Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu với đề tài "Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng trong y sinh và môi trường" do nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Bình thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Đại Lâm, chuyên ngành Vật liệu điện tử (Mã số: 62.23), bảo vệ tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cảm biến sinh học điện hóa là thiết bị phân tích tích hợp phần tử nhận biết sinh học đặc hiệu và bộ chuyển đổi tín hiệu điện hóa, sở hữu nhiều ưu điểm như cấu trúc nhỏ gọn, thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy cao và khả năng tích hợp trong các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Trong bối cảnh nhu cầu chẩn đoán sớm trong y tế, kiểm soát an toàn thực phẩm và quan trắc ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu phát triển các hệ vi cảm biến điện hóa có độ ổn định cao, chế tạo số lượng lớn với giá thành hợp lý là một yêu cầu cấp thiết.

Tại Việt Nam, việc chế tạo vi cảm biến điện hóa tích hợp đa điện cực (điện cực làm việc, điện cực đối, điện cực so sánh trên cùng một chip) vẫn còn là khoảng trống kỹ thuật cần được hoàn thiện bằng công nghệ trong nước kết hợp với các công nghệ vi điện tử tiên tiến. Bên cạnh đó, việc giải quyết các nhược điểm cố hữu của màng polyme dẫn thuần (như độ xốp kém, độ dẫn suy giảm theo môi trường) bằng cách biến tính/pha tạp các vật liệu cấu trúc nano (MWCNTs, hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$, màng graphen) là hướng tiếp cận trọng tâm để nâng cao hiệu năng chuyển đổi tín hiệu và tăng mật độ cố định các đầu dò sinh học.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện hóa nền (platform) trên cơ sở vật liệu polyme dẫn biến tính bằng vật liệu cấu trúc nano trong điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước, phục vụ phân tích y sinh, môi trường và an toàn thực phẩm.

Các nhiệm vụ cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo hệ vi điện cực điện hóa tích hợp đơn chip (dạng phẳng planar và dạng có buồng phản ứng MEMS) phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử.
  2. Trùng hợp điện hóa và biến tính các màng polyme dẫn điện tử (Polyanilin - PANi và Polydiaminonaphthalen - PDAN) kết hợp với các vật liệu cấu trúc nano ($\text{Fe}_3\text{O}_4$, MWCNTs, graphen).
  3. Khảo sát cấu trúc bề mặt, hình thái học và các đặc tính điện hóa của các hệ màng nanocompozit.
  4. Cố định các phần tử sinh học đặc hiệu (enzym, aptamer, kháng thể) lên bề mặt màng biến tính.
  5. Đánh giá khả năng phân tích thực tế của hệ vi cảm biến đối với các đối tượng y sinh (glucôzơ, cholesterol, ADN virút HPV), an toàn thực phẩm (độc tố Aflatoxin M1, lactôzơ trong sữa) và môi trường (thuốc diệt cỏ Atrazin).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vi điện cực tích hợp ba điện cực; màng polyme dẫn điện tử PANi, $\text{P}(1,5\text{-DAN})$; vật liệu nano MWCNTs, hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, màng graphen; các phân tử sinh học bao gồm enzym Glucose oxidase (GOx), Cholesterol oxidase (ChOx), aptamer HPV-16-L1, aptamer AFM1, kháng thể kháng Atrazin (Anti-ATZ).
  • Phạm vi không gian: Thực nghiệm được triển khai chính tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), phối hợp với Viện IEF (Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp) và Khoa ESS (Trường Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan).
  • Phạm vi thời gian và nguồn lực: Luận án hoàn thành năm 2020, được tài trợ kinh phí từ Quỹ NAFOSTED, các Đề tài Nghị định thư hợp tác quốc tế (Việt Nam – Hàn Quốc, Việt Nam – Nhật Bản, Việt Nam – Đài Loan) và đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Lịch sử phát triển cảm biến sinh học bắt đầu từ công trình của Clark và Lyons (1962) với mô hình điện cực ôxy hóa cố định enzym để xác định nồng độ glucôzơ. Sự phát triển của vật liệu polyme dẫn điện tử (ICP) được thúc đẩy mạnh mẽ sau phát hiện của Hideki Shirakawa, Alan Heeger và Alan MacDiarmid (giải Nobel Hóa học năm 2000).

