Nghiên cứu chế tạo, tính chất của vật liệu dây nano oxit kim loại bán dẫn nhằm ứng dụng cho cảm biến miễn dịch

VŨ Y DOÃN

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

VŨ Y DOÃN
VẠT LÝ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN NHẰM ỨNG
DỤNG CHO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH

KHÓA 2014A

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2016


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

VŨ Y DOÃN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN NHẰM ỨNG
DỤNG CHO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH
Chuyên ngành :

VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS PHƯƠNG ĐÌNH TÂM

Hà Nội – 2016



Vũ Y Doãn 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận văn
này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi và chƣa từng xuất hiện trong công bố
của các tác giả khác. Các kết quả đạt đƣợc là chính xác và trung thực.
Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2016
Ngƣời cam đoan

Vũ Y Doãn

1


Vũ Y Doãn 2016

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS.
Phƣơng Đình Tâm đã trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng khoa học, giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Cảm ơn thầy đã dành thời
gian, tâm huyết để giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn TS. Phạm Hùng Vƣợng cùng các thầy cô trong Viện
Tiên Tiến Khoa Học và Công Nghệ, Viện Vật Lý Kỹ Thuật – Đại Học Bách Khoa
Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi làm thực nghiệm và
nghiên cứu trong thời gian qua.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh chị nghiên cứu sinh viện AIST đã
nhiều lần giúp đỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu tại viện.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới Bố mẹ, các anh chị và những ngƣời bạn của
tôi, những ngƣời đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ vật chất. Tôi không biết nói
gì hơn ngoài lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới những ngƣời thân yêu nhất của tôi.
Tác giả luận văn

Vũ Y Doãn

2


Vũ Y Doãn 2016

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ...................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU .............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 7
GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 9
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 13
1. Giới thiệu ........................................................................................................... 13

2. Giới thiệu cảm biến sinh học ............................................................................. 16
3. Tổng quan về vật liệu nano ZnO cấu trúc 1 chiều ứng dụng cho cảm biến miễn
dịch......................................................................................................................... 20
3.1. Giới thiệu vật liệu nano ZnO cấu trúc 1 chiều ............................................20
3.2. Cảm biến miễn dịch trên cơ sở vật liệu nano ZnO có cấu trúc một chiều. .22
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM................................................................................ 24
1. Hóa chất và thiết bị sử dụng .............................................................................. 24
1.1. Hóa chất thí nghiệm ...................................................................................24
1.2. Thiết bị sử dụng ...........................................................................................25
2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu thanh nano ZnO .................................................... 25
2.1. Xử l đế .......................................................................................................25
2.2. Chế tạo lớp mầm ........................................................................................26
2.3. Tổng hợp vật liệu bằng phƣơng pháp thủy nhiệt ........................................26
3. Chế tạo cảm biến miễn dịch trên cơ sơ thanh nano ZnO ................................... 27
3.1. Chế tạo điện cực .........................................................................................28
3.2. Cố định kháng thể lên bề mặt điện cực .......................................................28
4. Phƣơng pháp xác định vi rút Rota ..................................................................... 30
5. Thiết bị nghiên cứu. ........................................................................................... 30
5.1. Kính hiển vi điện tử .....................................................................................30
5.2. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ...........................................................32

3


Vũ Y Doãn 2016
5.3. Phổ nhiễu xạ điện tử X-ray..........................................................................33
5.4. Kính hiển vi huỳnh quang ...........................................................................34
5.5. Phổ hồng ngoại FTIR ..................................................................................36
5.6. Thiết bị quét thế vòng C-V ..........................................................................37
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 38

1. Tổng hợp thanh nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy nhiệt ................................. 38
1.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của lớp mầm ..........................................................38
1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ thủy nhiệt. .........................................40
1.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ Zn2+ ...................................................42
1.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian thủy nhiệt .........................................44
1.5. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu thanh nano ZnO bằng phổ tán xạ năng lƣợng
tia X (EDS) .........................................................................................................47
1.6. Nghiên cứu độ dẫn của vật liệu thanh nano ZnO ........................................49
2. Kết quả nghiên cứu cố định kháng thể .............................................................. 51
2.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) .....................................................51
2.2. Ảnh kính hiển vi huỳnh quang ....................................................................52
3. Đặc trƣng C-V của cảm biến miễn dịch ............................................................ 53
Kết luận ..................................................................................................................... 56
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 57
DANH MỤC CÔNG TRÌNH.................................................................................... 63

4


Vũ Y Doãn 2016
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Thứ tự Kí hiệu

Viết tắt

1

CV

Cyclic voltammetry

2

CFU

colony forming units

3

DEA

Deposition and Etching under Angle

4

FE - SEM

Field Emission Scanning Electron Microscope

5

FTIR

Fourrier Transformation InfraRed

6

PBS

Phosphate buffered saline

7

SEM

Scanning Electron Microscope

5


Vũ Y Doãn 2016
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Thứ tự

Tên bảng biểu

Trang

1

Bảng 2.1

Danh mục hóa chất sử dụng

24

2

Bảng 2.2

Bảng tổng hợp các mẫu thuỷ nhiệt ở các điều

27

kiện khác nhau

6


Vũ Y Doãn 2016
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT
1

Tên hình vẽ đồ thị
Hình 1.1

Trang

Sơ đồ minh họa hình thái khác nhau cấu trúc nano
1D

14

2

Hình 1.2

Cấu tạo cảm biến sinh học

17

3

Hình 1.3

Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

18

4

Hình 1.4

Cấu trúc Blende(a) và Wurtzite(b) của ZnO

21

5

Hình 1.5

Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano

21

6

Hình 2.1

Sơ đồ minh họa nguyên tắc chế tạo cảm biến miễn
dịch bằng vi điện cực. (A) điện cực trần, (b) điện
cực đƣợc phủ thanh nano ZnO , (c) điện cực đƣợc

29

cố định với kháng thể vi rút Rota, (d) tƣơng tác
giữa kháng thể và kháng nguyên của vi rút Rota
7

Hình 2.2

Thiết bị kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F
(Mỹ) tại phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử và Vi
phân tích (BKEMMA), viện Tiên tiến Khoa học và

31

Công nghệ (AIST), đại học Bách khoa Hà Nội
(HUST)
8

Hình 2.3

Nguyên lý nhiễu xạ tia X

33

9

Hình 2.4

Cấu tạo của kính hiển vi huỳnh quang (Nikon)

35

10

Hình 2.5

Sơ dồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi huỳnh
quan

11

Hình 3.1

36

Ảnh hƣởng của số lớp mầm đến hình thái vật liệu
ZnO. a) Mẫu 1 lớp mầm; b) Mẫu 2 lớp mầm; c)
Mẫu 3 lớp mầm d) Mẫu 4 lớp mầm; e) Mẫu 5 lớp

39

mầm; f) hình ảnh khuếch đại các lá mỏng hình
thành trên các thanh ZnO
12

Hình 3.2

Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu thanh ZnO đƣợc
tổng hợp bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt ở những

7

41


Vũ Y Doãn 2016
nhiệt độ khác nhau. a) T = 2000C b) T= 1500C,
c)T = 1300C ; d) mẫu khuếch đại của thanh ZnO
đƣợc tổng hợp ở T=1500C
13

Hình 3.3

Ảnh FE-SEM của thanh ZnO đƣợc tổng hợp với
nồng độ Zn2+ khác nhau

14

Hình 3.4

43

Ảnh FE-SEM của thanh nano ZnO đƣợc tổng hợp
từ dung dịch Zn(CH3COO2).2H2O với các thời gian

45

khác nhau. a) 3h ; b) 6h; c) 9h ; d) 12h
15

Hình 3.5

Ảnh FE-SEM của thanh nano ZnO đƣợc chế tạo
bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt ở điều kiện nhiệt độ
thủy nhiệt là 1500C, nồng độ ion Zn2+ trong dung

46

dịch thủy nhiệt là 0,025M, thời gian thủy nhiệt là
3h
16

Hình 3.6

Phổ tán xạ năng lƣợng tia X của thanh nano ZnO
đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt với

47

thời gian khác nhau, a) 3h ; b) 6h; c) 9h; d) 12h
17

Hình 3.7

Phổ nhiễu xạ X-ray của các mẫu ZnO nano với thời
gian tổng hợp khác nhau. a) 3h; b) 6h; c) 9h; d) 12h

18

Hình 3.8

Điện trở của vật liệu ZnO chế tạo bằng phƣơng
pháp thủy nhiệt với thời gian 3h; 6h; 9h và 12h

19

Hình 3.9

Phổ FTIR của (a) kháng thể, (b) thanh nano ZnO

20

Hình 3.10

Ảnh hiển vi huỳnh quang của kháng thể trên điện
cực: (a) điện cực đƣợc kích hoạt và phủ ATPS
/ZnO NWSs, (b) cố định kháng thể bằng phƣơng

48

50
51

52

pháp hấp thụ

21

Hình 3.11

Thế vòng C-V của cảm biến miễn dịch

22

Hình 3.12

Thế vòng C-V của cảm biến miễn dịch theo nồng
độ

8

54
55


Vũ Y Doãn 2016

GIỚI THIỆU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế, sự gia tăng dân số, và hội nhập
toàn cầu là sự phát sinh các dịch bệnh nguy hiểm nhƣ: viêm đƣờng hô hấp cấp tính
(SARS), cúm A/H5N1, sốt phát ban, sốt xuất huyết Dengue, viêm não Nhật Bản, tiêu
chảy cấp…v.v đe dọa đến sức khoẻ cộng đồng. Việc phát hiện, khống chế và ngăn
chặn kịp thời các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm
thiểu nguy cơ tác hại đến sức khoẻ và những thiệt hại về mặt kinh tế, xã hội. Chính
vì vậy, việc làm cần thiết là phải phát hiện nhanh, nhạy và sàng lọc đƣợc các mầm

bệnh truyền nhiễm để ngăn chặn kịp thời quá trình lây lan của tác nhân gây bệnh.
Hiện nay, có nhiều kĩ thuật và phƣơng pháp đã và đang đƣợc sử dụng để
phát hiện nhanh các loại vi rút, vi khuẩn gây bệnh nhƣ kĩ thuật nuôi cấy enzyme
ELISA, phƣơng pháp phản ứng chuỗi polymer (PCR), phƣơng pháp tế bào. Đây là
các phƣơng pháp truyền thống có ƣu điểm là độ chính xác cao. Tuy nhiên, nhƣợc
điểm của các phƣơng pháp này là thời gian phân tích chậm (có thể mất hàng giờ cho
đến vài ngày), đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền, ngƣời thao tác phải đƣợc đào tạo
chuyên nghiệp, quá trình phát hiện phải đƣợc thực hiện tại các Bệnh viện, các
phòng thí nghiệm chẩn đoán đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học, không kiểm tra đƣợc
ngoài thực địa, dẫn đến những hạn chế trong quá trình ứng dụng. Do đó, việc
nghiên cứu, chế tạo ra một thiết bị mới có khả năng khắc phục đƣợc một số nhƣợc
điểm của các phƣơng pháp truyền thống đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm, đầu
tƣ nghiên cứu.
Một trong số các thiết bị có thể đƣợc sử dụng để khắc phục một số nhƣợc
điểm của các thiết bị truyền thống là cảm biến sinh học (biosensor). Đây là thiết bị
phân tích có độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, dễ dàng sử dụng. Đặc biệt, nhờ
có kích thƣớc nhỏ gọn, sử dụng đơn giản, ngƣời ta có thể sử dụng những loại cảm
biến này tại những vùng xa xôi, hẻo lánh, phục vụ cho việc ngăn ngừa dịch bệnh
bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

9


Vũ Y Doãn 2016
Hiện nay, việc nghiên cứu chế tạo, sử dụng cảm biến sinh học để phát hiện
vi khuẩn gây bệnh trong môi trƣờng đã có những thành công trên một số đối tƣợng
vi sinh vật nhƣ: vi khuẩn Samonella [19, 20, 36], Trichophyton rubrum (TR) [24,
50], Candida [43], vi khuẩn Escherichia coli [37, 50]. Ở Việt Nam, nghiên cứu về
cảm biến sinh học cũng đã đƣợc một số nhóm thực hiện và có kết quả bƣớc đầu nhƣ
nhóm nghiên cứu về cảm biến sinh học của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [3,

11, 40], Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [12, 21], Đại học Quốc
gia Hà Nội [42], Đại học Quốc gia TPHCM [8].
Để góp phần vào việc phát triển cảm biến sinh học ở Việt Nam nhằm phát
hiện nhanh, trực tiếp các vi sinh vật gây bệnh, nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu
chế tạo, tính chất của vật liệu dây nano oxit kim loại bán dẫn nhằm ứng dụng
cho cảm biến miễn dịch” làm đề tài luận văn cao học của mình.
Trong khuôn khổ đề tài này, nghiên cứu tổng hợp, tính chất của vật liệu
oxit kẽm (ZnO) nhằm phát triển cảm biến sinh học có độ nhạy và độ ổn định cao sẽ
đƣợc thực hiện. Trong đó, phƣơng pháp thuỷ nhiệt sẽ đƣợc sử dụng để nghiên cứu
tổng hợp vật liệu. Các tính chất cơ bản, các hiện tƣợng và tính chất mới của vật liệu
sẽ đƣợc quan tâm nghiên cứu bằng các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc. Ngoài ra,
chúng tôi đặt mục tiêu rất lớn là chế tạo hoàn chỉnh loại cảm biến sinh học trên cơ
sở loại vật lịêu này nhằm ứng dụng cho các lĩnh vực y sinh và bảo vệ môi trƣờng.
2. Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là


Nghiên cứu tổng hợp, tính chất của thanh nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy

nhiệt.


Ứng dụng thanh nano ZnO đã chế tạo đƣợc để nghiên cứu phát triển cảm

biến miễn dịch xác định vi rút gây bệnh tiêu chẩy cấp.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Từ mục tiêu này, chúng tôi đặt ra nhiệm vụ cần thực hiện là:

10

Vũ Y Doãn 2016
- Nghiên cứu, tổng hợp vật liệu thanh nano ZnO bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt. Từ
đó, hoàn thiện tối ƣu hoá quy trình thực nghiệm để đƣa ra đƣợc một quy trình
chuẩn, có tính ổn định và lặp lại cao.
- Khảo sát các đặc trƣng của vật liệu chế tạo đƣợc.
- Nghiên cứu phát triển cảm biến miễn dịch trên cơ sở thanh nano ZnO nhằm xác
định vi rút gây bệnh tiêu chẩy cấp.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu nano ZnO
- Cảm biến sinh học miễn dịch trên cơ sở thanh nano ZnO
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực
nghiệm. Trong đó, phƣơng pháp thủy nhiệt đã đƣợc sử dụng để chế tạo vật liệu
thanh nano ZnO. Các phƣơng pháp phân tích cấu trúc đƣợc sử dụng để phân tích
cấu trúc vật liệu nhƣ: Hiển vi điện tử quét (FE-SEM), phổ EDX, phổ hồng ngoại
biến đổi Fourier, phổ nhiễu xạ tia X. Ngoài ra, đặc trƣng của cảm biến cũng đƣợc
kiểm tra bởi phƣơng pháp quét thế vòng tuần hoàn C-V.
6. Cấu trúc luận văn gồm:
Cấu trúc của luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng bao gồm:
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
Trong chƣơng này sẽ trình bày tổng quan về vật liệu nano cấu trúc một chiều
và ứng dụng của chúng cho cảm biến sinh học. Giới thiệu về cảm biến sinh học
cũng nhƣ các ứng dụng của chúng. Ngoài ra, chƣơng này cũng trình bày tổng quan
về vật liệu ZnO cấu trúc 1 chiều cho ứng dụng cảm biến sinh học.
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM
Chƣơng này sẽ trình bày phần tổng hợp vật liệu thanh nano ZnO bằng
phƣơng pháp thủy nhiệt. Phƣơng pháp cố định kháng thể lên bề mặt cảm biến. Các
thiết bị đo đƣợc sử dụng để nghiên cứu đặc trƣng của vật liệu.

11


Vũ Y Doãn 2016
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chƣơng này sẽ trình bày các kết quả đạt đƣợc bao gồm: các kết qủa nghiên
cứu tổng hợp vật liệu, các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu thanh
nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Các kết quả về việc cố định kháng thể lên
bề mặt cảm biến cũng nhƣ kết quả về việc xác định đặc trƣng của cảm biến cũng
đƣợc trình bày trong chƣơng này.

12


Vũ Y Doãn 2016

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây trên thị trƣờng bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm
đƣợc quảng bá sử dụng công nghệ nano nhƣ khẩu trang nano bạc, bột nghệ nano,
thiết bị lọc nƣớc nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn
nano… Các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano đã không còn xa lạ với mọi ngƣời.
Điều đó cho thấy rằng “Công nghệ Nano” đã và đang có ảnh hƣởng không hề nhỏ
đến cuộc sống của mỗi chúng ta.
Khái niệm về công nghệ nano đƣợc xuất hiện từ những năm 1959, khi nhà
vật l ngƣời Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thƣớc
siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra
đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM
hay STM) có khả năng quan sát đến kích thƣớc vài nguyên tử hay phân tử, con
ngƣời có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt

đầu đƣợc đầu tƣ nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Vật liệu nano có tính chất ƣu
việt mà vật liệu khối (kích thƣớc lớn) không có đƣợc do sự thu nhỏ kích thƣớc và
tăng diện tích bề mặt [9, 10]. Vì vậy, vật liệu nano đã thu hút đƣợc sự chú ý, quan
tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới. Hiện nay, các nhà
khoa học đã có thể chế tạo đƣợc các vật liệu nano với các hình dạng khác nhau nhƣ
hạt nano (nano practice), thanh nano (nanorod), màng mỏng (thin film)….Các dạng
vật liệu này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ nhƣ công nghiệp
vi điện tử, an ninh quốc phòng, y sinh, bảo vệ môi trƣờng..v.v.
Cấu trúc nano một chiều đầu tiên đƣợc biết đến là ống nano các bon (đƣợc
Iijma công bố trên tạp chí Nature vào năm 1991) với nhiều tính chất ƣu việt nhƣ có
độ bền cơ học cao, có tính chất dẫn điện đa dạng (kim loại, bán dẫn), và đặc biệt
hình thái cấu trúc với đƣờng kính chỉ ~1 nm và độ dài lên đến hàng chục, hàng trăm
micromét cho thấy tiềm năng ứng dụng của cấu trúc vật liệu này trong chế tạo các
hệ thống, linh kiện, thiết bị ở quy mô phân tử, nguyên tử. Chính vì vậy, trong 15
năm gần đây, nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo, nghiên cứu các tính chất và

13


Vũ Y Doãn 2016
nghiên cứu ứng dụng các cấu trúc nano một chiều đã trở thành những định hƣớng
nghiên cứu, ứng dụng lớn thu hút đƣợc sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học
và công nghệ trên thế giới [41].

Hình 1. 1 Sơ đồ minh họa hình thái khác nhau của cấu trúc nano 1D
a) dây nano (NWS), dây hoặc sợi nano, (b) thanh nano (NRs); (c) đai (NBS) hoặc
dải nano và (d) các ống nano (NT)
Cho đến nay, rất nhiều các cấu trúc nano một chiều khác nhau trên cơ sở các
vật liệu nhƣ vật liệu ôxít bán dẫn, ôxít kim loại, bán dẫn, kim loại…đã đƣợc chế tạo
bằng nhiều các phƣơng pháp khác nhau bao gồm:

1) Nhóm các phƣơng pháp vật lí nhƣ: bốc bay nhiệt trong chân không, phún xạ
cao tần, bay hơi chùm điện tử, lắng đọng bằng xung Laser…v.v. Ƣu điểm của
nhóm phƣơng pháp này là chế tạo đƣợc mẫu với độ tinh khiết cao, đồng nhất
cao. Tuy nhiên các phƣơng pháp này đòi hỏi cao về công nghệ chế tạo nhƣ phải
thực hiện trong các môi trƣờng chân không cao cùng với các thiết bị phức tạp, đắt
tiền.
2) Nhóm các phƣơng pháp hóa học nhƣ: Phƣơng pháp sol-gel, lắng đọng điện hóa,
phƣơng pháp đồng kết tủa, phƣơng pháp hóa ƣớt…. Ƣu điểm của phƣơng pháp này
là dễ áp dụng, giá thành thấp, có thể thay đổi dễ dàng nồng độ pha tạp và có khả

14


Vũ Y Doãn 2016
năng đƣa vào chế tạo hàng loạt. Nhƣợc điểm là độ tinh khiết của mẫu không cao,
phụ thuộc vào môi trƣờng nên không ổn định.
Trong số các cấu trúc nano một chiều thì cấu trúc nano một chiều trên cơ sở
vật liệu oxít kim loại bán dẫn đƣợc ứng dụng nhiều trong những lĩnh vực khác nhau
nhƣ trong lĩnh vực quang điện tử [41], cảm biến khí [45, 51], năng lƣợng [6, 38].
Đặc biệt, do có cấu trúc một chiều với nhiều ƣu điểm nhƣ diện tích bề mặt riêng
lớn, độ dẫn điện cao nên loại vật liệu này đƣợc ứng dụng nhiều để chế tạo các cảm
biến sinh học [4, 26, 27, 33]. Trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu đã công bố
các kết quả ứng dụng vật liệu nano cấu trúc một chiều cho cảm biến sinh học. Có
thể kể đến công trình của Harshala J. Parab và các cộng sự [26], họ đã sử dụng
thanh nano vàng đã đƣợc gắn DNA để phát hiện vi rút mầm bệnh Chlamydia trong
khoảng nồng độ 0,25 – 20nM. Gần đây, Wang và các cộng sự [46] đã nghiên cứu
cảm biến sinh học sử dụng vật liệu CuO có cấu trúc thanh nano và hoa nano. Trong
đó, vật liệu nano CuO đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp CHM (composite –
hydroxide – mediated) và CMS (composite – molten – salt). Kết quả nghiên cứu đã
chỉ ra cho thấy, cảm biến khi sử dụng vật liệu hoa nano CuO có độ nhạy 709,52 µA

/ mM.cm2, giới hạn phát hiện là 4 µM. Đối với cảm biến khi sử dụng thanh nano
CuO có độ nhạy là 371,43 µA / mM.cm2, thời gian đáp ứng là 10 giây và giới hạn
phát hiện là 4 µM. Theo nhƣ công bố của Lisha Wang và các cộng sự [44], họ đã
chế tạo thành công cảm biến sinh học xác định glucose trong huyết thanh trên cơ sở
sợi nano bạc. Cảm biến đƣợc chế tạo có thể phát hiện glucose trong phạm vi tuyến
tính từ 10µm đến 0,8mM và giới hạn phát hiện là 2,83 µm. Ngoài ra, còn một số
vật liệu có cấu trúc 1 chiều khác cũng đƣợc nghiên cứu cho ứng dụng cảm biến sinh
học nhƣ: CeO2 [28], Au [7, 22], ZnO [16, 23, 27]….
Không chỉ trên thế giới, tại Việt Nam ứng dụng của vật liệu nano cấu trúc 1
chiều cho cảm biến sinh học cũng nhận đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Trong đó có thể kể đến: Nhóm nghiên cứu của TS Tống Duy Hiển, Phòng Thí
Nghiệm Công Nghệ Nano -Đại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh đã nghiên cứu chế
tạo sợi Pt và Si ứng dụng cho cảm biến sinh học chẩn đoán và định lƣợng một số

15


Vũ Y Doãn 2016
hợp chất sinh học (glucose , DNA). Nhóm nghiên cứu đã thụ động hóa enzyme lên
bề mặt sợi nano Pt, cảm biến chế tạo đƣợc có khả năng phát hiện nồng độ glucose
trong khoảng rộng (125 µm ÷16,5 mM) [8]. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Mai
Anh Tuấn, Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa
Hà Nội đã chế tạo thành công cảm biến sinh học sử dụng ống nano các bon để phát
hiện lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli [40]. Với dải tuyến tính phát hiện: 0,5 pM ÷
1 nM, giới hạn phát hiện là 1 pM, thời gian phát hiện khoảng 1 phút.
2. Giới thiệu cảm biến sinh học
Hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng - IUPAC năm 1999 đã định nghĩa:
cảm biến sinh học (Biosensor) là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng
cung cấp những thông tin phân tích định lƣợng hoặc bán định lƣợng nồng độ chất
phân tích, sử dụng một yếu tố nhận biết sinh học (thụ thể sinh hóa) và một bộ

chuyển đổi tín hiệu [1]. Theo Daniel R. Thévenot và đồng nghiệp, hệ thống nhận
biết sinh học chuyển thông tin từ vùng sinh hoá, thƣờng là nồng độ chất phân tích
thành tín hiệu vật lý hoặc hóa học ở đầu ra với độ nhạy xác định. Mục đích chính
của hệ thống nhận biết này là nhằm tạo cho cảm biến có độ chọn lọc cao đối với
chất cần phân tích. Phần tử nhận biết sinh học có thể là enzyme, DNA/RNA, kháng
nguyên/kháng thể, tế bào….[39]. Cảm biến sinh học thực chất là một thiết bị phân
tích chuyển một tín hiệu sinh hoá thành một tín hiệu điện. Đầu tiên, cảm biến sẽ
nhận dạng hiện tƣợng và biên dịch thành một đặc tính có thể định lƣợng đƣợc. Sau
đó đặc tính định lƣợng này đƣợc chuyển đổi thành một tín hiệu điện bởi một bộ
biến năng. Trong cảm biến sinh học, hiện tƣợng đƣợc nhận dạng bởi một hệ thống
sinh học gọi là cơ quan thụ cảm sinh học (bioreceptor). Nó sẽ tiếp xúc trực tiếp với
mẫu phân tích để tạo ra phản ứng sinh hoáCơ quan thụ cảm sinh học có đặc tính
chọn lọc đặc biệt đối với chất phân tích. Để phát hiện vi rút gây bệnh có thể dựa
trên việc phát hiện tƣơng tác kháng thể/kháng nguyên thông qua cảm biến miễn
dịch hoặc có thể dựa trên sự tƣơng tác giữa ADN dò tƣơng tác với ADN đích khi sử
dụng cảm biến ADN. Trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh, ba loại cảm biến sinh học chủ
yếu thƣờng đƣợc tập trung nghiên cứu chế tạo là : i) cảm biến enzyme trên cơ sở

16


Vũ Y Doãn 2016
phản ứng đặc hiệu enzyme – cơ chất; ii) cảm biến miễn dịch trên cơ sở phản ứng
đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể; iii) cảm biến DNA trên cơ sở lai hóa đặc hiệu
giữa hai sợi đơn DNA có trình tự bổ sung nhau.

Hình 1. 2 Cấu tạo cảm biến sinh học
 Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm ba bộ phận chính:
(1) Đầu thu sinh học: Đầu thu sinh học (Bioreceptor) là những đầu thu phản ứng
trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học.

Nó có tác dụng phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích. Tuy
nhiên, để gắn trực tiếp đầu thu sinh học lên bề mặt điện cực là rất khó vì vậy cần có
một lớp trung gian để gắn kết 2 đầu thu sinh học và điện cực. Lớp trung gian đó gọi
là tác nhân cố định.
Tác nhân cố định: Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm
biến sinh học. Các tác nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên
đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần
sinh học với bề mặt bộ chuyển đổi tín hiệu.
(2) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín
hiệu có thể đo đạc đƣợc. Có nhiều dạng chuyển đổi nhƣ chuyển đổi điện hoá,
chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển
đổi bằng các hệ vi cơ.

17


Vũ Y Doãn 2016
(3) Bộ phận xử l , đọc tín hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyển thành các tín
hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử l ).
 Nguyên lý hoạt động:
Các vật liệu sinh học nhƣ : vi khuẩn, tế bào, enzim, kháng thể, DNA, … gây ra một
trong các thay đổi :
- Phản ứng trên bề mặt điện cực.
- Thay đổi PH.
- Thay đổi nhiệt độ.
- Thay đổi tính chất truyền qua của ánh sáng.
- Thay đổi khối lƣợng màng.

Hình 1. 3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
Khi đƣa cảm biến vào dung dịch chứa mẫu cần phân tích thì các thành phần sinh

học (enzym, tế bào vi sinh vật, mô) sẽ phản ứng với chất cần phân tích làm thay đổi
nồng độ ion, hoặc kích thích huỳnh quang, hoặc hấp thụ ánh sáng, nhiệt, hoặc thay

18


Vũ Y Doãn 2016
đổi khối lƣợng…Tuỳ theo từng loại tín hiệu mà ngƣời ta sử dụng bộ chuyển đổi tín
hiệu phù hợp để hiển thị kết quả đo. Nếu phần tử đầu dò không tƣơng thích với
phần tử đích thì sẽ không nhận biết đƣợc sự thay đổi của tín hiệu. Nguyên lý hoạt
động của cảm biến sinh học đƣợc mô tả ở hình 1.3.
 Ứng dụng của cảm biến sinh học:
- Phát hiện dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật
Khoa học và công nghệ phát triển đã giúp cho con ngƣời có thể chế tạo
đƣợc rất nhiều sản phẩm hữu ích, thiết thực, phục vụ cho đời sống cũng nhƣ nhu
cầu giải trí. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, chúng ta cũng đã không ngừng xả
vào trong môi trƣờng sống những sản phẩm phụ độc hại, gây ảnh hƣởngmôi trƣờng
cũng nhƣ sức khỏe của chính chúng ta. Một số hợp chất nhƣ thuốc trừ sâu, kim loại
nặng hoặc Polychlorinated biphenyls (PCBs) đƣợc biết đến nhƣ các chất gây ô
nhiễm môi trƣờng tiêu biểu. Các chất này có thể gây các độc tố cho con ngƣời. Do
vậy, việc phát hiện và kiểm soát chúng là việc làm rất cần thiết. Hiện nay, có nhiều
phƣơng pháp để xác định dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật nhƣ phƣơng pháp phản
ứng chuỗi polymer, phƣơng pháp sắc ký lỏng …. Hiện nay, để xác định dƣ lƣợng
thuốc bảo vệ thực vật ngƣời ta còn sử dụng một số loại cảm biến sinh học. Ví dụ,
các nhà khoa học đã sử dụng nhiều loại cảm biến sinh học sử dụng enzim khác nhau
để phát hiện thuốc bảo vệ thực vật họ organo-phốtpho hoặc cac-na-mát. Phép phân
tích dựa vào việc tính toán hoạt tính xúc tác của choline oxidase và dựa vào sự ức
chế của Acetyl cholinesterase (AChE) và Butyrylcholinesterase (BChE) [3, 48].
Ngoài ra, các cảm biến sinh học còn đƣợc sử dụng để xác định kim loại nặng [15,
32].

- Ứng dụng trong lĩnh vực y sinh
Một trong những ứng dụng khá nổi bật của cảm biến sinh học là ứng dụng để
chẩn đoán bệnh trong y tế. Với kích thƣớc nhỏ gọn, cảm biến sinh học hứa hẹn là
một thiết bị mang đến nhiều tiện lợi trong tƣơng lai. Trên thế giới đã có nhiều công
trình công bố về các kết quả đạt đƣợc của các nhóm nghiên cứu phát triển cảm biến
sinh học nhằm ứng dụng trong y tế nhƣ: cảm biến sinh học nhận biết cholesterol

19


Vũ Y Doãn 2016
đƣợc phát triển bởi Anees A. Ansari và các cộng sự [2]. Trong đó enzym
cholesterol đƣợc cố định lên màng CeO2 bằng phƣơng pháp hấp phụ. Kết quả đã chỉ
ra cảm biến có thể nhận biết đƣợc nồng độ cholesterol trong khoảng 10–400 mg/dl
[2]. Trong một nghiên cứu khác, Marie [23] đã báo cáo một cảm biến sinh học điện
hóa dựa trên thanh nano ZnO để phát hiện glucose. Phƣơng pháp mọc sol-gel thủy
nhiệt đƣợc sử dụng để phát triển thanh nano ZnO trên đế thủy tinh phủ indium tin
oxide. Kết quả cho thấy thời gian phản ứng dòng của cảm biến là 3s, giới hạn phát
hiện là 0,22 mM và độ nhạy thu đƣợc của cảm biến điện hóa ZnO chế tạo đƣợc là
10,911 mA / mM. Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng của cảm biến sinh học trong
lĩnh vực y tế nhƣ: cảm biến glucose trên cơ sở thanh nano ZnO đã đƣợc nhóm các
tác giả thuộc trƣờng Đại học Công nghệ Nanyang – Singapore nghiên cứu phát triển
[47]. Hay nhƣ cảm biến sinh trên cơ sở polyme dẫn phát hiện vi rút Herpes [13].
Hoặc nhƣ cảm biến sinh học để phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen trên cơ sở
sợi nano silicon của tác giả Nguyễn Văn Quốc [30]. Bằng phƣơng pháp DEA, tác
giả đã chế tạo đƣợc sợi nano silicon có kích thƣớc 40 ± 5nm. Cảm biến chế tạo trên
cơ sở sợi nano silicon này khả năng phát hiện DNA ngoại lai ở nồng độ 1nM.

3. Tổng quan về vật liệu nano ZnO cấu trúc 1 chiều ứng dụng cho cảm
biến miễn dịch

3.1. Giới thiệu vật liệu nano ZnO cấu trúc 1 chiều
Kẽm oxit (ZnO) là bán dẫn loại n, thuộc nhóm bán dẫn II-VI, năng lƣợng
vùng cấm trực tiếp rộng Eg ~ 3,436 eV tại nhiệt độ T =0 K, và tại nhiệt độ phòng
Eg ~ 3.37 ± 0,01 và năng lƣợng liên kết kích thích lớn (60 meV) ở nhiệt độ phòng
[25]. ZnO tồn tại trong hai cấu trúc tinh thể wurtzite và blende nhƣ chỉ ra trong hình
1.4. Trong đó cấu trúc hexagonal wurtzite (hình 1.4) là cấu trúc bền, ổn định nhiệt
nên là cấu trúc phổ biến nhất.

20


Vũ Y Doãn 2016

Hình 1. 4 Cấu trúc Blende(a) và Wurtzite(b) của ZnO
Trong những năm gần đây, vật liệu ZnO cấu trúc nano 1 chiều đã đƣợc chế
tạo thành công ở rất nhiều dạng nhƣ: sợi nano, dây nano, thanh nano, ống nano hay
tồn tại ở dạng lá, dạng lò xo, dạng ZnO tetrapods. Các cấu trúc một chiều này có thể
chế tạo bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ thuỷ nhiệt [49, 53], sol-gel [29], lắng
đọng hơi hoá học [5, 52]. Một số cấu trúc 1 chiều hình dạng của vật liệu nano ZnO
đƣợc mô tả trong hình 1.5.

Hình 1. 5 Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano [41]

21


Vũ Y Doãn 2016
Các cấu trúc nano một chiều ZnO thể hiện đƣợc nhiều những tính chất mới,
ƣu việt đã thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và đã
có nhiều ứng dụng nhƣ: chế tạo pin mặt trời [34, 35], cảm biến sinh học [17], cảm

biến khí [31], vật liệu quang [41].

3.2. Cảm biến miễn dịch trên cơ sở vật liệu nano ZnO có cấu trúc một
chiều.
Cảm biến miễn dịch là một trong những cảm biến sinh học đƣợc phát triển
dựa trên sự tƣơng tác của kháng nguyên – kháng thể (antigen – antibody) sẽ làm
thay đổi tín hiệu sinh hoá dẫn đến sự thay đổi tín hiệu ra của cảm biến.
Kháng thể (antibody) là phân tử globulin miễn dịch (immunoglobulin) có
khả năng nhận biết và vô hiệu hóa các tác nhân lạ (kháng nguyên). Kháng nguyên
(antigen) là các tác nhân lạ nhƣ: vi rút, vi khuẩn, protein… khi xâm nhập vào cơ thể
vật chủ có khả năng kích thích cơ thể vật chủ tạo ra sự đáp ứng miễn dịch. Do vậy,
mỗi kháng thể chỉ có thể nhận định một loại kháng nguyên nhất định[14]. Để chế
tạo đƣợc cảm biến miễn dịch, thì cần phải cố định đƣợc kháng thể lên bề mặt cảm
biến. Hiện nay, có một số phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để cố định kháng thể
lên bề mặt cảm biến nhƣ : (1) hấp phụ vật lý, (2) liên kết cộng hóa trị, (3) ái lực sinh
học.
Do các kháng thể không thể gắn trực tiếp lên bề mặt cảm biến đƣợc nên cần
có một chất trung gian để liên kết giữa kháng thể và bề mặt cảm biến. Các hợp chất
này có thể đƣợc sử dụng nhƣ các polymer dẫn, ống nano các bon, vật liệu nano cấu
trúc 1 chiều. Nhờ những ƣu điểm nhƣ diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn điện cao,
vật liệu nano ZnO đã đƣợc nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu để chế tạo cảm biến
miễn dịch cho những ứng dụng khác nhau. Cảm biến sinh học trên cơ sở tranzitor
hiệu ứng trƣờng dây nano ZnO đã đƣợc Choi và các đồng nghiệp nghiên cứu phát
triển [4]. Ở đây, dây nano ZnO đƣợc tổng hợp bằng cách lắng đọng laser xung trong
lò chân không. Sau đó, nó đƣợc phân tán trên phiến Si bằng phƣơng pháp quay phủ.
Nghiên cứu đã chỉ ra, khi nồng độ streptavidin là 250nM thì dòng điện đạt đƣợc là
22,5nA. Giới hạn phát hiện thấp nhất là 2,5 nM. Yunseok Jang và nhóm nghiên cứu

22