Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Tổng hợp vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen (AgNPs/GQDs) và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Thị Ngọc Lan

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA VÔ CƠ

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Thị Ngọc Lan

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/ CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 8440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hƣớng dẫn 1: TS. Trần Vĩnh Hoàng

Hƣớng dẫn 2: GS.TS. Trần Đại Lâm

Hà Nội - 2019

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những gì viết trong luận văn là do sự tìm tòi, học hỏi của bản thân và sự hƣớng dẫn tận tình của các thầy TS. Trần Vĩnh Hoàng và GS.TS Trần Đại Lâm. Mọi kết quả nghiên cứu cũng nhƣ ý tƣởng của tác giả khác, nếu có đều đƣợc trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn này cho đến nay chƣa đƣợc bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và cũng chƣa hề đƣợc công bố trên bất kỳ một phƣơng tiện nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên.

Hà Nội, ngày 11 tháng 4 năm 2019

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Ngọc Lan

Lời cảm ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn tôi là TS. Trần Vĩnh Hoàng và GS.TS. Trần Đại Lâm.

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hóa Vô cơ Đại cƣơng, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi làm thực nghiệm, đo mẫu trong thời gian qua.

Trong quá trình nghiên cứu, tôi còn nhận đƣợc sự động viên, giúp đỡ của các các thầy cô- Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, bạn bè đã luôn ủng hộ và cho tôi những lời khuyên bổ ích.

Cuối cùng, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp và

những ngƣời thân đã luôn sát cánh bên tôi để tôi có thể hoàn thiện khóa học.

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Ký hiệu Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt

GQDs Graphene quantum dots Chấm graphen lƣợng tử

AgNPs Silver Nanoparticles Hạt nano bạc

TEM

Transmission Electron Microscope Ảnh hiển vi điện tử truyền qua

SEM Scanning Electron Microscope Ảnh hiển vi điện tử quét

EDX Phổ tán xạ năng lƣợng

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

PL Photoluminescence Huỳnh quang

XRD X-rays diffraction Nhiễu xạ tia X

FT-IR Phổ hồng ngoại

Fouier Tranfomation IifraRed spectrum

DLS Dynamic Light Scattering

Phƣơng pháp đo phân bố kích thƣớc hạt bằng phƣơng pháp tán xạ

UV-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy Quang phổ hấp thụ phân tử

WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry

Liên minh Quốc tế về Hóa học Tinh khiết và Hóa học ứng dụng

ChOx Cholesterol Oxidase Enzyme oxi hóa Cholesterol

HRP Horseradish peroxidase

Enzyme Horseradish peroxidase

Danh mục các bảng

Bảng 3. 1. So sánh các cảm biến cholesterol trên cơ sở phương pháp so màu

........................................................................... Error! Bookmark not defined.

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo của cảm biến sinh học[2] ................................... 6

Hình 1. 2. Các kiểu đầu thu sinh học phổ biến trong cảm biến sinh học. ........ 8

Hình 1.3. Phân loại cảm biến trên cơ sở bộ phận chuyển đổi (transducer)[34] ........................................................................................................................... 9

Hình 1.4. Cảm biến so màu phổ dụng: (a) giấy đo độ pH; (b) Hộp que thử 10 thông số của nước tiểu và (c) các màu sắc ứng với nồng độ trong 10 thông số của que thử nước tiểu; (d) giấy thử hàn the trong thực phẩm; (e) bộ kit xác định hàm lượng methanol trong rượu và (f) que thử thai. .............................. 10

Hình 1.5. (a) Cấu trúc của enyzme Cholesterol Oxidase; (b) Sơ đồ cấu trúc của cholesterol và (c) cấu trúc của cholest-4-en-3-one.................................. 14

Hình 1.6. Mô hình mô tả tác hịa làm tắc mạch máu, xơ vữa động mạch của cholesterol. ...................................................................................................... 15

Hình 1.7. Sơ đồ phản ứng enzyme dùng để xét nghiệm cholesterol theo phương pháp so màu. ...................................................................................... 17

Hình 1.8. (A) Bộ dụng cụ đo nồng độ cholesterol trong máu: (1) hộp đựng que thử; (2) than máy đo; (3) kim chích máu; (4) que đo và (5) bút chích máu. (B) Cấu trúc của que thử. ................................................................................ 17

Hình 1.9. Cảm biến màu cholesterol sử dụng hạt nano vàng (lõi)/bạc (vỏ) thay thế enzyme POD [43]. ............................................................................. 19

Hình 1.10. Nguyên lý phát hiện cholesterol bằng phương pháp so màu sử dụng hạt graphen nano (GQDs) thay thế enzyme HRP[54] ........................... 20

Hình 1.12. Hai nguyên lý trong tổng hợp GQDs ............................................ 22

Hình 1. 13. (a) Dung dịch nano bạc (nano Ag); (b) Phổ UV-Vis của dung dịch nano Ag và (c) ảnh TEM của hạt nano Ag chế tạo được trong luận văn. ...... 23

Hình 2.1 Sơ đồ chùm tia tới và chùm tia nhiễu xạ trên tinh thể ..................... 30

Hình 2.2 Độ tù của pic phản xạ gây ra do kích thước hạt .............................. 31

Hình 2.3 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X ................................................................. 31

Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua hiện đại .......................................... 32

Hình 2.5 Máy đo phổ hồng ngoại (FTIR) ....................................................... 33

Hình 2.6 Bước chuyển của các electron trong phân tử ................................. 34

Hình 2.7. Hệ đo UV–Vis Agilent 8453 ............................................................ 35

Hình 3.1. Sơ đồ mô tả sự hình thành hạt GQDs dots theo phương pháp từ dưới lên (bottom-up) ....................................................................................... 37

Hình 3. 2.(A) Phổ UV-Vis của GQDs và (B) phổ FL của GQDs với các bước sóng kích thích khác nhau; (D) Ảnh TEM of GQDs;(E) Màu sắc dung dịch GQDs và mẫu nước ở dưới ánh sáng thường (trái) và dưới tia UV (phải) .... 38

Hình 3.3. Sơ đồ mô tả sự tạo thành vật liệu AgNPs/GQDs ............................ 39

Hình 3.4. (A) Phổ UV-Vis của (a) GQDs, và (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ XRD của (a) GQDs và (b) AgNPs/GQDs. ............................................................... 40

Hình 3. 5. (a,b) Ảnh TEM của AgNPs/GQDs; (c) ảnh SEM của sản phẩm AgNPs/GQDs;(d) Phân bố kích thước hạt phân tích theo phương pháp tán xạ laser (DLS) của mẫu AgNPs/GQDs) .............................................................. 41

Hình 3.6. (A) Phổ FT-IR của: (a) chấm lượng tử graphen (GQDs) và (b) AgNPs/GQDs và (B) Phổ tán xạ năng lượng (EDX) ...................................... 43

Hình 3. 7. (A) phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs/GQDs (a) trước và (b) sau khi

thêm 100 μM dung dịch H2O2; (B) Biến đổi A/A (%) theo thời gian. .......... 44

Hình 3. 8. Phổ UV-vis của dung dịch AgNPs/CQDs trước (đường i) và sau khi phản ứng với 100 µM H2O2 ở các pH khác nhau: (a) pH =3; (b) pH = 4; (c) pH = 7; (d) pH = 9; (e) pH = 11; và (f) Biến đổi tín hiệu A/A0 (%)và

biến đổi tín hiệu max của cảm biến khi có mặt 100 µM H2O2 tại các pH khác nhau. ....................................................................................................... 46

Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả hiệu quả làm việc của cảm biến phát hiện H2O2. Nồng độ H2O2 sử dụng là 20, 40, 60, 80 và 100 µM. pH =7. ......................................................................................................................... 47

Hình 3.10.Cơ chế phản ứng của cảm biến phát hiện H2O2 ............................ 48

Hình 3.11. Ảnh TEM của dung dịch AgNPs/GQDs (a,b) khi không có mặt H2O2 và (c,d) khi có mặt H2O2 với nồng độ 0,8 mM. ...................................... 49

Hình 3.12. (A) Phổ UV-Vis của cảm biến H2O2 với các nồng đô H2O2 khác nhau từ 0, 0.5; 1; 5; 10; 20; 30; 40; 50 và 100 μM H2O2;(B) Đường chuẩn của cảm biến để xác định nồng độ H2O2 (hình chèn: màu sắc của các cảm biến tương ứng với các nồng độ H2O2) ........................................................... 50

Hình 3.13. (A) Phổ UV-Vis của cảm biến H2O2 với các nồng đô H2O2 khác nhau từ 0, 0.5; 1; 5; 10; 20; 30; 40; 50 và 100 μM H2O2;(B) Đường chuẩn của cảm biến để xác định nồng độ H2O2 (hình chèn: màu sắc của các cảm biến tương ứng với các nồng độ H2O2) ........................................................... 51

Hình 3.14. Phổ UV-Vis của dung dịch cảm biến khi có mặt: (1) mẫu trắng; (2) có 0,5 mM glucose; (3) 1 mM glucose; (4) 0,5 mM axit ascorbic; (5) 1mM axit ascorbic; (6) 1 mM galactose; (7) 0,02 mM H2O2. .................................. 52

Hình 3.15. Thành phần của bộ kit xét nghiệm H2O2 ....................................... 53

Hình 3.16. Bảng màu chuẩn để đọc kết quả nồng độ H2O2 trong mẫu .......... 53

Hình 3.17. Cơ chế hoạt động của cảm biến Cholesterol trên cơ sở AgNPs/CQDs ................................................................................................... 54

Hình 3.18. Độ chọn lọc của cảm biến cholesterol: A) Phổ UV-Vis của cảm biến với sự có mặt của các sacarit khác nhau ở nồng độ 4 mM và (B) Độ thay

đổi tín hiệu cường độ pic A/A0 of ứng với các sacarit ở hình A. Hình chèn: màu sắc của các dung dịch cảm biến tương ứng. ........................................... 55

Hình 3.19.(A) Phổ UV-vis của cảm biến với nồng độ cholesterol khác nhau (hình chèn: màu sắc của các dung dịch cảm biến tương tứng); (B) Đường chuẩn xác định nồng độ cholesterol của cảm biến. ........................................ 56

Hình 3.20. Ảnh TEM mẫu AgNPs/GQDs sau khi phản ứng với hỗn hợp ChOx và 1 mM cholesterol ở thang đo (a) 100nm và (b) thang đo 20 nm. .............. 58

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC ......................................................................................................... 1

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 6

1.1. CẢM BIẾN SINH HỌC, CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG VÀ PHÂN LOẠI. ........................................................................... 6

1.1.1.Định nghĩa cảm biến sinh học. .......................................................... 6

1.1.2. Cấu trúc và thành phần của cảm biến sinh học ................................. 7

1.1.2.1. Đầu thu sinh học (capture probe) ............................................... 7

1.1.2.2. Bộ phận chuyển đổi .................................................................... 9

1.1.3. Cảm biến so màu ............................................................................... 9

1.1.4. Các đặc trƣng của cảm biến sinh học ............................................. 11

1.1.4.1. Độ nhạy ..................................................................................... 11

1.1.4.2. Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) ........................................................ 12

1.1.4.3. Giới hạn phát hiện (LOD) ........................................................ 12

1.2. ENZYME VÀ CẢM BIẾN ENZYME CHOLESTEROL ................... 13

1.2.1. Enzyme ........................................................................................... 13

1.2.2. Cấu trúc phân tử và đặc tính xúc tác ƣu việt của enzyme .............. 13

1.2.5. Enzyme Cholesterol oxidase ........................................................... 13

1.3. CHOLESTEROL VÀ BỆNH RỐI LOẠN MỠ MÁU. ........................ 15

1.3.1. Cholesterol và bệnh rối loạn mỡ máu ............................................ 15

1.3.2. Các phƣơng pháp xét nghiệm nồng độ cholesterol ........................ 16

1.3.2.1. Phƣơng pháp so màu trên cơ sở sử dụng enzyme đặc chủng nhƣ cholesterol oxidase (ChOx) ................................................................... 16

1.3.2.2. Xét nghiệm bằng máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các enzym đặc chủng ............................................................... 17

1.3.3. Các xu hƣớng phát triển cảm biến cholesterol ............................... 18

1.3.3.1. Tổng hợp và ứng dụng các vật liệu thay thế enzyme cholesterol oxidase (ChOx) trong chế tạo cảm biến. ............................................... 18

1.3.3.2. Tổng hợp và sử dụng các vật liệu có hoạt tính xúc tác thay thế enzyme peroxidase (POD). .................................................................... 18

1.4. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN ............................. 21

1.4.1. Vật liệu chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots-GQDs) 21

1.4.2. Vật liệu nano bạc (silver nanoparticles- AgNPs) ........................... 23

1.5. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. ................................................................... 24

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 26

2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ .......................... 26

2.1.1. Hóa chất, vật liệu ............................................................................ 26

2.1.2. Dụng cụ và thiết bị .......................................................................... 26

2.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU CQDs VÀ AgNPs/GQDs ................................ 27

2.2.1. Chế tạo cacbon dots bằng phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up) . 27

2.2.2. Chế tạo vật liệu nano Ag/Cacbon dots (AgNPs/GQDs) ................. 27

2.3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN H2O2 VÀ CHOLESTEROL ........................... 27

2.3.1. Chế tạo cảm biến phát hydrogen peroxide ..................................... 27

2.3.2. Chế tạo cảm biến cholesterol .......................................................... 28

2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU VÀ CẢM BIẾN .... 29

2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction-XRD ) .................. 29

2.4.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................... 31

2.4.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) ........................................... 32

2.4.4. Phổ hấp thụ electron (UV-Vis) ....................................................... 33

2.4.5. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) .............................................. 35

2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ........................................... 36

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 37

3.1. ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU .......................................................... 37

3.1.1. Đặc trƣng chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots- GQDs) ................................................................................................................... 37

3.1.2. Đặc trƣng vật liệu AgNPs/GQDs .................................................. 38

3.2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN HYDROGEN PEROXIDE TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AgNPs/GQDs ..................................................................................... 43

3.2.1. Khảo sát thời gian phản ứng và tìm hiểu cơ chế phản ứng ............ 43

3.2.2. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ hydrogen peroxide (H2O2) ........... 50

3.2.3. Bộ kit xét nghiệm xác nồng độ hydrogen peroxide (H2O2) ............ 52

3.3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN CHOLESTEROL TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AgNPs/GQDs ............................................................................................... 53

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN .............................................................................. 59

HƢỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN .............................................. 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 61

PHỤ LỤC – BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

MỞ ĐẦU

Hiện nay việc phát hiện nhanh các thông số an toàn thực phẩm; chỉ số môi trƣờng; các chỉ dấu sức khỏe bằng các bộ kit, que thử theo phƣơng pháp so màu, bằng cách thay đổi màu của chỉ thị để biết các thông tin về môi trƣờng, phát hiện các độc tố, các chất độc hại….đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: hóa học, thực phẩm, môi trƣờng, dƣợc phẩm, sinh học…Thực tế cho thấy thấy tính tiện dụng và các ứng dụng rộng rãi trong đời sống của cảm biến so màu. Đơn giản và phổ biến nhất, dễ sử dụng nhất là giấy pH dùng để xác định độ axit- bazơ của dung dịch; cao cấp hơn một chút là que thử 10 chỉ tiêu trong nƣớc tiểu (để kiểm tra pH, tỷ trọng, glucose, protein, nitrit…trong nƣớc tiểu). Cảm biến so màu còn ứng dụng trong kiểm tra an toàn thực phẩm nhƣ que thử hàn the trong thực phẩm nhƣ giò, bún, phở; hay bộ kit xét nghiệm sự có mặt của methanol trong rƣợu. Cao cấp nhất là các cảm biến so màu ứng dụng trong y tế nhƣ: que thử thai, kit kiểm tra sự có mặt của độc tố Alfatoxin trong thực phẩm; hay bộ kit thử kiểm tra HIV…Với việc chỉ quan sát màu sắc bằng mắt thƣờng mà không cần máy đo và cho kết quả nhanh nên cảm biến so màu đã và đang có vai trò rất quan trọng và phổ biến trong thời đại mới vì tính tiện dụng, nhanh chóng và sử dụng đơn giản. Vì vậy, nhu cầu về các cảm biến đặc biệt là cảm biến so màu rất đa dạng để áp dụng trong thực phẩm, môi trƣờng, dƣợc phẩm, xét nghiệm bệnh tật. Tuy nhiên cảm biến so màu hóa học có tính chọn lọc không cao vì vậy để phát triển cảm biến có độ chọn lọc cao cần có các đầu thu sinh học, khi đó ta có cảm biến so màu sinh học.

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và vật liệu nano đã cho ra đời các kết cấu vật liệu mới, với tính chất lý hóa, sinh học rất mới và có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Các ứng dụng vật liệu nano bạc (nano Ag) có những tính chất hóa lý rất đáng quan tâm nhƣ: thay thế đƣợc enzym horseradish peroxidase (enzym HRP) cho phản ứng phân hủy H2O2; có pic hấp thụ đặc trƣng tại 420 nm đặc trƣng của nano Ag; có tính dẫn điện tốt và có hoạt tính điện hóa…Do đó việc phát triển các ứng dụng sâu hơn của chúng sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới nhƣ thay thế các enzym nhƣ HRP; loại enzym có giá

thành cao nhƣng có thời gian sống ngắn, điều kiện hoạt động nghiêm ngặt về nhiệt độ, pH, ánh sáng…) để sử dụng trong các bộ cảm biến sinh học nhằm chế tạo ra các cảm biến sinh học phát hiện các chỉ dấu sinh học (nhƣ hydrogen peroxide, cholesterol, glucozơ…) một cách nhanh, nhạy và rất chọn lọc với chi phí thấp và thời gian bảo quản dài hơn

Các hạt nano kim loại quý, đặc biệt là hạt nano bạc(AgNP), đã thu hút đƣợc sự chú ý đáng kể do đặc tính quang học độc đáo và đặc trƣng của phổ plasmon bề mặt. Phổ này sẽ bị thay đổi khi có các tác nhân tấn công sự tồn tại hoặc làm biến dạng hình học các hạt AgNPs và bằng mắt thƣờng cũng có thể quan sát đƣợc sự biến đổi này.Vì vậy thời gian gần đây có nhiều nghiên cứu ứng dụng các tính chất này để chế tạo cảm biến hóa học, sinh học. Tuy nhiên để đáp ứng cho các ứng dụng này thì AgNPs yêu cầu có độ sạch cao trong mẫu không có dƣ lƣợng sản phẩm phụ hoặc các sản phẩm phụ không ảnh hƣởng/ tƣơng tác với các chất trong hệ ứng dụng của AgNPs. Do đó các phƣơng pháp truyền thống tổng hợp AgNPs tỏ ra bị hạn chế khi sản xuất nano bạc cho các ứng dụng này. Để khắc phục hạn chế đó, tôi chọn đề tài:

“Tổng hợp vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen (AgNPs/GQDs) và ứng dụng”. Trong công trình này, chúng tôi trình bày phƣơng pháp “xanh” để tổng hợp các hạt nano bạc (silver nanoparticles- AgNPs), trong đó điểm mới là sử dụng các hạt nano cacbon (hay chấm lƣợng tử graphen -GQDs) làm chất khử và đồng thời làm chất ổn định. Tiếp đó chúng tôi dùng AgNPs tổng hợp đƣợc để làm đầu dò đa chức năng để chế tạo cảm biến hydrogen peroxit (H2O2), tiếp đó, chúng tôi kết hợp cảm biến H2O2 và enzyme cholesterol oxidase (ChOx) để chế tạo cảm biến cholesterol theo phƣơng pháp so màu. Đây đều là các nội dung nghiên cứu mới và có ý nghĩa thực tiễn.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. CẢM BIẾN SINH HỌC, CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG VÀ PHÂN LOẠI.

1.1.1.Định nghĩa cảm biến sinh học.

Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) năm 1992[1] đã định nghĩa: “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, bao gồm một phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer)”. Chất đƣợc gắn trên bộ phận chuyển đổi đƣợc gọi là “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tích trong mẫu đƣợc gọi là “phần tử đích”. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc hiệu: kháng nguyên/kháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA-DNA(cảm biến DNA) hoặc enzym/cơ chất (cảm biến enzym)… Trên cơ sở các phản ứng đặc hiệu này, phần tử nhận biết sinh học giữ vai trò dò tìm đối tƣợng đích trong mẫu phân tích và phần tử chuyển đổi giữ vai trò chuyển đổi tƣơng tác sinh học thành tín hiệu điện hóa, quang, nhiệt… sau đó đƣa qua bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo (hình 1.1).

Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo của cảm biến sinh học[2]

Có nhiều dạng chuyển đổi tín hiệu nhƣ chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ… Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo

nguyên lý điện hóa có nhiều khả năng ứng dụng trong phân tích các đối tƣợng y sinh vì độ nhạy tốt và có thể vi cấu trúc hóa để chuyển đổi thành các thiết bị cầm tay. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học điện hóa là chuyển các tín hiệu của phản ứng sinh hóa giữa phần tử nhận biết sinh học và phần tử đích trong dung dịch điện ly thành các tín hiệu đƣợc nhận biết bởi kỹ thuật điện hóa. Các kỹ thuật điện hóa có thể đƣợc sử dụng để đánh giá một cách định lƣợng (theo nồng độ) hoặc định tính (âm tính/dƣơng tính) sự có mặt của các thành phần sinh học (DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể…) trong dung dịch. Có nhiều phƣơng pháp để đo tín hiệu điện hóa khi có sự tƣơng tác giữa đầu thu sinh học và chất cần phân tích nhƣ đo dòng, đo thế, đo độ dẫn và đo phổ tổng trở…[54]. Tuy nhiên, bên cạnh đó cảm biến sinh học điện hóa cũng có nhiều nhƣợc điểm nhƣ (i) cần thiết bị nghiên cứu đắt tiền (máy đo), và (ii) các điện cực để nghiên cứu cũng có chi phí cao, gia công phức tạp.

1.1.2. Cấu trúc và thành phần của cảm biến sinh học

1.1.2.1. Đầu thu sinh học (capture probe)

Cảm biến sinh học là khái niệm chỉ cảm biến mà có đầu thu là các phần tử sinh học (bio-receptors) nhƣ là enzyme, kháng thể (antibody), các chuỗi DNA hoặc RNA hoặc các chuỗi peptit hoặc protein dùng để phát hiện các chất cần phân tích. Quan hệ giữa đầu dò (probe) và đối tƣợng cần phát hiện (còn gọi là đích- target) chủ yếu gồm các nhóm chính nhƣ sau (hình 1.2):

(i) Với đầu dò là enzyme ta có cảm biến enzyme dùng để phát hiện các phân tử đích (target) đặc trƣng của chúng (hay còn gọi là cơ chất của enzyme). Một số cảm biến enzyme đã đƣợc phát triển và ứng dụng[3-9]. Ví dụ với đầu dò enzyme glucose oxidase (GOx) dùng để phát hiện glucose ; enzyme cholesterol oxidase (ChOx) dùng để phát hiện cholesterol….Do cảm biến enzym rất nhạy, phản ứng nhanh và chọn lọc nên cảm biến enzyme còn đƣợc dùng trong việc khuếch đại tín hiệu để nâng cao giới hạn phát hiện cho các loại cảm biến khác; chẳng hạn phép phân tích sàng lọc ELISA dùng trong bệnh viện để xét nghiệm ung thƣ, bệnh tật hoặc các ca nhiễm độc bởi các chất độc hại nhƣ clozapine[10], phenolthiazines[11], rifampicin[12], thuốc trừ sâu, diệt cỏ[13]. Với ứng dụng này thì enzym thƣờng đƣợc dùng là loại enzym

oxidase (chủ yếu là enzym horseradish peroxidase-HRP).

(ii) Với đầu dò là kháng thể (antibody) thì sẽ dùng để phát hiện kháng nguyên (antigen) tạo ra cảm biến miễn dịch (immunosensor). Một kháng thể (antibody) sẽ liên kết một cách đặc hiệu với một đối tƣợng kháng nguyên (antigen) [14-19], tạo ra độ chọn lọc cao (tính đặc hiệu tốt) cho phép phân tích. Cảm biến kiểu này dùng rất phổ biến với nhiều bộ kit đƣợc phát triển để phân tích các mẫu thực phẩm, nƣớc uống, bệnh phẩm…với tên gọi chung là bộ kit ELISA. Ví dụ bộ kit xét nghiệm là các chất độc hại nhƣ 2,4-D (chất độc màu da cam); các phụ gia trong sản xuất giấy gói có ảnh hƣởng đến sức khỏe nhƣ bisphenol A; các loại thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu nhƣ atrazine hoặc các loại protein bệnh nhƣ virus cúm, bệnh ung thƣ…

(a) Enzyme (b) Khángthể (Antibody) (c) DNA

Hình 1. 2. Các kiểu đầu thu sinh học phổ biến trong cảm biến sinh học.

(iii) Nếu đầu dò là các đoạn DNA hay RNA hoặc axit nucleic peptide sẽ ứng dụng trong chế tạo các bộ cảm biến DNA hay RNA nhằm phát hiện ra các đoạn DNA hoặc RNA dùng trong các nghiên cứu sinh học xét nghiệm huyết thống bệnh tật, trong chuyển đổi gen. Nguyên tắc hoạt động là các chuỗi này có quan hệ bổ sung (ghép cặp) rất nhạy và rất chọn lọc nên cảm biến loại này có độ nhạy cao và tính chọn lọc [16, 20-33]. Ngày nay, chủ yếu là oligodeoxyribonucleotides tổng hợp (ODNs) đƣợc sử dụng làm đầu dò trong cảm biến DNA. Các phần ghép thêm vào nhƣ đuôi thiol (-SH), amin (-NH2) hoặc biotin đƣợc kết hợp để cố định ODN trên bề mặt của cảm biến.

1.1.2.2. Bộ phận chuyển đổi

Hình 1.3. Phân loại cảm biến trên cơ sở bộ phận chuyển đổi (transducer)[34]

Bộ phận chuyển đổi trong các cảm biến sinh học là bộ phận chuyển đổi tín hiệu của việc bắt cặp nhau giữa đầu dò và đích thành các tín hiệu có thể đo đƣợc [1, 35, 36]. Tùy vào tín hiệu đầu ra (out put signal) mà chúng ta có thể gọi tên là cảm biến điện hóa hay cảm biến quang…Nhƣ tóm tắt ở hình 1.3, cảm biến sinh học có thể xây dựng trên một trong 5 loại bộ phận chuyển đổi tín sau đây: điện hóa (electrochemical), điện (electrical), quang (optical), cơ/áp điện (piezoelectric) hoặc nhiệt (thermal). Mặc dù có rất nhiều loại bộ phận chuyển đổi nhƣ trên, nhƣng trong thực tế bộ phận chuyển đôi điện hóa và quang là đƣợc dùng phổ biến nhất trong cảm biến sinh học.

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng bộ phận chuyển đổi quang học hay còn gọi là cảm biến quang với sự đổi màu của chất chỉ thị nên còn có thể gọi là cảm biến so màu. So với cảm biến điện hóa thì cảm biến so màu có một số lợi thế nhƣ có thể quan sát bằng mắt thƣờng nhờ sự chuyển màu của các chất chỉ thị, dụng cụ tiến hành đơn giản, gia công dễ dàng…Do đó cảm biến sinh học so màu đang đƣợc dùng nhiều trong thực tế và đã khẳng định đƣợc sự tin cậy nhƣ phép xét nghiệm ELISA trong xét nghiệm bệnh ung thƣ, cảm cúm, các bệnh do virus, ở bệnh viện.

1.1.3. Cảm biến so màu

Từ khi ngành hóa học phát triển đã sử dụng các chất chỉ thị, chất chỉ thị màu để phát hiện môi trƣờng các chất một cách nhanh chóng và đến nay các chất chỉ thị vẫn đƣợc sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Để

nâng cao độ tiện dụng cũng nhƣ để ứng dụng rộng rãi trong đời sống ngƣời ta đã chế tạo ra các bộ kit so màu để xác định nồng độ một số chất thậm chí để xác định tình trạng bệnh tật. Chẳng hạn, bộ so màu đơn giản và hay dùng nhất là giấy pH (hình 1.4a), sau đó là các que thử nhƣ thử 10 chỉ tiêu trong nƣớc tiểu (gồm pH, tỷ trọng) (hình 1.4b và hình I.4c), giấy thử hàn the trong thực phẩm nhƣ chả, bún, phở (hình 1.4d); bộ kit xét nghiệm sự có mặt của methanol trong rƣợu (hình 1.4e) và cao cấp là que thử thai (hình 1.4f).

(b)

(c

(a)

)

(e)

(f)

(d)

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến so màu ở dạng giấy chỉ thị khá đơn giản, đó là trên cơ sở giấy có độ tro thấp, ngƣời ta sẽ tẩm các hóa chất đóng vai trò là chất chỉ thị lên. Khi thử, gặp các tác nhân cần kiểm tra ở trong mẫu thì chỉ thị sẽ biến đổi màu, tùy thuộc vào màu sắc và cƣờng độ để xác định sự có mặt của tác nhân cần kiểm tra cao hay thấp. Đại đa số cảm biến so màu là cảm biến hóa học, chỉ một số ít là cảm biến sinh học, nhƣ que thử thai là cảm biến sinh học dựa theo phản ứng kháng nguyên - kháng thể để xét nghiệm hormone HCG (Human Chorionic Gonadotrophin). Theo đó, ở vùng phản ứng, các sợi thấm đã đƣợc ngâm tẩm với một loại protein kháng thể đặc biệt

có hình chữ Y (Ab1) đƣợc đánh dấu bằng các hạt vàng hoặc hạt huỳnh quang,...Các kháng thể này sẽ bắt cặp với HCG (ở đây đƣợc xem là các kháng nguyên) có trong mẫu nƣớc tiểu. Hiện nay ngày càng có nhiều cảm biến sinh học dựa trên phƣơng pháp so màu đang đƣợc phát triển vì tính tiện lợi và đơn giản của quy trình xét nghiệm. Cảm biến so màu không chỉ đƣợc phát triển để xét nghiệm các hóa chất hay các phần tử sinh học, loại cảm biến này đang đƣợc phát triển cho xét nghiệm quản lý môi trƣờng, kiểm tra chất lƣợng nƣớc.

1.1.4. Các đặc trƣng của cảm biến sinh học

Một cảm biến sinh học dù theo phƣơng pháp đo nào cũng cần có các

chỉ số để đánh giá chất lƣợng của chúng, bao gồm các đặc tính sau:

1.1.4.1. Độ nhạy

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên

đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính:

Δs = S.Δm (I.1)

Trong đó: Đại lƣợng S xác định bởi biểu thức, đƣợc gọi là độ nhạy của cảm biến.Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lƣợng đầu ra và biến thiên Δm tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó. Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó,

- Thời gian sử dụng,

- Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo) của môi trƣờng xung quanh. Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tƣơng ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.

1.1.4.2. Độ chọn lọc (độ đặc hiệu)

Độ đặc hiệu của một xét nghiệm là tỷ lệ những trƣờng hợp thực sự không có bệnh và có kết quả xét nghiệm âm tính trong toàn bộ các trƣờng hợp không bị bệnh. Độ đặc hiệu đƣợc tính theo công thức sau:

Độ đặc hiệu = Số trƣờng hợp âm tính thật/ (số trƣờng hợp âm tính

thật + số trƣờng hợp dƣơng tính giả) (I.2)

Đối với một xét nghiệm để xác định xem ai mắc bệnh nào đó, độ đặc hiệu 100% có nghĩa là toàn bộ những ngƣời khỏe mạnh (không mắc bệnh) đƣợc xác định là khỏe mạnh. Một mình độ đặc hiệu không cho chúng ta biết toàn bộ về xét nghiệm bởi vì 100% độ đặc hiệu có thể có đƣợc một cách thông thƣờng bằng việc gán cho toàn bộ các trƣờng hợp kết quả xét nghiệm âm tính. Chính vì vậy, chúng ta cần phải biết thêm về độ nhạy của xét nghiệm.

1.1.4.3. Giới hạn phát hiện (LOD)

Giới hạn phát hiện (hay còn gọi là limit of detection – LOD) là giới hạn dƣới về nồng độ mà cảm biến có thể nhận biết đƣợc sự có mặt của chất cần phân tích với mẫu trắng (mẫu không có mặt chất cần phân tích hoặc chất cạnh tranh). Thông thƣờng LOD đƣợc tính theo công thức[34]:

(I.3) ALOD = ̅ + 3.ϭblank

Trong đó :ALOD – tín hiệu mẫu ứng với nồng độ thấp nhất mà cảm biến

có thể phát hiện (LOD);

̅ : tín hiệu trung bình của mấu trắng; và:

ϭBlank : sai số tuyệt đối của mẫu trắng. Sai số này đƣợc tính theo công

thức:

(I.4) √ ∑ ̅

Với : N- số thí nghiệm với mẫu trắng, để có ý nghĩa thống kê tốt thì N phải lớn (thƣờng N>5) ; – là tín hiệu mẫu trắng thứ i. Với giá trị

ALOD tính toán đƣợc, nội suy hoặc ngoại suy từ đƣờng chuẩn ta tính toán đƣợc giá trị LOD.

Ngoài ra cảm biến sinh học cần có thêm các tính chất khác nhƣ: Độ

bền, độc lập, tính lặp lại, dễ sử dụng và vận chuyển…

1.2. ENZYME VÀ CẢM BIẾN ENZYME CHOLESTEROL

1.2.1. Enzyme

Enzyme (hay còn gọi là men) là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein. Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học, với một hiệu suất rất cao, mặc dù ở điều kiện bình thƣờng về nhiệt độ, áp suất, pH. Sở dĩ nhƣ vậy vì nó có sự hiện diện của chất xúc tác sinh học đƣợc gọi chung là enzyme; nhƣ vậy, enzyme là các protein xúc tác các phản ứng hóa học. Trong các phản ứng này, các phân tử lúc bắt đầu của quá trình đƣợc gọi là cơ chất, enzyme sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau. Enzyme có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó. Hầu hết phản ứng đƣợc xúc tác bởi enzyme đều có tốc độ cao hơn nhiều so với khi không đƣợc xúc tác. Có trên 4 000 phản ứng sinh hóa đƣợc xúc tác bởi enzyme. Tuy vậy, hoạt tính của enzyme chịu tác động bởi nhiều yếu tố (nhiệt độ, áp suất, pH, môi trƣờng, chất ức chế, ngộ độc…).

1.2.2. Cấu trúc phân tử và đặc tính xúc tác ƣu việt của enzyme

Bản chất enzyme là những protein đặc hiệu có cấu tạo phân tử rất phức tạp, do vậy nó có tất cả các thuộc tính hóa học của protein. Enzyme có khả năng và hiệu lực xúc tác rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao. Để đảm bảo cho chức năng của enzyme là chất xúc tác sinh học, cấu trúc của enzyme phải rất tinh vi và phức tạp. Enzyme là những loại phân tử lớn, phần nhiều những enzyme đã đƣợc nghiên cứu có trọng lƣợng phân tử từ 10.000 đến 1.000.000 dalton.

1.2.5. Enzyme Cholesterol oxidase

Cholesterol oxidase còn có các tên gọi khác nhƣ Cholesterol-O2 oxidoreductase; beta- hydroxy steroid oxidoreductase; beta- hydroxysteroid: oxygen oxidoreductase. Cholesterol oxidase (hình 1.10a) thuộc nhóm 1

→ (1.4)

(Oxydoreductase) (EC 1.1.3.6) có tác dụng xúc tác cho phản ứng oxy hóa- khử. Cholesterol oxidase thƣờng đƣợc thu từ Streptomyces, Pseudomonas, Brevibacterium… Enzyme này có tính đặc hiệu cao đối với cholesterol trong khoảng pH thích hợp từ 4,0 đến 7,0 (tính đặc hiệu cao nhất tại pH=7,0). Đặc tính của enzyme ChOx là chất đặc hiệu để phát hiện và định lƣợng cholesterol.Phản ứng với xúc tác ChOx. Phản ứng oxy hóa cholesterol (hình 1.10b) dƣới tác dụng của ChOx tạo ra H2O2 và cholest-4-en-3-one (hình 1.10c):

Hình 1.5. (a) Cấu trúc của enyzme Cholesterol Oxidase; (b) Sơ đồ cấu trúc của cholesterol và (c) cấu trúc của cholest-4-en-3-one

Ngày nay, enzyme ChOx đƣợc sử dụng rộng rãi trong chế tạo các bộ kit xét nghiệm cholesterol theo kiểu cấu trúc điện hóa phục vụ nhu cầu tự kiểm tra theo dõi nồng độ cholesterol trong máu; còn trong xét nghiệm ở các bệnh viện chủ yếu cảm biến cholesterol hoạt động theo cơ chế cảm biến so màu.

1.3. CHOLESTEROL VÀ BỆNH RỐI LOẠN MỠ MÁU.

1.3.1. Cholesterol và bệnh rối loạn mỡ máu

Hình 1.66. Mô hình mô tả tác hịa làm tắc mạch máu, xơ vữa động mạch của cholesterol.

Cholesterol có danh pháp theo IUPAC là (3β)-cholest-5-en-3-ol, có công thức phân tử là C27H46O (Mw = 386,654 g/mol) công thức cấu tạo mô tả ở hình 1.10b. Cholesterol là một chất béo steroid, mềm, có màu vàng nhạt, có ở màng tế bào của tất cả các mô trong cơ thể, và đƣợc vận chuyển trong huyết tƣơng của mọi động vật. Cholesterol có mặt trong cơ thể do 2 cách là nội sinh (do cơ thể tự sản xuất) và ngoại sinh (do ăn uống các chất mỡ động vật). Lƣợng cholesterol nội sinh đƣợc sản xuất hàng ngày trong gan mỗi ngày từ 1,5g – 2g. Cholesterol đóng vai trò trung tâm trong nhiều quá trình sinh hoá, nhƣng lại đƣợc biết đến nhiều nhất do liên hệ đến bệnh tim mạch gây ra bởi nồng độ cholesterol trong máu tăng. Khi cholesterol trong máu quá dƣ thừa thì chúng sẽ đóng thành mảng mỡ trong mạch máu và các mảng này gây trở ngại cho dòng máu chảy trong các động mạch (hình 1.11). Khi đó, máu mang oxy sẽ không chảy đủ tới tim và nhƣ vậy nguy cơ bị lên cơn đau tim sẽ tăng; nếu máu chạy lên não mà thiếu thì sẽ gây ra đột quỵ (stroke). Chứng bệnh dƣ cholesterol huyết (hypercholesterolemia) không có triệu chứng gì đặc biệt, chỉ có thử máu mới phát hiện đƣợc vì vậy xét nghiệm cholesterol trong máu là chỉ số quan trọng trong kiểm tra sức khỏe. Việc xét nghiệm, kiểm tra thƣờng xuyên nồng độ cholesterol trong cơ thể sẽ góp phần kiểm soát, phát hiện sớm bệnh rối loạn mỡ máu để kịp thời điều trị, qua đó sẽ góp phần giảm chi phí

điều trị. Hiện nay, việc xét nghiệm cholesterol chủ yếu là tiến hành trên mẫu máu và thực hiện ở bệnh viện, thƣờng là lấy máu để xét nghiệm khi đói, nếu giá trị vƣợt ngƣỡng thì mới thực hiện các xét nghiệm khác để sàng lọc, theo dõi. Cảm biến xét nghiệm cholesterol hiện đang áp dụng trong các cơ sở y tế chủ yếu là theo phƣơng pháp so màu. Theo quy định, nồng độ cholesterol toàn phần đối với ngƣời bình thƣờng tùy thuộc vào độ tuổi, chẳng hạn trẻ dƣới 10 tuổi là 100-180 mg/dL máu hay 2,6-4,7 mM; từ 10 -20 tuổi thì giá trị này là 120 -180 mg/dL (3,1 – 4,7 mmol/L); lứa tuổi trên 20 tuổi thì giá trị bình thƣờng là 120 – 200 mg/dL (3,1 – 5,2 mmol/L).

1.3.2. Các phƣơng pháp xét nghiệm nồng độ cholesterol

Hiện nay có 2 cách chính để xác định nồng độ cholesterol trong máu đó là xét nghiệm ở bệnh viện hoặc tự đo ở nhà. Cả hai cách này đều có điểm chung là sử dụng hệ 2 enzym giống nhau là enzyme cholesterol oxidase (ChOx) và enzyme peroxidase (POD); cơ chế hoạt động của chúng cũng giống nhau, chỉ khác về nguyên lý đo và tính chất của bộ phận chuyển đổi tín hiệu (transducder): với cảm biến so màu là tín hiệu quang, còn với cảm biến điện hóa là tín hiệu điện.

