Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "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" nhằm 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: 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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2023
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. PHẠM HÙNG VƯỢNG 2. PGS. TS. PHƯƠNG ĐÌNH TÂM Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tôi xin xin chịu trách nhiệm về nội dung luận án và những kết quả công bố trong luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 TM Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Phạm Hùng Vượng Đinh Văn Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới PGS.TS. Phương Đình Tâm, PGS. TS. Phạm Hùng Vượng và TS Cao Xuân Thắng. Những người Thầy đã cho tôi những định hướng khoa học và phong cách sống. Đã tận tình giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Điện lực, Ban Chủ nhiệm Khoa Điện tử Viễn thông đã luôn động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi tập trung nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các anh chị em trong nhóm nghiên cứu đã luôn động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn mã số đề tài 103.02–2017.320 của Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đã hỗ trợ kinh phí để thực hiện luận án. Tôi gửi lời cảm ơn đến TS. Vũ Văn Thú, PGS. TS Nguyễn Văn Quỳnh, TS. Nguyễn Xuân Trường, TS. Phạm Hồng Nam, ThS. Nguyễn Hoài Nam, TS. Hoàng Lan, TS. Nguyễn Thị Nguyệt, ThS. Đặng Thị Thúy Ngân, ThS Đào Vũ Phương Thảo vì sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả để tôi có thể hoàn thiện luận án. Tôi muốn gửi thành quả này của mình đến vợ và các con những người luôn đồng hành và cổ vũ tôi ở mọi hoàn cảnh. Tôi xin gửi lòng biết ơn đến Bố, Mẹ, các anh, chị, em trong gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong cuộc sống và quá trình học tập. Chính sự tin yêu và mong đợi của gia đình đã tạo thêm động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này. Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy, Cô, Đồng nghiệp và bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Đinh Văn Tuấn ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. viii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ....................................................................................... ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: ......................................................................................................................... 7 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE ......................................................... 7 1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học ............................................................................... 7 1.1.1. Khái niệm .............................................................................................................. 7 1.1.2. Quá trình phát triển của cảm biến sinh học ............................................................. 7 1.1.3. Cấu tạo chung cảm biến sinh học ......................................................................... 11 1.1.4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ......................................................... 13 1.1.5. Ứng dụng cảm biến sinh học ................................................................................ 13 1.2. Giới thiệu về cảm biến xác định glucose ................................................................ 14 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa xác định glucose .............................. 19 1.2.2. Các thế hệ cảm biến điện hóa glucose .................................................................. 20 1.3. Tổng quan về vật liệu phát triển cho ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose .... 24 1.3.1. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose sử dụng enzyme ...................................... 24 1.3.2. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose không sử dụng enzyme ........................... 26 1.4. Tổng quan về kim loại chuyển tiếp dichalcogenides - MoS2 ................................... 27 1.4.1. Cấu trúc tinh thể................................................................................................... 28 1.4.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử..................................................................................... 30 1.4.3. MoS2 và tiềm năng ứng dụng trong cảm biến sinh học ......................................... 31 1.5. Tình hình nghiên cứu vật liệu MoS2 và cảm biến glucose trong trong nước ............ 37 1.6. Kết luận chương 1.................................................................................................. 40 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM .............................................................. 41 2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu ................................................................................. 