Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu

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

Trần Thị Luyến

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN
HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP
HỆ VI LƯU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

HÀ NỘI - 2017


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. i
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. iv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 6
1.1. Cảm biến sinh học điện hóa .................................................................................... 6
1.1.1. Phân tích điện hóa ............................................................................................ 6
1.1.2. Cảm biến sinh học điện hóa............................................................................. 7
1.1.2.1 Nhu cầu phát triển cảm biến sinh học .............................................................. 7
1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa.......................... 8
1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa trong và ngoài nước.......... 9
1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa ............................................. 11
1.2. Biến tính bề mặt cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu polime dẫn
polypyrrole .................................................................................................................... 12
1.2.1. Vật liệu polime dẫn polypyrrole ứng dụng trong chế tạo cảm biến DNA
điện hóa ..................................................................................................................... 12

1.2.2. Tổng hợp vật liệu polime dẫn polypyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa ..... 13
1.2.2.1. Cơ chế của quá trình polime hóa pyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa ...... 13
1.2.2.2. Một số kỹ thuật điện hóa được sử dụng để tổng hợp polime dẫn ............. 14
1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình polime hóa điện hóa pyrrole .......... 16
1.2.2.4. Quá trình doping polypyrrole .................................................................. 17
1.2.2.5. Vai trò của gelatin trong tổng hợp dây nano polypyrrole ........................ 20
1.3. Cố định phần tử cảm nhận sinh học lên cảm biến sinh học điện hóa ............... 21
1.3.1. DNA và kháng nguyên, kháng thể ................................................................ 21
1.3.1.1. DNA .......................................................................................................... 21
1.3.1.2. Kháng nguyên, kháng thể ......................................................................... 22
1.3.2. Các phương pháp cố định phần tử cảm nhận sinh học .............................. 24
1.3.2.1. Hấp phụ vật lý .......................................................................................... 24
1.3.2.2. Liên kết cộng hóa trị ................................................................................. 26
1.3.2.3. Ái lực sinh học .......................................................................................... 28
1.4. Tích hợp cảm biến sinh học điện hóa và bình phản ứng mini ........................... 32
1.5. Kỹ thuật điện hóa trong nhận biết các thành phần sinh học ............................. 34
1.5.1. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa ............................................................. 34
1.5.1.1. Nguyên lý của phổ tổng trở điện hóa ....................................................... 34
1.5.1.2. Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức.................................................. 35
1.5.1.3. Mạch điện tương đương trong phổ tổng trở ............................................. 37
1.5.2. Phương pháp đo vi sai .................................................................................... 39
1.5.3. Phương pháp quét thế vòng (Cyclic Voltammetry - CV) ........................... 41


1.5.3.1. Nguyên lý của phương pháp CV ............................................................... 41
1.5.3.2. Quét thế vòng trên điện cực phẳng ........................................................... 42
2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO
POLYPYRROLE ................................................................................................................ 45
2.1. Mở đầu .................................................................................................................... 45
2.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 45

2.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 45
2.2.2. Điện cực tích hợp ............................................................................................ 46
2.2.3. Tổng hợp dây nano PPy sử dụng kỹ thuật điện hóa ................................... 46
2.2.4. Cố định DNA dò trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 47
2.2.5. Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò ...................... 47
2.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 48
2.3.1. Tổng hợp dây nano PPy trên điện cực Pt..................................................... 48
2.3.1.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực Pt tích hợp ...................................... 48
2.3.1.2. Giá trị điện thế trong phản ứng polyme hóa pyrrole ............................... 48
2.3.1.3. Ảnh hưởng của gelatin – khuôn nano trong chế tạo dây polyme ............. 50
2.3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ monome pyrrole ................................................ 51
2.3.1.5. Thời gian polime hóa ................................................................................ 53
2.3.1.6. Phổ FT-IR ................................................................................................. 54
2.3.1.7. Phổ Raman ............................................................................................... 55
2.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định DNA dò .............................................................. 56
2.3.3. Đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dò- DNA đích ............................................ 57
2.4. Kết luận ................................................................................................................... 60
3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HÓA TÍCH HỢP HỆ VI LƯU ... 61
3.1. Mở đầu .................................................................................................................... 61
3.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 62
3.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 62
3.2.2. Hệ ba điện cực tích hợp kết nối với bình phản ứng mini ........................... 62
3.2.3. Tổng hợp dây nano PPy trong vi bin
̀ h phản ứng ........................................ 65
3.2.4. Cố định DNA dò trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 66
3.2.5. Phát hiêṇ tín hiêụ lai hóa DNA sử du ̣ng Lock-in Amplifier ....................... 66
3.3. Kết quả và thảo luâ ̣n .............................................................................................. 66
3.3.1. Kế t quả chế ta ̣o hê ̣vi kênh tích hơ ̣p với điêṇ cực ........................................ 66
3.3.1.1. Kế t quả đo bề dày vi kênh PDMS ............................................................. 67
3.3.1.2. Kế t quả gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực ............................................. 68

3.3.2. Đặc tuyến điện hóa của hệ ba điện cực tích hợp trong vi bin
̀ h phản ứng . 70
3.3.3. Tổ ng hơ ̣p PPy NWs trong vi bin
̀ h phản ứng ............................................... 71
3.3.4. Phát hiện hiện tượng lai hóa DNA ................................................................ 74
3.4. Kết luận ................................................................................................................... 77


4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH ĐIỆN HÓA TÍCH HỢP BÌNH
PHẢN ỨNG MINI ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN VIRUS NEWCASTLE ............. 78
4.1. Mở đầu .................................................................................................................... 78
4.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 80
4.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 80
4.2.2. Thiết kế và chế tạo hệ điện cực tích hợp bình phản ứng mini ................... 81
4.2.3. Cố định kháng thể trên bề mặt cảm biến ..................................................... 82
4.2.4. Phát hiện virus (bất hoạt) sử dụng cảm biến miễn dịch điện hóa .............. 83
4.2.5. Thống kê và xử lý số liệu ............................................................................... 83
4.3. Kết quả và thảo luâ ̣n .............................................................................................. 84
4.3.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay thế
đã chế tạo................................................................................................................... 84
4.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể ........................................................... 87
4.3.3. Đặc trưng tín hiệu tương tác virus - kháng thể ........................................... 91
4.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến miễn dịch ................. 92
4.3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ kháng thể ............................................................ 92
4.3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian bắt cặp kháng thể - virus .................................. 95
4.3.5. Độ nhạy của cảm biến miễn dịch .................................................................. 97
4.4 Kết luận .................................................................................................................. 100
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 101
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 104

MỞ ĐẦU
Hiện nay, các phương pháp phân tích sinh học phân tử truyề n thố ng (PCR, ELISA…)
đang được sử dụng phổ biến, cho kết quả tốt và độ chính xác cao. Dẫu vậy, mọi kỹ thuật
phân tích tiên tiến đều có những điểm còn chưa hoàn thiện [8,47] cần có hoạt động R&D để
nâng cấp hoặc thậm chí thay thế. Các phương pháp trên đều phức tạp, yêu cầu kỹ thuật viên
có tay nghề cao, yêu cầu phòng thí nghiệm hiện đại tại những trung tâm nghiên cứu, phân
tích trung ương hoặc các thành phố lớn, trong quá trình thực hiện cần phải sử dụng các sinh
phẩm và hóa chất đặc hiệu. Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến hàng ngày để thực
hiện và đặc biệt, các thiết bị phân tích, chẩn đoán không thể dịch chuyển ra khỏi nơi lắp đặt
ban đầu [123]. Đây cũng là một trong những điểm tồn tại cần được giải quyết khi thực hiện
các chiến dịch phân tích lưu động. Việc nghiên cứu và phát triển những kỹ thuật phân tích
có khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật phân tích truyền thống là
thực sự cần thiết. Trong số đó cảm biến sinh học là một trong những thiết bị được kỳ vọng
thay thế một phần các kỹ thuật phân tích truyền thống nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong
phát hiện virus gây bệnh, chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường, phân tích độc học trong
thực phẩm…[60,92].
Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry) năm 1999 định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị tích hợp có khả
năng cung cấp thông 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
(transducer). Phần tử nhận biết sinh học có thể là DNA, tế bào, enzyme..., giữ vai trò dò tìm
đối tượng đích trong mẫu phân tích. Mẫu phân tích có thể là mẫu máu, mẫu nước tiểu hay vi
khuẩn, virus... 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 (cảm biến DNA) hoặc
enzym- cơ chất (cảm biến enzym)… Khi diễn ra tương tác sinh học đặc hiệu giữa phần tử
nhận biết sinh học và đối tượng đích, phần tử chuyển đổi giữ vai trò 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. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang,

chuyển đổi nhiệt … Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo nguyên lý điện
hóa có khả năng ứng dụng lớn trong phân tích các đối tượng y sinh vì những ưu điểm nổi
bật như thời gian phân tích nhanh, độ nhạy và độ chọn lọc cao, thiết bị nhỏ gọn, sử dụng đơn
giản, chi phí thấp.
Cảm biến sinh học điện hóa hoạt động dựa trên kết quả khảo sát những thay đổi về đặc
tính điện hóa khi diễn ra tương tác sinh học giữa phần tử dò và phần tử đích trên bề mặt cảm
biến. Tuy nhiên, khi nồng độ phần tử đích rất nhỏ, tương tác sinh học chỉ làm thay đổi một
phần rất nhỏ tín hiệu điện hóa trên bề mặt của màng sinh học (nơi gắn kết phần tử dò). Vì
vậy, để phát triển thành công một bộ cảm biến sinh học điện hóa không những phụ thuộc
vào việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo điện cực, phương pháp biến tính bề mặt điện cực

1


nhằm nâng cao hiệu quả của qui trình cố định phần tử cảm nhận sinh học lên trên bề mặt
điện cực mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng các qui trình đo lường điện hóa nhằm phát
hiện phần tử đích trong mẫu phân tích. Để có thể thực hiện được những nhiệm vụ trên, đòi
hỏi sự kết hợp đa ngành giữa hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu, điện tử và y
sinh...Trong các nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phân tích y sinh,
vấn đề giảm thể tích mẫu phân tích, đồng thời cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu luôn là thách thức
đặt ra cho các nhóm nghiên cứu. Cảm biến sinh học điện hóa được tích hợp với hệ vi lưu
hay một vi bình phản ứng sẽ giúp thu nhỏ hệ thống phân tích. Hơn nữa, cảm biến sinh học
điện hóa tích hợp với bình phản ứng mini còn là bước khởi đầu quan trọng trong mục tiêu
hướng tới chế tạo và phát triển một hệ thống phân tích điện hóa cầm tay, sẽ giúp giải quyết
những nhược điểm của các phương pháp phân tích y sinh truyền thống và giữ vai trò quan
trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụ phân tích lưu động. Đây là vấn đề nghiên cứu còn
mới và đang thu hút được sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu tại Việt Nam.
Vì những lí do trên, chúng tôi quyết định thực hiện luận án: “Nghiên cứu phát triển
cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu”.
Mục tiêu của luận án:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và tích hợp cảm biến sinh học điện hóa và vi
bình phản ứng ứng dụng trong phát hiện các thành phần sinh học, bao gồm: 01) biến tính bề
mặt cảm biến sử dụng vật liệu có cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả cố định các phần tử
cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến; 02) tích hợp hệ điện cực với vi bình phản ứng nhằm
thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêu thụ và 03) phát triển và tùy biến qui trình
đo lường điện hóa sử dụng cảm biến sinh học không đánh dấu nhằm phát hiện các thành
phần sinh học.
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu thực nghiệm. Cách tiếp cận trong quá
trình nghiên cứu là từ các kết quả thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết và các tài liệu tham
khảo, giải thích, so sánh, đánh giá và tối ưu qui trình thực nghiệm.
Nội dung của luận án:
Để giải quyết được mục tiêu của đề tài, luận án tập trung nghiên cứu 3 nội dung:
Nội dung nghiên cứu 1: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa trên cơ sở dây nano
polypyrrole. Trong nội dung nghiên cứu 1, mục tiêu của NCS là làm quen với các kỹ thuật
điện hóa được thực hiện trong một hệ đo mở, các phép đo điện hóa không sử dụng các điện
cực thương mại mà trên cơ sở các điện cực tự thiết kế và phát triển, vật liệu thể mềm cấu
trúc nano (dạng dây) được chế tạo giữ vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt cảm
biến và bộ chuyển đổi, giúp nâng cao hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học lên bề
mặt cảm biến, DNA được lựa chọn làm đối tượng đo nhờ độ bền, độ ổn định cao và dễ đặt
mua. Nội dung nghiên cứu 1 bao gồm: nghiên cứu tổng hợp dây nano polypyrrole trên điện
cực Pt sử dụng kỹ thuật điện hóa nhằm biến tính bề mặt cảm biến; nghiên cứu cố định DNA

2


dò lên bề mặt cảm biến trên cơ sở dây nano polypyrrole; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai
hóa DNA dò – DNA đích của cảm biến DNA điện hóa đã chế tạo.
Nội dung nghiên cứu 2: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu.
Phát triển từ các kết quả đã đạt được trong nội dung nghiên cứu 1 với các phép đo điện hóa

được thực hiện trong hệ đo mở, đối với nội dung nghiên cứu 2, luận án tập trung nghiên cứu
các tính chất điện hóa diễn ra khi thu nhỏ bình điện hóa. Việc thu nhỏ bình phản ứng, giảm
lượng mẫu tiêu thụ có ý nghĩa quan trọng trong phân tích y sinh vì các mẫu phân tích có thể
là mẫu máu, vi khuẩn, virus… Nội dung nghiên cứu 2 bao gồm: nghiên cứu thiết kế, chế tạo
và gắn kết hệ ba điện cực tích hợp Pt và vi kênh PDMS; nghiên cứu tổng hợp điện hóa dây
nano polypyrrole bên trong vi bình phản ứng nhằm cố định DNA trong chế tạo cảm biến
DNA điện hóa tích hợp với hệ vi lưu; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dò – DNA
đích của cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu đã chế tạo với các phép đo điện hóa
được thực hiện trong hệ đóng.
Nội dung nghiên cứu 3: Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình
phản ứng mini ứng dụng trong phát hiện virus Newcastle. Sau khi hoàn thành nội dung
nghiên cứu 2 với các qui trình đo lường điện hóa được thực hiện trong một bình điện hóa
thu nhỏ, trong nội dung nghiên cứu 3 luận án sẽ tiến gần thêm một bước đến ứng dụng thực
tiễn. Các kết quả đạt được của luận án dự kiến sẽ không chỉ dừng lại ở các bài báo khoa học
mà còn có khả năng hướng đến sự hợp tác với các công ty, các nhà sản xuất. Trong nội dung
nghiên cứu 3, thay vì sử dụng DNA làm phần tử dò cho cảm biến với qui trình tách chiết
phức tạp, đòi hỏi chi phí cao và thời gian dài, luận án sẽ sử dụng kháng thể IgY kháng virus
Newcastle chiết xuất trực tiếp từ trứng gà – một sản phẩm đã được bán trên thị trường do
công ty cổ phần công nghệ sinh học thú y BTV (Biotech-Vet) cung cấp, tương lai hướng đến
việc đánh giá chất lượng kháng thể theo đơn đặt hàng. Nội dung nghiên cứu 3 bao gồm:
nghiên cứu thiết kế, chế tạo và ghép nối hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay thế
Ag/AgCl và một bình phản ứng mini; nghiên cứu qui trình cố định kháng thể IgY kháng
virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ trứng gà lên trên bề mặt cảm biến sinh học; nghiên
cứu ứng dụng cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình phản ứng mini đã chế tạo trong
phát hiện virus Newcastle.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Nhận thấy các phương pháp phân tích truyền thống đang được áp dụng rộng rãi, có phổ
kết quả rộng, độ chính xác cao nhưng đồng thời cũng có nhiều bất cập khi triển khai sử dụng
như đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật viên có tay nghề cao, thiết bị và sinh phẩm, hóa chất đắt tiền,
chỉ tập trung ở các cơ sở phân tích tại các thành phố lớn, trung ương..., luận án hướng tới

việc phát triển một kỹ thuật phân tích mới trong đó tập trung vào việc làm tăng độ nhạy, độ
chọn lọc, làm giảm lượng mẫu phân tích và thời gian phân tích.
Luận án tập trung vào phát triển cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thông tin di truyền
(DNA) và kháng thể của vật chủ, sử dụng kỹ thuật đo lường điện hóa. Để phát triển cảm biến
sinh học điện hóa, trước tiên, luận án đã tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo các điện

