luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose

Lý do chán đÁ tài CÁm biÁn sinh hác đang là mát trong những l*nh vực nghiên cāu nhÃn đ°ÿc sự quan tâm, lựa chán đặc biệt cÿa các nhà khoa hác cũng các hãng chÁ t¿o thiÁt bß phân tích sin

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NÞI

-

Nguyßn Đąc Ngh*a

NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O VÀT LIàU TRÊN C¡ Sà NANOCOMPOSITE CARBON ĄNG DĀNG TRONG CÀM BI¾N GLUCOSE

HÀ NÞI – 2024

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NÞI

Nguyßn Đąc Ngh*a

NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O VÀT LIàU TRÊN C¡ Sà NANOCOMPOSITE CARBON ĄNG DĀNG TRONG CÀM BI¾N GLUCOSE

Ngành: Kā thuÃt hóa hác Mã số: 9520301

LUÂN ÁN TIÀN S) KĀ THUÂT HÓA HàC

NG¯äI H¯âNG DÀN KHOA HàC:

1 PGS.TS TRÀN V)NH HOÀNG 2 PGS.TS HUþNH ĐNG CHÍNH

Lßi cam đoan

Tôi xin cam đoan, luÃn án này do tôi thực hiện d°ãi sự h°ãng dÁn cÿa ng°åi h°ãng dÁn khoa hác PGS.TS TrÁn V*nh Hoàng và PGS.TS Huÿnh Đng Chính Các số liệu, kÁt quÁ trình bày trong luÃn án là trung thực và ch°a từng đ°ÿc tác giÁ khác công bố

Hà Nái, ngày 16 tháng 1 nm 2024

PGS TS Trần V*nh Hoàng PGS TS Huỳnh Đăng Chính Nguyßn Đąc Ngh*a Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NÞI

TL GIÁM ĐÞC TR¯àNG BAN ĐÀO T¾O

Lßi cÁm ¢n

LuÃn án này đ°ÿc thực hiện ç phòng thí nghiệm Bá môn Hóa Vô c¡ và Đ¿i c°¡ng, Viện Kā thuÃt Hóa hác (nay là Tr°ång Hoá và Khoa hác sự sống), Đ¿i hác Bách Khoa Hà Nái

Vãi lòng biÁt ¡n sâu sắc, tôi xin đ°ÿc gửi låi cÁm ¡n chân thành tãi PGS.TS TrÁn V*nh Hoàng và PGS.TS Huÿnh Đng Chính, những ng°åi thÁy đã tÃn tình h°ãng dÁn tôi hoàn thành luÃn án này

Tôi xin chân thành cÁm ¡n các thÁy cô ç Bá môn Hóa Vô c¡ và Đ¿i c°¡ng; Viện Kā thuÃt Hóa hác (Tr°ång Hoá và Khoa hác sự sống), Đ¿i hác Bách Khoa Hà Nái đã nhiệt tình giúp đỡ và t¿o mái điều kiện cho tôi làm thực nghiệm để thực hiện các nái dung nghiên cāu cÿa luÃn án

Trong quá trình nghiên cāu, tôi đã nhÃn đ°ÿc sự đáng viên, giúp đỡ, t¿o điều kiện cÿa lãnh đ¿o, đồng nghiệp trong Trung tâm Nhiệt đãi Việt – Nga n¡i tôi đang công tác, các sinh viên nghiên cāu khoa hác, hác viên cao hác và các thÁy cô trong phòng thí nghiệm nghiên cāu VÃt liệu tiên tiÁn và CÁm biÁn sinh hác (Laboratory of Advanced Materials and Biosensors-AMB) Tôi xin trân tráng cÁm ¡n sự giúp đỡ quý báu đó

Tôi cũng xin đ°ÿc gửi låi cÁm ¡n tãi gia đình, b¿n bè và ng°åi thân đã luôn sát cánh bên tôi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hác tÃp và thực hiện luÃn án

Hà Nái, ngày 16 tháng 01 nm 2024 Nghiên cāu sinh

Nguyßn Đąc Ngh*a

1.1.1 Đßnh ngh*a và c¿u t¿o cÁm biÁn sinh hác 3

1.1.2 Các thành phÁn cÿa cÁm biÁn sinh hác 4

1.1.2.1 ĐÁu dò (capture probe) 4

1.1.2.2 Bá phÃn chuyển đổi (transducer) 5

1.1.3 CÁm biÁn so màu 6

1.1.4 Mát số āng dāng cÿa cÁm biÁn sinh hác 7

1.1.4.1 Āng dāng trong kiểm nghiệm an toàn thực ph¿m và kiểm soát môi tr°ång 7

1.1.4.2 Āng dāng trong y sinh hác và ch¿n đoán lâm sàng 7

1.1.4.3 Kiểm tra an ninh, phòng chống ma túy, đÁm bÁo an ninh -quốc phòng 8

1.2 Enzym 8

1.2.1 C¿u trúc phân tử và đặc tính xúc tác °u việt cÿa enzym 9

1.2.2 Đặc điểm xúc tác cÿa enzym 9

1.2.3 Tính đặc hiệu cÿa enzym 10

1.2.4 Enzym Horseradish Peroxidase (HRP) 10

1.2.4.1 C¡ chÁ ho¿t đáng 11

1.2.4.2 C¡ chÁ xúc tác 12

1.3 CÁm biÁn sinh hác xác đßnh nồng đá glucose 13

1.3.1 Các ph°¡ng pháp xét nghiệm nồng đá glucose 14

1.3.1.1 Ph°¡ng pháp so màu trên c¡ sç sử dāng enzym đặc chÿng 14

1.3.1.2 Xét nghiệm bằng máy đo sử dāng cÁm biÁn sinh hác điện hóa sử dāng các enzym đặc chÿng 15

1.3.2 Các xu h°ãng phát triển cÁm biÁn glucose 17

1.3.2.1 Tổng hÿp và āng dāng các vÃt liệu thay thÁ enzym glucose oxidase (GOx) trong

chÁ t¿o cÁm biÁn 17

1.3.2.2 Tổng hÿp và sử dāng các vÃt liệu có ho¿t tính xúc tác thay thÁ enzym peroxidase (POD) 17

1.4 Các vÃt liệu nano tiên tiÁn trên nền carbon đ°ÿc nghiên cāu trong luÃn án 21

1.4.1 VÃt liệu nano b¿c (silver nanoparticles-AgNPs) 21

1.4.2 H¿t nano Fe3O4 bác carbon (c¿u trúc lõi/vỏ) (core-shell) 22

1.4.3 VÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ 25

1.4.3.1 Sắt oxy – hydroxit (FeOOH) 25

1.4.3.2 Ch¿m cacbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ (N-CQDs) 26

CH¯¡NG 2:Thực nghißm 30

2.1 Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t, dāng cā và thiÁt bß 30

2.1.1 Nguyên vÃt liệu, hóa ch¿t 30

2.1.2 Dāng cā và thiÁt bß 30

2.2 Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/CQDs và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác 31

2.2.1 Tổng hÿp vÃt liệu AgNPs/CQDs 31

2.2.1.1 Tổng hÿp carbon dots bằng ph°¡ng pháp từ d°ãi lên (bottom-up) 31

2.2.1.2 ChÁ t¿o vÃt liệu nano Ag/Carbon dots (AgNPs/CQDs) 31

2.2.2 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs 32

2.2.3 ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs 32

2.2.4 Āng dāng cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs cho mÁu thực 33

2.2.5 ChÁ t¿o hệ thống xét nghiệm hàng lo¿t, āng dāng để phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs sử dāng phÁn mền ImageJ 33

2.3 Tổng hÿp vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (Fe@C) và āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác 35

2.3.1 Tổng hÿp vÃt liệu Fe@C 35

2.3.2 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu Fe@C 37 2.3.2.1 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu Fe@C 37

2.3.2.2 ChÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trên c¡ sç vÃt liệu Fe@C 37 2.3.2.3 Āng dāng vÃt liệu Fe@C trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch

2.4 Tổng hÿp vÃt liệu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¡ (FN-CQDs) āng dāng

trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác 38

2.4.1 Tổng hÿp vÃt liệu FN-CQDs 39

2.4.2 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs 40

2.4.2.1 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs 40

2.4.2.2 ChÁ t¿o cÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs 40

2.5 KhÁo sát ho¿t tính cÿa các nanozyme (Fe@C, FN-CQDs) 41

2.6 Các ph°¡ng pháp xử lý số liệu 41

2.6.1 Đá nh¿y 41

2.6.2 Đá chán lác (đá đặc hiệu) 42

2.6.3 Giãi h¿n phát hiện (LOD) 42

CH¯¡NG 3:K¿t quÁ và thÁo lu¿n 44

3.1 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu AgNPs/CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose 44

3.1.1 Tổng hÿp và đặc tr°ng vÃt liệu AgNPs/CQDs 44

3.1.1.1 Tổng hÿp CQDs và AgNPs/CQDs 44

3.1.1.2 Đặc tr°ng vÃt liệu AgNPs/CQDs 49

3.1.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs 52

3.1.2.1 KhÁo sát ho¿t tính t°¡ng tự enzym hydrogen peroxide cÿa vÃt liệu AgNPs/CQDs 52

3.1.2.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 57

3.1.3 Āng dāng vÃt liệu AgNPs/CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose bằng ph°¡ng pháp so màu 59

3.1.3.1 CÁm biÁn glucose trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs 59

3.1.3.2 Āng dāng vÃt liệu AgNPs/CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu n°ãc tiểu 63

3.1.4 ChÁ t¿o cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxide (H2O2) trên c¡ sç vÃt liệu AgNPs/CQDs sử dāng phÁn mền ImageJ 64

3.1.4.1 Tính toán đá tin cÃy cÿa bá cÁm biÁn 65

3.2 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (Fe@C) trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose 70

3.2.1 Tổng hÿp, đặc tr°ng vÃt liệu Fe@C 70

3.2.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu Fe@C 74

3.2.2.1 KhÁo sát ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym hydrogen peroxidase cÿa vÃt liệu Fe@C 74

3.2.2.2 KhÁo sát đáng hác ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym peroxidase cÿa vÃt liệu Fe@C 77

3.2.2.3 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 79

3.2.3 Āng dāng vÃt liệu Fe@C trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose 82

3.2.3.1 CÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trên c¡ sç vÃt liệu Fe@C 82

3.2.3.1 Āng dāng vÃt liệu Fe@C trong chÁ t¿o cÁm biÁn xác đßnh glucose trong dung dßch và mÁu thực 84

3.3 Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu FN-CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose 86

3.3.1 Tổng hÿp, đặc tr°ng cÿa vÃt liệu FN-CQDs 86

3.3.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs 89

3.3.2.1 Ho¿t tính xúc tác cÿa FN-CQDs và tối °u hóa điều kiện phÁn āng 89

3.3.2.2 CÁm biÁn xác đßnh nồng đá H2O2 trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs 92

3.3.3 Āng dāng vÃt liệu FN-CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose 95

3.3.3.1 CÁm biÁn sinh hác xác đßnh glucose trong dung dßch trên c¡ sç vÃt liệu FN-CQDs và so sánh vãi vÃt liệu Fe@C, AgNPs/CQDs trong luÃn án 95

3.3.3.2 Āng dāng vÃt liệu FN-CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose trong n°ãc tiểu 98

3.3.3.3 So sánh vÃt liệu FN-CQDs, AgNPs/CQDs, Fe@C vãi các vÃt liệu tr°ãc đây trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose 100

K¿t lu¿n&&&&& 102

TÀI LIÞU THAM KHÀO 104

DANH MĀC VI¾T TÀT

Ký hiáu Vi¿t đầy dă bằng ti¿ng Anh Dßch ra ti¿ng Viát

ELISA Enzym - Linked Immunosorbent Assay Xét nghiệm miễn dßch ELISA

ODNs Oligo Deoxyribonucleotides Chußi deoxyribonucleotides tổng hÿp

HRP Enzym Horseradish Peroxidase Enzym Horseradish Peroxidase (mát lo¿i enzym phân huÿ hydroperoxit -H2O2)

HIV Human Immunodeficiency Viruses Virus gây suy giÁm miễn dßch ç ng°åi

IUPAC International Union of Pure and

TMB 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine 3,3',5,5' - Tetramethylbenzidine

carbon có kích th°ãc nhỏ h¡n 10 nm)

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 ngo¿i

IONzyme Iron oxide nanozyme H¿t nano oxit sắt có ho¿t tính nh°

pha t¿p nit¡

DANH MĀC BÀNG

BÁng 2.1 Thành phÁn chÁ t¿o mÁu 36

BÁng 3.1 So sánh các cÁm biÁn glucose trên c¡ sç ph°¡ng pháp so màu 62

BÁng 3.2 Giá trß đo c°ång đá h¿p thā trung bình giữa các lÁn đo 66

BÁng 3.3 KÁt quÁ đo 67

BÁng 3.4 BÁng kÁt quÁ đo cÿa mÁu trắng trong khay Elisa 67

BÁng 3.5 Sai số phép đo phân tích H2O2 có nồng đá 200 mM 68

BÁng 3.6 BÁng so sánh đá tin cÃy khi phân tích xác đßnh H2O2 ç các nồng đá khác nhau 69

BÁng 3.7 Điều kiện tối °u cÿa phÁn āng 77

BÁng 3.8 Các thông số Km đối vãi TMB và H2O2 cÿa các mÁu xúc tác Fe@C và mát số xúc tác đã công bố 79

BÁng 3.9 Sai số cÿa phép đo 80

BÁng 3.10 Giãi h¿n tìm kiÁm H2O2 nhỏ nh¿t cÿa mát số báo cáo tr°ãc đây 82

BÁng 3.11 So sánh ho¿t tính xúc tác cÿa Fe@C vãi các xúc tác khác 84

BÁng 3.12 KÁt quÁ tính l°ÿng glucose trong mÁu thực theo mÁu chu¿n 85

BÁng 3.13 So sánh kÁt quÁ phân tích glucose trong mÁu huyÁt thanh giữa cÁm biÁn Fe@C13 và trung tâm y tÁ 86

