Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở các vật liệu nano vàng, bạc oxide graphene khử để phát hiện một số vi khuẩn gây bệnh

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

Vũ Quang Khuê

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ
CÁC VẬT LIỆU NANO VÀNG, BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ ĐỂ
PHÁT HIỆN MỘT SỐ VI KHUẨN GÂY BỆNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - 2020


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

Vũ Quang Khuê

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ
CÁC VẬT LIỆU NANO VÀNG, BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ ĐỂ
PHÁT HIỆN MỘT SỐ VI KHUẨN GÂY BỆNH

Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số : 9440122

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.
TS. VŨ NGỌC PHAN
2.
TS. TRẦN QUANG HUY

HÀ NỘI - 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tập thể hướng dẫn

TS. Vũ Ngọc Phan

TS. Trần Quang Huy

Tác giả luận án

Vũ Quang Khuê


LỜI CẢM ƠN
Với tấm lịng kính trọng, tơi xin bày tỏ sự biết ơn đối với TS. Vũ Ngọc Phan
và TS. Trần Quang Huy bởi những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận và định
hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn tơi, động viên, khích lệ và hết lịng giúp đỡ
để luận án được hồn thành.

Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn đối với Ban giám đốc, toàn thể cán bộ, giáo viên Viện
Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các
cán bộ nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Y sinh, Phịng thí nghiệm Siêu cấu
trúc, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Trường Cao đẳng Công nghiệp Bắc Ninh đã
tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian, hỗ trợ về chun mơn để tác
giả hồn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.TS. Lê Anh Tuấn - Viện Nghiên cứu
Nano - Trường Đại học Phenikaa và tất cả các thành viên nhóm nghiên cứu Vật liệu
Nano Y sinh và Mơi trường (NEB) đã nhiệt tình giúp đỡ để tơi hồn thành luận án
này.
Tôi cũng xin được dành những lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình tơi: bố, mẹ, vợ,
các con đã yêu thương, người thân và bạn bè đã cảm thông và chia sẻ, động viên, hỗ
trợ mọi điều kiện để tơi có thể tập trung học tập và nghiên cứu trong suốt những
năm tháng học tập tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ kinh phí từ nguồn học bổng cho đào tạo
nghiên cứu sinh của Bộ Giáo dục và Đào tạo (đề án 911), nhiệm vụ Nghị định thư
giữa chính phủ Việt Nam và chính phủ Italia, mã số nhiệm vụ: NĐT.05.ITA/15, đề
tài Khoa học và công nghệ tỉnh Bắc Ninh: KCBN-(08).18.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án
Vũ Quang Khuê


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................................... iv
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 1
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................................. 6

1.1. Cảm biến sinh học và nhiễm trùng bệnh viện............................................................. 7
1.1.1. Cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa...................................... 7
1.1.2. Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học trong và ngoài nước...............9
1.1.3. Nhiễm trùng bệnh viện......................................................................................... 11
1.1.4. Vi khuẩn gây bệnh nhiễm trùng bệnh viện................................................... 13
1.2. Cảm biến sinh học trên cở sở SPE phát hiện vi khuẩn gây bệnh....................... 15
1.2.1. Điện cực in lưới cacbon- SPE............................................................................ 15
1.2.2. Vật liệu nano kim loại quý để biến tính điện cực....................................... 16
1.2.2.1. Vật liệu nano vàng
...............................................................................................................................................

16
1.2.2.2. Vật liệu nano lai bạc - oxide graphene khử
...............................................................................................................................................

17
1.2.3. Vật liệu nano kim loại quý biến tính điện cực SPE................................... 17
1.2.4. Phương pháp biến tính SPE................................................................................ 19
1.3. Các phương pháp cố định kháng thể trên bề mặt điện cực................................... 21
1.3.1. Kháng nguyên, kháng thể.................................................................................... 21
1.3.2. Liên kết cộng hóa trị............................................................................................. 22
1.3.3. Ái lực sinh học........................................................................................................ 24
1.3.4. Hấp phụ vật lý.......................................................................................................... 24
1.4. Kỹ thuật đo điện hóa trong cảm biến sinh học.......................................................... 25
1.4.1. Phương pháp quét thế vịng tuần hồn (CV)................................................ 26
1.4.2. Phương pháp đo Von - Ampe xung vi sai (DPV)....................................... 28
1.4.3. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS).................................................... 29
1.5. Thiết bị cầm tay cho cảm biến sinh học...................................................................... 31
Chương 2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN
LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH VỚI BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ ........................35

2.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................... 36
2.2. Vật liệu và phương pháp................................................................................................... 37
2.2.1. Vật liệu, hóa chất.................................................................................................... 37
2.2.2. Đảm bảo an tồn sinh học................................................................................... 37
2.2.3. Quy trình chế tạo vật liệu nano lai AgNPs-rGO......................................... 37
2.2.4. Biến tính điện cực in lưới cacbon bằng vật liệu bạc-oxide graphene 38
2.2.5. Cố định kháng thể lên trên bề mặt điện cực biến tính.............................. 39
2.2.6. Khảo sát khả năng phát hiện vi khuẩn Salmonella.................................... 40
2.3. Kết quả và thảo luận........................................................................................................... 41
2.3.1. Sự hình thành của hạt bạc trên tấm graphene oxít..................................... 41
2.3.2. Hình thái và kích thước hạt nano bạc trên graphene oxít........................43
2.3.3. Khảo sát hình thái bề mặt điện cực biến tính............................................... 44
2.3.4. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính................................................... 46


2.3.4.1. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính
...............................................................................................................................................

46
2.3.4.2. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể
...............................................................................................................................................

48


2.3.5. Phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại biến đổi Fourie......................................... 50
2.3.6. Phát hiện vi khuẩn Salmonella.......................................................................... 51
2.3.7. Độ chọn lọc và giới hạn phát hiện vi khuẩn Salmonella.........................53
2.4. Kết luận chương 2................................................................................................................ 55
Chương 3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN

LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH....................................................................................................... 57
HẠT NANO VÀNG (AuNPs)...................................................................................................... 57
3.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................... 58
3.2. Vật liệu và phương pháp................................................................................................... 59
3.2.1. Vật liệu, hóa chất.................................................................................................... 59
3.2.2. Đảm bảo an tồn sinh học................................................................................... 59
3.2.3. Quy trình chế tạo hạt nano vàng....................................................................... 59
3.2.4. Biến tính điện cực in lưới cacbon bằng hạt nano vàng............................60
3.2.5. Cố định kháng thể bằng liên kết cộng hóa trị.............................................. 60
3.2.6. Khảo sát cảm biến phát hiện vi khuẩn E.coli O157 và MRSA..............61
3.3. Kết quả và thảo luận........................................................................................................... 62
3.3.1. Hình thái và kích thước hạt nano vàng........................................................... 62
3.3.1.1. Sự hình thành hạt nano vàng phụ thuộc vào điện áp điện hóa
................................................................................................................
62
3.3.1.2. Sự hình thành hạt nano vàng phụ thuộc vào thời gian điện hóa 63
3.3.1.3. Hình thái và kích thước hạt nano vàng quan sát bằng TEM
...............................................................................................................................................

