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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZNO CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN VI KHUẨN SALMONELLA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – Năm 2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131783951000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZNO CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN VI KHUẨN SALMONELLA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐẶNG THỊ THANH LÊ Hà Nội – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Thị Thanh Lê - Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), người hướng dẫn tơi hồn thành luận văn tạo điều kiện tốt trang thiết bị, sở vật chất suốt trình thực đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn GS TS Nguyễn Văn Hiếu - Trường Đại học Phenikaa, PGS TS Nguyễn Đức Hòa, PGS TS Nguyễn Văn Duy, TS Chử Mạnh Hưng - Viện ITIMS - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, TS Trần Quang Huy - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Các thầy gợi mở ý tưởng khoa học, giúp đỡ trình nghiên cứu Các thầy khơng cung cấp cho kiến thức, phương pháp vô quý báu mà cịn truyền cho tơi niềm say mê học tập, đức tính bền bỉ, nghiêm túc nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn anh, chị nghiên cứu sinh bạn, em học viên cao học phịng thí nghiệm Nghiên cứu ứng dụng phát triển cảm biến nano Viện ITIMS hướng dẫn, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn đến thành viên gia đình tơi, người ln hỗ trợ tơi q trình phấn đấu học tập nghiên cứu Hà Nội, tháng 05 năm 2019 NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC I ITIMS 2017-2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn TS Đặng Thị Thanh Lê Các số liệu kết luận văn trung thực chưa tác giả khác công bố cơng trình Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hồng Phước NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC II ITIMS 2017-2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Cảm biến sinh học 12 1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học 12 1.1.2 Phân loại cảm biến sinh học 12 1.2 Tổng quan vật liệu ZnO 22 1.3 Cảm biến miễn dịch điện hóa sở vật liệu cấu trúc nano ZnO 23 1.4 Vi khuẩn salmonella 27 1.5 Các phương pháp phân tích điện hóa 28 1.5.1 Phương pháp quét vòng (CV) 28 1.5.2 Phổ tổng trở điện hóa (EIS) 30 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 35 2.1 Chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa 35 2.1.1 Hóa chất thiết bị 35 2.1.2 Quy trình chế tạo điện cực Pt/Cr/SiO 2/Si 36 2.1.3 Quy trình mọc nano ZnO phương pháp thủy nhiệt 37 2.2 Chức hóa bề mặt điện cực cố định kháng thể bề mặt 38 2.3 Khảo sát tính chất cảm biến 40 2.3.1 Khảo sát hình thái cấu trúc cấu trúc nano ZnO 40 2.3.2 Khảo sát tính chất điện hóa đế khác 41 NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC ITIMS 2017-2019 2.3.3 Khảo sát tính chất nhạy sinh học 42 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Tính chất vật liệu 43 3.2 Tính chất điện hóa điện cực 46 3.2.1 Điện cực Pt 46 3.2.2 Điện cực Pt phủ vật liệu nano ZnO 49 3.3 Tính nhạy sinh học 54 3.3.1 Tính nhạy sinh học ba loại cảm biến 54 3.3.2 Độ ổn định cảm biến nano ZnO đường kính bé 56 3.3.3 Phát vi khuẩn Salmonella 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN CỦA LUẬN VĂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC ITIMS 2017-2019 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt ZnO NRs Đk PCR Polymerase chain reaction Phản ứng khuếch đại gen SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét FESEM Field Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét phát Microscope xạ trường HRTEM High Resolution Transmission Kính hiển vi điện tử truyền qua Electron Microscope phân giải cao XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X CV Cyclic voltammetry Quét vòng EIS 10 IEP 11 Ab 12 Ag 13 VAST 14 NIHE 15 AIST 16 ITIMS 17 IUPAC Tiếng anh Nghĩa Zinc oxide nanorods Thanh nano ZnO Đường kính Electrochemical impedance Phổ tổng trở điện hóa spectroscopy Isoelectric point Điểm đẳng điện Antibody Kháng thể Antigen Kháng nguyên Vietnam Academy of Science and Viện Hàn lâm Khoa học Technology Công nghệ Việt Nam National Institute of Hygiene and Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Epidemiology Ương Advanced Institute for Science Viện Tiên tiến Khoa học and Technology Công nghệ International Training Institue for Viện Đào tạo Quốc tế Khoa Materials Science học Vật liệu International Union of Pure and Applied Chemistry Tổ chức Quốc tế Hóa học