1.3.2.1. Phương pháp so màu trên cơ sở sử dụng enzyme đặc chủng như cholesterol oxidase (ChOx)

Đây là phƣơng pháp kinh điển và chuẩn mực để xét nghiệm cholesterol trong các bệnh viện từ trƣớc đến hiện nay. Nguyên tắc của phƣơng pháp, lấy xét nghiệm cholesterol làm ví dụ, là sử dụng enzyme cholesterol oxidase (thƣờng đƣợc ký hiệu là ChOx) để oxy hoá cholesterol trong mẫu thành cholest-4-en-3-onevà giải phóng peroxide hydrogen (H2O2). Sau đó hydrogen peroxid đƣợc tạo thành bị enzyme peroxidase (hiệu là POD) (thông thƣờng enzyme POD hay đƣợc sử dụng nhất là horseradish peroxidase -HRP) phân huỷ H2O2 và giải phóng oxy. Oxy giải phóng oxy hoá chất chỉ thị, phổ biến là hệ 4 – aminophenzon (4-AAP)/phenol hay hệ 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB) để tạo ra sản phẩm có màu đặc trƣng (cơ chế đƣợc minh họa trên hình 1.12), TBM tạo ra dạng TMB dạng oxi hóa có màu xanh lá cây. Cƣờng độ

màu tỷ lệ với hàm lƣợng cholesterolqua đó sử dụng đƣờng chuẩn sẽ xác định đƣợc nồng độ cholesterol.

Hình 1.7. Sơ đồ phản ứng enzyme dùng để xét nghiệm cholesterol theo phương pháp so màu.

1.3.2.2. Xét nghiệm bằng máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các enzym đặc chủng

Hình 1.8. (A) Bộ dụng cụ đo nồng độ cholesterol trong máu: (1) hộp đựng que thử; (2) than máy đo; (3) kim chích máu; (4) que đo và (5) bút chích máu. (B) Cấu trúc của que thử.

Về nguyên tắc thì phƣơng pháp so màu đã nói ở trên và phƣơng pháp này giống nhau ở chỗ là sử dụng các enzyme đặc chủng (ChOx) để chuyển hóa chỉ dấu sinh học là cholesterol thành cholest–4 –en – 3 –one tƣơng ứng và giải phóng ra H2O2. Sự khác biệt ở đây là tín hiệu đầu ra thu đƣợc là dòng điện dùng để hiển thị giá trị nồng độ các chỉ dấu sinh học trong mẫu thay vì thay đổi màu sắc nhƣ trong phƣơng pháp so màu. Cấu trúc và cấu tạo cảm biến điện hóa xét nghiệm cholesterol đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.13.

1.3.3. Các xu hƣớng phát triển cảm biến cholesterol

1.3.3.1. Tổng hợp và ứng dụng các vật liệu thay thế enzyme cholesterol oxidase (ChOx) trong chế tạo cảm biến.

Gần đây một số báo cáo mới đã nghiên cứu thay thế cả 2 enzyme trong cảm biến phát hiện cholesterol. Theo đó, kiểu thứ nhất là cảm biến sẽ không sử dụng enzyme cholesterol oxidase mà sẽ sử dụng các vật liệu có hoạt tính xúc tác để oxi hóa trực tiếp cholesterol. Tuy nhiên phƣơng pháp này có khá nhiều nhƣợc điểm, thứ nhất là sẽ không có độ chọn lọc vì không có đầu dò sinh học đặc hiệu; thứ hai là phải có các thiết bị/phƣơng pháp hỗ trợ để ghi nhận tín hiệu của quá trình đó nhƣ phƣơng pháp điện hóa. Joshi và cộng sự [41] đã nghiên cứu sử dụng hệ compozit laponite (L) với montmorillonite (MMT) trong phân tán nƣớc để phủ lên điện cực ITO sau đó dùng để oxi hóa trực tiếp axit ascorbic (AA), axit oxalic (OA), glucose (Glu) và cholesterol (ChO) bằng phƣơng pháp quét thế vòng tuần hoàn. Kiểu thứ hai trong xu hƣớng này là sử dụng các vật liệu nano và các nhóm chức có cơ chế tiếp nạp cholesterol vào một cấu trúc nào đó, sự tiếp nạp đó sẽ gây ra các thay đổi về tính chất lý-hóa của hệ qua đó sẽ xác định đƣợc nồng độ cholesterol.

1.3.3.2. Tổng hợp và sử dụng các vật liệu có hoạt tính xúc tác thay thế enzyme peroxidase (POD).

Một xu hƣớng có nhiều triển vọng hơn là xu hƣớng thay thế enzyme peroxidase trong hệ 2 enzyme. Do enzyme peroxidase chỉ đóng vai trò là hiển thị tín hiệu nên sự thay thế đó không gây ra các vấn đề về tính chọn lọc của cảm biến. Hơn nữa các vật liệu vô cơ sẽ bền hơn và ổn định hơn enzyme POD nên khả năng sử dụng, vận hành sẽ thuận tiện hơn. Có hai kiểu thay thế enzyme PDO: (i) kiểu thứ nhất là sử dụng các vật liệu nano vừa thay thế hoạt tính của POD vừa có tính chất quang/điện để khi có H2O2 sẽ gây ra các phản ứng làm thay đổi tính chất quang/điện của các hạt nano này. Kiểu này sẽ hình thành nên loại cảm biến là không đánh dấu (label-free) hay không chỉ thị (reagentless), hoạt động của cảm biến kiểu này vẫn tuân theo nguyên lý của cảm biến kinh điển (hình I.1), tuy nhiên sẽ đơn giản hơn vì không cần dùng chỉ thị oxi hóa khử; (ii) kiểu thứ hai là thay POD bằng vật liệu nano vô cơ

nhƣng vẫn dùng các chỉ thị/cơ chất đƣợc gọi là kiểu phát hiện gián tiếp (indirect-detection mode). Cơ chế hoạt động loại này giống hệt nguyên lý trong cảm biến cholesterol kinh điển đã nêu ở hình I.1.

Hình 1.9. Cảm biến màu cholesterol sử dụng hạt nano vàng (lõi)/bạc (vỏ) thay thế enzyme POD [43].

Đặc trƣng cho kiểu thứ nhất, X. Zhang và các cộng sự [43] đã sử dụng hệ nano bạc/nano vàng (AuNPs@AgNPs) cấu trúc lõi vỏ để phát hiện cholesterol theo cơ chế so màu. Cơ chế đƣợc mô tả trên hình I.15.Theo đó, họ chế tạo ra các hạt nano vàng làm lõi sau đó bọc lớp vỏ bạc bên ngoài, tính chất của hạt này sẽ giống tính chất của nano bạc. Sử dụng enzyme ChOx để oxi hóa tạo ra H2O2, chất này sẽ ăn mòn lớp vỏ bạc làm hạt nano vàng lộ ra sẽ làm phổ UV-Vis thay đổi từ 1 pic của nano Ag ở khoảng 400 nm thành 2 pic (thêm 1 pic đặc trƣng của nano Au ở 550 nm) (hình chèn ở I.10a). Ngoài ra, màu sắc của dung dịch cũng thay đổi (hình I.8b), khi đó màu sắc của dung dịch chuyển từ màu vàng (của nano Ag) thành màu cam hoặc màu tím (của nano Au) tùy vào nồng độ của cholesterol.

Đối với kiểu thứ hai, đã có nhiều nghiên cứu đã thay thế enzyme peroxidase (POD) bằng các vật liệu có hoạt tính xúc tác tƣơng tự nhƣ enzyme HRP, các vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là các oxit kim loại chuyển tiếp nhƣ Co3O4[44]; Fe3O4[45-48], Prussian blue ( Fe7(CN)18 ) [49] hay các vật liệu trên cơ sở carbon nhƣ C60[50]. Các vật liệu tổ hợp trên cơ sở các oxit trên với các vật liệu nhƣ ống nano cacbon (CNTs), graphen/ graphen oxit nhƣ

Fe3O4/graphen [45, 46, 51], Fe2O3/graphene [51] để tăng cƣờng hoạt tính thông qua khả năng chuyển điện tích nhanh giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn, nhạy hơn. Thêm vào đó, việc thay thế enzyme HRP làm cho cảm biến có thời gian bảo quản đơn giản hơn và dài hơn (vì enzyme HRP sẽ bị mất hoạt tính khi gặp ánh sáng nên để sử dụng chúng cần thao tác trong điều kiện thiếu sáng..). Ngoài ra các kim loại quý và các vật liệu tổ hợp trên cơ sở các hạt nano kim loại này có hoạt tính xúc tác tƣơng tự nhƣ enzyme HRP cũng đã đƣợc nghiên cứu thay thế HRP trong phát hiện glucose nhƣ nano bạc (nanoAg)[52], nano platin (nano Pt) hay nano paladi (nano Pd) hay nano PtPd[53].

Chẳng hạn, Nirala và các cộng sự [54], đã chế tạo thành công và ứng dụng các hạt nano graphen kích thƣớc 2 -4 nm (GQDs) có hoạt tính xúc tác tƣơng tự nhƣ enzym HRP để chế tạo cảm biến so màu nhằm xác định nồng độ cholesterol. Nguyên lý hoạt động của cảm biến đƣợc mô tả trên hình 1.16. Hệ cảm biến sử dụng enzym đặc chủng cholesterol oxidase (ChOx) để oxi hóa cholesterol thành cholest-4-ene-3-one và H2O2, sau đó GQDs có nhiệm vụ xúc tác cho phản ứng giữa H2O2 và TMB (chất chỉ thị màu oxi hóa khử) để tạo ra sản phẩm nƣớc (H2O) và TMB dạng oxi hóa (TMBox) có màu xanh đặc trƣng. Đo cƣờng độ màu của TMBox sẽ cho biết nồng độ cholesterol trong mẫu. Cảm biến này có khả năng phát hiện cholesterol trong dải nồng độ từ 0,02 – 0, 6 mM với giới hạn phát hiện (LOD) là 0,06 mM.

Hình 1.70. Nguyên lý phát hiện cholesterol bằng phương pháp so màu sử dụng hạt graphen nano (GQDs) thay thế enzyme HRP[54]

1.4. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN

1.4.1. Vật liệu chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots-

GQDs)

Chấm graphene lƣợng tử hay chấm lƣợng tử cacbon (graphene quantum dots –GQDs hoặc hạt nano carbon -CQDs) là hạt nano carbon nhỏ (kích thƣớc nhỏ hơn 10 nm) với bề mặt đã thụ động hóa. GQDs đƣợc phát hiện đầu tiên bởi X. Xu và các cộng sự vào năm 2004[55] một cách vô tình khi chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng ngăn. Phát hiện này đã thu hút các nhà khoa học tiến hành các nghiên cứu sâu rộng để khai thác các tính chất phát huỳnh quang của GQDs. Nhiều tiến bộ đã đạt đƣợc trong quá trình tổng hợp, tính chất và ứng dụng của GQDs. GQDs là một loại cấu trúc mới của vật liệu nano carbon huỳnh quang (hình 1.17), GQDs có các thuộc tính hấp dẫn của sự ổn định cao, dẫn điện tốt, độc tính thấp, thân thiện với môi trƣờng, các tuyến đƣờng tổng hợp đơn giản cũng nhƣ tính chất quang học so sánh với các chấm lƣợng tử. Chấm lƣợng tử Carbon đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi đặc biệt là do tính chất phát xạ mạnh và khả năng phát huỳnh quang của chúng, cho phép các ứng dụng của chúng trong y sinh học, thiết bị quang điện tử, xúc tác, và cảm biến.

Hình 1.81. Sơ đồ cấu trúc của các vật liệu nano cacbon[56]

Tùy vào nguồn gốc tiền chất mà cấu trúc và thành phần của GQDs tạo thành sẽ khác nhau và điều đó cũng ảnh hƣởng lớn đến tính chất của chúng. Đáng chú ý là GQDs đã đƣợc ứng dụng trong cảm biến sinh học do khả năng phân tán cao trong nƣớc, khả năng có thể điều khiển trong chế tạo, không độc hại, độ ổn định quang tốt và khả năng tƣơng thích sinh học tuyệt vời. Các cảm biến sinh học dựa trên GQD có thể đƣợc sử dụng để theo dõi hình ảnh của các tế bào, glucose, pH, phát hiện ion thủy ngân, và axit nucleic[57].Ngoài ra, theo các công bố mới đây thì GQDs cũng có thể đƣợc sử dụng làm chất khử cho tổng hợp các hạt nano kim loại với độ phân tán tốt và ổn định cao. Trong luận văn này chúng tôi dùng GQDs làm chất khử để tổng hợp ra hạt nano bạc (AgNPs).

Hình 1.9. Hai nguyên lý trong tổng hợp GQDs

Nhiều phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất để tổng hợp GQDs (Cacbon chấm lƣợng tử) trong thập kỷ qua, có thể đƣợc phân loại thành phƣơng pháp tiếp cận "từ trên xuống dƣới" và "từ dƣới lên" và chúng có thể đƣợc điều chỉnh trong quá trình tổng hợp hoặc xử lý sau tổng hợp (hình 1.18). Cần phải chú ý đến 3 vấn đề trong việc tổng hợp GQD: (i) sự kết hợp cacbon trong suốt quá trình cacbon hóa, có thể tránh đƣợc bằng cách sử dụng quá trình tổng hợp điện hóa, hạn chế sự nhiệt phân hoặc những phƣơng pháp phân tán hóa học, (ii) kiểm soát kích thƣớc và tính đồng nhất, quan trọng trong nghiên cứu về cơ chế và tính đồng nhất và có thể đƣợc tối ƣu hóa thông qua quá trình xử lý sau tổng hợp, nhƣ điện di gel, ly tâm, thẩm tích và (iii) các tính chất bề mặt có vai

trò quan trọng đối với độ hòa tan và độ chọn lọc, có thể điều chỉnh trong quá trình tổng hợp hoặc xử lý sau tổng hợp. Chúng tôi sẽ thảo luận về các phƣơng pháp chính để tổng hợp GQDs, kiểm soát kích thƣớc thông qua nhiệt phân và biến tính GQDs, bao gồm chức năng hóa, doping (pha tạp) và nanohybrids (vật liệu lai ghép cấp độ nano). Tùy vào mục đích, nhu cầu mà phƣơng pháp tổng hợp có thể linh hoạt lựa chọn để tổng hợp GQD.

1.4.2. Vật liệu nano bạc (silver nanoparticles- AgNPs)

Hạt nano bạc (AgNPs) là các hạt bạc có kích thƣớc từ 1 nm đến 100 nm (hình 1.19). Do có diện tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn.

Hình 1. 13. (a) Dung dịch nano bạc (nano Ag); (b) Phổ UV-Vis của dung dịch nano Ag và (c) ảnh TEM của hạt nano Ag chế tạo được trong luận văn.

Do thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thƣờng đƣợc sử dụng để làm chất khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi… Có thể kể một vài sản phẩm chứa hạt nano bạc nhƣ: (i) Các dụng cụ chứa thực phẩm: Những đồ dùng bằng nhựa có pha thêm hạt nano bạc có tác dụng khử trùng. Qua kiểm tra cho thấy chúng có khả năng diệt 99.9% vi khuẩn; (ii) Đồ may mặc: hạt nano bạc đƣợc tẩm vào các loại sợi để diệt khuẩn và khử mùi; (iii) Các thiết bị điện tử: Điều hòa, tủ lạnh, máy giặt; (iv) Ứng dụng trong Y tế nhƣ khẩu trang nano bạc: Đƣợc thiết kế với 3-4 lớp gồm 2 lớp vải, một lớp vật liệu tẩm nano bạc và than hoạt tính ở giữa, loại khẩu trang này có khả năng diệt khuẩn, diệt virus, lọc không khí rất tốt. Lớp vải tẩm nano bạc có chức năng diệt vi khuẩn, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng khử mùi; (v) Sản

xuất thuốc chữa bệnh; (vi) Ứng dụng trong màng hô hấp: Đó là một tấm màng mỏng có thể cho khí và hơi nƣớc qua nhƣng không thể cho chất lỏng đi qua, có vô số những lỗ khí nhỏ tồn tại trong tấm film. Các hạt nano bạc gần đây đã đƣợc kết hợp với film polyolefin với đặc tính kháng khuẩn rất tốt và (vii) các sản phẩm tiêu dùng khác nhƣ các dung dịch xịt khử mùi cho tủ lạnh, cho giầy dép; nƣớc sục miệng; bàn chải đánh rắng…Ngoài ra, các hạt nano bạc có hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Hiện tƣợng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thƣớc hạt nano. Do các thuộc tính quang học của dung dịch chứa hạt nano phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc và nồng độ của hạt (hình 1.19a), nên ta có thể sử dụng UV-VIS để xác định các thuộc tính trên. Do hạt nano bạc có kích thƣớc nhỏ hơn 20 nm chỉ có một bề mặt plasmon duy nhất nên trong phổ UV-VIS của chúng chỉ xuất hiện 1 đỉnh duy nhất (hình 1.19b). Ngƣời ta xử dụng tính chất này để xác định hình dạng của hạt nano bạc. Trong nghiên cứu này chúng em sử dụng tính chất này của AgNPs và kết hợp với tính chất hóa học của bạc để phát triển nên cảm biến xác định nồng độ hydrogen peroxide và Cholesterol theo phƣơng pháp so màu[58-60].

1.5. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.

Việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị thử y tế (que thử, bộ kit thử…) phục vụ theo dõi, kiểm tra sức khỏe tại nhà có nhu cầu ngày càng lớn, chẳng hạn các cảm biến đo đƣờng huyết, để sớm phát hiện ra các bệnh tật nhằm chữa trị kịp thời cũng nhƣ để theo dõi sự ổn định của sức khỏe. Rộng hơn, nghiên cứu chế tạo các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, phát hiện nhanh, hàng loạt sẽ mang lại giá trị vô cùng to lớn trong xét nghiệm ở các bệnh viện. Đề tài sẽ bắt đầu từ việc chế tạo các vật liệu cấu trúc nano có hoạt tính phân hủy H2O2 và từ đó ứng dụng để chế tạo cảm biến sinh học phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) vì H2O2 là sản phẩm của quá trình phân hủy các phân tử nhỏ cần phát hiện nhƣ cholesterol…bởi các enzyme đặc hiệu tƣơng ứng (ChOx), cho nên phát triển các cảm biến H2O2 có độ nhạy cao, độ đặc hiệu lớn, nhanh, rẻ…cũng chính là một bƣớc quan trọng để tiến tới chế tạo các cảm biến nói

trên. Tiếp theo, trên cơ sở cảm biến H2O2 đề tài sẽ sử dụng để cấu trúc nên cảm biến phát hiện cholesterol. Nhƣ đã trình bày ở phần trên, cảm biến cholesterol cũng nhƣ cảm biến H2O2 có thể phát triển theo 2 hƣớng, cảm biến so màu (quang học) hoặc cảm biến điện hóa, cả 2 loại này về nguyên lý hoạt động và vận hành hoàn toàn giống nhau, chỉ khác tín hiệu đầu vào/ra là quang hay điện, chính vì vậy, để phát triển cảm biến có thể phát hiện hàng loạt (array), đề tài tập trung vào cảm biến quang học (theo phƣơng pháp so màu), so với cảm biến điện hóa để phát hiện hàng loạt thì cảm biến so màu đơn giản hơn về mặt chế tạo và chi phí cũng thấp hơn.Mục tiêu của đề tài là:

(1) Tổng hợp vật liệu chấm lƣợng tử cacbon (Carbon Quantum Dots –

GQDs).

(2) Vật liệu tổ hợp của chúng với hạt nano bạc (AgNPs/GQDs) có hoạt

tính xúc tác cho quá trình phân hủy H2O2 một cách nhanh chóng, triệt để.

(3) Sử dụng các vật liệu trên để thiết kế và chế tạo ra các cảm biến sinh

học nhằm phát hiện hydrogen peroxit (H2O2) và cholesterol.

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM

2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

2.1.1. Hóa chất, vật liệu

Các hóa chất dùng trong nghiên cứu này gồm:

Cholesterol oxidase (ChOx) (Sigma Aldrich-Đức);

- Axit xitric monohydrate (C6H8O7.H2O) (A.R, Trung Quốc); - Thio-ure (SC(NH2)2) (A.R, Trung Quốc); - Urea(CH4N2O)(A.R, Trung Quốc); - AgNO3 tinh thể (Sigma Aldrich -Đức).; - NaOH (A.R, Trung Quốc); - HCl (A.R, Trung Quốc); - Viên đệm PBS (Sigma Aldrich -Đức); - Glucose (C6H12O6) (A.R, Sigma Aldrich -Đức), - Saccarose( C12H22O11) - Axit Ascorbic( C6H12O6) (A.R, Sigma Aldrich -Đức), - Cholesterol (C27H46O) (A.R, Sigma Aldrich -Đức), - Axit Acetic (CH3COOH)(A.R, Trung Quốc); - Hydro peroxide (H2O2) dung dịch 30%(A.R, Trung Quốc); - - Nƣớc cất 1 lần đƣợc dùng để chế tạo vật liệu và pha chế các dung dịch.

