Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano platin chế tạo bằng phương pháp step - edge

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO





TRẦN NHÂN ÁI





KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN GLUCOZA
CỦA SỢI NANO PLATIN CHẾ TẠO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP STEP-EDGE



Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
Mã số: (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)


LUẬN VĂN THẠC SĨ



CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. ĐẶNG MẬU CHIẾN




Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008
-iv-
MỤC LỤC
Trang phụ bìa Trang
LỜI CẢM ƠN ii
LỜI CAM ĐOAN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ix
DANH MỤC ĐỒ THỊ xi
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1 SƠ LƯỢC VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG 2
1.1.1 Bệnh tiểu đường 2
1.1.2 Thực trạng bệnh tiểu đường hiện nay 2
1.1.3 Những ảnh hưởng của bệnh tiểu đường 3
1.1.4 Mức đường huyết an toàn 4
1.2 CẢM BIẾN GLUCOZA 4

1.2.1 Cảm biến glucoza truyền thống 5
1.2.2 Cảm biến glucoza sử dụng các cấu trúc nano 5
1.2.2.1 Công nghệ nano 5
1.2.2.2 Phân loại các cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc nano 6
1.2.2.3 Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin 6
1.2.3 Cảm biến glucoza sử dụng enzyme làm chất xúc tác 7
1.2.3.1 Nguyên lý làm việc 7
1.2.3.2 Các phương pháp cố định enzyme 8
1.3 CẢM BIẾN GLUCOZA SỬ DỤNG CẤU TRÚC SỢI NANO PLATIN
CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP STEP-EDGE 9
1.3.1 Phương pháp step-edge 9
1.3.1.1 Mô tả phương pháp 9
1.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng 10
1.3.2 Quy trình chế tạo sợi nano Pt bằng phương pháp step-edge 11
1.3.3 Quy trình chế tạo cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc sợi nano Pt 12
1.4 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HÓA HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH ĐIỆN 14
1.4.1 Định nghĩa và phân loại 14
1.4.2 Các quá trình điện cực 15
1.4.2.1 Quá trình Faraday và quá trình không Faraday 15
1.4.2.2 Lớp điện tích kép 16
-v-
1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng tại điện cực
và dòng điện Faraday [14] 17
1.4.3 Phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán 19
1.4.3.2 Lớp khuếch tán 20
1.4.3.3 Dòng điện và phân bố nồng độ của phản ứng khống chế
bởi quá trình khuếch tán [12] 21
1.4.4 Phản ứng khống chế bởi tốc độ chuyển điện tích 23
1.4.5 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn 25

1.4.5.1 Nguyên tắc 26
1.4.5.2 Đồ thị CV 28
1.4.5.3 Các tham số đặc trưng 29
1.4.5.4 Tế bào điện hóa 29
1.4.5.5 Phân tích đồ thị quét thế vòng 30
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34
2.1 THIẾT BỊ 34
2.1.1 Thiết bị đánh giá hình thái cấu trúc của sợi nano Pt 34
2.1.1.1 Kính hiển vi điện tử quét Joel/JSM-6480 LV 34
2.1.1.2 Kính hiển vi lực nguyên tử Nanotec Electronica S.L 35
2.1.2 Thiết bị khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt 35
2.2 HÓA CHẤT 38
2.2.1 Nguồn gốc, xuất xứ 38
2.2.2 Pha hóa chất 38
2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40
2.3.1 Biến tính điện cực sợi nano và điện cực màng mỏng 41
2.3.1.1 Quy trình thực hiện 41
2.3.1.2 Khảo sát điện cực sau khi biến tính 42
2.3.2 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza 46
2.3.2.1 Lập hệ đo điện hóa và thao tác đo 46
2.3.2.2 Khẳng định phản ứng xảy ra tại điện cực cần khảo sát
tuân theo phương trình Randles-Sevčik và chọn khoảng
quét thế phù hợp 47
2.3.2.3 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt 48
2.3.2.4 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của màng mỏng Pt .49
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 50
3.1 KẾT QUẢ BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt VÀ MÀNG MỎNG
Pt 50
3.3.1 Kết quả biến tính điện cực sợi nano Pt 50
3.3.2 Kết quả biến tính điện cực màng mỏng Platin 51

3.2 CHỨNG MINH SỰ NGHIỆM ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH RANDLES-
SEVČIK VÀ CHỌN KHOẢNG QUÉT THẾ 53
-vi-
3.2.1 Xác định peak đặc trưng 53
3.2.2 Giải thích sự xuất hiện của peak đặc trưng 54
3.2.3 Chứng minh phản ứng tuân theo phương trình Randles-Sevčik 55
3.2.3.1 Trường hợp độ pH 7,0 56
3.2.3.2 Trường hợp độ pH 7,4 57
3.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt 60
3.3.1 Kết quả khảo sát sợi nano Pt biến tính bằng GOx (nw-GOx) 60
3.3.1.1 Trường hợp độ pH 7,0 60
3.3.1.2 Trường hợp độ pH 7,4 63
3.3.2 Kết quả khảo sát điện cực sợi Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx
(nw-CHI/GAD/GOx) 65
3.3.2.1 Trường hợp độ pH 7,0 65
3.3.2.2 Trường hợp độ pH 7,4 67
3.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỆN CỰC MÀNG MỎNG Pt 70
3.4.1 Kết quả khảo sát điện cực màng Pt biến tính bằng GOx (tf-GOx) 70
3.4.1.1 Trường hợp độ pH 7,0 70
3.4.1.2 Trường hợp pH 7,4 72
3.4.2 Kết quả khảo sát điện cực màng Pt biến tính bằng
CHI/GAD/GOx (tf-CHI/GAD/GOx) 74
3.4.2.1 Trường hợp độ pH 7,0 74
3.4.2.2 Trường hợp độ pH 7,4 77
3.5 BÀN LUẬN VỀ TÁC DỤNG CỦA CHITOSAN VÀ
GLUTARALDEHYDE 79
3.6 BÀN LUẬN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA DIỆN TÍCH ĐIỆN CỰC 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 88

-vii-
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ads Hấp phụ
ADA American Diabetes Association, Hiệp hội tiểu đường Hoa Kỳ
AFM Atomic Force Microscope, Kính hiển vi lực nguyên tử
CE Counter Electrode, Điện cực đối
CHI Chitosan
CRT Catod Ray Tube, Ống tia catod
CV Cyclic Voltammetry, Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn
EDS Electron Diffraction Spectrum, Phổ phát xạ điện tử
GAD Glutaraldehyde
glc Glucoza
GOx Enzyme glucose oxidase
IHP Inner Helmholtz Plane, Lớp Helmholtz bên trong
LPCVD Low Pressure Chemical Vapour Deposition, Phương pháp
lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp
nw-CHI/GAD/GOx Sợi nano Pt biến tính bằng chitosan, glutaraldehyd và enzyme
glucose oxidase
nw-GOx Sợi nano Pt biến tính bằng enzyme glucose oxidase
OHP Outer Helmholtz Plane, Lớp Helmholtz bên ngoài
PBS Phosphate buffer solution, dung dịch đệm photphát
PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, Phương
pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma
RE Reference Electrode, Điện cực so sánh
SCE Standard Calomel Electrode, Điện cực calomel chuẩn
SEM Scanning Electron Microscope, Kính hiển vi điện tử quét
tf-CHI/GAD/GOx Màng mỏng Pt biến tính bằng chitosan, glutaraldehyd và
enzyme glucose oxidase

tf-GOx Màng mỏng Pt biến tính bằng enzyme glucose oxidase
UKPDS The United Kingdom Prospective Diabetes Study, Nghiên
cứu về bệnh tiểu đường của Anh Quốc
WE Working Electrode, Điện cực làm việc
-viii-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Tỷ lệ KH
2
PO
4
và Na
2
HPO
4
để pha dung dịch PBS 39
Bảng 3.1: Cường độ peak oxi hóa tương ứng với v=100~1000 mV/s của
điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 6 mM, độ
pH 7,0. 57
Bảng 3.2: Cường độ peak oxi hóa tương ứng với v=100~1000 mV/s của
điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 10 mM, độ
pH 7,4. 60
Bảng 3.3: Cường độ peak oxi hóa của điện cực nw-GOx trong dung dịch
glucoza pH 7,0 nồng độ 2-16 mM, v=100 mV/s, khoảng quét thế
-0,6~0,8 V 62
Bảng 3.4: Cường độ peak oxi hóa của điện cực nw-GOx trong dung dịch
glucoza 2-16 mM, độ pH 7,4 và vận tốc quét thế là 100 mV/s 64
Bảng 3.5: Cường độ peak đặc trưng của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong
trường hợp độ pH 7,0 và vận tốc quét thế là 100 mV/s. 67
Bảng 3.6: Cường độ peak đặc trưng của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong
dung dịch glucoza pH 7,4 nồng độ 2-16 mM, v=100 mV/s, điện

thế khảo sát từ -0,6~0,8 V. 69
Bảng 3.7: Cường độ peak đặc trưng của điện cực tf-GOx trong dung dịch
glucoza pH 7,0 nồng độ 6-18 mM, v=100 mV/s. 71
Bảng 3.8: Cường độ peak oxi hóa của điện cực tf-GOx trong dung dịch
glucoza pH 7,4 nồng độ 6-18 mM,
v
=100 mV/s, khoảng quét thế
-0,6~0,8 V 74
Bảng 3.9: Cường độ peak đặc trưng của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong
dung dịch glucoza pH 7,0 nồng độ 6-18 mM, v=100 mV/s,
khoảng quét thế từ -0,6~0,8 V 76
Bảng 3.10:
I
p
của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza pH
7,4 nồng độ 6-18 mM, v=100 mV/s, điện thế trong khoảng -
0.6~0,8 V. 78
Bảng 3.11: Độ nhạy của điện cực sợi nano và điện cực màng Pt biến tính
bằng GOx và CHI/GAD/GOx trong môi trường pH 7,0 và pH
7,4 79


-ix-
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân loại các phương pháp cố định enzyme lên điện cực 9
Hình 1.2: Phương pháp step-edge 10
Hình 1.3: Quy trình chế tạo sợi nano Pt bằng phương pháp step-edge 12
Hình 1.4: Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin. 12
Hình 1.5: Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến glucoza (a,b,c) và cấu tạo

của cảm biến glucoza được sử dụng trong luận văn (d) 13
Hình 1.6: Mô hình minh họa lớp điện tích kép xung quanh điện cực, thể
hiện vị trí của lớp Helmholtz phía trong và phía ngoài, và cách
thức các ion bị phân chia tại mặt phân giới [14] 17
Hình 1.7: Các quá trình xuất hiện tại điện cực khi xảy ra phản ứng [14] 19
Hình 1.8: Sự đối lưu xuất hiện khi khuấy dung dịch. 19
Hình 1.9: Chuyển động do tương tác tĩnh điện trong dung dịch tĩnh. 20
Hình 1.10: Sự khuếch tán trong dung dịch tĩnh gây ra do gradien nồng độ 20
Hình 1.11: Biến thiên điện thế của lớp điện tích kép theo khoảng cách đến
điện cực [13] 21
Hình 1.12: Đường cong dòng-thế của hệ thuận nghịch bị khống chế bởi tốc
độ chuyển điện tích, C
O
= C
R
và α = 0.5. Đường đứt nét là dòng
catod (i
c
) và dòng anod (i
a
) 25
Hình 1.13: Đồ thị quét thế theo thời gian trong phép đo CV [12]. 26
Hình 1.14: Quan hệ dòng- điện thế trong quét thế vòng thuận nghịch [17] 27
Hình 1.15: Sơ đồ bố trí thí nghiệm quét thế vòng [16] 27
Hình 1.16: Đồ thị CV của quá trình oxi hóa bất thuận nghịch (A), giả
thuận nghịch (B) và thuận nghịch (C) 28
Hình 1.17: Cấu tạo tế bào điện hóa. 29
Hình 1.18: Cấu tạo của điện cực SCE 30
Hình 2.1: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol/JSM-6480LV 34
Hình 2.2: Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) NanoTec Electronica S.L 35

Hình 2.3: Nguồn phân thế Potentiostat/Galvanostat HA-151 36
Hình 2.4: Điện cực calomel bão hòa dùng trong thực nghiệm. 36
Hình 2.5: Giao diện làm việc của phần mềm PGSdynamics HA151. 37
Hình 2.6: Cảm biến sau khi được nối dây và phủ keo epoxy. 38
Hình 2.7: Hai dạng đồng phân của glucoza 40
-x-
Hình 2.8: Sơ đồ quy trình biến tính điện cực. 41
Hình 2.9: Tương tác giữa chùm điện tử và mẫu 42
Hình 2.10: Phân bố vùng của các tín hiệu tán xạ. 43
Hình 2.11: Cấu tạo và cơ chế hoạt động của SEM 44
Hình 2.12: Cơ chế hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử 45
Hình 2.13: Hệ đo CV dùng trong thực nghiệm 47
Hình 3.1: Ảnh SEM và AFM của các bậc nổi kích thước micro. 50
Hình 3.2: Ảnh SEM của sợi nano Pt chế tạo bằng phương pháp step-
edge, được dùng làm điện cực trong cảm biến glucoza 51
Hình 3.3: Ảnh SEM của điện cực sợi nano Pt biến tính bằng GOx (hình a)
và CHI/GAD/GOx (hình b). 51
Hình 3.4: Ảnh AFM của điện cực màng mỏng Pt trước và sau khi biến
tính với CHI/GAD/GOx (a) Màng mỏng Platin, (b) màng
Pt/CHI, (c) màng Pt/CHI/GAD/GOx, (d) màng Pt/GOx, diện
tích quét 5x5 μm. 52
Hình 3.5: Mô hình trao đổi điện tử khi xảy ra phản ứng oxi hóa
gluconolactone

tại điện cực Platin 55

-xi-
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3.1: Đồ thị i-V của điện cực sợi nw-CHI/GAD/GOx trong dung
dịch nền pH 7,0 nồng độ 1/15 M, vận tốc quét thế từ 100 ~

1000 mV/s. 53
Đồ thị 3.2: Đồ thị i-V của điện cực sợi nano Pt trong dung dịch nền và
trong dung dịch glucoza 6 mM, pH 7,0, vận tốc quét thế 300
mV/s. 54
Đồ thị 3.3: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch
glucoza 6 Mm pH 7,0, vận tốc quét thế thay đổi từ 100 ~ 1000
mV/s. 56
Đồ thị 3.4: Đồ thị I-v
1/2
của peak đặc trưng đối với dung dịch glucoza 6
mM độ pH 7,0.
I
tăng tuyến tính theo v
1/2
chứng tỏ sự
nghiệm đúng phương trình Randles- Sevčik 57
Đồ thị 3.5: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch
PBS và dung dịch glucoza 6, 10, 14 mM pH 7,4, vận tốc quét
thế 100 mV/s. 58
Đồ thị 3.6: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch
glucoza 10 mM độ pH 7,4, khoảng quét thế từ -1~1 V,
v=100~1000 mV/s. 59
Đồ thị 3.7: Đồ thị i-v
1/2
của điện cực nw-CHI/GAD/GOx đối với dung
dịch glucoza 10 mM độ pH 7,4 60
Đồ thị 3.8: Đồ thị CV của điện cực nw-GOx trong dung dịch nền PBS và
dung dịch glucoza 2-16 mM pH 7,0, vận tốc quét thế 100
mV/s. 61
Đồ thị 3.9: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza

của điện cực nw-GOx trong môi trường pH 7,0, vận tốc quét
thế 100 mV/s. 62
Đồ thị 3.10: Đồ thị CV của điện cực nw-GOx trong dung dịch PBS và
dung dịch glucoza nồng độ 2-16 mM, pH 7,4, v=100 mV/s 63
Đồ thị 3.11: Đường chuẩn cường độ peak theo nồng độ glucoza của điện
cực nw-GOx trong dung dịch glucoza 2-16 mM pH 7,4,
v=100 mV/s 64
Đồ thị 3.12: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch
nền PBS và dung dịch glucoza pH 7,0, nồng độ từ 2-16 mM
(từ trong ra ngoài), vận tốc quét thế 100 mV/s. 65
-xii-
Đồ thị 3.13: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong môi trường pH 7,0,
v=100mV/s 67
Đồ thị 3.14: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch
glucoza pH 7,4, nồng độ 2-16 mM (từ trong ra ngoài),
v=100 mV/s, khoảng quét thế -0,6~0,8 V 68
Đồ thị 3.15: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong môi trường pH 7,4,
v=100 mV/s 69
Đồ thị 3.16: Đồ thị CV của điện cực tf-GOx trong dung dịch nền PBS và
dung dịch glucoza 6-18 mM pH 7,0, vận tốc quét thế 100
mV/s. 70
Đồ thị 3.17: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực tf-GOx trong môi trường pH 7,0, v=100 mV/s. 72
Đồ thị 3.18: Đồ thị CV của điện cực màng tf-GOx trong dung dịch glucoza
6-18 mM, pH 7,4, vận tốc quét thế 100 mV/s. 73
Đồ thị 3.19: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực tf-GOx trong môi trường pH 7,4, v=100 mV/s. 74
Đồ thị 3.20: Đồ thị CV của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong dung dịch

nền PBS và dung dịch glucoza 6-18 mM pH 7,0, vận tốc quét
thế 100 mV/s. 75
Đồ thị 3.21: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong môi trường pH 7,0,
v=100 mV/s 76
Đồ thị 3.22: Đồ thị quét thế vòng của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong
dung dịch nền PBS và dung dịch glucoza 6-18 mM độ pH 7,4,
v=100 mV/s 77
Đồ thị 3.23: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza
của điện cực tf-CHI/GAD/GOx trong môi trường pH 7,4,
v=100 mV/s 78
Đồ thị 3.24: Độ nhạy của điện cực sợi nano Pt trong các môi trường và
cách biến tính khác nhau 80
Đồ thị 3.25: Độ nhạy của điện cực màng Pt trong các môi trường và cách
biến tính khác nhau. 80
Đồ thị 3.26: Đồ thị so sánh mức tăng độ nhạy của cảm biến glucoza khi
giảm diện tích điện cực 45.000 lần. 82
Đồ thị 3.27: Đồ thị so sánh mức tăng cường độ peak đặc trưng khi giảm
diện tích điện cực 45.000 lần. 82
-1- Mở đầu
MỞ ĐẦU
Hiện nay, do ảnh hưởng bởi chế độ ăn uống, môi trường sống, lối sống, cũng
như điều kiện làm việc, rất nhiều người mắc bệnh tiểu đường. Con số này ngày càng gia
tăng với khoảng một triệu bệnh nhân mới mỗi năm. Bệnh tiểu đường là bệnh đặc trưng
bởi sự gia tăng lượng đường (glucoza) trong máu của bệnh nhân. Khi bị mắc bệnh này,
cơ thể không chuyển hóa được glucoza thành năng lượng để nuôi tế bào và duy trì các
hoạt động, dẫn đến các biến chứng rất nguy hiểm về tim mạch, gây đột qụy, các bệnh về
mắt v.v… thậm chí dẫn đến tử vong nếu không được chẩn đoán và điều trị kịp thời.
Hiện nay ở nước ta nhu cầu phân tích, kiểm tra thường xuyên lượng glucoza
trong máu để chẩn đoán, điều trị bệnh tiểu đường là rất lớn. Do không làm chủ được

công nghệ, không chế tạo được các bộ kít để chẩn đoán bệnh đã và đang hạn chế rất
nhiều đến khả năng khám và điều trị bệnh tiểu đường.
Công nghệ nano là một công nghệ mới, chuyên nghiên cứu chế tạo cũng như tìm
hiểu các tính chất và khả năng ứng dụng của các cấu trúc và vật liệu mà trong đó có ít
nhất một chiều có kích thước cỡ 100 nm hoặc nhỏ hơn. Các cấu trúc nano như sợi nano,
ống nano, hạt nano,… với các tính chất nhiệt, điện, từ, quang rất độc đáo, đã mang lại
những tiềm năng to lớn trong việc phát triển các loại cảm biến thế hệ mới. Hiện nay,
Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đang
thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin
với mục tiêu phát triển một cảm biến thế hệ mới, có khả năng ứng dụng thực tiễn cao.
Đề tài “Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Platin chế tạo bằng
phương pháp step-edge” được thực hiện nhằm mục đích bước đầu khảo sát khả năng
ứng dụng sợi nano Platin trong việc xác định nồng độ glucoza, làm tiền đề cho việc ứng
dụng sợi nano Platin để chế tạo cảm biến glucoza chẩn đoán bệnh tiểu đường ở người.
Trên cơ sở đó, đề tài luận văn tốt nghiệp tập trung vào một số nội dung nghiên
cứu được thể hiện trong các chương như sau:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về bệnh tiểu đường, cảm biến glucoza, cảm
biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Pt, phương pháp step-edge để chế tạo sợi nano
Pt và phương pháp phân tích điện để nghiên cứu khả năng phát hiện glucoza.
- Chương 2: Giới thiệu thiết bị nghiên cứu, hóa chất để biến tính điện cực và
phương pháp nghiên cứu khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt.
- Chương 3: Trình bày kết quả khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano
Pt chế tạo bằng phương pháp step-edge trong môi trường tương tự như máu người và
so sánh với kết quả của màng mỏng Pt.
- Kết luận và kiến nghị.

Thực hiện: Trần Nhân Ái

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

-2- Tổng quan
1.1 SƠ LƯỢC VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG
1.1.1 Bệnh tiểu đường
Bệnh tiểu đường xảy ra do tuyến tụy thiếu insulin - một hormone rất quan
trọng giúp hấp thu glucoza vào mạch máu để cung cấp năng lượng nuôi tế bào. Khi
chúng ta ăn, tuyến tụy sẽ tạo ra một lượng insulin đủ để hấp thu glucoza. Tuy nhiên,
đối với những người mắc bệnh tiểu đường, tuyến tụy sẽ sản xuất không đủ hoặc
không tạo được insulin, hoặc sử dụng insulin không hiệu quả, do đó thay vì được
vận chuyển vào trong tế bào, glucoza tích tụ lại ở ngoài máu và cuối cùng thải ra
ngoài cơ thể qua đường nước tiểu.
Có hai dạng bệnh tiểu đường [4]:
Tiểu đường type 1: cơ thể không sản xuất đủ hoặc không sản xuất được
insulin. Nhóm này được điều trị bằng cách tiêm insulin trực tiếp vào cơ thể để duy
trì lượng glucoza trong máu ở mức ổn định. Trẻ em và thanh thiếu niên thường mắc
bệnh tiểu đường type 1.
Tiểu đường type 2: là dạng bệnh tiểu đường mà tuyến tụy của người bệnh có
thể sản xuất insulin nhưng cơ thể không sử dụng hiệu quả lượng insulin được tạo ra.
Có đến 85-90% người mắc bệnh tiểu đường thuộc type 2, trong đó hầu hết là người
trên 40 tuổi. Việc điều trị bệnh tiểu đường type 2 được thực hiện bằng cách thường
xuyên uống thuốc kết hợp với chế độ ăn kiêng và tập thể dục đều đặn.
1.1.2 Thực trạng bệnh tiểu đường hiện nay
Hiện nay trên thế giới có hơn 190 triệu người mắc bệnh tiểu đường và con số
này đang tăng lên nhanh chóng. Ước tính đến năm 2010, thế giới sẽ có 221 triệu
người mắc bệnh, năm 2025 sẽ lên tới 330 triệu người, chiếm gần 6% dân số. Tỷ lệ
bệnh tăng lên ở các nước phát triển là 42%, nhưng ở các nước đang phát triển là
170%. Châu Á hiện có 10-12% số người lớn mắc bệnh tiểu đường, gấp đôi so với
châu Âu. Bệnh tiểu đường đang gây ảnh hưởng mạnh tới nền kinh tế - xã hội của
các quốc gia châu Á, trong đó có Việt Nam [1].
Tỷ lệ mắc bệnh tiểu đường ở châu Á hiện nay đã vượt xa châu Âu, nơi vốn

được xem là ổ bệnh. Trong khi có khoảng 5% số người trưởng thành ở châu Âu mắc
bệnh thì ở châu Á số người mắc là từ 10-12% và ở những quốc gia thuộc quần đảo
Thái Bình Dương là 30-40%. Điều nguy hiểm là châu Á đang có chiều hướng gia
tăng bệnh tiểu đường ở lứa tuổi thanh thiếu niên và trẻ nhỏ.
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-3- Tổng quan
Theo Thông tấn xã Việt Nam, ở nước ta hiện nay có khoảng 2,5 triệu người
mắc bệnh tiểu đường, chiếm 2,7% dân số nhưng có tới 65% người bệnh không biết
mình đã mắc căn bệnh này. Trong 10 năm qua, số bệnh nhân tiểu đường đã tăng 3-4
lần ở khu vực thành thị. Khu vực nông thôn trước đây thường rất ít gặp bệnh tiểu
đường thì nay bệnh đã trở nên phổ biến và dự đoán đến năm 2025 số người mắc bệnh
tiểu đường sẽ tăng lên đến 05 triệu người. Ở Việt Nam, ngành y tế đã triển khai nhiều
hoạt động phòng chống bệnh tiểu đường như tăng cường công tác tuyên truyền, khám
để phát hiện bệnh sớm và triển khai thử nghiệm dự án phòng chống bệnh tiểu đường
tại cộng đồng ở hai tỉnh Thanh Hóa và Thái Bình với sự giúp đỡ của Tổ chức y tế
Thế giới, quỹ đái tháo đường quốc tế và nhiều tổ chức quốc tế khác [2].
1.1.3 Những ảnh hưởng của bệnh tiểu đường
Rất nhiều nghiên cứu y học đã chứng minh rằng bệnh tiểu đường có những
vùng đường huyết nguy hiểm. Đó là khi đường huyết quá thấp hoặc quá cao. Đường
huyết xuống thấp dưới 60 mg/dL có thể dẫn đến tình trạng hôn mê, thậm chí tử
vong. Còn khi đường huyết tăng cao hơn 180 mg/dL có thể gây tổn thương nhiều bộ
phận quan trọng trong cơ thể như tim mạch, mạch máu, mắt, thận và thần kinh.
Trung bình cứ 10 người bị tiểu đường thì có 08 người bị mắc bệnh tim mạch và
có tới 75% số ca tử vong ở người bệnh tiểu đường type 2 là do bệnh tim mạch, chủ
yếu là do nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não. Bệnh thận do tiểu đường là
nguyên nhân phổ biến nhất gây suy thận giai đoạn cuối, còn bệnh liên quan tới võng
mạc do tiểu đường cũng là nguyên nhân hàng đầu gây mù ở người dân của những
nước công nghiệp phát triển. Bệnh tiểu đường diễn biến rất âm thầm khiến nhiều
người bệnh khó nhận biết được nên nhiều người khi đến khám chữa bệnh đã mắc bệnh
tới 5-7 năm rồi. Vì vậy người ta gọi bệnh tiểu đường là “kẻ giết người thầm lặng”.

Hiện nay, trở ngại lớn nhất trong việc điều trị bệnh tiểu đường không hẳn do
thiếu trang thiết bị, thiếu thuốc, thiếu cơ sở điều trị hay thiếu thầy thuốc chuyên
khoa mà chính là do sự chủ quan và thiếu hiểu biết của người bệnh. Có rất nhiều
người, dù đã được cảnh báo nhưng vẫn cho rằng bệnh tiểu đường của mình là nhẹ vì
không thấy có “biến chứng”, nên không quan tâm đường huyết của họ là bao nhiêu.
Vì thế họ rất ít đi khám và làm xét nghiệm đường huyết, có thể 2-3 tháng hoặc 06
tháng, có khi hàng năm mới đi kiểm tra đường huyết một lần.
Thực tế, chỉ khi đường huyết rất cao (trên 300mg/dL ~ 16,5mM/L) thì người
bệnh mới có một số triệu chứng như mệt mỏi, đi tiểu nhiều và khát nước. Còn khi
đường huyết cao khoảng từ 126÷300mg/dL (7÷16,5mM/L) bạn sẽ không cảm nhận
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-4- Tổng quan
được vì nó không làm bạn đau, chẳng làm bạn mệt hay có cảm giác khó chịu, đó
chính là lý do vì sao bệnh tiểu đường lại gây ra nhiều tổn thất như vậy.
Theo nghiên cứu UKPDS (The United Kingdom Prospective Diabetes Study) -
một nghiên cứu mới nhất và đáng tin cậy nhất về bệnh tiểu đường thì ngay tại thời
điểm được phát hiện mắc bệnh, 50% số bệnh nhân tiểu đường type 2 đã có ít nhất
một biến chứng. Lý do là vì đa số các bệnh nhân tiểu đường type 2 có thể sống hàng
tháng thậm chí hàng năm với mức đường huyết cao mà không hề biết là nhiều bộ
phận trong cơ thể đang bị phá hủy dần dần cho đến khi biến chứng xuất hiện. Khi
đó thì dù có được điều trị tích cực và rất tốn kém thì hiệu quả thường vẫn rất thấp,
không thể ngăn các biến chứng trầm trọng thêm và có thể phải trả giá bằng chính
cuộc sống của mình [1].
1.1.4 Mức đường huyết an toàn
Theo Hiệp hội tiểu đường Hoa Kỳ (ADA - American Diabetes Association),
đối với đa số bệnh nhân tiểu đường, mức đường huyết an toàn là [1]:
- Trước bữa ăn: 90-130 mg/dL (~ 5,0÷7,2 mM)
- Sau bữa ăn 1-2 giờ: nhỏ hơn 180 mg/dL (~ 10 mM)
- Trước lúc đi ngủ: 110-150 mg/dL (~ 6,0÷8,3 mM)
Tùy lứa tuổi, giai đoạn bệnh, mức độ các biến chứng mà mức đường huyết

an toàn của mỗi người bệnh có thể khác nhau nhưng không nhiều.
1.2 CẢM BIẾN GLUCOZA
Với các hậu quả và biến chứng nguy hiểm, bệnh tiểu đường đã và đang là
một trong những căn bệnh nguy hiểm, gây ảnh hưởng nặng nề nhất trong xã hội
ngày nay (chỉ sau các bệnh về tim mạch và ung thư). Tuy thế, nếu bệnh tiểu đường
được chẩn đoán, phát hiện sớm, thì hoàn toàn có thể chữa trị được cũng như ngăn
chặn được các biến chứng thông qua việc điều chỉnh lượng insulin cho cơ thể, kết
hợp với chế độ dinh dưỡng và lối sống thích hợp.
Để kiểm tra nồng độ glucoza trong máu, người ta sử dụng cảm biến glucoza.
Hiện nay thị trường của cảm biến glucoza có giá trị vào khoảng 6 tỉ USD/năm, và
chiếm 90% thị trường của tất cả các loại cảm biến sinh học. Vì vậy những nghiên
cứu về cảm biến glucoza đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa
học trên thế giới.
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-5- Tổng quan
1.2.1 Cảm biến glucoza truyền thống
Bệnh tiểu đường được chẩn đoán chủ yếu thông qua việc kiểm tra, đo đạc
trực tiếp hoặc gián tiếp lượng đường (glucoza) trong máu của con người. Thiết bị
đo đạc và phân tích lượng glucoza trong máu rất đa dạng, phong phú, và dựa trên
các nguyên lý làm việc rất khác nhau, từ phương pháp cổ điển như phương pháp chỉ
thị màu (colorimetric test strips) đến các phương pháp phát triển rất gần đây như
cảm biến sinh học điện hóa (electrochemical biosensors) và cảm biến quang
(optical sensors). Mỗi loại thiết bị có những ưu nhược điểm khác nhau.
- Phương pháp chỉ thị màu: đơn giản, rẻ tiền nhưng giấy hiển thị bị ảnh hưởng
bởi nhiệt độ, độ ẩm và độ pH của môi trường, do đó làm giảm độ chính xác
của phép đo.
- Phương pháp quang học: không cần lấy máu trực tiếp, nhưng thiết bị phức
tạp, đắt tiền và độ mẫn cảm với môi trường trung gian (da người) cũng cao.
- Cảm biến sinh học điện hóa: sử dụng enzyme làm xúc tác cho phản ứng oxi
hóa glucoza, do đó độ nhạy và độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều

vào hoạt tính của enzyme.
Tuy có nhiều loại cảm biến hiện đang được dùng để phân tích và định lượng
nồng độ glucoza trong máu nhưng các phương pháp đều có những nhược điểm cần
khắc phục như độ chính xác, độ lặp lại và tin cậy, quy trình đo lâu và phức tạp,
lượng máu phải dùng nhiều, chi phí phân tích cao v.v Do đó, tại thời điểm này, rất
nhiều công ty nổi tiếng hiện đang đầu tư, nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa
cảm biến glucoza thế hệ mới với hy vọng khắc phục các nhược điểm nói trên.
1.2.2 Cảm biến glucoza sử dụng các cấu trúc nano
1.2.2.1 Công nghệ nano
Công nghệ nano là một công nghệ mới, chuyên nghiên cứu chế tạo cũng như
tìm hiểu các tính chất và khả năng ứng dụng của các cấu trúc và vật liệu mà trong
đó có ít nhất một chiều có kích thước cỡ 100 nm hoặc nhỏ hơn. Các cấu trúc nano
như sợi nano (nanowire), ống nano (nanotube), hạt nano (nanoshell), tinh thể nano
(nanocrystal)… với những tính chất điện, từ, quang rất độc đáo, đã mang lại những
tiềm năng to lớn trong việc phát triển các loại cảm biến thế hệ mới. Ví dụ như thể
keo của các hạt vàng (gold colloid) và các tinh thể nano bán dẫn đã được sử dụng để
đánh dấu các mầm bệnh và các phần tử sinh học khác, rất quan trọng trong nghiên
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-6- Tổng quan
cứu bệnh tật. Ngoài ra, tinh thể nano oxit sắt với tính chất siêu thuận từ và tinh thể
nano bán dẫn với khả năng tán xạ plasmon cộng hưởng thay đổi theo kích thước hạt
đã được nghiên cứu làm tác nhân tương phản đặc thù trong cộng hưởng từ và ảnh
quang học, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong tạo ảnh của các tế
bào ung thư trên các mẫu sinh vật sống. Đường kính của các cấu trúc nano này
tương đương với kích thước của các phân tử sinh học và hoá học cần được xét
nghiệm, do đó chúng chính là bộ khuếch đại sơ cấp các tín hiệu trước khi truyền tới
thiết bị đo đạc bên ngoài [5]. Từ khi ống nano carbon được phát hiện, đã có hàng
loạt nghiên cứu về các cấu trúc nano một chiều như ống nano và dây nano. Khả
năng hấp thụ của enzyme lên các cấu trúc nano 1D này cũng đã được công bố rất
nhiều trong các báo cáo. Do các cấu trúc dạng này có tỷ số giữa diện tích bề mặt và

thể tích rất lớn nên nó chính là môi trường phù hợp để thụ động hóa các enzyme và
cho phép tiến hành các thử nghiệm tiếp theo.
1.2.2.2 Phân loại các cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc nano
Cảm biến glucoza sử dụng các cấu trúc có kích thước nano là các cảm biến
sử dụng màng mỏng nano, sợi nano hoặc ống nano… làm bộ phận để biến đổi và
thu nhận các tín hiệu tạo ra trong quá trình biến đổi glucoza từ dạng không đo đạc
được thành một dạng tín hiệu có thể định tính và định lượng dễ dàng. Cảm biến
glucoza nano có thể được chia thành 03 loại dựa trên cơ chế biến đổi glucoza.
1. Loại đầu tiên và là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất cho đến nay đó là
cảm biến glucoza điện hoá dựa trên enzyme. Cơ chế hoạt động của các cảm
biến này dựa trên việc kiểm tra định lượng sự oxi hoá của glucoza với chất
xúc tác là enzyme.
2. Loại thứ hai bao gồm các cảm biến xác định trực tiếp sự oxi hoá của
glucoza bằng dòng điện trên các điện cực kim loại hiếm (cảm biến glucoza
xúc tác bằng điện).
3. Loại thứ ba là các cảm biến dựa trên công nghệ chiết tách glucoza hoặc xác
định số lần phát hiện. Loại này bao gồm các sensor glucoza hoạt động dựa
trên ái lực điện tử, điện cực dạng sợi, lực hút chất lưu…
1.2.2.3 Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin
Platin (hay còn gọi là bạch kim, ký hiệu hóa học là Pt) được Antonio de
Ulloa và Don Jorge Juan y Santacilia phát hiện lần đầu tiên trong khoảng thời gian
từ năm 1735 đến năm 1745 ở Peru (Nam Mỹ) [6]. Pt là một kim loại chuyển tiếp,
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-7- Tổng quan
không bị oxi hóa trong không khí và ổn định trong một dải điện thế rất rộng đối với
hầu hết các dung môi, bao gồm cả dung dịch axit mạnh và bazơ mạnh [7]. Mặc dù
giá thành tương đối cao, Pt vẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng thuộc lĩnh vực
cảm biến sinh học (biosensor), xúc tác (catalyst) và pin nhiên liệu (fuel cell).
Gần đây, các nhà khoa học thuộc Học viện kỹ thuật California đã chế tạo
thành công Pt ở dạng sợi nano và dùng các sợi này để chế tạo cảm biến glucoza.

Các sợi nano Pt được biến tính bằng enzyme glucose oxidase - chất xúc tác của
phản ứng oxi hóa glucoza. Các sản phẩm được tạo thành sau phản ứng oxi hóa
glucoza (gluconolactone và H
2
O
2
) sẽ hấp phụ trên bề mặt sợi nano Pt và làm thay
đổi điện trở của sợi. Sự thay đổi điện trở này sau đó được dùng để định lượng nồng
độ glucoza trong mẫu cần đo. Do tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích của sợi nano
Pt rất lớn nên chỉ cần một thay đổi rất nhỏ của môi trường bên ngoài cũng như các
thay đổi trên bề mặt cũng sẽ làm cho sợi nano thay đổi điện trở rất nhiều.
Những nghiên cứu ban đầu cho thấy cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi
nano có độ nhạy cao, quy trình phân tích đơn giản, đạt các yêu cầu cho cảm biến
glucoza. Cảm biến loại này có độ nhạy tốt hơn hàng trăm lần so với cảm biến thông
thường được chế tạo dựa trên cấu trúc màng mỏng của vật liệu cùng loại. Hơn nữa, vì
có diện tích nhỏ, các cảm biến nano nói chung và cảm biến glucoza nói riêng có thêm
ưu điểm là tiêu tốn rất ít hóa chất và bệnh phẩm cho quá trình phân tích.
1.2.3 Cảm biến glucoza sử dụng enzyme làm chất xúc tác
Thuật ngữ “cảm biến glucoza dựa trên enzyme” được Clark và Lyons sử
dụng lần đầu tiên vào năm 1962 trong một nghiên cứu về khả năng kiểm tra liên tục
các chất hoá học có trong máu người [4]. Họ cho rằng một màng mỏng enzyme hoà
tan có thể được duy trì trên bề mặt của một điện cực thông qua một màng lọc thẩm
thấu. Năm 1967, mô hình điện cực cố định enzyme được Updike và Hicks đề xuất,
trong đó enzyme glucose oxidase (GOx) ở thể gel đã được cố định lên một điện cực
kim loại. Từ những công trình tiên phong trong thập niên 60 này, người ta đã
nghiên cứu cảm biến glucoza sử dụng enzyme làm chất xúc tác rất nhiều và cho đến
nay thì lĩnh vực này đã phát triển rất mạnh.
1.2.3.1 Nguyên lý làm việc
Cảm biến glucoza dựa trên enzyme thực tế là một thiết bị hợp nhất khả năng
phát hiện các phân tử sinh học với một bộ chuyển đổi, mục đích chính là tạo ra tín

Thực hiện: Trần Nhân Ái
-8- Tổng quan
hiệu điện tỷ lệ với nồng độ của một hoá chất hoặc một nhóm chức nào đó. Đặc
trưng của cảm biến sinh học là thông qua một nhân tố sinh học nào đó (thông
thường là enzyme) để nhận biết các phân tử cần định lượng bằng cách biến đổi
chúng thành các yếu tố có thể định lượng được sau đó chuyển thành tín hiệu điện.
Nguyên lý hoạt động của các cảm biến loại này như sau:
 Đầu tiên enzyme glucose oxidase (GOx) được cố định lên điện cực làm việc
(trong luận văn này là điện cực sợi nano Platin).
 Sau đó, enzyme sẽ xúc tác phản ứng oxi hóa glucoza như sau:
Glucoza + O
2
+ H
2
O → gluconolactone + H
2
O
2

