Tổng hợp, khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposite fe3o4c và nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo cảm biến hydrogen peroxide và glucose

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ ĐÀI TRANG

TỔNG HỢP, KHẢO SÁT HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA
VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE Fe3O4/C VÀ NGHIÊN CỨU
ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN HYDROGEN
PEROXIDE VÀ GLUCOSE

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC VÔ CƠ
MÃ SỐ: 8.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Hà Nội – 2019


LỜI CÁM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trần Vĩnh
Hoàng và PGS. TS. Lê Hải Đăng nh ng ngƣ i thầy đã hƣớng dẫn tôi tận tình trong
suốt quá trình lựa chọn và thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Tôi xin trân trọng cám ơn các thầy cô ở khoa Hóa học, Trƣ ng Đại Học Sƣ
Phạm Hà Nội và các thầy cô ở Bộ môn Hóa Vô cơ - Đại cƣơng, Viện Kỹ thuật Hóa
học- Trƣ ng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi học tập, thực hành
nghiên cứu khoa học đ hoàn thiện luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn sự dạy
dỗ nhiệt tình tâm huyết của của các thầy cô giáo trong suốt khóa học và th i gian
làm nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè tôi đã luôn quan tâm, động viên,
giúp đỡ tôi trong suốt th i gian học tập và th i gian nghiên cứu thực hiện luận văn.
Do trình độ nghiên cứu, kỹ năng trình bày còn nhiều hạn chế và nh ng nguyên

nhân khách quan khác nên nội dung của luận văn cũng không th tránh khỏi nh ng
thiếu sót; tôi rất mong nhận đƣợc nh ng ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo, các
nhà khoa học. Tôi xin trân trọng cảm ơn.
.
Hà Nội, n à

tháng 10 năm 2019

Tác giả


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
I.

Lí do chọn đề tài ............................................................................................... 1

2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2
3. Khách th và đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................2
4. Giả thiết khoa học ...................................................................................................2
5. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................................. 2
6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3
7. Phƣơng pháp thực nghiệm ......................................................................................3
8. Đóng góp mới của luận văn ....................................................................................4
9. Cấu trúc của luận văn .............................................................................................. 4
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................5
I. Tổng quan về cảm biến sinh học .............................................................................5
I.1.1. Khái niệm cảm biến sinh học.............................................................................5
I.1.2. Lịch sử phát tri n .............................................................................................. 5
I.1.3. Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động...........................................................6

I.1.4. Tiêu chuẩn đánh giá một cảm biến sinh học.....................................................7
I.1.4.1. Độ nhạy ...........................................................................................................7
I.1.4.2. Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) ...............................................................................8
I.1.4.3. Giới hạn phát hiện (LOD) ...............................................................................8
I.1.5. Ứng dụng ..........................................................................................................9
I.1.6. Tại sao phải xác định nồng độ H2O2 ................................................................ 10
I.1.7. Tại sao phải xác định nồng độ glucose ............................................................ 12
I.1.8. Cảm biến phát hiện glucose ............................................................................12
I.1.9.1. Tổng quan về vật liệu nano từ tính Fe3O4[1] ...............................................15
I.1.9.2. Các ki u bao bọc hạt nano[1] .......................................................................16


I.1.9.3. Các ki u chế tạo hạt nano Fe3O4[1] .............................................................. 17
I.1.9.4. Phƣơng pháp Polyol[1] .................................................................................20
I.1.9.5. Phƣơng pháp phân li các tiền chất h u cơ ở nhiệt độ cao[1]........................21
I.1.9.6. Phƣơng pháp phỏng sinh học[1] ...................................................................21
I.1.9.7. Phƣơng pháp hóa siêu âm[1] ........................................................................21
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................23
II.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị dùng cho nghiên cứu ..........................................23
II.1.1. Hóa chất, vật tƣ .............................................................................................. 23
II.1.2. Dụng cụ và thiết bị .........................................................................................23
II.2. Chế tạo vật liệu nano Fe3O4 bọc cacbon (Fe3O4/C) ..........................................24
II.2.1. Quy trình chế tạo Fe3O4 ..................................................................................24
II.2.2. Quy trình chế tạo nano Fe3O4 bọc cacbon (Fe3O4/C) .....................................25
II.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác tƣơng tự enzyme HRP của vật liệu nano Fe3O4/C ..26
II.3.1. Khảo sát đặc tính xúc tác của vật liệu ............................................................ 26
II.3.2. Tối ƣu hóa điều kiện phản ứng của xúc tác nano Fe3O4/C ............................. 27
II. 4. Ứng dụng vật liệu nano Fe3O4/C đ chế tạo cảm biến phân tích H2O2 theo
phƣơng pháp so màu .................................................................................................28
II.4.1. Khảo sát độ chọn lọc của cảm biến H2O2 .......................................................28

II.4.2. Xây dựng đƣ ng chuẩn phân tích H2O2 .........................................................28
II. 5. Ứng dụng vật liệu nano Fe3O4/C đ chế tạo cảm biến sinh học phân tích
glucose theo phƣơng pháp so màu ............................................................................29
II.6. Các phƣơng pháp xác định cấu trúc và từ tính của vật liệu .............................. 29
II.6.1. Phƣơng pháp kính hi n vi điện tử truyền qua(TEM) .....................................29
II.6.2.Phƣơng pháp phổ hấp thụ electron UV- Vis: ..................................................30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 33
III.1. Kết quả tổng hợp vật liệu Fe3O4/C và Fe3O4 ...................................................33
III.2. Các đặc trƣng của vật liệu nano Fe3O4 bọc cacbon (nano Fe3O4/C) .............33


III.2.1. Kết quả phân tích XRD ................................................................................33
III.2.2 Kết quả phân tích ảnh TEM ..........................................................................35
III.2.3. Kết quả VSM ................................................................................................ 36
III.3. Nghiên cứu khả năng xúc tác của vật liệu........................................................38
III.3.1. Nghiên cứu phản ứng xúc tác và các phản ứng đối chứng ...........................38
III.3.2. Khảo sát điều kiện chế tạo ảnh hƣởng đến hoạt tính xúc tác của hạt nano
Fe3O4 40
III.3.4. Đƣ ng chuẩn cảm biến H2O2 và xác định hằng số động học (Km) của các
loại xúc tác ................................................................................................................45
III.4. Ứng dụng chế tạo cảm biến so màu phân tích H2O2 ........................................47
III.5. Ứng dụng chế tạo cảm biến glucose ................................................................ 48
III.5.1. Thí nghiệm control ........................................................................................49
III.5.2.Thí nghiệm độ chọn lọc Glucose của vật liệu FeC 15 ..................................51
KẾT LUẬN ...............................................................................................................53
HƢ NG NGHI N CỨU TIẾP THEO .....................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................55
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LI N QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ...........................60

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết đầy đủ và dịch ra tiếng Việt

Nghĩa tiếng Việt

GOx

Glucose Oxidase

Enzym oxi hóa glucozo

HRP

Horseradish peroxidase

Một loại enzym peroxidase

TMB

3,3’,5,5’-tertramethylbenzidine

3,3’,5,5’-tertramethylbenzidine

DNA

Deoxyribonucleic acid

DNA

EG

Ethylenglycol

Ethylenglycol

PEG

Poly ethylenglycol

Poly ethylenglycol

Css

-

Nồng độ so sánh

Cup

N-nitrosophenylhydroxylamine

N-nitrosophenylhydroxylamine

NPs

Nanoparticles

Hạt nano

IDF

International Diabetes Federation

Liên đoàn đái tháo đƣ ng quốc tế

IUPAC

International Union of Pure and

Theo Hiệp hội quốc tế về hóa học

Applied Chemistry

thuần túy và ứng dụng

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Từ kế mẫu rung

UV-Vis

Ultraviolet–visible spectroscopy

Quang pổ hấp thụ tử ngoại khả kiến

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hi n vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscope

Kính hi n vi điện tử truyền qua

PBS

Phosphate Buffered Saline

Dung dịch muối đệm Phosphate

CHHBM

-

Chất hoạt hóa bề mặt

DANH MỤC BẢNG

Bảng II.1 Thành phần chế tạo mẫu ..........................................................................25
Bảng II.2: Nồng độ tƣơng ứng với mật độ quang A .................................................31
Bảng III.1: Kích thƣớc tinh th trung bình DXRD, hằng số mạng (a) xác định từ phổ
XDR và kích thƣớc hạt xác định từ ảnh TEM (DTEM). ..........................................35
Bảng III.2. Thí nghiệm control .................................................................................49


DANH MỤC HÌNH
Hình I.1. Mô hình cảm biến glucose thế hệ đầu tiên. .................................................6
Hình I.2. Đầu dò sinh học (là một enzyme cụ th ) tƣơng tác với chất phân tích. ......7
Hình I.3. Sơ đồ mô phỏng quá trình oxy hóa TMB của H2O2 . ................................ 11
Hình I.4. (a) Cơ chế hoạt động của cảm biến quang xác định nồng độ glucose sử
dụng 2 enzyme, (b) Các phản ứng xảy ra và (c) cƣ ng độ màu tỷ lệ với nồng độ
glucose trong mẫu, trƣ ng hợp màu hồng của hệ 4-AAP/phenol. ............................ 13
Hình I.5. Sơ đồ phản ứng của phƣơng trình I.7 và I.8 đ phát hiện glucose theo
phƣơng pháp điện hóa[20]. .......................................................................................14
Hình I.6. Hình dạng đi n hình của các ti u cầu có chứa hạt nano. ..........................17
Hình I.7. Cơ chế hình thành và phát tri n hạt nano trong dung dịch. ......................18
Hình I.8. Nhũ tƣơng nƣớc trong dầu và dầu trong nƣớc. ........................................19
Hình I.9. Cơ chế hoạt động của phƣơng pháp vi nhũ tƣơng. ...................................20
Hình II.1: Quy trình cụ th chế tạo vật liệu Fe3O4 ....................................................26
Hình II.2:Cấu trúc nguồn phát điện tử trong TEM ...................................................30
Hình II.3 : Cấu trúc cắt ngang của thấu kính từ ........................................................30
Hình II.4: Máy đo UV- Vis Agilent 8453 ở ĐH Bách Khoa Hà Nội ......................32
Hình III. 1 (a) Bƣớc tổng hợp nano Fe3O4; (b) bƣớc tổng hợp nano Fe3O4/C và (c)
mẫu bột nano Fe3O4/C (1:1) thu đƣợc với 2 hình chèn là ảnh TEM của nano Fe3O4;
và nano Fe3O4/C ........................................................................................................33
Hình III.2: Phổ XRD của (a) Fe3O4 ; (b) FeC11; (c) FeC12 .....................................34

Hình III.3. Ảnh TEM của Fe3O4 và ảnh TEM của FeC11 với độ phóng đại khác
nhau. ..........................................................................................................................36
Hình III.4. Phổ VSM của Fe3O4 và Fe3O4/C với lƣợng glucose khác nhau .............38
Hình III.5. Phổ UV-Vis ghi theo th i gian của các hệ phản ứng: (a) FeC 15 + TMB,
(b) TMB + H2O2; (c) TMB + H2O2 + FeC15; (d) So sánh phổ UV-Vis của 3 trƣ ng
hợp a,b,c sau 30 phút phản ứng; (e) Ba đƣ ng phổ độ hấp thụ quang A của các phản
ứng theo th i gian......................................................................................................39
Hình III.6 (a)Phổ UV- Vis của mẫu vật liệu FeC 10 (không thủy nhiệt) với nồng độ
H2O2 là 0.1mM so với mẫu chuẩn, (b) Phổ UV- Vis của mẫu vật liệu FeC 10( rửa
về pH trung tính sau đó thủy nhiệt) với nồng độ H2O2 là 0.1mM so với mẫu chuẩn,
(c) Phổ UV- Vis của mẫu vật liệu FeC 10(pH ở khoảng 9 sau đó thủy nhiệt) với
nồng độ H2O2 là 0.1mM so với mẫu chuẩn, (d) Đồ thị so sánh hoạt tính gi a 3 mẫu
vật liệu Fe3O4 ở các điều kiện khác nhau ..................................................................40


Hình III.7a : Phổ UV-Vis của hệ H2O2 + TMB + FeC15 khi nhiệt độ phản ứng thay
đổi, (b) Kết quả độ hấp thụ A tính từ các phổ tƣơng ứng (a). ...................................42
Hình III.8: (a)Phổ UV-Vis của hệ H2O2 + TMB + FeC15 khi pH phản ứng thay đổi,
(b) Kết quả độ hấp thụ A tính từ các phổ tƣơng ứng(c). ...........................................43
Hình III.9a: Phổ UV-Vis của hệ H2O2 + TMB + FeC15 khi nồng độ xúc tác phản
ứng thay đổi,(b) Kết quả độ hấp thụ A tính từ các phổ tƣơng ứng (a)......................44
Hình III.10: Phổ UV-Vis của hệ phản ứng H2O2 + TMB + FeC 15 với (a) là xúc tác
FeC15 và (b) FeC17. .................................................................................................45
Hình III.11. (a) Đồ thị v-C và (b) đồ thì theo phƣơng trình Lineweaver-Burk của
xúc tác FeC15, (c) giá trị Km của các loại FeC nghiên cứu đƣợc và (d) giá trị Vm
của các hệ xúc tác. .....................................................................................................46
Hình III.12: Phổ UV-Vis của hệ FeC15 + TMB khi có mặt các cơ chất H2O2;
lactose; saccarose và axit ascorbic ............................................................................47
Hình III.13: Đƣ ng quan hệ tuyến tính gi a A và nồng độ H2O2 của hai hệ xúc tác
FeC 15 và FeC 17 ......................................................................................................48

HìnhIII.14. Cơ chế của cảm biến glucose sử dụng FeC 15 thay thế enzyme HRP ..49
Hình III.15: (a) Phổ UV- Vis chứng minh vai trò của GOx và glucose,(b) Phổ UVVis chứng minh vai trò của môi trƣ ng, (c) Đồ thị đƣợc suy ra từ phổ (a), (d) Đồ thị
đƣợc suy ra từ phổ (b) ............................................................................................... 50
Hình III.16. (a) Phổ UV- Vis độ chọn lọc glucose so với các chất Absobic acid,
Lactozo, Sacarozo với cùng nồng độ 0.5mM, (b) Đồ thị ghi tín hiệu cảm biến của
thí nghiệm độ chọn lọc của glucose so với các chất asorbic acid, lactose, sacarose
với cùng nồng độ 0.5mM. .........................................................................................51


MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài
Cảm biến sinh học đã đƣợc ứng dụng trong thực tế xét nghiệm và chẩn đoán lâm
sàng nhƣ các que thử đƣ ng máu, axit uric, hay cholesterol; hay các que thử thai,
xét nghiệm DNA, xét nghiệm sàng lọc ung thƣ là các cảm biến sinh học đi n hình.
Ngày này, ứng dụng cảm biến sinh học rất rộng lớn và đa dạng, không chỉ đ xét
nghiệm và chẩn đoán lâm sàng mà còn ki m soát an toàn thực phẩm, ki m soát môi
trƣ ng, phát hiện ma túy, cocain…Trong khi đó nghiên cứu về cảm biến sinh học ở
Việt Nam còn rất ít.
Bệnh ti u đƣ ng là một trong nh ng căn bệnh nguy hi m mang tính th i đại
theo Liên đoàn Đái tháo đƣ ng quốc tế (International Diabetes Federation- IDF)
ƣớc tính năm 2010 có khoảng 344.000.000 ngƣ i bị ti u đƣ ng và có th tăng lên
đến trên 600.000.000 vào năm 2030. Điều đáng tiếc là đã quá nhiều ngƣ i không hề
biết mình đang bị mắc bệnh ti u đƣ ng vì bệnh này phát tri n âm thầm và khó nhận
biết. Đ theo dõi và phát hiện sớm bệnh ti u đƣ ng, phƣơng pháp duy nhất là theo
dõi nồng độ glucose trong máu. Hiện có phƣơng pháp xét nghiệm sinh hóa ở bệnh
viện hoặc máy đo đƣ ng huyết cá nhân đều có th dùng. Cả hai phƣơng pháp này
đều dùng hệ 2 enzyme là glucose oxidase (GOx) có chức năng oxi hóa glucose tạo
ra axit gluconic và giải phóng H2O2, và enzyme horseradish peroxidase (HRP) có
chức năng xúc tác phân hủy H2O2 đ oxi hóa chất chỉ thị đ thu tín hiệu màu, qua
cƣ ng độ màu của chỉ thị sẽ biết nồng độ glucose cao hay thấp. Trong đó HRP là

enzyme rất nhạy với ánh sáng, gặp ánh sáng nó sẽ bất hoạt, enzyme này cũng nhạy
cảm với nhiệt độ, pH cũng nhƣ các ion trong hệ phân tích. Do đó có nhiều công
trình trên thế giới nghiên cứu các vật liệu vô cơ có hoạt tính xúc tác có th thay thế
enzyme HPR đ hiện màu do có độ bền tốt hơn, sử dụng dễ dàng hơn HRP.
Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu về tổng hợp và các đặc tính của
các vật liệu nano, tham khảo các ứng dụng hoạt tính xúc tác tƣơng tự enzyme
peroxidase của một số hệ vật liệu nano, khảo sát các đối tƣợng cảm biến sinh học và
tiềm năng ứng dụng của chúng, chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp, khảo sát hoạt
tính xúc tác của vật liệu nanocomposite Fe3O4/C và nghiên cứu ứng dụng trong
chế tạo cảm biến hydrogen peroxide và glucose” với mục đích nghiên cứu hoạt
1


tính xúc tác bắt chƣớc enzyme HRP của vật liệu nanocomposite Fe3O4/C đ từ đó
thiết kế cảm biến so màu xét nghiệm H2O2 cũng nhƣ kết hợp với enzyme glucose
oxidase đ chế tạo ra cảm biến sinh học so màu đ phát hiện glucose. Kết quả thu
đƣợc có nhiều ứng dụng trong thực tế nhƣ ki m soát hàm lƣợng glucose trong thực
phẩm hay ki m tra nồng độ glucose trong máu…
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng đƣợc quy trình tổng hợp vật liệu vật liệu nanocomposite Fe3O4/C
bằng phƣơng pháp thủy nhiệt và khảo sát các hoạt tính xúc tác tƣơng tự enzyme
horseradish peroxidase (HRP) của chúng, từ đó ứng dụng chế tạo cảm biến H2O2 và
kết hợp với enzyme glucose oxidase (GOx) đ chế tạo ra bộ cảm biến so màu xét
nghiệm glucose.
3. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
- Vật liệu tạo cấu trúc lõi vỏ Fe3O4/C
- Nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo cảm biến hydrogen peoxide và glucose
4. Giả thiết khoa học
Khảo sát từ tính của loại vật liệu có cấu trúc lõi vỏ Fe3O4/C và ứng dụng trong
chế tạo cảm biến hydrogen peoxide và glucose

5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Các nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu chính của luận văn gồm:
(1i) Chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/C có cấu trúc lõi vỏ bằng phƣơng
pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt
(2i) Khảo sát các tính chất hóa - lý của vật liệu: XRD, TEM/SEM, FT-IR,
VSM...
(3i) Thay đổi tỷ lệ khối lƣợng Fe3O4 và glucose đ chế tạo ra vật liệu Fe3O4/C
với chiều dày lớp vỏ khác nhau (1:0; 1:1; 1:3; 1:5; 1:10; 1:20).
(4i) Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu trên hệ TMB-H2O2-Fe3O4/C đ ứng
dụng chế tạo cảm biến H2O2 dựa trên cơ sở phản ứng:
(I.1)

2


- Xác định các thông số cảm biến H2O2: khoảng tuyến tính; độ chọn lọc; giới
hạn phát hiện.
(5i) Khảo sát ảnh hƣởng của chiều dày lớp vỏ C lên hoạt tính xúc tác (các hệ
đã nêu ở trên). Tính toán các thông số của xúc tác (Km, Vmax) thông qua phƣơng
trình Michaelis-Menten:
(I.2)

Các thông số này đƣợc xác định thông qua cách khảo sát các thí nghiệm động
học của H2O2 và TMB khi sử dụng xúc tác Fe3O4/C. Cố định nồng độ một chất và
thay đổi nồng độ chất còn lại, từ đó tính đƣợc các giá trị Km, Vmax của các hệ vật
liệu.
(6i) Lựa chọn hệ vật liệu có nhiêu ƣu đi m nhất (Km bé, bền, ổn định…) đ
ứng dụng chế tạo cảm biến H2O2;
(7i) Phát tri n cảm biến glucose dựa trên kết quả cảm biến H2O2: thay vì dùng
H2O2 trực tiếp sẽ sử dụng cảm biến đ phát hiện H2O2 từ phản ứng sinh hóa gi a

glucose và enzyme glucose oxidase (GOx) theo phản ứng (3). Thông qua nồng độ
H2O2 sẽ xác định đƣợc nồng độ glucose trong mẫu.
(I.3)
6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: hoạt tính xúc tác tƣơng tự enzyme horseradish
peroxidase (HRP) của vật liệu nanocomposite Fe3O4/C trong hệ TMB+ H2O2.
- Phạm vi nghiên cứu: cảm biến so màu phát hiện H2O2 và cảm biến so màu
phát hiện glucose. Sau đó áp dụng hệ cảm biến xét nghiệm nồng độ H2O2; nồng độ
glucose trong một số mẫu thực.
7. Phƣơng pháp thực nghiệm
- Chế tạo vật liệu nanocomposite Fe3O4/C có cấu trúc lõi vỏ bằng phƣơng
pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt.
- Các phƣơng pháp phân tích :

3


+ Phƣơng pháp xác định cấu trúc của vật liệu: Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
(RXD), phƣơng pháp phổ UV-Vis , phƣơng pháp tán xạ năng lƣợng tia X (EDX).
+ Phƣơng pháp xác định đặc trƣng vật liệu : Phƣơng pháp kính hi n vi điện
tử quét (SEM), phƣơng pháp kính hi n vi điện tử truyền qua (TEM).
8. Đóng góp mới của luận văn
Chế tạo đƣợc vật liệu mới có cấu trúc lõi vỏ Fe3O4/C nanocomposite có hoạt
tính tƣơng tự enzyme peroxidase HRP có th ứng dụng đ chế cảm biến phát hiện
và phân tích hidrogen peroxide và glucose.
9. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm các phần chính sau:
- Mở đầu.
- Chƣơng 1: Tổng quan
- Chƣơng 2: Thực nghiệm

- Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận.
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

4


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
I. Tổng quan về cảm biến sinh học
I.1.1. Khái niệm cảm biến sinh học
Theo Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng (International Union of Pure and
Applied Chemistry-IUPAC) năm 1999 định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là một
thiết bị tích hợp có khả năn cun cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng
đặc trưn , bao ồm 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”[8]. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng
đặc hiệu chẳng hạn gi a enzyme đầu dò với cơ chất là chất cần phần tích hay kháng th
(antibody) đầu dò với kháng nguyên là các virus, protein, các phân tử cần phân tích….
Trên cơ sở các phản ứng đặc hiệu này khi xảy ra sẽ làm thay đổi tính chất
quang/điện/cơ/nhiệt của bộ phận chuy n đổi sau đó tín hiệu sẽ đƣợc đƣa qua bộ phận xử lý
tín hiệu và hi n thị kết quả đo.

I.1.2. Lịch sử phát triển
Năm 1956, giáo sƣ Leland C. Clark đã xuất bản bài báo của ông về việc phát
tri n một máy dò lƣợng oxy[12] hòa tan trong máu. Trên cơ sở đó, ông đã mở rộng
phạm vi nghiên cứu và vào năm 1962, tại Hội nghị chuyên đề tại Học viện Khoa
học New York, ông đã mô tả cách tiến hành một cảm biến điện hóa phát hiện
glucose bằng cách cố định enzyme glucose oxidase trên điện cực oxy [16].

Năm 1967, Updike và Hicks sử dụng thuật ng điện cực enzyme đ mô tả một
thiết bị tƣơng tự [35]. Enzyme glucose oxidase (GOx) đƣợc cố định trong gel
polyacrylamide, sau đó phủ lên bề mặt một điện cực oxy đ xác định nhanh chóng
và định lƣợng glucose.

5


Hình I.1. Mô hình cảm biến glucose thế hệ đầu tiên.
Năm 1969, Guilbault và Montalvo sử dụng các điện cực thủy tinh đ đo nồng
độ ure bằng phƣơng pháp potentiometric[15] .
Bắt đầu từ năm 1970, một số tác giả khác đã chứng minh khái niệm
“biosensors” là sự kết hợp của một bộ phận chuy n đổi tín hiệu với một enzyme.
Trong khoảng th i gian đó đối với lĩnh vực điện hóa, cách nghiên cứu về điện
cực chọn lọc ion (ISE) rất đƣợc chú trọng và có ý tƣởng mở rộng phạm vi của cảm
biến đối với các hợp chất không mang điện và thậm chí là các chất không chứa ion
nhƣ glucose. Giáo sƣ G. Rechnitz đã phát tri n một cảm biến “amygdaline” dựa trên
sự ghép nối các điện cực chọn lọc ion (cyanide ISE) với betaglucosidase đ tạo
thành benzaldehit và xianua.
Ngày nay, cảm biến sinh học đã đƣợc mở rộng ra với nhiều loại đầu dò sinh
học nhƣ chuỗi DNA, các loại enzyme khác nhau, các loại kháng th (antibody) hay
các chuỗi protetin, các chuỗi peptit… hoặc đƣợc mở rộng ra cho nhiều loại bộ phận
chuy n đổi (transducer) khác nhau trên nền tảng tín hiệu điện, tín hiệu quang hay cơ
học.
I.1.3. Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động
Cấu tạo của một bộ cảm biến sinh học bao gồm hai bộ phận chính:
Bộ phận nhận biết: Có thành phần là các phần tử sinh học, đó là các enzyme,
chúng tƣơng tác với các phân tử chất phân tích và tạo ra sự thay đổi vật lý có th
đƣợc phát hiện bởi đầu dò.
Bộ phận chuy n đổi tín hiệu: Bao gồm bộ phận khuếch đại, xử lý và hi n thị

