Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Trên Cơ Sở Nanocomposite Carbon Ứng Dụng Trong Cảm Biến Glucose.pdf

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 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 1 of 61 HÀ NỘI – 2024 Header Page of 61 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: 1 PGS.TS TRẦN VĨNH HOÀNG 2 PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 2 of 61 HÀ NỘI – 2024 Header Page of 61 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan, luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Vĩnh Hoàng và PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 16 tháng 1 năm 2024 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS TS Trần Vĩnh Hoàng PGS TS Huỳnh Đăng Chính Nguyễn Đức Nghĩa ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TL GIÁM ĐỐC TRƯỞNG BAN ĐÀO TẠO tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 3 of 61 i Header Page of 61 Lời cảm ơn Luận án này được thực hiện ở phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa Vô cơ và Đại cương, Viện Kỹ thuật Hóa học (nay là Trường Hoá và Khoa học sự sống), Đại học Bách Khoa Hà Nội Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trần Vĩnh Hoàng và PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, những người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Bộ môn Hóa Vô cơ và Đại cương; Viện Kỹ thuật Hóa học (Trường Hoá và Khoa học sự sống), Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi làm thực nghiệm để thực hiện các nội dung nghiên cứu của luận án Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện của lãnh đạo, đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga nơi tôi đang công tác, các sinh viên nghiên cứu khoa học, học viên cao học và các thầy cô trong phòng thí nghiệm nghiên cứu Vật liệu tiên tiến và Cảm biến sinh học (Laboratory of Advanced Materials and Biosensors-AMB) Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn sát cánh bên tôi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Nghĩa tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 4 of 61 ii Header Page of 61 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 3 1.1 Cảm biến sinh học 3 1.1.1 Định nghĩa và cấu tạo cảm biến sinh học 3 1.1.2 Các thành phần của cảm biến sinh học 4 1.1.2.1 Đầu dò (capture probe) 4 1.1.2.2 Bộ phận chuyển đổi (transducer) 5 1.1.3 Cảm biến so màu 6 1.1.4 Một số ứng dụng của cảm biến sinh học 7 1.1.4.1 Ứng dụng trong kiểm nghiệm an toàn thực phẩm và kiểm soát môi trường 7 1.1.4.2 Ứng dụng trong y sinh học và chẩn đoán lâm sàng 7 1.1.4.3 Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đảm bảo an ninh -quốc phòng 8 1.2 Enzym 8 1.2.1 Cấu trúc phân tử và đặc tính xúc tác ưu việt của enzym 9 1.2.2 Đặc điểm xúc tác của enzym 9 1.2.3 Tính đặc hiệu của enzym 10 1.2.4 Enzym Horseradish Peroxidase (HRP) 10 1.2.4.1 Cơ chế hoạt động 11 1.2.4.2 Cơ chế xúc tác 12 1.3 Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose 13 1.3.1 Các phương pháp xét nghiệm nồng độ glucose 14 1.3.1.1 Phương pháp so màu trên cơ sở sử dụng enzym đặc chủng 14 1.3.1.2 Xét nghiệm bằng máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các enzym đặc chủng 15 1.3.2 Các xu hướng phát triển cảm biến glucose 17 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 5 of 61 iii Header Page of 61 1.3.2.1 Tổng hợp và ứng dụng các vật liệu thay thế enzym glucose oxidase (GOx) trong chế tạo cảm biến 17 1.3.2.2 Tổng hợp và sử dụng các vật liệu có hoạt tính xúc tác thay thế enzym peroxidase (POD) 17 1.4 Các vật liệu nano tiên tiến trên nền carbon được nghiên cứu trong luận án 21 1.4.1 Vật liệu nano bạc (silver nanoparticles-AgNPs) 21 1.4.2 Hạt nano Fe3O4 bọc carbon (cấu trúc lõi/vỏ) (core-shell) 22 1.4.3 Vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ 25 1.4.3.1 Sắt oxy – hydroxit (FeOOH) 25 1.4.3.2 Chấm cacbon lượng tử pha tạp nitơ (N-CQDs) 26 CHƯƠNG 2: Thực nghiệm 30 2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị 30 2.1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 30 2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 30 2.2 Tổng hợp vật liệu AgNPs/CQDs và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học 31 2.2.1 Tổng hợp vật liệu AgNPs/CQDs 31 2.2.1.1 Tổng hợp carbon dots bằng phương pháp từ dưới lên (bottom-up) 31 2.2.1.2 Chế tạo vật liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/CQDs) 31 2.2.2 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs 32 2.2.3 Chế tạo cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs 32 2.2.4 Ứng dụng cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs cho mẫu thực 33 2.2.5 Chế tạo hệ thống xét nghiệm hàng loạt, ứng dụng để phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs sử dụng phần mền ImageJ 33 2.3 Tổng hợp vật liệu Fe3O4 bọc carbon (Fe@C) và ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học 35 2.3.1 Tổng hợp vật liệu Fe@C 35 2.3.2 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu Fe@C 37 2.3.2.1 Chế tạo cảm biến phát hiện H2O2 trên cơ sở vật liệu Fe@C 37 2.3.2.2 Chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu Fe@C 37 2.3.2.3 Ứng dụng vật liệu Fe@C trong chế tạo cảm biến xác định glucose trong dung dịch và mẫu thực 37 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 6 of 61 iv Header Page of 61 2.4 Tổng hợp vật liệu FeOOH/ chấm carbon lượng tử pha tạp nitơ (FN-CQDs) ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học 38 2.4.1 Tổng hợp vật liệu FN-CQDs 39 2.4.2 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu FN-CQDs 40 2.4.2.1 Chế tạo cảm biến phát hiện H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-CQDs 40 2.4.2.2 Chế tạo cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu FN-CQDs 40 2.5 Khảo sát hoạt tính của các nanozyme (Fe@C, FN-CQDs) 41 2.6 Các phương pháp xử lý số liệu 41 2.6.1 Độ nhạy 41 2.6.2 Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) 42 2.6.3 Giới hạn phát hiện (LOD) 42 CHƯƠNG 3: Kết quả và thảo luận 44 3.1 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu AgNPs/CQDs trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose 44 3.1.1 Tổng hợp và đặc trưng vật liệu AgNPs/CQDs 44 3.1.1.1 Tổng hợp CQDs và AgNPs/CQDs 44 3.1.1.2 Đặc trưng vật liệu AgNPs/CQDs 49 3.1.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs 52 3.1.2.1 Khảo sát hoạt tính tương tự enzym hydrogen peroxide của vật liệu AgNPs/CQDs 52 3.1.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 57 3.1.3 Ứng dụng vật liệu AgNPs/CQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose bằng phương pháp so màu 59 3.1.3.1 Cảm biến glucose trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs 59 3.1.3.2 Ứng dụng vật liệu AgNPs/CQDs trong chế tạo cảm biến xác định nồng độ glucose trong mẫu nước tiểu 63 3.1.4 Chế tạo cảm biến phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên cơ sở vật liệu AgNPs/CQDs sử dụng phần mền ImageJ 64 3.1.4.1 Tính toán độ tin cậy của bộ cảm biến 65 3.2 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu Fe3O4 bọc carbon (Fe@C) trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose 70 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 7 of 61 v Header Page of 61 3.2.1 Tổng hợp, đặc trưng vật liệu Fe@C 70 3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu Fe@C 74 3.2.2.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác tương tự enzym hydrogen peroxidase của vật liệu Fe@C 74 3.2.2.2 Khảo sát động học hoạt tính xúc tác tương tự enzym peroxidase của vật liệu Fe@C 77 3.2.2.3 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 79 3.2.3 Ứng dụng vật liệu Fe@C trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose 82 3.2.3.1 Cảm biến sinh học phát hiện glucose trên cơ sở vật liệu Fe@C 82 3.2.3.1 Ứng dụng vật liệu Fe@C trong chế tạo cảm biến xác định glucose trong dung dịch và mẫu thực 84 3.3 Tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng vật liệu FN-CQDs trong chế tạo cảm biến sinh học so màu phát hiện glucose 86 3.3.1 Tổng hợp, đặc trưng của vật liệu FN-CQDs 86 3.3.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-CQDs 89 3.3.2.1 Hoạt tính xúc tác của FN-CQDs và tối ưu hóa điều kiện phản ứng 89 3.3.2.2 Cảm biến xác định nồng độ H2O2 trên cơ sở vật liệu FN-CQDs 92 3.3.3 Ứng dụng vật liệu FN-CQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose 95 3.3.3.1 Cảm biến sinh học xác định glucose trong dung dịch trên cơ sở vật liệu FN-CQDs và so sánh với vật liệu Fe@C, AgNPs/CQDs trong luận án 95 3.3.3.2 Ứng dụng vật liệu FN-CQDs trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose trong nước tiểu 98 3.3.3.3 So sánh vật liệu FN-CQDs, AgNPs/CQDs, Fe@C với các vật liệu trước đây trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose 100 Kết luận…………… 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 8 of 61 vi Header Page of 61 DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy dủ bằng tiếng Anh Dịch ra tiếng Việt DNA Deoxyribonucleic Acid RNA Ribonucleic Acid ADN ELISA Enzym - Linked Immunosorbent LOD Assay RNA ODNs Limit of Detection GOx Oligo Deoxyribonucleotides Xét nghiệm miễn dịch ELISA ChOx Enzym Glucose Oxidase Enzym Cholesterol Oxidase Giới hạn phát hiện Chuỗi deoxyribonucleotides tổng hợp HRP Enzym Horseradish Peroxidase Enzym oxi hoá glucose HIV Human Immunodeficiency Viruses SI Enzym oxi hoá cholesterol IUPAC International Standard Enzym Horseradish Peroxidase (một POD International Union of Pure and loại enzym phân huỷ hydroperoxit - TMB Applied Chemistry H2O2) 4-AAP Enzym Peroxidase Virus gây suy giảm miễn dịch ở người Tiêu chuẩn quốc tế 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine Hiệp hội quốc tế về Hóa học ứng dụng 4 – Aminophenzon Enzym phân huỷ hydroperoxit (H2O2) CQDs Carbon quantum dots 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 4 – Aminophenzon N-CQDs N-CQDs Chấm lượng tử cacbon (các hạt nano XRD carbon có kích thước nhỏ hơn 10 nm) TEM X-ray Diffraction Chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ SEM FT-IR Transmission Electron Microscopy Quang phổ nhiễu xạ tia x PL Kính hiển vi điện tử truyền qua Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Fourier Transform Infrared Spectroscopy Phổ hồng ngoại Photoluminescence Quang phổ phát quang IONzyme Iron oxide nanozyme Hạt nano oxit sắt có hoạt tính như enzym AgNPs Silver nanoparticles Hạt nano bạc Hạt nano bạc lai với chấm lượng tử AgNPs/CQ Silver nanoparticles carbon quantum cacbon Ds dots Fe3O4 bọc carbon Fe@C Fe@C Vật liệu FeOOH/ chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ FN-CQDs FN-CQDs tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 9 of 61 vii Header Page of 61 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần chế tạo mẫu 36 Bảng 3.1 So sánh các cảm biến glucose trên cơ sở phương pháp so màu 62 Bảng 3.2 Giá trị đo cường độ hấp thụ trung bình giữa các lần đo .66 Bảng 3.3 Kết quả đo 67 Bảng 3.4 Bảng kết quả đo của mẫu trắng trong khay Elisa 67 Bảng 3.5 Sai số phép đo phân tích H2O2 có nồng độ 200 mM .68 Bảng 3.6 Bảng so sánh độ tin cậy khi phân tích xác định H2O2 ở các nồng độ khác nhau 69 Bảng 3.7 Điều kiện tối ưu của phản ứng .77 Bảng 3.8 Các thông số Km đối với TMB và H2O2 của các mẫu xúc tác Fe@C và một số xúc tác đã công bố 79 Bảng 3.9 Sai số của phép đo 80 Bảng 3.10 Giới hạn tìm kiếm H2O2 nhỏ nhất của một số báo cáo trước đây 82 Bảng 3.11 So sánh hoạt tính xúc tác của Fe@C với các xúc tác khác 84 Bảng 3.12 Kết quả tính lượng glucose trong mẫu thực theo mẫu chuẩn .85 Bảng 3.13 So sánh kết quả phân tích glucose trong mẫu huyết thanh giữa cảm biến Fe@C13 và trung tâm y tế .86 Bảng 3.14 Điều kiện tối ưu của phản ứng .92 Bảng 3.15 Giới hạn tìm kiếm H2O2 nhỏ nhất của một số báo cáo trước đây 93 Bảng 3.16 So sánh hằng số động học Km của FN-CQDs với các xúc tác khác 95 Bảng 3.17 So sánh LOD của một số cảm biến glucose đã công bố trước đây 98 Bảng 3.18 So sánh vật liệu FN-CQDs, AgNPs/CQDs, Fe@C với các vật liệu trước đây trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose .100 tai lieu, luan van, khoa luan, tieu luan 10 of 61 viii