Chương 1: Tổng quan 6 Trong chương này, luận án trình bày tổng quan về các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs và mối liên hệ giữa nồng độ hơi thở VOCs với các bệnh thường gặp ở người, từ đó đưa ra bệnh tiểu đường và mối liên hệ với hợp chất VOCs, cảm biến khí phân tích hơi thở để chuẩn đoán bệnh, cảm biến khí sử dụng ô xít kim loại bán dẫn. Tổng quan về tình hình nghiên cứu cảm biến phân tích khí VOCs, cơ chế nhạy khí của vật liệu ô xít kim loại bán dẫn với khí VOCs, từ đó giới thiệu vật liệu ô xít kim loại bán dẫn Zn2SnO4 và các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến khí. Chương 2: Thực nghiệm Trong chương này, luận án trình bày các phương pháp thực nghiệm và các quy trình thí nghiệm để chế tạo các cấu trúc nano của vật liệu Zn2SnO4 với các hình thái học khác nhau như dạng hạt nano, khối lập phương rỗng, khối bát diện rỗng đã được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Ngoài ra, luận án cũng trình bày phương pháp biến tính bề mặt khối lập phương và bát diện rỗng Zn2SnO4 bằng hạt nano Pt sử dụng phương pháp nhỏ trực tiếp nhằm cải thiện các đặc tính của cảm biến.
Quy trình công nghệ chế tạo các cảm biến trên cơ sở màng nhạy khí là vật liệu nano Zn2SnO4 với cấu trúc hình thái khác nhau cũng được giới thiệu một cách chi tiết. Cuối cùng là phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí VOCs của cảm biến. Chương 3: Nghiên cứu, chế tạo hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí VOCs của vật liệu Zn2SnO4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Trong chương này, luận án trình bày các kết quả nghiên cứu về hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí VOCs của vật liệu nano Zn2SnO4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt.
Các nghiên cứu về tính chất nhạy khí của các cảm biến với ba loại khí VOCs là acetone, ethanol, methanol đã được trình bày một cách chi tiết, từ đó tìm ra đặc điểm, cấu trúc nano thích hợp của vật liệu Zn2SnO4 để cải thiện các thông số của cảm biến như độ đáp ứng, độ nhạy, độ ổn định. Tác giả cũng thảo luận về mối liên hệ giữa hình thái vật liệu, độ xốp, kích thước mao quản ảnh hưởng đến tính chất nhạy khí của cảm biến. Chương 4: Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu Zn2SnO4 bằng hạt nano Pt nhằm cải thiện khả năng nhạy khí acetone cho cảm biến. 7 Trong chương này, hình thái, vi cấu trúc và tính chất của hạt nano Pt và vật liệu Zn2SnO4 biến tính bằng hạt nano Pt với các nồng độ khác nhau đã được nghiên cứu và trình bày một cách chi tiết.
Luận án cũng so sánh các thông số từ kết quả thực nghiệm khảo sát tính chất nhạy khí acetone của cảm biến khí trên cơ sở khối bát diện rỗng Zn2SnO4 không biến tính so với hình thái Zn2SnO4 sau khi được biến tính bề mặt bằng hạt nano Pt đối với khí acetone. Giải thích vai trò của kim loại xúc tác Pt ảnh hưởng đến các thông số của cảm biến. Kết luận và kiến nghị Trong phần tổng kết của luận án, nghiên cứu sinh rút ra các kết quả nổi bật, trọng tâm có ý nghĩa khoa học mà luận án đã thực hiện được. Đồng thời đề cập những hạn chế của luận án cần được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện.
Tổng quan về cảm biến khí VOCs 1. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và mối liên hệ với các bệnh thường gặp Phân tích hơi thở có từ thời cổ đại khi Hippocrates dạy học trò của mình cách phân tích mùi hơi thở để xác định bệnh nhân mắc bệnh gan, tiểu đường, suy thận [2]. Năm 1798, mùi táo thối thoát ra được John Gallo mô tả và 59 năm sau (1857), mùi này được xác định là acetone, được coi là dấu ấn sinh học đầu tiên của bệnh tiểu đường [2]. Năm 1971, Linus Pauling xuất bản bài báo chứng minh phương pháp phân tích dùng để xác định khoảng 250 hợp chất trong hơi thở [3].
Mốc thời gian này được coi là điểm khởi đầu cho sự phát triển của phân tích hơi thở [2]. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng có khoảng 3500 hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) khác nhau trong hơi thở của con người [37]. Các thành phần chính của hơi thở là nitơ, oxy, CO2, nước và VOCs. Nồng độ VOCs trong hơi thở thường tính bằng phần triệu (ppm), phần tỷ (ppb) hoặc phần nghìn tỷ (ppt).
Các khí VOCs trong hơi thở được sử dụng như các chỉ dấu sinh học để phân tích và đưa ra một số tình trạng bệnh cụ thể, chẳng hạn như ung thư phổi, hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD), ung thư vú và tiểu đường [2], [3].1 mô tả ảnh hưởng của nồng độ và thành phần của VOCs: các VOCs phát ra từ các tế bào ung thư khác với các yếu tố phát ra từ môi trường vi mô xung quanh, dẫn đến tỷ lệ glycolysis cao và ảnh hưởng tới hệ thống miễn dịch. Enzyme gan làm tăng quá trình dị hóa các sản phẩm VOCs gây ra bởi hydrocarbon thơm trong khói thuốc lá, dẫn đến tăng nguy cơ ung thư. Những thay đổi trong thành phần máu có thể được phản ánh trong hơi thở, thông qua trạng thái cân bằng tức thời giữa nồng độ của chúng trong máu phổi và không khí trong phế nang của phổi theo biến thiên nồng độ [38]. Konvalina và cộng sự [1] đã tìm ra sự liên quan giữa các nồng độ hơi thở của 54 khí VOCs khác nhau ảnh hưởng tới 17 bệnh chính thường gặp (Hình 1.
Các bệnh chủ yếu rơi vào hai nhóm sau: (i) các bệnh về hệ hô hấp; (ii) các bệnh liên quan đến rối loạn chuyển hóa, ví dụ, chứng hôi miệng ngoài, suy thận, tiểu đường, bệnh gan mãn tính và tăng hypermethioninemia.1 Mối liên hệ giữa các hợp chất VOCs với dấu hiệu bệnh trên các bộ phận trong cơ thể con người qua phân tích hơi thở [38].2 Bản đồ nồng độ của các hợp chất VOCs đối với các bệnh khác nhau [1]. 10 Các hợp chất được viết tắt: carbon monoxide (CO), 1,2,4-trimethylbenzene (TMB), 6-methyl-5-hepten-2-one (MHO) và 2,2,4,6,6-pentamethylheptane (PMH). Các bệnh viết tắt: COPD- Bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính; Asthma- Bệnh hen suyễn. Trong các bệnh kể trên, bệnh tiểu đường là một trong những căn bệnh mãn tính nguy hiểm, có nguy cơ tử vong cao.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), trên toàn cầu, ước tính mỗi năm có 422 triệu người trưởng thành mắc bệnh đái tháo đường và khoảng 4,2 triệu trường hợp tử vong ở người trưởng thành trong độ tuổi từ 20 đến 79 tuổi (chiếm 11,3 %) có liên quan trực tiếp đến bệnh đái tháo đường. Người ta ước tính rằng gần một nửa số ca tử vong này (1,9 triệu người) (tương ứng 46,2 %) xảy ra ở người lớn trên 60 tuổi [39]. Theo Liên đoàn đái tháo đường quốc tế (IDF), năm 2019, thế giới có 135,6 triệu người mắc bệnh đái tháo đường, trong đó độ tuổi từ 65 đến 99 tuổi (chiếm 19,3 %). Con số này dự kiến sẽ tăng lên 195,2 triệu người vào năm 2030, và con số này sẽ là 276,2 triệu người vào năm 2045 [40].