tín hiệu. Bộ phận chuy n đổi tín hiệu có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu thay đổi khi
6


phân tử chất phân tích tƣơng tác với thành phần sinh học, sau đó chuy n đổi,
khuếch đại và hi n thị.
Đầu dò sinh học (là một enzyme cụ th ) tƣơng tác với chất phân tích, từ đó
sinh ra phản ứng. Khi phản ứng xảy ra, chất phân tích đƣợc chuy n thành sản phẩm
có liên quan đến việc giải phóng nhiệt, điện tử, ion… Bộ phận chuy n đổi tín hiệu
chuy n đổi nh ng sản phẩm của phản ứng này thành một dạng tín hiệu nhƣ tín hiệu
nhiệt, dòng điện, điện thế, ánh sáng và đƣợc nhận biết thông qua các thiết bị nhiệt,
quang học hay điện hóa học. Các tín hiệu này sau đó đƣợc xử lý, khuếch đại đ hi n
thị hoặc đƣợc lƣu tr đ phân tích. Hiệu suất của các cảm biến sinh học chủ yếu phụ
thuộc vào độ đặc hiệu và độ nhạy của phản ứng sinh học, bên cạnh đó là sự ổn định
của enzyme

Hình I.2. Đầu dò sinh học (là một enzyme cụ thể) tương tác với chất phân tích.
I.1.4. Tiêu chuẩn đánh giá một cảm biến sinh học
Một cảm biến sinh học dù theo phƣơng pháp đo nào cũng cần có các chỉ số đ
đánh giá chất lƣợng của chúng, bao gồm các đặc tính sau:
I.1.4.1. Độ nhạy
Đối với cảm biến tuyến tính, gi a biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào
Δm có sự liên hệ tuyến tính:
Δs = S.Δm

(I.4)

Trong đó: Đại lƣợng S xác định bởi bi u thức, đƣợc gọi là độ nhạy của cảm
biến.Trƣ ng hợp tổng quát, bi u thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số gi a biến thiên Δs của đại lƣợng đầu ra

7


và biến thiên Δm tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó. Đ phép
đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy
S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó,
- Th i gian sử dụng,
- Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo) của
môi trƣ ng xung quanh. Thông thƣ ng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S
tƣơng ứng với nh ng điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.
I.1.4.2. Độ chọn lọc (độ đặc hiệu)
Độ đặc hiệu của một xét nghiệm là tỷ lệ nh ng trƣ ng hợp thực sự không có
bệnh và có kết quả xét nghiệm âm tính trong toàn bộ các trƣ ng hợp không bị bệnh.
Độ đặc hiệu đƣợc tính theo công thức sau:
Độ đặc hiệu = Số trƣ ng hợp âm tính thật/(số trƣ ng hợp âm tính thật + số trƣ ng
hợp dƣơng tính giả)

(I.5)

Đối với một xét nghiệm đ xác định xem ai mắc bệnh nào đó, độ đặc hiệu
100% có nghĩa là toàn bộ nh ng ngƣ i khỏe mạnh (không mắc bệnh) đƣợc xác định
là khỏe mạnh. Một mình độ đặc hiệu không cho chúng ta biết toàn bộ về xét nghiệm
bởi vì 100% độ đặc hiệu có th có đƣợc một cách thông thƣ ng bằng việc gán cho
toàn bộ các trƣ ng hợp kết quả xét nghiệm âm tính. Chính vì vậy, chúng ta cần phải
biết thêm về độ nhạy của xét nghiệm.
I.1.4.3. Giới hạn phát hiện (LOD)
Giới hạn phát hiện (hay còn gọi là limit of detection – LOD) là giới hạn dƣới
về nồng độ mà cảm biến có th nhận biết đƣợc sự có mặt của chất cần phân tích với
mẫu trắng (mẫu không có mặt chất cần phân tích hoặc chất cạnh tranh). Thông

thƣ ng LOD đƣợc tính theo công thức[35]:
ALOD = ̅

+ 3.ϭblank

(I.6)

8


Trong đó: ALOD – tín hiệu mẫu ứng với nồng độ thấp nhất mà cảm biến có
th phát hiện (LOD); ̅

- tín hiệu trung bình của mấu trắng; và ϭBlank - sai số

tuyệt đối của mẫu trắng. Sai số này đƣợc tính theo công thức:
√

̅

∑

(I.7)

Với : N- số thí nghiệm với mẫu trắng, đ có ý nghĩa thống kê tốt thì N phải
lớn (thƣ ng N>5) ;

– là tín hiệu mẫu trắng thứ i. Với giá trị ALOD tính toán

đƣợc, nội suy hoặc ngoại suy từ đƣ ng chuẩn ta tính toán đƣợc giá trị LOD.

Ngoài ra cảm biến sinh học cần có thêm các tính chất khác nhƣ: Độ bền, độc
lập, tính lặp lại, dễ sử dụng và vận chuy n…
I.1.5. Ứng dụng
Bộ cảm biến sinh học đƣợc ứng dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực khác
nhau của đ i sống nhƣ chuẩn đoán lâm sàng y sinh học, trong lĩnh vực quân sự,
ki m soát quá trình lên men hay sản xuất và phân tích dƣợc phẩm, thực phẩm…[22]
Trong y học: Các cảm biến đã đƣợc sử dụng trong các xét nghiệm chẩn đoán
khác nhau. Ngày nay, cảm biến sinh học là một thiết bị hỗ trợ đắc lực trong chuẩn
đoán và phát hiện sớm nhiều loại bệnh, đặc biệt là các bệnh ung thƣ, ti u đƣ ng, mỡ
máu…
Ứng dụng trong công nghiệp: Các quy trình sản xuất khác nhau có th đƣợc
giám sát bởi các bộ cảm biến sinh học đ hỗ trợ nâng cao chất lƣợng và số lƣợng
các sản phẩm thu đƣợc nhƣ trong sản xuất dƣợc phẩm, thực phẩm.
Ứng dụng trong việc xử lý môi trƣ ng: Đo lƣ ng đƣợc mức độ độc hại của sự
nhiễm bẩn nguồn nƣớc, các tài nguyên thiên nhiên…đ xác định đƣợc hƣớng xử lý.
Ứng dụng quân sự: giúp phát hiện thuốc nổ. Một đột phá trong nghiên cứu
cảm biến sinh học đƣợc ứng dụng đó là sản xuất một sản phẩm đƣợc gọi là “smart
skin”. Nó là một loại cảm biến sinh học phát hiện ra bất kỳ cuộc tấn công hóa học
hoặc sinh học nào gần đó và cảnh báo ngƣ i sử dụng.

