Tổng quan luận án

Đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Nghĩa dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Vĩnh Hoàng và PGS. Huỳnh Đăng Chính tại Trường Hóa và Khoa học sự sống (tiền thân là Viện Kỹ thuật Hóa học), Đại học Bách Khoa Hà Nội, thuộc ngành Kỹ thuật hóa học (mã số: 9520301), hoàn thành năm 2024.

Trong bối cảnh tỷ lệ mắc bệnh tiểu đường gia tăng, nhu cầu phân tích và kiểm soát nồng độ glucose trong máu và các dịch sinh học phục vụ theo dõi sức khỏe tại nhà ngày càng lớn. Hầu hết các xét nghiệm hiện nay được thực hiện tại bệnh viện bằng thiết bị phân tích tự động hoặc máy đo đường huyết cá nhân. Tuy nhiên, việc xét nghiệm tập trung tại bệnh viện gây tốn kém thời gian và chi phí, trong khi các bộ cảm biến thương mại sử dụng enzym tự nhiên Horseradish Peroxidase (HRP) thường có nhược điểm là độ bền sinh học kém, dễ mất hoạt tính trước tác động của nhiệt độ, ánh sáng và môi trường pH. Mặt khác, các cảm biến điện hóa đòi hỏi hệ điện cực gia công phức tạp và thiết bị đo đi kèm đắt tiền; còn các que thử giấy đa thông số sử dụng phản ứng hóa học thông thường lại có độ chọn lọc chưa cao. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano trên cơ sở carbon kết hợp hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại nhằm tạo ra các chất xúc tác mô phỏng enzym (nanozyme) có tính bền hóa học cao, khả năng phân tán tốt và hoạt tính xúc tác tương tự HRP, từ đó tích hợp vào cảm biến so màu để phát hiện nhanh, chọn lọc và có thể thực hiện xét nghiệm hàng loạt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Tổng hợp được một số vật liệu mới có cấu trúc nano trên cơ sở carbon (như graphen, graphen oxit, chấm lượng tử carbon) kết hợp với các hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại, có hoạt tính xúc tác tương tự enzym Horseradish Peroxidase (HRP).
  2. Thiết kế, cấu trúc cảm biến phát hiện hydrogen peroxide ($H_2O_2$) 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.
  3. 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, nước tiểu).

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm các hệ vật liệu nanocomposite nền carbon: hạt nano bạc kết hợp chấm lượng tử carbon (AgNPs/CQDs), hạt nano $Fe_3O_4$ bọc carbon cấu trúc lõi/vỏ (Fe@C), và vật liệu FeOOH kết hợp chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ (FN-CQDs); cùng các phản ứng xúc tác so màu phát hiện $H_2O_2$ và glucose.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Các thực nghiệm tổng hợp vật liệu, đo đạc phổ cấu trúc, khảo sát hoạt tính xúc tác và chế tạo hệ đo quang được triển khai tại Bộ môn Hóa Vô cơ và Đại cương, Phòng thí nghiệm Vật liệu tiên tiến và Cảm biến sinh học (AMB) thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga.
  • Thời gian: Công trình hoàn thành và bảo vệ vào năm 2024.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nền tảng lý thuyết và công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cảm biến sinh học và vật liệu nano xúc tác mô phỏng enzym:

  • Về cảm biến sinh học: Luận án dẫn theo định nghĩa của Hiệp hội Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC, 1999), xác định cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor như enzym, kháng thể, chuỗi DNA/RNA) kết hợp với bộ phận chuyển đổi tín hiệu (transducer: điện hóa, quang học/so màu, nhiệt, áp điện). Trong đó, hệ cảm biến 2 enzym cổ điển phát hiện glucose sử dụng enzym Glucose Oxidase (GOx) để oxy hóa glucose sinh ra $H_2O_2$, tiếp đó HRP xúc tác khử $H_2O_2$ và oxy hóa cơ chất chỉ thị màu như hệ 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB) hoặc hệ 4-Aminophenzon (4-AAP) và phenol.
  • Về cấu trúc và cơ chế xúc tác HRP: Tác giả điểm lại các nghiên cứu cấu trúc tinh thể HRP C (mã Brookhaven 1H5A) gồm nhóm heme Fe(III) protoporphyrin IX liên kết với gốc His170 và các gốc Arg38, His42; chu trình xúc tác qua hai trạng thái trung gian oxy hóa Compound I và Compound II được tổng kết bởi Dunford (1991, 1999), Veitch và Smith (2001), cũng như nghiên cứu hoạt tính peroxidase cảm ứng khi mô thực vật tổn thương của Kawaoka và cộng sự (1994).
  • Về các xu hướng thay thế enzym trong cảm biến glucose:
    • Hướng thay thế toàn bộ enzym: Tangsong Li và cộng sự sử dụng hệ hạt nano lõi-vỏ Au@Ag phát hiện glucose dựa trên phản ứng tráng gương của ion $Ag^+$ với glucose dưới sự hỗ trợ của nano Au, làm dịch chuyển đỉnh hấp thụ từ 520 nm sang 425 nm (khoảng nồng độ 0,04–1 mM, giới hạn phát hiện 10 nM bằng mắt thường), tuy nhiên phương pháp này thiếu tính chọn lọc sinh học do các chất khử khác như ascorbic acid, formaldehyde cũng gây nhiễu.
    • Hướng thay thế enzym HRP bằng nanozyme: Bắt đầu từ phát hiện năm 2007 về hoạt tính tương tự peroxidase của hạt nano $Fe_3O_4$, hàng loạt vật liệu vô cơ đã được khảo sát như $Co_3O_4$, Prussian blue $Fe_7(CN){18}$, quả cầu $C{60}$ carboxyl hóa ($C_{60}$-carboxy-fullerenes của Ruimin Li và cộng sự với khoảng phát hiện 1–40 $\mu\text{M}$, LOD 0,5 $\mu\text{M}$), các vật liệu tổ hợp $Fe_3O_4/\text{graphene}$, $Fe_2O_3/\text{graphene}$, hạt nano kim loại quý (Ag, Pt, Pd, PtPd).
    • Hướng cảm biến điện hóa và hệ vi lưu: Jia và cộng sự chế tạo cảm biến điện cực sợi carbon xoắn đính nano Pd (Pd/helical carbon nanofiber) gắn GOx; Claussen và cộng sự phát triển cấu trúc nano graphen cánh hoa hồng đính hạt Pd phát hiện glucose trong nước bọt, nước mắt, nước tiểu với giới hạn phát hiện 0,3 $\mu\text{M}$; Noiphung và cộng sự phát triển thiết bị vi lưu trên nền giấy (paper-based microfluidics).
    • Hướng vật liệu chấm carbon lượng tử và sắt oxy-hydroxide: Xu và cộng sự (2004) phát hiện chấm carbon lượng tử (CQDs); các phương pháp tổng hợp "bottom-up" từ nguồn nguyên liệu hữu cơ (axit citric, urea, chitosan); cùng các cấu trúc thù hình của FeOOH ($\alpha\text{-FeOOH}$, $\beta\text{-FeOOH}$, $\delta\text{-FeOOH}$, $\gamma\text{-FeOOH}$ lepidocroxite).

Vị trí của luận án: Luận án tập trung giải quyết các nhược điểm cố hữu của hạt nano oxit sắt từ (dễ bị oxy hóa $Fe^{2+}$ thành $Fe^{3+}$, dễ kết tụ khi không có lớp bọc) và nano bạc (dễ lẫn sản phẩm phụ độc hại nếu tổng hợp hóa học thông thường). Bằng cách kết hợp nền carbon (CQDs tổng hợp bottom-up, vỏ carbon vô định hình, N-CQDs từ chitosan) với kim loại/oxit kim loại ($Ag$, $Fe_3O_4$, $\gamma\text{-FeOOH}$), luận án chế tạo thành công các hệ nanocomposite carbon có khả năng phân tán tốt, bảo vệ pha hoạt tính, có hoạt tính peroxidase cao để thay thế HRP, từ đó xây dựng hệ cảm biến so màu bán định lượng và định lượng glucose kết hợp với GOx.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng

Cơ chế hoạt động của cảm biến sinh học trong luận án dựa trên chuỗi phản ứng liên hoàn:

  1. Phản ứng nhận biết đặc hiệu của enzym GOx: $$\text{Glucose} + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{GOx}} \text{Gluconic acid} + \text{H}_2\text{O}_2 \quad (\text{PT 1.1})$$
  2. Phản ứng chuyển đổi tín hiệu quang:
  • Đối với hệ cảm biến AgNPs/CQDs: Hạt nano bạc thể hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) với đỉnh hấp thụ quang đặc trưng tại bước sóng 425 nm. Khi có mặt $H_2O_2$ sinh ra từ phản ứng oxy hóa glucose, $H_2O_2$ đóng vai trò chất oxy hóa ăn mòn và làm biến đổi kích thước/hình thái hạt AgNPs, dẫn đến sự suy giảm độ hấp thụ quang tại bước sóng 425 nm ($OD_{425}$). Tín hiệu cảm biến được tính theo phần trăm độ biến thiên hấp thụ: $$\frac{\Delta A}{A_0} (%) = \frac{A_0 - A_c}{A_0} \times 100% \quad (\text{CT 2.1})$$ trong đó $A_0$ và $A_c$ lần lượt là độ hấp thụ quang tại 425 nm khi không có và khi có mặt cơ chất ở nồng độ $C$.
  • Đối với hệ nanozyme Fe@C và FN-CQDs: Vật liệu đóng vai trò xúc tác phân hủy $H_2O_2$ tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh, oxy hóa cơ chất không màu TMB thành sản phẩm TMB dạng oxy hóa có màu xanh lam đặc trưng với đỉnh hấp thụ tại bước sóng 652 nm ($A_{652}$). Cường độ màu xanh tỷ lệ thuận với nồng độ $H_2O_2$ và nồng độ glucose ban đầu. Động học phản ứng enzym nhân tạo được phân tích theo phương trình Michaelis-Menten và phương trình Lineweaver-Burk để xác định hằng số Michaelis ($K_m$) và vận tốc cực đại ($V_{max}$).

Hóa chất và phương pháp tổng hợp

  • Hóa chất chính: Chitosan (đã khử acetyl), Citric acid monohydrate ($C_6H_8O_7\cdot\text{H}_2\text{O}$), Thiourea ($SC(NH_2)_2$), Urea ($CH_4N_2O$), $AgNO_3$, $FeCl_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$, muối Mohr $(NH_4)2Fe(SO_4)2\cdot 6\text{H}2\text{O}$, NaOH, HCl, viên đệm PBS, Glucose ($C_6H{12}O_6$), Saccarose, Axit ascorbic, Lactose, Galactose, Fructose, $CH_3COOH$, $CH_3COONa$, dung dịch $H_2O_2$ 30%, enzym Glucose Oxidase (GOx, 149.800 U/g), 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB, $C{16}H{20}N_2$), nước cất.
  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:
    • Tổng hợp CQDs bằng phương pháp "bottom-up": Thủy nhiệt hỗn hợp 3,44 g axit citric và 3,005 g urea trong 100 mL nước tại 160°C trong 4 giờ bằng bình autoclave Teflon 250 mL; ly tâm 5.000 vòng/phút trong 30 phút, sấy khô ở 80°C trong 10 giờ thu được bột CQDs.
    • Tổng hợp AgNPs/CQDs: Pha 100 $\mu\text{L}$ dung dịch CQDs vào 3 mL nước cất, điều chỉnh pH bằng NaOH 0,1 M và $CH_3COOH$ 1 M, thêm 20 $\mu\text{L}$ dung dịch $AgNO_3$ 0,1 M, gia nhiệt ở 90°C trong 3 giờ để CQDs đóng vai trò chất khử và chất ổn định khử ion $Ag^+$ thành AgNPs.
    • Tổng hợp Fe@C cấu trúc lõi/vỏ: Đồng kết tủa tạo hạt $Fe_3O_4$ từ muối Mohr và $FeCl_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ theo tỷ lệ mol $Fe^{2+}:Fe^{3+} = 1:2$ với dung dịch NaOH 10% ở 80°C trong 2 giờ: $$\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \quad (\text{PT 2.1})$$ $$\text{Fe}^{2+} + 2\text{Fe}^{3+} + 8\text{OH}^- \rightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4 + 4\text{H}_2\text{O} \quad (\text{PT 2.2})$$ Hạt $Fe_3O_4$ sau khi rửa sạch được phối trộn với glucose theo các tỷ lệ khối lượng xác định rồi thủy nhiệt ở 160°C trong 8 giờ để tạo vỏ carbon vô định hình bọc ngoài lõi từ.
    • Tổng hợp FN-CQDs: Thủy nhiệt hỗn hợp tiền chất chitosan và hạt nano $Fe_3O_4$ để tạo phức hợp FeOOH liên kết với chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ.

Thiết bị và phương pháp đặc trưng cấu trúc

  • Phương pháp phân tích hóa lý: Nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM kèm EDX), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), từ kế mẫu rung (VSM), quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis), quang phổ huỳnh quang (PL).
  • Thiết bị phụ trợ: Máy ly tâm tốc độ cao Tommy (15.000 vòng/phút), máy ly tâm mini Cubee (4.000 vòng/phút), bể điều nhiệt Laudra, tủ sấy Memmert.
  • Hệ thống phân tích hình ảnh hàng loạt: Buồng tối kích thước $19 \times 14 \times 30\text{ cm}$, nguồn sáng nền từ màn hình iPad mini (ứng dụng MyLight), khay ELISA 96 giếng, điện thoại thông minh chụp ảnh và phần mềm ImageJ xử lý cường độ màu kênh xanh lam (Blue channel).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về cảm biến sinh học theo phân loại của IUPAC, phân tích cấu tạo và chức năng của phần tử nhận biết sinh học và các bộ chuyển đổi tín hiệu (điện hóa, quang, áp điện, nhiệt). Tác giả làm rõ cấu trúc phân tử, tâm hoạt động chứa heme sắt và chu trình xúc tác của enzym HRP C, cũng như cơ chế phản ứng 2 enzym kinh điển trong xác định glucose. Đồng thời, chương này tổng kết các xu hướng phát triển cảm biến glucose trên thế giới (cảm biến không enzym, cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu carbon cấu trúc nano, cảm biến vi lưu dạng giấy) và giới thiệu chi tiết về đặc tính hóa lý của các đối tượng vật liệu nghiên cứu trong luận án: hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano bạc (AgNPs); tính chất siêu thuận từ và cấu trúc lõi/vỏ của nano $Fe_3O_4$ bọc carbon (Fe@C); đặc trưng tinh thể phân tầng của $\gamma\text{-FeOOH}$ lepidocroxite; và các phương pháp tổng hợp "top-down", "bottom-up" cũng như hiệu ứng phát huỳnh quang của chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ (N-CQDs).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc, độ tinh khiết của toàn bộ hóa chất, quy cách thiết bị và các quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu:

  • Quy trình chế tạo bột CQDs từ axit citric và urea, quy trình tổng hợp dung dịch AgNPs/CQDs ở 90°C trong 3 giờ.
  • Quy trình tổng hợp hệ vật liệu Fe@C theo các tỷ lệ khối lượng $Fe_3O_4:\text{glucose}$ khác nhau, được tổng hợp trong bảng số liệu thực nghiệm của luận án:
Ký hiệu mẫu Tỷ lệ $Fe_3O_4:\text{C}$ Khối lượng $FeCl_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (g) Khối lượng $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (g) Khối lượng Glucose (g)
Fe@C1-0 1:0 5,95 4,31 0
Fe@C1-1 1:1 5,95 4,31 2,5
Fe@C1-2 1:2 5,95 4,31 5,0
Fe@C1-3 1:3 5,95 4,31 7,5
Fe@C1-5 1:5 5,95 4,31 12,5
Fe@C1-7 1:7 5,95 4,31 17,5
Fe@C1-10 1:10 5,95 4,31 25,0
  • Quy trình tổng hợp FN-CQDs từ chitosan và $Fe_3O_4$ qua phương pháp thủy nhiệt.
  • Quy trình thiết lập phản ứng so màu phát hiện $H_2O_2$ và glucose: đối với AgNPs/CQDs ủ ở 37°C và 40°C, đo OD tại 425 nm; đối với Fe@C và FN-CQDs ủ cùng cơ chất TMB và GOx, đo độ hấp thụ tại 652 nm.
  • Quy trình thiết kế buồng tối, thông số chụp ảnh khay ELISA 96 giếng và giải thuật trích xuất dữ liệu màu bằng phần mềm ImageJ.
  • Phương pháp xử lý số liệu thống kê, xây dựng đường chuẩn và xác định giới hạn phát hiện (LOD) theo tiêu chuẩn phân tích.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về đặc trưng cấu trúc vật liệu và hiệu năng phân tích của từng hệ cảm biến:

  1. Hệ cảm biến AgNPs/CQDs:
  • Kết quả phổ UV-Vis cho thấy sự hình thành đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt tại bước sóng 425 nm khi tổng hợp ở 90°C trong 120–180 phút. Ảnh TEM chứng minh các hạt nano bạc phân tán đồng đều nhờ lớp CQDs bao bọc.
  • Khảo sát đáp ứng với $H_2O_2$: Cường độ hấp thụ tại 425 nm suy giảm mạnh tỷ lệ thuận với nồng độ $H_2O_2$ do hạt AgNPs bị oxy hóa; ảnh TEM sau phản ứng chứng minh sự phá hủy hình thái hạt khi có $H_2O_2$ 0,8 mM. Điều kiện phản ứng tối ưu được xác định tại 40°C và thời gian 30 phút; khảo sát phổ UV-Vis ở các giá trị pH từ 3 đến 11 cho thấy pH ảnh hưởng rõ rệt đến độ biến thiên tín hiệu $\Delta A/A_0 (%)$.
  • Cảm biến glucose kết hợp enzym GOx: Khi có mặt glucose, phản ứng sinh ra $H_2O_2$ làm giảm độ hấp thụ tại 425 nm. Thử nghiệm tính chọn lọc với các chất can thiệp (0,5 mM glucose, ascorbic acid, saccarose, $H_2O_2$) khẳng định cảm biến có tính đặc hiệu cao với glucose nhờ enzym GOx. Cảm biến được ứng dụng xác định glucose trong nước tiểu người bằng phương pháp thêm chuẩn (pha loãng 1:4 trong đệm PBS).
  • Hệ thống xét nghiệm hàng loạt với ImageJ: Thử nghiệm trên khay ELISA 96 giếng với các nồng độ $H_2O_2$ từ 50 mM đến 500 mM cho thấy độ lặp lại cao giữa các giếng và các hàng; đường chuẩn xây dựng từ cường độ kênh màu xanh lam có độ tin cậy tốt.
  1. Hệ cảm biến Fe@C (lõi $Fe_3O_4$, vỏ carbon):
  • Kết quả phân tích SEM, TEM và VSM: Ảnh SEM/TEM xác nhận cấu trúc lõi-vỏ với lõi $Fe_3O_4$ và lớp vỏ carbon vô định hình bao bọc có độ dày phụ thuộc vào lượng glucose đưa vào thủy nhiệt. Phổ từ kế mẫu rung (VSM) cho thấy các mẫu từ Fe@C(1-0) đến Fe@C(1-10) đều giữ được tính siêu thuận từ, cho phép thu hồi bằng nam châm trong thực nghiệm.
  • Hoạt tính nanozyme peroxidase: Mẫu Fe@C xúc tác phản ứng oxy hóa TMB bởi $H_2O_2$ tạo màu xanh đậm với đỉnh hấp thụ cực đại tại 652 nm ($A_{652}$). Khảo sát tối ưu hóa các điều kiện: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, môi trường pH và thể tích huyền phù xúc tác.
  • Nghiên cứu động học: Đồ thị Michaelis-Menten và Lineweaver-Burk xác định hằng số $K_m$ của Fe@C đối với cơ chất TMB và $H_2O_2$, cho thấy ái lực xúc tác cao.
  • Độ chọn lọc và ứng dụng: Cảm biến thể hiện tính chọn lọc cao với $H_2O_2$ khi so sánh với ascorbic acid, galactose, saccarose, fructose. Khi kết hợp với GOx, đường chuẩn glucose được xây dựng thành công. Luận án đã ứng dụng cảm biến Fe@C để định lượng glucose trong mẫu huyết thanh thực tế và đối chứng kết quả song song với số liệu đo tại trung tâm y tế, ghi nhận độ phù hợp cao.
  1. Hệ cảm biến FN-CQDs (FeOOH/N-CQDs):
  • Đặc trưng cấu trúc: Phổ XRD, SEM kèm EDX, TEM, FT-IR, PL và VSM xác nhận sự tạo thành phức hợp giữa pha sắt oxy-hydroxide (FeOOH) và các chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ có khả năng phát huỳnh quang.
  • Hoạt tính xúc tác: Thí nghiệm kiểm chứng hoạt tính peroxidase với hệ TMB + $H_2O_2$ cho thấy pic hấp thụ $A_{652}$ tăng mạnh theo thời gian khi có mặt FN-CQDs. Các điều kiện tối ưu được khảo sát gồm: pH, nhiệt độ, thể tích xúc tác và nồng độ TMB. Động học enzyme nhân tạo được tính toán và so sánh hằng số $K_m$ với các công bố trước đây.
  • Độ chọn lọc đa cấu tử: Thử nghiệm độ hấp thụ $A_{652}$ khi có mặt các mẫu can thiệp 0,7 mM (galactose, fructose, ascorbic acid, saccharose) ở dạng đơn lẻ và dạng hỗn hợp đa thành phần khẳng định tính đặc hiệu cao của hệ cảm biến.
  • Phân tích mẫu thực nước tiểu: Cảm biến GOx/FN-CQDs ứng dụng định lượng thành công glucose trong mẫu nước tiểu của người bình thường và người mắc bệnh tiểu đường bằng phương pháp thêm chuẩn.
  • Bảng so sánh tổng hợp: Luận án lập bảng đối chiếu các thông số kỹ thuật (khoảng tuyến tính, LOD, hằng số động học $K_m$) giữa 3 hệ vật liệu AgNPs/CQDs, Fe@C, FN-CQDs với các hệ cảm biến nanozyme và cảm biến sinh học đã công bố trong y văn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  • Xây dựng quy trình tổng hợp xanh một giai đoạn chế tạo hạt nano bạc phân tán trên nền chấm lượng tử carbon (AgNPs/CQDs), trong đó CQDs từ axit citric và urea đóng vai trò kép vừa là tác nhân khử ion $Ag^+$ vừa là chất hoạt hóa bề mặt bền hóa hạt nano bạc.
  • Chế tạo thành công vật liệu nanocomposite cấu trúc lõi-vỏ Fe@C (lõi $Fe_3O_4$, vỏ carbon) và vật liệu lai tạo FN-CQDs (FeOOH kết hợp N-CQDs từ tiền chất chitosan) có hoạt tính xúc tác mô phỏng enzym peroxidase (nanozyme) ổn định, khắc phục hiện tượng mất hoạt tính và khó bảo quản của enzym tự nhiên HRP.
  • Làm sáng tỏ cơ chế cảm biến so màu theo hai hướng tiếp cận: cơ chế suy giảm cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của AgNPs tại 425 nm do $H_2O_2$ oxy hóa; và cơ chế xúc tác phản ứng oxy hóa TMB tạo màu xanh tại 652 nm theo mô hình động học Michaelis-Menten của Fe@C và FN-CQDs.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Chế tạo thành công các bộ cảm biến sinh học so màu kết hợp GOx và các nanozyme nền carbon có độ nhạy, độ chọn lọc cao, định lượng chính xác glucose trong mẫu nước tiểu và mẫu huyết thanh thực tế.
  • Thiết kế hệ thống buồng tối đo quang kết hợp màn hình iPad mini, điện thoại thông minh và phần mềm xử lý ảnh ImageJ, cho phép phân tích bán định lượng và định lượng hàng loạt mẫu trên khay ELISA 96 giếng mà không cần máy đọc quang học đắt tiền.
  • Đề xuất giải pháp phát triển các bộ kit thử nghiệm nhanh, giá thành thấp, phục vụ kiểm soát chỉ dấu sinh học tại gia đình hoặc tuyến y tế cơ sở.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu: Cảm biến glucose trong luận án vẫn cần sử dụng enzym tự nhiên Glucose Oxidase (GOx) ở phản ứng nhận biết ban đầu (chỉ mới thay thế enzym HRP ở phản ứng chỉ thị màu); các thử nghiệm mẫu thực mới thực hiện trên mẫu nước tiểu và huyết thanh quy mô phòng thí nghiệm, chưa đánh giá ảnh hưởng toàn diện của các nền mẫu phức tạp khác; hệ thống buồng tối và chụp ảnh smartphone/ImageJ vẫn đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt điều kiện ánh sáng và góc chụp cố định.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu tổng hợp các vật liệu nano có hoạt tính mô phỏng enzym kép (vừa có hoạt tính oxidase vừa có hoạt tính peroxidase) để thay thế hoàn toàn cả GOx và HRP; tích hợp vật liệu nanozyme vào que thử giấy (strip) hoặc thiết bị vi lưu (microfluidic chips) phục vụ sản xuất thương mại; mở rộng ứng dụng vật liệu nanocomposite carbon để phát hiện các chỉ dấu sinh học khác như cholesterol, axit uric hoặc các độc tố trong thực phẩm và môi trường.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Luận án là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên các ngành Kỹ thuật hóa học, Khoa học và Công nghệ vật liệu, Hóa sinh học, Kỹ thuật y sinh; các giảng viên, nhà nghiên cứu phát triển vật liệu nano, vật liệu xúc tác nanozyme; cùng các kỹ sư phát triển sản phẩm chẩn đoán y sinh in vitro (IVD) và thiết bị phân tích y tế.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Các quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu nanocomposite nền carbon: CQDs bottom-up từ axit citric/urea, AgNPs/CQDs, Fe@C lõi-vỏ từ muối sắt và glucose, FN-CQDs từ chitosan và $Fe_3O_4$.
    • Phương pháp khảo sát động học enzyme nhân tạo theo mô hình Michaelis-Menten và Lineweaver-Burk.
    • Giải pháp kỹ thuật thiết kế buồng đo quang phân tích khay ELISA 96 giếng kết hợp thiết bị di động và phần mềm phân tích ảnh ImageJ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vai trò của chấm lượng tử carbon (CQDs) trong quá trình tổng hợp vật liệu AgNPs/CQDs là gì? Trong quy trình tổng hợp AgNPs/CQDs, chấm lượng tử carbon đóng vai trò kép: vừa là chất khử "xanh" chuyển hóa ion $Ag^+$ thành hạt nano bạc ($Ag^0$) ở 90°C mà không cần tác nhân hóa học độc hại, vừa là chất hoạt hóa bề mặt giúp ổn định và phân tán các hạt nano bạc, ngăn ngừa hiện tượng kết tụ.

  2. Cấu trúc lõi/vỏ của vật liệu Fe@C mang lại lợi ích gì trong cảm biến sinh học? Lõi nano $Fe_3O_4$ cung cấp hoạt tính xúc tác tương tự peroxidase và tạo từ tính cho vật liệu, cho phép thu hồi và tái sử dụng xúc tác bằng nam châm ngoài. Lớp vỏ carbon vô định hình bọc ngoài có diện tích bề mặt lớn, giúp bảo vệ ion sắt ($Fe^{2+}$) ở lõi không bị oxy hóa mất kiểm soát bởi môi trường, giảm độc tính và tăng độ bền hóa học cho vật liệu.

  3. Cơ chế hoạt động của cảm biến glucose sử dụng vật liệu AgNPs/CQDs diễn ra như thế nào? Phản ứng diễn ra qua hai giai đoạn: đầu tiên, enzym GOx xúc tác oxy hóa glucose tạo ra $H_2O_2$; sau đó, $H_2O_2$ sinh ra oxy hóa và ăn mòn hạt nano bạc, làm suy giảm cường độ hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt tại bước sóng 425 nm ($OD_{425}$). Độ giảm tín hiệu $\Delta A/A_0 (%)$ tỷ lệ thuận với nồng độ glucose trong mẫu.

  4. Vật liệu FN-CQDs được tổng hợp từ tiền chất nào và cơ chế xúc tác đổi màu ra sao? FN-CQDs được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ hỗn hợp chitosan và hạt nano $Fe_3O_4$, tạo thành tổ hợp giữa sắt oxy-hydroxide ($\gamma\text{-FeOOH}$) và chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ. Vật liệu thể hiện hoạt tính peroxidase, xúc tác phản ứng khử $H_2O_2$ và đồng thời oxy hóa chất chỉ thị TMB không màu thành dạng oxy hóa có màu xanh lam đặc trưng với đỉnh hấp thụ cực đại tại bước sóng 652 nm.

  5. Hệ thống đo quang hàng loạt bằng phần mềm ImageJ trong luận án được cấu tạo như thế nào? Hệ thống gồm buồng tối kích thước $19 \times 14 \times 30\text{ cm}$, nguồn sáng nền bên dưới sử dụng màn hình iPad mini thông qua ứng dụng MyLight, khay ELISA 96 giếng chứa mẫu được gá ở giữa, điện thoại thông minh đặt phía trên để chụp ảnh toàn bộ khay, và phần mềm ImageJ xử lý cường độ màu của kênh xanh lam (Blue channel) để quy đổi ra nồng độ chất phân tích.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Nghĩa đã tổng hợp và đặc trưng cấu trúc thành công ba hệ vật liệu nanocomposite trên nền carbon gồm AgNPs/CQDs, Fe@C cấu trúc lõi/vỏ và FN-CQDs từ nguồn tiền chất chitosan tự nhiên. Các vật liệu chế tạo thể hiện hoạt tính xúc tác mô phỏng enzym peroxidase bền vững, độ chọn lọc cao và giữ được đặc tính từ tính hoặc cộng hưởng plasmon quang học. Việc tích hợp các vật liệu này với enzym Glucose Oxidase đã thiết lập nên các hệ cảm biến so màu định lượng chính xác glucose trong dung dịch chuẩn, mẫu nước tiểu và huyết thanh thực tế. Công trình còn đóng góp giải pháp kỹ thuật đo quang hàng loạt trên khay ELISA 96 giếng kết hợp điện thoại thông minh và phần mềm ImageJ, cung cấp nền tảng thực nghiệm giá trị cho lĩnh vực vật liệu nano và thiết bị chẩn đoán y sinh.