Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------------------

Nguyễn Đức Nghĩa

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CARBON
ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Đức Nghĩa

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CARBON
ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

Ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 9520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HĨA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TRẦN VĨNH HOÀNG
2. PGS.TS. HUỲNH ĐĂNG CHÍNH

HÀ NỘI – 2023


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan, luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của người hướng
dẫn khoa học PGS.TS. Trần Vĩnh Hoàng và PGS.TS. Huỳnh Đăng Chính. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày 06 tháng 10 năm 2023
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Đức Nghĩa
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Trần Vĩnh Hồng
2. PGS. TS. Huỳnh Đăng Chính

i


Lời cảm ơn

Luận án này được thực hiện ở phòng thí nghiệm Bộ mơn Hóa Vơ cơ và Đại cương,
Viện Kỹ thuật Hóa học (nay là Trường Hố và khoa học sự sống), Đại học Bách khoa Hà
Nội.
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trần
Vĩnh Hoàng và PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, những người thầy đã tận tình hướng dẫn tơi
hồn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ ở Bộ mơn Hóa Vơ cơ và Đại cương; Viện Kỹ
thuật Hóa học (Trường Hố và khoa học sự sống), Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt

tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi làm thực nghiệm để thực hiện các nội dung
nghiên cứu của luận án.
Trong q trình nghiên cứu, tơi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện
của lãnh đạo, đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga nơi tôi đang công tác,
các sinh viên nghiên cứu khoa học, học viên cao học và các thầy cô trong nhóm nghiên
cứu Advanced Materials and Biosensors (AMB). Tơi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ
q báu đó.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn sát cánh
bên tôi, giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày 06 tháng 10 năm 2023
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Đức Nghĩa

ii


Mục lục
Lời cam đoan

………………………………………………………………….……...i

Lời cảm ơn

………………………………………………………………………...ii

Mục lục

………………………………………………………………………..iii

DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ vii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ ix
CHƯƠNG 1:

Tổng quan .................................................................................. 3

1.1 Cảm biến sinh học ......................................................................................................... 3
1.1.1 Định nghĩa và cấu tạo cảm biến sinh học ................................................................... 3
1.1.3 Các thành phần của cảm biến sinh học....................................................................... 4
1.1.3.1 Đầu dò (capture probe) ............................................................................................ 4
1.1.3.2 Bộ phận chuyển đổi (transducer) ............................................................................. 5
1.1.4 Cảm biến so màu ........................................................................................................ 6
1.1.5 Một số ứng dụng của cảm biến sinh học .................................................................... 7
1.1.5.1. Ứng dụng trong kiểm nghiệm an toàn thực phẩm và kiểm sốt mơi trường ......... 7
1.1.5.2. Ứng dụng trong y sinh học và chẩn đoán lâm sàng................................................ 7
1.1.5.3. Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đảm bảo an ninh -quốc phòng ................ 8
1.2. Enzym ........................................................................................................................... 8
1.2.1 Cấu trúc phân tử và đặc tính xúc tác ưu việt của enzym ............................................ 9
1.2.2 Đặc điểm xúc tác của enzym ...................................................................................... 9
1.2.3 Tính đặc hiệu của enzym .......................................................................................... 10
1.2.4 Đơn vị đo hoạt độ chế phẩm enzym ......................................................................... 10
1.3 Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose ............................................................. 10
1.3.1 Các phương pháp xét nghiệm nồng độ glucose........................................................ 11
1.3.1.1. Phương pháp so màu trên cơ sở sử dụng enzym đặc chủng ................................. 11
1.3.1.2 Xét nghiệm bằng máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các enzym
đặc chủng ........................................................................................................................... 12
1.3.2 Các xu hướng phát triển cảm biến glucose............................................................... 14
1.3.2.1 Tổng hợp và ứng dụng các vật liệu thay thế enzym glucose oxidase (GOx) trong
chế tạo cảm biến ................................................................................................................ 14

iii


1.3.2.2 Tổng hợp và sử dụng các vật liệu có hoạt tính xúc tác thay thế enzym peroxidase
(POD)................................................................................................................................. 15
1.4 Các vật liệu nano tiên tiến trên nền carbon được nghiên cứu trong luận án ............... 18
1.4.1 Vật liệu nano bạc (silver nanoparticles-AgNPs) ...................................................... 18
1.4.2 Hạt nano Fe3O4 bọc carbon (cấu trúc lõi/vỏ) (core-shell) ........................................ 19
1.4.2.1 Vật liệu nano Fe3O4 ............................................................................................... 19
1.4.2.2 Hạt nano Fe3O4 bọc carbon (cấu trúc lõi/vỏ - core-shell) ...................................... 26
1.4.3 Vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ .............................................. 29
1.4.3.1 Sắt oxy – hydroxit (FeOOH) ................................................................................. 29
1.4.3.2 Chấm cacbon lượng tử pha tạp nitơ (N-GQDs) .................................................... 30
CHƯƠNG 2:

Thực nghiệm ........................................................................... 33

2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị ............................................................ 33
2.1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất ......................................................................................... 33
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị ................................................................................................... 33
2.2 Tổng hợp vật liệu AgNPs/GQDs và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học ........ 34
2.2.1 Tổng hợp vật liệu AgNPs/GQDs .............................................................................. 34
2.2.1.1 Tổng hợp carbon dots bằng phương pháp từ dưới lên (bottom-up) ...................... 34
2.2.1.2 Chế tạo vật liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/GQDs) ........................................ 34
2.2.2 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu
AgNPs/GQDs .................................................................................................................... 35
2.2.3 Chế tạo cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs ................................... 35
2.2.4 Ứng dụng cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs cho mẫu thực ......... 36
2.2.5 Chế tạo hệ thống xét nghiệm hàng loạt, ứng dụng để phát hiện hydrogen peroxide

(H2O2) trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs sử dụng phần mền ImageJ ............................... 36
2.3 Tổng hợp vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh
học ..................................................................................................................................... 38
2.3.1. Tổng hợp vật liệu FeC ............................................................................................. 38
2.3.2. Cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu FeC ................. 40
2.3.2.1 Cảm biến phát hiện H2O2 trên cơ sở vật liệu FeC ................................................. 40
2.3.2.2 Chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu FeC .................... 40
2.3.2.3 Ứng dụng vật liệu FeC trong chế tạo cảm biến xác định glucose trong dung dịch
và mẫu thực ....................................................................................................................... 40
iv


2.4 Tổng hợp vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ.................................. 41
(FN-GQDs) ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học.................................................... 41
2.4.1 Tổng hợp vật liệu FN-GQDs .................................................................................... 42
........................................................................................................................................... 42
2.4.2 Cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu FN-GQDs ........ 43
2.4.2.1 Cảm biến phát hiện H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-GQDs ....................................... 43
2.4.2.2 Chế tạo cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu FN-GQDs....................................... 43
2.5 Khảo sát hoạt tính của các nanozyme (FeC, FN-GQDs) ............................................ 44
2.6 Các phương pháp xử lý số liệu .................................................................................... 44
2.6.1 Độ nhạy..................................................................................................................... 44
2.6.2 Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) ........................................................................................ 45
2.6.3 Giới hạn phát hiện (LOD) ........................................................................................ 45
CHƯƠNG 3:

Kết quả và thảo luận ............................................................... 47

3.1 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs trong chế tạo cảm biến sinh
học so màu phát hiện glucose ............................................................................................ 47

