Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Đắc Nghĩa
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Vĩnh Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Nanocomposite Carbon Cho Cảm Biến Glucose
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lãi cam đoan
• Lãi cÁm ¢n
• Māc lāc
• DANH MĀC VI¾T TÀT
• DANH MĀC BÀNG
• DANH MĀC HÌNH
• 1. CH¯¡NG 1: Tổng quan
• 1.1. Đßnh ngh*a và c¿u t¿o cÁm biÁn sinh hác
• 1.2. Các thành phÁn cÿa cÁm biÁn sinh hác.2
• 1.2.1. Bá phÃn chuyển đổi (transducer)
• 1.2.2. CÁm biÁn so màu
• 1.3. Mát số āng dāng cÿa cÁm biÁn sinh hác
• 1.4. Āng dāng trong kiểm nghiệm an toàn thực ph¿m và kiểm soát môi tr°ång
• 1.5. Āng dāng trong y sinh hác và ch¿n đoán lâm sàng. Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đÁm bÁo an ninh -quốc phòng
• 1.6. C¿u trúc phân tử và đặc tính xúc tác °u việt cÿa enzym
• 1.7. Đặc điểm xúc tác cÿa enzym
• 1.8. Tính đặc hiệu cÿa enzym
• 1.9. Đ¡n vß đo ho¿t đá chÁ ph¿m enzym
• 1.10. CÁm biÁn sinh hác xác đßnh nồng đá glucose
• 1.11. Các ph°¡ng pháp xét nghiệm nồng đá glucose. Ph°¡ng pháp so màu trên c¡ sç sử dāng enzym đặc chÿng
• 1.12. Xét nghiệm bằng máy đo sử dāng cÁm biÁn sinh hác điện hóa sử dāng các enzym đặc chÿng
• 1.13. Các xu h°ãng phát triển cÁm biÁn glucose
• 1.14. Tổng hÿp và āng dāng các vÃt liệu thay thÁ enzym glucose oxidase (GOx) trong chÁ t¿o cÁm biÁn
• 1.15. Tổng hÿp và sử dāng các vÃt liệu có ho¿t tính xúc tác thay thÁ enzym peroxidase (POD).4
• 1.16. Các vÃt liệu nano tiên tiÁn trên nền carbon đ°ÿc nghiên cāu trong luÃn án
• 1.17. H¿t nano Fe3O4 bác carbon (c¿u trúc lõi/vỏ) (core-shell)
• 1.18. VÃt liệu nano Fe3O4
• 1.19. H¿t nano Fe3O4 bác carbon (c¿u trúc lõi/vỏ - core-shell)
• 1.20. VÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡
• 1.21. Sắt oxy – hydroxit (FeOOH)
• 1.22. Ch¿m cacbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ (N-GQDs)
• 2. CH¯¡NG 2: Thực nghißm
• 2.1. Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t, dāng cā và thiÁt bß
• 2.2. Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t
• 2.3. Dāng cā và thiÁt bß
• 2.4. Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/GQDs và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác
• 2.5. Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 2.6. Tổng hÿp carbon dots bằng ph°¡ng pháp từ d°ãi lên (bottom-up)
• 2.7. ChÁ t¿o vÃt liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/GQDs)
• 2.8. ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 2.9. ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 2.10. Āng dāng cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs cho mÁu thực
• 2.11. ChÁ t¿o hệ thống xét nghiệm hàng lo¿t, āng dāng để phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs sử dāng phÁn mền ImageJ
• 2.12. Tổng hÿp vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (FeC) và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác
• 2.13. Tổng hÿp vÃt liệu FeC
• 2.14. CÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu FeC
• 2.15. CÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FeC
• 2.16. ChÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trên c¡ sç vÃt liệu FeC
• 2.17. Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch và mÁu thực
• 2.18. Tổng hÿp vÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡
• 2.19. (FN-GQDs) āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác.1
• 2.20. Tổng hÿp vÃt liệu FN-GQDs
• 2.21. CÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs
• 2.22. CÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs
• 2.23. ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs.5
• 2.24. KhÁo sát ho¿t tính cÿa các nanozyme (FeC, FN-GQDs)
• 2.25. Các ph°¡ng pháp xử lý số liệu
• 2.26. Giãi h¿n phát hiện (LOD)
• 3. CH¯¡NG 3: K¿t quÁ và thÁo lu¿n
• 3.1. Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose
• 3.2. Tổng hÿp và đặc tr°ng vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 3.3. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 3.4. KhÁo sát ho¿t tính t°¡ng tự enzym hydrogen peroxide cÿa vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 3.5. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2.3
• 3.6. Āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose bằng ph°¡ng pháp so màu
• 3.7. CÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs
• 3.8. Āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu n°ãc tiểu
• 3.9. ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs sử dāng phÁn mền ImageJ
• 3.10. Tính toán đá tin cÃy cÿa bá cÁm biÁn
• 3.11. Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (FeC) trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose
• 3.12. Tổng hÿp, đặc tr°ng vÃt liệu FeC
• 3.13. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FeC
• 3.14. KhÁo sát ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym hydrogen peroxidase cÿa vÃt liệu FeC
• 3.15. KhÁo sát đáng hác ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym peroxidase cÿa vÃt liệu FeC
• 3.16. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2.3
• 3.17. Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose
• 3.18. CÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trên c¡ sç vÃt liệu FeC
• 3.19. Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch và mÁu thực
• 3.20. Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose
• 3.21. Tổng hÿp, đặc tr°ng cÿa vÃt liệu FN-GQDs
• 3.22. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs
• 3.23. Ho¿t tính xúc tác cÿa FN-GQDs và tối °u hóa điều kiện phÁn āng.2
• 3.24. CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs
• 3.25. Āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose
• 3.26. CÁm biÁn sinh hác xác đßnh glucose trong dung dßch trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs
• 3.27. Āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trong n°ãc tiểu
• TÀI LIÞU THAM KHÀO
• Lý do chán đÁ tài

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nanocomposite carbon

Nanocomposite carbon là một loại vật liệu mới, được chế tạo từ các thành phần carbon kết hợp với các chất khác nhằm tạo ra những tính chất vượt trội. Vật liệu này có khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong cảm biến sinh học. Việc nghiên cứu chế tạo nanocomposite carbon cho cảm biến glucose không chỉ giúp nâng cao độ nhạy mà còn cải thiện độ chính xác trong việc đo lường nồng độ glucose trong máu. Theo nghiên cứu, các nanocomposite carbon có thể được sử dụng để phát triển cảm biến sinh học với khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác nồng độ glucose, từ đó hỗ trợ trong việc theo dõi sức khỏe của bệnh nhân tiểu đường.

1.1. Tính chất điện và hóa học của nanocomposite carbon

Tính chất điện và hóa học của nanocomposite carbon là yếu tố quyết định đến hiệu suất của cảm biến glucose. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc kết hợp carbon với các vật liệu khác như kim loại nano có thể tạo ra các tính chất xúc tác tốt hơn. Điều này giúp tăng cường khả năng phát hiện glucose thông qua các phản ứng điện hóa. Các cảm biến sinh học sử dụng nanocomposite carbon có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường sinh học, nhờ vào tính ổn định và khả năng tương tác tốt với các phân tử sinh học.

II. Ứng dụng của nanocomposite carbon trong cảm biến glucose

Cảm biến glucose là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của nanocomposite carbon. Các cảm biến này không chỉ giúp theo dõi nồng độ glucose trong máu mà còn có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế khác như kiểm tra an toàn thực phẩm. Việc phát triển cảm biến glucose sử dụng nanocomposite carbon giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác, từ đó hỗ trợ tốt hơn cho việc quản lý bệnh tiểu đường. Theo một nghiên cứu gần đây, cảm biến glucose dựa trên nanocomposite carbon có thể phát hiện nồng độ glucose trong máu với độ chính xác cao, giúp người dùng có thể theo dõi sức khỏe của mình một cách hiệu quả.

2.1. Cảm biến sinh học và cảm biến hóa học

Cảm biến sinh học và cảm biến hóa học là hai loại cảm biến chính được phát triển từ nanocomposite carbon. Cảm biến sinh học thường sử dụng các enzym để phát hiện glucose, trong khi cảm biến hóa học có thể sử dụng các phản ứng hóa học để đo lường nồng độ glucose. Việc sử dụng nanocomposite carbon trong cả hai loại cảm biến này giúp tăng cường khả năng phát hiện và giảm thiểu thời gian phản ứng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng y tế, nơi mà thời gian và độ chính xác là rất cần thiết.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo nanocomposite carbon cho cảm biến glucose mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực y tế và công nghệ sinh học. Việc phát triển các cảm biến sinh học sử dụng nanocomposite carbon không chỉ giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác mà còn tạo ra những sản phẩm có thể sử dụng rộng rãi trong việc theo dõi sức khỏe. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và cải thiện tính năng của các cảm biến này. Điều này sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển các thiết bị y tế thông minh, phục vụ cho nhu cầu chăm sóc sức khỏe ngày càng cao của cộng đồng.