41 2.1.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo .................................................................................. 41 2.1.2. Quy trình chế tạo vật liệu MoS2 bằng phương pháp thủy nhiệt ............................. 42 2.1.3. Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ........................................ 46 2.1.4. Chế tạo cảm biến glucose sử dụng enzyme GOx trên cơ sở các vật liệu: MoS2 NP (dạng hạt), MoS2 NF (hình hoa), MoS2 NPL (dạng vảy) ................................................ 47 2.1.5. Chế tạo điện cực biến đổi với vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 không sử dụng enzyme ......................................................................................................................... 48 iii
2.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu .............................................................................. 49 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................................. 49 2.2.2. Hiển vi điện tử quét phát xạ trường ...................................................................... 51 2.2.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X ................................................................................. 52 2.2.4. Phổ Raman .......................................................................................................... 53 2.2.5. Phương pháp điện hóa .......................................................................................... 54 CHƯƠNG 3:........................................................................................................................ 59 PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ENZYME PHÁT HIỆN GLUCOSE NỀN VẬT LIỆU MoS2 .... 59 3.1. Đặc trưng vật liệu MoS2 ............................................................................................ 60 3.1.1. Đặc trưng hình thái bề mặt và phân bố kích thước hạt ........................................ 60 3.1.2. Đặc trưng thành phần vật liệu .............................................................................. 66 3.1.3. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu ............................................................................ 66 3.2. Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose trên nền vật liệu MoS2 .................... 67 3.2.1. Đặc trưng cảm biến glucose trên cơ sở các vật liệu MoS2 ..................................... 67 3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến ............................................. 71 3.2.3. Độ chọn lọc, độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến glucose trên cơ sở MoS2 ....... 74 3.3. Kết luận chương 3.................................................................................................. 76 CHƯƠNG 4:........................................................................................................................ 77 CẢM BIẾN GLUCOSE KHÔNG ENZYME TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE AgNP/MoS2 ......................................................................................................................... 77 4.1. Đặc trưng hình thái và cấu trúc của vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ............... 78 4.2. Đặc trưng điện hóa của các điện cực PtE, MoS2/PtE và AgNP/MoS2/PtE ............... 79 4.3. Đặc trưng điện hóa của cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở PtE, MoS2F/PtE và AgNP/MoS2/PtE........................................................................................ 81 4.4. Độ chọn lọc, độ ổn định, độ lặp lại và khả năng tái sử dụng của cảm biến glucose trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE .............................................................................................. 84 4.5. Kết luận chương 4.................................................................................................. 86 CHƯƠNG 5:........................................................................................................................ 88 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ CẢM BIẾN CẦM TAY NHẰM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE ........................................................................................................ 88 5.1. Thiết kế chức năng................................................................................................. 89 5.2. Thiết kế phần cứng ................................................................................................ 91 5.2.1. Thiết kế khối xử lý trung tâm, khối tạo áp và khối đo dòng .................................. 93 5.2.2. Thiết kế khối điện cực .......................................................................................... 94 5.2.3. Thiết kế khối truyền thông ................................................................................... 95 5.2.4. Thiết kế khối nguồn ............................................................................................. 96 5.2.5. Sơ đồ nguyên lý của potentiostat .......................................................................... 97 iv
