Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano kim loại, bán dẫn

Chia sẻ: Acacia2510 _Acacia2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để nghiên cứu 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 xương.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano kim loại, bán dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Lƣu Mạnh Quỳnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG HẠT NANO KIM LOẠI, BÁN DẪN Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62440104 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2018 i
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Lê Văn Vũ PGS. TS. Nguyễn Ngọc Long Phản biện 1: ……………………………… Phản biện 2:………………………………. Phản biện 3:………………………………. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại : Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi ……. giờ 00, ngày ……. tháng ……. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại : - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội ii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cảm biến sinh học chuyển hóa tín hiệu sinh học thành các tín hiệu đọc được với độ chọn lọc cao, được ứng dụng nhiều trong trong nhiều ngành khoa học, như công nghệ sinh học, công nghệ môi trường hay công nghệ thực phẩm. Các 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 thể quét vòng (CV). Cùng với CV, các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực của cảm biến điện hóa có thể được khảo sát thông qua phương pháp đo điện tổng trở (total impedance). Trong các cảm biến sinh học điện hóa, vật liệu nano thường được đưa lên trên bề mặt điện cực để làm tăng diện tích tiếp xúc giữa đối tượng sinh học với điện cực; từ đó tăng cường tín hiệu đọc được, giúp tăng độ nhạy của cảm biến. Gắn liền với tín hiệu thế quét vòng là đối tượng glucose. Mặc dù là đối tượng đã cũ, nhưng cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose vẫn luôn được 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. Các nghiên cứu trong nước hầu như chỉ tập trung vào khai thác khả năng làm tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu nano được cố định trên bề mặt điện cực và đối tượng sinh học. Chưa có nghiên cứu sử dụng cảm biến điện hóa nào đánh giá sự tương thích giữa vật liệu và đối tượng sinh học. Trong khi đó, một số nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử đã bước đầu cho thấy sự tương thích bề mặt giữa các phân tử sinh học với các chấm lượng tử chứa lưu huỳnh như ZnS hay PbS. 1
Trong đó vật liệu nano PbS là vật liệu mới, vì vậy, là đối tượng phù hợp để ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học. Một trong những đối tượng quan trọng của cảm biến sinh học điện tổng trở là tế bào. Trong đó, tế bào gốc máu là đối tượng mới, có tính ứng dụng trong y học cao và đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Các hạt nano thường được điều khiển để bám lên bề mặt của tế bào một cách đặc hiệu. Sau đó, tín hiệu điện tổng trở được sử dụng như tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học. Ý tưởng tạo ra một loại vật liệu đa chức năng vừa có từ tính vừa có tính chất quang như các hạt nano kim loại nhằm tách chiết chụp ảnh và đo đạc tế bào được rất nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. 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 đang rất hạn chế. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano kim loại, bán dẫn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để nghiên cứu 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 xương. 3. Nội dung nghiên cứu Vật liệu nano chì sulfide (PbS) được chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm. Các hạt nano vàng (Au) và đa chức năng từ tính – kim loại, bao gồm Fe3O4-Ag và Fe3O4-Au, được nghiên cứu chế tạo và phân tán trong môi trường nước bằng phương pháp hóa ướt. 2