2.1.2. Dụng cụ và thiết bị

- Máy ly tâm tốc độ cao Tommy (Nhật), (tốc độ tối đa 15.000 vòng/phút);

- Máy ly tâm mini Cubee (tốc độ tối da 4.000 vòng/phút);

-Bể điều nhiệt Laudra (Pháp);

-Tủ sấy có đặt lịch trình Memmert;

-Cân phân tích, cân kỹ thuật;

-Bếp từ gia nhiệt;

-Bình thủy nhiệt (autoclave);

- Bộ micro pipet ;

- Các dụng cụ thủy tinh khác nhƣ cốc, ống đong, bình tam giác…

2.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU CQDs VÀ AgNPs/GQDs

2.2.1. Chế tạo cacbon dots bằng phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-

up)

GQDs đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt theo quy trình đã

công bố trƣớc đây của nhóm[56]. Theo đó, 1 mmol axit xitric (0,21 g) và 0,18 g urê (3 mmol) hòa tan trong 5 ml nƣớc. Cho hỗn hợp trên vào autoclave và tiến hành gia nhiệt ở 160 oC trong vòng 8h. Làm nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng, sau đó ly tâm với tốc độ 10.000 vòng/phút trong vòng 30 phút để thu đƣợc chất rắn là bột nano cacbon (GQDs). Sấy khô ở 80 oC trong 10h để thu đƣợc GQDs ở dạng bột màu nâu đen, đem phân tán lại trong nƣớc cất thu đƣợc dung dịch GQDs.

2.2.2. Chế tạo vật liệu nano Ag/Cacbon dots (AgNPs/GQDs)

Quy trình tổng hợp tiến hành theo điều kiện tối ƣu trong công bố trƣớc

đây của nhóm[56], cụ thể: Dùng bình thủy tinh sạch để lấy 15 ml dung dịch gốc GQDs pha trong 500mL nƣớc cất ( đo pH=9, dung dịch GQDs có màu vàng nhạt). Tiếp theo dùng một bình thủy tinh sạch khác lấy lần lƣợt 300mL dung dịch GQDs thêm từ từ dung dịch CH3COOH 0,1 M đến pH = 7, sau đó thêm từ từ 50 ml dung dịch AgNO3 nồng độ 0,1 M, thêm tiếp 100mL nƣớc cất để thu đƣợc 450mL dung dịch khuấy đều dung dịch bằng máy khuấy từ. Để phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 900C trong máy ổn định nhiệt khoảng 2 giờ thì đƣợc kết tủa đen. Lấy bình ra để nguội ở nhiệt độ phòng sau đó đem ly tâm thu đƣợc AgNPs/GQDs. Rửa sạch bằng cồn, sấy khô ở nhiệt độ phòng thu đƣợc bột AgNPs/GQDs. Đem phân tán bột trong nƣớc cất thu đƣợc dung dịch AgNPs/GQDs màu đỏ đậm.

2.3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN H2O2 VÀ CHOLESTEROL

2.3.1. Chế tạo cảm biến phát hydrogen peroxide

Pha dung dịch H2O2 với các nồng độ khác nhau. Lấy 200 L dung dịch H2O2 đã chuẩn bị cho vào ống eppendorf loại 1,5ml. Sau đó, cho vào đó 1 mL

dung dịch AgNPs/GQDs, lắc trộn dung dịch trên máy vortex trong khoảng 10 giây rồi đem ống eppendorf ngâm vào bể ổn nhiệt ở 40oC trong vòng 45 phút. Lấy ống eppendorf ra, để nguội đến nhiệt độ phòng và đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm). Phần trăm chênh lệch độ hấp thụ quang ở 417nm ((A/A) của dung dịch có và không có mặt H2O2 đƣợc sử dụng làm tín hiệu của cảm biến để xác định nồng độ H2O2 trong mẫu theo công thức:

(II.1)

Trong đó: A =A0 - ACvới A0và AClần lƣợt là độ hấp thụ quang A ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm) của dung dịch AgNPs/GQDs trƣớc và sau khi có mặt H2O2 ở nồng độ C (mM).

Trên cơ sở thí nghiệm này, các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng đã đƣợc

khảo sát và tối ƣu, bao gồm:

(i) thời gian phản ứng;

(ii) yếu tố môi trƣờng (pH);

(iii) nhiệt độ phản ứng.

Để khảo sát độ chọn lọc của cảm biến, các phân tử khác đƣợc sử dụng thay thế dung dịch H2O2 nhƣ dung dịch glucose; axit ascorbic; saccarose và nƣớc cất. Quy trình thí nghiệm không có gì thay đổi nhƣ đã nêu ở trên.

2.3.2. Chế tạo cảm biến cholesterol

Trƣớc hết, 100 μL dung dịch cholesterol với các nồng độ khác nhau (từ 0,1 mM đến 2 mM) pha trong 75μL đệm PBS (pH=7) đƣợc lấy vào ống eppendorf, tiếp đó 25 μL dung dịch ChOx (nồng độ 2 mg.mL-1pha trong đệm PBS nồng độ 0.001 M) đƣợc thêm vào trong ống. Hỗn hợp đƣợc khuấy trộn bằng máy votex trong 30 giây, sau đó đem ủ trong bể ổn nhiệt ở 40 oC trong 1 giờ. Tiếp theo, 1 mL dung dịch AgNPs/GQDs đƣợc thêm vào ống, hỗn hợp đƣợc trộn đều rồi ủ trong bể ổn nhiệt ở 40 oC trong vòng 45 phút, sau đó lấy ra để nguội đến nhiệt độ phòng rồi chuyển vào cuvet để đo độ hấp thụ A ở bƣớc sóng 417nm. Phần trăm chênh lệch độ hấp thụ ở bƣớc sóng 417nm

(A/A) đƣợc dùng làm tín hiệu để xác định nồng độ cholesterol trong mẫu

theo công thức (2.1) tuy nhiên, với A =A0 - AC với A0 và AC lần lƣợt là độ hấp thụ quang A ở bƣớc sóng 417nm (OD425nm) của hỗn hợp chứa AgNPs/GQDs khi không có và có mặt cholesterol ở nồng độ C (mM).

2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU VÀ CẢM BIẾN

2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction-XRD )

Bản chất vật lý của tia X là bức xạ sóng điện từ vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tia X đƣợc truyền đi trong không gian với tốc độ ánh sáng và mang năng lƣợng từ 200eV đến 1 MeV và đƣợc xác định theo phƣơng trình:

E = hv = hc/λ (II.2)

Trong đó: v (Hz) là tần số của bức xạ tia X; λ (A0 ) là bƣớc sóng của bức xạ tia X; c là số tốc độ ánh sáng, c=3.108 m/s; h là hằng số Planck, h=6,62x10-34 J.s.

Cơ sở của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tƣợng nhiễu xạ của chùm tia X trên mạng lƣới tinh thể. Khi bức xạ tia X tƣơng tác với vật chất sẽ tạo hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, sẽ dẫn đến hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới tinh thể thì mạng lƣới này đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử hoặc ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử hoặc ion này đƣợc phân bố trên các mặt phẳng song song. Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ song song (d hkl ), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ) với bƣớc sóng (λ) đƣợc biểu thị bằng hệ phƣơng trình Vulf – Bragg (hình 2.1):

(II.3). 2d(hkl). sinθ = n.λ

Hình 2.1 Sơ đồ chùm tia tới và chùm tia nhiễu xạ trên tinh thể

Đây là phƣơng trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ (giá trị 2θ) có thể suy ra d theo công thức trên. So sánh giá trị d tìm đƣợc với giá trị d chuẩn sẽ xác định đƣợc cấu trúc mạng tinh thể chất cần nghiên cứu (hình 2.2). Thông qua giản đồ XRD ta cũng có thể tính đƣợc kích thƣớc trung bình của hạt theo phƣơng trình Scherrer:

(II.4)

Trong đó: λ là bƣớc sóng của tia X, trong phép đo này λ = 1,5406 A0; θ - góc nhiễu xạ Brag (độ); D: kích thƣớc hạt (nm); B=β1/2: độ rộng bán chiều

cao của đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh nhất (rad).

Hình 2.2 Độ tù của pic phản xạ gây ra do kích thước hạt

Hình 2.3 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X

Trong luận văn này các mẫu đƣợc đo XRD trên thiết bị đo D8 Advance

(Bruker) dùng bức xạ của CuKα, λ=1,5406 A0, khoảng quét 2θ = 1-700.

2.4.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM: Transmission Electron Microscope) đƣợc phát triển từ năm 1930 là công cụ kĩ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ƣu điểm nổi bật nhờ bƣớc sóng của chùm electron ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên nó có thể quan sát với kích thƣớc cỡ 0,2 nm. Ảnh thu đƣợc từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho ta hình dạng và kích thƣớc của hạt chất nghiên cứu. Các electron từ catot bằng dây Vonfram đốt nóng đi tới anot và đƣợc hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong chân không. Tác dụng của tia electron tới mẫu có thể tạo ra chùm electron thứ cấp, electron phản xạ, electron Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với đám mây electron truyền qua mẫu đƣợc khuếch đại và ghi lại ở dạng ảnh huỳnh quang hoặc ảnh kỹ thuật số.

Nhiễu xạ electron có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trƣng vật liệu. Chùm electron nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bƣớc sóng của chùm electron tới và khoảng cách mặt mạng trong

tinh thể, tuân theo định luật phản xạ Bragg nhƣ đối với nhiễu xạ tia X: 2dsin

= n, khác với nhiễu xạ tia X, do bƣớc sóng của chùm electron thƣờng rất

nhỏ nên ứng với các khoảng cách mặt mạng tinh thể thì góc nhiễu xạ rất bé, cỡ dƣới 0,010. Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu mà ảnh nhiễu xạ electron thƣờng là những vùng sáng tối gọi là trƣờng sáng - trƣờng tối. Vùng sáng là ảnh của vật liệu vô định hình còn vùng tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể.

Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua hiện đại

Trong luận văn này, ảnh TEM đƣợc chụp trên hệ JEOL TEM -J1010 có

điện thế từ 40 đến 100 kV, độ phóng đại từ 20-500k lần.

2.4.3. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

Phổ hồng ngoại FTIR (Fouier Tranfomation Ifra Red spectrum) đƣợc

dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu dựa vào các tần số đặc

trƣng trên phổ đồ của nhóm chức trong phân tử.

Trong phân tử luôn tồn tại các dao động đƣợc gọi là dao động phân tử. Các dao động này có thể là dao động hóa trị hoặc dao động biến dạng. Dao động phụ thuộc vào bản chất của liên kết trong phân tử. Khi các sóng điện tử của vùng hồng ngoại tác dụng lên hệ gồm những nguyên tử liên kết với nhau thì biên độ các dao động của liên kết sẽ tăng lên. Khi đó phân tử sẽ hấp phụ những tần số của bức xạ hồng ngoại có năng lƣợng tƣơng ứng với hiệu giữa các mức năng lƣợng dao động. Nhƣ vậy, khi mẫu nghiên cứu đƣợc chiếu tia

hồng ngoại có tần số lien tục thay đổi thì chỉ những tia có năng lƣợng (bƣớc sóng) xác định mới bị hấp thụ. Khi tiến hành phân tích bằng phổ FTIR, ta sẽ thu đƣợc phổ hấp thụ, dựa vào số sóng đặc trƣng của các nhóm chức, các liên kết có sẵn trong phổ đồ, so sánh với phổ đồ đƣợc ghi ta sẽ suy ra cấu trúc của chất nghiên cứu. Phƣơng pháp phân tích FTIR có thể ghi phổ của các mẫu rắn, lỏng hoặc khí. Để ghi phổ các hợp chất rắn ngƣời ta thêm muối halogenua của một kim loại kiềm (thƣờng dùng là kali bromua) lấy khoảng 1mg chất và 100 đến 200 mg KBr, trộn nghiền kỹ, sấy khô và ép dƣới áp suất cao. Khi đó sẽ thu đƣợc một viên nhỏ trong suốt, đƣờng kính khoảng 10mm, dày 1 đến 2 mm.Vì kali bromua không hấp thụ bức xạ trong vùng 1,5.10-4 m đến 2,5.10-4 m cho nên bằng phƣơng pháp này có thể chụp phổ toàn phần của mẫu chất.Trong luận văn này các mẫu đƣợc đo phổ FTIR trên máy Shimadzu.

Hình 2.5 Máy đo phổ hồng ngoại (FTIR)

2.4.4. Phổ hấp thụ electron (UV-Vis)

Đây là phƣơng pháp chính để định lƣợng nồng độ hạt nano bạc qua đó xác định nồng độ H2O2 và Cholesterol trong mẫu cần phân tích của luận văn này. Sự hấp thụ của phân tử trong vùng quang phổ tử ngoại và khả kiến (UV- Vis) phụ thuộc vào cấu trúc electron của phân tử. Sự hấp thụ năng lƣợng đƣợc lƣợng tử hóa và do các electron bị kích thích nhảy từ obitan có mức năng lƣợng thấp lên các obitan có mức năng lƣợng cao gây ra. Bƣớc chuyển năng lƣợng này tƣơng ứng với sự hấp thụ các tia sáng có bƣớc sóng λ khác nhau. Năng lƣợng liên kết đƣợc xác định bởi phƣơng trình sau:

E = h.ν = h.c/λ (II.5)

Trong đó: E là năng lƣợng (J), h là hằng số Planck (6,62x10-34 J.s), và

v là tần số (s-1), bƣớc sóng (λ, m) và tốc độ ánh sáng (c = 3.108, m.s-1).

Hình 2.6 Bước chuyển của các electron trong phân tử

Khi phân tử bị kích thích, các electron của các nguyên tử trong phân

tử thực hiện các bƣớc nhảy sau (hình 2.8):

Trong đó: n - obitan phân tử không kiên kết; π - obitan phân tử liên kết π; π * - obitan phân tử π phản liên kết; σ - obitan phân tử liên kết σ; σ * - obitan phân tử σ phản liên kết. Các electron khi bị kích thích bởi các bức xạ điện từ sẽ nhảy lên các obitan có mức năng lƣợng cao hơn, các bƣớc nhảy có thể là: σ → σ *, π → π*, n→ π*, n→ σ*, tùy vào năng lƣợng kích mà các electron thực hiện các bƣớc chuyển năng lƣợng khác nhau. Cơ sở của phƣơng pháp này là dựa vào định luật Lambert-Beer thể hiện bằng phƣơng trình:

(II.6)

Trong đó: A: độ hấp thụ ánh sáng (hấp thụ quang); I0, I: cƣờng độ bức xạ điện từ trƣớc và sau khi qua chất phân tích; ε: hệ số hấp thụ (L cm/mol); l: độ dày cuvet (cm); C: nồng độ chất phân tích (mol/L).

Phƣơng pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến UV-Vis đƣợc sử dụng

rất thuận lợi và phổ biến để phân tích các chất.

*Phương pháp đường chuẩn

Chuẩn bị một dãy các dung dịch chuẩn (thƣờng từ 5 – 7 dung dịch) có nồng độ tăng dần và biết trƣớc nồng độ C: C1, C2, C3… (trong khoảng tuân theo định luật Lamber – Beer). Thực hiện phản ứng với chất màu. Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch ở λmax, biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang A theo nồng độ dung dịch C và xây dựng đồ thị theo hệ tọa độ A – C gọi là đồ thị đƣờng chuẩn. Từ đồ thị đƣờng chuẩn tìm đƣợc phƣơng trình sau: Y = a.X + b (II.7)

Trong đó: y - Độ hấp thụ quang A; x - Nồng độ dung dịch. Sự tƣơng quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l = const là nội dung của định luật Lamber – Beer. Hệ số tƣơng quan R biến đổi trong khoảng -1 ≤ R ≤ 1. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999. Sau khi thiết lập phƣơng trình đƣờng chuẩn, đối với dung dịch mẫu ta tiến hành phản ứng màu với thuốc thử và đo đƣợc độ hấp thụ quang A của mẫu ở cùng điều kiện của mẫu chuẩn (Amẫu = y) ta có thể tính đƣợc nồng độ của mẫu cần xác định theo phƣơng trình sau:

(II.8)

Hình 2.7. Hệ đo UV–Vis Agilent 8453

Trong luận văn này, phổ UV-Vis đƣợc đo trên hệ UV–Vis Agilent

8453 tại Bộ môn hóa vô cơ, ĐH Bách Khoa Hà Nội (hình 2.9).

2.4.5. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)

Phổ tán xạ năng lƣợng tia X hay Phổ tán sắc năng lƣợng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật liệu rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X

phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm tia electron có năng lƣợng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thƣờng đƣợc viết tắt là EDX (hay EDS).

Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực hiện trong các kính hiển vi điện tử. Ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm electron có năng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm electron có năng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn, làm bật ra electron ở lớp K bên trong nguyên tử và tạo ra lỗ trống ở vị trí này. Sau đó, electron ở lớp ngoài có năng lƣợng cao hơn nhảy xuống lấp đầy lỗ trống và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng tia X. Các tia X này có bƣớc sóng đặc trƣng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.

Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích đƣợc thực hiện nhờ các chùm electron có năng lƣợng cao và đƣợc thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Các mẫu thanh nano trong luận văn đƣợc phân tích EDX nhờ thiết bị kính hiển vi điện tử quét có tích hợp hệ thống phân tích phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX) JEOL JSM-7600F (Nhật Bản) tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST).

2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU

Các đặc trƣng của cảm biến đƣợc xác định từ các số liệu thực nghiệm nhƣ: giới hạn phát hiện (Limit of Detection – LOD); Xác định sai số phép phân tích của cảm biến; độ nhạy tuân theo các quy tắc đã đề cập ở mục 1.1 và các số liệu thực nghiệm đƣợc xử lý theo phƣơng pháp thống kê toán học để tính toán các giá trị trên.

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU

3.1.1. Đặc trƣng chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots-

GQDs)

GQDs tổng hợp bằng phƣơng pháp thủy nhiệt có cơ chế phát triển từ dƣới lên (bottom-up), theo đó dƣới tác dụng của nhiệt độ thì các phân tử axit citric và urea phân hủy tạo ra các nguyên tử hoặc các cụm liên kết/mầm cacbon; sau đó các cụm liên kết/các mầm này kết hợp lại tạo ra các phân tử/cấu trúc và hình thành nên các tấm graphen siêu nhỏ (dƣới 10 nm) có mức năng lƣợng thấp hơn, liên kết bền hơn. Hình 3.1. mô tả cơ chế hình thành GQDs theo phƣơng pháp từ dƣới lên. Dung dịch GQDs thu đƣợc có màu đỏ sẫm (ảnh kỹ thuật số ở hình 3.1), đồng nhất, không có cặn kết tủa, không có muội cacbon tạo thành, phản ứng có hiệu suất lớn.

Hình 3.1. Sơ đồ mô tả sự hình thành hạt GQDs dots theo phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

Phổ UV-Vis của dung dịch GQDs trên hình 3.2A cho thấy hai đỉnh hấp thụ riêng biệt vào khoảng 221 và 288 nm, đƣợc cho là chuyển đổi π-π * của C = C và n- π * chuyển tiếp của C = O, tƣơng ứng. Phổ phát xạ huỳnh quang của GQD (hình 3.2B) cho thấy khi bị kích thích thì GQDs phát ra các ánh sáng với bƣớc sóng cỡ 530nm với cƣờng độ cực đại khi bị kích thích ở bƣớc sóng 360 nm (hình 3.2C). Theo hình ảnh TEM (hình 3.2D) hạt GQD tổng hợp đƣợc có hình dạng hình cầu, kích thƣớc đều, hầu nhƣ không bị kết tụ với phân bố kích thƣớc trong phạm vi 5 ± 2 nm. Ảnh TEM của mẫu GQDs rất mờ khó quan sát vì độ tƣơng phản của GQDs rất thấp, hơn nữa kích thƣớc rất nhỏ (cỡ 2-3 nm). Hình 3.2E cho thấy màu dung dịch GQDs pha loãng so với dung

dịch nƣớc cất ở điều kiện ánh sáng bình thƣờng và ánh sáng tím. Có thể thấy sự phát xạ ở ánh sáng màu xanh của dung dịch GQDs dƣới ánh sáng tím. Về cơ chế phát huỳnh quang (PL) của GQDs đƣợc gán cho một vài lý do sau đây: do hiệu ứng lƣợng tử, [3,21] khuyết tật và các trạng thái bề mặt[23], nhóm bề mặt, sự biến dạng bề mặt[3], sự phát quang với các mức độ khác nhau của π- liên hợp hoặc vị trí tái kết hợp các cặp lỗ điện tử nằm trong các cụm cacbon sp2 nhỏ nhúng trong một chất nền sp3[3]. Một nghiên cứu có hệ thống về cơ chế hình thành phổ PL của GQDs còn cho thấy khả năng phát quang phụ thuộc nhiều vào trạng thái cấu trúc và kích thƣớc của GQDs[61].