65
3.3.2. Khảo sát hình thái bề mặt của điện cực biến tính....................................... 67
3.3.3. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính................................................... 68
3.3.4. Điện cực biến tính phụ thuộc kích thước hạt nano vàng.........................71
3.3.5. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể.............................................................. 73
3.3.6. Khảo sát khả năng phát hiện vi khuẩn E.coli O157 của cảm biến.....74
3.3.6.1. Phát hiện vi khuẩn E.Coli O157
...............................................................................................................................................

74
3.3.6.2. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến

...............................................................................................................................................

74
3.3.6.3. Thời gian sống của cảm biến
...............................................................................................................................................

76
3.3.7. Khảo sát phát hiện vi khuẩn MRSA của cảm biến..................................... 77
3.4. Kết luận chương 3................................................................................................................ 82
Chương 4. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN
LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH MÀNG NANO VÀNG....................................................... 84
4.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................... 85
4.2. Vật liệu và phương pháp................................................................................................... 86
4.2.1. Vật liệu, thiết bị....................................................................................................... 86
4.2.2. Đảm bảo an toàn sinh học và phương pháp phát hiện vi khuẩn MRSA
86
4.2.3. Biến tính bề mặt điện cực SPE.......................................................................... 87


4.3. Kết quả và thảo luận........................................................................................................... 87
4.3.1. Hình thái bề mặt điện cực quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét. . .87
4.3.2. Khảo sát các đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính.........................89
4.3.3. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính phụ thuộc chiều dày màng
nano vàng.................................................................................................................................... 90
4.3.4. Diện tích hoạt động điện hóa của điện cực biến tính................................ 92
4.3.5. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể.............................................................. 93
4.3.6. Phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại biến đổi Fourier....................................... 94


4.3.7. Phát hiện vi khuẩn MRSA.................................................................................... 95

4.4. Kết luận chương 4................................................................................................................ 97
Chương 5. CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CẦM TAY CHO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA . 99
5.1. Đặt vấn đề............................................................................................................................ 100
5.2. Vật liệu và phương pháp................................................................................................. 101
5.2.1. Vật liệu và linh kiện............................................................................................ 101
5.2.2. Thiết kế các khối của thiết bị.......................................................................... 101
5.2.2.1. Các khối cơ bản........................................................................................... 102
5.2.2.2. Khối phát tín hiệu tới cảm biến............................................................. 103
5.2.2.3. Khối giao tiếp và hiển thị......................................................................... 104
5.2.2.4. Khối xử lý trung tâm.................................................................................. 105
5.2.2.5. Thiết kế vỏ hệ đo......................................................................................... 106
5.3. Kết quả và thảo luận......................................................................................................... 107
5.3.1. Bảng mạch chủ và tín hiệu thực nghiệm..................................................... 107
5.3.2. Phần mềm tích hợp thiết bị đo........................................................................ 108
5.3.3. Thơng số kỹ thuật của thiết bị đo................................................................... 109
5.3.4. Các bước thực nghiệm với hệ đo................................................................... 110
5.4. Kết luận chương 5............................................................................................................. 112
KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................................................... 113
KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT....................................................................................................... 114
XÁC NHẬN THỬ NGHIỆM CỦA BỘ THIẾT BỊ CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA.........115
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN....................... 116
QUYẾT ĐỊNH CHẤP NHẬN ĐƠN GIẢI PHÁP HỮU ÍCH........................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 118


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Ab
ADC
Ag

AgNPs
DNA
APTES
RNA
AuNFs
AuNPs
BSA
EID50
CE
CEA
CFU
CNC
CNTs
CV
DI
DPV
EDX
EIS
ELISA
FET
FTIR
GA
GC
GMBS
GO
HCW
IC
LCD
LOD
LSV

An
An
An
Silv
Deo
3-a
sila
Rib
Go
Go
Bov
50%
Cou
Car
Col
Com
Car
Cyc
Dei
Dif
Vol
Ene
spe
Ele
Spe
Enz
ass
Fie
Fou

spe
Glu
Gra
Gam
sulp
Gra
Hea
Inte
Liq
Lim
Lin


L-W-H
MA
MRSA

Len
Mul
met
Stap
Mer
trim
Mut
nano
N-H
Ope
Pho
Pers
Poly

Prot
Plat
Res
Refe
Sign
Self
Scan
Scre
Sigl
Tran
mic
Uni
Uni
Ultr
Wor
Wor

MTS
MWNCTs
NHS
OCP
PBS
PC
PCR
PrA
Pt
Rct
RE
S/N
SAM

SEM
SPE
SWNCTs
TEM
USB
USD
UV
WE
WHO

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về cảm biến điện hóa
phát hiện vi khuẩn Salmonella........................................................................................................ 9
Bảng 1.2: Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa ở Việt
Nam......................................................................................................................................................... 10
Bảng 2.1: Các giá trị Ipeak, Ip,a, Ip,c từ kế quả thực nghiệm đo CV đối với điện cực
SPE ở các trạng thái mỗi bước biến tính cố định kháng thể.............................................. 49
Bảng 2.2: Tổng hợp các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak and ∆Ipeak từ phương pháp đo CV của
cảm biến sinh học dị tìm vi khuẩn Salmonella ở các nồng độ khác nhau...................52
Bảng 2.3: So sánh kết quả phát hiện vi khuẩn Salmonella của một số phương pháp,
loại cảm biến sinh học điện hóa.................................................................................................... 54
Bảng 3.1: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo CV và EIS của
các điện cực SPE trần, SPE/AuNPs............................................................................................ 70
Bảng 3.2: Tổng hợp các thông số điện hóa thu được từ kết quả đo CV của các điện
cực SPE trần, SPE/AuNPs-10 nm , SPE/AuNFs-15 nm và SPE/AuNPs-25 nm.......72
Bảng 3.3: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo EIS của các điện