3


cực khác với điện cực truyền thống. Bề mặt điện cực sau đó được biến tính trên cơ sở lớp
vật liệu trung gian với cấu trúc nano. Trên bề mặt phân cách giữa dung dịch chứa mẫu phân
tích và màng sinh học có cấu trúc nano, các tính chất hóa lý diễn ra có phần khác so với
những tính chất đó ở các điện cực truyền thống. Các kỹ thuật quét thế vòng, thế không đổi,
tổng trở và kỹ thuật đo vi sai đã được triển khai để nghiên cứu các tính chất điện hóa tại đây.
Đối với việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phát hiện các thành phần
sinh học, vấn đề giảm thể tích mẫu phân tích, thu nhỏ hệ thống phân tích có ý nghĩa quan
trọng. Luận án đã tập trung nghiên cứu các kỹ thuật đo lường điện hóa trong một vi bình
phản ứng có thể tích rất nhỏ thay vì thực hiện các phép đo trong hệ mở.
Những đóng góp mới của luận án:
Một trong những đóng góp mới của luận án là đã tổng hợp được vật liệu polime dẫn
polypyrrole (PPy) với cấu trúc dây nano nhằm mục đích biến tính bề mặt cảm biến, nâng cao
hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học. Dây nano PPy được tổng hợp trực tiếp trên
điện cực làm việc (WE), sử dụng kỹ thuật polime hóa điện hóa, khắc phục được tình trạng
vật liệu PPy được tạo thành dưới dạng đảo, có cấu trúc hoa súp lơ. Đặc biệt, việc tổng hợp
thành công vật liệu PPy có cấu trúc nano tại chính xác một vị trí mong muốn bên trong vi
bình phản ứng (thể tích 4 µl) là một thách thức mà cho đến thời điểm hiện tại, rất ít nhóm
nghiên cứu trên thế giới làm được. Hiện nay, số lượng công trình công bố quốc tế liên quan
đến việc tổng hợp cấu trúc nano bên trong hệ tích hợp vẫn còn rất hạn chế.
Bên cạnh đó, việc sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ
trứng gà làm phần tử dò cho cảm biến miễn dịch cũng là một trong những đóng góp mới của

luận án.
Luận án cũng đã góp phần quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và gắn kết bình phản
ứng kích thước nhỏ tích hợp hệ điện cực có khả năng ghép nối với mạch đo, trên cơ sở đó
làm giảm lượng mẫu phân tích, làm tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu khi đo lường. Hiện tại, đây là
vấn đề nghiên cứu còn mới tại Việt Nam.
Thêm một đóng góp mới của luận án, đó là việc phát triển và tùy biến các qui trình đo
lường điện hóa được thực hiện trong một bình điện hóa thu nhỏ sử dụng cảm biến sinh học
không đánh dấu nhằm phát hiện các phần tử sinh học: DNA và virus Newcastle.
Ngoài ra, việc làm chủ công nghệ chế tạo cảm biến điện hóa ba điện cực theo phương
pháp planar với chất lượng tương đương sản phẩm thương mại hiện nay cũng là một trong
những đóng góp thuyết phục của luận án.
Bố cục của luận án:
Luận án được trình bày trong 103 trang (không kể phần mục lục và danh mục các tài liệu
tham khảo). Cấu trúc của luận án gồm:
Mở đầu
1. Tổng quan
2. Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole
3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu

4


4. Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình phản ứng mini ứng
dụng trong phát hiện virus Newcastle
Kết luận
Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 09 công trình khoa học, trong đó
có 02 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc tế ISI, 04 bài báo được đăng trên
tạp chí chuyên ngành trong nước và 03 báo cáo tại các hội nghị trong nước và quốc tế.

5

1. TỔNG QUAN
1.1. Cảm biến sinh học điện hóa
1.1.1. Phân tích điện hóa
Đứng trước nhu cầu rất cao của xã hội, việc phát triển một hệ thống phân tích đáp ứng
được đầy đủ các yêu cầu như thời gian phân tích nhanh, độ chính xác, độ chọn lọc, độ nhạy
cao, thiết bị đơn giản, chi phí thấp là hết sức cần thiết. Các phương pháp phân tích truyền
thống như phân tích thể tích, phân tích khối lượng sử dụng thiết bị đơn giản, có sẵn ở các
phòng thí nghiệm, chi phí phân tích hợp lý nhưng hạn chế của các phương pháp trên là chỉ
áp dụng được với hàm lượng mẫu lớn, thời gian phân tích kéo dài, độ nhạy, độ chọn lọc
không cao, nhiều yếu tố gây nhiễu, sai số [3]. Một bước tiến quan trọng của các phương
pháp phân tích hiện đại như phương pháp quang phổ [4], phương pháp sắc kí [3], phương
pháp phân tích điện hóa (độ dẫn điện, điện thế, cực phổ, điện lượng, vol ampe…) [11] là cho
phép phân tích những lượng mẫu nhỏ với độ nhạy, độ lặp, độ chọn lọc, độ chính xác, độ tin
cậy cao và thời gian phân tích nhanh [3].
Trong các phương pháp phân tích hiện đại, phân tích điện hóa luôn là đề tài hấp dẫn các
nhà khoa học trong nhiều thập kỷ liên tiếp. Phương pháp phân tích điện hóa đã được hình
thành từ thế kỉ 19 và cho đến nay vẫn không ngừng phát triển và hoàn thiện. Ưu điểm lớn
của phương pháp là ở chỗ khi hệ đo chịu tác động điện (dòng, thế) thì đáp ứng nhận được
cũng là tín hiệu điện. Đặc điểm nổi bật của phương pháp phân tích điện hóa là độ nhạy và
độ chọn lọc cao, không đòi hỏi thể tích dung dịch lớn (nhỏ hơn 1 ml) [11]. Thành công của
kỹ thuật điện hóa được thể hiện trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, thực phẩm, dược
phẩm, y học, quốc phòng, khoa học vật liệu, hàng không, môi trường [28,127,130]…Đà tăng
trưởng trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu và phát triển các sản phẩm ứng dụng cho phân
tích điện hóa đã phản ánh sự quan tâm sâu sắc của các trung tâm nghiên cứu khoa học hàng
đầu, các tập đoàn công nghệ quốc tế.

(a)
(b)

Hình 1.1: a) Thống kê công bố khoa học sử dụng kỹ thuật “phân tích điện hóa”; (b)
Thống kê công bố theo thời gian. Nguồn www.sciendirect.com
Thống kê trên hệ thống sciencedirect.com, hệ thống công bố khoa học lớn nhất hiện nay,
với từ khóa “Electrochemical Analysis” (phân tích điện hóa) trong giai đoạn 2010-2016,

6


chúng ta thu được 100.859 công trình công bố trên các tạp chí, 5.308 đầu sách và 1242 sách
tham khảo, hình 1.1 (a). Theo thời gian, số lượng và chất lượng công trình công bố tăng rất
nhanh, hình 1.1 (b). Tìm hiểu trong thời gian từ 2010 đến tháng 3/2016 tác giả nhận thấy có
sự gia tăng liên tục về số công bố bao gồm tạp chí, sách và sách tham khảo, trong đó có gần
10.000 bài báo trên hệ thống ISI công bố kết quả nghiên cứu kỹ thuật điện hóa dành cho y
sinh. Đồng thời số sách xuất bản đạt xấp xỉ 1000 cùng với trên 300 sách tham khảo cho riêng
phân tích điện hóa trong y sinh, hình 1.2.

(a)
(b)
Hình 1.2: Thống kê công trình công bố về “phân tích điện hóa ứng dụng trong y sinh” từ
năm 2010 trở lại đây. Nguồn www.sciencedirect.com
Trải qua gần một thế kỷ nghiên cứu và phát triển, phân tích điện hóa đã có rất nhiều cải
tiến. Tuy nhiên, kỹ thuật phân tích điện hóa giờ đây vẫn cần sự hoàn thiện và điều chỉnh cho
phù hợp với sự phát triển của khoa học, công nghệ, đặc biệt là công nghệ nano nơi mà kích
thước vật liệu, điều kiện biên của bài toán điện hóa thay đổi. Nghiên cứu và phát triển kỹ
thuật phân tích điện hóa cần được thực hiện ở khâu tối ưu hóa phần mềm, tính toán, thu thập
và xử lý số liệu; phát triển phần cứng: xử lý nhanh hơn, mạnh hơn, tích hợp công nghệ truyền
tải dữ liệu; chế tạo đầu đo tích hợp cho phép thu được nhiều thông số; thu nhỏ thể tích mẫu
đo; chế tạo hệ thống điện hóa cầm tay.
1.1.2. Cảm biến sinh học điện hóa
1.1.2.1 Nhu cầu phát triển cảm biến sinh học

Hiện nay, các phương pháp phân tích sinh học phân tử truyề n thố ng (PCR, ELISA…)
đang được sử dụng phổ biến, cho kết quả tốt và độ chính xác cao, tuy nhiên bên cạnh những
ưu điểm cũng thể hiện những nhược điểm [8,40]. Các phương pháp trên đều phức tạp, yêu
cầu kỹ thuật viên có tay nghề cao, yêu cầu phòng thí nghiệm hiện đại tại những trung tâm
nghiên cứu, phân tích trung ương hoặc các thành phố lớn, trong quá trình thực hiện cần phải
sử dụng các sinh phẩm và hóa chất đặc hiệu. Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến
hàng ngày để thực hiện và đặc biệt, các thiết bị phân tích, chẩn đoán không thể dịch chuyển
ra khỏi nơi lắp đặt ban đầu [123]. Đây cũng là một trong những điểm tồn tại cần được giải
quyết khi thực hiện các chiến dịch phân tích lưu động. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển
những kỹ thuật phân tích có khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật
phân tích truyền thống là thực sự cần thiết. Cảm biến sinh học là một trong những thiết bị

7


được kỳ vọng có khả năng thay thế một phần các kỹ thuật phân tích truyền thống nhờ những
ưu điểm vượt trội như thời gian phân tích nhanh, độ nhạy tương đối cao, quy trình đơn giản,
chi phí thấp [22,24,91]. Trong thời gian gần đây, cảm biến sinh học đã và đang thu hút được
sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học vì khả năng ứng dụng trong phát hiện virus
gây bệnh, chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường, phân tích độc học trong thực phẩm…
1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa
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 thông 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 nguyênkháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa 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 trò
dò tìm đối tượng đích trong mẫu phân tích và phần tử chuyển đổi giữ vai trò 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 1.3.

Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
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. 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 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

8


sự tương tác giữa đầu thu sinh học và chất cần phân tích như đo dòng, đo thế, đo độ dẫn và
đo phổ tổng trở…[54].
1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa trong và ngoài nước
Cảm biến sinh học điện hóa đang là hướng nghiên cứu ưu tiên của nhiều trung tâm nghiên
cứu khoa học trong và ngoài nước. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ
nano và các loại vật liệu mới, khả năng chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa đáp
ứng nhu cầu của xã hội đang trở nên hiện thực hơn.
Bảng 1.1 trình bày một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa trên thế
giới. Theo đó, đối tượng phát hiện của cảm biến sinh học điện hóa khá phong phú, có thể là
DNA, vi khuẩn, virus, kháng nguyên, kháng thể… Khả năng của cảm biến thể hiện ở giới
hạn phát hiện và thời gian đáp ứng (thời gian đáp ứng có thể thay đổi ở các công bố khác
nhau nhưng đều chưa đến 1 giờ). So với các phương pháp phân tích truyề n thố ng (PCR,
ELISA…), rõ ràng, thời gian phân tích nhanh hơn khi sử dụng cảm biến sinh học là một lợi

thế.

Bảng 1.1: Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa trên thế giới

ĐỐI TƯỢNG
PHÁT HIỆN

KHẢ NĂNG PHÁT
HIỆN
KỸ THUẬT
PHÁT HIỆN

BIẾN TÍNH BỀ MẶT
CẢM BIẾN

EIS
Bidirectional
Stripping
Voltammetry
Chronoamperometry

GIỚI HẠN
PHÁT HIỆN

THỜI
GIAN
ĐÁP
ỨNG

THAM

KHẢO

Hyaluronic Acid (HA)

7 cfu/mL

-

[32]

Envision/CdS,
Envision/PbS,
Envision/Au nanolabels

0,02
pg/mL-0,3
pg/mL

-

[43]

TMB–H2O2–IgG–HRP

20 cfu/mL

10
phút

[46]

Amperometric

Watersoluble graphene
sheet (WGS)/prussian
blue-chitosan (PBCTS)/nanoporous gold
(NPG) composited film

6,31 pg/mL

-

[29]

EIS
CV

Coiled-coil peptide
(CCP)

1 pg/ml

20
phút

[112]

EIS

Protein A

2,1 pg/mL

-

[125]

Anti-IgG

EIS

Au-PEA-GA

1 μg/ml

40
phút

[98]

Virus H5N1
(bất hoạt)

EIS

Protein A

103
EID50/ml

2 giờ

[106]

E.Coli
O157:H7
AFP
Salmonella

Kanamycin
Virus cúm ở
người
hemagglutinin
Antihemagglutinin
kháng thể

9


Khoảng hơn mười năm trở lại đây, Việt Nam mới tiếp cận công nghệ cảm biến sinh học
nhưng đã đạt được những tiến bộ đáng ghi nhận, bảng 1.2. Đầu tiên là nhóm nghiên cứu cảm
biến sinh học của Đại học Bách khoa Hà Nội với những bộ cảm biến để phát hiện dư lượng
thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và kim loại nặng trong môi trường [119,120]. Các chíp sinh học
này chủ yếu dựa trên các loại điện cực răng lược, được chức năng hóa bề mặt bằng các loại
men (enzyme) có khả năng xúc tác cho các phản ứng thủy phân. Trong môi trường có dư
lượng thuốc trừ sâu hoặc thuốc diệt cỏ, hoạt tính xúc tác của men sẽ bị suy giảm và sự suy
giảm này tỷ lệ với nồng độ của chất gây ô nhiễm. Với sự phối hợp với Viện Vệ sinh Dịch tễ
Trung ương, các nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã phát triển một số chip
sinh học phát hiện vật liệu di truyền của virus cúm A [93,95], virus Herpes [94]. Những công
trình nghiên cứu này được đánh giá cao thông qua số lượng trích dẫn trên các công trình

công bố quốc tế. Cảm biến dùng trong các công trình này là các điện cực răng lược với kích
thước giới hạn phụ thuộc vào khả năng của thiết bị khắc quang có sẵn tại Việt Nam và sử
dụng các kỹ thuật đo Lock-in từ Standford Research (USA). Tại Đại học Bách khoa Hà Nội
đã có bốn luận án tiến sĩ được thực hiện liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học trên cơ sở
điện cực, DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể và ISFET, DNA ứng dụng phát hiện nhanh
virus gây bệnh [1,7,10,12].

Bảng 1.2: Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa tại Việt Nam
KHẢ NĂNG PHÁT
HIỆN

LOẠI
CẢM BIẾN

ĐỐI TƯỢNG
PHÁT HIỆN

BIẾN TÍNH BỀ MẶT
CẢM BIẾN

DNA điện
hóa

Virus cúm A

3-aminopropyltriethoxy-silance
(APTS)

0,5 nM

DNA điện
hóa

Virus Herpes

Màng PPy

2 nM

Miễn dịch
điện hóa

Kháng nguyên
JEV (Japanese
encephalitis virus)

APTES-GA-PrA

N/A

5-20 phút

[12]

Ecoli O157: H7

MWCNTs

1 nM

10 phút

[7]

Kháng nguyên
JEV

Dây nano polyaniline

10 ng/ml

N/A

[1]

Glucose

Dây nano Pt

2 mM

N/A

[39]

DNA điện
hóa
Miễn dịch
điện hóa
Enzyme

điện hóa

GIỚI HẠN THỜI GIAN
PHÁT HIỆN ĐÁP ỨNG

THAM
KHẢO

< 4 phút

[93]

N/A

[94]

Miễn dịch
điện hóa

Virus HPV
(Human
papilloma virus)

Polyaniline/MWCNTs 490 pM

N/A

[76]

Enzyme

điện hóa

Cholesterol

Polyaniline/MWCNTs 0,02 mM

N/A

[78]

10


Bên cạnh nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, việc chế tạo cảm biến sinh
học ứng dụng trong y sinh cũng thu hút được sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu tại các
Trung tâm nghiên cứu hàng đầu trong cả nước: nhóm cảm biến sinh học của phòng thí
nghiệm nano, Trường Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh với cảm biến sinh học để
phát hiện nồng độ glucozơ và axit uric trong máu [39]; nhóm nghiên cứu nano y sinh của
Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học Việt Nam với các cảm biến ezyme xác định nhanh
cholesterol trong huyết thanh [78] và cảm biễn miễn dịch xác định sớm ung thư cổ tử cung
[76], HIV [75], độc chất aflatoxin trong sản phẩm sữa [23]; Trung tâm Khoa học Vật liệu,
Trường Đại học Tự nhiên cùng với các nhóm nghiên cứu về điện tử y sinh tại Trường Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng đã thực hiện các nội dung nghiên cứu liên
quan tới lĩnh vực cảm biến sinh học.
1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa
Trên cơ sở tổng quan tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa trên thế giới và
tại Việt Nam, tác giả nhận thấy, đối với việc tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa,
các vấn đề được đặt ra có thể là:
Lựa chọn, thiết kế và chế tạo hệ điện cực cho cảm biến sinh học điện hóa có ý nghĩa
quyết định tới độ nhạy, chi phí của phép phân tích và khả năng tương thích với các quy trình

cố định. Các điện cực được sử dụng cho phát triển cảm biến sinh học điện hóa thường là các
kim loại quý như Pt [19], vàng [103,111,115] và một vài dạng của cacbon bao gồm sợi
cacbon [41], graphit epoxi [16,114], graphene [72] hoặc cacbon thủy tinh [142]…Việc lựa
chọn, thiết kế và chế tạo điện cực phụ thuộc vào năng lực của đội ngũ nghiên cứu và điều
kiện cơ sở vật chất kỹ thuật của phòng sạch.
Vấn đề thứ hai được quan tâm nghiên cứu là nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình cố định
phần tử cảm nhận sinh học (DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể…) trên bề mặt của cảm
biến. Để nâng cao hiệu quả cố định phần tử cảm nhận sinh học, bề mặt cảm biến cần được
biến tính nhằm tạo ra những nhóm chức có khả năng hình thành các liên kết cộng hóa trị,
liên kết hyđrô, hoặc các liên kết yếu Van der Waals [57,75,121,137]... Có nhiều phương
pháp để biến tính bề mặt cảm biến, một trong những phương pháp đó là sử dụng vật liệu
polime dẫn. Trong các vật liệu polime dẫn, PPy thường được lựa chọn làm lớp vật liệu trung
gian giữa bề mặt cảm biến và bộ chuyển đổi vì polime dẫn PPy đáp ứng được những yêu cầu
sau: 1) bám dính tốt với bề mặt bộ chuyển đổi; 2) có độ tương thích sinh học cao, không làm
thay đổi cấu trúc và biến tính các phần tử cảm nhận sinh học; và 3) có khả năng truyền tải
thông tin tốt từ tương tác sinh học xuống bộ chuyển đổi.
Vấn đề thứ ba cũng đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới
là nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ vi lưu, vi bình phản ứng với cảm biến sinh học
điện hóa nhằm thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêu thụ, đồng thời nâng cao tỉ
lệ tín hiệu/nhiễu của phép đo. Sự kết hợp giữa cảm biến sinh học điện hóa và hệ vi lưu được
coi là một bước đệm để tiến tới chế tạo các bộ vi phân tích điện hóa cầm tay, giữ vai trò quan

11


trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụ phân tích lưu động. Tuy nhiên, hiện tại, vấn đề này
còn tương đối mới tại Việt Nam.
Vấn đề thứ tư được tập trung hướng đến là nghiên cứu xây dựng qui trình đo lường điện
hóa nhằm phát hiện các thành phần sinh học (phần tử đích) trong mẫu phân tích, trên cơ sở
đó phát triển các thiết bị điện hóa phù hợp phục vụ cho việc đo lường, phân tích điện hóa sử

dụng cảm biến sinh học.
Để giải quyết được những vấn đề nêu trên, đòi hỏi yếu tố liên ngành ở các nhóm nghiên
cứu : hóa học, vật lý, điện tử, sinh học, khoa học vật liệu... Trên thế giới, những nhóm nghiên
cứu liên ngành đang là xu hướng được ưu tiên trong nghiên cứu, phát triển và chế tạo hệ đo
điện hóa sử dụng cảm biến miễn dịch hoặc cảm biến DNA [70,144,143].

1.2. Biến tính bề mặt cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu
polime dẫn polypyrrole
1.2.1. Vật liệu polime dẫn polypyrrole ứng dụng trong chế tạo cảm biến DNA
điện hóa
Cảm biến DNA điện hóa hoạt động dựa trên kết quả khảo sát những thay đổi về đặc tính
điện hóa khi xuất hiện sự lai hóa đặc hiệu giữa các chuỗi DNA dò và DNA đích. Khi nồng
độ chuỗi DNA rất nhỏ, tương tác giữa hai chuỗi DNA chỉ làm thay đổi một phần rất nhỏ tín
hiệu điện hóa trên bề mặt của màng sinh học (nơi gắn kết DNA dò), vì vậy hiệu quả truyền
tải thông tin điện hóa từ bề mặt cảm biến đến bộ chuyển đổi quyết định độ nhạy của cảm
biến DNA. Trong đó, kỹ thuật cố định DNA dò lên trên bề mặt cảm biến là một yếu tố quan
trọng góp phần cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu. Hiện tại chưa có kỹ thuật ổn định để cố định
trực tiếp chuỗi DNA dò lên trên bề mặt của điện cực kim loại. Nói cách khác, người ta thường
phải biến tính bề mặt điện cực bằng cách sử dụng một lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt
cảm biến và chuỗi DNA. Lớp vật liệu trung gian này cần đáp ứng những yêu cầu sau: 1) bám
dính tốt với cả bề mặt bộ chuyển đổi và sợi DNA; 2) có độ tương thích sinh học, không làm
thay đổi cấu trúc và biến tính sợi DNA; và 3) làm tăng hiệu quả quá trình truyền tải thông
tin từ tương tác sinh học xuống bộ chuyển đổi. Trong các công trình đã công bố của Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, một số kỹ thuật cố định sợi DNA lên trên bề mặt cảm biến sau
khi thực hiện quá trình chức năng hóa bề mặt [88,89] đã góp phần cải thiện rất nhiều độ nhạy
của cảm biến sinh học. Tuy nhiên, những kết quả này vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu để
đơn giản hóa quy trình cố định, cải thiện tính năng của cảm biến.
Vật liệu polime dẫn, như polypyrrole (PPy), polythiophene và polyanilin thường được
lựa chọn trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa [81,85], với vai trò làm lớp vật liệu trung
gian giữa cảm biến và bộ chuyển đổi vì vật liệu polime dẫn này đáp ứng đủ ba yêu cầu kể

trên, do đó góp phần làm tăng độ nhạy, độ chính xác, độ ổn định của cảm biến sinh học [86].
Trong các vật liệu polime dẫn, PPy được nhận định là thích hợp ứng dụng trong cảm biến
sinh học điện hóa nhờ khả năng tạo ra cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, khả năng tạo
liên kết tốt với đối tượng sinh học, khả năng biến tính để điều khiển độ dẫn [55], do đó góp

12


phần cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định của cảm biến sinh học. Đối
với việc phát hiện các phần tử sinh học tại môi trường pH tự nhiên của cơ thể động vật, PPy
có ưu điểm hơn so với polythiophene và polyaniline do vật liệu này được tổng hợp từ
monome tại môi trường pH trung tính [18]. Bên cạnh đó, PPy cũng thể hiện những đặc tính
như độ bền cao, dễ tổng hợp và độ dẫn tốt [68,102].
1.2.2. Tổng hợp vật liệu polime dẫn polypyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa
Năm 1916, PPy lần đầu tiên được tổng hợp bởi sự oxi hóa pyrrole bằng H2O2, cho sản
phẩm dạng bột vô định hình gọi là “pyrrole đen”, sản phẩm này không tan trong nước và các
dung môi hữu cơ. Pyrrole đen có thể được điều chế với sự có mặt của nhiều tác nhân oxi hóa
khác nhau như hiđro peoxit trong dung môi axit axetic, chì đioxit, sắt (III) clorua, bạc nitrat,
(NH4)2S2O8 trong dung dịch axit HCl 0,1 M, quinolin hay ô-zôn [26,51,59,82,83,135]. Các
phương pháp điều chế hóa học sử dụng tác nhân oxi hóa là axit hay peoxit chủ yếu cho ra sản
phẩm là các vật liệu cách điện ở nhiệt độ phòng (có độ dẫn điện khoảng 10-10 - 10-11 S/cm). Khi
sử dụng tác nhân oxi hóa là các muối của ion kim loại chuyển tiếp có tính oxi hóa như FeCl3,
Fe(NO3)3, Fe(ClO4)3, Fe2(SO4)3, CuCl2… PPy thu được có độ dẫn điện khoảng 10-5 - 200
S/cm.
n

+ 2n FeCl3

+ 2nFeCl2

N
H

N
H

+ 2nHCl

n

Phương pháp hoá học dùng để tổng hợp PPy có ưu điểm là đơn giản, phản ứng cho hiệu suất
cao. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là có rất ít chất oxi hoá vừa có khả năng oxi hóa
monome, vừa có khả năng đóng vai trò là chất pha tạp thích hợp. Polime thu được bằng phương
pháp tổng hợp này thường dưới dạng bột và có độ dẫn điện không cao [51,59,83].
Đối với nghiên cứu chế tạo cảm biến, chíp sinh học trên cơ sở vật liệu polime dẫn, tổng
hợp điện hóa được đánh giá là phương pháp hiệu quả trong chế tạo cảm biến thông qua việc
vật liệu polime dẫn được tổng hợp trực tiếp lên trên bề mặt của điện cực [36]. Phương pháp
điện hóa cho phép điều khiển được tốc độ phản ứng, có khả năng tạo sản phẩm là các sợi
nano polime dẫn với kích thước đồng đều, và được cho là sẽ dễ dàng hơn trong cố định thành
phần sinh học và khâu tính toán, xử lý số liệu so với khi sử dụng vật liệu polime dạng bột
hay màng mỏng. Tổng hợp vật liệu polime dẫn bằng phương pháp điện hóa cho phép phát
triển những cảm biến sinh học nhỏ gọn, độ đồng nhất cao, với các tính năng như độ nhạy,
độ đáp ứng, độ lặp lại...vượt trội so với với các cảm biến sử dụng loại polime khối truyền
thống hay màng mỏng thông thường. Trong khuôn khổ luận án này, tác giả tập trung bàn
luận về lý thuyết cơ bản và một số kỹ thuật điện hóa trong tổng hợp vật liệu polime dẫn cấu
trúc dây nano, phục vụ nghiên cứu và phát triển cảm biến y sinh.
1.2.2.1. Cơ chế của quá trình polime hóa pyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa
Quá trình polime hóa pyrrole tuân theo cơ chế sau [146]:
Sự oxi hóa monome, hình thành cation gốc:

13


Cation gốc cặp đôi với một cation gốc khác cho ra một đi-cation. Đi-cation này trải qua
phản ứng đề proton hóa (loại bỏ H+) để cho ra một đi-me trung hòa:

Đime trung hòa này bị oxi hóa thành một cation gốc, sau đó cặp đôi với các cation gốc
khác dẫn đến sự phát triển mạch:

1.2.2.2. Một số kỹ thuật điện hóa được sử dụng để tổng hợp polime dẫn
Kỹ thuật điện hóa thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu polime dẫn có thể là kỹ
thuật quét thế vòng, phân cực dòng tĩnh và phân cực thế tĩnh.
a. Kỹ thuật quét thế vòng (CV - Cyclic Voltammetry)
Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật CV là đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn vào điện cực
làm việc (working electrode) và đo sự biến đổi (mật độ) dòng điện tương ứng. Điện thế đặt
vào điện cực làm việc được so sánh với một điện cực chuẩn (reference electrode), phụ thuộc
vào điện thế E1 (initial potential), điện thế E2 (final potential) và vận tốc quét v (V/s). Điện
thế phân cực được quét tuyến tính theo thời gian một cách tuần hoàn từ E 1 đến E2 và quay
lại với vận tốc quét không đổi. Dòng điện hồi đáp I được ghi lại, từ điện thế quét và dòng
điện thu được có thể xây dựng đồ thị I - E.
Khi sử dụng kỹ thuật CV để tổng hợp vật liệu, đặc điểm, hình dáng của đường cong CV
cũng như sự thay đổi của nó khi có những biến đổi của các thông số nhiệt động học liên
quan: tốc độ quét, nồng độ chất điện li, pH dung dịch … cho phép thu được nhiều thông số
hữu ích về quá trình hình thành của vật liệu, quá trình oxi hóa khử, các chất trung gian và
các phản ứng phụ được tạo thành trong quá trình tổng hợp điện hóa. Kỹ thuật CV còn được
sử dụng để nghiên cứu tính chất điện hóa cũng như động học và cơ chế phản ứng của chất
nghiên cứu trên điện cực khác nhau.
b. Kỹ thuật phân cực dòng tĩnh (kỹ thuật áp dòng; GS - Galvanostatic)

14

Dòng điện không đổi được áp lên hệ phản ứng, điện thế phân cực E được đo theo thời
gian và thiết lập đồ thị E - t. Ưu điểm của phương pháp phân cực dòng tĩnh là có thể ấn
định giá trị điện lượng Q sử dụng trong quá trình tổng hợp polime. Trong báo cáo của
Dongtao Ge và cộng sự [38], dây nano PPy đã được tổng hợp trên điện cực Ni và điện cực
ITO sử dụng kỹ thuật điện hóa phân cực dòng tĩnh. Mật độ dòng điện không đổi được áp
lên hệ phản ứng là 1,5 mA.cm −2 và thời gian phản ứng là 150 giây. Dung dịch điện ly gồm
pyrrole 0,15 M, gelatin 0,02 wt%, PBS (phosphate buffer solution) (pH = 6,86) và LiClO4
0,07 M.
Bên cạnh những điểm mạnh của kỹ thuật GS, các nghiên cứu cũng cho thấy việc khống
chế các quá trình điện hóa diễn ra trong hệ là không dễ dàng. Bên cạnh phản ứng chính tạo
thành polime trên điện cực, rất có thể còn diễn ra các quá trình phụ không mong muốn. Để
khắc phục nhược điểm này, người ta có thể sử dụng kỹ thuật phân cực thế tĩnh.
c. Kỹ thuật phân cực thế tĩnh (Kỹ thuật áp thế; PS - Potentiostatic)
Áp điện thế không đổi lên hệ phản ứng và đo dòng phản hồi I theo thời gian, từ những
dữ kiện thu được, xây dựng đồ thị I - t. Ưu điểm của phương pháp phân cực thế tĩnh là có
thể lựa chọn và giữ không đổi một giá trị điện thế thuận lợi nhất cho quá trình oxi hóa
monome để tạo thành polime. Trong kỹ thuật này, chúng ta cần lựa chọn giá trị điện thế phù
hợp cho quá trình tổng hợp polime dẫn thông qua việc khảo sát đường cong CV của quá
trình tổng hợp polime dẫn để tìm ra giá trị điện thế tương ứng với pic oxi hóa monome. Bên
cạnh giá trị điện thế đặt vào, nồng độ monome, hàm lượng chất pha tạp và thời gian tiến
hành phản ứng cũng đồng thời là những yếu tố quyết định đến tính chất của vật liệu polime
dẫn được tổng hợp.

Hình 1.4: Đường chronoamperometric của quá trình tổng hợp dây nano PPy trên điện cực
Ni (−) và điện cực ITO (---) [38]
Dongtao Ge và cộng sự [38] đã tổng hợp dây nano PPy trực tiếp trên điện cực Ni và điện
cực ITO sử dụng kỹ thuật điện hóa phân cực thế tĩnh, hình 1.4. Giá trị điện thế đặt vào là
0,75 V và thời gian phản ứng là 200 giây. Dung dịch điện ly gồm pyrrole 0,15 M, gelatin

0,02 wt%, PBS (phosphate buffer solution) (pH = 6,86) và LiClO4 0,07 M. Kết quả cho thấy,
dây nano PPy được hình thành trên cả điện cực Ni và ITO.

15


1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình polime hóa điện hóa pyrrole
a. Điện cực
Trong kỹ thuật điện hóa, các chất điện ly được vận chuyển tới bề mặt điện cực và tại đó
diễn ra các quá trình oxi hóa/khử, và sản phẩm phản ứng lại được vận chuyển ngược trở lại
dung dịch điện ly. Để đảm bảo độ trung thực của tín hiệu khi thu thập và xử lý trong quá
trình điện hóa, các điện cực được sử dụng phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật như sau:
01) Trơ về mặt hóa học: mọi quá trình oxi hóa/khử của các chất điện ly đều diễn ra tại đây,
do đó vật liệu làm điện cực phải được lựa chọn đảm bảo không tham gia vào quá trình dẫn
tới thay đổi tín hiệu của hệ thống. Thêm vào đó, vật liệu làm điện cực cũng phải đảm bảo
bền trong cả dung dịch điện ly có môi trường axit, hoặc bazơ; 02) Tương thích sinh học:
khác với những cảm biến được ứng dụng trong nghiên cứu môi trường, ngoài yêu cầu trơ
hóa học, điện cực dành cho các ứng dụng y sinh cần phải tương thích sinh học, nghĩa là điện
cực cần được thiết kế và chế tạo sao cho không làm ảnh hưởng hay biến tính các thành phần
sinh học gắn trên đó và; 03) Phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong khâu thu thập và xử lý
tín hiệu.
Chúng ta có thể sử dụng một hệ hai điện cực bao gồm điện cực làm việc (Working
Electrode - WE) và điện cực đối (Counter Electrode - CE) hoặc một hệ ba điện cực bao gồm
điện cực làm việc (WE), điện cực đối (CE), và điện cực so sánh (Reference Electrode - RE).
Vật liệu được dùng để chế tạo điện cực có thể là các kim loại quý (Au, Pt, ...), bán dẫn hoặc
phi kim (Si). Điện cực Calomen và điện cực Ag/AgCl thường được sử dụng làm điện cực so
sánh.
b. Mật độ dòng điện và điện thế
Để tổng hợp PPy, người ta có thể sử dụng phương pháp áp dòng hoặc phương pháp áp
thế. Giá trị thế hoặc dòng áp đặt ảnh hưởng đến quá trình polime hóa, cấu trúc và các đặc

