Luận văn thạc sĩ hus tổng hợp thanh nano zno trên đế điện cực in pcb ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường vật chất 604401

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in PCB, ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường.

• Tác giả: Đỗ Phương Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Mai Hồng Hạnh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in (PCB) ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. CẢM BIẾN SINH HỌC
• 1.2. CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƯỢNG GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO ZnO
• 1.2.1. Tổng quan về vật liệu nano ZnO
• 1.2.2. Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP THANH NANO ZnO
• 1.3.1. Phương pháp CVD
• 1.3.2. Phương pháp phún xạ
• 1.3.3. Phương pháp VLS (Vapor-Liquid-Solid)
• 1.3.4. Phương pháp thuỷ nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. CÁC LOẠI HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ TỔNG HỢP THANH NANO ZnO THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT KẾT HỢP HIỆU ỨNG PIN GALVANIC
• 2.2. QUY TRÌNH TỔNG HỢP THANH NANO ZnO
• 2.2.1. Quy trình xử lí mẫu
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp thanh nano ZnO
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO ZnO
• 2.3.1. Phương pháp, thiết bị khảo sát hình thái, cấu trúc thanh nano ZnO
• 2.3.2. Phương pháp, thiết bị khảo sát tính chất quang của thanh nano ZnO
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA THANH NANO ZnO
• 3.1.1. Hình thái học của thanh nano ZnO
• 3.1.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG
• 3.1.3. ỨNG DỤNG THANH NANO ZnO VÀO CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME
• 3.1.4. KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN
• 3.1.4.1. Khảo sát độ nhạy của cảm biến
• 3.1.4.2. Cơ chế giảm cường độ phát xạ PL
• 3.1.5. KHẢO SÁT ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN
• 3.1.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của Uric Acid (UA), Ascobic Acid (AA), Albumin Bovin Serum (BSA)
• 3.1.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của fructose, maltose, sucrose lên phổ huỳnh quang của ZnO
• 3.1.6. PHÁT HIỆN GLUCOSE TRONG MẪU HUYẾT THANH CỦA MÁU NGƯỜI
• 3.1.7. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB

Tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in PCB là một lĩnh vực nghiên cứu đang thu hút sự chú ý trong ngành công nghệ cảm biến. ZnO, với các tính chất quang học và điện hóa nổi bật, đã được chứng minh là một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến. Việc sử dụng đế PCB không chỉ giúp giảm chi phí mà còn cải thiện tính khả thi trong sản xuất hàng loạt. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về các phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO và ứng dụng của chúng trong cảm biến huỳnh quang đo đường.

1.1. Tính chất và ứng dụng của thanh nano ZnO

Thanh nano ZnO có nhiều tính chất quang học và điện hóa đặc biệt, bao gồm khả năng phát quang mạnh mẽ và độ nhạy cao trong việc phát hiện glucose. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với cấu trúc nano, ZnO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến huỳnh quang. Đặc biệt, các ứng dụng trong y sinh học cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị cảm biến không sử dụng enzyme.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng đế PCB trong tổng hợp

Đế PCB mang lại nhiều lợi ích cho quá trình tổng hợp thanh nano ZnO. Đầu tiên, chi phí sản xuất thấp hơn so với các loại đế khác như GaN hay Si. Thứ hai, tính dẫn điện tốt của PCB giúp cải thiện hiệu suất của cảm biến. Cuối cùng, việc sử dụng đế PCB giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất, từ đó tăng khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

II. Thách thức trong tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB cũng gặp phải một số thách thức. Độ định hướng của thanh nano ZnO thường không cao khi so với các đế khác, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Hơn nữa, sự xuất hiện của tạp chất trong quá trình tổng hợp cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Độ định hướng của thanh nano ZnO

Độ định hướng của thanh nano ZnO là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến. Khi tổng hợp trên đế PCB, độ định hướng thường không đạt yêu cầu, dẫn đến việc giảm hiệu suất phát quang và độ nhạy của cảm biến. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa điều kiện tổng hợp có thể cải thiện đáng kể độ định hướng này.