3.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các loại nanocomposite carbon mới với tính năng vượt trội hơn. Các nghiên cứu cũng cần xem xét đến việc ứng dụng các công nghệ nano tiên tiến để cải thiện hiệu suất của cảm biến glucose. Việc kết hợp giữa công nghệ nano và vật liệu carbon có thể tạo ra những sản phẩm cảm biến sinh học có khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực y tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh bệnh tiểu đường ngày càng gia tăng, việc phát triển các cảm biến glucose có độ nhạy cao, nhanh chóng và chi phí thấp trở thành nhu cầu cấp thiết trong y học hiện đại. Theo báo cáo của ngành y tế, tỷ lệ người mắc tiểu đường tại Việt Nam đang tăng nhanh, đòi hỏi các phương pháp xét nghiệm glucose tiện lợi và chính xác để hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi bệnh. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose, nhằm nâng cao độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến, đồng thời giảm chi phí sản xuất và thời gian xét nghiệm.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là tổng hợp các vật liệu nano trên cơ sở carbon như AgNPs/GQDs, Fe3O4 bọc carbon (FeC), và FeOOH/chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ (FN-GQDs), ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose bằng phương pháp so màu. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023 tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách khoa Hà Nội, với phạm vi áp dụng trong xét nghiệm glucose trong dung dịch và mẫu máu thực.

Ý nghĩa của luận văn thể hiện qua việc phát triển các vật liệu cảm biến có khả năng xúc tác tương tự enzym horseradish peroxidase (HRP), giúp tăng độ nhạy, giảm giới hạn phát hiện (LOD) và kéo dài thời gian sử dụng cảm biến. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng xét nghiệm glucose, hỗ trợ chăm sóc sức khỏe cộng đồng, đặc biệt trong điều kiện hạn chế về trang thiết bị y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cảm biến sinh học (biosensor): Theo định nghĩa của IUPAC, cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp bộ phận nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu (transducer), có khả năng cung cấp thông tin định lượng hoặc bán định lượng về chất phân tích. Trong nghiên cứu này, enzym glucose oxidase (GOx) được sử dụng làm đầu dò sinh học để nhận biết glucose, kết hợp với vật liệu nanocomposite carbon có hoạt tính xúc tác tương tự enzym peroxidase để chuyển đổi tín hiệu quang học.

• Hoạt tính xúc tác enzym nhân tạo (nanozyme): Các hạt nano oxit sắt Fe3O4 và các vật liệu nano bạc AgNPs được nghiên cứu có khả năng xúc tác phản ứng oxy hóa khử tương tự enzym HRP, giúp phân hủy hydrogen peroxide (H2O2) sinh ra từ phản ứng enzym GOx với glucose, tạo ra tín hiệu màu đặc trưng.

• Phương pháp so màu: Dựa trên sự thay đổi cường độ màu của chất chỉ thị (như TMB hoặc 4-AAP/phenol) khi phản ứng với H2O2, tín hiệu quang học được đo bằng phổ UV-Vis tại bước sóng đặc trưng (425 nm) để xác định nồng độ glucose.

Các khái niệm chính bao gồm: enzym glucose oxidase (GOx), enzym horseradish peroxidase (HRP), nanozyme, nanocomposite carbon, cảm biến sinh học so màu, giới hạn phát hiện (LOD), và hoạt tính xúc tác peroxidase.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu hóa chất chuẩn, bao gồm acid citric, urea, AgNO3, muối sắt clorua, enzym GOx, TMB, cùng các hóa chất chuẩn khác. Mẫu thử gồm dung dịch glucose chuẩn và mẫu máu thực.

• Phương pháp tổng hợp vật liệu:

  • Tổng hợp GQDs bằng phương pháp bottom-up từ acid citric và urea qua quá trình thủy nhiệt ở 160°C trong 4 giờ.
  • Tổng hợp AgNPs/GQDs bằng cách khử ion Ag+ trong dung dịch GQDs ở 90°C trong 3 giờ.
  • Tổng hợp Fe3O4 bọc carbon (FeC) theo cấu trúc lõi/vỏ core-shell, với lõi Fe3O4 và vỏ carbon.
  • Tổng hợp FN-GQDs từ Fe3O4 và chitosan qua quá trình thủy nhiệt, tạo vật liệu có hoạt tính xúc tác tương tự HRP.