BÁng 3.14 Điều kiện tối °u cÿa phÁn āng 92

BÁng 3.15 Giãi h¿n tìm kiÁm H2O2nhỏ nh¿t cÿa mát số báo cáo tr°ãc đây 93

BÁng 3.16 So sánh hằng số đáng hác Kmcÿa FN-CQDs vãi các xúc tác khác 95

BÁng 3.17 So sánh LOD cÿa mát số cÁm biÁn glucose đã công bố tr°ãc đây 98

BÁng 3.18 So sánh vÃt liệu FN-CQDs, AgNPs/CQDs, Fe@C vãi các vÃt liệu tr°ãc đây trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác phát hiện glucose 100

DANH MĀC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý c¿u t¿o cÿa cÁm biÁn sinh hác[1] 3 Hình 1.2 Phân lo¿i cÁm biÁn trên c¡ sç bá phÃn chuyển đổi (transducer)[2] 5 Hình 1.3 CÁm biÁn so màu phổ dāng: (a) gi¿y đo đá pH; (b) Háp que thử 10 thông số cÿa n°ãc tiểu và (c) các màu sắc āng vãi nồng đá trong 10 thông số cÿa que thử n°ãc tiểu; (d) gi¿y thử hàn the trong thực ph¿m; (e) bá kit xác đßnh hàm l°ÿng methanol trong r°ÿu và (f) que thử thai 6 Hình 1.4 (a) Bá kit cÁm biÁn sinh hác để xác đßnh phân tử n¿m aflatoxin B1 trong thực ph¿m theo nguyên lý cÁm biÁn miễn dßch ELISA [33]và (b) Bá kit xét nghiệm d° l°ÿng thuốc bÁo vệ thực vÃt trong n°ãc [34] 7 Hình 1.5 (a) Bá xét nghiệm virus HIV tuýp 1,2 dựa trên cÁm biÁn sinh hác kiểu ELISA [33] và (b) máy đo đ°ång huyÁt cá nhân theo dõi nồng đá glucose trong máu 8 Hình 1.6 Biểu diễn c¿u trúc ba chiều cÿa tinh thể peroxidase isoenzym C cÿa cây cÁi ngựa (mã truy cÃp Brookhaven 1H5A) sử dāng nhiễu x¿ tia X Nhóm heme (có màu đỏ) nằm giữa miền xa và miền gÁn, mßi miền chāa mát nguyên tử canxi (đ°ÿc hiển thß d°ãi d¿ng hình cÁu màu xanh lam) ³-Vùng xoắn (³-Helica) và vùng t¿m ³ (³ –sheet) cÿa enzym lÁn l°ÿt có màu tím và vàng Các xoắn (³-Helica) F9 và F99 xu¿t hiện ç góc phÁn t° phía d°ãi bên phÁi cÿa phân tử.[35] 11 Hình 1.7 Các gốc axit amin chính trong vùng liên kÁt heme cÿa HRP C Nhóm heme và nguyên tử sắt heme đ°ÿc hiển thß bằng màu đỏ, các gốc còn l¿i có màu nguyên tử His170, d° l°ÿng histidine gÁn nh¿t, đ°ÿc kÁt hÿp vãi nguyên tử sắt heme trong khi vß trí phối trí xa t°¡ng āng phía trên mặt phẳng cÿa hemelà trống rßng[35] 11 Hình 1.8 Chu trình xúc tác cÿa peroxidase cÿ cÁi ngựa (HRP) vãi ferulate là ch¿t khử Các hằng số tốc đá k1, k2 và k3 lÁn l°ÿt thể hiện tốc đá hình thành hÿp ch¿t I, tốc đá khử hÿp ch¿t I và tốc đá khử hÿp ch¿t II t°¡ng āng.[37] 13 Hình 1.9 (a) C¡ chÁ ho¿t đáng cÿa các enzym trong hệ cÁm biÁn 2 enzym phát hiện glucose bằng ph°¡ng pháp so màu (trắc quang); 14 Hình 1.10 (a) Mát bá dāng cā và thiÁt bß cÿa máy đo đ°ång huyÁt gồm: (1) Máy phân tích và đác kÁt quÁ; (2) Dāng cā l¿y máu; (3) Que thử; (4) Háp đựng que thử và (5) Háp đựng thiÁt bß (b) C¿u t¿o cÿa que thử; (c) Nguyên tắc ho¿t đáng cÿa điện cực làm việc và (d) Nguyên lý truyền và xử lý tín hiệu cÿa thiÁt bß 16 Hình 1.11 Bá que thử glucose trong n°ãc tiểu Uriscan và bÁng màu chu¿n để so sánh[38] 16 Hình 1.12 Nguyên lý phát hiện glucose bằng ph°¡ng pháp so màu không sử dāng enzym [39] 17 Hình 1.13 Nguyên lý phát hiện glucose sử dāng enzym GOx kÁt hÿp vãi sử dāng

C60-carboxy-fullerenes thay thÁ enzym HRP [50] 18 Hình 1.14 C¿u t¿o điện cực làm việc để phát hiện glucose trên c¡ sç sử dāng kÁt hÿp enzym GOx vãi vÃt liệu lai t¿o Pt/sÿi helical carbon và c¡ chÁ phÁn āng khi điện cực làm việc[58] 19 Hình 1.15 C¿u trúc cÁm biÁn phát hiện nồng đá glucose trong n°ãc bát, n°ãc mắt và n°ãc tiểu trên c¡ sç các t¿m graphen/h¿t nano Pd [59] 20 Hình 1.16 S¡ đồ cÿa cÁm biÁn phát hiện H2O2 và glucose theo ph°¡ng pháp điện hóa sử dāng hệ vi l°u làm từ gi¿y (paper-based microfluidic devices) [60] 20 Hình 1.17 (a) Kh¿u trang chāa nano b¿c; (b) các d°ÿc ph¿m sử dāng nano b¿c; (c) bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano b¿c; (d) Ánh SEM cÿa các h¿t nano b¿c kÁt hÿp vãi film polyolefin; (e) bàn chÁi đánh rng có chāa nano b¿c 21 Hình 1.18 Các d¿ng nanoshell: (a) H¿t nano chāa nhiều nhân giống nhau, (b) H¿t nano chāa nhiều nhân khác nhau, (c) H¿t nano chāa mát lõi đồng nh¿t, (d) H¿t nano đ°ÿc bao quanh bçi nhiều lãp vỏ 24 Hình 1.19 C¿u trúc tinh thể cÿa ´-FeOOH [63] 26 Hình 1.20 S¡ đồ c¿u trúc cÿa các vÃt liệu há cacbon 27 Hình 1.21 (a) Mô hình hóa hác cÿa N-CQDs, (b) Ánh TEM cÿa N-CQDs đ°ÿc nhóm nghiên cāu tổng hÿp theo ph°¡ng pháp <bottom-up=[65] 28

Hình 2.1 C¡ chÁ hình thành h¿t CQDs dots theo ph°¡ng pháp từ d°ãi lên (bottom-up) 31

Hình 2.2 C¡ chÁ t¿o thành vÃt liệu AgNPs/CQDs 32

Hình 2.3 (a) Hệ thống phân tích đ°ÿc chÁ t¿o, (b) Top-view và (c) S¡ đồ bố trí cÿa thiÁt phân tích nồng đá H2O2 trong giÁng Elisa bằng điện tho¿i qua phÁn mềm ImageJ 34

Hình 2.4 S¡ đồ xử lý tín hiệu đo từ hệ thống 34

Hình 2.5 S¡ đồ tổng hÿp vÃt liệu Fe@C 35

Hình 2.6 S¡ đồ tổng hÿp vÃt liệu FN-CQDs 39

Hình 3.1 (A) Phổ UV-Vis cÿa CQDs và (B) phổ PL cÿa CQDs vãi các b°ãc sóng kích thích khác nhau; (C) Ành TEM of CQDs; và (D) Màu sắc dung dßch CQDs và mÁu n°ãc ç d°ãi ánh sáng th°ång (trái) và d°ãi tia UV (phÁi) 44

Hình 3.2 (A) Phổ UV-vis cÿa (a) dung dßch CQD; đ°ång cong (b) đÁn (e) dung dßch AgNP/CQD sau khi khử ç các đá pH khác nhau; (B) Ành h°çng cÿa pH đÁn vß trí đỉnh plasmon cÿa AgNP (cực đ¿i h¿p thā, »max) và c°ång đá cực đ¿i (mÃt đá quang-OD) (chèn: Ánh kā thuÃt số cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A)) 46

Hình 3.3 (A) Phổ UV-vis cÿa dung dßch AgNP/CQD đ°ÿc tổng hÿp ç các nhiệt đá khác nhau: (a) 26°C; (b) 40°C; (c) 60°C; (d) 80°C và (e) 90°C t°¡ng āng; (B) Ành h°çng cÿa nhiệt đá phÁn āng đÁn vß trí đỉnh plasmon cÿa AgNP (» max ) và c°ång đá cực đ¿i (OD) (chèn: Ánh kā thuÃt số cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A)); (C) Phân bố kích th°ãc h¿t cÿa AgNP/CQD theo ph°¡ng pháp DLS cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A) 47

Hình 3.4 (A) Phổ UV-vis cÿa dung dßch AgNP/CQD đ°ÿc tổng hÿp ç 90°C trong các thåi gian phÁn āng khác nhau: (a) 60 phút; (b) 80 phút; (c) 100 phút; (d) t°¡ng āng là 120 phút và (e) 180 phút; (B) Phân tích DLS cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A); (C) Ành h°çng cÿa thåi gian phÁn āng đÁn kích th°ãc h¿t trung bình cÿa AgNP/CQD (chèn: Ánh kā thuÃt số cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A)) 48

Hình 3.5 (A) Phổ UV-vis cÿa các dung dßch AgNP/CQD đ°ÿc tổng hÿp ç 90°C trong 120 phút vãi các tÿ lệ dung dßch AgNO 3 /CQD khác nhau Điều kiện phÁn āng đã đ°ÿc mô tÁ trong vn bÁn (B) Ành h°çng cÿa tÿ lệ thể tích cÿa dung dßch AgNO 3 và CQD đÁn vß trí đỉnh plasmon cÿa AgNP (» max ) và c°ång đá cực đ¿i (OD) (chèn: Ánh kā thuÃt số cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A)); (C) Phân tích DLS cÿa các mÁu t°¡ng āng từ (A), t°¡ng āng 49

Hình 3.6 (A) Phổ UV-Vis cÿa (a) CQDs, và (b) AgNPs/CQDs; (B) Phổ XRD cÿa (a) CQDs và (b) AgNPs/CQDs 50

Hình 3.7 (A) Ành TEM cÿa AgNPs/CQDs; (B) Màu cÿa dung dßch CQDs và dung dßch AgNPs/CDQs; (C) Phân bố kích th°ãc h¿t phân tích theo ph°¡ng pháp tán x¿ laser (DLS) cÿa mÁu AgNPs/CQDs) 51

Hình 3.8 (A) Phổ tán x¿ nng l°ÿng (EDX) cÿa (a) CQDs và (b) AgNPs/CQDs; (B) Phổ FT-IR cÿa a) CQDs và (b) AgNPs/CQDs 51

Hình 3.9 (A) phổ h¿p thā UV-vis cÿa AgNPs/CQDs (a) tr°ãc và (b) sau khi thêm 100 ¼M dung dßch H2O2; (B) BiÁn đổi A/A (%) theo thåi gian 52

Hình 3.10 C¡ chÁ phÁn āng cÿa cÁm biÁn phát hiện H2O2 53

Hình 3.11 Ành TEM cÿa dung dßch AgNPs/CQDs (a,b) khi không có mặt H2O2 và (c,d) khi có mặt H2O2 vãi nồng đá 0,8 mM 54

Hình 3.12 Phổ UV-Vis cÿa dung dßch AgNPs/CQDs tr°ãc (đ°ång i) và sau khi phÁn āng vãi 20 mM H2O2ç các pH khác nhau: (a) pH =11; (b) pH = 9; (c) pH = 7,5; (d) pH = 7; (e) pH = 5; (f) pH = 4; (g) pH = 3 và (h) BiÁn đổi tín hiệu A/A0 (%) cÿa cÁm biÁn H2O2 vãi nồng đá H2O2 là 20 mM t¿i các pH khác nhau 56

Hình 3.13 Ành h°çng cÿa nhiệt đá lên hiệu quÁ làm việc cÿa cÁm biÁn phát hiện H2O2 Nồng đá H2O2 sử dāng là 20, 40, 60, 80 và 100 µM pH =7 57

Hình 3.14 (A) Phổ UV-Vis cÿa cÁm biÁn H2O2 vãi các nồng đô H2O2 khác nhau từ 0.5; 1; 5; 10; 20; 30; 40; 50 và 100 ¼M H2O2;(B) Đ°ång chu¿n cÿa cÁm biÁn để xác đßnh nồng đá H2O2 (hình chèn: màu sắc cÿa các cÁm biÁn t°¡ng āng vãi các nồng đá H2O2) 58

Hình 3.15 (A) Phổ UV-Vis cÿa dung dßch cÁm biÁn khi có mặt: (a) mÁu trắng, (b) 0,5 mM glucose, (c) 0,5 mM axit ascorbic, (d) 0,5 mM H2O2, (e) 0,5 mM axit Saccarose; (B) A/Ao (%) cÿa

các mÁu ç hình A 59

Hình 3.16 C¡ chÁ ho¿t đáng cÿa cÁm biÁn glucose trên c¡ sç AgNPs/CQDs 60

Hình 3.17 (A) Phổ UV-Vis cÿa cÁm biÁn vãi sự có mặt cÿa các saccharide khác nhau ç nồng đá 4 mM và (B) Đá thay đổi tín hiệu c°ång đá pic A/A0 of āng vãi các saccharide ç hình (A) 61

Hình 3.18 (A) Phổ UV-vis cÿa cÁm biÁn glucose vãi nồng đá glucose khác nhau (hình chèn: màu sắc cÿa các dung dßch cÁm biÁn t°¡ng tāng); (B) Đ°ång chu¿n xác đßnh nồng đá glucose trong dung dßch 61

Hình 3.19 Ph°¡ng pháp thêm chu¿n để xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu n°ãc tiểu ng°åi: (A) Phổ UV-Vis cÿa cÁm biÁn vãi: (a) mÁu trắng (không có n°ãc tiểu; (b) mÁu n°ãc tiểu pha loãng (1:4); (c)-(e) mÁu n°ãc tiểu pha loãng bổ sung 1mM, 2mM và 3mM glucose; (B) Đ°ång chu¿n cÿa ph°¡ng pháp thêm chu¿n cÿa cÁm biÁn xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu n°ãc tiểu 63

Hình 3.20 Ành chāp từ hệ phân tích, (A) Ánh chāp mÁu trắng không có mặt H2O2, (B) mÁu có mặt H2O2 64

Hình 3.21 Hình Ánh kÁt quÁ xử lý bằng phÁn mền ImageJ 64

Hình 3.22 (A) GTTB các khay trong các lÁn đo; (B) GTTB hàng trong các lÁn đo 66

Hình 3.23 (A) Đá lặp l¿i cÿa giÁng 28; (B) Đá lặp l¿i giÁng 54 67

Hình 3.24 (A) Ành chāp phân tích mÁu H2O2 (500 mM; 300 mM; 200 mM, 100 mM và 50 mM); (B) Ành chāp phân tích mÁu H2O2 (50 mM; 20 mM; 10 mM, 5 mM và 1 mM); 68

Hình 3.25 (A) Đá lặp l¿i cÿa thí nghiệm vãi mÁu H2O2 nồng đá 50 mM; (B) Đ°ång chu¿n xác đßnh nồng đá H2O2 68

Hình 3.26 (A) Phổ XRD cÿa các mÁu vÃt liệu Fe@C 0), Fe@C 3), Fe@C 5), Fe@C (1-10); (B) Phổ FT-IR cÿa các mÁu vÃt liệu Fe@C 0), Fe@C 3), Fe@C 5), Fe@C (1-10) 70

Hình 3.27 Phổ VSM cÿa Fe3O4 và Fe3O4/C:(a) Fe@C(1-0), (b) Fe@C(1-2), (c) Fe@C(1-3), (d) Fe@C(1-5), (e) Fe@C(1-7), (f) Fe@C(1-10) 71

Hình 3.28 Ành SEM các mÁu Fe@C (1-0), Fe@C (1-1), Fe@C (1-10) 73

Hình 3.29 Ành TEM cÿa các mÁu vÃt liệu Fe@C (1-0), Fe@C (1-0,5) Fe@C (1-3)Fe@C (1-5), Fe@C (1-7) 73

Hình 3.30 Phổ UV-Vis thí nghiệm control 74

Hình 3.31 Phổ UV-Vis thí nghiệm khÁo sát Ánh h°çng nhiệt đá phÁn āng và đá h¿p thā A652 cÿa các mÁu t°¡ng āng 75

Hình 3.32 Phổ UV-Vis khÁo sát thåi gian phÁn āng và đá h¿p thā A652 cÿa các mÁu t°¡ng āng 75 Hình 3.33 Phổ UV-Vis khÁo sát môi tr°ång (pH) cÿa phÁn āng và đá h¿p thā A652 cÿa các mÁu t°¡ng āng 76

Hình 3.34 Phổ UV-Vis khÁo sát thể tích xúc tác và đá h¿p thā quang A652 cÿa các mÁu 76

Hình 3.35 Đồ thß biểu diễn đáng hác cÿa Fe@C theo ph°¡ng trình Michaelis-Menten (A, B) và ph°¡ng trình Lineweaver-Burk (C, D) Nồng đá H2O2 là 0.174 mM và nồng đá TMB thay đổi (A, C) Nồng đá TMB là 0.347 mM và nồng đá H2O2 thay đổi (B, D) 78

Hình 3.36 (A) Đá chán lác H2O2 cÿa cÁm biÁn vãi các mÁu thử glucose, ascorbic acid, galactose, saccarose, fructose; (B) Đá h¿p thā A652 cÿa các mÁu t°¡ng āng trong thí nghiệm đá lặp l¿i 80

Hình 3.37 Phổ UV-vis đ°ång chu¿n H2O2và đ°ång chu¿n H2O2 81

Hình 3.38 C¡ chÁ cÿa cÁm biÁn glucose sử dāng Fe@C thay thÁ enzym HRP 82

Hình 3.39 (A) Phổ Uv-Vis cÿa mÁu (a) glucose + Fe@C13+GOx; (b) GOx+Fe@C13 và (c) glucose + Gox; (B) C°ång đá A652 cÿa các cÁm biÁn khi mÁu chāa: (a) glucose; (b) acid ascobic; (c) galactose; (d) sacarose và (e) saccarose Nồng đá các mÁu là 0,2 mM 83

Hình 3.40 Đá h¿p thā A652 cÿa các mÁu t°¡ng āng trong thí nghiệm control; Phổ UV-vis đ°ång chu¿n Glucose; Đ°ång chu¿n glucose 83

Hình 3.41 Phổ UV-Vis đo mÁu thực 85 Hình 3.42 Đặc tr°ng vÃt liệu FN-CQDs: (A) phổ nhiễu x¿ tia X (XRD); (B) phổ từ kÁ mÁu rung (VSM); (C) Ánh SEM đá phóng đ¿i nhỏ (kèm phổ EDX); (D) Ánh SEM đá phóng đ¿i lãn; (E) Ánh TEM; (F) phổ phát huÿnh quang; (G) phổ quang h¿p thā; (I) phổ hồng ngo¿i cÿa FN-CQDs 87 Hình 3.43 Ho¿t tính xúc tác cÿa FN-CQDs trong mô hình peroxidase: (A) KÁt quÁ thí nghiệm khÁo sát ho¿t tính FN-CQDs; phổ UV-Vis khÁo sát thåi gian phÁn āng cÿa (B) TMB + H2O2; (C) thay đổi (A, C) Nồng đá TMB là 0.347 mM và nồng đá H2O2 thay đổi (B, D) 94 Hình 3.47 C¡ chÁ cÿa cÁm biÁn glucose sử dāng FN-CQDs thay thÁ enzym HRP 96 Hình 3.48 So sánh giá trß đá h¿p thā quang A652cÿa các mÁu chán lác vãi (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) hßn hÿp 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (g) hßn hÿp 0,7 mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (h) hßn hÿp 0,7 mM glucose + 0,7 mM galactose + 0,7 mM fructose + 0,7 mM saccharose; (i) hßn hÿp 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM galactose; (k) hßn hÿp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM saccharose; (l) hßn hÿp 0,7 mM glucose + 0,7 mM axit ascorbic + 0,7 mM galactose + 0,7 mM saccharose 96 Hình 3.49 (A) Phổ UV-Vis cÿa các mÁu có nồng đá glucose khác nhau; (B) Đ°ång chu¿n glucose

97 Hình 3.50 Ph°¡ng pháp thêm chu¿n sử dāng cÁm biÁn đßnh l°ÿng glucose: (A, C) phổ UV-vis cÿa mÁu thí nghiệm từ n°ãc tiểu cÿa (A) ng°åi bình th°ång và (C) ng°åi bệnh tiểu đ°ång; (B, D) đ°ång chu¿n từ ph°¡ng pháp thêm chu¿n cÿa (B) mÁu ng°åi bình th°ång và (D) mÁu ng°åi bệnh tiểu đ°ång 99

ĐẶT VÂN ĐÀ

1 Lý do chán đÁ tài

CÁm biÁn sinh hác đang là mát trong những l*nh vực nghiên cāu nhÃn đ°ÿc sự quan tâm, lựa chán đặc biệt cÿa các nhà khoa hác cũng các hãng chÁ t¿o thiÁt bß phân tích sinh hóa vì triển váng āng dāng r¿t lãn cÿa chúng trong phân tích, kiểm tra các chỉ d¿u sinh hác trong chm sóc sāc khỏe, theo dõi, phát hiện sãm bệnh tÃt, quan trắc và kiểm soát môi tr°ång, kiểm nghiệm an toàn thực ph¿m vãi những °u điểm v°ÿt trái so vãi các ph°¡ng pháp truyền thống nh° phân tích nhanh, đ¡n giÁn, tiện lÿi và đá chính xác cao Xu h°ãng chính hiện nay là āng dāng các vÃt liệu nano, vÃt liệu lai t¿o và tích hÿp đ°ÿc các tính ch¿t lý-hóa và sinh hác cÿa các vÃt liệu (ho¿t tính xúc tác, tính ch¿t quang/từ/điện) vào trong cÁm biÁn sinh hác để tng đá nh¿y, giÁm thåi gian xét nghiệm, tng đá chán lác, nâng cao giãi h¿n phát hiện Ngoài ra, nÁu sử dāng các vÃt liệu nói trên thay thÁ các phÁn tử sinh hác thì s¿ kéo dài đ°ÿc thåi gian sử dāng cÿa cÁm biÁn sinh hác vì các phÁn tử sinh hác (nh° enzym) có thåi gian sống không dài, l¿i yêu cÁu ho¿t đáng trong những điều kiện khá nghiêm ngặt (pH, nhiệt đá&)

Việc nghiên cāu chÁ t¿o các vÃt liệu carbon có c¿u trúc nano có ho¿t tính xúc tác āng dāng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác (thiÁt bß y tÁ, que thử, bá kít thử) nhằm phāc vā theo dõi, kiểm tra sāc khỏe t¿i nhà có nhu cÁu ngày càng lãn, chẳng h¿n các cÁm biÁn đo đ°ång huyÁt (glucose trong máu), đo hàm l°ÿng cholesterol trong máu, xác đßnh nồng đá axit uric&để sãm phát hiện ra các bệnh tÃt t°¡ng āng là tiểu đ°ång, mỡ máu, bệnh gust nhằm chữa trß kßp thåi, giÁm đau đãn cho ng°åi bệnh, giÁm chi phí chữa trß vì đã đ°ÿc phát hiện sãm Hiện t¿i, công tác xét nghiệm này đ°ÿc tiÁn hành chÿ yÁu ç bệnh viện, vãi chi phí t°¡ng đối cao, tốn nhiều thåi gian làm các thÿ tāc, thåi gian chå đÿi, trong khi đó bệnh viện cũng trç nên quá tÁi vì số l°ÿng mÁu quá lãn Việc phát triển các bá xét nghiệm d¿ng que thử kiểm tra nhanh các chỉ d¿u sinh hác (glucose trong máu, cholestero, axit uric là những nhu cÁu r¿t rõ ràng trong bối cÁnh hiện nay ç Việt Nam nói riêng cũng nh° các n°ãc đang phát triển nói chung

Do đó, nghiên cāu chÁ t¿o mát số lo¿i vÃt liệu carbon có c¿u trúc nano āng dāng trong các cÁm biÁn sinh hác có đá nh¿y cao, phát hiện nhanh, có thể tiÁn hành xét nghiệm hàng lo¿t là h°ãng nghiên cāu mãi không chỉ ç Việt Nam mà là h°ãng nghiên cāu cÿa r¿t nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thÁ giãi để chÁ t¿o các vÃt liệu mãi, vÃt liệu lai t¿o đa tính ch¿t Ngoài ra, h°ãng nghiên cāu này s¿ mang l¿i giá trß trong y tÁ cũng nh° đåi sống giúp nâng cao ch¿t l°ÿng cuác sống Chính vì vÃy tôi chán đề tài <Nghiên cứu chế tạo vật

liệu trên cơ sở nanocomposite carbon ứng dụng trong cảm biến glucose = là đề tài nghiên

cāu sinh

2 Māc tiêu nghiên cąu

- Tổng hÿp đ°ÿc mát số vÃt liệu mãi, vÃt liệu có c¿u trúc nano trên c¡ sç cacbon (nh° graphen/graphen oxit, ch¿m l°ÿng tử cacbon ) kÁt hÿp vãi các vÃt liệu h¿t nano kim

lo¿i/oxit kim lo¿i, có ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự enzym HRP (Enzym Horseradish Peroxidase)

- ThiÁt kÁ, c¿u trúc cÁm biÁn phát hiện hydrogen peroxit (H2O2) trên c¡ sç các vÃt liệu đã tổng hÿp, kÁt hÿp và lựa chán vÃt liệu thích hÿp để tiÁn tãi chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác

- ThiÁt kÁ, chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác trên c¡ sç các vÃt liệu đã tổng hÿp kÁt hÿp vãi các enzym đặc chÿng để xác đßnh nồng đá glucose trong dung dßch và mÁu thực (MÁu máu&)

2 Nßi dung nghiên cąu

- Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu AgNPs/CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose

- Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu Fe3O4 bác carbon (Fe@C) trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose

- Tổng hÿp, đặc tr°ng và āng dāng vÃt liệu FN-CQDs trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác so màu phát hiện glucose

