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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: 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 Ảnh hiển vi điện tử truyền Microscope qua SEM Scanning Electron Microscope Ảnh hiển vi điện tử quét EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lƣợng spectroscopy PL Photoluminescence Huỳnh quang XRD X-rays diffraction Nhiễu xạ tia X FT-IR Fouier Tranfomation IifraRed Phổ hồng ngoại 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 Liên minh Quốc tế về Hóa Applied Chemistry 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
1 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
2 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
3 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
4 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
5 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.
6 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
7 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
8 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.
9 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
10 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). (a) (b) (c ) (e) (f) (d) 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. 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
11 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.