Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "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" của nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Bình được thực hiện tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Học viện Khoa học và Công nghệ, dưới sự hướng dẫn của GS. Trần Đại Lâm, bảo vệ năm 2020. Luận án thuộc chuyên ngành Vật liệu điện tử, mã số 62.23, tiếp cận theo hướng thực nghiệm định lượng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu phát hiện nhanh các chỉ tiêu y sinh (glucôzơ, cholesterol, ADN virút), độc tố thực phẩm và chất ô nhiễm môi trường ngày càng tăng, vi cảm biến sinh học điện hóa nổi lên như một lựa chọn có cấu trúc đơn giản, dễ tích hợp và dễ chế tạo số lượng lớn so với các phương pháp quang học hay cơ học. Tại Việt Nam, một số kết quả ban đầu đã được công bố bởi các nhóm nghiên cứu tại Viện ITIMS (Đại học Bách khoa Hà Nội), Viện Kỹ thuật hóa học (Đại học Bách khoa Hà Nội), Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, Trung tâm CETASD (Đại học Quốc gia Hà Nội) và Phòng thí nghiệm Công nghệ nano – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo hệ vi điện cực điện hóa tích hợp hoàn chỉnh trên nền polyme dẫn biến tính cấu trúc nano, phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước, chưa được triển khai có hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án đặt ra mục tiêu nghiên cứu, chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện hóa 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, cụ thể qua các nhiệm vụ:

  1. Thiết kế hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp (lần đầu tiên thực hiện tại Việt Nam) phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có.
  2. Tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến và khảo sát các tính chất đặc trưng.
  3. Thử nghiệm phân tích một số chỉ tiêu trong y sinh, chất ô nhiễm môi trường và chất liên quan đến an toàn thực phẩm.
  4. Rút ra kết luận về khả năng chế tạo, phát triển và ứng dụng hệ vi cảm biến trong điều kiện trong nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa trên nền hai loại polyme dẫn: polyanilin (PANi) và poly(1,5-diaminonaphthalen) (P(1,5-DAN)), được biến tính/pha tạp bằng ống nano cácbon đa vách (MWCNTs), hạt nano Fe₃O₄ và màng graphen. Các ứng dụng thử nghiệm bao gồm: xác định glucôzơ, cholesterol, ADN virút HPV-16, Aflatoxin M1 trong sữa, lactôzơ trong sữa và dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin trong môi trường nước. Luận án được thực hiện chủ yếu tại Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), kết hợp một phần tại Viện IEF (Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp) và Khoa ESS (Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả điểm lại

Tác giả tổng quan theo ba nhóm nội dung chính:

Cảm biến sinh học điện hóa tích hợp vi hệ thống: Mô hình cảm biến sinh học điện hóa đầu tiên được Clark và Lyons đưa ra năm 1962 với điện cực ôxy hóa cố định enzym trên bề mặt. Nhóm của Roland Zengerle và cộng sự tại IMTEK (Đức) phát triển vi cảm biến sinh học sử dụng vi kênh để điều khiển mẫu phân tích. Hiroaki Suzuki và cộng sự (2019) cùng I-Ming Hsing và cộng sự (2006) tích hợp vi kênh với bộ nguồn trong cùng một chip. Các ứng dụng xác định gen được nghiên cứu bởi Ian White và cộng sự (2011); hệ vi cảm biến miễn dịch bởi DeVoe và cộng sự (2018). Feng Liu và cộng sự nghiên cứu vi cảm biến ADN dùng vi cân tinh thể thạch anh QCM xác định biến đổi gen cấp độ một bazơ, độ nhạy cỡ nM. Các tác giả W. Zimmerman và cộng sự (2011), R. Zengerle và cộng sự (2017), A. Baeumer và cộng sự (2009) đã tập trung vào chế tạo và tích hợp thiết bị y sinh.

