Nghiên ứu hế tạo ảm biến sinh họ trên ơ sở vật liệu zno ấu trú nano ứng dụng phát hiện vi khuẩn salmonella

TỔ NG QUAN

C m bi n sinh h c ả ế ọ

Cảm biến sinh học, theo định nghĩa của IUPAC năm 1999, là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin được phân tích định lượng và bán định lượng về một phân tử sinh học Cảm biến sinh học bao gồm ba bộ phận chính: (1) phần thu sinh học, (2) phần chuyển đổi và (3) bộ phận xử lý và đọc tín hiệu.

Hình 1.1 C u tấ ạo chung c a c m bi n sinh h c ủ ả ế ọ

Tùy thuộc vào phương pháp nhận biết sinh học và quá trình chuyển đổi, cảm biến sinh học được phân loại thành nhiều loại khác nhau như cảm biến enzyme, cảm biến miễn dịch (immunosensors), cảm biến DNA (deoxyribonucleic acid), cảm biến sinh học điện hóa và cảm biến sinh học quang Trong chẩn đoán bệnh, người ta dựa vào yếu tố nhận diện sinh học để phân loại cảm biến Hình 1.2 thể hiện xu hướng số lượng bài báo khoa học trong lĩnh vực này.

Từ năm 2010 đến 2018, Scopus đã công bố số liệu liên quan đến lĩnh vực công nghệ sinh học, đặc biệt là trong các phân tích enzyme Số lượng bài báo trong lĩnh vực công nghệ sinh học này đã tăng đều từ năm 2013 đến 2017, nhưng ghi nhận sự giảm mạnh vào năm 2018 Trong đó, số lượng bài báo về enzyme chiếm ưu thế và các nghiên cứu liên quan đến công nghệ sinh học trên kháng thể đã đạt vị trí thứ hai trong tổng số bài báo được công bố.

Hình 1.2 Xu hướng về s ố lượng bài báo được xu t bấ ản hàng năm liên quan đến c m ả bi n sinh h c d a trên các phế ọ ự ầ ửn t nh n bi t sinh h c [14] ậ ế ọ

Các máy phân tích sinh học enzyme là công cụ hiệu quả để xác định các chất phân tích Enzyme trong hệ thống này hoạt động như các phân tử sinh học, kết hợp với chất phân tích để chuyển đổi chúng thành tín hiệu có thể đo được Nguyên lý hoạt động của các máy này dựa trên việc phát hiện sự hiện diện của chất phân tích thông qua các phép đo chính xác.

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 14 ITIMS 2017-2019 s ự thay đổi như: nồng độ proton (H + ), gi i phóng ho c h p ph khí (ví d , COả ặ ấ ụ ụ 2, NH3,

Enzyme là các phân tử có tính chọn lọc cao và hoạt động nhanh chóng trong các phản ứng hóa học, đặc biệt trong quá trình tiêu thụ cơ chất và hình thành sản phẩm Chúng có khả năng kết hợp với nhiều cơ chế truyền tín hiệu khác nhau, khiến enzyme trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu chính trong lĩnh vực sinh học Mặc dù một số phân tử RNA có thể hoạt động như xúc tác, hầu hết các enzyme đều là protein.

Nguyên lý hoạt động của các cảm biến DNA dựa trên sự lai hóa thông qua liên kết hydro giữa DNA mục tiêu và chuỗi bổ sung của nó Nguyên tắc này thường được sử dụng bằng cách cố định DNA đơn sợi (ssDNA) trên một bề mặt thích hợp Sự lai hóa này thường được phát hiện bởi hai phương pháp khác nhau: (1) phát hiện các chất chỉ thị điện độ tại một ngưỡng nhất định (sử dụng nhãn), và (2) phát hiện tín hiệu được tạo ra bởi sự thay đổi điện động của DNA như mô tả trong hình 1.3.

Hình 1.3 Thiế ết k chung và nguyên lý làm vi c c a c m biệ ủ ả ến sinh h c DNA [4]ọ

Phân t ửDNA trong cơ thể ống thườ s ng t n tồ ại dướ ại d ng xo n ắ kép, dưới tác động

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ, pH và hóa chất đến sự phân tách của các mạch nucleic cho thấy rằng các đầu thu axit nucleic được sử dụng phổ biến trong các công trình sinh học do giá thành rẻ và tính chính xác cao Các thiết bị này cho phép phát hiện các đối tượng liên quan đến gen, sự biến đổi trong cấu trúc của DNA, phát hiện DNA của tế bào ung thư và xác định các đột biến gen.

Aptasensors là các thiết bị sinh học được phát triển từ aptamers, với tính ổn định và thích nghi cao hơn trong các điều kiện khác nhau Aptamers là các chuỗi đơn của RNA (axit ribonucleic) hoặc DNA, liên kết với các phân tử mục tiêu của chúng với độ đặc hiệu và ái lực cao Nhờ tính chất đặc biệt của aptamers, aptasensors được coi là công cụ hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản hóa minh họa tương tác aptamer-m c tiêu [22] ụ

Aptamers đã được phát triển cho nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt trong sinh học phân tử Chúng có khả năng thay thế các yếu tố sinh học trong các quy trình phát hiện protein, giúp tăng tốc độ và độ chính xác So với kháng thể, aptamers có nhiều ưu điểm như tính ổn định cao và kích thước nhỏ (30 - 100 nucleotide), cho phép sử dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng.

Aptamer là các phân tử sinh học có khả năng gắn kết với các mục tiêu cụ thể như kháng thể hoặc enzyme, cho phép nghiên cứu và phát triển với mật độ cao Việc sản xuất, thu nhận, tích hợp và tối ưu hóa aptamer có thể thực hiện dễ dàng hơn so với kháng thể Sau khi được chọn lọc, aptamer có thể được tối ưu hóa với độ tái lập và độ tinh khiết cao Aptamer có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

Tương tác giữa aptamer và ch t mục tiêu đượấ c minh h a trong hình 1.4 ọ

Các aptamer DNA có độ ổn định cao, cho phép tái sử dụng trong các cảm biến sinh học, trong khi aptamer RNA lại dễ bị thoái hóa do sự hiện diện của ribonuclease trong tế bào và huyết thanh Do đó, việc sử dụng aptamer RNA trong cảm biến sinh học có thể hạn chế hiệu quả trong các phép đo môi trường sống Cả aptamer DNA và RNA đều có thể được biến tính hóa để thích ứng với những thay đổi về hình dạng, tùy thuộc vào chất phân tích.

Cảm biến miễn dịch đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, trở thành công cụ hữu ích trong chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường và đảm bảo an toàn thực phẩm nhờ vào tính đặc hiệu cao của chúng Nguyên lý hoạt động dựa trên việc phát hiện, xử lý và hiện thực hóa tín hiệu gây ra bởi sự hình thành phức hợp kháng thể - kháng nguyên Tương tác giữa kháng thể và kháng nguyên diễn ra theo nguyên tắc "khóa và chìa khóa", mang tính đặc hiệu cao Cảm biến miễn dịch là thiết bị phân tích tích cực không cần xử lý mẫu trước và có khả năng phân tích nhiều loại mẫu như máu, huyết thanh, nước tiểu, chứa các cơ chất như protein, axit amin, đường, hormone Đặc biệt, cảm biến miễn dịch có ưu điểm vượt trội về thời gian và độ nhạy so với các phương pháp khác.

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 17 ITIMS 2017-2019

Hình 1.5 mô tả các cấu hình liên kết của xét nghiệm miếng dán, bao gồm: (A) hình thành cấu trúc bánh sandwich, (B) xét nghiệm miếng dán kiểu cạnh tranh, (C) hình thành cấu trúc bánh sandwich ở dạng rỗng, và (D) hình thành cấu trúc bánh sandwich trên bề mặt (hệ nano-vĩ mô).

Cảm biến mini có hai phương pháp phát hiện: phát hiện trực tiếp và phát hiện gián tiếp thông qua chất đánh dấu trung gian Phát hiện gián tiếp tăng độ nhạy nhưng giảm tính chọn lọc do sự phụ thuộc vào chất đánh dấu, đồng thời tốn nhiều thời gian và công sức cho quá trình kháng thể với chất đánh dấu Do đó, cảm biến mini phát hiện trực tiếp thường được ưa chuộng hơn, cho phép đo mẫu với kết quả chính xác mà không cần thêm bất kỳ chất nào khác.

