Thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng trong xác định nồng độ glucose.pdf

NTTU-NCKH-04 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng xác định nồng độ glucose Số hợp đồng: 2019.01.09 Chủ nhiệm đề tài: Phan Ngọc Hân Đơn vị công tác: Viện kỳ thuật công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: năm TP Hồ Chí Minh, ngày 14 thảng năm 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TÔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng xác định nồng độ glucose Sổ hợp đồng: 2019.01.09 Chủ nhiệm đề tài: Phan Ngọc Hân Đơn vị công tác: Viện kỳ thuật công nghệ cao NTT Thời gian thực hiện: năm Các thành viên phổi họp cộng tác: STT 01 02 03 04 Họ tên Nguyễn Lương Hiểu Hòa Trấn Lê Phương Duy Nguyền Vãn Khiêm Trân Trung Tín Chuyên ngành Sinh học Sinh học Sinh học Quang học Cơ quan công tác Viện KT CNC NTT Viện KT CNC NTT Viện KT CNC NTT Trường ĐH Bách Khoa Ký tên MỤC LỤC MỞ ĐÀU CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cúu CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TÁT RE WE Reference Electrode Working Electrode CE DAC Counter Electrode Digital to Analog Convert ADC Analog to Digital Convert Cyclic Voltammetry cv DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉƯ, sơ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1: Dãy điện hóa điều kiện tiêu chuẩn số cặp aOxh/bKh Hình 2: Mối quan hệ mật độ dịng I the E Hình 3: Q trình qt vịng Hình 4: Mạch chuyến dịng thành áp Hình 5: Hình ảnh layout pcb mạchvà hình thực tế thiết bị Hình 6: Chương trình giao tiếp với thiết bị điện thoại di động Hình 7: Kết đo với dung dịch chuẩn K4Fe(CN)ó Hình 8: Chỉnh pH dung dịch buffer A Hình 9: Ket đo lần DY2100B nhỏ lOpL dung dịch glucose Hình 10: Ket đo lần thiết bị tự thiết kế Hình 11: Ket đo dung dịch glucose lần với quy trình a) thiết bị DY2100B (5mg/mL enzyme GOx); b) Thiết bị tự thiết ke Hình 12: Chitosan tan hồn tồn acetic acid IM Hình 13: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase vừa nhỏ vào WE Hình 14: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase bay hoi Hình 15: Ket lúc trước sau nhở glucose, quét tốc độ 20mV/s Hình 16: Ket lúc trước sau nhở glucose, quét tốc độ 50mV/s Hình 17: a) Đồ thị mật độ dòng tốc độ quét 20mV/s 50mV/s; b) Sự ảnh hưởng tốc độ qt đến mật độ dịng qua điện cực Hình 18: Ket đo chitosan/glucose oxidase với thiết bị tự thiết kế Bảng 1: Thông so quét cv cùa thiết bị Bảng 2: Tổng họp kết đo với dung dịch glucose Bảng 3: Tổng hạp kết đo dung dịch glucose với quy trình TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN cúu Sản phẩm thực đạt Thiết bị đo điện hóa cầm tay Bản thảo hồn chỉnh Sán phẩm đăng ký thuyết minh Thiết bị đo điện hóa cầm tay Bài báo khoa học Thòi gian đăng ký : từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 09 năm 2019 Thòi gian nộp báo cáo: ngày 20 tháng năm 2019 MỞ ĐẦU Đường huyết thuật ngừ lượng đường máu Thơng thường đường nguồn lượng the, đong thời nguồn nhiên liệu quan cần thiết cho hệ thần kinh tố chức não Trong máu ln có lượng đường định, lượng đường tăng hay giảm xuống nhiều so với mức độ bình thường dấu hiệu khơng bình thường cùa the Hiện có nhiều phương pháp đo lượng đường huyết phổ biến máy đo đường huyết Hoạt động việc máy kiếm tra đường huyết máy nằm que thử Tại đầu que thử có thuốc thử, thơng qua phản ứng điện hóa giừa thuốc thử đầu que thử lượng đường máu, máy sè hiển thị mức đường huyết tương ứng Và máy đo đường huyết loại cảm biến sinh học Cảm biến sinh học gom bon phận chính: đầu thu sinh học, tác nhân cố định, phận chuyển đối tín hiệu phận xử lý, đọc tín hiệu Ket đo đường huyết phản ánh mức đường huyết thời điểm kiếm tra Thêm vào đó, phương pháp phương pháp xâm lấn, tức phải trích máu đề kiểm tra Xu phát triển cơng nghệ tích họp cảm biến thiết bị di động cảm biến tiệm cận, cảm biến vân tay, cảm biến ánh sáng Trong số đó, cảm biến cho phép theo dõi đường huyết phương pháp không xâm lấn phản ánh mức đường huyết theo thời gian thực nhu cầu cấp thiết phù họp với xu phát triển cơng nghệ tương lai Do đối tượng nghiên cứu đề tài thiết kế thiết bị đo điện hóa cầm tay giao tiếp khơng dây với điện thoại có khả đo cường độ dịng điện sinh phản ứng oxi hóa glucose cảm biến sinh học Đầu thu sinh học sử dụng enzyme glucose oxidase cố định điện cực với polymer chitosan Bộ phận chuyển đổi tín hiệu phận xử lý, đọc tín hiệu thiết bị đo điện hóa (qt vịng) thiết kế nhỏ gọn, giao tiếp với điện thoại nhằm đáp ứng việc đo tín hiệu từ đầu thu sinh học dễ dàng nơi Với việc sử dụng mạch điện tử với vi xử lý đại, thiết bị có kích thước nhỏ gọn: 5x6 cm, lập trình c cho vi điều khiển giao tiếp bluetooth low energy (BLE) với điện thoại qua ứng dụng lập trình tảng html javascript Đe kiểm tra khả ứng dụng độ tin cậy, thiết bị thiết kế nhằm xác định nồng độ glucose thông qua phương pháp quét vòng (Cyclic Voltammetry CV) Thiết bị tự thiết kế cho kết tương đồng với thiết bị DY2100B công ty Digi-Ivy, với sai số 0,12 pA đo với dung dịch glucose 0,15 pA thêm enzyme glucose oxidase vào dung dịch glucose CHƯƠNG TÓNG QUAN 1.1 Phản ứng oxi hóa khử Định nghĩa: Phản ứng oxi hóa khử phản ứng có thay đổi số oxi hóa nguyên tố có thành phần phân tử chất phản ứng Chất oxi hóa: chất nhận electron, chất có s.oxh giảm sau phản ứng Chất khử: chất nhường electron, chất có s.oxh tăng sau phản ứng Quá trình khử, trình oxi hóa: Oxi + Kh? -» Khi + 0X2 Oxi + ne -> Khi; Khi -> 0X2 + ne; 1.2 Thế oxi hóa khử Khái niệm: Thế oxi hóa khử (thế khử) cùa cặp oxi hóa khử hiệu điện dạng khử dạng oxi hóa Là đại lượng đặc trưng cho tính oxi hóa khử chất Kí hiệu: E Đơn vị: V(Volt) Xét trình khử: aOx + ne bKh Kí hiệu oxi hóa khử EaOx/bKh Ví dụ: 2FT + 2e H2, oxi hóa khử E2H+/H2 = 0.0 V Fe2+ + 2e Fe, oxi hóa khử EFe2+/Fe= -0.440 V CỈ2 + 2e 2C1~, oxi hóa khử Eci2/2ci-= + 1.360 V Mg2+ Al3’ Zn2+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2' H~ Cu2* Ag+ Mg Sn Cu AI Zn Fe Ni Pb H2 Ag Au3* Au -2,37 -.166 -0,76 -0,44 -0,23 -0,14 -0,13 0,00 0,34 0,8 1,5 Thế oxi hóa khử (E) thước đo tính oxi hóa khử cặp oxi hóa khử E lớn dạng oxi hóa mạnh, dạng khử yếu ngược lại Hình 1: Dãy điện hóa điều kiện tiêu chuấn số cặp aOxh/bKh Kí hiệu E°aOxh/bKh ; Tại điều kiện tiêu chuẩn: Nhiệt độ 25°C; Nong độ ion dung dịch IM; Áp suất khí atm; Thế cặp oxi hóa khử xác định bang phương trình Nernst: RT [Ox]a EOx/Kh - E0x/Kh + np In [Khjb R: số khí lý tưởng n: số electron trao đổi dạng oxi hóa dạng khử Trong đó: T: nhiệt độ F: hang so Faraday [Ox], [Kh]: nồng độ dạng oxi hóa, dạng khử trạng thái cân Thế oxi hóa khử (E) phụ thuộc: Nhiệt độ Bản chất nồng độ dạng oxi hóa dạng khử T = 298K, R = 8,314 J/mol.K, F = 96500 c/mol Phương trình Nernst có dạng: 0.059 [Ox]a E = E° + n 10g[Kh]b •Nếu H+ hay OH có mặt phản ứng có thừa số chúng với số mũ tương ứng • Nong độ cùa H2O khơng có mặt phương trình Nemst • Nong độ chất rắn coi • Nong độ chất khí thay áp suất riêng phần 1.3 Phương pháp đo vòng (Cyclic Voltammetry - CV) Voltammetry Cyclic (CV) phương pháp điện hóa thực phép đo dòng điện sinh pin điện hóa điều kiện điện áp vượt giới hạn theo phương trình Nemst cv thực cách tuần hoàn điện điện cực làm việc đo kết dòng điện cv ứng dụng đe nghiên cứu thơng số định tính q trình điện hóa điều kiện khác như: > Hóa học lượng pháp điện tử (Stoichiometry electron) hệ > Hệ số khuếch tán chất phân tích ... Đe kiểm tra khả ứng dụng độ tin cậy, thiết bị thiết kế nhằm xác định nồng độ glucose thông qua phương pháp quét vòng (Cyclic Voltammetry CV) Thiết bị tự thiết kế cho kết tương đồng với thiết bị. .. độ dòng điện cờ pA Trong đề tài tác giả nghiên cứu thiết kế thiết bị đo điện hóa cầm tay thỏa mãn yêu cầu đe ứng dụng việc đo nồng độ glucose mồ hôi Thiết bị có ý nghĩa quan trọng việc kiểm soát... dịch glucose vào điện cực Thí nghiệm hai thiết bị đo DY2100B thiết bị tự thiết kế Thông số quét the Bảng Bảng 1: Thông số quét cv thiết bị Thông số Thiết bị DY2100B Thiết bị tự thiết kế Init E (V)