• Phương pháp chế tạo cảm biến:

  • Cảm biến H2O2 được tạo trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs, FeC và FN-GQDs, đo tín hiệu quang học tại 425 nm.
  • Cảm biến glucose được thiết kế bằng cách kết hợp enzym GOx với các vật liệu nano trên, dựa trên phản ứng tạo H2O2 từ glucose và oxy hóa TMB tạo màu.

• Phương pháp phân tích:

  • Đo phổ UV-Vis để xác định cường độ hấp thụ tại 425 nm.
  • Tính toán phần trăm thay đổi hấp thụ (ΔA/A0) làm tín hiệu cảm biến.
  • Xác định giới hạn phát hiện (LOD), hằng số Michaelis-Menten (Km) và độ đặc hiệu của cảm biến.
  • Sử dụng phần mềm ImageJ để phân tích ảnh màu của phản ứng so màu.

• Timeline nghiên cứu:

  • Tổng hợp vật liệu và tối ưu hóa điều kiện phản ứng: 6 tháng.
  • Chế tạo và hiệu chuẩn cảm biến: 4 tháng.
  • Thử nghiệm trên mẫu thực và phân tích dữ liệu: 4 tháng.
  • Viết báo cáo và hoàn thiện luận văn: 2 tháng.

• Cỡ mẫu: Mỗi loại vật liệu được thử nghiệm với ít nhất 5 nồng độ glucose khác nhau trong khoảng 0,5 mM đến 8 mM, cùng với các mẫu máu thực để đánh giá tính ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Vật liệu AgNPs/GQDs:

   • Đạt giới hạn phát hiện H2O2 là khoảng 0,5 µM, với tín hiệu hấp thụ tại 425 nm tăng tuyến tính theo nồng độ H2O2 từ 0,5 µM đến 100 µM.
   • Cảm biến glucose trên cơ sở AgNPs/GQDs có giới hạn phát hiện khoảng 0,5 mM, tuyến tính trong khoảng 0,5-8 mM glucose.
   • Độ lặp lại của cảm biến đạt dưới 5% sai số, độ đặc hiệu cao khi thử với các chất gây nhiễu như ascorbic acid, fructose, galactose.

2. Vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC):

   • Hoạt tính xúc tác peroxidase tương tự enzym HRP, với hằng số Michaelis-Menten Km đối với TMB là khoảng 0,35 mM, cho thấy khả năng xúc tác hiệu quả.
   • Giới hạn phát hiện H2O2 đạt khoảng 0,3 µM, thấp hơn so với AgNPs/GQDs, cho thấy độ nhạy cao hơn.
   • Cảm biến glucose trên FeC có độ tuyến tính từ 0,3 mM đến 7 mM, phù hợp với nồng độ glucose trong máu người bình thường và bệnh nhân tiểu đường.

3. Vật liệu FN-GQDs:

   • Có hoạt tính xúc tác peroxidase cao, tối ưu ở pH 4-5 và nhiệt độ 40°C.
   • Giới hạn phát hiện H2O2 thấp nhất trong ba vật liệu, khoảng 0,1 µM.
   • Cảm biến glucose kết hợp GOx/FN-GQDs cho tín hiệu so màu rõ ràng, độ nhạy cao, tuyến tính trong khoảng 0,2-6 mM glucose.
   • Thử nghiệm trên mẫu máu thực cho kết quả tương đồng với phương pháp chuẩn tại trung tâm y tế, sai số dưới 7%.

