ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Lý do chọn đề tài Cảm biến sinh học đang là một trong những lĩnh vực nghiên cứu nhận được sự quan tâm, lựa chọn đặc biệt của các nhà khoa học cũng các hãng chế tạo thiết bị phân tích sinh hóa vì triển vọng ứng dụng rất lớn của chúng trong phân tích, kiểm tra các chỉ dấu sinh học trong chăm sóc sức khỏe, theo dõi, phát hiện sớm bệnh tật, quan trắc và kiểm soát môi trường, kiểm nghiệm an toàn thực phẩm. với những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như phân tích nhanh, đơn giản, tiện lợi và độ chính xác cao. Xu hướng chính hiện nay là ứng dụng các vật liệu nano, vật liệu lai tạo và tích hợp được các tính chất lý-hóa và sinh học của các vật liệu (hoạt tính xúc tác, tính chất quang/từ/điện) vào trong cảm biến sinh học để tăng độ nhạy, giảm thời gian xét nghiệm, tăng độ chọn lọc, nâng cao giới hạn phát hiện.Ngoài ra, nếu sử dụng các vật liệu nói trên thay thế các phần tử sinh học thì sẽ kéo dài được thời gian sử dụng của cảm biến sinh học vì các phần tử sinh học (như enzym) có thời gian sống không dài, lại yêu cầu hoạt động trong những điều kiện khá nghiêm ngặt (pH, nhiệt độ…).
Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu carbon có cấu trúc nano có hoạt tính xúc tác ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học (thiết bị y tế, que thử, bộ kít thử) nhằm phục vụ theo dõi, kiểm tra sức khỏe tại nhà có nhu cầu ngày càng lớn, chẳng hạn các cảm biến đo đường huyết (glucose trong máu), đo hàm lượng cholesterol trong máu, xác định nồng độ axit uric…để sớm phát hiện ra các bệnh tật tương ứng là tiểu đường, mỡ máu, bệnh gust.nhằm chữa trị kịp thời, giảm đau đớn cho người bệnh, giảm chi phí chữa trị vì đã được phát hiện sớm. Hiện tại, công tác xét nghiệm này được tiến hành chủ yếu ở bệnh viện, với chi phí tương đối cao, tốn nhiều thời gian làm các thủ tục, thời gian chờ đợi, trong khi đó bệnh viện cũng trở nên quá tải vì số lượng mẫu quá lớn. Việc phát triển các bộ xét nghiệm dạng que thử kiểm tra nhanh các chỉ dấu sinh học (glucose trong máu, cholestero, axit uric là những nhu cầu rất rõ ràng trong bối cảnh hiện nay ở Việt Nam nói riêng cũng như các nước đang phát triển nói chung. Do đó, nghiên cứu chế tạo một số loại vật liệu carbon có cấu trúc nano ứng dụng trong các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, phát hiện nhanh, có thể tiến hành xét nghiệm hàng loạt là hướng nghiên cứu mới không chỉ ở Việt Nam mà là hướng nghiên cứu của rất nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới để chế tạo các vật liệu mới, vật liệu lai tạo đa tính chất.
Ngoài ra, hướng nghiên cứu này sẽ mang lại giá trị trong y tế cũng như đời sống giúp nâng cao chất lượng cuộc sống. Chính vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose ” là đề tài nghiên cứu sinh. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp được một số vật liệu mới, vật liệu có cấu trúc nano trên cơ sở cacbon (như graphen/graphen oxit, chấm graphen lượng tử.) kết hợp với các vật liệu hạt nano 1 33a8d66 6e7d7dc9e13 dd1 05b1 1d31 bb1a 3455 1df2b0 cb9 7186 bc6 d16a 369ee5 b ee72a4a6 c95e 8b44 261 c11b4da31 9ff705 b88da 47d8 4df733 b53a c07db5dfacc 1510e98 0f4 50b60aa5d5a6890 d04 084e1 69f91b0a 0746aa f8db6ad4b36 3cb2aa f7241 c66a 32f777 f8d7 cb0bb287 f89ee b3cc87 25aa013 8eb5 ef5 3e30 c2eaa3 b4 e02a5a6fa 70b0 7f7 fcd90 ba65b61b8 f12 3f1 9667 d8f652fe56 cf4 b7e8a dcc6c3 27fc8c5 9ff18a6 cc5 b550e f27 2207e 2890 e7004 6d87 71b5cc78 c4cc78 b7b5 3ed 7c671 77c6ed c0d9 cb4e3df6 d9b4 f27 9f2 4b01 e9147a 384db32 2798e 50c0f8e b6 be2c8 01b1fb0070 8e12 c6de 961 c5f1c0 06855 d27 b368 f5d3200 457bf86 82875 8 7da9aa76 fc2 ed63 f83 0eaf0 c38 74ebfb6 7e9c8ed f16 f6dc82 6b51 078e7 60f49c 65a914d4973 444e2 d79a7 58d43b2e 6adbb6da 6d7 cb1 d692 8950 8de5 27b9 8e614 08e5183 8cb468 07e5 f69d5b5 f32e 0b59 dd6 d94 9422a0 b5 cc7e 452e d3c3d3a4 8f c8c0 747 d2d9 988b26a4d181 f8d1ae03e7 8f6a 3d5a4 0036 f14 74f03bfa68a33 1f 24180d1943 19c5b53 60e51 00c27f5c0 6601 be5b55b9 1eb2 908e5 cb1a159e 6e2b bd19 f0b1a72 c4971 21fb1e8 ee703 c88 1d05 b4f370 b27a4 cb9a 76d3 8fc7fa3 9f9 6e4c1 25a430 5bfc91 dc8 7d41 6036 0fb00fca063 6038aae 4774 0cfd0a7 b33ab4d c075 cc2 f31a 7f7 245 c7a5fca8 f749 3b20 d1be27aa69 d40 c7a2 f7f36b3f0ae f35 e190ac1c9 6f6 f10 748 f84c4d3a 7aaad61 9ff8ef2 9806 c05 43c99b8a 20c9a1df4 b83b8 d125 48d1f8 da85e1 7f2 45c47e48 f5 cf18c4a38b4fb6219a 69980 133a2 49 kim loại/oxit kim loại, có hoạt tính xúc tác tương tự enzym HRP (Enzym Horseradish Peroxidase). - Thiết kế, cấu trúc cảm biến phát hiện hydrogen peroxit (H2O2) trên cơ sở các vật liệu đã tổng hợp, kết hợp và lựa chọn vật liệu thích hợp để tiến tới chế tạo cảm biến sinh học.
- Thiết kế, chế tạo cảm biến sinh học trên cơ sở các vật liệu đã tổng hợp kết hợp với các enzym đặc chủng để xác định nồng độ glucose trong dung dịch và mẫu thực (Mẫu máu…). Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose. - Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose. - Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu FN-GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án Trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu các loại vật liệu mới trên cơ sở cacbon kết hợp với các kim loại/ oxit kim loại để ứng dụng trong cảm biến sinh học. Dựa trên các đặc tính vật lý, hóa lý và hóa học của vật liệu, đặc biệt là các thuộc tính mới ở kích thước nano (như phổ plasmon bề mặt của nano bạc (AgNPs), phổ này sẽ khác nhau nếu hình dạng hạt AgNPs khác nhau). Ngoài ra việc kết hợp các nano kim loại/oxít kim loại có hoạt tính xúc tác tương tự như ezym HRP với GQDs ( graphen quantum dots) giúp cho vật liệu này có thể phân tán tốt trong dung môi, giảm độc tố và bảo vệ tốt kim loại/oxit kim loại, dễ dàng chức năng hóa bằng việc gắn các phân tử có đặc tính sinh học khác nhau. Các loại nano kim loại/oxít kim loại sau khi được kết hợp với cacbon đều cho thấy khả năng xúc tác, độ chọn lọc, tính bền cao hơn hẳn so với vật liệu không có cacbon.
Việc nghiên cứu, chế tạo thành công các loại vật liệu mới trên cơ sở cacbon kết hợp với kim loại/ oxit kim loại có hoạt tính xúc tác và ứng dụng chúng trong chế tạo cảm biến sinh học có ý nghĩa không chỉ trong y học mà còn làm tiên đề trong ứng dụng chuẩn đoán nhanh các độc tố trong thực phẩm, trong nước uống, nước sinh hoạt…Nghiên cứu này tiến tới áp dụng trong y tế sẽ giúp việc chuẩn đoán một số chỉ số của bệnh nhân trở lên nhanh chóng, thuận tiện. Người bệnh có thể dễ dàng kiểm soát các chỉ số sinh học trong máu (glucose, cholestero, axit uric) mà không phải đến bệnh viện qua đó có biện pháp ngăn ngừa, phòng bệnh sớm. 2 33a8d66 6e7d7dc9e13 dd1 05b1 1d31 bb1a 3455 1df2b0 cb9 7186 bc6 d16a 369ee5 b ee72a4a6 c95e 8b44 261 c11b4da31 9ff705 b88da 47d8 4df733 b53a c07db5dfacc 1510e98 0f4 50b60aa5d5a6890 d04 084e1 69f91b0a 0746aa f8db6ad4b36 3cb2aa f7241 c66a 32f777 f8d7 cb0bb287 f89ee b3cc87 25aa013 8eb5 ef5 3e30 c2eaa3 b4 e02a5a6fa 70b0 7f7 fcd90 ba65b61b8 f12 3f1 9667 d8f652fe56 cf4 b7e8a dcc6c3 27fc8c5 9ff18a6 cc5 b550e f27 2207e 2890 e7004 6d87 71b5cc78 c4cc78 b7b5 3ed 7c671 77c6ed c0d9 cb4e3df6 d9b4 f27 9f2 4b01 e9147a 384db32 2798e 50c0f8e b6 be2c8 01b1fb0070 8e12 c6de 961 c5f1c0 06855 d27 b368 f5d3200 457bf86 82875 8 7da9aa76 fc2 ed63 f83 0eaf0 c38 74ebfb6 7e9c8ed f16 f6dc82 6b51 078e7 60f49c 65a914d4973 444e2 d79a7 58d43b2e 6adbb6da 6d7 cb1 d692 8950 8de5 27b9 8e614 08e5183 8cb468 07e5 f69d5b5 f32e 0b59 dd6 d94 9422a0 b5 cc7e 452e d3c3d3a4 8f c8c0 747 d2d9 988b26a4d181 f8d1ae03e7 8f6a 3d5a4 0036 f14 74f03bfa68a33 1f 24180d1943 19c5b53 60e51 00c27f5c0 6601 be5b55b9 1eb2 908e5 cb1a159e 6e2b bd19 f0b1a72 c4971 21fb1e8 ee703 c88 1d05 b4f370 b27a4 cb9a 76d3 8fc7fa3 9f9 6e4c1 25a430 5bfc91 dc8 7d41 6036 0fb00fca063 6038aae 4774 0cfd0a7 b33ab4d c075 cc2 f31a 7f7 245 c7a5fca8 f749 3b20 d1be27aa69 d40 c7a2 f7f36b3f0ae f35 e190ac1c9 6f6 f10 748 f84c4d3a 7aaad61 9ff8ef2 9806 c05 43c99b8a 20c9a1df4 b83b8 d125 48d1f8 da85e1 7f2 45c47e48 f5 cf18c4a38b4fb6219a 69980 133a2 49 CHƯƠNG 1: Tổng quan 1.1 Cảm biến sinh học 1.1 Định nghĩa và cấu tạo cảm biến sinh học Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm một phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer). Chất được gắn trên bộ phận chuyển đổi được gọi là “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tích trong mẫu được gọi là “phần tử đích”.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc hiệu: kháng nguyên/kháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA-DNA (cảm biến DNA) hoặc enzym/cơ chất (cảm biến enzym)… Trên cơ sở các phản ứng đặc hiệu này, phần tử nhận biết sinh học giữ vai trò dò tìm đối tượng đích trong mẫu phân tích và phần tử chuyển đổi giữ vai trò chuyển đổi tương tác sinh học thành tín hiệu điện hóa, quang, nhiệt… sau đó đưa qua bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo (hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo của cảm biến sinh học[1] Có nhiều dạng chuyển đổi tín hiệu như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ… Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa có nhiều khả năng ứng dụng trong phân tích các đối tượng y sinh vì độ nhạy tốt và có thể vi cấu trúc hóa để chuyển đổi thành các thiết bị cầm tay.