Nghiên cứu trong nước: Nhóm Viện ITIMS phát triển cảm biến ISFET và điện cực độ dẫn xác định pH, dư lượng thuốc trừ sâu và ADN virus. Nhóm Viện Kỹ thuật hóa học phát triển cảm biến ADN trên cơ sở dây nano CNTs và Ppy xác định virus cúm A. Nhóm Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội nghiên cứu cảm biến trên cơ sở hiệu ứng Hall trong phân tích y sinh. Trung tâm CETASD phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn ứng dụng xác định dopamin. Nhóm LNT – Đại học Quốc gia TP. HCM có kết quả ban đầu với cảm biến dây nano.

Vật liệu polyme dẫn: Tác giả dẫn chiếu Hideki Shirakawa (Viện Công nghệ Tokyo) với các phát hiện ban đầu về polyme dẫn điện những năm 1970, được ghi nhận bằng Giải Nobel Hóa học năm 2000. Xin-Gui Li, Jia-Li Zhang và Mei-Rong Huang tổng hợp poly(1,5-DAN) bằng phương pháp trùng hợp ôxy hóa hóa học với tỉ lệ mol 1:1 trong môi trường HNO₃.

Khoảng trống luận án giải quyết

Việc chế tạo đồng bộ hệ vi điện cực điện hóa tích hợp ba điện cực trên một chip theo công nghệ MEMS/CMOS, kết hợp biến tính màng polyme dẫn bằng nhiều loại vật liệu nano (CNTs, Fe₃O₄, graphen), và thử nghiệm phân tích đa chỉ tiêu trong điều kiện công nghệ trong nước là khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khái niệm nền tảng

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về cảm biến sinh học điện hóa, trong đó nguyên lý hoạt động dựa trên các quá trình ôxy hóa – khử trên điện cực và sự chuyển đổi tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu điện. Các khái niệm trung tâm gồm: phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor), bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer), nguyên lý khóa – chìa trong nhận biết sinh học (độ chọn lọc đặc hiệu có thể đạt 100%), cơ chế pha tạp polyme dẫn theo mô hình polaron/bipolaron, định luật Nernst cho thế điện cực, và quan hệ tuyến tính giữa dòng đo được với nồng độ chất phân tích trong đo dòng thời gian thực (amperometric). Hai polyme dẫn chính được sử dụng là PANi (với các dạng LB, EB, ES, PB phụ thuộc trạng thái ôxy hóa) và P(1,5-DAN) (có nhóm –NH₂ sau khi trùng hợp để tạo liên kết với phần tử sinh học).

Phương pháp thực nghiệm

Chế tạo hệ vi điện cực: Hệ vi điện cực điện hóa tích hợp phẳng (planar) và dạng có buồng phản ứng (MEMS) được chế tạo theo quy trình quang khắc (photolithography), phún xạ điện tử (PVD) và bốc bay chùm tia điện tử (e-beam evaporation). Điện cực làm việc có đường kính 500 μm; điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực so sánh được tích hợp trên cùng một chip. Ăn mòn sâu bằng phản ứng ion (DRIE – Deep Reactive Ion Etching) được thực hiện tại Khoa ESS, Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan.

Tổng hợp màng polyme dẫn: Màng PANi và P(1,5-DAN) được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ sử dụng kỹ thuật quét thế Vôn-Ampe tuần hoàn (Cyclic Voltammetry – CV) trên máy Autolab/PGSTAT30. Biến tính bao gồm: pha tạp ống MWCNTs (qua chức năng hóa bằng hỗn hợp axit và lọc hút chân không), pha tạp hạt nano Fe₃O₄, chế tạo màng đa lớp với graphen tổng hợp bằng phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) nhiệt, tách chuyển từ đế đồng sang đế vi điện cực.

Cố định phần tử sinh học: Enzym GOx (Glucose oxidase) và ChOx (Cholesterol oxidase) được cố định bằng phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít (GA). Aptamer đặc hiệu HPV-16-L1 (nồng độ 5×10⁻⁸ M) và aptamer Aflatoxin M1 được gắn qua xử lý EDC/NHS. Kháng thể Anti-Atrazin được cố định trực tiếp trên bề mặt màng PANi-Fe₃O₄.

Các phương pháp phân tích điện hóa: Vôn-Ampe tuần hoàn (CV), đo dòng thời gian thực (Amperometric), Vôn-Ampe xung sóng vuông (SWV – Square Wave Voltammetry) và Phổ tổng trở điện hóa (EIS). Thông số SWV tiêu biểu: tần số 12,5 Hz, tốc độ quét 50 mV/s, bước thế 10 mV, biên độ xung 5 mV.

Phân tích bề mặt và cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM), phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) và phổ Raman.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa nền tảng lý luận của toàn luận án. Tác giả trình bày định nghĩa cảm biến sinh học điện hóa theo mô hình Clark và Lyons (1962), phân loại theo bộ phận chuyển đổi (thế điện cực, dòng điện, độ dẫn, hiệu ứng trường FET/ISFET/MOSFET) và theo thành phần cảm nhận sinh học (enzym, ADN, miễn dịch). Các tiêu chí đánh giá được trình bày gồm: độ chính xác, độ nhạy, giới hạn đo (LOD/LOQ), tốc độ hồi đáp và khả năng tái sử dụng.

Phần vật liệu polyme dẫn trình bày Bảng I.1 so sánh tính chất của tám loại polyme dẫn thông dụng, trong đó PANi có độ dẫn 10 Ω⁻¹cm⁻¹ và P(diaminonaphthalene) có độ dẫn 10 Ω⁻¹cm⁻¹, cả hai đều có độ ổn định tốt và khả năng gia công tốt. Tác giả phân tích cơ chế tổng hợp và pha tạp PANi theo cơ chế polaron/bipolaron, cơ chế pha tạp bằng HCl, DBSA và CSA. Phần ứng dụng điểm lại ba lĩnh vực: y tế và chăm sóc sức khỏe (glucôzơ, cholesterol, HPV), quan trắc môi trường và kiểm soát an toàn thực phẩm (Aflatoxin, lactôzơ).

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

Chương trình bày quy trình thực nghiệm đầy đủ theo bốn nhóm công đoạn. Hệ vi điện cực phẳng được chế tạo qua các bước quang khắc, lắng đọng kim loại theo thông số phún xạ và bốc bay (ghi ở Bảng II.1 và Bảng II.2). Hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS) sử dụng DRIE tại Đài Loan. Màng PANi/MWCNTs được tổng hợp sau khi chức năng hóa MWCNTs bằng hỗn hợp axit và lọc hút chân không; màng PANi-Fe₃O₄ tổng hợp điện hóa in-situ; màng đa lớp PANi/Graphen và PANi-Fe₃O₄/Graphen tổng hợp bằng CVD nhiệt và tách chuyển graphen từ đế đồng. Màng P(1,5-DAN)-Fe₃O₄ và Graphen/P(1,5-DAN) cũng được tổng hợp theo quy trình tương tự. Aptamer đặc hiệu HPV-16-L1 được sàng lọc theo chu trình SELEX trước khi cố định lên bề mặt cảm biến.

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

Chương khảo sát tính chất điện hóa và cấu trúc bề mặt của sáu hệ màng nanocompozít.

Đối với PANi/MWCNTs, phổ CV tổng hợp và ảnh FESEM, AFM xác nhận sự hình thành liên kết giữa PANi dạng ES và MWCNTs thông qua ba cơ chế: π-stacking (xếp lớp liên kết π của vòng thơm), liên kết ion và liên kết hiđrô. Phổ FTIR xác nhận sự có mặt của MWCNTs trong màng tổ hợp. Đối với PANi-Fe₃O₄, phổ FTIR và ảnh FESEM xác nhận hạt Fe₃O₄ phân tán trong nền PANi. Đối với PANi/Graphen và PANi-Fe₃O₄/Graphen, phổ Raman (Hình III.14, III.16) xác nhận sự hình thành cấu trúc đa lớp; ảnh HRTEM xác nhận cấu trúc graphen đơn lớp (Hình III.13); ảnh AFM cho thấy màng graphen đồng đều trên vi điện cực.

Đối với P(1,5-DAN)-Fe₃O₄, phổ CV so sánh màng pha tạp và không pha tạp Fe₃O₄ cho thấy hoạt động điện hóa được cải thiện. Đối với Graphen/P(1,5-DAN), Bảng III.1 tổng hợp các đỉnh Raman của graphen, poly(1,5-DAN) và tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN) tổng hợp ở 5 và 20 chu kỳ quét thế; ảnh FESEM và AFM xác nhận cấu trúc màng đồng đều. Kết quả cho thấy điện cực Pt/Graphen/P(1,5-DAN) có hoạt động điện hóa cao hơn Pt/PDAN thuần.

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

Chương trình bày kết quả thử nghiệm phân tích của mười hệ cảm biến trên ba nhóm ứng dụng.

Phân tích y sinh – Glucôzơ: Vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx hoạt động tại điện thế +0,7 V, dải tuyến tính 1÷9 mM, độ nhạy được ghi ở Bảng IV.2 theo thời gian. Bảng IV.1 ghi chênh lệch cường độ dòng khi thêm glucôzơ. Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄/GOx đáp ứng dòng tại +0,7 V trong dung dịch PBS (pH = 7) khi thêm liên tiếp 0,5 mM glucôzơ mỗi 50 s. Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄/Graphen/GOx sử dụng phổ SWV (tần số 12,5 Hz, tốc độ quét 50 mV/s, bước thế 10 mV, biên độ xung 5 mV, dải thế –0,6 ÷ 0,65 V trong HCl 0,1 M). Bảng IV.4 so sánh tính chất ba hệ vi cảm biến glucôzơ.

Phân tích y sinh – Cholesterol: Vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx hoạt động tại –0,3 V (vs Ag/AgCl), dải nồng độ thử nghiệm 0,05÷0,2 mM, ghi dòng đáp ứng theo thời gian (Bảng IV.5, IV.6, IV.7). Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄/ChOx-Fe₃O₄ khai thác cơ chế phản ứng thủy phân cholesterol qua ChOx cố định trên hạt Fe₃O₄, dải nồng độ 0,19 mM mỗi bước thêm. Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄/Graphen/ChOx hoạt động trong môi trường đệm với đường chuẩn theo nồng độ cholesterol. Bảng IV.8 so sánh tính chất các vi cảm biến cholesterol.

Phân tích y sinh – HPV: Vi cảm biến PANi/MWCNTs sử dụng aptamer HPV-16-L1 (5×10⁻⁸ M) cố định qua EDC/NHS. Phổ SWV ghi nhận tín hiệu sau các bước xử lý (đường 1: EDC/NHS; đường 2: gắn aptamer; đường 3–7: hình thành phức hợp HPV-16-L1 với kháng nguyên HPV ở các nồng độ khác nhau). Đường chuẩn tuyến tính trong dải 10÷80 nM. Phép thử đối chứng với OVA (5×10⁻⁸ M) xác nhận tính đặc hiệu.

Kiểm soát an toàn thực phẩm – Aflatoxin M1: Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄ cấu trúc Aptasensor xác định AFM1 trong sữa. Phổ CV và SWV ghi nhận ở các nồng độ AFM1 khác nhau; phép thử đối chứng với Orchratoxin A (OTA) xác nhận tính đặc hiệu. Bảng IV.9 so sánh vi cảm biến này với các phương pháp xác định AFM1 khác trong tài liệu.

Kiểm soát an toàn thực phẩm – Lactôzơ: Vi cảm biến PDAN-Fe₃O₄ và Graphen/PDAN xác định lactôzơ trong sữa. Đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực ở E = 0,4 V. Đường chuẩn theo nồng độ lactôzơ được ghi cho cả hai hệ.