3.1.2. Đặc trƣng vật liệu AgNPs/GQDs

Hình 3.3 mô tả sơ đồ hình thành AgNPs/GQDs từ dung dịch AgNO3 và dung dịch GQDs, đính kèm là ảnh kỹ thuật số của dung dịch GQDs chứa AgNO3 trƣớc (GQDs) và sau khi phản ứng(ảnh ký hiệu AgNPs/CQDs). Màu dung dịch GQDs thay đổi là do các hạt nano bạc (AgNPs) đã đƣợc hình thành dƣới vai trò của GQDs là chất khử đồng thời là chất ổn định.

Hình 3.3. Sơ đồ mô tả sự tạo thành vật liệu AgNPs/GQDs

Phổ UV-vis (hình 3.4A, đƣờng ii) có mặt của pic hấp thụ đặc trƣng ở bƣớc sóng 419nm của hạt nano bạc (AgNPs) hình cầu có kích thƣớc bé (dƣới 50nm), cƣờng độ peak ở 419 nm mạnh chứng tỏ trong dung dịch AgNPs/GQDs đã hình thành các hạt AgNPs với nồng độ cao. Trong khi đó so với phổ UV-Vis của dung dịch GQDs (đƣờng i) thì peak ở 288nm của GQDs trong mẫu AgNPs/GQDs biến thành 1 bờ hấp thụ với cƣờng độ không cao, chứng tỏ nồng độ GQDs tự do đã giảm đáng kể. Vì trong dung dịch không bổ sung chất khử, hơn nữa dung dịch phản ứng có mặt NaOH với pH = 9, nhƣng khi cho AgNO3 vào không thấy kết tủa Ag2O xuất hiện, chứng tỏ các nhóm chức –NH- , -COOH, -CHO và -NH2 có mặt trên các hạt GQDs đã hấp phụ và khử ion Ag+ thành AgNPs bám xung quanh các hạt GQDs. Nhƣ vậy trong phản ứng này, GQDs vừa đóng vai trò là tác nhân khử đồng thời là chất ổn định cho các hạt nano bạc (AgNPs). Hình chèn trong hình 3.4A thể hiện màu sắc của dung dịch GQDs gần nhƣ trong suốt và AgNPs/GQDs có màu vàng đặc trƣng của AgNPs.

Phổ XRD của GQDs cho thấy dạng gần nhƣ vô định hình của GQDs (hình 3.4B, đƣờng a), với pic nhiễu xạ yếu tại 2θ = 270 đặc trƣng cho pic nhiễu xạ (002) dạng lớp của graphen. Vị trí và cƣờng độ pic nhiễu xạ này của GQDs thƣờng phụ thuộc rất lớn vào sự hiện diện của các nhóm hydroxyl, epoxy/ther, carbonyl và carboxylic những tác nhân có xu hƣớng gia tăng khoảng cách giữa các tấm cacbon[62].

Hình 3.4. (A) Phổ UV-Vis của (a) GQDs, và (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ XRD của (a) GQDs và (b) AgNPs/GQDs.

Đối với phổ nhiễu xạ XRD của mẫu AgNPs/GQDs (hình 3.4B, đƣờng b) cho thấy các pic đặc trƣng tại 2θ = 37,50, 43,10 và 64,80o trùng với pic nhiễu xạ của nano bạc (AgNPs) ((PCPDF card số 40783)[63] ứng với các chỉ số Miller là (111), (200) và (220). Không có pic lạ xuất hiện chứng tỏ AgNPs tạo thành trên nền GQDs là các tinh thể bạc đơn pha với các pic đặc trƣng của Ag. Trên phổ XRD của AgNPs/GQDs không quan sát thấy pic (002) của GQDs có lẽ do pic này quá yếu so với các pic của AgNPs. Kết hợp với phổ

UV-Vis chứng tỏ rằng phƣơng pháp đề xuất đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu lai tạo AgNPs/GQDs.

Ảnh TEM của AgNPs/GQDs (hình 3.5a và b) cho thấy các hạt GQDs to lên do đƣợc bồi đắp bởi AgNPs xung quanh, kích thƣớc trung bình cỡ 30- 40 nm, các hạt AgNPs/GQDs nằm rời rạc, không bị kết đám là do vai trò của GQDs ngăn cản chúng kết tụ lại, điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng và bảo quản dung dịch AgNPs/GQDs. Ảnh SEM (hình 3.5c) cho thấy kết quả thống nhất với ảnh TEM về kích thƣớc hạt AgNPs đƣợc hình thành. Ngoài ra, phổ DLS (hình 3.5d) cho thấy các hạt AgNPs hình thành đã bám vào các hạt GQDs tạo ra một vùng phân bố duy nhất với kích thƣớc tập trung cỡ 40 nm.

Hình 3. 5. (a,b) Ảnh TEM của AgNPs/GQDs; (c) ảnh SEM của sản phẩm AgNPs/GQDs;(d) Phân bố kích thước hạt phân tích theo phương pháp tán xạ laser (DLS) của mẫu AgNPs/GQDs)

Phổ EDX của GQDs cho thấy các nguyên tố C, O, N là ba thành phần chính của GQD (hình 3.6A, đƣờng a). Trong khi đó, phổ EDX của

AgNPs/GQDs (hình 3.4A, đƣờng b) cho thấy ngoài các pic đặc trƣng cho C, N, O nêu trên, chúng ta có thể quan sát thấy các đỉnh mới xuất hiện, tƣơng ứng với Ag. Phổ EDX cung cấp bằng chứng cho việc hình thành kim loại bạc trên nền GQDs: giá trị mức năng lƣợng ứng với các đỉnh ở 2,99 và 3,17 keV là do hình thành AgNP. Những kết quả này khẳng định rằng AgNPs đã đƣợc hình thành một cách có hiệu quả trên bề mặt GQDs. Hình 3.6B trình bày phổ FT-IR của GQDs (đƣờng a) và vật liệu lai tạo AgNPs/GQDs (đƣờng b). Kết quả cho thấy, trên phổ FT-IR của GQDs (đƣờng a) cho thấy các dải hấp thụ từ 3100 đến 3500 cm-1 thuộc các dao động υO-H và υN-H, đây là các nhóm chức quan trọng tạo thuận lợi cho tính ƣa nƣớc và ổn định của GQD. Các dải hấp thụ ở 1641 cm-1 đƣợc cho là υC=O, cho thấy rằng axit carboxylic có thể đƣợc sử dụng làm tâm liên kết với ion Ag+. Những kết quả trên chỉ ra rằng GQDs có nhiều amino (-NH2), cacboxyl (-COOH) và hydroxy (-OH) trên bề mặt và các cạnh của CQDs và chúng tạo ra khả năng ƣa nƣớc tuyệt vời của GQDs. So với phổ FT-IR của GQDs thì ở phổ của AgNPs/GQDs (đƣờng b) cho thấy dải hấp thụ của nhóm O-H ở 1064 cm-1. Kết quả này chỉ ra rằng Ag+ có thể đã đƣợc khử để tạo nên hạt AgNP bởi các nhóm O-H trên bề mặt của GQD và kết quả là các nhóm O-H đƣợc chuyển đổi thành các nhóm COOH sau phản ứng[59]. Các kết quả đã khẳng định việc chuẩn bị thành công các AgNP bằng các chấm lƣợng tử graphen (GQDs) làm chất khử và chất ổn định.

Hình 3.6. (A) Phổ FT-IR của: (a) chấm lượng tử graphen (GQDs) và (b) AgNPs/GQDs và (B) Phổ tán xạ năng lượng (EDX)

3.2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN HYDROGEN PEROXIDE TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AgNPs/GQDs

3.2.1. Khảo sát thời gian phản ứng và tìm hiểu cơ chế phản ứng

Hình 3. 7. (A) phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs/GQDs (a) trước và (b) sau khi

thêm 100 μM dung dịch H2O2; (B) Biến đổi A/A (%) theo thời gian.

) và (ii) phản ứng (i) làm AgNPs bị chuyển thành Ag+ tức

Ý tƣởng để chế tạo cảm biến là sử dụng các hạt AgNPs trong vật liệu lai AgNPs/CQDs vì 2 lý do: (i) AgNPs có tính chất hóa học là bị oxi hóa bởi H2O2 vì thế khử chuẩn của Ag+/Ag thấp hơn H2O2/H2O ( phổ plasmon của AgNPs trong dung dịch AgNPs/CQDs bị giảm dần theo nồng độ H2O2 có mặt nên đƣợc dùng làm tín hiệu hiển thị. Nhƣ vậy với việc dùng AgNPs chúng sẽ đóng cả vai trò là đầu dò để bắt cặp (capture probe) H2O2 vừa đóng vai trò là đầu dò tín hiệu (signal probe). Cảm biến loại này đƣợc gọi là loại trực tiếp (direct) và không đánh dấu (label-free). Nhƣ vậy cảm biến hydrogen peroxit đƣợc thiết kế dựa trên việc sử dụng dung dịch AgPNs/CGDs vừa có vai trò là đầu dò vừa có vai trò là chỉ thị để phát hiện H2O2.

Khi cho dung dịch H2O2 với nồng độ thấp vào dung dịch đầu dò (AgNPs/GQDs) thì màu vàng đặc trƣng cho AgNPs của dung dịch nhạt dần, có xu hƣớng chuyển sang màu hồng nhẹ. Nếu tăng nồng độ H2O2 thì dung dịch AgNPs/GQDs sẽ chuyển sang không màu. Điều đó chứng tỏ H2O2 đã phản ứng với hạt nano bạc. Nếu sự thay đổi A/A (%) càng lớn khi nồng độ H2O2 cho vào thấp chứng tỏ phản ứng càng nhạy, rất thích hợp để chế tạo cảm biến nhạy H2O2. Hình 3.7a là phổ UV-Vis của cảm biến với nồng độ H2O2 sử

dụng là 100 μM cho thấy cƣờng độ phổ UV-Vis của dung dịch AgNPs/GQDs giảm dần theo thời gian khi thêm H2O2. Ta thấy độ giảm mạnh của pic tại 425nm và độ giảm của pic này cần thời gian để kết thúc và hình 3.7b cho thấy

tín hiệu A/A (%) phụ thuộc vào thời gian và gần nhƣ không đổi sau 40 phút.

Nhƣ vậy khoảng thời gian cần thiết để phản ứng xảy ra là 40 phút sẽ đƣợc áp dụng cho các cảm biến H2O2.

Ảnh hƣởng của môi trƣờng (pH) lên hoạt động của cảm biến đã đƣợc

khảo sát trên tín hiệu đọc đƣợc của cảm biến (A/A (%) ) đã đƣợc nghiên cứu bằng cách phát hiện 100 μM H2O2 trong dung dịch pH = 3 đến pH = 11 (Hình 3.8) . Có thể thấy rằng cảm biến phát hiện H2O2 cho độ nhạy tốt nhất trong môi trƣờng trung tính (pH = 7). Trên hình 3.8a-3.8e cho thấy khi có mặt H2O2, ngoài sự giảm cƣờng độ pic thì còn quan sát đƣợc sự dịch chuyển của vị trí pic (max) về bƣớc sóng dài, tuy nhiên xu hƣớng này trùng với xu hƣớng của A/A(%) khi thay đổi pH (hình 3.8f), hơn nƣa sự thay đổi max cũng không lớn nên trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng A/A(%) làm tín hiệu

của cảm biến.

biến đổi tín hiệu max của cảm biến khi có mặt 100 µM H2O2 tại các pH khác nhau.

Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ (hình 3.9) cho thấy ở nhiệt độ 40 oC hiệu quả phản ứng thấp nhất, có lẽ do một phần H2O2 bị phân hủy; ở nhiệt độ thấp (10 oC) hiệu quả phản ứng tốt nhất nhƣng tốc độ chậm. Vậy nên nhiệt độ thích hợp là khoảng 20-30 oC.

Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả hiệu quả làm việc của cảm biến phát hiện H2O2. Nồng độ H2O2 sử dụng là 20, 40, 60, 80 và 100 µM. pH =7.

Hình 3.10.Cơ chế phản ứng của cảm biến phát hiện H2O2

Hình 3.10 trình bày nguyên lý của cảm biến, khi không có mặt của H2O2, phổ UV-Vis của dung dịch AgNPs/CQDs (hình 3.10, đƣờng a) có pic 425nm đặc trƣng của các hạt nano bạc (AgNPs). Khi thêm H2O2 vào trong dung dịch (hình 3.10, đƣờng b), pic đặc trƣng ở bƣớc sóng 425nm của hạt AgNPs bị giảm, cƣờng độ giảm phụ thuộc vào thời gian phản ứng và phụ thuộc vào nồng độ của H2O2. Sự suy giảm cƣờng độ của pic tại bƣớc song 425nm đƣợc sử dụng làm tín hiệu đo đƣợc tính ra phần trăm theo công thức (II.1). Cơ chế phát hiện H2O2 nhƣ đã trình bày là do quá trình "ăn mòn" AgNP bởi H2O2, điều này dẫn đến sự giảm đáng kể pic hấp thụ của AgNPs. Do đó, nồng độ Ag0 trong dung dịch AgNPs/GQDs giảm do AgNPs tan ra thành các ion Ag+khi H2O2 đƣợc thêm vào. Do đó, nồng độ H2O2 có thể đƣợc định lƣợng bằng cách giám sát giảm cộng hƣởng plasmon của AgNP tại 425 nm. Vì sự giảm nồng độ hạt nano Ag trong dung dịch nên bằng mắt thƣờng chúng ta cũng có thể quan sát đƣợc màu vàng của dung dịch (đặc trƣng của AgNPs) bị nhạt đi. Còn bằng phổ UV-Vis sẽ đo đƣợc cƣờng độ pic hấp thụ tại bƣớc sóng 425nm sẽ giảm từ đƣờng (b) về đƣờng (a) (hình 3.10). Màu vàng bị mất

trong = 0,8 V <

đi là do quá trình oxy hóa AgNPs bởi H2O2, nguyên nhân vì thế khử chuẩn của Ag+/Ag thấp hơn H2O2/H2O ( nƣớc ở pH ~ 7. Phƣơng trình phản ứng đƣợc mô tả bởi phản ứng (III.1):

(III.1)

Hình 3.11. Ảnh TEM của dung dịch AgNPs/GQDs (a,b) khi không có mặt H2O2 và (c,d) khi có mặt H2O2 với nồng độ 0,8 mM.

Cơ chế phản ứng đƣợc kiểm tra bằng ảnh TEM. Ảnh TEM trên hình 3.9 cho thấy so với trƣớc khi có mặt H2O2 (hình 3.11a và 3.11b) thì sau khi phản ứng với 0,8 mM H2O2 (hình 3.11c và 3.11d) các hạt AgNPs gần nhƣ biến mất với kích thƣớc hạt còn lại rất nhỏ cỡ 5-6 nm (tức to hơn hạt GQDs một chút), chứng tỏ AgNPs bị bào mòn gần hết. Ứng với nồng độ này thì phổ UV-Vis gần nhƣ biến mất pic của AgNPs và bằng mắt thƣờng thấy dung dịch gần nhƣ trong suốt. Kết quả này chứng tỏ cơ chế trên hình 3.10 mô tả chính xác các hiện tƣợng xảy ra khi cảm biến hoạt động.

3.2.2. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ hydrogen peroxide (H2O2)

Hình 3.12A trình bày phổ UV-Vis của cảm biến với nồng độ H2O2 có mặt trong mẫu khác nhau. Có thể thấy pic đặc trƣng của hạt AgNPs giảm xuống khi tăng nồng độ H2O2, mặt khác vị trí pic cũng bị dịch chuyển về vùng đỏ chứng tỏ tập hợp hạt hoặc hình dạng hạt bị thay đổi. Màu sắc của các dung dịch AgNPs/GQDs với sự có mặt của H2O2 với nồng độ khác nhau đƣợc thể hiện trong hình chèn của hình 3.12A.

Để xác định nồng độ H2O2 bằng cảm biến, chúng tôi xây dựng đƣờng chuẩn bằng cách thiết lập quan hệ giữa A/A (%) với nồng độ H2O2 trong mẫu. Kết quả thể hiện ở hình 3.14B. Đƣờng chuẩn tuyến tính thu đƣợc bằng

cách vẽ đồ thị quan hệ giữa A/A (%) hay max với nồng độ H2O2 biểu diễn ở dạng thập phân (hình 3.13a và 3.13b) và dạng logarit (hình 3.13c và 3.13d). Kết quả cho thấy đƣờng chuẩn có 2 vùng tuyến tính; vùng 1 ở nồng độ thấp từ 0 – 0,1 mM H2O2 với phƣơng trình tuyến tính nhƣ trên hình (R2 = 0,948) và vùng nồng độ cao từ 0,1 – 0,5 mM H2O2 (R2=0,955). Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến rất thấp cỡ 0,01 mM H2O2 ( 10 μM) cho thấy cảm biến có độ nhạy cao.

Độ chọn lọc của cảm biến H2O2 đƣợc khảo sát bởi các dung dịch không chứa H2O2 mà chứa các cấu tử nhƣ glucose nồng độ 0,5mM và 1 mM; axit ascorbic nồng độ 0,5 mM và 1 mM; galactose nồng độ 0,5mM. Kết quả phổ UV-Vis của cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 3.14 cho thấy sựa giảm không đáng kể của pic hấp thụ ở 425nm ở các mẫu glucose, galactose; axit ascorbic so với với mẫu trắng (1). Trong khi đó với mẫu có H2O2 thì có sự giảm rất mạnh ở pic hấp thụ ở 425nm. Kết quả trên chứng tỏ cảm biến có độ chọn lọc rất cao với H2O2. Độ đặc hiệu của cảm biến tính theo công thức I.2 là 100%.

3.2.3. Bộ kit xét nghiệm xác nồng độ hydrogen peroxide (H2O2)

Từ những kết quả khảo cứu đạt đƣợc nhƣ trên, chúng em tiến hành chế tạo bộ kit để xét nghiệm H2O2. Cấu trúc chung của bộ kit nhƣ trên hình 3.15. Cách sử dụng nhƣ sau: Dùng pipet lấy mẫu lấy dung dịch mẫu cho vào ống đong mẫu, lấy đủ 0,2 mL. Sau đó dùng ống hút hút 0,2 mL mẫu này cho vào 1 trong 2 ống đầu dò và lắc đều. Để 1 phút sau đem so sánh màu dung dịch trong ống với màu chuẩn in ở trên túi để biết nồng độ H2O2 trong mẫu là mức cao hay thấp. Bộ kit này dùng xét nghiệm rất nhanh nồng độ H2O2 trong các mẫu, đã áp dụng với các mẫu H2O2 mua ở các tiệm thuốc, H2O2 bảo quản lâu ngày, H2O2 trong sữa (phải ly tâm để loại bỏ cặn rắn) cho kết quả rất nhanh và chính xác mà không cần máy đo (quan sát bằng mắt thƣờng) theo bảng màu ở hình 3.16.

Hình 3.15. Thành phần của bộ kit xét nghiệm H2O2

Hình 3.16. Bảng màu chuẩn để đọc kết quả nồng độ H2O2 trong mẫu

3.3. CHẾ TẠO CẢM BIẾN CHOLESTEROL TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU AgNPs/GQDs

Trên cơ sở cảm biến H2O2 với độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt, chúng tôi thiết kế cảm biến phát hiện cholesterol nhƣ sau: bƣớc (i), cho ChOx vào mẫu chứa cholesterol, khi đó ở pH=7, nhiệt độ thích hợp là 37 0C sẽ xảy ra phản ứng:

→

(3.2)

Phản ứng (3.2) sẽ sinh ra H2O2, khi đó tiến hành bƣớc (ii) thêm AgNPs/GQDs vào hỗn hợp, thì khi đó AgNPs sẽ gặp H2O2 ở pH=7, rất thích hợp cho phản ứng (3.2) xảy ra. Khi đó, sự giảm của pic hấp thụ ở bƣớc sóng 417nm sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ Cholesterol có mặt trong mẫu.Cơ chế này

đƣợc minh họa trên hình 3.17 trong đó bƣớc 2 của cơ chế này đã đƣợc đƣa ra và chứng minh bằng phổ UV-Vis, ảnh TEM ở mục 3.2.1 và hình 3.10.

CQDs

Hình 3.17. Cơ chế hoạt động của cảm biến Cholesterol trên cơ sở AgNPs/CQDs

Cơ chế phản ứng đƣợc kiểm nghiệm bằng xem xét độ chọn lọc của cảm biến.Độ chọn lọc của cảm biến cholesterol đƣợc kiểm tra bằng cách tiến hành các thí nghiệm kiểm soát với sự có mặt của glucose, lactose, saccarose, axit ascobic và cholesterol ở nồng độ 1mM. Có thể thấy trong hình 3.18 sự giảm không đáng kể của mật dộ quang A ở bƣớc sóng 417nm (OD417nm) đƣợc nhìn thấy khi trong mẫu chứa glucose,lactose, saccarose và axit ascobic.Trong khi đó, nếu mẫu chứa cholesterol thì có độ giảm rất mạnh ở OD417nm.

Hình 3.18. Độ chọn lọc của cảm biến cholesterol: A) Phổ UV-Vis của cảm biến với sự có mặt của các sacarit khác nhau ở nồng độ 4 mM và (B) Độ thay

đổi tín hiệu cường độ pic A/A0 of ứng với các sacarit ở hình A. Hình chèn: màu sắc của các dung dịch cảm biến tương ứng.

Các giá trị A/A0 của cảm biến khi sử dụng các saccharide khác nhau ở nồng độ 1 mM đƣợc tóm tắt trong hình 3.18B. Có thể thấy rằng các giá trị

A/A0 (%) là 9,24 với sự có mặt của glucose; 16% cho lactose, 11,85% đối với saccarose, 19% đối với axit ascobic. Các giá trị này thấp hơn của dung

dịch có chứa cholesterol (A/A0 = 43,27%) ít nhất là 2,27 lần ở cùng một

nồng độ 1mM đã xét. Những kết quả này đã cho thấy cảm biến có độ chọn lọc rất tốt đối với cholesterol. Theo công thức II.1 thì độ đặc hiệu của cảm biến cholesterol này là 100%.

Hình 3.19A cho thấy phổ UV-Vis của các mẫu chứa nồng độ cholesterol khác nhau, khi nồng độ cholesterol tăng từ 0.1mM đến 2mM, mật độ quang học của dung dịch AgNP/GQDs ở 417 nm (OD417) giảm từ 0,61 xuống 0,31. Đƣờng chuẩn để phát hiện glucose đƣợc biểu diễn trong hình

3.19B cho thấy mối quan hệ A/A0(%) với nồng độ cholesterol trong mẫu theo phƣơng trình tuyến tính: A/A0(%) = 13,48xCCholesterol(mM) + 2,88 với R2 = 0,929. Giới hạn phát hiện (LOD) đƣợc ƣớc tính là 30 M dựa trên ba lần độ lệch chuẩn của các phép thử của mẫu trắng, kết quả này cho thấy độ nhạy của cảm biến có thể so sánh đƣợc với các báo cáo đã công bố (bảng 3.1).

Bảng 3. 1. So sánh các cảm biến cholesterol trên cơ sở phương pháp so màu

Hệ vật liệu/Enzyme Khoảng tuyến Giới hạn Tài liệu tham

tính phát hiện khảo

AgNPs/GQDs + ChOx 0,1 – 1,5 mM 0,09 mM Luận văn này

AuNPs@C/ChOx 0.21–2.08 mM 0.0025 mM [60]

Au@Ag core-shell/ChOx 0.3 to 300 μM 0.15 μM [38]

GQDs/ChOx 0,02 – 0, 6 mM 0,06 mM. [49]

GQDs + TMB + ChOx 0,02 – 0, 6 mM 0,06 mM [61]

AuNPs/ChOx 0,2 -100 mg/dL 19 mg/dL [62]

2 - 200 µM/L 0,76 µM/L [63] MoS2 nanosheets/ChOx

ZnO NPs/ CNTs/ChOx 2 nmol/L [64]

p(HEMA))/polypyrrole/ChOx 0.5-500 nM 0,5 – 15 mM 120 µM [65]

0.025–7.17mM 0.0064 mM [66] CuO NPs

Để kiểm nghiệm lại cơ chế phản ứng nhƣ đã đề xuất nhƣ trên hình 3.17, chúng tôi tiến hành phân tích ảnh TEM để kiểm chứng mẫu cholesterol + ChOx + AgNPs/GQDs (hình 3.20). So sánh với ảnh TEM của dung dịch AgNPs/GQDs ban đầu (hình 3.5a, b) thì ảnh TEM của cảm biến cholesterol với nồng độ 1 mM thể hiện trên hình 3.18 cho thấy kích thƣớc hạt AgNPs nhỏ đi rất nhiều, chỉ còn cỡ 6 - 7nm so với kích thƣớc ban đầu là 30 - 50 nm

tức kích thƣớc giảm  90%; . Kết quả chứng tỏ hạt nano Ag đã bị ăn mòn do H2O2 của phản ứng sinh hóa giữa ChOx với cholesterol, tức cơ chế đề xuất là hoàn toàn phù hợp. Kết quả cũng cho thấy so với ảnh TEM của AgNPs bị 0,8 mM H2O2 ăn mòn trên hình 3.11 thì kích thƣớc hạt AgNPs/GQDs còn sau khi phát hiện 1 mM cholesterol vẫn còn to hơn, chứng tỏ hiệu suất phản ứng ở bƣớc 1 trên cơ chế hình 3.17 không đạt 100%, điều đó cũng không có bất thƣờng vì có thể tổn thất H2O2 trong 2 giai đoạn phản ứng, ngoài ra hoạt tính enzyme ChOx cũng không thể đạt 100% hiệu suất.

Hình 3.20. Ảnh TEM mẫu AgNPs/GQDs sau khi phản ứng với hỗn hợp ChOx và 1 mM cholesterol ở thang đo (a) 100nm và (b) thang đo 20 nm.

Các kết quả trên đã chỉ ra rằng vật liệu cấu trúc nano AgNP/GQD đƣợc tổng hợp không chỉ có hiệu quả xúc tác giống các peroxidase mà còn cho thấy những lợi thế lớn về chi phí chế tạo thấp và sự ổn định hơn so với với các enzym peroxidase. Việc sử dụng AgNPs/GQDs tích hợp trong cảm biến xét nghiệm cholesterol mang lại rất nhiều ích lợi (1) loại bỏ enzyme HRP, khi đó cơ chế hoạt động của cảm biến cholesterol đơn giản hơn (vì enzyme HRP rất nhạy cảm với nhiệt độ, ánh sáng và pH; chúng rất dễ bất hoạt); (2) AgNPs đóng vai trò vừa là bộ phận chuyển đổi (transducer) nên không cần sử dụng chỉ thị TMB nhƣ trong xét nghiệm so màu truyền thống, bớt đi TMB thì chi phí chế tạo cũng giảm đáng kể và (3) giảm thời gian và thao tác trong xét nghiệm cholesterol.

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu, luận văn đã đạt đƣợc những kết quả sau đây:

1. Đã chế tạo thành công các chấm graphen lƣợng tử (GQDs) và đã khảo sát đƣợc các đặc tính cơ bản của chúng. Các chấm lƣợng tử cacbon này có nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghệ sinh học, công nghiệp điện tử và công nghệ vật liệu;

2. Đã chế tạo thành công vật liệu lai tạo nano Ag/nano cacbon (AgNPs/GQDs) và đã khảo sát các tính chất của chúng bằng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại nhƣ XRD, SEM/TEM, DLS, FT-IR, UV-Vis. Phƣơng pháp chế tạo đơn giản, sản phẩm có độ đồng đều cao do đó phƣơng pháp có triển vọng ứng dụng trong chế tạo nano Ag với quy mô lớn;

3. Đã ứng dụng thành công vật liệu để chế tạo cảm biến H2O2 theo phƣơng pháp so màu. Cảm biến có độ nhạy cao (500 nM), khoảng phát hiện rộng (0-50µM), độ chọn lọc cao.

4. Đã phát triển thành công bộ kit xét nghiệm H2O2 theo phƣơng pháp so màu. Bộ kit hoạt động nhạy và tốt trong môi trƣờng thực. Cách chế tạo và vận hành cảm biến đơn giản nên có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ y học, dƣợc học, an toàn thực phẩm…

5. Đã chế tạo thành công cảm biến sinh học cholesterol theo phƣơng pháp so màu. Cảm biến có độ chọn lọc cao, thời gian phát hiện ngắn (khoảng 40 phút). Với độ nhạy tốt (30 µM), khoảng phát hiện rộng (0,5 – 2 mM); cách chế tạo và vận hành cảm biến đơn giản nên có tiềm năng ứng dụng trong xét nghiệm cholesterol.

6. Một phần kết quả nghiên cứu đã công bố trong 01 bài báo trên tạp chí Hóa học (phụ lục). Các số liệu còn lại sẽ đƣợc biên tập và sẽ đƣợc công bố trong một công trình khác.

HƢỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN

Cảm biến cholesterol chế tạo cho thấy có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Tuy vậy, do hạn chế về mặt thời gian và trình độ, nên luận văn chƣa thể khảo sát nhiều hơn khả năng hoạt động của cảm biến để có những phát triển ứng dụng rộng lớn hơn. Vì vậy chúng tôi kiến nghị:

- Phát triển ứng dụng cảm biến trong xác định nồng độ cholesterol trong

mẫu máu ngƣời;

- Ứng dụng cảm biến trong xác định nồng độ cholesterol trong thực phẩm (trong các mẫu thịt, cá, trứng, sữa…) để phát triển ứng dụng trong kiểm soát cholesterol trong thực phẩm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. B. Nagel, H. Dellweg, and L. M. Gierasch, Glossary for chemists of terms used in biotechnology. IUPAC: Pure and Applied Chemistry, 1992. 64(1): 143–168.

2. Trần Thị Luyến, Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu. Luận án tiến sĩ, 2017. Trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội.

3. R. Malhotra, V. Patel, B. V. Chikkaveeraiah, B. S. Munge, S. C. Cheong, R. B. Zain, M. T. Abraham, D. K. Dey, J. S. Gutkind, and J. F. Rusling, Ultrasensitive detection of cancer biomarkers in the clinic by use of a nanostructured microfluidic array. Analytical Chemistry, 2012. 84(14): 6249-55.

4. M. Hervas, M. A. Lopez, and A. Escarpa, Simplified calibration and analysis on screen-printed disposable platforms for electrochemical magnetic bead-based immunosensing of zearalenone in baby food samples. Biosensors and Bioelectronics, 2010. 25(7): 1755-1760.

5. J. Haccoun, B. Piro, L. D .Tran, L. A. Dang, and M. C. Pham, Reagentless amperometric detection of l-lactate on an enzyme-modified conducting copolymer poly(5-hydroxy-1,4-naphthoquinone-co-5-hydroxy-3-thioacetic acid-1,4-naphthoquinone). Biosensors and Bioelectronics, 2004. 19(10): 1325-1329.

6. M. Gamero, F. Pariente, E. Lorenzo, and C. Alonso, Nanostructured rough gold electrodes for the development of lactate oxidase-based biosensors. Biosensors and Bioelectronics, 2010. 25(9): 2038-2044.

7. W. Putzbach and N. J. Ronkainen, Immobilization techniques in the fabrication of nanomaterial-based electrochemical biosensors. Sensors (Basel), 2013. 13(4): 4811-4840.

Immobilization of

8. S. Upadhyay, G. R. Rao, M. K.Sharma, B. K. Bhattacharya, V. K.Rao, and acetylcholineesterase-choline R.Vijayaraghavan, oxidase on a gold-platinum bimetallic nanoparticles modified glassy

carbon electrode for the sensitive detection of organophosphate pesticides, carbamates and nerve agents. Biosensors and Bioelectronics, 2009. 25(4): 832-8.

9. A. Hayat, L. Barthelmebs, and J. L. Marty, Enzyme-linked immunosensor based on super paramagnetic nanobeads for easy and rapid detection of okadaic acid. Analytica Chimica Acta, 2011. 690(2): 248-52.

10. D. Yu, B. Blankert, and J. M. Kauffmann, Development of amperometric horseradish peroxidase based biosensors for clozapine and for the screening of thiol compounds. Biosens. Bioelectron., 2007. 22(11): 2707- 2711.

11. C. Petit, K. Murakami, A. Erdem, E. Kilinc, G. O. Borondo, J. F. Liegeois, and J. M. Kauffmann, Horseradish Peroxidase Immobilized Electrode for Phenothiazine Analysis. Electroanalysis, 1998. 10(18): 1241- 1248.

12. M. A. A. Lomillo, J. M. Kauffmann, and M.J.A. Martinez, HRP-based biosensor for monitoring rifampicin. Biosensors and Bioelectronics, 2003. 18(9): 1165-1171.

13. A. G. Cabanillas, T. G. Diaz, F. Salinas, J. M. Ortiz, and J. M. Kauffmann, Differential Pulse Voltammetric Determination of Fenobucarb at the Glassy Carbon Electrode, After Its Alkaline Hydrolysis to a Phenolic Product. Electroanalysis, 1997. 9(12): 952-955.

14. K. Grennan, G. Strachan, A. J. Porter, A. J. Killard, and M. R. Smyth, Atrazine analysis using an amperometric immunosensor based on single- chain antibody regeneration-free multi-calibrant fragments and measurement. Anal. Chim. Acta, 2003. 500(1-2): 287-298.

15. G. K. Ahirwal and C. K. Mitra, Gold nanoparticles based sandwich electrochemical immunosensor. Biosensors and Bioelectronics, 2010. 25(9): 2016-20.

16. H. Yin, Y. Zhou, Z. Xu, M. Wang, and S. Ai, Ultrasensitive electrochemical immunoassay for DNA methyltransferase activity and

inhibitor screening based on methyl binding domain protein of MeCP2 and enzymatic signal amplification. Biosensors and Bioelectronics, 2013. 49C: 39-45.

17. B. Piro, Q. D. Zhang, S. Reisberg, V. Noel, L. A. Dang, H. T. Duc, and M. C. Pham, Direct and rapid electrochemical immunosensing system based on a conducting polymer. Talanta, 2010. 82(2): 608-612.

18. H. V. Tran, R. Yougnia, S. Reisberg, B. Piro, N. Serradji, T. D. Nguyen, L. D. Tran, C. Z. Dong, and M. C. Pham, A label-free electrochemical immunosensor for direct, signal-on and sensitive pesticide detection. Biosensors and Bioelectronics, 2012. 31(1): 62-68.

19. B. Piro, S. Reisberg, G. Anquetin, H. T. Duc, and M. C. Pham, Quinone- Based Polymers for Label-Free and Reagentless Electrochemical Immunosensors: Application to Proteins, Antibodies and Pesticides Detection. Biosensors, 2013. 3(1): 58-76.

20. B. S. Ferguson, S. F. Buchsbaum, J. S. Swensen, K. Hsieh, X. Lou, and H. Tom Soh, Integrated Microfluidic Electrochemical DNA Sensor. Analytical Chemistry, 2009. 81(15): 6503-6508.

21. H. Liu, S. Xu, Z. He, A. Deng, and J. J. Zhu, Supersandwich Cytosensor for Selective and Ultrasensitive Detection of Cancer Cells Using Aptamer- DNA Concatamer-Quantum Dots Probes. Analytical Chemistry, 2013. 85(6): 3385.

22. S. Reisberg, B. Piro, V. Noël, and M.C. Pham, DNA Electrochemical Sensor Based on Conducting Polymer: Dependence of the “Signal-On” Detection on the Probe Sequence Localization. Analytical Chemistry, 2005. 77(10): 3351-3356.

23. Q. D. Zhang, B. Piro, V. Noel, S. Reisberg, and M. C. Pham, Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes for Direct and Selective Electrochemical Detection of DNA. Analyst, 2011: 1023-1028.

24. L. Shi, Z. Chu, Y. Liu, W. Jin, and X. Chen, Facile synthesis of hierarchically aloe-like gold micro/nanostructures for ultrasensitive DNA recognition. Biosensors and Bioelectronics, 2013. 49: 184.

25. J. P. Tosar, G. Branas, and J. Laiz, Electrochemical DNA hybridization sensors applied to real and complex biological samples. Biosensors and Bioelectronics, 2010. 26(4): 1205-17.

26. A. Sassolas , B. D. Leca-Bouvier, and L. J. Blum, DNA Biosensors and

Microarrays. Chemical Reviews, 2008. 108: 109-139.

27. H. Zhang, F. Li, B. Dever, X. F. Li, and X. C. Le, DNA-Mediated Homogeneous Binding Assays for Nucleic Acids and Proteins. Chemical Reviews, 2013. 113(4): 2812-2841.

28. E. Palecek and M. Bartosik, Electrochemistry of nucleic acids. Chemical

Reviews, 2012. 112(6): 3427-81.

29. Y. Weizmann, D. M. Chenoweth, and T. M. Swager, DNA-CNT Nanowire Networks for DNA Detection. Journal of the American Chemical Society, 2011. 133: 3238-3241.

biosensor for

30. K. Y. Jo, J.E. Jones, L. Hao, Y. I. Helen, Z. Guolu, C.A. Carson, C. Michael, S. Michael, and Y. Qingsong, Three-dimensional (3-D) microfluidic-channel-based DNA ultra-sensitive electrochemical detection. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2013. 702: 72-78.

31. E. Pavlovic, Y. Lai Rebecca, T. T. Wu, B. S. Ferguson, R. Sun, K. W. Plaxco, and H. T. Soh, Microfluidic Device Architecture for Electrochemical Patterning and Detection of Multiple DNA Sequences. Langmuir, 2008. 24(3): 1102-1107.

32. K. I. Chen, B. R. Li, and Y. T. Chen, Silicon nanowire field-effect for biomedical diagnosis and cellular

transistor-based biosensors recording investigation. Nano Today, 2011. 6(2): 131-154.

33. T. N. Truong, D. L. Tran, T. H. Vu, V. H. Tran, T. Q. Duong, Q. K. Dinh, T. Tsukahara, Y. H. Lee, and J. S. Kim, Multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs)-doped polypyrrole DNA biosensor for label-free detection of genetically modified organisms by QCM and EIS. Talanta, 2010. 80(3): 1164.

34. Hoang Vinh Tran, Label-free Electrochemical Immunosensors with direct

detection. Ph.D Thesis, University Paris Diderot-Paris 7, 2013.

35. C. Moina and G. Ybarra, Fundamentals and Applications of Immunosensors, in Advances in Immunoassay Technology, N.H.L.C.a.T.K. Christopoulos, Editor. 2012, InTech: p. 65-80.

36. J. I. R. De Corcuera and R.P. Cavalieri, Encyclopedia of Agricultural,

Food, and Biological Engineering. 2003: Marcel Dekker, Inc.

37. J. -S. Lee, M. S. Han, and C. A. Mirkin, Colorimetric Detection of Mercuric Ion (Hg2+) in Aqueous Media using DNA-Functionalized Gold Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition, 2007. 46: 4093 -4096.

38. Đồng Huy Giới, Bùi Thị Thu Hƣơng, Phí Thị Cẩm Miện, Nguyễn Thị Thúy Hạnh, and Đỗ Đức Nam, Tạo cảm biến từ nano vàng và ADN chức năng để phát hiện nhanh ion thủy ngân trong nước, . Tạp chí KH Nông nghiệp Việt Nam, 2016. 14(3): 491-500.

39.http://www.rapidtest.com/index.php?i=Food-ELISA-

kits&id=640&cat=104.

40. https://www.imt.fr/en/biosensors-for-monitoring-herbicides-in-water/.

41. N. Joshi, K. Rawat, P. R Solanki, and H. B. Bohidar, Enzyme-free and biocompatible nanocomposite based cholesterol sensor. Biochemical Engineering Journal, 2015. 102: 69-73.

42. E. Priyadarshini and K. Rawat, Au@carbon dot nanoconjugates as a dual mode enzyme-free sensing platform for cholesterol Journal of Materials Chemistry B, 2017. 5: 5425-5432.

43. X. Zhang, M. Wei, B. Lv, Y. Liua, X. Liua, and W. Wei, Sensitive colorimetric detection of glucose and cholesterol by using Au@Ag core– shell nanoparticles. RSC Advances, 2016. 6: 35001-35007.

