Luận văn thạc sĩ chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose, mở ra hướng đi mới trong công nghệ y tế.

• Tác giả: Vũ Thị Thanh Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Viết
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Chế Tạo Vật Liệu Lỗ Xốp Kim Loại Cho Cảm Biến Glucose
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN GLUCOSE
• 1.1. Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất
• 1.2. Thế hệ cảm biến glucose thứ hai
• 1.3. Thế hệ cảm biến glucose thứ ba
• 1.4. Thế hệ cảm biến glucose thứ tư
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu lỗ xốp kim loại cho cảm biến glucose

Vật liệu lỗ xốp kim loại đang trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong việc phát triển cảm biến glucose. Những vật liệu này không chỉ có khả năng tương tác tốt với glucose mà còn mang lại độ nhạy cao và độ bền tốt. Việc nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu này giúp cải thiện hiệu suất của cảm biến, từ đó nâng cao khả năng chẩn đoán và theo dõi bệnh tiểu đường.

1.1. Vật liệu lỗ xốp kim loại là gì

Vật liệu lỗ xốp kim loại là các cấu trúc có độ xốp cao, cho phép tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch. Điều này giúp cải thiện khả năng cảm biến của chúng, đặc biệt trong việc phát hiện nồng độ glucose trong máu.

1.2. Tại sao chọn vật liệu lỗ xốp cho cảm biến glucose

Vật liệu lỗ xốp kim loại có nhiều ưu điểm như khả năng dẫn điện tốt, độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt. Những đặc tính này giúp chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho cảm biến glucose, đặc biệt trong môi trường sinh học.

II. Thách thức trong việc phát triển cảm biến glucose từ vật liệu lỗ xốp

Mặc dù vật liệu lỗ xốp kim loại có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển cảm biến glucose. Các vấn đề như độ ổn định của vật liệu, khả năng chống nhiễu từ các ion khác trong máu và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ ổn định của vật liệu lỗ xốp

Độ ổn định của vật liệu lỗ xốp kim loại là một yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi tiếp xúc với môi trường sinh học, vật liệu này có thể bị oxi hóa hoặc mất hoạt tính, ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến.

2.2. Khả năng chống nhiễu từ các ion khác

Trong môi trường máu, có nhiều ion và chất khác có thể gây nhiễu cho cảm biến glucose. Việc phát triển vật liệu lỗ xốp có khả năng phân biệt giữa glucose và các chất gây nhiễu là một thách thức lớn.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu lỗ xốp kim loại cho cảm biến glucose

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu lỗ xốp kim loại, bao gồm phương pháp điện hóa và xử lý nhiệt. Những phương pháp này không chỉ giúp tạo ra cấu trúc lỗ xốp mà còn cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu.

3.1. Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa là một trong những cách hiệu quả nhất để chế tạo vật liệu lỗ xốp kim loại. Quá trình này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của các lỗ xốp, từ đó tối ưu hóa tính chất cảm biến.

3.2. Xử lý nhiệt để cải thiện tính chất vật liệu

Xử lý nhiệt là một bước quan trọng trong quá trình chế tạo vật liệu lỗ xốp. Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ và thời gian xử lý, có thể cải thiện độ bền và khả năng dẫn điện của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến glucose từ vật liệu lỗ xốp

Cảm biến glucose được chế tạo từ vật liệu lỗ xốp kim loại đã được ứng dụng rộng rãi trong y tế. Chúng không chỉ giúp theo dõi nồng độ glucose trong máu mà còn có thể được sử dụng trong các nghiên cứu về bệnh tiểu đường.

4.1. Theo dõi nồng độ glucose trong máu

Cảm biến glucose từ vật liệu lỗ xốp cho phép theo dõi nồng độ glucose một cách chính xác và liên tục. Điều này giúp bệnh nhân tiểu đường có thể điều chỉnh chế độ ăn uống và liều insulin một cách hiệu quả.

4.2. Nghiên cứu về bệnh tiểu đường

Các cảm biến này cũng được sử dụng trong nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế bệnh tiểu đường, từ đó phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn.

V. Kết luận và tương lai của vật liệu lỗ xốp kim loại trong cảm biến glucose

Vật liệu lỗ xốp kim loại có tiềm năng lớn trong việc phát triển cảm biến glucose. Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo và nghiên cứu, tương lai của các cảm biến này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong việc theo dõi và điều trị bệnh tiểu đường.

