Tổng Hợp Nanostructures Ni(OH)2 Để Đo Glucose Tại HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Glucose (công thức phân tử: C6H12O6, tên IUPAC: (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6 pentahydroxylhexanal) là monosaccharide phổ biến nhất. Glucose có hai loại vòng, α-D-Glucose và β-D-Glucose, là nguồn năng lượng chính của tế bào trong cơ thể. Glucose trong máu được sản xuất từ quá trình trao đổi chất của carbohydrate có trong thực phẩm. Hơn nữa, nó cũng có thể được sản xuất từ các hormone như glucagon, adrenalin, cortisol và hormone tăng trưởng (GH). Nồng độ glucose trong máu bị ảnh hưởng bởi hai hệ thống hormone: insulin có vai trò làm giảm nồng độ glucose trong máu, trong khi các hormone glucagon, adrenalin, cortisol và GH làm giảm nồng độ glucose. Trong điều kiện bình thường, glucose được lọc qua cầu thận và được tái hấp thu hoàn toàn bởi ống thận. Do đó, trong cơ thể người khỏe mạnh, glucose không thể được tìm thấy trong nước tiểu. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ glucose của ống thận chỉ đạt được khi nồng độ glucose trong máu nhỏ hơn 180 mg/dL (tương đương 10 mM). Do đó, việc theo dõi glucose trong máu đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện rối loạn chuyển hóa glucose trong bệnh tiểu đường.

Cảm biến sinh học (biosensor), với nhiều ứng dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán y sinh, theo dõi bệnh tật, phát hiện thuốc và nhiều lĩnh vực khác. Một biosensor là một thiết bị tạo ra các tín hiệu tỷ lệ với nồng độ chất phân tích trong các phản ứng sinh học hoặc hóa học để theo dõi chất phân tích đó. Tín hiệu đầu ra trong các biosensor điện hóa được tạo ra bởi các liên kết đặc hiệu hoặc các phản ứng xúc tác của vật liệu sinh học (ví dụ: enzyme, kháng thể và DNA) được sửa đổi trên bề mặt điện cực kim loại hoặc carbon. Trong nhiều năm gần đây, các biosensor điện hóa đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như trong khám phá thuốc, theo dõi chất lượng thực phẩm và xác định kim loại nặng trong hệ thống nước.

Cảm biến glucose điện hóa có thể phát hiện một phạm vi rộng các mức glucose. Các tín hiệu điện hóa được theo dõi và chuyển đổi thành các mức glucose tương ứng. Việc theo dõi liên tục mức glucose trong máy đo đường huyết cá nhân đã dựa nhiều vào phát hiện amperometric dựa trên các phản ứng enzyme. Nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành để cải thiện cấu trúc của điện cực, các quy trình chức năng hóa bề mặt và các phương pháp phân tích điện hóa để phát triển các phép đo nhạy hơn và chế độ hoạt động chọn lọc. Nhiều hệ thống theo dõi glucose, cả xâm lấn và theo dõi glucose trong máu trực tiếp, đã được phát triển, cho phép kiểm soát bệnh tiểu đường thân thiện với bệnh nhân.

Trong khi cảm biến glucose không enzyme có độ nhạy cao, ổn định lâu dài và chi phí thấp, chúng đã thu hút sự chú ý đáng kể để khắc phục những nhược điểm của cảm biến glucose enzyme. Cảm biến điện hóa glucose không enzyme đã được phát triển dựa trên quá trình oxy hóa hoặc khử glucose trực tiếp trên bề mặt điện cực. Các kim loại quý khác nhau (Pt, Au,...), kim loại chuyển tiếp (Cu, Co, Ni,...) và oxit hoặc hydroxit kim loại chuyển tiếp của chúng (Cu2O, Co3O4, NiO, Ni(OH)2...) đã được nghiên cứu để cảm biến không enzyme.

Nhiều phương pháp đã được sử dụng để tổng hợp nickel(II) hydroxide, chẳng hạn như kết tủa hóa học, tổng hợp sol-gel, và tổng hợp nhiệt dịch và solvothermal. Trong các phương pháp này, bột Ni(OH)2 được tổng hợp và cố định trên một điện cực với một chất kết dính. Các chất kết dính bổ sung có thể có một số nhược điểm, chẳng hạn như tăng khối lượng điện cực, giảm thời gian chu kỳ và tốc độ vận chuyển điện tích, và biến tính vật liệu, tất cả những điều này có thể ảnh hưởng đến tín hiệu cảm biến.

Sự phát triển của Ni(OH)2 trực tiếp trên một chất nền dẫn điện là có thể bằng cách lắng đọng điện hóa, tuy nhiên quá trình này đòi hỏi thiết bị điện hóa đắt tiền. Hơn nữa, vì điện cực cảm biến yêu cầu một kết nối điện để lắng đọng vật liệu lên vùng cảm biến, sản xuất quy mô lớn biosensor bằng cách lắng đọng điện hóa bị hạn chế. Để tạo ra một cảm biến điện hóa ổn định, cần có một phương pháp lắng đọng in situ tức thời các cấu trúc nano Ni(OH)2 trên một chất nền xốp, chẳng hạn như bọt niken (NF). Diện tích bề mặt rộng của vật liệu cảm biến đặt trên chất nền xốp cũng rất quan trọng đối với hiệu suất của cảm biến.

Mục tiêu của luận án là "Chế tạo cấu trúc nano Ni(OH)2 trực tiếp trên điện cực bọt niken bằng phương pháp hóa học đơn giản, nhanh chóng và chi phí thấp để ứng dụng cho cảm biến glucose không enzyme".

Các mục tiêu của luận án này là: (1) Tổng hợp trực tiếp cấu trúc nano Ni(OH)2 trên điện cực bọt niken thông qua một quy trình tạo điều kiện tức thời; (2) Nghiên cứu các tính chất vật lý-hóa học của vật liệu tổng hợp; (3) Nghiên cứu các hành vi điện hóa của Ni(OH)2 tổng hợp đối với glucose trong dung dịch kiềm.

Cảm biến Ni(OH)2/NF ổn định và có độ nhạy tuyệt vời với giới hạn phát hiện thấp dựa trên tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là 3 và độ chọn lọc cao để phát hiện glucose khi có các chất gây nhiễu thông thường.

Điện cực Ni(OH)2/Ni đã được thử nghiệm thành công trong việc đo nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh thực. Điện cực Ni(OH)2/NF chế tạo có thể được sử dụng làm nền tảng chi phí thấp, nhạy, ổn định và chọn lọc cho cảm biến glucose không enzyme.

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp nanostructures Ni(OH)2 trên bọt niken (NF) bằng phương pháp hóa học đơn giản, mở ra tiềm năng lớn cho việc phát triển cảm biến glucose không enzyme hiệu quả và chi phí thấp. Các kết quả cho thấy cảm biến Ni(OH)2/NF có độ nhạy cao, ổn định và chọn lọc, hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh và kiểm soát chất lượng thực phẩm.

Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải thiện độ bền của cảm biến và mở rộng ứng dụng trong các môi trường phức tạp hơn.