4. So sánh và đánh giá:

   • FN-GQDs thể hiện hiệu suất xúc tác và độ nhạy cao nhất, tiếp theo là FeC và AgNPs/GQDs.
   • Các vật liệu nanocomposite carbon giúp tăng độ bền và khả năng tái sử dụng cảm biến so với enzym thuần túy.
   • Phân tích dữ liệu qua biểu đồ phổ UV-Vis và bảng so sánh Km, LOD minh họa rõ ràng sự vượt trội của vật liệu FN-GQDs.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt hiệu suất giữa các vật liệu là do cấu trúc nano và khả năng xúc tác peroxidase nhân tạo. FN-GQDs với cấu trúc chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ có diện tích bề mặt lớn và nhiều nhóm chức năng hoạt động, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa H2O2. FeC với cấu trúc lõi Fe3O4 và vỏ carbon giúp bảo vệ lõi kim loại, tăng tính ổn định và khả năng thu hồi bằng từ trường, phù hợp cho ứng dụng thực tế. AgNPs/GQDs tuy có hoạt tính xúc tác tốt nhưng giới hạn phát hiện cao hơn do kích thước hạt và sự phân tán vật liệu chưa tối ưu.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tiềm năng của vật liệu nanocomposite carbon trong việc thay thế enzym truyền thống, giảm chi phí và tăng độ bền cảm biến. Việc ứng dụng cảm biến so màu giúp đơn giản hóa quy trình xét nghiệm, phù hợp với các phòng khám và xét nghiệm tại nhà.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp vật liệu FN-GQDs quy mô lớn:

   • Mục tiêu tăng sản lượng và đồng nhất kích thước hạt, đảm bảo tính ổn định xúc tác.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu, hợp tác với doanh nghiệp sản xuất hóa chất.

2. Thiết kế bộ kit cảm biến glucose so màu dựa trên FN-GQDs:

   • Tập trung vào tính tiện lợi, dễ sử dụng, chi phí thấp cho người dùng cuối.
   • Thời gian thực hiện: 6-9 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và phát triển sản phẩm y tế.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cảm biến cho các chỉ số sinh hóa khác:

   • Ví dụ: cholesterol, axit uric, dựa trên nguyên lý tương tự.
   • Thời gian thực hiện: 18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu đa ngành về hóa sinh và vật liệu.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở y tế và doanh nghiệp:

   • Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật chế tạo và sử dụng cảm biến.
   • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Đại học Bách khoa Hà Nội phối hợp với Sở Y tế và các doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu:

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp vật liệu nano composite carbon và ứng dụng trong cảm biến sinh học.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc cải tiến vật liệu cảm biến.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và hóa chất:

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ tổng hợp vật liệu nano để sản xuất cảm biến glucose chi phí thấp, hiệu quả cao.
   • Use case: Thiết kế và thương mại hóa bộ kit xét nghiệm glucose.

3. Bác sĩ, kỹ thuật viên y tế và phòng xét nghiệm:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ cảm biến glucose mới, cải thiện quy trình xét nghiệm nhanh, chính xác.
   • Use case: Ứng dụng cảm biến trong chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân tiểu đường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách y tế:

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng công nghệ mới trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng, hỗ trợ quyết định đầu tư.
   • Use case: Xây dựng chương trình xét nghiệm glucose tại cộng đồng với chi phí hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến glucose sử dụng vật liệu nanocomposite carbon có ưu điểm gì so với enzym truyền thống?
   Vật liệu nanocomposite carbon có độ bền cao hơn, khả năng xúc tác ổn định trong nhiều điều kiện môi trường, giảm chi phí sản xuất và kéo dài thời gian sử dụng cảm biến so với enzym tự nhiên dễ bị phân hủy.

2. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến glucose trong nghiên cứu này là bao nhiêu?
   Cảm biến sử dụng FN-GQDs đạt LOD khoảng 0,1 µM đối với H2O2 và khoảng 0,2 mM đối với glucose, phù hợp với nhu cầu xét nghiệm lâm sàng.

3. Phương pháp so màu được áp dụng như thế nào trong cảm biến glucose?
   Phương pháp so màu dựa trên sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị TMB khi phản ứng với H2O2 sinh ra từ phản ứng enzym GOx với glucose, tín hiệu màu được đo bằng phổ UV-Vis hoặc phân tích ảnh để xác định nồng độ glucose.

4. Các vật liệu AgNPs/GQDs, FeC và FN-GQDs có thể tái sử dụng cảm biến không?
   Các vật liệu này có tính ổn định cao, đặc biệt FeC có thể thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu suất xúc tác đáng kể.

5. Cảm biến này có thể ứng dụng trong xét nghiệm mẫu máu thực không?
   Có, nghiên cứu đã thử nghiệm trên mẫu máu thực và cho kết quả tương đồng với phương pháp chuẩn, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn trong y tế.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công các vật liệu nanocomposite carbon AgNPs/GQDs, Fe3O4 bọc carbon (FeC) và FN-GQDs có hoạt tính xúc tác peroxidase nhân tạo.
• Cảm biến glucose dựa trên các vật liệu này cho độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và độ đặc hiệu tốt trong khoảng nồng độ glucose sinh lý.
• FN-GQDs thể hiện hiệu suất xúc tác và độ nhạy vượt trội, phù hợp cho ứng dụng xét nghiệm glucose nhanh, tiện lợi.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến sinh học chi phí thấp, dễ sử dụng, có thể áp dụng rộng rãi trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu, thiết kế bộ kit cảm biến hoàn chỉnh và thử nghiệm lâm sàng sâu rộng hơn.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực y sinh học được khuyến khích hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ cảm biến glucose dựa trên vật liệu nanocomposite carbon để nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe tại Việt Nam và khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NÞI ------------------------- Nguyßn Đąc Ngh*a NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O VÂT LIàU TRÊN C¡ Sä NANOCOMPOSITE CARBON ĄNG DĀNG TRONG CÀM BI¾N GLUCOSE LUÂN ÁN TI¾N S) KỸ THUÂT HÓA HàC HÀ NÞI – 2023 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NÞI Nguyßn Đąc Ngh*a NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O VÂT LIàU TRÊN C¡ Sä NANOCOMPOSITE CARBON ĄNG DĀNG TRONG CÀM BI¾N GLUCOSE Ngành: Kā thuÃt hóa hác Mã số: 9520301 LUÂN ÁN TIÀN S) KĀ THUÂT HÓA HàC NG¯äI H¯âNG DÀN KHOA HàC: 1. TRÀN V)NH HOÀNG 2. HUþNH ĐNG CHÍNH HÀ NÞI – 2023 Lãi cam đoan Tôi xin cam đoan, luÃn án này do tôi thực hiện d°ãi sự h°ãng dÁn cÿa ng°åi h°ãng dÁn khoa hác PGS. TrÁn V*nh Hoàng và PGS.

Huÿnh Đng Chính. Các số liệu, kÁt quÁ trình bày trong luÃn án là trung thực và ch°a từng đ°ÿc tác giÁ khác công bố. Hà Nái, ngày 06 tháng 10 nm 2023 Nghiên cāu sinh Nguyßn Đąc Ngh*a NG¯âI H¯àNG DÀN KHOA HàC 1. TrÁn V*nh Hoàng 2.

Huÿnh Đng Chính i Lãi cÁm ¢n LuÃn án này đ°ÿc thực hiện ç phòng thí nghiệm Bá môn Hóa Vô c¡ và Đ¿i c°¡ng, Viện Kā thuÃt Hóa hác (nay là Tr°ång Hoá và khoa hác sự sống), Đ¿i hác Bách khoa Hà Nái. Vãi lòng biÁt ¡n sâu sắc, tôi xin đ°ÿc gửi låi cÁm ¡n chân thành tãi PGS.TS TrÁn V*nh Hoàng và PGS.TS Huÿnh Đng Chính, những ng°åi thÁy đã tÃn tình h°ãng dÁn tôi hoàn thành luÃn án này. Tôi xin chân thành cÁm ¡n các thÁy cô ç Bá môn Hóa Vô c¡ và Đ¿i c°¡ng; Viện Kā thuÃt Hóa hác (Tr°ång Hoá và khoa hác sự sống), Đ¿i hác Bách khoa Hà Nái đã nhiệt tình giúp đỡ và t¿o mái điều kiện cho tôi làm thực nghiệm để thực hiện các nái dung nghiên cāu cÿa luÃn án. Trong quá trình nghiên cāu, tôi đã nhÃn đ°ÿc sự đáng viên, giúp đỡ, t¿o điều kiện cÿa lãnh đ¿o, đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đãi Việt – Nga n¡i tôi đang công tác, các sinh viên nghiên cāu khoa hác, hác viên cao hác và các thÁy cô trong nhóm nghiên cāu Advanced Materials and Biosensors (AMB).

Tôi xin trân tráng cÁm ¡n sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi cũng xin đ°ÿc gửi låi cÁm ¡n tãi gia đình, b¿n bè và ng°åi thân đã luôn sát cánh bên tôi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hác tÃp và thực hiện luÃn án. Hà Nái, ngày 06 tháng 10 nm 2023 Nghiên cāu sinh Nguyßn Đąc Ngh*a ii Māc lāc Lãi cam đoan &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.iii DANH MĀC VI¾T TÀT. vii DANH MĀC BÀNG.

viii DANH MĀC HÌNH. ix CH¯¡NG 1: Tổng quan .1 Đßnh ngh*a và c¿u t¿o cÁm biÁn sinh hác .3 Các thành phÁn cÿa cÁm biÁn sinh hác.2 Bá phÃn chuyển đổi (transducer) .4 CÁm biÁn so màu .5 Mát số āng dāng cÿa cÁm biÁn sinh hác. Āng dāng trong kiểm nghiệm an toàn thực ph¿m và kiểm soát môi tr°ång. Āng dāng trong y sinh hác và ch¿n đoán lâm sàng.

Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đÁm bÁo an ninh -quốc phòng .1 C¿u trúc phân tử và đặc tính xúc tác °u việt cÿa enzym .2 Đặc điểm xúc tác cÿa enzym .3 Tính đặc hiệu cÿa enzym .4 Đ¡n vß đo ho¿t đá chÁ ph¿m enzym .3 CÁm biÁn sinh hác xác đßnh nồng đá glucose .1 Các ph°¡ng pháp xét nghiệm nồng đá glucose. Ph°¡ng pháp so màu trên c¡ sç sử dāng enzym đặc chÿng .2 Xét nghiệm bằng máy đo sử dāng cÁm biÁn sinh hác điện hóa sử dāng các enzym đặc chÿng .2 Các xu h°ãng phát triển cÁm biÁn glucose.1 Tổng hÿp và āng dāng các vÃt liệu thay thÁ enzym glucose oxidase (GOx) trong chÁ t¿o cÁm biÁn .2 Tổng hÿp và sử dāng các vÃt liệu có ho¿t tính xúc tác thay thÁ enzym peroxidase (POD).4 Các vÃt liệu nano tiên tiÁn trên nền carbon đ°ÿc nghiên cāu trong luÃn án .2 H¿t nano Fe3O4 bác carbon (c¿u trúc lõi/vỏ) (core-shell) .1 VÃt liệu nano Fe3O4 .2 H¿t nano Fe3O4 bác carbon (c¿u trúc lõi/vỏ - core-shell) .3 VÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ .1 Sắt oxy – hydroxit (FeOOH) .2 Ch¿m cacbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ (N-GQDs). 30 CH¯¡NG 2: Thực nghißm .1 Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t, dāng cā và thiÁt bß .1 Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t .2 Dāng cā và thiÁt bß .2 Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/GQDs và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác .1 Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/GQDs .1 Tổng hÿp carbon dots bằng ph°¡ng pháp từ d°ãi lên (bottom-up) .2 ChÁ t¿o vÃt liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/GQDs) .2 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs .3 ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs .4 Āng dāng cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs cho mÁu thực .5 ChÁ t¿o hệ thống xét nghiệm hàng lo¿t, āng dāng để phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs sử dāng phÁn mền ImageJ .3 Tổng hÿp vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (FeC) và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác. Tổng hÿp vÃt liệu FeC.

CÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu FeC .1 CÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FeC .2 ChÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trên c¡ sç vÃt liệu FeC .3 Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch và mÁu thực .4 Tổng hÿp vÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡. 41 (FN-GQDs) āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác.1 Tổng hÿp vÃt liệu FN-GQDs .2 CÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs .1 CÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs .2 ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs.5 KhÁo sát ho¿t tính cÿa các nanozyme (FeC, FN-GQDs) .6 Các ph°¡ng pháp xử lý số liệu .3 Giãi h¿n phát hiện (LOD). 45 CH¯¡NG 3: K¿t quÁ và thÁo lu¿n .1 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose .1 Tổng hÿp và đặc tr°ng vÃt liệu AgNPs/GQDs .2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs .1 KhÁo sát ho¿t tính t°¡ng tự enzym hydrogen peroxide cÿa vÃt liệu AgNPs/GQDs .2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2.3 Āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose bằng ph°¡ng pháp so màu .1 CÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs .2 Āng dāng vÃt liệu AgNPs/GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu n°ãc tiểu .4 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/GQDs sử dāng phÁn mền ImageJ .1 Tính toán đá tin cÃy cÿa bá cÁm biÁn .2 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (FeC) trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose. Tổng hÿp, đặc tr°ng vÃt liệu FeC .2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FeC .1 KhÁo sát ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym hydrogen peroxidase cÿa vÃt liệu FeC .2 KhÁo sát đáng hác ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym peroxidase cÿa vÃt liệu FeC .3 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2.3 Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose .1 CÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trên c¡ sç vÃt liệu FeC .1 Āng dāng vÃt liệu FeC trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch và mÁu thực .3 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose .1 Tổng hÿp, đặc tr°ng cÿa vÃt liệu FN-GQDs .2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs .1 Ho¿t tính xúc tác cÿa FN-GQDs và tối °u hóa điều kiện phÁn āng.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs .3 Āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose .1 CÁm biÁn sinh hác xác đßnh glucose trong dung dßch trên c¡ sç vÃt liệu FN-GQDs .2 Āng dāng vÃt liệu FN-GQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trong n°ãc tiểu .97 TÀI LIÞU THAM KHÀO.

100 vi DANH MĀC VI¾T TÀT Ký hiáu Vi¿t đầy dă bằng ti¿ng Anh Dßch ra ti¿ng Viát DNA Deoxyribonucleic Acid ADN RNA Ribonucleic Acid RNA Enzym - Linked Immunosorbent ELISA Xét nghiệm miễn dßch ELISA Assay LOD Limit of Detection Giãi h¿n phát hiện ODNs Oligo Deoxyribonucleotides Chußi deoxyribonucleotides tổng hÿp GOx Enzym Glucose Oxidase Enzym oxi hoá glucose ChOx Enzym Cholesterol Oxidase Enzym oxi hoá cholesterol Enzym Horseradish Peroxidase (mát lo¿i HRP Enzym Horseradish Peroxidase enzym phân huÿ hydroperoxit -H2O2) Human Immunodeficiency Virus HIV Virus gây suy giÁm miễn dßch ç ng°åi infection SI International Standard Tiêu chu¿n quốc tÁ International Union of Pure and IUPAC Hiệp hái quốc tÁ về hóa hác āng dāng Applied Chemistry POD Enzym Peroxidase Enzym phân huÿ hydroperoxit (H2O2) TMB 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 4-AAP 4 – Aminophenzon 4 – Aminophenzon H¿t nano carbon có kích th°ãc nhỏ h¡n GQDs Graphen quantum dots 10 nm. N-GQDs N-GQDs Graphen quantum dots pha t¿p nit¡ XRD X-ray Diffraction Quang phổ nhiễu x¿ tia x TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Fourier Transform Infrared FT-IR Phổ hồng ngo¿i Spectroscopy PL Photoluminescence Quang phổ phát quang H¿t nano oxit sắt có ho¿t tính nh° IONzyme Iron oxide nanozyme enzym AgNPs Silver nanoparticles H¿t nano b¿c AgNPs/G Silver nanoparticles Graphen H¿t nano b¿c lai t¿o Graphen quantum QDs quantum dots dots FeC FeC Fe3O4 bác carbon FN- VÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử FN-GQDs GQDs pha t¿p nit¡ vii DANH MĀC BÀNG BÁng 2.1 Thành phÁn chÁ t¿o mÁu .1 So sánh các cÁm biÁn glucose trên c¡ sç ph°¡ng pháp so màu .2 Giá trß đo c°ång đá h¿p thā trung bình giữa các lÁn đo.4 BÁng kÁt quÁ đo cÿa mÁu trắng trong khay Elisa .6 Sai số phép đo phân tích H2O2 có nồng đá 200 mM .7 BÁng so sánh đá tin cÃy khi phân tích xác đßnh H2O2 ç các nồng đá khác nhau .8 Điều kiện tối °u cÿa phÁn āng .9 Các thông số Km đối vãi TMB và H2O2 cÿa các mÁu xúc tác FeC và mát số xúc tác đã công bố .10 Sai số cÿa phép đo .11 KÁt quÁ tính l°ÿng glucose trong mÁu thực theo mÁu chu¿n.12 So sánh kÁt quÁ phân tích glucose trong mÁu huyÁt thanh giữa cÁm biÁn FeC13 và trung tâm y tÁ.13 Điều kiện tối °u cÿa phÁn āng .14 Giãi h¿n tìm kiÁm H2O2 nhỏ nh¿t cÿa mát số báo cáo tr°ãc đây .15 So sánh hằng số đáng hác Km cÿa FN-GQDs vãi các xúc tác khác .16 So sánh LOD cÿa mát số cÁm biÁn glucose đã công bố tr°ãc đây. 95 viii DANH MĀC HÌNH Hình 1.1 Nguyên lý c¿u t¿o cÿa cÁm biÁn sinh hác[1] .