sợi nano platin cần được tối ưu hóa để giảm chi phí sản xuất. Để giải quyết những thách thức này, các nhà nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các vật liệu biến tính bề mặt mới, cải thiện quy trình chế tạo sợi nano platin và áp dụng các kỹ thuật nano chế tạo tiên tiến.

5.2. Tiềm năng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Cảm biến glucose dựa trên sợi nano platin có tiềm năng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Với sự tiến bộ của công nghệ nano, cảm biến này có thể được tích hợp vào các thiết bị di động, thiết bị y tế cấy ghép và các hệ thống theo dõi sức khỏe cá nhân. Cảm biến cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác, như phân tích thực phẩm và đồ uống, kiểm tra chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp dược phẩm và giám sát môi trường. Việc phát triển cảm biến glucose giá rẻ và dễ sử dụng sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của hàng triệu người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường đang là một trong những thách thức y tế toàn cầu nghiêm trọng nhất hiện nay với hơn 190 triệu người mắc trên thế giới và tốc độ gia tăng nhanh chóng, ước tính đạt 330 triệu người vào năm 2025, chiếm gần 6% dân số toàn cầu. Tại Việt Nam, thống kê ghi nhận khoảng 2,5 triệu người mắc bệnh (chiếm 2,7% dân số), trong đó có tới 65% người bệnh không biết mình mắc bệnh và 75% các ca tử vong ở bệnh nhân tiểu đường type 2 bắt nguồn từ biến chứng tim mạch nguy hiểm. Nhằm chẩn đoán sớm và kiểm soát đường huyết hiệu quả, nhu cầu về cảm biến sinh học định lượng glucoza là vô cùng cấp thiết, chiếm tới 90% tổng thị phần cảm biến sinh học toàn cầu với giá trị xấp xỉ 6 tỷ USD mỗi năm.

Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như que thử đo màu hay cảm biến màng mỏng thông thường vẫn bộc lộ hạn chế về độ nhạy, tiêu tốn lượng mẫu thử máu lớn và chi phí sản xuất cao. Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng Trường Đại học Công nghệ thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm chế tạo sợi nano Platin bằng phương pháp step-edge và khảo sát khả năng phát hiện glucoza điện hóa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá đặc tính xúc tác điện hóa trong môi trường đệm mô phỏng máu người ở dải nồng độ sinh lý từ 2 đến 16 mM. Đóng góp cốt lõi của nghiên cứu là phát triển thành công cấu trúc sợi nano một chiều giúp tăng cường độ nhạy lên gấp hơn 45 lần so với điện cực màng mỏng truyền thống, mở ra hướng đi tự chủ công nghệ chế tạo bộ kit chẩn đoán tiểu đường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điện hóa học hiện đại và cơ chế xúc tác sinh học đa tầng. Trọng tâm là mô hình truyền khối và động học điện cực theo phương trình Randles-Sevčik, mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ dòng đỉnh và căn bậc hai của tốc độ quét thế đối với các phản ứng dị thể bị khống chế bởi quá trình khuếch tán. Bên cạnh đó, lý thuyết lớp điện tích kép Helmholtz cùng mô hình động học Butler-Volmer được áp dụng để phân tích sự phân bố điện tích tại mặt phân giới giữa điện cực Platin và dung dịch điện giải, qua đó tách biệt dòng Faraday sinh ra từ phản ứng oxy hóa khử với dòng điện dung không Faraday.

Cơ chế xúc tác sinh học cốt lõi dựa trên phản ứng chuyển hóa glucoza qua enzyme Glucose Oxidase (GOx): Glucoza + O2 + H2O tạo thành gluconolactone + H2O2 Trong chuỗi phản ứng này, Platin đóng vai trò điện cực làm việc để oxy hóa trực tiếp sản phẩm H2O2 hoặc gluconolactone, giải phóng điện tử và tạo ra dòng điện đo được. Ba khái niệm kỹ thuật nền tảng được tích hợp gồm: kỹ thuật chế tạo sợi nano bằng phương pháp bậc nổi (step-edge lithography), phương pháp cố định liên kết chéo enzyme bằng phức hệ màng polymer sinh học Chitosan kết hợp Glutaraldehyde (CHI/GAD/GOx), và kỹ thuật phân tích quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp từ quy trình chế tạo vi cơ điện tử và đo đạc điện hóa. Cỡ mẫu khảo sát gồm hệ thống 30 sợi nano Platin (với các chiều dài phân tầng 10, 50 và 100 µm, độ rộng từ 30 đến 100 nm) tích hợp trên vi phiến có kích thước 5x5 mm (đạt mật độ 196 chip trên một phiến wafer silicon đường kính 3 inch). Mẫu đối chứng gồm 4 cấu hình điện cực màng mỏng Platin biến tính tương đương. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu thực nghiệm chuẩn hóa đa điều kiện, đảm bảo tính lặp lại trên các thang nồng độ glucoza từ 2 đến 16 mM và các mức pH sinh lý khác nhau.

Phương pháp phân tích chính là kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV) sử dụng nguồn phân thế Potentiostat HA-151 Hokuto Denko trong khoảng thế từ -0,6 V đến +0,8 V (so với điện cực Calomel bão hòa SCE), tốc độ quét biến thiên từ 100 đến 1000 mV/s. CV được lựa chọn vì khả năng phản ánh toàn diện các thông số nhiệt động học, động học phản ứng và tính thuận nghịch của hệ mà không phá hủy cấu trúc mẫu. Hình thái học bề mặt được kiểm chuẩn bằng kính hiển vi điện tử quét SEM Jeol JSM-6480LV với độ phân giải đạt 3,0 nm tại 30 kV và kính hiển vi lực nguyên tử AFM Nanotec Electronica S.L trên diện tích quét 5x5 µm. Toàn bộ quy trình đo đạc và tổng hợp dữ liệu được triển khai hoàn chỉnh trong mốc thời gian thực nghiệm năm 2008.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Thứ nhất, phương pháp step-edge kết hợp lắng đọng chùm tia điện tử nghiêng 45 độ và khắc ion Argon ngược hướng 45 độ đã chế tạo thành công các sợi nano Platin đồng đều, bề rộng từ 30 đến 100 nm trên nền bậc nổi Si3N4/SiO2 mà không cần thiết bị quang khắc chùm điện tử đắt tiền.
• Thứ hai, cường độ dòng đỉnh oxy hóa (ip) của cảm biến sợi nano tăng tuyến tính theo căn bậc hai của tốc độ quét thế (v từ 100 đến 1000 mV/s) trong dung dịch glucoza 6 mM và 10 mM. Kết quả này chứng minh phản ứng oxy hóa trên điện cực sợi nano tuân thủ chính xác phương trình Randles-Sevčik, khẳng định tốc độ đáp ứng hoàn toàn bị khống chế bởi quá trình khuếch tán chất phân tích.
• Thứ ba, điện cực sợi nano biến tính bằng màng liên kết chéo Chitosan/Glutaraldehyde/GOx (nw-CHI/GAD/GOx) thể hiện độ tuyến tính xuất sắc trong dải nồng độ glucoza từ 2 đến 16 mM (hệ số tương quan R2 đạt trên 0,98), bao phủ toàn bộ dải đường huyết an toàn và bệnh lý ở người.
• Thứ tư, so sánh định lượng cho thấy điện cực sợi nano Platin đạt độ nhạy và mật độ dòng đáp ứng cao gấp hơn 45 lần so với điện cực màng mỏng Platin có cùng thành phần biến tính trong môi trường pH 7,4.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của sợi nano Platin bắt nguồn từ hiệu ứng kích thước nano và tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích cực lớn. Khác với điện cực màng mỏng truyền thống chỉ tạo ra cơ chế khuếch tán phẳng (planar diffusion), cấu trúc sợi nano một chiều thiết lập cơ chế khuếch tán hội tụ bán cầu (radial diffusion), giúp tăng tốc độ truyền khối của phân tử glucoza tới bề mặt hoạt động và giảm đáng kể trở kháng truyền điện tích.

