Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bán dẫn pbs, nano kim loại quý au, ag và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

LƯU MẠNH QUỲNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN PbS,
NANO KIM LOẠI QUÝ Au, Ag
VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 9441030.02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. LÊ VĂN VŨ
2. PGS. TS. NGUYỄN NGỌC LONG

Hà Nội – 2020


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Lê Văn Vũ và
PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long đã luôn tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt tôi trong quá trình
nghiên cứu thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý,
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tôi có thể hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu, thực hiện luận án.
Tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Sinh học tế bào, Khoa Sinh học, Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện nghiên cứu tế bào gốc và
công nghệ gen, Bệnh viện Đa khoa Quốc Tế VINMEC đã tận tình giúp đỡ, tạo điều

kiện để tôi thực hiện các nghiên cứu ứng dụng sinh học liên quan đến đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Quang Hòa, ThS. Vƣơng Văn Hiệp, ThS.
Sái Công Doanh cùng tập thể anh chị em Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận
án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự biết ơn tới những ngƣời thân trong gia đình, các
em sinh viên Khoa Vật lý luôn sát cánh cùng tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu thực hiện luận án. Cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, cổ vũ để tôi
hoàn thành luận án này.
Tác giả

Lƣu Mạnh Quỳnh.

i


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoạn đây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả dƣới sự
hƣớng dẫn của PGS. TS. Lê Văn Vũ và PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long. Các số liệu và
kết quả trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc tác giả khác công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Hà Nội, tháng 2 năm 2020.
Tác giả

Lƣu Mạnh Quỳnh

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................................1
2. Mục tiêu luận án ..........................................................................................................................4
3. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................................................4
4. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................................................5
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................................5
6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................................6
Cấu trúc của luận án.........................................................................................................................6
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN ............................................................................................................8
1.1. CẢM BIẾN SINH HỌC ...........................................................................................................8
1.2. CẢM BIẾN SINH HỌC XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE ..............................................11
1.2.1. Cảm biến sinh học điện hóa đo nồng độ glucose .................................................................11
1.2.2. Cảm biến sinh học đo nồng độ glucose sử dụng vật liệu nano ............................................16
1.2.3. Lựa chọn đối tƣợng vật liệu .................................................................................................18
1.3. CẢM BIẾN ĐO ĐẠC NỒNG ĐỘ TẾ BÀO GỐC MÁU ......................................................18
1.3.1. Nguyên lý kháng nguyên – kháng thể trong nhận biết tế bào..............................................19
1.3.2. Cảm biến sinh học sử dụng phép đo tổng trở trong đo đạc tế bào .......................................22
1.3.3. Vật liệu nano trong cảm biến đo đạc tế bào .........................................................................25
1.3.4. Lựa chọn đối tƣợng vật liệu .................................................................................................27
1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU......................................................................28
1.4.1. Vật liệu sulfide kim loại.......................................................................................................28
1.4.2. Vật liệu nano kim loại ..........................................................................................................29
1.4.3. Vật liệu đa chức năng từ tính – kim loại ..............................................................................31
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC.......................................................................32

KẾT LUẬN CHƢƠNG I ...............................................................................................................36
CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .........................37
2.1. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ............................................................................................................37
2.1.1. Chế tạo vật liệu PbS bằng phƣơng pháp hóa siêu âm kết hợp ủ laser .................................37
2.1.2. Chế tạo các hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp nuôi mầm ..............................................38
2.1.3. Chế tạo các hạt nano đa chức năng bằng phƣơng pháp hóa ƣớt ..........................................39

iii


2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .....................................................................................43
2.2.1.Các phƣơng pháp thực nghiệm .............................................................................................43
2.2.2.Phƣơng pháp tính toán lý thuyết ...........................................................................................54
KẾT LUẬN CHƢƠNG II..............................................................................................................55
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU NANO PbS, NANO VÀNG VÀ NANO ĐA CHỨC NĂNG
Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag ......................................................................................................................57
3.1. VẬT LIỆU NANO PbS ..........................................................................................................57
3.2. VẬT LIỆU NANO VÀNG .....................................................................................................63
3.3. VẬT LIỆU NANO ĐA CHỨC NĂNG Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag ...............................................72
3.3.1. Vật liệu nano từ tính Fe3O4 ..................................................................................................72
3.3.2. Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Au .................................................................................74
3.3.3. Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Ag .................................................................................84
KẾT LUẬN CHƢƠNG III ............................................................................................................88
CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH
HỌC ...............................................................................................................................................90
4.1. CHẾ TẠO CẢM BIẾN GLUCOSE SỬ DỤNG CÁC HẠT NANO PbS ..............................90
4.1.1. Thiết kế cảm biến và phƣơng pháp đo đạc ..........................................................................90
4.1.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................................................93
4.1.3. Tƣơng tác giữa hạt PbS với phân tử 4-ATP ......................................................................100
4.2. ỨNG DỤNG CÁC HẠT NANO TỪ TÍNH – KIM LOẠI TRONG PHÂN LẬP TẾ

BÀO GỐC MÁU TỪ MẪU TỦY XƢƠNG ...............................................................................102
4.2.1. Thiết kế cảm biến và phƣơng pháp đo đạc ........................................................................103
4.2.2. Kết quả và thảo luận ..........................................................................................................107
KẾT LUẬN CHƢƠNG IV ..........................................................................................................123
KẾT LUẬN..................................................................................................................................125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ............................................126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................................127

iv


Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
4-ATP
A2P-TRP

ADN
ADP
ATP
APTES
CE
CNT
CPE
CTAB
CV
DFT
ĐH BKHN
ĐH KHTN
ECD
EDC
FACS

FAD
FADH
Fe(cp2)
[Fe(CN)6]3-/4FITC
G-6P-D
GHD
GOx
HIV
HR-TEM

4-aminothiophenol
Phƣơng pháp hai pha nƣớc sử dụng polymer nhạy với nhiệt độ
(Aquaeous two-phase system using temperature responsive
polymer)
A xít Deoxyribose nucleotide
Adenosine diphosphate
Adenosine triphosphate
(3-Aminopropyl)triethoxysilane
Điện cực đếm (Counter Electrode)
Ống nano các bon (Carbon nanotube)
Phần tử pha hằng số (Constant phase element)
Cetyltrimethyl ammonium bromide
Hiệu điện thế quét vòng (Cyclic voltammetry)
Lý thuyết hàm mật độ (Density Funtional Theory)
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Chất huỳnh quang hữu cơ, phát ánh sáng đỏ (Phycoerythrin –
Texas Red)
1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
Phƣơng pháp lọc phân lập tế bào kích hoạt huỳnh quang

