Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hoá từ polyme dẫn biến tính cho y sinh và môi trường

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục bảng, hình vẽ

Danh mục viết tắt

Mở đầu

I. CHƯƠNG I: Tổng quan

I.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa

I.1.1. Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa

I.1.2. Phân loại cảm biến sinh học điện hóa

I.1.2.1. Cảm biến trên cơ sở thế điện cực

I.1.2.2. Cảm biến dòng điện

I.1.2.3. Cảm biến độ dẫn

I.1.2.4. Cảm biến hiệu ứng trường

I.1.3. Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa

I.2. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa

I.2.1. Giới thiệu về Polyanilin

I.2.2. Giới thiệu về polydiaminonaphthalen

I.2.3. Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn

I.2.3.1. Hạt nano Fe3O4

I.2.3.2. Ống nano cácbon (CNTs)

I.2.3.3. Vật liệu màng graphen

I.3. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa

I.3.1. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe

I.3.1.1. Xác định nồng độ glucôzơ

I.3.1.2. Xác định nồng độ cholesterol

I.3.1.3. Xác định chuỗi DNA của virút HPV

I.3.2. Ứng dụng trong quan trắc môi trường

I.3.3. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm

I.3.3.1. Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa

I.3.3.2. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa

I.4. Kết luận

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

II.1. Chế tạo các vi điện cực điện hóa

II.1.1. Chế tạo các hệ vi điện cực điện hóa tích hợp

II.1.1.1. Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp

II.1.1.2. Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa

II.1.1.3. Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar)

II.1.1.4. Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS)

II.2. Tổng hợp điện hóa các màng polyme dẫn

II.2.1. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin

II.2.1.1. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon

II.2.1.2. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4

II.2.1.3. Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen

II.2.2. Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN)

II.2.2.1. Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt nano Fe3O4

II.2.2.2. Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen

II.3. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp

II.3.1. Cố định các phần tử sinh học trên màng polyanilin biến tính

II.3.1.1. Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính

II.3.1.2. Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính

II.3.1.3. Cố định kháng thể Atrazin

II.3.2. Cố định phần tử sinh học enzym trên màng PDAN biến tính

II.4. Các phương pháp phân tích điện hóa

II.4.1. Phương pháp Vôn-Ampe tuần hoàn

II.4.2. Phương pháp đo dòng thời gian thực

II.4.3. Phương pháp xung sóng vuông

II.4.4. Phương pháp tổng trở điện hóa

II.5. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng

II.6. Kết luận

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

III.1. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn - polyanilin

III.1.1. Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon

III.1.2. Pha tạp màng PANi bằng vật liệu hạt nano Fe3O4

III.1.3. Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp PANi/Graphen

III.1.4. Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANi- Fe3O4/Graphen

III.2. Phát triển vi cảm biến cảm biến trên cơ sở màng P(1,5-DAN)

III.2.1. Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4

III.2.2. Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN

III.3. Kết luận

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

IV.1. Ứng dụng trong phân tích y sinh

IV.1.1. Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch

IV.1.1.1. Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa PANi/MWCNTs

IV.1.1.2. Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4

IV.1.1.3. Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANi- Fe3O4/Graphen

IV.1.2. Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch

IV.1.2.1. Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs

IV.1.2.2. Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4

IV.1.2.3. Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi- Fe3O4/Graphen

IV.1.3. Xác định chuỗi ADN của virút HPV

IV.2. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm

IV.2.1. Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa

IV.2.2. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa

IV.2.2.1. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5- DAN)-Fe3O4

IV.2.2.2. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến Graphen/P(1,5-DAN)

IV.3. Ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường

IV.3.1. Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin bằng vi cảm biến PANi/Fe3O4

IV.3.2. Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến PANi/Graphen

IV.4. Kết luận

Kết luận chung

Tài liệu tham khảo

Phụ lục I

I. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là thiết bị có khả năng phát hiện và định lượng các chất phân tích thông qua phản ứng điện hóa. Cảm biến điện hóa sử dụng các nguyên lý điện hóa để chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu điện. Các loại cảm biến này có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cấu trúc điện cực và phương pháp đo. Việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa từ polyme dẫn biến tính đã mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và môi trường. Đặc biệt, các cảm biến này có khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác các chất như glucose, cholesterol, và các độc tố trong thực phẩm.

1.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là thiết bị sử dụng các phản ứng sinh học để phát hiện các chất phân tích. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu điện. Các cảm biến này thường được sử dụng trong y sinh để theo dõi sức khỏe và phát hiện bệnh. Cảm biến sinh học điện hóa có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó polyme dẫn biến tính là một trong những lựa chọn phổ biến. Chúng có khả năng tương tác tốt với các phân tử sinh học, giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác của cảm biến.

1.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên nguyên lý hoạt động và cấu trúc. Một số loại phổ biến bao gồm cảm biến trên cơ sở thế điện cực, cảm biến dòng điện, và cảm biến độ dẫn. Mỗi loại cảm biến có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong y sinh và môi trường. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong việc phát hiện và định lượng các chất phân tích.

II. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa

Vật liệu polyme dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo cảm biến sinh học điện hóa. Các loại polyme như polyanilin và polydiaminonaphthalen được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính chất điện hóa tốt và khả năng tương tác với các phân tử sinh học. Vật liệu polyme không chỉ giúp cải thiện độ nhạy của cảm biến mà còn tăng cường độ bền và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Việc pha tạp các hạt nano như Fe3O4 và ống nano cácbon vào polyme dẫn cũng đã được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất của cảm biến.

2.1 Giới thiệu về Polyanilin

Polyanilin là một trong những loại polyme dẫn phổ biến nhất trong lĩnh vực cảm biến sinh học điện hóa. Với khả năng dẫn điện tốt và tính chất hóa học ổn định, polyanilin được sử dụng để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao. Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh cấu trúc của polyanilin có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến. Các ứng dụng của polyanilin trong y sinh bao gồm phát hiện glucose và cholesterol, cho thấy tiềm năng lớn của loại vật liệu này trong việc phát triển các thiết bị y tế hiện đại.

2.2 Giới thiệu về polydiaminonaphthalen

Polydiaminonaphthalen là một loại polyme dẫn khác được nghiên cứu trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa. Với cấu trúc hóa học đặc biệt, polydiaminonaphthalen có khả năng tương tác tốt với các phân tử sinh học, giúp tăng cường độ nhạy của cảm biến. Việc sử dụng polydiaminonaphthalen trong cảm biến sinh học điện hóa đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát hiện các chất phân tích trong y sinh và môi trường. Nghiên cứu cho thấy, cảm biến dựa trên polydiaminonaphthalen có thể phát hiện nồng độ thấp của các chất độc hại trong thực phẩm và nước.

III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế và môi trường. Trong y sinh, các cảm biến này được sử dụng để xác định nồng độ glucose, cholesterol và các chỉ số sinh học khác. Chúng cũng có thể được áp dụng trong việc phát hiện các bệnh truyền nhiễm thông qua việc xác định chuỗi DNA của virus. Trong lĩnh vực môi trường, cảm biến sinh học điện hóa giúp theo dõi ô nhiễm và kiểm soát an toàn thực phẩm bằng cách phát hiện các độc tố như Aflatoxin trong thực phẩm.

3.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe

Cảm biến sinh học điện hóa đã chứng minh được giá trị trong việc theo dõi sức khỏe và phát hiện bệnh. Chúng có khả năng xác định nồng độ glucose trong máu, giúp người bệnh tiểu đường quản lý tình trạng sức khỏe của mình. Ngoài ra, cảm biến cũng có thể được sử dụng để phát hiện nồng độ cholesterol, một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Việc phát triển các cảm biến này từ polyme dẫn biến tính không chỉ nâng cao độ nhạy mà còn giảm thiểu thời gian phản ứng, mang lại lợi ích lớn cho người sử dụng.

3.2 Ứng dụng trong quan trắc môi trường

Trong lĩnh vực môi trường, cảm biến sinh học điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi ô nhiễm và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Chúng có khả năng phát hiện các chất độc hại như Aflatoxin trong thực phẩm, giúp đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Ngoài ra, cảm biến cũng được sử dụng để xác định dư lượng thuốc diệt cỏ trong nước, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Việc ứng dụng các cảm biến này trong thực tiễn không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hoá ứng dụng trong y sinh và môi trường