9


I.1.6. Tại sao phải xác định nồng độ H2O2
H2O2 là sản phẩm phụ của một số quá trình sinh học và cũng có th là nguồn
gốc của nhiều gốc tự do. Nó là một hợp chất thiết yếu trong y học, sinh học, công
nghiệp thực phẩm, v.v. Vì vậy, việc phát tri n và chế tạo các thiết bị đơn giản, rẻ,
nhanh, nhạy và chính xác đ phát hiện H2O2 là rất quan trọng và một số cảm biến
nhƣ vậy đã đƣợc báo cáo [37]. Hydrogen peroxide đƣợc sản xuất thông qua phản
ứng xúc tác của số lƣợng lớn các oxyase. Nó rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực

nhƣ sản xuất thực phẩm, tẩy trắng giấy, bột giấy, lâm sàng, hóa học, sinh học, khử
trùng, v.v. Hơn n a, do hoạt động oxy hóa mạnh mẽ của nó, nó đƣợc sử dụng trong
quá trình tổng hợp nhiều hợp chất h u cơ. Do đó, việc theo dõi và xác định hydro
peroxide thực sự quan trọng [26]. Phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) có ý nghĩa
lớn vì các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và vai trò quan trọng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau nhƣ phân tích môi trƣ ng, thực phẩm, dƣợc phẩm và lâm sàng.
[4] Hơn n a, H2O2 có liên quan đến một số quá trình sinh học và con đƣ ng nội
bào. Nó là một sản phẩm phụ chuy n hóa oxy phản ứng, đóng vai trò là chất điều
hòa chính cho một số trạng thái liên quan đến stress oxy hóa liên quan đến một số
bệnh. Do đó, việc xác định nhanh chóng và chính xác hydrogen peroxide có tầm
quan trọng thiết thực trong các lĩnh vực khác nhau nhƣ phân tích thực phẩm, lâm
sàng và môi trƣ ng. Mặt khác, phân tích H2O2 cũng rất quan trọng trong nhiều lĩnh
vực nhƣ thực phẩm, phòng thí nghiệm, công nghiệp, môi trƣ ng cũng nhƣ phân tích
dƣợc phẩm. Định lƣợng H2O2 đƣợc thực hiện dựa trên phản ứng gi a H2O2 và
3,3’,5,5’-tertramethylbenzidine (TMB) đƣợc tiến hành dƣới sự xúc tác của enzyme
peroxidase (đi n hình là horseradish peroxid - HRP) đ sinh màu xanh đặc trƣng
của TMB ở trạng thái oxi hóa theo phản ứng (I.8), cƣ ng độ của màu xanh tỷ lệ với
nồng độ H2O2:
→

(I.9)

10


Hình I.3. Sơ đồ mô phỏng quá trình oxy hóa TMB của H2O2 .
Ngoài ra, H2O2 là sản phẩm phụ của phản ứng sinh hóa dƣới sự xúc tác của
enzyme đ chuy n hóa cơ chất, chẳng hạn: glucose bị enzyme glucose oxidase
(GOx) oxi hóa thành gluconic acid và hydrogen peoxide (H2O2 ) theo phản ứng (I.9)
(I.9)

Hay cholesterol bị enzyme cholesterol oxidase (ChOx) oxi hóa thành cholest-4-en3-one và giải phóng ra H2O2 theo phƣơng trình (I.10)
→

(I.10)

Vì vậy, ngƣ i ta định lƣợng hydrogen peoxide ( H2O2 ) rồi từ đó suy ra nồng
độ glucose hay cholesterol tƣơng ứng, đây cũng là phƣơng pháp xét nghiệm sinh
hóa hiện nay. Vì vậy định lƣợng hydrogen peoxide (H2O2) trong khoảng nồng độ vi
lƣợng là rất quan trọng đ theo dõi các chỉ số sinh hóa quan trọng nhƣ glucose,
cholesterol .[ 38, 39]
Trong cơ chế phản ứng xét nghiệm hydrogen peoxide ( H2O2 ) theo phản ứng
(I.4) bắt buộc phải có enzyme HRP xúc tác thì phản ứng mới nhanh và có hiệu quả.
Tuy nhiên enzyme HRP dễ bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ, ánh sáng hay pH,…dẫn đến
việc mất hoạt tính. Do đó việc nghiên cứu sử dụng các hạt nano vô cơ hoạt động ổn
định hơn, bền hơn, dễ bảo quản hơn và có hoạt tính xúc tác cao hơn đ thay thế cho
enzyme HRP là hƣớng quan trọng cho các ứng dụng sinh học và cảm biến sinh học.
Một số báo cáo cho thấy các vật liệu cacbon nhƣ chấm nano cacbon [39] , graphene
oxit [30], hạt nano Pt [18] ,các oxit nhƣ FeWO4 [31], FeOOH/N-doped carbon
nanosheets [4] cũng có hoạt tính xúc tác tốt tƣơng tự enzyme peroxidase và có tri n
vọng thay thế HRP trong cảm biến sinh học.

11


I.1.7. Tại sao phải xác định nồng độ glucose
Bệnh ti u đƣ ng là một trong nh ng căn bệnh nguy hi m mang tính th i đại
nhất hiện nay. Theo Liên đoàn Đái tháo đƣ ng quốc tế, ƣớc tính hiện có khoảng
344.000.000 ngƣ i bị ti u đƣ ng và có th tăng lên đến 472.000.000 vào năm 2030.
Điều đáng tiếc là đã quá nhiều ngƣ i không hề biết mình đang bị mắc bệnh ti u
đƣ ng vì bệnh này phát tri n âm thầm và khó nhận biết. Đ theo dõi và phát hiện

sớm bệnh ti u đƣ ng, phƣơng pháp duy nhất là theo dõi nồng độ glucose trong máu.
Hiện có phƣơng pháp xét nghiệm sinh hóa ở bệnh viện hoặc máy đo đƣ ng huyết cá
nhân đều có th dùng. Cả hai phƣơng pháp này đều dùng hệ 2 enzyme là (i) glucose
oxidase (GOx) có chức năng oxi hóa glucose tạo ra axit gluconic và giải phóng
hydrogen peoxide (H2O2), và (iii) enzyme peroxidase horseradish peroxidase (HRP)
có chức năng xúc tác phân hủy H2O2 đ oxi hóa chất chỉ thị đ thu tín hiệu màu, qua
cƣ ng độ màu của chỉ thị sẽ biết nồng độ glucose cao hay thấp[16, 17].
Trong các cảm biến sinh học, cảm biến xét nghiệm glucose đƣợc phát tri n đa
dạng nhất do nhu cầu rất lớn và hơn n a phát hiện glucose không chỉ ở trong máu
mà còn có th ở nƣớc ti u; mồ hôi; nƣớc bọt; nƣớc mắt…Có nhiều công trình trên
thế giới nghiên cứu các vật liệu vô cơ có hoạt tính xúc tác có th thay thế enzyme
HPR đ hiện màu do có độ bền tốt hơn, sử dụng dễ dàng hơn HRP. Chẳng hạn
Wang đã phát hiện thấy Fe3O4 NPs có th hoạt động nhƣ enzyme HRP đ phát hiện
H2O2 và glucose [4, 5].
I.1.8. Cảm biến phát hiện glucose
Hiện nay, việc xét nghiệm nồng độ glucose chủ yếu là theo phƣơng pháp so
màu sử dụng hệ 2 enzyme, enzyme đặc chủng và enzyme thứ cấp. Nguyên lý của
phƣơng pháp là sử dụng enzyme đặc chủng nhƣ glucose oxidase (ký hiệu là GOx)
đ xác định nồng độ glucose. Các enzyme đặc chủng này tƣơng ứng sẽ oxy hoá
glucose trong mẫu lần lƣợt thành gluconic acid và giải phóng peroxide hydrogen
(H2O2) (theo phƣơng trình I.5). Sau đó peroxide hydrogen tạo thành bị enzyme thứ
cấp, đó là các enzyme peroxidase (POD) (thƣ ng sử dụng enzyme horseradish
peroxidase -HRP) đ phân huỷ H2O2 và giải phóng oxy nguyên tử. Oxy giải phóng
ra ở dạng nguyên tử sẽ oxy hoá chất chỉ thị 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB)
đ tạo ra sản phẩm dạng oxi hóa có màu xanh đặc trƣng, hoặc hệ chỉ thị 4 –
12


aminophenzon (4-AAP)/phenol khi phản ứng với H2O2 dƣới sự xúc tác của HRP sẽ
tạo ra chất quinonimin có màu đỏ hồng (hình I.4c). Cƣ ng độ màu tỷ lệ thuận với

nồng độ glucose trong mẫu. Hình I.4a mô tả cơ chế phát hiện glucose sử dụng
enzyme GOx kết hợp với enzyme peroxidase và chỉ thị màu 4 – aminophenzon (4AAP).

(b)

(c)

Hình I.4. (a) Cơ chế hoạt động của cảm biến quang xác định nồng độ glucose sử
dụng 2 enzyme, (b) Các phản ứng xảy ra và (c) cường độ màu tỷ lệ với nồng độ
glucose trong mẫu, trường hợp màu hồng của hệ 4-AAP/phenol.
Về cơ chế phản ứng tạo thành hydrogen peoxide (H2O2) của phản ứng gi a
glucose với GOx đã đƣợc nhiều công trình công bố. Phản ứng xảy ra dựa trên cơ
chế xúc tác của GOx cho quá trình oxy hóa D – glucose thành gluconic acid và oxy
hydroxit phân tử. Đ hoạt động nhƣ một chất xúc tác, GOx đòi hỏi một đồng phân
redoxco – flavin adenine dinucleotide (FAD), FAD hoạt động nhƣ một chất nhận
electron và bị khử thành FADH2¬ theo phản ứng (I.11):[28, 36]
Glucose + GOx – FAD+ → Glucolactone + GOx – FADH2

(I.11)

Hợp chất đƣợc tái sinh bằng cách phản ứng với oxy, dẫn đến sự hình thành
hydrogen peroxides nhƣ mô tả trên phƣơng trình I.12:.
GOx – FADH2 + O2 → GOx –FAD + H2O2

13

(I.12)


Hình I.5. Sơ đồ phản ứng của phương trình I.7 và I.8 để phát hiện glucose theo

phương pháp điện h a[20].
Bên cạnh đó, glucose cũng có th xét nghiệm dựa trên nguyên lý điện hóa mà
về nguyên lý hoạt động cũng dựa trên cơ sở các phản ứng enzyme nhƣ trên. Một bộ
kit điện hóa xác định nồng độ glucose có các thành phần gồm: máy đọc kết quả (1),
que lấy máu (2); que thử (3); hộp chứa các que thử chƣa sử dụng (4) và hộp đựng
máy (5). Một mẫu que test thử đi n hình đƣợc cấu tạo bởi các điện cực hoạt động
chính (working electrode-WE) và các điện cực thu (counter electrode-CE), điện cực
tham chiếu (Reference Electrode-RE). Nguyên lý hoạt động nhƣ sau: dòng điện
đƣợc sinh ra do quá trình oxy hóa một cách chọn lọc lƣợng đƣ ng glucose trong
mẫu máu thử cùng với hai thành phần chất xúc tác phản ứng đƣợc “tráng” sẵn bên
trong của que test thử, bao gồm enzyme GOx phản ứng trực tiếp với các phân tử
đƣ ng glucose đ tách lấy hai điện tử (electron) sẵn có của nó, và thành phần thứ 2
enzyme thứ 2 (thƣ ng là HRP) sẽ đảm nhiệm việc nhận lấy 2 điện tử đƣợc giải
phóng từ enzyme dƣới dạng đơn lẻ hay cặp đôi rồi chuy n các điện tử này đến điện
cực làm việc (working electrode-WE) đ tạo ra tín hiệu có th đo đƣợc (quá trình
này đƣợc minh họa trong( hình I.5). Việc giải phóng ra electron trên bề mặt điện
cực sẽ đƣợc thiết bị điện hóa ghi nhận thay vì sử dụng chỉ thị màu nhƣ trong
phƣơng pháp quang, cƣ ng độ dòng điện thu đƣợc tỷ lệ thuận với nồng độ các chỉ
dấu glucose và cholesterol trong mẫu. Mỗi phân tử enzyme và môi chất có th lặp đi
lặp lại quá trình dịch chuy n này nếu cần thiết.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày việc tổng hợp và hoạt tính xúc tác
nhƣ peroxidase của vật liệu Fe3O4/C (FeC15), có lõi là các hạt nano Fe3O4 và vỏ là
lớp cacbon vô định hình. Vật liệu FeC15 đƣợc tổng hợp khá đơn giản theo phƣơng
pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng chúng có hoạt
tính xúc tác mạnh hơn HRP cho phản ứng oxi hóa khử nói trên, và khắc phục đƣợc
nh ng hạn chế của HRP nhƣ đã đề cập ở trên nên có nhiều tri n vọng ứng dụng.
Trên cơ sở khả sát hoạt tính xúc tác của vật liệu FeC15, chúng tôi tiến hành khảo sát
14

khả năng ứng dụng vật liệu trong chế tạo cảm biến glucose theo phƣơng pháp so
màu bằng cách kết hợp với enzyme glucose oxidase (GOx) và chỉ thị màu TMB. Cơ
chế hoạt động sẽ theo hai bƣớc: bƣớc 1: GOx sẽ oxi hóa glucose theo phản ứng (I.5)
sinh ra H2O2, sau đó ở bƣớc 2: H2O2 này sẽ oxi hóa TMB ở dạng khử không màu
thành TMB dạng oxi hóa có màu xanh dƣới sự xúc tác của FeC15 theo phản ứng
(I.4). Qua cƣ ng độ màu xanh suy ra nồng độ glucose trong mẫu.
I.1.9.1. Tổng quan về vật liệu nano từ tính Fe3O4[1]
Oxit sắt từ Fe3O4 (magnetite) là vật liệu từ tính đầu tiên mà con ngƣ i biết đến.
Thế kỷ XII ngƣ i Trung Quốc đã sử dụng vật liệu Fe3O4 đ làm la bàn nó là một
công cụ giúp xác định phƣơng hƣớng. Trong tự nhiên oxit sắt từ đƣợc tìm thấy
trong nh ng khoáng vật và trong cơ th của một số sinh vật nhƣ: ong, mối,chim bồ
câu sự có mặt này đã tạo nên khả năng xác định phƣơng hƣớng mang tính bản năng
của chúng. Ngày nay hạt nano Fe3O4 có rất nhiều ứng dụng có giá trị nhƣ:
(1) Hạt nano từ tính Fe3O4 có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh: nhƣ
đốt từ- nhiệt bằng từ trƣ ng ngoài đ tiêu diệt tế bào ung thƣ; tăng độ tƣơng phản
khi chụp cộng hƣởng từ MRI.
(2) Ứng dụng trong công nghệ sinh học: phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn
truyền thuốc, tải thuốc hƣớng đích điều khi n bằng từ trƣ ng ngoài.
(3) Ứng dụng trong xử lý môi trƣ ng: tạo ra các vật liệu hấp phụ có khả năng
thu hồi bằng từ trƣ ng ngoài, ứng dụng đ hấp phụ các ion kim loại nặng, chất màu
h u cơ…
(4) Ứng dụng trong công nghệ thông tin: vật liệu ghi từ mật độ siêu cao
( 5) Ứng dụng làm xúc tác: nano Fe3O4 có khả năng làm xúc tác rất chọn lọc
đ chế tạo ống nano cacbon, trong các pin nhiên liệu...Ngoài ra, trong nano Fe3O4
có chứa Fe(III) nên có khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa khử theo ki u
Fenton, tuy nhiên hoạt tính sẽ thấp hơn nhiều so với dung dịch Fe(III) nên có th
ứng dụng cho các hệ cần phản ứng chọn lọc, mềm mại ki u nhƣ phản ứng sinh hóa.
Trong luận văn này chúng tôi sẽ khai thác tính chất này của chúng, tuy nhiên chúng
tôi cần bọc tiếp hạt nano Fe3O4 bằng một lớp vỏ cacbon đ hạn chế tốc độ phản ứng
qua đó nâng cao độ chọn lọc và phù hợp với tốc độ phản ứng sinh hóa.

15


I.1.9.2. Các kiểu bao bọc hạt nano[1]
Hạt nano từ tính thƣ ng đƣợc bao bọc trong một vỏ hoặc nền phi từ tính có
kích thƣớc vài trăm nm (còn gọi là các ti u cầu chứa hạt nano) đ tránh kết tụ khi
không có mặt của từ trƣ ng ngoài. Việc bao bọc nhƣ thế tạo ra một bề mặt có tính
tƣơng hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa. Việc chế tạo các ti u cầu bên trong
có kích thƣớc micro hoặc nano là một quá trình trong đó các chất ở th khí, lỏng,
rắn có chứa muối sắt đƣợc bọc bên trong các lớp vỏ tạo bởi vật liệu thứ hai (có th
là polymer h u cơ hoặc vô cơ), lớp vỏ này có tác dụng bảo vệ và cách ly vật liệu
làm lõi với môi trƣ ng đồng th i cũng quyết định các tính chất của lõi cho phù hợp
với nh ng đòi hỏi đặt ra (chẳng hạn phân ly đƣợc trong nƣớc, bền v ng trong môi
trƣ ng…). [24]Các ti u cầu (microencapsulations) có th có cấu trúc đa dạng và
gồm có các phần chính là lõi và vỏ. Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý
thuyết cho thấy có th đƣợc điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các
thông số chế tạo. Dƣới đây là một số dạng ti u cầu tiêu bi u theo lý thuyết.
Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và ki u kết cầu là hai yếu tố cơ bản đ tạo ra
các cấu trúc khác nhau của ti u cầu. Tuy nhiên trong thực tế, ti u cầu rất hiếm khi
đồng đều và hình dạng của chúng có th rất khác so với nh ng dạng đƣợc mô tả ở
trên. Lƣu ý rằng, ngoài các cấu trúc lõi - vỏ thông thƣ ng của ti u cầu còn có cấu
trúc mà trong đó các hạt nano phân bố đều bên trong một nền chất mang. Việc tạo
ra các ti u cầu có các tính chất nhƣ mong muốn và mang lại nh ng lợi ích có tính
ứng dụng trong khoa học sự sống, công nghệ sinh học, y học, dƣợc học, nông
nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, sản suất giấy…

16