5.2.6. Thiết kế mạch in (PCB)........................................................................................ 98 5.3. Thiết kế vỏ hộp ...................................................................................................... 99 5.4. Thiết kế phần mềm .............................................................................................. 100 5.5. Thực nghiệm thiết bị ............................................................................................ 103 5.5.1. Khảo sát đặc tính CV của thiết bị ....................................................................... 103 5.5.2. Khảo sát phát hiện glucose của thiết bị ............................................................... 105 5.6. Kết luận chương 5................................................................................................ 105 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .................................................................. 108 CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................................ 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 109 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng anh Tên tiếng việt λ Wavelength Bước sóng Chữ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt DNA Deoxyribonucleic acid Axit Deoxyribonucleic PANI Polyaniline Polyaniline Energy dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X spectroscopy Field Emission Scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ FESEM Electron Microscopy trường XRD X - ray diffraction Giản đồ nhiễu xạ tia X GOx Enzyme Glucose Oxidase Enzyme Glucose GDH Glucose-1-Dehydrogenase Enzyme Glucose-1- Dehydrogenase FAD Flavin Adenine Dinucleotide Flavin Adenine Dinucleotide PPQ Pyrroquinolinequinone Pyrroquinolinequinone AA Ascorbic acid Axit Ascorbic AP Acetaminophen Axetaminofen UA Uric acid Axit uric UAC Uric acid Axit Uric PB Prussian Blue Prussian xanh Med Mediator Chất trung gian BNNT Boron Nitride Nano Tube Ống nano Boron Nitride DET Direct Electron Transfer Quá trình chuyển electron trực tiếp GO Graphene Oxide Graphen oxit PEDOT Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) CAP Chloramphenicol Chloramphenicol GCE Glassy Carbon Electrode Điện cực cacbon MoS2 NP MoS2 nanoparticle MoS2 dạng hạt vi
DI Deionized water Nước cất PBS Phosphate Buffered Saline Photphat muối XRD X-ray Diffraction Quang phỗ nhiễu xạ tia X MoS2 NF MoS2 nanoflower MoS2 hình hoa MoS2 NPL MoS2 nanoplatelets MoS2 dạng vảy AgNP Ag Nanoparticle Hạt nano bạc GA Glutaraldehyde Glutarandehit LOD Limits of detection Giới hạn phát hiện Cu2OMS-RGO Hạt micro Cu2O lai Graphen Oxit dạng khử CV Cyclic Voltammetry Thế vòng, còn gọi là thế tuần hoàn CA Chronoamperometry Kỹ thuật dòng – thời gian RE Reference Electrode Điện cực so sánh WE Working Electrode Điện cực làm việc CE Counter Electrode Điện cực đối AE Auxiliarty Electrode Điện cực phụ trợ LOx Lactate Oxidase Enzyme Lactat FET Field Effect Transistor Transitor hiệu ứng trường TIA Transimpedance Amplifier Bộ khuếch đại trở kháng LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Các mốc thời gian phát triển của cảm biến sinh học ........................................... 10 Bảng 1. 2. Phân loại một số cảm biến glucose theo nguyên lý hoạt động .............................. 15 Bảng 1. 3. Một số loại cảm biến glucose không xâm lấn....................................................... 17 Bảng 1. 4: Các cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite trên cơ sở MoS2 .................................................................................................................................... 32 Bảng 2. 1: Hóa chất sử sử dụng ........................................................................................... 41 Bảng 2. 2: Thiết bị sử dụng .................................................................................................. 42 Bảng 3. 1: Cường độ đỉnh dòng oxy hóa của các điện cực biến tính bởi các vật liệu MoS2 ... 68 Bảng 3. 2: So sánh các thông số phân tích của các cảm biến sinh học được chuẩn bị/thực nghiệm. ................................................................................................................................ 70 Bảng 4. 1: So sánh hoạt động của cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE (trong nghiên cứu này) và các cảm biến glucose khác................................ 84 viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. 1: Ba thế hệ của cấu trúc cảm biến sinh học [3] ........................................................ 8 Hình 1. 2: Cấu tạo điển hình của cảm biến sinh học [24] ..................................................... 