túy Hóa học ứng dụng NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC ITIMS 2017-2019 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Danh mục Trang 12 Hình 1.1 Cấu tạo chung cảm biến sinh học Hình 1.2 Xu hướng số lượng báo xuất hàng năm liên quan đến cảm biến sinh học dựa phần tử nhận biết sinh học (2010 - 2018) 13 Hình 1.3 Thiết kế chung nguyên lý làm việc cảm biến sinh học DNA 14 Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản hóa minh họa tương tác aptamer - mục tiêu 15 Hình 1.5 Các cấu hình liên kết xét nghiệm miễn dịch: (A) hình thành cấu trúc bánh sandwich, (B) xét nghiệm miễn dịch kiểu cạnh tranh, (C) hình thành cấu trúc bánh sandwich mở rộng, (D) hình thành cấu trúc bánh sandwich 17 bề mặt (hạt nano - vi mơ) Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình chữ Y kháng thể 18 Hình 1.7 Kháng thể đơn dòng đa dòng tương tác với kháng nguyên 18 Hình 1.8 Tương tác kháng thể kháng nguyên 19 Hình 1.9 Cấu trúc lục giác kiểu wurtzite ZnO 22 Hình 1.10 Ảnh FESEM nano ZnO chế tạo phương pháp thủy nhiệt James Jungho Pak cộng chế tạo 24 Hình 1.11 Ảnh SEM sợi nano ZnO chế tạo phương pháp phun tĩnh điện với điều kiện khác Ashutosh Sharma cộng chế 25 tạo Hình 1.12 Ảnh SEM hoa nanno ZnO (A) cấu trúc Au-hoa nano ZnO (B) Chunyan Li cộng chế tạo 25 Hình 1.13 Vi khuẩn Salmonella 27 Hình 1.14 Quan hệ điện dòng điện qt vịng 29 Hình 1.15 Sơ đồ khối mơ nguyên lý đo tổng trở 30 Hình 1.16 Biểu diễn hình học phần tử phức Hình 1.17 (a) Quá trình điện hóa xảy bề mặt điện cực làm việc 31 tích điện dương tiếp xúc với dung dịch diện ly chứa cặp chất dò; (b) Mạch NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 32 ITIMS 2017-2019 điện tương đương Randles Hình 1.18 Mơ hình mạch tương đương Randles cho trở kháng phức hệ thống điện cực ba chân dung dịch ion Hình 1.19 Sơ đồ trở kháng Faradaic trình bày dạng đồ thị Nyquist Hình 2.1 Hệ đo điện hóa Palmsen thiết bị tích hợp phần mềm đo điện hóa 33 34 35 Hình 2.2 Mơ hình chip cảm biến 36 Hình 2.3 Quá trình chế tạo điện cực Pt/Cr/SiO2/Si 36 Hình 2.4 Sơ đồ trình mọc nano 37 Hình 2.5 Cố định kháng thể nao ZnO với liên kết chéo GMBS: a) silan hóa bề mặt nano ZnO, b) liên kết chéo GMBS với nano 39 silan hóa, c) liên kết kháng thể với nhóm chức chất liên kết chéo Hình 2.6 Q trình chức hóa bề mặt cảm biến 40 Hình 2.7 Sơ đồ hệ đo điện hóa 41 Hình 2.8 Giao diện phần mềm đo CV (a) EIS (b) 42 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu vật liệu ZnO tổng hợp điều kiện khác (a, b): màng ZnO phún xạ; (c, d): nano ZnO tổng hợp với nồng độ dung dịch 0.1M; (e, f): nano ZnO tổng hợp với nồng độ 43 dung dịch 0.01M Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nano ZnO đường kính bé Hình 3.3 Ảnh HRTEM nano ZnO đường kính bé a) độ phóng đại thấp b) độ phóng đại cao 45 46 Hình 3.4 Ảnh thực tế điện cực Pt 46 Hình 3.5 Đường CV điện cực Pt trần với quét khác 47 Hình 3.6 Đường CV (a) đồ thị Nyquist (b) hai điện dung dịch điện ly [Fe(CN) 6] 3 /4  mM Hình chèn: đồ thị Nyquist điện cực Pt trần 48 Hình 3.7 Đường cong Nyquist điện cực Pt trần điện cực Pt có gắn kháng thể dung dịch điện ly [Fe(CN) ]3 /4- nồng độ 5mM 49 Hình 3.8 .Ảnh điện cực Pt sau biến tính nano ZnO 50 NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC ITIMS 2017-2019 Hình 3.9 Đường CV điện cực chất điện ly [Fe(CN) ]3 /4 mM với tốc độ quét khác 50 51 Hình 3.10 Đồ thị CV sau 10 lần quét điện cực khác Hình 3.11 a) Đường cong CV; b) đồ thị Nyquist ba điện cực khác đo dung dịch chất [Fe(CN) 6]3/4 mM tốc độ quét 100 mV/s 52 Hình 3.12 Hình ảnh đường fit đường cong Nyquist điện cực Pt a) phún xạ màng ZnO; b) mọc nano ZnO với đường kính bé; c) mọc nao 53 ZnO với đường kính lớn Hình 3.13 Đường CV ba điện cực sau cố định kháng thể a) điện cực với nano ZnO đường kính bé; b) điện cực với nano ZnO đường 55 kính lớn; c) điện cực với màng ZnO Hình 3.14 Đường CV điện cực nano ZnO đường kính bé sau cố định kháng thể (5 vòng quét) 56 Hình 3.15 Đường CV điện cực Pt biến tính nano ZnO đường kính nhỏ đáp ứng với vi khuẩn Salmonella 103 10 cfu/ dung dịch [Fe(CN) 6] 3−/4− mM với tốc độ quét 100 mV/s Hình chèn: Đường CV 57 điện cực Pt biến tính nano ZnO đường kính nhỏ sau ủ với vi khuẩn Salmonella nồng độ 10 105 cfu/ Hình 3.16 Biểu đồ Nyquist điện cực Pt biến tính nano ZnO tiếp xúc với Salmonella 10 105 cfu/mL dung dịch [Fe(CN)6]3−/4− mM 58 với tốc độ quét 100 mV/s Hình chèn: Biểu đồ Nyquist điện cực Pt trần Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động cảm biến miễn dịch phổ tổng trở điện hóa NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 60 ITIMS 2017-2019