Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp graphene Ống nano cácbon với hạt nano au, fe3o4 Ứng dụng trong cảm biến sinh học

1. Lý do chọn đề tài Các vật liệu nano như graphene (Gr) và ống nano cácbon (CNTs) với các tính chất đặc biệt đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: vật liệu, y dược, điện tử, môi trường, v.v [16; 149; 169]. Vật liệu tổ hợp CNTs-Gr với các tính chất cơ, nhiệt, điện, quang nổi trội hơn so với các thành phần đơn lẻ như Gr và CNTs tiếp tục nhận được sự quan tâm nghiên cứu rất mạnh mẽ của nhiều nhóm trên thế giới như màng dẫn điện trong suốt [209], tích trữ năng lượng [81], cảm biến transistor hiệu ứng trường [90], cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) [110] và cảm biến sinh học điện hóa [65; 71]. Trong cảm biến sinh học điện hóa, điện cực làm việc là một thành phần quan trọng nơi mà các phản ứng sinh hóa diễn ra, có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền điện tích giữa bề mặt điện cực và dung dịch điện ly. Chính vì vậy, việc .....

TRƯỜNG ĐẠI HỌC YALE

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP

GRAPHENE-ỐNG NANO CÁCBON VỚI HẠT NANO Au, Fe3O4

ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC YALE

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP

GRAPHENE-ỐNG NANO CÁCBON VỚI HẠT NANO Au, Fe3O4

ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: 944012801QTD

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Phạm Đức Thắng

2 TS Nguyễn Văn Chúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận án này là công trình của tôi và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Đức Thắng và TS Nguyễn Văn Chúc Các kết quả công bố chung với các đồng tác giả đều đã được sự đồng ý trước khi đưa vào luận án Các nội dung trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong

bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, …./10/2022

Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận án

PGS TS Phạm Đức Thắng TS Nguyễn Văn Chúc

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến hai thầy hướng dẫn là PGS TS Phạm Đức Thắng và TS Nguyễn Văn Chúc Trong thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã nhận được nhiều chỉ bảo, động viên, đưa ra các định hướng và các góp ý chuyên môn quan trọng giúp tôi hoàn thành và vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cố GS VS Nguyễn Văn Hiệu và TS Nguyễn Bích

Hà, là các thầy cô đã có những định hướng và giúp đỡ ban đầu cho tôi trong quá trình nghiên cứu, là người tạo động lực và dẫn dắt tôi kể từ khi chập chững bước vào giai đoạn nghiên cứu sinh

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại Phòng Vật liệu cácbon nano, Viện Khoa học vật liệu: NCS Trần Văn Hậu, TS Cao Thị Thanh, TS Phạm Văn Trình, TS Bùi Hùng Thắng, ThS Nguyễn Ngọc Anh, ThS Mai Thị Phượng, TS Nguyễn Văn Tú; TS Nguyễn Hải Bình (Phòng nano y sinh, Viện Khoa học vật liệu) đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều về điều kiện sinh hoạt và các góp ý chuyên môn trong thời gian học tập và làm việc tại Phòng thí nghiệm

Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô giáo của Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ đã giảng dạy tận tình, có nhiều góp ý quan trọng giúp tôi hoàn thiện kiến thức chuyên môn

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học Nha Trang, lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử, TS Phan Văn Cường và quý thầy cô đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý đã hỗ trợ,chia sẻ hoạt động giảng dạy để tôi có thêm thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính từ các đề tài của Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ (Nafosted), mã số 103.99-2016.99; Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, mã số QTRU01.14/20-21 và đề tài mã số VAST03.06/22-23; Viện Khoa học Vật liệu,

mã số CS.06/20-21; JSPS KAKENHI, mã số JP17H03404 và Trường Đại học Nha Trang,

mã số TR2020-13-20

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ba, Mẹ, Vợ, Con, O Lợi, Dì Loan và tất cả người thân, bạn bè đã luôn sát cánh, chăm sóc, động viên và chia sẻ mọi khó khăn trong suốt thời gian học tập và làm việc

Phan Nguyễn Đức Dược

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AFM Atomic force microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử

CCSA Constant current stripping analysis -

CVD Chemical vapour deposition Lắng đọng hơi hóa học DPV Differential-pulse voltammetry Vôn-ampe xung vi phân DWCNTs Double walled carbon nanotubes Ống nano cácbon hai tường

FT-IR Fourier transform infrared

CNTs-Gr Graphene-carbon nanotubes Graphene-ống nano cácbon

MGO Magnetic graphene oxide Graphene ôxít từ

MWCNTs Multi walled carbon nanotubes Ống nano cácbon đa tường

Fe3O4 Octalhedral Fe3O4 Hạt sắt từ Fe3O4 tám mặt

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

PBS Phosphate buffer saline Dung dịch đệm phốtphát

PDDA Poly(diallyldimethylammonium

RBM Radial Breathing mode Mode thở theo bán kính

rGO Reduced graphene oxide Graphene ôxít khử

SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét SWCNTs Single walled carbon nanotubes Ống nano cácbon đơn tường SWSV Square wave stripping voltammetric Vôn-ampe dải sóng vuông

TEM Transisttance electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền

qua TGA Thermal Gravity Analysis Phân tích nhiệt trọng lượng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại vật liệu tổ hợp dựa trên Gr-CNTs trong những năm gần đây 25

Bảng 3.1 Tỷ số cường độ ID/IG và I2D/IG của Gr và tổ hợp DWCNTs-Gr với các tốc độ quay phủ khác nhau 67

Bảng 3.2 Tỷ số cường độ ID/IG và I2D/IG của tổ hợp DWCNTs-Gr với thời gian CVD khác nhau 71

Bảng 3.3 Điện trở bề mặt (/) của các màng Gr, DWCNTs-Gr5, DWCNTs-Gr15, DWCNTs-Gr30 và DWCNTs-Gr50 tại các điểm đo khác nhau 72

Bảng 3.4 Điện trở bề mặt (/) của màng Gr, Gr và tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr theo các tỷ lệ khác nhau 75

Bảng 3.5 Tỷ lệ cường độ các đỉnh D và G, 2D và G tương ứng với tỷ lệ khác nhau của DWCNTs và AuNPs 77

Bảng 3.6 Tỷ lệ ID/IG của GO, DWCNTs, M1-1, M1-10 và M1-15 84

Bảng 4.1 Số liệu dòng đỉnh và đỉnh thế trong giản đồ vôn-ampe vòng 91

Bảng 4.2 So sánh một số cảm biến phát hiện As (V) 94

Bảng 4.3 Dòng đỉnh đáp ứng của 5 điện cực khác nhau trong phân tích As(V) tương ứng với nồng độ 6 ppb 95

Bảng 4.5 So sánh một số cảm biến phát hiện CHO 101

Bảng 4.6 Dòng đỉnh đáp ứng và điện thế ôxy hóa khử của các điện cực 104

Bảng 4.7 So sánh một số báo cáo về cảm biến điện hóa phát hiện GLY 107

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ chế tạo CNTs bằng phương pháp phòng điện hồ quang [12] 7

Hình 1.2 Sơ đồ chế CNTs bằng phương pháp bốc bay laser [117] 8

Hình 1.3 Sơ đồ chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD và cơ chế mọc CNTs [153] 8 Hình 1.4 a) Orbitan lai hóa trong mạng Gr và b) Các dạng thù hình của cácbon [57] 10

Hình 1.5 Cấu trúc điện tử của grapheme đơn lớp lân cận các điểm Dirac [50] 11

Hình 1.6 Tổng hợp GO bằng phương pháp Hummer [6] 12

Hình 1.7 a) Sơ đồ chế tạo Gr bằng phương pháp CVD [131], b) Cơ chế tạo màng Gr trên đế đồng [31] 13

Hình 1.8 Hệ điện cực cấu trúc ba điện cực 20

Hình 1.9 Một số dạng tổ hợp Gr-CNTs tổng hợp bằng hệ CVD [54; 109; 168; 204] 24

Hình 2.1: Hệ CVD nhiệt chế tạo vật liệu Gr, CNTs và vật liệu lai Gr-CNTs 28

Hình 2.2 Quy trình chế tạo vật liệu muối xúc tác 29

Hình 2.3 Sơ đồ ủ nhiệt trong quy trình chế tạo vật liệu DWCNTs bằng phương pháp CVD nhiệt 30

Hình 2.4 Sơ đồ mô tả quy trình làm sạch vật liệu DWCNTs 31

Hình 2.5 Theo thứ tự từ trái sang phải, quá trình biến tính, pha loãng trong nước, lọc chân không và phân tán trong môi trường nước 32

Hình 2.6 Quy trình làm sạch đế đồng 34

Hình 2.7 Hệ đánh bóng điện hóa làm sạch bề mặt đế đồng 35

Hình 2.8 Sơ đồ biễu diễn quy trình CVD cho tổng hợp màng Gr 36

Hình 2.9 Quy trình tổng hợp DWNCTs-AuNPs-Gr 37

Hình 2.10 Quy trình tổng hợp GO từ graphít bằng phương pháp Hummer 38

Hình 2.11 Quy trình chế tạo hạt sắt từ tám mặt Fe3O4 39

Hình 2.12 Quy trình tổng hợp vật liệu tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs 40

Hình 2.13 Màng tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr trên đế đồng sau khi CVD 41

Hình 2.14 Quy trình chuyển màng DWCNTs-AuNPs-Gr từ đế đồng lên điện cực làm việc 41