11 Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ............................................... 13 Hình 1. 4: Các thế hệ cảm biến glucose [32] ........................................................................ 19 Hình 1. 5: Nguyên lý hoạt động của cảm biến glucose thế hệ thứ nhất [43].......................... 21 Hình 1. 6:(a): cấu trúc tinh thể MoS2, (b): MoS2 dạng khối; (c), (d): MoS2 đơn lớp [51] ...... 28 Hình 1. 7: Ba dạng cấu trúc của tinh thể MoS2 [71] ............................................................. 29 Hình 1. 8: Cấu trúc vùng năng lượng của các MoS2 với số lượng lớp khác nhau [76] .......... 30 Hình 1. 9: Đặc tính CV của (a)- điện cực GCE (Glassy Carbon Electrode); (b)- GCE phủ tấm nano MoS2; (c)- GCE phủ Ag@MoS2 (Trong dung dịch KCl 0.1 M và 1mM Fe(CN)6) [104] 33 Hình 1. 10: Biểu đồ Nyquist của điện cực GCE, điện cực GCE phủ tấm nano MoS 2 và điện cực GCE phủ Ag@MoS2 [104] ................................................................................................... 33 Hình 1. 11: Minh chứng về quá trình lai hóa các hạt nano Au@Pt trên nền tấm nano MoS 2 (A- Ảnh TEM tấm MoS2; B- Ảnh TEM vật liệu lai MoS2-Au@Pt; C- Phân bố kích thước hạt nano Au@Pt trên tấm MoS2; D- Giản đồ nhiễu xạ tia X của tấm MoS2 và vật liệu lai MoS2- Au@Pt [105] ................................................................................................................................... 34 Hình 1. 12: Đường đặc tính CV (A) và biểu đồ Nyquist của các hệ (a)-tấm GCE; b- MoS2/GCE; c- MoS2-Au/GCE; d- MoS2-Pt/GCE; e- Au@Pt/GCE và f-MoS2-Au@Pt/GCE trong dung dịch 5mM [Fe(CN)6]3-/4- và 0.1 M KCl.[105] ............................................................................ 34 Hình 1. 13: Ảnh SEM vật liệu MoS2 hình hoa (A); nano Cu2O (B) và vật liệu lai MoS2-Cu2O (C). EDS của vật liệu lai MoS2-Cu2O [101] ......................................................................... 36 Hình 1. 14: Đặc tính CV của các điện cực MoS2/GCE (A); Cu2O/GCE (B); Cu2O-MoS2/GCE (C) và Cu2O-MoS2/GCE trong các môi trường có nồng độ Glucose khác nhau (D) [101] .... 37 Hình 2. 1: Sự phụ thuộc của áp suất hơi nước vào nhiệt độ ở các thể tích không đổi [111] .. 43 Hình 2. 2: Cấu tạo bình thủy nhiệt (Autoclave) .................................................................... 44 Hình 2. 3: Sơ đồ quy trình chế tạo các vật liệu MoS2 (dạng vảy, dạng hạt và hình hoa) bằng phương pháp thủy nhiệt........................................................................................................ 45 Hình 2. 4: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ............................... 46 Hình 2. 5: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể ....................................................... 49 Hình 2. 6: Thiết bị nhiễu xạ tia X tại Viện khoa học vật liệu ................................................. 50 Hình 2. 7: Hệ thiết bị FE-SEM - JEOL JSM-7600F tại Viện AIST ........................................ 51 Hình 2. 8: Nguyên lý phổ tán sắc năng lượng tia X .............................................................. 52 Hình 2. 9: Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng Laser .................................. 53 Hình 2. 10: Hai mode dao động đặc trưng E12g và A1g của vật liệu MoS2 ............................. 54 Hình 2. 11: Mô hình hệ điện hóa ba điện cực ....................................................................... 55 Hình 2. 12: Quan hệ phụ thuộc E-t trong phương pháp CV: a) chu kỳ oxi hóa; b) chu kỳ khử ............................................................................................................................................ 56 Hình 2. 13: Đường Von-Ampe vòng trong trường hợp có chất hoạt động điện hóa và phản ứng xảy ra thuận nghịch ............................................................................................................. 57 Hình 3. 1: Hình ảnh FESEM của các MoS2 NP được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 200 °C trong 15 h và tỷ lệ mol S/Mo là 2/1. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FESEM của các mẫu MoS2 NP. ......................................................................................................... 60 Hình 3. 2: Ảnh FESEM của các mẫu MoS2 NP được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau, trong 15h. (a) 200 oC, (b) 250 oC, (c) 300 oC, (d) 350 oC. ............... 61 ix