3 Ý ngh*a thực tißn căa luÁn án

Trong nghiên cāu này, chúng tôi nghiên cāu các lo¿i vÃt liệu mãi trên c¡ sç cacbon kÁt hÿp vãi các kim lo¿i/ oxit kim lo¿i để āng dāng trong cÁm biÁn sinh hác Dựa trên các đặc tính vÃt lý, hóa lý và hóa hác cÿa vÃt liệu, đặc biệt là các thuác tính mãi ç kích th°ãc nano (nh° phổ plasmon bề mặt cÿa nano b¿c (AgNPs), phổ này s¿ khác nhau nÁu hình d¿ng h¿t AgNPs khác nhau) Ngoài ra việc kÁt hÿp các nano kim lo¿i/oxít kim lo¿i có ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự nh° ezym HRP vãi CQDs ( carbon quantum dots-ch¿m l°ÿng tử carbon) giúp cho vÃt liệu này có thể phân tán tốt trong dung môi, giÁm đác tố và bÁo vệ tốt kim lo¿i/oxit kim lo¿i, dễ dàng chāc nng hóa bằng việc gắn các phân tử có đặc tính sinh hác khác nhau Các lo¿i nano kim lo¿i/oxít kim lo¿i sau khi đ°ÿc kÁt hÿp vãi cacbon đều cho th¿y khÁ nng xúc tác, đá chán lác, tính bền cao h¡n hẳn so vãi vÃt liệu không có cacbon Việc nghiên cāu, chÁ t¿o thành công các lo¿i vÃt liệu mãi trên c¡ sç cacbon kÁt hÿp vãi kim lo¿i/ oxit kim lo¿i có ho¿t tính xúc tác và āng dāng chúng trong chÁ t¿o cÁm biÁn sinh hác có ý ngh*a không chỉ trong y hác mà còn làm tiên đề trong āng dāng chu¿n đoán nhanh các đác tố trong thực ph¿m, trong n°ãc uống, n°ãc sinh ho¿t&Nghiên cāu này tiÁn tãi áp dāng trong y tÁ s¿ giúp việc chu¿n đoán mát số chỉ số cÿa bệnh nhân trç lên nhanh chóng, thuÃn tiện Ng°åi bệnh có thể dễ dàng kiểm soát các chỉ số sinh hác trong máu (glucose, cholestero, axit uric) mà không phÁi đÁn bệnh viện qua đó có biện pháp ngn

CH¯¡NG 1: Tổng quan

1.1.1 Định nghĩa và c¿u t¿o cÁm bi¿n sinh học

Hiệp hái quốc tÁ về hóa hác āng dāng – IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nm 1999 đã đßnh ngh*a: CÁm biÁn sinh hác (biosensor) là mát thiÁt bß tích hÿp có khÁ nng cung c¿p thông tin phân tích đßnh l°ÿng hoặc bán đßnh l°ÿng đặc tr°ng, bao gồm mát phÁn tử nhÃn biÁt sinh hác (bioreceptor) kÁt hÿp trực tiÁp vãi mát phÁn tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) Ch¿t đ°ÿc gắn trên bá phÃn chuyển đổi đ°ÿc gái là <phÁn tử dò/phÁn tử nhÃn biÁt sinh hác=, ch¿t cÁn phân tích trong mÁu đ°ÿc gái là <phÁn tử đích= Nguyên lý ho¿t đáng cÿa cÁm biÁn sinh hác là dựa trên các phÁn āng đặc hiệu: kháng nguyên/kháng thể (cÁm biÁn miễn dßch), lai hóa DNA-DNA (cÁm biÁn DNA) hoặc enzym/c¡ ch¿t (cÁm biÁn enzym)& Trên c¡ sç các phÁn āng đặc hiệu này, phÁn tử nhÃn biÁt sinh hác giữ vai trò dò tìm đối t°ÿng đích trong mÁu phân tích và phÁn tử chuyển đổi giữ vai trò chuyển đổi t°¡ng tác sinh hác thành tín hiệu điện hóa, quang, nhiệt& sau đó đ°a qua bá phÃn xử lý tín hiệu và hiển thß kÁt quÁ đo (hình 1.1)

Hình 1.1 Nguyên lý cấu t¿o của cÁm biến sinh học[1]

Có nhiều d¿ng chuyển đổi tín hiệu nh° chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi c¡& Trong đó, cÁm biÁn sinh hác trên c¡ sç chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa có nhiều khÁ nng āng dāng trong phân tích các đối t°ÿng y sinh vì đá nh¿y tốt và có thể vi c¿u trúc hóa để chuyển đổi thành các thiÁt bß cÁm tay Nguyên lý ho¿t đáng cÿa cÁm biÁn sinh hác điện hóa là chuyển các tín hiệu cÿa phÁn āng sinh hóa giữa phÁn tử nhÃn biÁt sinh hác và phÁn

tử đích trong dung dßch điện ly thành các tín hiệu đ°ÿc nhÃn biÁt bçi kā thuÃt điện hóa Các kā thuÃt điện hóa có thể đ°ÿc sử dāng để đánh giá mát cách đßnh l°ÿng (theo nồng đá) hoặc đßnh tính (âm tính/d°¡ng tính) sự có mặt cÿa các thành phÁn sinh hác (DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể&) trong dung dßch Có nhiều ph°¡ng pháp để đo tín hiệu điện hóa khi có sự t°¡ng tác giữa đÁu thu sinh hác và ch¿t cÁn phân tích nh° đo dòng, đo thÁ, đo đá dÁn và đo phổ tổng trç&[54] Tuy nhiên, bên c¿nh đó cÁm biÁn sinh hác điện hóa cũng có nhiều nh°ÿc điểm nh° (1) cÁn thiÁt bß nghiên cāu đắt tiền (máy đo), các điện cực để nghiên cāu cũng có chi phí cao, gia công phāc t¿p

So vãi cÁm biÁn điện hóa thì cÁm biÁn so màu có mát số lÿi thÁ nh° có thể quan sát bằng mắt th°ång nhå sự chuyển màu cÿa các ch¿t chỉ thß, dāng cā tiÁn hành đ¡n giÁn, gia công dễ dàng&Do đó cÁm biÁn sinh hác so màu đang đ°ÿc dùng nhiều trong thực tÁ và khẳng đßnh đ°ÿc sự tin cÃy nh° phép xét nghiệm ELISA trong xét nghiệm bệnh ung th°, cÁm cúm, các bệnh do virus, ç bệnh viện [1, 2]

1.1.2 Các thành phÁn cÿa cÁm bi¿n sinh học

CÁm biÁn sinh hác là khái niệm chỉ cÁm biÁn mà có đÁu dò là các phÁn tử sinh hác (bioreceptors) nh° là enzym, kháng thể (antibody), các chußi DNA hoặc RNA hoặc các chußi peptit hoặc protein dùng để phát hiện các ch¿t cÁn phân tích Quan hệ giữa đÁu dò (probe) và đối t°ÿng cÁn phát hiện (hay còn gái là đích- target) có thể tóm l°ÿc thành 3 nhóm chính nh° sau:

(1) NÁu đÁu dò là các đo¿n DNA hay RNA hoặc axit nucleic peptide s¿ āng dāng trong chÁ t¿o các bá cÁm biÁn DNA hay RNA nhằm phát hiện ra các đo¿n DNA hoặc RNA dùng trong các nghiên cāu sinh hác xét nghiệm huyÁt thống bệnh tÃt, trong chuyển đổi gen Nguyên tắc ho¿t đáng là các chußi này có quan hệ bổ sung (ghép cặp) r¿t nh¿y và r¿t chán lác nên cÁm biÁn lo¿i này có đá nh¿y cao và tính chán lác [3-17] Ngày nay, chÿ yÁu là oligodeoxyribo- nucleotides tổng hÿp (ODNs) đ°ÿc sử dāng làm đÁu dò trong cÁm biÁn DNA

(2) Vãi đÁu dò là kháng thể (antibody) thì s¿ dùng để phát hiện kháng nguyên (antigen) t¿o ra cÁm biÁn miễn dßch (immunosensor) Mát kháng thể (antibody) s¿ liên kÁt mát cách đặc hiệu vãi mát đối t°ÿng kháng nguyên (antigen) [7, 18-22], t¿o ra đá chán lác

bá kit đ°ÿc phát triển để phân tích các mÁu thực ph¿m, n°ãc uống, bệnh ph¿m&vãi tên gái chung là bá kit ELISA Ví dā bá kit xét nghiệm là các ch¿t đác h¿i nh° 2,4-D (ch¿t đác màu da cam); các phā gia trong sÁn xu¿t gi¿y gói có Ánh h°çng đÁn sāc khỏe nh° bisphenol A; các lo¿i thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu nh° atrazine hoặc các lo¿i protein bệnh nh° virus cúm, bệnh ung th°

(3) Vãi đÁu dò là enzym có cÁm biÁn enzym dùng để phát hiện các phân tử đích (target) đặc tr°ng cÿa chúng (hay còn gái là c¡ ch¿t cÿa enzym) Mát số cÁm biÁn enzym đã đ°ÿc phát triển và āng dāng [23-29] Ví dā vãi đÁu dò là enzym thì s¿ dùng để phát hiện các c¡ ch¿t t°¡ng āng vãi enzym đó, ví dā enzym glucose oxidase (GOx) dùng để phát hiện glucose; enzym cholesterol oxidase dùng để phát hiện cholesterol&.Ngoài ra, do cÁm biÁn enzym r¿t nh¿y, phÁn āng nhanh và chán lác nên cÁm biÁn enzym còn đ°ÿc dùng trong việc khuÁch đ¿i tín hiệu để nâng cao giói h¿n phát hiện cho các lo¿i cÁm biÁn khác Trong LuÃn án này sử dāng đÁu dò enzym GOx để nhÃn biÁt c¡ ch¿t t°¡ng āng là glucose, mát trong các chỉ số sinh hóa quan tráng cÿa máu GOx s¿ oxy hóa glucose thành gluconic và giÁi phóng H2O2 theo phÁn āng (PT 1.1)

�㔺þ�㕢�㕐ā�㕠�㕒 + O2+ H2O GOx→ Gluconic + H2O2 (PT 1.1)

Có nhiều cách khác nhau để đo nồng đá H2O2 giÁi phóng ra theo (PT 1.1) và nồng đá H2O2 s¿ phÁn ánh nồng đá glucose trong mÁu Ngày nay, phân tích glucose bằng GOx tích hÿp thêm enzym Horseradish peroxidase (HRP) mát lo¿i enzym phân hÿy H2O2 t¿o gốc OH tự do và giÁi phóng electron qua đó có thể đo nồng đá H2O2 bằng ph°¡ng pháp điện hóa hoặc so màu trç thành mát c¿u trúc cÁm biÁn sinh hác kinh điển

Hình 1.2 Phân lo¿i cÁm biến trên cơ sở bộ phận chuyển đổi (transducer)[2]

Bá phÃn chuyển đổi trong các cÁm biÁn sinh hác là bá phÃn chuyển đổi tín hiệu cÿa việc bắt cặp nhau giữa đÁu dò và đích thành các tín hiệu có thể đo đ°ÿc [30-32] Tùy vào

tín hiệu đÁu ra (output signal) mà chúng ta có thể gái tên là cÁm biÁn điện hóa hay cÁm biÁn quang&Nh° tóm tắt ç hình 1.2, hÁu hÁt các lo¿i cÁm biÁn sinh hác có thể phân thành 5 lo¿i bá phÃn chuyển đổi tín hiệu khi có phÁn āng (bắt cặp giữa đÁu dò và đích) thành tín hiệu đo đ¿c đ°ÿc, gồm tín hiệu điện hóa (electrochemical), điện (electrical), quang (optical), c¡ hoặc áp điện (piezoelectric) hoặc nhiệt (thermal) Trong luÃn án này chúng tôi sử dāng bá phÃn chuyển đổi quang hác hay còn gái là cÁm biÁn quang vãi sự đổi màu cÿa ch¿t chỉ thß nên còn có thể gái là cÁm biÁn so màu

1.1.3 CÁm bi¿n so màu

Từ khi ngành hóa hác phát triển đã sử dāng các ch¿t chỉ thß, ch¿t chỉ thß màu để phát hiện môi tr°ång các ch¿t mát cách nhanh chóng và đÁn nay các ch¿t chỉ thß vÁn đ°ÿc sử dāng ráng dãi trong nhiều l*nh vực khác nhau Để nâng cao đá tiện dāng cũng nh° để āng dāng ráng rãi trong đåi sống ng°åi ta đã chÁ t¿o ra các bá kit so màu để xác đßnh nồng đá mát số ch¿t thÃm chí để xác đßnh tình tr¿ng bệnh tÃt Chẳng h¿n, bá so màu đ¡n giÁn và hay dùng nh¿t là gi¿y pH (hình 1.3a), sau đó là các que thử nh° thử 10 chỉ tiêu trong n°ãc tiểu (gồm pH, tÿ tráng) (hình 1.3b và 1.3c), gi¿y thử hàn the trong thực ph¿m nh° chÁ, bún, phç (hình 1.3d); bá kit xét nghiệm sự có mặt cÿa methanol trong r°ÿu (hình 1.3e) và cao c¿p là que thử thai (hình 1.3f)

Hình 1.3 CÁm biến so màu phổ dụng: (a) giấy đo độ pH; (b) Hộp que thử 10 thông số của nước

Nguyên tắc ho¿t đáng cÿa cÁm biÁn so màu ç d¿ng gi¿y chỉ thß khá đ¡n giÁn, đó là trên c¡ sç gi¿y có đá tro th¿p, ng°åi ta s¿ t¿m các hóa ch¿t đóng vai trò là ch¿t chỉ thß lên

vào màu sắc và c°ång đá để xác đßnh sự có mặt cÿa tác nhân cÁn kiểm tra cao hay th¿p Đ¿i đa số cÁm biÁn so màu là cÁm biÁn hóa hác, chỉ mát số ít là cÁm biÁn sinh hác nh° que thử thai là cÁm biÁn sinh hác dựa theo phÁn āng kháng nguyên - kháng thể để xét nghiệm hormone HCG (Human Chorionic Gonadotrophin) Hiện nay ngày càng có nhiều cÁm biÁn sinh hác dựa trên ph°¡ng pháp so màu đang đ°ÿc phát triển vì tính tiện lÿi và đ¡n giÁn cÿa quy trình xét nghiệm CÁm biÁn so màu không chỉ đ°ÿc phát triển để xét nghiệm các hóa ch¿t hay các phÁn tử sinh hác, lo¿i cÁm biÁn này đang đ°ÿc phát triển cho xét nghiệm quÁn lý môi tr°ång, kiểm tra ch¿t l°ÿng n°ãc

