I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thanh Nano ZnO và Cảm Biến Sinh Học
Bệnh tiểu đường ngày nay là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và tàn tật trên thế giới. Theo số liệu ước tính của Tổ chức Thế giới về Bệnh tiểu đường (IDF), cứ 6 giây trên thế giới lại có 1 người mắc bệnh tiểu đường tử vong. Số bệnh nhân vẫn không ngừng tăng lên và dự kiến sẽ là hơn 629 triệu người vào năm 2045. Việc chẩn đoán và điều trị bệnh đái tháo đường đòi hỏi phải theo dõi định kỳ lượng đường trong máu. Do vậy mà việc kiểm tra lượng đường huyết một cách chính xác và với độ tin cậy cao vẫn tiếp tục là vấn đề được quan tâm trong nhiều nghiên cứu gần đây. Năm 1962, Clark và Lyons đã đưa ra khái niệm cảm biến sinh học đo nồng độ glucose lần đầu tiên và sau đó đã trở thành một bước tiến mới trong việc phát triển các thiết bị tin cậy nhằm kiểm soát bệnh tiểu đường. Hiện nay, các cảm biến sinh học đo nồng độ glucose càng ngày càng ưu việt và chiếm hơn 85% thị phần trong lĩnh vực y sinh học. Qua nhiều các nghiên cứu, cảm biến glucose sử dụng enzyme đã được cải tiến nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm.
1.1. Giới Thiệu Chung về Cảm Biến Sinh Học Glucose
Cảm biến sinh học glucose đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và kiểm soát bệnh tiểu đường. Các thiết bị này giúp đo lường nồng độ glucose trong máu một cách nhanh chóng và chính xác, hỗ trợ bệnh nhân điều chỉnh chế độ ăn uống và liều lượng insulin phù hợp. Sự phát triển của cảm biến sinh học đã mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý bệnh tiểu đường, cải thiện chất lượng cuộc sống của hàng triệu người trên toàn thế giới. Theo Clark, cảm biến sinh học là một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phần tử chuyển đổi tín hiệu.
1.2. Ưu Điểm và Hạn Chế của Cảm Biến Enzyme Glucose
Cảm biến glucose sử dụng enzyme có ưu điểm là độ nhạy cao và khả năng đo lường chính xác nồng độ glucose. Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế nhất định, bao gồm sự phụ thuộc vào điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, độ pH, làm giảm độ nhạy của cảm biến. Hơn nữa, trong một số điều kiện, cảm biến glucose sử dụng enzyme còn chịu ảnh hưởng của các chất khác như acid ascorbic (AA) và uric acid (UA) trong máu người. Thêm vào đó, việc sản xuất cảm biến sinh học đo glucose sử dụng enzyme cũng rất phức tạp. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các loại cảm biến mới, không sử dụng enzyme, là một hướng đi đầy tiềm năng.
II. Thách Thức và Giải Pháp Cảm Biến Huỳnh Quang ZnO Nanorods
Để khắc phục những nhược điểm của cảm biến sinh học (EGC), các nhà khoa học đã phát triển cảm biến sinh học đo glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc của các vật liệu nano như: CuO, MoS2, TiO2,… Trong luận văn này, tôi nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO. Lý do chúng tôi lựa chọn vật liệu nano ZnO vì ZnO có nhiều tính chất nổi bật như: là chất bán dẫn vùng cấm thẳng có độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV ở nhiệt độ phòng, có năng lượng liên kết exciton cỡ 60 meV, lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết exciton trong một số loại vật liệu bán dẫn khác, ổn định với môi trường. Đặc biệt ZnO cũng là một vật liệu an toàn với môi trường, không độc và có thể được sử dụng cho các ứng dụng khoa học y sinh học và môi trường.
2.1. Tại Sao Chọn ZnO Nanorods cho Cảm Biến Huỳnh Quang
ZnO nanorods sở hữu nhiều đặc tính ưu việt, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho cảm biến huỳnh quang. Với vùng cấm năng lượng rộng (3.37 eV), ZnO có khả năng phát huỳnh quang hiệu quả trong vùng tử ngoại, cho phép phát hiện các chất phân tích một cách nhạy bén. Bên cạnh đó, ZnO có tính tương thích sinh học cao, an toàn khi sử dụng trong các ứng dụng y sinh. Cấu trúc nanorod còn cung cấp diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng tương tác với các phân tử mục tiêu, nâng cao hiệu suất cảm biến.
