Nghiên cứu chế tạo chip sợi nano vàng ứng dụng trong định lượng hàm lượng cholesterol tự do trong dung dịch

PHẠM XUÂN THANH TÙNG





NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHIP SỢI NANO VÀNG
ỨNG DỤNG TRONG ĐỊNH LƯỢNG HÀM LƯỢNG
CHOLESTEROL TỰ DO TRONG DUNG DỊCH






LUẬN VĂN THẠC SĨ







Thành phố Hồ Chí Minh - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO





PHẠM XUÂN THANH TÙNG



NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHIP SỢI NANO VÀNG
ỨNG DỤNG TRONG ĐỊNH LƯỢNG HÀM LƯỢNG
CHOLESTEROL TỰ DO TRONG DUNG DỊCH



Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)


LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỐNG DUY HIỂN

Tống Duy Hiển

Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

1

LỜI CAM ĐOAN iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1 Tổng quan về cholesterol và cảm biến sinh học 2
1.1.1 Tổng quan về cholesterol 2
1.1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học 5
1.2 Công nghệ nano và cảm biến sinh học sợi nano vàng 11
1.2.1 Công nghệ nano 11
1.2.2 Cảm biến sợi nano vàng dùng cho phát hiện cholesterol 14
1.3 Phương pháp đơn lớp tự lắm ghép 16
1.3.1 Cố định enzyme 16
1.3.2 Các phương pháp cố định enzyme 17

1.3.3 Phương pháp đơn lớp tự lắp ghép (self assembly monolayer – SAM) 19
1.4 Kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn 22
1.4.1 Nguyên lý 22
1.4.2 Đồ thị quét thế vòng 24
1.5 Các nội dung nghiên cứu chính của luận văn 25
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 26
2.1 Chế tạo sợi nano vàng bằng kỹ thuật DEA 26
2.1.1 Cấu trúc sợi nano vàng trên đế silic chế tạo 26
2.1.2 Quy trình công nghệ chế tạo sợi nano vàng trên đế silic 26
2.2 Hoạt hóa bề mặt và cố định enzyme lên sợi nano vàng 38
2.2.1 Các hóa chất và thiết bị 38
2.2.2 Quy trình hoạt hóa bề mặt sợi nano vàng và cố định enzyme. 39
2.2.2.2 Hoạt hóa bề mặt sợi nano vàng bằng DTSP 40
2.2.3 Xác định nồng độ cholesterol tự do trong dung dịch 41
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1 Đánh giá kết quả chế tạo sợi nano vàng bằng ký thuật DEA 42
3.1.1 Kết quả chế tạo sợi nano vàng 42
3.1.2 Kết quả đo điện trở sợi nano vàng 44
ii

3.1.3 Kết quả chụp kính hiển vi điện lực nguyên tử (AFM) 48
3.2 Kết quả kiểm tra tính chất của chip sợi nano vàng trong quá trình hoạt hóa bề mặt 49
3.3 Xác định cholesterol 52
3.3.1 Xác định cholesterol bằng chip hoạt hóa bởi cysteamine 52
3.3.2 Xác định cholesterol bằng chip hoạt hóa bề mặt bởi DTSP 54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57
• Kết luận 57
• Hướng phát triển 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan nội dung đề tài này do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện. Kết quả trình
bày trung thực, chính xác. Đề tài này chưa được công bố trên bất kỳ phương tiện nào.

Kết quả thực nghiệm do tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện. Mọi bảng biểu đồ thị,
hình ảnh có được do chúng tôi xử lý kết quả thí nghiệm
Xin cam đoan mọi thông tin là đúng sự thật, nếu có bất kỳ vấn đề gì tôi xin chịu hoàn
toàn trách nhiệm
TP. HCM ngày 22 tháng 09 năm 2014

Học viên cao học Cán bộ hướng dẫn




Phạm Xuân Thanh Tùng TS. Tống Duy Hiển

iv





Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn, TS. Tống
Duy Hiển là người đã đưa tôi vào Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano hướng dẫn tôi
từ những ngày đầu khập khiễng bước chân vào lĩnh vưc cảm biến sinh học và tạo mọi
điều kiên thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn này.
Xin cảm ơn giáo viên phản biện đã dành thời gian đọc, góp ý và đánh giá cho đề tài
Xin cảm ơn trường Đại học Công nghệ ĐHQG HN và Phòng thí nghiệm Công nghệ
Nano ĐHQG TP. HCM đã hợp tác mở chuyê ngành công nghệ Vật liệu và Linh kiện
Nano để tôi có điều kiện theo học
Xin chân thành cảm ơn anh Phạm Văn Bình, chị Đặng Ngọc Thùy Dương, anh Phan
Thanh Nhật Khoa, chị Lê Thị Thanh Tuyền là thành viên của nhóm nghiên cứu
Biosensor thuộc PTN CNNN đã giúp đỡ tôi trong những vấn đề về chuyên môn cũng
như quá trình làm thí nghiệm
Xin chân thành cảm ơn các anh chị em trong PTN CNNN đã giúp đỡ tôi trong những
lúc khó khăn cũng như chia sẻ với tôi niềm vui khi thành công.
Để hoàn thành luận văn này, không thể thiếu được sự giúp đỡ động viên từ cha mẹ và
các thành viên trong gia đình tôi cũng như họ hàng đang sinh sống tại TP. HCM. Tôi
xin dành tình cảm sâu sắc nhất cảm ơn mọi thành viên trong gia đình.
Xin chân thành cám ơn!