Quan trắc môi trường – Atrazin: Vi cảm biến PANi-Fe₃O₄/Anti-ATZ sử dụng kháng thể Anti-Atrazin cố định trên màng; phổ SWV theo các nồng độ ATZ và xác định khả năng nhả ATZ trên bề mặt. Vi cảm biến PANi/Graphen xác định Atrazin với tín hiệu SWV trong dải nồng độ 10⁻¹¹ đến 10⁻⁷ M, đường chuẩn tại điện áp +0,57 V. Bảng IV.10 so sánh các cảm biến điện hóa xác định Atrazin trong tài liệu.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án nêu các đóng góp chính sau:

  • Lần đầu tiên tại Việt Nam thiết kế và chế tạo thành công hệ vi điện cực điện hóa tích hợp ba điện cực (làm việc, đối, so sánh) trên cùng một chip, theo hai dạng: phẳng (planar) và có buồng phản ứng kiểu MEMS, phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước.
  • Tổng hợp và đặc trưng hóa thành công sáu hệ màng nanocompozít polyme dẫn biến tính: PANi/MWCNTs, PANi-Fe₃O₄, PANi/Graphen, PANi-Fe₃O₄/Graphen, P(1,5-DAN)-Fe₃O₄ và Graphen/P(1,5-DAN), xác nhận liên kết và cấu trúc qua FESEM, AFM, HRTEM, FTIR, Raman.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công mười hệ vi cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng xác định: glucôzơ (ba hệ cảm biến), cholesterol (ba hệ), ADN virút HPV-16, Aflatoxin M1, lactôzơ (hai hệ) và Atrazin (hai hệ).
  • Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo hệ vi cảm biến từ thiết kế mặt nạ, lắng đọng màng kim loại, trùng hợp điện hóa polyme dẫn, biến tính nano đến cố định phần tử sinh học và thử nghiệm phân tích.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án không dành mục riêng nêu hạn chế một cách tường minh. Tuy nhiên, dựa trên phạm vi nghiên cứu được xác định trong văn bản, có thể ghi nhận một số điểm giới hạn: hầu hết các thử nghiệm được thực hiện trong dung dịch chuẩn pha chế trong phòng thí nghiệm, chưa có đánh giá toàn diện trên mẫu thực lấy từ bệnh viện hoặc hiện trường môi trường. Một phần thực nghiệm (DRIE) phụ thuộc vào thiết bị tại nước ngoài. Tiêu chí khả năng tái sử dụng của cảm biến được đề cập là hạn chế chung của lớp cảm biến sinh học. Luận án không đề xuất hướng nghiên cứu tiếp tục một cách tường minh trong phần kết luận chung.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

Nghiên cứu sinh và nhà khoa học trong các chuyên ngành vật liệu điện tử, hóa phân tích, kỹ thuật y sinh, công nghệ nano và vi hệ thống MEMS có thể tham khảo Chương II (quy trình chế tạo vi điện cực tích hợp và tổng hợp màng polyme dẫn biến tính) và Chương III (phân tích tính chất điện hóa, bề mặt của sáu hệ nanocompozít).

Nhà nghiên cứu phát triển cảm biến ứng dụng trong y sinh (glucôzơ, cholesterol, HPV) và kiểm soát thực phẩm (Aflatoxin M1, lactôzơ) có thể tham khảo Chương IV về quy trình cố định phần tử sinh học, thông số đo điện hóa và các bảng so sánh hiệu năng cảm biến.

Người làm chính sách và quản lý công nghệ trong lĩnh vực thiết bị y tế, quan trắc môi trường và kiểm soát an toàn thực phẩm tại Việt Nam có thể tham khảo luận án để đánh giá năng lực nội địa trong chế tạo thiết bị phân tích nhanh trên nền vật liệu nano.

Giảng viên và sinh viên các chuyên ngành Vật liệu điện tử, Kỹ thuật hóa học và Công nghệ sinh học có thể sử dụng Chương I như tài liệu tổng quan hệ thống về cảm biến sinh học điện hóa và polyme dẫn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những phương pháp điện hóa nào để đặc trưng và đo tín hiệu cảm biến?

Luận án sử dụng bốn phương pháp: Vôn-Ampe tuần hoàn (CV) để tổng hợp màng và khảo sát tính chất điện hóa; đo dòng thời gian thực (Amperometric) để ghi đáp ứng dòng theo nồng độ chất phân tích; Vôn-Ampe xung sóng vuông (SWV) với thông số tiêu biểu tần số 12,5 Hz, tốc độ quét 50 mV/s, bước thế 10 mV, biên độ xung 5 mV để xác định aptasensor và immunosensor; và Phổ tổng trở điện hóa (EIS) trong dải tần số 0,01÷10⁵ Hz, biên độ Uo = 5 mV trong dung dịch PBS 50 mM để đánh giá quá trình cố định phần tử sinh học.

2. Vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx có dải tuyến tính và điện thế hoạt động như thế nào trong xác định glucôzơ?

Vi cảm biến này hoạt động tại điện thế áp +0,7 V (thế ôxy hóa của H₂O₂). Dải tuyến tính được ghi nhận từ 1 đến 9 mM glucôzơ. Dòng đáp ứng khi thêm glucôzơ được ghi theo thời gian, chênh lệch cường độ dòng ở các nồng độ được tổng hợp ở Bảng IV.1 và Bảng IV.2 (độ nhạy theo thời gian).

3. Vi cảm biến PANi/Graphen xác định Atrazin trong dải nồng độ nào và ở điện thế nào?

Vi cảm biến PANi/Graphen sử dụng kháng thể Anti-Atrazin cố định trên bề mặt, ghi tín hiệu SWV (tần số 12,5 Hz, tốc độ quét 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế –0,6 ÷ +0,65 V trong HCl 0,1 M). Dải nồng độ tuyến tính Atrazin từ 10⁻¹¹ đến 10⁻⁷ M, đường chuẩn ghi tại điện áp +0,57 V.

4. Luận án xác nhận tính đặc hiệu của aptasensor HPV bằng cách nào?

Tính đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs với aptamer HPV-16-L1 được xác nhận bằng phép thử đối chứng: thực hiện quy trình đo SWV với cùng điều kiện nhưng dùng kháng nguyên OVA (ovalbumin) ở nồng độ 5×10⁻⁸ M thay vì kháng nguyên HPV. Kết quả ghi ở Hình IV.30 cho thấy tín hiệu không thay đổi đáng kể khi có OVA, khẳng định aptamer chỉ liên kết đặc hiệu với kháng nguyên HPV.

5. Sáu hệ màng nanocompozít được đặc trưng bằng những kỹ thuật phân tích bề mặt nào và phát hiện gì?

Cả sáu hệ màng đều được đặc trưng kết hợp nhiều kỹ thuật: FESEM xác nhận hình thái bề mặt và sự phân tán của hạt nano/ống nano trong nền polyme; AFM đo độ nhám và đồng đều bề mặt; FTIR xác nhận sự có mặt của các liên kết hóa học giữa PANi và MWCNTs hoặc Fe₃O₄; phổ Raman (Bảng III.1) xác nhận cấu trúc graphen và sự hình thành tổ hợp Graphen/poly(1,5-DAN); HRTEM xác nhận cấu trúc màng graphen đơn lớp. Riêng màng PANi/MWCNTs, FTIR xác nhận ba cơ chế liên kết: π-stacking, liên kết ion và liên kết hiđrô giữa PANi dạng ES và MWCNTs.

Kết luận

Luận án của Nguyễn Hải Bình hệ thống hóa quy trình chế tạo và thử nghiệm mười hệ vi cảm biến sinh học điện hóa trên nền hai polyme dẫn (PANi và P(1,5-DAN)) biến tính bằng ba loại vật liệu nano (MWCNTs, Fe₃O₄, graphen), bao phủ ba lĩnh vực ứng dụng gồm y sinh, an toàn thực phẩm và quan trắc môi trường. Đóng góp kỹ thuật nổi bật là thiết kế và chế tạo hệ vi điện cực điện hóa tích hợp lần đầu tiên tại Việt Nam theo công nghệ MEMS, bao gồm cả dạng phẳng và dạng có buồng phản ứng. Các màng nanocompozít được xác nhận cấu trúc bằng tổ hợp FESEM, AFM, HRTEM, FTIR và Raman, đồng thời chứng minh hiệu năng phân tích qua đường chuẩn và phép thử đặc hiệu cho từng chỉ tiêu. Luận án cung cấp bộ dữ liệu tham chiếu về thông số chế tạo và hiệu năng cảm biến hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vi hệ thống điện hóa phân tích tại Việt Nam.