(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng trong y sinh và môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN HẢI BÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA
TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2020


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

NGUYỄN HẢI BÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA
TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH
ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y-SINH VÀ MÔI TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 62.44.01.23

Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đại Lâm

Hà Nội – 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. Trần Đại Lâm. Các số liệu và kết quả chính trong luận án được công
bố trong các bài báo đã được xuất bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Hải Bình
Hướng dẫn khoa học

GS. TS. Trần Đại Lâm


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tác giả luận án xin bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn chân thành
nhất đối với sự hướng dẫn tận tình, hiệu quả cả về kiến thức, vật chất và tinh
thần của GS. TS. Trần Đại Lâm trong toàn bộ quá trình học tập NCS và thực
hiện luận án này.
Luận án này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí từ các đề tài: đề tài Nghị
định thư Việt Nam – Hàn Quốc, Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản, đề tài
Nghị định thư Việt Nam – Đài Loan, đề tài Quỹ NAFOSTED và các đề tài cấp
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ cụ

thể và rất cần thiết này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban lãnh đạo Viện
Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam cho tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy/cô và đồng nghiệp tại Viện
Khoa học vật liệu, các đồng nghiệp trong và ngoài Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã động viên – hỗ trợ trong nghiên cứu và hoàn thành luận
án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Phòng Vật liệu
Nano Y-sinh, Phòng Vật liệu Nano cácbon, Phòng thí nghiệm trọng điểm về
Vật liệu và Linh kiện điện tử (Viện Khoa học vật liệu), các đồng nghiệp tại Viện
Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam), Viện Kỹ thuật hóa học (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội),
Trung tâm CETASD (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà
Nội); cám ơn PGS. TS. Nguyễn Tuấn Dung, PGS. TS. Đỗ Phúc Quân, Th.S
Nguyễn Lê Huy,… cùng các bạn Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên
đại học.


Luận án đã nhận được sự giúp đỡ thực hiện các thực nghiệm tại Viện IEF
(Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp), Khoa ESS
(Trường Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan). Xin trân trọng cảm ơn những
sự hỗ trợ quý báu này.
Cuối cùng, tôi xin dành mọi tình cảm sâu sắc nhất, chân thành nhất cho gia
đình tôi, là chỗ dựa vững chắc và cho tôi động lực cũng như quyết tâm hoàn
thành bản luận án.
Hà Nội, tháng

năm 2020

Tác giả

Nguyễn Hải Bình


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục

i

Danh mục bảng, hình vẽ

v

Danh mục viết tắt

xv

Mở đầu

xviii

Chương I: Tổng quan

1

I. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa

1

I.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa

1

I.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa

6

I.2.1 Cảm biến trên cơ sở thế điện cực

6

I.2.2 Cảm biến dòng điện

8

I.2.3 Cảm biến độ dẫn

8

I.2.4 Cảm biến hiệu ứng trường

9

I.3 Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa
II. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa

10
11

II.1 Giới thiệu về Polyanilin

13

II.2 Giới thiệu về polydiaminonaphthalen

18

II.2.1 Poly(1,8-diaminonaphthalen)

18

II.2.2 Poly(1,5-diaminonaphthalen)

18

II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn

20

II.3.1 Hạt nano Fe3O4

20

II.3.2 Ống nano cácbon (CNTs)

22

II.3.3 Vật liệu màng graphen

22

III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa
III.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe

23
23

III.1.1 Xác định nồng độ glucôzơ

23

III.1.2 Xác định nồng độ cholesterol

24
i


III.1.3 Xác định chuỗi DNA của virút HPV

25

III.2 Ứng dụng trong quan trắc môi trường

26

III.3 Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm

27

III.3.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa

27

III.3.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa

29

IV. Kết luận

31

Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
I. Chế tạo các vi điện cực điện hóa

33
33

I.1 Chế tạo các hệ vi điện cực điện hóa tích hợp

33

I.1.1 Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp

33

I.1.2 Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa

34

I.1.3 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar)

36

I.1.4 Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS)

42

II. Tổng hợp điện hóa các màng polyme dẫn
II.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin

46
46

II.1.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon

46

II.1.2 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4

48

II.1.3 Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen

49

II.2 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN)

52

II.2.1 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt
nano Fe3O4

52

II.2.2 Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen

52

III. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp

53

III.1 Cố định các phần tử sinh học trên màng polyanilin biến tính

53

III.1.1 Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính

53

III.1.2 Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính

54

III.1.3 Cố định kháng thể Atrazin

56

III.2 Cố định phần tử sinh học enzym trên màng PDAN biến tính
IV. Các phương pháp phân tích điện hóa
ii

56
57


IV.1 Phương pháp Vôn-Ampe tuần hoàn

57

IV.2 Phương pháp đo dòng thời gian thực

58

IV.3 Phương pháp xung sóng vuông

58

IV.4 Phương pháp tổng trở điện hóa

59

V. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng

59

VI. Kết luận

60

Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ
sở vật liệu polyme dẫn

62

I. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn polyanilin

62

I.1 Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon

62

I.2. Pha tạp màng PANi bằng vật liệu hạt nano Fe3O4

69

I.3 Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp
PANi/Graphen

73

I.4 Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANiFe3O4/Graphen

76

II. Phát triển vi cảm biến cảm biến trên cơ sở màng P(1,5-DAN)

80

II.1 Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4

80

II.2 Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN

82

III. Kết luận

87

Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong
phân tích

89

I. Ứng dụng trong phân tích y sinh

89

I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch

89

I.1.1 Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs

89

I.1.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4

98

I.1.3 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANiFe3O4/Graphen

100
iii


I.2 Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch

103

I.2.1 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs

103

I.2.2 Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4

109

I.2.3 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANiFe3O4/Graphen

114

I.3. Xác định chuỗi ADN của virút HPV
II. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm

115
118

II.1 Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa

118

II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa

124

II.2.1 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5DAN)-Fe3O4

124

II.2.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến
Graphen/P(1,5-DAN)

136

III. Ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường

128

III.1 Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin bằng vi cảm biến
PANi/Fe3O4

128

III.2 Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến
PANi/Graphen

132

IV. Kết luận

137

Kết luận chung

138

Tài liệu tham khảo

139

Phụ lục

I

iv


DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình I.1. Sơ đồ cấu tạo và chức năng của cảm biến sinh học

1

Hình I.2: Sơ đồ của MOSFET (trái) và mạch điện tương đương (phải)

9

Hình I.3. Một số polyme dẫn điện tử

11

Hình I.4. Polyme oxy hóa khử

12

Hình I.5. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine)

12

Bảng I.1: Tính chất một số polyme dẫn thông dụng

13

Hình I.6. Công thức cấu tạo của anilin

13

Hình I.7. Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái
14

oxy hóa
Hình I.8. Các dạng cộng hưởng của cation gốc anilin

15

Hình I.9. Dạng dime của anilin

16

Hình I.10. Dạng cation gốc dime

16

Hình I.11. Quá trình tạo thành polyme

16

Hình I.12. Cơ chế pha tạp của polyanilin trong môi trường HCl

17

Hình I.13. Cấu trúc hóa học của 1,5-DAN

19

Hình I.14. Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN

19

Hình I.15. Cấu trúc của graphen (a); ảnh TEM (b) và SEM (c) của
graphen được tổng hợp bằng phương pháp khử graphen ôxít

22

Hình I.16. Cấu trúc hóa học của các dạng Aflatoxin

28

Hình I.17 Giới hạn hàm lượng của Aflatoxin trong sữa trên thế giới

29

Hình I.18: Cấu trúc hóa học của lactôzơ

30

Hình I.19: Cơ chế thủy phân lactôzơ

31

v


Hình II.1. Sơ đồ các bước thực nghiệm chế tạo – thử nghiệm cảm biến
sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn

33

Hình II.2. Thiết kế của hệ vi điện cực điện hóa tích hợp đơn chíp (màu
xanh: điện cực làm việc và điện cực đối; màu hồng: điện cực so sánh)

34

Hình II.3. Mặt nạ hệ vi điện cực tích hợp điện hóa với đường kính điện

cực làm việc là 500 m

35

Hình II.4. Các công đoạn chế tạo hệ vi điện cực tích hợp phẳng (planar)

37

Bảng II.1. Thông số quá trình phún xạ điện tử

39

Bảng II.2. Thông số quá trình bốc bay chùm tia điện tử

40

Hình II.5. Ảnh hệ vi điện cực điện hóa tích hợp sau khi chế tạo

42

Hình II.6. Điện cực điện hóa tích hợp Pt ( trong đó: điện cực làm việc
– 1; điện cực đối – 2; điện cực so sánh – 3)

42

Hình II.7. Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng

43

Hình II.8. Mặt nạ hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng

43

Hình II.9. Hình ảnh thiết bị ăn mòn khô (DRIE – dry etching) tại Khoa
ESS, Đại học quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan
Hình II.10. Phản ứng chức năng hóa MWCNTs

45
47

Hình II.11. Hệ lọc hút chân không CNTs sau khi chức năng hóa bằng
47

hỗn hợp axit
Hình II.12. Quy trình CVD nhiệt tổng hợp màng graphen

50

Hình II.13. Quy trình tách chuyển màng Graphen từ đế đồng sang đế vi
51

điện cực
Hình II.14. Cố định enzym qua liên kết chéo sử dụng tác nhân

54

glutaraldehít
Hình II.16 Sàng lọc aptamer đặc hiệu theo chu trình SELEX
vi

55


Hình III.1. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng
62

PANi/MWCNTs trên điện cực tích hợp
Hình III.2. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng PANi
(a) và màng PANi/MWCNTs (b) tại chu kỳ thứ 20 trên điện cực tích

63

hợp
Hình III.3. Ảnh chụp vi điện cực tích hợp có/không có màng
64

PANi/MWCNTs
Hình III.4 Ảnh FE-SEM của ống MWCNTs, màng PANi thuần và màng

65

PANi/MWCNTs
Hình III.5. Ảnh FESEM của phóng đại cấu trúc bề mặt PANi/MWCNTs

66

Hình III.6. Ảnh AFM của màng PANi và màng PANi/MWCNTs

67

Hình III.7. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi và màng
67

PANi/MWCNTs
Hình III.8. Sơ đồ hình thành liên kết giữa màng PANi dạng ES với
MWCNTs thông qua các liên kết: (a) π-stacking (xếp lớp liên kết π của

68

vòng thơm), (b) liên kết ion và (c) liên kết Hiđrô
Hình III.9 Phổ trùng hợp điện hóa CV của màng PANi pha tạp Fe3O4

69

Hình III.10. So sánh phổ trùng hợp điện hóa của màng PANi-Fe3O4 và
70

PANi
Hình III.11. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi-Fe3O4 trên

71

vi điện cực
Hình III.12. Hình thái bề mặt của màng PANi và PANi-Fe3O4 trên vi

72

điện cực
Hình III.13. Ảnh HRTEM của màng graphen

73

Hình III.14. Phổ Raman của các màng graphen, PANi và PANi/Graphen

74

vii


Hình III.15. Phổ điện hóa của màng PANi/Graphen trước và sau khi ủ
glutaraldehít trong dung dịch HCl 0,1M (dải thế quét: -0,2 ÷ +0,8 V, tốc

76

độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV)
Hình III.16. Phổ Raman của màng PANi-Fe3O4/Graphen trên vi điện cực

77

Hình III.17. Hình ảnh AFM của màng graphen được tách chuyển trên vi
78

điện cực PANi-Fe3O4.
Hình III.18. Ảnh FESEM của màng PANi-Fe3O4/Graphen

78

Hình III.19. Tính chất điện hóa của màng PANi-Fe3O4/Graphen

79

Hình III.20. Trùng hợp điện hóa màng PDAN-Fe3O4, PDAN và so sánh
hoạt động điện hóa của các màng PDAN pha tạp/không pha tạp Fe3O4

81

Hình III.21. Đường CV vòng quét đầu tiên ghi trên điện cực (a) Pt và
(b) Pt/Gr trong dung dịch HClO4 1M và monome 1,5-DAN 5mM

82

Hình III.22. Phổ CV tổng hợp màng poly(1,5-DAN) trên điện cực (a) Pt
83

và (b) Pt/Gr
Hình III.23. Phổ Raman của Gr (đường a), poly(1,5-DAN) (đường d) và
các màng tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kỳ (đường b) và

84

20 chu kỳ quét thế (đường c)
Bảng III.1. Các đỉnh Raman của màng mỏng graphen, poly(1,5-DAN)
85

và tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN)
Hình III.24. Ảnh FESEM của màng graphen (A) và điện cực
Pt/graphen/P(1,5-DAN) (B); Ảnh AFM của màng graphen (C)

86

Hình III.25. So sánh hoạt động điện hóa của các màng Pt/PDAN và
87

Pt/Graphen/PDAN
Hình IV.1. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định GOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít với (a) phóng đại
10.000 lần và (b) phóng đại 50.000 lần
viii

89


Hình IV.2. Phổ tổng trở của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (đường
a) và vi điện cực PANi/CNTs (đường b) (thông số dòng xoay chiều: tần

90

5

số f= 0,01 ÷ 10 Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
Hình IV.3. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong dung
dịch PBS: (a) không có glucôzơ; (b) 0,5 mM glucôzơ và (c) 1,0 mM
glucôzơ (thông số: dải thế: -0,8 V ÷ +0,8 V, tốc độ quét: 50 mV/s, bước

91

thế: 10 mV)
Hình IV.4. So sánh dòng đáp ứng của vi cảm biến PANi/GOx (A) và
PANi/MWCNTs/GOx (B) khi thêm glucôzơ vào hệ điện hóa (E = +0,7

92

V)
Hình IV.5. Đường đặc tuyến dòng đáp ứng của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/GOx khi thêm glucôzơ vào hệ điện hóa (E = 0,7 V)

93

Bảng IV.1. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm glucôzơ vào hệ điện
94

hóa
Hình IV.6. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong

94

dải nồng độ 1÷ 9 mM
Bảng IV.2. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx

95

Hình IV.7. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx sau các
96

khoảng thời gian khác nhau
Bảng IV.3. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx theo thời

97

gian

Hình IV.8. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (điện thế

97

áp = 0,7 V)
Hình IV.9. Đáp ứng dòng của vi cảm biến sinh học PANi-Fe3O4/GOx
và PANi/GOx tại điện thế +0,7 V trong dung dịch PBS (pH = 7) khi
thêm liên tiếp 0,5 mM glucôzơ sau mỗi 50 s
ix

98


Hình IV.10. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/GOx

99

Hình IV.11. Phổ điện hóa SWV đặc trưng cho các lớp vật liệu của vi
cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx (thông số: tần số = 12,5 Hz, tốc độ
quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ xung = 5 mV, dải thế = -0,6

100

÷ 0,65 V trong dung dịch HCl 0,1M)
Hình IV.12. Đáp ứng dòng ra của vi cảm biến PANiFe3O4/Graphen/GOx khi thêm liên tiếp các nồng độ của glucôzơ (E =

101

0,7 V, nhiệt độ phòng, không có khuấy, dung dịch đệm 50mM PBS 1x)
Hình IV.13. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx

102

theo nồng độ glucôzơ
Bảng IV.4. So sánh tính chất của các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa
xác định nồng độ glucôzơ trên cơ sở vật liệu khác nhau

103

Hình IV.14. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định ChOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít (a) phóng đại 10.000

103

lần và (b) phóng đại 50.000 lần
Hình IV.15. Phổ tổng trở của điện cực PANi/MWCNTs/ChOx (đường
a) và điện cực Pt/PANi/MWCNTs (đường b) (thông số dòng xoay chiều:

104

tần số f= 0,01 ÷ 105 Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
Hình IV.16. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx trong dung
dịch PBS 50 mM (a) không có cholesterol; (b) 0,05 mM cholesterol; (c)
0,1 mM cholesterol và (d) 0,2 mM cholesterol (thông số: dải thế = -0,9

105

÷ 0,8 V, tốc độ quét = 50 mV, bước thế = 10 mV)
Hình IV.17. Đặc trưng đáp ứng dòng theo thời gian của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/ChOx khi thêm liên tiếp cholesterol vào dung dịch
PBS 50 mM (pH = 7) tại điện áp -0,3 V (vs Ag/AgCl)

x

106


Bảng IV.5. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm cholesterol vào hệ điện
107

hóa
Hình IV.18. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx

107

Hình IV.19. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx

108

Bảng IV.6. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx

109

Hình IV.20. Phổ điện hóa CV của cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong
dung dịch PBS 50 mM có 0,5 mM cholesterol với các tốc độ quét thay
đổi từ 10 ÷ 100 mV/s với bước thế 10 mV (đường a tới j) trong dải thế -

110

0,6 V ÷ + 0,6 V
Hình IV.21. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong PBS 50

mM khi không có cholesterol và khi có 0,5 mM cholesterol (thông số:

111

dải thế -0,6 V ÷ +0,6 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV)
Hình IV.22. So sánh khả năng đáp ứng dòng của cảm biến PANi/ChOx,
PANi-Fe3O4/ChOx và PANi/Fe3O4/ChOx- Fe3O4

112

Hình IV.23. Cơ chế phản ứng thủy phân cholesterol trên vi cảm biến
sinh học điện hóa PANi-Fe3O4/Fe3O4-ChOx

112

Hình IV.24. Đặc tuyến đáp ứng dòng với các nồng độ cholesterol (0,19
mM) được thêm vào của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi-

113

Fe3O4/ChOx-Fe3O4
Hình IV.25. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi113

Fe3O4/ChOx-Fe3O4
Hình IV.26. Đường đáp ứng dòng của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi-Fe3O4/Graphen/ChOx với các nồng độ cholesterol trong dung

114

dịch (hình nhỏ: đường đặc tuyến của cảm biến cholesterol)

Bảng IV.7. So sánh tính chất của các vi cảm biến sinh học điện hóa xác
định hàm lượng cholesterol trong dung dịch
xi

116


Hình IV.27. Đồ thị SWV khi xử lí với EDC/NHS (đường 1), khi gắn với
aptamer HPV-16-L1 với nồng độ 5x10-8 M (đường 2) và khi hình thành
phức hợp HPV-16-L1 với kháng nguyên HPV (đường 3- 7) (thông số:

116

tần số = 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ
xung = 5 mV, dải thế = -0,6 V ÷ 0,5 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.28. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs theo nồng độ HPV trong dải 10-80 nM

117

Hình IV.29. Đồ thị SWV sau khi được xử lí với EDC/NHS (đường 1);
sau khi gắn với aptamer 5.10-8M HPV-16-L1 (đường 2) và sau khi tạo
phức hợp với 5.10-8 M kháng nguyên OVA (đường 3) (thông số: tần số

118

= 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10mV, biên độ xung =
5mV, dải thế = -0,6V ÷ 0,5V trong dung dịch HCl 0,1M)
Hình IV.30. Nguyên lý chế tạo và ứng dụng vi cảm biến Aptasensor xác
119

định AFM1 trong sữa
Hình IV.31. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: dải thế = -0,2 V ÷ 1,0 V, tốc độ quét = 50

120

mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.32 Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s,
bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1

121

M)
Hình IV.33. Kết quả đo SWV của vi cảm biến với mẫu đối chứng OTA
(thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV,

122

dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Bảng IV.8. So sánh các phương pháp xác định nồng độ AFM1 trong
123

dung dịch

xii


Hình IV.34. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến sinh học điện hóa

PDAN-Fe3O4 (thông số: dải thế = -0,02 ÷ 0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s,

124

bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.35. Đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực theo nồng độ lactozơ
của vi cảm biến sinh học điện hóa PDAN/Fe3O4 (E = 0,4V)

125

Hình IV.36. Đường chuẩn của vi cảm biến PDAN-Fe3O4 theo nồng độ
126

lactôzơ trong dung dịch
Hình IV.37. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến Graphene/PDAN
(thông số: dải thế: -0,02 V÷0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế =

127

10 mV trong dung dịch PBS 1x)
Hình IV.38. Đường chuẩn của vi cảm biến Graphene/PDAN theo nồng
128

độ lactôzơ trong dung dịch
Hình IV.39. Mô hình bề mặt vi điện cực làm việc PANi-Fe3O4 được cố
định đầu dò sinh học -ATZ của vi cảm biến

129

Hình IV.40. Tính chất điện hóa của vi cảm biến PANi-Fe3O4 trước và

sau khi gắn Anti-ATZ (thông số: dải thế = -0,6 V÷ +0,65 V, tốc độ quét

129

= 50 mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.41. Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
khác nhau của Atrazin (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50
mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch

130

HCl 0,1 M)
Hình IV.42. Xác định sự nhả ATZ trên bề mặt cảm biến bằng phương
pháp SWV (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước

131

thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.43. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/Anti-Atrazin

xiii

132


Hình IV.44. Nguyên lý chế tạo và hoạt động của vi cảm biến sinh học
điện hóa PANi/Graphen xác định dư lượng thuốc BVTV Atrazin

133

Hình IV.45. Tín hiệu đáp ứng SWV của vi cảm biến PANi/Graphen với
các nồng độ Atrazin trong dải từ 10-11 đến 10-7 M (thông số: tần số quét
12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷

135

+0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
Hình IV.46. Đường chuẩn đáp ứng dòng ra tại điện áp +0,57 V của vi
cảm biến PANi/Graphen trong dải nồng độ của ATZ từ 10-11 đến 10-7 M