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.
Au: vàng
ChOx: Cholesterol Oxidase
CA: Cysteamine
DTSP: Dithiodipropionic acid di(N-hydroxysuccinimide ester).
GAD: Glutaraldehyde
CV: Cyclic voltammetry
HDL: High density lipoprotein
LDL: Low density lipoprotein
VLDL: very low density lipoprotein
SAM: Self assembly monolayer
EIS: electrochemical impedance spectroscopy
PECVD: plasma enhance chemical vapour deposition
LPCVD: low pressure chemical vapour deposition
RIE: reactive ion etching
PVD: physical vapour deposition
SEM: Scanning electron microscopy
WE: working electrode
CE: counter electrode
RE: reference electrode
PBS: phosphate buffer saline

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng I.1: Giới hạn hàm lượng cholesterol trong máu của người trưởng thành.
Bảng I.2: Enthanpi của một số phản ứng có enzyme xúc tác
Bảng II.1: Thông số của quá trình quang khắc và chất lượng của cấu trúc tạo thành
tương ứng.
Bảng II.2: Tốc độ bốc bay theo dòng diện đốt.
Bảng III.1: Kết quả đo điện trở từ khảo sát đặc trưng I-V của các sợi nano Au chế tạo.
Điện thế quét 1 Volt, với bước quét 50 mV, chiều dài sợi thay đổi từ 5-1000 µm.
Chiều ngang sợi la 50 nm, chiều dày 25 nm.

vii

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

Hình I.7: Đồ thị quét thế theo thời gian trong phép đo CV .
Hình I.8: Quan hệ dòng-điện thế trong quét thế vòng thuận nghịch.
Hình I.10: Đồ thị CV của quá trình oxi hóa bất thuận nghịch (A), giả thuận nghịch (B)
và thuận nghịch (C).

Hình III.4: Đặc trưng tính chất điện I-V của sợi nano Au có chiều rộng 50 nm, độ dày
25 nm, và chiều dài thay đổi từ 5 đến 500 µm. Điện thế một chiều được quét trong giá
trị từ -1 volt đến + 1 volt, với bước quét 50 mV.
Hình III.7: Đường quét CV của chip sợi nano vàng trong dung dịch H
2
SO
4
10 mM
Hình III.8: Đường CV của chip sợi nano vàng trong dung dịch K
3
Fe(CN)
6
5mM
trong PBS pH 4 trước và sau khi được hoạt hóa bởi cysteamine
Hình III.9: đồ thị sự phụ thuộc của cường độ peak oxi hóa khử theo thời gian của chip
Au/CA với các nồng độ cysteamine khác nhau khi quét trong dung dịch K
3
Fe(CN)
6

trong PBS pH 4
Hình III.10: Đường CV của chip sợi nano vàng sau mỗi bước hoạt hóa bề mặt trong
dung dịch K
3
Fe(CN)
6
trong PBS pH 4 đối với chất hoạt hóa là cysteamine (A) và
DTSP (B)
Hình III.11: đường CV của chip sợi nano vàng được hoạt hóa bởi cysteamine trong
dung dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 ở các nồng độ cholesterol khác

nhau từ 1 đến 7 mM (A) và đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu được từ đường
CV (B)
Hình III.12: Đường Lineweaver – Burke (A) và đường Hanes (B) của chip sợi nano
vàng được hoạt hóa bởi cysteamine
Hình III.13: độ lặp lại của điện cực (A) và độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol
3mM
Hình III.14: đường CV của chip sợi nano vàng được hoạt hóa bởi DTSP trong dung
dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 ở các nồng độ cholesterol khác nhau từ
0.5 đến 9 mM (A) và đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu được từ đường CV
(B)
Hình III.15: Đường Lineweaver – Burke (A) và đường Hanes (B) của chip sợi nano
vàng được hoạt hóa bởi DTSP
Hình III.16: độ lặp lại của điện cực (A) và độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol
3mM


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình I.1: Cấu trúc hóa học của cholesterol
Hình I.2: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học
Hình I.3: nguyên lý hoạt động chung của một cảm biến sinh học
Hình I.4: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp điện
Hình I.5: Sợi nano chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau (A); Đơn sợi nano với
kích thước 40-50 nm (B); Sợi nano với hai điện cực nối ra mạch điều khiển bên ngoài
(C).
Hình I.6: sự hình thành SAM từ sulfur hữu cơ
Hình I.9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm quét thế vòng tuần hoàn
Hình II.1: Cấu trúc sợi nano Au trên đế silic chế tạo.

Hình II.2: Quy trình chế tạo sợi nano vàng bằng kỹ thuật lắng đọng và ăn mòn dưới
góc nghiêng
Hình II.3: Thiết bị PECVD Plasmalab 80Plus, Oxford Instruments tại PTN CN Nano
Hình II.4: Giao diện màn hình phần mềm PC 2000 dùng điều khiển thiết bị PECVD.
Hình II.5: Thiết bị đo độ dày FilmTek 1000 tại PTN Công Nghệ Nano.
Hình II.6: Hệ chiếu sáng dùng cho quá trình quang khắc quang học (optical
lithography).
Hình II.7: Hình SEM bề mặt các màng Au chế tạo bằng phương pháp bốc bay. (A)
Màng có kích thước hạt nhỏ cỡ 10 nm. (B) Màng có kích thước hạt lớn cỡ 30 nm.
Hình II.8: Hệ ăn mòn ion beam etching (Ionfab 300Plus. Oxford Instruments).
Hình II.9: Hệ đo Autolab được sử dụng để khảo sát khả năng phát hiện cholesterol của
sợi nano vàng chế tạo được tại PTN CNNN.
Hình II.10: Quy trình hoạt hóa bề mặt và gắn kết enzyme
Hình III.1: Hình SEM độ phân giải thấp của chíp silicon có sợi nano vàng, các đơn sợi
được chế tạo cùng với điện cực nối riêng biệt nối ra mạch điều khiển ngoài (mạch
điện tử, hệ đo).
Hình III.2: Đơn sợi nano cùng các điện cực riêng biệt.
Hình III.3: Chip sợi nano vàng dùng cho định lượng cholesterol
Hình III.5: Cấu trúc 4 điện cực dùng xác định điện trở tiếp xúc của sợi nano.
Hình III.6: Hình ảnh AFM 2 chiều (A) và 3 chiều (B) của sợi nano Au
1

