Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ cảm biến sinh học, việc phát hiện nhanh và chính xác các chỉ dấu sinh học như hydrogen peroxide (H2O2) và cholesterol đóng vai trò quan trọng trong y tế, thực phẩm và môi trường. Theo ước tính, các cảm biến sinh học so màu đang được ứng dụng rộng rãi nhờ tính tiện dụng, chi phí thấp và khả năng quan sát trực tiếp bằng mắt thường. Tuy nhiên, các cảm biến truyền thống sử dụng enzyme như horseradish peroxidase (HRP) gặp hạn chế về độ bền và điều kiện hoạt động nghiêm ngặt. Do đó, việc phát triển vật liệu nano thay thế enzyme truyền thống là hướng đi mới đầy tiềm năng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen (AgNPs/GQDs) bằng phương pháp "xanh", trong đó GQDs vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định cho hạt nano bạc. Mục tiêu chính là ứng dụng vật liệu này để chế tạo cảm biến sinh học phát hiện H2O2 và cholesterol theo phương pháp so màu, nhằm nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc và tính ổn định của cảm biến. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn 2018-2019, với phạm vi tập trung vào tổng hợp vật liệu và ứng dụng trong cảm biến quang học.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp thay thế enzyme truyền thống, giảm chi phí sản xuất cảm biến, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong xét nghiệm y tế và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Các chỉ số đánh giá như giới hạn phát hiện (LOD), độ nhạy và độ chọn lọc được cải thiện rõ rệt, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các bộ kit xét nghiệm tại nhà và trong bệnh viện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cảm biến sinh học và vật liệu nano xúc tác enzyme thay thế. Cảm biến sinh học được định nghĩa theo IUPAC là thiết bị tích hợp phần tử nhận biết sinh học (enzyme, kháng thể, DNA) với bộ phận chuyển đổi tín hiệu (quang học, điện hóa). Trong đó, enzyme cholesterol oxidase (ChOx) xúc tác oxy hóa cholesterol tạo H2O2, là cơ sở cho cảm biến cholesterol.

Vật liệu nano bạc (AgNPs) có đặc tính quang học plasmon bề mặt, khả năng dẫn điện và hoạt tính xúc tác tương tự enzyme horseradish peroxidase (HRP), giúp phân hủy H2O2 hiệu quả. Chấm lượng tử graphen (GQDs) là hạt nano carbon kích thước dưới 10 nm, có khả năng phát huỳnh quang, phân tán tốt và thân thiện môi trường. GQDs vừa làm chất khử ion Ag+ thành AgNPs, vừa ổn định hạt nano bạc, tạo thành vật liệu lai AgNPs/GQDs có tính chất xúc tác cao.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: (1) cảm biến so màu dựa trên sự thay đổi màu sắc do phản ứng enzyme hoặc vật liệu xúc tác; (2) hoạt tính xúc tác enzyme-mimic của vật liệu nano bạc; (3) cơ chế phát huỳnh quang và ổn định hạt của GQDs.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp vật liệu và chế tạo cảm biến tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp gồm dung dịch GQDs và AgNO3 với các nồng độ chuẩn, được xử lý theo quy trình thủy nhiệt và phản ứng hóa học trong điều kiện pH, nhiệt độ và thời gian tối ưu.

Phương pháp phân tích vật liệu bao gồm: phổ UV-Vis để xác định đặc trưng hấp thụ của AgNPs và GQDs; kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt; phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố; phổ hồng ngoại (FT-IR) để xác định nhóm chức trên bề mặt vật liệu.

Phương pháp phân tích cảm biến dựa trên đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 417 nm, tính toán phần trăm chênh lệch độ hấp thụ (ΔA/A) làm tín hiệu phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng như pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng và độ chọn lọc được khảo sát chi tiết. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ tổng hợp vật liệu đến thử nghiệm cảm biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu AgNPs/GQDs: Dung dịch AgNPs/GQDs có màu vàng đặc trưng, phổ UV-Vis xuất hiện pic hấp thụ tại 419 nm của hạt nano bạc, chứng tỏ sự hình thành AgNPs kích thước dưới 50 nm. Ảnh TEM cho thấy hạt AgNPs bám đều trên bề mặt GQDs với kích thước trung bình 30-40 nm, không kết tụ nhờ vai trò ổn định của GQDs.