cực SPE trần, SPE/AuNPs-10 nm, SPE/AuNFs-15 nm và SPE/AuNPs-25 nm........72
Bảng 3.4: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo DPV của các điện
cực SPE trần, SPE/AuNPs-10 nm, SPE/AuNFs-15 nm và SPE/AuNPs-25 nm........72
Bảng 3.5: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak tính tốn được từ phép đo CV đối với điện cực
SPE/AuNPs sau các bước cố định kháng thể.......................................................................... 73
Bảng 3.6: Các giá trị Rct tính tốn được từ việc FIT sử dụng phần mềm Equivalent
circuit analysis trong phép đo EIS đối với cảm biến miễn dịch chế tạo bằng điện
cực SPE/AuNPs phát hiện vi khuẩn E.coli ở các nồng độ khác nhau............................ 75
Bảng 3.7: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu công bố trong thời gian gần đây khi sử
dụng điện cực SPE biến tính vật liệu nano phát hiện một số tác nhân gây bệnh.....78
Bảng 4.1: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo CV và EIS của
các điện cực SPE trần, SPE/AuNFs............................................................................................ 90
Bảng 4.2: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo CV của các điện
cực SPE trần, SPE/AuNFs-10 nm , SPE/AuNFs-20 nm và SPE/AuNFs-30 nm.......91
Bảng 4.3: Tổng hợp các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo EIS của các điện
cực SPE trần, SPE/AuNFs-10 nm , SPE/AuNFs-20 nm và SPE/AuNFs-30 nm.......91
Bảng 4.4: Diện tích hoạt động điện hóa của điện cực biến tính và tỷ lệ diện tích hoạt
động điện hóa so với diện tích hình học của điện cực SPE biến tính vật liệu nano
vàng......................................................................................................................................................... 92
Bảng 4.5: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak tính tốn được từ phép đo CV đối với điện cực
SPE/AuNFs sau các bước cố định kháng thể.......................................................................... 94
Bảng 4.6: Tổng hợp giá trị điện trở Rct theo nồng độ vi khuẩn MRSA....................... 97

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Ngun lý hoạt động của cảm biến sinh học (A), cảm biến điện hóa (B) . 7
Hình 1.2: Cơng trình cơng bố quốc tế giai đoạn 2009-2019 liên quan đến cảm biến

sinh học (A), cảm biến miễn dịch (B)........................................................................................... 8
Hình 1.3: Các phương pháp thu nhận nhiễm trùng bệnh viện [2]................................... 12
Hình 1.4: Một số nhiễm trùng bệnh viện do vi khuẩn gây lên theo thống kê với
13,829 bệnh nhân tại Châu Âu [2]............................................................................................... 13
Hình 1.5: Điện cực SPE biến tính vật liệu nano vàng và vật liệu nano lai AgNPs-GO
18
Hình 1.6: Hạt AuNPs được biến tính và trực tiếp cố định trên điện cực rắn để tăng
cường đầu dị và tín hiệu điện đầu ra khi phát hiện tác nhân gây bệnh (A), các đầu
dò được cố định trên đế cứng hạt AuNPs được cố định với kháng thể thứ 2 nhằm
tăng cường tín hiệu điện đầu ra của cảm biến (B)................................................................. 19
Hình 1.7: Phương pháp nhỏ phủ và quay phủ cho lắng đọng vật liệu nano lên bề mặt
điện cực làm việc của SPE.............................................................................................................. 20
Hình 1.8: Quy trình cố định bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị thơng qua
nhóm thiol (ban đầu là - SH, sau đó là - NHS), quy trình (A), liên kết giữa các nhóm
chức (B)[19]......................................................................................................................................... 23
Hình 1.9: Quy trình cố định bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị của kháng thể
hCG với nhóm carboxyl-terminated Ppy-PPa sử dụng EDC và NHS [189]...............24
Hình 1.10: Đồ thị qt thế vịng tuần hồn CV thời điểm, điện thế qt (A), biểu
diễn dịng điện tương ứng (B)....................................................................................................... 26
Hình 1.11: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong quét thế tuần vịng...................27
Hình 1.12: Thế ứng dụng biên độ, chu kỳ xung (A), đặc trưng đường cong Vônampe (B) trong phương pháp đo DPV....................................................................................... 28
Hình 1.13: Sơ đồ khối mơ phỏng nguyên lý đo tổng trở..................................................... 29
Hình 1.14: Biểu diễn hình học các phần tử phức................................................................... 30
Hình 1.15: Mạch tương đương ứng với hệ điện hóa bị khống chế.................................. 30
Hình 1.16: (A) Sơ đồ biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức và(B) mạch điện
tương đương Randles........................................................................................................................ 31
Hình 1.17: Hệ thống phát hiện vi khuẩn bằng thiết bị không dây thơng qua điện
thoại thơng minh (a) đưa mẫu phân tích vào cảm biến, (b) hình dạng kích thước của
cảm biến, (c) kết quả hiển thị hoạt động của cảm biến trên điện thoại, (d) sơ đồ khối
hệ thống cảm biến khơng dây [77].............................................................................................. 32

Hình 1.18: Bảng mạch điện tử PCB với kích thước 2.5 inches (a) và cảm biến được
xây dựng từ điện cực SPE vàng lắp với đầu kết nối giao tiếp với điện thoại [170] . 33
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp chế tạo vật liệu nano lai AgNPs-GO............................... 38
Hình 2.2: Quy trình biến tính điện cực chế tạo cảm biến sinh học điện hóa dị tìm vi
khuẩn Salmonella............................................................................................................................... 40
Hình 2.3: Sơ đồ hệ đo điện hóa sử dụng máy đo Palmsen 3.0.......................................... 40
Hình 2.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu nano lai AgNPs-GO................................ 42
Hình 2.5: Phổ hồng ngoại FTIR của GO (a), AgNPs-GO (b)........................................... 42
Hình 2.6: Phổ hấp thụ UV-vis của hạt nano lai AgNPs-GO.............................................. 43
iv


Hình 2.7: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM của hạt nano lai AgNPs-GO sau khi
0
chế tạo (A) và 6 tháng sau khi bảo quản ở 4 C bịt kín trong giấy bạc (B)...................44
Hình 2. 8: Ảnh hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao (SEM) bề mặt SPE trần (AC) và SPE biến tính vật liệu AgNPs-GO (B-D)...................................................................... 45
Hình 2.9: Phổ EDX của điện cực SPE biến tính AgNPs-GO............................................ 45
Hình 2.10: Đặc tuyến CV điện cực biến tính AgNPs-GO (b) và điện cực SPE trần
(a) trong dung dịch điện ly K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 5,0 mM, KCl 0,1 M, tốc độ
-1
quét 50 mVs ...................................................................................................................................... 46
Hình 2.11: Đặc tuyến CV điện cực SPE/AgNPs-GO trong dung dịch K 3
-1