(Fluorescence-activated cell sorting)
Flavin adenine dinucleotide
Dạng khử của FAD khi thêm một nguyên tử hydrogen
Ferrocencemonocarbolxylic acid
Dung môi Ferrocianide
Chất huỳnh quang hữu cơ phát ánh sáng xanh lá cây
(Fluorescein isothiocyanate)
Enzyme Glucose-6P-dehydrogenase
Enzyme Glucose-1-dehydrogenase
Enzyme Glucose Oxidase
Virus gây suy giảm miễn dịch (Human immunodeficiency virus)
Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (High resolution TEM)

v


LDA
MACS
MetS
NAD+
NADH
NADP+
NADPH
NAFOSTED
PBS
PGSTATS
PS
PVP
QDs
RE

SDS
SELEX

SEM
SER
SERS
TA
TAA
TEM
TO
TOAB
UV-vis
VSM
WE
XRD

Phƣơng pháp tính toán gần đúng dựa trên hàm mật độ định xứ
(Localized Density Approximation).
Phƣơng pháp phân lập tế bào kích hoạt từ (magnetic-activated
cell sorting)
Vật liệu sulfide kim loại
Nicotinamide adenine dinucleotide
Dạng khử của NAD khi thêm một nguyên tử hydrogen
Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
Dạng khử của NADP+ khi thêm một nguyên tử hydrogen
Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia
Đệm phosphate (Phosphate buffer solution)
Hệ điện hóa tích hợp (Nhà sản xuất và cung cấp: MetroOhm)
Polystyrene
Polyvinyl pyrolidone

Chấm lƣợng tử (Quantum dots)
Điện cực tham chiếu (Reference Electrode)
Sodium dodecyl sulphate
Phƣơng pháp phát triển hệ thống các phối tử bởi sự làm giàu
theo hàm mũ (systematic evolution of ligands by exponential
enrichment)
Kính hiển vi điện tử quét
Raman tăng cƣờng bề mặt (Surface enhanced Raman)
Tín hiệu Raman tăng cƣờng bề mặt (Surface enhanced Raman
signal)
Dao động âm ngang (transverse aucostic)
Thioacetamide
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmitted electron
microscope)
Dao động quang ngang (transverse optic)
Tetraoctyl ammonium bromide
Tử ngoại – khả kiến (phổ hấp thụ quang học trong vùng UV-vis)
Phép đo trên hệ từ kế mẫu rung (Vibrating sample
measurement)
Điện cực làm việc (Working Electrode)
Giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)

vi


Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Các phần tử có thể đƣợc dùng để chế tạo cảm biến sinh học ..............................9
Bảng 1.2. Thống kê một số nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano để chế tạo cảm biến
sinh học xác định nồng độ glucose ....................................................................................17
Bảng 1.3. Ƣu và nhƣợc điểm một số phƣơng pháp sử dụng cơ chế cảm biến sinh học

để lọc tế bào gốc .................................................................................................................21
Bảng 1.4. Thống kê nghiên cứu về chế tạo cảm biến sinh học tại một số cơ sở nghiên
cứu trong nƣớc ...................................................................................................................35
Bảng 3.1. So sánh giá trị hằng số mạng và kích thƣớc tinh thể tính toán từ giản đồ
nhiễu xạ tia X của mẫu chứa các hạt PbS trƣớc và sau khi ủ nhiệt laser ...........................61
Bảng 4.1. Bảng thống kê các kết quả tính toán lý thuyết và đo đạc vị trí đỉnh đặc
trƣng Raman tăng cƣờng bề mặt của phân tử 4-ATP trên bề mặt các hạt nano vàng......109
Bảng 4.2. Bảng các tham số fit đƣợc từ các kết quả đo tổng trở .....................................121

vii


Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Sơ đồ khối của cảm biến sinh học ......................................................................10
Hình 1.2. Mô hình các thế hệ cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose. ....................13
Hình 1.3. Cấu trúc thƣờng thấy của WE trong cảm biến sinh học đo nồng độ glucose ....15
Hình 1.4. Đồ thị hiệu chỉnh đặc trƣng của cảm biến sinh học sử dụng enzyme GOx .......16
Hình 1.5. Mô hình nguyên lý liên kết kháng nguyên - kháng thể trong cảm biến sinh
học khảo sát, đo đạc tế bào.................................................................................................20
Hình 1.6. Nghiên cứu sử dụng kháng thể cố định trên bề mặt điện cực để đo nồng độ
tế bào (ở đây là E. Coli) và sự thay đổi của Rct theo nồng độ tế bào .................................22
Hình 1.7. Ứng dụng mô hình đơn giản R//C trong khảo sát tế bào bám trên bề mặt
điện cực ..............................................................................................................................24
Hình 1.8. Một số mô hình điện cực kích thƣớc micromet đƣợc thiết kế để khảo sát tế
bào ......................................................................................................................................25
Hình 1.9. Mô hình cảm biến sử dụng còi carbon làm điện cực để tăng diện tích tiếp
xúc cũng nhƣ độ tƣơng thích sinh học; sau đó các hạt nano vàng đƣợc chức năng
hóa, bắt cặp với kháng thể đặc hiệu rồi cố định lên trên bề mặt tế bào để làm tăng tín
hiệu điện hóa ......................................................................................................................26
Hình 1.10. Thống kê số đề tài NAFOSTED về cảm biến sinh học từ năm 2011 đến

năm 2016 ............................................................................................................................33
Hình 2.1. Chế tạo các hạt nano PbS bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Hình A mô tả
các bƣớc thí nghiệm chế tạo hạt. Hình B là ảnh thực tế quá trình chế tạo hạt. ..................37
Hình 2.2. Quy trình chế tạo và nghiên cứu sự phát triển của các hạt nano vàng trong
dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt. ..............................................................................39
Hình 2.3. Quy trình chế tạo các hạt nano Fe3O4 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ............41
Hình 2.4. Mô tả tán xạ của chùm tia X trên bề mặt tinh thể ..............................................44
Hình 2.5. Cấu trúc và hoạt động của máy đo nhiễu xạ tia X (XRD). Hình A: mô hình
hoạt động của một máy XRD. Hình B: Ảnh của máy XRD Siemens D5005 tại Trung
tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học KHTN. .........................................45
Hình 2.6. Hình ảnh hệ đo LabRAM HR800, Horiba tại Trung tâm Khoa học Vật liệu,
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội . .....................................46
Hình 2.7. Cấu trúc đơn giản của hệ hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .............................47

viii


Hình 2.8. Hệ đo UV-2450, Shimadzu tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. ..........................................................48
Hình 2.9. Phƣơng pháp hiệu điện thế quét vòng. Hình A biểu diễn sự phụ thuộc thời
gian của điện thế đặt vào WE dạng xung tam giác với chu kỳ 2T. Hình B biểu diễn
sự phụ thuộc dòng điện đi qua CE phụ thuộc vào hiệu điện thể đặt vào WE – giản đồ
I-V ......................................................................................................................................50
Hình 2.10. Mô hình mạch tƣơng đƣơng của dung dịch chứa ion Mn+ (Mô hình của
Randles). Hình A là mô hình mạch tƣơng đƣơng. Hình B là giản đồ Nyquist của
mạch điện tƣơng đƣơng với các giá trị Rct khác nhau........................................................52
Hình 2.11. Hệ đo PGSTAT302N tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý,
Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. ......................................53
Hình 3.1. Ảnh TEM (A) và HRTEM (B) và ảnh chụp nhiễu xạ điện tử (C) của mẫu
các hạt nano PbS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hóa siêu âm ........................................57