1.1.4 Một số āng dāng cÿa cÁm bi¿n sinh học

Các cÁm biÁn sinh hác tỏ ra có nhiều °u điểm so vãi các ph°¡ng pháp truyền thống nh° tính chán lác cao, đáp āng nhanh, đ¡n giÁn và chính xác Chính vì vÃy nó đ°ÿc āng dāng trong nhiều l*nh vực cÿa cuác sống, tuy nhiên hiện nay chÿ yÁu đ°ÿc dùng cho các l*nh vực sau:

Hình 1.4 (a) Bộ kit cÁm biến sinh học để xác định phân tử nấm aflatoxin B1 trong thực phẩm

Ngày nay v¿n đề môi tr°ång và vệ sinh an toàn thực ph¿m là mối quan tâm cÿa toàn xã hái Các hệ cÁm biÁn đ°ÿc phát triển và āng dāng trong phân tích nhanh d° l°ÿng các lo¿i thuốc trừ sâu, d° l°ÿng các ch¿t kháng sinh, các n¿m mốc đác h¿i tồn t¿i trong thāc n nh° sabutamon, aflatoxin (hình 1.4) Tuy nhiên hiện nay các bá kit này chÿ yÁu là nhÃp kh¿u và đ°ÿc các bệnh viện sử dāng vì thao tác đòi hỏi kā thuÃt cao cũng nh° cÁn máy đo

Hiện t¿i cÁm biÁn sinh hác đ°ÿc dùng nhiều nh¿t trong trong xét nghiệm, theo dõi các chỉ số sinh hóa cÿa máu (nh° theo dõi nồng đá glucose, cholesterol, axit uric&); āng

(b) (a)

dāng phát hiện các protein ung th° và các siêu vi trùng tiềm ¿n; xét nghiệm các đo¿n DNA&giúp ng°åi bệnh có thể th°ång xuyên theo dõi tình hình bệnh tÃt cÿa mình mà không nh¿t thiÁt phÁi đÁn các trung tâm y tÁ Ngày nay, các cÁm biÁn d¿ng này không những tng đá tin cÃy, giÁm thåi gian hồi đáp mà còn đ°ÿc chÁ t¿o theo h°ãng càng ngày càng nhỏ gán, rẻ và dễ sử dāng

Hình 1.5 (a) Bộ xét nghiệm virus HIV tuýp 1,2 dựa trên cÁm biến sinh học kiểu ELISA [33] và

(b) máy đo đường huyết cá nhân theo dõi nồng độ glucose trong máu

Chẳng h¿n các bá cÁm biÁn xét nghiệm các d¿u hiệu các bệnh nguy hiểm nh° lây nhiễm HIV (hình 1.5a) hay xét nghiệm mát số chỉ số sinh hóa máu nh° glucose, cholesterol, axit uric (hình 1.5b) để theo dõi sāc khỏe và phát hiện sãm nguy c¡ bệnh tÃt

Mát số báo cáo gÁn đây cho th¿y đã chÁ t¿o thành công mũi điện tử phát hiện thuốc nổ TNT, phát hiện các vā t¿n công hóa sinh và các ch¿t phóng x¿ vãi đá nh¿y cao Các bá kit ELISA để xét nghiệm hàm l°ÿng cafein; hàm l°ÿng nicotin; morphin&cũng ngày đ°ÿc đa d¿ng hóa bằng kit so màu hoặc kit điện hóa [33]

1.2 Enzym

Enzym (hay còn gái là men) là ch¿t xúc tác sinh hác có thành phÁn c¡ bÁn là protein Trong cuác sống sinh vÃt xÁy ra r¿t nhiều phÁn āng hóa hác, vãi mát hiệu su¿t r¿t cao, mặc dù ç điều kiện bình th°ång về nhiệt đá, áp su¿t, pH Sç d* nh° vÃy vì nó có sự hiện diện cÿa ch¿t xúc tác sinh hác đ°ÿc gái chung là enzym; nh° vÃy, enzym là các protein xúc tác các phÁn āng hóa hác Trong các phÁn āng này, các phân tử lúc bắt đÁu cÿa quá trình đ°ÿc gái là c¡ ch¿t, enzym s¿ biÁn đổi chúng thành các phân tử khác nhau Enzym có tính chán lác r¿t cao đối vãi c¡ ch¿t cÿa nó HÁu hÁt phÁn āng đ°ÿc xúc tác bçi enzym đều có tốc đá cao h¡n nhiều so vãi khi không đ°ÿc xúc tác Có trên 4 000 phÁn āng sinh hóa đ°ÿc xúc tác bçi enzym Tuy vÃy, ho¿t tính cÿa enzym chßu tác đáng bçi nhiều yÁu tố (nhiệt đá, áp su¿t, pH,

(b) (a)

1.2.1 C¿u trúc phân tử và đặc tính xúc tác °u vißt cÿa enzym

BÁn ch¿t enzym là những protein đặc hiệu có c¿u t¿o phân tử r¿t phāc t¿p, do vÃy nó có t¿t cÁ các thuác tính hóa hác cÿa protein Enzym có khÁ nng và hiệu lực xúc tác r¿t lãn, có tính đặc hiệu r¿t cao Để đÁm bÁo cho chāc nng cÿa enzym là ch¿t xúc tác sinh hác, c¿u trúc cÿa enzym phÁi r¿t tinh vi và phāc t¿p Enzym là những lo¿i phân tử lãn, phÁn nhiều những enzym đã đ°ÿc nghiên cāu có tráng l°ÿng phân tử từ 10.000 đÁn 1.000.000 dalton

1.2.2 Đặc điểm xúc tác cÿa enzym

Ch¿t xúc tác là ch¿t làm tng c°ång phÁn āng hóa hác, nh°ng không bß biÁn đổi tiêu hao và tham gia vào thành phÁn sÁn ph¿m cÿa phÁn āng Chỉ cÁn mát l°ÿng nhỏ xúc tác cũng làm tng vÃn tốc phÁn āng lên nhiều lÁn Ch¿t xúc tác làm giÁm nng l°ÿng ho¿t hóa cÿa phÁn āng hóa hác bằng cách t¿o nhiều hÿp ch¿t trung gian có nng l°ÿng ho¿t hóa (Ea) th¿p h¡n nhiều so vãi khi không có xúc tác Enzym có đÁy đÿ các tính ch¿t c¡ bÁn cÿa ch¿t xúc tác, ngoài ra nó còn có đặc điểm riêng là tính ch¿t đặc hiệu r¿t cao và hiệu lực xúc tác r¿t lãn Enzym làm giÁm nng l°ÿng ho¿t hóa nhiều h¡n so vãi các ch¿t xúc tác hóa hác Ho¿t tính cÿa enzym chßu Ánh h°çng cÿa r¿t nhiều yÁu tố lý, hóa và sinh hác nh° nhiệt đá, ánh sáng, tia cực tím, sóng siêu âm, pH cÿa môi tr°ång,bÁn ch¿t hóa hác và nồng đá cÿa c¡ ch¿t, nồng đá cÿa enzym, thåi gian tác dāng cÿa enzym, tác dāng cÿa ch¿t āc chÁ, tác dāng cÿa ch¿t ho¿t hóa, sÁn ph¿m cÿa phÁn āng enzym và các ch¿t chuyển hóa khác Đặc tính °u việt cÿa enzym so vãi vãi các ch¿t xúc tác khác thể hiện ç các điểm: (i) Có hiệu quÁ xúc tác cao, có thể làm tng vÃn tốc phÁn āng lên 105 -1012 lÁn so vãi khi không có ch¿t xúc tác; (ii) Có thể ho¿t đáng ç điều kiện nhiệt đá và áp su¿t bình th°ång (nhiệt đá 20- 40 oC, pH từ 5-8); (iii) Có tính đặc hiệu cao: chỉ tác dāng lên những c¡ ch¿t nh¿t đßnh và xúc tác cho những phÁn āng nh¿t đßnh do vÃy ít có sÁn ph¿m phā t¿o ra đồng thåi hiệu su¿t thu đ°ÿc sÁn ph¿m chính cao; (iv) Nhiều enzym không bß m¿t ho¿t tính trong dung môi hữu c¡; (v) Sử dāng enzym đem l¿i hiệu quÁ kinh tÁ lãn (hiệu quÁ xúc tác cÿa phÁn āng có thể tng lên g¿p hàng triệu lÁn) không gây Ánh h°çng x¿u đÁn môi tr°ång; (vi) Điều chỉnh các yÁu tố vÃt lý, hóa hác thích hÿp cho ho¿t đáng cÿa enzym sẵn có để chuyển hóa c¡ ch¿t sẵn có trong nguyên liệu khi không tách enzym khỏi nguyên liệu Tách enzym khỏi nguyên liệu, sÁn xu¿t các chÁ ph¿m enzym có đá s¿ch khác nhau để sử dāng trên nhiều đối t°ÿng khác nhau và nhiều l*nh vực khác nhau: nghiên cāu c¿u trúc phân tử; phân tích các

ch¿t, xác đßnh chính xác hàm l°ÿng các ch¿t; āng dāng trong các ngành công nghiệp; āng dāng trong y, d°ÿc

1.2.3 Tính đặc hißu cÿa enzym

Mßi enzym đều có tác dāng chán lác đối vãi mát c¡ ch¿t hoặc mát lo¿i c¡ ch¿t nh¿t đßnh đối vãi mát lo¿i phÁn āng nh¿t đßnh.Tính ch¿t xúc tác chán lác này đ°ÿc gái là tính đặc hiệu cÿa enzym Đây là mát trong những đặc tính c¡ bÁn quan tráng nh¿t cÿa enzym, do c¿u trúc lý hóa đặc biệt cÿa phân tử enzym và đặc biệt là trung tâm ho¿t đáng mà enzym có tính đặc hiệu r¿t cao so vãi những ch¿t xúc tác thông th°ång khác Tính ch¿t đặc hiệu gắn liền vãi phÁn āng: phÁn lãn mßi enzym đều có tính đặc hiệu vãi mßi lo¿i phÁn āng nh¿t đßnh Những ch¿t có khÁ nng xÁy ra nhiều lo¿i phÁn āng hóa hác thì mßi lo¿i phÁn āng phÁi có mát enzym đặc hiệu xúc tác Ví dā: axit amin có khÁ nng xÁy ra phÁn āng khử cacboxyl, phÁn āng oxy hóa khử amin và phÁn āng trao đổi nhóm amin, vì vÃy mßi lo¿i phÁn āng trên cÁn có mát enzym đặc hiệu t°¡ng āng xúc tác là decacboxylase, axit amin oxydase, amino transferase

1.2.4 Enzym Horseradish Peroxidase (HRP)

HRP chāa hai lo¿i khác nhau cÿa trung tâm kim lo¿i, sắt (III) protoporphyrin IX (th°ång đ°ÿc gái là 8nhóm heme9) và hai nguyên tử canxi CÁ hai đều cÁn thiÁt cho sự toàn vẹn về c¿u trúc và chāc nng cÿa enzym Nhóm heme đ°ÿc gắn vào enzyme t¿i His170 (gốc histidine gÁn) bằng liên kÁt phối trí giữa nguyên tử NE2 chußi bên histidine và nguyên tử sắt heme Vß trí phối hÿp trāc thā hai (ç phía xa cÿa mặt phẳng heme) không bß chiÁm giữ trong tr¿ng thái nghỉ cÿa enzym nh°ng có sẵn cho hydrogen peroxide trong quá trình chuyển enzym Các phối tử nh° cacbon monoxit, xyanua, florua và azit liên kÁt vãi nguyên tử sắt heme ç vß trí xa này t¿o ra phāc peroxidase có số phối trí là 6 Mát số liên kÁt ç d¿ng proton hóa đ°ÿc ổn đßnh thông qua t°¡ng tác liên kÁt hydro vãi chußi axit amin ç bên cÿa nhân heme phía xa cÿa Arg38 (arginine xa) và His42 (histidine xa) (Hình 1.6)

Hình 1.6 Biểu diễn cấu trúc ba chiều của tinh thể peroxidase isoenzym C của cây cÁi ngựa (mã

và miền gần, mỗi miền chứa một nguyên tử canxi (được hiển thị dưới d¿ng hình cầu màu xanh lam) α-Vùng xoắn (α-Helica) và vùng tấm ³ (³ –sheet) của enzym lần lượt có màu tím và vàng

Hình 1.7 Các gốc axit amin chính trong vùng liên kết heme của HRP C Nhóm heme và nguyên

1.2.4.1 Cơ chế hoạt động

HÁu hÁt các phÁn āng đ°ÿc xúc tác bçi HRP C và các isoenzym peroxidase cÿa cây cÁi ngựa khác có thể đ°ÿc biểu thß bằng ph°¡ng trình sau, trong đó AH2 và AH∙ lÁn l°ÿt

đ¿i diện cho c¡ ch¿t khử và sÁn ph¿m gốc cÿa nó Các ch¿t khử điển hình bao gồm phenol th¡m, axit phenolic, indol, amin và sulfonat