[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]5,0 mM, KCl 0,1 M, tốc độ quét 50 mVs với 30 vòng qt
47
Hình 2.12: Phổ tổng trở điện hóa của điện cực SPE trần và điện cực SPE biến tính
vật liệu nano lai AgNPs-GO trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 5,0 mM........48
Hình 2.13: Quy trình cố định kháng thể IgG của vi khuẩn Salmonella trên bề mặt
điện cực SPE/AgNPs-GO............................................................................................................... 48

Hình 2.14: Đường CV của điện cực: (a): SPE; (b): SPE/AgNPs-GO; (c):
SPE/AgNPs-GO/SH
và
(d):SPE/AgNPs-GO/NHS/Ab;
(e)SPE/AgNPsGO/NHS/Ab/BSA trong dung dịch K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]5,0mM, KCl 0,1 M,
-1
tốc độ quét 50 mVs ......................................................................................................................... 49
Hình 2.15: Đường CV của 7 điện cực SPE/AgNPs-GO/NHS/Ab/BSA (cảm biến
sinh học) khác nhau (cùng sử dụng một qui trình cố định kháng thể) trong dung dịch
50
Hình 2.16: Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier trong vùng sóng 800-1
4000cm của điện cực SPE/AgNPs-GO@MTS@ 51
Hình 2.17: Đường CV của cảm biến sinh học (a) và cảm biến /vi khuẩn Salmonella
1
2
3
ở các nồng độ (b) 10 CFU/mL, (c) 10 CFU/mL, (d) 10 CFU/mL, (f)
4
10 CFU/mL,
5

(g) 10 CFU/mL trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] và 0,1M
-1

KCl ở tốc độ qt 50 mVs ........................................................................................................... 52
Hình 2.18: Sự thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học đường CV của cảm
1
biến sinh học (a) và cảm biến miễn dịch/vi khuẩn Salmonella ở các nồng độ (b) 10
2
3

4
5
CFU/mL, (c) 10 CFU/mL, (d) 10 CFU/mL, (f) 10 CFU/mL, (g) 10 CFU/mL trong
dung dịch điện ly 5,0 mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] và 0,1 M KCl ở tốc độ quét 50
-1

mVs ...................................................................................................................................................... 53
Hình 2.19: Đường CV của cảm biến sinh học (b) và cảm biến miễn dịch/vi khuẩn
5
E.coli O157(a) nồng độ 10 CFU/mL
trong dung dịch điện ly 5,0 mM
K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] và 0,1 M KCl ở tốc độ qt 50 mVs

-1
................................. 53

Hình 3.1: Mơ hình chế tạo hạt nano vàng AuNPs, q trình chế tạo tại phịng thí
nghiệm (A), mơ hình ngun lý chế tạo hạt AuNPs (B)..................................................... 59
Hình 3.2: Quy trình biến tính điện cực để chế tạo cảm biến phát hiện vi khuẩn E.coli
61
Hình 3.3: Màu sắc các mẫu AuNPs chế tạo ở các mức điều chế điện áp biên độ
xung khác nhau, cùng tần số và thời gian điều chế............................................................... 62
Hình 3.4: Phổ hấp thụ UV-vis các mẫu AuNPs chế tạo ở các mức điều chế điện áp
biên độ xung khác nhau, cùng tần số và thời gian điều chế............................................... 63


v


Hình 3.5: Màu sắc các mẫu AuNPs chế tạo ở điều kiện thời gian khác nhau, cùng

điều kiện tần số và điện áp điều chế............................................................................................ 64
Hình 3.6: Phổ hấp thụ các mẫu AuNPs chế tạo ở điều kiện thời gian khác nhau,
cùng điều kiện tần số và điện áp điều chế................................................................................. 64
Hình 3.7: Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM các mẫu điều chế ở mức điện áp
khác nhau 6V (A), 9V (B), 12V (C), 15V (D)......................................................................... 65
Hình 3.8: Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM các mẫu điều chế trong các
khoảng thời gian khác nhau 1h (A), 2h (B), 3h (C), 4h (D)............................................... 66
Hình 3.9: (A-B) Ảnh hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao SEM của bề mặt điện
cực SPE trần, (C-D) bề mặt điện cực SPE biến tính AuNPs ở độ phân giải 500 nm
và 1m.................................................................................................................................................... 67
Hình 3.10: Ảnh Phổ EDX xác nhận thành phần và độ sạch của điện cực SPE biến
tính hạt nano vàng.............................................................................................................................. 68
Hình 3.11: Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính SPE/AuNPs,(A) thế qt vịng
tuần hồn, (B) phổ tồng trở điện hóa EIS, (C) ổn định của điện cực biến tính với 30
vịng qt CV, (D)Von - Ampe xung vi sai trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3
[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl................................................................................. 69
Hình 3.12: Đặc trưng điện hóa trong phương pháp đo Von - Ampe xung vi sai DPV
-1
với bước xung Epulse = 10 mV trong dải 0,1V đến 0,35 V, tốc độ quét 20 mVs , t
pulse = 0,02s trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M
KCl........................................................................................................................................................... 70
Hình 3.13: Đặc trưng điện hóa của điện cực SPE/AuNPs phụ thuộc kích thước hạt
nano vàng, (A)thế qt vịng tuần hồn, (B) phổ tồng trở điện hóa EIS,(C) Von Ampe xung vi sai DPV trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]
chứa 0,1 M KCl................................................................................................................................... 71
Hình 3.14: (A) Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính SPE/AuNPs cố định phần
tử sinh học SPE/AuNPs (a), SPE/AuNPs/NHS (b), SPE/AuNPs/NHS/Ab (c),
SPE/AuNPs/NHS/Ab/BSA (d); (B) Ổn định điện hóa của cảm biến trong dung dịch
-1
điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl, tốc độ quét 50 mVs 73
Hình 3.15: (A-B) Cảm biến miễn dịch có điện cực biến tính SPE/AuNPs phát hiện

1
2
vi
khuẩn E.coli biến ở các nồng độ 10 CFU/ml (a), 10 CFU/ml (b),
3
10 CFU/ml (c),
4
5
6
10 CFU/ml (d), 10 CFU/ml (e), 10 CFU/ml (f) bằng phương pháp CV-EIS trong dung
dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl; (C) Sự thay
đổi giá trị Rct của cảm biến tuyến tính theo nồng độ vi khuẩn E.coli......................... 75
Hình 3.16: (A) Độ chọn lọc của cảm biến khi khảo sát ủ với vi khuẩn đối chứng
3
Salmonella nồng độ 1x10 cfu/ml; (B) Kiểm tra thời gian sống của cảm biến bằng
phương pháp quét thế vòng tuần hoàn CV sau 21 ngày bảo quản trong kho ở điều
0
2
kiện 4 C, PBS pH 7,4. Nồng độ vi khuẩn E.coli ủ kiểm tra 10 cfu/ml.........................76
Hình 3.17: (A) kiểm tra sự có mặt của MRSA trong mẫu; (B) đặc trưng CV các
bước trong quá trình cố định kháng thể MRSA, (a) SPE trần, (b)SPE/AuNPs - 15
nm,
(c)
SPE/AuNPs/NHS,
(d)
SPE/AuNPs/NHS/Ab,
(e)
SPE/AuNPs/NHS/Ab/BSA, (f) SPE/AuNPs/NHS/Ab/BSA/MRSA trong dung dịch
điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl........................................... 77
Hình 3.18: (A) Phổ Nyquist plots của cảm biến phát hiệu vi khuẩn MRSA ở các

2
3
4
5
nồng độ 10 CFU/mL(a), 10 CFU/mL (b), 10 CFU/mL (c), 10 CFU/mL (d), 10


vi


6

CFU/mL €, 10 CFU/mL (f); (B) Dải phát hiện của cảm biến thông qua Rct ở nồng
độ khác nhau; (C) độ chọn lọc của cảm biến khi sử dụng vi khuẩn đối chứng E.coli
6
O157 ở nồng độ 10 CFU/mL....................................................................................................... 78
Hình 4.1: (A) hệ phún xạ 1045 ION Sputter,(B) mặt lạ - Mask,(C) điện cực SPE
biến tính màng nano vàng............................................................................................................... 87
Hình 4.2: (A-B) Ảnh hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao SEM của bề mặt điện
cực SPE trần, (C-D) bề mặt điện cực SPE biến tính AuNFs ở độ phân giải 500 nm
và 1m.................................................................................................................................................... 88
Hình 4.3: Phổ EDX xác nhận thành phần và độ sạch của điện cực SPE biến tính
màng mỏng nano vàng..................................................................................................................... 89
Hình 4.4: Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính SPE/AuNFs chiều dày màng là
20 nm, (A) thế qt vịng tuần hồn, (B) phổ tồng trở điện hóa EIS, (C) ổn định của
điện cực biến tính với 30 vịng qt CV trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3
[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl................................................................................. 89
Hình 4.5: Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính SPE/AuNFs phụ thuộc chiều
dày của lớp màng mỏng nano vàng,(A) qt thế vịng tuần hồn,(B) phổ tồng trở
điện hóa EIS trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1

M KCl..................................................................................................................................................... 91
Hình 4.6: Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính SPE/AuFPs cố định phần tử
sinh học SPE/AuNFs (a), SPE/AuNFs/NHS (b), SPE/AuNFs/NHS/Ab (c),
SPE/AuNFs/NHS/Ab/BSA (d)
trong dung dịch điện ly 5,0 mM K3
[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl, tốc độ quét 50 mV/s...................................... 93
Hình 4.7: Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier trong vùng sóng 800-1
3800cm của (a) điện cực biến tính SPE/AuNPs và (b) sau khi cố định kháng thể
SPE/AgNFs@MTS@ 95
Hình 4.8: Đường cong CV của cảm biến sinh học dị tìm vi khuẩn MRSA trong
dung dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl, tốc độ quét
50 mV/s.................................................................................................................................................. 96
Hình 4.9: (A) Cảm biến sinh học có điện cực biến tính SPE/AuNFs phát hiện vi
1
2
3
khuẩn MRSA ở các nồng độ 10 CFU/mL (a), 10 CFU/mL (b), 10 CFU/mL (c),
4
5
6
10 CFU/mL (d), 10 CFU/mL (e), 10 CFU/mL (f) bằng phương pháp EIS trong
dung dịch điện ly 5,0 mM K3 [Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] chứa 0,1 M KCl; (B) Sự thay
đổi giá trị Rct của cảm biến sinh học sử dụng điện cực SPE/AuNFs phụ thuộc nồng
độ vi khuẩn MRSA............................................................................................................................ 96
Hình 5.1: Sơ đồ khối của hệ đo điện hóa................................................................................ 101
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn (A), khối tinh chỉnh Since (B) khối nạp
(C).......................................................................................................................................................... 102
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý của khối cấp tín hiệu vào cho cảm biến sinh học..........103
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý của khối giao tiếp USB (A) RS232 (D) tách sóng biên độ
since (B) và hiển thị chuẩn HITACHI LCD (C).................................................................. 105

Hình 5.5: Nguyên lý của bộ xử lý trung tâm STM32F103C8T6.................................. 106
Hình 5.6: Thiết kế vỏ tĩnh điện cho hệ đo điện hóa............................................................ 106
vii


Hình 5.7: Bảng mạch chỉnh của hệ đo (A) là khối xử ký trung tâm và giao tiếp, hiển
thị, (B) là khối nguồn ni, phát tín hiệu vào cảm biến, (C) hình chụp chiếu đứng
của bảng mạch chính...................................................................................................................... 107
Hình 5.8: Tín hiệu được đo thực nghiệm từ bảng mạch chủ trên máy
Osilloscope(A), thiết kế đóng vỏ (B), thử nghiệm tín hiệu khuếch đại (C)..............108
Hình 5.9: Giao diện phần mềm iPortable trên máy tính................................................... 109
Hình 5.10: Mơ hình sử dụng thiết bị (A) và cảm biến điện hóa đo thử nghiệm lưu
động tại CDC tỉnh Bắc Ninh (B)............................................................................................... 110
Hình 5. 11: So sánh khả năng khảo sát vi khuẩn của trạm đo điện hóa Palsen 3.0 sử
dụng cảm biến SPE/AgNPs-GO (A), SPE/AuNPs (B), SPE/AuNFs (C) với thiết bị
chế tạo(D)sử dụng điện cực SPE/AuNFs............................................................................... 111

viii


MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng về kinh tế - xã hội, con người cũng
phải đối mặt với nhiều mầm bệnh nguy hiểm ở các mức độ khác nhau như ung thư,
bệnh truyền nhiễm, ngộ độc thực phẩm và nhiễm trùng bệnh viện. Việc khống chế
và ngăn chặn kịp thời các dịch bệnh luôn được quan tâm của mọi quốc gia và trên
thế giới. Với sự phát triển của khoa học và cơng nghệ nói chung, việc nghiên cứu
ứng dụng các công nghệ mới, phương pháp phát hiện mới nhằm có thể nhanh chóng
kiểm sốt được dịch bệnh, sự khởi phát của bệnh cần phải có sự hỗ trợ nghiên cứu
đa ngành kết hợp của công nghệ nano, vật lý, hóa học, sinh học, điện tử…Trong
những năm gầy đây, việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng cảm biến sinh học điện