Trong phản ứng này, glucoza bị oxi hóa thành gluconolactone. GOx đóng vai
trò chất nhận điện tử, nghĩa là đầu tiên nó bị oxi hóa thành trạng thái không
hoạt động và sau đó được hoạt hóa trở lại bằng sự khử oxy thành H
2
O
2
.
 Đo nồng độ sản phẩm phản ứng (H
2
O
2

hoặc gluconolactone) sẽ xác định
được nồng độ glucoza trong máu.
1.2.3.2 Các phương pháp cố định enzyme
Thuật ngữ “cố định enzyme” được sử dụng lần đầu tại hội nghị Enzyme
Engineering tổ chức tại Hennicker, New Hampshire năm 1971 với ý nghĩa là
“enzyme được giam giữ hoặc duy trì ở một vị trí xác định mà vẫn giữ được hoạt
tính xúc tác và có thể sử dụng lặp lại và liên tục” [8]. Cố định enzyme là sự chuyển
đổi enzyme từ dạng hòa tan trong nước ở trạng thái động thành dạng không hòa tan
(trạng thái tĩnh). Nó giúp ngăn cản sự khuếch tán enzyme vào trong hỗn hợp phản
ứng. Ưu điểm của việc cố định enzyme là:
- Có thể sử dụng lặp lại nhiều lần một lớp enzyme đã cố định.
- Tạo thành lớp đệm chống lại sự thay đổi độ pH, nhiệt độ và lực tương tác ion
trong dung dịch phản ứng.
- Enzyme không bị tan trong dung dịch và làm nhiễm bẩn dung dịch phản ứng.
- Hoạt tính giảm không đáng kể và có thể tính toán được tốc độ giảm hoạt tính.
Với điện cực cố định enzyme, lớp enzyme sẽ tiếp xúc chặt với bề mặt điện
cực và phải càng mỏng càng tốt để nhanh chóng đạt cân bằng về nồng độ. Khi điện
cực được nhúng vào trong mẫu thử, glucoza sẽ truyền qua lớp enzyme thông qua sự
đối lưu hoặc khuếch tán [4]. Sau cùng, sản phẩm phản ứng là H
2
O
2
và axit gluconic
sẽ được tạo thành.
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-9- Tổng quan
Thực hiện: Trần Nhân Ái
Có nhiều phương pháp khác nhau để cố định enzyme lên điện cực. Tuy nhiên
có thể phân loại thành 02 loại chính, đó là phương pháp vật lý và phương pháp hóa
học, theo sơ đồ sau đây [9]:

Hình 1.1: Phân loại các phương pháp cố định enzyme lên điện cực.
1.3 CẢM BIẾN GLUCOZA SỬ DỤNG CẤU TRÚC SỢI NANO
PLATIN CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP STEP-EDGE
1.3.1 Phương pháp step-edge
1.3.1.1 Mô tả phương pháp
Đây là phương pháp có thể tạo ra các sợi nano kim loại đường kính 30 nm
với độ dài lên đến 0,5 mm dựa trên những bậc nổi (surface-relief step) trên bề mặt
vật liệu. Quy trình chế tạo sợi nano kim loại bằng phương pháp step-edge được
minh họa trong hình 1.2.

Phươn
g

p
há
p
cố đ
ị
nh enz
y
me
Vật lý
Hấp phụ vật lý
N
hốt bởi lớp màng
Composite gia cường
Hợp nhất với điện
cực composite
Dạng lỏng

Dạng rắn
Keo carbon
Keo carbon rắn
Mực carbon
Composite
Cố định trong thể gel
Polymer hóa điện hóa Polymer dẫn điện
Polymer không dẫn điện
Hóa học
Cross-linkin
g
hóa t
r
ị
Liên kết hóa tr
ị
Liên kết lên điện cực
Liên kết lên phần trơ
Cơ chất của enz
y
me
Màng polymer
-10- Tổng quan

Hình 1.2: Phương pháp step-edge.
Các bước để tạo sợi nano kim loại bằng phương pháp step-edge [10]:
- Đầu tiên tạo ra các bậc nổi trên bề mặt vật liệu bằng phương pháp ăn mòn
dùng chùm ion, đây chính là nơi định vị vị trí của sợi nano kim loại.
- Phủ màng kim loại trên bề mặt có các bậc nano tạo ra ở bước trên.
- Khắc bằng chùm tia ion Ar (Argon Ion Beam Etching) màng kim loại từ một

góc nhất định để tạo sợi nano kim loại. Phần lớn màng kim loại sẽ bị ăn mòn.
Tuy nhiên, một phần của màng được bảo vệ bởi các bậc nano sẽ không bị ăn
mòn, phần không bị ăn mòn tạo thành các sợi có chiều rộng với kích thước
vài chục nanomét.
1.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng
Trên lý thuyết phương pháp step-edge có thể chế tạo được các cấu trúc nano
nhỏ hơn 10 nm. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải của phương
pháp này.
Yếu tố ảnh hưởng hàng đầu đó là sự chuẩn trực của chùm ion. Để tăng độ
phân giải của mẫu ta có thể giảm độ mở của nguồn hoặc dịch chuyển nguồn ion ra xa
mẫu. Tuy nhiên khi sử dụng quy trình khắc độ tương phản cao thì các chất tạp trên
màng hoặc các nguyên tử tán xạ từ màng lắng đọng sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng
của mẫu.
Các quy trình lắng đọng ví dụ như bốc bay sẽ bị ảnh hưởng bởi tốc độ phát
triển mầm tinh thể hoặc sự khuếch tán trên bề mặt. Các nguyên tử hấp phụ có xu
hướng khuếch tán xuyên qua bề mặt khi chưa kịp biến đổi thành tinh thể, do đó có
rất ít kim loại có thể lắng đọng với kích thước hạt dưới 10 nm ở nhiệt độ phòng.
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-11- Tổng quan
Kích thước của sợi nano kim loại chế tạo bằng phương pháp step-edge phụ
thuộc rất lớn vào chất lượng của lớp màng kim loại. Vì vậy độ ổn định nhiệt của cấu
trúc màng mỏng kích thước nano rất quan trọng do hiện tượng khuếch tán nhiệt trên
bề mặt thường xuất hiện ở màng mỏng kim loại có kích thước nano.
1.3.2 Quy trình chế tạo sợi nano Pt bằng phương pháp step-edge
Sợi nano Pt được sử dùng để khảo sát khả năng phát hiện glucoza trong luận
văn này được chế tạo bằng phương pháp step-edge như đã trình bày trong phần trên
và được mô tả cụ thể trong hình 1.3 [11].
- Đầu tiên, một lớp Si
3
N

