MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cảm biến sinh học chuyển hóa tín hiệu sinh học thành các tín hiệu đọc đƣợc, đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghệ sinh học; chuyên để theo dõi, đánh giá các đối tƣợng sinh học [12,16]. Ƣu điểm của cảm biến sinh học là có tính chọn lọc đặc hiệu, vì vậy đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học, nhƣ công nghệ môi trƣờng [118] hay công nghệ thực phẩm [14,44]. Nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử, các tín hiệu điện có thể điều khiển đến mức đủ nhỏ để không phá hủy mẫu sinh học, nhƣng vẫn đảm bảo các tín hiệu đầu ra có thể đọc đƣợc [132].
Không chỉ vậy, tín hiệu điện thƣờng dễ xử lý hơn so với các tín hiệu vật lý khác nhƣ tín hiệu quang hay tín hiệu hóa. Vì thế, những cảm biến sinh học thế hệ đầu tiên là các cảm biến có tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện hóa ở dạng giản đồ thế quét vòng (CV) [44,117,118]. Cùng với CV, các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực của cảm biến điện hóa có thể đƣợc khảo sát thông qua phƣơng pháp đo tổng trở (total impedance) [57,85,128]. Trong các cảm biến sinh học điện hóa, vật liệu nano thƣờng đƣợc đƣa lên trên bề mặt điện cực để làm tăng diện tích tiếp xúc giữa đối tƣợng sinh học với điện cực, nhằm tăng cƣờng tín hiệu đọc đƣợc; dẫn đến tăng độ nhạy của cảm biến [15].
Cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose trong dung dịch thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá vai trò của vật liệu nano trong chế tạo điện cực. Nếu nhƣ trong những khảo sát ban đầu của D’Costa [23] và của Cass [11] - cảm biến chỉ sử dụng điện cực là các bon - độ nhạy của cảm biến lần lƣợt là 12 µAcm-2mM-1 và 5 µAcm- 2 mM-1, thì khi cho thêm các vật liệu nano lên bề mặt điện cực, độ nhạy của cảm biến tăng lên nhiều lần [1,2,70]. Đặc biệt, năm 2012, nhóm của Yang kết hợp đƣa vật liệu nano vàng (Au) lên nền điện cực phủ grapheme, giúp cho độ nhạy của cảm biến xác định glucose đạt 711 µAcm-2mM-1[15]. Cùng hƣớng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose trong dung dịch, nhiều vật liệu nano đã đƣợc các nhóm nghiên cứu trong nƣớc sử dụng.
Nhóm nghiên cứu của TS. Tống Duy Hiển thuộc Đại học Quốc gia TP HCM 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com sử dụng vật liệu dây Pt xốp đã đƣa đƣợc giới hạn khảo sát xuống 125 µM [60,101]. Nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Ngọc Long thuộc Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội sử dụng tín hiệu điện hóa của các dây 4 chân (tetrapod) ZnO làm tín hiệu chỉ thị để xác định nồng độ glucose trong dung dịch cho độ nhạy 166 µAcm-2mM-1 [70].
Các nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa hầu nhƣ chỉ tập trung vào khai thác khả năng làm tăng độ nhạy thông qua việc làm tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu nano đƣợc cố định trên bề mặt điện cực và đối tƣợng sinh học là các enzyme ô xi hóa khử nhƣ glucose oxidase (GOx) hay glucose dehydrogenase (GDH). Một số nghiên cứu tính chất quang của các chấm lƣợng tử đã bƣớc đầu cho thấy sự tƣơng thích sinh học và khả năng chuyển hóa electron giữa các phân tử GOx với các chấm lƣợng tử chứa lƣu huỳnh nhƣ ZnS [136] hay PbS [130]. Điều này cho thấy các chấm lƣợng tử chứa lƣu huỳnh là đối tƣợng vật liệu phù hợp cho các nghiên cứu làm tăng độ nhạy của cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose trong dung dịch. Nghiên cứu chế tạo vật liệu sulfide kim loại là thế mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Loại vật liệu này là thích hợp để ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học [61]. Tuy vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu cho một loại cảm biến với đối tƣợng ứng dụng cụ thể vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu. Bên cạnh cảm biến sử dụng tín hiệu điện thế quét vòng, cảm biến tổng trở cũng thƣờng đƣợc sử dụng để khảo sát các đối tƣợng sinh học, trong đó tế bào là một trong những đối tƣợng đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm [128]. Ở kích thƣớc nhỏ chỉ bằng 1/10 đến 1/100 kích thƣớc tế bào, trong cảm biến sinh học khảo sát tế bào, các hạt nano thƣờng đƣợc điều khiển để bám lên bề mặt của tế bào một cách đặc hiệu.
Sau đó, tín hiệu điện [29,106] hay tín hiệu quang [43,63] có nguồn gốc từ các hạt nano đƣợc sử dụng nhƣ tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học. Song song với tính chất điện, quang, tính chất từ của vật liệu cũng đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu ứng dụng trong tách chiết tế bào [72,97,121]. Việc đƣa các hạt nano từ lên bề mặt tế bào một cách đặc hiệu không chỉ hỗ trợ cho quá trình theo dõi, quan sát tế bào bằng các 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com phép đo từ [82], mà còn phân lập tế bào ra khỏi môi trƣờng có nhiều cơ chất, hỗ trợ rất nhiều cho các bƣớc khảo sát, đo đạc tiếp theo. Ý tƣởng tạo ra một loại vật liệu đa chức năng vừa có từ tính vừa có tính chất quang nhƣ các hạt nano kim loại nhằm tách chiết chụp ảnh và đo đạc tế bào đƣợc rất nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm [59,88,121].
