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.