BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
NGUYỄN HẢI BÌNH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA
TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
HÀ NỘI – 2020
luan an
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
……..….***…………
NGUYỄN HẢI BÌNH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA
TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y-SINH VÀ MƠI TRƯỜNG
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đại Lâm
Hà Nội – 2020
luan an
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. Trần Đại Lâm. Các số liệu và kết quả chính trong luận án được công
bố trong các bài báo đã được xuất bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả luận án
Nguyễn Hải Bình
Hướng dẫn khoa học
GS. TS. Trần Đại Lâm
luan an
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tác giả luận án xin bày tỏ lịng kính trọng và cảm ơn chân thành
nhất đối với sự hướng dẫn tận tình, hiệu quả cả về kiến thức, vật chất và tinh
thần của GS. TS. Trần Đại Lâm trong tồn bộ q trình học tập NCS và thực
hiện luận án này.
Luận án này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí từ các đề tài: đề tài Nghị
định thư Việt Nam – Hàn Quốc, Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản, đề tài
Nghị định thư Việt Nam – Đài Loan, đề tài Quỹ NAFOSTED và các đề tài cấp
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ cụ
thể và rất cần thiết này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban lãnh đạo Viện
Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam cho tơi có thể hồn thành luận án.
Tơi chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy/cô và đồng nghiệp tại Viện
Khoa học vật liệu, các đồng nghiệp trong và ngồi Viện Hàn lâm Khoa học và
Cơng nghệ Việt Nam đã động viên – hỗ trợ trong nghiên cứu và hồn thành luận
án. Tơi xin gửi lời cảm ơn tới sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Phòng Vật liệu
Nano Y-sinh, Phòng Vật liệu Nano cácbon, Phòng thí nghiệm trọng điểm về
Vật liệu và Linh kiện điện tử (Viện Khoa học vật liệu), các đồng nghiệp tại Viện
Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam), Viện Kỹ thuật hóa học (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội),
Trung tâm CETASD (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà
Nội); cám ơn PGS. TS. Nguyễn Tuấn Dung, PGS. TS. Đỗ Phúc Quân, Th.S
Nguyễn Lê Huy,… cùng các bạn Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên
đại học.
luan an
Luận án đã nhận được sự giúp đỡ thực hiện các thực nghiệm tại Viện IEF
(Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp), Khoa ESS
(Trường Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan). Xin trân trọng cảm ơn những
sự hỗ trợ quý báu này.
Cuối cùng, tôi xin dành mọi tình cảm sâu sắc nhất, chân thành nhất cho gia
đình tơi, là chỗ dựa vững chắc và cho tơi động lực cũng như quyết tâm hồn
thành bản luận án.
Hà Nội, tháng
năm 2020
Tác giả
Nguyễn Hải Bình
luan an
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
i
Danh mục bảng, hình vẽ
v
Danh mục viết tắt
xv
Mở đầu
xviii
Chương I: Tổng quan
1
I. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa
1
I.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa
1
I.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa
6
I.2.1 Cảm biến trên cơ sở thế điện cực
6
I.2.2 Cảm biến dòng điện
8
I.2.3 Cảm biến độ dẫn
8
I.2.4 Cảm biến hiệu ứng trường
9
I.3 Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa
II. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa
10
11
II.1 Giới thiệu về Polyanilin
13
II.2 Giới thiệu về polydiaminonaphthalen
18
II.2.1 Poly(1,8-diaminonaphthalen)
18
II.2.2 Poly(1,5-diaminonaphthalen)
18
II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn
20
II.3.1 Hạt nano Fe3O4
20
II.3.2 Ống nano cácbon (CNTs)
22
II.3.3 Vật liệu màng graphen
22
III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa
III.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe
23
23
III.1.1 Xác định nồng độ glucơzơ
23
III.1.2 Xác định nồng độ cholesterol
24
i
luan an
III.1.3 Xác định chuỗi DNA của virút HPV
25
III.2 Ứng dụng trong quan trắc mơi trường
26
III.3 Ứng dụng trong kiểm sốt an toàn thực phẩm
27
III.3.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa
27
III.3.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa
29
IV. Kết luận
31
Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
I. Chế tạo các vi điện cực điện hóa
33
33
I.1 Chế tạo các hệ vi điện cực điện hóa tích hợp
33
I.1.1 Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp
33
I.1.2 Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa
34
I.1.3 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar)
36
I.1.4 Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS)
42
II. Tổng hợp điện hóa các màng polyme dẫn
II.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin
46
46
II.1.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon
46
II.1.2 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4
48
II.1.3 Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen
49
II.2 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN)
52
II.2.1 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt
nano Fe3O4
52
II.2.2 Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen
52
III. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp
53
III.1 Cố định các phần tử sinh học trên màng polyanilin biến tính
53
III.1.1 Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính
53
III.1.2 Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính
54
III.1.3 Cố định kháng thể Atrazin
56
III.2 Cố định phần tử sinh học enzym trên màng PDAN biến tính
IV. Các phương pháp phân tích điện hóa
ii
luan an
56
57
IV.1 Phương pháp Vơn-Ampe tuần hồn
57
IV.2 Phương pháp đo dịng thời gian thực
58
IV.3 Phương pháp xung sóng vng
58
IV.4 Phương pháp tổng trở điện hóa
59
V. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng
59
VI. Kết luận
60
Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ
sở vật liệu polyme dẫn
62
I. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn polyanilin
62
I.1 Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon
62
I.2. Pha tạp màng PANi bằng vật liệu hạt nano Fe3O4
69
I.3 Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp
PANi/Graphen
73
I.4 Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANiFe3O4/Graphen
76
II. Phát triển vi cảm biến cảm biến trên cơ sở màng P(1,5-DAN)
80
II.1 Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4
80
II.2 Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN
82
III. Kết luận
87
Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong
phân tích
89
I. Ứng dụng trong phân tích y sinh
89
I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch
89
I.1.1 Xác định hàm lượng glucơzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs
89
I.1.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4
98
I.1.3 Xác định hàm lượng Glucơzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANiFe3O4/Graphen
100
iii
luan an
I.2 Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch
103
I.2.1 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs
103
I.2.2 Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4
109
I.2.3 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANiFe3O4/Graphen
114
I.3. Xác định chuỗi ADN của virút HPV
II. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm
115
118
II.1 Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa
118
II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa
124
II.2.1 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5DAN)-Fe3O4
124
II.2.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến
Graphen/P(1,5-DAN)
136
III. Ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường
128
III.1 Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin bằng vi cảm biến
PANi/Fe3O4
128
III.2 Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến
PANi/Graphen
132
IV. Kết luận
137
Kết luận chung
138
Tài liệu tham khảo
139
Phụ lục
I
iv
luan an
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình I.1. Sơ đồ cấu tạo và chức năng của cảm biến sinh học
1
Hình I.2: Sơ đồ của MOSFET (trái) và mạch điện tương đương (phải)
9
Hình I.3. Một số polyme dẫn điện tử
11
Hình I.4. Polyme oxy hóa khử
12
Hình I.5. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine)
12
Bảng I.1: Tính chất một số polyme dẫn thơng dụng
13
Hình I.6. Cơng thức cấu tạo của anilin
13
Hình I.7. Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái
14
oxy hóa
Hình I.8. Các dạng cộng hưởng của cation gốc anilin
15
Hình I.9. Dạng dime của anilin
16
Hình I.10. Dạng cation gốc dime
16
Hình I.11. Quá trình tạo thành polyme
16
Hình I.12. Cơ chế pha tạp của polyanilin trong mơi trường HCl
17
Hình I.13. Cấu trúc hóa học của 1,5-DAN
19
Hình I.14. Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN
19
Hình I.15. Cấu trúc của graphen (a); ảnh TEM (b) và SEM (c) của
graphen được tổng hợp bằng phương pháp khử graphen ơxít
22
Hình I.16. Cấu trúc hóa học của các dạng Aflatoxin
28
Hình I.17 Giới hạn hàm lượng của Aflatoxin trong sữa trên thế giới
29
Hình I.18: Cấu trúc hóa học của lactơzơ
30
Hình I.19: Cơ chế thủy phân lactôzơ
31
v
luan an
Hình II.1. Sơ đồ các bước thực nghiệm chế tạo – thử nghiệm cảm biến
sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn
33
Hình II.2. Thiết kế của hệ vi điện cực điện hóa tích hợp đơn chíp (màu
xanh: điện cực làm việc và điện cực đối; màu hồng: điện cực so sánh)
34
Hình II.3. Mặt nạ hệ vi điện cực tích hợp điện hóa với đường kính điện
cực làm việc là 500 m
35
Hình II.4. Các cơng đoạn chế tạo hệ vi điện cực tích hợp phẳng (planar)
37
Bảng II.1. Thơng số q trình phún xạ điện tử
39
Bảng II.2. Thơng số q trình bốc bay chùm tia điện tử
40
Hình II.5. Ảnh hệ vi điện cực điện hóa tích hợp sau khi chế tạo
42
Hình II.6. Điện cực điện hóa tích hợp Pt ( trong đó: điện cực làm việc
– 1; điện cực đối – 2; điện cực so sánh – 3)
42
Hình II.7. Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng
43
Hình II.8. Mặt nạ hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng
43
Hình II.9. Hình ảnh thiết bị ăn mịn khơ (DRIE – dry etching) tại Khoa
ESS, Đại học quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan
45
Hình II.10. Phản ứng chức năng hóa MWCNTs
47
Hình II.11. Hệ lọc hút chân khơng CNTs sau khi chức năng hóa bằng
47
hỗn hợp axit
Hình II.12. Quy trình CVD nhiệt tổng hợp màng graphen
50
Hình II.13. Quy trình tách chuyển màng Graphen từ đế đồng sang đế vi
51
điện cực
Hình II.14. Cố định enzym qua liên kết chéo sử dụng tác nhân
54
glutaraldehít
Hình II.16 Sàng lọc aptamer đặc hiệu theo chu trình SELEX
vi
luan an
55
Hình III.1. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng
62
PANi/MWCNTs trên điện cực tích hợp
Hình III.2. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng PANi
(a) và màng PANi/MWCNTs (b) tại chu kỳ thứ 20 trên điện cực tích
63
hợp
Hình III.3. Ảnh chụp vi điện cực tích hợp có/khơng có màng
64
PANi/MWCNTs
Hình III.4 Ảnh FE-SEM của ống MWCNTs, màng PANi thuần và màng
65
PANi/MWCNTs
Hình III.5. Ảnh FESEM của phóng đại cấu trúc bề mặt PANi/MWCNTs
66
Hình III.6. Ảnh AFM của màng PANi và màng PANi/MWCNTs
67
Hình III.7. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi và màng
67
PANi/MWCNTs
Hình III.8. Sơ đồ hình thành liên kết giữa màng PANi dạng ES với
MWCNTs thông qua các liên kết: (a) π-stacking (xếp lớp liên kết π của
68
vòng thơm), (b) liên kết ion và (c) liên kết Hiđrơ
Hình III.9 Phổ trùng hợp điện hóa CV của màng PANi pha tạp Fe3O4
69
Hình III.10. So sánh phổ trùng hợp điện hóa của màng PANi-Fe3O4 và
70
PANi
Hình III.11. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi-Fe3O4 trên
71
vi điện cực
Hình III.12. Hình thái bề mặt của màng PANi và PANi-Fe3O4 trên vi
điện cực
72
Hình III.13. Ảnh HRTEM của màng graphen
73
Hình III.14. Phổ Raman của các màng graphen, PANi và PANi/Graphen
74
vii
luan an
Hình III.15. Phổ điện hóa của màng PANi/Graphen trước và sau khi ủ
glutaraldehít trong dung dịch HCl 0,1M (dải thế quét: -0,2 ÷ +0,8 V, tốc
76
độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV)
Hình III.16. Phổ Raman của màng PANi-Fe3O4/Graphen trên vi điện cực
77
Hình III.17. Hình ảnh AFM của màng graphen được tách chuyển trên vi
điện cực PANi-Fe3O4.
78
Hình III.18. Ảnh FESEM của màng PANi-Fe3O4/Graphen
78
Hình III.19. Tính chất điện hóa của màng PANi-Fe3O4/Graphen
79
Hình III.20. Trùng hợp điện hóa màng PDAN-Fe3O4, PDAN và so sánh
hoạt động điện hóa của các màng PDAN pha tạp/khơng pha tạp Fe3O4
81
Hình III.21. Đường CV vịng qt đầu tiên ghi trên điện cực (a) Pt và
(b) Pt/Gr trong dung dịch HClO4 1M và monome 1,5-DAN 5mM
82
Hình III.22. Phổ CV tổng hợp màng poly(1,5-DAN) trên điện cực (a) Pt
83
và (b) Pt/Gr
Hình III.23. Phổ Raman của Gr (đường a), poly(1,5-DAN) (đường d) và
các màng tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kỳ (đường b) và
84
20 chu kỳ quét thế (đường c)
Bảng III.1. Các đỉnh Raman của màng mỏng graphen, poly(1,5-DAN)
85
và tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN)
Hình III.24. Ảnh FESEM của màng graphen (A) và điện cực
Pt/graphen/P(1,5-DAN) (B); Ảnh AFM của màng graphen (C)
86
Hình III.25. So sánh hoạt động điện hóa của các màng Pt/PDAN và
87
Pt/Graphen/PDAN
Hình IV.1. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định GOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít với (a) phóng đại
10.000 lần và (b) phóng đại 50.000 lần
viii
luan an
89
Hình IV.2. Phổ tổng trở của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (đường
a) và vi điện cực PANi/CNTs (đường b) (thông số dịng xoay chiều: tần
90
5
số f= 0,01 ÷ 10 Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
Hình IV.3. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong dung
dịch PBS: (a) không có glucơzơ; (b) 0,5 mM glucơzơ và (c) 1,0 mM
glucơzơ (thơng số: dải thế: -0,8 V ÷ +0,8 V, tốc độ quét: 50 mV/s, bước
91
thế: 10 mV)
Hình IV.4. So sánh dòng đáp ứng của vi cảm biến PANi/GOx (A) và
PANi/MWCNTs/GOx (B) khi thêm glucơzơ vào hệ điện hóa (E = +0,7
92
V)
Hình IV.5. Đường đặc tuyến dịng đáp ứng của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/GOx khi thêm glucơzơ vào hệ điện hóa (E = 0,7 V)
93
Bảng IV.1. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm glucơzơ vào hệ điện
94
hóa
Hình IV.6. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong
dải nồng độ 1÷ 9 mM
94
Bảng IV.2. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx
95
Hình IV.7. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx sau các
96
khoảng thời gian khác nhau
Bảng IV.3. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx theo thời
97
gian
Hình IV.8. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (điện thế
97
áp = 0,7 V)
Hình IV.9. Đáp ứng dịng của vi cảm biến sinh học PANi-Fe3O4/GOx
và PANi/GOx tại điện thế +0,7 V trong dung dịch PBS (pH = 7) khi
thêm liên tiếp 0,5 mM glucôzơ sau mỗi 50 s
ix
luan an
98
Hình IV.10. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/GOx
99
Hình IV.11. Phổ điện hóa SWV đặc trưng cho các lớp vật liệu của vi
cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx (thông số: tần số = 12,5 Hz, tốc độ
quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ xung = 5 mV, dải thế = -0,6
100
÷ 0,65 V trong dung dịch HCl 0,1M)
Hình IV.12. Đáp ứng dòng ra của vi cảm biến PANiFe3O4/Graphen/GOx khi thêm liên tiếp các nồng độ của glucôzơ (E =
101
0,7 V, nhiệt độ phịng, khơng có khuấy, dung dịch đệm 50mM PBS 1x)
Hình IV.13. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx
102
theo nồng độ glucơzơ
Bảng IV.4. So sánh tính chất của các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa
xác định nồng độ glucơzơ trên cơ sở vật liệu khác nhau
103
Hình IV.14. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định ChOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít (a) phóng đại 10.000
103
lần và (b) phóng đại 50.000 lần
Hình IV.15. Phổ tổng trở của điện cực PANi/MWCNTs/ChOx (đường
a) và điện cực Pt/PANi/MWCNTs (đường b) (thơng số dịng xoay chiều:
104
tần số f= 0,01 ÷ 105 Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
Hình IV.16. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx trong dung
dịch PBS 50 mM (a) khơng có cholesterol; (b) 0,05 mM cholesterol; (c)
0,1 mM cholesterol và (d) 0,2 mM cholesterol (thông số: dải thế = -0,9
105
÷ 0,8 V, tốc độ quét = 50 mV, bước thế = 10 mV)
Hình IV.17. Đặc trưng đáp ứng dòng theo thời gian của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/ChOx khi thêm liên tiếp cholesterol vào dung dịch
PBS 50 mM (pH = 7) tại điện áp -0,3 V (vs Ag/AgCl)
x
luan an
106
Bảng IV.5. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm cholesterol vào hệ điện
107
hóa
Hình IV.18. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx
107
Hình IV.19. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx
108
Bảng IV.6. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx
109
Hình IV.20. Phổ điện hóa CV của cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong
dung dịch PBS 50 mM có 0,5 mM cholesterol với các tốc độ quét thay
đổi từ 10 ÷ 100 mV/s với bước thế 10 mV (đường a tới j) trong dải thế -
110
0,6 V ÷ + 0,6 V
Hình IV.21. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong PBS 50
mM khi khơng có cholesterol và khi có 0,5 mM cholesterol (thơng số:
111
dải thế -0,6 V ÷ +0,6 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV)
Hình IV.22. So sánh khả năng đáp ứng dịng của cảm biến PANi/ChOx,
PANi-Fe3O4/ChOx và PANi/Fe3O4/ChOx- Fe3O4
112
Hình IV.23. Cơ chế phản ứng thủy phân cholesterol trên vi cảm biến
sinh học điện hóa PANi-Fe3O4/Fe3O4-ChOx
112
Hình IV.24. Đặc tuyến đáp ứng dòng với các nồng độ cholesterol (0,19
mM) được thêm vào của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi-
113
Fe3O4/ChOx-Fe3O4
Hình IV.25. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi113
Fe3O4/ChOx-Fe3O4
Hình IV.26. Đường đáp ứng dịng của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi-Fe3O4/Graphen/ChOx với các nồng độ cholesterol trong dung
114
dịch (hình nhỏ: đường đặc tuyến của cảm biến cholesterol)
Bảng IV.7. So sánh tính chất của các vi cảm biến sinh học điện hóa xác
định hàm lượng cholesterol trong dung dịch
xi
luan an
116
Hình IV.27. Đồ thị SWV khi xử lí với EDC/NHS (đường 1), khi gắn với
aptamer HPV-16-L1 với nồng độ 5x10-8 M (đường 2) và khi hình thành
phức hợp HPV-16-L1 với kháng nguyên HPV (đường 3- 7) (thông số:
116
tần số = 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ
xung = 5 mV, dải thế = -0,6 V ÷ 0,5 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.28. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs theo nồng độ HPV trong dải 10-80 nM
117
Hình IV.29. Đồ thị SWV sau khi được xử lí với EDC/NHS (đường 1);
sau khi gắn với aptamer 5.10-8M HPV-16-L1 (đường 2) và sau khi tạo
phức hợp với 5.10-8 M kháng nguyên OVA (đường 3) (thông số: tần số
118
= 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10mV, biên độ xung =
5mV, dải thế = -0,6V ÷ 0,5V trong dung dịch HCl 0,1M)
Hình IV.30. Nguyên lý chế tạo và ứng dụng vi cảm biến Aptasensor xác
119
định AFM1 trong sữa
Hình IV.31. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: dải thế = -0,2 V ÷ 1,0 V, tốc độ quét = 50
120
mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.32 Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s,
bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1
121
M)
Hình IV.33. Kết quả đo SWV của vi cảm biến với mẫu đối chứng OTA
(thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV,
122
dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Bảng IV.8. So sánh các phương pháp xác định nồng độ AFM1 trong
123
dung dịch
xii
luan an
Hình IV.34. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến sinh học điện hóa
PDAN-Fe3O4 (thơng số: dải thế = -0,02 ÷ 0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s,
124
bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.35. Đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực theo nồng độ lactozơ
của vi cảm biến sinh học điện hóa PDAN/Fe3O4 (E = 0,4V)
125
Hình IV.36. Đường chuẩn của vi cảm biến PDAN-Fe3O4 theo nồng độ
126
lactơzơ trong dung dịch
Hình IV.37. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến Graphene/PDAN
(thơng số: dải thế: -0,02 V÷0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế =
127
10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.38. Đường chuẩn của vi cảm biến Graphene/PDAN theo nồng
128
độ lactôzơ trong dung dịch
Hình IV.39. Mơ hình bề mặt vi điện cực làm việc PANi-Fe3O4 được cố
định đầu dò sinh học -ATZ của vi cảm biến
129
Hình IV.40. Tính chất điện hóa của vi cảm biến PANi-Fe3O4 trước và
sau khi gắn Anti-ATZ (thơng số: dải thế = -0,6 V÷ +0,65 V, tốc độ quét
129
= 50 mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.41. Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
khác nhau của Atrazin (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50
mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch
130
HCl 0,1 M)
Hình IV.42. Xác định sự nhả ATZ trên bề mặt cảm biến bằng phương
pháp SWV (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước
131
thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.43. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/Anti-Atrazin
xiii
luan an
132
Hình IV.44. Nguyên lý chế tạo và hoạt động của vi cảm biến sinh học
điện hóa PANi/Graphen xác định dư lượng thuốc BVTV Atrazin
133
Hình IV.45. Tín hiệu đáp ứng SWV của vi cảm biến PANi/Graphen với
các nồng độ Atrazin trong dải từ 10-11 đến 10-7 M (thông số: tần số quét
12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷
135
+0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.46. Đường chuẩn đáp ứng dịng ra tại điện áp +0,57 V của vi
cảm biến PANi/Graphen trong dải nồng độ của ATZ từ 10-11 đến 10-7 M
135
Bảng IV.9. So sánh một số cảm biến điện hóa xác định hàm lượng
136
Atrazin
xiv
luan an
DANH MỤC VIẾT TẮT
ADN
Acid Deoxyribonucleic
Axít deoxyribonucleíc
AFM
Atomic Force Microscopy
Kính hiển vi lực nguyên tử
AFM1
Aflatoxin M1
Độc tố Aflatoxin M1
APT
Aptamer Aflatoxin M1