Sự kết hợp giữa Chitosan và Glutaraldehyde đóng vai trò quyết định trong việc bảo toàn hoạt tính sinh học của enzyme GOx. Glutaraldehyde tạo các liên kết cộng hóa trị chéo bền vững giữa nhóm amine của Chitosan và phân tử enzyme, ngăn chặn hiện tượng rửa trôi enzyme vào dung dịch đệm và cải thiện độ ổn định hoạt tính thêm khoảng 40% đến 60% so với phương pháp hấp phụ vật lý đơn thuần.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đường cong vôn-ampe quét thế vòng (đồ thị i-V), thể hiện rõ các peak oxy hóa đặc trưng tại vùng điện thế từ +0,4 V đến +0,6 V (vs SCE), kết hợp với bảng đối chiếu độ nhạy phân tầng cho thấy cấu trúc nano duy trì tín hiệu ổn định ngay cả ở nồng độ thấp 2 mM.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ sợi nano trong y tế:

• Tối ưu hóa công nghệ chế tạo bậc nano: Đơn vị nghiên cứu vật liệu và vi cơ điện tử cần cải tiến kỹ thuật chuẩn trực chùm ion trong phương pháp step-edge nhằm thu hẹp bề rộng sợi nano Platin xuống dưới 20 nm, đồng thời nâng cao mật độ tích hợp lên 300 chip trên một phiến wafer 3 inch trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới.
• Chuẩn hóa quy trình cố định enzyme thế hệ mới: Đội ngũ kỹ sư công nghệ sinh học cần phát triển các màng composite dẫn điện chứa hạt nano vàng hoặc ống nano carbon kết hợp Chitosan để gia tăng độ bền nhiệt và kéo dài thời gian lưu trữ hoạt tính của enzyme GOx lên trên 90 ngày với độ suy giảm hoạt tính dưới 10%, triển khai trong vòng 12 đến 18 tháng.
• Tích hợp hệ thống vi lưu và mạch đọc vi điện tử: Các viện nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp công nghệ cần thiết kế buồng vi lưu (microfluidics) tích hợp trên vi phiến 5x5 mm, hướng tới mục tiêu giảm thể tích mẫu máu toàn phần xuống dưới 0,5 µL và rút ngắn thời gian cho kết quả phân tích dưới 5 giây trong giai đoạn 24 tháng.
• Thử nghiệm lâm sàng và nội địa hóa sản phẩm: Bộ Y tế cùng các trung tâm xét nghiệm y sinh cần xây dựng đề án thử nghiệm cảm biến nano trên mẫu huyết thanh thực tế từ bệnh nhân tiểu đường, đặt mục tiêu hạ giá thành sản xuất que thử sinh học xuống dưới 5.000 VNĐ mỗi xét nghiệm trong thời gian 24 đến 36 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Công nghệ Nano, Vật liệu học: Luận văn cung cấp quy trình chi tiết về kỹ thuật chế tạo sợi nano bằng phương pháp step-edge, các thông số ảnh hưởng của chùm ion và phương pháp phân tích cấu trúc qua SEM/AFM.
• Kỹ sư phát triển cảm biến y sinh và thiết bị Lab-on-a-chip: Nhóm chuyên gia kỹ thuật có thể ứng dụng trực tiếp mô hình điện cực ba chiều, kỹ thuật biến tính enzyme màng Chitosan/Glutaraldehyde và phương pháp tối ưu hóa tín hiệu quét thế vòng tuần hoàn CV.
• Bác sĩ chuyên khoa nội tiết và cán bộ xét nghiệm y tế: Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học về động học phản ứng phát hiện glucoza ở dải nồng độ sinh lý 2-16 mM, hỗ trợ đánh giá độ tin cậy của các dòng cảm biến đo đường huyết thế hệ mới.
• Doanh nghiệp sản xuất vật tư và thiết bị y tế chẩn đoán: Ban lãnh đạo và chuyên viên nghiên cứu phát triển (R&D) có thể sử dụng các số liệu kinh tế - kỹ thuật trong luận văn để lập dự án đầu tư dây chuyền sản xuất thương mại que thử tiểu đường công nghệ cao tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp step-edge có ưu điểm gì vượt trội so với các kỹ thuật quang khắc nano khác? Phương pháp step-edge tận dụng các bậc nổi vi mô sẵn có để định hình sợi nano kim loại có đường kính từ 30 đến 100 nm mà không đòi hỏi hệ thống quang khắc chùm điện tử đắt tiền. Kỹ thuật này cho phép gia công đồng loạt tới 196 chip cảm biến trên một phiến wafer 3 inch với chi phí thấp và độ lặp lại cao.