3.1.1 Tổng hợp và đặc trưng vật liệu AgNPs/GQDs ......................................................... 47
3.1.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs ....................... 51
3.1.2.1 Khảo sát hoạt tính tương tự enzym hydrogen peroxide của vật liệu AgNPs/GQDs
........................................................................................................................................... 51
3.1.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2.......................................................................... 56
3.1.3 Ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose
bằng phương pháp so màu ................................................................................................. 57
3.1.3.1 Cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/GQDs ............................................. 57
3.1.3.2 Ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs trong chế tạo cảm biến xác định nồng độ
glucose trong mẫu nước tiểu ............................................................................................. 61
3.1.4 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu
AgNPs/GQDs sử dụng phần mền ImageJ ......................................................................... 62
3.1.4.1 Tính tốn độ tin cậy của bộ cảm biến .................................................................... 63
3.2 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) trong chế tạo cảm
biến sinh học so màu phát hiện glucose ............................................................................ 68
3.2.1. Tổng hợp, đặc trưng vật liệu FeC ............................................................................ 68
3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu FeC ...................................... 72
v


3.2.2.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác tương tự enzym hydrogen peroxidase của vật liệu FeC
........................................................................................................................................... 72
3.2.2.2 Khảo sát động học hoạt tính xúc tác tương tự enzym peroxidase của vật liệu FeC
........................................................................................................................................... 76
3.2.2.3 Cảm biến xác định nồng độ H2O2.......................................................................... 78
3.2.3 Ứng dụng vật liệu FeC trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose ........... 80
3.2.3.1 Cảm biến sinh học phát hiện glucose trên cơ sở vật liệu FeC ............................... 80
3.2.3.1 Ứng dụng vật liệu FeC trong chế tạo cảm biến xác định glucose trong dung dịch
và mẫu thực ....................................................................................................................... 81
3.3 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu FN-GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học

so màu phát hiện glucose ................................................................................................... 83
3.3.1 Tổng hợp, đặc trưng của vật liệu FN-GQDs ............................................................ 83
3.3.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-GQDs ............................. 86
3.3.2.1 Hoạt tính xúc tác của FN-GQDs và tối ưu hóa điều kiện phản ứng...................... 86
3.3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-GQDs .......................... 89
3.3.3 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose .. 92
3.3.3.1 Cảm biến sinh học xác định glucose trong dung dịch trên cơ sở vật liệu FN-GQDs
........................................................................................................................................... 92
3.3.3.2 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose
trong nước tiểu ................................................................................................................... 95
Kết luận

……………………………………………………………………….97

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 100

vi


DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết đầy dủ bằng tiếng Anh

Dịch ra tiếng Việt

DNA

Deoxyribonucleic Acid

ADN

RNA

Ribonucleic Acid

RNA

ELISA

Enzym - Linked Immunosorbent
Assay

Xét nghiệm miễn dịch ELISA

LOD

Limit of Detection

Giới hạn phát hiện

ODNs

Oligo Deoxyribonucleotides

Chuỗi deoxyribonucleotides tổng hợp

GOx

Enzym Glucose Oxidase

Enzym oxi hoá glucose

ChOx

Enzym Cholesterol Oxidase

Enzym oxi hoá cholesterol

HRP

Enzym Horseradish Peroxidase

Enzym Horseradish Peroxidase (một loại
enzym phân huỷ hydroperoxit -H2O2)

HIV

Human Immunodeficiency Virus
infection

Virus gây suy giảm miễn dịch ở người

SI

International Standard

Tiêu chuẩn quốc tế

IUPAC

International Union of Pure and
Applied Chemistry

Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng

POD

Enzym Peroxidase

Enzym phân huỷ hydroperoxit (H2O2)

TMB

3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine

3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine

4-AAP

4 – Aminophenzon

4 – Aminophenzon

GQDs

Graphen quantum dots

Hạt nano carbon có kích thước nhỏ hơn
10 nm.

N-GQDs

N-GQDs

Graphen quantum dots pha tạp nitơ

XRD

X-ray Diffraction

Quang phổ nhiễu xạ tia x

TEM

Transmission Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

FT-IR

Fourier Transform Infrared
Spectroscopy

Phổ hồng ngoại

PL

Photoluminescence

Quang phổ phát quang

IONzyme Iron oxide nanozyme

Hạt nano oxit sắt có hoạt tính như
enzym

AgNPs

Hạt nano bạc

Silver nanoparticles

AgNPs/G Silver nanoparticles Graphen
QDs
quantum dots

Hạt nano bạc lai tạo Graphen quantum
dots

FeC

FeC

Fe3O4 bọc carbon

FNGQDs

FN-GQDs

Vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử
pha tạp nitơ

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần chế tạo mẫu ................................................................................................ 39
Bảng 3.1 So sánh các cảm biến glucose trên cơ sở phương pháp so màu ..................................... 60
Bảng 3.2 Giá trị đo cường độ hấp thụ trung bình giữa các lần đo................................................. 64
Bảng 3.3 Kết quả đo ...................................................................................................................... 65
Bảng 3.4 Bảng kết quả đo của mẫu trắng trong khay Elisa ........................................................... 65
Bảng 3.6 Sai số phép đo phân tích H2O2 có nồng độ 200 mM ..................................................... 67
Bảng 3.7 Bảng so sánh độ tin cậy khi phân tích xác định H2O2 ở các nồng độ khác nhau ........... 67
Bảng 3.8 Điều kiện tối ưu của phản ứng ....................................................................................... 75
Bảng 3.9 Các thông số Km đối với TMB và H2O2 của các mẫu xúc tác FeC và một số xúc tác đã
công bố ............................................................................................................................ 77
Bảng 3.10 Sai số của phép đo ........................................................................................................ 78
Bảng 3.11 Kết quả tính lượng glucose trong mẫu thực theo mẫu chuẩn....................................... 82
Bảng 3.12 So sánh kết quả phân tích glucose trong mẫu huyết thanh giữa cảm biến FeC13 và
trung tâm y tế................................................................................................................... 82
Bảng 3.13 Điều kiện tối ưu của phản ứng ..................................................................................... 89
Bảng 3.14 Giới hạn tìm kiếm H2O2 nhỏ nhất của một số báo cáo trước đây ................................ 90
Bảng 3.15 So sánh hằng số động học Km của FN-GQDs với các xúc tác khác ............................ 92

Bảng 3.16 So sánh LOD của một số cảm biến glucose đã công bố trước đây .............................. 95

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Ngun lý cấu tạo của cảm biến sinh học[1] .................................................................... 3
Hình 1.2 Phân loại cảm biến trên cơ sở bộ phận chuyển đổi (transducer)[2] ................................. 5
Hình 1.3 Cảm biến so màu phổ dụng: (a) giấy đo độ pH; (b) Hộp que thử 10 thông số của nước
tiểu và (c) các màu sắc ứng với nồng độ trong 10 thông số của que thử nước tiểu; (d)
giấy thử hàn the trong thực phẩm; (e) bộ kit xác định hàm lượng methanol trong rượu và
(f) que thử thai. .................................................................................................................. 6
Hình 1.4 (a) Bộ kit cảm biến sinh học để xác định phân tử nấm aflatoxin B1 trong thực phẩm
theo nguyên lý ELISA [33]và (b) Bộ kit xét nghiệm dư lượng thuốc bảo vệ thực vật
trong nước [34] .................................................................................................................. 7
Hình 1.5 (a) Bộ xét nghiệm virus HIV tuýp 1,2 dựa trên cảm biến sinh học kiểu ELISA [33] và
(b) máy đo đường huyết cá nhân theo dõi nồng độ glucose trong máu ............................ 8
Hình 1.6 (a) Cơ chế hoạt động của các enzym trong hệ cảm biến 2 enzym phát hiện glucose bằng
phương pháp so màu (trắc quang); (b) Các phản ứng xảy ra và (c) cường độ màu tỷ lệ
với nồng độ glucose trong mẫu, trường hợp màu hồng của hệ 4-AAP/phenol ............... 12
Hình 1.7 (a) Một bộ dụng cụ và thiết bị của máy đo đường huyết gồm: (1) Máy phân tích và đọc
kết quả; (2) Dụng cụ lấy máu; (3) Que thử; (4) Hộp đựng que thử và (5) Hộp đựng thiết
bị. (b) Cấu tạo của que thử; (c) Nguyên tắc hoạt động của điện cực làm việc và (d)
Nguyên lý truyền và xử lý tín hiệu của thiết bị ............................................................... 13
Hình 1.8 Bộ que thử glucose trong nước tiểu Uriscan và bảng màu chuẩn để so sánh[35]. ......... 14
Hình 1.9 Nguyên lý phát hiện glucose bằng phương pháp so màu không sử dụng enzym [36] ... 14
Hình 1.10 Nguyên lý phát hiện glucose sử dụng enzym GOx kết hợp với sử dụng C60-carboxyfullerenes thay thế enzym HRP [47] ............................................................................... 15
Hình 1.11 Cấu tạo điện cực làm việc để phát hiện glucose trên cơ sở sử dụng kết hợp enzym
GOx với vật liệu lai tạo Pt/sợi helical carbon và cơ chế phản ứng khi điện cực làm
việc[55] ............................................................................................................................ 16

Hình 1.12 Cấu trúc cảm biến phát hiện nồng độ glucose trong nước bọt, nước mắt và nước tiểu
trên cơ sở các tấm graphen/hạt nano Pd [56] .................................................................. 17
Hình 1.13 Sơ đồ của cảm biến phát hiện H2O2 và glucose theo phương pháp điện hóa sử dụng hệ
vi lưu làm từ giấy (paper-based microfluidic devices) [57] ............................................ 17
Hình 1.14 (a) Khẩu trang chứa nano bạc; (b) các dược phẩm sử dụng nano bạc; (c) bình sữa làm
bằng nhựa có pha thêm nano bạc; (d) ảnh SEM của các hạt nano bạc kết hợp với film
polyolefin; (e) bàn chải đánh răng có chứa nano bạc ...................................................... 18
Hình 1.15 Xét nghiệm miễn dịch và phát hiện mầm bệnh dựa trên IONzyme. (A) Xét nghiệm
miễn dịch thường xuyên [62]. (B) Dải Nanozyme để phát hiện Ebola [63]. (C) Phát hiện

ix


virus với định dạng sandwich[64]. (D) Phát hiện DNA thông qua lai tạo [65]. (E) Phát
hiện vi khuẩn thông qua nhận dạng aptamer [66] [63].................................................... 21
Hình 1.16 Phản ứng enzym theo tầng (Cascade enzymatic reaction) cho sự phát hiện dựa trên cơ
chất [71] ........................................................................................................................... 23
Hình 1.17 Hoạt tính IONzyme để chẩn đoán và điều trị khối u, (A) Đánh giá khối u bằng
Magnetoferritin [73], (B) Điều trị khối u và chẩn đốn hình ảnh với IONzyme [74], (C)
Phân phối hạt nano thơng qua hoạt tính giống như enzym [73, 74]................................ 24
Hình 1.18 Các dạng nanoshell: (a) Hạt nano chứa nhiều nhân giống nhau, (b) Hạt nano chứa
nhiều nhân khác nhau, (c) Hạt nano chứa một lõi đồng nhất, (d) Hạt nano được bao
quanh bởi nhiều lớp vỏ .................................................................................................... 27
Hình 1.19 Cấu trúc tinh thể của γ-FeOOH [79] ............................................................................ 29
Hình 1.20 Sơ đồ cấu trúc của các vật liệu họ cacbon .................................................................... 30
Hình 1.21 (a) Mơ hình hóa học của N-GQDs, (b) ảnh TEM của N-GQDs được nhóm nghiên cứu
tổng hợp theo phương pháp “bottom-up”[81] ................................................................. 32
Hình 2.1 Cơ chế hình thành hạt GQDs dots theo phương pháp từ dưới lên (bottom-up) ............. 34
Hình 2.2 Cơ chế tạo thành vật liệu AgNPs/GQDs ........................................................................ 35
Hình 2.3 (a) Hệ thống phân tích được chế tạo, (b) Top-view và (c) Sơ đồ bố trí của thiết phân

tích nồng độ H2O2 trong giếng Elisa bằng điện thoại qua phần mềm ImageJ ................ 37
Hình 2.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo từ hệ thống ................................................................................ 37
Hình 2.5 Sơ đồ tổng hợp vật liệu FeC ........................................................................................... 38
Hình 2.6 Sơ đồ tổng hợp vật liệu FN-GQDs ................................................................................. 42
Hình 3.1 (A) Phổ UV-Vis của GQDs và (B) phổ PL của GQDs với các bước sóng kích thích
khác nhau; (C) Ảnh TEM of GQDs; và (D) Màu sắc dung dịch GQDs và mẫu nước ở
dưới ánh sáng thường (trái) và dưới tia UV (phải).......................................................... 47
Hình 3.2 (A) Phổ UV-Vis của (a) GQDs, và (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ XRD của (a) GQDs và
(b) AgNPs/GQDs. ............................................................................................................ 49
Hình 3.3 (A) Ảnh TEM của AgNPs/GQDs; (B) Màu của dung dịch GQDs và dung dịch
AgNPs/CDQs; (C) Phân bố kích thước hạt phân tích theo phương pháp tán xạ laser
(DLS) của mẫu AgNPs/GQDs) ....................................................................................... 49
Hình 3.4 (A) Phổ tán xạ năng lượng (EDX) của (a) GQDs và (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ FT-IR
của a) GQDs và (b) AgNPs/GQDs .................................................................................. 50
Hình 3.5 (A) phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs/GQDs (a) trước và (b) sau khi thêm 100 μM dung
dịch H2O2; (B) Biến đổi A/A (%) theo thời gian .......................................................... 51

x


Hình 3.6 Phổ UV-Vis của dung dịch AgNPs/GQDs trước (đường i) và sau khi phản ứng với 20
mM H2O2 ở các pH khác nhau: (a) pH =11; (b) pH = 9; (c) pH = 7,5; (d) pH = 7; (e) pH
= 5; (f) pH = 4; (g) pH = 3 và (h) Biến đổi tín hiệu A/A0 (%) của cảm biến H2O2 với
nồng độ H2O2 là 20 mM tại các pH khác nhau. .............................................................. 53
Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả làm việc của cảm biến phát hiện H2O2. Nồng độ
H2O2 sử dụng là 20, 40, 60, 80 và 100 µM. pH =7 ......................................................... 54
Hình 3.8 Cơ chế phản ứng của cảm biến phát hiện H2O2.............................................................. 54
Hình 3.9 Ảnh TEM của dung dịch AgNPs/GQDs (a,b) khi không có mặt H2O2 và (c,d) khi có
mặt H2O2 với nồng độ 0,8 mM........................................................................................ 55
Hình 3.10 (A) Phổ UV-Vis của cảm biến H2O2 với các nồng đô H2O2 khác nhau từ 0.5; 1; 5; 10;

20; 30; 40; 50 và 100 μM H2O2;(B) Đường chuẩn của cảm biến để xác định nồng độ
H2O2 (hình chèn: màu sắc của các cảm biến tương ứng với các nồng độ H2O2) ............ 56
Hình 3.11 (A) Phổ UV-Vis của dung dịch cảm biến khi có mặt: (a) mẫu trắng, (b) 0,5 mM
glucose, (c) 0,5 mM axit ascorbic, (d) 0,5 mM H2O2, (e) 0,5 mM axit Saccarose; (B)

A/Ao (%) của các mẫu ở hình A ...................................................................................57
Hình 3.12 Cơ chế hoạt động của cảm biến glucose trên cơ sở AgNPs/GQDs .............................. 58
Hình 3.13 (A) Phổ UV-Vis của cảm biến với sự có mặt của các saccharide khác nhau ở nồng độ
4 mM và (B) Độ thay đổi tín hiệu cường độ pic A/A0 of ứng với các saccharide ở hình
(A). .................................................................................................................................. 59
Hình 3.14 (A) Phổ UV-vis của cảm biến glucose với nồng độ glucose khác nhau (hình chèn: màu
sắc của các dung dịch cảm biến tương tứng); (B) Đường chuẩn xác định nồng độ
glucose trong dung dịch .................................................................................................. 59
Hình 3.15 Phương pháp thêm chuẩn để xác định nồng độ glucose trong mẫu nước tiểu người:
(A) Phổ UV-Vis của cảm biến với: (a) mẫu trắng (khơng có nước tiểu; (b) mẫu nước
tiểu pha loãng (1:4); (c)-(e) mẫu nước tiểu pha loãng bổ sung 1mM, 2mM và 3mM
glucose; (B) Đường chuẩn của phương pháp thêm chuẩn của cảm biến xác định nồng độ
glucose trong mẫu nước tiểu ........................................................................................... 61
Hình 3.16 Ảnh chụp từ hệ phân tích, (A) ảnh chụp mẫu trắng khơng có mặt H2O2, (B) mẫu có
mặt H2O2.......................................................................................................................... 62
Hình 3.17 Hình ảnh kết quả xử lý bằng phần mền ImageJ ........................................................... 63
Hình 3.18 (A) GTTB các khay trong các lần đo; (B) GTTB hàng trong các lần đo ..................... 64
Hình 3.19 (A) Độ lặp lại của giếng 28; (B) Độ lặp lại giếng 54 ................................................... 65
Hình 3.20 (A) Ảnh chụp phân tích mẫu H2O2 (50 mM; 20 mM; 10 mM, 5 mM và 1 mM); (B)
Ảnh chụp phân tích mẫu H2O2 (500 mM; 300 mM; 200 mM, 100 mM và 50 mM); ..... 66

xi


Hình 3.21 (A) Độ lặp lại của thí nghiệm với mẫu H2O2 nồng độ 50 mM; (B) Đường chuẩn xác

định nồng độ H2O2 .......................................................................................................... 66
Hình 3.22 (A) Phổ XRD của các mẫu vật liệu FeC (1-0), FeC (1-3), FeC (1-5), FeC (1-10); (B)
Phổ FT-IR của các mẫu vật liệu FeC (1-0), FeC (1-3), FeC (1-5), FeC (1-10). ............. 68
Hình 3.23 Phổ VSM của Fe3O4 và Fe3O4/C:(a) FeC(1-0), (b) FeC(1-2), (c) FeC(1-3), (d) FeC(15), (e) FeC(1-7), (f) FeC(1-10) ....................................................................................... 70
Hình 3.24 Ảnh SEM các mẫu FeC (1-0), FeC (1-1), FeC (1-10) .................................................. 71
Hình 3.25 Ảnh TEM của các mẫu vật liệu FeC (1-0), FeC (1-0,5) FeC (1-3)FeC (1-5), FeC (1-7)
......................................................................................................................................... 72
Hình 3.26 Phổ UV-Vis thí nghiệm control .................................................................................... 73
Hình 3.27 Phổ UV-Vis thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng và độ hấp thụ A652 của
các mẫu tương ứng .......................................................................................................... 73
Hình 3.28 Phổ UV-Vis khảo sát thời gian phản ứng và độ hấp thụ A652 của các mẫu tương ứng 74
Hình 3.29 Phổ UV-Vis khảo sát mơi trường (pH) của phản ứng và độ hấp thụ A652 của các mẫu
tương ứng ........................................................................................................................ 75
Hình 3.30 Phổ UV-Vis khảo sát thể tích xúc tác và độ hấp thụ quang A652 của các mẫu ............ 75
Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn động học của FeC theo phương trình Michaelis-Menten (A, B) và
phương trình Lineweaver-Burk (C, D). Nồng độ H2O2 là 0.174 mM và nồng độ TMB
thay đổi (A, C). Nồng độ TMB là 0.347 mM và nồng độ H2O2 thay đổi (B, D) ............ 76
Hình 3.32 (A) Độ chọn lọc H2O2 của cảm biến với các mẫu thử glucose, ascorbic acid, galactose,
saccarose, fructose; (B) Độ hấp thụ A652 của các mẫu tương ứng trong thí nghiệm độ
lặp lại ............................................................................................................................... 78
Hình 3.33 Phổ UV-vis đường chuẩn H2O2 và đường chuẩn H2O2 ................................................ 79
Hình 3.34 (A) Phổ Uv-Vis của mẫu (a) glucose + FeC13+GOx; (b) GOx+FeC13 và (c) glucose +
Gox; (B) Cường độ A652 của các cảm biến khi mẫu chứa: (a) glucose; (b) acid ascobic;
(c) galactose; (d) sacarose và (e) saccarose. Nồng độ các mẫu là 0,2 mM ..................... 80
Hình 3.35 Độ hấp thụ A652 của các mẫu tương ứng trong thí nghiệm control; Phổ UV-vis đường
chuẩn Glucose; Đường chuẩn glucose ............................................................................ 80
Hình 3.36 Phổ UV-Vis đo mẫu thực ............................................................................................. 82
Hình 3.37 Đặc trưng vật liệu FN-GQDs: (A) phổ nhiễu xạ tia X (XRD); (B) phổ từ kế mẫu rung
(VSM); (C) ảnh SEM độ phóng đại nhỏ (kèm phổ EDX); (D) ảnh SEM độ phóng đại
lớn; (E) ảnh TEM; (F) phổ phát huỳnh quang; (G) phổ quang hấp thụ; (I) phổ hồng

ngoại của FN-GQDs ........................................................................................................ 84

xii


Hình 3.38 Hoạt tính xúc tác của FN-GQDs trong mơ hình peroxidase: (A) Kết quả thí nghiệm
khảo sát hoạt tính FN-GQDs; phổ UV-Vis khảo sát thời gian phản ứng của (B) TMB +
H2O2; (C) TMB + FN-GQDs và (D) TMB + FN-GQDs + H2O2 .................................... 87
Hình 3.39 Kết quả các thí nghiệm tối ưu: (a) pH, (b) nhiệt độ, (c) thể tích xúc tác, (d) thể tích
TMB sử dụng................................................................................................................... 88
Hình 3.40 Đường chuẩn H2O2 (hình chèn: cơ chế của phản ứng) ................................................. 90
Hình 3.41 Đồ thị biểu diễn động học của FN-GQDs theo phương trình Michaelis-Menten (A, B)
và phương trình Lineweaver-Burk (C, D). Nồng độ H2O2 là 0.174 mM và nồng độ TMB
thay đổi (A, C). Nồng độ TMB là 0.347 mM và nồng độ H2O2 thay đổi (B, D) ............ 91
Hình 3.42 Cơ chế của cảm biến glucose sử dụng FN-GQDs thay thế enzym HRP ...................... 93
Hình 3.43 So sánh giá trị độ hấp thụ quang A652 của các mẫu chọn lọc với (a) 0,7 mM glucose;
(b) 0,7 mM galactose; (c) 0,7 mM fructose; (d) 0,7 mM axit ascorbic; (e) 0,7
mM saccharose, (f) hỗn hợp 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (g) hỗn hợp 0,7
mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (h) hỗn hợp 0,7 mM glucose +
0,7 mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (i) hỗn hợp 0,7 mM axit
ascorbic + 0,7 mM galactose; (k) hỗn hợp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7
mM saccharose; (l) hỗn hợp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM
galactose + 0,7 mM saccharose ...................................................................................... 93
Hình 3.44 (A) Phổ UV-Vis của các mẫu có nồng độ glucose khác nhau; (B) Đường chuẩn
glucose ............................................................................................................................. 94
Hình 3.45 Phương pháp thêm chuẩn sử dụng cảm biến định lượng glucose: (A, C) phổ UV-vis
của mẫu thí nghiệm từ nước tiểu của (A) người bình thường và (C) người bệnh tiểu
đường; (B, D) đường chuẩn từ phương pháp thêm chuẩn của (B) mẫu người bình
thường và (D) mẫu người bệnh tiểu đường ..................................................................... 96

xiii


ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lý do chọn đề tài
Cảm biến sinh học đang là một trong những lĩnh vực nghiên cứu nhận được sự quan
tâm, lựa chọn đặc biệt của các nhà khoa học cũng các hãng chế tạo thiết bị phân tích sinh
hóa vì triển vọng ứng dụng rất lớn của chúng trong phân tích, kiểm tra các chỉ dấu sinh
học trong chăm sóc sức khỏe, theo dõi, phát hiện sớm bệnh tật, quan trắc và kiểm sốt
mơi trường, kiểm nghiệm an toàn thực phẩm... với những ưu điểm vượt trội so với các
phương pháp truyền thống như phân tích nhanh, đơn giản, tiện lợi và độ chính xác cao.
Xu hướng chính hiện nay là ứng dụng các vật liệu nano, vật liệu lai tạo và tích hợp được
các tính chất lý-hóa và sinh học của các vật liệu (hoạt tính xúc tác, tính chất
quang/từ/điện) vào trong cảm biến sinh học để tăng độ nhạy, giảm thời gian xét nghiệm,
tăng độ chọn lọc, nâng cao giới hạn phát hiện...Ngoài ra, nếu sử dụng các vật liệu nói trên
thay thế các phần tử sinh học thì sẽ kéo dài được thời gian sử dụng của cảm biến sinh học
vì các phần tử sinh học (như enzym) có thời gian sống khơng dài, lại yêu cầu hoạt động
trong những điều kiện khá nghiêm ngặt (pH, nhiệt độ…).
Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu carbon có cấu trúc nano có hoạt tính xúc tác
ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học (thiết bị y tế, que thử, bộ kít thử) nhằm phục
vụ theo dõi, kiểm tra sức khỏe tại nhà có nhu cầu ngày càng lớn, chẳng hạn các cảm biến
đo đường huyết (glucose trong máu), đo hàm lượng cholesterol trong máu, xác định nồng
độ axit uric…để sớm phát hiện ra các bệnh tật tương ứng là tiểu đường, mỡ máu, bệnh
gust...nhằm chữa trị kịp thời, giảm đau đớn cho người bệnh, giảm chi phí chữa trị vì đã
được phát hiện sớm. Hiện tại, công tác xét nghiệm này được tiến hành chủ yếu ở bệnh
viện, với chi phí tương đối cao, tốn nhiều thời gian làm các thủ tục, thời gian chờ đợi,
trong khi đó bệnh viện cũng trở nên quá tải vì số lượng mẫu quá lớn. Việc phát triển các
bộ xét nghiệm dạng que thử kiểm tra nhanh các chỉ dấu sinh học (glucose trong máu,
cholestero, axit uric là những nhu cầu rất rõ ràng trong bối cảnh hiện nay ở Việt Nam nói
riêng cũng như các nước đang phát triển nói chung.

Do đó, nghiên cứu chế tạo một số loại vật liệu carbon có cấu trúc nano ứng dụng
trong các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, phát hiện nhanh, có thể tiến hành xét nghiệm
hàng loạt là hướng nghiên cứu mới không chỉ ở Việt Nam mà là hướng nghiên cứu của
rất nhiều phịng thí nghiệm trên khắp thế giới để chế tạo các vật liệu mới, vật liệu lai tạo
đa tính chất. Ngồi ra, hướng nghiên cứu này sẽ mang lại giá trị trong y tế cũng như đời
sống giúp nâng cao chất lượng cuộc sống. Chính vì vậy tơi chọn đề tài “Nghiên cứu chế
tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose ” là đề
tài nghiên cứu sinh.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp được một số vật liệu mới, vật liệu có cấu trúc nano trên cơ sở cacbon
(như graphen/graphen oxit, chấm graphen lượng tử...) kết hợp với các vật liệu hạt nano

1


kim loại/oxit kim loại, có hoạt tính xúc tác tương tự enzym HRP (Enzym Horseradish
Peroxidase).

- Thiết kế, cấu trúc cảm biến phát hiện hydrogen peroxit (H2O2) trên cơ sở các vật
liệu đã tổng hợp, kết hợp và lựa chọn vật liệu thích hợp để tiến tới chế tạo cảm biến sinh
học.
- Thiết kế, chế tạo cảm biến sinh học trên cơ sở các vật liệu đã tổng hợp kết hợp
với các enzym đặc chủng để xác định nồng độ glucose trong dung dịch và mẫu thực (Mẫu
máu…).
2. Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs trong chế tạo cảm biến
sinh học so màu phát hiện glucose.
- Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) trong chế tạo
cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose.
- Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu FN-GQDs trong chế tạo cảm biến sinh

học so màu phát hiện glucose.
3. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
Trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu các loại vật liệu mới trên cơ sở
cacbon kết hợp với các kim loại/ oxit kim loại để ứng dụng trong cảm biến sinh học. Dựa
trên các đặc tính vật lý, hóa lý và hóa học của vật liệu, đặc biệt là các thuộc tính mới ở
kích thước nano (như phổ plasmon bề mặt của nano bạc (AgNPs), phổ này sẽ khác nhau
nếu hình dạng hạt AgNPs khác nhau). Ngồi ra việc kết hợp các nano kim loại/oxít kim
loại có hoạt tính xúc tác tương tự như ezym HRP với GQDs ( graphen quantum dots)
giúp cho vật liệu này có thể phân tán tốt trong dung mơi, giảm độc tố và bảo vệ tốt kim
loại/oxit kim loại, dễ dàng chức năng hóa bằng việc gắn các phân tử có đặc tính sinh học
khác nhau. Các loại nano kim loại/oxít kim loại sau khi được kết hợp với cacbon đều cho
thấy khả năng xúc tác, độ chọn lọc, tính bền cao hơn hẳn so với vật liệu khơng có cacbon.
Việc nghiên cứu, chế tạo thành công các loại vật liệu mới trên cơ sở cacbon kết
hợp với kim loại/ oxit kim loại có hoạt tính xúc tác và ứng dụng chúng trong chế tạo cảm
biến sinh học có ý nghĩa khơng chỉ trong y học mà cịn làm tiên đề trong ứng dụng chuẩn
đoán nhanh các độc tố trong thực phẩm, trong nước uống, nước sinh hoạt…Nghiên cứu
này tiến tới áp dụng trong y tế sẽ giúp việc chuẩn đoán một số chỉ số của bệnh nhân trở
lên nhanh chóng, thuận tiện. Người bệnh có thể dễ dàng kiểm sốt các chỉ số sinh học
trong máu (glucose, cholestero, axit uric) mà khơng phải đến bệnh viện qua đó có biện
pháp ngăn ngừa, phòng bệnh sớm.
2


CHƯƠNG 1: Tổng quan
1.1 Cảm biến sinh học
1.1.1 Định nghĩa và cấu tạo cảm biến sinh học
Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and
Applied Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết
bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc
trưng, bao gồm một phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một

phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer). Chất được gắn trên bộ phận chuyển đổi được
gọi là “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tích trong mẫu được gọi là
“phần tử đích”. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc
hiệu: kháng nguyên/kháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA-DNA (cảm biến DNA)
hoặc enzym/cơ chất (cảm biến enzym)… Trên cơ sở các phản ứng đặc hiệu này, phần tử
nhận biết sinh học giữ vai trị dị tìm đối tượng đích trong mẫu phân tích và phần tử
chuyển đổi giữ vai trị chuyển đổi tương tác sinh học thành tín hiệu điện hóa, quang,
nhiệt… sau đó đưa qua bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo (hình 1.1).

Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo của cảm biến sinh học[1]

Có nhiều dạng chuyển đổi tín hiệu như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang,
chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ…
Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa có nhiều khả
năng ứng dụng trong phân tích các đối tượng y sinh vì độ nhạy tốt và có thể vi cấu trúc
hóa để chuyển đổi thành các thiết bị cầm tay. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
điện hóa là chuyển các tín hiệu của phản ứng sinh hóa giữa phần tử nhận biết sinh học và
3


phần tử đích trong dung dịch điện ly thành các tín hiệu được nhận biết bởi kỹ thuật điện
hóa. Các kỹ thuật điện hóa có thể được sử dụng để đánh giá một cách định lượng (theo
nồng độ) hoặc định tính (âm tính/dương tính) sự có mặt của các thành phần sinh học
(DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể…) trong dung dịch. Có nhiều phương pháp để đo
tín hiệu điện hóa khi có sự tương tác giữa đầu thu sinh học và chất cần phân tích như đo
dịng, đo thế, đo độ dẫn và đo phổ tổng trở…[54]. Tuy nhiên, bên cạnh đó cảm biến sinh
học điện hóa cũng có nhiều nhược điểm như (1) cần thiết bị nghiên cứu đắt tiền (máy đo),
các điện cực để nghiên cứu cũng có chi phí cao, gia cơng phức tạp.
So với cảm biến điện hóa thì cảm biến so màu có một số lợi thế như có thể quan
sát bằng mắt thường nhờ sự chuyển màu của các chất chỉ thị, dụng cụ tiến hành đơn giản,

gia cơng dễ dàng…Do đó cảm biến sinh học so màu đang được dùng nhiều trong thực tế
và khẳng định được sự tin cậy như phép xét nghiệm ELISA trong xét nghiệm bệnh ung
thư, cảm cúm, các bệnh do virus, ở bệnh viện [1, 2].
1.1.3 Các thành phần của cảm biến sinh học
1.1.3.1 Đầu dò (capture probe)
Cảm biến sinh học là khái niệm chỉ cảm biến mà có đầu dò là các phần tử sinh học
(bioreceptors) như là enzym, kháng thể (antibody), các chuỗi DNA hoặc RNA hoặc các
chuỗi peptit hoặc protein dùng để phát hiện các chất cần phân tích. Quan hệ giữa đầu dị
(probe) và đối tượng cần phát hiện (hay cịn gọi là đích- target) có thể tóm lược thành 3
nhóm chính như sau:
(1) Nếu đầu dò là các đoạn DNA hay RNA hoặc axit nucleic peptide sẽ ứng dụng
trong chế tạo các bộ cảm biến DNA hay RNA nhằm phát hiện ra các đoạn DNA hoặc
RNA dùng trong các nghiên cứu sinh học xét nghiệm huyết thống bệnh tật, trong chuyển
đổi gen. Nguyên tắc hoạt động là các chuỗi này có quan hệ bổ sung (ghép cặp) rất nhạy
và rất chọn lọc nên cảm biến loại này có độ nhạy cao và tính chọn lọc [3-17]. Ngày nay,
chủ yếu là oligodeoxyribo- nucleotides tổng hợp (ODNs) được sử dụng làm đầu dò trong
cảm biến DNA.
(2) Với đầu dị là kháng thể (antibody) thì sẽ dùng để phát hiện kháng nguyên
(antigen) tạo ra cảm biến miễn dịch (immunosensor). Một kháng thể (antibody) sẽ liên
kết một cách đặc hiệu với một đối tượng kháng nguyên (antigen) [7, 18-22], tạo ra độ
chọn lọc cao (tính đặc hiệu tốt) cho phép phân tích. Cảm biến kiểu này dùng rất phổ biến
với nhiều bộ kit được phát triển để phân tích các mẫu thực phẩm, nước uống, bệnh
4


phẩm…với tên gọi chung là bộ kit ELISA. Ví dụ bộ kit xét nghiệm là các chất độc hại
như 2,4-D (chất độc màu da cam); các phụ gia trong sản xuất giấy gói có ảnh hưởng đến
sức khỏe như bisphenol A; các loại thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu như atrazine hoặc các loại
protein bệnh như virus cúm, bệnh ung thư.
(3) Với đầu dị là enzym có cảm biến enzym dùng để phát hiện các phân tử đích

(target) đặc trưng của chúng (hay còn gọi là cơ chất của enzym). Một số cảm biến enzym
đã được phát triển và ứng dụng [23-29]. Ví dụ với đầu dị là enzym thì sẽ dùng để phát
hiện các cơ chất tương ứng với enzym đó, ví dụ enzym glucose oxidase (GOx) dùng để
phát hiện glucose; enzym cholesterol oxidase dùng để phát hiện cholesterol….Ngoài ra,
do cảm biến enzym rất nhạy, phản ứng nhanh và chọn lọc nên cảm biến enzym còn được
dùng trong việc khuếch đại tín hiệu để nâng cao giói hạn phát hiện cho các loại cảm biến
khác. Trong Luận án này sử dụng đầu dò enzym GOx để nhận biết cơ chất tương ứng là
glucose, một trong các chỉ số sinh hóa quan trọng của máu. GOx sẽ oxy hóa glucose
thành gluconic và giải phóng H2O2 theo phản ứng (PT 1.1).
GOx

𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑒 + O2 + H2 O →

Gluconic + H2 O2

(PT 1.1)

Có nhiều cách khác nhau để đo nồng độ H2O2 giải phóng ra theo (PT 1.1) và nồng
độ H2O2 sẽ phản ánh nồng độ glucose trong mẫu. Ngày nay, phân tích glucose bằng GOx
tích hợp thêm enzym Horseradish peroxidase (HRP) một loại enzym phân hủy H2O2 tạo
gốc OH tự do và giải phóng electron qua đó có thể đo nồng độ H2O2 bằng phương pháp
điện hóa hoặc so màu trở thành một cấu trúc cảm biến sinh học kinh điển.
1.1.3.2 Bộ phận chuyển đổi (transducer)

Hình 1.2 Phân loại cảm biến trên cơ sở bộ phận chuyển đổi (transducer)[2]

Bộ phận chuyển đổi trong các cảm biến sinh học là bộ phận chuyển đổi tín hiệu
của việc bắt cặp nhau giữa đầu dị và đích thành các tín hiệu có thể đo được [30-32]. Tùy
5

vào tín hiệu đầu ra (output signal) mà chúng ta có thể gọi tên là cảm biến điện hóa hay
cảm biến quang…Như tóm tắt ở hình 1.2, hầu hết các loại cảm biến sinh học có thể phân
thành 5 loại bộ phận chuyển đổi tín hiệu khi có phản ứng (bắt cặp giữa đầu dị và đích)
thành tín hiệu đo đạc được, gồm tín hiệu điện hóa (electrochemical), điện (electrical),
quang (optical), cơ hoặc áp điện (piezoelectric) hoặc nhiệt (thermal). Trong luận án này
chúng tôi sử dụng bộ phận chuyển đổi quang học hay còn gọi là cảm biến quang với sự
đổi màu của chất chỉ thị nên cịn có thể gọi là cảm biến so màu.
1.1.4 Cảm biến so màu
Từ khi ngành hóa học phát triển đã sử dụng các chất chỉ thị, chất chỉ thị màu để
phát hiện môi trường các chất một cách nhanh chóng và đến nay các chất chỉ thị vẫn
được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Để nâng cao độ tiện dụng cũng
như để ứng dụng rộng rãi trong đời sống người ta đã chế tạo ra các bộ kit so màu để xác
định nồng độ một số chất thậm chí để xác định tình trạng bệnh tật. Chẳng hạn, bộ so màu
đơn giản và hay dùng nhất là giấy pH (hình 1.3a), sau đó là các que thử như thử 10 chỉ
tiêu trong nước tiểu (gồm pH, tỷ trọng) (hình 1.3b và 1.3c), giấy thử hàn the trong thực
phẩm như chả, bún, phở (hình 1.3d); bộ kit xét nghiệm sự có mặt của methanol trong
rượu (hình 1.3e) và cao cấp là que thử thai (hình 1.3f).

Hình 1.3 Cảm biến so màu phổ dụng: (a) giấy đo độ pH; (b) Hộp que thử 10 thông số của nước
tiểu và (c) các màu sắc ứng với nồng độ trong 10 thông số của que thử nước tiểu; (d) giấy thử
hàn the trong thực phẩm; (e) bộ kit xác định hàm lượng methanol trong rượu và (f) que thử thai.

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến so màu ở dạng giấy chỉ thị khá đơn giản, đó là
trên cơ sở giấy có độ tro thấp, người ta sẽ tẩm các hóa chất đóng vai trò là chất chỉ thị
lên. Khi thử, gặp các tác nhân cần kiểm tra ở trong mẫu thì chỉ thị sẽ biến đổi màu, tùy
thuộc vào màu sắc và cường độ để xác định sự có mặt của tác nhân cần kiểm tra cao hay
6

thấp. Đại đa số cảm biến so màu là cảm biến hóa học, chỉ một số ít là cảm biến sinh học
như que thử thai là cảm biến sinh học dựa theo phản ứng kháng nguyên - kháng thể để
xét nghiệm hormone HCG (Human Chorionic Gonadotrophin). Hiện nay ngày càng có
nhiều cảm biến sinh học dựa trên phương pháp so màu đang được phát triển vì tính tiện
lợi và đơn giản của quy trình xét nghiệm. Cảm biến so màu khơng chỉ được phát triển để
xét nghiệm các hóa chất hay các phần tử sinh học, loại cảm biến này đang được phát triển
cho xét nghiệm quản lý môi trường, kiểm tra chất lượng nước.
1.1.5 Một số ứng dụng của cảm biến sinh học
Các cảm biến sinh học tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền
thống như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác. Chính vì vậy nó
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, tuy nhiên hiện nay chủ yếu được
dùng cho các lĩnh vực sau:
1.1.5.1. Ứng dụng trong kiểm nghiệm an tồn thực phẩm và kiểm sốt mơi
trường
(a)

(b)

Hình 1.4 (a) Bộ kit cảm biến sinh học để xác định phân tử nấm aflatoxin B1 trong thực phẩm
theo nguyên lý ELISA [33]và (b) Bộ kit xét nghiệm dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nước
[34]

Ngày nay vấn đề mơi trường và vệ sinh an tồn thực phẩm là mối quan tâm của
toàn xã hội. Các hệ cảm biến được phát triển và ứng dụng trong phân tích nhanh dư
lượng các loại thuốc trừ sâu, dư lượng các chất kháng sinh, các nấm mốc độc hại tồn tại
trong thức ăn như sabutamon, aflatoxin (hình 1.4). Tuy nhiên hiện nay các bộ kit này chủ
yếu là nhập khẩu và được các bệnh viện sử dụng vì thao tác địi hỏi kỹ thuật cao cũng
như cần máy đo.
1.1.5.2. Ứng dụng trong y sinh học và chẩn đoán lâm sàng
Hiện tại cảm biến sinh học được dùng nhiều nhất trong trong xét nghiệm, theo dõi

các chỉ số sinh hóa của máu (như theo dõi nồng độ glucose, cholesterol, axit uric…);
7


ứng dụng phát hiện các protein ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn; xét nghiệm các đoạn
DNA…giúp người bệnh có thể thường xun theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà
khơng nhất thiết phải đến các trung tâm y tế. Ngày nay, các cảm biến dạng này không
những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày
càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng.
(b)

(a)

Hình 1.5 (a) Bộ xét nghiệm virus HIV tuýp 1,2 dựa trên cảm biến sinh học kiểu ELISA [33] và
(b) máy đo đường huyết cá nhân theo dõi nồng độ glucose trong máu

Chẳng hạn các bộ cảm biến xét nghiệm các dấu hiệu các bệnh nguy hiểm như lây
nhiễm HIV (hình 1.5a) hay xét nghiệm một số chỉ số sinh hóa máu như glucose,
cholesterol, axit uric (hình 1.5b) để theo dõi sức khỏe và phát hiện sớm nguy cơ bệnh tật.
1.1.5.3. Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đảm bảo an ninh -quốc phòng
Một số báo cáo gần đây cho thấy đã chế tạo thành công mũi điện tử phát hiện
thuốc nổ TNT, phát hiện các vụ tấn cơng hóa sinh và các chất phóng xạ với độ nhạy cao.
Các bộ kit ELISA để xét nghiệm hàm lượng cafein; hàm lượng nicotin; morphin…cũng
ngày được đa dạng hóa bằng kit so màu hoặc kit điện hóa [33].

1.2. Enzym
Enzym (hay cịn gọi là men) là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là
protein. Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học, với một hiệu suất rất
cao, mặc dù ở điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH. Sở dĩ như vậy vì nó có sự
hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là enzym; như vậy, enzym là các

protein xúc tác các phản ứng hóa học. Trong các phản ứng này, các phân tử lúc bắt đầu
của quá trình được gọi là cơ chất, enzym sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau.
Enzym có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó. Hầu hết phản ứng được xúc tác bởi
enzym đều có tốc độ cao hơn nhiều so với khi khơng được xúc tác. Có trên 4 000 phản
ứng sinh hóa được xúc tác bởi enzym. Tuy vậy, hoạt tính của enzym chịu tác động bởi
nhiều yếu tố (nhiệt độ, áp suất, pH, môi trường, chất ức chế, ngộ độc…).
8


1.2.1 Cấu trúc phân tử và đặc tính xúc tác ưu việt của enzym
Bản chất enzym là những protein đặc hiệu có cấu tạo phân tử rất phức tạp, do vậy
nó có tất cả các thuộc tính hóa học của protein. Enzym có khả năng và hiệu lực xúc tác
rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao. Để đảm bảo cho chức năng của enzym là chất xúc tác
sinh học, cấu trúc của enzym phải rất tinh vi và phức tạp. Enzym là những loại phân tử
lớn, phần nhiều những enzym đã được nghiên cứu có trọng lượng phân tử từ 10.000 đến
1.000.000 dalton.
1.2.2 Đặc điểm xúc tác của enzym
Chất xúc tác là chất làm tăng cường phản ứng hóa học, nhưng không bị biến đổi
tiêu hao và tham gia vào thành phần sản phẩm của phản ứng. Chỉ cần một lượng nhỏ xúc
tác cũng làm tăng vận tốc phản ứng lên nhiều lần. Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt
hóa của phản ứng hóa học bằng cách tạo nhiều hợp chất trung gian có năng lượng hoạt
hóa (Ea) thấp hơn nhiều so với khi khơng có xúc tác. Enzym có đầy đủ các tính chất cơ
bản của chất xúc tác, ngồi ra nó cịn có đặc điểm riêng là tính chất đặc hiệu rất cao và
hiệu lực xúc tác rất lớn. Enzym làm giảm năng lượng hoạt hóa nhiều hơn so với các chất
xúc tác hóa học. Hoạt tính của enzym chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố lý, hóa và sinh
học như nhiệt độ, ánh sáng, tia cực tím, sóng siêu âm, pH của mơi trường,bản chất hóa
học và nồng độ của cơ chất, nồng độ của enzym, thời gian tác dụng của enzym, tác dụng
của chất ức chế, tác dụng của chất hoạt hóa, sản phẩm của phản ứng enzym và các chất
chuyển hóa khác. Đặc tính ưu việt của enzym so với với các chất xúc tác khác thể hiện ở
các điểm: (i) Có hiệu quả xúc tác cao, có thể làm tăng vận tốc phản ứng lên 105 -1012 lần

so với khi không có chất xúc tác; (ii) Có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất
bình thường (nhiệt độ 20- 40 oC, pH từ 5-8); (iii) Có tính đặc hiệu cao: chỉ tác dụng lên
những cơ chất nhất định và xúc tác cho những phản ứng nhất định do vậy ít có sản phẩm
phụ tạo ra đồng thời hiệu suất thu được sản phẩm chính cao; (iv) Nhiều enzym khơng bị
mất hoạt tính trong dung mơi hữu cơ; (v) Sử dụng enzym đem lại hiệu quả kinh tế lớn
(hiệu quả xúc tác của phản ứng có thể tăng lên gấp hàng triệu lần) không gây ảnh hưởng
xấu đến môi trường; (vi) Điều chỉnh các yếu tố vật lý, hóa học thích hợp cho hoạt động
của enzym sẵn có để chuyển hóa cơ chất sẵn có trong nguyên liệu khi không tách enzym
khỏi nguyên liệu. Tách enzym khỏi nguyên liệu, sản xuất các chế phẩm enzym có độ sạch
khác nhau để sử dụng trên nhiều đối tượng khác nhau và nhiều lĩnh vực khác nhau:
nghiên cứu cấu trúc phân tử; phân tích các chất, xác định chính xác hàm lượng các chất;
9


ứng dụng trong các ngành công nghiệp; ứng dụng trong y, dược.
1.2.3 Tính đặc hiệu của enzym
Mỗi enzym đều có tác dụng chọn lọc đối với một cơ chất hoặc một loại cơ chất
nhất định đối với một loại phản ứng nhất định.Tính chất xúc tác chọn lọc này được gọi là
tính đặc hiệu của enzym. Đây là một trong những đặc tính cơ bản quan trọng nhất của
enzym, do cấu trúc lý hóa đặc biệt của phân tử enzym và đặc biệt là trung tâm hoạt động
mà enzym có tính đặc hiệu rất cao so với những chất xúc tác thơng thường khác. Tính
chất đặc hiệu gắn liền với phản ứng: phần lớn mỗi enzym đều có tính đặc hiệu với mỗi
loại phản ứng nhất định. Những chất có khả năng xảy ra nhiều loại phản ứng hóa học thì
mỗi loại phản ứng phải có một enzym đặc hiệu xúc tác. Ví dụ: axit amin có khả năng xảy
ra phản ứng khử cacboxyl, phản ứng oxy hóa khử amin và phản ứng trao đổi nhóm amin,
vì vậy mỗi loại phản ứng trên cần có một enzym đặc hiệu tương ứng xúc tác là
decacboxylase, axit amin oxydase, amino transferase.
1.2.4 Đơn vị đo hoạt độ chế phẩm enzym
Hoạt độ của enzym là đơn vị dùng để đo khả năng xúc tác của enzym. Đơn vị hoạt
độ là lượng cơ chất mà emzym xúc tác chuyển hóa hoặc lượng sản phẩm được tạo thành

trong một thời gian và các điều kiện như nhiệt độ, pH,... xác định. Hoạt độ riêng (specific
activity): Hoạt độ riêng của enzym được tính bằng số đơn vị hoạt độ enzym trên một đơn
vị khối lượng (miligam hay gam) protein. Mục đích xác định hoạt tính enzym là xác định
số đơn vị hoạt tính. Đơn vị họat tính enzym được định nghĩa theo nhiều phương pháp, tuy
nhiên phổ biến nhất là Đơn vị quốc tế (SI) do Hiệp hội Hóa sinh Quốc tế (International
Union of Biochemistry – IUB) định nghĩa. Theo đó: Một đơn vị chuẩn của enzym
(Enzym Unit, viết tắt U) 1U là lượng enzym xúc tác sự biến đổi 1 µmol cơ chất sau 1
phút ở điều kiện nhất định. Theo đó thì: 1 U = 1 µmol cơ chất (10-6 mol)/phút.

1.3 Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose
Những năm gần đây, cảm biến glucose đang là một trong những lĩnh vực nghiên
cứu nhận được sự quan tâm, lựa chọn đặc biệt của các nhà khoa học, các hãng chế tạo
thiết bị phân tích sinh hóa vì những triển vọng ứng dụng rất lớn của chúng trong phân
tích, kiểm tra các chỉ dấu glucose trong chăm sóc sức khỏe, theo dõi, phát hiện sớm bệnh
tiểu đường (với nguy cơ và xu hướng phát triển của bệnh này như đề cập ở trên) với
những ưu điểm vượt trội như phân tích nhanh, đơn giản, dễ sử dụng so với việc đến bệnh
10