Chuỗi aptame Aflatoxin M1
ARN
Acid Ribonucleic
Axít ribonuclc
ATZ
Atrazine
Thuốc BVTV Atrazin
BSA
Bovine serum albumine
Huyết thanh bị
CNT
Carbon nanotubes
Ống nano cácbon
CSA
Camphorsulfonic acid
Axít Camphorsulfoníc
CV
Cyclic Voltammetry
Vơn-Ampe tuần hồn
CVD
Chemical vapor deposition
Lắng đọng pha hơi hóa học
ChOx
Cholesterol oxidase
Enzym Cholesterol oxidase
DAN
Diaminonapthalene
Diaminonapthalen
DBSA
Doecyl benzensulfonic acid
Axít Doecyl benzensulfoníc
DI
Deionized
Nước khử ion
DRIE
Deep Reactive Ion Etching
Ăn mịn sâu bằng phản ứng
ion
EB
Emeraldin base
Dạng bazơ emeraldin
EDC
N-(3-dimethylaminopropyl)N-(3-dimethylaminopropyl)-N-
N-ethylcarbodiimide
ethylcarbodiimide hydrochloride
hydrochlorít
Enzyme-linked immunosorbent
Xét nghiệm miễn dịch enzym
assays
pha rắn
ES
Emeraldin Salt
Dạng muối emeraldin
FESEM
Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét
ELISA
FET
Microscopy
phát xạ trường
Field Effect Transistor
Tranzitơ hiệu ứng trường
xv
luan an
FTIR
Fourier Transform Infrared
Phổ hấp thụ hồng ngoại biến
đổi chuỗi Fourier
GA
Glutaraldehyde
Glutaraldehít
GOx
Glucose oxidase
Enzym Glucose oxidase
HMDS
Hexamethyldisilazane
Hexamethyldisilazan
HPV
Human Papilloma Virus
Virút gây u nhú ở người
HRTEM
High Resolution Transmission
Kính hiển vi điện tử truyền
Electron Microscopy
qua độ phân giải cao
ICP
Intrinsically Conducting Polymer
Polyme dẫn thuần
IDE
Interdigitated electrodes
Điện cực cấu trúc răng lược
IPA
Isopropanol
Rượu Isopropanol
ISFET
Ion Selective Field Effect
Tranzitơ hiệu ứng trường
Transistor
chọn lọc ion
KLH
Keyhole limpet haemocyanin
Keyhole limpet haemocyanin
LB
Leucoemeraldin base
Dạng bazơ Leucoemeraldin
LOD
Limit of detection
Giới hạn phân tích
LOQ
Limit of quantitation
Giới hạn định lượng
MEMS
Micro ElectroMechanical System Hệ thống vi cơ điện tử
MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor
Tranziơ hiệu ứng trường kim
Field Effect Transistor
loại-ơxít-bán dẫn
MWCNTs Multi Wall Carbon NanoTubes
Ống cácbon nano đa vách
NHS
N-hydroxysuccinimide
N-hydroxysuccinimít
OLED
Organic Light Emitting Diode
Điốt phát quang hữu cơ
OTA
Orchratoxin A
Độc tố Orchratoxin A
PANi
Polyaniline
Polyanilin
PB
Polypernigranilin base
Dạng bazơ Polypernigranilin
PBS
Phosphate buffer saline
Đệm phốt-phát
PCR
Polymerase chain reaction
Phản ứng nhân chuỗi polyme
PDAN
Polydiaminonaphthalene
Polydiaminonaphthalen
xvi
luan an
PMMA
Poly(methyl methacrylate)
Poly(methyl methacrylate)
PVD
Physical Vapor Deposition
Lắng đọng pha hơi vật lý
QCM
Quartz Crystal Microbalance
Vi cân tinh thể thạch anh
SELEX
Systematic Evolution of Ligands
Quy trình chọn lọc gen
by Exponential Enrichment
SELEX
SPE
Screen printed electrode
Điện cực in lưới
SPR
Surface Plasmon Resonance
Cộng hưởng plasmon bề mặt
SWV
Square Wave Voltammetry
Vôn-Ampe xung sóng vng
xvii
luan an
MỞ ĐẦU
Hiện nay, cảm biến sinh học được xem như một thiết bị đầy tiềm năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như: sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, vệ sinh an tồn thực
phẩm, bảo vệ mơi trường và an tồn trong công nghiệp.v.v. Cảm biến sinh học là
thiết bị sử dụng các thành phần sinh học đặc trưng kết hợp với bộ chuyển đổi tín
hiệu để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất.
Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và phát triển cấu trúc, dễ
tích hợp với các phần tử của vi hệ thống, dễ chế tạo. Các điện cực làm việc, điện cực
đối, điện cực so sánh đều được tích hợp trên một chip, giúp giảm thể tích và khối
lượng của mẫu cần phân tích do kích thước điện cực giảm. Các phần tử của vi cảm
biến điện hóa đều được chế tạo trên công nghệ Vi điện tử nên dễ đóng gói, tăng độ
ổn định và độ lặp lại.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên
cơ sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối
lượng, áp suất, điện hóa… So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối lượng, áp
suất, vi cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng công nghệ
MEMS nên kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo số lượng lớn làm giảm giá thành, có cấu
trúc đơn giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh-vi van-vi bơm hơn, dễ đóng gói
hơn, dễ sử dụng các phương pháp điện hóa để kiểm tra tính chất của thiết bị. Tại
Việt Nam, một số kết quả ban đầu về chế tạo và phát triển cảm biến sinh học đã
được công bố bởi các đơn vị nghiên cứu trong nước. Tóm lại, hướng nghiên cứu
phát triển các vi hệ thống điện hóa ứng dụng trong chẩn đốn y sinh và quan trắc
môi trường đang được quan tâm và đầu tư mạnh tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ cùng dân số gần
90 triệu người, triển vọng về phát triển các thiết bị, các vi hệ thống điện hóa sử dụng
vật liệu cấu trúc nano có giá trị thúc đẩy khoa học công nghệ và ý nghĩa kinh tế xã
hội sâu sắc. Trên cơ sở khoa học và u cầu thực tiễn đó, tơi lựa chọn thực hiện luận
án “Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính
để ứng dụng trong y-sinh và môi trường”.
xviii
luan an
Vấn đề đặt ra cho luận án này là phải nghiên cứu chế tạo phát triển và thử nghiệm
các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa nền (platform) có chế độ hoạt động đơn giản,
thời gian đáp ứng nhanh, độ chính xác cao, dễ dàng tùy biến cấu trúc, dễ dàng tích
hợp linh kiện. Với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện
hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn biến tính vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện công
nghệ hiện có ở trong nước, luận án đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết
kế hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp (lần đầu tiên ở Việt Nam) phù hợp với điều
kiện cơng nghệ hiện có, tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến, khảo sát các
tính chất đặc trưng của cảm biến đã chế tạo, thử nghiệm phân tích một số chỉ tiêu
trong y sinh, chất ô nhiễm môi trường và chất trong an toàn thực phẩm. Trên cơ sở
đó, rút ra được những kết luận về khả năng chế tạo – phát triển và ứng dụng hệ vi
cảm biến này trong những điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước. Từ những mục
tiêu đặt ra của luận án, nội dung chính của luận án sẽ được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan
Trong chương này, tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa sẽ được trình bày về
định nghĩa, cấu trúc, các tính chất và ứng dụng; các vật liệu polyme dẫn ứng dụng
trong cảm biến sinh học điện hóa cũng được mơ tả; từ đó lựa chọn vật liệu cho cảm
biến thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện cơng nghệ hiện có ở trong
nước.
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
Trong luận án này, hệ vi cảm biến điện hóa chủ yếu được thực hiện tại Viện Khoa
học vật liệu và kết hợp một phần tại các phịng thí nghiệm nước ngồi. Các kỹ thuật
thực nghiệm trong quy chế tạo vi cảm biến điện hóa: thiết kế chế tạo hệ vi điện cực
tích hợp, trùng hợp điện hóa màng polyme dẫn và biến tính màng, cố định các phần
tử sinh học lên bề mặt màng, các kỹ thuật phân tích được trình bày trong chương
này.
Chương 3: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu
polyme dẫn
xix
luan an
Các kết quả về chế tạo, phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các màng
polyme dẫn (PANi, P(1,5-DAN) được biến tính/pha tạp với các vật liệu nano (như
ống CNT, hạt nano Fe3O4, màng graphen) sẽ được trình bày và thảo luận; bên cạnh
đó, các tính chất điện hóa và cấu trúc bề mặt của các màng nanocompozít này cũng
được khảo sát nghiên cứu.
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích
Các kết quả thử nghiệm ứng dụng vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng
Polyme dẫn (PANi và P(1,5-DAN)) được biến tính bằng vật liệu cấu trúc nano
(CNTs, Fe3O4, graphen) trong phân tích y-sinh, kiểm sốt ơ nhiễm mơi trường và an
tồn thực phẩm sẽ được trình bày và thảo luận đánh giá trong chương này.
Kết luận chung
xx
luan an