Tại sao điện cực sợi nano Platin lại có độ nhạy cao hơn 45 lần so với màng mỏng? Cấu trúc sợi nano một chiều sở hữu tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích cực đại, chuyển đổi cơ chế khuếch tán planar truyền thống sang khuếch tán hội tụ bán cầu. Điều này giúp các phân tử glucoza tiếp cận bề mặt xúc tác nhanh hơn, gia tăng mật độ dòng Faraday và tối ưu hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Hỗn hợp Chitosan và Glutaraldehyde đóng vai trò gì trong cảm biến sinh học? Chitosan tạo ra ma trận polymer sinh học tương thích cao, trong khi Glutaraldehyde đóng vai trò chất tạo liên kết chéo cộng hóa trị vững chắc giữa Chitosan và enzyme GOx. Phức hệ này bảo vệ enzyme khỏi hiện tượng biến tính và rửa trôi, duy trì độ nhạy cảm biến ổn định trong môi trường pH 7,4 mô phỏng máu người.

Dải phát hiện 2 đến 16 mM của cảm biến có đáp ứng tiêu chuẩn chẩn đoán lâm sàng không? Dải nồng độ từ 2 đến 16 mM tương đương với 36 đến 288 mg/dL, bao phủ hoàn toàn ngưỡng đường huyết an toàn theo Hiệp hội Tiểu đường Hoa Kỳ (từ 5,0 đến 7,2 mM trước bữa ăn và dưới 10 mM sau ăn), đồng thời phát hiện chính xác các trạng thái hạ đường huyết nguy hiểm và tăng đường huyết bệnh lý.

Phương trình Randles-Sevčik được sử dụng để chứng minh điều gì trong nghiên cứu? Phương trình Randles-Sevčik được dùng để kiểm chứng mối quan hệ tuyến tính giữa dòng đỉnh oxy hóa và căn bậc hai của tốc độ quét thế (từ 100 đến 1000 mV/s). Sự tương thích tuyệt đối của dữ liệu thực nghiệm với phương trình này khẳng định phản ứng cảm biến diễn ra ổn định và hoàn toàn bị khống chế bởi tốc độ khuếch tán.

Kết luận

• Chế tạo thành công hệ thống 30 sợi nano Platin có bề rộng từ 30 đến 100 nm trên chip kích thước 5x5 mm bằng phương pháp step-edge đơn giản và hiệu quả kinh tế cao.
• Xây dựng hoàn chỉnh quy trình cố định enzyme Glucose Oxidase bằng màng liên kết chéo Chitosan/Glutaraldehyde, duy trì hoạt tính xúc tác bền vững trong dung dịch đệm pH 7,0 và pH 7,4.
• Khẳng định động học phản ứng oxy hóa glucoza tuân thủ chặt chẽ phương trình Randles-Sevčik với dải đáp ứng tuyến tính chuẩn xác từ 2 đến 16 mM.
• Nâng cao độ nhạy phát hiện glucoza lên gấp hơn 45 lần so với cấu trúc màng mỏng Platin thông thường nhờ hiệu ứng khuếch tán hội tụ bán cầu của cấu trúc nano một chiều.
• Tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các bộ kit và thiết bị vi lưu chẩn đoán bệnh tiểu đường tự chủ tại Việt Nam trong lộ trình 2 đến 3 năm tới.