tính của polime. Nếu sử dụng phương pháp áp dòng, dòng điện áp đặt thường có mật độ từ
1 đến 70 mA.cm-2. Khi áp dòng có mật độ nhỏ thì PPy tạo ra thường có độ đồng nhất cao
hơn khi áp dòng có mật độ lớn. Tuy nhiên, tốc độ mọc dây chậm hơn. Nếu sử dụng phương
pháp áp thế, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, đối với quá trình tổng hợp PPy trong dung môi
nước điện thế áp đặt nên được lựa chọn trong khoảng từ 0,7 đến 1 V để đảm bảo về tốc độ
polime hóa, độ dẫn điện và các đặc tính vật lý, hóa học của polime được tổng hợp
[38,42,56]. Khi giá trị thế áp đặt lớn hơn 1,1 V, cấu trúc liên kết π liên hợp của polime tổng
hợp được có thể bị phá hủy một phần do hiện tượng quá oxy hóa [124,138] dẫn đến làm
giảm độ dẫn điện của polime. Tuy nhiên, khi giá trị thế áp đặt nhỏ hơn 0,6 V, hiệu quả của
quá trình polime hóa sẽ giảm.
c. Tạp chất doping
Tạp chất doping có mặt trong dung dịch khi tổng hợp polime có thể sẽ trở thành nguồn
pha tạp trong sản phẩm polime và ảnh hưởng đến cấu trúc, đặc tính điện hóa của polime dẫn
được hình thành. Nếu nguồn pha tạp là tác nhân oxi hóa (chất nhận điện tử - doping acceptor)
thì polime dẫn được tổng hợp là bán dẫn loại p, ngược lại, nếu nguồn pha tạp là tác nhân khử

16


(chất cho điện tử - doping donor) thì polime dẫn được tổng hợp là bán dẫn loại n. Vì vậy
việc lựa chọn dung dịch chất điện li là một yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp polime
dẫn sử dụng phương pháp điện hóa.
Bên cạnh những yếu tố trên, thời gian phản ứng, nồng độ monome pyrrole, pH của dung
dịch điện ly cũng đồng thời ảnh hưởng đến khả năng polime hóa và cấu trúc của sản phẩm
polime được hình thành trên bề mặt điện cực.
1.2.2.4. Quá trình doping polypyrrole
Thuyết vùng năng lượng có thể giải thích tính dẫn điện của các vật liệu nói chung và
các polime dẫn nói riêng [9]. Thuyết vùng dựa trên cơ sở của phương pháp MO-LCAO
(Molecular Orbitals - Linear Combination of Atomic Orbitals). Các MO được tạo thành
bằng sự tổ hợp tuyến tính các AO theo nguyên tắc: 2 AO khi tổ hợp sẽ cho 2 MO (1 MO

phản liên kết có năng lượng cao hơn và 1 MO liên kết có năng lượng thấp hơn so với năng
lượng của các AO ban đầu). Như vậy, khi có sự tổ hợp của n AO sẽ tạo ra n MO và số AO
tham gia tổ hợp càng lớn sẽ tạo thành số MO càng lớn. Trong chất rắn, các nguyên tử nằm
rất gần nhau, số nguyên tử trong một đơn vị thể tích rất lớn, trong 1 cm3 chất rắn có chứa
khoảng 1022 nguyên tử, do đó, số AO tham gia tổ hợp rất lớn tạo thành một số rất lớn các
MO. Các MO được sắp xếp rất gần nhau, các mức năng lượng rất gần nhau tạo thành các
“vùng năng lượng”. Vùng có năng lượng thấp được gọi là vùng hóa trị và vùng có năng
lượng cao được gọi là vùng dẫn. Vùng nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị gọi là vùng cấm.
Sự điền điện tử vào các MO trong vùng năng lượng theo chiều năng lượng tăng dần và mỗi
MO được chiếm tối đa bởi 2 điện tử có spin đối song. Giá trị E cho biết khả năng di
chuyển của các điện tử trong chất rắn từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và điều này sẽ quyết
định tính dẫn điện của vật liệu. Những vật liệu có E > 3 eV như kim cương, polyethylene…
là những vật liệu cách điện do khi được đặt trong điện trường, điện tử không thể chuyển từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn để tham gia vào quá trình dẫn điện. Những vật liệu với E < 0,1
eV có khả năng dẫn điện, khi được đặt trong điện trường điện tử dễ dàng chuyển từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Những vật liệu có E từ 0,1 - 3 eV
là những vật liệu bán dẫn [6].
Khả năng dẫn điện của polime được giải thích do đặc điểm thứ nhất của polime dẫn là
có hệ liên kết π liên hợp nằm dọc theo chuỗi polime (conjugation bond), - C = C – C = C -,
đây là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C; và do đặc điểm thứ hai của polime
dẫn là sự hiện diện của chất pha tạp [17]. Các polime thuần, chỉ được tạo bởi các monome
thuần túy, thường có năng lượng vùng cấm cao, ví dụ polyacetylen, PPy, polyaniline,
polythiophene… có ΔE = 1,4 -3,6 eV do đó chúng được xếp vào các vật liệu bán dẫn hoặc
vật liệu cách điện. Độ dẫn của chúng có thể được cải thiện, làm giảm E, nhờ việc pha tạp
các đơn chất hoặc hợp chất trong quá trình tổng hợp.
Vật liệu polime dẫn đầu tiên được tổng hợp là polyacetylen (PA) pha tạp I2. Quá trình
pha tạp đã làm tăng độ dẫn điện của PA từ 10-5 lên 103 S/cm [14]:

17

𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 − [𝐶𝐻]𝑥 + 1.5𝑥𝑦𝐼2 → [𝐶𝐻+𝑦 (𝐼3 )−
𝑦 ]𝑥 (𝑦 ≤ 0.07)
I2 khi tiếp xúc với PA sẽ nhận một điện tử trong hai điện tử của liên kết π từ PA trở thành
anion I3-, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương (+1) và một điện tử π còn lại trên mạch
PA (được ký hiệu là một dấu chấm (•)). Cặp lỗ trống và điện tử (+ •) xuất hiện trên mạch PA
được gọi là polaron. Khi hai polaron gần nhau (+ •) (+ •), hai điện tử (• •) ghép đôi trở thành
liên kết π, còn lại cặp điện tích dương (+ +) được gọi là bipolaron. Tương tự như điện tử tự
do trong kim loại, khi có một điện thế áp đặt vào thì polaron hay bipolaron sẽ chuyển động.
Như vậy, polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polime dẫn.
Sau đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra nhiều vật liệu polime dẫn khác như
polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polyphenyline, poly 2-5 dithienyl pyride... Chất pha
tạp được lựa chọn tùy thuộc vào từng loại vật liệu polime dẫn cần chế tạo. Ví dụ với
polyacetylen chất pha tạp có thể là muối halogen của các kim loại: TiCl4, HgCl4, NbCl5,
TaCl5, TaBr5, MoCl5, WCl3, TeCl4, TeCl5, TeI4, SnCl4. Với poly (p-phenylene) chất pha tạp
có thể là AuCl3, CuCl2. Với polypyrrole nói riêng và polime dẫn nói chung, các chất pha tạp
thường được sử dụng bao gồm:
- Doping acceptor: tạo polime bán dẫn loại p
Halogen: Cl2, Br2, I2, IBr, IF
Lewis axit: PF5, AsF5, SbF5, BF3, BBr3, SO3
Proton axit: HNO3, H2SO4
Hợp chất kim loại chuyển tiếp: FeOCl, TiCl4, TaCl5, MoF5, WF6
Các ion: Cl-, Br-, ClO4-, PF6-, BF4- Doping donor: tạo polime bán dẫn loại n
Kim loại kiềm, kiềm thổ: Li, Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba
Các ion: R4N+, R4P+, R4As+
H. Chitte và cộng sự [53] đã tổng hợp bột polypyrrole sử dụng phương pháp hóa học,
sau đó khảo sát độ dẫn điện của polypyrrole thuần và polypyrrole pha tạp LiClO4 ở nhiệt độ
phòng. Kết quả cho thấy, độ dẫn điện của polypyrrole thuần là 2,14.10−3 S.cm-1, trong khi
đó, độ dẫn điện của polypyrrole pha tạp LiClO4 là 28,74.10−3 S.cm-1. Mặc dù polypyrrole
dạng bột thu được bằng phương pháp tổng hợp hóa học có độ dẫn điện không cao nhưng kết

quả trên đã chứng minh rằng sự hiện diện của chất pha tạp LiClO4 giúp tăng độ dẫn điện của
polypyrrole.
H. Chitte và cộng sự [53] cũng đã đề xuất cơ chế của quá trình doping PPy với chất pha
tạp A (aceptor), hình 1.5: Khi PPy tiếp cận với A, PPy sẽ nhường một điện tử π cho A dẫn
đến trên mạch PPy xuất hiện một lỗ trống mang điện tích dương (+1), đồng thời do sự lôi
cuốn điện tử π linh động về phía điện tích +1 dẫn đến xuất hiện một điện tử độc thân có spin
½ cách lỗ trống 3 hoặc 4 đơn vị mắt xích pyrrole được ký hiệu là một dấu chấm (•). A nhận
điện tử trở thành A-. Cặp (+ •) được gọi là polaron. Sự thành hình của polaron dẫn đến sự
thay đổi vị trí của các liên kết π còn lại trong mạch polime, vì vậy làm thay đổi cấu trúc của

18


vòng pyrrole đồng thời tạo ra hai mức năng lượng mới trên vùng cấm. Khi số phân tử A xâm
nhập vào mạng polime tăng lên, lượng polaron (+ •) cũng tăng lên. Khi hai polaron gần nhau
(+ •) (+ •), hai điện tử (• •) ghép đôi trở thành liên kết π, còn lại cặp điện tích dương (+ +)
được gọi là bipolaron. Khi mạch PPy xuất hiện nhiều bipolaron, các mức năng lượng được
hình thành của các bipolaron sẽ chồng chập vào nhau tạo thành hai dải năng lượng bipolaron.
Các dải năng lượng mới được hình thành nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, giống như những
bậc thang giúp điện tử di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn một cách thuận lợi hơn, khi đó vật
liệu trở thành vật liệu dẫn điện. Như vậy, khi biến tính polypyrrole sử dụng chất pha tạp aceptor,
sự mất các điện tử trong chuỗi polime sẽ dẫn đến sự hình thành các lỗ trống, do đó polypyrrole
được tổng hợp là chất bán dẫn loại p.

Hình 1.5: Polaron, bipolaron và sự hình thành các dải năng lượng tương ứng [53]
Quá trình doping polime dẫn có thể được tiến hành theo kỹ thuật pha tạp (doping) điện
hóa. Polime dẫn được tổng hợp sử dụng kỹ thuật trùng hợp điện hóa, trong đó chất điện li
đóng vai trò chất pha tạp (dopant) được đưa vào dung dịch phản ứng. Sau quá trình trùng
hợp điện hoá, chất pha tạp được phân bố trong mạng polyme nhờ các liên kết hóa, lý. Phản

19


ứng theo cơ chế biến tính (hay pha tạp) acceptor sẽ diễn ra ở điện cực dương còn phản ứng
theo cơ chế biến tính donor sẽ diễn ra ở điện cực âm. Như vậy, quá trình doping loại p (lỗ
trống) sẽ diễn ra ở điện cực dương, còn quá trình doping loại n (điện tử) sẽ diễn ra ở điện
cực âm:
−
𝑃𝑥 + 𝑥𝑦𝐴− → [𝑃𝑦+ 𝐴−
𝑦 ]𝑥 + 𝑥𝑦𝑒

𝑃𝑥 + 𝑥𝑦𝐷+ + 𝑥𝑦𝑒 − → [𝐷 𝑦+ 𝑃𝑦− ]𝑥
Khác với quá trình doping đối với các chất bán dẫn vô cơ như silic, germani... là các quá
trình vật lý, các nguyên tử của các nguyên tố nhóm 3A và 5A được khuếch tán vào mạng
tinh thể (khuếch tán A – acceptor và khuếch tán D - donor), quá trình doping polime dẫn
diễn ra qua các phản ứng hóa học, sau đó tạo thành polaron và bipolaron là các phần tử tải
điện của polime dẫn. Tương tự như điện tử tự do trong kim loại, khi có một điện thế áp đặt
vào thì polaron hay bipolaron sẽ chuyển động. Như vậy, polaron và bipolaron là nguyên
nhân của dòng điện trong polime dẫn. Hàm lượng chất doping trong bán dẫn vô cơ không quá
1%, trong khi đó, đối với polime dẫn, hàm lượng chất doping có thể lên đến 10 - 20 % [58].
1.2.2.5. Vai trò của gelatin trong tổng hợp dây nano polypyrrole
Gần đây, để tổng hợp vật liệu dây nano, các nhà khoa học đã nghiên cứu thay thế phương
pháp sử dụng “khuôn cứng” bằng một phương pháp mới: phương pháp sử dụng “khuôn
mềm”, trong đó một số phân tử hoặc cụm phân tử đóng vai trò là “khuôn mềm” để định
hướng sự phát triển của vật liệu cấu trúc nano 1D. Ưu điểm của việc sử dụng “khuôn mềm”
trong quá trình tổng hợp vật liệu dây nano là sau quá trình tổng hợp có thể dễ dàng loại bỏ
“khuôn mềm”, không cần sử dụng nhiều hóa chất và quy trình phức tạp như khi loại bỏ
“khuôn cứng” [38].

Hình 1.6: Cấu trúc của chuỗi geletin [140]

Gelatin là chất rắn màu trắng đục, không mùi, dễ gãy (khi khô), chứa 84 - 90 % protein,
1 - 2 % muối khoáng và 8 - 15 % nước. Gelatin là một polypeptide hòa tan có nguồn gốc từ
collagen trong da và xương động vật. Gelatin đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm,
dược phẩm và y tế. Do sự hiện diện của các nhóm chức đặc trưng như: -NH2, -SH và -COOH,
gelatin thể hiện tính tương thích sinh học cao và có thể tạo được liên kết với các phần tử sinh
học [140].

20


Trong công bố [38] của D. Ge và cộng sự, gelatin đã được sử dụng như một "khuôn
mềm" có vai trò định hướng sự hình thành của vật liệu polime dẫn polypyrrole theo cấu trúc
nano 1D. Gelatin có cấu trúc chuỗi dài gồm nhiều axit amin khác nhau với các nhóm chức NH2 và -COOH. Các nhóm -NH của monome pyrrole có thể tạo thành liên kết hidro với các
nhóm -COOH của gelatin. Kết quả là, monome pyrrole được hấp phụ trên bề mặt của chuỗi
gelatin và tiếp tục được polime hóa để phát triển thành các dây nano PPy. Như vậy, gelatin
đóng vai trò như khuôn mềm định hướng cho sự hình thành vật liệu PPy cấu trúc dây nano
[38].
Tóm lại, khả năng ứng dụng vật liệu polime dẫn nói chung và PPy nói riêng trong chế
tạo cảm biến sinh học điện hóa với vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt bộ chuyển
đổi và thành phần cảm nhận sinh học đã được chứng minh qua nhiều công trình công bố
quốc tế. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, trong nhiều công trình đã công bố, vật liệu
polime dẫn PPy chủ yếu được tổng hợp với cấu trúc hoa súp lơ (màng PPy). Số lượng các
công trình công bố quốc tế liên quan đến việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu PPy cấu trúc
dây nano trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa vẫn còn hạn chế. Bên cạnh đó, cơ chế
của quá trình hình thành dây nano PPy khi có mặt gelatin vẫn đang dừng lại ở mức độ suy
luận từ kết quả thực nghiệm [38]. Vì vậy, cần được tiếp tục nghiên cứu nhằm thu được những
kết quả minh chứng có tính thuyết phục cao hơn. Trong luận án này, vật liệu polime dẫn PPy
với cấu trúc dây nano được tổng hợp tại chính xác một vị trí mong muốn (trên WE) bằng kỹ
thuật điện hóa sử dụng gelatin làm “khuôn mềm” định hướng cho sự phát triển dây nano. So
sánh với vật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vật liệu PPy cấu trúc dây nano với diện tích bề mặt

riêng lớn hơn giúp nâng cao hiệu quả cố định các phần tử cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm
biến, góp phần cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định của cảm biến sinh
học. Mặt khác, bên cạnh các nhóm chức có sẵn trong PPy, sự có mặt các nhóm chức có sẵn
trong gelatin được cho là cũng góp phần giúp việc gắn kết một số phần tử sinh học (cũng có
những nhóm chức sẵn sàng phản ứng với các nhóm chức trên gelatin) sẽ diễn ra dễ dàng
hơn. Cũng trong luận án này, cơ chế của quá trình hình thành dây nano PPy khi có mặt
gelatin sẽ bước đầu được giải thích trên cơ sở một số kết quả minh chứng thu được.

1.3. Cố định phần tử cảm nhận sinh học lên cảm biến sinh học điện
hóa
1.3.1. DNA và kháng nguyên, kháng thể
1.3.1.1. DNA
Axit deoxyribonucleic (DNA) là đại phân tử mang thông tin di truyền của các tổ chức
sống [5]. Đơn vị cấu tạo cơ bản của DNA là các nucleotit, mỗi nucleotit bao gồm ba thành
phần: gốc phốt phát của axit phôtphoric (H3PO4), phân tử đường deoxyriboza (C5H10O4) và
các bazơ nitơ: Purine gồm Adenine (A) và Guanine (G); Pyrimidine gồm Cytosine (C) và
Thymine (T), hình 1.7.

21