Vật liệu nano PbS đã được nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose. Vật liệu đa chức năng Fe3O4-Ag được ứng dụng trong nghiên cứu phân lập và đo đạc nồng độ tế bào gốc máu từ mẫu tủy xương. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là thực nghiệm kết hợp với mô phỏng tính toán Các phép đo được sử dụng trong nghiên cứu là hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ quang học vùng tử ngoại khả kiến (UV-vis), phổ huỳnh quang (PL) và phổ tán xạ Raman. Các tín hiệu đầu ra của cảm biến là các tín hiệu điện bao gồm giản đồ thế quét vòng (CV) và tổng trở được đo trên hệ điện hóa tích hợp (PGSTATS). Phương pháp tính toán mô phỏng được sử dụng để đánh giá tương tác giữa vật liệu nano với các phân tử hữu cơ. 5. Những đóng góp mới của luận án Đã chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu nano PbS với độ nhạy lên tới 546,2 µAcm-2mM-1. Sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng để khảo sát liên kết giữa các hạt PbS với các phân tử hữu cơ, từ đó đưa ra lời giải thích về khả năng chuyển tiếp điện tích giữa các hạt nano PbS với enzyme Glucose Oxidase (GOx), dẫn tới làm tăng độ nhạy cảm biến. Chế tạo thành công cảm biến sinh học điện tổng trở sử dụng các hạt nano Fe3O4-Ag để khảo sát nồng độ tế bào gốc. 3
Trong quá trình chế tạo cảm biến, chúng tôi đã thành công ứng dụng tính chất từ của vật liệu nano và tính huỳnh quang của chất nhạy quang đính trên kháng thể để khảo sát hiệu suất gắn kháng thể của vật liệu. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 137 trang bao gồm: Phần mở đầu (8 trang); Tổng quan (37trang); Phương pháp chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu (14 trang); Phân tích tính chất vật liệu (31 trang); Ứng dụng vật liệu nano trong chế tạo cảm biến sinh học (32 trang); Kết luận (1 trang); Danh mục các công trình đã công bố của luận án (1 trang); Tài liệu tham khảo (13 trang), với 149 tài liệu. Luận án có 7 bảng, 72 hình vẽ. CHƢƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Cảm biến sinh học Cảm biến sinh học bao gồm 3 bộ phận chính: (i) phần tử nhận biết sinh học hay đầu thu sinh học (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt đối tượng cần nhận biết một cách đặc hiệu, (ii) phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu đo được, và (iii) phần tử xử lý tín hiệu (signal processing system) đóng vai trò biến đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu đọc được; từ đây đưa ra thông tin về đối tượng sinh học cần nhận biết. Các tiêu chí chất lượng (performance criteria) đóng vai trò không thể thiếu trong đánh giá, so sánh cảm biến sinh học. Các tiêu chí này tập trung vào đánh giá hiệu suất sử dụng nhiều hơn là đánh giá bản chất quá trình sinh hóa xảy ra bên trong một cảm biến sinh học. Các tiêu chí phẩm chất của cảm biến sinh 4