Các đơn vị nghiên cứu y sinh và doanh nghiệp thiết bị y tế hãy đẩy mạnh liên kết chuyển giao công nghệ để sớm hiện thực hóa các dòng chip cảm biến nano thương mại phục vụ cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -2- Tổng quan 1.1 SƠ LƯỢC VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG 1.1 Bệnh tiểu đường Bệnh tiểu đường xảy ra do tuyến tụy thiếu insulin - một hormone rất quan trọng giúp hấp thu glucoza vào mạch máu để cung cấp năng lượng nuôi tế bào. Khi chúng ta ăn, tuyến tụy sẽ tạo ra một lượng insulin đủ để hấp thu glucoza. Tuy nhiên, đối với những người mắc bệnh tiểu đường, tuyến tụy sẽ sản xuất không đủ hoặc không tạo được insulin, hoặc sử dụng insulin không hiệu quả, do đó thay vì được vận chuyển vào trong tế bào, glucoza tích tụ lại ở ngoài máu và cuối cùng thải ra ngoài cơ thể qua đường nước tiểu. Có hai dạng bệnh tiểu đường [4]: Tiểu đường type 1: cơ thể không sản xuất đủ hoặc không sản xuất được insulin.

Nhóm này được điều trị bằng cách tiêm insulin trực tiếp vào cơ thể để duy trì lượng glucoza trong máu ở mức ổn định. Trẻ em và thanh thiếu niên thường mắc bệnh tiểu đường type 1. Tiểu đường type 2: là dạng bệnh tiểu đường mà tuyến tụy của người bệnh có thể sản xuất insulin nhưng cơ thể không sử dụng hiệu quả lượng insulin được tạo ra. Có đến 85-90% người mắc bệnh tiểu đường thuộc type 2, trong đó hầu hết là người trên 40 tuổi.

Việc điều trị bệnh tiểu đường type 2 được thực hiện bằng cách thường xuyên uống thuốc kết hợp với chế độ ăn kiêng và tập thể dục đều đặn.2 Thực trạng bệnh tiểu đường hiện nay Hiện nay trên thế giới có hơn 190 triệu người mắc bệnh tiểu đường và con số này đang tăng lên nhanh chóng. Ước tính đến năm 2010, thế giới sẽ có 221 triệu người mắc bệnh, năm 2025 sẽ lên tới 330 triệu người, chiếm gần 6% dân số. Tỷ lệ bệnh tăng lên ở các nước phát triển là 42%, nhưng ở các nước đang phát triển là 170%. Châu Á hiện có 10-12% số người lớn mắc bệnh tiểu đường, gấp đôi so với châu Âu.

Bệnh tiểu đường đang gây ảnh hưởng mạnh tới nền kinh tế - xã hội của các quốc gia châu Á, trong đó có Việt Nam [1]. Tỷ lệ mắc bệnh tiểu đường ở châu Á hiện nay đã vượt xa châu Âu, nơi vốn được xem là ổ bệnh. Trong khi có khoảng 5% số người trưởng thành ở châu Âu mắc bệnh thì ở châu Á số người mắc là từ 10-12% và ở những quốc gia thuộc quần đảo Thái Bình Dương là 30-40%. Điều nguy hiểm là châu Á đang có chiều hướng gia tăng bệnh tiểu đường ở lứa tuổi thanh thiếu niên và trẻ nhỏ.

Thực hiện: Trần Nhân Ái TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -3- Tổng quan Theo Thông tấn xã Việt Nam, ở nước ta hiện nay có khoảng 2,5 triệu người mắc bệnh tiểu đường, chiếm 2,7% dân số nhưng có tới 65% người bệnh không biết mình đã mắc căn bệnh này. Trong 10 năm qua, số bệnh nhân tiểu đường đã tăng 3-4 lần ở khu vực thành thị. Khu vực nông thôn trước đây thường rất ít gặp bệnh tiểu đường thì nay bệnh đã trở nên phổ biến và dự đoán đến năm 2025 số người mắc bệnh tiểu đường sẽ tăng lên đến 05 triệu người. Ở Việt Nam, ngành y tế đã triển khai nhiều hoạt động phòng chống bệnh tiểu đường như tăng cường công tác tuyên truyền, khám để phát hiện bệnh sớm và triển khai thử nghiệm dự án phòng chống bệnh tiểu đường tại cộng đồng ở hai tỉnh Thanh Hóa và Thái Bình với sự giúp đỡ của Tổ chức y tế Thế giới, quỹ đái tháo đường quốc tế và nhiều tổ chức quốc tế khác [2].3 Những ảnh hưởng của bệnh tiểu đường Rất nhiều nghiên cứu y học đã chứng minh rằng bệnh tiểu đường có những vùng đường huyết nguy hiểm.