2.2. Vấn Đề Độ Định Hướng của Thanh Nano ZnO trên Đế
Để tổng hợp thành công thanh nano ZnO sử dụng trong cảm biến đo nồng độ glucose, nhiều nghiên cứu trước đó đã sử dụng các loại đế đắt tiền như như GaN, Si, ITO, FTO và sapphire. Đồng thời, các loại đế có giá rẻ như đế đồng, đế kính… cũng được sử dụng với mục đích giảm giá thành. Tuy nhiên, do có sự sai khác lớn về hằng số mạng tinh thể giữa ZnO và Cu hay giữa ZnO và đế kính nên độ định hướng của thanh ZnO được tổng hợp trên các loại đế ấy thường không cao. Để tăng độ định hướng, người ta thường phủ một lớp Au hoặc tạo một lớp mầm ZnO trên các đế này. Việc phủ một lớp Au hoặc tạo một lớp mầm ZnO trên bề mặt đế sẽ khiến cho quy trình tổng hợp thanh nano ZnO trở nên phức tạp hơn, xuất hiện thêm các tạp chất. Đây chính là những trở ngại chính cho việc ứng dụng vật liệu nano ZnO trong cảm biến.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Thanh Nano ZnO trên Đế PCB
Ngoài ra, ZnO có điểm đẳng điện cao (IEP) khoảng 9.5 tạo thuận lợi cho sự hấp phụ các vật liệu IEP thấp hơn, chẳng hạn như protein và glucose. Để tổng hợp thành công thanh nano ZnO sử dụng trong cảm biến đo nồng độ glucose, nhiều nghiên cứu trước đó đã sử dụng các loại đế đắt tiền như như GaN, Si, ITO, FTO và sapphire. Đồng thời, các loại đế có giá rẻ như đế đồng, đế kính… cũng được sử dụng với mục đích giảm giá thành. Tuy nhiên, do có sự sai khác lớn về hằng số mạng tinh thể giữa ZnO và Cu hay giữa ZnO và đế kính nên độ định hướng của thanh ZnO được tổng hợp trên các loại đế ấy thường không cao. Để tăng độ định hướng, người ta thường phủ một lớp Au hoặc tạo một lớp mầm ZnO trên các đế này.
3.1. Ưu Điểm của Đế PCB trong Tổng Hợp Vật Liệu Nano
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng đế bảng mạch in (PCB) vì những ưu điểm như: giá thành thấp, tính dẫn điện tốt, có sẵn trên thị trường. Thanh nano ZnO đã được tổng hợp thành công trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt trong dung dịch pha bão hòa kết hợp với hiệu ứng pin Galvanic. Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO này đơn giản với một bước và không cần phủ một lớp Au hay mọi một lớp mầm ZnO. Cấu trúc và hình thái học của thanh nano ZnO được tổng hợp trên đế PCB cũng được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tia X, quang phổ Raman và phổ PL.
3.2. Quy Trình Tổng Hợp Thủy Nhiệt Kết Hợp Hiệu Ứng Pin Galvanic
Thanh nano ZnO đã được tổng hợp thành công trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt trong dung dịch pha bão hòa kết hợp với hiệu ứng pin Galvanic. Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO này đơn giản với một bước và không cần phủ một lớp Au hay mọi một lớp mầm ZnO. Cấu trúc và hình thái học của thanh nano ZnO được tổng hợp trên đế PCB cũng được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tia X, quang phổ Raman và phổ PL.
IV. Ứng Dụng Cảm Biến Huỳnh Quang ZnO Đo Glucose
Để khảo sát độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme, thanh nano ZnO đã được thử nghiệm với các chất khác có trong máu người như acid ascorbic (AA), uric acid (UA), bovine serum albumin (BSA), fructose, maltose, sucrose và mẫu huyết thanh trong máu người được cung cấp bởi bệnh viện địa phương. Các kết quả nghiên cứu của luận văn được viết thành 4 chương có bố cục như sau:
4.1. Khảo Sát Độ Nhạy của Cảm Biến với Glucose
Độ nhạy của cảm biến huỳnh quang ZnO nanorods đối với glucose được đánh giá bằng cách đo sự thay đổi cường độ huỳnh quang khi tiếp xúc với các nồng độ glucose khác nhau. Kết quả cho thấy cường độ huỳnh quang giảm khi nồng độ glucose tăng lên, cho thấy khả năng phát hiện glucose của cảm biến. Đường chuẩn được xây dựng để xác định mối quan hệ giữa cường độ huỳnh quang và nồng độ glucose, từ đó xác định độ nhạy của cảm biến.
4.2. Đánh Giá Độ Chọn Lọc của Cảm Biến với Các Chất Khác
Độ chọn lọc của cảm biến huỳnh quang ZnO nanorods được đánh giá bằng cách đo sự thay đổi cường độ huỳnh quang khi tiếp xúc với các chất khác có trong máu người như acid ascorbic (AA), uric acid (UA), bovine serum albumin (BSA), fructose, maltose, sucrose. Kết quả cho thấy cảm biến có độ chọn lọc cao đối với glucose, ít bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các chất khác.
4.3. Phát Hiện Glucose trong Mẫu Huyết Thanh Thực Tế
Để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế, cảm biến huỳnh quang ZnO nanorods được sử dụng để phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh máu người. Kết quả cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện glucose trong mẫu huyết thanh với độ chính xác cao, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiểu đường.
V. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Cảm Biến
Chương này là kết luận chung của toàn luận văn và hướng nghiên cứu tiếp theo. Luận văn đã trình bày thành công việc tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic. Cảm biến huỳnh quang ZnO nanorods cho thấy tiềm năng ứng dụng trong phát hiện glucose với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và cải thiện để nâng cao hiệu suất và tính ổn định của cảm biến.
5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Chính về Cảm Biến ZnO
Luận văn đã trình bày thành công việc tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic. Cảm biến huỳnh quang ZnO nanorods cho thấy tiềm năng ứng dụng trong phát hiện glucose với độ nhạy và độ chọn lọc cao.
5.2. Hướng Phát Triển và Cải Tiến Cảm Biến Huỳnh Quang Sinh Học
Để nâng cao hiệu suất và tính ổn định của cảm biến, các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp thanh nano ZnO, cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất cảm biến, và phát triển các phương pháp bảo vệ cảm biến khỏi sự suy giảm hiệu suất theo thời gian.