Kháng thể là các protein huyết tương hình cầu, có trọng lượng khoảng 150 kDa Chúng còn được gọi là glycoprotein, bao gồm hai chuỗi nặng và hai chuỗi nhẹ, tạo thành hình dạng chữ Y.

Hình 1.6 Sơ đồbiểu diễn c u trúc hình ch Y c a mấ ữ ủ ột kháng th [12][51]ể

T ng quan v v t li u ZnO ổ ề ậ ệ

ZnO là chất bán dẫn thuộc loại hợp chất II-VI, thường tồn tại dưới hai dạng thù hình chính: dạng lập phương giả kẽm và dạng lục giác Wurtzite.

Hình 1.9.C u trúc l c giác kiấ ụ ểu wurtzite c a ZnOủ [38]

Do đó tính chấ ậ ệu này đặc trưng tính chấ ủt v t li t c a các nguyên t nhóm II b và ố

VI Các tính ch t vấ ật lý c a v t li u ZnO d ng khủ ậ ệ ạ ối được tóm t t trong b ng 1.1 ắ ả

Các đặc tính quan trọng của vật liệu nano ZnO bao gồm độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học cao với IEP (điểm đẳng điện) trong khoảng pH 9 - 9.5 Điều này giúp phù hợp với việc hấp phụ các protein có IEP thấp, vì sự hấp phụ protein được xác định bởi các tương tác tĩnh điện.

B ng 1.1.ả Các đặc tính v t lý c a ZnO khậ ủ ối [56].

Các h ng s m ng nhiằ ố ạ ở ệt độ phòng a = 3,250 Å; c = 5,205 Å Điểm nóng ch y ả 2250 K

Khối lượng hi u d ng ệ ụ điệ ửn t 0,24

Khối lượng hi u d ng l tr ng ệ ụ ỗ ố 0.59

Năng lượng vùng cấm ở nhiệt độ phòng 3,37 eV

Năng lượng liên k t exciton ế 60 meV

H ng s nhiằ ố ệt điệ ởn 573 K 1200 mV/K

H ng s ằ ố điện môi tĩnh 8.656 Độ linh động điệ ửn t Hall 300K ở 200 cm 2 /Vs Độ linh động l ng Hall 300K ỗ trố ở 5 - 50 cm 2 /Vs

Vật liệu nano ZnO có bề mặt giàu các nhóm -OH, giúp dễ dàng chức năng hóa với các phân tử khác nhau Với các đặc tính mong muốn này, ZnO đã thu hút sự quan tâm lớn trong các ứng dụng sinh học và hóa học.

1.3 C m biả ến miễn d ch n hóa trên ị điệ cơ sở ậ v t li u c u trúc nano ZnO ệ ấ

Trong những năm gần đây, cấu trúc nano ZnO, bao gồm thanh nano, dây nano và hạt nano, đã thu hút sự quan tâm đáng kể so với màng khí ZnO Các ứng dụng của ZnO nano trong công nghệ cảm biến sinh học đang ngày càng được nghiên cứu và phát triển.

Here is the rewritten paragraph:Nguyễn Thị Hợp Phước đã nghiên cứu 24 ITIMS từ năm 2017-2019 và phát hiện ra vật liệu cấu trúc nano có những đặc tính độc đáo như phản ứng nhanh và độ nhạy cao hơn cấu hình thường Kích thước nhỏ của chúng làm tăng diện tích bề mặt, tăng tính chất liên kết, và vật liệu cấu trúc nano ZnO có thể phát hiện được các đơn phân tử.

Milo cầm biên sinh hỗ trợ có những ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào đối tượng cần dò tìm Gần đây, các nhà khoa học trong nước và quốc tế đã chú trọng đến việc phát triển các loại cầm biên mới để phát hiện vi khuẩn gây bệnh Các loại cầm biên này có nhiều ưu điểm vượt trội như độ nhạy và độ đặc hiệu cao, đặc biệt có khả năng phát hiện trực tiếp vi khuẩn kháng thuốc trong mẫu bệnh phẩm mà không cần xử lý trước.

Hình 1.10 nh FESEM cẢ ủa thanh nano ZnO được chế ạ t o bằng phương pháp thủy nhi t do ệ

James Jungho Pak và c ng s ộ ựchế ạo [33] t

Năm 2014, nhóm tác giả James Jungho Pak đã phát triển cảm biến miễn dịch điện hóa dựa trên thanh nano ZnO nhằm phát hiện Legionella pneumophila, vi khuẩn gây ra bệnh Legionnaires và bệnh Pontiac, với giới hạn phát hiện dưới 1 pg/mL và độ chọn lọc cao.

Ashutosh Sharma và cộng sự đã thành công trong việc chế tạo cảm biến dựa trên hệ thống nano ZnO nhằm phát hiện chất đánh dấu sinh học trong ung thư vú, với khả năng nhận diện ở nồng độ rất thấp.

1 fM (4.34 × 10 -5 ng/mL) b ng k ằ ỹthuật ph t ng tr ổ ổ ở

Hình 1.11 nh SEM c a sẢ ủ ợi nano ZnO được ch t o bằng phương pháp phun tĩnh điệế ạ n v i ớ các điều ki n khác nhau do Ashutosh Sharma và c ng s ệ ộ ự đã chế ạ t o [1]

Hình 1.12 Ảnh SEM c a hoa nanno ZnO (A) và c u trúc Au-ủ ấ hoa nano ZnO (B) được

Chunyan Li và c ng s ộ ựchế ạ t o [13]

Gần đây, Chunyan Li và các cộng sự đã phát triển một công nghệ kết hợp màng điện hóa trên cơ sở cấu trúc dị thể Au-nano ZnO để phát hiện alpha-fetoprotein, một loại protein quan trọng trong chẩn đoán ung thư gan, với giới hạn phát hiện chỉ khoảng 0.56 pg/mL.

Hiện nay, vấn đề nghiên cứu về điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO có cấu trúc nano để phát hiện và ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm ngày càng tăng Theo thống kê trên trang thông tin ISI Web of Science, có khoảng 343 bài báo liên quan đến điện hóa và điện hóa trên cơ sở vật liệu ZnO có cấu trúc nano Mặc dù đã có nhiều công trình tiêu biểu, nhưng vẫn còn ít nghiên cứu về vấn đề này.

Trong giai đoạn 2017-2019, nghiên cứu của chúng tôi đã tập trung vào việc phát triển các vật liệu điện hóa dựa trên ZnO cấu trúc nano, với mục tiêu cải thiện hiệu suất của các cảm biến Các thông tin chi tiết về những tiến bộ này được tổng hợp trong bảng 1.2.

B ng 1.2.ả M t sộ ố công trình tiêu bi u trong nhể ững năm gần đây về ả c m bi n mi n dịch điện ế ễ hóa trên cơ sở ậ ệ v t li u ZnO c u trúc nano ấ

Phương pháp đo Đối tượng

MOF Nhiệt phân CV và

SPAuE Flame transport CV và

EIS Helicobacer - pylori 0.2 ng/mL 2018 [7]

NRs-Au NPs Thủy nhi t ệ CV

Kháng nguyên ung thư buồng trứng CA125/

ZnO NRs Thủy nhi t ệ Volt- ample Vi H1N1, rút

2D ZnO Hóa âm CV và

EIS Cortisol 1 pM 2014 [57] ZnO NRs Thủy nhi t ệ ELISA Legionella pneumophila 1 pg/mL 2014 [33] ZnO NRs Thủy nhi t ệ ELISA Vi rút H1N1

ZnO có thể được tổng hợp với các hình thái nano khác nhau thông qua nhiều phương pháp, trong đó phương pháp thủy nhiệt được ưa chuộng nhất nhờ vào những ưu điểm nổi bật Phương pháp này dễ thực hiện, tiết kiệm thời gian và năng lượng, có chi phí thấp, thân thiện với môi trường, và sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao Ngoài ra, nhiệt độ tổng hợp trong phương pháp thủy nhiệt thường thấp hơn so với các phương pháp khác, giúp cải thiện hiệu quả sản xuất.

Trong nghiên cứu của chúng tôi từ năm 2017 đến 2019, chúng tôi đã áp dụng phương pháp pháp thí nghiệm để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano ZnO Chúng tôi điều chỉnh thời gian, nồng độ và nhiệt độ để đạt được vật liệu với các hình thái và cấu trúc khác nhau.

Ngày nay, công nghệ dò tìm và phân tích bằng điện hóa đã phát triển nhanh chóng, mang lại nhiều lợi ích trong việc phát hiện chất phân tích trong môi trường lỏng hoặc có màu, đặc biệt là trong cơ thể bệnh nhân Bài viết này tập trung vào việc sử dụng cảm biến điện hóa để phát hiện vi khuẩn Salmonella, nhấn mạnh những ưu điểm của phương pháp này Đáng chú ý, chưa có nghiên cứu nào liên quan đến cảm biến điện hóa dựa trên vật liệu nano ZnO, điều này làm nổi bật sự cần thiết của nghiên cứu trong lĩnh vực này Các đặc điểm chung của vi khuẩn Salmonella sẽ được trình bày chi tiết trong bài viết.

Salmonella là một loại vi khuẩn Gram âm, có kích thước trung bình từ 2 - 3 x 0,5 - 1 µm, với khả năng di chuyển bằng lông mao Các chủng S gallinarum và S pullorum không tạo bào tử và phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ từ 6 °C đến 42 °C, tối ưu ở 35 °C - 37 °C Vi khuẩn này ưa thích môi trường có pH từ 6 đến 9, với pH lý tưởng là 7,2 Trong khoảng nhiệt độ từ 18 °C đến 40 °C, Salmonella có thể tồn tại lên đến 15 ngày Hình 1.13 minh họa hình ảnh vi khuẩn Salmonella.

Salmonella là vi khu n k khí tùy nghi phát triẩ ỵ ển được trên các môi trường nuôi

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 28 ITIMS 2017-2019 cấy thông thường Trên môi trường thích h p, vi khu n s phát tri n sau 24 giợ ẩ ẽ ể ờ

Vi khu ẩ n salmonella

Salmonella là một loại vi khuẩn Gram âm, có kích thước trung bình từ 2 - 3 x 0,5 - 1 μm, di chuyển bằng lông roi Hai loài chính của Salmonella là S gallinarum và S pullorum Vi khuẩn này không tạo bào tử và phát triển tốt ở nhiệt độ từ 6°C đến 42°C, với nhiệt độ tối ưu là 35°C - 37°C Môi trường pH thích hợp cho sự phát triển của Salmonella nằm trong khoảng 6 - 9, tối ưu nhất ở pH 7,2 Ở nhiệt độ từ 18°C đến 40°C, vi khuẩn có thể sống sót lên đến 15 ngày.

Salmonella là vi khu n k khí tùy nghi phát triẩ ỵ ển được trên các môi trường nuôi

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 28 ITIMS 2017-2019 cấy thông thường Trên môi trường thích h p, vi khu n s phát tri n sau 24 giợ ẩ ẽ ể ờ

Salmonella không lên men lactose, nhưng có khả năng lên men glucose và sinh hơi Thông thường, chúng không lên men sucrose, salicin và inositol, nhưng có thể sử dụng citrate trong môi trường Simmons Tuy nhiên, không phải tất cả các loài Salmonella đều có những đặc tính này; ví dụ, S typhi lên men glucose mà không sinh hơi và không sử dụng citrate trong môi trường Simmons.

Salmonella có ba loại kháng nguyên chính: kháng nguyên thân O, kháng nguyên lông H và kháng nguyên v K Những kháng nguyên này khi xuất hiện trong cơ thể sẽ kích thích phản ứng miễn dịch, tạo ra các sản phẩm đặc hiệu để đáp ứng với sự kích thích đó.

Vi khuẩn thương hàn (S.typhi) có kháng nguyên V (Virulence) là y u t ế ốchống th c bào ự giúp cho vi khuẩn thương hàn phát triển bên trong t bào b ch c u ế ạ ầ [30]

Các triệu chứng lâm sàng chính liên quan đến nhiễm khuẩn Salmonella bao gồm thương hàn và viêm dạ dày ruột Thương hàn là một bệnh lý do nhiễm các vi khuẩn Salmonella đặc hiệu ở người.

S typhi và S Paratyphi T t c các b nh nhi m trùng ấ ả ệ ễ Salmonella bắt đầu b ng viằ ệc ăn ph i các sinh v t trong th c ph m hoả ậ ự ẩ ặc nước b ô nhiị ễm Các điều kiện làm tăng pH dạ dày làm gi m mả ức độ lây nhi m ễ Salmonella, điều này cho thấy độ axit c a d dày th ủ ạ ể hi n m t rào cệ ộ ản đáng kể ban đầu đố ới v i nhiễm trùng [30] Việt Nam, nghiên c u ứ cho th y ấ Salmonella, m t vi khu n gây b nh có m t h u h t trong th c ph m có nguộ ẩ ệ ặ ầ ế ự ẩ ồn g c t ng v t bao g m gia c m, tr ng, cá, nhím, h i s n và các s n ph m thố ừ độ ậ ồ ầ ứ ả ả ả ẩ ức ăn của chúng [8]

Các phương pháp phân tích điệ n hóa

1.5.1 Phương pháp quét thế vòng (CV)

Phương pháp quét thế vòng (CV) dựa trên nguyên lý đặt điện thế biến đổi tuần hoàn lên điện cực làm việc, trong khi dòng ghi nhận phụ thuộc vào điện thế và tuân theo định luật Nernst Khi thực hiện quét CV trên bề mặt điện cực nghiên cứu, đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện thế và dòng điện sẽ có hình dạng đặc trưng như hình 1.14.

Xét chiều quét điện th ế ban đầu theo chiều dương từ điện th ế âm hơn so với điện

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 29 ITIMS 2017-2019 thế ự c c chu n Eẩ 0 tương ứng v i quá trình ôxy hóa: ớ

Khi điện thế thấp hơn E0, dòng điện ban đầu là dòng non-Faraday, tương ứng với dòng điện phóng đại Khi điện thế tăng đạt tới E0, quá trình oxy hóa bắt đầu, và dòng điện trở thành dòng Faraday Khi điện thế tiếp tục dịch chuyển về phía dương, nồng độ chất khử trên bề mặt điện cực giảm, dẫn đến sự khuếch tán chất khử đến bề mặt điện cực và dòng anod tăng Dòng điện đạt cực đại Ipa tại điện thế Epa là thời điểm số lượng phản ứng oxy hóa diễn ra nhiều nhất Dòng điện tiếp tục giảm do nồng độ chất khử ngay sát bề mặt điện cực bị triệt tiêu, sau đó chất oxy hóa được tạo thành và quá trình quét lại đảo ngược.

Hình 1.14 Quan hệ giữa điện th ế và dòng điện trong th quét vòng [22].ế

Khi quét th ế ngượ ạ ềc l i v phía âm, quá trình kh xử ảy ra theo phương trình sau:

Chất ôxy hóa (O) bị khử thành chất khử (R) khi điện thế đi qua điểm E0 Khi điện thế dịch chuyển về phía âm, nồng độ chất ôxy hóa trên bề mặt điện cực giảm dần, dẫn đến dòng điện tại catốt tăng Khi số lượng phản ứng xảy ra đạt cực đại, dòng điện sẽ đạt giá trị cực đại Ipc tại điện thế Epc Đường phân cực thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện I (A) và điện thế.

E (V) được biểu diễn trên hình 1.10, trong đó Ipa và Ipc là dòng điện cực đại của anôt và catôt, còn Ep và Epc là điện thế cực đại của anôt và catôt.

1.5.2 Phổ t ng tr n hóa (EIS) ổ ở điệ

Phổ ổ t ng tr ở điện hóa (EIS) là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu các hiện tượng hóa lý xảy ra trên bề mặt phân chia rắn-lỏng EIS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như pin điện hóa, pin nhiên liệu, lớp phủ hữu cơ, vật liệu gốm, bán dẫn và cảm biến sinh học Ưu điểm của phương pháp này trong cảm biến sinh học là điện áp đặt lên điện cực rất tinh tế, do đó không làm ảnh hưởng đến hoạt tính của các thành phần sinh học.

1.5.2.1 Lý thuy t ph t ng tr ế ổ ổ ở

Khi một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin U0 với tần số góc ω=2πf đi qua hệ điều hòa, mạch sẽ tạo ra dòng điện hình sin có biên độ I0 và tần số góc ω Dòng điện này sẽ bị lệch pha một góc ϕ so với điện thế đầu vào.

Hình 1.15 Sơ đồ kh i mô phố ỏng nguyên lý đo tổng tr ở o sin t (1.3)

Theo định lu t Ohm có th ậ ể định nghĩa tổng tr ở Z như sau:

Tính ch t c a Z (ấ ủ ) là: là một vectơ có modun và góc l ch pha ệ  là m t hàm ph c ộ ứ

Ta có th bi u di n hình h c c a Z (ể ể ễ ọ ủ ) trên m t ph ng phặ ẳ ức như sau :

Hình 1.16 Biểu diễn hình h c các ph n t ph c ọ ầ ử ứ

Khảo sát đặc tính t n s Z = f (ầ ố ) cho phép xác định các đại lượng Z, Zr, Zi và góc l ch pha ệ  = arctg (Zi/Zr)

1.5.2.2 Mô hình mạch tương đương Randles

Khi h ệ điện hóa ti p xúc v i dung dế ớ ịch điện ly ch a c p ch t ôxy hóa - ứ ặ ấ khử ại , t phân biên giữa điện c c và dung dự ịch điện ly x y ra ph n ng: ả ả ứ

Trong hệ điện hóa, n đại diện cho số điện tử, O là quá trình oxy hóa, và R là chất khử Tính chất điện của hệ điện hóa được mô tả bằng một mạch điện tương đương, trong đó mô hình mạch tương đương Randles thường được sử dụng cho hệ điện hóa trong dung dịch điện ly.

Mạch điện tương đương bao gồm hai thành phần mắc song song, trong đó dòng điện ổn định được biểu diễn bằng tổng của hai thành phần nhánh: dòng Faraday (if) và dòng không Faraday (ic) Dòng điện trong hệ điện hóa được thể hiện qua công thức: i = if + ic (1.9) Dòng điện Faraday (if) là dòng điện được sinh ra trong phần oxi hóa - khử.

Quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực khi tiếp xúc với dung dịch điện ly, dẫn đến việc tích điện dương Mức độ điện tương đương được mô tả bằng mô hình Randles.

1.5.2.3 Các thành ph n trong mầ ạch tương đương Randles

Trở kháng bao gồm điện trở chuyển điệu giữa hợp chất oxy hóa khử và bề mặt điện cực, điện dung giữa điện cực và các ion tích điện trong dung dịch, cùng với điện trở dung ở giữa các điện cực Những yếu tố này ảnh hưởng đến trở kháng do sự khuếch tán của hợp chất oxy hóa khử tại bề mặt điện cực Các yếu tố này được xác định trong mô hình hiển thị trong hình 1.18.

Điện trở (Rs) là đại lượng đo lường khả năng dẫn điện của dung dịch, phụ thuộc vào nồng độ ion, loại ion, nhiệt độ và hình thái của điện cực.

C d : dung d ch l p kép hình thành do các ion trong dung d ch di n ly tích t trên ị ớ ị ệ ụ b mề ặt điện c c làm vi c ự ệ

Rct: điện tr ởtruyền điện tích, kh ả năng của h p ch ôxy hóa kh ợ ất ử tương tác với b mề ặt điện c c thông qua v n chuyự ậ ển điệ ửn t

Trở kháng Warburg là một yếu tố quan trọng trong quá trình khuếch tán ion đến bề mặt điện cực, trong khi điện trở của quá trình vận chuyển khối lượng cũng đóng vai trò thiết yếu Trở kháng Warburg phụ thuộc vào các thành phần hóa học và điều kiện môi trường, cũng như tỷ lệ nồng độ ion trong dung dịch.

Hình 1.18 Mô hình mạch tương đương Randles cho trở kháng ph c c ứ ủa hệ thống điện c c ba chân trong dung dịch ion ự

Người ta có th tính t ng tr kháng c a mể ổ ở ủ ạch này đối v i các giá tr c a các thành ớ ị ủ ph n và t n s ầ ầ ố như trong phương trình sau đây:

V j ới: Phổ ở kháng Faradaic được trình bày dướ ạng đồ ị tr i d th Nyquist được trình bày trong hình 1.19

Đồ thị Nyquist cung cấp thông tin về các biên bề mặt điện và phản ứng chuyển điện tử Đồ thị này thường bao gồm một vùng bán nguyệt nằm trên trục phía sau, với một đường thẳng Phần bán nguyệt được quan sát ở tần số cao, tương ứng với quá trình chuyển điện tử, trong khi phần tuyến tính thể hiện đặc trưng của tần số thấp hơn, phản ánh quá trình điện hóa khuếch tán bị giới hạn.

Nguy cơ thiên tai trong giai đoạn 2017-2019 đã gia tăng nhanh chóng, đặc biệt là tại khu vực Đồng Phước, với sự xuất hiện của nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan Quá trình chuyển đổi khí hậu đã dẫn đến sự hình thành các vùng bán nguy hiểm, gây ra những thách thức lớn cho công tác phòng ngừa và ứng phó Việc thiếu các tuyến giao thông kết nối an toàn đã làm tăng mức độ rủi ro cho cộng đồng địa phương.

Ch ế ạ t o c m bi n mi n d ả ế ễ ịch điệ n hóa

Các hóa chất được sử dụng trong luận văn này được mua từ hãng Sigma-Aldrich tại Singapore, đảm bảo độ tinh khiết ở cấp độ phân tích mà không cần phải làm sạch thêm (Bảng 2.1).

B ng 2.1.ả Hóa ch t dùng cho ch tấ ế ạo c m bi n ả ế

Tên hóa ch t ấ Hãng s n xu t ả ấ Xuấ ứt x

Phosphate buffered saline (PBS) Sigma-Aldrich M ỹ

Bovin Serum Albumin (BSA) Sigma-Aldrich M ỹ

(3-mercaptopropyl) trimethoxysilane (MTS) Sigma-Aldrich M ỹ

N-( -maleimidobutyryloxy)- sulphosuccinimide ester (GMBS) Sigma-Aldrich M ỹ

Hexamethylene tetramine (HMTA) Sigma-Aldrich M ỹ

Kháng th ể đa dòng thỏ kháng

Salmonella enterica Viện V ệsinh ch Dị t Trung ễ ương Việt Nam Khuẩn Salmonella Viện V sinh D ch ệ ị t ễ Trung Ương Việt Nam

Nghiên cứu điện hoá đã được thực hiện bằng máy đo điện hoá đa năng PalmSen3 (Palm Instruments BV, Hà Lan) với phần mềm PS.Trace 4.8, như thể hiện trong hình 2.1.

Hình 2.1 H ệ đo điện hóa Palmsen 3 và thi t bế ị tích h p ph n mợ ầ ềm đo điện hóa

2.1.2 Quy trình ch tế ạo điện c c Pt/ự Cr/SiO2/Si

Các điện cực Pt được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử trên một mặt tấm silic (Si) 4 inch Thiết kế chip được mô tả trong hình 2.2, bao gồm các điện cực đếm Cr/Pt, điện cực làm việc và điện cực so sánh.

Hình 2.2 Mô hình chip c m bi n ả ế

Lớp kép Cr/Pt với độ dày 20/150 nm được hình thành trên đế Si đã được oxy hóa bằng kỹ thuật phún xạ, tạo ra một lớp SiO2 dày 300 nm Lớp Cr mạ ướt giúp cải thiện khả năng bám dính của lớp Pt lên đế.

Hình 2.3 Quá trình chế ạo điệ t n c c Pt-Cr/SiOự 2/Si

2.1.3 Quy trình m c thanh nano ZnO bọ ằng phương pháp thủy nhi t ệ

Quá trình chế tạo nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt bao gồm hai bước chính: (1) tổng hợp ZnO và (2) mạ nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp.

(1) t o m m ZnO M t l p Zn 20 ạ ầ : ộ ớ nm đã đượ ắng đọc l ng b ng cách phún x ằ ạ trên l p Pt cớ ủa điện c c làm vi c s d ng làm l p mự ệ ử ụ ớ ầm.

(2) mọc thanh nano ZnO bằng phương pháp th y nhiủ ệt ở nhiệt độthấp (hình 2.4)

Để chuẩn bị dung dịch Zn(NO₃)₂.6H₂O và HMTA (hexamethylenetetramine), cần hòa tan chúng trong nước với các nồng độ khác nhau Trong quá trình này, HMTA đóng vai trò quan trọng trong việc tạo phức với ion Zn²⁺ và tạo ra môi trường bazơ yếu, hỗ trợ cho quá trình thay nhi tủ ệ.

Here is the rewritten paragraph:Điện cực ZnO được gắn lên giá đỡ với góc nghiêng 45 độ, mặt điện cực hướng xuống dưới Theo các nghiên cứu, góc nghiêng 45 độ là góc thu lợi cho việc tăng nhạy cảm.

- Đổ dung dịch đã pha vào cốc, khu y m nh (700 vòng/phút) h n h p dung dấ ạ ỗ ợ ịch trong 2 gi 25 ờ ở o C

- Nhúng h ệ giá đã gắn điện c c vào c c ch a dung d ch trên ự ố ứ ị

- Lò nhiệt được gia nhi t lên các nhiệ ệt độ thích hợp để phản ứng trong dung dịch x y ra và duy trì nhiả ở ệt độ 80 o C trong 24 h [41]

- Điện cực đượ ấc l y ra rửa s ch bạ ằng nước kh ion làm khô bử ằng khí trơ N2

- Ủ điện cực ở 400 o C cho v t li u vậ ệ ừa m c bám dính tọ ốt hơn trên điện c c ự

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình mọc thanh nano

Trong đề tài này chúng tôi ti n hành ch t o ba mế ế ạ ẫu như bảng 2.2

B ng 2.2.ả T ng hổ ợp hệ ẫu đượ m c ch tế ạo

Tên m u ẫ Nồng độ Nhiệt độ Thời gian

Thanh nano đường kính nh ỏ 0.01 M 80 o C 24 h

Màng mỏng Phương pháp phún xạ và nhi t 400 ủ ệ ở o C

M u sau khi s y khô và ẫ ấ ủ được đem đi phân tích, kh o sát hình thái, c u trúc và ả ấ chức năng hóa bề ặ m t.

Ch ức năng hóa bề ặt điệ m n c c và c nh kháng th trên b m ự ố đị ể ề ặ t

Bước 1: Chức năng hóa bề ặ ả m t c m bi n ế

MTS/Toluene 2% (1 mL MTS và 49 mL toluene) được sử dụng để silan hóa bề mặt của ZnO NRs trong 60 phút Để loại bỏ MTS không liên kết, các ZnO NRs đã được rửa trong dung môi và sấy khô bằng khí N2 Các ôxít kim loại có nhóm hydroxyl trên bề mặt tương tác với silan (MTS), dẫn đến sự hình thành các nhóm kết nối -Si- giữa bề mặt và tác nhân liên kết chéo MTS là một lựa chọn lý tưởng cho việc chức năng hóa cảm biến sinh học dựa trên ZnO vì hóa chất này phổ biến trên thị trường và cung cấp độ phủ bề mặt cao với độ đồng đều tốt Quá trình silan hóa này tạo ra nhóm sulfhydryl (-SH) trên bề mặt cảm biến.

- b mỦ ề ặ ảt c m bi n v i dung d ch GMBS/ethanol (hòa 12,5 mg GMBS trong ế ớ ị

43 mL ethanol) trong 30 phút nhiở ệt độ phòng Trong quá trình này, vùng maleimide c a GMBS liên k t vủ ế ới các nhóm sulphydryl có trên b m t silan hóa c a ZnO ề ặ ủ (hình

Bước 2: C nh kháng th ố đị ể

Dung dịch kháng thể IgG chống Salmonella được pha loãng trong dung dịch muối phosphate (PBS) 0,01 M (pH 7,4) với nồng độ 2 μg/mL, sau đó được ủ trên bề mặt của một màng biến tính trong 60 phút ở nhiệt độ phòng Các kháng thể được cố định trên bề mặt của thanh nano ZnO thông qua liên kết hóa học giữa nhóm ester NHS của GMBS và các nhóm amin của kháng thể.

- Sau 1 gi , ti n hành rờ ế ửa điện c c b ng dung dự ằ ịch PBS đểloạ ỏ ếi b h t các liên k t y u và kháng th không liên k ế ế ể ết.

Hình 2.5 mô tả cấu trúc kháng thể trên thanh nano ZnO với các bước liên kết chéo GMBS Cụ thể, quá trình này bao gồm: a) silan hóa bề mặt của thanh nano ZnO, b) thực hiện liên kết chéo GMBS với thanh nano đã silan hóa, và c) thiết lập liên kết kháng thể với một nhóm chức của chất liên kết chéo.

Bước 3: Khóa các v ị trí không đặc hi u ệ

Sau khi cố định kháng thể, dung dịch BSA/PBS (0,01 M, pH 7,4) đã được nhúng bẫy vào các cảm biến trong 60 phút để khóa vỏ ống và tạo vị trí không đặc hiệu Những vị trí này có kháng thể, nhưng không liên kết với bẫy ZnO, nhằm đảm bảo các tương tác hóa học không xảy ra.

- Các c m bi n ả ế đượ ửc r a hai lần trong PBS để ạ ỏ lo i b các kháng th liên kểcó ết l ng l o ỏ ẻ

- Sau các bước công nghệ, điện c c s n sàng cho vi c s d ng phát hi n kháng ự ẵ ệ ử ụ ệ nguyên Tuy nhiên, nếu chưa sử ụng ngay thì điệ d n cực được b o qu n t i 4 ả ả ạ o C

Hình 2.6 Quá trình chức năng hóa ề ặb m t c m bi n ả ế

Kh ả o sát tính ch t c a c m bi n ấ ủ ả ế

Khảo sát hình thái và cấu trúc của các cấu trúc nano ZnO được thực hiện bằng phương pháp hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) Phương pháp này cho phép nghiên cứu hình thái bề mặt của các mẫu nano ZnO đã được tổng hợp Ảnh SEM được ghi lại cho thấy rõ các đặc điểm cấu trúc của các mẫu nano ZnO.

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 41 ITIMS 2017-2019 hiển vi điện t quét b c x ử ứ ạ trường FESEM, S4800; Hitachi t i Vi n V ạ ệ ệ sinh Dịch t ễ Trung ương và máy đo JEOL 7600F tại Trường Đạ ọi h c Bách Khoa Hà N i ộ

Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM) là một công nghệ tiên tiến cho phép quan sát cấu trúc vi mô của vật liệu với độ phân giải rất cao Công nghệ này giúp chúng ta có thể nhìn thấy rõ ràng các tương tác giữa các lớp nguyên tử trong vật rắn, đặc biệt là trong các cấu trúc tinh thể Ảnh HR-TEM được thu thập bằng máy HR-TEM JEM 2100 tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

C u trúc tinh th ấ ể được phân tích b i XRD (RigakuS-mart Lab®System) v i bở ớ ức x ạCu Kα hoạt động 40 kV và 40 mA tở ại Trường Đạ ọi h c Khoa học T nhiên ự

2.3.2 Khảo sát tính chất điện hóa trên các đế khác nhau

Tính chất điện hóa của các đế khác nhau đã được khảo sát thông qua phương pháp quét thế vòng (CV) và đo phổ ổn định trở (EIS) trong dung dịch [Fe(CN)6]3-/4- với nồng độ 5 mM.

Toàn bộ hệ thống được điều khiển qua phần mềm Ps Trace 4.8, cho phép đo đạc các thông số điện áp, dòng điện và tần số phù hợp cho các thiết bị điện tử Hình 2.7 minh họa cách thức hoạt động của hệ thống này.

Hình 2.7 Sơ đồ ệ đo điệ h n hóa

Hình 2.8 (a, b) l n l t bi u di n giao di n màn hình cầ ượ ể ễ ệ ủa phương pháp đo thế quét

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 42 ITIMS 2017-2019 vòng và phương pháp đo phổ ổ t ng tr ở

Hình 2.8 Giao di n ph n mệ ầ ềm đo CV (a) và EIS (b)

Sau khi đo phổ ổ t ng tr, chúng tôi sử dụng phần mềm Invium để fit liệu thực nghiệm với phổ t ng tr của mô hình mổ ổ ở ủ ạch tương đương Qua đó, chúng tôi xác định và tính giá trị các phần tử trong mử ạch.

2.3.3 Khảo sát tính ch t nh y sinh h c ấ ạ ọ

Bước 1:Chuẩn b m u khu n ị ẫ ẩ Salmonella c n phân tích ầ

M u c n phân tích là vi khu n ẫ ầ ẩ Salmonella được phân tán trong môi trường dung dịch đệm PBS 0,01 M có độ pH 7,4 v i ớ các nồng độ xác định, t 10ừ 0 n 10đế 6 cfu/mL

Bước 2: Phả ứng đặn c hi u gi a kháng th và kháng nguyên ệ ữ ể Salmonella

Nhỏ 5 àL dung dịch cú ch a vi khu n ứ ẩ Salmonella v i cỏc nớ ồng độ như trờn lờn điện c c làm vi c và trong 30 phút nhiự ệ ủ ở ệt độ phòng (Hình 2.6f)

Sau khi điện cực được rửa trong dung dịch PBS (0,01 M; pH 7,4) để loại bỏ các thành phần không liên kết, điện cực được bảo vệ bằng khí nitơ và tiến hành đo độ nhạy sinh học.

Sử dụng hai phương pháp đo CV và EIS trong dung d ch [Fe(CN)ị 6] 3/4 5 mM có chứa PBS Sơ đồ nguyên lý đo như hình 2.7. a) b)

KẾ T QU VÀ TH O LU N Ả Ả Ậ

Tính ch t v t li u ấ ậ ệ

Hình 3.1 trình bày ảnh FESEM của ba mẫu vật liệu ZnO sau khi tổng hợp Kết quả cho thấy mẫu được tổng hợp bằng phương pháp phún xạ và xử lý nhiệt tạo thành màng ZnO với các hạt nano nhỏ, tương đối đồng đều như hình 3.1(a, b) Các hạt nano ZnO có kích thước từ 10-30 nm Điều này cho phép chúng ta dự đoán điện cực có thể thu được thanh nano ZnO phân bố đồng đều trên toàn bộ điện cực làm việc sau khi phún xạ mẫu lớp kẽm (Zn).

Hình 3.1 trình bày nh-SEM của các mẫu vật liệu ZnO với độ dày ổn định dưới các điều kiện khác nhau Cụ thể, hình (a, b) cho thấy màng ZnO được phún xạ, trong khi hình (c, d) minh họa các thanh nano ZnO được tổng hợp với nồng độ dung dịch 0.1M.

(e, f): thanh nano ZnO đượ ổc t ng h p v i nợ ớ ồng độ dung d ch 0.01M.ị

Các hình ảnh FESEM tiếp theo cho thấy thanh nano ZnO đã được tạo thành công bằng phương pháp thủy nhiệt Khi nồng độ dung dịch ban đầu của các tiền chất tăng, thì đường kính thanh nano cũng tăng theo Hình 3.1(c, d) thể hiện hình ảnh FESEM của thanh nano được tạo ra trong dung dịch nồng độ cao (0.1 M) với hai độ phóng đại khác nhau, cho thấy các thanh nano có hình lục giác rõ ràng với đường kính khoảng 100-300 nm và được sắp xếp đều trên bề mặt điện cực.

Khi nồng độ dung dịch giảm đi 10 lần, các thanh nano ZnO được tạo ra có đường kính nhỏ hơn, như thể hiện trong hình 3.1 n (e, f) Các thanh nano này có hình dạng đặc trưng với đường kính và chiều dài lần lượt khoảng 20 - 200 nm và 5 - 7 μm.

Sự hình thành các thanh nano ZnO là do trong quá trình th y nhiủ ệt đã xảy ra các ph n ng ả ứ [35]:

Trong quá trình th y nhi t, Znủ ệ (OH)2 hòa tan khi nhiệt độ tăng dần Khi nồng độ

Khi Zn²⁺ và OH⁻ đạt đến giá trị bão hòa trong quá trình tạo ZnO, ZnO tinh khiết hình thành một cách tự nhiên trong dung dịch nước Khi dung dịch đã bão hòa, quá trình tạo ra các hạt nano ZnO bắt đầu Các hạt nano này kết hợp với nhau để giảm năng lượng tự do giao thoa Do đó, khi nồng độ Zn²⁺ thấp, dẫn đến ít sự hình thành Zn(OH)₂, từ đó tạo ra ít nhân ZnO, ảnh hưởng đến kích thước của các thanh nano Chính vì vậy, khi nồng độ Zn²⁺ thấp, đường kính của thanh nano cũng nhỏ.

Để phân tích cấu trúc của vật liệu, chúng tôi đã thực hiện phân tích bằng kỹ thuật XRD với góc quét 2θ từ 10° đến 70° và tốc độ quét mẫu là 0,03°/s Kết quả đo XRD của mẫu được chế tạo ở nồng độ thấp (0,01 M) cho thấy các thanh nano có đường kính bé, được thể hiện ở Hình 3.2.

Hình 3.2.Giản đồ nhiễu x tia X c a mạ ủ ẫ thanh nano ZnO đườu ng kính bé

T ừgiản đồ nhi u x tia X cho th y, xu t hiễ ạ ấ ấ ện các đỉnh nhi u x ễ ạ đặc trưng của v t ậ liệu ZnO t i các góc 2 = 31,9ạ  o ng v i mứ ớ ặt (100) và các đỉnh t i góc 2 = 62,96ạ  o và

2 = 68,04 o tương ứng với các mặt (103) và m t (112) ặ Các đỉnh nhi u x c a thanh nano ễ ạ ủ ZnO phù h p v i c u hình chu n c a ZnO wurtzite (JCPDS 36-1451) v i thông s cợ ớ ấ ẩ ủ ớ ố ủa ô cơ sở a = b = 2,34170 Å, c = 5,18760 Å = = 90, α β o , γ = 120 o [33] Hai đỉnh ở

Hình thái và cấu trúc tinh thể của các thanh nano ZnO đã được xác định qua HRTEM, như thể hiện trong hình 3.3 Ở hình 3.3a, với độ phân giải thấp hơn, chúng ta có thể quan sát rõ hơn các đặc điểm của thanh nano này.

Các thanh nano ZnO được tổng hợp với kích thước đồng đều, có đường kính khoảng 30 nm Các vân mạng có khoảng cách 2,38 Å xác nhận tính đơn tinh thể tốt của các thanh nano Hướng [0001] của các vân mạng phù hợp với cấu trúc hình lục giác của ZnO.

Hình 3.3 nh HRTEM c a thanh nano ZnO Ả ủ đường kính bé ở a) độ phóng đại thấp và b) độ phóng đại cao.

Tính ch ất điệ n hóa c ủa các điệ n c c ự

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo điện cực Pt dựa trên công nghệ vi điện tử, áp dụng cho cấu trúc điện cực từ các vật liệu carbon thương mại, như thể hiện trong hình 3.4 Điện cực này có hình dạng tròn với đường kính 4 mm, diện tích bề mặt đạt 12,56 mm², tương ứng với các công bố trước đó của chúng tôi [26].

Hình 3.4 nh th c t cẢ ự ế ủa điện c c Pt ự

3.2.1.1 Khảo sát phương pháp quét thế vòng CV v i các kho ng ớ ả điện th ế khác nhau

Chúng tôi ti n hành quét th ế ế vòng cho điện c c Pt v i các khoự ớ ảng thế ừ t ( 0.3V ÷  +0.3V) đến ( 0.9V ÷ +0.9V trong dung d ch ch ) ị ất điện ly

[Fe(CN)6] 3  /4  nồng độ 5 mM, k t qu ế ả cho ra các đường CV như hình 3.5

Hình 3.5 Đường CV của điện c c Pt tr n vự ầ ới các th quét khác nhau ế

Các đỉnh ôxy-hóa khác nhau trong quá trình quét điện cực thể hiện sự khác biệt rõ rệt, đặc biệt là ở các độ cao tương đối lớn Điều này cho thấy dòng chuyển điện tích là tương đối ổn định khi điện cực Pt được quét trong dung dịch chứa chất điện ly [Fe(CN)6] 3−/4− với nồng độ nhất định.

Nồng độ 5 mM của Pt có tính chất dẫn điện Khi quét từ -0.6V và sau đó quay lại, chúng tôi nhận thấy xuất hiện thêm một đỉnh khử Do đó, chúng tôi quyết định chọn quét từ -0.4V đến +0.6V để đủ điều kiện cho phản ứng oxi hóa-khử của cặp đầu dò [Fe(CN)6]³⁻/⁴⁻ cho các khảo sát tiếp theo.

3.2.1.2 So sánh điện c c Pt vự ới điện cực các bon thương mại

Phép đo CV cho thấy điện cực Pt có khả năng chuyển điện tích tốt hơn so với điện cực carbon thương mại Điều này được xác nhận qua phép đo phổ ổn định thể hiện trên đồ thị Nyquist, cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong điện trở chuyển điện tích giữa hai loại điện cực Đường kính hình bán nguyệt của điện cực carbon lớn hơn nhiều so với điện cực Pt, cho thấy điện trở chuyển điện tích của điện cực carbon cao hơn Sự khác biệt này xuất phát từ tính dẫn điện mạnh mẽ của Pt, khẳng định ưu điểm của điện cực này trong ứng dụng.

Pt có thể thay thế cho điện cực các bon thương mại Các nhóm nghiên cứu có thể thiết kế các điện cực phù hợp cho mục đích nghiên cứu, như giảm thiểu kích thước của vùng điện cực làm việc và điều chỉnh bề mặt của điện cực nhằm cải thiện hiệu suất Việc sử dụng vật liệu cấu trúc nano trong điện cực Pt cũng mang lại nhiều lợi ích đáng kể.

Hình 3.6 Đường CV (a) và thịđồ Nyquist (b) của hai điện trong dung dịch điện ly [Fe(CN)6] 3/4 5 mM Hình chèn: đồthị Nyquist của điện c c Pt tr n ự ầ

Sự chuyển điện tích qua các phân tử sinh học là rất nhạy cảm, do đó khi gắn các phân tử sinh học lên điện cực, ta khó có thể nhận biết được sự thay đổi tín hiệu Hơn nữa, bề mặt điện cực phân cực, diện tích bề mặt tự ẩn riêng nên lượng phân tử sinh học gắn kết cũng bị ảnh hưởng.

Hình 3.7 cho thấy sự thay đổi điện trở khi có sự hiện diện của kháng thể Salmonella trên điện cực Pt (đường màu đỏ) so với điện cực Pt trần (đường màu đen), điều này làm cho việc nhận diện phân tử kháng sinh trở nên khó khăn Do đó, chúng tôi đã quyết định thay đổi bề mặt điện cực Pt bằng vật liệu nano ZnO nhằm cải thiện tín hiệu của cảm biến.

Hình 3.7 Đường cong Nyquist của điện c c Pt trự ần và điện cực Pt đã có gắn kháng thể trong dung dịch điện ly [Fe(CN) 6 ] 3/4 nồng độ 5 mM

3.2.2 Điện cực Pt được ph v t li u nano ZnO ủ ậ ệ

Sau khi tiến hành mẻ ốc thanh nano bề mặt điện cực, việc kiểm tra được thực hiện để đảm bảo tính chất vật liệu màu xanh có thể nhìn thấy bằng mắt thường như trong hình 3.8.

3.2.2.1 Khảo sát tốc độ quét

Hình 3.9 trình bày đường hình chu kỳ (CV) của điện cực Pt khi sử dụng vật liệu nano ZnO trong dung dịch điện ly [Fe(CN)6] 3−/4− với nồng độ 5 mM, tại các tốc độ quét khác nhau.

Hình 3.8 Ảnh điện c c Pt ự sau khi đã mọc thanh nano ZnO

Hình 3.9.Đường CV của các điện c c trong chự ất điện ly [Fe(CN)6] 3/4 5 mM v i các tớ ốc độ quét khác nhau t ừ 25 mV/s đến 300 mV/s

Các điện cực được ủ ậ ệph vật liệu ZnO cấu trúc nano cho thấy xu hướng tương tự khi quét thế vòng ở các tốc độ từ 25 mV/s đến 300 mV/s Hình 3.9b-d minh họa rõ ràng sự thay đổi này.

Nguyễn Thị Hề Đồng Phước (2017-2019) cho thấy rằng khi độ quét tăng, đỉnh ôxy-hóa cũng tăng theo, điều này tương tự với điện cực Pt Nghiên cứu chứng tỏ việc phủ vật liệu nano ZnO lên bề mặt điện cực Pt đã đạt được những thành công bước đầu.

Trong luận văn này, chúng tôi chọn tốc độ quét 100 mV/s để khảo sát tính nhạy sinh học Tại tốc độ này, các cặp biến thiên thể hiện đỉnh oxy hóa - khử rõ nét nhất Đây là tốc độ không quá nhanh cũng không quá chậm, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển điện tích, đặc biệt khi có mặt của các phân tử sinh học Tốc độ quét này cũng thường được lựa chọn bởi các nhóm nghiên cứu cặp biến sinh học trên thế giới.

3.2.2.2 Độ ổn định của các điện c c ự

Hình 3.10.Đồthị CV sau 10 lần quét của các điện c c khác nhau ự

Để khảo sát độ ổn định của các điện cực, chúng tôi đã thực hiện quét vòng CV cho các điện cực khác nhau với 10 vòng quét trong dung dịch chất điện ly [Fe(CN)6] 3−/4−.

Khi quét điện thế ở 5 mM với tốc độ 100 mV/s, qua 10 vòng quét CV, các điện cực thể hiện sự ổn định cao với các đỉnh oxy hóa-khử gần như không thay đổi Điện cực trên cơ sở vật liệu nano ZnO cho thấy độ ổn định cao và khả năng ứng dụng tốt trong lĩnh vực cảm biến sinh học Hình 3.10 cũng chỉ ra rằng đỉnh oxy hóa-khử của điện cực nano ZnO thấp hơn so với điện cực Pt, trong khi dòng chuyển điện tích của các điện cực dựa trên vật liệu nano ZnO nhỏ hơn so với điện cực Pt do tính bán dẫn của ZnO Điều này khẳng định rằng điện cực Pt sau khi phủ vật liệu ZnO có cấu trúc nano có độ ổn định cao, có thể ứng dụng cho mục đích cảm biến sinh học.

3.2.2.3 So sánh tính chất điện hóa của các điện c c Pt sau khi ự phủ ậ v t liệu nano ZnO lên b mề ặt

Hình 3.11 trình bày đường cong CV và đồ thị Nyquist của ba điện cực khác nhau, được đo trong dung dịch chứa chất điện ly [Fe(CN)6] 3−/4− với nồng độ 5 mM, tại tốc độ quét 100 mV/s.

Tính nh y sinh h c ạ ọ

3.3.1 Tính nh y sinh h c c a ba lo c m bi n ạ ọ ủ ại ả ế

Để so sánh ảnh hưởng của hình thái bề mặt điện cực trong ứng dụng sinh học, chúng tôi thực hiện đo thế quét vòng (CV) Sau khi ba điện cực được chế tạo thành công, chúng sẽ được chức năng hóa và ủ với dung dịch có nồng độ 2 μg/mL trong 60 phút.

Khoảng cách delta (Δ) được thể hiện trong hình 3.14 là sự chênh lệch giá trị giữa hai đỉnh ôxy hóa của điện cực trước và sau khi thay đổi kháng th Độ lớn của khoảng cách Δ càng lớn thì sự khác biệt càng rõ rệt.

Điện cực được gắn với thanh nano ZnO có đường kính nhỏ đã chứng minh khả năng kháng tốt hơn trong việc trao đổi điện tích Nghiên cứu cho thấy rằng khi khoảng cách Δ giữa các thành phần này được tối ưu hóa, hiệu suất điện cực sẽ được cải thiện đáng kể Hình 3.14 minh họa rõ ràng sự gia tăng kháng thể của điện cực trong điều kiện thử nghiệm từ năm 2017 đến 2019.

Here is the rewritten paragraph:"Để đáp ứng tính chất điện hóa, tính nhạy sinh học của ba cảm biến nêu trên và nâng cao hiệu suất sinh học, chúng tôi quyết định chọn cảm biến với thanh nano có đường kính bé vì các lý do sau."Let me know if you need any further assistance!

Điện trở chuyển đổi của điện tích trong hệ thống không quá nhỏ cũng không quá lớn, với giá trị nhỏ hơn điện cực của mực thanh nano ZnO có đường kính lớn và màng ZnO, nhưng lớn hơn điện cực Pt Điều này phù hợp với sự trao đổi điện tích nhạy cảm của phân tử sinh học, dễ dàng nhận thấy sự thay đổi qua các tín hiệu đo khi có phần tử sinh học xuất hiện.

Hình 3.13 Đường CV c a ba c u trúc ủ ấ điện c c sau khi c nh kháng th ự ố đị ể

NGUY N TH HỄ Ị ỒNG PHƯỚC 56 ITIMS 2017-2019 a) thanh nano ZnO đường kính bé; b) thanh nano ZnO đường kính l n; c) màng ZnO ớ

 Đ ệi n cực thanh nano đường kính bé có di n tích b m t riêng l n s có nhi u v ệ ề ặ ớ ẽ ề ịtrí để tương tác với các ph n t sinh hầ ử ọc hơn.

3.3.2 Độ ổn định của c m biả ến thanh nano ZnO đường kính bé

Sau khi tiến hành quét liên tục, chúng tôi nhận thấy rằng các đường CV hầu như không thay đổi, cho thấy tính ổn định của điện cực Pt/ZnO có cấu trúc thanh nano Điều này khẳng định rằng điện cực này có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường, đặc biệt trong việc phát hiện các vi khuẩn gây bệnh.

Hình 3.14 Đường CV của điện cực thanh nano ZnO đường kính bé sau khi c nh kháng th (5 vòng quét) ố đị ể

3.3.3 Phát hi n vi khuệ ẩn Salmonella

Vi khuẩn sau khi được nuôi c y, cấ ố nh nđị ở ồng độ 10 6 cfu/mL, chúng tôi ti n ế

Nguyễn Thị Hề Đồng Phước (2017-2019) đã tiến hành phân tán các mẫu trong dung dịch PBS để tạo ra các nồng độ khác nhau từ 0 đến 10^6 cfu/mL, và các mẫu này được bảo quản ở nhiệt độ 4 độ C.

Hình 3.15 trình bày đường CV của điện cực Pt mự đã được phủ nano ZnO với đường kính nhỏ, cho thấy khả năng đáp ứng đối với vi khuẩn Salmonella ở nồng độ 10^3 và 10^5 cfu/ml trong dung dịch [Fe(CN)6] 3−/4− 5 mM với tốc độ quét nhất định.

Đường CV của điện cực Pt đã mọc thanh nano ZnO với đường kính nhỏ cho thấy các đỉnh oxy hóa thấp hơn so với điện cực Pt truyền thống, biểu thị điện trở lớn hơn liên quan đến quá trình mọc của thanh nano ZnO Sau khi tiếp xúc với vi khuẩn Salmonella ở nồng độ 10^3 và 10^5 cfu/ml, đỉnh dòng giảm cho thấy sự hình thành lớp kháng thể trên bề mặt điện cực Sự giảm này có thể được giải thích bởi việc hình thành lớp kháng thể gây cản trở quá trình truyền điện tích, do các kháng thể mang điện tích âm, làm giảm khả năng chuyển đổi điện tích.

Nồng độ vi khuẩn Salmonella đạt 10^3 cfu/ml có khả năng làm dày lớp kháng nguyên trên bề mặt điện cực, dẫn đến sự giảm dòng oxy hóa (Hình 3.15, đường cong màu xanh lam) Khi nồng độ vi khuẩn tăng lên 10^5 cfu/ml, dòng oxy hóa tiếp tục giảm (Hình 3.15, đường cong màu hồng) do lớp kháng thể dày hơn đã ức chế sự truyền điện tích từ chất điện phân sang điện cực Để giải thích hiện tượng này, phương pháp điện hóa impedance spectroscopy (EIS) đã được áp dụng Các phép đo trở kháng của điện cực Pt được phủ nano ZnO đã được thực hiện trước và sau khi tiếp xúc với kháng thể, cũng như sau khi tiếp xúc với kháng nguyên từ vi khuẩn gây bệnh, như thể hiện trong hình 3.1 Đồ thị Nyquist đã được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi điện trở truyền điện tích tại phân biên giữa điện cực và dung dịch điện phân sau mỗi bước biến tính.

Hình 3.16 Biểu đồ Nyquist của điện c c Pt thanh nano ZnO khi ti p xúc vự ế ới Salmonella ở 10 3 10và 5 cfu/mL trong dung dịch [Fe(CN)6] 3−/4− 5 mM v i tớ ốc độ quét

100 mV/s Hình chèn: Biểu đồ Nyquist của điện c c Pt tr n ự ầ

Hình 3.16 cho thấy điện trở của Pt trên bề mặt điện cực thay đổi trong quá trình truyền tải điện tích nhanh Pt, với độ dẫn điện cao, khi được phủ nano ZnO, đã làm tăng điện trở chuyển điện tích Rct Nano ZnO có khả năng ngăn chặn sự truyền điện tích do tính chất bán dẫn của nó Khi kháng thể được cố định trên bề mặt điện cực, giá trị điện trở tăng đáng kể, tạo thành một rào cản đối với sự truyền điện tích Cuối cùng, sau khi phản ứng kháng nguyên-kháng thể xảy ra, lớp kháng thể dày lên làm điện trở tăng mạnh Khi nồng độ vi khuẩn tăng lên 10^5 cfu/mL, điện trở cũng tăng theo, cho thấy sự gia tăng bề dày lớp màng trên bề mặt điện cực.

Sau khi c nh kháng th c a b mố đị ể ủ ề ặt điện cực Pt đã mọc thanh nano ZnO, giá tr ị

Rct trung bình được tính kho ng 2ả 536 Ω sau 5 chu kỳ quét CV, cao hơn 1,56 lần so với

Điện trở Rct đạt 1791 Ω khi sử dụng điện cực Pt được phủ nano ZnO, cho thấy sự thành công trong việc cải thiện tính chất điện hóa Giá trị Rct cao hơn có thể giải thích bởi hiệu quả của quá trình oxy hóa khử [Fe(CN)6] 3−/4− trên bề mặt điện cực Sau khi vi khuẩn Salmonella tương tác với bề mặt, Rct trung bình tăng nhanh chóng lên 9158 Ω Khi nồng độ kháng nguyên đạt 10^5 cfu/mL, Rct trung bình tiếp tục tăng lên khoảng 25000 Ω, cho thấy sự hình thành lớp kháng thể-vi khuẩn dày hơn ảnh hưởng đến quá trình chuyển điện tích Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đó về điện cực.

Nồng độ vi khuẩn tăng dẫn đến sự gia tăng điện trở trong quá trình chuyển điện tích Điều này phù hợp với nguyên lý hoạt động của các màng điện hóa, như thể hiện trong hình 3.17.

[51] Như đã trình bày ở chương 1, phép đo phổ ổ t ng tr ở điện hóa Faraday s d ng c p ử ụ ặ

Nghiên cứu về chất ôxy hóa [Fe(CN)6]3−/4− cho thấy sự liên quan đến dòng Faraday của điện tử được tạo ra từ phản ứng ôxy hóa - khử của các hợp chất này trong dung dịch điện ly Phản ứng diễn ra giữa kháng nguyên và kháng thể trên bề mặt điện cực, hình thành lớp điện môi cản trở quá trình truyền điện tích đến điện cực Do đó, điện trở truyền điện tích Rct tăng tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên, thể hiện mối quan hệ đặc trưng với kháng thể trên bề mặt cảm biến.

Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động c a c m biủ ả ến mi n d ch ph t ng tr ễ ị ổ ổ ở điện hóa [51].

Dựa trên phân tích, chúng ta có thể khẳng định rằng điện cực Pt đã được phát triển thành nano ZnO với đường kính nhỏ, có khả năng phát hiện vi khuẩn Salmonella ở nồng độ 10^3 và 10^5 cfu/mL.

Sau quá trình th c hi n luự ệ ận văn thạc sĩ tại Viện Đào tạo Qu c t v Khoa hố ế ề ọc

Tiêu đề	Nghiên Cứu Chế Tạo Cảm Biến Sinh Học Trên Cơ Sở Vật Liệu ZnO Cấu Trúc Nano Ứng Dụng Phát Hiện Vi Khuẩn Salmonella
Tác giả	Nguyễn Thị Hồng Phước
Người hướng dẫn	TS. Đặng Thị Thanh Lê
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Khoa Học Và Kỹ Thuật Vật Liệu
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	8,52 MB