Trên thế giới, các nhóm nghiên cứu đã tích hợp cảm biến điện hóa với công nghệ vi lưu và MEMS:

  • Roland Zengerle và cộng sự (IMTEK, Đức): Phát triển hệ thống vi kênh điều khiển dòng mẫu phân tích và xử lý tín hiệu.
  • Hiroaki Suzuki (2019), I-Ming Hsing (2006): Tích hợp vi kênh và nguồn công suất trên cùng một chip điện hóa hoàn chỉnh.
  • W. Zimmerman (2011), A. Baeumer (2009), DeVoe (2018): Phát triển vi hệ thống cảm biến miễn dịch và phân tích độc tố thực phẩm.
  • Ian White (2011): Chế tạo vi cảm biến điện hóa phát hiện chuỗi gen.
  • Feng Liu và cộng sự: Ứng dụng vi cân tinh thể thạch anh (QCM) phát hiện biến đổi gen, đạt độ nhạy cấp nM nhưng độ chọn lọc và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) còn hạn chế so với cảm biến điện hóa.
  • Xin-Gui Li, Jia-Li Zhang và Mei-Rong Huang: Nghiên cứu tổng hợp hóa học màng $\text{poly}(1,5\text{-DAN})$ bằng chất ôxy hóa $(\text{NH}_4)_2\text{S}_2\text{O}_8$.

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu cảm biến đã ghi nhận các kết quả ban đầu:

  • Viện ITIMS (Đại học Bách khoa Hà Nội): Nghiên cứu tranzito hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET) và điện cực độ dẫn đo pH, thuốc trừ sâu và ADN virút.
  • Viện Kỹ thuật hóa học (Đại học Bách khoa Hà Nội): Phát triển cảm biến ADN dựa trên dây nano polypyrol (PPy) và CNTs để nhận diện virút cúm A.
  • Trường Đại học Công nghệ (ĐHQG Hà Nội): Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng Hall.
  • Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT - ĐHQG TP.HCM): Chế tạo cảm biến sử dụng cấu trúc dây nano.
  • Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (USTH): Phát triển cảm biến xác định dấu ấn tế bào ung thư.
  • Trung tâm CETASD (Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội): Nghiên cứu cảm biến điện hóa màng polyme dẫn phân tích dopamin.

Khoảng trống luận án giải quyết

Hầu hết các nghiên cứu trong nước trước đó sử dụng các điện cực rời rạc hoặc màng dẫn đơn lẻ. Luận án tập trung giải quyết việc thiết kế, đồng bộ quy trình công nghệ chế tạo hệ vi điện cực tích hợp 3 trong 1 thu nhỏ trên đế bán dẫn/thủy tinh, kết hợp tổng hợp in-situ các màng nanocompozit đa thành phần ($\text{PANi}/\text{MWCNTs}$, $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{PANi}/\text{Graphen}$, $\text{P}(1,5\text{-DAN})\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{Graphen}/\text{PDAN}$) nhằm tăng diện tích bề mặt làm việc hiệu dụng, tối ưu hóa tốc độ truyền dẫn điện tử và tạo nhóm chức cố định phân tử sinh học có định hướng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý chuyển đổi tín hiệu

Hoạt động của vi cảm biến sinh học điện hóa dựa trên phản ứng trao đổi điện tử giữa chất phân tích và bề mặt điện cực, tuân theo các phương trình nhiệt động học và động học điện hóa:

  • Cảm biến thế điện cực: Điện thế cân bằng trên bề mặt điện cực tuân theo phương trình Nernst: $$E = E^0 + \frac{RT}{nF} \ln(f \cdot c)$$ Trong đó $E^0$ là thế chuẩn, $R$ là hằng số khí ($8{,}314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$), $T$ là nhiệt độ tuyệt đối, $F$ là hằng số Faraday ($96485\text{ C/mol}$), $n$ là số điện tử trao đổi, $f$ và $c$ là hệ số hoạt độ và nồng độ chất.
  • Cảm biến dòng điện (Amperometric): Đo dòng sinh ra do phản ứng ôxy hóa - khử tại một thế phân cực cố định. Dòng khuếch tán tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích theo thời gian thực.
  • Cảm biến độ dẫn và cảm biến tranzito hiệu ứng trường (ISFET/MOSFET): Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của kênh dẫn dưới tác dụng của điện thế bề mặt sinh ra do tương tác sinh hóa: $$I_D = \beta V_{DS}$$
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CẤU TRÚC HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA                       |
|                                                                         |
|  [Mẫu sinh học/môi trường]                                              |
|  [Phần tử nhận biết: Enzym GOx/ChOx, Aptamer, Kháng thể Anti-ATZ]       |
|  [Màng Nanocompozit: PANi, PDAN, MWCNTs, Fe3O4, Graphen]                |
|  [Hệ vi điện cực tích hợp: Vi điện cực làm việc, Đối, So sánh (Pt, Ag)] |
|  [Thiết bị đo điện hóa Potentiostat (Autolab/PGSTAT30)]                 |
+-------------------------------------------------------------------------+