  2. Đặc trưng cấu trúc và thành phần: Phổ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể bạc đơn pha với các pic đặc trưng tại 2θ = 37,5°, 43,1° và 64,8°. Phổ EDX cho thấy thành phần chính gồm Ag, C, O và N, phù hợp với vật liệu lai AgNPs/GQDs. Phổ FT-IR xác định các nhóm chức như –NH2, –COOH trên bề mặt GQDs, góp phần ổn định hạt nano bạc.

  3. Hiệu suất xúc tác phân hủy H2O2: Cảm biến AgNPs/GQDs phát hiện H2O2 trong dải nồng độ từ 0 đến 100 μM với độ nhạy cao, tín hiệu ΔA/A tăng tuyến tính theo nồng độ H2O2. Giới hạn phát hiện (LOD) đạt khoảng 0,02 mM, vượt trội so với nhiều cảm biến enzyme truyền thống. Độ chọn lọc cao khi thử với các chất interferent như glucose, axit ascorbic và saccarose không gây ảnh hưởng đáng kể.

  4. Ứng dụng trong cảm biến cholesterol: Cảm biến kết hợp AgNPs/GQDs với enzyme ChOx phát hiện cholesterol trong dải 0,1 – 2 mM, với tín hiệu quang thay đổi rõ rệt theo nồng độ. Đường chuẩn có hệ số tương quan R > 0,999, LOD khoảng 0,06 mM. Ảnh TEM sau phản ứng cho thấy cấu trúc vật liệu không bị phá hủy, đảm bảo tính ổn định cảm biến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của vật liệu AgNPs/GQDs là do GQDs vừa làm chất khử ion Ag+ vừa ổn định hạt nano bạc, ngăn ngừa kết tụ và duy trì kích thước hạt nhỏ, tăng diện tích bề mặt xúc tác. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng enzyme HRP, vật liệu này có ưu điểm bền hơn, chi phí thấp và điều kiện hoạt động linh hoạt hơn.

Kết quả phân tích phổ UV-Vis, XRD và TEM đồng nhất khẳng định cấu trúc và tính chất vật liệu. Đường chuẩn cảm biến tuyến tính và LOD thấp cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao trong xét nghiệm y tế và kiểm soát chất lượng thực phẩm. So sánh với các cảm biến điện hóa, cảm biến so màu AgNPs/GQDs đơn giản hơn về thiết bị, dễ sử dụng và phù hợp với xét nghiệm tại nhà.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường chuẩn ΔA/A theo nồng độ H2O2 và cholesterol, bảng so sánh LOD và độ chọn lọc với các cảm biến khác, cũng như ảnh TEM minh họa cấu trúc vật liệu trước và sau phản ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển bộ kit xét nghiệm H2O2 và cholesterol dựa trên AgNPs/GQDs: Tập trung hoàn thiện quy trình sản xuất dung dịch cảm biến ổn định, đóng gói thành bộ kit dùng tại nhà, nhằm nâng cao độ nhạy và độ bền sản phẩm trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  2. Mở rộng ứng dụng cảm biến trong kiểm tra an toàn thực phẩm: Áp dụng cảm biến so màu để phát hiện các chỉ dấu sinh học và hóa học khác trong thực phẩm, môi trường, giúp kiểm soát chất lượng nhanh chóng và chi phí thấp. Thời gian triển khai dự kiến 18 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý.