hóa trong kiểm sốt và chăm sóc sức khỏe nói chung, trong y tế dự phịng nói riêng
đang được quan tâm. Cảm biến sinh học cho phép phát hiện nhanh, nhạy, chính xác
các tác nhân gây bệnh và đặc biệt là dễ sử dụng trong các trường hợp phải chẩn
đoán để kiểm soát dịch bệnh trong phạm vi quy mô lớn [1]. Cảm biến sinh học dựa
trên cơ sở bộ chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa có khả năng ứng dụng lớn trong
phân tích các đối tượng y sinh vì thiết bị này có khả năng phân tích nhanh, nhỏ gọn,
có độ chọn lọc và nhạy cao thông qua việc ứng dụng các vật liệu nano mới để biến
tính bề mặt chuyển đổi tín hiệu của cảm biến. Cảm biến sinh học điện hóa có q
trình hoạt động dựa trên sự thay đổi về đặc tính điện diễn ra sau khi có phản ứng
sinh hóa giữa phần tử dị và phần tử đích trên bề mặt cảm biến, sự thay đổi rất nhỏ
này có thể được ghi lại, biểu diễn bằng phương pháp phân tích điện hóa. Trong đó,
phương pháp phân tích điện hóa sử dụng hệ thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, chi phí thấp
và có q trình vận hành dễ dàng, do đó có thể tiết kiệm chi phí phân tích và đơn
giản hóa các bước phân tích. Nhiều kĩ thuật điện hóa đã được phát triển để sử dụng
để phân tích diễn biến quá trình hoạt động của bề mặt điện cực cảm biến điện hóa.
Trong cảm biến sinh học điện hóa, các tín hiệu điện được phân tích từ đầu ra của
cảm biến tỉ lệ với khả năng bắt cặp kháng nguyên, kháng thể trên bề mặt điện cực,
những kỹ thuật đo cảm biến điện hóa này cho nhiều ưu điểm như: chi phí thấp, thao
tác đơn giản, thời gian cho kết quả nhanh mà vẫn có độ nhạy và độ chính xác cao,
tránh việc mất mát mẫu đo trong quá trình đo đạc. Hơn nữa, do hệ thiết bị gọn nhẹ,
và việc xử lý mẫu đơn giản nên phương pháp này được phát triển thành các thiết bị
đo cầm tay để phân tích mẫu trực tiếp ngồi hiện trường và khảo sát thực địa. Tuy
nhiên, một trong những điểm cần quan tâm đối với cảm biến sinh học điện hóa là sự
ổn định bề mặt điện cực trong quá trình đo lường và khả năng bắt cặp giữa phần tử
dị và phần tử đích trên bề mặt điện cực [3],[6].
Đối với điện cực in lưới (SPE) cacbon, mặc dù đã được phát triển từ những năm
1990, nhưng hiện nay điện cực này vẫn là một trong những linh kiện được sử dụng
phổ biến trong kỹ thuật phân tích điện hóa và kỹ thuật y sinh nhằm phát hiện nhanh
độc tố hay kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường, trong nơng nghiệp và thực phẩm
[5],[6]. Điện cực này có những tính năng vượt trội như giá thành thí nghiệm và chi

phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các kim loại quý, khả năng tương thích tốt với các
phần tử sinh học hay hóa học, có độ nhạy và thời gian đáp ứng nhanh, có thể biến
tính dễ dàng với các vật liệu kim loại quý nhằm nâng cao khả năng khuếch đại tín
hiệu của bộ phận chuyển đổi [7]. Mặc dù có nhiều ưu điểm tuy nhiên trong quá
1


trình ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học nhưng điện cực cacbon rất ít khi được sử
dụng trực tiếp. Cảm biến sinh học sử dụng trực tiếp điện cực SPE cacbon khó cảm
nhận được sự thay đổi nhỏ xảy ra trên bề mặt điện cực khi có sự hiện diện của đối
tượng phát hiện, thời gian phát hiện đáp ứng được q trình phân tích [8],[2].
Những nghiên cứu ứng dụng các hệ vật liệu có cấu trúc nano với kích thước nhỏ
hơn 100 nm gần đây đã được sử dụng để biến tính bề mặt SPE để tăng độ nhạy và
khả năng truyền tải điện tích từ dung dịch điện ly đến điện cực. Hệ vật liệu nano có
thể được tổng hợp từ hạt nano vàng, hạt nano lai bạc-graphene oxít hay ống nano
cacbon. Nhờ những thuộc tính vật lý và hóa học điển hình của hạt nano vàng, hạt
nano lai bạc - graphene oxít, ống nano cacbon có thể giúp các cảm biến sinh học
điện hóa trên cơ sở SPE cacbon để tăng cường sự ổn định, có độ nhạy và độ chọn
lọc cao, thời gian phát hiện các tác nhân gây bệnh nhanh hơn [9].
Cảm biến sinh học đang được nghiên cứu, áp dụng để phát hiện nhiều tác nhân gây
bệnh khác nhau, trong đó có các tác nhân vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện và gây
ngộ độc thực phẩm. Nhiễm trùng bệnh viện đang là vấn đề được cả thế giới quan tâm
do ngày càng xuất hiện nhiều chủng vi khuẩn kháng kháng sinh, thậm chí kháng đa
thuốc. Nhiễm trùng bệnh viện là nhiễm trùng mắc phải trong thời gian nằm viện, xuất
hiện ít nhất 48 giờ sau khi bệnh nhân vào viện và không có biểu hiện ở giai đoạn ủ
bệnh khi nhập viện. Nhiễm trùng bệnh viện có thể xuất hiện sau 1 tháng đối với nhiễm
khuẩn vết mổ sau là 72 giờ sinh đối với bệnh nhân nhi sơ sinh, đối với phẫu thuật cấy
ghép có thể nhiễm khuẩn sau 1 năm [10]. Nhiễm trùng bệnh viện là một trong những
thách thức to lớn và mối quan tâm hàng đầu trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Hàng
năm, Hoa Kỳ có 1,7 triệu người nhiễm trùng bệnh viện và có tới 99 nghìn người tử

vong. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), năm 2012 trên tồn cầu có thêm 450 nghìn
người mới nhiễm lao kháng đa thuốc [11]. Nhiễm trùng bệnh viện không chỉ ảnh hưởng
nghiêm trọng tới sức khỏe người dân mà còn gây thiệt hại nặng nề về kinh tế xã hội.
Nhiễm trùng bệnh viện làm tăng thời gian nằm viện, tăng chi phí cho một người bệnh
nằm điều trị bị nhiễm trùng bệnh viện. Việc đầu tư cho chẩn đoán, khẳng định sớm tác
nhân gây nhiễm trùng bệnh viện còn nhiều hạn chế, trong khi các bệnh viện lớn ở tuyến
trung ương ln xảy ra tình trạng quá tải. Việc chẩn đoán bệnh và phát hiện tác nhân vi
khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện chủ yếu vẫn dựa theo phương pháp truyền thống như
phân lập, nuôi cấy, các phương pháp huyết thanh học hoặc sinh học phân tử [12]–[15].
Nhược điểm chính của các kỹ thuật chẩn đốn truyền thống là phải thực hiện nhiều
bước và thời gian phân tích lâu cho kết quả sau vài giờ đến hàng ngày, các kỹ thuật trên
yêu cầu mẫu bệnh phẩm phải được xử lý trước. Hơn nữa, những kỹ thuật này địi hỏi
trang thiết bị, hóa chất, sinh phẩm đắt tiền, cán bộ thực hiện được đào tạo chuyên
nghiệp và được thực hiện trong phịng đạt tiêu chuẩn an tồn sinh học. Trong khi bệnh
nhân bị nhiễm vi khuẩn nhiễm từ bệnh viện thường gặp phải là các chủng kháng kháng
sinh hoặc kháng đa thuốc, do vậy cần điều trị đúng liệu pháp và kịp thời. Thông
thường, với các phương pháp chẩn đoán truyền thống, thời gian nhận được kết quả
chính xác chủng vi khuẩn nào gây bệnh nào phải mất 8 đến 48 giờ, giới hạn phát hiện
5
6
tới 10 - 10 CFU/mL nếu không được làm giàu sơ bộ [16]. Trong khi đó, một số kỹ
thuật chẩn đốn sinh học phân tử có độ nhạy cao, có thể cho kết quả sau vài giờ, tuy
nhiên chi phí thường đắt và đòi hỏi người làm xét nghiệm cần phải vững vàng về
chuyên môn. Gần đây, với
2


sự phát triển nhanh chóng của khoa học và cơng nghệ, đặc biệt là công nghệ nano
và công nghệ cảm biến, đã thu hút được sự quan tâm rất lớn từ các nhà khoa học
trên thế giới nhằm tạo ra những thiết bị chẩn đốn mầm bệnh nhanh chóng, tiện

dụng, có độ nhạy và độ đặc hiệu cao [1], [17].
Từ những yêu cầu thực tiễn trên đây cùng với việc tìm hiểu tài liệu thơng qua các
cơng trình cơng bố liên quan ở trong và ngồi nước, chúng tơi đã triển khai hướng
nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới
cacbon thương mại. Bề mặt của vùng điện cực làm việc được biến tính với một số
vật liệu cấu trúc nano như bạc-oxide graphene khử (AgNPs-rGO), hạt nano vàng
(AuNPs), màng nano vàng (AuNFs) nhằm tăng cường sự ổn định, giảm điện trở bề
mặt, khuếch đại tín hiệu ra và tăng mật độ bám dính của phần tử sinh học trong
phần tử cảm nhận để phát hiện nhanh một số tác nhân gây nhiễm trùng bệnh viện.
Theo sự hiểu biết của nghiên cứu sinh cho tới nay vấn đề này vẫn chưa có nhiều
cơng bố ở Việt Nam và quốc tế.
Từ thực trạng tại Việt Nam và xuất phát từ thực tiễn, luận án nghiên cứu với tiêu
đề: “Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở các vật liệu nano
vàng, bạc - oxide graphene khử để phát hiện một số vi khuẩn gây bệnh” được đề
xuất cho luận án tiến sĩ này. Đề tài được có 02 mục tiêu chính: (1) Tăng cường sự
ổn định điện hóa của điện cực in lưới cacbon bằng một số hệ vật liệu như bạc-oxide
graphene khử, hạt nano vàng và màng nano vàng để hình thành bộ cảm biến sinh
học;
(2) Phát triển thành cơng bộ cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon
biến tính với các hệ vật liệu trên và hệ đo điện hóa cầm tay để phát hiện nhanh một
số chủng vi khuẩn gây bệnh.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Cách tiếp cận của luận án trong quá trình nghiên cứu dựa trên thực nghiệm kết
hợp với lý thuyết biện chứng và các tài liệu tham khảo để bổ sung, so sánh, đánh giá
từ đó tìm ra những quy trình, giải pháp tối ưu nhất thực hiện mục tiêu đề tài.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 phần tương ứng với 4 chương thực
nghiệm: (1) Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến tính
với bạc-oxide graphene khử; (2) Chế tạo cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở điện
cực in lưới cacbon biến tính hạt nano vàng; (3) Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở

điện cực in lưới cacbon biến tính màng vàng; (4) Nghiên cứu, chế tạo thiết bị cầm
tay cho cảm biến điện hóa. Đề tài được thực hiện tại Viện Tiên tiến Khoa học và
Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trung tâm nghiên cứu y sinh,
Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Kết quả của luận án sẽ mở ra một hướng nghiên
cứu mới nhằm phát triển các bộ thiết bị chẩn đoán trên cơ sở cảm biến sinh học điện
hóa có độ ổn định, độ nhạy và độ đặc hiệu cao, kích thước nhỏ và tiện dụng để phát
hiện nhanh và sàng lọc mầm bệnh tại chỗ trong các chiến dịch phòng, chống nhiễm
trùng bệnh viện.

3


Ýnghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Ýnghĩa khoa học:
 Đã xây dựng được quy trình khoa học thực hiện chế tạo vật liệu nano lai
AgNPs-rGO bằng phương pháp thủy nhiệt và chế tạo hạt nano vàng AuNPs
bằng phương pháp điện hóa để biến tính cho các điện cực SPE. Các điều kiện
phún xạ màng mỏng vàng lên điện cực làm việc (WE) của SPE;
 Tìm ra phương pháp và các điều kiện ổn định đặc trưng điện hóa điện
cực cacbon SPE biến tính làm cơ sở cho q trình chế tạo cảm biến sinh học
điện hóa;
 Xây dựng, xác lập được các điều kiện tối ưu trong quá trình chế tạo cảm
biến sinh học bằng việc biến tính AgNPs-rGO để phát hiện vi khuẩn
Salmonella; biến tính AuNPs và AuNFs để phát hiện vi khuẩn E.coli O157
và vi khuẩn
MRSA;
 Tính tốn và đánh giá vai trị của vật liệu nano biến tính trên cơ sở các
giá trị diện tích hoạt động điện hóa tương ứng. Vật liệu màng vàng cho giá
trị tối ưu về tính chất điện hóa được ứng dụng chế tạo cảm biến điện hóa ứng
dụng phát hiện vi khuẩn MRSA gây nhiễm trùng bệnh viện;

 Nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị đo điện hóa cầm tay cho cảm
biến sinh học điện hóa để phát hiện vi khuẩn tại thực địa.
Ýnghĩa thực tiễn:
Chủ động chế tạo các vật liệu nano lai AgNPs-rGO và hạt AuNPs, màng vàng
(AuNFs) để biến tính điện cực SPE nhằm chế tạo thành cơng cảm biến sinh học
điện hóa phát hiện nhanh vi khuẩn Salmonella, vi khuẩn E.coli O157 và vi khuẩn
MRSA ứng dụng sàng lọc tác nhân gây bệnh.
Kết quả của luận án là các cảm biến sinh học điện hóa được chế tạo dựa trên điện
cực cacbon in lưới biến tính các vật liệu nano lai bạc và graphene oxít và hạt nano
vàng (hạt và màng vàng) nhằm tăng cường khả năng khuếch đại tín hiệu bộ chuyển
đổi, sự bám dính thích ứng sinh học của phần tử cảm nhận nhằm tạo ra cảm biến có
độ nhạy, độ chọn lọc cao, giới hạn phát hiện thấp kết hợp với thiết bị cầm tay nhằm
phát hiện vi khuẩn gây bệnh ngay tại thực địa.
Sản phẩm của Luận án không chỉ dừng lại ở các bài báo khoa học và cịn có sản
phẩm đăng ký sở hữu trí tuệ.
Những đóng góp mới của luận án:
 Sự ổn định điện hóa của điện cực in lưới cacbon khi biến tính vật liệu
nano lai giữa hạt nano bạc -oxide graphene khử (AgNPs-rGO) ứng dụng chế
tạo cảm biến phát hiện vi khuẩn Samonella. Cảm biến phát hiện vi khuẩn
6
Salmonella thời gian 25 phút, dải đo 10 CFU/mL đến 10 CFU/mL tuân theo
2
hàm Ipeak = 0,02x - 0,01, có R = 0,9559 và giới hạn phát hiện LOD = 22
CFU/mL.
 Khảo sát sự ổn định điện hóa trong q trình sử dụng SPE cacbon biến
tính hạt nano vàng (AuNPs) ở các kích thước hạt khác nhau 10 nm, 15 nm,
25 nm trong việc phát hiện một số tác nhân gây nhiễm trùng bệnh viện phổ
biến hiện nay là vi khuẩn MRSA và E.coli O157. Kết quả là giới hạn phát
hiện: 13
4

CFU/mL (MRSA, AuNPs 15 nm) và 15 CFU/mL (AuNPs 18 nm), dải đo từ
6
10 CFU/mL đến 10 CFU/mL, thời gian phát hiện 25 phút. Kết quả này tốt
hơn so với 40 cơng trình cơng bố gần đây;
 Chế tạo thành cơng ban đầu cảm biến điện hóa trên cơ sở màng vàng có
độ bền, độ chọn lọc, độ nhạy cao để phát hiện vi khuẩn MRSA gây bệnh. Kết
6
quả cho thấy thời gian phát hiện 25 phút, với dải đo từ 10 CFU/mL đến 10
2
CFU/mL tuân theo hàm Rct = 1,102 x - 0,677, R = 0,9879, giới hạn phát
hiện: 9 CFU/mL.
 Luận án đã công bố được các giá trị diện tích hoạt động điện hóa (SPE
biến tính - Ahđ) so sánh với diện tích hình học (SPE trần - A hh) từ kết quả đo
thực nghiệm khi sử dụng điện cực in lưới cacbon biến tính với vật liệu nano
bạc/graphene oxide khử (AgNPs-rGO, tăng 1,53 lần), hạt nano vàng (AuNPs,
tăng 1,76 lần), màng nano vàng (AuNFs, tăng 1,92 lần). Kết quả thu được tạo
cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu nano phù hợp để ứng dụng chế tạo cảm biến
phát hiện một số tác nhân gây bệnh;
 Chế tạo thiết bị cầm tay cho sử dụng cảm biến chế tạo được. Thiết bị cho
phép chẩn đoán lưu động dựa trên kỹ thuật đo thế để phát hiện vi khuẩn tại
thực địa ở dạng định tính, dễ sử dụng, thân thiện với môi trường, hiển thị ở
+
02 dạng chế độ Pos : dương tính, Neg : âm tính.
Cấu trúc của luận án:
Luận án được trình bày cấu trúc gồm:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến

tính với bạc/graphene oxít
Chương 3. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến
tính hạt nano vàng
Chương 4. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến
tính màng nano vàng
Chương 5. Chế tạo thiết bị cầm tay cho cảm biến điện hóa
Kết luận
Các kết quả chính của luận án được cơng bố trong 9 cơng trình khoa học (tác giả
chính), trong đó có 02 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc tế (ISI),
04 báo cáo tại các hội nghị trong nước và quốc tế, 03 bài báo được đăng trên tạp chí
chuyên ngành trong nước. Sản phẩm của luận án được nhóm nghiên cứu đăng ký
sáng chế, giải pháp hữu ích với mã đơn đăng ký: 2-2020-00200 và được chấp nhận
đơn theo quyết định số 1006w/QĐ-SHTT, ngày 21/7/2020.

5


Chương 1. TỔNG QUAN

Tóm tắt:
Cảm biến sinh học điện hóa được chế tạo trên cơ sở sử dụng điện cực in lưới (SPE)
cacbon biến tính với vật liệu nano nhằm tăng cường sự ổn định, khả năng khuếch
đại tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi nhằm ứng dụng phát hiện nhanh một số tác
nhân gây nhiễm trùng bệnh viện. Chương 1 tổng quan lý thuyết cơ bản về cảm biến
sinh học điện hóa và nhiễm trùng bệnh viện bao gồm: nguyên lý hoạt động và cấu
tạo của cảm biến sinh học, vật liệu nano vàng, vật liệu nano lai bạc/graphenen oxít,
các phương pháp cố định kháng thể trên bề mặt cảm biến, các kỹ thuật phân tích
điện hóa. Hơn nữa, nội dung của chương cịn đề cập đến tính cấp thiết và vai trò
ứng dụng của cảm biến sinh học và thiết bị cầm tay trong việc phát hiện các vi
khuẩn gây bệnh như Salmonella, E.coli, và MRSA gây nhiễm trùng bệnh viện. Luận

giải các cơng trình nghiên cứu đã được công bố gần đây để tham khảo, so sánh làm
cơ sở cho các nội dung nghiên cứu của luận án.

6