Luận án nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa ứng dụng trong y sinh và môi trường

• Trường học: Đại học quốc gia Thanh Hoa
• Chuyên ngành: Cảm biến sinh học điện hóa
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa từ polyme dẫn biến tính cho y sinh và môi trường
• Loại tài liệu: Luận văn

• 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.2. Cảm biến trên cơ sở thế điện cực
• I.3. Cảm biến dòng điện
• I.4. Cảm biến độ dẫn
• I.5. Cảm biến hiệu ứng trường
• I.6. Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa
• II.1. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa
• II.1.1. Giới thiệu về Polyanilin
• II.1.2. Giới thiệu về polydiaminonaphthalen
• II.1.3. Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn
• II.2. Hạt nano Fe3O4
• II.3. Ống nano cácbon (CNTs)
• II.4. Vật liệu màng graphen
• III.1. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa
• III.1.1. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe
• III.1.2. Xác định nồng độ glucôzơ
• III.1.3. Xác định nồng độ cholesterol
• III.1.4. Xác định chuỗi DNA của virút HPV
• III.1.5. Ứng dụng trong quan trắc môi trường
• III.1.6. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm
• III.2. Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa
• III.3. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa
• IV.1. Kết luận
• II. Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
• I.1. Chế tạo các vi điện cực điện hóa
• I.1.1. Chế tạo các hệ vi điện cực điện hóa tích hợp
• I.1.2. Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp
• I.1.3. Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa
• I.1.4. Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar)
• I.1.5. Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS)
• II.1. Tổng hợp điện hóa các màng polyme dẫn
• II.1.1. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin
• II.1.2. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon
• II.1.3. Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4
• II.1.4. Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen
• II.2. Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN)
• II.2.1. Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt nano Fe3O4
• II.2.2. Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen
• III.1. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp
• III.1.1. Cố định các phần tử sinh học trên màng polyanilin biến tính
• III.1.2. Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính
• III.1.3. Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính
• III.1.4. Cố định kháng thể Atrazin
• III.1.5. Cố định phần tử sinh học enzym trên màng PDAN biến tính
• IV.1. Các phương pháp phân tích điện hóa
• IV.1.1. Phương pháp Vôn-Ampe tuần hoàn
• IV.1.2. Phương pháp đo dòng thời gian thực
• IV.1.3. Phương pháp xung sóng vuông
• IV.1.4. Phương pháp tổng trở điện hóa
• V.1. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng
• VI.1. Kết luận
• III. Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn
• I.1. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn - polyanilin
• I.1.1. Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon
• I.1.2. Pha tạp màng PANi bằng vật liệu hạt nano Fe3O4
• I.1.3. Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp PANi/Graphen
• I.1.4. Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANi- Fe3O4/Graphen
• II.1. Phát triển vi cảm biến cảm biến trên cơ sở màng P(1,5-DAN)
• II.1.1. Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4
• II.1.2. Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN
• III.1. Kết luận
• IV. Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích
• I.1. Ứng dụng trong phân tích y sinh
• I.1.1. Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch
• I.1.2. Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa PANi/MWCNTs
• I.1.3. Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4
• I.1.4. Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANi- Fe3O4/Graphen
• I.1.5. Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch
• I.1.6. Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs
• I.1.7. Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4
• I.1.8. Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi- Fe3O4/Graphen
• I.1.9. Xác định chuỗi ADN của virút HPV
• II.1. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm
• II.1.1. Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa
• II.1.2. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa
• II.1.3. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5- DAN)-Fe3O4
• II.1.4. Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến Graphen/P(1,5-DAN)
• III.1. Ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường
• III.1.1. Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin bằng vi cảm biến PANi/Fe3O4
• III.1.2. Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến PANi/Graphen
• IV.1. 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 quan trọng trong việc phát hiện và phân tích các chất sinh học. Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa cho thấy đây là một loại cảm biến sử dụng phản ứng điện hóa để phát hiện các chất phân tích. Phân loại cảm biến điện hóa có thể được chia thành nhiều loại như 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 ứng dụng riêng, từ việc phát hiện nồng độ glucose trong y tế đến việc giám sát ô nhiễm môi trường. Tính chất điện hóa của các cảm biến này rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chính xác của cảm biến.

1.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa được định nghĩa là thiết bị chuyển đổi tín hiệu hóa học thành tín hiệu điện. Chúng thường sử dụng các vật liệu như polyme dẫn biến tính để tăng cường khả năng phát hiện. Các cảm biến này có thể phát hiện các chất như glucose, cholesterol, và các chất độc hại trong môi trường. Việc sử dụng polyme dẫn biến tính trong chế tạo cảm biến giúp cải thiện tính nhạy và độ ổn định của cảm biến. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc pha tạp các vật liệu nano như hạt nano Fe3O4 và ống nano carbon có thể nâng cao hiệu suất của cảm biến sinh học điện hóa.

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. Polyanilin và polydiaminonaphthalen là hai loại polyme dẫn phổ biến được nghiên cứu. Polyanilin, với khả năng dẫn điện tốt và tính chất hóa học ổn định, thường được sử dụng trong các ứng dụng y sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp polyanilin với các vật liệu nano như ống nano carbon và hạt nano Fe3O4 có thể cải thiện đáng kể tính chất điện hóa của cảm biến. Các vật liệu này không chỉ tăng cường độ nhạy mà còn giúp cảm biến hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường khắc nghiệt.

2.1 Giới thiệu về Polyanilin

Polyanilin là một trong những polyme dẫn được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực cảm biến. Với cấu trúc hóa học đặc biệt, polyanilin có khả năng dẫn điện tốt và dễ dàng chế tạo. Việc sử dụng polyanilin trong cảm biến sinh học điện hóa giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác. Nghiên cứu cho thấy rằng polyanilin có thể được sử dụng để phát hiện nồng độ glucose và cholesterol trong mẫu sinh học. Hơn nữa, việc kết hợp polyanilin với các vật liệu nano như hạt nano Fe3O4 có thể tạo ra các cảm biến có hiệu suất cao hơn, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y sinh và môi trường.

III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế và môi trường. Trong y tế, cảm biến được sử dụng để xác định nồng độ glucose, cholesterol và các chất sinh học khác. Việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa cho phép theo dõi sức khỏe bệnh nhân một cách nhanh chóng và chính xác. Ngoài ra, cảm biến cũng được ứng dụng trong việc giám sát ô nhiễm môi trường, giúp phát hiện các chất độc hại như Aflatoxin trong thực phẩm. Các nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến sinh học điện hóa có thể cung cấp thông tin kịp thời và chính xác về tình trạng ô nhiễm, từ đó hỗ trợ các biện pháp bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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

Trong lĩnh vực y tế, cảm biến sinh học điện hóa được sử dụng để xác định nồng độ glucose và cholesterol trong máu. Việc phát triển các cảm biến sinh học điện hóa như PANi/MWCNTs cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác các chỉ số sức khỏe. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, từ đó giúp bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục. Hơn nữa, cảm biến cũng có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh truyền nhiễm thông qua việc xác định chuỗi DNA của virus HPV, mở ra hướng đi mới trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.