Hình 3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình ủ nhiệt laser đến phổ tán xạ Raman
của mẫu bột chứa các hạt nano PbS ...................................................................................58
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa các hạt nano PbS trƣớc (a) và sau khi
(b) ủ nhiệt laser ...................................................................................................................60
Hình 3.4. Tính toán độ rộng vùng cấm của các hạt nano PbS đƣợc chế tạo bằng
phƣơng pháp hóa siêu âm từ phổ hấp thụ quang học. Hình trong: phổ hấp thụ quang
học đo trên hệ UV245, Shimadzu của mẫu dung dịch chứa các hạt nano PbS .................63
Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các hạt nano Au. Hình A: ảnh
TEM của các hạt ngay sau khi chế tạo. Hình B: ảnh TEM của các hạt sau khi ngâm
trong 70 mM CTAB 4 tháng. Hình C: phổ phân bố kích thƣớc hạt của hai trƣờng hợp
trên ......................................................................................................................................65
Hình 3.6. Phổ hấp thụ của dung dịch chứa các hạt nano vàng ngâm trong 70 mM
CTAB, đƣợc đo ở các thời gian sau khi ngâm khác nhau lần lƣợt từ 1h đến 720h ...........66
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của vị trí đỉnh phổ hấp thụ UV-vis vào kích thƣớc hạt nano
Au. Hình vẽ là kết quả tổng hợp từ các tài liệu tham khảo và các kết quả đo đƣợc từ
các hạt nano vàng đã đƣợc chế tạo với các công nghệ khác nhau để có kích thƣớc
khác nhau............................................................................................................................68
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của kích thƣớc hạt nano Au theo thời gian khi đƣợc ngâm
trong các môi trƣờng dung môi khác nhau. Kích thƣớc hạt đƣợc tính toán từ lý thuyết
Mie .....................................................................................................................................70

ix


Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4 đƣợc chế
tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ...................................................................................72
Hình 3.10. Ảnh TEM và HRTEM của mẫu các hạt Fe3O4 làm bằng phƣơng pháp
đồng kết tủa ........................................................................................................................73
Hình 3.11. Đƣờng cong từ trễ của mẫu bột chứa các hạt nano Fe3O4 đƣợc chế tạo
bằng phƣơng pháp đồng kết tủa .........................................................................................74

Hình 3.12. Đƣờng I-V thế quét vòng của mẫu chứa 1 mM HAuCl4 tại pH 3 ...................75
Hình 3.13. Đƣờng phụ thuộc I-V phép đo điện thế quét vòng giới hạn trên đƣờng khử
từ 0,1V đến 1,2 V của mẫu chứa dung dịch HAuCl4 1 mM ở các giá trị pH khác nhau ...77
Hình 3.14. Tổng điện tích điện hóa trong quá trình ion Au(OH)xCl4-x- có tổng nồng
độ là 1 mM bị khử tại các pH khác nhau (hình trái) và phần trăm lƣợng ion bị hấp
phụ lên bề mặt hạt nano Fe3O4 sau khi ngâm trong thời gian 30 phút (hình phải) ............78
Hình 3.15. Ảnh TEM các hạt nano Fe3O4-Au dạng phức hợp đƣợc tạo thành từ việc
khử dung dịch HAuCl4 bằng NaBH4 sau khi hạt Fe3O4 đƣợc ngâm trong dung dịch
HAuCl4 ở pH 3 ...................................................................................................................79
Hình 3.16. Ảnh TEM các hạt nano Fe3O4 trƣớc và sau khi gắn với các hạt nano Au.
Hình A: Ảnh TEM của các hạt nano từ trƣớc khi gắn với các hạt nano Au.Hình B:
các hạt nano Fe3O4 dạng phức hợp đƣợc tạo thành từ việc khử dung dịch HAuCl4
bằng NaBH4 sau khi ngâm các hạt Fe3O4 trong dung dịch 30 phút ở pH 8 .......................80
Hình 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu chứa các hạt nanophức hợp
Fe3O4-Au và của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4................................................................................................. 81
Hình 3.18. Phổ hấp thụ của dung dịch chứa các hạt nano vàng tại các thời điểm khác
nhau sau khi đặt nam châm bên cạnh cuvette ....................................................................82
Hình 3.19. So sánh kích thƣớc các hạt nano Fe3O4 và Fe3O4-Ag. Hình A: Ảnh TEM
của mẫu hạt Fe3O4. Hình B:Ảnh TEM của mẫu Fe3O4-Ag................................................84
Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa các hạt nano Fe3O4 và các hạt nano
phức hợp Fe3O4-Ag ............................................................................................................85
Hình 3.21. Đƣờng cong từ trễ của mẫu bột chứa các hạt nano Fe3O4 (□), Fe3O4APTES (○) và Fe3O4-Ag (∆). Các đƣờng nét liền là các đƣờng khớp hàm Langevin.......86
Hình 3.22. Biểu diễn sự phụ thuộc của cƣờng độ hấp thụ vào nồng độ hạt đa chức
năng Fe3O4-Ag ...................................................................................................................87
Hình 3.23. Sự giảm của nồng độ các hạt Fe3O4-Ag trong dung dịch khi sử dụng nam
châm để hút ........................................................................................................................88
x


Hình 4.1. Mô tả cấu tạo điện cực làm việc của cảm biến sinh học xác định nồng độ

glucose có sử dụng các hạt nano PbS.................................................................................92
Hình 4.2. Vai trò của GOx trong quá trình ô xi hóa của glucose và cảm biến xác định
nồng độ glucose bằng điện cực vàng .................................................................................93
Hình 4.3. So sánh kết quả đo điện thế quét vòng (CV) của dung dịch chứa 0,2 mM
glucose khi sử dụng điện cực chế tạo từ PbS-GOx với kết quả đo CV của mẫu dung
dịch chứa GOx ...................................................................................................................94
Hình 4.4. Kết quả đo CV của dung dịch chứa glucose với nồng độ tăng từ 0,1 M đến
1,3 M trên hệ điện hóa với điện cực WE có PbS-GOx ......................................................95
Hình 4.5. So sánh độ nhạy của cảm biến glucose đo trên hệ điện cực PbS với cảm
biến glucose đo trên điện cực vàng ....................................................................................97
Hình 4.6. Tính toán độ nhạy của cảm biến từ đỉnh ô xi hóa tại 1,14 V với điện cực
làm việc WE có PbS-GOx..................................................................................................98
Hình 4.7. Mô tả phƣơng pháp tính toán phản ứng liên kết giữa phân tử 4-ATP và bề
mặt PbS ............................................................................................................................100
Hình 4.8. Phụ thuộc tổng năng lƣợng của hệ PbS-4ATP phụ thuộc vào khoảng cách
giữa hai nguyên tử tham gia liên kết (A) và giản đồ phân bố mật độ electron tại vị trí
có tổng năng lƣợng thấp nhất (B) – liên kết là bền nhất ..................................................101
Hình 4.9. Cấu hình bền vững của hệ PbS-4ATP sau khi liên kết: mặt phẳng phân tử
4-ATP tạo với mặt phẳng (001) của tinh thể một góc là 23,14o ......................................102
Hình 4.14. Cơ chế hoạt động của cảm biến sinh học sử dụng các hạt nano Fe3O4-Ag
để phân lập và khảo sát tế bào gốc máu từ tủy xƣơng .....................................................103
Hình 4.15. Thiết kế điện cực sử dụng trong cảm biến đo nồng độ tế bào bằng phƣơng
pháp điện tổng trở (A) và ảnh SEM của bề mặt điện cực (B) ..........................................103
Hình 4.16. Ảnh chụp trên kính hiển vi phƣơng pháp đếm tế bào bằng buồng đếm –
Diện tích của một buồng nhỏ là 5 μm × 5 μm, chiều cao của buồng là 100 μm .............106
Hình 4.17. Mô hình sự có mặt của các tế bào gốc máu trên bề mặt điện cực..................107
Hình 4.18. Nghiên cứu phổ tán xạ Raman của các mẫu chứa các hạt nano sau khi gắn
kháng thể ..........................................................................................................................108
Hình 4.19. Sự phụ thuộc của cƣờng độ huỳnh quang tại 610 nm của dung dịch chứa
kháng thể ECD-antiCD34 vào nồng độ đƣợc pha loãng trong dung dịch đệm PBS .......110

xi


Hình 4.20. Đánh giá hiệu suất gắn kháng thể lên các hạt Fe3O4-Au phụ thuộc vào tỉ lệ
thể tích của dung dịch chứa hạt và thể tích dung dịch gốc chứa kháng thể ECDantiCD34 ..........................................................................................................................111
Hình 4.21. Kết quả hiển vi huỳnh quang của mẫu tủy xƣơng trƣớc (A, B) và sau (C,
D) khi sử dụng các hạt nano Fe3O4-Ag-antibody để tách chiết tế bào gốc. A,C: huỳnh
quang chỉ thị tế bào CD45+ và B,B: huỳnh quang chỉ thị tế bào CD34+........................113
Hình 4.22. Ảnh hiển vi trƣờng sáng (ảnh trên) và trƣờng tối (ảnh dƣới) của mẫu tế
bào sau khi lọc và phổ tán xạ Raman tại các vị trí dƣợc đánh dấu trong hình ................114
Hình 4.23. Kết quả phép đo tổng trở trên hệ điện cực đã thiết kế với các nồng độ tế
bào lần lƣợt là C0/5, C0/10, C0/20 và C0/50......................................................................116
Hình 4.24. Mô hình tổng trở của phần thể tích chiếm chỗ của 1 tế bào (ô cơ sở) ...........117
Hình 4.25. Mô hình mạch tƣơng đƣơng của dung dịch chứa tế bào đƣợc để giữa hai
điện cực đối song..............................................................................................................118
Hình 4.26. Mô hình mạch tƣơng đƣơng của phần dung dịch chứa tế bào .......................119
Hình 4.27. Kết quả khớp số liệu đo tổng trở với mô hình mạch tƣơng đƣơng của mẫu
chứa tế bào nồng độ C0/5 .................................................................................................120
Hình 4.28. hình biểu diễn kết quả fit hai hàm Im( Z ) , C  và Re( Z ) , C  vào các
thông số đo đƣợc – khoảng dữ liệu lấy để fit [5:50] kHz ................................................121
Hình 4.29. Khảo sát sự phụ thuộc tuyến tính của các giá trị trở tƣơng đƣơng 1/RC
(hình A) và CC (hình B) vào nồng độ tế bào theo chiều dài ( 3 C ) ...................................122

xii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cảm biến sinh học chuyển hóa tín hiệu sinh học thành các tín hiệu đọc đƣợc,

đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghệ sinh học; chuyên để theo dõi, đánh giá các đối
tƣợng sinh học [12,16]. Ƣu điểm của cảm biến sinh học là có tính chọn lọc đặc hiệu,
vì vậy đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học, nhƣ công nghệ môi trƣờng [118]
hay công nghệ thực phẩm [14,44]. Nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử, các tín
hiệu điện có thể điều khiển đến mức đủ nhỏ để không phá hủy mẫu sinh học, nhƣng
vẫn đảm bảo các tín hiệu đầu ra có thể đọc đƣợc [132]. Không chỉ vậy, tín hiệu điện
thƣờng dễ xử lý hơn so với các tín hiệu vật lý khác nhƣ tín hiệu quang hay tín hiệu
hóa. Vì thế, những cảm biến sinh học thế hệ đầu tiên là các cảm biến có tín hiệu đầu
ra là tín hiệu điện hóa ở dạng giản đồ thế quét vòng (CV) [44,117,118]. Cùng với
CV, các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực của cảm biến điện hóa có thể
đƣợc khảo sát thông qua phƣơng pháp đo tổng trở (total impedance) [57,85,128].
Trong các cảm biến sinh học điện hóa, vật liệu nano thƣờng đƣợc đƣa lên trên
bề mặt điện cực để làm tăng diện tích tiếp xúc giữa đối tƣợng sinh học với điện cực,
nhằm tăng cƣờng tín hiệu đọc đƣợc; dẫn đến tăng độ nhạy của cảm biến [15]. Cảm
biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose trong dung dịch thƣờng đƣợc sử
dụng để đánh giá vai trò của vật liệu nano trong chế tạo điện cực. Nếu nhƣ trong
những khảo sát ban đầu của D’Costa [23] và của Cass [11] - cảm biến chỉ sử dụng
điện cực là các bon - độ nhạy của cảm biến lần lƣợt là 12 µAcm-2mM-1 và 5 µAcm2

mM-1, thì khi cho thêm các vật liệu nano lên bề mặt điện cực, độ nhạy của cảm biến

tăng lên nhiều lần [1,2,70]. Đặc biệt, năm 2012, nhóm của Yang kết hợp đƣa vật liệu
nano vàng (Au) lên nền điện cực phủ grapheme, giúp cho độ nhạy của cảm biến xác
định glucose đạt 711 µAcm-2mM-1[15].
Cùng hƣớng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose
trong dung dịch, nhiều vật liệu nano đã đƣợc các nhóm nghiên cứu trong nƣớc sử
dụng. Nhóm nghiên cứu của TS. Tống Duy Hiển thuộc Đại học Quốc gia TP HCM

1

sử dụng vật liệu dây Pt xốp đã đƣa đƣợc giới hạn khảo sát xuống 125 µM [60,101].
Nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Ngọc Long thuộc Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội sử dụng tín hiệu điện hóa của các dây 4 chân
(tetrapod) ZnO làm tín hiệu chỉ thị để xác định nồng độ glucose trong dung dịch cho
độ nhạy 166 µAcm-2mM-1 [70].
Các nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa hầu nhƣ chỉ tập trung vào khai
thác khả năng làm tăng độ nhạy thông qua việc làm tăng diện tích tiếp xúc giữa vật
liệu nano đƣợc cố định trên bề mặt điện cực và đối tƣợng sinh học là các enzyme ô xi
hóa khử nhƣ glucose oxidase (GOx) hay glucose dehydrogenase (GDH). Một số
nghiên cứu tính chất quang của các chấm lƣợng tử đã bƣớc đầu cho thấy sự tƣơng
thích sinh học và khả năng chuyển hóa electron giữa các phân tử GOx với các chấm
lƣợng tử chứa lƣu huỳnh nhƣ ZnS [136] hay PbS [130]. Điều này cho thấy các chấm
lƣợng tử chứa lƣu huỳnh là đối tƣợng vật liệu phù hợp cho các nghiên cứu làm tăng
độ nhạy của cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose trong dung dịch.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu sulfide kim loại là thế mạnh của Trung tâm Khoa học
Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà
Nội. Loại vật liệu này là thích hợp để ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học [61].
Tuy vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu cho một loại cảm biến với đối tƣợng ứng
dụng cụ thể vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu.
Bên cạnh cảm biến sử dụng tín hiệu điện thế quét vòng, cảm biến tổng trở
cũng thƣờng đƣợc sử dụng để khảo sát các đối tƣợng sinh học, trong đó tế bào là một
trong những đối tƣợng đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm [128]. Ở kích thƣớc
nhỏ chỉ bằng 1/10 đến 1/100 kích thƣớc tế bào, trong cảm biến sinh học khảo sát tế
bào, các hạt nano thƣờng đƣợc điều khiển để bám lên bề mặt của tế bào một cách đặc
hiệu. Sau đó, tín hiệu điện [29,106] hay tín hiệu quang [43,63] có nguồn gốc từ các
hạt nano đƣợc sử dụng nhƣ tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học. Song song với tính
chất điện, quang, tính chất từ của vật liệu cũng đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu ứng
dụng trong tách chiết tế bào [72,97,121]. Việc đƣa các hạt nano từ lên bề mặt tế bào
một cách đặc hiệu không chỉ hỗ trợ cho quá trình theo dõi, quan sát tế bào bằng các

2


phép đo từ [82], mà còn phân lập tế bào ra khỏi môi trƣờng có nhiều cơ chất, hỗ trợ
rất nhiều cho các bƣớc khảo sát, đo đạc tiếp theo. Ý tƣởng tạo ra một loại vật liệu đa
chức năng vừa có từ tính vừa có tính chất quang nhƣ các hạt nano kim loại nhằm
tách chiết chụp ảnh và đo đạc tế bào đƣợc rất nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm
[59,88,121]. Tuy nhiên, toàn bộ các bƣớc chế tạo vật liệu, chức năng hóa để gắn đặc
hiệu lên tế bào, sau đó tách lọc tế bào trƣớc khi khảo sát tính chất điện tổng trở là
một quá trình kéo dài và cần sự kết hợp của nhiều nhóm nghiên cứu.
Trong các đối tƣợng tế bào đƣợc nghiên cứu, tế bào gốc máu đóng vai trò rất
quan trọng trong y học hiện đại. Việc theo dõi số lƣợng tế bào gốc máu có thể sử
dụng để theo dõi tình trạng sức khỏe [32]. Tế bào gốc máu có thể nuôi biệt hóa thành
các loại tế bào khác nhằm ứng dụng trong y học [51,62]. Ít thấy các nghiên cứu kết
hợp tách lọc và đếm tế bào gốc máu [25,97]. Chƣa có nhóm nghiên cứu nào sử dụng
hạt từ đa chức năng vừa tách lọc, vừa theo dõi và đếm tế bào gốc máu từ mẫu phẩm.
Một số nhóm nghiên cứu trong nƣớc đã thành công chế tạo các hạt từ đa chức năng
có đính các hạt nano kim loại nhƣ nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Phạm Thành Huy,
Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội [58] hay
nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Hoàng Nam, Trung tâm Khoa học Vật liệu,
Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội [31].
Trƣớc đó, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long, Trung tâm Khoa học
Vật liệu đã thành công ứng dụng vật liệu nano vàng trong đánh dấu, chụp ảnh tế bào
ung thƣ vú [104]. Có thể thấy việc thực hiện toàn bộ quy trình từ chế tạo vật liệu,
chức năng hóa để gắn lên bề mặt tế bào gốc máu, tách chiết tế bào, chụp ảnh và đo
đạc nồng độ tế bào có tính khả thi rất cao.
Tóm lại, thông qua việc nghiên cứu tài liệu đã đƣợc công bố trong và ngoài
nƣớc, việc nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa tập trung vào các nội dung nhƣ
sau:

-

Tín hiệu điện trong các cảm biến sinh học thƣờng là tín hiệu thế quét vòng, tín

hiệu điện trở hay tín hiệu điện tổng trở.

3


-

Gắn liền với tín hiệu thế quét vòng là đối tƣợng glucose. Mặc dù là đối tƣợng

đã cũ, nhƣng cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose vẫn luôn đƣợc
dùng để đánh giá phẩm chất của cảm biến. Thông qua đây, vai trò của vật liệu nano
trong việc hỗ trợ làm tăng độ nhạy của cảm biến thể hiện rõ rệt.
-

Một trong những đối tƣợng quan trọng của cảm biến sinh học điện tổng trở là

tế bào. Trong đó, tế bào gốc máu là đối tƣợng mới, có tính ứng dụng trong y học cao
và đang đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu
nano đa chức năng trong tách lọc tế bào gốc kết hợp với chụp ảnh và đo đạc nồng độ
tế bào vẫn còn nhiều tranh luận.
Từ việc đánh giá tổng quan những ƣu điểm, hạn chế của các nghiên cứu gần
đây; đồng thời kết hợp với việc phân tích tình hình nghiên cứu cũng nhƣ điều kiện
hiện có tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án
là:
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bán dẫn PbS, nano kim loại quý Au, Ag

và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học”.
2. Mục tiêu luận án
- Chế tạo đƣợc các vật liệu nano PbS, nano Vàng và nano đa chức năng từ tính
– kim loại Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag.
- Ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác định
nồng độ glucose trong dung dịch.
- Ứng dụng vật liệu nano từ tính – kim loại trong phân lập và khảo sát tế bào
gốc máu từ mẫu tủy xƣơng.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo các hạt nano chì sulfide (PbS) bằng phƣơng pháp hóa
siêu âm kết hợp ủ nhiệt laser.
- Nghiên cứu chế tạo các hạt nano Au bằng phƣơng pháp nuôi mầm và chế tạo
các hạt nano đa chức năng Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag bằng phƣơng pháp hóa ƣớt.
- Nghiên cứu ứng dụng các hạt nano PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác
định nồng độ glucose trong dung dịch sự dụng phƣơng pháp đo thế quét vòng.
4


- Nghiên cứu ứng dụng các hạt nano Fe3O4-Ag trong chế tạo cảm biến sinh
học phân lập và đếm tế bào gốc máu sử dụng phƣơng pháp đo tổng trở.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là thực nghiệm kết hợp với mô phỏng
tính toán. Các vật liệu nano PbS đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa kết
hợp ủ laser. Các hạt nano vàng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nuôi mầm trong
dung dịch. Các hạt nano đa chức năng từ tính – kim loại đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp hóa ƣớt. Sự gắn kết của các phân tử chất hữu cơ trên bề mặt tinh thể PbS đƣợc
nghiên cứu đánh giá thông qua phƣơng pháp tính toán mô phỏng.
Hình thái của vật liệu đƣợc nghiên cứu trên các hệ kính hiển vi điện tử truyền
qua (TEM) và hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM). Cấu trúc của vật
liệu đƣợc nghiên cứu thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất quang của

vật liệu đƣợc nghiên cứu thông qua phổ hấp thụ quang học vùng tử ngoại khả kiến
(UV-vis), phổ huỳnh quang (PL) và phổ tán xạ Raman.
Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose trong dung dịch sử dụng enzyme
glucose oxidase (GOx) đƣợc khảo sát thông qua phép đo hiệu điện thể quét vòng.
Tế bào gốc máu đƣợc thu thập từ mẫu tủy xƣơng bằng phƣơng pháp lọc từ sử
dụng các hạt nano từ tính – kim loại. Sau đó, phổ tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt
dùng để khảo sát vị trí của tế bào gốc. Nồng độ tế bào gốc đƣợc đo đạc, tính toán từ
giản đồ Nyquist – phép đo tổng trở.
Các tín hiệu đầu ra của cảm biến là các tín hiệu điện bao gồm giản đồ thế quét
vòng (CV) và tổng trở đƣợc đo trên hệ điện hóa tích hợp (PGSTATS).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Việc ứng dụng vật liệu nano PbS để chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác
định nồng độ glucose trong dung dịch không những để làm tăng độ nhạy cho cảm
biến, mà còn bƣớc đầu đánh giá ảnh hƣởng của sự tƣơng thích sinh học giữa vật liệu
nano với các phân tử sinh học trong việc làm tăng độ nhạy cảm biến.
Việc phân lập, đồng thời đo đƣợc hàm lƣợng tế bào gốc đóng vai trò rất quan
trọng trong việc đánh giá tình trạng sức khỏe. Phƣơng pháp sử dụng hạt nano từ để

5


phân lập các tế bào gốc từ mẫu tủy xƣơng là phƣơng pháp đơn giản, hiệu quả. Công
nghệ có thể phát triển để phân lập tế bào gốc từ các mẫu khác, thậm chí có thể
chuyển hƣớng sang đối tƣợng là các tế bào khác. Đặc biệt, sau khi đã phân lập các tế
bào một cách đặc hiệu và phân tán lại dung dịch đệm, việc khảo sát nồng độ tế bào
còn loại bỏ đƣợc nhiễu do các cơ chất có thể bị lẫn ở trong mẫu.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Đã chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu nano PbS với tín
hiệu đầu ra là giản đồ hiệu điện thế quét vòng. Cảm biến cho độ nhạy cao nhất đạt
546,2 µAcm-2mM-1.

- Sử dụng phƣơng pháp tính toán mô phỏng để khảo sát liên kết giữa các hạt
PbS với các phân tử hữu cơ, từ đó giải thích khả năng chuyển tiếp điện tích giữa các
hạt nano PbS với enzyme Glucose oxidase, làm tăng độ nhạy cảm biến.
- Sử dụng hạt nano đa chức năng từ tính – kim loại Fe3O4-Ag để phân lập tế
bào gốc máu từ mẫu tủy xƣơng; sau đó thiết kế điện cực đo tín hiệu tổng trở để xác
định nồng độ tế bào gốc sau khi phân lập. Độ nhạy của phép đo là 1,48 × 10-4 ± 1,4%
(Ω-1/tế bào.cm-1).
Cấu trúc của luận án
Các kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc viết thành 4 chƣơng với nội dung và
bố cục nhƣ sau:
 Chƣơng 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa dựa trên hai phƣơng pháp
đo đạc là hiệu điện thế quét vòng và điện tổng trở. Gắn với hai phƣơng pháp đo là hai
đối tƣợng lần lƣợt là nồng độ glucose trong dung dịch và tế bào gốc máu.
Tổng quan về vai trò của vật liệu nano trong hai loại cảm biến điện hóa dựa
trên hai phƣơng pháp đo đạc đã nêu trên. Từ đó, đƣa ra định hƣớng lựa chọn vật liệu
sulfide kim loại – cụ thể là PbS để ứng dụng trong cảm biến xác định nồng độ
glucose và vật liệu nano kim quý, vật liệu nano đa chức năng từ tính – kim loại để
ứng dụng trong cảm biến đo nồng độ tế bào.

6


Đánh giá hiện trạng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong chế tạo cảm biến
sinh học trong nƣớc.
 Chƣơng 2: Chế tạo vật liệu và các phƣơng pháp phân tích
Chƣơng II bao gồm hai phần chính: (i) các phƣơng pháp chế tạo và (ii) khảo
sát tính chất vật liệu nano PbS, vật liệu nano kim loại và vật liệu nano đa chức năng
từ tính kim loại thực hiện bởi nghiên cứu sinh tại Trung tâm Khoa học Vật liệu,
Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

 Chƣơng 3: Vật liệu nano PbS, nano Vàng và nano đa chức năng
Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag
Trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của các vật liệu
nano:
(i) Kết quả nghiên cứu hình thái, cấu trúc của vật liệu nano PbS thu đƣợc từ
phƣơng pháp hóa siêu âm kết hợp ủ laser.
(ii) Kết quả nghiên cứu hình thái, cấu trúc và tính chất quang của các hạt nano
vàng trong dung dịch thu đƣợc từ phƣơng pháp nuôi mầm.
(iii) Cấu trúc, hình thái của vật liệu nano đa chức năng từ tính – kim loại.
 Chƣơng 4: Ứng dụng vật liệu nano trong chế tạo cảm biến sinh học
Chƣơng 4 bao gồm 2 nội dung chính:
(i) Ứng dụng các hạt nano PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ
glucose trong dung dịch.
(ii) Các hạt nano từ tính – kim loại Fe3O4-Ag đƣợc ứng dụng trong phân lập
các tế bào gốc máu từ mẫu tủy xƣơng. Phổ tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt đƣợc
ứng dụng để phân biệt tế bào gốc máu với các vùng không phải tế bào gốc máu. Phép
đo tổng trở đƣợc sử dụng để khảo sát nồng độ tế bào sau khi phân lập.
 Kết luận
Khái quát các kết quả đạt đƣợc

7


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
Từ khi ra đời, công nghệ nano đã đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác
nhau nhƣ xây dựng, nông nghiệp, thủy sản, y sinh. Trong các ứng dụng y sinh,các
quá trình sinh học thƣờng khó theo dõi một cách trực tiếp; vì vậy cần đƣợc gắn kết
với một đối tƣợng chuyển đổi tín hiệu để có thể đánh giá đƣợc một cách định lƣợng.
Đây cũng là cấu trúc lý thuyết của một cảm biến sinh học. Kích thƣớc nằm ở trong
dải từ 1 nm đến 100 nm, cùng một khoảng kích thƣớc với các phần tử sinh học nhƣ

ADN, protein, enzyme nên vật liệu nano đƣợc lựa chọn ứng dụng rộng rãi trong y
học, sinh học [55,129]. Trong đó, vật liệu nano có thể tham gia đóng vai trò chuyển
tiếp tín hiệu [52,70] hoặc vai trò phát tín hiệu [82,129].
Trong các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong y sinh, các nhóm nghiên
cứu đều bắt đầu từ cấu trúc của cảm biến sinh học để lựa chọn đƣợc phƣơng pháp
nghiên cứu phù hợp nhất với hiện trạng của phòng thí nghiệm nhƣ hệ thống máy đo,
vật liệu hay đối tƣợng nghiên cứu.
Chƣơng 1 tổng quan về cấu trúc của cảm biến sinh học, hƣớng tới việc lựa
chọn tín hiệu nghiên cứu là tín hiệu điện hóa bao gồm các phép đo thế quét vòng và
phép đo tổng trở. Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu lựa chọn hai đối tƣợng nghiên
cứu, bao gồm một đối tƣợng cổ điển gắn liền với phép đo thế quét vòng là glucose và
một đối tƣợng mới là tế bào gốc. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu là bƣớc cuối cùng;
dựa vào thế mạnh của nhóm nghiên cứu, cũng nhƣ sự tƣơng thích của vật liệu đối với
đối tƣợng sinh học.
1.1.

CẢM BIẾN SINH HỌC

Theo L.C. Clark, một cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích đƣợc tích
hợp bởi một phần tử nhận biết sinh học với phần tử chuyển đổi tín hiệu” [12]. Trong
cuốn sách có tiêu đề “Biosensor: Fundamental and Applications” xuất bản năm 1987,
Antony P. F. Tuner đã đƣa ra một bảng thống kê về các đối tƣợng sinh học cũng nhƣ
các loại phần tử chuyển đổi tín hiệu (bảng 1.1) [118]. Các phần tử đƣợc liệt kê trong
bảng 1.1 có thể không phủ hết các đối tƣợng nghiên cứu, nhƣng giúp ích rất nhiều

8


cho việc nghiên cứu và phát triển các loại cảm biến sinh học khác nhau. Tất nhiên,
việc mở rộng phạm vi hoạt động của cảm biến sinh học còn có thể thông qua việc

đƣa thêm nhiều đối tƣợng nghiên cứu khác nhau, hoặc tăng độ nhạy hay nới rộng tới
hạn khảo sát của cảm biến.
Từ năm 1962 đến nay, trải qua hơn nửa thế kỷ phát triển, cảm biến sinh học
đã dần hoàn thiện hơn cả về đối tƣợng nghiên cứu, cách tiếp cận, cũng nhƣ ứng dụng
các loại khoa học công nghệ mới nhƣ công nghệ nano [16]. Cấu trúc của một cảm
biến sinh học cũng đã thay đổi so với định nghĩa ban đầu của Clark [117].
Bảng 1.1. Các phần tử có thể được dùng để chế tạo cảm biến sinh học [117]
Phần tử sinh học/ Đối tƣợng sinh học
Các cơ thể sinh vật
Mô
Tế bào
Bào quan
Màng tế bào
Enzyme
Thành phần cấu tạo nên enzyme
Thụ thể sinh học
Kháng thể
Acid nucleic
Phân tử hữu cơ

Phần tử chuyển đổi/ Tín hiệu đo đƣợc
Hiệu điện thế
Dòng điện
Độ dẫn
Tổng trở
Tính chất quang
Tính chất nhiệt
Tín hiệu âm
Tín hiệu cơ
Điện tử phân tử (molecular electronic)

Cảm biến sinh học bao gồm 3 bộ phận chính nhƣ trong hình 1.1: (i) phần tử
nhận biết sinh học hay đầu thu sinh học (biological recognition element

hay

bioreceptor) dùng để phân biệt đối tƣợng cần nhận biết một cách đặc hiệu, (ii) phần
tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) đóng vai trò chuyển đổitín hiệu sinh học thành tín
hiệu đo đƣợc, và (iii) phần tử xử lý tín hiệu (signal processing system) đóng vai trò
biến đổi tín hiệu đo đƣợc thành tín hiệu đọc đƣợc; từ đây đƣa ra thông tin về đối
tƣợng sinh học cần nhận biết [133].
Tƣơng tác giữa đối tƣợng cần nhận biết và phần tử nhận biết sinh học là tƣơng
tác đặc hiệu, nhƣ tƣơng tác kháng nguyên – kháng thể, bắt cặp DNA- DNA hay
tƣơng tác giữa đối tƣợng cần nhận biết (analyte) với enzyme. Việc ghép cặp “đầu thu
9


sinh học – đối tƣợng cần nhận biết” không chỉ giúp việc phân loại cảm biến sinh học
trở nên chi tiết hơn mà còn hƣớng các nghiên cứu tới việc đào sâu hơn về ảnh hƣởng
của quá trình sinh hóa đến tính năng, hiệu suất của cảm biến. Tín hiệu sinh hóa của
quá trình tƣơng tác đặc hiệu này thƣờng là tín hiệu không đọc đƣợc; vì vậy cần đƣợc
chuyển đổi thành tín hiệu đọc đƣợc thông qua phần từ chuyển đổi tín hiệu. Việc phân
loại cảm biến sinh học cũng có thể dựa vào kiểu hình tín hiệu nhận đƣợc sau quá
trình chuyển đổi tín hiệu; có thể là tín hiệu quang, tín hiệu điện, tín hiệu nhiệt hay
các tín hiệu vật lý khác. Sự hiểu biết rõ ràng về quá trình nhận biết sinh học giúp
chúng ta có thể đa dạng hóa kiểu hình cảm biến trên một đối tƣợng thông qua việc
thay đổi tín hiệu đầu ra của quá trình chuyển đổi tín hiệu, từ đó để có những nghiên
cứu tạo ra các cảm biến sinh học có hiệu quả cao hơn.

n 1.1. Sơ đồ khối của cảm biến sinh học

Các nghiên cứu về cảm biến sinh học không dừng lại ở các đối tƣợng là tế bào
hay phần tử sinh học, mà còn đƣợc mở rộng sang các đối tƣợng ở các lĩnh vực khác
nhƣ công nghệ môi trƣờng [119], công nghệ chế biến thực phẩm [116]. Các phƣơng
pháp đo đạc trong các cảm biến sinh học thƣờng tập trung khai thác các tín hiệu
huỳnh quang hoặc tín hiệu điện. Nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử, các tín hiệu

10


điện có thể điều khiển đến mức đủ nhỏ để không phá hủy mẫu sinh học, nhƣng vẫn
đảm bảo các tín hiệu đầu ra có thể đọc đƣợc [132]. Không chỉ vậy, các tín hiệu điện
thƣờng dễ dàng xử lý hơn các tín hiệu quang; kèm theo đó là các hệ đo cũng đơn
giản và dễ dàng thiết kế hơn so với các hệ quang học. Vì vậy, phƣơng pháp điện hóa
bao gồm phƣơng pháp đo thế (potentiometric), phƣơng pháp dòng (amperometric) và
tổng trở (impedimetric) đƣợc ƣu tiên sử dụng trong các nghiên cứu chế tạo cảm biến
sinh học [44].
1.2.

CẢM BIẾN SINH HỌC XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE

Cảm biến sinh học xác định nồng độ đƣờng đầu tiên đƣợc đề xuất bởi Clark
năm 1962 từ bệnh viện Nhi Cincinnati [133]. Với số lƣợng ca mắc bệnh tiểu đƣờng
ngày càng tăng, việc nghiên cứu ra những cảm biến sinh học nhận biết nồng độ
đƣờng trở nên cấp thiết trong những năm đầu thế kỷ XXI [20]. Nồng độ đƣờng trong
máu trƣớc khi ăn của một ngƣời bình thƣờng nằm trong khoảng [4,0 – 5,9] mM
(mmol/L), sau khi ăn xong giá trị này khoảng 7,8 mM. Đối với những ngƣời bị bệnh
tiểu đƣờng nhẹ, nồng độ đƣờng đo đƣợc trong máu trƣớc khi ăn trong khoảng [4,0 –
7,0] mM và sau khi ăn tăng lên đến 8,5 mM. Nhƣ vậy, để chuẩn đoán bệnh tiểu
đƣờng, cảm biến sinh học chỉ cần xác định khoảng hoạt động trong khoảng 3 mM
đến 11 mM với độ chính xác chỉ cần 0,1 mM. Khoảng hoạt động cũng nhƣ độ chính

xác này đã không còn là thách thức với các nghiên cứu hiện đại; ngay cả đối với các
nghiên cứu cảm biến sinh học trong nƣớc [70,86]. Mặc dù vậy, cảm biến sinh học
xác định nồng độ đƣờng vẫn đƣợc nhiều nhóm tiếp tục nghiên cứu [20,110]. Các
nghiên cứu này đều hƣớng tới giới hạn dƣới thấp hơn, độ chính xác cao hơn và độ
nhạy tốt hơn; nhằm nghiên cứu các mẫu phẩm có nồng độ glucose thấp; nhƣ nƣớc
bọt hay nƣớc dịch mồ hôi [65].
1.2.1. Cảm biến sinh học điện hóa đo nồng độ glucose
Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose đều dựa trên cơ sở tƣơng tác của
glucose với enzyme. Có 3 enzyme đƣợc sử dụng trong các cảm biến sinh học xác

11


định nồng độ glucose và đều đóng vai trò là các phần tử nhận biết sinh học:
hexokinase, glucose oxidase (GOx) [102] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [23].
Enzyme hexokinase đƣợc sử dụng thành cặp với enzyme Glucose-6Pdehydrogenase (G-6P-D) để có sản phẩm cuối cùng là H+, theo hệ phƣơng trình phản
ứng sau [26]:
D  glu cos e  ATP hexokinase
  D  glu cos e  6  P  ADP
6 P  D
D  glu cos e  6  P  NADP  G

 G  Glucolactone  6  P (1.1)
 NADPH  H 

Trong đó ATP và ADP là adenosine triphosphate và adenosine diphosphate,
NADP+ và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và dạng khử của
NADP+.
Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme ô xi hóa khử. Khi tƣơng tác với Dglucose xuất hiện quá trình trao đổi electron để biến D-glucose thành Glucolactone.
GOx cần phải có thêm phối tử (cofactor) là flavine adenine nucleotide (FAD) để

chuyển hóa glucose trong môi trƣờng giàu ô xi (phƣơng trình 1.2), còn GHD khi có
phối tử NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) chuyển hóa glucose mà không bị
ảnh hƣởng bởi ô xi môi trƣờng (phƣơng trình 1.3). Vì vậy GDH đƣợc ƣu tiên sử
dụng cho các cảm biến sinh học đƣợc chế tạo bởi các hãng danh tiếng nhƣ Bayer,
Roche hay Abbott [133]. Tuy nhiên, GDH cần yêu cầu bảo quản và giá thành cao;
nên hầu hết các nghiên cứu nhằm tăng tăng độ nhạy cảm biến lại sử dụng GOx
[70,78,137].
D  Glu cos e  GOx  FAD  Glucolactone  GOx  FADH
GOx  FADH  O2  GOx  FAD  H 2 O2
Glu cos e  GDH  NAD  Glucolactone  GDH  NADH
GDH  NADH  GDH  NAD   H   2e

(1.2)
(1.3)

Tín hiệu sinh học có thể là nồng độ của các chất tham gia hoặc sản phẩm của
các phản ứng nhƣ ATP, ADP hay H2O2; cũng có thể là số electron cần thiết để
chuyển hóa glucose thành gluconic acid; thƣờng là các tín hiệu không đọc đƣợc.

12