Hình 3. 3: Phân bố kích thước hạt của các mẫu MoS2 NP được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau, trong 15h. (a) 200 oC, (b) 250 oC, (c) 300 oC, (d) 350 oC. ............................................................................................................................................ 61 Hình 3. 4: Hình ảnh FESEM của MoS2 NF được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 220 °C trong 20 giờ. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FESEM của MoS2 NF ............. 62 Hình 3. 5: Phân bố kích thước hạt của MoS2 NF được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 220 °C trong 20 giờ. ........................................................................................................................ 63 Hình 3. 6: FE-SEM của MoS2 NFs được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở 220 °C với các khoảng thời gian khác nhau (a) 15 giờ, (b) 17 giờ, [(c), (c’)] 20 giờ và [(d), (d’)] 25 giờ. ............................................................................................................................................ 63 Hình 3. 7: Hình ảnh FE-SEM của MoS2 NPLs được chuẩn bị ở nhiệt độ thủy nhiệt 350 ° C trong 24h. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FE-SEM của MoS 2 NPLs ... 64 Hình 3. 8: FESEM của các mẫu MoS2-NPL được tổng hợp tại nhiệt độ 3500C trong 24 giờ với sự thay đổi tỷ lệ S/MO, (a) S/Mo = 1:1, (b) S/Mo = 2:1, (c) S/Mo = 3:1, (d) S/Mo = 4:1...... 65 Hình 3. 9: Phân bố kích thước hạt các mẫu MoS2 NPL được tổng hợp tại nhiệt độ 3500C trong 24 giờ với sự thay đổi tỷ lệ S/MO, (a) S/Mo = 1:1, (b) S/Mo = 2:1, (c) S/Mo = 3:1, (d) S/Mo = 4:1. ...................................................................................................................................... 65 Hình 3. 10: Phổ EDX của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. ............................. 66 Hình 3. 11: Phổ XRD của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. ............................. 66 Hình 3. 12: Phổ Raman của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. .......................... 67 Hình 3. 13: (A) Đường CV của điện cực biến tính MoS2 với các cấu trúc khác nhau [(A)- MoS2 NP; (B)- MoS2 NF và (C)- MoS2 NPL]: (a) GCE trần, (b) MoS2/GCE, (c) GOx/MoS2/GCE, và (d) phát hiện glucose 3 mM. ................................................................................................. 68 Hình 3. 14: Đáp ứng điện hóa của các điện cực phụ thuộc vào nồng độ glucose từ 2-10 mM trong dung dịch PBS: (a)- GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE; (c)-GOx/MoS2- NPL/GCE ............................................................................................................................ 70 Hình 3. 15: Ảnh hưởng của pH dung dịch điện ly từ pH = 4 đến pH = 12 đối với phản ứng của điện cực biến tính MoS2 trong glucose 3 mM: GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE; (c)-GOx/MoS2-NPL/GCE ..................................................................................................... 71 Hình 3. 16: Ảnh hưởng của nồng độ GOx từ 0,05 mg/mL đến 10 mg/mL đối với phản ứng của điện cực biến tính MoS2 trong glucose 3 mM: GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE; (c)-GOx/MoS2-NPL/GCE ..................................................................................................... 72 Hình 3. 17: Ảnh hưởng của nhiệt độ từ 25oC đến 60oC đối với phản ứng của điện cực biến tính MoS2 trong glucose 3 mM: (a)-GOx/MoS2 NP/GCE; (b)-GOx/MoS2 NF/GCE; (c)-GOx/MoS2 NPL/GCE ............................................................................................................................ 74 Hình 3. 18: Độ lặp lại của 10 cảm biến trên cơ sở các vật liệu MoS2 ................................... 75 Hình 3. 19: Độ chọn lọc của các cảm biến khi có nhiễu trong dung dịch NaOH 0.1M .......... 75 Hình 3. 20: Độ ổn định sau 3 tuần bảo quản ở 4 °C của cảm biến sinh học glucose dựa trên MoS2 có cấu trúc khác nhau. ................................................................................................ 76 Hình 4. 1: Ảnh FESEM (a) và (b), (c) Phổ EDS, và (d) giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2. ......................................................................................................................... 78 Hình 4. 2: Đường đặc trưng CV của điện cực (a) PtE, (b) MoS2/PtE, (c) AgNP/MoS2/PtE, và (d) 3 điện cực trong dung dịch NaOH , có chứa [Fe(CN)6] 3-/4- tại tốc độ quét 100mV s−1 .... 79 Hình 4. 3: Đường đặc trưng CV của điện cực (a) MoS2/PtE và (c) AgNP/MoS2/PtE tại những tốc độ quét thế khác nhau (10–100 mV s−1) trong dung dịch NaOH. Sự phụ thuộc của dòng oxy hóa theo tốc độ quét thế của điện cực (b) MoS2/PtE và (d) AgNP/MoS2/PtE. ........................ 81 x
Hình 4. 4: Đường đặc trưng CV của các điện cực khác nhau (a) PtE, (b) MoS 2/PtE, (c) AgNP/PtE, và (d) AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH chứa Fe[CN] 6)3−/4− với các trường hợp có và không có 3,0 mM glucose với các điện cực, tại tốc độ quét thế 100 mV s−1. .......... 82 Hình 4. 5: (a) Đường đặc trưng CV của điện cực AgNP/MoS2/PtE đáp ứng với những nồng độ glucose khác nhau trong dung dịch NaOH chứa (Fe[CN] 6)3−/4− tại tốc độ quét 100 mV s−1. (b) Đường chuẩn biểu diễn mối liên quan giữa dòng đỉnh và nồng độ glucose........................... 83 Hình 4. 6: Độ chọn lọc của cảm biến trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE dưới tác động của các chất trong dung dịch chứa 4,0 mM glucose (Glu), 0,12 mM L-ascorbic acid (LAA), 0,3 mM uric acid (UAC), và 0,12 mM acetamidophenol (APH). ...................................................................... 