2.2. Vấn đề tạp chất trong quá trình tổng hợp

Sự xuất hiện của tạp chất trong quá trình tổng hợp thanh nano ZnO có thể làm giảm chất lượng và hiệu suất của cảm biến. Các tạp chất này có thể đến từ nguyên liệu đầu vào hoặc từ quá trình tổng hợp. Việc kiểm soát và loại bỏ tạp chất là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

III. Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO hiệu quả trên đế PCB

Để tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu. Trong đó, phương pháp thủy nhiệt kết hợp với hiệu ứng pin Galvanic đã cho thấy hiệu quả cao trong việc tạo ra các thanh nano ZnO với cấu trúc và tính chất mong muốn. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí.

3.1. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp thanh nano ZnO. Phương pháp này sử dụng dung dịch nước để tạo ra các thanh nano ZnO trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy, thanh nano ZnO thu được có độ tinh khiết cao và cấu trúc đồng nhất.

3.2. Hiệu ứng pin Galvanic trong tổng hợp

Hiệu ứng pin Galvanic được áp dụng để cải thiện quá trình tổng hợp thanh nano ZnO. Phương pháp này giúp tăng cường sự hình thành của các thanh nano và cải thiện độ định hướng của chúng. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc kết hợp hai phương pháp này có thể tạo ra các thanh nano ZnO với hiệu suất cao hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến huỳnh quang đo đường

Cảm biến huỳnh quang đo đường sử dụng thanh nano ZnO đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát hiện nồng độ glucose trong máu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến này có độ nhạy cao và khả năng chọn lọc tốt, giúp phát hiện chính xác nồng độ glucose mà không cần sử dụng enzyme.

4.1. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến

Độ nhạy và độ chọn lọc là hai yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của cảm biến huỳnh quang đo đường. Các thí nghiệm cho thấy, cảm biến sử dụng thanh nano ZnO có thể phát hiện nồng độ glucose trong khoảng từ 0.1 mM đến 10 mM với độ nhạy cao. Hơn nữa, cảm biến này cũng cho thấy khả năng chọn lọc tốt khi không bị ảnh hưởng bởi các chất khác có trong máu.

4.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả từ các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy, cảm biến huỳnh quang đo đường sử dụng thanh nano ZnO có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế. Các mẫu huyết thanh từ bệnh nhân đã được thử nghiệm và cho kết quả chính xác, chứng minh tính khả thi của cảm biến trong ứng dụng y sinh học.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu về tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB cho cảm biến huỳnh quang đo đường đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Kết quả cho thấy, việc sử dụng thanh nano ZnO không chỉ cải thiện hiệu suất cảm biến mà còn giảm chi phí sản xuất. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của cảm biến trong các lĩnh vực khác.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thanh nano ZnO tổng hợp trên đế PCB có thể được sử dụng hiệu quả trong cảm biến huỳnh quang đo đường. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến đạt yêu cầu, cho thấy tiềm năng lớn trong ứng dụng thực tiễn.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc phát triển các cảm biến mới sử dụng các vật liệu nano khác, cũng như cải thiện quy trình tổng hợp để tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của cảm biến. Việc mở rộng ứng dụng của cảm biến trong các lĩnh vực như y tế và môi trường cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ Liên đoàn Đái tháo đường Thế giới (IDF), bệnh tiểu đường đang là một trong những nguyên nhân gây tử vong và tàn tật hàng đầu trên toàn cầu, khi cứ khoảng 6 giây lại có 1 người tử vong do các biến chứng liên quan. Dự báo đến năm 2045, tổng số bệnh nhân đái tháo đường trên toàn thế giới sẽ vượt mốc 629 triệu người. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các thiết bị theo dõi đường huyết định kỳ có độ chính xác cao và giá thành hợp lý. Hiện nay, các dòng cảm biến đo đường huyết chiếm tới hơn 85% thị phần trong lĩnh vực thiết bị cảm biến y sinh.

Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị thương mại hiện nay vẫn sử dụng cảm biến sinh học chứa enzyme với nhược điểm lớn là độ bền kém, dễ bị biến tính bởi nhiệt độ, độ ẩm, độ pH và chịu ảnh hưởng mạnh bởi các chất cản trở trong máu như acid uric hay acid ascorbic. Để giải quyết triệt để vấn đề này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung nghiên cứu chế tạo cảm biến huỳnh quang đo nồng độ glucose không sử dụng enzyme (NEG) dựa trên cấu trúc thanh nano kẽm oxit (ZnO).

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là tổng hợp thành công thanh nano ZnO định hướng cao trực tiếp trên đế bảng mạch in (PCB) giá rẻ thông qua phương pháp thủy nhiệt cải tiến, kết hợp hiệu ứng pin Galvanic và pha bão hòa. Nghiên cứu mở ra hướng đi đột phá giúp giảm hơn 70% chi phí sản xuất đế cảm biến so với các loại đế sapphire hay màng dẫn FTO/ITO truyền thống, đồng thời đảm bảo độ nhạy quang học vượt trội và khả năng đo hàm lượng đường chính xác trong mẫu huyết thanh người thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn nhóm II-VI và cơ chế dập tắt huỳnh quang quang học (Photoluminescence Quenching). Tinh thể ZnO cấu trúc lục giác Wurtzite (nhóm không gian P63mc) là chất bán dẫn vùng cấm thẳng với năng lượng vùng cấm khoảng 3.37 eV ở nhiệt độ phòng và năng lượng liên kết exciton đạt 60 meV, lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt (khoảng 26 meV). Điều này cho phép ZnO phát xạ huỳnh quang cực tím mạnh và ổn định ngay trong điều kiện môi trường bình thường.

Mô hình cảm biến trong luận văn khai thác đồng thời 3 khái niệm cốt lõi:

• Cảm biến không enzyme (NEG): Glucose bị oxy hóa trực tiếp dưới xúc tác bề mặt của ZnO khi được kích thích bởi bức xạ tử ngoại (UV).
• Điểm đẳng điện cao (IEP): ZnO sở hữu IEP xấp xỉ 9.5, tạo lực hút tĩnh điện mạnh mẽ để hấp phụ các phân tử glucose và protein mang điện tích âm ở môi trường sinh lý có IEP thấp hơn (khoảng 4.0 đến 6.0).
• Cơ chế dập tắt huỳnh quang: Quá trình oxy hóa glucose tạo ra hydro peroxide (H2O2). Chất này đóng vai trò là chất nhận điện tử (acceptor/quencher), bẫy các điện tử quang sinh từ vùng dẫn của ZnO và làm suy giảm cường độ đỉnh phát xạ cực tím đặc trưng của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp hóa học và phân tích quang phổ tiêu chuẩn. Hóa chất sử dụng bao gồm Kẽm nitrate ngậm nước Zn(NO3)2.6H2O độ tinh khiết 99.9%, Hexa-methylene-tetramine (HMT) độ tinh khiết 99.9%, D-glucose, cùng các chất cản trở phổ biến (AA, UA, BSA, Fructose, Maltose, Sucrose) đạt chuẩn phân tích y sinh.

Quy trình chế tạo sử dụng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic trên đế PCB FR4 bọc màng nhôm. Nồng độ dung dịch tiền chất được cố định ở mức 0.08 M, thực hiện trong thời gian 3 giờ tại nhiệt độ duy trì dưới 100°C (khoảng 90°C). Việc lựa chọn phương pháp này xuất phát từ ưu thế nhiệt độ thấp, không yêu cầu thiết bị chân không đắt tiền, loại bỏ hoàn toàn bước phủ lớp đệm vàng hoặc tạo mầm ban đầu phức tạp.

Cỡ mẫu khảo sát gồm 15 lô cảm biến được chế tạo độc lập nhằm kiểm tra tính lặp lại. Cấu trúc hình thái được đánh giá qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM (NanoSEM 450) và nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất quang và độ nhạy được phân tích định lượng bằng hệ đo quang phổ Raman (Labram HR) và phổ huỳnh quang phân giải cao (SP 2500i) sử dụng nguồn laser kích thích He-Cd bước sóng 325 nm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm đã mang lại những kết quả quan trọng khẳng định tính khả thi của cấu trúc cảm biến mới:

• Thứ nhất, cấu trúc hình thái thanh nano ZnO mọc trên đế PCB có độ đồng đều xuất sắc với đường kính trung bình khoảng 80-120 nm, chiều dài đạt 1.5-2.0 μm. Nhờ hiệu ứng pin Galvanic (cặp điện cực Al-Cu) và dung dịch bão hòa, mật độ thanh định hướng thẳng đứng theo trục z tăng hơn 45% so với phương pháp thủy nhiệt thông thường trên đế đồng trần.
• Thứ hai, phổ huỳnh quang PL cho thấy đỉnh phát xạ vùng tử ngoại sắc nét tại bước sóng xấp xỉ 380 nm do tái hợp exciton vùng biên, trong khi dải phát xạ sai hỏng cấu trúc ở vùng ánh sáng nhìn thấy (440-600 nm) có cường độ rất thấp, chứng minh độ tinh khiết và mức độ hoàn hảo tinh thể cao.
• Thứ ba, cường độ đỉnh phát xạ huỳnh quang tại bước sóng 380 nm giảm tuyến tính rõ rệt khi tăng nồng độ glucose trong phạm vi khảo sát từ 0.1 mM đến 10.0 mM, với mức dập tắt cường độ phát xạ đạt từ 25% đến gần 65% tương ứng.
• Thứ tư, cảm biến thể hiện tính chọn lọc tuyệt đối khi tín hiệu huỳnh quang hầu như không bị suy giảm (độ biến thiên dưới 5%) trước sự hiện diện của các phân tử gây nhiễu như acid ascorbic, acid uric, albumin huyết thanh bò (BSA) cũng như các loại đường đồng phân như fructose, maltose và sucrose.

Thảo luận kết quả

Cơ chế dập tắt phát xạ huỳnh quang được giải thích thông qua phản ứng quang xúc tác bề mặt: dưới nguồn kích thích tử ngoại 325 nm, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trên thanh nano ZnO. Glucose trong dung dịch bị oxy hóa thành acid gluconic và giải phóng H2O2. Phân tử H2O2 nhanh chóng thu giữ điện tử tự do trên vùng dẫn của ZnO, làm giảm tỷ lệ tái hợp bức xạ trực tiếp giữa điện tử và lỗ trống, dẫn đến sự suy giảm cường độ vạch quang phổ 380 nm.

So với các nghiên cứu trước đây trên đế Si hay thủy tinh đòi hỏi nhiệt độ lắng đọng pha hơi trên 500°C, phương pháp thủy nhiệt ở 90°C trên đế PCB cho hiệu quả dập tắt quang học tương đương nhưng tiết kiệm năng lượng và giảm giá thành nguyên liệu tới 60-75%. Trên các biểu đồ phân tích 2D về động học dập tắt huỳnh quang, mối quan hệ giữa tỷ số cường độ quang phổ chuẩn hóa (I0/I) và nồng độ glucose được biểu diễn qua phương trình tuyến tính Stern-Volmer với hệ số tương quan R2 đạt trên 0.985, cho thấy độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp đo quang.

Đặc biệt, khi thử nghiệm trực tiếp trên 3 mẫu huyết thanh người có nồng độ glucose lần lượt là 3.31 mM, 4.93 mM và 6.09 mM, phổ PL cho kết quả tương thích hoàn toàn với giá trị đối chuẩn từ máy xét nghiệm sinh hóa tiêu chuẩn của bệnh viện, sai số đo lường ghi nhận chỉ dao động trong khoảng 2.5% đến 4.1%.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Tối ưu hóa kích thước và mật độ thanh nano ZnO: Nhóm nghiên cứu vật liệu bán dẫn cần tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ tiền chất Zn(NO3)2 và HMT từ 0.05 M đến 0.1 M, nhằm nâng cao diện tích tiếp xúc bề mặt thêm 15-20%, rút ngắn thời gian phản ứng thủy nhiệt xuống dưới 2 giờ trong giai đoạn nghiên cứu 6 tháng tới.
• Phát triển mô-đun nguồn kích thích và cảm biến quang thu nhỏ: Các kỹ sư quang điện tử nên tích hợp đi-ốt bán dẫn phát quang cực tím (UV-LED) bước sóng 365 nm kích thước nhỏ gọn thay thế cho hệ thống laser khí He-Cd cồng kềnh, mục tiêu tạo ra thiết bị phân tích cầm tay có kích thước dưới 15x10 cm trong vòng 12 tháng.
• Mở rộng thử nghiệm lâm sàng trên tập mẫu lớn: Đơn vị nghiên cứu y sinh cần phối hợp cùng các bệnh viện chuyên khoa nội tiết để triển khai thử nghiệm trên cỡ mẫu tối thiểu 500 mẫu máu toàn phần và dịch kẽ sinh học, kiểm soát giới hạn phát hiện dưới 0.05 mM trong lộ trình 18 tháng.
• Chuyển giao quy trình chế tạo cảm biến sang dây chuyền công nghiệp: Các doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử y tế cần tiếp nhận quy trình mạ nano trên đế PCB tấm lớn (kích thước chuẩn 30x30 cm), phấn đấu hạ giá thành sản xuất que thử quang học xuống dưới 0.5 USD cho mỗi đơn vị cảm biến trong vòng 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu khoa học chuyên sâu và mang tính ứng dụng cao cho các nhóm độc giả sau:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Quang học, Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về tính chất quang bán dẫn II-VI, cơ chế kích thích phổ huỳnh quang exciton và phương pháp tổng hợp nano nhiệt độ thấp.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị cảm biến y sinh: Cung cấp sơ đồ công nghệ, quy trình chế tạo chi tiết và giải pháp khắc phục triệt để các nhược điểm của cảm biến enzyme truyền thống.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các học phần Cảm biến sinh học, Công nghệ màng mỏng, Quang phổ thực nghiệm và Vật liệu nano y sinh.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị chẩn đoán y tế (In Vitro Diagnostic - IVD): Nắm bắt phương pháp tối ưu hóa chi phí sản xuất linh kiện cảm biến quang học trên nền tảng đế mạch in công nghiệp sẵn có.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao cảm biến huỳnh quang không sử dụng enzyme lại vượt trội hơn cảm biến enzyme truyền thống?

Cảm biến không enzyme (NEG) sử dụng trực tiếp vật liệu vô cơ như ZnO làm chất xúc tác bề mặt, giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng suy giảm hoạt tính sinh học theo thời gian. Cảm biến NEG có độ bền môi trường cao, không đòi hỏi bảo quản lạnh nghiêm ngặt và duy trì độ ổn định tín hiệu quang học trên 95% sau nhiều tháng sử dụng.

Hiệu ứng pin Galvanic đóng vai trò gì trong việc tổng hợp thanh nano ZnO trên đế PCB?

Hiệu ứng pin Galvanic được hình thành từ sự chênh lệch điện thế giữa lớp nhôm và đế đồng mạch in. Quá trình này thúc đẩy sự dịch chuyển điện tử, gia tăng nồng độ ion OH- tại bề mặt tiếp xúc, tạo điều kiện hình thành mật độ mầm tinh thể ZnO dày đặc và định hướng thẳng đứng dọc trục c mà không cần phủ lớp đệm vàng đắt tiền.

Cơ chế quang học nào giúp cảm biến phát hiện sự hiện diện của phân tử glucose?

Dưới ánh sáng kích thích laser 325 nm, thanh nano ZnO phát xạ huỳnh quang mạnh tại dải bước sóng 380 nm. Phản ứng quang xúc tác giữa ZnO và glucose sinh ra H2O2. H2O2 đóng vai trò là chất bẫy điện tử (quencher), làm triệt tiêu quá trình tái hợp bức xạ điện tử - lỗ trống, khiến cường độ phát xạ huỳnh quang suy giảm tỷ lệ thuận với nồng độ glucose.

Các chất cản trở phổ biến trong máu có làm ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến không?

Thực nghiệm chứng minh các hoạt chất sinh học phổ biến trong máu như acid ascorbic (0.1 mM), acid uric (0.1 mM) hay protein BSA hoàn toàn không gây ra hiện tượng dập tắt huỳnh quang trên bề mặt thanh nano ZnO. Do đó, cảm biến duy trì độ chọn lọc cao với sai số tín hiệu quang học dưới 5%.

Luận văn đã kiểm chứng cảm biến trên mẫu thực tế nào và đạt độ tin cậy ra sao?

Cảm biến đã được thử nghiệm trực tiếp trên các mẫu huyết thanh người ở các mức nồng độ lâm sàng 3.31 mM, 4.93 mM và 6.09 mM. Kết quả phân tích quang phổ huỳnh quang hoàn toàn tương đồng với các phương pháp xét nghiệm sinh hóa tiêu chuẩn tại bệnh viện, độ lệch chuẩn thực nghiệm đạt dưới 4.1%.

Kết luận

• Luận văn đã làm chủ quy trình công nghệ tổng hợp thành công thanh nano ZnO đơn tinh thể định hướng cao trên đế mạch in PCB giá rẻ bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Galvanic ở nhiệt độ dưới 100°C.
• Hệ cảm biến quang học chế tạo được chứng minh có khả năng phát hiện nhanh nồng độ glucose trong dải tuyến tính từ 0.1 mM đến 10.0 mM dựa trên cơ chế dập tắt huỳnh quang exciton tại bước sóng 380 nm.
• Thiết bị đạt độ chọn lọc hoàn hảo trước các chất gây nhiễu phổ biến như acid uric, acid ascorbic, BSA và các loại đường đồng phân, đảm bảo độ chính xác khi phân tích mẫu huyết thanh người thực tế.
• Công trình mở ra hướng tiếp cận đột phá giúp cắt giảm hơn 70% chi phí chế tạo cảm biến sinh học, tạo tiền đề vững chắc cho việc thương mại hóa que thử đường huyết thế hệ mới không dùng enzyme.
• Để ứng dụng rộng rãi trong y tế gia đình giai đoạn 2024-2026, các đơn vị phát triển cần đẩy mạnh tích hợp chip vi quang học và vi lưu nhằm hoàn thiện thiết bị chẩn đoán cầm tay tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC Theo L. Clark, cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u” [8]. Trong mô ̣t cuố n sách có tiêu đề “Biosenser: Fundamental and Applications” xuấ t bản năm 1987, Antony P. Tuner đã đưa ra mô ̣t bản thố ng kê về các đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c cũng như các phẩ n tử chuyể n đổ i tiń hiê ̣u (bảng 1.

Theo tác giả, các phầ n tử đươ ̣c liê ̣t kê có thể không phủ hế t các đố i tươ ̣ng nghiên cứu cũng như các loa ̣i tín hiê ̣u chuyể n đổ i, nhưng viê ̣c thố ng kê này sẽ giúp ić h rấ t nhiề u cho viê ̣c nghiên cứu và phát triể n các loa ̣i cảm biế n sinh ho ̣c khác nhau hoặc tăng đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.1: Các phầ n tử có thể đươ ̣c dùng để chế ta ̣o cảm biế n sinh ho ̣c [74]. Phầ n tử sinh ho ̣c/ đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c Phầ n tử chuyể n đổ i/ tín hiê ̣u đo đươ ̣c Các cơ chế sinh vâ ̣t Hiê ̣u điê ̣n thế Mô Dòng điê ̣n Tế bào Đô ̣ dẫn Bào quan Tổ ng trở Màng tế bào ́ h chấ t quang Tin Enzyme ́ h chấ t nhiê ̣t Tin Thành phầ n cấ u ta ̣o nên enzyme Tín hiê ̣u âm Thu ̣ thể sinh ho ̣c Tín hiê ̣u cơ Kháng thể Điê ̣n tử phân tử (molecular electronic) Acid nucleic Phân tử hữu cơ 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo Từ năm 1962 đế n nay, trải qua hơn nửa thế kỷ phát triể n cảm biế n sinh ho ̣c đã dầ n hoàn thiê ̣n hơn cả về đố i tươ ̣ng nghiên cứu, cách tiế p câ ̣n cũng như ứng du ̣ng các loa ̣i khoa ho ̣c công nghê ̣ mới như công nghê ̣nano [31,80]. Cấ u trúc của mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c cũng đã thay đổ i so với đinh ̣ nghiã ban đầ u của Clark. Phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c đươ ̣c phân tić h ki ̃ hơn và tách biê ̣t ra khỏi phầ n tử nhâ ̣n biế t tiń hiê ̣u.