MỞ ĐẦU
Cholesterol là một chất béo steroid, mềm, màu vàng nhạt, có ở màng tế bào của tất
cả các mô trong cơ thể, và được vận chuyển trong huyết tương của mọi động vật. Nó
được sản xuất hàng ngày trong gan, mỗi ngày từ 1,5g – 2g.
Trong máu người, lượng cholesterol thường dao động trong khoảng từ 3.6 mM
đến 7.8 mM, và trong cơ thể người khoẻ mạnh, tổng lượng cholesterol xấp xỉ 5.2mM.
Tuy nhiên, đôi khi cơ thể lại sản sinh ra lượng cholesterol nhiều hơn mức cần thiết,
tạo ra một lượng cholesterol dư thừa luân chuyển trong dòng máu và là tác nhân liên

quan chặt chẽ với rất nhiều bệnh hiểm nghèo như: bệnh tim mạch vành, xơ cứng động
mạch, nhồi máu cơ tim, bệnh nghẽn mạch máu não, rối loạn chuyển hóa lipid, tăng
huyết áp,… Do đó xác định chính xác và khống chế nồng độ cholesterol trong máu ở
mức cho phép là việc rất cần thiết và phải được thực hiện thường xuyên.
Trong đề tài này, công nghệ chế tạo linh kiện nano (nanofabrication) sẽ được dùng
để chế tạo sợi nano vàng trên đế silic có lớp cách điện SiO
2
/SiN. Sau đó, trên bề mặt
của các sợi vàng này, enzyme cholesterol oxidase được cố định thông qua những
nhóm chức năng như –SH, –CHO và –NH
2
để tạo nên hệ kết hợp sợi nano vàng –
enzyme, và tạo thành cảm biến sinh học, sử dụng cho việc định lượng cholesterol.
Với hệ cảm biến nano sinh học này, cholesterol bị oxi hoá bởi cholesterol oxidase
(ChOx) để thu được đồng thời hai sản phẩm là ketone và hydrogen peroxide (H
2
O
2
).
Nồng độ H
2
O
2
tạo ra sẽ được đo bởi phép đo điện hóa quét thế vòng tuần hoàn (CV–
cyclic voltammetry), từ đó cho phép xác định được hàm lượng cholesterol tương ứng
trong dung dịch, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo một bộ cảm biến hoàn chỉnh
để xác định nồng độ cholesterol toàn phần trong máu người.

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về cholesterol và cảm biến sinh học
1.1.1 Tổng quan về cholesterol
1.1.1.1 Cholesterol là gì?
Cholesterol có tên gọi xuất phát từ tiếng Hi Lạp chole- (mật) và stereos (rắn), vì nó
được phát hiện lần đầu ở dạng rắn trong sỏi mật.
Cholesterol là một dạng chất béo có trong máu, có vai trò tạo nên lớp màng cho
các tế bào, được hình thành một cách tự nhiên trong cơ thể hoặc do cơ thể hấp thu
được qua ăn uống. Cholesterol có mặt ở tất cả các bộ phận trên cơ thể, không hòa tan
trong máu mà lưu thông khắp nơi nhờ vào sự hỗ trợ của các chất “protein vận
chuyển” (transporter protein).
Cholesterol có nhiều loại khác nhau, thường gặp là ba loại có tác động tới sức
khỏe đó là cholesterol HDL (High-density lipoprotein), cholesterol LDL (Low-density
lipoprotein) và chất béo triglyceride. Trong khi cholesterol HDL được xem là tốt vì
giảm được lượng chất béo dư thừa trong cơ thể bằng cách chuyển chúng từ hệ thống
động mạch tới gan để xử lý và thải ra ngoài, thì cholesterol LDL bị xem là xấu do tích
tụ nhiều ở động mạch khiến động mạch ngày càng hẹp đi, cản trở tuần hoàn máu, dễ

dẫn đến các bệnh tim mạch cũng như nhiều sự cố khác.
Lượng cholesterol trong máu cao hay thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như di
truyền, chế độ dinh dưỡng, béo phì, tuổi tác, giới tính, thói quen sinh hoạt… Lượng
cholesterol trong máu cao sẽ dẫn đến tình trạng các chất béo dư thừa bám vào thành
mạch máu, lâu ngày khiến chúng bị chai (bệnh xơ cứng động mạch) hoặc thu nhỏ lại,
gây cản trở tuần hoàn máu, dẫn đến nguy cơ đau thắt ngực, nhồi máu cơ tim và tai
biến mạch máu não.

Hình I.1: Cấu trúc hóa học của cholesterol
3

Cholesterol được tổng hợp chủ yếu từ acetyl CoA theo đường HMG-CoA
reductase ở nhiều tế bào/mô. Khoảng 20–25% lượng cholesterol tổng hợp mỗi ngày
(~1 g/ngày) xảy ra ở gan, các vị trí khác có tỉ lệ tổng hợp cao gồm ruột, tuyến thượng
thận và cơ quan sinh sản. Với một người khoảng 68 kg, tổng lượng cholesterol trung
bình trong cơ thể khoảng 35g (35.000 mg). Trong một ngày lượng nội sinh trung bình
khoảng 1000 mg và từ thức ăn trung bình khoảng 200 đến 300 mg. Sự di chuyển
cholesterol trong cơ thể có tính chất tuần hoàn, nó được bài tiết ở gan qua mật đến cơ
quan tiêu hóa. Khoảng 50% lượng cholesterol bài tiết được tái hấp thu ở ruột non vào
hệ tuần hoàn. Phytosterols có thể cạnh tranh với cholesterol trong công tác tái hập thu
của ruột vì vậy làm suy giảm độ tái hấp thu của cholesterol vào máu. [1-3]
Một số thông tin cơ bản:
- Công thức phân tử: C
27
H
46
O
- Tên IUPAC: (3β)-cholest-5-en-3-ol
- Tên khoa học: 2,15-dimethyl-14-(1,5-dimethylhexyl)tetracyclo
[8.7.0.0

2,7
.0
11,15
] heptacos -7-en-5-ol
- Khối lượng phân tử: 386.65 g/mol
- Hình dạng: tinh thể rắn màu trắng
- Khối lượng riêng: 1.052 g/cm3
- Nhiệt độ nóng chảy: 148-150ºC
- Nhiệt độ sôi: 360 ºC (phân hủy)
- Độ tan trong nước: 0.095mg/L
- Tan trong các dung môi: acetone, benzene, chloroform, ethanol, ether, hexan,
methanol, isopropyl myristate.
1.1.1.2 Vai trò của cholesterol trong cơ thể
Khoảng 80% lượng cholesterol trong cơ thể được chuyển thành cholic acid tại gan,
cholic acid sẽ kết hợp với các thành phần khác hình thành muối mật có tác dụng xác
tác trong quá trình tiêu hóa và hấp thụ các chất béo.
- Một tỷ lệ nhỏ cholesterol được sử dụng theo các con đường:
+ Được tuyến thượng thận sử dụng để tổng hợp hormone vỏ tuyến thượng thận,
+ Hình thành estrogen và progesterol tại buồng trứng,
+ Được dịch hoàn sử dụng để tổng hợp testostereone,
+ Cholesterol tham gia cấu trúc màng tế bào,
+ Một lượng nhỏ cholesterol có mặt tại biểu bì da, cùng với các chất béo khác,
cholesterol tạo cho da các chức năng:
 Kháng lại việc hấp thu các chất hòa tan trong nước
 Kháng tác động của nhiều hóa chất
 Ngăn cản quá trình bốc hơi nước từ da
4

Như vậy cholesterol có vai trò rất quan trọng trong cơ thể con người khi hàm
lượng của nó ở mức phù hợp. Ở người trưởng thành, cholesterol toàn phần ở mức

bình thường vào khoảng 4 – 5.6 mmol/L. Những gười có mức cholesterol cao hơn
mức này sẽ dẫn đến nhiều bệnh khác nhau.
1.1.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng cholesterol tới sức khỏe
Cholesterol tồn tại trong mọi tế bào của cơ thể và rất cần thiết trong việc xây dựng
các tế bào khỏe mạnh và kích thích tố. Tuy nhiên, cholesterol cũng là nguyên nhân
gây nên các bệnh tim mạch như xơ vữa động mạch, cao huyết áp, thiểu năng mạch
vành, nhồi máu cơ tim, tai biến mạch máu não Vấn đề về tim nghiêm trọng có thể là
kết quả của hàm lượng cholesterol trong cơ thể quá cao. Cholesterol cao không phải là
kết quả của việc ăn các loại thực phẩm chứa nhiều chất béo trong một vài ngày, vài
tuần hoặc thậm chí một vài tháng, nhưng nếu sau nhiều năm ăn uống như vậy thì hàm
lượng cholesterol cao là điều khó tránh. Có hai loại cholesterol là cholesterol tốt và
xấu. Cholesterol xấu (LDL), là sự tích tụ của cholesterol có thể gây ra tắc nghẽn động
mạch. Cholesterol tốt (HDL), giúp ngăn ngừa sự tích tụ cholesterol trong động mạch
trở về gan.
Trên thế giới cũng như ở nước ta, các bệnh về tim mạch ngày càng gia tăng và là
nguyên nhân gây tử vong hàng đầu ở nhiều nước. Ở Mỹ, hàng năm có khoảng 6 triệu
người bị bệnh tim, trong số này có khoảng 1,5 triệu người bị đau tim và một phần ba
số này chết. Khoảng 1/5 trong số các trường hợp đau tim không hề có triệu chứng hay
dấu hiệu cảnh báo trước. Tần số đàn ông Mỹ bị chết vì bệnh tim là khoảng
200/100.000 dân số, còn ở Anh, tỷ suất này là khoảng 250/100.000 dân số. [4-5]

Cholesterol toàn phần trong máu (mmol/L [mg/dL])
<5.2 (200)
Mong muốn
5.2 – 6.1 (200 – 239) Giới hạn cao
≥6.2 (240) Cao
LDL cholesterol (mmol/L [mg/dL])
<2.6 (100) Tối ưu
2.6 – 3.3 (100 – 129) Mong muốn
3.4 – 4.0 (130 – 159) Giới hạn cao

4.1 – 4.8 (160 – 189)
Cao
5

≥4.9 (190) Rất cao
HDL Cholesterol (mmol/L [mg/dL])
< 1.0 (40) Thấp
1.0 – 1.5 (40 – 59) Mong muốn
≥ 1.6 (60) Cao
Triglyceride (mmol/L [mg/dL])
< 1.7 (150) Tối ưu
1.7 – 2.2 (150 – 199) Mong muốn
2.3 – 4.4 (200 – 399) Cao
≥ 4.5 (400) Rất cao
Bảng I.1: Giới hạn hàm lượng cholesterol trong máu của người trưởng thành
1.1.1.4 Biện pháp điều chỉnh cholesterol trong máu
Để giảm cholesterol trong máu có nhiều biện pháp khác nhau như sử dụng các loại
thuốc có chứa chất simvastatine và chất ezetimibe hay các loại thuốc có chứa statin,
nhưng một biện pháp hữu hiệu để điều chỉnh cholesterol trong máu là bằng chế độ ăn
uống hợp lý.
Do sở thích ăn uống và sự thiếu hiểu biết về thành phần dinh dưỡng của các loại
thực phẩm, một số người thường xuyên sử dụng một số lượng lớn các thực phẩm có
hàm lượng cholesterol cao như óc, gan, các loại thịt có chứa nhiều chất béo (thịt gà,
heo, cá) và đặc biệt là trứng. Có một số người ăn một lượng lớn trứng trong một thời
gian dài mà không biết tới hậu quả mà nó sẽ gây ra. Trứng là thức ăn rất bổ dưỡng
cho cơ thể, tuy nhiên chúng ta chỉ nên ăn với một lượng hợp lý để góp phần đề phòng
và giảm lượng cholesterol trong máu nhằm tránh các bệnh về tim mạch.
1.1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học
1.1.2.1 Khái niệm cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học (Biosensor) thực chất là một thiết bị phân tích chuyển một tín

hiệu sinh học thành một tín hiệu điện. Đầu tiên, Cảm biến sinh học sẽ nhận dạng hiện
tượng và biên dịch thành một đặc tính có thể định lượng được, sau đó đặc tính định
lượng này được chuyển đổi thành một tín hiệu điện bởi một bộ biến năng. Trong cảm
biến sinh học, hiện tượng được nhận dạng bởi một hệ thống sinh học gọi là cơ quan
thụ cảm sinh học (bioreceptor). Hệ thống này sẽ tiếp xúc trực tiếp với mẫu phân tích
6

gây ra phản ứng và tạo thành hợp chất nhạy cảm cho cảm biến sinh học. Cơ quan thụ
cảm sinh học có đặc tính chọn lọc đặc biệt đối với chất phân tích.

Hình I.2: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học
1.1.2.2 Đặc điểm, yêu cầu của cảm biến sinh học
Để định lượng, cảm biến sinh học phải đáp ứng yêu cầu liên quan đến đo lường:
khả năng lặp lại, khả năng tái sử dụng cao, tính chọn lọc, tính nhạy cảm, vùng trả lời
tuyến tính và thời gian đáp ứng tín hiệu tốt.
Các phép đo có độ lặp lại tốt nếu như hai loạt kết quả thu được tương tự nhau được
thực hiện bởi cùng người phân tích, sử dụng cùng cảm biến sinh học trong cùng một
mẫu phân tích.
Phương pháp đo có khả năng tái sử dụng cao nếu các kết quả trước có thể đạt được
khi tiến hành phân tích lặp lại lần hai.
Tính chọn lọc của cảm biến sinh học thể hiện ở khả năng nhận ra một hợp chất
đơn trong hỗn hợp các cấu tử của mẫu, khả năng này phụ thuộc vào cơ quan thụ cảm
sinh học và bộ biến năng. Một cảm biến sinh học có tính chọn lọc cao nếu như thành
phần tạp chất của mẫu thấp.
Tính nhạy cảm của cảm biến sinh học thể hiện ở sự thay đổi về lượng thì sẽ gây ra
sự thay đổi về tín hiệu trả lời:
D
a
= sD
m

Trong đó D
a
: Độ dao động về biên độ của dòng ra
D
m
: Độ dao động về biên độ của dòng vào
s: Độ nhạy cảm của cảm biến sinh học, đặc trưng cho mức độ phù hợp của
cảm biến sinh học trong một ứng dụng cụ thể.
7

Đối với Cảm biến sinh học đo bằng điện thế thì biên độ của tín hiệu trả lời tỷ lệ
thuận với logarite của nồng độ chất phân tích. Theo định luật Nernst: D
a
= sD(logc).
Vùng tín hiệu tuyến tính thu được là một đường cong hiệu chỉnh của tín hiệu trả lời
với nồng độ khác nhau của chất phân tích. Đường cong chỉ thật sự có ý nghĩa nếu tiến
hành hiệu chỉnh cả hai loạt nồng độ tăng và giảm. Đường cong hiệu chỉnh gọi là tốt
nếu như tín hiệu trả lời ổn định theo thời gian.
Thời gian đáp ứng khá dài bởi bản chất của đường cong hiệu chỉnh, nó cho biết
một phương pháp đo cho tín hiệu trả lời nhanh hay chậm khi thay đổi nồng độ.
1.1.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
Các chất cần phân tích trong mẫu phân tích sẽ đi vào trong điện cực, màng ngoài
(external membrane) của cảm biến sinh học sẽ cho các chất cần phân tích thấm qua.
Các thành phần sinh học (enzym, tế bào vi sinh vật, mô, cơ quan) sẽ phản ứng với
chất cần phân tích và tạo ra các đáp ứng mà các bộ biến năng (transducer) có thể phát
hiện được. Các thành phần sinh học ở đây thực hiện các hoạt động sau:
 Biến đổi các chất cần phân tích thành các chất hóa học khác thông qua các
phản ứng sinh hóa (biểu diễn bằng vòng tròn rỗng trong sơ đồ).
 Giải phóng ra các sản phẩm hóa học rồi từ đây tạo ra các tác nhân kích thích.

 Thay đổi các đặc tính như quang học, điện học, cơ học.
 Tạo ra một số các đáp ứng khác nhau với lượng có thể đo được.

Hình I.3: nguyên lý hoạt động chung của một cảm biến sinh học
Chất cần phân tích
Tác nhân kích thích (chất tạo ra tín hiệu)
Còn có một số màng khác gần bộ phận transducer, những màng này có thể có các
đặc tính thấm khác nhau so với màng bên ngoài. Tín hiệu ra của điện cực thường phụ
thuộc vào loại biến năng mà nó sử dụng.[6-8]
8

1.1.2.4 Phân loại cảm biến sinh học
a. Cảm biến sinh học điện hóa
Cảm biến đo điện thế
Điện cực đo điện thế hoạt động dựa trên nguyên tắc xác định sự khác nhau về điện
thế giữa điện cực đo (probe electrode) và điện cực so sánh (reference electrode) (là
điện cực có điện thế không đổi). Sự khác nhau về điện thế giữa hai điện cực là hàm
của hoạt độ các ion trong dung dịch điện phân nơi đặt điện cực (điều kiện hoạt động
của điện cực đo điện thế là không có dòng điện trong mạch đo, vì thế người ta gọi nó
là điện cực có dòng điện bằng không). Điện thế này được xác định theo phương trình
Nerst:
𝐸 = 𝐸
0
+
𝑅𝑇
𝑛𝐹
× ln
𝑎
1
𝑎

2

Trong đó: E
o
: Điện thế oxy hóa-khử tiêu chuẩn;
R: Hằng số khí;
T: Nhiệt độ tuyệt đối;
F: hằng số Faraday;
N: số điện tử trao đổi của cơ chất;
a
1
, a
2
: Hoạt độ trong dung dịch và trong lớp màng điện cực.
Cảm biến đo dòng điện
Cảm biến đo dòng điện hoạt động dựa vào dòng điện chạy qua mạch đo khi đặt
một hiệu điện thế giữa hai điện cực (điện cực đo và điện cực so sánh). Mật độ của các
hạt tích điện tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy giữa hai điện cực.
Cường độ dòng điện chạy giữa hai điện cực là hàm của mật độ các hạt tích điện
trong dung dịch và điện thế đặt giữa hai điện cực. Trong đa số trường hợp, người ta
thường tiến hành oxy hóa hoặc khử một loại hạt tích điện trên cực đo.
Nếu đặt vào điện cực đo một điện thế E biến thiên so với điện cực so sánh và vẽ
đường cong I= f(E), chiều cao I của bậc giới hạn khuếch tán sẽ tỷ lệ với nồng độ của
hạt bị oxy hóa hoặc bị khử trên điện cực đo.
Phương pháp đo dòng điện này có những đặc điểm sau:
 Phản ứng Enzym sẽ phụ thuộc vào vận tốc khuếch tán của cơ chất qua màng
 Khi phản ứng oxy hóa – khử xảy ra, gradient nồng độ của cơ chất giảm dần, do
đó vận tốc chuyển khối chậm và có thể dòng điện bị khử, để duy trì dòng điện
không đổi cần phải giữ những vùng tiếp xúc càng nhỏ càng tốt (tức là cần điều
chế các vi điện cực có đường kính rất nhỏ, đến vài mm).

 Vận tốc phản ứng oxy hóa – khử phụ thuộc vào nồng độ Oxy hòa tan (cảm
biến thế hệ 1). Để hạn chế ảnh hưởng của nồng độ Oxy hòa tan trong dung dịch
9

đến kết quả phân tích thì người ta không sử dụng oxy làm chất nhận điện tử mà
sử dụng các chất trung gian để vận chuyển điện tử đến bề mặt điện cực (cảm
biến thế hệ 2). Các chất vận chuyển điện tửtrung gian có thể là ion Fe
3+
, N-
methylphenazinium (NMP) hoặc tetracyanoquinodimethane (TCNQ),
hexacyanoferate.
b. Cảm biến nhiệt (calorimetric biosensor)
Các phản ứng giữa cơ chất và chất xúc tác sinh học thường giải phóng ra nhiệt
năng và người ta có thể đo lượng nhiệt giải phóng ra đó bằng một thiết bị đo nhiệt
(điện cực đo nhiệt), từ đó sẽ tính được lượng cơ chất ban đầu. Khi nhiệt lượng tỏa ra
càng lớn thì độ nhạy phát hiện càng lớn. Do đó để tăng nhiệt lượng tỏa ra, có thể cố
định đồng thời 2 hoặc 3 enzym (cũng có thể lên tới 4-5 enzym).
Cơ chất
Enzyme xúc tác
-DH, kJ/mol
Hydrogen peroxide
Catalase
100.4
Cholesterol
Cholesterol Oxidase
52.9
Clucose
Glucose Oxidase
80.0
Ure

Urease
6.6
Uric Acid
Uricase
49.1
Pennicilin G
Pennicilinase
67
Saccharose
Invertase
20
Bảng I.2: Enthanpi của một số phản ứng có enzyme xúc tác
c. Cảm biến đo quang (Optical biosensor)
Cảm biến đo quang được chế tạo dựa vào các tính chất vật lý của ánh sáng để phát
hiện ra sự biến đổi nhỏ trong mẫu phân tích.
Nguyên tắc hoạt động: Dung dịch phân tích được tiếp xúc với màng và khi phản ứng
enzym xảy ra thì sẽ có hiện tượng ánh sáng bị hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng màu.
Người ta có thể xác định được hàm lượng các chất của mẫu phân tích thông qua việc
đo độ hấp thụ ánh sáng hoặc sự phát quang ánh sáng của các chất tạo thành do phản
ứng xúc tác bởi enzym.
Cơ sở của kiểu điện cực quang là sự kết hợp các sợi dẫn ánh sáng với phép trắc
phổ quang, phép trắc huỳnh quang, hoặc phép đo phản xạ quang. Nó có khả năng chỉ
báo những thay đổi của các thông số quang học, chẳng hạn như sự hấp thụ ánh sáng,
chiều dài bước sóng hoặc chỉ số phản xạ trong môi trường đo bao quanh sợi dẫn.
Những thiết bị này gắn vào hoặc là sợi đơn hoặc là chùm sợi kép để ánh sáng tới và
chùm tia sáng được đo.


10

d. Cảm biến áp điện (Piezoelectric biosensor)
Nguyên lý của loại cảm biến này dựa vào sự dao động của các tinh thể. Các chất
điện môi tự nhiên như thạch anh, tuamalin, hoặc nhân tạo như liti sulfat, thạch anh
tổng hợp…dao động khi chịu tác động của từ trường. Tần số dao động của tinh thể
phụ thuộc vào độ dày và sự biến dạng của tinh thể, mỗi tinh thể có một tần số dao
động đặc trưng. Tần số dao động này thay đổi theo sự hấp thụ hay giải hấp từ bề mặt
tinh thể, thông thường nó sẽ tăng khi có tạp chất hấp thu lên trên bề mặt của tinh thể.
Đo tần số dao động sẽ biết được nồng độ của cơ chất cần đo.
Tần sốdao động được tính theo công thức:
∆𝑓 =
𝐾𝑓
2
∆𝑚
𝐴

Trong đó ∆f là chênh lệch tần số dao động (Hz), ∆m là chênh lệch khối lượng của
chất hấp thu (g), K là hằng số đặc trưng cho sự dao động của tinh thể, phụ thuộc vào
bề dày và độ nứt của tinh thể, A là diện tích bề mặt hấp thu (cm
2
).
Điện cực điện áp được dùng để đo amoniac, methane, lưu huỳnh dioxit và cơ chất
phosphate hữu cơ. Ta có thể dùng nó để xác định nồng độ formaldehyde nhờ
formaldehyde dehydrogenase hay xác định dư lượng thuốc trừ sâu vô cơ phospho vốn
kìm hãm enzym xholinesterase.
Ưu điểm: Cho thời gian đáp ứng nhanh, nhỏ gọn và rẻ tiền
Nhược điểm: Không dùng phân tích mẫu dạng lỏng, dễ bị hư hỏng do độ ẩm
không khí.

Hình I.4: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp điện
e. Cảm biến miễn dịch (Immunobiosensor)

Cảm biến miễn dịch hoạt động dựa trên tính chất kháng nguyên – kháng thể, tức là
các kháng thể phản ứng đặc hiệu với các kháng nguyên sinh ra nó.
11

Mỗi kháng thể là một protein hình chữ Y, gồm 4 chuỗi polypeptide, trong đó có
hai chuỗi nặng và hai chuỗi nhẹ liên kết với nhau bởi các cầu disulfite. Một phần cấu
trúc của các chuỗi là cố định, nhưng các phần đầu mút của hai nhánh chữ Y lại biến
đổi và tạo nên các vị trí kết hợp có khả năng phản ứng với các chất hóa học khác gọi
là kháng nguyên. Kháng nguyên là các “chất lạ” có bản chất protein hay hydrat
cacbon.
Phản ứng kháng nguyên – kháng thể được xác định bằng nhiều cách, trong đó có
kỹ thuật ELISA (enzym linked immunosorben assay: kỹ thuật hấp thụ miễn dịch có
gắn enzym).
Nguyên tắc của kỹ thuật ELISA như sau:
Kháng thể đặc hiệu với kháng nguyên được cố định trên bề mặt của một ống. Một
hỗn hợp gồm một lượng đã biết phức kết enzym-kháng nguyên và một lượng chưa
biết kháng nguyên của mẫu được đặt vào ống. Sau một thời gian thích hợp kháng thể,
phức enzyme kháng nguyên và kháng nguyên tự do có thể gắn kết hoặc vẫn ở trạng
thái tự do, phụthuộc vào nồng độ của chúng. Các kháng nguyên tự do được rửa trôi và
loại bỏ. Lượng phức kết enzym-kháng nguyên gắn với kháng thể được xác định bằng
vận tốc phản ứng enzym.
ELISA được sử dụng để phát hiện và khuếch đại một phản ứng kháng nguyên
kháng thể. Lượng kháng nguyên liên kết với enzym gắn với kháng thể cố định được
xác định bằng nồng độ tương đối giữa kháng nguyên liên kết và kháng nguyên tự do
và được định lượng bằng tỷ lệ của phản ứng enzym. Để có thể đáp ứng nhanh chóng,
người ta sử dụng các enzym có khả năng sử dụng lại nhiều lần. Độ nhạy của phương
pháp này cũng có thể tăng lên bằng cách sử dụng các phản ứng có xúc tác enzym. Các
phản ứng này cho đáp ứng nhanh hơn: chẳng hạn tạo ra các sản phẩm phát quang,
hoặc huỳnh quang, hoặc có màu đậm hơn. Kỹthuật này hiện nay được sử dụng rộng
rãi trong các phòng phân tích thí nghiệm.[9-10]

1.2 Công nghệ nano và cảm biến sinh học sợi nano vàng
1.2.1 Công nghệ nano
1.2.1.1 Tổng quan về công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành khoa học nghiên cứu khả năng tác động đến vật chất ở
mức nguyên tử và phân tử. Nói đến công nghệ nano thường hàm ý nói đến các cấu
trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Kích thước và cấu trúc siêu nhỏ dẫn đến các thay
đổi lớn về bản chất và tính chất của vật liệu và linh kiện. Những thay đổi và tính chất
mới này khi được khai thác và sử dụng thích hợp sẽ mang lại những ứng dụng mới,
với khả năng mạnh mẽ mà vật liệu và linh kiện truyền thống không có được.
12

Có hàng loạt ví dụ về các vật liệu và linh kiện nano đang mang lại những ích lợi to
lớn cho xã hội. Các cấu trúc nano như thanh (cantilevers), dầm (beams), tạo ra các
linh kiện dao động ở tần số siêu cao tần (GHz), mở ra các ứng dụng mới trong viễn
thông. Vật liệu dạng hạt nano (nanoparticles) ngoài việc đang được nghiên cứu làm
hạt dẫn thuốc chữa bệnh, còn được hòa trộn vào các vật liệu khác, giúp tạo nên các
siêu vật liệu về cơ tính, lý tính và hóa tính. Ví dụ như việc sử dụng hạt nano TiO
2
góp
phần tạo nên sơn nano với tính chất tự diệt khuẩn mà sơn truyền thống không có
được. Các dạng vật liệu nano đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực năng
lượng nhằm tạo ra các sản phẩm năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch như
pin mặt trời, tế bào nhiên liệu (fuel cells), vật liệu chứa hydro nhằm tạo ra các pin
điện cho xe điện.
1.2.1.2 Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
 Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn

chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.
 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện
tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.
 Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.
 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không
chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.2.1.3 Chế tạo vật liệu nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống
(top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp
từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức
hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng
rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng
làm vật liệu kết cấu). Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn
với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy
13

nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu
hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano.
Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng
được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn(có thể >10)
mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình. Nhiệt độ có
thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn
hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là
biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai
chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương

pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.
Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ
dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương
pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.
Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển
pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc
bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phương pháp chuyển pha: vật liệu
được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình,
xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội
nhanh). Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ:
ổ cứng máy tính.
Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương pháp
hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải
thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các
phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương
pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ). Phương pháp này có thể tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,
Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc
vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo
các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,
1.2.1.4 Ứng dụng của công nghệ nano
Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa
công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh từ chiếc máy
nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh
… Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến
14

đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “ xe tải kéo”, tránh được
hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những
mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có
nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh
đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ
(Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này. Đối với
việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành nano phẩu thuật thẩm mỹ,nhiều lọai thuốc
thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da. Đây là một thị
trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời như công
nghệ nano.
Ngoài ra, các nhà khoa học tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các
vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng.
Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức
công phá khiến ta không thể hình dung nổi.[11-12]
1.2.2 Cảm biến sợi nano vàng dùng cho phát hiện cholesterol
1.2.2.1 Sợi nano
Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trong khoảng
1-100 nm. Như thế, chúng ta phải bó ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một
vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100
micron. Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ
nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy
với các thay đổi của môi trường bên ngoài. Tính chất này làm sợi nano trở thành vật
liệu lý tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ mới - cảm biến sợi nano sinh
học - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có.

(A) (B) (C)
Hình I.5: Sợi nano chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau (A); Đơn sợi nano với
kích thước 40-50 nm (B); Sợi nano với hai điện cực nối ra mạch điều khiển bên ngoài
(C).
15

Tuy các nhóm nghiên cứu đã gần như làm chủ được công nghệ chế tạo sợi nano,
nhưng việc chế tạo được linh kiện nano (hình I.5C) với các đường dẫn kết nối ra mạch
điều khiển bên ngoài vẫn còn là một vấn đề vô cùng khó khăn. Để đi đến linh kiện
như hình I.5C, các nhà khoa học phải thực hiện rất nhiều bước thực nghiệm như chọn
lọc đơn sợi, rồi chế tạo điện cực cho đơn sợi đó. Các công việc này là rất khó khăn và
đòi hỏi nhiều thời gian vì cấu trúc siêu nhỏ của sợi. Việc này cần đến các thiết bị
chuyên dụng, đắt tiền. Ngoài ra, độ lặp lại của linh kiện cũng không cao do việc chế
tạo thủ công, đơn chiếc. Việc sử dụng các thiết bị quang khắc nano chuyên dụng như
lithography chùm điện tử (E-Beam nanolithography), chùm ion hội tụ (Focused Ion
Beam), kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope) để chế tạo các đơn sợi
ở các vị trí định sẵn sẽ loại bỏ được việc chọn lọc sợi và dễ dàng hơn trong việc tạo
điện cực kết nối mạch ngoài. Tuy thế các thiết bị quang khắc nano nói trên đều rất đắt
tiền, đi kèm với năng suất thấp, dẫn đến giá thành chế tạo linh kiện quá cao, hạn chế
khả năng nghiên cứu cũng như ứng dụng rộng rãi của linh kiện sợi nano nói chung và
cảm biến sợi nano nói riêng. [13]
1.2.2.2 Cảm biến sợi nano vàng
Gần đây, với hệ số bề mặt với thể tích cực lớn (ultrahigh ratios of surface to
volume) vật liệu ở dạng sợi nano đã đưa ra các tiềm năng ưu việt trong việc chế tạo
các linh kiện và cảm biến thông minh thế hệ mới. Trong rất nhiều ứng dụng mới của
linh kiện dựa trên cấu trúc sợi nano, sợi nano vàng (Au) đã và đang hứa hẹn nhiều
tiềm năng trong trong việc chế tạo cảm biến sinh học. Sợi nano vàng với diện tích tiếp
xúc mặt ngoài cực lớn (>1000 m
2
/g) sẽ tạo điều kiện cho quá trình gia tăng khả năng
hoạt hóa bề mặt bởi một lượng lớn enzyme, điều đó sẽ khiến cho cường độ dòng thu
nhận lớn hơn rất nhiều lần so với việc dùng sợi micro trong quá trình thực nghiệm.
Không chỉ có vậy, sợi nano vàng còn sở hữu đặc tính siêu dẫn tương tự như các-bon
ống nano giúp cho quá trình đáp ứng và thu nhận tín hiệu trở nên nhanh và nhạy hơn.
Vì thế, cảm biến sợi nano vàng với đặc tính hiệu năng cao, thời gian thu nhận tính

hiệu nhanh, siêu dẫn cùng với việc tương thích và có ái lực cao với các nhóm chức
như –SH, –COOH và –NH2 được sử dụng nhiều trong việc gắn kết các phần tử sinh
học như enzyme, DNA, protein, virus Thêm vào đó điện cực sợi nano vàng tượng
đối trơ với hầu hết các hệ dung dịch phân tích trong một khoảng điện thế rộng, tạo
tiền đề cho việc chế tạo một thế hệ cảm biến mới, siêu nhanh, nhạy và giá thành hạ.
Đến nay, có nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau đã được phát triển để chế
tạo sợi nano Au, sau đó lắp nghép các sợi đó lại để có được cảm biến hoàn chỉnh. Tuy
nhiên do độ phức tạp cao trong quá trình chế tạo, vẫn còn nhiều khó khăn trong việc
sản xuất hàng loạt, giảm giá thành chế tạo cũng như đưa các cảm biến sợi nano Au
ứng dụng vào thực tiễn. Để phát huy được các ưu điểm ưu việt của cảm biến sinh học