Cơ chế dẫn điện và pha tạp của polyme dẫn

  • Polyanilin (PANi): Tồn tại dưới các trạng thái ôxy hóa khác nhau bao gồm Leucoemeraldin base (LB), Emeraldin base (EB), Polypernigranilin base (PB). Trạng thái dẫn điện cao là muối Emeraldin (ES - dạng polaron và bipolaron), hình thành khi proton hóa dạng EB trong môi trường axit ($\text{HCl}$, $\text{CSA}$, $\text{DBSA}$). Sự trùng hợp điện hóa anilin trải qua các bước tạo cation gốc, dime hóa và kéo dài mạch chuỗi polyme.
  • Polydiaminonaphthalen ($\text{P}(1,5\text{-DAN})$): Trùng hợp từ monome 1,5-diaminonaphthalen qua cơ chế tách điện tử của nhóm $-\text{NH}_2$ tạo liên kết liên hợp thơm. Màng polyme mang các nhóm amin tự do ($-\text{NH}_2$), có khả năng tạo phức càng cua với ion kim loại và tạo liên kết cộng hóa trị trực tiếp với phân tử sinh học.

Phương pháp chế tạo vi cơ điện tử (MEMS) và vật liệu

  1. Chế tạo hệ vi điện cực:
    • Quang khắc tạo màng mặt nạ với đường kính điện cực làm việc $500\ \mu\text{m}$.
    • Phún xạ điện tử (PVD) và bốc bay chùm tia điện tử để tạo màng dẫn kim loại Platin (Pt), Titan (Ti), Vàng (Au) hoặc Bạc (Ag).
    • Công nghệ ăn mòn ion phản ứng sâu (DRIE) trên thiết bị tại Đại học Quốc gia Thanh Hoa (Đài Loan) để tạo buồng phản ứng vi cơ điện tử.
  2. Tổng hợp và biến tính màng compozit:
    • Trùng hợp điện hóa quét thế tuần hoàn (CV) trên máy Autolab/PGSTAT30.
    • Chức năng hóa ống nano cácbon đa vách (MWCNTs) bằng hỗn hợp axit mạnh.
    • Lắng đọng pha hơi hóa học nhiệt (thermal CVD) trên đế đồng để tạo màng graphen, sau đó tách chuyển (transfer) lên đế vi điện cực.
  3. Kỹ thuật cố định phần tử sinh học:
    • Sử dụng glutaraldehít (GA) tạo liên kết chéo cho các phân tử enzym GOx, ChOx.
    • Sử dụng cặp tác nhân hoạt hóa EDC/NHS gắn chuỗi aptamer (quy trình SELEX) và kháng thể Anti-ATZ lên nhóm chức của màng polyme.

Phương pháp phân tích đặc trưng

  • Phân tích điện hóa: Vôn-Ampe tuần hoàn (CV), Vôn-Ampe xung sóng vuông (Square Wave Voltammetry - SWV), đo dòng thời gian thực (Amperometric $i\text{-}t$), phổ tổng trở điện hóa (EIS, dải tần $0{,}01\text{ Hz} \div 10^5\text{ Hz}$, biên độ $U_0 = 5\text{ mV}$).
  • Phân tích hình thái và cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương I hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cảm biến sinh học điện hóa và các vật liệu polyme dẫn. Tác giả trình bày cấu trúc cảm biến sinh học bao gồm bộ chuyển đổi tín hiệu kết hợp với phần tử nhận biết sinh học theo nguyên lý chìa - khóa. Nội dung phân loại chi tiết các dạng cảm biến điện hóa: thế điện cực, dòng điện, độ dẫn và tranzito trường.