Bên ca ̣nh đó, phầ n tử mới là phầ n tử xử lí tín hiê ̣u đươ ̣c thêm vào để có thể ứng du ̣ng đươ ̣c các ki ̃ thuâ ̣t xử lí tín hiê ̣u và hiể n thi ̣kế t quả [74]. Cấ u trúc của cảm biế n sinh học Cảm biến sinh học bao gồ m 3 bô ̣ phâ ̣n chính như trong hình 1.1: (1) phầ n tử nhận biết sinh học hay các đầ u thu sinh ho ̣c (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt các đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t với sự có mặt của các hóa chất khác nhau.1: Sơ đồ khối của cảm biến sinh học Các yếu tố nhận biết phân tử có thể là các yếu tố sinh học enzyme, kháng thể, axit nucleic, vi sinh vật và các lectins [35,79] hoăc các chất vô cơ, ví dụ: kim loại 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme và composite đã được khảo sát để phản ứng xúc tác điện phân của chúng đối với quá trình oxy hóa glucose [12,37]. Năm loại phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u chính là điện hóa, quang học, nhiệt kế, áp điện và từ trường [36]. Hệ thống xử lý tín hiệu được xác định và xây dựng bởi các loại phầ n tử chuyể n đổ i tín hiê ̣u được lựa chọn.

Các tiêu chí chấ t lượng của cảm biế n sinh học Song hành với các nghiên cứu cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c, các tiêu chí chấ t lươ ̣ng (performance criteria) đóng vai trò không thể thiế u trong đánh giá, so sánh cảm biế n sinh ho ̣c. Các tiêu chí này tâ ̣p trung vào đánh giá hiê ̣u suấ t sử du ̣ng nhiề u hơn là đánh giá bản chấ t quá triǹ h sinh hóa xảy ra bên trong mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c. Buck đã thố ng kê các tiêu chí chấ t lươ ̣ng đố i với các hê ̣ điê ̣n cực khảo sát ion có tính lo ̣c lựa, đươ ̣c Hiê ̣p hô ̣i Hóa ho ̣c và Hóa ho ̣c ứng du ̣ng Quố c tế (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) công bố [19]. Sau đó các tiêu chí này đươ ̣c thu he ̣p trên đố i tươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c bởi D.

Thesvenot [74] bao gồ m: các thông số hiê ̣u chin ̉ h, đô ̣ cho ̣n lo ̣c và đô ̣ tin câ ̣y, thời gian phản ứng và tính lă ̣p la ̣i, đô ̣ bề n và thời gian số ng. ❖ Các thông số hiê ̣u chỉnh Các thông số hiê ̣u chỉnh bao gồ m đô ̣ nha ̣y, khoảng hoa ̣t đô ̣ng hay khoảng tuyế n tính và giới hạn đo đa ̣c; đươ ̣c xác đinh ̣ thông qua khảo sát sự phu ̣ thuô ̣c của tín hiê ̣u đầ u ra (S) và nồ ng đô ̣ của đố i tươ ̣ng (C). Sự phu ̣ thuô ̣c giữa S và C có thể đươ ̣c vẽ ở da ̣ng đồ thi ̣ S(C) [13,60,81,85], S(logC) [75,82], hay logS(logC) [69] tùy thuô ̣c vào bản chấ t tương tác của đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c và quá trình chuyể n đổ i tín hiê ̣u – đồ thi ̣ này go ̣i là “đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h” (calibration curve). Khoảng hoa ̣t đô ̣ng của cảm biế n là khoảng tuyế n tính của đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h; và đô ̣ dố c của đoa ̣n tuyế n tính này chính là đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo ❖ Độ chọn lọc và độ tin cậy Tiń h đă ̣c hiê ̣u (specificity) đươ ̣c coi là mô ̣t trong những tin ́ h đă ̣c trưng của cảm biế n sinh ho ̣c do sự bắ t că ̣p giữa đố i tươ ̣ng nhâ ̣n biế t với thu ̣ thể trong phầ n tử nhâ ̣n biế t. Tuy nhiên, ái lực bắ t că ̣p đố i tươ ̣ng – thu ̣ thể không nhấ t thiế t cố đinh ̣ đố i với mỗi đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t. Ví du ̣ trong liên kế t kháng nguyên – kháng thể có thể đươ ̣c phân că ̣p từ các cá thể me ̣ khác nhau (từ ngựa, từ thỏ) nên cấ u trúc phân tử khác nhau. Đô ̣ cho ̣n lo ̣c (selectivity), vì vâ ̣y cũng có thể thay đổ i khi thay đổ i thu ̣ thể trong cảm biế n, hay thay đổ i cấ u trúc cảm biế n.

Đô ̣ tin câ ̣y của cảm biế n đươ ̣c đánh giá thông qua đô ̣ cho ̣n lo ̣c và khả năng lă ̣p la ̣i. ❖ Thời gian phản ứng Thời gian phản ứng có thể đánh giá hiê ̣u suấ t đo đa ̣c của cảm biế n – có thể hiể u là khoảng thời gian ngắ n nhấ t giữa hai lầ n đo của cảm biế n. Hai da ̣ng thời gian phản ứng thường đươ ̣c nhắ c tới trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng tiń hiê ̣u điê ̣n; đó là thời gian phản ứng ổ n đinh ̣ và thời gian phản ứng tức thời. ❖ Tính lă ̣p la ̣i, độ bền và thời gian số ng Cũng giố ng như các phép đo khác, tiń h lă ̣p la ̣i của cảm biế n sinh ho ̣c đươ ̣c tin ́ h toán dựa trên sai số của phép đo.

Trong khi đó, thời gian số ng hay đô ̣ bề n vẫn luôn là thách thức với cảm biế n sinh ho ̣c. Các phầ n tử sinh ho ̣c luôn rấ t nha ̣y với môi trường, vì vâ ̣y đô ̣ nha ̣y của cảm biế n cũng bi ̣ảnh hưởng khá nhiề u bởi các yế u tố môi trường như nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩ m, hay điề u kiê ̣n bảo quản. Bên ca ̣nh đó, các phầ n tử sinh ho ̣c thường không bề n ở các điề u kiê ̣n bảo quản thường vì vâ ̣y thời gian số ng của các cảm biế n sinh ho ̣c không cao. Phương pháp giải quyế t thường là các mẫu cảm biế n đươ ̣c bảo quản trong điề u kiê ̣n đa ̣c biê ̣t và sử du ̣ng mô ̣t lầ n.

7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo 1.1 Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose. Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose đầ u tiên đươ ̣c đề xuấ t bởi Clark năm 1962 từ bê ̣nh viê ̣n Nhi Cincinnati [37,84]. Với số lươ ̣ng ca mắ c bê ̣nh tiể u đường ngày càng tăng, viê ̣c nghiên cứu ra những cảm biế n sinh ho ̣c nhâ ̣n biế t nồ ng đô ̣ đường trở nên cấ p thiế t trong những năm đầ u thế kỷ XXI [59,68].1 Nguyên lý cơ chấ t – enzyme trong cảm biế n đo nồ ng độ glucose Cảm biế n sinh ho ̣c đo nồ ng đô ̣ glucose đề u dựa trên cơ sở tương tác cơ chấ t với enzyme. Có ba enzyme đươ ̣c sử du ̣ng trong các cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose và đề u đóng vai trò là các phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c: hesokinase, glucose oxidise (GOx) [62] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [38].

Enzyme hexokinase đươ ̣c sử du ̣ng thành că ̣p với enzyme Glucose-6P-dehydrogenase (G-6P-D) để có sản phẩ n cuố i cùng là H+, theo hê ̣ phương triǹ h phản ứng sau [39]: hexokinase 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑨𝑻𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑨𝑫𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑵𝑨𝑫𝑷+ G-6P-D 𝑮 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 − 𝟔 − 𝑷 (1.1) +𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+ Trong đó ATP và ADP là Adenosine triphosphate và Adenosine diphosphate, NADP+ và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và da ̣ng khử của NADP+. Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme oxi hóa khử. Khi tương tác với D-glucose xuấ t hiê ̣n quá trình trao đổ i electron để biế n D-glucose thành Glucolactone.