44. Q. Liu, R. Zhu, H. Du, H. Li, Y. Yang, Q. Jia, and B. Bian, Higher catalytic activity of porphyrin functionalized Co3O4 nanostructures for visual and colorimetric detection of H2O2 and glucose. Materials Science and Engineering: C, 2014. 43: 321-329.

of Fe3O4 nanospheres/reduced graphene

45. J. Qian, X. Yang, L. Jiang, C. Zhu, H. Mao, and K. Wang, Facile oxide preparation nanocomposites with high peroxidase-like activity for sensitive and selective colorimetric detection of acetylcholine. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014. 201: 160-166.

46. Y.-I. Dong, H. Zhang, Z. U. Rahman, L. Su, X. Chen, J. Hu, and X. G. Chen, Graphene oxide-Fe3O4 magnetic nanocomposites with peroxidase- like activity for colorimetric detection of glucose. Nanoscale, 2012. 4: 3969-3976.

47. Y. Wang, B. Zhou, S. Wu, K. Wang, and X. He, Colorimetric detection of hydrogen peroxide and glucose using the magnetic mesoporous silica nanoparticles. Talanta, 2015. 134: 712-717.

48. W. Lai, D. Tang, J. Zhuang, G. Chen, and H. Yang, Magnetic bead-based enzyme-chromogenic substrate system for ultrasensitive colorimetric immunoassay accompanying cascade reaction for enzymatic formation of squaric acid-iron(III) chelate. Analytical Chemistry, 2014. 86(10): 5061−5068.

49. W. Zhang, D. Ma, and J. Du, Prussian blue nanoparticles as peroxidase mimetics for sensitive colorimetric detection of hydrogen peroxide and glucose. Talanta, 2014. 120: 362-367.

50. R. Li, M. Zhen, M. Guan, D. Chen, G. Zhang, J. Ge, P. Gong, C. Wang, and C. Shu, A novel glucose colorimetric sensor based on intrinsic

peroxidase-like activity of C60-carboxyfullerenes. Biosensors and Bioelectronics, 2013. 47: 502-507.

51. Z. Xing, J. Tian, A. M. Asiri, A. H. Qusti, A. O. Al-Youbi, and X. Sun, Two-dimensional hybrid mesoporous Fe2O3-graphene nanostructures: A highly active and reusable peroxidase mimetic toward rapid, highly sensitive optical detection of glucose Biosensors and Bioelectronics, 2014: 452-457.

52. L. Wang, J. Zheng, Y. Li, S. Yang, C. Liu, Y. Xiao, J. Li, Z. Cao, and R. Yang, AgNP-DNA@GQDs Hybrid: New Approach for Sensitive Detection of H2O2 and Glucose via Simultaneous AgNP Etching and DNA Cleavage. Analytical Chemistry, 2014. 86(24): 12348-12354.

53. S. Ge, W. Liu, H. Liu, F. Liu, J. Yu, M. Yan, and J. Huang, Colorimetric detection of the flux of hydrogen peroxide released from living cells based on the high peroxidase-like catalytic performance of porous PtPd nanorods. Biosensors and Bioelectronics, 2015. 71: 456-462.

54. N. R. Nirana, S. Abraham, V. Kuman, A. Bansal, A. Srivastava, and P. S. Saxena, Colorimetric detection of cholesterol based on highly efficient peroxidase mimetic activity of graphene quantum dots. Sensors and Actuators B: Chemical, 2015. 218: Pages 42-50.

55. X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H. J. Ploehn, L. Gearheart, K. Raker, and W. A. Scrivens, Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single- Walled Carbon Nanotube Fragments. Journal of the American Chemical Society 2004. 126(40): 12736-12737.

56. A. P. Demchenko and M. O. Dekaliuk, Novel fluorescent carbonic nanomaterials for sensing and imaging. Methods and Applications in Fluorescence, 2013. 1: 042001 (17pp).

57. Y. Wang and A. Hu, Carbon quantum dots: synthesis, properties and applications, . Journal of Materials Chemistry C, 2014. 2: 6921-6939.

58. Hoang V. Tran, Chinh D. Huynh, Hanh V. Tran, and B. Piro, Cyclic impedance voltammetry, square wave voltammetry, electrochemical

spectroscopy and colorimetric method for hydrogen peroxide detection based on chitosan/silver nanocomposite. Arabian Journal of Chemistry, 2018. 11: 453–459.

59. N. D. Nguyen, T. V. Nguyen, A. D. Chu, H. V. Tran, L. T. Tran, and C. D. Huynh, A Label-free Colorimetric Sensor Based on Silver Nanoparticles Directed to Hydrogen Peroxide and Glucose. Arabian Journal of Chemistry, 2018. 11(7): 1134-1143.

60. C. Zong, B. Li, J. Wang, X. Liu, W. Zhao, Q. Zhang, X. Nie, and Y. Yu, Visual and colorimetric determination of H2O2 and glucose based on citrate-promoted H2O2 sculpturing of silver nanoparticles. Microchimica Acta, 2018. 185: Article 199.

61. M. J. Krysmann, A. Kelarakis, P. Dallas, and E.P. Giannelis, Formation Mechanism of Carbogenic Nanoparticles with Dual Photoluminescence Emission. J. Am. Chem. Soc., 2011. 134: 747.

62. H. Tetsuka, R. Asahi, A. Nagoya, K. Okamoto, I. Tajima, R. Ohta, and A. Okamoto, Optically Tunable Amino-Functionalized Graphene Quantum Dots. Advanced Materials, 2012. 24: 5333-5338.

63. R. Mamatha, K. Shadab, S. Pooja, S. Shruti, K. Shuchishweta, P. Asmita, D. Animesh, and C.P. Bhushan, Rapid synthesis of highly monodispersed silver nanoparticles from the leaves of Salvadora persica. Materials Letters, 2017. 205: 226-229.

64. T. Li, K. Zhu, S. He, X. Xia, s. Liu, Z. Wang, and X. Jiang, Sensitive detection of glucose based on gold nanoparticles assisted silver mirror reaction. Analyst, 2011. 136: 2893-2896.

65. N. R. Nirala, P. S. Saxena, and A. Srivastava, Colorimetric detection of cholesterol based on enzyme modified gold nanoparticles. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2018. 190: 506- 512.

66. T. Lin, L. Zhong, H. Chen, Z. Li, Z. Song, L. Guo, and F. Fu, A sensitive colorimetric assay for cholesterol based on the peroxidase-like activity of MoS2 nanosheets. Microchimica Acta, 2017. 184: 1233-1237.

67. A. Hayat, W. Haider, Y. Raza, and J. L. Marty, Colorimetric cholesterol sensor based on peroxidase like activity of zinc oxide nanoparticles incorporated carbon nanotubes. Talanta, 2015. 143: 157-161.

68. S. Brahim, D. Narinesingh, and A. Griseppi-Elie, Amperometric determination of cholesterol in serum using a biosensor of cholesterol oxidase contained within a polypyrrole–hydrogel membrane. Analytica Chimica Acta, 2001 448(1-2): Pages 27-36.

69. S. Xu, Y. Wang, D. Zhou, M. Kuang, D. Fang, W. Yang, S. Wei, and L. Ma, A novel chemiluminescence sensor for sensitive detection of cholesterol based on the peroxidase-like activity of copper nanoclusters. Scientific Reports, 2016. 6: Article number: 39157.

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Tạp chí Hóa học, T. 56, số 6E2 - 2018

MỤC LỤC TABLE OF CONTENTS

Trang

1 Tổng hợp và hoạt tính xúc tác quang của composit SnS2/g-C3N4.

Preparation and photocatalytic activity of SnS2/g-C3N4 composite.

Nguyễn Văn Kim, Nguyễn Thị Việt Nga, Nguyễn Thị Thanh Hương, Võ Viễn

2 Nghiên cứu tổng hợp và tính chất của hệ vật liệu nanocompozit xCoFe2O4/(1-x)TiO2-5%La, ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy chất màu hữu cơ trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Synthesis and properties of the nanocomposite xCoFe2O4/(1-x)TiO2-5%La, applied as a photocatalyst for organic dyes degradation under visible irradiation.

Đặng Thị Minh Huệ, Nguyễn Thị Tuyết Mai, Trần Văn Châu, Trần Thị Thu Huyền, Nguyễn Thị Lan, Trần Thị Luyến, Trần Vĩnh Hoàng, Huỳnh Đăng Chính

3 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của MnO2 pha tạp Cu phân tán trên chất mang bentonit đối với

phản ứng oxi hóa m-xylen.

Study on the catalytic performance of Cu-doped MnO2 dispersed on bentonite support in the oxidation of m-xylene.

Nguyễn Thị Mơ, Lê Minh Cầm

4 Nghiên cứu khả năng oxy hóa toluen của hệ xúc tác CoxCuyOz trên các loại chất mang khác

nhau.

Study on toluene oxidation over CoxCuyOz on different supports.

Ngô Quốc Khánh, Vũ Đức Thảo, Pham Thanh Trung, Lê Minh Thắng

5 Nghiên cứu hệ xúc tác Cu-Zn-Al cho quá trình hyđro hóa CO thành hỗn hợp ancol C1-C3

Investigation of Cu-Zn-Al catalysts for carbon monoxide hydrogenation to mixed alcohol C1-C3.

Nguyễn Thị Thu Hà, Nguyễn Thị Mơ, Lê Văn Khu, Lê Minh Cầm 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ pha tạp Mn4+ lên tính chất quang của vật liệu ZnAl2O4

chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa.

Effects of annealing temperature and doping concentration on the optical properties of ZnAl2O4:Mn4+ synthesized by Co-precipitation method.

Nguyễn Ngọc Sâm, Hà Thu Hường, Nguyễn Tư, Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Duy Hùng, Phạm Thành Huy, Đỗ Quang Trung

7 Nghiên cứu cấu trúc phức chất đa nhân mới của phối tử N’,N’,N’’’,N’’’-tetraetyl-N,N’’- pyriđin-2,6-đicacbonylbis(thioure) với hỗn hợp ion kim loại Zn(II) và Ba(II) bằng nhiễu xạ tia X đơn tinh thể.

X-Ray structural characterization of mixed metal complex of Zn(II) and Ba(II) and N',N',N''',N'''-tetraethyl-N,N''-pyridine-2,6-dicarbonylbis(thiourea) ligand.

Lê Cảnh Định, Nguyễn Hùng Huy

8 Chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phương pháp điện hóa kết hợp plasma lạnh ứng dụng hấp

25 Vật liệu khung cơ kim ứng dụng trong tổng hợp các hạt nano phát quang chuyển đổi ngược

128

Y2O3:Er3+,Yb3+. Applications of Metal Organic Framework for synthesis of Y2O3:Er3+,Yb3+ upconversion nanoparticles.

Lâm Thị Kiều Giang, Đinh Mạnh Tiến, Nguyễn Vũ, Lê Quốc Minh

133

26 Chế tạo và tính chất của vật liệu nano phát quang GdPO4:Dy bằng phản ứng nổ.

Preparation and characterization of GdPO4:Dy nanophosphors synthesized by combustion method.

Phạm Đức Roãn, Nguyễn Thị Huế, Thái Thị Diệu Hiền, Ngô Khắc Không Minh, Lâm Thị Kiều Giang, Nghiêm Thị Hà Liên, Phạm Anh Sơn, Nguyễn Vũ

137

27 Tổng hợp vật liệu xúc tác quang CdMoO4/GO/C3N4 bằng Phương pháp gián tiếp.

Synthesis of CdMoO4/GO/C3N4 photocatalytic material by indirect method.

Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Minh Quốc, Võ Thị Thanh Châu, Hoàng Văn Đức

28 Nghiên cứu chế tạo và cấu trúc màng mỏng ZnO pha tạp Sn tổng hợp từ pha ướt.

142

Study on fabrication and structure of Sn-doped ZnO thin films synthesized from wet phase.

Vũ Viết Doanh, Lê Hải Đăng, Trần Thị Phương, Trịnh Quang Thông

29 Nghiên cứu hàm lượng tối ưu của cấp phối tro trấu (RHA) trong sản xuất xi măng Portland

148

(PC) và xi măng Portland hỗn hợp (PCB).

Study on optimal content of rice husk ash (RHA) in the production of blended portland cement (PCB).

Tạ Ngọc Dũng, Huỳnh Đăng Chính, Trịnh Xuân Lan, Nguyễn Văn hoàn, Phạm Thanh Mai, Nguyễn Thị Tuyết Mai

30 c tính hấp phụ xanh metylen và photphat trong nước bằng vật liệu Fe/CTAB-Bentonite.

153

Sorption behavior of methylene blue and phosphate to Fe/CTAB-Bentonite from water.

Bùi Văn Thắng, Lê Tấn Tài, Trần Thị Xuân Mai

160

31 Tổng hợp, đ c điểm và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu nano Bi2(Zr-Ti)2O7.

Synthesis, characterization and photocatalytic activity of nano-crystalline Bi2(Zr-Ti)2O7.

Nguyễn Văn Hải, Đoàn Thị Hải

32 Tổng hợp hạt nano bạc theo phương pháp xanh và ứng dụng làm đầu dò đa chức năng trong

164

chế tạo cảm biến cholesterol theo phương pháp so màu.

A green method for synthesis of silver nanoparticles and its application as multifunctional probe for fabrication of colorimetric cholesterol biosensor.

Nguyễn Thị Ngọc Lan, Nguyễn Khắc Tuấn, Phạm Tuấn Khiêm, Nguyễn Đức Nguyên, Trần Vĩnh Hoàng, Huỳnh Đăng Chính, Trần Đại Lâm

170

33 Vật liệu Fe3O4/cacbon cấu trúc lõi vỏ có hoạt tính xúc tác tương tự peroxidase ứng dụng để

chế tạo cảm biến phát hiện H2O2 bằng phương pháp so màu.

Peroxidase-like of Fe3O4/carbon core-shell nanoparticles and its application to fabricate of colorimetric sensor for H2O2 detection.

Lưu Thị Đức Phương, Trần Vĩnh Hoàng

34 Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của phức chất Ni(II), Cu(II) và Zn(II) với phối tử

175

benzadehit 4-pyrrolidinyl thiosemicacbazon.

TẠP CHÍ HÓA HỌC

56(6E2) 164-169

THÁNG 12 NĂM 2018

Tổng hợp hạt nano bạc theo phương pháp xanh và ứng dụng làm đầu dò đa chức năng trong chế tạo cảm biến cholesterol theo phương pháp so màu

Nguyễn Thị Ngọc Lan1, Nguyễn Khắc Tuấn2, Phạm Tuấn Khiêm2, Nguyễn Đức Nguyên1, Trần Vĩnh Hoàng1*, Huỳnh Đăng Chính1, Trần Đại Lâm3 1Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, Hai Bà Trưng, Hà Nội 2Trường THPT Thăng Long, Hai Bà Trưng, Hà Nội 3Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Đến Tòa soạn 23-8-2018; Chấp nhận đăng 30-10-2018

Abstract

In this work, we report a “green method” for preparation of silver nanoparticles (AgNPs) using graphene quantum dots (GQDs) as reducing reagent and stabilizer (AgNPs/GQDs). Synthesized AgNPs/GQDs product was analysed using Ultraviolet–visible spectroscopy (UV-Vis), X-ray diffraction (XRD) and Scanning/Transmission electron microscopy (SEM/TEM) techiniques. Based on the redox reaction of silver (Ag0) in AgNPs/GQDs with H2O2, we found that a yellow solution of AgNPs/GQDs containing zero-silver (Ag0) was oxidized to silver ion (Ag+) as colorless solution. Therefore, a colorimetric sensor for H2O2 has been fabricated basing on the use of AgNPs/GQDs as capture probe and signal probe. Combining with cholesterol oxidase (ChOx), we have also constructed a cholesterol biosensor. The fabricated sensors performed excellent sensitivity and selectivity with high reproducibility for H2O2 and cholesterol detection.

Keywords. Graphene quantum dots (GQDs), silver nanoparticles (AgNPs), “green method”, cholesterol sensor,

tác nhân tấn công sự tồn tại hoặc làm biến dạng hình học các hạt AgNPs và bằng mắt thường cũng có thể quan sát được sự biến đổi này. Vì vậy thời gian gần đây có nhiều nghiên cứu ứng dụng các tính chất này để chế tạo cảm biến hóa học/sinh học.[6] Tuy nhiên để đáp ứng cho các ứng dụng này thì AgNPs yêu cầu có độ sạch cao trong mẫu không có dư lượng sản phẩm phụ hoặc các sản phẩm phụ không ảnh hưởng/tương tác với các chất trong hệ ứng dụng của AgNPs. Do đó các phương pháp truyền thống tổng hợp AgNPs tỏ ra bị hạn chế khi sản xuất nano bạc cho các ứng dụng này.

Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày phương pháp “xanh” để tổng hợp và ổn định dung dịch hệ nano bặc bằng các chấm lượng tử graphen (GQDs), và dùng AgNPs tổng hợp được để làm đầu dò cho chế tạo cảm biến hydrogen peroxit từ đó kết hợp với enzym cholesterol oxidase chế tạo thành công cảm biến cholesterol. 2. THỰC NGHIỆM

colorimetric detection, hydrogen peroxide (H2O2). 1. MỞ ĐẦU Cholesterol, phân tử steroid, là một thành phần quan trọng của màng tế bào động vật và là tiền chất của các chất sinh học trong tế bào. Do tính thiết yếu của nó đối với động vật, tất cả các tế bào đều có thể tổng hợp cholesterol từ các phân tử đơn giản hơn. Mặc dù đóng vai trò quan trọng trong các sinh vật, nhưng sự tích tụ nồng độ cholesterol cao lại liên quan rất chặt chẽ với các bệnh tim mạch; với người khỏe mạnh thì nồng độ cholesterol trong huyết thanh là dưới 200 mg/dL (5,2 mM). Vì vậy, xác định nồng độ cholesterol là một xét nghiệm rất quan trọng lĩnh vực như chẩn đoán lâm sàng và kiểm soát an toàn thực phẩm nên phương pháp phân tích yêu cầu phải nhạy và có độ chọn lọc cao.[1-4] Một loạt các phương pháp đã được phát triển để xét nghiệm cholesterol như huỳnh quang, điện hóa, tán xạ Raman bề mặt (SERS), phát quang hóa học, so màu và phát huỳnh quang.[1,5] Các hạt nano kim loại quý, đặc biệt là hạt nano bạc (AgNP), đã thu hút được sự chú ý đáng kể do đặc tính quang học độc đáo và đặc trưng của phổ plasmon bề mặt. Phổ này sẽ bị thay đổi khi có các

2.1. Hóa chất

164

TCHH, 56(6E2), 2018

Trần Vĩnh Hoàng và cộng s

2.5. Phương pháp phân tích Phổ UV-Vis được đo trên máy quang phổ Agilent 8453 với bước sóng từ 200 đến 1200 nm. Hình dạng và kích thước của vật liệu được quan sát bằng ảnh hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy-TEM) trên hệ JEM1010 - JEOL. Phổ nhiễu xạ tinh thể (XRD) được phân tích trên hệ D8 Advance - Bruker. Ảnh SEM phân tích trên hệ JEOL-7600F Scanning Electron Microscope.