Chương này phân tích sâu cơ chế dẫn điện, các trạng thái ôxy hóa của Polyanilin (LB, EB, ES, PB) và quá trình chuyển pha khi pha tạp axit. Tính chất hóa lý của Poly(diaminonaphthalen) ($\text{P}(1,8\text{-DAN})$ và $\text{P}(1,5\text{-DAN})$) được mô tả cùng khả năng tạo phức và mật độ nhóm amin tự do. Đồng thời, chương I tổng thuật các vật liệu cấu trúc nano gồm hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (kích thước đồng đều, diện tích bề mặt lớn, không độc), MWCNTs (dẫn điện theo trục, tăng độ bền cơ học) và màng graphen đơn lớp. Phần cuối chương điểm lại các ứng dụng điển hình trong định lượng glucôzơ, cholesterol, phát hiện chuỗi ADN virút HPV, độc tố Aflatoxin M1, lactôzơ và thuốc bảo vệ thực vật Atrazin.

Nhóm vật liệu Độ dẫn điện ($\Omega^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$) Độ ổn định Khả năng gia công Đặc tính chức năng nổi bật
Polyacetylen $10^3 \div 10^5$ Kém Hạn chế Mạch liên hợp thẳng đơn giản
Polyphenylene $1000$ Kém Hạn chế Vòng thơm liên kết trực tiếp
Polyphenylene sulfide $100$ Kém Rất tốt Khả năng gia công nhiệt cao
Poly($p$-phenylene vinylene) $1000$ Kém Hạn chế Phát quang điện tử
Polypyrol $100$ Tốt Tốt Dễ trùng hợp điện hóa
Polythiophen $100$ Tốt Rất tốt Bền hóa học và nhiệt
Polyanilin (PANi) $10$ Tốt Tốt Chuyển đổi trạng thái ôxy hóa thuận nghịch
Poly(diaminonaphthalene) $10$ Tốt Tốt Nhóm chức amin ($-\text{NH}_2$) tự do dồi dào

Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa

Chương II trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo linh kiện và tổng hợp vật liệu:

  1. Chế tạo vi điện cực tích hợp: Thiết kế hệ 3 điện cực tích hợp trên một chip với đường kính điện cực làm việc là $500\ \mu\text{m}$. Quy trình chế tạo hệ vi điện cực phẳng (planar) và hệ có buồng phản ứng (dạng MEMS) sử dụng kỹ thuật quang khắc, phún xạ điện tử màng Pt/Ti và ăn mòn ion sâu (DRIE).
  2. Tổng hợp màng polyme dẫn nanocompozit: Trùng hợp điện hóa in-situ màng $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$ (sau khi MWCNTs được chức năng hóa bằng axit), $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$, cấu trúc đa lớp $\text{PANi}/\text{Graphen}$, $\text{P}(1,5\text{-DAN})\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{Graphen}/\text{PDAN}$. Quá trình CVD nhiệt được dùng để tổng hợp màng graphen trên đế đồng trước khi chuyển vị sang bề mặt điện cực Pt.
  3. Kỹ thuật cố định đầu dò sinh học: Trình bày chi tiết phản ứng liên kết chéo sử dụng glutaraldehít để gắn enzym GOx, ChOx; kỹ thuật gắn chuỗi aptamer nhận diện HPV, AFM1 và kháng thể kháng Atrazin thông qua phản ứng ghép đôi EDC/NHS.
  4. Thiết lập phép đo: Mô tả thông số đo dòng thời gian thực, quét thế CV, quét xung sóng vuông SWV và phổ tổng trở EIS.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  QUY TRÌNH CHẾ TẠO VI ĐIỆN CỰC VÀ BIẾN TÍNH             |
|                                                                         |
|  [Đế Si/SiO2 hoặc Thủy tinh]                                            |
|  [Hệ vi điện cực tích hợp 3 trong 1 (W, C, R)]                          |
|  [Màng biến tính Nanocompozit trên vi điện cực]                         |
|  [Vi cảm biến sinh học điện hóa hoàn chỉnh]                             |
+-------------------------------------------------------------------------+

Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn

Chương III tập trung phân tích hình thái học, cấu trúc phân tử và hoạt tính điện hóa của các hệ màng nanocompozit chế tạo được:

  • Hệ màng $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$: Phổ CV cho thấy dòng đỉnh ôxy hóa khử tăng rõ rệt so với PANi thuần. Ảnh FE-SEM và AFM thể hiện sự phân tán đồng đều của các ống MWCNTs trong mạng lưới polyme, tạo cấu trúc xốp có diện tích riêng lớn. Phổ FTIR xác nhận các liên kết $\pi\text{-}\pi$ stacking, liên kết ion và liên kết hydro giữa chuỗi muối emeraldin của PANi và các nhóm chức trên bề mặt MWCNTs.
  • Hệ màng $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$: Phổ trùng hợp điện hóa và FTIR xác nhận sự tích hợp của các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, cải thiện độ bền cơ lý và hoạt tính truyền dẫn điện tử của màng.
  • Cấu trúc lớp $\text{PANi}/\text{Graphen}$ và $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Graphen}$: Phổ Raman ghi nhận các pic đặc trưng D, G và 2D của màng graphen kết hợp với các dao động liên kết của PANi. Ảnh HRTEM và AFM chứng minh màng graphen chuyển vị giữ được cấu trúc phẳng đơn lớp/ít lớp, tạo bề mặt tiếp xúc đồng nhất, làm tăng mật độ dòng đáp ứng.
  • Hệ màng trên cơ sở $\text{P}(1,5\text{-DAN})$: Màng $\text{P}(1,5\text{-DAN})\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ và tổ hợp $\text{Pt}/\text{Graphen}/\text{P}(1,5\text{-DAN})$ được trùng hợp quét thế trong dung dịch axit $\text{HClO}_4$. Phổ Raman ở các chu kỳ quét 5 và 20 vòng xác nhận sự hình thành liên kết polyme liên hợp chứa nhóm amin tự do, có độ hoạt động điện hóa cao trên đế điện cực Pt.

Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích

Chương IV trình bày các kết quả thử nghiệm định lượng trên các đối tượng mẫu thực tế:

1. Ứng dụng trong phân tích y sinh

  • Xác định nồng độ glucôzơ:
    • Vi cảm biến $\text{PANi}/\text{MWCNTs}/\text{GOx}$ đo dòng thời gian thực tại điện thế $+0{,}7\text{ V}$ (thế phân hủy $\text{H}_2\text{O}_2$) trong dung dịch đệm PBS ($50\text{ mM}$, $\text{pH} = 7$). Đường chuẩn tuyến tính đạt trong dải nồng độ $1 \div 9\text{ mM}$, độ nhạy cao và giữ được độ ổn định sau nhiều chu kỳ đo.
    • Vi cảm biến $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{GOx}$ và $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Graphen}/\text{GOx}$ thể hiện đáp ứng dòng nhanh khi thêm liên tiếp các nồng độ glucôzơ $0{,}5\text{ mM}$ sau mỗi $50\text{ s}$. Phổ SWV trong dung dịch $\text{HCl } 0{,}1\text{ M}$ ghi nhận sự thay đổi dòng đỉnh sắc nét.
  • Xác định nồng độ cholesterol:
    • Vi cảm biến $\text{PANi}/\text{MWCNTs}/\text{ChOx}$ đo dòng tại điện áp $-0{,}3\text{ V}$ (so với $\text{Ag/AgCl}$), xác định sự phân hủy enzym đặc hiệu, tín hiệu tuyến tính theo nồng độ cholesterol từ $0{,}05 \div 0{,}2\text{ mM}$.
    • Vi cảm biến $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{ChOx}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Graphen}/\text{ChOx}$ nâng cao dòng đáp ứng và độ đặc hiệu khi kiểm tra trong mẫu huyết thanh đối chứng.
  • Phát hiện chuỗi ADN virút HPV:
    • Vi cảm biến sinh học $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$ gắn aptamer đặc hiệu HPV-16-L1 ($5 \times 10^{-8}\text{ M}$) được đo bằng phương pháp SWV (dải thế $-0{,}6\text{ V} \div +0{,}5\text{ V}$, tần số $12{,}5\text{ Hz}$).
    • Đường chuẩn tuyến tính đạt được theo nồng độ kháng nguyên HPV trong dải $10 \div 80\text{ nM}$. Phép thử đối chứng với protein huyết thanh bò OVA khẳng định độ chọn lọc tuyệt đối của đầu dò aptamer.

2. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm

  • Xác định Aflatoxin M1 (AFM1) trong sữa: Vi cảm biến Aptasensor trên nền $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ gắn chuỗi aptamer AFM1. Tín hiệu đo SWV trong dung dịch $\text{HCl } 0{,}1\text{ M}$ suy giảm tỷ lệ với nồng độ AFM1 gắn kết trên bề mặt. Thử nghiệm mẫu đối chứng Ochratoxin A (OTA) chứng minh cảm biến không bị nhiễu chéo.
  • Xác định lactôzơ trong sữa: Sử dụng vi cảm biến $\text{P}(1,5\text{-DAN})\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\text{Graphen}/\text{P}(1,5\text{-DAN})$ đo dòng tại điện thế $+0{,}4\text{ V}$. Phản ứng thủy phân lactôzơ tạo tín hiệu dòng ổn định, cho phép định lượng trực tiếp hàm lượng lactôzơ trong dung dịch sữa thương phẩm.

3. Ứng dụng trong quan trắc môi trường

  • Xác định dư lượng thuốc trừ sâu/diệt cỏ Atrazin (ATZ):
    • Vi cảm biến $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Anti-ATZ}$ và vi cảm biến $\text{PANi}/\text{Graphen}$ được phân tích bằng SWV tại thế $+0{,}57\text{ V}$ (dải quét $-0{,}6\text{ V} \div +0{,}65\text{ V}$, tốc độ $50\text{ mV/s}$).
    • Đường chuẩn đáp ứng của vi cảm biến $\text{PANi}/\text{Graphen}$ tuyến tính trong dải nồng độ cực vết từ $10^{-11}\text{ M}$ đến $10^{-7}\text{ M}$ ($10\text{ pM} \div 100\text{ nM}$), cho thấy độ nhạy cao đối với dư lượng chất bảo vệ thực vật trong môi trường nước.
Đối tượng phân tích Nền vật liệu cảm biến Phần tử nhận biết sinh học Kỹ thuật phân tích & Thông số đo Dải tuyến tính / Giới hạn đo
Glucôzơ $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$, $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Gr}$ Glucose oxidase (GOx) Đo dòng Amperometric ($E = +0{,}7\text{ V}$) $1 \div 9\text{ mM}$
Cholesterol $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$, $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Gr}$ Cholesterol oxidase (ChOx) Đo dòng Amperometric ($E = -0{,}3\text{ V}$) $0{,}05 \div 0{,}2\text{ mM}$
Virút HPV $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$ Aptamer HPV-16-L1 SWV ($-0{,}6 \div +0{,}5\text{ V}$, $f = 12{,}5\text{ Hz}$) $10 \div 80\text{ nM}$
Aflatoxin M1 $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ Aptamer AFM1 SWV ($-0{,}6 \div +0{,}65\text{ V}$, $\text{HCl } 0{,}1\text{ M}$) Cấp vết trong sữa
Lactôzơ $\text{P}(1,5\text{-DAN})\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{Gr}/\text{PDAN}$ Enzym thủy phân Đo dòng Amperometric ($E = +0{,}4\text{ V}$) Định lượng sữa
Atrazin (ATZ) $\text{PANi}/\text{Graphen}$, $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$ Kháng thể Anti-ATZ SWV ($E = +0{,}57\text{ V}$, dải $-0{,}6 \div +0{,}65\text{ V}$) $10^{-11} \div 10^{-7}\text{ M}$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt học thuật và khoa học vật liệu

  1. Hoàn thiện công nghệ chế tạo vi điện cực tích hợp: Thiết kế, chế tạo thành công hệ vi điện cực tích hợp ba điện cực trên cùng một chip (dạng phẳng và dạng có buồng phản ứng MEMS) sử dụng công nghệ quang khắc, phún xạ kim loại và ăn mòn khô DRIE, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật của linh kiện vi điện tử tại Việt Nam.
  2. Phát triển các vật liệu nanocompozit đa chức năng: Làm sáng tỏ cơ chế tổng hợp điện hóa in-situ và tương tác phân tử giữa polyme dẫn điện tử ($\text{PANi}$, $\text{P}(1,5\text{-DAN})$) với các cấu trúc nano ($\text{MWCNTs}$, hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, màng graphen CVD). Sự kết hợp này giúp tăng diện tích bề mặt hiệu dụng, tối ưu hóa tốc độ chuyển điện tử và tăng cường độ bền cơ hóa của màng.
  3. Kỹ thuật cố định sinh học định hướng: Thiết lập quy trình cố định định hướng các phân tử sinh học (enzym, aptamer, kháng thể) trên bề mặt polyme biến tính thông qua các liên kết chéo glutaraldehít và ghép đôi carbodiimide (EDC/NHS), duy trì hoạt tính sinh học của đầu dò.

Đóng góp về mặt ứng dụng thực tiễn

  1. Ứng dụng y sinh: Chế tạo các vi cảm biến có khả năng định lượng nhanh glucôzơ ($1 \div 9\text{ mM}$), cholesterol ($0{,}05 \div 0{,}2\text{ mM}$) và phát hiện chuỗi phân tử virút HPV-16-L1 ở nồng độ nano mol ($10 \div 80\text{ nM}$).
  2. Kiểm soát an toàn thực phẩm: Xây dựng hệ Aptasensor có khả năng phát hiện chọn lọc độc tố vi nấm Aflatoxin M1 và cảm biến định lượng đường lactôzơ trong mẫu sữa.
  3. Quan trắc môi trường: Phát triển hệ vi cảm biến miễn dịch xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật Atrazin trong môi trường nước với giới hạn phát hiện đạt mức pico mol ($10^{-11}\text{ M}$), có khả năng phân tích nhanh không qua các bước tiền xử lý mẫu phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Khả năng tái sử dụng của một số hệ cảm biến sinh học miễn dịch và aptamer còn hạn chế do liên kết ái lực giữa kháng nguyên - kháng thể và aptamer - mục tiêu rất bền vững, việc xử lý tái sinh bề mặt điện cực mà không làm suy giảm màng polyme dẫn còn gặp khó khăn.
  • Một số công đoạn gia công MEMS phức tạp (như ăn mòn ion sâu DRIE tạo buồng phản ứng) vẫn phải thực hiện phối hợp tại các phòng thí nghiệm quốc tế (Đài Loan, Pháp) do hạn chế về hạ tầng thiết bị trong nước ở thời điểm thực hiện.
  • Mẫu kiểm tra thực tế chủ yếu ở quy mô phòng thí nghiệm, cần tiếp tục đánh giá độ ổn định lâu dài trong điều kiện lưu trữ thực địa.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu tích hợp hoàn chỉnh hệ thống vi lưu (microfluidics: vi van, vi bơm, vi kênh) cùng mạch điện tử tiền xử lý và truyền nhận dữ liệu không dây trên một chip thu nhỏ (Lab-on-a-Chip).
  • Nghiên cứu cơ chế nhả liên kết để tái sinh bề mặt điện cực, nâng cao số lần sử dụng của cảm biến.
  • Mở rộng ứng dụng của nền vi cảm biến để phát hiện thêm các chỉ dấu sinh học ung thư, các loại virút nguy hiểm khác và các độc tố môi trường mới phát sinh.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng nghiên cứu và đào tạo:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Khoa học vật liệu, Vật liệu điện tử, Vật lý kỹ thuật: Cung cấp quy trình chi tiết từ thiết kế mặt nạ vi điện tử, kỹ thuật phún xạ/bốc bay, kỹ thuật trùng hợp điện hóa polyme dẫn đến các phép phân tích bề mặt chuyên sâu (FE-SEM, AFM, HRTEM, FTIR, Raman, EIS).
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Hóa phân tích, Công nghệ sinh học và Y dược: Cung cấp thông số thực nghiệm về các phản ứng liên kết chéo cố định enzym, cơ chế tương tác của đầu dò aptamer và các quy trình đo dòng/quét xung SWV trong phát hiện bệnh và độc tố.
  • Kỹ sư phát triển thiết bị quan trắc môi trường và kiểm định thực phẩm: Cung cấp nguyên lý thiết kế và dữ liệu thực nghiệm để chế tạo các thiết bị đo cầm tay nhỏ gọn, phân tích nhanh tại hiện trường với chi phí thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Polyme dẫn điện tử nào được sử dụng trong luận án và vai trò của các nhóm chức là gì?

Luận án sử dụng hai loại polyme dẫn điện tử chính là Polyanilin (PANi) và Poly(1,5-diaminonaphthalen) ($\text{P}(1,5\text{-DAN})$). Cả hai polyme này đều có độ dẫn tốt, độ bền môi trường cao và chứa các nhóm chức amin ($-\text{NH}_2$) trên mạch phân tử. Nhóm $-\text{NH}_2$ đóng vai trò là tâm hoạt động hóa học để tạo liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết chéo với các phân tử sinh học (enzym, aptamer, kháng thể) thông qua các tác nhân glutaraldehít hoặc EDC/NHS.