  3. Nghiên cứu cải tiến vật liệu nano lai: Tăng cường pha tạp, biến tính GQDs để nâng cao hoạt tính xúc tác và khả năng chọn lọc, giảm thiểu ảnh hưởng của các chất gây nhiễu. Thời gian nghiên cứu 24 tháng, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu thực hiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế và công nghiệp. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, do viện nghiên cứu phối hợp với trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu nano: Luận văn cung cấp kiến thức tổng hợp về tổng hợp vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen, phương pháp phân tích và ứng dụng cảm biến sinh học, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển đề tài mới.

  2. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và y tế: Thông tin về quy trình tổng hợp vật liệu và chế tạo cảm biến so màu giúp phát triển sản phẩm bộ kit xét nghiệm nhanh, chi phí thấp, phù hợp với nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng thực phẩm và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để áp dụng các cảm biến sinh học trong kiểm tra nhanh các chỉ tiêu an toàn, nâng cao hiệu quả giám sát và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  4. Chuyên gia phát triển công nghệ cảm biến: Luận văn trình bày chi tiết về vật liệu xúc tác enzyme-mimic, phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu, hỗ trợ phát triển các thế hệ cảm biến mới với độ nhạy và độ chọn lọc cao hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu AgNPs/GQDs có ưu điểm gì so với enzyme truyền thống?
    AgNPs/GQDs có độ bền cao hơn, chi phí thấp, điều kiện hoạt động linh hoạt và khả năng xúc tác phân hủy H2O2 hiệu quả, khắc phục hạn chế về thời gian bảo quản và điều kiện môi trường của enzyme HRP.

  2. Phương pháp tổng hợp AgNPs/GQDs có thân thiện môi trường không?
    Phương pháp sử dụng GQDs làm chất khử và chất ổn định, không dùng hóa chất độc hại, nhiệt độ và áp suất vừa phải, nên được xem là phương pháp "xanh" và an toàn cho môi trường.

  3. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến cholesterol là bao nhiêu?
    Cảm biến AgNPs/GQDs kết hợp enzyme ChOx có LOD khoảng 0,06 mM, phù hợp với nhu cầu xét nghiệm y tế và kiểm soát cholesterol trong máu.

  4. Cảm biến so màu có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Ngoài y tế, cảm biến so màu còn được ứng dụng trong kiểm tra an toàn thực phẩm, giám sát môi trường, phát hiện độc tố và các chỉ dấu sinh học khác nhờ tính tiện dụng và chi phí thấp.

  5. Làm thế nào để đảm bảo độ chọn lọc của cảm biến khi có nhiều chất gây nhiễu?
    Sử dụng enzyme đặc hiệu như ChOx làm đầu thu sinh học kết hợp với vật liệu nano xúc tác giúp tăng độ chọn lọc. Thí nghiệm kiểm tra với các chất interferent như glucose, axit ascorbic cho thấy ảnh hưởng rất nhỏ đến tín hiệu cảm biến.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen (AgNPs/GQDs) bằng phương pháp thủy nhiệt "xanh", với kích thước hạt nano bạc trung bình 30-40 nm, ổn định và phân tán tốt.
  • Vật liệu AgNPs/GQDs có hoạt tính xúc tác cao, thay thế hiệu quả enzyme horseradish peroxidase trong phân hủy hydrogen peroxide, với giới hạn phát hiện khoảng 0,02 mM.
  • Cảm biến so màu dựa trên AgNPs/GQDs kết hợp enzyme cholesterol oxidase phát hiện cholesterol trong dải 0,1 – 2 mM, có độ nhạy và độ chọn lọc cao, phù hợp ứng dụng y tế và kiểm tra tại nhà.
  • Phương pháp phân tích vật liệu và cảm biến được thực hiện bài bản, sử dụng các kỹ thuật hiện đại như TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis và EDX, đảm bảo độ tin cậy kết quả.
  • Đề xuất phát triển bộ kit xét nghiệm, mở rộng ứng dụng trong thực phẩm và môi trường, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển vật liệu nano lai và cảm biến sinh học để nâng cao hiệu quả xét nghiệm nhanh, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.