Axit citric (C6H8O7.H2O); urea ((NH2)2CO); dung dịch ammoniac (NH3) 28 %; dung dịch axit acetic (CH3COOH) 99 %; axit ascorbic; saccarose; dung dịch hydrogen peroxide (H2O2) 30 % là các hóa chất tinh khiết (P.A). Phosphate buffered saline (PBS); cholesterol oxidase (ChOx) và cholesterol của hãng Sigma Aldrich. PBS pha trong nước cất theo quy trình nhà sản xuất, nồng dộ 100 mM; cholesterol pha trong cồn 98 %; các dung dịch này bảo quản ở 4 oC để tiến hành thí nghiệm. 2.2. Tổng hợp AgNPs bằng phương pháp “xanh” GQDs được tổng hợp theo báo cáo trước đây.[6] Lấy 100 µL dung dịch GQDs đem pha vào 3 ml nước cất, sau đó dùng NaOH 0,1 M để điều chỉnh pH dung dịch về pH9 rồi cho 20 μL dung dịch AgNO3 0,1 M vào dung dịch trên. Hỗn hợp sau đó được gia nhiệt đến 90 oC trong 3 giờ để khử Ag+ thành nano bạc (AgNPs); để nguội hỗn hợp đến nhiệt độ phòng thu được dung dịch chứa vật liệu nano bạc được bền hóa bởi chấm lượng tử graphen (AgNP/GQDs); bảo quản ở 4 oC để sử dụng. Dung dịch đầu dò được chuẩn bị bằng cách pha dung dịch AgNP/GQDs ở trên với nước cất theo tỷ lệ 1:10 (dung dịch có pH 7). 2.3. Chế tạo và tối ưu hóa điều kiện hoạt động cảm biến hydrogen peroxit 1 mL dung dịch đầu dò cho vào ống eppendorf. Sau đó, 200 L dung dịch H2O2 được cho vào, lắc đều bằng máy vortex, sau đó đem ủ ở 30 oC trong 40 phút. Để hỗn hợp về nhiệt độ phòng và đo phổ hấp thụ UV-Vis. So sánh sự thay đổi cường độ của pic hấp thụ ở bước sóng 419 nm trước và sau khi có mặt H2O2 để lập ra đường chuẩn của cảm biến, là đường thẳng quan hệ giữa [H2O2] với A/A0 (%). Trong đó:

A/A (%) = 100*(A0 - AC)/A0 (1)

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng của vật liệu AgNPs/GQDs Phổ UV-Vis của GQDs (hình 1a, đường i) cho thấy một đỉnh ở 288 nm và một bờ hấp thụ ở bước sóng 221 nm do chuyển đổi π-π* của C = C và n-π* của C = O trong GQDs. Với mẫu AgNPs/GQDs (đường ii) có pic mới ở 419 nm đặc trưng của AgNPs dạng hình cầu. Trong mẫu AgNPs/GQDs pic đặc trưng cho GQDs ở 288 nm biến mất, chuyển thành một bờ phụ ở cùng bước sóng; chứng tỏ đã hình thành hạt AgNPs với nồng độ cao (cường độ pic mạnh) còn GQDs tự do giảm nồng độ. Hình chèn (1a) thể hiện dung dịch GQDs gần như trong suốt còn AgNPs/GQDs có màu vàng đặc trưng của AgNPs. Phổ XRD của GQDs (hình chèn ở 1b) cho thấy dạng gần như vô định hình của GQDs, với pic nhiễu xạ yếu tại 2θ = 270 đặc trưng cho pic nhiễu xạ (002) của các lớp trong chấm lượng tử graphen.[7] Phổ XRD của AgNPs/GQDs (hình chèn 1c) cho thấy các pic đặc trưng tại 2θ = 37,50, 43,10 và 64,800 ứng với các chỉ số Miller (111), (200) và (220) của AgNPs.[8] Ảnh TEM (hình 1b) cho thấy các hạt GQDs có kích thước rất nhỏ, 5-6 nm, tồn tại độc lập; trong khi đó ảnh TEM của AgNPs/GQDs cho thấy các hạt AgNPs cỡ 20-50 nm (hình 1c), không còn các hạt dưới 10 nm tự do đặc trưng của GQDs. Ảnh SEM của mẫu AgNPs/QGDs cho thấy kích thước hạt 20- 50 nm là phổ biến, không thấy các hạt < 10 nm. Những kết quả này khẳng định rằng AgNPs đã được hình thành một cách có hiệu quả, hạt AgNPs được tạo thành khá đồng đều; không còn GQDs tự do; chứng tỏ GQDs tham gia khử Ag+ thành Ag0 (dạng AgNPs) và sau đó GQDs tham gia vào cấu trúc/bám lên bề mặt của hạt AgNPs, bảo vệ và làm bền cho hệ AgNPs.[6]

3.2. Cảm biến H2O2 từ vật liệu AgNPs/GQDs

3.2.1. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Khi cho dung dịch H2O2 với nồng độ thấp vào dung

Với A0 và AC là cường độ pic hấp thụ ở bước sóng 419 nm của dung dịch AgNPs/GQDs trước và sau khi thêm H2O2. 2.4. Chế tạo cảm biến cholesterol Lấy 100 μL dung dịch cholesterol vào ống eppendorfs, thêm vào 100 μL dung dịch ChOx (0,5 mg.mL-1 trong đệm PBS). Hỗn hợp được khuấy đều và để phản ứng ở 37 oC trong vòng 30 phút. Sau đó thêm 1 mL dung dịch đầu dò vào ống. Hỗn hợp sau đó khuấy và để phản ứng ở 30 oC trong vòng 40 phút. Sau đó hỗn hợp chuyển sang cuvet để đo mật độ quang ở 419 nm.

165

TCHH, 56(6E2), 2018

Tổng hợp hạt nano bạc theo...

dịch đầu dò (AgNPs/GQDs) thì màu vàng đặc trưng cho AgNPs của dung dịch nhạt dần, có xu hướng chuyển sang màu hồng nhẹ. Nếu tăng nồng độ H2O2 thì dung dịch AgNPs/GQDs sẽ chuyển sang không màu. Điều đó chứng tỏ H2O2 đã phản ứng với hạt nano bạc. Nếu sự thay đổi A/A (%) càng lớn khi nồng độ H2O2 cho vào thấp chứng tỏ phản ứng càng nhạy, rất thích hợp để chế tạo cảm biến nhạy H2O2. Ở hình 1a và 1b cho thấy phản ứng xảy ra rất nhanh trong khoảng 15 phút đầu, sau đó chậm lại và kết thúc sau khoảng 40 phút. Ở nhiệt độ cao 40 oC hiệu quả phản ứng thấp nhất (hình 1c), có lẽ do một phần H2O2 bị phân hủy; ở nhiệt độ thấp (10 oC) hiệu quả phản ứng tốt nhất nhưng tốc độ chậm. Vậy nên nhiệt độ thích hợp là khoảng 20-30 oC. Ảnh hưởng của pH

đến khả năng hiển thị nồng độ H2O2 của cảm biến cũng đã được khảo sát (hình 2). Ở giá trị pH 7 thì sự thay đổi A/A (%) đạt hơn 45 % đối với nồng độ 100 μM H2O2, cao hơn nhiều so với vùng axit hoặc kiềm. Các kết quả chỉ ra pH thích hợp nhất là pH 7; rất phù hợp cho các ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học vì các hệ phản ứng sinh lý, sinh hóa thường ở pH 7. Trên hình 3a-3f cho thấy khi có mặt H2O2, ngoài sự giảm cường độ pic thì còn quan sát được sự dịch chuyển của vị trí pic (max) về bước sóng dài, tuy nhiên xu hướng này trùng với xu hướng của A/A(%) khi thay đổi pH (hình 3f), hơn nưa sự thay đổi max cũng không lớn nên trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng A/A(%) làm tín hiệu của cảm biến.

Hình 1: (a) Phổ UV-Vis của (i) dung dịch GQDs, (ii) AgNPs/GQDs; (hình chèn: màu sắc của hai dung dịch tương ứng); (b) ảnh TEM của GQDs (hình chèn: phổ XRD của GQDs); (c và d) lần lượt là ảnh TEM và SEM của AgNPs/GQDs (hình chèn c: phổ XRD của AgNPs/GQDs)

Hình 2: (a) Phổ UV-Vis của AgNPs/GQDs khi có mặt 100 μM H2O2 với thời gian phản ứng khác nhau; (b) Biến đổi A/A(%) theo thời gian phản ứng từ (a) (hình chèn: cơ chế AgNPs/GQDs bị ăn mòn thông qua phản ứng với H2O2) và (c) A/A(%) khi có mặt H2O2 với nồng độ khác nhau ở các nhiệt độ từ 10-40 oC

166

TCHH, 56(6E2), 2018

Trần Vĩnh Hoàng và cộng s

Hình 3: Phổ UV-vis của dung dịch AgNPs/GQDs trước (đường i) và sau khi phản ứng (đường ii) với 100 µM H2O2 ở: (a) pH = 3; (b) pH = 4; (c) pH = 7; (d) pH = 9; (e) pH = 11; và (f) tập hợp kết quả tín hiệu A/A0 (%) và tín hiệu max của cảm biến khi có mặt 100 µM H2O2 tại các pH khác nhau

Do thế khử chuẩn của Ag+/Ag (

= 0,8 V) thấp hơn H2O2/H2O ( tại pH7 nên ở dạng nano, AgNPs trong AgNPs/QGDs là Ag0 nên chúng dễ dàng bị H2O2 "ăn mòn" theo (1):

(2) Phản ứng (2) diễn ra sẽ chuyển hạt nano bạc

trong dung dịch với màu vàng đặc trưng và pic hấp thụ ở 419 nm thành ion bạc (Ag+) không màu, không có pic hấp thụ đặc trưng nên bằng mắt thường sẽ thấy dung dịch nhạt màu dần; bằng phổ UV-Vis ta sẽ thấy pic hấp thụ giảm dần (tức A/A% tăng dần) theo nồng độ H2O2 có mặt trong mẫu như kết qủa thu được ở hình 1, từ đó cơ chế của phản ứng mô tả ở hình chèn ở hình 2b.

Hình 4: (a) Phổ UV-Vis của dung dịch cảm biến khi có mặt: (a) mẫu trắng; (b) có 0,5 mM glucose; (c) 0,5 mM axit ascorbic; (d) 0,5 mM H2O2 và (e) 0,5 mM saccarose; (b) A/A0 (%) của các mẫu ở hình a

Để kiểm chứng lại cơ chế (hình 2b, hình chèn), chúng tôi khảo sát độ chọn lọc và độ đặc hiệu của cảm biến H2O2. Kết quả trên hình 4a cho thấy độ giảm không đáng kể của pic hấp thụ ở 419 nm ở các mẫu glucose, saccarose và axit ascorbic so với với mẫu trắng (mẫu nước cất). Trong khi đó với mẫu có

H2O2 thì có sự giảm rất mạnh ở pic hấp thụ ở 419 nm. Kết quả tính toán (hình 4b) cho thấy tín hiệu dương tính (mẫu H2O2) cao gấp hơn 10 lần tín hiệu âm tính (mẫu không phải là H2O2), trong khi yêu cầu chỉ là 3 lần; chứng tỏ cảm biến có độ chọn lọc rất cao với H2O2. Độ đặc hiệu của cảm biến là 100 %.

167

TCHH, 56(6E2), 2018

Tổng hợp hạt nano bạc theo...

3.2.2. Đường chuẩn xác định nồng độ hydrogen peroxide (H2O2)

Từ những kết quả trên cho thấy AgNPs/GQDs có thể được sử dụng như là đầu dò đa chức năng để chế tạo cảm biến H2O2 hoạt động theo nguyên lý so màu. Theo đó, AgNPs/GQDs có thể đóng vai trò (i) làm đầu dò nhận biết vì AgNPs có phản ứng với tác nhân cần phát hiện (H2O2) theo phản ứng (2) và (ii) chức năng đầu dò tín hiệu vì khi phản ứng (2) xảy ra sẽ kèm theo hiện tượng giảm cường độ pic hấp thụ trên phổ UV-Vis. Như vậy, cường độ pic hấp thụ tại bước sóng 419 nm sẽ giảm từ đường ban đầu khi chưa có H2O2 (đường màu đen) so với có H2O2 (đường màu đỏ), tính ra %A/A ứng với các nồng độ H2O2 thêm vào ta sẽ thu được đường chuẩn.

Hình 5A cho thấy pic đặc trưng của AgNPs giảm xuống khi tăng nồng độ H2O2, mặt khác vị trí pic cũng bị dịch chuyển về vùng đỏ chứng tỏ tập hợp hạt hoặc hình dạng hạt bị thay đổi. Để xác định nồng độ H2O2, đường chuẩn thể hiện quan hệ giữa A/A (%) với nồng độ H2O2 trong mẫu cho kết quả trên hình 5B cho thấy có 2 vùng tuyến tính; vùng 1 ở nồng độ thấp từ 0-0,1 mM H2O2 với phương trình tuyến tính như trên hình (R2 = 0,948) và vùng nồng độ cao từ 0,1-0,5 mM H2O2 (R2 = 0,955). Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến rất thấp cỡ 0,01 mM H2O2 ( 10 μM) cho thấy cảm biến có độ nhạy cao.

Hình 5: (A) Phổ UV-Vis của cảm biến với nồng độ H2O2 có mặt trong mẫu khác nhau (hình chèn: màu sắc của từng dung dịch trên phổ) và (B) Đường chuẩn quan hệ giữa A/A (%) với nồng độ H2O2 trong mẫu

3.3. Cảm biến sinh học chloesterol Trên cơ sở độ nhạy cao và độ chọn lọc cao của phản ứng (2), cảm biến H2O2 chế tạo có độ nhạy rất tốt vì thế hoàn toàn có thể ứng dụng để chế tạo cảm biến sinh học. Ở đây, chúng tôi sử dụng enzyme cholesterol oxidase là enzyme đặc hiệu có chức năng oxi hóa chọn lọc cholesterol thành cholest-4-en-3- one và giải phóng H2O2 theo phản ứng (3):

cho thấy khi chỉ có mặt ChOx hoặc chỉ có mặt cholesterol thì pic ở 419 nm không thay đổi cường độ và vị trí. Khi có mặt ChOx với các cơ chất khác như glucose, saccarose hay axit ascorbic thì pic này vẫn không thay đổi chứng tỏ cảm biến cholesterol có độ nhạy rất tốt. Độ đặc hiệu đạt 100 %. Phổ UV-Vis của cảm biến khi có mặt ChOx với nồng độ cholesterol đưa vào khác nhau thể hiện trên hình 6A. Kết quả trên hình 6A cho thấy khi tăng nồng độ cholesterol thì cường độ pic giảm dần và có sự giảm đột ngột nếu nồng độ cao từ 2 mM trở lên. Đường chuẩn (hình 6B) cho thấy khoảng tuyến tính từ 0,1 mM đến 1,5 mM với giới hạn phát hiện cỡ 90 μM hoàn toàn đáp ứng được khoảng nồng độ cholesterol trong mẫu thực (từ 5 mM trở lên), thậm chí là mẫu pha loãng. 4. KẾT LUẬN Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử graphen (GQDs) làm chất khử/chất ổn định để chế tạo dung dịch nano Ag theo

Khi đó lượng H2O2 được giải phóng tỷ lệ thuận với nồng độ cholesterol có trong mẫu, với H2O2 giải phóng ra sẽ được cảm biến thu nhận như trên đã trình bày, do đó qua sự biến đổi A/A0 (%) khi có mặt ChOx và cholesterol ta sẽ biết được nồng độ cholesterol trong mẫu. Các kết quả khảo sát sơ bộ

168

TCHH, 56(6E2), 2018

Trần Vĩnh Hoàng và cộng s

Hình 6: (A) Phổ UV-Vis của cảm biến cholesterol với nồng độ cholesterol khác nhau (hình chèn: màu sắc của các dung dịch cảm biến tương tứng); (B) Đường chuẩn xác định nồng độ glucose trong dung dịch

2. X. Zhang et al. Sensitive colorimetric detection of glucose and cholesterol by using Au@Ag core–shell nanoparticles. RSC Adv., 2016, 6, 35001-35007. 3. J. Li et al. Label-free colorimetric detection of trace cholesterol based on molecularly imprinted photonic hydrogels, J. Mater. Chem., 2011, 21, 19267-19274.

4. N. R. Nirala et al. Colorimetric detection of cholesterol based on highly efficient peroxidase mimetic activity of graphene quantum dots, Sens. Actuators B Chem., 2015, 218, 42-50.

5. W. M. Sperry, F. C. Brand. The colorimetric determination of cholesterol, J. Biol. Chem., 1943, 150, 315-324.

6. N. D. Nguyen et al. A Label-free Colorimetric Sensor Based on Silver Nanoparticles Directed to Hydrogen Peroxide and Glucose, Arab. J. Chem., 2018, In Press, p. DOI: 10.1016/j.arabjc.2017.12.035.

7. H. Tetsuka et al. Optically Tunable Amino- Functionalized Graphene Quantum Dots, Adv. Mater., 2012, 24, 5333-5338.

phương pháp “xanh”. AgNPs/GQDs chế tạo được có độ ổn định cao, độ bền tốt và ứng dụng được làm đầu dò để “bắt” H2O2 (capture probe) và đồng thời làm đầu dò tín hiệu (signal probe) với độ nhạy (LOD < 10 μM) và độ chọn lọc cao theo nguyên lý so màu. Trên cơ sở đó chúng tôi cũng đã chế tạo thành công cảm biến cholesterol với giới hạn phát hiện thấp (< 90 μM). Kết quả đó cho tạo cơ sở để khoa học để ứng dụng AgNPs/GQDs cho phát triển các cảm biến sinh học khác cũng như tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng cho các mẫu bệnh phẩm. Lời cảm ơn. Công trình này th c hiện với s hỗ trợ kinh phí của Bộ Giáo dục và Đào tạo (MOET) thông qua đề tài mã số B2017-BKA-52. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. N. R. Nirala, P. S. Saxena, A. Srivastava. Colorimetric detection of cholesterol based on enzyme modified gold nanoparticles, Spectrochim. Acta. Part A, 2018, 190, 506-512.

8. R Mamatha et al. Rapid synthesis of highly monodispersed silver nanoparticles from the leaves of Salvadora persica, Mater. Lett., 2017, 205, 226- 229.

Liên hệ: Trần Vĩnh Hoàng

Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam E-mail: hoang.tranvinh@hust.edu.vn.

169

Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Tổng hợp vật liệu nano bạc/chấm lượng tử graphen (AgNPs/GQDs) và ứng dụng

Tác giả trình bày phương pháp “xanh” để tổng hợp các hạt nano bạc (silver nanoparticles- AgNPs), trong đó điểm mới là sử dụng các hạt nano cacbon (hay chấm lượng tử graphen -GQDs) làm chất khử và đồng thời làm chất ổn định.

Nguyễn Thị Ngọc Lan

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA VÔ CƠ

Hà Nội - 2019

Nguyễn Thị Ngọc Lan

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/ CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 8440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hƣớng dẫn 1: TS. Trần Vĩnh Hoàng

Hƣớng dẫn 2: GS.TS. Trần Đại Lâm

Hà Nội - 2019

(b)

(c

(a)

)

(e)

(f)

(d)

CQDs

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Tạp chí Hóa học, T. 56, số 6E2 - 2018

Abstract

Keywords. Graphene quantum dots (GQDs), silver nanoparticles (AgNPs), “green method”, cholesterol sensor,

2.1. Hóa chất

3.2. Cảm biến H2O2 từ vật liệu AgNPs/GQDs

Có thể bạn quan tâm

Đề cương ôn tập Hóa đại cương và vô cơ

Đề cương ôn tập Hóa đại cương và vô cơ

Nghiên cứu chế tạo sơn kháng khuẩn từ vật liệu nanocomposite ZnO/porphyrin dựa trên phản ứng quang xúc tác

Tài liệu hướng dẫn thực hành Hóa đại cương 2 (Hóa vô cơ-Hữu cơ đại cương)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật chất: Chế tạo và nghiên cứu các đặc trưng tính chất của nano Fe0, Cu0, Co0, định hướng ứng dụng trong nông nghiệp

Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu thành phần hóa học và khảo sát hoạt tính sinh học của loài Biến hoa sông hằng (Asystasia gangetica (L.) T. Anderson)

Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu thành phần hóa học và khảo sát hoạt tính sinh học từ lá của loài Hibiscus tiliaceus L.

Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất hệ nanoliposome mang cao ethanol ớt định hướng gây độc tế bào trên dòng MCF-7

Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite ZSM-5 từ nguồn nguyên liệu trong nước, định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường

Luận án Tiến sĩ Hóa vô cơ: Tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở CeO2 và ứng dụng chống tia UV của lớp phủ polyurethane

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa vô cơ: Tổng hợp vật liệu nanocomposite trên cơ sở CeO2 và ứng dụng chống tia UV của lớp phủ polyurethane

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu trên nền silica mao quản trung bình SBA-15 để xử lý nước thải nhiễm phóng xạ

Chế tạo và tính chất quang xúc tác phân hủy dung dịch xanh methylen của các chấm lượng tử Graphen ô xít (GOQDs)

Ứng dụng vật liệu nano bạc - vàng với cấu trúc lõi - vỏ trong cảm biến sợi quang phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật

Luận án Tiến sĩ Hóa vô cơ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang trên cơ sở titanium dioxit và porphyrin ứng dụng xử lý Rhodamin B trong môi trường nước

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa vô cơ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác quang trên cơ sở titanium dioxit và porphyrin ứng dụng xử lý Rhodamin B trong môi trường nước

Đề thi học kì 1 môn Hóa học lớp 8 năm 2021-2022 có đáp án - Trường THCS Phúc Trìu, Thái Nguyên

Đề thi học kì 1 môn Hóa học lớp 9 năm 2021-2022 có đáp án - Trường THCS Phúc Trìu, Thái Nguyên

Bài giảng Hoá vô cơ 2: Chương 1 - TS. Lê Tiến Khoa

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA