Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose

Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.Nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Đức Nghĩa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CARBON ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Nghĩa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ NANOCOMPOSITE CARBON ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN VĨNH HỒNG PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH HÀ NỘI – 2023 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan, luận án thực hướng dẫn người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Vĩnh Hồng PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 06 tháng 10 năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Nghĩa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Trần Vĩnh Hồng PGS TS Huỳnh Đăng Chính i Lời cảm ơn Luận án thực phịng thí nghiệm Bộ mơn Hóa Vơ Đại cương, Viện Kỹ thuật Hóa học (nay Trường Hoá khoa học sống), Đại học Bách khoa Hà Nội Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trần Vĩnh Hồng PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, người thầy tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ mơn Hóa Vơ Đại cương; Viện Kỹ thuật Hóa học (Trường Hố khoa học sống), Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện cho làm thực nghiệm để thực nội dung nghiên cứu luận án Trong q trình nghiên cứu, tơi nhận động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện lãnh đạo, đồng nghiệp Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga nơi công tác, sinh viên nghiên cứu khoa học, học viên cao học thầy nhóm nghiên cứu Advanced Materials and Biosensors (AMB) Tôi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ q báu Tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người thân sát cánh bên tôi, giúp đỡ suốt trình học tập thực luận án Hà Nội, ngày 06 tháng 10 năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Nghĩa ii Mục lục Lời cam đoan ………………………………………………………………….…… i Lời cảm ơn ……………………………………………………………………… ii Mục lục ……………………………………………………………………… iii DANH MỤC VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ix CHƯƠNG 1: Tổng quan 1.1 Cảm biến sinh học 1.1.1 Định nghĩa cấu tạo cảm biến sinh học 1.1.3 Các thành phần cảm biến sinh học 1.1.3.1 Đầu dò (capture probe) 1.1.3.2 Bộ phận chuyển đổi (transducer) 1.1.4 Cảm biến so màu 1.1.5 Một số ứng dụng cảm biến sinh học 1.1.5.1 Ứng dụng kiểm nghiệm an tồn thực phẩm kiểm sốt mơi trường 1.1.5.2 Ứng dụng y sinh học chẩn đoán lâm sàng 1.1.5.3 Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đảm bảo an ninh -quốc phòng 1.2 Enzym 1.2.1 Cấu trúc phân tử đặc tính xúc tác ưu việt enzym 1.2.2 Đặc điểm xúc tác enzym 1.2.3 Tính đặc hiệu enzym 10 1.2.4 Đơn vị đo hoạt độ chế phẩm enzym 10 1.3 Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose 10 1.3.1 Các phương pháp xét nghiệm nồng độ glucose 11 1.3.1.1 Phương pháp so màu sở sử dụng enzym đặc chủng 11 1.3.1.2 Xét nghiệm máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng enzym đặc chủng 12 1.3.2 Các xu hướng phát triển cảm biến glucose 14 1.3.2.1 Tổng hợp ứng dụng vật liệu thay enzym glucose oxidase (GOx) chế tạo cảm biến 14 iii 1.3.2.2 Tổng hợp sử dụng vật liệu có hoạt tính xúc tác thay enzym peroxidase (POD) 15 1.4 Các vật liệu nano tiên tiến carbon nghiên cứu luận án 18 1.4.1 Vật liệu nano bạc (silver nanoparticles-AgNPs) 18 1.4.2 Hạt nano Fe3O4 bọc carbon (cấu trúc lõi/vỏ) (core-shell) 19 1.4.2.1 Vật liệu nano Fe3O4 19 1.4.2.2 Hạt nano Fe3O4 bọc carbon (cấu trúc lõi/vỏ - core-shell) 26 1.4.3 Vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ 29 1.4.3.1 Sắt oxy – hydroxit (FeOOH) 29 1.4.3.2 Chấm cacbon lượng tử pha tạp nitơ (N-GQDs) 30 CHƯƠNG 2: Thực nghiệm 33 2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ thiết bị 33 2.1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 33 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 33 2.2 Tổng hợp vật liệu AgNPs/GQDs ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học 34 2.2.1 Tổng hợp vật liệu AgNPs/GQDs 34 2.2.1.1 Tổng hợp carbon dots phương pháp từ lên (bottom-up) 34 2.2.1.2 Chế tạo vật liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/GQDs) 34 2.2.2 Chế tạo cảm biến phát hydrogen peroxide (H2O2) sở vật liệu AgNPs/GQDs 35 2.2.3 Chế tạo cảm biến glucose sở vật liệu AgNPs/GQDs 35 2.2.4 Ứng dụng cảm biến glucose sở vật liệu AgNPs/GQDs cho mẫu thực 36 2.2.5 Chế tạo hệ thống xét nghiệm hàng loạt, ứng dụng để phát hydrogen peroxide (H2O2) sở vật liệu AgNPs/GQDs sử dụng phần mền ImageJ 36 2.3 Tổng hợp vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học 38 2.3.1 Tổng hợp vật liệu FeC 38 2.3.2 Cảm biến phát hydrogen peroxide (H2O2) sở vật liệu FeC 40 2.3.2.1 Cảm biến phát H2O2 sở vật liệu FeC 40 2.3.2.2 Chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose sở vật liệu FeC 40 2.3.2.3 Ứng dụng vật liệu FeC chế tạo cảm biến xác định glucose dung dịch mẫu thực 40 iv 2.4 Tổng hợp vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ 41 (FN-GQDs) ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học 41 2.4.1 Tổng hợp vật liệu FN-GQDs 42 42 2.4.2 Cảm biến phát hydrogen peroxide (H2O2) sở vật liệu FN-GQDs 43 2.4.2.1 Cảm biến phát H2O2 sở vật liệu FN-GQDs 43 2.4.2.2 Chế tạo cảm biến glucose sở vật liệu FN-GQDs 43 2.5 Khảo sát hoạt tính nanozyme (FeC, FN-GQDs) 44 2.6 Các phương pháp xử lý số liệu 44 2.6.1 Độ nhạy 44 2.6.2 Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) 45 2.6.3 Giới hạn phát (LOD) 45 CHƯƠNG 3: Kết thảo luận 47 3.1 Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs chế tạo cảm biến sinh học so màu phát glucose 47 3.1.1 Tổng hợp đặc trưng vật liệu AgNPs/GQDs 47 3.1.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 sở vật liệu AgNPs/GQDs 51 3.1.2.1 Khảo sát hoạt tính tương tự enzym hydrogen peroxide vật liệu AgNPs/GQDs 51 3.1.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 56 3.1.3 Ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs chế tạo cảm biến sinh học phát glucose phương pháp so màu 57 3.1.3.1 Cảm biến glucose sở vật liệu AgNPs/GQDs 57 3.1.3.2 Ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose mẫu nước tiểu 61 3.1.4 Chế tạo cảm biến phát hydrogen peroxide (H2O2) sở vật liệu AgNPs/GQDs sử dụng phần mền ImageJ 62 3.1.4.1 Tính tốn độ tin cậy cảm biến 63 3.2 Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng vật liệu Fe3O4 bọc carbon (FeC) chế tạo cảm biến sinh học so màu phát glucose 68 3.2.1 Tổng hợp, đặc trưng vật liệu FeC 68 3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 sở vật liệu FeC 72 v 3.2.2.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác tương tự enzym hydrogen peroxidase vật liệu FeC 72 3.2.2.2 Khảo sát động học hoạt tính xúc tác tương tự enzym peroxidase vật liệu FeC 76 3.2.2.3 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 78 3.2.3 Ứng dụng vật liệu FeC chế tạo cảm biến sinh học phát glucose 80 3.2.3.1 Cảm biến sinh học phát glucose sở vật liệu FeC 80 3.2.3.1 Ứng dụng vật liệu FeC chế tạo cảm biến xác định glucose dung dịch mẫu thực 81 3.3 Tổng hợp, đặc trưng ứng dụng vật liệu FN-GQDs chế tạo cảm biến sinh học so màu phát glucose 83 3.3.1 Tổng hợp, đặc trưng vật liệu FN-GQDs 83 3.3.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 sở vật liệu FN-GQDs 86 3.3.2.1 Hoạt tính xúc tác FN-GQDs tối ưu hóa điều kiện phản ứng 86 3.3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 sở vật liệu FN-GQDs 89 3.3.3 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs chế tạo cảm biến sinh học phát glucose 92 3.3.3.1 Cảm biến sinh học xác định glucose dung dịch sở vật liệu FN-GQDs 92 3.3.3.2 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs chế tạo cảm biến sinh học phát glucose nước tiểu 95 Kết luận ……………………………………………………………………….97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 vi DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy dủ tiếng Anh Dịch tiếng Việt DNA Deoxyribonucleic Acid ADN RNA Ribonucleic Acid RNA ELISA Enzym - Linked Immunosorbent Assay Xét nghiệm miễn dịch ELISA LOD Limit of Detection Giới hạn phát ODNs Oligo Deoxyribonucleotides Chuỗi deoxyribonucleotides tổng hợp GOx Enzym Glucose Oxidase Enzym oxi hoá glucose ChOx Enzym Cholesterol Oxidase Enzym oxi hoá cholesterol HRP Enzym Horseradish Peroxidase Enzym Horseradish Peroxidase (một loại enzym phân huỷ hydroperoxit -H2O2) HIV Human Immunodeficiency Virus infection Virus gây suy giảm miễn dịch người SI International Standard Tiêu chuẩn quốc tế IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Hiệp hội quốc tế hóa học ứng dụng POD Enzym Peroxidase Enzym phân huỷ hydroperoxit (H2O2) TMB 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 4-AAP – Aminophenzon – Aminophenzon GQDs Graphen quantum dots Hạt nano carbon có kích thước nhỏ 10 nm N-GQDs N-GQDs Graphen quantum dots pha tạp nitơ XRD X-ray Diffraction Quang phổ nhiễu xạ tia x TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét FT-IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy Phổ hồng ngoại PL Photoluminescence Quang phổ phát quang IONzyme Iron oxide nanozyme Hạt nano oxit sắt có hoạt tính enzym AgNPs Hạt nano bạc Silver nanoparticles AgNPs/G Silver nanoparticles Graphen QDs quantum dots Hạt nano bạc lai tạo Graphen quantum dots FeC FeC Fe3O4 bọc carbon FNGQDs FN-GQDs Vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần chế tạo mẫu 39 Bảng 3.1 So sánh cảm biến glucose sở phương pháp so màu .60 Bảng 3.2 Giá trị đo cường độ hấp thụ trung bình lần đo 64 Bảng 3.3 Kết đo 65 Bảng 3.4 Bảng kết đo mẫu trắng khay Elisa 65 Bảng 3.6 Sai số phép đo phân tích H2O2 có nồng độ 200 mM .67 Bảng 3.7 Bảng so sánh độ tin cậy phân tích xác định H2O2 nồng độ khác 67 Bảng 3.8 Điều kiện tối ưu phản ứng .75 Bảng 3.9 Các thông số Km TMB H2O2 mẫu xúc tác FeC số xúc tác công bố 77 Bảng 3.10 Sai số phép đo 78 Bảng 3.11 Kết tính lượng glucose mẫu thực theo mẫu chuẩn .82 Bảng 3.12 So sánh kết phân tích glucose mẫu huyết cảm biến FeC13 trung tâm y tế 82 Bảng 3.13 Điều kiện tối ưu phản ứng .89 Bảng 3.14 Giới hạn tìm kiếm H2O2 nhỏ số báo cáo trước 90 Bảng 3.15 So sánh số động học Km FN-GQDs với xúc tác khác 92 Bảng 3.16 So sánh LOD số cảm biến glucose công bố trước 95 viii Graphen oxit 50 nM [86] 0,2 µM [114] 0,46 µM [115] FeHPO µM [116] FeVO4 0,2 µM [117] Ce(OH)CO3 0,3 µM [118] 0,28 µM [119] 0,031 µM [120] Chấm nano carbon Hạt nano Pt Lưới nano FeWO4 Hạt nano Fe7(CN)18 (Prussian blue) FN-GQDs 5nM Báo cáo b) Động học xúc tác vật liệu FN-GQDs Như nêu trên, FN-GQDs có khả xúc tác cho phản ứng mơ hình peroxidase tương tự enzym HRP, thơng số đại diện cho hoạt tính FNGQDs tương tự HRP Thông số xác định thơng qua cách khảo sát thí nghiệm động học ổn định H2O2 TMB sử dụng xúc tác FN-GQDs, cách cố định nồng độ chất thay đổi nồng độ chất lại Từ tính K m, hệ số phương trình Michaelis-Menten theo cơng thức (PT 2.5) Hình 3.41 Đồ thị biểu diễn động học FN-GQDs theo phương trình Michaelis-Menten (A, B) phương trình Lineweaver-Burk (C, D) Nồng độ H2O2 0.174 mM nồng độ TMB thay đổi (A, C) Nồng độ TMB 0.347 mM nồng độ H2O2 thay đổi (B, D) Để xây dựng đồ thị theo phương trình Michaelis-Menten Lineweaver-Burk, [C] nồng độ khác chất thay đổi nồng độ, vận tốc ban đầu V tính tốn cơng thức CT 3.4: 91 𝑉= [𝐶 ∗ ] (CT 3.4) 𝑡 Trong đó: t thời gian phản ứng, [C*] nồng độ chất thay đổi nồng độ phản ứng, tính theo định luật Lambert-Beer với b = 1cm, ε = 39000 M/cm Từ giá trị V [C], ta dựng đồ thị tuân theo phương trình Michaelis-Menten Lineweaver-Burk tương ứng với TMB H2O2 (Hình 3.41) Từ đồ thị thu qua hai phương trình động học trên, nhóm nghiên cứu tính tốn số Km FNGQDs với TMB 9,3x10-5 M, với H2O2 5,1x10-5 M Hệ số Km FN-GQDs thu thấp nhiều báo cáo trước (bảng 3.9), điều chứng tỏ khả xúc tác cho phản ứng peroxidase FN-GQDs tốt Bảng 3.14 So sánh số động học Km FN-GQDs với xúc tác khác Xúc tác Km (mM) TMB Hạt nano Fe3O4 Tài liệu tham khảo H2O2 0,098 154 [113] 0,43 0,71 [113] 0,0237 3,99 [86] Chấm nano carbon 0,039 26,77 [114] Hạt nano Pt 0,096 3,07 [115] 0,2333 24,58 [87] 8,63 0,41 [116] Fe3O4 – C 0,313 0,014 [121] FeVO4 0,691 0,0732 [117] 1,18 0,059 [119] Chưa có báo cáo 0,028 [120] 0,093 0,051 Báo cáo Fe3O4 – graphen oxit Graphen oxit C60-cacboxyfullen C60[C(COOH)2]2 FeHPO Lưới nano FeWO4 Hạt nano Fe7(CN)18 (Prussian blue) FN-GQDs 3.3.3 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs chế tạo cảm biến sinh học phát glucose 3.3.3.1 Cảm biến sinh học xác định glucose dung dịch sở vật liệu FN-GQDs Với cảm biến H2O2 chế tạo trên, kết hợp với enzym đặc hiệu glucose glucose oxidase (GOx), nhóm nghiên cứu thiết lập cảm biến định lượng glucose Glucose tác dụng với oxy (O2) xúc tác GOx, tạo sản phẩn axit gluconic H2O2 theo phản ứng mô tả phương trình PT 3.1 92 H2O2 tạo từ phản ứng tác dụng với TMB xúc tác FNGQDs tương tự cảm biến H2O2 nêu Phản ứng glucose GOx phản ứng 37 oC, môi trường đệm PBS có pH = 7, tất điều kiện đếu điều kiện nhà sản xuất enzym GOx đề nghị Hình 3.42 Cơ chế cảm biến glucose sử dụng FN-GQDs thay enzym HRP Cảm biến glucose nhóm nghiên cứu khảo sát độ chọn lọc xây dựng đường chuẩn để khảo sát khoảng tuyến tính, độ nhạy cảm biến a) Độ chọn lọc cảm biến Hình 3.43 So sánh giá trị độ hấp thụ quang A652 mẫu chọn lọc với (a) 0,7 mM glucose; (b) 0,7 mM galactose; (c) 0,7 mM fructose; (d) 0,7 mM axit ascorbic; (e) 0,7 mM saccharose, (f) hỗn hợp 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (g) hỗn hợp 0,7 mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (h) hỗn hợp 0,7 mM glucose + 0,7 mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (i) hỗn hợp 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM galactose; (k) hỗn hợp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM saccharose; (l) hỗn hợp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM galactose + 0,7 mM saccharose Với có mặt glucose, mẫu (a), (h), (k), (l) có giá trị A652 vượt trội so với mẫu cịn lại, đạt giá trị từ 1,0 tới 1,1 Thơng tin thể tính chọn lọc tốt cảm biến, với giá trị A652 thay đổi không đáng kể mẫu (h), (k), (l) so với mẫu (a) mẫu (h), (k), (l) có nhiều chất tạp có tính chất cấu tạo tương tự glucose, nhiên chất không gây tác động nhiều đến hoạt động cảm biến Mặt 93 khác, với tham gia phản ứng galactose axit ascorbic mẫu (b) (d), cảm biến đưa tín hiệu thấy mắt thường TMB chuyển hóa thành màu xanh, với giá trị A652 tương ứng 0,2243 0,1398 Tuy nhiên, hai giá trị A652 thu từ mẫu (b) (d) nhỏ nhiều (khoảng 4,5 lần) so với mẫu (a) đạt yêu cầu chọn lọc cảm biến sinh học b) Đường chuẩn glucose Hình 3.44 (A) Phổ UV-Vis mẫu có nồng độ glucose khác nhau; (B) Đường chuẩn glucose Qua thí nghiệm khảo sát quan hệ tuyến tính nồng độ glucose giá trị hấp thụ phân tử bước sóng 652 nm (A652), nhóm nghiên cứu tìm khoảng tuyến tính cảm biến glucose sử dụng TMB xúc tác FN-GQDs từ 0,008 mM đến 0,8 mM (qua phổ hấp thụ phân tử UV-Vis thể Hình 3.44A Để dựng đường chuẩn, dung dịch chuẩn sử dụng có nồng độ 0,04, 0,06, 0,1, 0,18, 0,22, 0,28, 0,33, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 1,0 1,5 mM Từ đường chuẩn thu (Hình 3.44B, thấy cảm biến glucose đạt trạng thái bão hịa nồng độ mẫu phân tích vượt qua 1mM, thể qua chênh lệch giá trị A652 thu từ mẫu 0,8 mM, mM 1,5 mM không đáng kể Với dung dịch chuẩn từ 0,04 tới 0,8 mM, giá trị A652 nồng độ glucose tuân theo quy luật tuyến tính với R2 = 0,9988 qua phương trình A652 = 1,3755 [Cglucose] – 0,0196 Với phương pháp xác định giá trị giới hạn tìm kiếm nhỏ (LOD) nêu phần đường chuẩn H2O2, mẫu trắng, LOD cảm biến glucose 0,2 x 10-6 M Với khoảng tuyến tính từ 0,008 tới 0,8 mM LOD = 0,2 x 10-6 M, cảm biến glucose 94 thể tiềm ứng dụng xác định nồng độ glucose mẫu thực máu nước tiểu, ứng dụng kiểm tra bảo vệ sức khỏe cộng đồng Bảng 3.15 So sánh LOD số cảm biến glucose công bố trước Hệ xúc tác LODglucose Hạt nano Fe3O4 Fe3O4 – graphen oxit Graphen oxit Chấm nano carbon Hạt nano Pt C60-cacboxyfullen C60[C(COOH)2]2 Fe3O4 – C Lưới nano FeWO4 Ce(OH)CO3 Hạt nano Fe7(CN)18 (Prussian blue) FN-GQDs Tài liệu tham khảo 30 µM [113] 0,74 µM [113] µM [86] 0,4 µM [114] 0,28 µM [115] 0,5 µM [87] µM [121] 0,67 µM [119] 0,4 µM [118] 0,03 µM [120] 0,2 µM Báo cáo Một điều cần nhắc tới độ ổn định yếu tố định cảm biến glucose này, khả ổn định cấu trúc trình chế tạo vật liệu FN-GQDs Cấu trúc vật liệu hoạt tính xúc tác FN-GQDs khơng có thay đổi thời gian dài (ít – tháng lưu trữ tủ lạnh) Đặc biệt, khơng có khác biệt mẻ tổng hợp khác kể cấu tạo vật liệu lẫn hoạt tính Sự ổn định thể khả lưu trữ vật liệu lâu dài tái sản xuất mà chất lượng mẻ không nhiều khác biệt 3.3.3.2 Ứng dụng vật liệu FN-GQDs chế tạo cảm biến sinh học phát glucose nước tiểu Mẫu pha loãng 20 lần với nước tiểu người khỏe mạnh 40 lần với mẫu nước tiểu bệnh nhân tiểu đường cách sử dụng PBS 0.01 M làm dung mơi pha lỗng Như nêu trên, mục đích việc pha lỗng để giảm thiểu nồng độ tạp chất mẫu thực (do nước tiểu dung dịch gồm nhiều chất thải hỗn hợp), khiến ảnh hưởng tạp chất để hoạt động cảm biến giảm thiểu Ngồi việc pha lỗng cịn giúp đảm bảo tín hiệu thu nằm khoảng tuyến tính đường chuẩn (do nước tiểu người bệnh có chứa nồng độ glucose cao vượt khoảng tuyến tính 95 cảm biến, khơng thể xác định xác) Bằng cách thêm dung dịch glucose chuẩn, nồng độ glucose mẫu tăng dần, thu đường tuyến tính theo phương pháp thêm chuẩn (Hình 3.45) Hình 3.45 Phương pháp thêm chuẩn sử dụng cảm biến định lượng glucose: (A, C) phổ UV-vis mẫu thí nghiệm từ nước tiểu (A) người bình thường (C) người bệnh tiểu đường; (B, D) đường chuẩn từ phương pháp thêm chuẩn (B) mẫu người bình thường (D) mẫu người bệnh tiểu đường Phổ UV-Vis phương pháp thêm chuẩn với mẫu nước tiểu người không bị bệnh người bị tiểu đường trình bày Hình 3.45A 3.45C Tiếp đó, đồ thị phương pháp thêm chuẩn trình bày Hình 3.45B 3.9D tương ứng với mẫu nước tiểu người bình thường người bị bệnh Từ giá trị A652 mẫu nước tiểu, qua đường chuẩn glucose Hình 3.45, nồng độ glucose nước tiểu người khỏe mạnh người tiểu đường 1,05 ± 0,01 mM 3,60 ± 0,01 mM Từ phương pháp thêm chuẩn, xác định nồng độ glucose mẫu nước tiểu 0,96 ± 0,01 mM với người bình thường với người bệnh 3,60 ± 0,01 mM Với báo cáo trước đây, nồng độ glucose nước tiểu người khỏe mạnh – 0,8 mM nước tiểu người bệnh 2,8 – 5,6 mM [122] Như vậy, kết thu từ cảm biến glucose cho kết tương đối xác có khả ứng dụng thực tế 96 Kết luận Đã chế tạo thành công chấm graphen lượng tử (GQDs), vật liệu lai tạo nano Ag/nano carbon (AgNPs/GQDs), vật liệu nano Fe3O4 bọc carbon (FeC), vật liệu lai tạo nano FeOOH với chấm graphen lượng tử pha tạp nitơ (FN-GQDs) Phương pháp chế tạo đơn giản, sản phẩm có độ đồng cao phương pháp có triển vọng ứng dụng chế tạo vật liệu với quy mô lớn; Đã khảo sát đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý loại vật liệu chế tạo phương pháp đại UV-vis, XRD, VSM, TEM, SEM, EDX, FT-IR phổ huỳnh quang; Đã ứng dụng vật liệu AgNPs/GQDs để chế tạo thành công cảm biến phát H2O2 cảm biến sinh học glucose nguyên lý cảm biến so màu không đánh dấu với độ nhạy, độ chọn lọc cao giới hạn phát (LOD) thấp Cảm biến H2O2 khoảng phát từ 0,5 đến 100 M LOD 162 nM Cảm biến sinh học glucose có khoảng tuyến tính từ 0,5 mM đến 8mM LOD 30 M, thấp giá trị nồng độ glucose mẫu nước tiểu bệnh nhân bệnh tiểu đường (2,8 - 5,6 mM) Đã ứng dụng vật liệu FeC để chế tạo thành công cảm biến so màu phát H2O2 cảm biến sinh học glucose có độ nhạy, độ chọn lọc cao LOD thấp Khảo sát, lựa chọn vật liệu có tỷ lệ Fe3O4/C=1/3 vật liệu có khả xúc tác tốt để ứng dụng chế tạo cảm biến Cảm biến H2O2 khoảng phát từ 0,5 đến 100 M với LOD 20 M Cảm biến sinh học glucose có khoảng phát từ 0,01 mM đến 0.9 mM LOD 40 M Đã ứng dụng cảm biến để xác định nồng độ glucose dung dịch, huyết mẫu máu cho kết sai số