BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đinh Văn Tuấn
NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU NANO MoS2 VÀ AgNP/MoS2 NHẰM ỨNG DỤNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số: 9440122
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
HD1: PGS.TS. Phạm Hùng Vượng
HD2: PGS.TS. Phương Đình Tâm
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội
họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cảm biến sinh học là thiết bị đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống,
đặc biệt là các ứng dụng liên quan tới việc theo dõi sức khỏe. Những thông tin chẩn đoán chính xác giúp
hỗ trợ tốt hơn trong việc thiết kế phác đồ điều trị và sử dụng những loại thuốc để đạt được hiệu quả điều
trị cao nhất. Khác với những cảm biến hóa lý, những cảm biến sinh học cần phải có những thành phần
sinh học để tạo nên sự chọn lọc và đặc hiệu đối với những tác nhân sinh học cần phân tích. Tối ưu và duy
trì điều kiện hoạt động của những thành phần sinh học trong cảm biến là vấn đề quan trọng, quyết định
tới sự chính xác của cảm biến sinh học. Trong số các loại cảm biến sinh học, cảm biến sinh học phát hiện
glucose trong máu là loại cảm biến điển hình, được phát triển sớm nhất từ thập niên 60 của thế kỷ trước.
Trải qua quá trình phát triển cảm biến sinh học glucose, nhiều thế hệ cảm biến glucose đã được ra đời với
những sự cải tiến lớn về độ nhạy, độ chọn lọc, độ bền. Những thế hệ cảm biến gần đây cho thấy vai trò
rất lớn của những hệ vật liệu được ứng dụng trong điện cực cảm biến. Những vật liệu này giúp tối ưu hóa
hoạt động của những thành phần sinh học có trong cảm biến, đối với cảm biến sinh học glucose là enzyme
glucose oxidase (GOx). Những hệ vật liệu mới giúp đẩy nhanh quá trình vận chuyển điện tử từ trung tâm
phản ứng của enzyme tới bề mặt điện cực thông qua cơ chế làm bền enzyme và tạo ra cầu nối điện tử giữa
enzyme và bề mặt điện cực. Đặc biệt, những hệ vật liệu có cấu trúc nano gần đây được phát triển với
mong muốn loại bỏ vai trò của enzyme trong cảm biến sinh học glucose, điều này giúp giảm giá thành và
tăng độ ổn định của cảm biến. Mặc dù cảm biến glucose đã được nghiên cứu phát triển từ lâu và cho đến
nay, ứng dụng chúng trong đời sống hằng ngày đã trở nên phổ biến nhưng nó vẫn được coi là một loại
cảm biến điển hình, được sử dụng để đánh giá hiệu quả của những thế hệ vật liệu mới trên những cảm
biến glucose nói riêng và những cảm biến sinh học khác nói chung.
Trong những năm gần đây, MoS2 là vật liệu thu hút được nhiều sự quan trong những nghiên cứu
chế tạo các loại cảm biến sinh học do sở hữu những đặc tính nổi trội như: diện tích bề mặt lớn, tính tương
thích sinh học cao, khả năng vận chuyển điện tử lớn và có hoạt tính xúc tác điện hóa. Nhiều nghiên cứu
đã chỉ ra rằng, các vật liệu 2D MoS2 (tấm nano/vảy nano) có khả năng làm cầu nối giúp tăng cường tính
bám dính, cải thiện mật độ của các loại enzyme lên các đế điện cực trong các loại cảm biến sinh học.
Ngoài ra, tương tác giữa các vật liệu 2D MoS2 còn có khả năng làm bền các loại enzyme trong quá trình
hoạt động của cảm biến sinh học. Một tính chất rất đáng chú ý khác của vật liệu MoS2 là hoạt tính xúc tác
điện hóa. Đây tính chất được khai thác với mục đích thay thế sự hoạt động của các enzyme trong các cảm
biến sinh học. Sự thay thế này đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài độ bền trong quá trình hoạt động,
đây chính là vấn đề cần khác phục của các cảm biến sinh học do độ bền kém của các loại enzyme đang
sử dụng. Xúc tác diện hóa của các MoS2 thể hiện trên các cạnh xúc tác điện hóa (electrocatalytic active
edge-site) của vật liệu. Để tăng số lượng các tâm xúc tác này, các cấu trúc 3D MoS2 đã được nghiên cứu
chế tạo và cho thấy hiệu quả lớn trong việc nâng cao hiệu quả xúc tác điện hóa của vật liệu MoS2, điển
hình là cấu trúc 3D hình hoa. Ngoài ra, các cấu trúc 3D còn có ưu điểm là giảm thiểu sự kết khối trong
2
quá trình phủ vật liệu lên điện cực, điều mà các vật liệu dạng 2D (tấm nano) vẫn thường xuyên gặp phải.
Điều này đóng vai trò quan trọng để tạo nên sự hoạt động ổn định của điện cực.
Mặc dù sở hữu những tính chất đáng quý phục vụ cho việc phát triển những thế hệ cảm biến sinh
học mới, nhưng nhược điểm rất lớn của các vật liệu MoS2 là tính dẫn điện kém, điều này làm suy giảm
cường độ tín hiệu thu được trong những cảm biến sinh học điện hóa. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều
nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu có tính dẫn điện cao như: graphen, các hạt nano kim loại (Au, Ag, Pt,
Cu…), các loại vật liệu polyme dẫn. Trong số các vật liệu dẫn được nghiên cứu sử dụng, các hạt nano Ag
thể hiện nhiều tính chất ưu việt như: giá thành không đắt, tính tương thích sinh học cao, độ dẫn điện lớn
và có hoạt tính xúc tác điện hóa với glucose.
Trên cơ sở những vấn đề nêu trên, có thể thấy rằng, MoS2 là một vật liệu có nhiều tiềm năng trong
việc chế tạo các cảm biến sinh học. Tuy vậy, hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng các vật
liệu MoS2 dạng 2D (tấm nano, vảy nano), vai trò của hình thái học của các dạng vật liệu (như dạng hạt,
vảy, hoa) tới sự hoạt động của cảm biến của các cảm biến sinh học vẫn là vấn đề còn bỏ ngỏ. Ngoài ra,
kết hợp vật liệu 3D MoS2 với các kim loại có tính dẫn cao, hoạt tính oxi hóa điện hóa tốt nhằm tạo ra thế
hệ cảm biến mới không sử dụng enzyme vẫn đang là một vấn đề rất đáng quan tâm. Do vậy, nghiên cứu
chế tạo các vật liệu MoS2 với các dạng hình thái khác nhau, kết hợp với các hạt nano Ag ứng dụng trong
cảm biến sinh học, cụ thể là cảm biến sinh học glucose là một vấn đề rất có ý nghĩa, cả về khoa học và
thực tiễn.
Dựa trên cơ sở khoa học và yêu cầu thực tiễn đặt ra, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên
cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2 nhằm ứng dụng để xác định
nồng độ glucose” để làm luận án tiến sĩ.
Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu chung: Mục tiêu chính của luận án là phát triển được cảm biến sinh học phát hiện nồng
độ glucose trên cơ sở vật liệu nanno MoS2.
Mục tiêu cụ thể:
- Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 và nanocomposite AgNP/MoS2 có tính chất điện hoá tốt,
tương thích sinh học cao để ứng dụng cho cảm biến sinh học glucose
- Phát triển được thiết bị cầm thay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt với nhiều hình dạng khác nhau.
- Tổng hợp được vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2.
- Phát triển được cảm biến điện hoá xác định nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và vật
liệu nanocomposite AgNP/MoS2.
- Phát triển được mạch đo kết hợp với cảm biến để chế tạo thiết bị đo cầm tay phát hiện nồng độ
glucose trong điều kiện thực tế.
Phương pháp nghiên cứu:
3
Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm. Trong đó, vật liệu MoS2 được
tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, vật liệu AgNP/MoS2 được tổng hợp bằng phương pháp hóa học.
Các đặc trưng của vật liệu được khảo sát bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE-
SEM), phổ tán xạ Raman ... Các đặc trưng của cảm biến sẽ được khảo sát bằng phép đo quét thế tuần
hoàn và phép đo phổ tổng trở điện hoá.
Ý nghĩa khoa học:
Hiện nay, sử dụng cảm biến sinh học để phát hiện nồng độ glucose đã được nhiều nhóm nghiên cứu
thực hiện. Tuy nhiên, các cảm biến được chế tạo thường không ổn định, có thời gian phục vụ không cao
và độ nhạy thấp. Do đó, để cải thiện những vấn đề trên có nhiều phương pháp trong đó phương pháp sử
dụng các vật liệu nano có cấu trúc 2 chiều đang được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu hiện nay. Đề tài
này hướng đến phát triển cảm biến glucose sử dụng vật liệu MoS2 và AgNP/MoS2 và phát triển thiết bị
đo cầm tay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế. Do đó, nó vừa có ý nghĩa khoa học và
vừa có ý nghĩa thực tiễn cao.
Tính mới của luận án
- Đã tổng hợp được vật liệu MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt và AgNP/MoS2 bằng phương pháp
hoá học có tính tương tích sinh học và điện hóa tốt.
- Đã phát triển được cảm biến sinh học sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu MoS2 ở 3 cấu trúc khác
nhau để xác định nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 0,081mM; khoảng tuyển tính (2-10) mM;
độ nhạy của cảm biến chế tạo lần lượt là 64,0; 68,7 và 77,6 μAmM− 1 cm− 2 tương ứng với vật liệu
MoS2 chế tạo ở các cấu trúc dạng hạt, dạng hoa và dạng vảy.
- Đã phát triển được cảm biến sinh học sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu AgNP/MoS2 để xác định
nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 1mM; khoảng tuyển tính (1-15) mM; độ nhạy 46,5 µM
mM-1 1cm− 2.
- Đã phát triển được thiết bị đo cầm tay kết hợp với cảm biến nhằm xác định nồng độ glucose trong
điều kiện thực tế.
Nội dung chính của luận án này được trình bày trong 5 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến sinh học glucose
Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm
Chương 3: Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose nền vật liệu MoS2
Chương 4: Cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2
Chương 5: Nghiên cứu phát triển thiết bị cảm biến cầm tay nhằm xác định nồng độ glucose
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE
1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học
1.1.1. Khái niệm