5.1. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, vật liệu lỗ xốp kim loại có thể được cải tiến hơn nữa để tăng cường độ nhạy và độ ổn định, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y tế.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới, cải thiện khả năng chống nhiễu và giảm chi phí sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả của cảm biến glucose.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), năm 2010 có khoảng 221 triệu người mắc bệnh tiểu đường trên toàn cầu, dự kiến con số này sẽ tăng lên 330 triệu người vào năm 2030. Ở Việt Nam, tỷ lệ bệnh nhân tiểu đường là khoảng 5,4%, trong khi tại các thành phố lớn con số này lên tới 7%. Bệnh tiểu đường gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng như bệnh tim mạch, tai biến mạch máu não, mù lòa, suy thận và hoại thư, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống và tỷ lệ tử vong. Việc theo dõi nồng độ glucose trong máu một cách chính xác và thường xuyên là yếu tố then chốt trong chẩn đoán và điều trị bệnh, giúp điều chỉnh liều lượng insulin phù hợp, tránh các biến chứng do thừa hoặc thiếu insulin.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu đã tập trung phát triển các cảm biến glucose có độ nhạy cao, độ chính xác và độ bền tốt, đồng thời dễ sử dụng và chi phí hợp lý. Các thế hệ cảm biến glucose đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ cảm biến enzyme truyền thống đến cảm biến không sử dụng enzyme với vật liệu nano kim loại chuyển tiếp như đồng (Cu), cobalt (Co), nickel (Ni) và các oxit của chúng. Luận văn này tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại đồng và oxit đồng trên nền điện cực than chì (PGE) nhằm ứng dụng trong cảm biến glucose không sử dụng enzyme. Mục tiêu là tạo ra điện cực có cấu trúc xốp đa tầng, có diện tích bề mặt lớn, độ nhạy cao, khả năng chọn lọc tốt, bền bỉ và chi phí thấp, phù hợp với việc xác định nồng độ glucose trong môi trường kiềm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và khảo sát các điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE, 3D-CuO/PGE và 3D-CuOx/PGE trong môi trường dung dịch KOH 0,1 M, với các phương pháp điện hóa và hóa lý hiện đại. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị cảm biến glucose thế hệ mới, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết điện hóa học: Phương pháp quét thế tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV) và phương pháp dòng - thời gian (Amperometric measurement - I-t) được sử dụng để khảo sát tính chất điện hóa và hoạt tính xúc tác của các điện cực. Các phương trình Randles–Sevcik và Nicholson–Shain được áp dụng để phân tích động học phản ứng điện hóa trên bề mặt điện cực.

• Mô hình cấu trúc vật liệu nano xốp đa tầng: Cấu trúc xốp được hình thành nhờ quá trình điện phân đồng thời tạo bọt khí hydro làm khuôn đúc, tạo nên lớp vật liệu có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng xúc tác và hấp phụ glucose.

• Khái niệm chính:

  • Điện cực xốp đa tầng (3D porous electrode): Vật liệu có cấu trúc nhiều lớp với các lỗ xốp kích thước từ micro đến nano, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc.
  • Phản ứng oxi hóa glucose không enzyme: Quá trình glucose bị oxi hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực kim loại chuyển tiếp, tạo ra tín hiệu điện hóa.
  • Độ nhạy và giới hạn phát hiện (LOD): Các chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả cảm biến trong việc phát hiện nồng độ glucose thấp nhất có thể.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và khảo sát điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE, 3D-CuO/PGE và 3D-CuOx/PGE tại phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

• Phương pháp phân tích:

  • Chụp ảnh SEM (Scanning Electron Microscope) để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc lỗ xốp của vật liệu.
  • Phân tích XRD (X-ray Diffraction) để xác định cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của các lớp vật liệu.
  • Phương pháp điện hóa:
    • Quét thế tuần hoàn (CV) để khảo sát các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt điện cực trong dung dịch KOH 0,1 M.
    • Dòng - thời gian (I-t) để xác định độ nhạy và giới hạn phát hiện glucose trong khoảng nồng độ từ 2 µM đến 16 mM.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các chất gây nhiễu như dopamine (DA), ascorbic acid (AA), uric acid (UA), NaCl và sucrose đến tín hiệu cảm biến.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm kéo dài trong năm 2019, bao gồm các bước chuẩn bị vật liệu, xử lý nhiệt, khảo sát đặc tính vật lý và điện hóa, tối ưu điều kiện đo và đánh giá hiệu suất cảm biến.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các điện cực được chế tạo trên nền điện cực than chì (PGE) có kích thước chuẩn, với diện tích tiếp xúc khoảng 0,2275 cm², đảm bảo tính đồng nhất và khả năng tái tạo kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công vật liệu xốp đồng đa tầng trên nền PGE

   • Điều kiện tối ưu: dung dịch điện phân chứa CuSO4 0,3 M, H2SO4 1 M, HCl 0,1 mM, cường độ dòng 2 A/cm², thời gian 10 giây.
   • Lớp xốp đồng có cấu trúc đa tầng với kích thước lỗ xốp từ 20 µm đến 40 µm, phân bố đồng đều trên bề mặt điện cực.
   • Ảnh SEM cho thấy cấu trúc “lá kim” với các lỗ xốp nhỏ xen kẽ, tạo diện tích bề mặt lớn.

2. Biến tính vật liệu bằng xử lý nhiệt và thủy nhiệt

   • Nung trong khí argon ở 600 °C tạo ra điện cực 3D-Cu2O/PGE với cấu trúc oxit đồng (I).
   • Nung trong không khí ở 300 °C tạo ra điện cực 3D-CuO/PGE với oxit đồng (II), tuy nhiên độ bền cơ học giảm.
   • Thủy nhiệt trong dung dịch H2O2 5% ở 180 °C trong 12 giờ tạo ra điện cực 3D-CuOx/PGE với độ bền cơ học và độ xốp cao nhất.

3. Tính chất điện hóa và hoạt tính xúc tác glucose

   • Điện cực 3D-CuOx/PGE cho cường độ dòng oxi hóa và khử cao nhất trong dung dịch KOH 0,1 M, với pic cathode dịch chuyển về thế thấp hơn (0,435 V), thuận lợi cho đo điện áp thấp.
   • Độ nhạy của điện cực 3D-CuOx/PGE đạt 1,757 mA·mM⁻¹·cm⁻², cao hơn so với 3D-Cu/PGE và 3D-Cu2O/PGE.
   • Giới hạn phát hiện (LOD) của 3D-CuOx/PGE là 1,92 µM, phù hợp với nồng độ glucose trong máu người (khoảng 5 mM).
   • Khoảng tuyến tính của cảm biến từ 2 µM đến 4 mM, mở rộng đến 16 mM với độ nhạy ổn định.

4. Ảnh hưởng của các chất gây nhiễu

   • Các chất như dopamine (50 µM), ascorbic acid (50 µM), uric acid (100 µM), NaCl (15 mM) và sucrose (100 µM) gây ảnh hưởng rất nhỏ đến tín hiệu đo glucose trên điện cực 3D-CuOx/PGE.
   • Tín hiệu nhiễu được kiểm soát dưới mức 5%, đảm bảo tính chọn lọc cao của cảm biến.

Thảo luận kết quả

Kết quả SEM và XRD cho thấy quá trình điện phân kết hợp xử lý nhiệt và thủy nhiệt đã tạo ra vật liệu xốp đồng và oxit đồng đa tầng với cấu trúc bề mặt phức tạp, tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp phụ glucose. Sự gia tăng diện tích bề mặt và sự hiện diện của oxit đồng (I, II) làm tăng hoạt tính xúc tác, giúp điện cực 3D-CuOx/PGE đạt được độ nhạy và giới hạn phát hiện vượt trội.

Phương pháp quét thế tuần hoàn và dòng - thời gian đã chứng minh tính ổn định và khả năng tái tạo của các điện cực trong môi trường kiềm. Việc lựa chọn thế áp 0,50 V là tối ưu để cân bằng giữa độ nhạy và giảm thiểu phản ứng phụ không mong muốn, từ đó nâng cao độ chính xác của phép đo.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, điện cực 3D-CuOx/PGE có độ nhạy và giới hạn phát hiện cạnh tranh, đồng thời chi phí chế tạo thấp hơn do sử dụng vật liệu đồng thay vì kim loại quý. Khả năng chống nhiễu tốt cũng là điểm mạnh, giúp cảm biến phù hợp với ứng dụng thực tế trong y tế và công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường chuẩn dòng - nồng độ glucose, biểu đồ CV với các tốc độ quét khác nhau, và bảng so sánh các thông số kỹ thuật của các điện cực chế tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển cảm biến glucose dựa trên điện cực 3D-CuOx/PGE

   • Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa quy trình chế tạo để nâng cao độ bền cơ học và độ ổn định lâu dài.
   • Mục tiêu: Độ bền sử dụng trên 6 tháng, độ nhạy duy trì trên 90% so với ban đầu.
   • Thời gian: 12-18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu điện hóa và thiết bị y tế.

2. Thiết kế thiết bị đo glucose cầm tay không xâm lấn

   • Ứng dụng vật liệu xốp đồng đa tầng trong cảm biến tích hợp đo glucose qua mồ hôi hoặc nước mắt.
   • Mục tiêu: Độ chính xác tương đương với phương pháp lấy máu, giảm thiểu đau đớn cho bệnh nhân.
   • Thời gian: 24 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Công ty công nghệ y sinh, viện nghiên cứu.

3. Mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và nông nghiệp

   • Sử dụng cảm biến để kiểm soát nồng độ glucose trong quá trình lên men, sản xuất thực phẩm và giám sát môi trường.
   • Mục tiêu: Tăng hiệu quả sản xuất, giảm chi phí kiểm tra.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm, nông nghiệp công nghệ cao.

4. Nghiên cứu cải tiến vật liệu và cấu trúc điện cực

   • Kết hợp đồng với các vật liệu nano khác như graphene, carbon nanotubes để nâng cao hiệu suất cảm biến.
   • Mục tiêu: Tăng độ nhạy, giảm giới hạn phát hiện xuống dưới 1 µM.
   • Thời gian: 18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu nano và điện hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu và Kỹ thuật điện tử

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình chế tạo vật liệu xốp kim loại đa tầng, phương pháp khảo sát điện hóa và ứng dụng trong cảm biến sinh học.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới, ứng dụng trong công nghệ cảm biến.

2. Chuyên gia phát triển thiết bị y tế và cảm biến sinh học

   • Lợi ích: Tham khảo công nghệ chế tạo điện cực giá rẻ, hiệu suất cao, phù hợp với thiết bị đo glucose không xâm lấn.
   • Use case: Thiết kế sản phẩm cảm biến glucose thế hệ mới, nâng cao tính cạnh tranh.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường và công nghiệp thực phẩm

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ cảm biến glucose trong kiểm soát chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.
   • Use case: Tích hợp cảm biến vào dây chuyền sản xuất, giám sát nồng độ glucose trong nguyên liệu.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức y tế

   • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng công nghệ cảm biến glucose mới, hỗ trợ chính sách phát triển y tế và công nghệ.
   • Use case: Đánh giá, cấp phép và khuyến khích ứng dụng công nghệ cảm biến trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện cực 3D-CuOx/PGE có ưu điểm gì so với các loại điện cực khác?
   Điện cực 3D-CuOx/PGE có cấu trúc xốp đa tầng với diện tích bề mặt lớn, giúp tăng độ nhạy và khả năng xúc tác oxi hóa glucose. Ngoài ra, vật liệu này có chi phí thấp, độ bền cơ học cao và khả năng chống nhiễu tốt, phù hợp cho cảm biến glucose không enzyme.

2. Phương pháp điện hóa nào được sử dụng để đánh giá hiệu suất cảm biến?
   Luận văn sử dụng phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) để khảo sát phản ứng oxi hóa khử và phương pháp dòng - thời gian (I-t) để xác định độ nhạy, giới hạn phát hiện và xây dựng đường chuẩn nồng độ glucose.

3. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến là bao nhiêu và có phù hợp với ứng dụng y tế không?
   Giới hạn phát hiện của điện cực 3D-CuOx/PGE là khoảng 1,92 µM, thấp hơn nhiều so với nồng độ glucose trong máu người (khoảng 5 mM), do đó cảm biến có thể phát hiện chính xác glucose trong mẫu máu pha loãng hoặc các mẫu sinh học khác.

4. Các chất gây nhiễu có ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đo?
   Các chất như dopamine, ascorbic acid, uric acid, NaCl và sucrose chỉ gây ảnh hưởng rất nhỏ (dưới 5%) đến tín hiệu đo glucose, đảm bảo tính chọn lọc và độ chính xác của cảm biến trong môi trường phức tạp.

5. Có thể ứng dụng cảm biến này trong các lĩnh vực ngoài y tế không?
   Có, cảm biến glucose dựa trên điện cực 3D-CuOx/PGE có thể ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và môi trường để giám sát nồng độ glucose trong quá trình sản xuất hoặc kiểm tra chất lượng sản phẩm.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công các điện cực xốp đồng đa tầng trên nền điện cực than chì với cấu trúc 3D, có diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao.
• Xử lý nhiệt và thủy nhiệt giúp biến tính vật liệu, tăng độ bền cơ học và hoạt tính xúc tác oxi hóa glucose.
• Điện cực 3D-CuOx/PGE cho độ nhạy cao (1,757 mA·mM⁻¹·cm⁻²), giới hạn phát hiện thấp (1,92 µM) và khả năng chống nhiễu tốt.
• Phương pháp điện hóa CV và dòng - thời gian được áp dụng hiệu quả để khảo sát và xây dựng đường chuẩn xác định glucose.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến glucose không enzyme giá rẻ, hiệu quả, có thể ứng dụng rộng rãi trong y tế và công nghiệp.

Next steps: Tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, phát triển thiết bị cảm biến cầm tay không xâm lấn, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực cảm biến sinh học nên hợp tác để chuyển giao công nghệ và phát triển sản phẩm ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), có khoảng 221 triệu người đang mắc tiểu đường vào năm 2010. Dự đoán tiểu đường sẽ trở thành nguyên nhân đứng thứ 7 trong các nguyên nhân dẫn tới cái chết cho tới năm 2030 khi đạt mức 330 triệu người. Ở nước ta, tỉ lệ bệnh nhân mắc tiểu đường là 5,4%, đối với các thành phố lớn có tỉ lệ này lên tới 7% [37]. Các biến chứng do tiểu đường như bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu não, mù lòa, suy thận hay hoại thư là nguyên nhân dẫn đến cái chết hoặc tai biến cho bệnh nhân của tiểu đường.

Việc chẩn đoán và chữa trị tiểu đường đều yêu cầu sự định lượng chính xác và thường xuyên nồng độ glucose trong máu người bệnh nhằm cung cấp một lượng insulin phù hợp vào cơ thể, tránh tình trạng nguy hiểm do thừa insulin đưa vào dẫn tới lượng đường trong máu quá thấp. Do đó, một số lượng lớn các nghiên cứu trong khoảng một thập kỉ trở lại đây nhằm phát triển, chế tạo được một thiết bị đảm bảo đo chính xác, dễ sử dụng và đáng tin cậy trong việc định lượng glucose trong cơ thể [23]. Từ loại cảm biến glucose đầu tiên dựa trên cấu trúc enzyme được công bố năm 1962 của Clark có độ chọn lọc và độ nhạy tốt, nhưng nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và các chất hòa tan trong máu. Vì vậy việc phát triển cảm biến glucose không sử dụng enzyme là một hướng nghiên cứu hấp dẫn và nhiều tiềm năng.

Các cấu trúc nano của kim loại quý như Pt, Pd và Au hoặc hợp kim của chúng thể hiện khả năng xác định glucose trong máu với độ nhạy cao, bền bỉ theo thời gian. Tuy nhiên loại điện cực dựa trên hệ kim loại này có nhược điểm là giá thành cao, và dễ bị mất hoạt tính do sự hấp phụ của ion Cl- trong máu và huyết thanh. Vì vậy việc chuyển hướng sang sử dụng các kim loại chuyển tiếp có giá thành rẻ và hoạt tính xúc tác tốt như Cu, Co, Ni và các oxit của chúng trong xác định glucose là một hướng nghiên cứu tiềm năng. Trong luận văn thạc sỹ này chúng tôi đề xuất “Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose” trên nền than chì.

Vật liệu xốp đồng và oxit của nó được chế tạo bằng phương pháp điện hóa và kết hợp xử lý nhiệt với mục tiêu chế tạo điện cực giá thành rẻ, nhỏ gọn và có hoạt tính xúc tác cao với glucose, ít bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu, khoảng hoạt động rộng và bền bỉ. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1. Tổng quan về cảm biến glucose Cảm biến glucose đóng một vai trò cốt lõi trong các thiết bị chuẩn đoán và phát hiện bệnh nhân tiểu đường, đồng thời theo dõi hàm lượng đường trong máu của các bệnh nhân tiểu đường hằng ngày. Hầu hết các phương pháp truyền thống để định lượng đường trong máu là phương pháp điện hóa hoặc phương pháp quang phổ.

Điển hình như thiết bị glucometer cầm tay phổ biến đang được sử dụng hiện nay dựa trên việc chích máu ở đầu ngón tay bệnh nhân, sau đó mẫu máu này được xác định hàm lượng đường bằng cách áp dụng phương pháp điện hóa, dưới xúc tác của enzyme glucose oxidase (GOx) hoặc glucose dehydroase (GDH). Glucose phản ứng với oxi tự do tạo thành sản phẩm, đồng thời thay đổi các tính chất điện hóa của dung dịch mẫu thử tiếp xúc với điện, sự thay đổi này tương ứng với hàm lượng glucose trong máu và được hiển thị trên màn hình thiết bị. Mặc dù cách kiểm tra này cho kết quả chính xác, tuy nhiên phương pháp chích ngón tay lấy mẫu máu này khiến bệnh nhân không hài lòng do tạo thành một lỗ nhỏ chảy máu trên đầu ngón tay, gây ra một sự bất tiện trong việc điều trị bệnh do phải thực hiện thường xuyên [23]. Trong những thập kỉ gần đây, các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát triển không ngừng theo nhiều hướng khác nhau.

Họ tập trung vào phát triển các kĩ thuật hiệu quả bao gồm kiểm tra xâm lấn và không xâm lấn hàm lượng đường trong cơ thể dựa trên cảm biến có cấu trúc enzyme và không có cấu trúc enzyme. Những nỗ lực để làm tạo ra được kĩ thuật làm hài lòng bệnh nhân, thay thế phương pháp chích lấy máu mà vẫn đem lại độ chính xác và tin cậy cao như kiểm tra hàm lượng glucose trong nước mắt, mồ hôi [23] hoặc nồng độ acetone có trong hơi thở như một dấu hiệu nhận biết bệnh tiểu đường, hướng tới chế tạo một thế hệ cảm biến glucose dễ sử dụng, cho kết quả nhanh, giá rẻ, di động và không gây đau đớn. Bên cạnh đó, nồng độ glucose cũng là một thang đo rất quan trọng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, và môi trường [45, 53]. Các hướng nghiên cứu về cảm biến glucose đã phát triển từ năm 1962, khi lần đầu tiên hai nhà hóa học là Clark và Lyons công bố ý tưởng đầu tiên về điện cực enzyme glucose.

Cho đến nay, các cảm biến glucose có thể chia thành 4 thế chính [40, 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thế hệ đầu tiên là cảm biến sử dụng enzyme xúc tác cho phản ứng oxi hóa glucose bằng oxygen hòa tan trong máu, thế hệ thứ hai sử dụng các chất trung gian nhân tạo thay thế oxygen hòa tan và nâng cao hiệu suất vận chuyển electron đến điện cực. Sang đến thế hệ cảm biến thứ ba, các enzyme GOx được cố định trên những vật liệu nền có cấu trúc nano hoặc micro nhằm tăng tốc độ vận chuyển electron. Ba thế hệ cảm biến đầu tiên này đều dựa vào các enzyme xúc tác cho quá trình oxi hóa glucose.

Tuy nhiên việc sử dụng enzyme tồn tại những hạn chế về môi trường phản ứng: nhiệt độ, pH hay sự nhiễu của các ion hòa tan trong máu ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo. Các cảm biến này đòi hỏi bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm thấp để tránh làm giảm hoạt tính sinh học của các enzyme trong thời gian chưa sử dụng tới. Nhằm khắc phục các hạn chế đó, các hướng nghiên cứu mới hiện nay cố gắng tìm ra các vật liệu xúc tác không sử dụng enzyme. Thế hệ cảm biến glucose mới này được coi là thế hệ thứ 4 trong chỗi phát triển các loại cảm biến đo đường huyết.

Trong thế hệ cảm biến này thì glucose được oxi hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực và tạo ra sự thay đổi tín hiệu điện có thể đo được. Số lượng các nghiên cứu được công bố về thế hệ cảm biến này tăng lên đáng kể theo từng năm, được thể hiện ở trên hình 1 [38]: Hình 1. Số lượng bài báo về cảm biến glucose không có cấu trúc enzyme 1. Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất Với lịch sử hơn 50 năm phát triển, xuất phát từ ý tưởng về điện cực enzyme glucose được xuất bản năm 1962 bởi hai nhà hóa học Clark và Lyons từ bệnh viện Children Cincinnati [12].

Thiết bị đầu tiên xác định nồng độ glucose trong máu dựa 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trên lớp mỏng GOx được kẹp xung quanh điện cực oxi, xúc tác quá trình tiêu thụ oxy, oxi hóa glucose thành gluconic acid [53]: Glucose + O 2  GOx  Gluconic Acid + H 2 O 2 (1) Sau đó, sự thay đổi thế âm điện do sự tiêu thụ O2 được ghi lại và chuyển đổi thành nồng độ glucose thông qua phản ứng (2): O2  4 H   4e  2 H 2O (2) Phương pháp này cho kết quả đo chính xác và tin cậy cao với lượng máu cần thiết cho việc xác định nồng độ glucose là cỡ 100 µL. Các nghiên cứu tiếp sau đó nhằm thu nhỏ kích thước thiết bị bằng cách thay đổi thiết kế điện cực, vật liệu, màng tiếp xúc hoặc cố định hướng tiếp cận mẫu đã được mô tả và công bố trong suốt những năm 80 của thế kỉ trước. Điều nà góp phần giúp cảm biến sinh học trở thành một chủ đề hấp dẫn, phản ánh sự phát triển của công nghệ sinh học trong giai đoạn này. Thế hệ cảm biến glucose sinh học thương mại đầu tiên dựa vào enzyme glucose oxidase (GOx), xúc tác phản ứng tiêu thụ glucose và đo tín hiệu xuất hiện của hydro peroxide trên điện cực.

Nồng độ hydro peroxide được xác định một cách tương đối đơn giản bằng so sánh thay đổi hiệu điện thế với điện cực so sánh, giúp cho thiết kế thiết bị 3 điện cực có kích thước nhỏ. Một bộ cảm biến rất phổ biến của thế hệ này là bộ cảm biến của hãng YSI, bao gồm một lớp GOx được đặt giữa một lớp màng polycarbonate và một màng cellulose acetate. Sơ đồ cảm biến thể hiện ở hình 2 [45]: Hình 2. Sơ đồ cấu tạo cảm biến glucose thế hệ một 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Kĩ thuật và bằng sáng chế của Clark sau đó được chuyển giao cho Công ty Yellow Spring Instrument để đưa vào ứng dụng như một thiết bị phân tích thương mại từ năm 1975 (Model 23 YSI analyzer).

Thiết bị này có thể để đo nồng độ glucose trong mẫu máu có thể tích 25 μL. Năm 1967, nhóm nghiên cứu của Updike và Hicks tiếp tục nghiên cứu và phát triển lý thuyết của Clark bằng cách sử dụng hai điện cực oxi hoạt động (được phủ một lớp enzyme). Tiến hành đo sự khác nhau về cường độ dòng để loại bỏ đường nền oxi trong mẫu, tăng độ chính xác của phép đo [42]. Năm 1973, nhóm nghiên cứu của Guilbault và Lubrano [18] đã thiết kế điện cực enzyme làm anode để xác định hàm lượng glucose trong máu dựa vào phản ứng phân hủy H2O2 sinh ra oxygen: H 2O2  O2  2 H   2e (3) Phương pháp này cho kết quả độ chính xác và độ tin cậy cao đối với các mẫu máu có thể tích 100 μL.

Nhược điểm cơ bản của các cảm biến thế hệ thứ nhất là khi xác định nồng độ H2O2 cần có thế oxy hóa điện hóa cao, gây nhiễu các tín hiệu điện mà đầu dò của điện cực ghi nhận được. Thế oxy hóa điện hóa cao khi áp vào điện cực cũng dẫn đến sự oxi hóa các chất khác có trong mẫu máu hoặc huyết thanh như ascorbic acid, uric acid và một số loại thuốc có trong máu như acetaminophen làm sai lệch kết quả đo [45]. Có hai cách chính để làm giảm nhiễu đã được áp dụng: một là sử dụng màng phủ chọn lọc phù hợp để giảm các chất có thể gây nhiễu tiến tới gần bề mặt điện cực.