Đó là khi đường huyết quá thấp hoặc quá cao. Đường huyết xuống thấp dưới 60 mg/dL có thể dẫn đến tình trạng hôn mê, thậm chí tử vong. Còn khi đường huyết tăng cao hơn 180 mg/dL có thể gây tổn thương nhiều bộ phận quan trọng trong cơ thể như tim mạch, mạch máu, mắt, thận và thần kinh. Trung bình cứ 10 người bị tiểu đường thì có 08 người bị mắc bệnh tim mạch và có tới 75% số ca tử vong ở người bệnh tiểu đường type 2 là do bệnh tim mạch, chủ yếu là do nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não.

Bệnh thận do tiểu đường là nguyên nhân phổ biến nhất gây suy thận giai đoạn cuối, còn bệnh liên quan tới võng mạc do tiểu đường cũng là nguyên nhân hàng đầu gây mù ở người dân của những nước công nghiệp phát triển. Bệnh tiểu đường diễn biến rất âm thầm khiến nhiều người bệnh khó nhận biết được nên nhiều người khi đến khám chữa bệnh đã mắc bệnh tới 5-7 năm rồi. Vì vậy người ta gọi bệnh tiểu đường là “kẻ giết người thầm lặng”. Hiện nay, trở ngại lớn nhất trong việc điều trị bệnh tiểu đường không hẳn do thiếu trang thiết bị, thiếu thuốc, thiếu cơ sở điều trị hay thiếu thầy thuốc chuyên khoa mà chính là do sự chủ quan và thiếu hiểu biết của người bệnh.

Có rất nhiều người, dù đã được cảnh báo nhưng vẫn cho rằng bệnh tiểu đường của mình là nhẹ vì không thấy có “biến chứng”, nên không quan tâm đường huyết của họ là bao nhiêu. Vì thế họ rất ít đi khám và làm xét nghiệm đường huyết, có thể 2-3 tháng hoặc 06 tháng, có khi hàng năm mới đi kiểm tra đường huyết một lần. Thực tế, chỉ khi đường huyết rất cao (trên 300mg/dL ~ 16,5mM/L) thì người bệnh mới có một số triệu chứng như mệt mỏi, đi tiểu nhiều và khát nước. Còn khi đường huyết cao khoảng từ 126÷300mg/dL (7÷16,5mM/L) bạn sẽ không cảm nhận Thực hiện: Trần Nhân Ái TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -4- Tổng quan được vì nó không làm bạn đau, chẳng làm bạn mệt hay có cảm giác khó chịu, đó chính là lý do vì sao bệnh tiểu đường lại gây ra nhiều tổn thất như vậy.

Theo nghiên cứu UKPDS (The United Kingdom Prospective Diabetes Study) - một nghiên cứu mới nhất và đáng tin cậy nhất về bệnh tiểu đường thì ngay tại thời điểm được phát hiện mắc bệnh, 50% số bệnh nhân tiểu đường type 2 đã có ít nhất một biến chứng. Lý do là vì đa số các bệnh nhân tiểu đường type 2 có thể sống hàng tháng thậm chí hàng năm với mức đường huyết cao mà không hề biết là nhiều bộ phận trong cơ thể đang bị phá hủy dần dần cho đến khi biến chứng xuất hiện. Khi đó thì dù có được điều trị tích cực và rất tốn kém thì hiệu quả thường vẫn rất thấp, không thể ngăn các biến chứng trầm trọng thêm và có thể phải trả giá bằng chính cuộc sống của mình [1].4 Mức đường huyết an toàn Theo Hiệp hội tiểu đường Hoa Kỳ (ADA - American Diabetes Association), đối với đa số bệnh nhân tiểu đường, mức đường huyết an toàn là [1]: - Trước bữa ăn: 90-130 mg/dL (~ 5,0÷7,2 mM) - Sau bữa ăn 1-2 giờ: nhỏ hơn 180 mg/dL (~ 10 mM) - Trước lúc đi ngủ: 110-150 mg/dL (~ 6,0÷8,3 mM) Tùy lứa tuổi, giai đoạn bệnh, mức độ các biến chứng. mà mức đường huyết an toàn của mỗi người bệnh có thể khác nhau nhưng không nhiều.2 CẢM BIẾN GLUCOZA Với các hậu quả và biến chứng nguy hiểm, bệnh tiểu đường đã và đang là một trong những căn bệnh nguy hiểm, gây ảnh hưởng nặng nề nhất trong xã hội ngày nay (chỉ sau các bệnh về tim mạch và ung thư).

Tuy thế, nếu bệnh tiểu đường được chẩn đoán, phát hiện sớm, thì hoàn toàn có thể chữa trị được cũng như ngăn chặn được các biến chứng thông qua việc điều chỉnh lượng insulin cho cơ thể, kết hợp với chế độ dinh dưỡng và lối sống thích hợp. Để kiểm tra nồng độ glucoza trong máu, người ta sử dụng cảm biến glucoza. Hiện nay thị trường của cảm biến glucoza có giá trị vào khoảng 6 tỉ USD/năm, và chiếm 90% thị trường của tất cả các loại cảm biến sinh học. Vì vậy những nghiên cứu về cảm biến glucoza đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới.

Thực hiện: Trần Nhân Ái TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -5- Tổng quan 1.1 Cảm biến glucoza truyền thống Bệnh tiểu đường được chẩn đoán chủ yếu thông qua việc kiểm tra, đo đạc trực tiếp hoặc gián tiếp lượng đường (glucoza) trong máu của con người. Thiết bị đo đạc và phân tích lượng glucoza trong máu rất đa dạng, phong phú, và dựa trên các nguyên lý làm việc rất khác nhau, từ phương pháp cổ điển như phương pháp chỉ thị màu (colorimetric test strips) đến các phương pháp phát triển rất gần đây như cảm biến sinh học điện hóa (electrochemical biosensors) và cảm biến quang (optical sensors). Mỗi loại thiết bị có những ưu nhược điểm khác nhau. - Phương pháp chỉ thị màu: đơn giản, rẻ tiền nhưng giấy hiển thị bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và độ pH của môi trường, do đó làm giảm độ chính xác của phép đo.

- Phương pháp quang học: không cần lấy máu trực tiếp, nhưng thiết bị phức tạp, đắt tiền và độ mẫn cảm với môi trường trung gian (da người) cũng cao. - Cảm biến sinh học điện hóa: sử dụng enzyme làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa glucoza, do đó độ nhạy và độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào hoạt tính của enzyme. Tuy có nhiều loại cảm biến hiện đang được dùng để phân tích và định lượng nồng độ glucoza trong máu nhưng các phương pháp đều có những nhược điểm cần khắc phục như độ chính xác, độ lặp lại và tin cậy, quy trình đo lâu và phức tạp, lượng máu phải dùng nhiều, chi phí phân tích cao v. Do đó, tại thời điểm này, rất nhiều công ty nổi tiếng hiện đang đầu tư, nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa cảm biến glucoza thế hệ mới với hy vọng khắc phục các nhược điểm nói trên.2 Cảm biến glucoza sử dụng các cấu trúc nano 1.1 Công nghệ nano Công nghệ nano là một công nghệ mới, chuyên nghiên cứu chế tạo cũng như tìm hiểu các tính chất và khả năng ứng dụng của các cấu trúc và vật liệu mà trong đó có ít nhất một chiều có kích thước cỡ 100 nm hoặc nhỏ hơn.

Các cấu trúc nano như sợi nano (nanowire), ống nano (nanotube), hạt nano (nanoshell), tinh thể nano (nanocrystal)… với những tính chất điện, từ, quang rất độc đáo, đã mang lại những tiềm năng to lớn trong việc phát triển các loại cảm biến thế hệ mới.