Tuy nhiên, toàn bộ các bƣớc chế tạo vật liệu, chức năng hóa để gắn đặc hiệu lên tế bào, sau đó tách lọc tế bào trƣớc khi khảo sát tính chất điện tổng trở là một quá trình kéo dài và cần sự kết hợp của nhiều nhóm nghiên cứu. Trong các đối tƣợng tế bào đƣợc nghiên cứu, tế bào gốc máu đóng vai trò rất quan trọng trong y học hiện đại. Việc theo dõi số lƣợng tế bào gốc máu có thể sử dụng để theo dõi tình trạng sức khỏe [32]. Tế bào gốc máu có thể nuôi biệt hóa thành các loại tế bào khác nhằm ứng dụng trong y học [51,62].
Ít thấy các nghiên cứu kết hợp tách lọc và đếm tế bào gốc máu [25,97]. Chƣa có nhóm nghiên cứu nào sử dụng hạt từ đa chức năng vừa tách lọc, vừa theo dõi và đếm tế bào gốc máu từ mẫu phẩm. Một số nhóm nghiên cứu trong nƣớc đã thành công chế tạo các hạt từ đa chức năng có đính các hạt nano kim loại nhƣ nhóm nghiên cứu của PGS. Phạm Thành Huy, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [58] hay nhóm nghiên cứu của PGS.
Nguyễn Hoàng Nam, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội [31]. Trƣớc đó, nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Ngọc Long, Trung tâm Khoa học Vật liệu đã thành công ứng dụng vật liệu nano vàng trong đánh dấu, chụp ảnh tế bào ung thƣ vú [104]. Có thể thấy việc thực hiện toàn bộ quy trình từ chế tạo vật liệu, chức năng hóa để gắn lên bề mặt tế bào gốc máu, tách chiết tế bào, chụp ảnh và đo đạc nồng độ tế bào có tính khả thi rất cao.
Tóm lại, thông qua việc nghiên cứu tài liệu đã đƣợc công bố trong và ngoài nƣớc, việc nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa tập trung vào các nội dung nhƣ sau: - Tín hiệu điện trong các cảm biến sinh học thƣờng là tín hiệu thế quét vòng, tín hiệu điện trở hay tín hiệu điện tổng trở. 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - Gắn liền với tín hiệu thế quét vòng là đối tƣợng glucose. Mặc dù là đối tƣợng đã cũ, nhƣng cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose vẫn luôn đƣợc dùng để đánh giá phẩm chất của cảm biến. Thông qua đây, vai trò của vật liệu nano trong việc hỗ trợ làm tăng độ nhạy của cảm biến thể hiện rõ rệt.
- Một trong những đối tƣợng quan trọng của cảm biến sinh học điện tổng trở là tế bào. Trong đó, tế bào gốc máu là đối tƣợng mới, có tính ứng dụng trong y học cao và đang đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu nano đa chức năng trong tách lọc tế bào gốc kết hợp với chụp ảnh và đo đạc nồng độ tế bào vẫn còn nhiều tranh luận. Từ việc đánh giá tổng quan những ƣu điểm, hạn chế của các nghiên cứu gần đây; đồng thời kết hợp với việc phân tích tình hình nghiên cứu cũng nhƣ điều kiện hiện có tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bán dẫn PbS, nano kim loại quý Au, Ag và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học”.
Mục tiêu luận án - Chế tạo đƣợc các vật liệu nano PbS, nano Vàng và nano đa chức năng từ tính – kim loại Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag. - Ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose trong dung dịch. - Ứng dụng vật liệu nano từ tính – kim loại trong phân lập và khảo sát tế bào gốc máu từ mẫu tủy xƣơng. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo các hạt nano chì sulfide (PbS) bằng phƣơng pháp hóa siêu âm kết hợp ủ nhiệt laser.
- Nghiên cứu chế tạo các hạt nano Au bằng phƣơng pháp nuôi mầm và chế tạo các hạt nano đa chức năng Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag bằng phƣơng pháp hóa ƣớt. - Nghiên cứu ứng dụng các hạt nano PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose trong dung dịch sự dụng phƣơng pháp đo thế quét vòng. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - Nghiên cứu ứng dụng các hạt nano Fe3O4-Ag trong chế tạo cảm biến sinh học phân lập và đếm tế bào gốc máu sử dụng phƣơng pháp đo tổng trở. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là thực nghiệm kết hợp với mô phỏng tính toán.
Các vật liệu nano PbS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết hợp ủ laser. Các hạt nano vàng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nuôi mầm trong dung dịch. Các hạt nano đa chức năng từ tính – kim loại đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa ƣớt. Sự gắn kết của các phân tử chất hữu cơ trên bề mặt tinh thể PbS đƣợc nghiên cứu đánh giá thông qua phƣơng pháp tính toán mô phỏng.
Hình thái của vật liệu đƣợc nghiên cứu trên các hệ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM).