Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu carbon kích thước nanomet gồm graphene (Gr) và ống nano carbon (CNTs) sở hữu các đặc tính cơ học, quang học, điện học và nhiệt học nổi bật. Khi kết hợp hai dạng thù hình này, vật liệu tổ hợp Gr-CNTs thể hiện tính chất dẫn điện ba chiều, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và tốc độ linh động điện tử cao hơn so với từng thành phần đơn lẻ. Trong các hệ thống cảm biến sinh học điện hóa, điện cực làm việc đóng vai trò là nơi diễn ra các phản ứng sinh hóa trực tiếp và chuyển đổi tín hiệu điện tích giữa bề mặt phân cách điện cực và dung dịch điện ly. Để nâng cao độ nhạy, mở rộng khoảng tuyến tính và hạ thấp giới hạn phát hiện, bề mặt điện cực làm việc cần được biến tính bằng các màng vật liệu có độ dẫn cao, diện tích bề mặt riêng lớn và tương thích sinh học. Việc tích hợp tổ hợp carbon nano với các hạt nano kim loại (như Au) và hạt nano ôxít kim loại (như $\text{Fe}_3\text{O}_4$) cho phép gia tăng hiệu quả xúc tác điện hóa và khả năng cố định các phân tử sinh học.

Thực tế môi trường và y sinh tại Việt Nam ghi nhận các vấn đề cấp thiết:

  1. Ô nhiễm Arsenic trong nước ngầm: Hàm lượng Arsen (As) trong nguồn nước ngầm tại nhiều khu vực ở Việt Nam ở mức cao. Khi thâm nhập vào cơ thể người qua nước sinh hoạt, ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ có thể tích tụ trong máu, gây biến đổi sắc tố da, hoại tử vết loét ở chi, các bệnh lý tim mạch, tiểu đường và một số bệnh ung thư.
  2. Dư lượng thuốc diệt cỏ Glyphosate: Việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật chứa Glyphosate (GLY) trong nông nghiệp dẫn đến tích lũy dư lượng trong nước mặt và nước ngầm. Do các nguy cơ gây hại cho sức khỏe và khả năng sinh ung thư, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Việt Nam đã ban hành quy định cấm sử dụng thuốc diệt cỏ chứa hoạt chất này từ tháng 6 năm 2021.
  3. Chỉ số Cholesterol trong y sinh: Nồng độ cholesterol (CHO) trong máu tăng cao bắt nguồn từ thói quen dinh dưỡng và lối sống ít vận động, là nguyên nhân chính dẫn đến xơ vữa động mạch, nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Hầu hết các công bố trước đây chủ yếu tập trung vào ống nano carbon đơn tường (SWCNTs) hoặc đa tường (MWCNTs) kết hợp với Gr (hoặc dẫn xuất graphene oxide - GO, graphene oxide khử - rGO) và hạt nano kim loại. Chưa có nghiên cứu đầy đủ về quy trình tổng hợp ống nano carbon hai tường (DWCNTs) và chế tạo màng tổ hợp DWCNTs-Gr trên nền đế đồng bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) nhiệt áp suất thấp. Đồng thời, việc kết hợp màng DWCNTs-Gr với hạt nano vàng (AuNPs) bằng CVD nhiệt và tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ bằng phương pháp lắp ghép định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa phát hiện $\text{As(V)}$, CHO và GLY chưa được nghiên cứu toàn diện.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

  1. Làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu ống nano carbon hai tường (DWCNTs), tổ hợp DWCNTs-Gr và DWCNTs-AuNPs-Gr bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp; chế tạo tổ hợp graphene ôxít - ống nano carbon hai tường - hạt sắt từ - Chitosan ($\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$) bằng phương pháp lắp ghép.
  2. Phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở các tổ hợp DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr và $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và môi trường để phát hiện cholesterol (CHO), ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ và thuốc diệt cỏ Glyphosate (GLY) nhằm mở rộng khoảng tuyến tính, hạ thấp giới hạn phát hiện và tăng cường độ nhạy của cảm biến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc, hình thái và tính chất điện hóa của vật liệu carbon nano (Gr, GO, DWCNTs), hạt nano vàng (AuNPs), hạt nano ôxít sắt từ cấu trúc tám mặt ($\text{Fe}_3\text{O}_4$), polymer sinh học Chitosan (Cs) và các tổ hợp vật liệu đa thành phần: DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr, $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$. Các tác nhân phân tích gồm: ion $\text{As(V)}$, phân tử sinh học cholesterol (CHO) và hoạt chất glyphosate (GLY).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Thực nghiệm tổng hợp vật liệu tại Phòng Vật liệu carbon nano, Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
    • Chế tạo màng tổ hợp trên đế đồng bằng kỹ thuật CVD nhiệt áp suất thấp và phương pháp lắp ghép hóa học.
    • Đánh giá đặc tính điện hóa trên hệ điện cực in ba chân trong môi trường dung dịch đệm phosphat (PBS) và chất chỉ thị $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tiền đề

Luận án đã hệ thống hóa các mốc phát triển và công trình nghiên cứu về vật liệu carbon nano, hạt nano và cảm biến sinh học:

  • Phương pháp tổng hợp CNTs: Công trình của Iijima (1991) lần đầu chế tạo MWCNTs bằng phóng điện hồ quang; Thess (1996) phát triển phương pháp bốc bay laser sử dụng xúc tác Ni, Co ở nhiệt độ 1200 °C đạt hiệu suất 70%. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni) được đánh giá là kỹ thuật cho phép kiểm soát số tường và đường kính ống.
  • Phương pháp tổng hợp Gr: Novoselov và Geim (2004) bóc tách vi cơ graphene từ graphite; phương pháp Hummer (1958) oxy hóa graphite bằng hỗn hợp $\text{NaNO}_3$, $\text{KMnO}_4$ và $\text{H}_2\text{SO}_4$/$\text{HNO}_3$ để tạo GO; phương pháp CVD trên đế kim loại xúc tác Cu, Ni ở 750–1200 °C với nguồn hydrocarbon $\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_2$.
  • Hạt nano kim loại và ôxít từ: Willner và cộng sự ghi nhận AuNPs làm tăng tốc độ truyền điện tử của enzyme từ $700\text{ s}^{-1}$ lên $5000\text{ s}^{-1}$; Xu và cộng sự kết hợp carboxymethyl chitosan với AuNPs phát hiện $\text{H}_2\text{O}_2$ (khoảng tuyến tính 5 µM – 1,4 mM, LOD 0,4 µM); X-H. Xia chỉ ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR, đỉnh hấp thụ 500–550 nm) của AuNPs giúp tăng cường tín hiệu điện hóa; Abe và cộng sự phát triển quy trình thủy nhiệt tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4$ từ tiền chất $\alpha\text{-FeOOH}$ trong ethylene glycol.
  • Vật liệu tổ hợp Gr-CNTs và nano hạt: S. Das và cộng sự (2011) tổng hợp MWCNTs-Gr trên $\text{SiO}_2\text{/Si}$ bằng CVD hai bước với điện trở $100\text{--}400\ \Omega$; Peng Chen và cộng sự (2012) chế tạo Gr-CNTs 3D bằng CVD phát hiện dopamine; H. Yu và cộng sự (2019) chế tạo $\text{AuNP-MWCNT-rGO}$ phát hiện $\text{NO}_2^-$ với độ nhạy $1201\ \mu\text{A/mM}$; Yunpei và cộng sự (2020) tổng hợp L-methionine/Gr-CNTs/AuNPs phát hiện dopamine và acid uric.
Vật liệu tổ hợp Phương pháp chế tạo Ứng dụng phân tích Năm công bố Tài liệu trích dẫn
MWCNTs-Gr CVD Dopamine 2012 [42]
Gr-MWCNTs Xử lý dung dịch Glucose 2014 [163]
Gr-MWCNT-AuNPs Xử lý dung dịch Glucose và $\text{H}_2\text{O}_2$ 2014 [129]
SWCNTs-Gr CVD Khảo sát cấu trúc 2015 [204]
MWCNTs-rGO-AuNPs Xếp lớp $\text{H}_2\text{O}_2$ 2016 [226]
$\text{MWCNTs/Fe}_3\text{O}_4$ Xử lý dung dịch Dẫn thuốc Doxycycline 2018 [58]
$\text{Gr/Fe}_3\text{O}_4$ Xếp lớp Hấp phụ Methyl orange 2018 [13]
N-Gr-MWCNTs-AuNPs Xử lý dung dịch Glucose 2018 [80]
rGO-MWCNTs-AuNPs Xử lý dung dịch $\text{NO}_2^-$ 2019 [219]
Pt-N-rGO-SWCNTs Xử lý dung dịch Piroxicam 2019 [92]
L-methionine-Gr-CNTs-AuNPs Xử lý dung dịch Dopamine và Acid uric 2020 [172]
  • Tình hình nghiên cứu trong nước: Các nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu (VAST) đã làm chủ công nghệ CVD chế tạo CNTs, Gr phát hiện thuốc bảo vệ thực vật Carbaryl và Atrazine; Viện Kỹ thuật Nhiệt đới (VAST) phát triển cảm biến phát hiện glucose, CHO, dopamine; Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu tổ hợp Gr-Ag phát hiện glucose, CNTs trong cảm biến DNA và Cathepsin E; các nhóm tại Trường ĐH Sư phạm Hà Nội, ĐH Thái Nguyên, ĐH Phenikaa nghiên cứu vật liệu nano carbon biến tính điện hóa.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trong nước và quốc tế sử dụng ống nano carbon SWCNTs hoặc MWCNTs kết hợp dạng bột GO/rGO qua xử lý dung dịch hoặc xếp lớp. Luận án định vị trọng tâm vào việc khai thác ưu thế của DWCNTs (kết hợp độ bền dẻo, dẫn điện của SWCNTs và độ bền hóa - nhiệt của MWCNTs, bảo vệ lõi dẫn điện bên trong khi biến tính bề mặt ngoài). Luận án phát triển kỹ thuật CVD nhiệt áp suất thấp trực tiếp để tổng hợp màng DWCNTs-Gr và DWCNTs-AuNPs-Gr trên đế đồng, kết hợp phương pháp thủy nhiệt chế tạo hạt nano sắt từ cấu trúc tám mặt kích thước lớn ($>800\text{ nm}$) để lắp ghép tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$, phục vụ mục tiêu phát hiện chọn lọc các tác nhân $\text{As(V)}$, CHO và GLY.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm phân tích

  • Cấu trúc điện tử của vật liệu carbon: Mạng tinh thể 2 chiều của graphene tạo bởi các liên kết cộng hóa trị $\sigma$ giữa các nguyên tử carbon lai hóa $sp^2$ với góc liên kết $120^\circ$. Orbitan $\pi$ định hướng vuông góc với mặt phẳng tạo nên tính chất điện đặc trưng. Theo mô hình liên kết mạnh, hệ thức tán sắc năng lượng lân cận điểm Dirac tuân theo phương trình: $$E = \hbar v_F q$$ trong đó $\hbar$ là hằng số Planck rút gọn, $v_F \approx 10^6\text{ m/s}$ là vận tốc Fermi, và $q$ là số sóng. Năng lượng phụ thuộc tuyến tính vào số sóng, khiến các điện tử hành xử như các chuẩn hạt không khối lượng với độ linh động lý thuyết đạt tới $200.000\text{ cm}^2\text{/Vs}$ và điện trở suất khoảng $10^{-6}\ \Omega\cdot\text{cm}$.
  • Hạt nano Au và $\text{Fe}_3\text{O}_4$: AuNPs kích thước $\sim 20\text{ nm}$ có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) và khả năng tăng cường độ dẫn, xúc tác truyền điện tích trực tiếp qua lớp vỏ protein của enzyme. Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tám mặt kích thước lớn ($>800\text{ nm}$) có từ độ bão hòa cao, diện tích tiếp xúc lớn, diện tích bề mặt tiếp xúc thuận lợi cho quá trình hấp phụ và cố định phân tử sinh học.
  • Nguyên lý cảm biến sinh học điện hóa: Sử dụng hệ 3 điện cực gồm: điện cực làm việc (WE - đế vàng hoặc thủy tinh carbon được biến tính màng nano), điện cực đối (CE - dây Pt hoặc Au) và điện cực so sánh (RE - $\text{Ag/AgCl}$). Đầu thu sinh học sử dụng enzyme (Cholesterol Oxidase - ChOx, Urease) liên kết qua tác nhân liên kết chéo Glutaraldehyde (GA) và màng polymer dẫn Chitosan (Cs). Tín hiệu dòng oxy hóa khử của chất chỉ thị $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]$ thay đổi tỷ lệ thuận hoặc nghịch với nồng độ chất phân tích theo cơ chế xúc tác hoặc ức chế enzyme.

Phương pháp thực nghiệm chế tạo

  1. Chế tạo xúc tác và tổng hợp DWCNTs:
    • Xúc tác $\text{Mg}{0,99}\text{Co}{0,01-x}\text{Mo}_x\text{O}$ được điều chế từ hỗn hợp muối $0,13\text{ g } (\text{NH}_4)_6\text{Mo}7\text{O}{24}\cdot 4\text{H}_2\text{O}$, $0,643\text{ g } \text{Co(NO}_3)_2$ và $74,735\text{ g } \text{Mg(NO}_3)2$ trong dung dịch acid citric 25%, khuấy ở 50 °C (30 phút), sấy ở 450 °C, nung ở 550 °C trong dòng khí $\text{CO}2$ ($100\text{ mL/phút}$) trong 2 giờ. Mẫu đối chứng không chứa Mo ($\text{Mg}{0,99}\text{Co}{0,01}\text{O}$) được chế tạo song song.
    • Quá trình CVD nhiệt áp suất thấp diễn ra trong lò UP 150 (vùng nhiệt ổn định 300 mm, ống thạch anh đường kính trong 22 mm). Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng lên 1000 °C với tốc độ $5^\circ\text{C/phút}$ trong dòng khí Ar ($1000\text{ sccm}$). Tại 150 °C, chuyển sang hỗn hợp khí $\text{CH}_4\text{/H}_2$ với tỷ lệ thể tích $\text{CH}_4$ khảo sát ở các mức 18%, 20%, 22% và 24%.
  2. Quy trình làm sạch và chức hóa DWCNTs:
    • Ngâm bột thô trong dung dịch HCl 24 giờ (khuấy 400 v/p) để loại bỏ MgO, Co, Mo; lọc rửa qua màng $0,45\ \mu\text{m}$ về $\text{pH} = 7$.
    • Xử lý tiếp trong $440\text{ mL } \text{HNO}_3\ 3\text{ M}$ ở 130 °C trong 24 giờ; lọc rửa về $\text{pH} = 7$; sấy chân không.
    • Oxy hóa chọn lọc trong dòng khí $\text{CO}_2$ ($200\text{ sccm}$) ở 400 °C trong 90 phút theo phản ứng: $\text{CO}_2 + \text{C} \rightarrow 2\text{CO}$ để loại bỏ carbon vô định hình.
    • Biến tính bề mặt: Rung siêu âm $3\text{ g}$ DWCNTs trong $150\text{ mL } \text{H}_2\text{SO}_4\ 98%$ (10 phút), thêm $50\text{ mL } \text{HNO}_3$, khuấy ở 70 °C (500 v/p) trong 5 giờ, lọc rửa và phân tán vào nước khử ion đạt nồng độ $0,3\text{ g/L}$.
  3. Xử lý đế đồng và chế tạo màng tổ hợp:
    • Đế đồng ($25\ \mu\text{m}$, độ tinh khiết 99,8%, diện tích $3\times 5\text{ cm}^2$) được siêu âm trong acetone (20 phút, $T < 35^\circ\text{C}$), isopropanol (20 phút), sau đó đánh bóng điện hóa trong dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ ở hiệu điện thế $1,2\text{ V}$.
    • Chế tạo DWCNTs-Gr: Nhỏ $30\ \mu\text{L}$ dung dịch DWCNTs ($0,3\text{ g/L}$) lên đế đồng ($1\times 1\text{ cm}^2$), quay phủ ở 1000, 2000, 4000, 6000 v/p. Sấy ủ ở 60 °C trong khí Ar (60 phút), sau đó CVD nhiệt ở 1000 °C trong hỗn hợp $\text{CH}_4\text{/H}_2$ với thời gian khảo sát 5, 15, 30, 50 phút.
    • Chế tạo DWCNTs-AuNPs-Gr: Phối trộn dung dịch DWCNTs ($0,3\text{ g/L}$) và AuNPs ($0,2\text{ mM}$) theo các tỷ lệ thể tích 3:1, 1:1, 1:3, 1:5; quay phủ lên đế đồng đã xử lý và tiến hành CVD nhiệt.
    • Chế tạo $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$: Tổng hợp GO từ graphite theo phương pháp Hummer; tổng hợp hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tám mặt bằng phương pháp thủy nhiệt; phối trộn với Chitosan và DWCNTs theo các tỷ lệ khối lượng (M1-1, M1-5, M1-10, M1-15) qua phương pháp lắp ghép dung dịch.

Thiết bị và kỹ thuật phân tích

  • Hình thái và cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).
  • Cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học: Phổ tán xạ Raman (đánh giá tỷ số cường độ $I_D/I_G$, $I_{2D}/I_G$ và mode thở hướng kính RBM ở vùng $100\text{--}300\text{ cm}^{-1}$), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Đặc trưng điện hóa: Kỹ thuật vôn-ampe vòng (CV), vôn-ampe sóng vuông (SWV), vôn-ampe dải sóng vuông (SWSV) trên thiết bị phân tích điện hóa chuyên dụng với dung dịch đệm PBS $\text{pH} = 7,4$ chứa chất chỉ thị $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tổng thuật các kiến thức nền tảng và tài liệu khoa học liên quan đến cấu trúc, tính chất lý hóa của ống nano carbon (SWCNTs, DWCNTs, MWCNTs), màng 2 chiều graphene, hạt nano vàng (AuNPs) và hạt nano ôxít sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$). Tác giả phân tích các ưu điểm và hạn chế của các phương pháp chế tạo vật liệu đơn lẻ và vật liệu tổ hợp:

  • Phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay laser có năng suất thấp hoặc khó kiểm soát độ sạch; phương pháp CVD cho phép kiểm soát tốt cấu trúc và độ dày màng.
  • Phương pháp hóa học Hummer tạo GO thích hợp cho việc chế tạo vật liệu tổ hợp lắp ghép trong môi trường dung dịch.
  • Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học điện hóa sử dụng hệ ba điện cực và các kỹ thuật cố định phân tử sinh học (hấp phụ, liên kết cộng hóa trị, liên kết chéo qua glutaraldehyde) được làm rõ.
  • Tổng kết tình hình nghiên cứu vật liệu tổ hợp Gr-CNTs trong và ngoài nước, chỉ ra sự cần thiết của việc phát triển tổ hợp dựa trên DWCNTs kết hợp hạt nano kim loại và ôxít kim loại nhằm nâng cao tính chất dẫn điện và độ nhạy phân tích.

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm và phân tích

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình công nghệ, hóa chất và hệ thiết bị được sử dụng trong toàn bộ nghiên cứu:

  • Thiết lập hệ CVD nhiệt UP 150 với buồng phản ứng ống thạch anh, hệ điều khiển lưu lượng khí GMC 1200 và van vi chỉnh áp suất.
  • Quy trình tổng hợp xúc tác $\text{Mg}{0,99}\text{Co}{0,01-x}\text{Mo}_x\text{O}$ và khảo sát chế độ tổng hợp DWCNTs ở 1000 °C với các tỷ lệ thể tích khí $\text{CH}_4$ (18%, 20%, 22%, 24%).
  • Quy trình 3 giai đoạn làm sạch DWCNTs (axit HCl loại bỏ xúc tác, $\text{HNO}_3\ 3\text{ M}$ loại bỏ tạp kim loại còn sót và oxy hóa $\text{CO}_2$ ở 400 °C loại carbon vô định hình) cùng kỹ thuật chức hóa bề mặt bằng $\text{H}_2\text{SO}_4/\text{HNO}_3$.
  • Quy trình làm sạch và đánh bóng điện hóa đế đồng trong dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ ở $1,2\text{ V}$.
  • Quy trình công nghệ quay phủ và CVD nhiệt màng tổ hợp DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr trên đế đồng, kỹ thuật bóc tách và chuyển màng lên điện cực làm việc bằng màng đỡ PMMA.
  • Quy trình lắp ghép vật liệu tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ và phương pháp cố định enzyme ChOx, Urease phục vụ phân tích $\text{As(V)}$, CHO và GLY.

Chương 3: Nghiên cứu hình thái và tính chất của các loại vật liệu chế tạo được

Chương này trình bày các phát hiện thực nghiệm về vi cấu trúc, hình thái và tính chất lý hóa của các hệ vật liệu chế tạo:

                            [XÚC TÁC KIM LOẠI]
                       Mg(0.99)Co(0.01-x)Mo(x)O
                            [VẬT LIỆU DWCNTs]
      [TỔ HỢP DWCNTs-Gr]  [DWCNTs-AuNPs-Gr]  [GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs]
      (CVD trên đế Cu;    (CVD trên đế Cu;   (Phương pháp lắp ghép
       Quay phủ 4000 v/p)  Tỷ lệ 1:3)         với Chitosan)
       Cảm biến As(V)      Cảm biến CHO        Cảm biến GLY
       (LOD = 0,287 ppb)   (Độ nhạy 20,7 µA/mM) (0,1 - 1000 ppb)

  1. Vật liệu DWCNTs:

    • Sự hiện diện của Mo trong xúc tác ($\text{Mg}{0,99}\text{Co}{0,009}\text{Mo}_{0,001}\text{O}$) giúp tăng mật độ ống và đồng đều về số tường (chủ yếu là 2 tường) so với mẫu không chứa Mo.
    • Hàm lượng khí $\text{CH}_4\ 20%$ cho chất lượng DWCNTs tốt nhất với tỷ số $I_D/I_G$ trên phổ Raman thấp nhất, đường kính ống đồng đều.
    • Kết quả phân tích TGA và giản đồ XRD khẳng định quy trình làm sạch 3 bước đã loại bỏ hoàn toàn xúc tác kim loại và carbon vô định hình, giữ nguyên cấu trúc tinh thể của DWCNTs (xuất hiện rõ các đỉnh RBM trong vùng $100\text{--}300\text{ cm}^{-1}$).

  2. Vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr:

    • Tốc độ quay phủ DWCNTs lên đế đồng ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái mạng lưới: tốc độ $4000\text{ v/p}$ cho màng phân bố đồng đều nhất, không bị vón cục.
    • Thời gian CVD 15 phút cho chất lượng màng tối ưu: tỷ số $I_D/I_G$ đạt giá trị thấp, $I_{2D}/I_G > 1$ chứng minh màng graphene tạo thành có chất lượng cao ít sai hỏng, điện trở bề mặt giảm rõ rệt so với màng graphene đơn thuần.
Mẫu vật liệu Tốc độ quay phủ / Tỷ lệ Thời gian CVD (phút) Tỷ số $I_D/I_G$ Tỷ số $I_{2D}/I_G$ Đặc trưng điện trở bề mặt
Graphene trần (Gr) - 15 0,28 1,85 Cao
DWCNTs-Gr 1000 v/p 15 0,62 1,12 Trung bình
DWCNTs-Gr 2000 v/p 15 0,54 1,25 Trung bình
DWCNTs-Gr 4000 v/p 15 0,41 1,48 Thấp nhất
DWCNTs-Gr 6000 v/p 15 0,49 1,31 Thấp
DWCNTs-Gr (khảo sát thời gian) 4000 v/p 5 0,72 0,95 Cao
DWCNTs-Gr (khảo sát thời gian) 4000 v/p 15 0,41 1,48 Thấp nhất
DWCNTs-Gr (khảo sát thời gian) 4000 v/p 30 0,58 1,18 Trung bình
DWCNTs-Gr (khảo sát thời gian) 4000 v/p 50 0,69 1,02 Cao
DWCNTs-AuNPs-Gr Tỷ lệ 3:1 15 0,52 1,30 Thấp
DWCNTs-AuNPs-Gr Tỷ lệ 1:1 15 0,45 1,42 Thấp
DWCNTs-AuNPs-Gr Tỷ lệ 1:3 15 0,36 1,65 Thấp nhất
DWCNTs-AuNPs-Gr Tỷ lệ 1:5 15 0,48 1,35 Tăng nhẹ
  1. Vật liệu tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr và $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$:
    • Với DWCNTs-AuNPs-Gr, tỷ lệ thể tích DWCNTs ($0,3\text{ g/L}$) : AuNPs ($0,2\text{ mM}$) là 1:3 cho giá trị điện trở bề mặt thấp nhất, các hạt Au nano kích thước $\sim 20\text{ nm}$ phân bố xen kẽ đều đặn trên mạng lưới ống và màng graphene, quan sát rõ qua ảnh FE-SEM và AFM.
    • Với tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$, ảnh SEM và phổ FT-IR, XRD chứng minh các hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tám mặt kích thước đồng đều được bao bọc và phân tán xen kẽ giữa các lớp GO và mạng DWCNTs thông qua liên kết của màng Chitosan; tỷ số $I_D/I_G$ của các mẫu M1-1, M1-10, M1-15 phản ánh tương tác bề mặt ổn định giữa các cấu phần.

Chương 4: Ứng dụng của vật liệu tổ hợp trong cảm biến sinh học điện hóa

Chương 4 kiểm chứng khả năng phân tích thực tế của các điện cực biến tính trên 3 đối tượng:

  1. Phát hiện ion kim loại nặng $\text{As(V)}$:

    • Điện cực biến tính DWCNTs-Gr cho tín hiệu dòng oxy hóa khử trong dung dịch $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]$ cao vượt trội so với điện cực trần và điện cực phủ Gr đơn lớp.
    • Phép đo vôn-ampe sóng vuông (SWV) cho thấy cường độ dòng đỉnh đáp ứng tỷ lệ tuyến tính với nồng độ $\text{As(V)}$ trong dải nồng độ từ $1\text{ ppb}$ đến $10\text{ ppb}$.
    • Giới hạn phát hiện (LOD) đạt $0,287\text{ ppb}$ (thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn nước uống của WHO là $10\text{ ppb}$). Điện cực duy trì độ ổn định dòng đáp ứng tốt trong thời gian theo dõi 3 tuần tại nồng độ $6\text{ ppb}$.

  2. Phát hiện Cholesterol (CHO):

    • Sử dụng điện cực DWCNTs-AuNPs-Gr cố định enzyme Cholesterol Oxidase (ChOx). Giản đồ CV cho thấy dòng đỉnh tăng mạnh và thế dịch chuyển thuận lợi cho quá trình chuyển điện tích.
    • Phổ SWV xác định khoảng nồng độ tuyến tính rộng từ $0,5\text{ mM}$ đến $12\text{ mM}$, độ nhạy đạt $20,7\ \mu\text{A/mM}$. Thử nghiệm trên 3 điện cực chế tạo độc lập tại nồng độ $5\text{ mM}$ cho độ lặp lại cao với độ lệch chuẩn nhỏ.

  3. Phát hiện thuốc diệt cỏ Glyphosate (GLY):

    • Điện cực biến tính $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ cố định enzyme Urease. Cơ chế phát hiện dựa trên sự suy giảm dòng đỉnh oxy hóa khử của phản ứng phân hủy urê khi có mặt GLY (ức chế hoạt tính enzyme).
    • Khoảng tuyến tính phát hiện GLY mở rộng trong dải nồng độ từ $0,1\text{ ppb}$ đến $1000\text{ ppb}$. Thử nghiệm độ lặp lại trên 6 điện cực độc lập ở nồng độ $100\text{ ppb}$ cho tín hiệu ổn định.
Đối tượng phát hiện Vật liệu biến tính điện cực Kỹ thuật điện hóa Khoảng tuyến tính Giới hạn phát hiện (LOD) / Độ nhạy
Ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ DWCNTs-Gr SWV / DPV $1\text{--}10\text{ ppb}$ $\text{LOD} = 0,287\text{ ppb}$
Cholesterol (CHO) DWCNTs-AuNPs-Gr / ChOx CV / SWV $0,5\text{--}12\text{ mM}$ Độ nhạy $= 20,7\ \mu\text{A/mM}$
Glyphosate (GLY) $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ / Urease SWV $0,1\text{--}1000\text{ ppb}$ Dải đo $0,1\text{--}1000\text{ ppb}$

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ

  1. Làm chủ quy trình chế tạo màng tổ hợp DWCNTs-Gr: Đã nghiên cứu và xác lập các điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo màng tổ hợp DWCNTs-Gr trên đế đồng bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp. Điều kiện tối ưu đạt được khi quay phủ dung dịch DWCNTs nồng độ $0,3\text{ g/L}$ với tốc độ $4000\text{ v/p}$ trong thời gian 1 phút và thời gian CVD nhiệt 15 phút. Màng vật liệu thu được thể hiện tính chất điện và điện hóa vượt trội so với màng graphene đơn lẻ, ứng dụng biến tính điện cực phát hiện $\text{As(V)}$ trong khoảng $1\text{--}10\text{ ppb}$ với giới hạn phát hiện $0,287\text{ ppb}$.
  2. Chế tạo thành công tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr: Đã tổng hợp thành công màng tổ hợp ba thành phần DWCNTs-AuNPs-Gr trên đế đồng bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp với tỷ lệ thể tích dung dịch tối ưu giữa DWCNTs ($0,3\text{ g/L}$) và AuNPs ($0,2\text{ mM}$) là 1:3. Vật liệu thể hiện khả năng tăng cường tín hiệu dẫn truyền điện tử, được ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học cố định enzyme ChOx phát hiện cholesterol trong khoảng $0,5\text{--}12\text{ mM}$ với độ nhạy $20,7\ \mu\text{A/mM}$.
  3. Phát triển cảm biến sinh học tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$: Đã xây dựng quy trình lắp ghép vật liệu tổ hợp đa thành phần gồm graphene oxide, ống nano carbon hai tường, hạt sắt từ cấu trúc tám mặt kích thước $>800\text{ nm}$ và chitosan. Vật liệu được ứng dụng thành công trên cảm biến sinh học ức chế enzyme phát hiện dư lượng thuốc diệt cỏ glyphosate với khoảng nồng độ tuyến tính rộng từ $0,1\text{ ppb}$ đến $1000\text{ ppb}$.

Đề xuất và giải pháp kỹ thuật

  • Áp dụng quy trình làm sạch ba giai đoạn kết hợp xử lý oxy hóa nhiệt trong dòng khí $\text{CO}_2$ ở 400 °C để thu nhận DWCNTs có độ sạch cao và bảo toàn cấu trúc mạng tinh thể.
  • Sử dụng phương pháp đánh bóng điện hóa bề mặt đế đồng trong $\text{H}_3\text{PO}_4$ ở điện thế $1,2\text{ V}$ nhằm tạo bề mặt phẳng nhẵn đồng đều trước khi quay phủ và lắng đọng màng CVD.
  • Định hướng tích hợp các màng vật liệu tổ hợp trên hệ điện cực in ba chân (screen-printed electrodes) nhằm phát triển các thiết bị phân tích điện hóa cầm tay phục vụ quan trắc môi trường và xét nghiệm y sinh tại chỗ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Các khảo sát cảm biến sinh học trong luận án được tiến hành chủ yếu trong môi trường dung dịch đệm giả lập phòng thí nghiệm (PBS chứa chất chỉ thị oxy hóa khử $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]$); chưa mở rộng đánh giá toàn diện trên các mẫu nước thải thực tế có nền ion kim loại phức tạp hoặc mẫu huyết thanh thực tế từ bệnh nhân có nhiều protein gây nhiễu cạnh tranh.
  • Quy trình bóc tách màng CVD từ đế đồng và chuyển màng bằng màng đỡ polymer PMMA lên điện cực làm việc đòi hỏi nhiều thao tác thủ công, tiềm ẩn nguy cơ tạo khuyết tật cục bộ trên màng tổ hợp khi mở rộng quy mô.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình chế tạo màng tổ hợp trực tiếp trên các bề mặt điện cực in thương mại mà không cần qua bước chuyển màng trung gian.
  • Khảo sát độ chọn lọc, độ ổn định dài hạn và ảnh hưởng của các chất cản trở (ion kim loại nặng khác, acid uric, acid ascorbic, glucose) trên các mẫu bệnh phẩm huyết thanh và mẫu nước ngầm thực địa.
  • Tích hợp hệ điện cực biến tính vào các chip vi lưu (microfluidic chips) nhằm phát triển hệ thống phân tích tự động hóa đa chỉ tiêu.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Vật liệu và linh kiện nano, Vật lý kỹ thuật, Hóa phân tích, Công nghệ môi trường và Kỹ thuật y sinh. Luận án cung cấp các thông số công nghệ chi tiết về chế tạo xúc tác $\text{Mg}{0,99}\text{Co}{0,01-x}\text{Mo}_x\text{O}$, quy trình CVD áp suất thấp, kỹ thuật làm sạch DWCNTs và phương pháp xử lý bề mặt đế đồng.
  • Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị cảm biến: Tham khảo quy trình chế tạo màng nhạy đa thành phần kết hợp hạt nano kim loại và ôxít từ tính, phương pháp cố định enzyme bằng liên kết chéo và kỹ thuật đo điện hóa sóng vuông (SWV) để xác định nồng độ các chất ở mức hàm lượng vết (ppb).
  • Cơ quan quản lý môi trường và y tế: Nắm bắt các giải pháp công nghệ cảm biến điện hóa có độ nhạy cao phục vụ cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước ngầm ($\text{As(V)}$), giám sát dư lượng thuốc bảo vệ thực vật bị cấm (GLY) và hỗ trợ chẩn đoán nhanh các chỉ số tim mạch (CHO).

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa dung dịch DWCNTs và AuNPs trong chế tạo màng tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr là bao nhiêu và độ nhạy phát hiện Cholesterol đạt được là bao nhiêu?

Tỷ lệ thể tích tối ưu giữa dung dịch DWCNTs ($0,3\text{ g/L}$) và hạt nano vàng AuNPs ($0,2\text{ mM}$) là 1:3. Màng tổ hợp này sau khi chế tạo bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp và cố định enzyme ChOx cho độ nhạy phát hiện cholesterol đạt $20,7\ \mu\text{A/mM}$ trong khoảng tuyến tính từ $0,5\text{ mM}$ đến $12\text{ mM}$.

2. Giới hạn phát hiện (LOD) và dải đo của cảm biến biến tính DWCNTs-Gr đối với ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ đạt giá trị bao nhiêu?

Cảm biến điện hóa sử dụng màng tổ hợp DWCNTs-Gr có khoảng tuyến tính phát hiện ion $\text{As(V)}$ từ $1\text{ ppb}$ đến $10\text{ ppb}$ với giới hạn phát hiện (LOD) đạt $0,287\text{ ppb}$. Mức LOD này thấp hơn tiêu chuẩn quy định cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đối với nước uống ($10\text{ ppb}$).

3. Quy trình làm sạch vật liệu DWCNTs sau khi tổng hợp bằng CVD gồm những bước xử lý nào?

Quy trình làm sạch gồm 3 bước hóa - nhiệt:

  1. Ngâm $2\text{ g}$ bột thô trong $50\text{ mL } \text{HCl}$ trong 24 giờ (khuấy 400 v/p), lọc rửa bằng nước cất qua màng lọc $0,45\ \mu\text{m}$ đến $\text{pH} = 7$ để hòa tan MgO, Co và Mo.
  2. Xử lý trong $440\text{ mL } \text{HNO}_3\ 3\text{ M}$ ở 130 °C trong 24 giờ (khuấy 400 v/p), lọc rửa về $\text{pH} = 7$ và sấy chân không để loại bỏ triệt để tạp kim loại còn sót.
  3. Oxy hóa nhiệt trong môi trường khí $\text{CO}_2$ ($200\text{ sccm}$) ở 400 °C trong 90 phút theo phản ứng $\text{CO}_2 + \text{C} \rightarrow 2\text{CO}$ để loại bỏ thành phần carbon vô định hình.

4. Vì sao tác giả lựa chọn hạt sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ cấu trúc tám mặt kích thước lớn ($>800\text{ nm}$) để chế tạo tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$?

Các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ kích thước nhỏ (hàng chục nanomet) thường có từ độ bão hòa thấp và dễ bị suy giảm đặc tính từ do phải bọc chất hoạt động bề mặt để chống tụ đám. Ngược lại, hạt sắt từ cấu trúc tám mặt kích thước lớn ($>800\text{ nm}$) tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có từ độ bão hòa cao hơn, cấu trúc tinh thể hoàn hảo, diện tích bề mặt hiệu dụng thuận lợi và ít bị ảnh hưởng bởi chất hoạt động bề mặt, giúp tăng cường tín hiệu điện hóa và khả năng hấp phụ trong cảm biến sinh học.

5. Cảm biến sinh học $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ phát hiện thuốc diệt cỏ Glyphosate trong dải nồng độ nào?

Cảm biến sinh học điện hóa dựa trên cơ chế ức chế enzyme Urease của vật liệu tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ cho khoảng phát hiện tuyến tính đối với Glyphosate (GLY) trải rộng từ $0,1\text{ ppb}$ đến $1000\text{ ppb}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Nguyễn Đức Dược đã nghiên cứu và làm chủ quy trình công nghệ chế tạo các hệ vật liệu tổ hợp đa thành phần gồm DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp trên đế đồng và tổ hợp $\text{GO/DWCNTs@Fe}_3\text{O}_4\text{/Cs}$ bằng phương pháp lắp ghép. Các đặc trưng cấu trúc, hình thái và tính chất điện hóa của vật liệu đã được khảo sát bằng các phép phân tích FE-SEM, HR-TEM, AFM, Raman, FT-IR, TGA, XRD, CV và SWV. Kết quả thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng của các màng tổ hợp nano trong việc nâng cao độ nhạy, mở rộng dải tuyến tính và hạ thấp giới hạn phát hiện đối với ion kim loại nặng $\text{As(V)}$, cholesterol và hoạt chất thuốc diệt cỏ glyphosate. Công trình cung cấp các số liệu thực nghiệm và thông số công nghệ có giá trị tham khảo cho lĩnh vực khoa học vật liệu nano và kỹ thuật cảm biến sinh học điện hóa.