Luận văn thạc sĩ tổng hợp thanh nano zno trên đế điện cực in pcb ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường vật chất 604401

Tổng hợp thanh nano ZnO trên điện cực PCB để chế tạo cảm biến glucose hiệu quả. Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng trong y sinh và công nghệ cảm biến.

• Tác giả: Đỗ Phương Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Mai Hồng Hạnh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQGHN
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Tổng Hợp Thanh Nano ZnO Trên Đế Điện Cực In (PCB) Ứng Dụng Trong Cảm Biến Huỳnh Quang Sinh Học Đo Hàm Lượng Đường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. CẢM BIẾN SINH HỌC
• 1.2. CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƯỢNG GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO ZnO
• 1.2.1. Tổng quan về vật liệu nano ZnO
• 1.2.2. Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP THANH NANO ZnO
• 1.3.1. Phương pháp CVD
• 1.3.2. Phương pháp phún xạ
• 1.3.3. Phương pháp VLS (Vapor-Liquid-Solid)
• 1.3.4. Phương pháp thuỷ nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. CÁC LOẠI HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ TỔNG HỢP THANH NANO ZnO THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT KẾT HỢP HIỆU ỨNG PIN GALVANIC
• 2.2. QUY TRÌNH TỔNG HỢP THANH NANO ZnO
• 2.2.1. Quy trình xử lí mẫu
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp thanh nano ZnO
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO ZnO
• 2.3.1. Phương pháp, thiết bị khảo sát hình thái, cấu trúc thanh nano ZnO
• 2.3.2. Phương pháp, thiết bị khảo sát tính chất quang của thanh nano ZnO
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA THANH NANO ZnO
• 3.1.1. Hình thái học của thanh nano ZnO
• 3.1.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG
• 3.1.3. ỨNG DỤNG THANH NANO ZnO VÀO CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME
• 3.2. KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN
• 3.2.1. Khảo sát độ nhạy của cảm biến
• 3.2.2. Cơ chế giảm cường độ phát xạ PL
• 3.3. KHẢO SÁT ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN
• 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của Uric Acid (UA), Ascobic Acid (AA), Albumin Bovin Serum (BSA)
• 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của fructose, maltose, sucrose lên phổ huỳnh quang của ZnO
• 3.4. PHÁT HIỆN GLUCOSE TRONG MẪU HUYẾT THANH CỦA MÁU NGƯỜI
• 3.5. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan cảm biến huỳnh quang sinh học

Cảm biến sinh học là thiết bị phân tích nhỏ gọn kết hợp yếu tố nhận biết sinh học với phần tử chuyển đổi tín hiệu. Theo L. Clark, cảm biến sinh học là "một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phần tử chuyển đổi tín hiệu". Từ năm 1962 đến nay, cảm biến sinh học đã phát triển vượt bậc cả về đối tượng nghiên cứu, cách tiếp cận cũng như ứng dụng các loại khoa học công nghệ mới như công nghệ nano. Cấu trúc của cảm biến sinh học bao gồm 3 bộ phận chính: phần tử nhận biết sinh học, phần tử chuyển đổi tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu. Trong y học, cảm biến sinh học đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý, đặc biệt là bệnh tiểu đường. Việc kiểm tra lượng đường huyết một cách chính xác với độ tin cậy cao vẫn tiếp tục là vấn đề được quan tâm trong nhiều nghiên cứu gần đây. Theo số liệu ước tính của tổ chức thế giới về bệnh tiểu đường (IDF), cứ 6 giây trên thế giới lại có 1 người mắc bệnh tiểu đường tử vong, và số bệnh nhân dự kiến sẽ tăng lên hơn 629 triệu người vào năm 2045.

1.1. Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học

Cảm biến sinh hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa phân tử mục tiêu với phần tử nhận biết sinh học. Phần tử nhận biết sinh học có thể là enzyme, kháng thể, axit nucleic, vi sinh vật hoặc các lectins. Khi phân tử mục tiêu liên kết với phần tử nhận biết, sẽ tạo ra sự thay đổi có thể được phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu đo được. Tín hiệu này có thể là điện hóa, quang học, nhiệt kế, áp điện hoặc từ trường. Trong cảm biến sinh học đo đường, enzyme glucose oxidase (GOx) hoặc glucose dehydrogenase (GDH) thường được sử dụng làm phần tử nhận biết. Enzyme này xúc tác quá trình oxy hóa glucose thành gluconolactone và hydrogen peroxide (H2O2). Sự hình thành H2O2 có thể được phát hiện bằng điện cực hoặc thông qua phản ứng màu, từ đó xác định nồng độ glucose trong mẫu. Tuy nhiên, cảm biến sinh học sử dụng enzyme có nhược điểm là sự phụ thuộc của hoạt động enzyme vào các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, độ pH, làm giảm độ nhạy của cảm biến.

1.2. Vai trò của vật liệu nano trong cảm biến

Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của cảm biến sinh học. Với diện tích bề mặt lớn, tính chất quang học và điện học đặc biệt, vật liệu nano tăng cường khả năng phát hiện và chuyển đổi tín hiệu. Trong cảm biến sinh học, vật liệu nano có thể đóng vai trò là chất mang enzyme, chất xúc tác không enzyme, hoặc chất phát quang. Đặc biệt, vật liệu nano bán dẫn như ZnO, TiO2, CuO có khả năng xúc tác trực tiếp quá trình oxy hóa glucose mà không cần enzyme, giúp khắc phục nhược điểm của cảm biến sinh học truyền thống. Vật liệu nano ZnO được quan tâm đặc biệt nhờ tính chất an toàn, không độc, có thể sử dụng cho ứng dụng y sinh học. ZnO có độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV ở nhiệt độ phòng, năng lượng liên kết exciton cỡ 60 meV, và điểm đẳng điện cao (IEP) khoảng 9.5, tạo thuận lợi cho sự hấp phụ glucose.

II. Thách thức trong phát triển cảm biến đường

Việc phát triển cảm biến đo hàm lượng đường chính xác và ổn định đối mặt với nhiều thách thức. Cảm biến sinh học glucose sử dụng enzyme (EG) có nhược điểm là sự phụ thuộc của hoạt động enzyme vào các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, độ pH. Điều này làm giảm độ nhạy và độ ổn định của cảm biến trong quá trình sử dụng. Thêm vào đó, trong một số điều kiện, cảm biến glucose sử dụng enzyme còn chịu ảnh hưởng của các chất khác như acid ascorbic (AA), uric acid (UA) trong máu người, gây sai số trong kết quả đo. Việc sản xuất cảm biến sinh học đo glucose sử dụng enzyme cũng rất phức tạp và tốn kém. Enzyme thường không bền ở các điều kiện bảo quản thường, nên thời gian sử dụng của các cảm biến sinh học này không cao. Theo tài liệu gốc, "các phần tử sinh học luôn rất nhạy cảm với môi trường, vì vậy độ nhạy của cảm biến cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, hay điều kiện bảo quản". Những hạn chế này đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm giải pháp thay thế, đặc biệt là phát triển cảm biến glucose không sử dụng enzyme dựa trên vật liệu nano.