Việc chuyển đổi hydrogen peroxide thành n°ãc không phÁi là chāc nng chính cÿa peroxidase thực vÃt c¿p III nh° HRP C Các enzym khác, bao gồm ascorbate peroxidase (class I) đ°ÿc thực vÃt sử dāng để điều chỉnh māc đá hydrogen peroxide nái bào Sự hình thành các sÁn ph¿m gốc trong các phÁn āng có xúc tác HRP cho th¿y mát số chāc nng in vivo có thể có trong cây Những phÁn āng này có thể liên quan đÁn các phÁn āng liên kÁt ngang, chẳng h¿n nh° sự hình thành các liên kÁt trễ từ các nhóm polysaccharide hoặc pectin đ°ÿc gắn polyme lên men, sự hình thành các liên kÁt dityrosine, liên kÁt ngang cÿa các monome phenolic trong việc hình thành suberin và sự liên kÁt oxy hóa cÿa các hÿp ch¿t phenolic nh° mát phÁn cÿa quá trình sinh tổng hÿp lignin Các peroxidase xúc tác các phÁn āng liên kÁt ngang có thể đ°ÿc biểu hiện trong phÁn āng vãi các yÁu tố bên ngoài nh° vÁt th°¡ng cÿa mô thực vÃt Do đó, sự m¿t n°ãc và sự xâm nhÃp cÿa mÁm bệnh có thể đ°ÿc h¿n chÁ bằng cách hình thành mát hàng rào cao phân tử bÁo vệ nh° suberin Mặc dù vai trò in vivo đối vãi isoenzyme HRP vÁn ch°a đ°ÿc xác đßnh, ng°åi ta biÁt rằng ho¿t đáng cÿa peroxidase đ°ÿc gây ra khi lá cÁi ngựa bß tổn th°¡ng (Kawaoka và cáng sự, 1994).[36]

1.2.4.2 Cơ chế xúc tác

C¡ chÁ xúc tác cÿa Enzym HRP đã đ°ÿc nghiên cāu ráng rãi (đ°ÿc xem xét trong Dunford, 1991, 1999; Veitch và Smith, 2001)[37] Mát số đặc điểm quan tráng cÿa chu trình xúc tác đ°ÿc minh háa trong Hình 1.8 vãi axit ferulic làm c¡ ch¿t khử Việc t¿o ra các lo¿i gốc trong hai b°ãc khử mát điện tử có thể dÁn đÁn mát c¿u trúc phāc t¿p cÿa các sÁn ph¿m phÁn āng, bao gồm các ch¿t dimer, trime và các oligome mà bÁn thân chúng có thể ho¿t đáng nh° ch¿t khử trong các lÁn chuyển tiÁp sau đó

Hình 1.8 Chu trình xúc tác của peroxidase củ cÁi ngựa (HRP) với ferulate là chất khử Các

Những nm gÁn đây, cÁm biÁn glucose đang là mát trong những l*nh vực nghiên cāu nhÃn đ°ÿc sự quan tâm, lựa chán đặc biệt cÿa các nhà khoa hác, các hãng chÁ t¿o thiÁt bß phân tích sinh hóa vì những triển váng āng dāng r¿t lãn cÿa chúng trong phân tích, kiểm tra các chỉ d¿u glucose trong chm sóc sāc khỏe, theo dõi, phát hiện sãm bệnh tiểu đ°ång (vãi nguy c¡ và xu h°ãng phát triển cÿa bệnh này nh° đề cÃp ç trên) vãi những °u điểm v°ÿt trái nh° phân tích nhanh, đ¡n giÁn, dễ sử dāng so vãi việc đÁn bệnh viện để thực hiện các việc kiểm tra, xét nghiệm Các kÁt quÁ trên có đ°ÿc là nhå āng dāng các vÃt liệu tiên tiÁn (vÃt liệu lai t¿o, vÃt liệu nano&) và tích hÿp các tính ch¿t sinh-hóa-lý cÿa các vÃt liệu (ho¿t tính xúc tác, tính ch¿t quang, tính ch¿t điện&) để tng c°ång ho¿t tính cÿa các phÁn tử sinh hác, tng đá nh¿y, giÁm thåi gian xét nghiệm, giãi h¿n phát hiện th¿p, giÁm chi phí phân tích Quan tráng h¡n nữa, sử dāng các vÃt liệu tiên tiÁn nói trên s¿ kéo dài đ°ÿc thåi gian sử dāng cÿa cÁm biÁn sinh hác vì các phÁn tử sinh hác (nh° enzym) có thåi gian sống không dài, l¿i yêu cÁu ho¿t đáng trong những điều kiện khá nghiêm ngặt (pH, nhiệt đá&) Nhìn chung, cÁm biÁn glucose có hai lo¿i, lo¿i thā nh¿t có sử dāng đÁu dò là enzym glucose oxidase (GOx) để xác đßnh nồng đá glucose trong mÁu thì đ°ÿc gái là cÁm biÁn sinh hác

Lo¿i thā hai không cÁn đÁu dò, tiÁn hành phÁn úng hóa hác để xác đßnh nồng đá glucose thì không đ°ÿc xÁp vào cÁm biÁn sinh hác Trong luÃn án này chúng tôi chÁ t¿o lo¿i cÁm biÁn thā nh¿t để xác đßnh nồng đá glucose trong các mÁu sinh hác (máu, n°ãc tiểu, n°ãc bát hoặc mồ hôi)

1.3.1 Các ph°¢ng pháp xét nghißm nồng độ glucose

Xét nghiệm nồng đá glucose có vai trò quan tráng trong việc phát hiện sãm để điều trß, do đó các nghiên cāu trong l*nh vực này đ°ÿc phát triển r¿t đa d¿ng và phong phú nhằm māc đích chÁ t¿o ra các cÁm biÁn glucose, cholesterol, axit uric có đá nh¿y cao, đá đặc hiệu (chán lác) tốt, nhanh, phân tích đ¡n giÁn, và giá rẻ Để đ¿t đ°ÿc điều này, các nhà khoa hác đã và đang tìm tòi các vÃt liệu, chÁ t¿o các thiÁt bß, thiÁt kÁ các cÁm biÁn và đã thu đ°ÿc những kÁt quÁ nh¿t đßnh Có thể chia ra các h°ãng nghiên cāu chính để phát triển cÁm biÁn lo¿i này bao gồm:

Đây là ph°¡ng pháp đang áp dāng phổ biÁn để xét nghiệm trong các bệnh viện hiện nay Nguyên tắc cÿa ph°¡ng pháp, l¿y xét nghiệm glucose làm ví dā, là sử dāng enzym glucose oxidase (th°ång đ°ÿc ký hiệu là GOD hoặc GOx) để oxy hoá glucose trong mÁu thành gluconic acid và giÁi phóng peroxide hydrogen (H2O2) Sau đó peroxide hydrogen t¿o thành bß enzym peroxidase (POD) - thông th°ång enzym horseradish peroxidase (HRP) đ°ÿc sử dāng phổ biÁn, để phân huÿ H2O2 và giÁi phóng oxy Oxy giÁi phóng oxy hoá ch¿t chỉ thß, phổ biÁn là hệ 4 – aminophenzon(4-AAP) và phenol hay hệ 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB) để t¿o ra sÁn ph¿m có màu đặc tr°ng (c¡ chÁ đ°ÿc minh háa trên hình 1.6a và các phÁn āng chính diễn ra đ°ÿc miêu tÁ trên hình 1.6b, nh° hệ 4-AAP, phenol t¿o ra ch¿t quinonimin có màu đỏ hồng (Hình 1.6c), hay TBM t¿o ra d¿ng TMB d¿ng oxi hóa có màu xanh lá cây C°ång đá màu tÿ lệ vãi hàm l°ÿng glucose qua đó sử dāng đ°ång chu¿n s¿ xác đßnh đ°ÿc nồng đá glucose

Hình 1.9 (a) Cơ chế ho¿t động của các enzym trong hệ cÁm biến 2 enzym phát hiện glucose

1.3.1.2 Xét nghiệm bằng máy đo sử dụng cảm biến sinh học điện hóa sử dụng

Về nguyên tắc thì ph°¡ng pháp so màu đã nói ç trên và ph°¡ng pháp này giống nhau ç chß là sử dāng các enzym đặc chÿng (ví dā GOx) để chuyển hóa chỉ d¿u sinh hác là glucose thành các axit t°¡ng āng và giÁi phóng ra H2O2 Sự khác biệt ç đây là tín hiệu đÁu ra thu đ°ÿc là dòng điện dùng để hiển thß giá trß nồng đá các chỉ d¿u sinh hác trong mÁu thay vì thay đổi màu sắc nh° trong ph°¡ng pháp so màu Ví dā, thành phÁn, mát bá thiÁt bß kiểm tra nồng đá glucose trong máu gồm các bá phân nh° trong hình 1.7a, gồm: máy đác kÁt quÁ (1), que l¿y máu (2), que thử (3), háp chāa các que thử ch°a sử dāng (4) và háp đựng máy (5) Mát mÁu que test thử điển hình đ°ÿc c¿u t¿o bçi các điện cực ho¿t đáng chính (working electrode-WE) và các điện cực thu (counter electrode-CE), điện cực so sánh (Reference Electrode-RE), c¿u t¿o cÿa mát que thử theo nguyên lý điện hóa mô tÁ trên hình 1.7b Nguyên lý ho¿t đáng nh° sau, dòng điện đ°ÿc sinh ra do quá trình oxy hóa mát cách chán lác l°ÿng đ°ång glucose trong mÁu máu thử cùng vãi hai thành phÁn ch¿t xúc tác phÁn āng đ°ÿc <tráng= sẵn bên trong cÿa que test thử, bao gồm enzym GODx phÁn āng trực tiÁp vãi các phân tử đ°ång glucose để tách l¿y hai điện tử (electron) sẵn có cÿa nó, và thành phÁn thā 2 là mát phân tử môi ch¿t/hoặc enzym thā 2 (th°ång là HRP) s¿ đÁm nhiệm việc nhÃn l¿y 2 điện tử đ°ÿc giÁi phóng từ enzym d°ãi d¿ng đ¡n lẻ hay cặp đôi rồi chuyển các điện tử này đÁn điện cực làm việc (working electrode-WE) để t¿o ra tín hiệu có thể đo đ°ÿc (quá trình này đ°ÿc minh háa trong hình 1.7c) Enzym và môi ch¿t ho¿t đáng nh° mát c¡ chÁ chán phân lo¿i từ mát số l°ÿng lãn các điện tử từ các phân tử đ°ång glucose đ°ÿc chuyển đÁn điện cực làm việc (WE) Mßi phân tử enzym và môi ch¿t có thể lặp đi lặp l¿i quá trình dßch chuyển này nÁu cÁn thiÁt Có r¿t nhiều lo¿i môi ch¿t thích hÿp khác nhau có thể đ°ÿc sử dāng để sÁn xu¿t các que thử đ°ång huyÁt ho¿t đáng theo c¡ chÁ điện hóa (Electrochemical Blood Glucose Test Strips - EBGTS), tuy nhiên, dù có nhiều sự khác nhau về yÁu tố này (bí quyÁt công nghệ) vãi các sÁn ph¿m que test thử đã th°¡ng m¿i hóa trên thß tr°ång nh°ng t¿t cÁ chúng đều ho¿t đáng dựa trên cùng c¡ chÁ giống nh° đã minh háa ç hình trên Bá kit thử glucose theo nguyên lý điện hóa này đã đ°ÿc th°¡ng m¿i hóa, tuy nhiên khÁ nng tiÁp cÃn cÿa ng°åi dân, đặc biệt là ç những n°ãc đang phát triển nh° Việt Nam là khó khn vì giá thành còn cao, vì vÃy nhiều nhóm nghiên cāu trên thÁ giãi đang tiÁp tāc phát triển h°ãng này nhằm giúp giá thành giÁm xuống để có thể phổ cÃp tãi những ng°åi có thu nhÃp th¿p

Hình 1.10 (a) Một bộ dụng cụ và thiết bị của máy đo đường huyết gồm: (1) Máy phân tích và đọc kết quÁ; (2) Dụng cụ lấy máu; (3) Que thử; (4) Hộp đựng que thử và (5) Hộp đựng thiết bị

Xét nghiệm bằng que thử bộ chỉ số trong nước tiểu

Ngoài ra, có thể dùng que thử bằng gi¿y (hình 1.8) để kiểm tra nồng đá đ°ång trong n°ãc tiểu, tuy nhiên đây là que thử tổng hÿp, cùng lúc có thể phát hiện đ°ÿc nhiều thông số cùng lúc (nh° pH, axit ascorbic&) và dùng bÁng màu chu¿n để tra ra nồng đá CÁm biÁn lo¿i này ho¿t đáng trên nguyên lý phÁn āng hóa hác làm thay đổi màu ch¿t chỉ thß giữa ch¿t cÁn kiểm tra vãi ch¿t chỉ thß nên có đá đặc hiệu th°ång không cao, chỉ thích hÿp

1.3.2 Các xu h°ớng phát triển cÁm bi¿n glucose

Mát số báo cáo mãi đã nghiên cāu thay thÁ cÁ 2 enzym trong cÁm biÁn phát hiện glucose theo ph°¡ng pháp so màu, nh° nhóm cÿa tác giÁ Tangsong Li [39] đã sử dāng hệ nano b¿c/nano vàng c¿u trúc lõi vỏ để phát hiện glucose theo c¡ chÁ nêu trên hình 1.9

Hình 1.12 Nguyên lý phát hiện glucose bằng phương pháp so màu không sử dụng enzym [39]

Theo đó, phÁn āng tráng g°¡ng giữa ion Ag+ vãi glucose trong mÁu cÁn phân tích đ°ÿc hß trÿ bçi các h¿t nano vàng (nano Au), khi đó b¿c (Ag0) hình thành s¿ bám lên bề mặt h¿t nano vàng t¿o ra c¿u trúc lõi (là nano Au) và vỏ là b¿c (Ag0), do đó làm thay đổi phổ h¿p thā cÿa dung dßch từ pic đặc tr°ng cÿa h¿t nano vàng (ç 520 nm) thành phổ h¿p thā cÿa h¿t nano b¿c (có pic đặc tr°ng ç 425 nm) và nồng đá glucose trong mÁu tÿ lệ thuÃn vãi c°ång đá pic h¿p thā t¿i b°ãc sóng 425 nm Vãi thiÁt kÁ này cÁm biÁn có thể phát hiện glucose trong khoÁng nồng đá từ 0,04 mM đÁn 1 mM vãi giãi h¿n phát hiện bằng mắt th°ång là 10 nM Tuy nhiên cÁm biÁn kiểu này có đá đặc hiệu (đá chán lác) không cao vì không có đÁu dò đặc hiệu (là enzym GOx) do đó ngoài glucose thì các tác nhÃn khác cũng có thể gây ra sự thay đổi màu nh° trên, có thể gồm formaldehit, axit ascorbic&Ngoài ra, cÁm biÁn này không dùng đÁu dò là phÁn tử sinh hác nên cũng không đ°ÿc coi là cÁm biÁn sinh hác (theo đßnh ngh*a cÿa IUPAC)

peroxidase (POD)

Đã có mát số nghiên cāu đã thay thÁ enzym HRP (mát lo¿i enzym POD phổ biÁn nh¿t) bằng các vÃt liệu có ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự nh° enzym HRP, các vÃt liệu th°ång

đ°ÿc sử dāng là các oxit kim lo¿i chuyển tiÁp nh° Co3O4 [40]; Fe3O4 [41-44], Prussian blue ( Fe7(CN)18 ) [45] hay các vÃt liệu trên c¡ sç carbon nh° C60 [46] Các vÃt liệu tổ hÿp trên c¡ sç các oxit trên vãi các vÃt liệu nh° ống nano carbon (CNTs), graphen/graphen oxit nh° Fe3O4/graphen [41, 42, 47], Fe2O3/graphen [47] để tng c°ång ho¿t tính thông qua khÁ nng chuyển điện tích nhanh giúp phÁn āng xÁy ra nhanh h¡n, nh¿y h¡n Thêm vào đó, việc thay thÁ enzym HRP làm cho cÁm biÁn có thåi gian bÁo quÁn đ¡n giÁn h¡n và dài h¡n (vì enzym HRP s¿ bß m¿t ho¿t tính khi gặp ánh sáng nên để sử dāng chúng cÁn thao tác trong điều kiện thiÁu sáng) Ngoài ra các kim lo¿i quý và các vÃt liệu tổ hÿp trên c¡ sç các h¿t nano kim lo¿i này có ho¿t tính xúc tác t°¡ng tự nh° enzym HRP cũng đã đ°ÿc nghiên cāu thay thÁ HRP trong phát hiện glucose nh° nano b¿c (nanoAg) [48], nano platin (nano Pt) hay nano paladi (nano Pd) hay nano PtPd [49]

Hình 1.13 Nguyên lý phát hiện glucose sử dụng enzym GOx kết hợp với sử dụng

Chẳng h¿n, nhóm cÿa Ruimin Li [50] sử dāng quÁ cÁu C60 fullerenes chāc nng hóa bằng các nhóm -COOH để thay thÁ HPR khi phân hÿy H2O2, c¡ chÁ cÿa quá trình mô tÁ trên hình 1.10 Trong nghiên cāu này, Li đã dùng TMB làm ch¿t chỉ thß, màu xanh cÿa TMB tÿ lệ thuÃn vãi nồng đá glucose trong mÁu và ph°¡ng pháp này có khoÁng phát hiện glucose là từ 1 -40 µM và giãi h¿n phát hiện là 0,5 µM

Để nâng cao đá nh¿y cÿa cÁm biÁn phát hiện glucose theo ph°¡ng pháp điện hóa, nhiều vÃt liệu mãi đã đ°ÿc āng dāng và nghiên cāu gồm sử dāng các vÃt liệu nao có ho¿t tính xúc tác cho quá trình phân giÁi H2O2 (là sÁn ph¿m cÿa quá trình chính do GOD chuyển hóa glucose), vì vÃy về nguyên tắc thì các vÃt liệu này có thể gồm các oxit kim lo¿i chuyển tiÁp nh° Fe3O4 [51]; CuO [52], NiO [53, 54] hoặc các h¿t nano kim lo¿i quý (nh° nano Ag [55], nano Pt [56, 57], nano Pd [58]) và các vÃt liệu tổ hÿp cÿa chúng vãi CNTs, graphene&để tng c°ång hiệu nng phÁn āng, tng đá nh¿y, giÁm thåi gian

Jia và các cáng sự [58] trình bày quy trình tổng hÿp vÃt liệu mãi d¿ng sÿi trên c¡ sç các h¿t paladi (Pd) đính trên các sÿi carbon xoắn nano (helical carbon nanofiber) (hình 1.11) TiÁp theo, vÃt liệu này phÿ lên điện cực, sau đó cho thêm GOx rồi dùng nafion làm ch¿t kÁt dính phÿ lên bề mặt để đßnh vß chúng trên điện cực để āng dāng phát hiện glucose CÁm biÁn này ho¿t đáng trong khoÁng nồng đá glucose từ 0.06 đÁn 6.0 mM vãi giãi h¿n phát hiện lên tãi 0.03 mM

Hình 1.14 Cấu t¿o điện cực làm việc để phát hiện glucose trên cơ sở sử dụng kết hợp enzym

Claussen và các cáng sự [59] đã phát minh ra mát bá cÁm biÁn sinh hác mãi có thể thay thÁ mát phÁn hoặc hoàn toàn cho pinprick (kim chích máu) để kiểm tra tiểu đ°ång Bá cÁm biÁn này có thể phát hiện nồng đá glucose trong n°ãc bát, n°ãc mắt và n°ãc tiểu (trong khi đó test xét nghiệm tiểu đ°ång thông th°ång th°ång chỉ đo đ°ÿc nồng đá glucose trong máu) Bá cÁm biÁn bao gồm mát vài t¿m nano giống nh° cánh hoa hồng đ°ÿc làm từ graphen, các c¿nh cÿa t¿m nano liên kÁt hóa hác không đÁy đÿ do đó enzym glucose oxidase có thể gắn vào Enzym sau đó chuyển đổi glucose thành peroxide t¿o ra mát tín hiệu trên các điện cực cÿa cÁm biÁn Công nghệ này có thể phát hiện glucose ç nồng đá th¿p từ 0,3¼M (hình 1.12)

Hình 1.15 Cấu trúc cÁm biến phát hiện nồng độ glucose trong nước bọt, nước mắt và nước tiểu trên cơ sở các tấm graphen/h¿t nano Pd [59]

Hình 1.16 Sơ đồ của cÁm biến phát hiện H2O2và glucose theo phương pháp điện hóa sử dụng

Ngoài việc sử dāng vÃt liệu mãi, c¿u trúc vÃt liệu mãi để tng c°ång ho¿t tính xúc tác cÿa GOx cũng cho phÁn āng phân hÿy H2O2 t¿o ra tín hiệu điện để quy đổi ra nồng đá glucose trong mÁu, mát h°ãng mãi cũng đ°ÿc nghiên cāu liên quan đÁn phÁn cāng là chÁ t¿o các hệ vi l°u (microfluidic) để giÁm l°ÿng mÁu sử dāng, khuÁch đ¿i phÁn āng qua đó tng đ°ÿc đá nh¿y Ví dā, nhóm cÿa Noiphung[60] đã chÁ t¿o hệ microfluidic d¿ng gi¿y để phát hiện glucose (hình 1.13) Vãi cÁm biÁn này, há đã test thử phát hiện glucose trong máu vãi đá lặp l¿i khá tốt, tuy nhiên đá nh¿y ch°a cao nh°ng những cÁm biÁn trên c¡ sç này có nhiều hāa hẹn vì chi phí th¿p thích hÿp cho việc tự xét nghiệm t¿i nhà

(a)

1.4 Các v¿t lißu nano tiên ti¿n trên nền carbon đ°ÿc nghiên cāu trong

1.4.1 V¿t lißu nano b¿c (silver nanoparticles-AgNPs)

H¿t nano b¿c (AgNPs) là các h¿t b¿c có kích th°ãc từ 1 nm đÁn 100 nm Do có diện tích bề mặt lãn nên AgNPs có khÁ nng kháng khu¿n tốt h¡n so vãi các vÃt liệu khối do khÁ nng giÁi phóng nhiều ion Ag+ h¡n

Hình 1.17 (a) Khẩu trang chứa nano b¿c; (b) các dược phẩm sử dụng nano b¿c; (c) bình sữa

Do thể hiện tính kháng khu¿n tốt nên AgNPs th°ång đ°ÿc sử dāng để làm ch¿t khử trùng, kháng khu¿n, khử mùi& Có thể kể mát vài sÁn ph¿m chāa AgNPs nh°: (i) Các dāng cā chāa thực ph¿m: Những đồ dùng bằng nhựa có pha thêm AgNPs có tác dāng khử trùng Qua kiểm tra cho th¿y chúng có khÁ nng diệt 99.9% vi khu¿n; (ii) Đồ may mặc: AgNPs đ°ÿc t¿m vào các lo¿i sÿi để diệt khu¿n và khử mùi; (iii) Các thiÁt bß điện tử: Điều hòa, tÿ l¿nh, máy giặt; (iv) Āng dāng trong y tÁ nh° kh¿u trang AgNPs: Đ°ÿc thiÁt kÁ vãi 3 - 4 lãp gồm 2 lãp vÁi, mát lãp vÃt liệu t¿m AgNPs và than ho¿t tính ç giữa, lo¿i kh¿u trang này có khÁ nng diệt khu¿n, diệt virus, lác không khí r¿t tốt Lãp vÁi t¿m nano b¿c có chāc nng diệt vi khu¿n, virus, n¿m bß giữ l¿i trên kh¿u trang đồng thåi có tác dāng khử mùi; (v) SÁn xu¿t thuốc chữa bệnh; (vi) Āng dāng trong màng hô h¿p: Đó là mát t¿m màng mỏng có thể cho khí và h¡i n°ãc qua nh°ng không thể cho ch¿t lỏng đi qua, có vô số những lß khí nhỏ tồn t¿i trong t¿m film Các AgNPs gÁn đây đã đ°ÿc kÁt hÿp vãi film polyolefin vãi đặc tính kháng khu¿n r¿t tốt và (vii) các sÁn ph¿m tiêu dùng khác nh° các dung dßch

(b

xßt khử mùi cho tÿ l¿nh, cho giÁy dép; n°ãc sāc miệng; bàn chÁi đánh rng&Các āng dāng đ°ÿc tóm l°ÿc trên hình 1.17

Dung dßch chāa AgNPs có hiện t°ÿng cáng h°çng plasmon bề mặt Hiện t°ÿng này t¿o nên màu sắc từ vàng nh¿t đÁn đen cho các dung dßch có chāa AgNPs vãi các màu sắc phā thuác vào nồng đá và kích th°ãc h¿t nano Do các thuác tính quang hác cÿa dung dßch chāa h¿t nano phā thuác vào hình d¿ng, kích th°ãc và nồng đá cÿa h¿t, nên ta có thể sử dāng UV-VIS để xác đßnh các thuác tính trên Thông th°ång, các h¿t nano b¿c có kích th°ãc nhỏ h¡n 50 nm chỉ có mát bề mặt plasmon duy nh¿t nên trong phổ UV-Vis cÿa chúng chỉ có mát đỉnh h¿p thā đặc tr°ng, đỉnh phổ này s¿ bß thay đổi (dßch chuyển, giÁm c°ång đá h¿p thā) khi có các tác nhân t¿n công sự tồn t¿i hoặc làm biÁn d¿ng hình hác các h¿t AgNPs, bằng mắt th°ång có thể quan sát đ°ÿc sự biÁn đổi tông màu hoặc đá đÃm nh¿t (c°ång đá màu) cÿa dung dßch AgNPs Vì vÃy thåi gian gÁn đây có nhiều nghiên cāu āng dāng các tính ch¿t này để chÁ t¿o cÁm biÁn hóa hác, sinh hác Tuy nhiên để đáp āng cho các āng dāng này thì AgNPs yêu cÁu có đá s¿ch cao, trong mÁu không có d° l°ÿng sÁn ph¿m phā hoặc các sÁn ph¿m phā không Ánh h°çng/ t°¡ng tác vãi các ch¿t trong hệ āng dāng cÿa AgNPs Do đó các ph°¡ng pháp truyền thống tổng hÿp AgNPs tỏ ra bß h¿n chÁ khi sÁn xu¿t AgNPs cho các āng dāng này Để khắc phāc h¿n chÁ đó, trong luÃn án này, chúng tôi trình bày ph°¡ng pháp <xanh= để tổng hÿp các AgNPs, trong đó điểm mãi là sử dāng các h¿t nano cacbon (hay ch¿m l°ÿng tử graphen -CQDs) làm ch¿t khử và đồng thåi làm ch¿t ổn đßnh TiÁp đó chúng tôi dùng AgNPs tổng hÿp đ°ÿc để làm đÁu dò đa chāc nng để chÁ t¿o cÁm biÁn H2O2, tiÁp đó kÁt hÿp cÁm biÁn H2O2 và enzym GOx để chÁ t¿o cÁm biÁn glucose theo ph°¡ng pháp so màu Đây đều là các nái dung nghiên cāu mãi và có ý ngh*a thực tiễn

1.4.2 H¿t nano Fe3O4 bọc carbon (c¿u trúc lõi/vỏ) (core-shell)

Các h¿t nano oxit sắt từ (Fe3O4) đã đ°ÿc sử dāng ráng rãi trong nhiều l*nh vực quan tráng do đặc tính vÃt lý tuyệt våi ç kích th°ãc nano cÿa chúng, nh° tính siêu thuÃn từ Các h¿t nano Fe3O4 từ là vÃt liệu nano bền, dễ dàng tÃp hÿp l¿i khi có sự hiện diện cÿa từ tr°ång bên ngoài, nh°ng cũng phân tán l¿i dễ dàng khi ngắt từ tr°ång ngoài đó Vãi thuác tính siêu thuÃn từ này, các h¿t nano oxit sắt đ°ÿc āng dāng trong nhiều l*nh vực khác nhau, đặc biệt là trong y sinh, bao gồm: tách sinh hác và tinh chÁ, cÁm biÁn sinh hác, truyền, chāp cáng h°çng từ (MRI), điều trß tng thân nhiệt

Vào nm 2007, ng°åi ta đã phát hiện ra rằng các h¿t nano Fe3O4 có các ho¿t tính giống nh° enzym peroxidase (POD) tự nhiên Đây là lÁn đÁu tiên các h¿t nano vô c¡ đ°ÿc coi là mát enzym nhân t¿o thay thÁ trong các āng dāng y sinh Sự kiện này khçi x°ãng cho việc phát hiện ra mát lo¿t vÃt liệu nano vãi các ho¿t tính giống nh° enzym, bao gồm kim lo¿i, oxit kim lo¿i và hÿp ch¿t carbon-kim lo¿i vÃt liệu nano có đặc tính xúc tác t°¡ng tự nh° peroxidase

Đặc điểm cÿa h¿t nano sắt từ sau khi chÁ t¿o là diện tích bề mặt lãn, sāc cng bề mặt cao, không ổn đßnh, dễ bß kÁt tā, đác tính cao Bề mặt cÿa các h¿t từ này đ°ÿc cÁi biÁn thông qua việc bác vài lãp nguyên tử cÿa các polime hữu c¡, kim lo¿i, các oxit vô c¡ nh° SiO2, Al2O3& Các polyme có nguồn gốc tự nhiên nh° gelatin, dextran, chitosan&Các polyme tổng hÿp nh° polyvinylpyrrolidone (PVP), polyetylenglycol (PEG), polyvinylalcohol (PVA), polystyren (PS)& Polyme vô c¡ nh° oxide cÿa silica và titania Ch¿t ho¿t đáng bề mặt nh° oleic, alkyl photphonates và photphates sulfonates

Các h¿t nano đ°ÿc bác mát lãp ch¿t ho¿t đáng bề mặt có thể phân tán trong dung môi đồng nh¿t gái là ch¿t lỏng từ Ngoài các chāc nng bÁo vệ phÁn lõi, lãp vỏ còn làm giÁm đác tố cÿa h¿t từ và dễ dàng chāc nng hóa bằng việc gắn các phân tử có đặc tính sinh hác khác nhau Mặt khác để phối hÿp các h¿t nano từ vãi các thành phÁn khác t¿o c¿u trúc lõi/vỏ (nano core/shell) đa chāc nng thì ph°¡ng thāc chÿ yÁu đ°ÿc sử dāng là bác h¿t nano từ bằng lãp silica, sau đó t¿o 1 lãp các thành phÁn chāc nng khác nh° vàng, tâm màu hoặc ch¿m l°ÿng tử trên lãp silica đó để t¿o thành h¿t đa lãp, đa chāc nng

H¿t nano đa lãp gồm các h¿t nano có c¿u trúc 2 lãp, 3 lãp&Ví dā những h¿t có lõi điện môi, vỏ là kim lo¿i quý, những h¿t có lõi vÃt liệu từ (sắt từ); những h¿t nano lãp trong cùng là vÃt liệu từ, lãp tiÁp theo là lõi điện môi và vỏ ngoài là lãp kim lo¿i mỏng H¿t nano core-shell đã nhÃn đ°ÿc sự chú ý đáng kể trong những nm gÁn đây vì tiềm nng āng dāng cÿa chúng Những vÃt liệu này cho mát lo¿t những āng dāng trong ch¿n đoán huÿnh quang, xúc tác, nâng cao đá t°¡ng phÁn hình Ánh, t¿o tinh thể quang tử, trß liệu và phân phối thuốc, điều trß quang nhiệt Các h¿t nano core/shell kim lo¿i đÁu tiên đ°ÿc phát hiện bçi Shou bao gồm mát lõi điện môi Au2S đ°ÿc bao quanh bçi 1 lãp vỏ vàng, tùy thuác vào kích th°ãc cÿa các h¿t nano, các đỉnh cáng h°¡ng palamon có thể thay đổi trong dÁi ráng từ vùng nhìn th¿y tãi các b°ãc sóng tãi 900 nm H¿t nano core-shell có c¿u trúc đa d¿ng nh°ng thông th°ång có 2 thành phÁn chính là lõi và vỏ Hình d¿ng và tính ch¿t cÿa các h¿t lõi/vỏ theo

lý thuyÁt cho th¿y có thể điều chỉnh bằng cách khống chÁ các thành phÁn và thông số chÁ t¿o D°ãi đây là mát số d¿ng nano core-shell th°ång gặp thể hiện trên hình 1.18

Hình 1.18 Các d¿ng nanoshell: (a) H¿t nano chứa nhiều nhân giống nhau, (b) H¿t nano chứa

Trong các d¿ng này, vÃt liệu chán làm lõi/vỏ, tỉ lệ và kiểu liên kÁt lõi/vỏ là các yÁu tố c¡ bÁn để t¿o ra các c¿u trúc khác nhau cÿa h¿t nano core-shell Việc lựa chán các thành phÁn để làm lõi và vỏ đ°ÿc tiÁn hành phā thuác vào các tính ch¿t mong muốn cÿa sÁn ph¿m cuối cùng, h°ãng áp dāng và quy trình chÁ t¿o Có r¿t nhiều vÃt liệu vô c¡ hay hữu c¡ đ°ÿc chán làm lõi nh° ch¿t keo, carbon ho¿t hóa các hÿp ch¿t hữu c¡, các ch¿t xúc tác, d°ÿc ph¿m và thuốc, các ch¿t t°¡ng phÁn sử dāng trong việc ch¿n đoán, các enzym ho¿t hóa& Tÿ lệ lõi/vỏ là mát yÁu tố quan tráng quyÁt đßnh tính ch¿t cÿa h¿t nano core-shell Việc điều chỉnh 2 thông số đá dày cÿa vỏ và tÿ lệ lõi/vỏ là r¿t quan tráng trong chÁ t¿o h¿t nano Chẳng h¿n đá dày cÿa vỏ tác đáng đÁn tính ch¿t đặc tr°ng cÿa phÁn lõi, sự giÁi phóng cÿa ch¿t ho¿t tính làm thay đổi thåi gian tồn t¿i cÿa sÁn ph¿m cuối cùng Kiểu liên kÁt lõi/vỏ có thể có nhiều d¿ng, theo kiểu liên kÁt hóa hác hoặc liên kÁt t*nh điện

Mát trong những d¿ng nano core-shell đang có xu h°ãng phát triển m¿nh là lo¿i c¿u trúc lõi là các h¿t kim lo¿i nh° sắt từ, Au, Ag& và vỏ là các ch¿t khác vãi các chāc nng khác nhau nh° từ/vàng, từ/vàng/ch¿t huÿnh quang, vàng/ch¿m l°ÿng tử, từ/ch¿m l°ÿng tử& Các c¿u trúc trên có vai trò thực hiện đa chāc nng khác nh° làm giàu/hiện Ánh&

VÃt liệu Fe@C là vÃt liệu đa chāc nng có c¿u trúc lõi-vỏ, vÃt liệu lõi là nano Fe3O4, vỏ là Cacbon Trong đó, vÃt liệu vỏ là cacbon, tác nhân h¿p phā vãi diện tích bề mặt riêng cao, dung l°ÿng h¿p phā lãn, t°¡ng thích tốt (ái lực tốt) Lõi nano Fe O có hai tác dāng:

thā hai là t¿o khÁ nng thu hồi vÃt liệu sau khi h¿p phā bằng cách dùng nam châm Đây là vÃt liệu h¿p phā và làm giàu tÁ bào thÁ hệ mãi VÃt liệu này có khÁ nng đ°ÿc thu l¿i sau khi h¿p phā, đồng thåi có khÁ nng tái sinh để tái sử dāng ch¿t h¿p phā Đây là lo¿i vÃt liệu có tiềm nng āng dāng tốt, quy trình chÁ t¿o t°¡ng đối đ¡n giÁn, có thể mç ráng quy mô, chi phí chÁ t¿o th¿p, có khÁ nng ho¿t hóa bề mặt cacbon để āng dāng cho các māc đích khác nh° h¿p phā kim lo¿i nặng, h¿p phā kim lo¿i quý, h¿p phā các hydrocacbon nên vÃt liệu này có nhiều triển váng āng dāng trong thực tÁ và đ°ÿc nhiều phòng thí nghiệm trên thÁ giãi quan tâm nghiên cāu

Việc sử dāng h¿t nano Fe3O4 làm lõi s¿ t¿o từ tính cho vÃt liệu nhằm māc đích thu hồi và ngoài ra cung c¿p ion Fe3+ làm xúc tác cho phÁn āng oxi hoá khử Tỉ lệ lõi/vỏ là mát yÁu tố quan tráng để chÁ t¿o nên các tiểu cÁu Việc điều chỉnh cÁ hai thông số đá dày cÿa vỏ và tỉ lệ lõi/vỏ là r¿t quan tráng đối vãi viêc chÁ t¿o tiểu cÁu Trong luÃn án sử dāng lãp vỏ cacbon vô đßnh hình để bác h¿t sắt từ t¿o ra vÃt liệu Fe3O4/C nanocomposite (vÃt liệu Fe@C) có c¿u trúc lõi vỏ vãi lõi là Fe3O4 còn lãp vỏ là cacbon Sau đó s¿ āng dāng vÃt liệu này thay thÁ enzym HRP trong cÁm biÁn sinh hác enzym để phân tích glucose Māc đích cÿa việc chÁ t¿o vÃt liệu này là để bÁo vệ đá bền cho vÃt liệu bçi l¿ trong thực tÁ, Fe2+

r¿t dễ bß oxi hóa thành Fe3+ qua đó thay đổi ho¿t tính xúc tác (quá m¿nh s¿ m¿t tính chán lác vì Fe3+ có ho¿t tính xúc tác r¿t m¿nh) Vì vÃy việc t¿o ra vÃt liệu có c¿u trúc lõi/vỏ là r¿t quan tráng để lo¿i bỏ đÁn māc th¿p nh¿t các yÁu tố tác đáng cÿa môi tr°ång đÁn lõi vÃt liệu, nâng cao tính ch¿t từ tính cÿa vÃt liệu Tùy theo từng tỉ lệ mà ta có thể điều chÁ ra lãp vỏ cacbon dày hay mỏng khác nhau

1.4.3 V¿t lißu FeOOH/ ch¿m carbon l°ÿng tử pha t¿p nit¢

Mát hÿp ch¿t có mặt nguyên tố sắt (Fe), còn đ°ÿc biÁt đÁn vãi tên gái là <gỉ sắt= oxy-hydroxit sắt (FeOOH) đ°ÿc nghiên cāu nhiều trong việc h¿p phā xử lý n°ãc và có ho¿t tính xúc tác cao H¡n nữa việc chÁ t¿o các oxy-hydroxit sắt cũng không quá phāc t¿p, đem l¿i hiệu quÁ cao Các oxy-hydroxit sắt có những tính ch¿t nổi trái nh° diện tích bề mặt lãn, c¿u trúc xốp, bền hóa, bền nhiệt và khÁ nng xúc tác cao đã và đang đ°ÿc nhiều nhà khoa hác trên thÁ giãi nghiên cāu chÁ t¿o vÃt liệu āng dāng làm xúc tác và h¿p phā [61, 62] FeOOH có thể tồn t¿i d°ãi nhiều d¿ng thù hình khác nhau phā thuác vào c¿u trúc tinh

thể cÿa vÃt liệu, là ³-FeOOH (goethite), ³-FeOOH (akaganeite), ·-FeOOH (feroxyhyte) và ´-FeOOH (lepidocroxite)

Hình 1.19 Cấu trúc tinh thể của ´-FeOOH [63]

´-FeOOH, hay còn đ°ÿc gái là lepidocroxite hay hydrohermatite, có c¿u trúc tinh thể phân tÁng, nhiều lãp gồm các lãp oxit Fe(III) vß trí bát diện đ°ÿc liên kÁt bằng liên kÁt hydro cÿa các nhóm hydroxyl (hình 1.19).[63] Các nguyên tử sắt đ°ÿc biểu diễn bằng những quÁ cÁu màu nâu, oxy là màu đỏ và các nguyên tử oxy cÿa các nhóm hydroxyl là những quÁ cÁu màu tím hồng Lepidocroxite có màu vàng hoặc đỏ (hình thành từ sắt gỉ trong môi tr°ång n°ãc), xu¿t hiện ç hÁu hÁt các mỏ khoáng có chāa sắt trên thÁ giãi, trong gỉ cÿa các thiÁt bß làm từ sắt

Ch¿m l°ÿng tử carbon (hay còn gái là carbon quantum dots, CQDs) là h¿t nano carbon nhỏ, có c¿u trúc (kích th°ãc nhỏ h¡n 10 nm) vãi bề mặt đã thā đáng hóa, chúng thuác há các vÃt liệu nano cacbon (hình 1.20) CQDs đ°ÿc phát hiện đÁu tiên bçi Xu và các cáng sự vào nm 2004 [64] mát cách vô tình khi chÁ t¿o ống nano cacbon đ¡n t°ång ngn Phát hiện này đã thu hút các nhà khoa hác tiÁn hành các nghiên cāu sâu ráng để khai thác các tính ch¿t phát huÿnh quang cÿa CQDs Nhiều tiÁn bá đã đ¿t đ°ÿc trong quá trình tổng hÿp, tính ch¿t và āng dāng cÿa CQDs CQDs là mát lo¿i c¿u trúc mãi cÿa vÃt liệu nano carbon huÿnh quang, CQDs dÁn điện tốt, đác tính th¿p, thân thiện vãi môi tr°ång, tổng hÿp đ¡n giÁn cũng nh° tính ch¿t quang hác so sánh vãi các ch¿m l°ÿng tử Ch¿m l°ÿng tử carbon đã đ°ÿc nghiên cāu ráng rãi đặc biệt là do tính ch¿t phát x¿ m¿nh và khÁ nng phát huÿnh quang cÿa chúng, cho phép các āng dāng cÿa chúng trong y sinh hác,