4
dày 200 nm được phủ bằng phương pháp lắng đọng
hơi hóa học áp suất thấp (Low Pressure Chemical Vapour Deposition -
LPCVD) lên wafer Si loại n mặt mạng <100> (hình 1.3b).
- Sau đó phủ lớp SiO
2
dày 50 nm bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học
tăng cường bằng plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition –
PECVD) để tạo lớp bảo vệ cho wafer (hình 1.3c).
- Tiếp tục phủ lớp chất cản quang (hình 1.2d) và thực hiện quang khắc để tạo
thành những rãnh song song rộng 5 μm và cách nhau 5 μm (hình 1.3e). Lớp
cản quang này sẽ đóng vai trò mặt nạ cho quá trình khắc lớp SiO
2
bên dưới.
- Quá trình khắc lớp SiO
2
được thực hiện bằng phương pháp khắc khô sử dụng
khí CHF
3
, và được khống chế sao cho phản ứng dừng lại ngay tại bề mặt lớp
Si
3
N
4
(hình 1.3f)
- Loại bỏ lớp cản quang bằng cách nhúng wafer vào dung dịch HNO
3
đậm đặc
(hình 1.3g).
- Sau đó, một lớp màng Pt 40 nm được lắng đọng bằng chùm tia điện tử dưới

góc nghiêng 45
o
so với bề mặt wafer (hình 1.3h)
- Khắc lớp màng Pt vừa được lắng đọng bằng chùm ion Ar. Quá trình khắc
được thực hiện với cùng độ nghiêng 45
o
so với bề mặt wafer nhưng theo
hướng ngược lại (hình 1.3i).
- Sau quá trình lắng đọng và khắc ngược chiều nhau thì tại những phần rìa của
lớp SiO
2
sẽ còn lại những sợi dây nano Pt có độ dài tương đương với độ dài
của các cấu trúc SiO
2
được chế tạo trước đó (hình 1.3j).
- Sau khi loại bỏ lớp SiO
2
sẽ thu được các sợi nano Pt độc lập (hình 1.3k).
Thực hiện: Trần Nhân Ái
-12- Tổng quan
Thực hiện: Trần Nhân Ái

Hình 1.3: Quy trình chế tạo sợi nano Pt bằng phương pháp step-edge.
1.3.3 Quy trình chế tạo cảm biến glucoza sử dụng cấu trúc sợi nano Pt
Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Pt được khảo sát trong luận văn
được chế tạo với kích thước 5x5 mm như minh họa trong hình 1.4. Với kích thước
của một chip nhỏ như vậy thì trên một wafer 3 inch ta có thể tạo được 196 chip.

Hình 1.4: Cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Platin.
Sợi nano được tạo dọc theo cấu trúc

a

b

c

d

e

f

k

j

i

h

g

-13- Tổng quan
Thực hiện: Trần Nhân Ái

Hình 1.5: Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến glucoza (a,b,c) và cấu tạo của cảm
biến glucoza được sử dụng trong luận văn (d).
Cảm biến bao gồm 30 sợi nano Pt có bề ngang mỗi sợi khoảng 100 nm, chiều
dài lần lượt là 10, 50 và 100 μm. Số lượng dây nano Pt có chiều dài 10, 50, 100 μm
là như nhau (mỗi loại 10 sợi). Một đầu của các sợi có chiều dài khác nhau sẽ được

nối với các điện cực khác nhau có kích thước 1x1,2 mm, còn tất cả các đầu còn lại
được nối với một điện cực chung kích thước 1,5x2 mm.
Các sợi nano Pt được chế tạo bằng phương pháp step-edge như đã trình bày
ở mục 1.3.1. Quá trình quang khắc để tạo các cấu trúc SiO
2
song song và cách nhau
5 μm được thực hiện bằng cách sử dụng mặt nạ số 1 (hình 1.5a).
Sau khi tạo được các sợi nano Pt với kích thước mong muốn, tiếp tục dùng
phương pháp quang khắc để tạo các điện cực và đường dẫn giữa các điện cực bằng
mặt nạ số 2 (hình 1.5b). Các phần dẫn điện này đều được làm bằng Platin.
5 mm
1.5 mm
1.2 mm
1 mm
2 mm
5 mm
(a)
(b)
(c)
(d)

-14- Tổng quan
Sau cùng phủ một lớp điện môi lên bề mặt chip để tạo lớp cách điện. Mặt nạ số
3 (hình 1.5c) sẽ che đi các phần điện cực để hàn dây nối ra mạch điều khiển bên
ngoài, cũng như phần dây nano Pt sẽ tiếp xúc với dung dịch điện giải. Các phần
không được che sẽ được phủ một lớp SiO
2
mỏng 30 nm. Chip sau khi hoàn tất sẽ có
dạng như trong hình 1.5d.
1.4 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HÓA HỌC BẰNG PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN
1.4.1 Định nghĩa và phân loại
Các kỹ thuật phân tích điện hóa là các kỹ thuật mà thông qua các phép đo
dòng điện, điện thế hoặc điện tích sẽ cho biết mối liên hệ với các thành phần hóa
học mà chúng ta quan tâm. Kỹ thuật này đã được ứng dụng rộng rãi trong quản lý
môi trường, công nghiệp và phân tích y sinh. Đặc biệt phương pháp này hiện đang
rất được quan tâm trong các nghiên cứu về cảm biến sinh học, hóa học. Trong các
phương pháp phân tích phản ứng hóa học bằng kỹ thuật đo điện, phương pháp đo
dòng và đo thế được sử dụng nhiều nhất. Cả hai phương pháp trên đều đơn giản và
các điện cực dựa trên những đặc điểm trên đều có thể mô hình hóa dễ dàng [4].
 Kỹ thuật đo thế (potentiometric)
Phương pháp này xác định điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so
sánh trong điều kiện dòng điện bằng 0. Những điện cực chỉ có thể đáp ứng đối với
một loại ion nào đó trong dung dịch được gọi là điện cực chọn lọc ion (ion-selective
electrode, ISE). Các điện cực loại này bao gồm một màng lọc ion bằng thủy tinh
mỏng có chứa dung dịch điện hóa và xác định điện thế giữa thủy tinh và dung dịch.
Điện thế được đo tỷ lệ thuận với logarit của độ hoạt động của ion trong dung dịch.
Cần chú ý là các chất khác trong dung dịch có thể tạo phức với ion cần đo và làm
giảm độ hoạt động của chúng, vì vậy cần phải loại bỏ trước khi tiến hành đo. Điện
cực chọn lọc ion được sử dụng nhiều nhất hiện nay là điện cực pH, bên cạnh các
loại điện cực để xác định các ion khác như NH
4
+
, Li
+
, Na
+
hoặc K
+
. Khoảng đo của

các cảm biến loại này là từ 10
-1
M đến 10
-5
M. Điện cực đo thế kết hợp với enzyme đã
được dùng để xác định nồng độ penicilline, amino axit, DNA, RNA và glucoza.
 Kỹ thuật đo dòng (amperometric)
Trong kỹ thuật đo dòng, các tế bào điện hóa có chứa một điện cực hoạt động
ở đó xảy ra sự oxi hóa và sự khử của các hợp chất hóa học, và một điện cực thứ hai
Thực hiện: Trần Nhân Ái