135

Bảng IV.9. So sánh một số cảm biến điện hóa xác định hàm lượng
136

Atrazin

xiv


DANH MỤC VIẾT TẮT
ADN

Acid Deoxyribonucleic

Axít deoxyribonucleíc

AFM

Atomic Force Microscopy

Kính hiển vi lực nguyên tử

AFM1

Aflatoxin M1

Độc tố Aflatoxin M1

APT

Aptamer Aflatoxin M1

Chuỗi aptame Aflatoxin M1

ARN

Acid Ribonucleic

Axít ribonucleíc

ATZ

Atrazine

Thuốc BVTV Atrazin

BSA

Bovine serum albumine

Huyết thanh bò

CNT

Carbon nanotubes

Ống nano cácbon

CSA

Camphorsulfonic acid

Axít Camphorsulfoníc

CV

Cyclic Voltammetry

Vôn-Ampe tuần hoàn

CVD

Chemical vapor deposition

Lắng đọng pha hơi hóa học

ChOx

Cholesterol oxidase

Enzym Cholesterol oxidase

DAN

Diaminonapthalene

Diaminonapthalen

DBSA

Doecyl benzensulfonic acid

Axít Doecyl benzensulfoníc

DI

Deionized

Nước khử ion

DRIE

Deep Reactive Ion Etching

Ăn mòn sâu bằng phản ứng
ion

EB

Emeraldin base

Dạng bazơ emeraldin

EDC

N-(3-dimethylaminopropyl)N-(3-dimethylaminopropyl)-N-

N-ethylcarbodiimide

ethylcarbodiimide hydrochloride

hydrochlorít

Enzyme-linked immunosorbent

Xét nghiệm miễn dịch enzym

assays

pha rắn

ES

Emeraldin Salt

Dạng muối emeraldin

FESEM

Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét

ELISA

FET

Microscopy

phát xạ trường

Field Effect Transistor

Tranzitơ hiệu ứng trường

xv


FTIR

Fourier Transform Infrared

Phổ hấp thụ hồng ngoại biến
đổi chuỗi Fourier

GA

Glutaraldehyde

Glutaraldehít

GOx

Glucose oxidase

Enzym Glucose oxidase

HMDS

Hexamethyldisilazane

Hexamethyldisilazan

HPV

Human Papilloma Virus

Virút gây u nhú ở người

HRTEM

High Resolution Transmission

Kính hiển vi điện tử truyền

Electron Microscopy

qua độ phân giải cao

ICP

Intrinsically Conducting Polymer

Polyme dẫn thuần

IDE

Interdigitated electrodes

Điện cực cấu trúc răng lược

IPA

Isopropanol

Rượu Isopropanol

ISFET

Ion Selective Field Effect

Tranzitơ hiệu ứng trường

Transistor

chọn lọc ion

KLH

Keyhole limpet haemocyanin

Keyhole limpet haemocyanin

LB

Leucoemeraldin base

Dạng bazơ Leucoemeraldin

LOD

Limit of detection

Giới hạn phân tích

LOQ

Limit of quantitation

Giới hạn định lượng

MEMS

Micro ElectroMechanical System Hệ thống vi cơ điện tử

MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor

Tranziơ hiệu ứng trường kim

Field Effect Transistor

loại-ôxít-bán dẫn

MWCNTs Multi Wall Carbon NanoTubes

Ống cácbon nano đa vách

NHS

N-hydroxysuccinimide

N-hydroxysuccinimít

OLED

Organic Light Emitting Diode

Điốt phát quang hữu cơ

OTA

Orchratoxin A

Độc tố Orchratoxin A

PANi

Polyaniline

Polyanilin

PB

Polypernigranilin base

Dạng bazơ Polypernigranilin

PBS

Phosphate buffer saline

Đệm phốt-phát

PCR

Polymerase chain reaction

Phản ứng nhân chuỗi polyme

PDAN

Polydiaminonaphthalene

Polydiaminonaphthalen
xvi


PMMA

Poly(methyl methacrylate)

Poly(methyl methacrylate)

PVD

Physical Vapor Deposition

Lắng đọng pha hơi vật lý

QCM

Quartz Crystal Microbalance

Vi cân tinh thể thạch anh

SELEX

Systematic Evolution of Ligands

Quy trình chọn lọc gen

by Exponential Enrichment

SELEX

SPE

Screen printed electrode

Điện cực in lưới

SPR

Surface Plasmon Resonance

Cộng hưởng plasmon bề mặt

SWV

Square Wave Voltammetry

Vôn-Ampe xung sóng vuông

xvii


MỞ ĐẦU
Hiện nay, cảm biến sinh học được xem như một thiết bị đầy tiềm năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như: sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, vệ sinh an toàn thực
phẩm, bảo vệ môi trường và an toàn trong công nghiệp.v.v. Cảm biến sinh học là
thiết bị sử dụng các thành phần sinh học đặc trưng kết hợp với bộ chuyển đổi tín
hiệu để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất.
Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và phát triển cấu trúc, dễ
tích hợp với các phần tử của vi hệ thống, dễ chế tạo. Các điện cực làm việc, điện cực
đối, điện cực so sánh đều được tích hợp trên một chip, giúp giảm thể tích và khối
lượng của mẫu cần phân tích do kích thước điện cực giảm. Các phần tử của vi cảm
biến điện hóa đều được chế tạo trên công nghệ Vi điện tử nên dễ đóng gói, tăng độ
ổn định và độ lặp lại.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên

cơ sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối
lượng, áp suất, điện hóa… So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối lượng, áp
suất, vi cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng công nghệ
MEMS nên kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo số lượng lớn làm giảm giá thành, có cấu
trúc đơn giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh-vi van-vi bơm hơn, dễ đóng gói
hơn, dễ sử dụng các phương pháp điện hóa để kiểm tra tính chất của thiết bị. Tại
Việt Nam, một số kết quả ban đầu về chế tạo và phát triển cảm biến sinh học đã
được công bố bởi các đơn vị nghiên cứu trong nước. Tóm lại, hướng nghiên cứu
phát triển các vi hệ thống điện hóa ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và quan trắc
môi trường đang được quan tâm và đầu tư mạnh tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ cùng dân số gần
90 triệu người, triển vọng về phát triển các thiết bị, các vi hệ thống điện hóa sử dụng
vật liệu cấu trúc nano có giá trị thúc đẩy khoa học công nghệ và ý nghĩa kinh tế xã
hội sâu sắc. Trên cơ sở khoa học và yêu cầu thực tiễn đó, tôi lựa chọn thực hiện luận
án “Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính
để ứng dụng trong y-sinh và môi trường”.
xviii


Vấn đề đặt ra cho luận án này là phải nghiên cứu chế tạo phát triển và thử nghiệm
các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa nền (platform) có chế độ hoạt động đơn giản,
thời gian đáp ứng nhanh, độ chính xác cao, dễ dàng tùy biến cấu trúc, dễ dàng tích
hợp linh kiện. Với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện
hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn biến tính vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện công
nghệ hiện có ở trong nước, luận án đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết
kế hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp (lần đầu tiên ở Việt Nam) phù hợp với điều
kiện công nghệ hiện có, tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến, khảo sát các
tính chất đặc trưng của cảm biến đã chế tạo, thử nghiệm phân tích một số chỉ tiêu
trong y sinh, chất ô nhiễm môi trường và chất trong an toàn thực phẩm. Trên cơ sở
đó, rút ra được những kết luận về khả năng chế tạo – phát triển và ứng dụng hệ vi

cảm biến này trong những điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước. Từ những mục
tiêu đặt ra của luận án, nội dung chính của luận án sẽ được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan
Trong chương này, tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa sẽ được trình bày về
định nghĩa, cấu trúc, các tính chất và ứng dụng; các vật liệu polyme dẫn ứng dụng
trong cảm biến sinh học điện hóa cũng được mô tả; từ đó lựa chọn vật liệu cho cảm
biến thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có ở trong
nước.
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
Trong luận án này, hệ vi cảm biến điện hóa chủ yếu được thực hiện tại Viện Khoa
học vật liệu và kết hợp một phần tại các phòng thí nghiệm nước ngoài. Các kỹ thuật
thực nghiệm trong quy chế tạo vi cảm biến điện hóa: thiết kế chế tạo hệ vi điện cực
tích hợp, trùng hợp điện hóa màng polyme dẫn và biến tính màng, cố định các phần
tử sinh học lên bề mặt màng, các kỹ thuật phân tích được trình bày trong chương
này.
Chương 3: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu
polyme dẫn

xix


Các kết quả về chế tạo, phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các màng
polyme dẫn (PANi, P(1,5-DAN) được biến tính/pha tạp với các vật liệu nano (như
ống CNT, hạt nano Fe3O4, màng graphen) sẽ được trình bày và thảo luận; bên cạnh
đó, các tính chất điện hóa và cấu trúc bề mặt của các màng nanocompozít này cũng
được khảo sát nghiên cứu.
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích
Các kết quả thử nghiệm ứng dụng vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng
Polyme dẫn (PANi và P(1,5-DAN)) được biến tính bằng vật liệu cấu trúc nano
(CNTs, Fe3O4, graphen) trong phân tích y-sinh, kiểm soát ô nhiễm môi trường và an

toàn thực phẩm sẽ được trình bày và thảo luận đánh giá trong chương này.
Kết luận chung

xx