2. Các vật liệu cấu trúc nano nào được dùng để biến tính polyme dẫn và tác dụng của chúng?

Ba loại vật liệu nano được sử dụng gồm:

  • Ống nano cácbon đa vách (MWCNTs): Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tăng độ bền cơ học và tạo kênh dẫn điện tử theo phương vuông góc với điện cực.
  • Hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Có diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước đồng đều, không độc, tương thích sinh học cao và hỗ trợ truyền dẫn điện tích.
  • Màng graphen (tổng hợp bằng CVD nhiệt): Cung cấp cấu trúc dẫn điện tử hai chiều phẳng, tăng tốc độ chuyển dịch điện tích bề mặt và nâng cao độ nhạy của cảm biến.

3. Phương pháp điện hóa nào được sử dụng để định lượng nồng độ glucôzơ và cholesterol?

Luận án sử dụng phương pháp đo dòng thời gian thực (Amperometric).

  • Đối với glucôzơ: Phản ứng enzym Glucose oxidase (GOx) sinh ra $\text{H}_2\text{O}_2$, được phân hủy tại điện thế ôxy hóa cố định $+0{,}7\text{ V}$. Dòng điện sinh ra tỷ lệ thuận với nồng độ glucôzơ trong dải $1 \div 9\text{ mM}$.
  • Đối với cholesterol: Dưới xúc tác của Cholesterol oxidase (ChOx), phản ứng thủy phân và phân hủy $\text{H}_2\text{O}_2$ được ghi nhận ở điện thế $-0{,}3\text{ V}$ (so với $\text{Ag/AgCl}$), dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ chất.

4. Vi cảm biến phát hiện virút HPV và độc tố Aflatoxin M1 hoạt động theo nguyên lý nào?

Cả hai cảm biến đều hoạt động theo nguyên lý Aptasensor (sử dụng aptamer đặc hiệu làm đầu dò sinh học) và được đo bằng kỹ thuật Vôn-Ampe xung sóng vuông (SWV) trong môi trường dung dịch axit $\text{HCl } 0{,}1\text{ M}$:

  • Cảm biến HPV sử dụng chuỗi aptamer HPV-16-L1 gắn trên màng $\text{PANi}/\text{MWCNTs}$, đo sự thay đổi dòng đỉnh khử khi hình thành phức hợp với kháng nguyên HPV trong dải $10 \div 80\text{ nM}$.
  • Cảm biến Aflatoxin M1 sử dụng aptamer cố định trên màng $\text{PANi}\text{-}\text{Fe}_3\text{O}_4$, dòng điện SWV biến đổi đặc hiệu theo nồng độ AFM1 và không bị nhiễu bởi độc tố Ochratoxin A (OTA).

5. Giới hạn phát hiện thuốc diệt cỏ Atrazin của vi cảm biến đạt được ở mức nào?

Vi cảm biến miễn dịch cấu trúc màng $\text{PANi}/\text{Graphen}$ gắn kháng thể Anti-ATZ đo bằng phương pháp SWV tại điện áp $+0{,}57\text{ V}$ có đường chuẩn đáp ứng dòng tuyến tính trong dải nồng độ từ $10^{-11}\text{ M}$ đến $10^{-7}\text{ M}$ ($10\text{ pM} \div 100\text{ nM}$), cho phép phát hiện dư lượng Atrazin ở mức nồng độ siêu vết trong môi trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Hải Bình đã xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp ba điện cực trên cơ sở màng polyme dẫn ($\text{PANi}$, $\text{P}(1,5\text{-DAN})$) biến tính bằng các cấu trúc nano ($\text{MWCNTs}$, hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, màng graphen). Công trình đã chứng minh tính hiệu quả và độ tin cậy cao của hệ vi cảm biến qua các thử nghiệm phân tích đa dạng trong y sinh (glucôzơ, cholesterol, ADN virút HPV), an toàn thực phẩm (Aflatoxin M1, lactôzơ) và quan trắc môi trường (dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin). Kết quả nghiên cứu là nền tảng kỹ thuật quan trọng thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị phân tích vi hệ thống thu nhỏ (MEMS/Lab-on-a-Chip) tại Việt Nam.