học bao gồm: các thông số hiệu chỉnh, tính lọc lựa và độ tin cậy, thời gian phản ứng và tính lặp lại, độ bền và thời gian sống. Cảm biến sinh học điện hóa là cảm biến sinh học có tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện hóa; thông thường là các tín hiệu điện thế quét vòng (cyclic voltammetry – CV), tín hiệu tổng trở (total impedance). Gắn liền với lịch sử cảm biến sinh học, cảm biến điện hóa sử dụng tín hiệu CV để xác định glucose trong dung dịch hoạt động dựa trên cơ sở tương tác của glucose với enzyme, đóng vai trò là những cảm biến đầu tiên. Tương tác giữa các enzyme và các phân tử glucose tạo ra phản ứng ô xi hóa khử để ô xi hóa glucose thành gluconic acid. Các cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose được sử dụng trong các nghiên cứu hiện đại thường là cảm biến thế hệ II hoặc thế hệ III. Ở cảm biến thể hệ II, các electron chuyển tiếp một lần nữa qua các dung môi điện hóa trước khi đi về phía các điện cực. Cảm biến thế hệ III, với mong muốn đơn giản hóa quá trình pha thêm dung môi, chuyển tiếp trực tiếp điện tử tới bề mặt điện cực thông qua tiếp xúc giữa enzyme với vật liệu làm điện cực. Một trong những đối tượng xuất hiện nhiều trong các cảm biến sinh học tổng trở là tế bào; trong đó, tế bào gốc máu đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Trong các cảm biến khảo sát tế bào, bộ phận nhận biết sinh học hoạt động dựa trên tương tác kháng nguyên – kháng thể. Các nghiên cứu về tế bào gốc thường là chỉ tập trung vào phân lập tế bào gốc, sau đó tiến hành nuôi biệt hóa với các mục đích khác nhau; hoặc nếu muốn khảo sát hàm lượng tế bào gốc thì lại có những phép đo riêng 5
biệt. Rất hiếm thấy những nghiên cứu kết hợp việc phân lập tế bào gốc máu rồi xác định làm lượng. 1.2. Vật liệu nano trong cảm biến sinh học điện hóa Với kích thước nhỏ đạt đến cấp độ kích thước của tế bào, vật liệu nano được cho là vật liệu làm thay đổi nên khoa học công nghệ bởi rất nhiều tính năng đặc biệt: tổng diện tích bề mặt lớn, kích thước phù hợp để nghiên cứu sinh học cấp độ tế bào, xuất hiện các tính năng lý hóa đặc biệt và tiết kiệm vật liệu, thu nhỏ kích thước linh kiện. Các ưu điểm trên hoàn toàn có thể được ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa nhằm làm tăng độ nhạy cũng như tăng khả năng điều khiển các đối tượng sinh học trước khi đo đạc. Trong cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose, vật liệu nano được cố định trên bề mặt điện cực để tạo ra cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn. Sau đó, dung dịch chứa được nhỏ lên bên trên, để trong điều kiện phù hợp cho. Sau có toàn bộ hệ được cố định bởi một lớp polymer dẫn. Hầu hết các nghiên cứu đều hướng tới tăng độ xốp của vật liệu, hoặc đơn giản hơn là dựa vào việc chế tạo vật liệu mới sau đó ứng dụng mà chưa đề cập nhiều đến sự tương thích của enzyme với vật liệu nhằm nâng cao chất lượng quá trình trao đổi điện tử từ vật liệu tới enzyme. Một số nghiên cứu ứng dụng tính chất quang của vật liệu trong cảm biến xác định nồng độ glucose cho thấy vật liệu sulfide kim loại biểu hiện tính tương thích sinh học với glucose oxidase. Giải pháp dùng các hạt nano từ bám đặc hiệu lên bề mặt tế bào gốc máu, phân lập trước khi khảo sát được cho là giải pháp đơn giản, chi phí thấp. Vật liệu nano từ tính – kim loại hứa hẹn 6
là vật liệu đa năng có tính ứng dụng cao trong các cảm biến điện vì chúng có thể sử dụng trong tách chiết tế bào nhờ tính chất từ, có khả năng tăng cường tín hiệu điện (từ bản chất của vật liệu kim loại quý) và khả năng đánh dấu bằng tín hiệu Raman tăng cường bề mặt. CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu 2.1. Chế tạo các hạt nano bán dẫn PbS Phản ứng tạo sulfide kim loại đã từ muối chứa ion kim loại và thioacetamide (TAA) đã được nghiên cứu từ rất sớm. Trong thí nghiệm chế tạo các hạt nano PbS, sóng siêu âm được sử dụng như yếu tố xúc tác phản ứng và cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) được sử dụng như chất hoạt động bề mặt để hạn chế sự phát triển kích thước hạt. 2.2. Chế tạo các hạt nano vàng Quá trình phát triển kích thước có thể được điều khiển bởi sự có mặt của các chất hoạt hóa bề mặt. Phân tử CTAB có cấu trúc một đầu ái nước và một đầu kị nước, nên khi được phân tán vào môi trường nước, chúng thường tạo thành các tiểu cầu có kích thước nhỏ. Các tiểu cầu này có xu thế bao bọc xung quanh các hạt nano vàng, vừa hạn chế quá trình phát triển đồng thời hỗ trợ điều khiển hình dạng của các hạt. 2.3. Chế tạo các hạt nano Fe3O4 Các hạt nano Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa. Tiền chất sử dụng là FeCl2.4H2O, FeCl3.6H2O và dung dịch amoni NH4OH. Dung dịch chứa 2 muối FeCl2 và FeCl3 7
được trộn với nhau theo tỉ lệ số mol là FeCl2:FeCl3 = 1:2. NH4OH được bổ sung từ từ trong khi nhiệt độ dung dịch giữ tại 60oC. Kết tủa Fe3O4 hình thành có màu đen và được để ổn định trong thời gian 30 phút trước khi lọc rửa. 2.4. Chế tạo các hạt nano composite Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag Các hạt Fe3O4-Au Các hạt Fe3O4-Au được chế tạo theo 2 bước: Cho HAuCl4 vào dung dịch chứa các hạt nano Fe3O4 với các pH khác nhau, sau khi ion AuCl4 hấp phụ lên bề mặt Fe3O4, sử dụng NaBH4 để khử thành Au. Các hạt Fe3O4-Ag Các hạt Fe3O4-Ag được chế tạo theo 3 bước: chức năng hóa bề mặt các hạt Fe3O4 bằng APTES (Aminopropl triethyl orthosilane), ion Ag+ được cho hấp phụ lên bề mặt các hạt Fe3O4 sau khi chức năng hóa và dùng NaBH4 để khử Ag+ thành Ag. Các phƣơng pháp nghiên cứu 2.5. Nhiễu xạ tia X – XRD 2.6. Tán xạ Raman 2.7. Hiển vi điện tử truyền qua – TEM 2.8. Hệ đo hấp thụ quang học CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT VẬT LIỆU 3.1. Các hạt nano PbS Các hạt nano PbS được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa có dạng lập phương, dạng thanh với kích thước chiều ngang khoảng 23 nm. Các hạt này được cấu thành từ sự kết hợp của rất nhiều các hạt đơn tinh thể có kích thước 2-3 nm (hình 3.1). Nghiên cứu phổ tán xạ Raman kết hợp với xạ nhiệt laser cho 8
thấy, tại biên các hạt nhỏ kích thước 2-3 nm vẫn còn tồn tại một lớp PbS vô định hình. Sau khi xạ nhiệt laser trong thời gian 3 phút, các phần biên hạt này mới kết tinh hoàn toàn. Độ rộng vùng cấm của các hạt nano PbS được tính toán từ phổ hấp thụ quang học UV-vis và bằng 3,12 eV. Độ rộng vùng cấm của các hạt nano PbS nhỏ hơn rất nhiều so với của vật liệu khối PbS và được giải thích là do hiệu ứng lượng tử - khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bán kính tương tác Bohr của vật liệu. Hình 3.1. Ảnh TEM (A) và HRTEM (B) và ảnh chụp nhiễu xạ điện tử (C) của mẫu các hạt nano PbS được chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm. 3.2. Sự phát triển các hạt nano vàng trong dung dịch chứa các chất hoạt động bề mặt Hình 3.2 là ảnh hiển vi điện tử truyền qua của các hạt nano vàng ngay sau khi chế tạo (A), sau khi được ngâm trong 75 mM CTAB trong thời gian 6 tháng (B) và phân bố kích thước hạt trong hai trường hợp trên (C). Phân bố kích thước hạt đều có dạng log-normal – nghĩa là tần suất xuất hiện hạt có kích thước (ln D   ) 2  D phụ thuộc vào D theo dạng hàm f D   1 e 2 2 , trong D 2 đó σ và μ là phương sai và số trung vị của phân bố. Kích thước 2 hạt trung bình theo hàm phân bố De  2 . Theo đó ta nhận được, kích thước trung bình của các hạt nano vàng ngay sau khi 9
chế tạo và sau khi ngâm trong CTAB 4 tháng lần lượt là 4,2 ± 0,5 (12%) nm và 23,6 ± 1,2 (3%) nm. Hình 3.2. 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 thước hạt của hai trường hợp trên. Các phân tử CTAB phân ly trong dung dịch thành các ion dương Ctyltrimethyl ammonium (CTA+) và Br-. Các ion CTA+ có một đầu mang điện tích dương là gốc amin cấp III – cả 3 nguyên tử H trong NH3 bị thay thế bằng các cụm CH3, sẽ liên kết với bề mặt các hạt nano vàng bằng liên kết tĩnh điện – do điện tích bề mặt của các hạt nano vàng là âm. Đầu còn lại của ion CTA+ là một chuỗi dài phân tử hữu cơ (C16), vì vậy chúng 10
chỉ có thể tạo liên kết kị nước với các đuôi hữu cơ C16 của các ion CTA+ khác tạo thành một “gói” để bao bọc các hạt nano vàng lại. Chính cấu trúc “gói” này hạn chế quá trình khuếch tán của các hạt Au với nhau; đồng thời làm cho các hạt sau khi phát triển có kích thước đều hơn. Hình 3.3. Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano Au theo thời gian khi được ngâm trong các môi trường dung môi khác nhau. Kích thước hạt được tính toán từ lý thuyết Mie. Hình 3.3 là kết quả tính toán thể tích của các hạt nano Au theo thời gian trong môi trường dung môi là CTAB có nồng độ 25 mM, 35 mM, 70 mM và CTAB có nồng độ 25 mM bổ sung 100 mg/L PVP. Có thể thấy, khi nồng độ CTAB thay đổi, sự phát triển của kích thước hạt nano vàng theo thời gian không thay đổi quá nhiều. Nhưng khi bổ sung thêm 500 mg PVP vào trong dung dịch thì tốc độ già hóa của các hạt nano vàng tăng lên; không chỉ thế thể tích hạt nano Au cũng lớn hơn so với thể 11
tích hạt Au khi chỉ có CTAB. Có thể thấy, quá trình già hóa chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu, tốc độ phát triển kích thước hạt rất nhanh, đạt đến ổn định sau 10h (hình 3.8 – hình nhỏ). Sau đó, trong giai đoạn sau kích thước hạt phát triển chậm hơn rất nhiều, và chỉ bắt đầu đạt ổn định sau 30 ngày ngâm trong dung dịch. Quá trình già hóa này không những có thể dùng để nghiên cứu chế tạo cũng như hỗ trợ ổn định bề mặt hạt nano vàng, hay kim loại nói chung mà còn có thể ứng dụng trong việc bọc kim loại xung quanh bề mặt các hạt từ. Cụ thể, sau khi khử ion kim loại để tạo ra một lớp kim loại bên ngoài các hạt nano từ, ta có thể tiếp tục ngâm chúng trong môi trường phản ứng để lớp kim loại bên ngoài tiếp tục phát triển thêm, để tạo thành lớp vỏ bao bọc xung quanh các hạt nano từ. 3.3. Các hạt nano đa chức năng từ tính – kim loại 3.3.1. Hạt nano Fe3O4 Hình 3.4. Ảnh TEM và HRTEM của mẫu các hạt Fe3O4 làm bằng phương pháp đồng kết tủa. Các hạt nano Fe3O4 hình thành đều ở dạng đơn tinh thể có kích thước nằm trong khoảng từ 8 nm đến 12 nm (hình 3.4). Trong quá trình phản ứng tạo thành từ phương pháp đồng kết 12
tủa, các hạt nano Fe3O4 hình thành từ các tâm phản ứng độc lập và lớn đến kích thước 10 nm. Tại đây, do sự hạn chế phát triển của các chất hoạt hóa bề mặt, kích thước của các hạt dừng lại và ổn định. Ở kích thước này, các hạt nano Fe3O4 biểu hiện tính siêu thuận từ và có độ từ hóa bão hóa là Ms = 67,1 emu/g. 3.3.2. Nghiên cứu quá trình gắn Au lên các hạt Fe3O4 Dung dịch muối vàng – chloroaurate – có thể tồn tại trong dung dịch ở các dạng phức với OH  theo công thức AuClx (OH )4x với x = 0, 1, 2, 3 hoặc 4. Sự chuyển hóa của các ion chloroaurate trong dung dịch ở các pH khác nhau tuân theo các phương trình sau: AuClx (OH ) 4 x  H   Cl   AuClx 1 (OH ) 3 x  H 2 O Hình 3.5. 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 lượng ion bị hấp phụ lên bề mặt hạt nano Fe3O4 sau khi ngâm trong thời gian 30 phút (hình phải). Khi pH tăng thì tỉ phần của muối phức có giá trị x lớn sẽ tăng lên. Từ các giá trị hằng số cân bằng của các phương trình kể trên và hằng số cân bằng của nước ( H   OH   H 2O ), có thể tính được tỉ phần các ion có trong dung dịch tại các pH khác 13
nhau. Với cấu hình có nhiều gốc OH hơn, tại pH cao, lượng ion chloro aurate hấp phụ nhiều hơn trên bề mặt các hạt Fe3O4. Điều này được đo đạc thông qua tính toán từ phép đo CV dung dịch chứa muối vàng trước và sau khi được ngâm bởi Fe3O4 ở các pH khác nhau (hình 3.5). Như vậy, để có lượng Au bám nhiều hơn trên bề mặt các hạt nano Fe3O4, các hạt nano Fe3O4 được ngâm trong dung dịch chứa ion chloroaurate ở pH cao, rồi sau đó sử dụng NaBH4 để khử muối vàng thành Au. Kết quả nhận được như hình 3.6. Hình 3.6. Ảnh TEM các hạt nano Fe3O4 trước và sau khi gắn với các hạt nano Au. Hình A: Ảnh TEM của các hạt nano từ trước khi gắn với các hạt nano Au. Hình B: các hạt nano Fe3O4 dạng phức hợp được tạo thành từ việc khử dung dịch HAuCl4 bằng NaBH4 sau khi ngâm các hạt Fe3O4 trong dung dịch 30 phút ở pH 8. Do lượng hạt chế tạo không lớn, không đủ để thực hiện phép đo từ tính trên hệ từ kế mẫu rung; vì vậy một thí nghiệm đơn giản để kiểm tra từ tính của hệ vật liệu, cũng đồng thời hướng đến ứng dụng của vật liệu trong tách chiết y sinh được thực hiện (mô tả trong mục 2.3.3). Cụ thể, các hạt nano phức hợp Fe3O4-Au được phân tán đều trong dung dịch, đặt nam châm vĩnh cửu bên cạnh và đo nồng độ của dung dịch theo thời 14
gian thông qua sự giảm cường độ hấp thụ tại đỉnh 540 nm – đặc trưng của các hạt nano vàng (hình 3.7). Các khoảng thời gian đo lần lượt là 3 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút, 35 phút và 45 phút sau khi đặt nam châm vĩnh cửu. Hình 3.7. 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; (a) phổ hấp thụ của mẫu tại thời điểm ban đầu khi chưa đặt nam châm, (b), (c), (d), (e), (f) lần lượt là phổ hấp thụ lần lượt tại các thời điểm 3 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút và 35 phút sau khi đặt nam châm. Hình trong: biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ tại 540 nm vào thời gian. 3.3.3. Hạt Fe3O4-Ag Tương tự như trong phần 3.3.2, quá trình thu thập các hạt Fe3O4-Ag bằng nam châm vĩnh cữu cũng được đo đạc thông qua phổ hấp thụ quang học tử ngoại khả kiến (UV-vis). Đầu tiên, đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ vào nồng độ dung dịch chứa Fe3O4-Ag được xây dựng. Phổ hấp thụ của dung dịch chứa hạt nano đa chức năng tại các nồng độ khác nhau lần lượt là 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm, 72 ppm và 150 ppm được đo trên hệ đo hấp thụ quang học UV2450, Shimadzu. 15
Hình 3.8. Sự giảm của nồng độ các hạt Fe3O4-Ag trong dung dịch khi sử dụng nam châm để hút. Từ cường độ hấp thụ tại 376 nm, nồng độ của hạt nano tại các thời gian kể trên được tính toán và được vẽ trên đồ thị phụ thuộc thời gian như hình 3.20. Nhận thấy cần 20 phút để có thể thu thập hầu hết các hạt nano Fe3O4-Ag. Thời gian này sẽ được sử dụng trong các thực nghiệm ứng dụng trình bày trong chương 4. CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC 4.1. Chế tạo cảm biến glucose sử dụng các hạt nano PbS 4.1.1. Thiết kế cảm biến và phương pháp đo đạc Quy trình chế tạo điện cực làm việc được mô tả như trong hình 4.1; được chia làm 3 bước: tạo điện cực vàng, tạo hỗn hợp PbS-GOx và nhỏ dung dịch chứa hỗn hợp PbS-GOx lên điện cực để tạo thành màng không tan trong nước. Đặc trưng I-V hiệu thế quét vòng được đo trên máy PGSTAT302N với hệ 3 điện cực bao gồm điện cực chuẩn RE là điện cực Ag/AgCl bão hòa, điện cực đếm CE làm bằng Pt và 16
điện cực làm việc WE được chế tạo như trong phần trên. Đặt hiệu điện thế quét vòng lên điện cực làm việc, khoảng làm việc [-0.1, +1,5], tốc độ quét 50 mV/s. Khoảng cách giữa điện cực làm việc và điện cực đếm được giữ nguyên là 1 cm. Nồng độ glucose trong dung dịch tăng dần từ 0,1 mM đến 1,3 mM. 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. 4.1.2. Kết quả và thảo luận Hình 4.2. 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. Hình 4.2 là kết quả đo CV của dung dịch chứa glucose với nồng độ tăng dần từ 0,1 mM đến 1,3 mM – điện cực sử dụng là 17
điện cực có PbS-GOx. Khi nồng độ glucose tăng lên, số điện tử cần để hoạt hóa GOx cũng tăng lên, dẫn tới cường độ dòng khử tại đỉnh 0,49 V cũng tăng lên. Tương tự vậy, cường độ dòng ô xi hóa được đo tại vị trí hiệu điện thế làm việc là 1,14 V, đặc trưng cho quá trình chuyển hóa PbS thành PbSO2, cũng tăng lên, biểu hiện sự tiếp xúc tốt giữa PbS và GOx. Độ nhạy của cảm biến được tính từ độ dốc của đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện hóa tại vị trí đỉnh ô xi hóa PbS thành PbSO2 (1,14 V), có kết quả là S1PbS = 546,2 ± 24,6 μAcm-2mM-1 khi Cglucose > 0,8. Độ nhạy lớn nhất của cảm biến sinh học xác định glucose sử dụng enzyme Gox được công bố bởi nhóm Chen năm 2011 đạt 711,1 μAcm-2mM-1. Dựa vào phương pháp chế tạo điện cực, có thể thấy diện tích điện cực của nhóm Chen xấp xỉ bằng diện tích điện cực công bố trong luận án này. Nhưng quá trình chế tạo điện cực của nhóm Chen được chia làm 2 bước, lần lượt là (i) cố định một lớp graphene sau đó (ii) phủ một lớp hạt nano vàng lên trên bề mặt điện cực, trước khi sử dụng điện hóa để gắn các phân từ GOx. Quá trình này phức tạp hơn rất nhiều so với quá trình chế tạo điện cực trong luận án. So sánh kết quả này với kết quả đã công bố trước đó với điện cực làm từ tetrapod ZnO – độ nhạy khi đó là 166,7 ± 8,3μAcm- 2 mM-1; ta nhận được độ nhạy của cảm biến tăng lên 3 lần. Kết quả này có thể là do các phân tử GOx khi hấp phụ trên bề mặt của vật liệu, chúng ưu tiên liên kết chặt chẽ với các hạt nano PbS hơn là so với ZnO. Trong cấu trúc 3D của GOx, vị trí liên kết với FAD – hay chính là nơi liên kết để chuyển tiếp electron, 18