84 Hình 4. 7: Độ bền của điện cực AgNPs/MoS2/PtE theo thời gian ......................................... 85 Hình 4. 8: Độ lặp lại của điện cực AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH gồm 4,0 mM glucose................................................................................................................................. 85 Hình 4. 9: Khả năng tái sử dụng của điện cực AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH gồm 4,0 mM glucose.......................................................................................................................... 86 Hình 5. 1: Thiết bị đo glucose trong máu. ............................................................................ 89 Hình 5. 2: Nguyên lý hệ điện hóa/cảm biến điện hóa. ........................................................... 90 Hình 5. 3: Sơ đồ nguyên lý của potentiostat. ........................................................................ 90 Hình 5. 4: Sơ đồ khối của chíp ADuCM355.......................................................................... 92 Hình 5. 5: Sơ đồ nguyên lý chức năng của khối xử lý trung tâm, khối tạo áp, khối đo dòng trên cơ sở chíp ADuCM355 ......................................................................................................... 93 Hình 5. 6: Sơ đồ nguyên lý đầy đủ của khối xử lý trung tâm, khối tạo áp, khối đo dòng trên cơ sở chíp ADuCM355.............................................................................................................. 94 Hình 5. 7: Sơ đồ nguyên lý khối điện cực của potentiostat .................................................... 95 Hình 5. 8: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông của potentiostat ............................................. 96 Hình 5. 9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của potentiostat ....................................................... 97 Hình 5. 10: Sơ đồ nguyên lý của potentiostat ....................................................................... 97 Hình 5. 11: Thiết kế mạch in của potentiostat....................................................................... 98 Hình 5. 12: Thiết kế vỏ của potentiostat ............................................................................... 99 Hình 5. 13: Vỏ hộp in 3D của potentiostat ........................................................................... 99 Hình 5. 14: Lưu đồ thuật toán chương trình quét thế vòng của potentiostat ........................ 102 Hình 5. 15: Potentiostat được hoàn thiện ........................................................................... 103 Hình 5. 16: Đường đặc tính CV của thiết bị PalmSen4 và thiết bị tự phát triển .................. 104 Hình 5. 17: Đường đặc tuyến giữa dòng đỉnh và căn bậc hai của điện áp quét................... 104 Hình 5. 18: Đường đặc tuyến phát hiệu H2O2 của máy Pamlsens4 và thiết bị trên cơ sở chíp ADuCM355 ........................................................................................................................ 105 xi
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 1
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 MoS 2, 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 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. 2
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 nano 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: 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/MoS 2 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 3
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 MoS 2 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: Trong chương này, tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa chung và cảm biến sinh học điện hóa phát hiện glucose sẽ được trình bày từ các định nghĩa cơ bản, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đến các ứng dụng cụ thể các loại cảm biến kèm với quá trình phát triển của các thế hệ cảm biến. Bên cạnh đó, trong chương này, tổng quan về các vật liệu tiềm năng dùng cho phát triển các thế hệ cảm biến tương ứng cũng được trình bày đầy đủ. Từ đó, nêu bật lên được cơ sở khoa học của việc lựa chọn các vật liệu cảm biến thích hợp cho nghiên cứu tại các chương tiếp theo như là polyme dẫn, hạt nano kim loại, hay hợp chất của kim loại chuyển tiếp có cấu trúc 2 chiều MoS2. Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Trong chương này, phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp các dạng vật liệu MoS2 (dạng hạt, hình hoa, dạng vảy), phương pháp chế tạo vật liệu 4
nanocomposite AgNP/MoS2, phương pháp chế tạo điện cực có enzyme và không có enzyme sẽ được mô tả chi tiết thông qua các quy trình tổng hợp, chế tạo vật liệu. Các phương pháp đặc trưng vật liệu bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), tán xạ năng lượng tia X, Raman, quét thế vòng tuần hoàn CV được mô tả về nguyên lý hoạt động. Chương 3: Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose nền vật liệu MoS 2 Trong chương này, một nghiên cứu đầy đủ của vật liệu MoS2 dùng phát triển cảm biến glucose trên cơ sở cố định xúc tác enzyme GOx đã được thực hiện. Vật liệu MoS 2 ở các dạng thù hình khác nhau (cấu trúc dạng hạt, cấu trúc dạng hoa, và cấu trúc dạng vảy) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt. Các mẫu chế tạo được kiểm tra đặc tính, đánh giá hình thái bề mặt, cấu trúc và tính chất bằng nhiều kĩ thuật khác nhau như XRD, SEM hay RAMAN và điện hóa. Đồng thời các ảnh hưởng của dạng cấu trúc MoS2 lên hiệu quả của cảm biến điện hóa phát hiện glucose cũng được nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được công bố trên tạp chí Current Applied Physics, thuộc danh mục SCIE – Q2 với chỉ số ảnh hưởng IF = 2,856. Chương 4: Cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 Trong chương này chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS 2 trên cơ sở lai hóa hạt nano Ag với vật liệu MoS2 hình hoa, dùng để phát triển thế hệ cảm biến glucose không dùng xúc tác enzyme đã được trình bày và thảo luận. Các hệ vật liệu khác nhau phủ lên điện cực platin MoS2/PtE, AgNP/MoS2/PtE đã được tổng hợp và đánh giá đặc tính đáp ứng với phản ứng oxi hóa trực tiếp glucose, không dùng xúc tác enzyme GOx. Các kết quả đạt được được làm cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 để phát triển cảm biến phát hiện glucose không dùng xúc tác enzyme. Đặc biệt hơn, trong chương này luận án cũng đã thực hiện so sánh kết quả thu được của cảm biến chế tạo với cảm biến thương mại khi phân tích glucose trong mẫu thực huyết thanh của 2 người khỏe mạnh và 3 người mắc tiểu đường. Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được công bố trên tạp chí Current Applied Physics, thuộc danh mục SCIE – Q2 với chỉ số ảnh hưởng IF = 2,856. 5
Chương 5: Nghiên cứu phát triển thiết bị cảm biến cầm tay nhằm xác định nồng độ glucose Trong chương này này, nghiên cứu sinh trình bày từ những nghiên cứu cơ bản về phương pháp điện hóa làm cơ sở để phát triển hệ điện hoá cầm tay dựa trên nền tảng chip vi điều khiển ARM Cortex M3 32 bit để định lượng chính xác H 2O2 là cơ sở quan trọng để xác định nồng độ glucose. Thiết bị này có khả năng đo với kỹ thuật dòng – thời gian (chronoamperometry - CA) và kỹ thuật thế - vòng còn gọi là thế – tuần hoàn (cyclic voltammetry – CV). Đây là hai kỹ thuật chính được dùng nhiều trong phân tích điện hóa. Kết quả đạt được chỉ ra cho thấy, thiết bị được chế tạo có khả năng định lượng H2O2 với độ nhạy 0,64 μA/mM. Tạo cơ sở khoa học cho việc phát triển các thế hệ cảm biến glucose tương ứng. Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được công bố trên kỷ yếu của Hội nghị toàn quốc về Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu lần thứ 12 (SPMS2021). 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE 1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học 1.1.1. Khái niệm Ngày nay, nhu cầu sử dụng những thành quả của khoa học và công nghệ để nâng cao chất lượng cho cuộc sống ngày càng cao. Một cuộc sống hiện đại thường dựa vào nhiều loại thiết bị hoặc tiện ích khác nhau, chẳng hạn như máy tính, điện thoại di động, lò vi sóng, tủ lạnh, điều hòa không khí và hệ thống nhà thông minh bật và tắt đèn và quạt, giúp chúng ta tương tác với môi trường vật chất một cách hiệu quả. Phần lớn các ứng dụng trong số này hoạt động với sự trợ giúp của nhiều cảm biến khác nhau. Cảm biến được định nghĩa là một thiết bị hoặc mô-đun hỗ trợ phát hiện những thay đổi của các đại lượng vật lý, hóa học và sinh học và chuyển đổi chúng thành tín hiệu có thể được phát hiện, đo đạc và phân tích như là tín hiệu điện [1]. Bộ chuyển đổi được định nghĩa là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Tùy thuộc nguyên lý hoạt động của bộ phận chuyển đổi, và các thông tin phát hiện, chúng ta có thể phân loại cảm biến thành nhiều loại khác nhau như là cảm biến đo các đại lượng vật lý (cảm biến vận tốc, gia tốc, áp suất, lực, nhiệt độ…), cảm biến đo các đại lượng hóa học (cảm biến đo pH, cảm biến đo nồng độ kim loại nặng, đo dư lượng thuốc trừ sâu…) và cảm biến sinh học. Theo IUPAC (International Union of Pure Applied Chemistry) thì: cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng sinh học, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (transducer) [2]. Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các tương tác kháng nguyên - kháng thể, tương tác của DNA, tương tác các tế bào… để phát hiện sự thay đổi các tác nhân sinh học, sau đó chuyển đổi chúng thành sự thay đổi tín hiệu điện để đo đạc, định lượng và phân tích. 1.1.2. Quá trình phát triển của cảm biến sinh học Sự phát triển của cảm biến sinh học được phân ra làm ba thế hệ dựa trên phương pháp tích hợp các thành phần nhận diện sinh học (bioreceptor) vào bộ chuyển đổi. Trong loại đầu tiên của cảm biến sinh học, phản ứng của chất phân tích, hoặc sản phẩm của 7