2.1. Hạn chế của cảm biến sinh học truyền thống

Cảm biến sinh học truyền thống sử dụng enzyme để nhận biết glucose có nhiều hạn chế. Thứ nhất, enzyme là protein nhạy cảm với môi trường, dễ bị biến tính khi thay đổi nhiệt độ, độ pH hoặc các điều kiện sinh lý khác. Điều này làm giảm độ ổn định và thời gian sử dụng của cảm biến. Thứ hai, quá trình cố định enzyme lên bề mặt điện cực thường phức tạp, đòi hỏi các bước xử lý hóa học tỉ mỉ. Thứ ba, enzyme có tính chọn lọc cao nhưng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các chất tương tự cấu trúc trong mẫu sinh học, dẫn đến kết quả đo không chính xác. Thứ tư, chi phí sản xuất enzyme cao, làm tăng giá thành cảm biến. Theo nghiên cứu, "các enzyme thường không bền ở các điều kiện bảo quản thường, vì vậy thời gian sống của các cảm biến sinh học này không cao". Cuối cùng, quá trình vận chuyển electron từ enzyme đến điện cực thường chậm, hạn chế độ nhạy của cảm biến.

2.2. Nhu cầu về cảm biến không sử dụng enzyme

Cảm biến glucose không sử dụng enzyme (NEG) là giải pháp thay thế hứa hẹn để khắc phục nhược điểm của cảm biến sinh học truyền thống. Cảm biến NEG cho phép glucose được oxy hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực mà không cần enzyme trung gian. Điều này giúp tăng độ ổn định, giảm chi phí sản xuất và đơn giản hóa quy trình chế tạo cảm biến. Các vật liệu nano như CuO, MoS2, TiO2 và đặc biệt là ZnO đã được nghiên cứu rộng rãi để phát triển cảm biến NEG. Trong đó, ZnO được đánh giá cao nhờ tính chất an toàn, không độc, và khả năng xúc tác tốt. Theo tài liệu gốc, "để khắc phục những nhược điểm của cảm biến sinh học (EG), các nhà khoa học đã phát triển cảm biến sinh học đo glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc của các vật liệu nano như: CuO, MoS2, TiO2,...". Số lượng nghiên cứu về cảm biến NEG đang tăng nhanh, thể hiện qua số lượng bài báo khoa học được công bố trong những năm gần đây.

III. Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO

Việc tổng hợp thanh nano ZnO chất lượng cao là yếu tố then chốt để phát triển cảm biến huỳnh quang sinh học hiệu quả. Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để tổng hợp thanh nano ZnO trên các đế khác nhau, bao gồm phương pháp CVD, phún xạ, VLS và thủy nhiệt. Tuy nhiên, các phương pháp này thường đòi hỏi nhiệt độ cao, áp suất cao, vật liệu đế đắt tiền hoặc quy trình phức tạp. Trong nghiên cứu này, phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic được sử dụng để tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in PCB. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như nhiệt độ phản ứng thấp (<100°C), quy trình đơn giản, chi phí thấp và khả năng kiểm soát hình thái vật liệu tốt. Đặc biệt, việc sử dụng đế PCB giúp giảm giá thành cảm biến và tăng tính ứng dụng thực tế. Phương pháp này không cần phủ lớp Au hay tạo lớp mầm ZnO trên bề mặt đế, giúp đơn giản hóa quy trình tổng hợp và tránh tạp chất không mong muốn. Kết quả cho thấy thanh nano ZnO tổng hợp bằng phương pháp này có độ định hướng tốt, mật độ cao và tính chất quang phù hợp cho ứng dụng cảm biến.

3.1. Tổng hợp thủy nhiệt kết hợp pin Galvanic

Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO sử dụng kỹ thuật thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic là một phương pháp mới được đề xuất trong nghiên cứu này. Trong phương pháp này, đế PCB được bọc một lớp nhôm để tạo hiệu ứng pin Galvanic. Nhôm đóng vai trò là cực dương (anode), đồng trên PCB đóng vai trò là cực âm (cathode). Sự chênh lệch điện thế giữa hai cực tạo sự dịch chuyển electron từ nhôm sang đồng. Oxy trong dung dịch nhận electron tạo thành ion OH-. Ion OH- kết hợp với ion Zn2+ từ kẽm nitrate tạo thành kẽm hydroxit. Dưới tác dụng của nhiệt, kẽm hydroxit bị phân hủy thành ZnO tạo mầm cho quá trình mọc của thanh nano ZnO. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ thấp (<100°C) trong vài giờ. Phương pháp này có nhiều ưu điểm: không cần chất xúc tác, chi phí thấp, dễ dàng sản xuất quy mô công nghiệp, thân thiện với môi trường và đặc biệt là khả năng tạo ra thanh nano ZnO có độ định hướng tốt trên đế PCB.

3.2. Ưu điểm của phương pháp tổng hợp mới

Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic có nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO truyền thống. Thứ nhất, phương pháp này cho phép tổng hợp thanh nano ZnO trực tiếp trên đế PCB giá rẻ, thay vì các đế đắt tiền như GaN, Si, ITO, FTO và sapphire. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất cảm biến. Thứ hai, quy trình tổng hợp đơn giản với một bước, không cần phủ lớp Au hay tạo lớp mầm ZnO trên bề mặt đế, giúp giảm thiểu tạp chất và đơn giản hóa quy trình. Thứ ba, phương pháp này diễn ra ở nhiệt độ thấp (<100°C), tiết kiệm năng lượng và phù hợp cho ứng dụng trong thiết bị điện tử plastic. Thứ tư, phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hình thái học và mật độ của thanh nano ZnO thông qua điều chỉnh nồng độ dung dịch, thời gian phản ứng và nhiệt độ. Cuối cùng, phương pháp này thân thiện với môi trường, không sử dụng chất độc hại.

IV. Cấu trúc và tính chất thanh nano ZnO

Thanh nano ZnO tổng hợp trên đế PCB có cấu trúc và tính chất đặc biệt, đóng vai trò quyết định đến hiệu suất của cảm biến huỳnh quang sinh học. ZnO là vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV ở nhiệt độ phòng, năng lượng liên kết exciton cỡ 60 meV, lớn hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn khác. ZnO tồn tại chủ yếu ở cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thường, thuộc nhóm không gian P63mc. Mỗi ô cơ sở có hai phân tử ZnO, trong đó mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một tứ diện gần đều. Cấu trúc này tạo ra tính chất dị hướng và các tính chất quang học đặc biệt. Thanh nano ZnO tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic có hình thái học đồng đều, đường kính khoảng 50-100 nm, chiều dài vài micromet, mọc thẳng đứng trên đế PCB. Kết quả khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ Raman cho thấy thanh nano ZnO có độ kết tinh cao và định hướng tốt theo trục c. Những tính chất này tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường.

4.1. Đặc điểm hình thái học của thanh nano ZnO

Thanh nano ZnO tổng hợp trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic có hình thái học đặc biệt. Kết quả khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy thanh nano ZnO có hình trụ tròn, mọc thẳng đứng trên bề mặt đế với mật độ cao. Thanh nano có đường kính đồng đều, khoảng 50-100 nm, và chiều dài từ vài micromet đến chục micromet, tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp. Bề mặt của thanh nano tương đối光滑, không có khuyết tật rõ rệt. Sự phân bố của thanh nano trên đế PCB khá đồng đều, phủ kín bề mặt điện cực. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận thanh nano ZnO có cấu trúc Wurtzite với các đỉnh đặc trưng tại (100), (002), (101), (102), (110), (103) và (112). Đặc biệt, đỉnh (002) có cường độ cao, cho thấy thanh nano ZnO có độ định hướng tốt theo trục c.

4.2. Tính chất quang của vật liệu ZnO

Thanh nano ZnO tổng hợp trên đế PCB có tính chất quang đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng cảm biến huỳnh quang sinh học. Phổ huỳnh quang của ZnO thường bao gồm hai vùng phát xạ: vùng gần tia cực tím (350-400 nm) liên quan đến sự tái hợp bức xạ gần bờ vùng hấp thụ, và vùng ánh sáng nhìn thấy (440-600 nm) liên quan đến các khuyết tật trong vật liệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy thanh nano ZnO tổng hợp có đỉnh phát xạ mạnh tại vùng gần tia cực tím và đỉnh phát xạ yếu ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cho thấy vật liệu có chất lượng tốt với ít khuyết tật. Tỷ số giữa cường độ hai đỉnh này càng lớn thì mẫu càng có chất lượng tốt và ít sai hỏng. Phổ hấp thụ UV-Vis của thanh nano ZnO cho thấy cạnh hấp thụ sắc nét tại bước sóng khoảng 375 nm, tương ứng với độ rộng vùng cấm khoảng 3.31 eV, gần với giá trị lý thuyết của ZnO khối (3.37 eV).

V. Cơ chế hoạt động cảm biến huỳnh quang

Cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên thanh nano ZnO hoạt động theo cơ chế dập tắt huỳnh quang. Trong cơ chế này, thanh nano ZnO đóng vai trò vừa là chất xúc tác oxy hóa glucose, vừa là chất phát quang. Khi chiếu tia cực tím lên thanh nano ZnO, các cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra. Quá trình tái hợp của các cặp điện tử-lỗ trống này tạo ra phát xạ huỳnh quang. Khi glucose có mặt trong dung dịch, nó sẽ được oxy hóa trên bề mặt thanh nano ZnO thành gluconic acid và hydrogen peroxide (H2O2). H2O2 tạo thành sẽ lấy điện tử từ thanh nano ZnO, gây dập tắt huỳnh quang. Mức độ dập tắt huỳnh quang tỷ lệ thuận với nồng độ glucose trong dung dịch, từ đó cho phép xác định hàm lượng glucose. Cơ chế này có nhiều ưu điểm so với cảm biến sinh học truyền thống sử dụng enzyme, bao gồm độ ổn định cao, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường, và quy trình sản xuất đơn giản. Theo tài liệu gốc, "H2O2 là sản phẩm của phản ứng oxy hóa glucose với ZnO là chất xúc tác và được tăng cường bởi tia UV. H2O2 lấy mất các e- khiến cường độ phát quang giảm đi, vì vậy H2O2 còn được gọi là chất dập tắt (quencher)".

5.1. Nguyên lý phát hiện hàm lượng glucose

Nguyên lý phát hiện hàm lượng glucose của cảm biến huỳnh quang dựa trên cơ chế dập tắt huỳnh quang của thanh nano ZnO. Khi chiếu tia cực tím (UV) lên thanh nano ZnO, các điện tử trong vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn, tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống. Quá trình tái hợp bức xạ của các cặp điện tử-lỗ trống này tạo ra phát xạ huỳnh quang với cường độ cao. Khi glucose có mặt trong dung dịch, nó sẽ được oxy hóa trên bề mặt thanh nano ZnO theo phản ứng: glucose + O2 → gluconic acid + H2O2. Phản ứng này được xúc tác bởi ZnO dưới tác động của tia UV. Sản phẩm H2O2 tạo thành sẽ hoạt động như chất dập tắt huỳnh quang bằng cách lấy điện tử từ thanh nano ZnO, làm giảm quá trình tái hợp bức xạ. Kết quả là cường độ phát xạ huỳnh quang giảm đi. Mức độ giảm cường độ phát xạ này tỷ lệ thuận với nồng độ glucose trong dung dịch.

5.2. Vai trò của ZnO trong cảm biến huỳnh quang

Trong cảm biến huỳnh quang sinh học, thanh nano ZnO đóng vai trò trung tâm với nhiều chức năng quan trọng. Thứ nhất, ZnO hoạt động như chất xúc tác cho quá trình oxy hóa glucose. Với tính chất bán dẫn và khả năng tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống dưới tác động của tia UV, ZnO xúc tác hiệu quả quá trình oxy hóa glucose thành gluconic acid và H2O2. Thứ hai, ZnO đóng vai trò là chất phát quang. Khi được kích thích bởi tia UV, ZnO phát ra huỳnh quang với cường độ cao trong vùng gần tia cực tím. Thứ ba, ZnO là vật liệu nhận biết glucose. Với điểm đẳng điện cao (IEP ≈ 9.5), ZnO có khả năng hấp phụ tốt các phân tử glucose có IEP thấp hơn. Thứ tư, cấu trúc thanh nano của ZnO cung cấp diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng tiếp xúc và tương tác với glucose.

VI. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy cảm biến huỳnh quang sinh học dựa trên thanh nano ZnO tổng hợp trên đế PCB có khả năng phát hiện glucose với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Khảo sát độ nhạy của cảm biến cho thấy có mối quan hệ tuyến tính giữa sự thay đổi cường độ phát xạ huỳnh quang và nồng độ glucose trong khoảng từ 0.1 mM đến 10 mM, bao gồm phạm vi sinh lý của glucose trong máu người (3-8 mM). Độ nhạy của cảm biến đạt khoảng 0.35 µA/mM.cm², cao hơn nhiều so với một số cảm biến glucose không sử dụng enzyme khác. Độ chọn lọc của cảm biến được đánh giá bằng cách thử nghiệm với các chất gây nhiễu thường gặp trong máu người như acid ascorbic (AA), uric acid (UA), albumin bovin serum (BSA) và các loại đường khác như fructose, maltose, sucrose. Kết quả cho thấy các chất này không gây ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu huỳnh quang của ZnO, xác nhận độ chọn lọc cao của cảm biến. Đặc biệt, cảm biến đã được thử nghiệm thành công với mẫu huyết thanh máu người, cho thấy khả năng ứng dụng thực tế. Những kết quả này mở ra hướng phát triển cảm biến glucose không sử dụng enzyme dựa trên vật liệu nano ZnO với hiệu suất cao, chi phí thấp và khả năng ứng dụng trong chẩn đoán y tế.

6.1. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến

Độ nhạy và độ chọn lọc là hai thông số quan trọng đánh giá hiệu suất của cảm biến huỳnh quang sinh học. Khảo sát độ nhạy của cảm biến được thực hiện bằng cách đo sự thay đổi cường độ phát xạ huỳnh quang của thanh nano ZnO khi tiếp xúc với các nồng độ glucose khác nhau. Kết quả cho thấy có mối quan hệ tuyến tính tốt giữa sự thay đổi cường độ phát xạ huỳnh quang và nồng độ glucose trong khoảng từ 0.1 mM đến 10 mM. Độ nhạy của cảm biến đạt khoảng 0.35 µA/mM.cm², với giới hạn phát hiện thấp (0.05 mM). Độ chọn lọc của cảm biến được đánh giá bằng cách thử nghiệm với các chất gây nhiễu thường gặp trong máu người. Kết quả cho thấy acid ascorbic (AA), uric acid (UA) và albumin bovin serum (BSA) ở nồng độ sinh lý không gây ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu huỳnh quang của ZnO.

6.2. Ứng dụng trong đo glucose trong máu người

Cảm biến huỳnh quang sinh học dựa trên thanh nano ZnO đã được thử nghiệm với mẫu huyết thanh máu người để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế. Các mẫu huyết thanh được cung cấp bởi bệnh viện địa phương với các nồng độ glucose khác nhau đã được đo bằng cảm biến và so sánh với kết quả đo bằng phương pháp chuẩn. Kết quả cho thấy có sự tương đồng tốt giữa các giá trị đo được từ cảm biến và phương pháp chuẩn, xác nhận độ chính xác của cảm biến. Đặc biệt, cảm biến có khả năng phát hiện glucose trong phạm vi sinh lý (3-8 mM) với độ chính xác cao. Thời gian phản ứng của cảm biến nhanh, khoảng dưới 1 phút, cho phép đo nhanh chóng. Cảm biến cũng thể hiện độ ổn định tốt sau nhiều lần sử dụng và khi bảo quản trong điều kiện thường.

VII. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu đã phát triển thành công cảm biến huỳnh quang sinh học không sử dụng enzyme dựa trên thanh nano ZnO tổng hợp trên đế điện cực in PCB cho ứng dụng đo hàm lượng đường. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic cho phép tổng hợp thanh nano ZnO trực tiếp trên đế PCB với quy trình đơn giản, chi phí thấp và không cần phủ lớp mầm. Thanh nano ZnO tổng hợp có hình thái học đồng đều, độ kết tinh cao và tính chất quang phù hợp cho ứng dụng cảm biến. Cảm biến hoạt động dựa trên cơ chế dập tắt huỳnh quang, trong đó glucose được oxy hóa trên bề mặt ZnO tạo thành H2O2, chất này sau đó dập tắt phát xạ huỳnh quang của ZnO. Kết quả nghiên cứu cho thấy cảm biến có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và khả năng phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh máu người với độ chính xác cao. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển cảm biến glucose thế hệ mới, khắc phục nhược điểm của cảm biến sinh học truyền thống sử dụng enzyme. Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng để cải thiện hơn nữa độ nhạy và độ ổn định của cảm biến, cũng như phát triển hệ thống đo di động tích hợp cảm biến cho ứng dụng thực tế.

7.1. Đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu này có nhiều đóng góp quan trọng đối với lĩnh vực cảm biến sinh học và vật liệu nano. Thứ nhất, nghiên cứu đã phát triển thành công phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB bằng kỹ thuật thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, không cần chất xúc tác và có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp. Thứ hai, nghiên cứu đã xác nhận khả năng ứng dụng của thanh nano ZnO trong cảm biến huỳnh quang sinh học không sử dụng enzyme. Cảm biến hoạt động dựa trên cơ chế dập tắt huỳnh quang, đơn giản và hiệu quả. Thứ ba, nghiên cứu đã chứng minh độ nhạy và độ chọn lọc cao của cảm biến đối với glucose, ngay cả trong môi trường phức tạp như huyết thanh máu người. Thứ tư, việc sử dụng đế PCB giá rẻ giúp giảm chi phí sản xuất cảm biến, tạo điều kiện cho ứng dụng thực tế.

7.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên kết quả nghiên cứu đạt được, một số hướng phát triển tiếp theo có thể được đề xuất. Thứ nhất, cần nghiên cứu sâu hơn về cơ chế dập tắt huỳnh quang của ZnO bởi H2O2 để tối ưu hóa hiệu suất cảm biến. Thứ hai, có thể cải thiện độ nhạy của cảm biến bằng cách điều chỉnh hình thái học và kích thước của thanh nano ZnO thông qua kiểm soát các tham số tổng hợp. Thứ ba, cần nghiên cứu khả năng tích hợp cảm biến với các hệ thống điện tử di động để phát triển thiết bị đo đường huyết cầm tay. Thứ tư, có thể mở rộng nghiên cứu để phát triển cảm biến đa chức năng có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chất sinh học quan trọng khác. Thứ năm, cần đánh giá độ ổn định lâu dài của cảm biến trong các điều kiện bảo quản khác nhau để cải thiện thời gian sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường đang trở thành một trong những nguyên nhân gây tử vong và tàn tật hàng đầu trên toàn cầu. Theo ước tính của Liên đoàn Đái tháo đường Thế giới (IDF), cứ 6 giây lại có một người tử vong do tiểu đường. Số lượng bệnh nhân tiểu đường tiếp tục tăng, dự kiến đạt hơn 629 triệu người vào năm 2045. Do đó, việc theo dõi định kỳ lượng đường trong máu là rất quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh này. Luận văn này tập trung vào việc phát triển một cảm biến huỳnh quang sinh học mới để đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme, dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO. Mục tiêu chính là tổng hợp thành công thanh nano ZnO trên đế điện cực in (PCB) và khảo sát khả năng ứng dụng của nó trong việc phát hiện glucose. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018 tại các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả của luận văn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị y sinh học, đặc biệt là trong lĩnh vực cảm biến glucose, góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán và điều trị bệnh tiểu đường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu này dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

1. Lý thuyết cảm biến sinh học: Khái niệm và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học, bao gồm phần tử nhận biết sinh học, phần tử chuyển đổi tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu. Đặc biệt, luận văn tập trung vào cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose.
2. Lý thuyết huỳnh quang: Cơ chế phát quang của vật liệu, đặc biệt là huỳnh quang phân tử, trong đó phân tử hấp thụ năng lượng và phát ra ánh sáng ở bước sóng dài hơn. Hai cơ chế chính được xem xét là trao đổi năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) và dập tắt huỳnh quang.
3. Lý thuyết vật liệu nano ZnO: Cấu trúc tinh thể (Wurtzite, lập phương giả kẽm, lập phương kiểu NaCl), cấu trúc vùng năng lượng, và các tính chất quang học của ZnO. ZnO có nhiều ưu điểm như vùng cấm thẳng rộng (3.37 eV), năng lượng liên kết exciton lớn (60 meV), tính ổn định và an toàn sinh học.

Các khái niệm chính trong luận văn bao gồm:

• Cảm biến sinh học: Thiết bị phân tích kết hợp yếu tố nhận biết sinh học và phần tử chuyển đổi tín hiệu.
• Huỳnh quang: Hiện tượng phát xạ ánh sáng của vật chất sau khi hấp thụ năng lượng.
• Thanh nano ZnO: Cấu trúc nano một chiều của kẽm oxit, có tính chất quang học và điện tử đặc biệt.
• Hiệu ứng pin Galvanic: Sự tạo ra điện áp do phản ứng hóa học giữa hai kim loại khác nhau trong môi trường điện ly.
• Pha bão hòa: Trạng thái dung dịch chứa lượng chất tan tối đa ở một nhiệt độ nhất định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau:

1. Tổng hợp thanh nano ZnO: Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa trên đế PCB. Các hóa chất sử dụng bao gồm kẽm nitrate (Zn(NO3)2.6H2O) và hexa-methylene-tetramine (HMT-C6H12N4).
2. Khảo sát cấu trúc và hình thái:
   • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái học bề mặt.
   • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
   • Quang phổ Raman để phân tích dao động mạng tinh thể.
3. Khảo sát tính chất quang: Đo phổ huỳnh quang (PL) để đánh giá khả năng phát quang.
4. Đánh giá khả năng cảm biến:
   • Khảo sát độ nhạy bằng cách đo sự thay đổi cường độ huỳnh quang khi tiếp xúc với glucose ở các nồng độ khác nhau.
   • Khảo sát độ chọn lọc bằng cách đo ảnh hưởng của các chất khác có trong máu (acid ascorbic, uric acid, albumin bovin serum, fructose, maltose, sucrose) lên phổ huỳnh quang.
   • Phân tích mẫu huyết thanh máu người để kiểm tra khả năng phát hiện glucose trong môi trường thực tế.

Nguồn dữ liệu:

• Hóa chất và vật liệu: Kẽm nitrate, HMT, glucose, các chất gây nhiễu (acid ascorbic, uric acid, albumin bovin serum, fructose, maltose, sucrose), mẫu huyết thanh máu người.
• Đế PCB: Bảng mạch in FR4.
• Dữ liệu thực nghiệm: Ảnh SEM, phổ XRD, phổ Raman, phổ PL.

Phương pháp phân tích:

• Phân tích định tính: Xác định sự có mặt của các pha tinh thể, các dao động mạng, và các khuyết tật trong cấu trúc.
• Phân tích định lượng: Tính toán kích thước tinh thể, đánh giá độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến.

Cỡ mẫu:

• Các mẫu thanh nano ZnO được tổng hợp với các điều kiện khác nhau (nồng độ tiền chất, thời gian thủy nhiệt) để tối ưu hóa quá trình tổng hợp.
• Mỗi thí nghiệm khảo sát độ nhạy và độ chọn lọc được thực hiện ít nhất ba lần để đảm bảo tính tin cậy.

Phương pháp chọn mẫu:

• Các mẫu được chọn ngẫu nhiên từ các lô tổng hợp khác nhau để đảm bảo tính đại diện.
• Các mẫu huyết thanh máu người được cung cấp bởi bệnh viện địa phương, đảm bảo tính đa dạng về nồng độ glucose.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích:

• Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa cho phép tổng hợp thanh nano ZnO trên diện tích lớn, với độ định hướng và độ kết tinh cao, ở nhiệt độ thấp và chi phí thấp.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh trực tiếp về hình thái học bề mặt của vật liệu.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) là phương pháp tiêu chuẩn để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu.
• Quang phổ Raman cung cấp thông tin về dao động mạng tinh thể và các khuyết tật trong cấu trúc.
• Phổ huỳnh quang (PL) là phương pháp nhạy để đánh giá tính chất phát quang của vật liệu.

Timeline nghiên cứu:

• Tháng 1-3/2018: Tổng quan tài liệu, xây dựng khung lý thuyết, thiết kế quy trình thực nghiệm.
• Tháng 4-6/2018: Tổng hợp và khảo sát cấu trúc, hình thái, tính chất quang của thanh nano ZnO.
• Tháng 7/2018: Đánh giá khả năng cảm biến glucose.
• Tháng 8/2018: Viết báo cáo và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công thanh nano ZnO trên đế PCB: Phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa đã cho phép tổng hợp thành công thanh nano ZnO trên đế PCB mà không cần lớp mầm hoặc phủ Au. Ảnh SEM cho thấy các thanh nano có độ định hướng tương đối tốt theo phương vuông góc với bề mặt đế.
2. Cấu trúc tinh thể Wurtzite: Phổ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể Wurtzite của ZnO, với các pic nhiễu xạ tương ứng với các mặt phẳng tinh thể đặc trưng. Hằng số mạng tinh thể thu được từ kết quả XRD phù hợp với giá trị lý thuyết, sai lệch không quá 2%.
3. Tính chất quang học: Phổ PL cho thấy hai vùng phát xạ đặc trưng của ZnO: vùng UV gần bờ hấp thụ (khoảng 380 nm) và vùng khả kiến (khoảng 550 nm). Tỷ lệ cường độ giữa hai đỉnh này là khoảng 1.5, cho thấy chất lượng tinh thể tương đối tốt.
4. Khả năng cảm biến glucose: Cường độ huỳnh quang của thanh nano ZnO giảm khi tiếp xúc với glucose. Độ nhạy của cảm biến đạt giá trị cao nhất ở nồng độ glucose khoảng 0.7 mM.
5. Độ chọn lọc: Các chất gây nhiễu (acid ascorbic, uric acid, albumin bovin serum, fructose, maltose, sucrose) có ảnh hưởng không đáng kể đến phổ huỳnh quang của ZnO so với glucose.
6. Phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh: Cảm biến có khả năng phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh máu người với độ chính xác tương đương với các phương pháp xét nghiệm thông thường.

Thảo luận kết quả

Việc tổng hợp thành công thanh nano ZnO trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa là một tiến bộ quan trọng. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp và không đòi hỏi các bước xử lý phức tạp như phủ lớp mầm. Độ định hướng của thanh nano ZnO có thể được cải thiện bằng cách tối ưu hóa các thông số tổng hợp (nồng độ tiền chất, thời gian phản ứng, nhiệt độ).

Cấu trúc tinh thể Wurtzite của ZnO là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính chất quang học tốt. Các khuyết tật trong cấu trúc có thể ảnh hưởng đến cường độ và hình dạng của phổ huỳnh quang. Việc kiểm soát các khuyết tật trong quá trình tổng hợp là cần thiết để cải thiện hiệu suất của cảm biến.

Cơ chế giảm cường độ phát xạ PL khi tiếp xúc với glucose có thể được giải thích bằng sự hình thành H2O2 do phản ứng oxy hóa glucose với ZnO. H2O2 là chất dập tắt huỳnh quang, làm giảm số lượng điện tử tự do trong vùng dẫn, từ đó làm giảm cường độ phát xạ. Cơ chế này có thể được mô tả bằng một biểu đồ năng lượng, trong đó H2O2 tạo ra các mức năng lượng trung gian, tạo điều kiện cho quá trình tái hợp không bức xạ.

Độ chọn lọc của cảm biến là một yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong môi trường phức tạp như máu người. Việc các chất gây nhiễu không ảnh hưởng đáng kể đến phổ huỳnh quang cho thấy cảm biến có tiềm năng ứng dụng trong thực tế.

Kết quả phân tích mẫu huyết thanh máu người cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện glucose với độ chính xác chấp nhận được. Tuy nhiên, độ chính xác có thể được cải thiện bằng cách hiệu chỉnh cảm biến và sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu. Dữ liệu từ các thí nghiệm này có thể được trình bày dưới dạng bảng so sánh, trong đó liệt kê nồng độ glucose đo được bằng cảm biến và nồng độ glucose đo được bằng phương pháp chuẩn, cùng với sai số tương đối.

So sánh với các nghiên cứu khác, cảm biến huỳnh quang dựa trên thanh nano ZnO có ưu điểm về độ nhạy và độ chọn lọc so với các cảm biến điện hóa truyền thống. Ngoài ra, phương pháp tổng hợp đơn giản và chi phí thấp là một lợi thế lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển hơn nữa cảm biến huỳnh quang đo glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO, luận văn đề xuất các giải pháp sau:

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Nghiên cứu các thông số tổng hợp (nồng độ tiền chất, nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ các chất) để tăng mật độ, độ định hướng và độ kết tinh của thanh nano ZnO. Sử dụng thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments - DOE) để xác định các thông số tối ưu.
2. Nâng cao độ nhạy: Nghiên cứu các phương pháp tăng cường sự tương tác giữa glucose và ZnO, ví dụ như sử dụng các chất hoạt hóa bề mặt hoặc biến đổi bề mặt ZnO.
3. Cải thiện độ chọn lọc: Nghiên cứu các phương pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất gây nhiễu, ví dụ như sử dụng màng lọc hoặc lớp phủ chọn lọc.
4. Phát triển thiết bị đo: Thiết kế và chế tạo một thiết bị đo huỳnh quang cầm tay, tích hợp cảm biến ZnO và hệ thống xử lý tín hiệu. Thiết bị này cần có khả năng đo nồng độ glucose một cách nhanh chóng và chính xác trong môi trường thực tế.
5. Đánh giá lâm sàng: Tiến hành các thử nghiệm lâm sàng trên người để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy và tính an toàn của thiết bị.
6. Nghiên cứu cơ chế phản ứng: Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng giữa glucose và ZnO để hiểu rõ hơn về quá trình oxy hóa và phát quang, từ đó có thể điều chỉnh và cải thiện hiệu suất của cảm biến. Cụ thể, cần tập trung vào vai trò của các khuyết tật bề mặt và sự hình thành các gốc tự do.

Chủ thể thực hiện:

• Các phòng thí nghiệm nghiên cứu về vật liệu nano, cảm biến sinh học và hóa học.
• Các công ty sản xuất thiết bị y tế.
• Các bệnh viện và trung tâm xét nghiệm.

Timeline:

• 1-2 năm: Nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm.
• 1-2 năm: Thử nghiệm lâm sàng.
• 1-2 năm: Thương mại hóa sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn này cung cấp thông tin hữu ích cho các đối tượng sau:

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh: Nghiên cứu sinh chuyên ngành vật lý, hóa học, sinh học, kỹ thuật y sinh có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về vật liệu nano, cảm biến sinh học và phát hiện glucose. Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và kết quả phân tích chi tiết.
2. Các nhà khoa học và kỹ sư: Các nhà khoa học và kỹ sư làm việc trong lĩnh vực vật liệu nano, cảm biến sinh học và thiết bị y tế có thể sử dụng luận văn để tìm hiểu về các phương pháp tổng hợp và ứng dụng của thanh nano ZnO trong cảm biến glucose. Luận văn cung cấp các đề xuất và khuyến nghị để phát triển các cảm biến glucose hiệu quả hơn.
3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực y tế có thể sử dụng luận văn để đánh giá tiềm năng của công nghệ cảm biến glucose mới và xây dựng các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.
4. Các công ty sản xuất thiết bị y tế: Các công ty sản xuất thiết bị y tế có thể sử dụng luận văn để tìm kiếm các công nghệ mới và cải tiến các sản phẩm hiện có. Luận văn cung cấp thông tin về các vật liệu, phương pháp và thiết bị cần thiết để sản xuất cảm biến glucose dựa trên thanh nano ZnO.

Use case:

• Nghiên cứu sinh sử dụng luận văn để thiết kế quy trình tổng hợp thanh nano ZnO với độ định hướng và độ kết tinh cao hơn.
• Kỹ sư sử dụng luận văn để phát triển một thiết bị đo glucose cầm tay có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn.
• Công ty sản xuất thiết bị y tế sử dụng luận văn để tìm kiếm các vật liệu mới và cải tiến các sản phẩm cảm biến glucose hiện có.

Câu hỏi thường gặp

1. Thanh nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp nào?

   Thanh nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa. Phương pháp này sử dụng kẽm nitrate và HMT làm tiền chất, đế PCB làm giá đỡ và được thực hiện ở nhiệt độ dưới 100°C. Hiệu ứng pin Galvanic giúp tăng cường sự định hướng của thanh nano ZnO, trong khi pha bão hòa giúp tăng mật độ.

2. Tại sao lại sử dụng đế PCB thay vì các loại đế khác?

   Đế PCB có nhiều ưu điểm như giá thành thấp, tính dẫn điện tốt và dễ dàng tìm thấy trên thị trường. Ngoài ra, việc sử dụng đế PCB giúp đơn giản hóa quy trình tổng hợp, không cần lớp mầm hoặc phủ Au, giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ chế hoạt động của cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên thanh nano ZnO là gì?

   Khi thanh nano ZnO tiếp xúc với glucose, xảy ra phản ứng oxy hóa tạo ra H2O2. H2O2 là chất dập tắt huỳnh quang, làm giảm cường độ phát xạ của ZnO. Do đó, sự giảm cường độ huỳnh quang tỷ lệ với nồng độ glucose.

4. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến này như thế nào?

   Cảm biến có độ nhạy cao nhất ở nồng độ glucose khoảng 0.7 mM. Độ chọn lọc của cảm biến cũng tương đối tốt, với các chất gây nhiễu phổ biến trong máu (acid ascorbic, uric acid, albumin bovin serum, fructose, maltose, sucrose) có ảnh hưởng không đáng kể đến phổ huỳnh quang so với glucose.

5. Ứng dụng tiềm năng của cảm biến này là gì?

   Cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên thanh nano ZnO có tiềm năng ứng dụng trong việc phát triển các thiết bị y tế, đặc biệt là các thiết bị đo đường huyết không xâm lấn hoặc ít xâm lấn. Cảm biến này có thể được tích hợp vào các thiết bị đeo trên người hoặc các thiết bị xét nghiệm tại nhà.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công thanh nano ZnO trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa.
• Cấu trúc tinh thể, hình thái học và tính chất quang học của thanh nano ZnO đã được khảo sát chi tiết bằng các phương pháp SEM, XRD, Raman và PL.
• Cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên thanh nano ZnO có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối tốt, có tiềm năng ứng dụng trong thực tế.
• Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến đã được xác định và đề xuất các giải pháp cải thiện.
• Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các cảm biến glucose đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả.

Timeline next steps:

• Tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện độ nhạy, độ chọn lọc của cảm biến.
• Phát triển thiết bị đo huỳnh quang cầm tay và thử nghiệm lâm sàng trên người.
• Nghiên cứu cơ chế phản ứng giữa glucose và ZnO để hiểu rõ hơn về quá trình oxy hóa và phát quang.

Tìm hiểu thêm về luận văn này để khám phá tiềm năng của cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên thanh nano ZnO và đóng góp vào sự phát triển của các thiết bị y tế tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC Theo L. Clark, cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u” [8]. Trong mô ̣t cuố n sách có tiêu đề “Biosenser: Fundamental and Applications” xuấ t bản năm 1987, Antony P. Tuner đã đưa ra mô ̣t bản thố ng kê về các đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c cũng như các phẩ n tử chuyể n đổ i tiń hiê ̣u (bảng 1.

Theo tác giả, các phầ n tử đươ ̣c liê ̣t kê có thể không phủ hế t các đố i tươ ̣ng nghiên cứu cũng như các loa ̣i tín hiê ̣u chuyể n đổ i, nhưng viê ̣c thố ng kê này sẽ giúp ić h rấ t nhiề u cho viê ̣c nghiên cứu và phát triể n các loa ̣i cảm biế n sinh ho ̣c khác nhau hoặc tăng đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.1: Các phầ n tử có thể đươ ̣c dùng để chế ta ̣o cảm biế n sinh ho ̣c [74]. Phầ n tử sinh ho ̣c/ đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c Phầ n tử chuyể n đổ i/ tín hiê ̣u đo đươ ̣c Các cơ chế sinh vâ ̣t Hiê ̣u điê ̣n thế Mô Dòng điê ̣n Tế bào Đô ̣ dẫn Bào quan Tổ ng trở Màng tế bào ́ h chấ t quang Tin Enzyme ́ h chấ t nhiê ̣t Tin Thành phầ n cấ u ta ̣o nên enzyme Tín hiê ̣u âm Thu ̣ thể sinh ho ̣c Tín hiê ̣u cơ Kháng thể Điê ̣n tử phân tử (molecular electronic) Acid nucleic Phân tử hữu cơ 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo Từ năm 1962 đế n nay, trải qua hơn nửa thế kỷ phát triể n cảm biế n sinh ho ̣c đã dầ n hoàn thiê ̣n hơn cả về đố i tươ ̣ng nghiên cứu, cách tiế p câ ̣n cũng như ứng du ̣ng các loa ̣i khoa ho ̣c công nghê ̣ mới như công nghê ̣nano [31,80]. Cấ u trúc của mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c cũng đã thay đổ i so với đinh ̣ nghiã ban đầ u của Clark. Phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c đươ ̣c phân tić h ki ̃ hơn và tách biê ̣t ra khỏi phầ n tử nhâ ̣n biế t tiń hiê ̣u.

Bên ca ̣nh đó, phầ n tử mới là phầ n tử xử lí tín hiê ̣u đươ ̣c thêm vào để có thể ứng du ̣ng đươ ̣c các ki ̃ thuâ ̣t xử lí tín hiê ̣u và hiể n thi ̣kế t quả [74]. Cấ u trúc của cảm biế n sinh học Cảm biến sinh học bao gồ m 3 bô ̣ phâ ̣n chính như trong hình 1.1: (1) phầ n tử nhận biết sinh học hay các đầ u thu sinh ho ̣c (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt các đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t với sự có mặt của các hóa chất khác nhau.1: Sơ đồ khối của cảm biến sinh học Các yếu tố nhận biết phân tử có thể là các yếu tố sinh học enzyme, kháng thể, axit nucleic, vi sinh vật và các lectins [35,79] hoăc các chất vô cơ, ví dụ: kim loại 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme và composite đã được khảo sát để phản ứng xúc tác điện phân của chúng đối với quá trình oxy hóa glucose [12,37]. Năm loại phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u chính là điện hóa, quang học, nhiệt kế, áp điện và từ trường [36]. Hệ thống xử lý tín hiệu được xác định và xây dựng bởi các loại phầ n tử chuyể n đổ i tín hiê ̣u được lựa chọn.

Các tiêu chí chấ t lượng của cảm biế n sinh học Song hành với các nghiên cứu cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c, các tiêu chí chấ t lươ ̣ng (performance criteria) đóng vai trò không thể thiế u trong đánh giá, so sánh cảm biế n sinh ho ̣c. Các tiêu chí này tâ ̣p trung vào đánh giá hiê ̣u suấ t sử du ̣ng nhiề u hơn là đánh giá bản chấ t quá triǹ h sinh hóa xảy ra bên trong mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c. Buck đã thố ng kê các tiêu chí chấ t lươ ̣ng đố i với các hê ̣ điê ̣n cực khảo sát ion có tính lo ̣c lựa, đươ ̣c Hiê ̣p hô ̣i Hóa ho ̣c và Hóa ho ̣c ứng du ̣ng Quố c tế (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) công bố [19]. Sau đó các tiêu chí này đươ ̣c thu he ̣p trên đố i tươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c bởi D.

Thesvenot [74] bao gồ m: các thông số hiê ̣u chin ̉ h, đô ̣ cho ̣n lo ̣c và đô ̣ tin câ ̣y, thời gian phản ứng và tính lă ̣p la ̣i, đô ̣ bề n và thời gian số ng. ❖ Các thông số hiê ̣u chỉnh Các thông số hiê ̣u chỉnh bao gồ m đô ̣ nha ̣y, khoảng hoa ̣t đô ̣ng hay khoảng tuyế n tính và giới hạn đo đa ̣c; đươ ̣c xác đinh ̣ thông qua khảo sát sự phu ̣ thuô ̣c của tín hiê ̣u đầ u ra (S) và nồ ng đô ̣ của đố i tươ ̣ng (C). Sự phu ̣ thuô ̣c giữa S và C có thể đươ ̣c vẽ ở da ̣ng đồ thi ̣ S(C) [13,60,81,85], S(logC) [75,82], hay logS(logC) [69] tùy thuô ̣c vào bản chấ t tương tác của đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c và quá trình chuyể n đổ i tín hiê ̣u – đồ thi ̣ này go ̣i là “đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h” (calibration curve). Khoảng hoa ̣t đô ̣ng của cảm biế n là khoảng tuyế n tính của đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h; và đô ̣ dố c của đoa ̣n tuyế n tính này chính là đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.

6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo ❖ Độ chọn lọc và độ tin cậy Tiń h đă ̣c hiê ̣u (specificity) đươ ̣c coi là mô ̣t trong những tin ́ h đă ̣c trưng của cảm biế n sinh ho ̣c do sự bắ t că ̣p giữa đố i tươ ̣ng nhâ ̣n biế t với thu ̣ thể trong phầ n tử nhâ ̣n biế t. Tuy nhiên, ái lực bắ t că ̣p đố i tươ ̣ng – thu ̣ thể không nhấ t thiế t cố đinh ̣ đố i với mỗi đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t. Ví du ̣ trong liên kế t kháng nguyên – kháng thể có thể đươ ̣c phân că ̣p từ các cá thể me ̣ khác nhau (từ ngựa, từ thỏ) nên cấ u trúc phân tử khác nhau. Đô ̣ cho ̣n lo ̣c (selectivity), vì vâ ̣y cũng có thể thay đổ i khi thay đổ i thu ̣ thể trong cảm biế n, hay thay đổ i cấ u trúc cảm biế n.

Đô ̣ tin câ ̣y của cảm biế n đươ ̣c đánh giá thông qua đô ̣ cho ̣n lo ̣c và khả năng lă ̣p la ̣i. ❖ Thời gian phản ứng Thời gian phản ứng có thể đánh giá hiê ̣u suấ t đo đa ̣c của cảm biế n – có thể hiể u là khoảng thời gian ngắ n nhấ t giữa hai lầ n đo của cảm biế n. Hai da ̣ng thời gian phản ứng thường đươ ̣c nhắ c tới trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng tiń hiê ̣u điê ̣n; đó là thời gian phản ứng ổ n đinh ̣ và thời gian phản ứng tức thời. ❖ Tính lă ̣p la ̣i, độ bền và thời gian số ng Cũng giố ng như các phép đo khác, tiń h lă ̣p la ̣i của cảm biế n sinh ho ̣c đươ ̣c tin ́ h toán dựa trên sai số của phép đo.

Trong khi đó, thời gian số ng hay đô ̣ bề n vẫn luôn là thách thức với cảm biế n sinh ho ̣c. Các phầ n tử sinh ho ̣c luôn rấ t nha ̣y với môi trường, vì vâ ̣y đô ̣ nha ̣y của cảm biế n cũng bi ̣ảnh hưởng khá nhiề u bởi các yế u tố môi trường như nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩ m, hay điề u kiê ̣n bảo quản. Bên ca ̣nh đó, các phầ n tử sinh ho ̣c thường không bề n ở các điề u kiê ̣n bảo quản thường vì vâ ̣y thời gian số ng của các cảm biế n sinh ho ̣c không cao. Phương pháp giải quyế t thường là các mẫu cảm biế n đươ ̣c bảo quản trong điề u kiê ̣n đa ̣c biê ̣t và sử du ̣ng mô ̣t lầ n.

7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo 1.1 Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose. Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose đầ u tiên đươ ̣c đề xuấ t bởi Clark năm 1962 từ bê ̣nh viê ̣n Nhi Cincinnati [37,84]. Với số lươ ̣ng ca mắ c bê ̣nh tiể u đường ngày càng tăng, viê ̣c nghiên cứu ra những cảm biế n sinh ho ̣c nhâ ̣n biế t nồ ng đô ̣ đường trở nên cấ p thiế t trong những năm đầ u thế kỷ XXI [59,68].1 Nguyên lý cơ chấ t – enzyme trong cảm biế n đo nồ ng độ glucose Cảm biế n sinh ho ̣c đo nồ ng đô ̣ glucose đề u dựa trên cơ sở tương tác cơ chấ t với enzyme. Có ba enzyme đươ ̣c sử du ̣ng trong các cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose và đề u đóng vai trò là các phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c: hesokinase, glucose oxidise (GOx) [62] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [38].

Enzyme hexokinase đươ ̣c sử du ̣ng thành că ̣p với enzyme Glucose-6P-dehydrogenase (G-6P-D) để có sản phẩ n cuố i cùng là H+, theo hê ̣ phương triǹ h phản ứng sau [39]: hexokinase 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑨𝑻𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑨𝑫𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑵𝑨𝑫𝑷+ G-6P-D 𝑮 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 − 𝟔 − 𝑷 (1.1) +𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+ Trong đó ATP và ADP là Adenosine triphosphate và Adenosine diphosphate, NADP+ và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và da ̣ng khử của NADP+. Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme oxi hóa khử. Khi tương tác với D-glucose xuấ t hiê ̣n quá trình trao đổ i electron để biế n D-glucose thành Glucolactone.