Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2 nhằm ứng dụng để xác định nồng độ glucose

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2 nhằm ứng dụng để xác định nồng độ glucose" nhằm tổng hợp được vật liệu nano MoS2 và nanocomposite AgNP/MoS2 có tính chất điện hoá tốt, tương thích sinh học cao để ứng dụng cho cảm biến sinh học glucose; phát triển được thiết bị cầm thay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2 nhằm ứng dụng để xác định nồng độ glucose

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Văn Tuấn NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANO MoS2 VÀ AgNP/MoS2 NHẰM ỨNG DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: HD1: PGS.TS. Phạm Hùng Vượng HD2: PGS.TS. Phương Đình Tâm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Ngày nay, cảm biến sinh học là thiết bị đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là các ứng dụng liên quan tới việc theo dõi sức khỏe. Những thông tin chẩn đoán chính xác giúp hỗ trợ tốt hơn trong việc thiết kế phác đồ điều trị và sử dụng những loại thuốc để đạt được hiệu quả điều trị cao nhất. Khác với những cảm biến hóa lý, những cảm biến sinh học cần phải có những thành phần sinh học để tạo nên sự chọn lọc và đặc hiệu đối với những tác nhân sinh học cần phân tích. Tối ưu và duy trì điều kiện hoạt động của những thành phần sinh học trong cảm biến là vấn đề quan trọng, quyết định tới sự chính xác của cảm biến sinh học. Trong số các loại cảm biến sinh học, cảm biến sinh học phát hiện glucose trong máu là loại cảm biến điển hình, được phát triển sớm nhất từ thập niên 60 của thế kỷ trước. Trải qua quá trình phát triển cảm biến sinh học glucose, nhiều thế hệ cảm biến glucose đã được ra đời với những sự cải tiến lớn về độ nhạy, độ chọn lọc, độ bền. Những thế hệ cảm biến gần đây cho thấy vai trò rất lớn của những hệ vật liệu được ứng dụng trong điện cực cảm biến. Những vật liệu này giúp tối ưu hóa hoạt động của những thành phần sinh học có trong cảm biến, đối với cảm biến sinh học glucose là enzyme glucose oxidase (GOx). Những hệ vật liệu mới giúp đẩy nhanh quá trình vận chuyển điện tử từ trung tâm phản ứng của enzyme tới bề mặt điện cực thông qua cơ chế làm bền enzyme và tạo ra cầu nối điện tử giữa enzyme và bề mặt điện cực. Đặc biệt, những hệ vật liệu có cấu trúc nano gần đây được phát triển với mong muốn loại bỏ vai trò của enzyme trong cảm biến sinh học glucose, điều này giúp giảm giá thành và tăng độ ổn định của cảm biến. Mặc dù cảm biến glucose đã được nghiên cứu phát triển từ lâu và cho đến nay, ứng dụng chúng trong đời sống hằng ngày đã trở nên phổ biến nhưng nó vẫn được coi là một loại cảm biến điển hình, được sử dụng để đánh giá hiệu quả của những thế hệ vật liệu mới trên những cảm biến glucose nói riêng và những cảm biến sinh học khác nói chung. Trong những năm gần đây, MoS2 là vật liệu thu hút được nhiều sự quan trong những nghiên cứu chế tạo các loại cảm biến sinh học do sở hữu những đặc tính nổi trội như: diện tích bề mặt lớn, tính tương thích sinh học cao, khả năng vận chuyển điện tử lớn và có hoạt tính xúc tác điện hóa. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các vật liệu 2D MoS2 (tấm nano/vảy nano) có khả năng làm cầu nối giúp tăng cường tính bám dính, cải thiện mật độ của các loại enzyme lên các đế điện cực trong các loại cảm biến sinh học. Ngoài ra, tương tác giữa các vật liệu 2D MoS2 còn có khả năng làm bền các loại enzyme trong quá trình hoạt động của cảm biến sinh học. Một tính chất rất đáng chú ý khác của vật liệu MoS2 là hoạt tính xúc tác điện hóa. Đây tính chất được khai thác với mục đích thay thế sự hoạt động của các enzyme trong các cảm biến sinh học. Sự thay thế này đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài độ bền trong quá trình hoạt động, đây chính là vấn đề cần khác phục của các cảm biến sinh học do độ bền kém của các loại enzyme đang sử dụng. Xúc tác diện hóa của các MoS2 thể hiện trên các cạnh xúc tác điện hóa (electrocatalytic active edge-site) của vật liệu. Để tăng số lượng các tâm xúc tác này, các cấu trúc 3D MoS2 đã được nghiên cứu chế tạo và cho thấy hiệu quả lớn trong việc nâng cao hiệu quả xúc tác điện hóa của vật liệu MoS2, điển hình là cấu trúc 3D hình hoa. Ngoài ra, các cấu trúc 3D còn có ưu điểm là giảm thiểu sự kết khối trong 1
quá trình phủ vật liệu lên điện cực, điều mà các vật liệu dạng 2D (tấm nano) vẫn thường xuyên gặp phải. Điều này đóng vai trò quan trọng để tạo nên sự hoạt động ổn định của điện cực. Mặc dù sở hữu những tính chất đáng quý phục vụ cho việc phát triển những thế hệ cảm biến sinh học mới, nhưng nhược điểm rất lớn của các vật liệu MoS2 là tính dẫn điện kém, điều này làm suy giảm cường độ tín hiệu thu được trong những cảm biến sinh học điện hóa. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu có tính dẫn điện cao như: graphen, các hạt nano kim loại (Au, Ag, Pt, Cu…), các loại vật liệu polyme dẫn. Trong số các vật liệu dẫn được nghiên cứu sử dụng, các hạt nano Ag thể hiện nhiều tính chất ưu việt như: giá thành không đắt, tính tương thích sinh học cao, độ dẫn điện lớn và có hoạt tính xúc tác điện hóa với glucose. Trên cơ sở những vấn đề nêu trên, có thể thấy rằng, MoS2 là một vật liệu có nhiều tiềm năng trong việc chế tạo các cảm biến sinh học. Tuy vậy, hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng các vật liệu MoS2 dạng 2D (tấm nano, vảy nano), vai trò của hình thái học của các dạng vật liệu (như dạng hạt, vảy, hoa) tới sự hoạt động của cảm biến của các cảm biến sinh học vẫn là vấn đề còn bỏ ngỏ. Ngoài ra, kết hợp vật liệu 3D MoS2 với các kim loại có tính dẫn cao, hoạt tính oxi hóa điện hóa tốt nhằm tạo ra thế hệ cảm biến mới không sử dụng enzyme vẫn đang là một vấn đề rất đáng quan tâm. Do vậy, nghiên cứu chế tạo các vật liệu MoS2 với các dạng hình thái khác nhau, kết hợp với các hạt nano Ag ứng dụng trong cảm biến sinh học, cụ thể là cảm biến sinh học glucose là một vấn đề rất có ý nghĩa, cả về khoa học và thực tiễn. Dựa trên cơ sở khoa học và yêu cầu thực tiễn đặt ra, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2 nhằm ứng dụng để xác định nồng độ glucose” để làm luận án tiến sĩ.  Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu chung: Mục tiêu chính của luận án là phát triển được cảm biến sinh học phát hiện nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu nanno MoS2. Mục tiêu cụ thể: - Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 và nanocomposite AgNP/MoS2 có tính chất điện hoá tốt, tương thích sinh học cao để ứng dụng cho cảm biến sinh học glucose - Phát triển được thiết bị cầm thay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế.  Nội dung nghiên cứu: - Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt với nhiều hình dạng khác nhau. - Tổng hợp được vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2. - Phát triển được cảm biến điện hoá xác định nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2. - Phát triển được mạch đo kết hợp với cảm biến để chế tạo thiết bị đo cầm tay phát hiện nồng độ glucose trong điều kiện thực tế.  Phương pháp nghiên cứu: 2
Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm. Trong đó, vật liệu MoS 2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, vật liệu AgNP/MoS2 được tổng hợp bằng phương pháp hóa học. Các đặc trưng của vật liệu được khảo sát bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE- SEM), phổ tán xạ Raman ... Các đặc trưng của cảm biến sẽ được khảo sát bằng phép đo quét thế tuần hoàn và phép đo phổ tổng trở điện hoá.  Ý nghĩa khoa học: Hiện nay, sử dụng cảm biến sinh học để phát hiện nồng độ glucose đã được nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện. Tuy nhiên, các cảm biến được chế tạo thường không ổn định, có thời gian phục vụ không cao và độ nhạy thấp. Do đó, để cải thiện những vấn đề trên có nhiều phương pháp trong đó phương pháp sử dụng các vật liệu nano có cấu trúc 2 chiều đang được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu hiện nay. Đề tài này hướng đến phát triển cảm biến glucose sử dụng vật liệu MoS2 và AgNP/MoS2 và phát triển thiết bị đo cầm tay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế. Do đó, nó vừa có ý nghĩa khoa học và vừa có ý nghĩa thực tiễn cao.  Tính mới của luận án - Đã tổng hợp được vật liệu MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt và AgNP/MoS2 bằng phương pháp hoá học có tính tương tích sinh học và điện hóa tốt. - Đã phát triển được cảm biến sinh học sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu MoS2 ở 3 cấu trúc khác nhau để xác định nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 0,081mM; khoảng tuyển tính (2-10) mM; độ nhạy của cảm biến chế tạo lần lượt là 64,0; 68,7 và 77,6 μAmM− 1 cm− 2 tương ứng với vật liệu MoS2 chế tạo ở các cấu trúc dạng hạt, dạng hoa và dạng vảy. - Đã phát triển được cảm biến sinh học sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu AgNP/MoS2 để xác định nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 1mM; khoảng tuyển tính (1-15) mM; độ nhạy 46,5 µM mM-1 1cm− 2. - Đã phát triển được thiết bị đo cầm tay kết hợp với cảm biến nhằm xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế. Nội dung chính của luận án này được trình bày trong 5 chương với bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về cảm biến sinh học glucose Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chương 3: Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose nền vật liệu MoS2 Chương 4: Cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 Chương 5: Nghiên cứu phát triển thiết bị cảm biến cầm tay nhằm xác định nồng độ glucose Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE 1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học 1.1.1. Khái niệm 3
Cảm biến được định nghĩa là một thiết bị hoặc mô-đun hỗ trợ phát hiện những thay đổi của các đại lượng vật lý, hóa học và sinh học và chuyển đổi chúng thành tín hiệu có thể được phát hiện, đo đạc và phân tích như là tín hiệu điện. Bộ chuyển đổi được định nghĩa là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Tùy thuộc nguyên lý hoạt động của bộ phận chuyển đổi, và các thông tin phát hiện, chúng ta có thể phân loại cảm biến thành nhiều loại khác nhau như là cảm biến đo các đại lượng vật lý (cảm biến vận tốc, gia tốc, áp suất, lực, nhiệt độ…), cảm biến đo các đại lượng hóa học (cảm biến đo pH, cảm biến đo nồng độ kim loại nặng, đo dư lượng thuốc trừ sâu…) và cảm biến sinh học. 1.1.2. Cấu tạo chung cảm biến sinh học Một bộ cảm biến sinh học điển hình bao gồm (a) chất phân tích, (b) Đầu thu sinh học, (c) bộ phận chuyển đổi, (d) thiết bị điện tử và (e) bộ phận hiển thị. Hình 1.1. Cấu tạo điển hình của cảm biến sinh học.1.1.3 1.1.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học Khi cảm biến sinh học tiếp xúc với mẫu vật cần phân tích thì trên bề mặt tiếp xúc giữa cảm biến và mẫu vật cần phân tích sẽ xảy ra các phản ứng sinh hóa. Các phản ứng này sẽ tạo thành các tín hiệu tác động lên bề mặt nhạy cảm của bộ phận chuyển đổi. Lúc này bộ chuyển đổi nhận tín hiệu này và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các tín hiệu điện sẽ được xử lý bởi các phần mềm chuyên biệt và cho kết quả hiển thị trên màn hình. Chúng ta sẽ dựa trên những kết quả hiển thị thu được trên màn hình để đánh giá khả năng làm việc của cảm biến. 1.2. Giới thiệu về cảm biến điện hóa xác định glucose 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa xác định Glucose Cảm biến điện hóa glucose được định nghĩa là một thiết bị có khả năng chuyển xác định nồng độ glucose thông qua những tín hiệu điện có thể được đo đạc, định lượng, thường là điện thế và dòng điện. Quá trình oxi hóa điện hóa glucose với sự hỗ trợ của các enzyme được mô tả như sau: Glucose + O2 ⎯ Axit Gluconic + H2O2 H2O2 → 2H+ + O2 + 2e- 1.2.2. Các thế hệ cảm biến điện hóa glucose 4
Theo dòng phát triển thì cảm biến sinh học sinh học điện hóa glucose dựa trên cơ chế enzyme đã phát triển qua ba thế hệ với thế hệ đầu tiên vừa được mô tả như trên. Mặc dù thế hệ cảm biến điện hóa đầu tiên có sự chọn lọc cao đối với glucose nhưng cơ chế phát hiện của nó lại phụ thuộc lớn vào nồng độ oxi trong mẫu phân tích. Do vậy, tính chính xác của kết quả thu được bị ảnh hưởng nhiều bởi độ hòa tan của oxi trong mẫu phân tích. Để vượt qua hạn chế này, thế hệ cảm biến điện hóa glucose thứ 2 đã được phát triển dựa trên việc thay thế oxi bằng một chất oxi hóa-khử trung gian có khả năng vận chuyển electron từ enzyme GOx tới bề mặt điện cực. Tiếp đến, thế hệ cảm biến điện hóa glucose thứ 3 được phát triển dựa trên quá trình chuyển dịch điện tích trực tiếp giữa các enzyme GOx và bề mặt điện cực mà không cần các chất trung gian và oxi. Mặc dù những thế thệ cảm biến điện hóa glucose thứ 2 và thứ 3 đã cải thiện đáng kể tính chính xác của phép đo, tuy nhiên, vấn đề luôn tồn tại ở các thế hệ cảm biến này chính là nằm ở tính bền của enzyme GOx trong quá trình chế tạo, lưu trữ và sử dụng. Đây chính là vấn đề mà thế hệ cảm biến điện hóa glucose thứ 4 đang được phát triển với việc không sử dụng enzyme. 1.3 . Tổng quan về vật liệu phát triển cho ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose 1.3.1. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose sử dụng enzyme Gần đây các vật liệu tiên tiến kích thước nano đã được sử dụng rất nhiều để phát triển cảm biến sinh học glucose, giúp nâng cao độ nhạy tín hiệu phát hiện của cảm biến. Những cải tiến như vậy chủ yếu tập trung nâng cao diện tích bề mặt, cải thiện khả năng cố định và tải của enzyme, và tăng cường tốc độ vận chuyển điện tử từ các trung tâm hoạt động oxy hóa khử của enzyme đến bề mặt điện cực. Những vật liệu này bao gồm các vật liệu nano, vật liệu có cấu trúc nano của những kim loại, oxit kim loại, sulfide kim loại, polyme dẫn, ống nano các bon, graphene. 1.3.2. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose không sử dụng enzyme Cảm biến điện hóa glucose không sử dụng enzyme được xem là hướng đi triển vọng giúp hạn chế được những nhược điểm của cảm biến điện hóa glucose sử dụng enzyme như: giá thành cao, kém bền trong quá trình bảo quản, sử dụng. Những vấn đề gặp phải vẫn cần được giải quyết đối với thế hệ cảm biến không sử dụng enzyme bao gồm: (1)- Độ nhạy đối với glucose bị giới hạn do tốc độ oxi hóa glucose trên bề mặt điện cực thấp; (2)- Độ chọn lọc thấp do một vài loại đường cũng có thể bị oxi hóa trong khoảng điện thế tương tự glucose; (3)- Hoạt động của điện cực bị tác động (suy giảm) những ảnh hưởng của những ion tạp, chủ yếu là ion clorua. Những nhược điểm về độ nhạy và độ chọn lọc đang được tìm cách khắc phục thông qua việc nghiên cứu ứng dụng những vật liệu có cấu trúc nano, trong khi ảnh hưởng của ion tạp chất có thể được khắc phục thông qua việc thay đổi pH của môi trường. 1.4. Tổng quan về kim loại chuyển tiếp dichalcogenides - MoS2 1.4.1. Cấu trúc tinh thể MoS2 có cấu trúc phân lớp, trong đó một nguyên tử molypden được bao quanh bởi sáu nguyên tử lưu huỳnh để tạo thành các ngăn xếp S-Mo-S. MoS2 ở dạng đơn lớp , liên kết Mo-S là liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa obitan 4𝑑 của nguyên tử Mo và 2pz của nguyên tử S. Ở dạng khối, MoS2 màu xám bạc có cấu trúc đa lớp được hình thành bởi các đơn lớp xếp chồng lên nhau, liên kết với nhau bởi lực Van der Waals yếu và có cấu trúc tương tự như graphene. 1.4.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử MoS2 được nghiên cứu cho các ứng dụng như các thiết bị linh kiện bán dẫn do đặc tính đặc biệt của nó là có thể chuyển đổi từ vùng cấm xiên sang vùng cấm thẳng khi ở kích thước nano. Việc điều khiển 5
sự thay đổi về khoảng cách và đặc điểm vùng cấm nội tại cho phép các điện tử có bước nhảy thế dễ dàng hơn graphene. Vì vậy MoS2 trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu rộng rãi. Hơn nữa, tùy thuộc vào các chất pha tạp mà MoS2 có thể tạo ra các vật liệu bán dẫn loại n hoặc loại p. Kết luận: Ở chương này đã trình bầy tổng quan về cảm biết sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose và tổng quan về vật kim loại chuyển tiếp có cấu trúc 2 chiều MoS2 được mô tả đầy đủ từ đặc điểm cấu trúc tinh thể đến phân tích cấu trúc điện tử của vật liệu. Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu MoS2 bằng phương pháp thủy nhiệt Quy trình tổng hợp các MoS2 NP, MoS2 NF và MoS2 NPL được minh họa trong sơ đồ 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp các MoS2 NP, MoS2 NF và MoS2 NPL. 2.2. Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2 2.3. Chế tạo cảm biến glucose sử dụng enzyme GOx trên cơ sở các vật liệu: MoS2 NP (dạng hạt), MoS2 NF (hình hoa), MoS2 NPL (dạng vảy) 6
Phân tán đều MoS2 trong dung môi để giảm thiểu khả năng bong tróc vật liệu khi nhỏ phủ lên bề mặt điện cực GCE. Cụ thể, 1 mg MoS2 (dạng hạt, hình hoa, dạng vảy) được phân tán trong 1 ml axeton và siêu âm trong 3 giờ ở nhiệt độ phòng. 10 μL dung dịch MoS2 (với các dạng khác nhau) đã phân tán được nhỏ lên điệc cực GCE và sấy khô tự nhiên qua đêm trong không khí ở nhiệt độ phòng. 2.4. Chế tạo điện cực biến đổi với vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2 không sử dụng enzyme 1 mg bột MoS2 và AgNP/MoS2 được phân tán trong 1 ml axeton và được rung siêu âm trong 3 giờ. Tiếp đó, 10 µL mỗi hệ phân tán trong axeton được nhỏ lên điện cực Pt (đường kính 3mm) bằng phương pháp drop-casting. Điện cực sau khi được phủ được để khô qua đêm ở nhiệt độ phòng. 2.5. Các phương pháp đặc trưng - Phương pháp nhiễu xạ tia X - Hiển vi điện tử quét phát xạ trường - Phổ tán xạ năng lượng tia X - Phổ Raman - Phổ hồng ngoại - Phương pháp điện hóa Chương 3 PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ENZYME PHÁT HIỆN GLUCOSE NỀN VẬT LIỆU MoS2 3.1. Đặc trưng vật liệu MoS2 3.1.1. Đặc trưng hình thái Đặc trưng hình thái bề mặt của vật liệu MoS2 sau khi tổng hợp được kiểm tra trên thiết bị kính hiển vi điện tử phát xạ trường (FE-SEM) và được trình bày trong các hình 3.1, hình 3.2, hình 3.3, hình 3.4, hình 3.5 và hình 3.6. Hình 3.1 và hình 3.2 là ảnh FE-SEM của vật liệu MoS2 dạng hạt, đặc biệt ở hình 3.2 khi tăng nhiệt độ thủy nhiệt kích thước hạt có xu hướng tăng lên từ 200 nm đến 400 nm. Hình 3.3 và hình 3.4 là ảnh FE- SEM của vật liệu MoS2 dạng hoa. Khi tăng nhiệt độ tổng hợp cấu trúc hình hoa cũng rõ nét hơn và được thể hiện ở hình 3.4. Hình 3.5 và hình 3.6 là ảnh FE-SEM của vật liệu MoS2 dạng vẩy, quan sát kỹ thì thấy rằng, khi tỉ lệ S/Mo = 1/1, các vảy tạo ra có nhiều hình dạng. Dạng vảy tròn chiếm ưu thế khi tỉ lệ S/Mo = 2/1. Khi tăng tỉ lệ S/Mo = 3/1 và 4/1, xuất hiện các vảy có hình dạng góc cạnh. 7
Hình 3.1. Ảnh FE-SEM của các Hình 3.2. Ảnh FE-SEM của Hình 3.3. Ảnh FE-SEM của MoS2 NP được tổng hợp ở nhiệt các mẫu MoS2 NP được tổng MoS2 NPLs được tổng hợp ở độ 200 °C trong 15 giờ và tỷ lệ hơp tại các nhiệt độ khác 350 ° C trong 24 giờ. Trong đó: mol S/Mo là 2/1. Trong đó: (a, b) nhau, trong 15giờ. (a) 200 oC, (a, b) độ phóng đại cao hơn của độ phóng đại cao hơn của hình (b) 250 oC, (c) 300 oC, (d) 350 hình ảnh FE-SEM của MoS2 ảnh FE-SEM của các mẫu MoS2 o C NPLs NP Hình 3.4. Ảnh FE-SEM của Hình 3.5. Ảnh FE-SEM của Hình 3.6. Ảnh FE-SEM của các MoS2 NFs được tổng hợp ở 220 MoS2 NPLs được tổng hợp mẫu MoS2-NPL được tổng hợp ở °C với các khoảng thời gian khác 350 0C trong 24 giờ với sự thay 350 °C trong 24 giờ. Trong nhau (a) 15 giờ, (b) 17 giờ, [(c), đó: (a, b) độ phóng đại cao đổi tỷ lệ S/MO, (a) S/Mo = 1:1, (c’)] 20 giờ và [(d), (d’)] 25 hơn của hình ảnh FE-SEM (b) S/Mo = 2:1, (c) S/Mo = 3:1, giờ.độ phóng đại cao hơn của của MoS2 NPLs (d) S/Mo = 4:1 hình ảnh FE-SEM của các mẫu MoS2 NP. 3.1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu Hình 3.7 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu MoS2 có hình dạng khác nhau, các đỉnh nhiễu xạ khác nhau của vật liệu hiển thị nằm trong khoảng từ 10° đến 70°. Như quan sát trong (Hình 2.5), các đỉnh nhiễu xạ ở 2θ là 14,2°; 33°; 39,9°; 59,1° và 62,1° tương ứng với các mặt tinh thể (002), (100), (103), (110) và ( 008) mặt phẳng của pha lục giác MoS2 của các đỉnh nhiễu xạ tiêu chuẩn (2H-MoS2, a = b = 0.316 nm, c = 1.230 nm, JCPDS số 37- Hình 3.7. Phổ XRD của (a) MoS2 NPs, (b) MoS2 NFs, 1492). và (c) MoS2 NPLs. 8
3.2. Phát triển cảm biến sinh học glucose trên cơ sở vật liệu MoS2 a). Đặc trưng cảm biến glucose Để phát hiện glucose tại các dải nồng độ, chúng tôi sử dụng hệ điện cực GCE/MoS2/GOx, phương pháp được áp dụng là kỹ thuật CA. Hệ điện hóa được lựa chọn phù hợp gồm bình điện phân chứa 5 mL dung dịch PBS 50 mM, điện thế áp vào điện cực được lựa chọn tối ưu. Sau khi cường độ dòng đạt ổn định thì 100 μL dung dịch glucose 50 mM được thêm từ từ vào trong bình dung dịch điện hóa. Các phép đo điện hóa được thực hiện để xác định đặc điểm của tất cả các điện cực biến tính MoS2. Các phép đo CV đã được khảo sát ở khoảng điện thế từ −0,1 V đến 1,0 V trong dung dịch đệm chứa đầu dò oxy hóa khử 5 mM [Fe (CN) 6]3-/4- ở tốc độ quét 100 mV/s như minh họa trong Hình 2.6(A-C). Hình 2.6A-C [a, b] hiển thị C-V của điện cực trần (đường màu đỏ-a) và điện cực biến tính MoS2/GCE (đường màu đen-b). Đỉnh cường độ dòng của điện cực MoS2 NPs/GCE (Hình 2.6A[b]), điện cực MoS2 NFs/GCE (hình 2.6B[b]) và MoS2 NPLs/GCE (hình 2.6C[b]) lần lượt là 2.72 μA, 3.55 μA và 5.12 μA thấp hơn so với điện cực trần (hình 2.11A-C[a])là 6.82 μA. Khi GOx được cố định trên điện cực được biến tính MoS2, mật độ dòng điện đỉnh của MoS2 NP/GCE trong Hình 2.6A [c]) là 1.33 μA, MoS2 NF/GCE trong Hình 2.6B [c]) là 1.95 μA, và MoS2 NPL/GCE trong Hình 2.11C [c]) là 2.72 μA giảm đáng kể do đặc tính không dẫn điện của các enzyme đã ngăn cản sự chuyển điện tử của cặp oxi hóa khử. Hình 3.8. (A) Đường CV của điện cực biến tính MoS2: (a) điện cực trần, (b) MoS2/điện cực, (c) GOx/MoS2/điện cực, và (d) phát hiện glucose 3 mM. (B) Đáp ứng của các điện cực biến đổi MoS2 phụ thuộc vào nồng độ glucose từ 2,0 mM đến 10 mM trong dung dịch PBS b). Độ chọn lọc, độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến glucose trên cơ sở MoS2 Độ lặp lại của cảm biến sinh học dựa trên MoS2 được đánh giá bằng cách đo các phản ứng của dòng oxy hóa trong dung dịch glucose đối với 10 cảm biến sinh học khác nhau như được trình bày trong Hình 9
3.9(a). Độ lệch chuẩn tương đối của cảm biến sinh học dựa trên MoS2 NPs, MoS2 NFs, and MoS2 NPLs tương ứng là 3.08%, 2.28%, và 3.53%. Hình 3.9. (a) Độ tái lập với 10 điện cực độc lập, (b) tính đặc hiệu khi có nhiễu trong NaOH 0,1 M, (c) độ ổn định sau 3 tuần bảo quản ở 4 ° C của cảm biến sinh học glucose dựa trên MoS 2 có cấu trúc khác nhau. Độ chọn lọc của cảm biến sinh học được kiểm tra bằng cách sử dụng axit ascorbic và cholesterol thay vì glucose như được chỉ ra trong Hình 3.9(b). Khi mẫu thử nghiệm là axit ascorbic, các đáp ứng dòng oxy hóa là 1,7% (MoS2 NPs), 2,54% (MoS2 NFs và 2.26% (MoS2 NPLs) so với các phản ứng của mẫu glucose. Hình 2.7(c) là kết quả tín hiệu của các cảm biến sinh học được phát triển trên cơ sở vật liệu MoS 2 NPs, MoS2 NFs and MoS2 NPL-giảm tín hiệu đầu ra lần lượt là 20,7%, 19,1% và 17,3 % ở tuần thứ 3. Kết luận: Trong chương này, nghiên cứu sinh tập trung nghiên cứu chế tạo thành công MoS2 ở hình dạng cấu trúc MoS2 khác nhau (cấu trúc dạng hạt, cấu trúc dạng hoa, và cấu trúc dạng vảy) bằng phương pháp thủy nhiệt. Các mẫu chế tạo đã được xác định đặc trưng hình thái bề mặt, cấu trúc và tính chất bằng các kĩ thuật khác nhau như XRD, SEM hay Raman và điện hóa. Vật liệu sau khi tổng hợp đã được ứng dụng để chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose. Kết quả cho thấy độ nhạy của cảm biến đạt được là 64,0; 68,7 và 77,6 μAmM− 1 cm− 2 tương ứng với cấu trúc vật liệu MoS2 ở các dạng dạng hạt, dạng hoa và dạng vảy. Ngoài ra, các thông số ảnh hưởng như pH, nhiệt độ, nồng độ glucose oxidase (GOx) cũng như độ lặp lại, đặc hiệu và ổn định của cảm biến sinh học glucose với các hình thái MoS2 khác nhau cũng được được nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra tiềm năng ứng dụng của cảm biến glucose trong điều kiện thực tế. Chương 4 CẢM BIẾN GLUCOSE KHÔNG ENZYME TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT AgNP/MoS2 4.1. Vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2 4.2.1. Đặc trưng hình thái và cấu trúc Hình 4.1a và hình 4.1b là ảnh hình thái học của hệ vật liệu AgNP/MoS2 được đặc trưng bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (FE-SEM), cho thấy rằng các hạt MoS2 có cấu trúc hình hoa, đường kính trung bình của các hạt MoS2 nằm trong khoảng micromet trong khi độ dày các cánh hoa chỉ khoảng vài nanomet. 10
Các hạt nano Ag có dạng hình cầu với đường kính khoảng 50 nm và được phân bố khá đều trên bề mặt của các hạt MoS2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX) đã được sử dụng để đặc trưng thành phần của hệ vật liệu AgNPs/MoS2. Hình 4.1c cho thấy thành phần nguyên tử của các nguyên tố Mo; S và Ag tương ứng là 23,50; 56,42 và 20,08. Kết quả này cho thấy các hạt nano Ag đã được lai hóa thành công lên các hạt MoS2 hình hoa. Hình 4.1d mô tả giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ vật liệu lai AgNP/MoS2-MF. Những đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ = 14,50o; 31,75o và 58,40o tương ứng với các mặt tinh thể (002), (100) và (110) của MoS2 (JCPDS No.371492). Các đỉnh nhiễu xạ tại góc 2 = 38,90o; 46.38o và 50.50o tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200) và (142) của các hạt nano Ag (JCPDS No.040783). Kết quả này cho thấy rằng, các hạt nano Hình 4.1. Ảnh FE-SEM (a) và (b), (c) Phổ EDX, và (d) giản đồ XRD Ag đã được tổng hợp thành của vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2. công trên nền vật liệu MoS2. 4.2.2. Đặc trưng điện hóa của các điện cực PtE, MoS2/PtE và AgNP/MoS2/PtE Hình 4.2(a-d) cho thấy đặc trưng điện hóa (CV) của các điện cực PtE, MoS2-MF/PtE, AgNP/MoS2- MF/PtE trong dung dịch NaOH có chứa (Fe[CN]6)3−/4− trong khoảng điện thế 0,0–0,9 V. Cặp đỉnh oxi hóa-khử được xác định đối với điện cực PtE tại −1,39 and 2.2 μA (Hình 4.2a) do đặc tính oxy hóa-khử của (Fe[CN]6)3−/4−. Cường độ dòng đỉnh của điện cực MoS2/PtE (−1,27 và 2,0 μA, Hình 4.2b) giảm so với cường độ dòng đỉnh của điện cực PtE do tính dẫn điện kém của vật liệu MoS2 hình hoa lắng đọng trên bề mặt điện cực làm suy giảm quá trình chuyển electron. Những đường đặc tính CV của các điện cực MoS2/PtE và AgNP/MoS2/PtE tại tốc độ quét trong khoảng 10–100 mV s−1 đã được nghiên cứu để xác thực diện tích bề mặt hoạt động điện hóa của điện cực ở hình 4.3(a-c). Giá trị S của điện cực MoS2-MF/PtE tính được là 0,296 cm2, trong khi đó, giá trị S của điện cực AgNP/MoS2-MF/PtE được tính là 0,436 cm2. Bởi vậy, điện cực AgNP/MoS2/PtE có cường độ dòng đỉnh cao hơn so với điện cực MoS2/PtE. 11
Hình 4.2. Đường đặc tính CV của điện cực (a) PtE, (b) MoS2/PtE, (c) AgNP/MoS2/PtE, và (d) 3 Hình 4.3. Đường đặc tính CV của điện cực (a) MoS2- điện cực trong dung dịch NaOH tại tốc độ quét MF/PtE và (c) AgNP/MoS2/PtE tại những tốc độ quét thế 100mV s−1. khác nhau (10–100 mV s−1) trong dung dịch NaOH. Sự phụ thuộc của dòng oxy hóa theo tốc độ quét thế của điện cực (b) MoS2/PtE và (d) AgNP/MoS2/PtE. 4.2.3. Đặc trưng điện hóa của cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở PtE, MoS2/PtE và AgNP/MoS2/PtE Những đặc trưng điện hóa của điện cực đã được khảo sát để đánh giá hoạt tính xúc tác điện hóa của hệ vật liệu nanocomposit đối với quá trình oxi hóa glucose. Hình 4.4 (a–d) minh họa đường đặc tính CV của các điện cực PtE, MoS2/PtE, AgNP/PtE, và AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH có và không có 3,0 mM glucose trong khoảng thế 0,0-0,9V. Hình 4.4a và 4.4b cho thấy đỉnh oxi hóa khử ở thế 0,5V được cho là đặc trưng điện hóa của (Fe[CN]6)3−/4− trong NaOH đối với điện cực PtE và MoS2/PtE. Đỉnh oxi- hóa khử này không bị thay đổi cả về giá trị thế và cường độ dòng khi dung dịch được cho thêm glucose. Kết quả này cho thấy điện cực PtE và MoS2/PtE không có hoạt tính xúc tác điện hóa cho quá trình oxy hóa glucose. Trong khi đó, ở Hình 448c đối với điện cực AgNP/PtE dễ dàng quan sát thấy sự thay đổi về tính hiệu dòng tại đỉnh thế 0,5V, tín hiệu tăng từ 5,7 μA (đường màu đen, không có glucose trong dung dịch) đến giá trị 6,8 µA (đường màu đỏ, có glucose trong dung dịch, điều này chứng minh hoạt tính xúc tác điện hóa của hạt nano Ag đối với quá trình oxi hóa glucose đã được thể hiện, tuy nhiên, độ tăng cường độ tín hiệu dòng đỉnh chỉ đạt 1,2 lần. Hình 4.4d so sánh tín hiệu được đo trên điện cực làm việc AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH chứa chứa Fe[CN]6)3−/4− có và không có 3,0 mM glucose. Quan sát thấy cường độ dòng oxy hóa đạt 29,8 μA đo được đối với điện cực AgNP/MoS2/PtE cao gấp 4 lần so với tín hiệu đo trên điện cực MoS2/PtE (Hình 4.4b). 12
Hình 4.1. Đường đặc tính CV của các điện cực khác nhau (a) PtE, (b) MoS2/PtE, (c) AgNP/PtE, và (d) AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH chứa Fe[CN]6)3−/4− với các trường hợp có và không có 3,0 mM glucose với các điện cực, tại tốc độ quét thế 100 mV s−1 4.2.4. Độ chọn lọc, độ bền, độ tái lập và độ lặp lại của cảm biến glucose trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE Độ chọn lọc của cảm biến là khả năng xác định một chất phân tích cụ thể trong mẫu gồm nhiều chất khác. Thách thức trong việc sử dụng các cảm biến glucose không sử dụng enzyme là sự oxy hóa dễ dàng của các chất cùng tồn tại với glucose trong máu, ví dụ như: UAC, LAA và APH. Nồng độ thông thường của glucose trong máu trong khoảng 4,0–7,0 mM cao hơn nồng độ của LAA (0,125 mM), UAC (0,33 mM), và APH (0,13 mM). Do vậy, trong nghiên cứu này, độ chọn lọc của điện cực AgNP/MoS2-MF/PtE được đánh giá thông qua việc phát hiện 4,0 mM trong dung dịch nền là NaOH chứa 0,12 mM LAA, 0,3 mM UAC, và 0,12 mM APH. Hình 4.5a cho thấy những đáp ứng của điện cực AgNP/MoS2-MF/PtE đối với LAA, UAC và APH là không đáng kể, trong khi đó đáp ứng của điện cực đối với glucose vẫn được thể hiện rõ nét. 13
Độ bền là một thông số quan trọng khác để đánh giá sự hoạt động của cảm biến glucose. Độ bền của điện cực AgNP/MoS2/PtE được nghiên cứu thông qua việc thu thập dữ liệu của đường đặc tính CV trong dung dịch NaOH sau khi điện cực được lưu trữ trong tủ lạnh trong 30 ngày. Hình 4.5b cho thấy không có sự suy giảm đáng kể của dòng đáp ứng sau 15 ngày (97,14%). Sau đó, dòng đáp ứng bị giảm dần về 83,87%, 71,42%, and 28,57 % so với giá trị ban đầu sau 20, 25, và 30 ngày. Độ tái lập là khả năng cảm biến tạo ra một đáp ứng Hình 4.5. (a) Nghiên cứu tác động của các chất trong dung dịch chứa như nhau. Độ tái lập của cảm 4,0 mM glucose (Glu), 0,12 mM L-ascorbic acid (LAA), 0,3 mM uric biến AgNPs/MoS2/PtE được acid (UAC), và 0,12 mM acetamidophenol (APH). (b) Độ bền của điện cực AgNPs/MoS2/PtE trong quá trình phát hiện glucose. (c) Độ khảo sát thông qua việc đo tái lập và (d) độ lặp lại của điện cực AgNPs/MoS2/PtE trong dung đạc đáp ứng của 10 điện cực dịch NaOH gồm 4,0 mM glucose. khác nhau đối với nồng độ glucose tại 3,0 mM. Hình 3.6c cho thấy, độ lệch chuẩn tương đối (RSD) là 1,45%. Đây là giá trị chấp nhận được đối với cảm biến. Độ lặp lại của cảm biến AgNPs/MoS2-MF/PtE được xác định thông qua việc đo đạc dòng điện sinh ra của 5 lần hoạt động. Hình 6d cho thấy, độ lặp lại thu được cao hơn 97% cho thấy cảm biến được chế tạo có độ lặp lại cao. Kết luận: - Đã chế tạo thành công vật liệu nanocomposit AgNP/MoS2 trên cơ sở lai hóa hạt nano Ag với vật liệu MoS2 dạng hình hoa. - Đã nghiên cứu đặc trưng điện hóa các điện cực platin phủ vật liệu MoS2 (điện cực MoS2/PtE), AgNP/MoS2 (điện cực AgNP/MoS2/PtE). Kết quả cho thấy, cường độ dòng đỉnh trên điện cực AgNP/MoS2/PtE (2,6 μA) cao hơn so với cường độ dòng đỉnh trên điện cực MoS2/PtE (2,0 μA). Kết quả tính toán giá trị ESA dựa theo phương trình Randles-Sevcik cho thấy rằng, giá trị ESA của điện cực MoS2/PtE là 0,296 cm2 thấp hơn so với giá trị ESA của điện cực AgNP/MoS2/PtE là 0,436 cm2. - Đã nghiên cứu đặc trưng điện hóa của các cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở các vật liệu MoS2, AgNP/MoS2. Cảm biến có khoảng tuyến tính trong khoảng nồng độ glucose từ 1,0 đến 15,0 mM, giới hạn phát hiện LOD đạt ~1 mM và độ nhạy đạt 46,5 µA nM−1 cm−2. Độ chọn lọc của cảm biến được đánh giá tốt khi được nghiên cứu trên cơ sở so sánh tín hiệu của glucose trong dung dịch bao gồm các chất LAA (0.125 mM), UAC (0.33 mM), và APH 14
(0.13 mM). Các chỉ số về độ ổn định, độ chọn lọc, độ lặp lại và khả năng tái sử dụng của cảm biến đã được khảo sát. - Ngoài ra, cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE đã được ứng dụng để phân tích nồng độ glucose trong thực tế. Kết quả thu được là tương đương với kết quả đo từ thiết bị đo đã được thương mại hoá. - Những kết quả đạt được đã chỉ ra cho thấy, cảm biến trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE có tiềm năng lớn để ứng dụng xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế. CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ CẢM BIẾN CẦM TAY NHẰM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE Trong chương này này, trình bày từ những nghiên cứu cơ bản về phương pháp điện hóa làm cơ sở để phát triển hệ điện hoá dựa trên nền tảng chip vi điều khiển ARM Cortex M3 32 bit để định lượng chính xác H2O2. Thiết bị này có khả năng đo với kỹ thuật dòng – thời gian (chronoamperometry - CA) và kỹ thuật thế - vòng còn gọi là thế – tuần hoàn (cyclic voltammetry – CV). 5.1. Thiết kế phần cứng Qua quá trình nghiên cứu, khảo sát nghiên cứu sinh quyết định lựa chọn chíp ADuCM355 của hãng Analog Devices để phát triển phần thiết bị điện tử (potentiostat) cho thiết bị điện hóa cầm tay. ADuCM355 là một chíp tích hợp đa chức năng được hãng Analog Devices phát triển cho cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa (Hình 5.1). ADuCM355 trên cơ sở một bộ vi xử lý Arm Cortex M3 với khả năng đo dòng, đo áp và đo trở kháng. ADuCM355 có bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) 16 bít với tốc độ lấy mẫu là Hình 5.1. Sơ đồ khối của chíp ADuCM355 400 kSPS được tích hợp bộ lọc antialias và bộ khuếch đại có thể thiết lập được hệ số khuếch đại. Chíp này cũng gồm đầu vào dòng điện tích hợp bộ khuếch đại trở kháng TIA với hệ số khuếch đại và giá trị điện trở có thể thiết lập bằng phần mềm phù hợp cho việc đo lường các loại cảm biến khác nhau. Hai bộ lọc công suất thấp được thiết kế cho việc tạo ra và duy trùy một điện áp phân cực trên điện cực của cảm biến. 15
5.2. Thiết kế khối xử lý trung tâm, khối tạo áp và khối đo dòng Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý chức năng của khối xử lý trung tâm, khối tạo áp, khối đo dòng trên cơ sở chíp ADuCM355 Với việc lựa chọn chíp ADuCM355 thì nghiên cứu sinh đã tích hợp được khối xử lý trung tâm, khối tạo áp và khối đo dòng của potentiostat trên một chíp. Hình 5.5 mô tả sơ đồ nguyên lý của hệ điện hoá dùng chíp ADuCM355. Trong đó chíp ADuCM355 thực hiện hai chức năng chính là tải điện áp ra điện cực đối (CE), và đo dòng điện từ điện cực làm việc WE. 5.3. Thiết kế khối điện cực Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý khối điện cực của Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý khối truyền potentiostat thông của potentiostat Hình 5.3 là sơ đồ nguyên lý của khối điện cực của potentiostat trên cơ sở hệ đo điện hóa 3 điện cực. Để đảm bảo đặc tính hoặt động ổn định và chính xác của hệ đô thì việc loại bỏ can nhiễu và loại bỏ ảnh 16
hưởng của điện tử dư/ký sinh trên bề mặt điện cực là rất quan trọng. Trong thiết kế này các mạch lọc LC đã được thiết kế trên các điện cực cảm biến và một mạch khử điện tử dư/ký sinh giữa điện cực WE và RE đã được thực hiện qua một JFET kênh P (MMBFJ270). Với thiết kế này cho phép thiết bị có thể kết nối vưới cả các điện cực rời và điện cục in. 5.4. Thiết kế khối truyền thông Chức năng của khối truyền thông là cho phép kết nối giữa potentiostat với máy tính hoặc thiết bị di động cho mục đích: thiết lập hoạt động của potentiostat, chỉ thị trạng thái hoạt động và kết quả các phép đo của potentiostat. Hình 5.4 là thiết kế khối truyền thông cho potentiostat. Trong thiết kế của nghiên cứu sinh sử dụng chip CH340 để cho phép thiết bị có thể kết nối với máy tính bằng dây qua cổng USB, và sử dụng module Bluetooth HC05 cho phép potentiostat có thể kết nối không dây với thiết bị di động. 5.5. Thiết kế khối nguồn Khối nguồn của potentiostat được nghiên cứu sinh thiết kế sao cho thiết bị có thể được cấp nguồn linh động như Hình 5.5. IC nguồn LP2985-33DBVT được sử dụng trong thiết kế khối nguồn, thiết kế này cho phép nguồn vào thiết bị trong khoảng 3.3VDV tới 16VDC. Phần cầu nối của potentiostat sử dụng cổng USB TYPE C, cổng này vừa là giao diện cho phép cấp nguồn và vừa là giao diện cho phép truyền thông tới máy tính. Với thiêt kế này thiết bị có thể sử dụng cáp USB TYPE C để cấp nguồn từ máy tính, từ adapter, thiết bị nguồn dự phòng một cách linh động Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của potentiostat 5.6. Thiết kế mạch in (PCB) 17
Thiết kế mạch in (PCB) của potentiostat cũng được thực hiện trên phần mềm Altium Designer. Việc tối ưu kích thước của potentiostat cũng chính là tối ưu kích thước mạch in của chính nó. Việc tối ưu kích thước ngoài việc lựa chọn IC có độ tích hợp cao và các linh kiện có kích thước nhỏ như đã trình bày ở phần thiết kế nguyên lý còn phải sắp sếp và tối ưu hóa các đường liên kết (đi dây) giữa các linh kiện. Nghiên cứu sinh đã thực hiện thiết kế mạch in 4 lớp cho bộ potentiostat như hình 5.5 để tối giản kích thước. 5.7. Kết quả và thảo luận Hình 5.5. Thiết kế mạch inh của potentiostat (a) (b) Hình 5.6. Đặc trưng phép đo CV. Đặc trưng CV của hệ điện hoá dựa trên ARM Cortex M3 đã được nghiên cứu trong giới hạn điện thế quét từ - 0,5 V đến 1,0 V. Sau đó, tín hiệu được so sánh với tín hiệu đo từ hệ PalmSen4 như mô tả trong hình 5.6a. Kết quả đạt được đã chỉ ra cho thấy, hình dạng của đường CV thu được bằng hệ điện hoá được chế tạo dựa trên chip ARM Cortex M3 (đường màu xanh lam) là tương tự như tín hiệu đo từ máy PalmSen4 với tốc độ quét 0,08v/s. Lần quét thứ hai cũng được nghiên cứu và cho kết quả tương đồng (đường màu đen). Mối quan hệ giữa dòng điện và căn bậc hai của tốc độ quét cũng được nghiên cứu như được biểu diễn trong hình 5.6b. 18