Tuy nhiên, gần một nửa (46,5 %) số người sống chung với bệnh tiểu đường (từ 20 đến 79 tuổi) không được chẩn đoán. Tỷ lệ mắc bệnh đái tháo đường ở phụ nữ và nam giới năm 2019 được dự báo lần lượt là 9,0 % và 9,6 % (theo nhóm tuổi trong Hình 1. Nhiều người đang sống chung với bệnh tiểu đường tuýp 2 trong một thời gian dài mà không hề hay biết về tình trạng bệnh. Đến khi phát hiện ra bệnh thì thường kèm theo các biến chứng của bệnh.
Theo tổ chức y tế thế giới, tỷ lệ mắc bệnh đái tháo đường ở các nước thu nhập cao chiếm 10,4 %, và các nước thu nhập trung bình (9,5 %) cao hơn các nước thu nhập thấp (4,0 %). Đến năm 2045, tỷ lệ đái tháo đường dự kiến lần lượt là 11,9 %; 11,8 % và 4,7 % ở các nước có thu nhập cao, trung bình và thấp [39]. Nguyên nhân gây ra bệnh tiểu đường là do cơ thể thiếu insulin, chất béo được sử dụng để tạo năng lượng chứ không sử dụng glucose, do đó Ketone (bao gồm 3 chất chính yếu: acetone, acetone acetic, axit beta-hydroxybutyric, là sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa chất béo không hoàn toàn) tích tụ trong hoạt động trao đổi chất dẫn đến nồng độ acetone trong hơi thở của bệnh nhân tiểu đường thường cao hơn so với người bình thường. Acetone đã được nghiên cứu chi tiết và có liên quan đến quá trình phân hủy chất béo của cơ thể, vì vậy nó được dự 11 đoán là một chỉ số chính để đốt cháy chất béo.
Theo dõi acetone trong hơi thở mà con người thở ra có thể coi là dấu ấn sinh học của bệnh tiểu đường. Nồng độ acetone trong hơi thở của bệnh nhân tiểu đường cao hơn so với người khỏe mạnh. Đối với người khỏe mạnh, nồng độ acetone trong hơi thở nhỏ hơn 0,9 ppm; còn đối với bệnh nhân tiểu đường thì nồng độ acetone trung bình từ 0,9 ppm đến 1,8 ppm, và đối với bệnh nhân tiểu đường nặng thì nồng độ acetone có thể lên đến vài chục ppm [3]. Nồng độ acetone tăng lên ở những bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường ở mức độ không kiểm soát được.
Chính vì vậy, việc theo dõi nồng độ acetone trong hơi thở có thể được coi là một trong những dấu hiệu sinh học của bệnh và mục tiêu trong tương lai của nó là giảm lượng đường trong máu đo được hàng ngày. Do đó cần phải có phương pháp theo dõi và chuẩn đoán bệnh tiểu đường thông qua kỹ thuật phân tích hơi thở. Kỹ thuật phân tích hơi thở Theo Hiệp hội Đái tháo đường Hoa Kỳ, xét nghiệm máu vẫn là “tiêu chuẩn vàng” cho các quyết định chẩn đoán. Tuy nhiên, việc tìm kiếm các xét nghiệm sàng lọc để theo dõi bệnh tiểu đường trong giai đoạn đầu là yếu tố chính làm tăng thời gian sống sót của bệnh nhân [3].
Các kỹ thuật đo lường không xâm lấn như phân tích hơi thở sẽ giúp người bệnh giảm đau, đặc biệt đối với những người đang mắc bệnh tiểu đường mà phải lấy mẫu máu ba lần/ngày [42].4 Sơ đồ mô tả quá trình phân tích hơi thở theo thời gian thực liên tục phản ánh tình trạng lâm sàng của người bệnh [43]. Phân tích hơi thở đã được coi là một phương pháp xét nghiệm không xâm lấn, an toàn và đáng tin cậy để theo dõi chi tiết các quá trình trao đổi chất sinh học và sinh lý trong cơ thể con người (Hình 1.