Hình 2.15 Điện cực làm việc đã phủ màng tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr (bên trái) và điện cực trần (bên phải) 42

Hình 2.16 Hệ phân tích điện hóa để xác định nồng độ các chất trong dung dịch 43

Hình 2.17 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr trong cảm biến phát hiện As(V) 44

Hình 2.18 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp và ứng dụng vật liệu tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr trong cảm biến phát hiện CHO nồng độ thấp 46

Hình 2.19 Sơ đồ tổng hợp và ứng dụng vật liệu tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs trong cảm biến phát hiện GLY 47

Hình 3.1 Ảnh SEM của vật liệu CNTs sử dụng xúc tác (a) Mg0.99Co0.01O và (b) Mg0.99(Co0.5Mo0.5)0.01O 53

Hình 3.2 Ảnh TEM của CNTs sử dụng xúc tác (a) Mg0.99Co0.01O và (b) Mg0.99(Co0.5Mo0.5)0.01O; Phân bố số tường sử dụng xúc tác c) Mg0.99Co0.01O và d) Mg0.99(Co0.5Mo0.5)0.01O 54

Hình 3.3 Số tường của CNTs đối với a) không sử dụng Mo và b) có sử dụng Mo 55

Hình 3.4 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs sử dụng xúc tác (a) Mg0.99Co0.01O và (b) Mg0.99(Co0.5Mo0.5)0.01O 56

Hình 3.5 Ảnh SEM vật liệu DWCNTs được chế tạo với hàm lượng khí CH4 khác nhau (a) 18%, (b) 20%, (c) 22% và 24% theo thể tích 57

Hình 3.6 Phổ EDX của vật liệu DWCNTs được chế tạo với hàm lượng khí CH4 khác nhau (a) 18% , (b) 20%, (c) 22% và 24% theo thể tích 58Hình 3.7 (a) Phổ tán xạ Raman và (b) tỷ lệ ID/IG của vật liệu DWCNTs được chế tạo với hàm lượng khí CH4 khác nhau 59Hình 3.8 Phổ TGA của vật liệu DWCNTs được làm sạch qua các bước khác nhau 60Hình 3.9 (a) Phổ tán xạ Raman và tỷ lệ ID/IG của vật liệu DWCNTs được làm sạch qua các bước khác nhau 61Hình 3.10 Giản đồ XRD của vật liệu DWCNTs sau khi làm sạch 62Hình 3.11 Màng tổ hợp DWCNTs-Gr trên mặt nước tương ứng với các tốc độ quay khác nhau của DWCNTs: a) 1000 v/p, b) 2000 v/p, c) 4000 v/p, d) 6000 v/p 63Hình 3.12 Ảnh SEM của a) màng Gr, b) DWCNTs, c) DWCNTs1-Gr, d) DWCNTs2-

Gr, e) DWCNTs4-Gr, f) DWCNTs6-Gr 65Hình 3.13 Phổ Raman của a) màng Gr, b) DWCNTs, c) DWCNTs4-Gr, d) DWCNTs2-Gr 66Hình 3.14 Đỉnh RBM của DWCNTs, Gr và DWCNTs-Gr trong khoảng 100-300 cm-

1 68Hình 3.15 Ảnh SEM của màng tổ hợp DWCNTs-Gr theo khoảng thời gian CVD a) 5 phút; b) 15 phút; c) 30 phút; d) 50 phút 69Hình 3.16 Phổ Raman của vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr với thời gian CVD a) 5 phút, b) 15 phút, c) 30 phút và d) 50 phút 70Hình 3.17 Độ truyền qua của màng a) Gr và b) DWCNTs-Gr 73Hình 3.18 Ảnh SEM của a) Gr, b) Hạt nano vàng, c) DWCNTs3-AuNPs1-Gr, d) DWCNTs1-AuNPs1-Gr, e) DWCNTs1-AuNPs3-Gr, f) DWCNTs1-AuNPs5-Gr 76

Hình 3.19 Phổ Raman của a) Gr, b-d) tương ứng với tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr với

tỷ lệ DWCNTs và AuNPs lần lượt là 3:1, 1:1, 1:3 78Hình 3.20 Ảnh AFM của a) màng Gr, b) DWCNTs-Gr và c) DWCNTs-AuNPs-Gr 79Hình 3.21 Ảnh SEM của (a) GO và (b) DWCNTs; (c) ảnh AFM của GO và (d) ảnh HR-TEM của DWCNTs; (e) phổ EDX của GO 81Hình 3.22 Ảnh SEM của a) Cs, b) hạt Fe3O4, c) GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs tỷ lệ 1:1, d) GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs tỷ lệ 1:5, e) GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs tỷ lệ 1:10, f) GO/DWCNTs:Fe3O4/Cs tỷ lệ 1:15 82Hình 3.23 Ảnh Raman của a) GO, b) DWCNTs, c) Fe3O4, d) Cs, e) M1-1, f) M1-10, g) M1-15 83Hình 3.24 Phổ FT-IR của (a) GO, (b) DWCNTs, (c) Fe3O4, (d) Cs và (e) GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs 85Hình 3.25 Giản đồ nhiễu xạ tia X của a) hạt sắt từ cấu trúc tám mặt và b) tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs 86Hình 4.1 Quét thế tuần hoàn của điện cực vàng biến tính Gr và DWNCTs-Gr trong

K3[Fe(CN)6] 91Hình 4.2 a) Phổ SWV của cảm biến khi thay đổi nồng độ CHO; b) đường chuẩn CHO 92Hình 4.3 a) Dòng đáp ứng đối với nồng độ As(V); b) Đường chuẩn của nồng độ As(V) 93Hình 4.4 Dòng đỉnh đáp ứng của điện cực biến tích DWCNTs phân tích As(V) nồng

độ 6 ppb trong thời gian từ 0 đến 3 tuần 95Hình 4.5 a) Giản đồ vôn-ampe của điện cực DWCNTs-AuNPs-Gr/SPAuE trong 0,1

M PBS chứa 2 mM K3[Fe(CN)6] và b) đường chuẩn của dòng đỉnh phụ thuộc tốc độ quét 97

Hình 4.6 Đặc trưng vôn-ampe các điện cực trong dung dịch PBS 0,1 M chứa 4 mM

K3[Fe(CN)6] 98Hình 4.7 Giản đồ vôn-ampe sóng vuông trong phân tích CHO 99Hình 4.8 Mối liên hệ giữa dòng đỉnh đáp ứng và nồng độ CHO 100Hình 4.9 Kết quả dòng đáp ứng của 3 điện cực biến tính DWCNTs-AuNPs-Gr phát hiện CHO nồng độ 5 mM 101Hình 4.10 Đặc trưng CV của các điện cực trong 2 mM [Fe(CN)6]3-/4- với 0,1 M PBS, tốc độ quét 50 mV/s 104Hình 4.11 (a) SWV và (b) dòng đáp ứng của điện cực với các nồng độ urê 5 mM - 50

mM 105Hình 4.12 Phổ SWV phát hiện GLY 106Hình 4.13 a) Mối liên hệ giữa dòng đỉnh đáp ứng và b) khả năng ức chế đối với logarít nồng độ GLY 107Hình 4.14 Kết quả dòng đáp ứng của 6 điện cực biến tính GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs phân tích GLY với nồng độ 100 ppb 108

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv

MỤC LỤC ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Ống nano cácbon (CNTs) và graphene (Gr) 6

1.1.1 Ống nano cácbon 6

1.1.2 Graphene 10

1.2 Hạt nano vàng và ôxít sắt từ 14

1.2.1 Hạt nano vàng (AuNPs) 15

1.2.2 Hạt nano ôxít sắt từ (Fe3O4) 16

1.3 Cảm biến sinh học 18

1.3.1 Khái niệm cảm biến sinh học 18

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến sinh học 18

1.3.3 Cảm biến sinh học điện hóa 20

1.4 Vật liệu tổ hợp Gr-CNTs và ứng dụng trong cảm biến sinh học 22

1.4.1 Tổng hợp vật liệu tổ hợp Gr-CNTs 22

1.4.2 Tổ hợp Gr-CNTs với hạt nano ứng dụng trong cảm biến sinh học 24

1.4.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

Kết luận 27

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 28

2.1 Phương pháp thực nghiệm 28

2.1.1 Tổng hợp DWCNTs 28

2.1.2 Xử lý bề mặt đế đồng 33

2.1.3 Tổng hợp DWCNTs-Gr 35

2.1.4 Tổng hợp vật liệu DWCNTs-AuNPs-Gr 37

2.1.5 Tổng hợp vật liệu GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs 38

2.1.6 Quy trình chuyển màng lên điện cực làm việc 41

2.1.7 Quy trình phân tích ion kim loại nặng As(V) 43

2.1.8 Quy trình phân tích CHO 45

2.1.9 Quy trình phân tích GLY 47

2.1.10 Phân tích số liệu thực nghiệm 48

2.2 Các phương pháp phân tích 49

Kết luận 52

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC LOẠI VẬT LIỆU CHẾ TẠO ĐƯỢC 53

3.1 Vật liệu DWCNTs 53

3.1.1 Ảnh hưởng của sự có mặt của Mo trong vật liệu xúc tác 53

3.1.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí CH4 57

3.1.3 Ảnh hưởng của kỹ thuật làm sạch đến độ sạch của DWCNTs 59

3.2 Vật liệu tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr 62

3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ quay phủ DWCNTs lên đế đồng 62

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian CVD 68

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ AuNPs lên sự hình thành màng tổ hợp 74

3.3 Vật liệu tổ hợp GO/DWCNTs@Fe 3 O 4 /Cs 79

Kết luận 87

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA 88

4.1 Phát hiện ion kim loại nặng As(V) 88

4.1.1 Arsen và ảnh hưởng của nó đối với con người 88

4.1.2 Đặc trưng vôn-ampe 89

4.1.3 Phát hiện vết As(V) 92

4.2 Phát hiện CHO 95

4.2.1 CHO và ảnh hưởng của nó đến sức khỏe con người 95

4.2.2 Đặc trưng vôn-ampe 96

4.2.3 Phát hiện CHO 99

4.3 Cảm biến phát hiện nồng độ GLY 102

4.3.1 GLY và ảnh hưởng của nó lên sức khỏe con người 102

4.3.2 Đặc trưng vôn-ampe 103

4.3.3 Phát hiện GLY 105

Kết luận 109

KẾT LUẬN CHUNG 110

KIẾN NGHỊ 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 141

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các vật liệu nano như graphene (Gr) và ống nano cácbon (CNTs) với các tính chất đặc biệt đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: vật liệu, y dược, điện tử, môi trường, v.v [16; 149; 169] Vật liệu tổ hợp CNTs-Gr với các tính chất cơ, nhiệt, điện, quang nổi trội hơn so với các thành phần đơn lẻ như Gr

và CNTs tiếp tục nhận được sự quan tâm nghiên cứu rất mạnh mẽ của nhiều nhóm trên thế giới như màng dẫn điện trong suốt [209], tích trữ năng lượng [81], cảm biến transistor hiệu ứng trường [90], cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) [110] và cảm biến sinh học điện hóa [65; 71] Trong cảm biến sinh học điện hóa, điện cực làm việc là một thành phần quan trọng nơi mà các phản ứng sinh hóa diễn ra, có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền điện tích giữa bề mặt điện cực và dung dịch điện ly Chính vì vậy, việc biến tính bề mặt của điện cực này là một trong các giải pháp nhằm nâng cao khả năng hoạt động của cảm biến Đến nay đã có nhiều loại vật liệu khác nhau có thể kết hợp với tổ hợp Gr-CNTs để phủ lên trên bề mặt điện cực trong cảm biến sinh học điện hóa nhằm phát hiện dư lượng một số chất y sinh, chất độc hại ô nhiễm môi trường (dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, ion kim loại nặng) Trong số đó phải kể đến là một số vật liệu kim loại như Au [173], Pt [69], v.v và một

số ôxít kim loại như Fe3O4 [63], CeO2 [156], v.v Các hạt nano kim loại và ôxít kim loại có tính tương thích sinh học cao, có vai trò quan trọng trong việc nâng cao tín hiệu điện hóa và diện tích bề mặt tiếp xúc trong các ứng dụng cảm biến sinh học [18; 85]

Trong giai đoạn hiện nay, các vấn đề về ô nhiễm môi trường, trong đó có ô nhiễm nguồn nước luôn được quan tâm nghiên cứu do các tác động trực tiếp đến sức khỏe con người Với đặc điểm địa chất cũng như hoạt động của con người, Việt Nam

là một trong các quốc gia có hàm lượng Arsen (As) trong nước ngầm rất cao, do đó

As sẽ dễ dàng đi theo nguồn nước sinh hoạt để thâm nhập vào cơ thể con người [97] Với nồng độ cao trong máu, As gây ra các bệnh lý như gây hoại tử các vết loét ở chân, tay, làm thay đổi sắc tố da hoặc liên quan đến tiểu đường, tim mạch và một số loại ung thư [224] Đối với các hoạt động nông nghiệp, việc lạm dụng thuốc diệt cỏ khiến dư lượng glyphosate (GLY) trong nước mặt và nước ngầm tăng lên, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, con người và động vật [3; 199] Đến năm 2015, GLY bị đưa vào danh sách nhóm chức có khả năng gây ung thư cho con người [64] Trong nhiều năm trở lại đây, Việt Nam có số lượng thuốc diệt cỏ chứa GLY sử dụng cho nông nghiệp rất lớn Do mức độ nguy hại của GLY, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã cấm sử dụng thuốc diệt cỏ chứa GLY từ tháng 6 năm 2021 Ngoài các tác nhân gây ảnh hưởng sức khỏe từ nguồn nước, một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người hiện nay là dư thừa cholesterol (CHO) trong máu Do nhiều thói quen tiêu cực như ăn quá nhiều thịt, chất béo, đồ nướng, đồ chiên xào nhưng ít vận động, hàm lượng CHO trong máu tăng cao dễ gây ra các bệnh như xơ vữa động mạch, nhồi máu cơ tim, tai biến và gây đột quỵ

Như vậy, sự kết hợp giữa vật liệu có độ dẫn điện cao, tương thích sinh học như Gr-CNTs với các hạt nano kim loại và ôxít kim loại (đặc biệt là Au và Fe3O4) phủ lên điện cực làm việc có thể mở ra định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa phát hiện CHO, As và GLY nhằm mở rộng khoảng tuyến tính, tăng độ nhạy hay

hạ thấp giới hạn phát hiện Với lý do đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế

trong cảm biến sinh học” để làm đề tài nghiên cứu của luận án với mong muốn khảo

sát và hệ thống hóa các vấn đề nghiên cứu một cách rõ ràng hơn

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu ống nano cácbon hai tường (DWCNTs), tổ hợp DWCNTs-Gr và DWCNTs-AuNPs-Gr bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp; tổ hợp graphene ôxít (GO)-ống nano cácbon hai tường-hạt sắt từ (Fe3O4)-Chitosan (GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs) bằng phương pháp lắp ghép

 Phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở các tổ hợp Gr, AuNPs-Gr và GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs ứng dụng trong lĩnh vực y sinh để phát hiện cholesterol (CHO), As(V), và Glyphosate (GLY) nhằm mở rộng khoảng

DWCNTs-tuyến tính, hạ thấp giới hạn phát hiện và tăng cường độ nhạy của cảm biến

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Phương pháp lắng

đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắp ghép và một số kỹ thuật khác (đánh bóng điện hóa, rung siêu âm, quay phủ) được sử dụng để chế tạo mẫu Hình thái học

bề mặt và ảnh vi cấu trúc của mẫu được quan sát bởi kính hiển vi điện tử quét phát

xạ trường (FE-SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) Bề dày mẫu được quan sát bởi kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Phổ tán xạ Raman được sử dụng để đánh giá cấu trúc và mức độ sai hỏng của mẫu Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) để xác định các dao động đặc trưng của liên kết hóa học giữa các nguyên tử Cấu trúc tinh thể vật liệu được phân tích thông qua phép đo nhiễu xạ tia

X (XRD), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) cung cấp các thông tin về thành phần hóa học bên trong mẫu, phổ phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) xác định sự thay đổi khối lượng mẫu sau quá trình gia nhiệt Các phép đo vôn-ampe vòng (CV) và vôn-ampe sóng vuông (SWV) được sử dụng để phân tích các đặc trưng điện hóa của mẫu trong dung dịch

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu của luận án tập trung chính vào các vật liệu Gr, DWCNTs, AuNPs

và Fe3O4

Phạm vi nội dung luận án tập trung nghiên cứu:

 Sử dụng phương pháp CVD để chế tạo vật liệu DWCNTs, tổ hợp DWCNTs-Gr

và DWCNTs-AuNPs-Gr

 Sử dụng phương pháp lắp ghép để chế tạo vật liệu tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs

 Sử dụng các vật liệu tổ hợp thu được ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa nhằm phát hiện CHO, As(V) và GLY

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung vào việc chế tạo và khảo sát đặc trưng,

tính chất của các vật liệu DWCNTs, DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr và GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs Các kết quả nghiên cứu góp phần phát triển mới các vật liệu tổ hợp nano, cho thấy cải thiện đáng kể các tính chất lý hóa so với các vật liệu thành phần riêng lẻ, mở ra khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn

Ý nghĩa thực tiễn: Việc tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp cho đóng góp quan

trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn Với các kết quả thu được, vật liệu có thể được

sử dụng như màng nhạy (sensitive layer) phủ lên điện cực làm việc trong hệ điện cực

in ba chân nhằm tăng độ nhạy, giới hạn phát hiện và độ chọn lọc của cảm biến

6 Những đóng góp mới của luận án

 Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr trên đế đồng bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp, điều kiện tối ưu thu được khi quay phủ DWCNTs (0,3 g/L) với tốc độ 4000 v/p trong thời gian 1 phút Vật liệu thu được cho thấy tính chất điện và điện hóa tốt hơn so với Gr DWCNTs-Gr đã được biến tính điện cực để phát hiện As(V) trong khoảng 1-10 ppb với giới hạn phát hiện thấp 0,287 ppb

 Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu tổ hợp DWCNTs-AuNPs-Gr trên đế đồng bằng phương pháp CVD nhiệt áp suất thấp, vật liệu thu được cho thấy tính chất điện và điện hóa được tăng cường so với Gr và DWCNTs-Gr Tỷ lệ tối ưu của DWCNTs (0,3 g/L):AuNPs (0,2 mM) trong dung dịch là 1:3 Vật liệu đã được biến tính điện cực để phát hiện CHO trong khoảng 0,5-12 mM với độ nhạy cao 20,7 µA/mM.cm2

 Đã phát triển cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs được chế tạo bằng phương pháp lắp ghép, kết quả cho thấy có sự tăng cường tín hiệu điện hóa so với điện cực trần Vật liệu

GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs đã được biến tính điện cực để phát hiện GLY với khoảng phát hiện rộng 0,1-1000 ppb

7 Bố cục luận án

Luận án được trình bày theo các nội dung như sau:

 Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và các đóng góp mới của luận án

 Chương 1 Tổng quan: Tóm tắt kiến thức chung, quy trình tổng hợp và ứng

dụng của Gr, CNTs, vật liệu tổ hợp CNTs-Gr, hạt nano kim loại và oxít kim loại, tổ hợp của các vật liệu cácbon với các hạt nano kim loại và ôxít kim loại, tổng quan lý thuyết về cảm biến sinh học điện hóa

 Chương 2 Phương pháp thực nghiệm và phân tích: Trình bày quy trình chế tạo vật liệu DWCNTs, tổ hợp DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr bằng phương pháp CVD nhiệt và tổ hợp GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs bằng phương pháp lắp ghép Giới thiệu một số phương pháp khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu như FE-SEM, HR-TEM, Raman, FT-IR, EDX, TGA, XRD và một

số kỹ thuật phân tích điện hóa như CV, SWV và phân tích số liệu thực nghiệm

 Chương 3 Nghiên cứu hình thái và tính chất của các loại vật liệu chế tạo được:

Trình bày các kết quả nghiên cứu tổng hợp, khảo sát ảnh hưởng của một số

điều kiện công nghệ lên tính chất của vật liệu DWCNTs và các vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr và GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs

 Chương 4 Ứng dụng vật liệu tổ hợp trong cảm biến sinh học điện hóa: Trình bày các kết quả ứng dụng vật liệu tổ hợp DWCNTs-Gr, DWCNTs-AuNPs-Gr

và GO/DWCNTs@Fe3O4/Cs trong cảm biến sinh học điện hóa để phát hiện các phần tử sinh học như CHO, ion kim loại nặng As(V) và thuốc diệt cỏ GLY

1991, Iijima lần đầu tiên tạo ra vật liệu CNTs đa tường bằng phương pháp bốc bay

hồ quang (arc – evaporation) [77], kể từ đó nhiều nhà khoa học trên thế giới bắt đầu quan tâm nghiên cứu đầy đủ hơn về loại vật liệu này Các nghiên cứu chỉ ra rằng tính chất điện của CNTs phụ thuộc nhiều vào dạng chiral, sai hỏng, đường kính ống và số tường CNTs đơn tường có hai dạng tính chất dẫn điện là SWCNTs kim loại và SWCNTs bán dẫn SWCNTs kim loại có điện trở suất vào khoảng 0,34.10-4 - 1.10-4

.cm [45] trong khi đó SWCNT bán dẫn thường là bán dẫn loại p [184] Các electron hóa trị trong mỗi nguyên tử của CNTs đóng vai trò quan trọng vào tính chất điện của

nó, do đó CNTs kim loại hay bán dẫn sẽ phụ thuộc vào tính chất chiral [150] CNTs được xem là một trong các vật liệu có độ bền cao nhất hiện nay, đặc biệt là theo hướng dọc trục của ống [220] Ứng suất Young của vật liệu này trải dài trên một khoảng rộng phụ thuộc vào loại CNTs và nằm trong khoảng 270-950 GPa, trong khi đó sức căng đàn hồi nằm trong khoảng từ 11-63 GPa [221] Một nghiên cứu khác còn chỉ ra rằng, MWCNTs riêng biệt có thể đạt ứng suất Young lên đến 1-1,8 TPa, cao hơn nhiều so với sợi cácbon thương mại [196]

 Các phương pháp tổng hợp CNTs

Có nhiều phương pháp tổng hợp CNTs, trong đó ba phương pháp thường được

sử dụng là phóng điện hồ quang, bốc bay laser và lắng đọng pha hơi hóa học:

Phương pháp phóng điện hồ quang: CNTs được tổng hợp bằng phương pháp

phóng điện hồ quang được báo cáo lần đầu trong công trình của Iijima [77] Trong

công trình này CNTs có thể được tổng hợp với đường kính từ 4-30 nm và chiều dài

có thể đạt đến vài milimet Phương pháp phóng điện hồ quang sử dụng 2 điện cực đối diện nhau đặt bên trong môi trường dung dịch hoặc khí trơ, nguồn điện cung cấp có thể lên đến 200 A với điện áp ở hai đầu điện cực vào cỡ 20 V (hình 1.1) Dưới tác dụng của điện trường, các electron di chuyển từ cực âm (cathode) đến va chạm vào tiền chất cácbon ở đầu dương (anode) để tạo nguồn cácbon và di chuyển về cực âm

để hình thành CNTs Phương pháp này có thể tạo ra số lượng lớn CNTs nhưng chất lượng không tốt [44]

Hình 1.1 Sơ đồ chế tạo CNTs bằng phương pháp phòng điện hồ quang [12]

Phương pháp bốc bay laser: Phương pháp bốc bay được Thess báo cáo lần

đầu vào năm 1996 [188], các tác giả chỉ ra rằng CNTs có thể được tổng hợp từ thanh graphít với hiệu suất thu được lên đến 70% bằng cách sử dụng một lượng nhỏ xúc tác

Ni và Co tại nhiệt độ 1200 oC Trong phương pháp này, các tấm hoặc thanh graphít được đặt chính giữa ở bên trong lò nhiệt với nhiệt độ lên đến 2000 oC, một đầu là nguồn laser trong khi phía còn lại là đầu thu để lắng đọng cácbon (hình 1.2) Năng lượng từ tia laser tác động vào thanh graphít (có chứa các hạt xúc tác Fe, Co, Ni) làm bốc bay các nguyên tử cácbon trong môi trường nhiệt độ cao, các nguyên tử cácbon chuyển động theo dòng khí và lắng đọng tại đầu thu để hình thành CNTs

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Hai phương pháp trên tuy

có thể tổng hợp được CNTs nhưng chưa thể đảm bảo hai yếu tố quan trọng là khả

năng sản xuất số lượng lớn có chất lượng ổn định Phương pháp CVD thông thường được mô tả như trong hình 1.3a

Hình 1.2 Sơ đồ chế CNTs bằng phương pháp bốc bay laser [117]

Trong quá trình CVD, một hỗn hợp các khí như CH4, C2H2, H2, Ar được đưa vào trong buồng phản ứng, nhiệt độ của buồng được giữ ổn định trong khoảng 500-

1200 oC, một hỗn hợp muối hỗ trợ và xúc tác nằm trong thuyền gốm được đặt giữa

lò nhiệt Sau quá trình phân hủy nhiệt từ các tiền chất cácbon, các nguyên tử cácbon lắng đọng trên bề mặt hạt nano kim loại xúc tác để tạo mầm và phát triển thành CNTs [211]

Hình 1.3 Sơ đồ chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD và cơ chế mọc CNTs [153]

Cơ chế mọc CNTs đối với phương pháp CVD có thể được mô tả trong hình 1.3 b,c: Các tiền chất cácbon (khí hydro cácbon, các chất hữu cơ) được phân hủy nhiệt

tạo thành các nguyên tử cácbon trong buồng phản ứng Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử cácbon bị hấp phụ lên bề mặt muối xúc tác và khuếch tán vào bề mặt các hạt nano kim loại xúc tác (thường là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni hoặc hợp kim của chúng) để hình thành một cấu trúc như “chiếc mũ đội đầu (cap)” Theo thời gian, cấu trúc này phát triển để tạo thành một hình trụ là dạng ống nano cácbon Số tường của CNTs (SWCNTs, DWCNTs, MWCNTs) và đường kính CNTs phụ thuộc vào đường kính hạt xúc tác, loại muối hỗ trợ xúc tác và các điều kiện phản ứng (nhiệt độ,

áp suất, thời gian) [52]

 Ứng dụng của CNTs trong cảm biến sinh học

Từ khi được tổng hợp lần đầu vào năm 1991, CNTs là một trong các vật liệu nano được nghiên cứu mạnh mẽ nhất do khả năng ứng dụng trải rộng trên rất nhiều lĩnh vực như khoa học vật liệu, y học, điện tử học và tích trữ năng lượng [78; 126; 169] Trong lĩnh vực cảm biến sinh học, các tính chất nổi bật như độ dẫn điện và độ bền cao, tốc độ linh động điện tử lớn, diện tích bề mặt riêng lớn đều được khai thác hiệu quả Do các tính chất đặc biệt, tín hiệu điện hóa của cảm biến sinh học điện hóa

có thể được tăng cường khi có sự tham gia của CNTs Việc phủ CNTs lên điện cực như một lớp màng nhạy giúp tăng cường rất mạnh tín hiệu cảm biến, nhiều công trình nghiên cứu cho thấy có thể cải thiện đáng kể độ nhạy, độ chọn lọc, giới hạn phát hiện

và nhiều yếu tố khác của cảm biến [112; 175], [43] So với các cảm biến sinh học dựa trên vật liệu ôxít, silicon hay vật liệu khác, việc sử dụng cảm biến với CNTs có một

số thuận lợi sau:

- Do diện tích bề mặt riêng lớn với giá trị lý tưởng là 1315 m2/g [141] và cấu trúc ống rỗng, CNTs có khả năng hoạt động sinh học cao trong việc cố định các phần

tử sinh học, do đó giúp tăng cường độ nhạy trong cảm biến

- Khả năng truyền tải điện tử cao trong CNTs cung cấp một cảm biến sinh học có thời gian đáp ứng nhanh

- Độ dẫn điện cao của CNTs có thể tăng cường tín hiệu điện hóa khi xảy ra phản ứng sinh hóa trong quá trình các đầu thu sinh học bắt gặp chất phân tích

Trong số các loại vật liệu CNTs, vật liệu DWCNTs có một số đặc điểm nổi bật hơn so với hai loại CNTs còn lại (SWCNTs và MWCNTs) như: có các ưu điểm của MWCNTs như độ bền vững cao dưới tác động của các tác nhân hóa học, cơ học, nhiệt học và có độ bền dẻo, dẫn điện cao của SWCNTs [25], cấu trúc hai lớp của DWCNTs

có thể bảo vệ được tính dẫn điện của lớp bên trong khi biến tính lớp vỏ bên ngoài [159] Do vậy, DWCNTs hứa hẹn sẽ là vật liệu có nhiều tiềm năng cho việc ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa

1.1.2 Graphene

 Cấu trúc và tính chất của graphene

Graphene là một mặt phẳng hai chiều được tạo thành từ các nguyên tử cácbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác và hình thành các orbitan lai hóa sp2 Liên kết giữa các điện tử trong mặt phẳng mạng là liên kết cộng hóa trị, các liên kết này tạo ra các góc bằng nhau và bằng 120o Orbitan của điện tử còn lại trong mỗi nguyên tử cácbon định hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng mạng có liên kết  , đây là liên kết yếu và có vai trò quan trọng đối với các tính chất đặc biệt của Gr Với các tấm Gr có kích thước nano, cấu trúc điện tử còn phụ thuộc dạng biên của màng là zig-zag hoặc armchair (hình 1.4a)

Hình 1.4 a) Orbitan lai hóa trong mạng Gr và b) Các dạng thù hình của cácbon [57]

Từ năm 2004, Gr đã được chế tạo thành công và được khảo sát đầy đủ với các tính chất dị thường của nó, sau đó 6 năm hai nhà vật lý Geim và Novoselov đã nhận giải Nobel vật lý cho các nghiên cứu trên [136] Gr là một trong các dạng thù hình

của cácbon, ngoài ra còn có một số dạng thù hình khác như fullerene (dạng khối cầu cấu trúc 0 chiều), CNTs cấu trúc một chiều và graphít có cấu trúc ba chiều (hình 1.4b).Do cấu trúc lục giác của mạng Gr, trong vùng Brillouin thứ nhất có hai điểm K, K’ không tương đương với cùng hệ thức năng lượng nhưng khác nhau về hàm sóng của điện tử (hình 1.5) Bằng cách sử dụng mô hình liên kết mạnh, ta có thể thu được

hệ thức tán sắc của điện tử lân cận các điểm Dirac như sau:

,

F

trong đó là hằng số Planck rút gọn, vF là vận tốc Fermi (106 m/s), q là số sóng

lân cận điểm Dirac, các dấu +,- tương ứng là vùng dẫn và vùng hóa trị

Hình 1.5 Cấu trúc điện tử của grapheme đơn lớp lân cận các điểm Dirac [50]

Phương trình trên cho thấy tại các điểm lân cận điểm Dirac, năng lượng của điện

tử tỷ lệ tuyến tính với số sóng, điều này hết sức đặc biệt và khác lạ so với các vật liệu thông thường là năng lượng tỷ lệ bình phương số sóng Do hệ thức tán sắc tuyến tính, các điện tử hành xử như các hạt không khối lượng và được xét như các chuẩn hạt Điện trở suất của Gr vào cỡ 10-6 cm, nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở suất của đồng,

độ dẫn điện của Gr đa lớp có thể đạt được 2700 S/cm [127] Tương tự với bán dẫn có vùng cấm bằng 0, Gr thể hiện tính chất hiệu ứng trường lưỡng cực điện, các điện tử

và lỗ trống có thể chuyển động với độ linh động điện tử là 15000 cm2/Vs [135] Kết quả cũng cho thấy độ linh động điện tử phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, bằng cách giảm thiểu các tán xạ tạp chất, độ linh động điện tử đối với Gr tự do có thể đạt đến 200000

cm2/Vs, và đây là giá trị cao nhất đo được [23], cao hơn rất nhiều so với độ linh động điện tử của silicon là 1400 cm2/Vs

 Các phương pháp tổng hợp Gr

Có hai phương pháp thường được sử dụng để tổng hợp Gr là tách bóc vi cơ và lắng đọng pha hơi hóa học:

Phương pháp bóc tách vi cơ: Một tấm graphít là sự xếp chồng của nhiều tấm

Gr lại với nhau và liên kết yếu thông qua tương tác van der Walls Như vậy, về mặt nguyên lý chúng ta có thể tạo ra được Gr từ tấm graphít thuần khiết bằng cách phá vỡ lực liên kết yếu giữa các lớp Gr Tách bóc vi cơ là việc sử dụng các phương pháp cơ học hoặc năng lượng hóa học để phá vỡ lực liên kết yếu và tách graphít ra thành các lớp Gr Hiện nay, một trong các phương pháp bóc tách được sử dụng nhiều nhất là phương pháp Hummer do tính đơn giản và khả năng tạo ra số lượng lớn của nó Phương pháp này sử dụng bột graphít sạch, sau đó bột được xử lý trong môi trường hỗn hợp các chất oxi hóa mạnh là NaNO3, KMnO4 và HNO3, dung dịch được xử lý trong nhiều giờ sau đó được lọc và cuối cùng thu được bột GO (hình 1.6), bằng kỹ thuật khử sẽ thu được Gr dạng rGO [30]

Hình 1.6 Tổng hợp GO bằng phương pháp Hummer [6]

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học: Lắng đọng pha hơi hóa học là một

trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay do một số ưu điểm như khả năng tạo màng chất lượng cao, diện tích bề mặt riêng lớn và có thể đạt đến 2630

m2/g[24], chất lượng màng đồng đều, có thể điều khiển số lớp Gr dựa vào việc điều khiển lưu lượng khí nguồn và khí mang [179] Lắng đọng pha hơi hóa học có thể được sử dụng để tổng hợp cả CNTs và Gr Sơ đồ tổng hợp Gr có thể được mô tả như trong hình 1.7a, màng Gr được tổng hợp trên đế xúc tác (Cu, Ni, Si) trong ống thạch

anh ở nhiệt độ khoảng 750-1200 oC Nguồn cácbon tạo màng Gr thường là CH4, C2H2, các khí này bị phân hủy nhiệt trong điều kiện có khí H2 ở nhiệt độ cao, nguồn khí mang được sử dụng thông thường là Ar hoặc N2 [31; 174]

Cơ chế tạo màng Gr có thể được mô tả như trong hình 1.7b: Trong môi trường nhiệt độ cao chứa khí H2, nguồn khí hydro cácbon bị phân hủy nhiệt tạo thành các nguyên tử cácbon khuếch tán trên bề mặt đế xúc tác và bị hòa tan vào bề mặt đế Sau khi đạt trạng thái bão hòa, dưới điều kiện áp suất không đổi và nhiệt độ giảm dần, các nguyên tử cácbon sẽ hình thành các hạt nhân (nucleus) và mở rộng ra xung quanh hạt nhân để tạo thành các mầm (domain) Gr Quá trình trên tiếp tục diễn ra với nhiều mầm nhỏ hình thành và liên kết với nhau để tạo màng Gr (hình 1.7b) [31] Với các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, màng Gr thu được có thể là đơn lớp, hai lớp hoặc đa lớp [95; 120] Ngoài các loại khí nguồn, Gr cũng được chế tạo từ các vật liệu

dễ kiếm khác trong tự nhiên như bơ, hạt long não, nhựa (dạng rắn) và sôcôla [155]

Hình 1.7 a) Sơ đồ chế tạo Gr bằng phương pháp CVD [131], b) Cơ chế tạo

màng Gr trên đế đồng [31]

 Ứng dụng của Gr trong cảm biến

Do các tính chất đặc biệt như độ dẫn điện cao (độ nhiễu điện hóa thấp), tính tương thích sinh học cao, dễ dàng biến tính và có thể chế tạo số lượng lớn, Gr đã và đang trở thành một vật liệu nhiều tiềm năng trong ứng dụng cảm biến sinh học So với CNTs, Gr thể hiện một số ưu điểm như giá thành rẻ, diện tích bề mặt riêng lớn,

dễ chế tạo cũng như sử dụng an toàn hơn [17] Gr cho thấy tốc độ truyền tải điện tử được tăng cường khi sử dụng trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện glucose [115]

Gr còn có khả năng tăng cường truyền tải điện tử trực tiếp giữa enzyme và điện cực, trong công trình [83] các tác giả chỉ ra rằng Gr pha tạp loại n có thể giúp tăng cường dòng ôxy hóa cho enzyme trong việc phát hiện glucose, cường độ đỉnh cao hơn so với vật liệu Gr thuần khiết

kể đến như độ dẫn điện cao, bền với với các tác nhân cơ học và nhiệt học, diện tích

bề mặt riêng lớn, có tính chất quang (hiệu ứng plasmon) và tính chất từ (từ độ bão hòa) nổi bật [87; 218] Tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và tính chất của các hạt nano để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Trong lĩnh vực y sinh, các hạt nano kim loại và ôxít kim loại từ tính có vai trò rất quan trọng, do chúng có một số ưu điểm như tăng khả năng xúc tác, tăng diện tích bề mặt, tăng khả năng hấp phụ các phần tử

sinh học và tính tương thích sinh học cao Trong số đó, hạt nano kim loại vàng và hạt nano ôxít sắt từ với các tính chất lý hóa điển hình, nổi lên như hai ứng viên đại diện cho hai nhóm nano kim loại và ôxít kim loại ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Trong giới hạn đề tài, chúng tôi tập trung vào hạt nano vàng và hạt nano ôxít sắt từ

1.2.1 Hạt nano vàng (AuNPs)

AuNPs có nhiều tính chất quang điện tử rất thú vị phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng [158] Tỷ số diện tích bề mặt so với thể tích lớn, độ dẫn cao, khả năng xúc tác tốt, tính tương thích sinh học cao và độ độc hại thấp khiến AuNPs trở thành một nhân tố quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano sinh học và cảm biến sinh học điện hóa [86] Tính chất quang nổi bật của hạt nano vàng là xuất hiện hiện cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) và khả năng dập tắt huỳnh quang Do hiệu ứng plasmon bề mặt, các hạt nano kim loại khi ở dạng dung dịch sẽ có màu sắc khác nhau như tím, xanh, nâu, vàng, đỏ tùy thuộc vào nồng độ và kích thước hạt từ 1 đến 100

nm Đỉnh cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng vào cỡ 500-550 nm, khi kích thước của hạt tăng đỉnh cộng hưởng dịch về phía bước sóng đỏ [79] Do các tính chất đặc biệt, AuNPs được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến sinh học plasmon [9; 100], dẫn truyền thuốc kích thước nano [7], tăng cường phổ huỳnh quang [118] Đối với các hạt nano kim loại quý (vàng, bạc), ngoài các tính chất thường có, chúng còn có thêm những tính chất riêng quan trọng khác như khả năng cho phép các điện tử truyền rất nhanh trực tiếp từ phần tử hoạt động điện hóa sang điện cực Ngoài

ra, do tính chất tán xạ và khả năng tăng cường rất mạnh sóng điện từ cục bộ đã giúp các hạt nano đóng vai trò như bộ tăng cường biên độ tín hiệu trong cảm biến sinh học Trong các phản ứng sinh học điện hóa, sự truyền tải điện tử giữa các protein thuận nghịch và bề mặt điện cực là vấn đề chính cần được quan tâm Tuy nhiên các tâm hoạt động của hầu hết các chất oxi hóa khử được bao bọc bởi các lớp vỏ protein cách điện, do đó sự truyền tải điện tử giữa tâm hoạt động và điện cực sẽ bị chặn lại nếu không có các phần tử tải điện trung gian Trong công trình [210], Willner và cộng sự nghiên cứu tốc độ truyền tải điện tử của phần tử xúc tác điện hóa sinh học sử dụng AuNPs Kết quả cho thấy đối với các điện cực có gắn enzyme, AuNPs đã làm tăng

tốc độ truyền tải điện tử lên đến 5000/s trong khi nếu không có AuNPs thì tốc độ chỉ vào khoảng 700/s Tổ hợp hạt nano kim loại và các polymer sinh học như chiotsan cũng được sử dụng trong cảm biến điện hóa Trong công trình [225], Xu và cộng sự

sử dụng tổ hợp nano carboxymethyl chitosan và AuNPs trong cảm biến sinh học điện hóa H2O2 Kết quả cho thấy khoảng đáp ứng tuyến tính rộng từ 5 µM đến 1,4 mM và giới hạn phát hiện thấp 0,4 µM Một trong các nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả X-H Xia [202] cho thấy, khi sử dụng AuNPs biến tính trên điện cực glassy carbon, tính chất plasmon của các hạt nano là xúc tác quang quan trọng giúp tăng cường tín hiệu điện hóa của điện cực Các hạt nano vàng với kích thước nhỏ (vài nanomet đến vài chục nanomet) có diện tích bề mặt riêng lớn, có khả năng xúc tác điện hóa cao,

do đó thường được sử dụng để biến tính bề mặt điện cực trong các ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa Mặt khác, trong nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Gr-CNTs với hạt nano vàng, kích thước hạt nano quá lớn sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của màng tổ hợp Vì vậy chúng tôi lựa chọn hạt nano vàng có kích thước bé (khoảng

20 nm) để chế tạo vật liệu tổ hợp ứng dụng trong cảm biến sinh học

1.2.2 Hạt nano ôxít sắt từ (Fe 3 O 4 )

Hạt nano từ với các tính chất nổi bật như từ độ bão hòa cao, độ cảm từ cao, bền vững với các tác nhân hóa học và dễ dàng biến tính đã thu hút các nghiên cứu từ nhiều nhà khoa học trên thế giới Các hạt nano kim loại từ tính (Fe, Co, Ni) thường có từ

độ bão hòa rất cao nhưng có độc tính và dễ bị oxi hóa nên ít được quan tâm nghiên cứu Các hạt nano ôxít từ tính như Mn-ferrite, Co-ferrite hay Fe3O4 có từ độ bão hòa cao, ít độc tính, ít nhạy trong môi trường oxi hóa nên thường được quan tâm nghiên cứu ứng dụng Trong số đó, hạt nano ôxít sắt từ Fe3O4 nổi bật hơn hẳn do có nhiều

ưu điểm như khả năng tương thích sinh học (không có độc tính), có từ độ bão hòa và

độ cảm từ cao, dễ dàng tổng hợp, biến tính và khả năng hấp phụ tốt Tùy thuộc vào kích thước và hình dạng, các hạt nano Fe3O4 có nhiều ứng dụng trải rộng trong khoảng

từ vài nanomet cho đến hàng trăm nanomet Với nhiều tính chất vượt trội, các hạt nano Fe3O4 thường được sử dụng trong các lĩnh vực y sinh như truyền dẫn thuốc

hướng đích [166], chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [201], tăng cường độ tương phản [106] và cảm biến sinh học [223]

Có nhiều phương pháp để tổng hợp các hạt nano Fe3O4 như đồng kết tủa [11], sol-gel [28], phân hủy nhiệt [10], lắng đọng điện hóa [62] và thủy nhiệt [142] Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và tạo ra những sản phẩm có chất lượng khác nhau về phân bố kích thước hạt, hình dạng và độ hoàn hảo tinh thể Tùy theo yêu cầu sử dụng mà các hạt nano Fe3O4 có kích thước khác nhau từ vài nanomet đến vài micromet Để tạo ra các hạt Fe3O4 có kích thước đồng đều thì phương pháp hóa học được sử dụng phổ biến hơn cả Trong nghiên cứu này, chúng tôi đưa ra quy trình chế tạo Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng tiền chất α-FeOOH trong dung môi Ethylene Glycol Phương pháp này đã được phát triển dựa trên công bố của nhóm tác giả Abe và cộng sự [1] Thủy nhiệt là một trong những phương pháp đơn giản, có các ưu điểm nổi bật như: (1) vật liệu thu được có cấu trúc tinh thể hoàn hảo với kích thước đồng đều; (2) giá thành rẻ và thân thiện với môi trường; (3) có thể điều khiển kích thước và hình dạng của vật liệu thu được [66]

Với các điều kiện nhất định, vật liệu nano Fe3O4 có thể thu được với nhiều hình dạng khác nhau như dạng hạt [216], dây [32], vòng [181], hình cầu rỗng [215] hoặc hình bát diện [102] Các hạt nano Fe3O4 kích thước bé (hàng chục nanomet) mặc dù

có diện tích bề mặt riêng lớn, nhưng từ độ bão hòa thấp và bị giảm các tính chất từ

do phải bọc chất hoạt động bề mặt để tránh hiện tượng tụ đám Điều này cũng là các thách thức đối với các nghiên cứu ứng dụng trong cảm biến sinh học Các hạt nano

từ kích thước lớn (hàng trăm nanomet) có từ độ bão hòa cao hơn, tính chất từ ít bị ảnh hưởng bởi các chất hoạt động bề mặt Các hạt nano kích thước lớn dạng cầu thường được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến do dễ chế tạo với số lượng lớn,

có hiệu suất cao, tuy nhiên tỷ số diện tích trên thể tích và từ độ bão hòa thường thấp hơn so với các hạt sắt từ có cấu trúc tám mặt [102; 111] Với các ưu điểm của hạt nano sắt từ tám mặt, chúng tôi sẽ xây dựng quy trình tổng hợp hạt nano sắt từ tám mặt kích thước lớn (>800 nm) bằng phương pháp thủy nhiệt để nâng cao tín hiệu điện hóa trong cảm biến sinh học

1.3 Cảm biến sinh học

1.3.1 Khái niệm cảm biến sinh học

Hiệp hội Quốc tế về hóa lý thuyết và hóa ứng dụng - IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm đầu thu sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (transducer)” Với nhiều thuận lợi trong công nghệ thiết bị, cảm biến sinh học phát hiện được nhiều chất mà các loại cảm biến truyền thống không làm được cũng như ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y học, nông nghiệp, công nghệ sinh học, môi trường, và sức khỏe [68; 103; 119] Sự khác biệt cơ bản giữa cảm biến sinh học so với cảm biến vật lý hay hóa học là do đầu thu của cảm biến này là phần tử sinh học

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến sinh học

Một cảm biến sinh học thông thường có 4 phần: (1) Đầu thu sinh học, (2) Tác nhân cố định, (3) Bộ chuyển đổi và (4) Bộ hiển thị

Đầu thu sinh học bao gồm các phần tử sinh học, là đơn vị nhận diện các tác

nhân cần phân tích trong dung dịch thông qua các phản ứng sinh hóa, các sản phẩm của phản ứng này được chuyển đổi sang tín hiệu vật lý dựa vào bộ chuyển đổi Đầu thu sinh học đóng vai trò như một chiếc cổng đặc biệt chỉ tương tác với các chất phân tích tương thích với chúng, các đầu thu sinh học thường được sử dụng bao gồm enzyme, các kháng thể-kháng nguyên, chuỗi axít nucleic (ADN, ARN) hoặc chuỗi polymer in phân tử Trong các loại đầu thu trên, enzyme có các ưu điểm nổi bật như tính đặc hiệu cao trong tương tác enzyme-cơ chất, tốc độ phản ứng nhanh nhờ khả năng xúc tác sinh học [132] Enzyme là một chất xúc tác có thành phần cơ bản là protein Có hai dạng cấu tạo của enzyme là enzyme đơn thành phần chỉ có protein và enzyme đa thành phần bao gồm protein (được gọi la apoenzyme) và một thành phần khác có thể là các ion kim loại (Fe2+, Mg2+, Cu2+) hoặc các phân tử hữu cơ như vitamin, glutathione (GSH), ubiquinone và được gọi là cofactor hay coenzyme

Phần quan trọng nhất của enzyme, nơi mà các phản ứng sinh hóa diễn ra được gọi là tâm hoạt động (active site) và vùng xung quanh tâm hoạt động có vai trò xúc tác để tăng tốc độ phản ứng Các tác nhân kích thích được phát hiện bằng enzyme được gọi

là cơ chất, sự phản ứng giữa enzyme và cơ chất có tính đặc hiệu cao do tâm hoạt động của các enzyme chỉ tiếp nhận các cơ chất tương thích với nó Cơ chế phát hiện cơ chất bằng enzyme có thể mô tả trong ba giai đoạn gồm: (1) Cơ chất khi gặp enzyme

sẽ liên kết với nhau và tạo thành một phức hệ enzyme-cơ chất, tương tác này xảy ra

ở tâm hoạt động của enzyme; (2) Vùng xung quanh tâm hoạt động xúc tác cho phản ứng để tạo thành phức hệ enzyme-sản phẩm; (3) Các sản phẩm được giải phóng khỏi enzyme và chuyển đổi sang các tín hiệu vật lý Cơ chế phản ứng của enzyme có thể được giải thích bởi giả thuyết “Khóa và chìa”, có nghĩa là nó có tính đặc hiệu cao đối với từng loại enzyme Từ năm 2010-2018, các công trình công bố trên Scopus liên quan đến cảm biến sinh học cố định enzyme chiếm số lượng cao nhất so với các loại cảm biến sinh học có đầu thu khác (kháng thể, aptamer,…) [132] Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn enzyme (cholesterol oxidase, urease) là đối tượng được cố định trên bề mặt điện cực để phân tích một số thành phần sinh học như cholesterol, ion kim loại nặng As(V) và glyphosate

Tác nhân cố định là các phần tử sinh học được sử dụng để cố định đầu thu sinh

học Có các phương pháp cố định như hấp phụ, liên kết cộng hóa trị, liên kết chéo và đặt bẫy, trong đó liên kết chéo được chúng tôi sử dụng để cố định enzyme trong phản ứng enzyme-cơ chất Liên kết chéo là liên kết giữa hai hay nhiều phân tử bằng liên kết cộng hóa trị Trong phương pháp này, các phân tử sinh học được liên kết thông qua các nhóm chức trung gian như glutaraldehyde, hexamethylene di-isocyanate, …

Ưu điểm phương pháp liên kết chéo là sử dụng các tác nhân liên kết nên mức độ bám dính của các phân tử sinh học lên điện cực tốt, tuy nhiên nhược điểm là có sự tham gia của các yếu tố tạp chất bên ngoài nên giảm hoạt tính của đầu thu sinh học

Bộ chuyển đổi là hệ điện cực tích hợp được kết nối với một thiết bị có nhiệm vụ

chuyển đổi từ các phản ứng hóa sinh sang tín hiệu vật lý Dựa vào các yếu tố chuyển đổi, một cảm biến sinh học có thể được chia ra làm 4 loại bao gồm (1) cảm biến điện

hóa (electrochemical sensor - ECS), (2) cảm biến quang (optical sensor - OS), (3) cảm biến áp điện (piezoelectric sensor - PS) và (4) cảm biến nhiệt

Bộ hiển thị là một máy tính hoặc màn hình mô tả các tín hiệu điện được dẫn ra

sau quá trình chuyển đổi Kết quả có thể là một chuỗi các số liệu hoặc phổ đồ thị mô

tả diễn biến của quá trình phản ứng

1.3.3 Cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là cảm biến sinh học trong đó đầu ra được chuyển đổi sang tín hiệu điện hóa hoặc có thể hiểu nó là cảm biến điện hóa trong đó phần tử ghi nhận là các đầu thu sinh học Cảm biến sinh học điện hóa ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi do có nhiều điểm lợi thế như cho phép phân tích các phân tử sinh học có tính đặc hiệu, độ nhạy và tính chọn lọc cao, thời gian đáp ứng nhanh và giá thành rẻ [124; 198] Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng cảm biến sinh học điện hóa có enzyme đóng vai trò là đầu thu sinh học Hệ điện cực sử dụng trong

bộ chuyển đổi của cảm biến sinh học điện hóa có ba

điện cực gồm điện cực làm việc (WE), điện cực đối

(CE) và điện cực so sánh (RE) (hình 1.8) Điện cực

đối có tính dẫn điện và trơ về mặt hóa học, có vai trò

như một dây nối dẫn điện cho điện cực làm việc, vật

liệu thường sử dụng là vàng hoặc platin Điện cực so

sánh thường là Ag/AgCl hoặc calomel bão hòa có

vai trò duy trì điện áp ổn định mong muốn Điện cực

làm việc sử dụng các vật liệu như vàng, platin,

graphít hoặc cácbon thủy tinh (GC) do chúng trơ về

mặt hóa học và vùng hoạt động điện hóa ổn định Các phản ứng sinh hóa xảy ra trên

bề mặt điện cực làm việc nên điện cực này có vai trò quan trọng đối với cảm biến Tính chất điện của điện cực làm việc phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực, cách thức biến tính bề mặt hoặc kích thước của điện cực Các điện cực làm việc thông thường có khoảng đáp ứng hẹp, giới hạn phát hiện kém hoặc độ nhạy thấp Do đó một trong các cách để tăng khả năng hoạt động của cảm biến là biến tính tính chất

Hình 1.8 Hệ điện cực cấu trúc

ba điện cực

(biến tính) bề mặt của điện cực này bằng cách phủ vật liệu mới có tính chất lý hóa tốt hơn Trong nghiên cứu này, vật liệu có độ dẫn điện cao, tương thích sinh học như Gr-CNTs kết hợp với hạt nano Au và Fe3O4 sẽ được phủ lên điện cực làm việc để ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa

Hệ điện cực được kết nối trực tiếp với bộ chuyển đổi nhằm phân tích định lượng các nhóm chất trong hệ điện hóa Có nhiều phương pháp phân tích điện hóa được sử dụng, chia thành hai nhóm chính là phương pháp tiếp xúc điện cực (interfacial method) và phương pháp không tiếp xúc điện cực (noninterfacial method) [229] Phương pháp không tiếp xúc điện cực sử dụng các phép đo khi chất phân tích làm thay đổi tính chất dẫn điện của dung dịch mà không quan tâm đến mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch Kỹ thuật đo độ dẫn (conductometric) là một trong các phương pháp không tiếp xúc điện cực Phương pháp này có một số ưu điểm như không sử dụng điện cực so sánh, hoạt động ở vùng điện áp thấp do đó ngăn chặn được dòng Faraday trên điện cực và có thể tích hợp vào công nghệ màng mỏng Phương pháp đo tiếp xúc là việc nghiên cứu sự thay đổi tính chất lý hóa xảy ra tại bề mặt của điện cực, qua đó thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra Có thể chia phương pháp này ra làm hai nhóm chính là kỹ thuật tĩnh và kỹ thuật động học Kỹ thuật tĩnh được hiểu là trong dung dịch không xảy ra nhiễu loạn, dòng điện bằng 0, kỹ thuật đo điện áp (potentiometry) thường được sử dụng trong nhóm này Kỹ thuật này dựa trên điện cực nhạy ion màng polymer, có một số ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, thời gian đáp ứng nhanh, dễ sử dụng và giá thành thấp [38] Kỹ thuật động học dựa trên phản ứng ôxy hóa khử, xuất hiện quá trình truyền điện tử giữa điện cực và chất phân tích Trong kỹ thuật này một điện áp giữa hai đầu điện cực sẽ thay đổi, sau đó thu nhận các tín hiệu của dòng điện

để xác định chất phân tích, do đó còn được gọi là kỹ thuật vôn-ampe Dòng điện phụ thuộc vào tính chất của chất cần phân tích và bản chất dung dịch điện ly, dòng điện này có thể được điều khiển bởi điện áp đặt vào hai đầu điện cực làm việc Nếu điện thế dương đặt vào điện cực làm việc, phản ứng ôxy hóa sẽ xảy ra tại bề mặt điện cực

và xuất hiện một dòng điện, cường độ dòng điện phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích khuếch tán trên bề mặt của điện cực làm việc Trong trường hợp ngược lại, nếu

đặt điện thế âm vào điện cực làm việc, phản ứng khử sẽ xảy ra tại bề mặt điện cực Trong cả hai trường hợp trên, điện cực đối được sử dụng để đo dòng điện, chức năng của nó sẽ là cathode khi điện cực làm việc đóng vai trò anode và ngược lại Kỹ thuật vôn-ampe có tính toàn diện (bao hàm các kỹ thuật trên) và thường được sử dụng nhất trong các phân tích sinh học, bao gồm nhiều nhóm khác nhau như vôn-ampe vòng (CV), vôn-ampe sóng vuông (SWV), vôn-ampe xung vi phân (DPV), vôn-ampe quét tuyến tính (LSV) CV là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để phân tích các thông tin định lượng ban đầu về các phản ứng hóa học, CV là kỹ thuật thường được sử dụng đầu tiên trong quá trình phân tích điện hóa vì nó cung cấp nhanh các thông tin về vị trí đỉnh ôxy hóa khử cũng như điều kiện môi trường điện hóa Kỹ thuật SWV có nhiều

ưu điểm nổi bật so với các kỹ thuật khác trong phân tích điện hóa như dễ quan sát chênh lệch thế và có độ nhạy cao [53; 229] Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các kỹ thuật phân tích điện hóa CV để đánh giá tính chất bề mặt điện cực và SWV để xác định nồng độ chất phân tích trong dung dịch

1.4 Vật liệu tổ hợp Gr-CNTs và ứng dụng trong cảm biến sinh học

1.4.1 Tổng hợp vật liệu tổ hợp Gr-CNTs

CNTs và Gr đều là các vật liệu nano có nhiều tính chất nổi bật và có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên CNTs dẫn điện một chiều dọc theo trục ống, Gr dẫn điện tốt trong mặt phẳng mạng hai chiều, đồng thời Gr đơn lớp có

độ rộng vùng cấm bằng không là các trở ngại của CNTs và Gr trong một số ứng dụng truyền điện tử bề mặt Để nâng cao diện tích bề mặt, độ dẫn và mở rộng sang các ứng dụng cấu trúc ba chiều, các nghiên cứu cho thấy có thể chế tạo vật liệu tổ hợp giữa CNTs và Gr để tạo thành Gr-CNTs Các công bố lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy tính chất dẫn điện của vật liệu tổ hợp Gr-CNTs có thể mở rộng sang cấu trúc ba chiều do sự hiệp lực (synergic) của hai vật liệu thành phần CNTs và Gr, diện tích bề mặt cũng tăng lên đáng kể [134] Vật liệu tổ hợp Gr-CNTs cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực như điện tử nano, siêu tụ, điện hóa [15; 73; 208] Ngoài

ra trong vật liệu tổ hợp, Gr đóng vai trò như những tấm chắn tạo thành các hốc (đối

với phương pháp sử dụng rGO) hoặc một tấm lưới ma trận (đối với phương pháp CVD) và được kết nối với CNTs, trong khi đó CNTs đóng vai trò như các cầu nối, các sợi đan xen và liên kết lại với nhau Vật liệu tổ hợp tạo ra có dạng rỗng, có thể được bổ sung, đính kết với các hạt nano để tạo thành vật liệu tổ hợp đa thành phần

Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu tổ hợp Gr-CNTs, trong đó có ba phương pháp chính thường được sử dụng là xử lý dung dịch (solution processing),

xếp lớp (layer-by-layer) và lắng đọng pha hơi hóa học Xử lý dung dịch là một

phương pháp đơn giản, tạo vật liệu tổ hợp Gr-CNTs theo một số cách như: biến tính

bề mặt của một hoặc hai vật liệu thành phần với các nhóm chất sao cho chúng đồng thời có thể phân tán trong nước hoặc trong dung môi hữu cơ Trong công trình [189], các tác giả chỉ ra rằng, GO được tạo ra bằng phương pháp Hummer thông qua sự ôxy hóa bề mặt graphít sử dụng axít mạnh, GO sau đó được bóc tách và đưa về dạng muối

có khả năng phân tán với CNTs để tạo thành vật liệu tổ hợp GO-CNTs Vật liệu tổ hợp Gr-CNTs còn được tạo ra thông qua các nhóm chức hoặc các ion kim loại có khả năng liên kết với nhau và liên kết với hai vật liệu cácbon thành phần [70] hoặc thông

qua các chất hoạt động bề mặt [93] Xếp lớp cũng là một trong những phương pháp

đơn giản nhưng vẫn có hiệu quả cao trong chế tạo vật liệu tổ hợp Gr-CNTs Trong phương pháp này, vật liệu tổ hợp Gr-CNTs được tạo ra bằng cách xếp các lớp xen kẽ nhau của Gr và CNTs Một số cách có thể thực hiện thông qua việc quay phủ (spin-coating), nhỏ phủ (dropping) hoặc phương pháp tĩnh điện [164; 206] Khác với các

kỹ thuật khác, kỹ thuật xếp lớp được thực hiện khá đơn giản, có thể tạo ra một chuỗi

các lớp xen kẽ nhau và có thể điều chỉnh để đạt được số lớp tối ưu nhất Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học thường được sử dụng với một số ưu điểm nổi bật

như có thể chế tạo màng tổ hợp Gr-CNTs diện tích lớn, điều khiển được số lớp và chất lượng của màng Phương pháp CVD có thể tạo màng tổ hợp Gr-CNTs với nhiều kiểu cấu trúc đặc biệt làm tăng diện tích bề mặt hoặc độ dẫn điện như CNTs định hướng vuông góc trên Gr (hình 1.9a), CNTs định hướng song song trên Gr (hình 1.9b) hoặc CNTs bất định hướng trên Gr (hình 1.9c,d) Phương pháp này thường được thực

hiện với các yêu cầu phức tạp như phải điều chỉnh áp suất, nhiệt độ và độ chính xác cao [105; 212]

Hình 1.9 Một số dạng tổ hợp Gr-CNTs tổng hợp bằng hệ CVD [54; 109; 168; 204]

1.4.2 Tổ hợp Gr-CNTs với hạt nano ứng dụng trong cảm biến sinh học

Từ năm 2011, S Das và cộng sự [37] cho thấy khả năng tổng hợp thành công của vật liệu tổ hợp MWCNTs-Gr trên đế SiO2/Si bằng phương pháp CVD hai bước Màng Gr ban đầu được tổng hợp trên đế SiO2/Si có chứa xúc tác sắt, sau đó các sợi CNTs mọc lên và nâng Gr tạo thành một lớp phủ ở bên trên Màng tổ hợp thu được

có điện trở thấp 100-400  và lớp tiếp xúc có tính chất điện Ohmic Peng Chen và cộng sự [42] đã chế tạo màng tổ hợp Gr-CNTs ba chiều bằng phương pháp CVD hai bước trong điều kiện áp suất khí quyển Vật liệu tổ hợp được sử dụng như một lớp nhạy trên bề mặt điện cực cácbon (glassy carbon electrode) để sử dụng trong phát hiện thành phần dopamine Sau đó, nhiều nghiên cứu khác được thực hiện như chế tạo vật liệu tổ hợp Gr-CNTs-ZnO ứng dụng trong cảm biến sinh học phát hiện glucose [76], chế tạo vật liệu tổ hợp Au-MWCNT-Gr [129], chế tạo vật liệu tổ hợp Gr-MWCNTs bằng phương pháp chiếu xạ  [163] Các nghiên cứu về vật liệu tổ hợp đa thành phần dựa trên tổ hợp Gr-CNTs cũng được chỉ ra như trong bảng 1.1

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về vật liệu tổ hợp Gr-CNTs và các hạt nano tiếp tục được khai thác và mở rộng Trong công trình [219], H Yu và cộng sự

đã chế tạo vật liệu tổ hợp Au-MWCNTs-rGO bằng phương pháp khử đồng thời

Trong phương pháp này, nhóm tác giả trộn hỗn hợp gồm GO, MWCNTs và natri citrat (Na3C6H5O7) với khối lượng thích hợp và thu được vật liệu tổ hợp AuNP-MWCNT-rGO Màng tổ hợp sau đó được các tác giả nghiên cứu biến tính điện cực

để phát hiện nồng độ nitrit (NO2-), kết quả cho thấy khoảng tuyến tính rộng từ 50 nM đến 2,2 mM với độ nhạy lên đến 1201 µA/mM.cm2

Bảng 1.1 Các loại vật liệu tổ hợp dựa trên Gr-CNTs trong những năm gần đây

Trong công trình [92] (2019), một vật liệu tổ hợp đa thành phần SWCNTs được tạo thành bằng phương pháp xử lý dung dịch, trong phương pháp này

Pt-N-rGO-GO, SWCNTs, K2PtCl6 đóng vai trò vật liệu thô và (NH4)2CO3 đóng vai trò là tác nhân khử và pha tạp nitơ Vật liệu tổ hợp sau đó được ứng dụng trong cảm biến điện hóa phát hiện nồng độ piroxicam (PXM-một thành phần thuốc chống viêm) với hiệu quả cao

Trong công trình của nhóm tác giả Yunpei và cộng sự (2020) [172], vật liệu phức đa thành phần gồm polymer (L-methionine), tổ hợp Gr-CNTs và hạt nano vàng được tổng hợp và ứng dụng trong cảm biến phát hiện dopamine và uric axít trong nước tiểu người Trong công trình này, các tác giả đã tiến hành ôxy hóa mạnh