Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Chế tạo polymer in dấu phân tử kết hợp chấm lượng tử carbon và ứng dụng trong xác định glucose: Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học

TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, CQDs được tổng hợp bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn với sự hỗ trợ của heating mantle, chúng được dùng làm vật liệu kết hợp trong chế tạo polymer in dấu ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: TS LÝ TẤN NHIỆM SVTH: VÕ THỊ KIM XUYẾN

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024

CHẾ TẠO POLYMER IN DẤU PHÂN TỬ KẾT HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ ỨNG DỤNG TRONG

XÁC ĐỊNH GLUCOSE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHẾ TẠO POLYMER

IN DẤU PHÂN TỬ KẾT HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ ỨNG

DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH GLUCOSE

SVTH: Võ Thị Kim Xuyến

MSSV: 20128173 GVHD: TS Lý Tấn Nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã tận tâm giảng dạy và hướng dẫn tôi tiếp cận với những kiến thức chuyên ngành và kinh nghiệm quý báu trong suốt 4 năm qua Thầy cô luôn hỗ trợ đầy đủ các điều kiện cần thiết cho việc thực hiện luận văn, từ dụng cụ, thiết bị đến hóa chất trong các phòng thí nghiệm Mặc dù trong suốt quá trình nghiên cứu làm luận văn gặp nhiều khó khăn và phát sinh nhiều vấn đề, thầy cô vẫn luôn nhiệt tình giúp đỡ và đồng hành cùng với tôi Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Lý Tấn Nhiệm và cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ, những người đã tận tâm hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Nhờ vào sự hướng dẫn tận tình của thầy cô, tôi đã học hỏi được nhiều kiến thức mới quý báu về cách làm luận văn cũng như cách vận hành thiết bị thí nghiệm Thầy cô chính là nguồn động viên và là những người thầy tuyệt vời trong hành trình học tập của tôi

Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn đến các bạn trong nhóm nghiên cứu cũng như các bạn chuyên ngành hóa khóa K20 đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện khóa luận cũng như trong suốt quá trình bốn năm vừa qua

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, không thể tránh khỏi những sai sót trong thao tác thí nghiệm và kết quả Tôi rất mong nhận được những góp ý quý báu

từ các thầy cô để có thể bổ sung và hoàn thiện bài luận văn của mình một cách chặt chẽ hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “CHẾ TẠO POLYMER IN DẤU PHÂN TỬ KẾT HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH GLUCOSE” là công trình nghiên cứu của tôi và không có sự sao chép từ những nghiên cứu khác Đề tài được hướng dẫn bởi thầy Lý Tấn Nhiệm cũng như sự hỗ trợ của bộ môn Mọi kết quả trong bài đều là do tôi thực hiện và hoàn thành trung thực Đề tài là sự nỗ lực nghiên cứu của tôi sau thời gian học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam kết những thông tin trên đúng với sự thật và chịu hoàn toàn trách nhiệm

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Kim Xuyến

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các nhóm chức năng chính với tần số hấp thụ tương ứng của GQDs 9

Bảng 2.1 Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu 18

Bảng 2.2 Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 19

Bảng 2.3 Bảng thành phần nước tiểu nhân tạo 27

Bảng 3.1 Sử dụng hàm Kubelka – Munk ước tính năng lượng vùng cấm từ dữ liệu DRS 37

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phổ Raman của GQDs 5

Hình 1.2 Độ mạnh của các dải 2D thay đổi theo số lượng lớp của các mẫu vật liệu thuộc nhóm vật liệu carbon 6

Hình 1.3 a) Ảnh TEM của GQDs; b) Độ mạnh của cường độ phát quang (PL intensity) phụ thuộc vào kích thước của GQDs 7

Hình 1.4 Phổ FTIR của các GQDs và GO có chứa các nhóm carboxyl khác nhau 8

Hình 1.5 a) Phổ XPS tại đỉnh C1s của GDQ1 và b) Phổ XPS tại đỉnh C1s của GDQ2 10

Hình 1.6 Sơ đồ minh họa quy trình in dấu phân tử bao gồm các phương pháp khác nhau như: (I) không cộng hóa trị, (II) tĩnh điện/ion, (III) cộng hóa trị, (IV) bán cộng hóa trị, và (V) phối hợp với trung tâm kim loại 12

Hình 1.7 đồ minh họa quá trình in dấu phân tử bằng phương pháp sol – gel; trong đó R là ký hiệu cho gốc R-alkyl; M là ký hiệu cho các phần tử hình thành mạng như Si, Ti, Zr, Al,… 14

Hình 1.8 Cấu trúc của các monomer chức năng phổ biến được sử dụng 15

Hình 1.9 Cấu trúc của các chất liên kết ngang (cross-linkers) 15

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 21

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp dung dịch CQDs 22

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp CQDs@MIP 24

Hình 3.1 Kết quả phổ FTIR của mẫu CQDs; CQDs@NIP; CQDs@MIP_glucose; CQDs@MIP 32

Hình 3.2 a) Kết quả phổ XPS của mẫu CQDs; b) Phổ XPS của orbital C1s; c) Phổ XPS của orbital N1s; d) Phổ XPS của orbital O1s 34

Hình 3.3 Kết quả phổ XRD của CQDs 35

Hình 3.4 a) Kết quả phổ DRS của ba mẫu vật liệu CQDs 30 phút, CQDs 1 giờ, CQDs 2 giờ; Kết quả năng lượng vùng cấm được ước tính từ hàm Kubelka–Munk lần lượt của mẫu CQDs 30 phút b), mẫu CQDs 1 giờ c), mẫu CQDs 2 giờ d) 36

Hình 3.5 Kết quả năng lượng vùng cấm được ước lượng từ hàm Kubelka-Munk lần lượt của mẫu CQDs 30 phút a), CQDs 1 giờ b), CQDs 2 giờ c) 37

Hình 3.6 Kết quả quang phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs được tổng hợp ở các mốc thời gian khác nhau 38

Hình 3.7 a) Kết quả quang phổ UV-Vis; b) Kết quả quang phổ phát xạ huỳnh quang của mẫu CQDs gia nhiệt 30 phút Hình nhỏ: (phía trên góc bên phải) Phổ phát xạ của CQDs với sự kích thích có bước sóng khác nhau; (phía trên góc bên trái) Hình ảnh của

CQDs được chụp trong điều kiện ánh sáng mặt trời và tia UV tại 365 nm 39

Hình 3.8 Ảnh SEM của a) CQDs@NIP; b) CQDs@MIP_glucose; c) CQDs@MIP 40

Hình 3.9 Dải phân bố kích thước hạt từ ảnh SEM của a) CQDs@NIP; b) CQDs@MIP_glucose; c) CQDs@MIP 40

Hình 3.10 Kết quả DLS của mẫu CQDs 40

Hình 3.11 Kết quả DLS của 3 mẫu CQDs@MIP, CQDs@NIP, CQDs@MIP_glucose 41

Hình 3.12 Ảnh chụp TEM của mẫu CQDs@MIP 41

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý chế tạo vật liệu in dấu phân tử glucose trên nền

copolymer 42

Hình 3.14 Sơ đồ quy trình tổng hợp của nghiên cứu 42

Hình 3.15 Phổ phát xạ huỳnh quang của mẫu CQDs, CQDs@MIP_glucose, CQDs@MIP, CQDs@NIP 44

Hình 3.16 Phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs@MIP khi có mặt glucose tại các nồng độ khác nhau 45

Hình 3.17 Phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs@NIP khi có mặt glucose tại các nồng độ khác nhau 46

Hình 3.18 a) Đường cân bằng hấp phụ glucose của CQDs@MIP trong dung dịch đệm; b) Mối liên hệ logarit giữa cường độ phát xạ huỳnh quang và nồng độ glucose 46

Hình 3.19 a) Kết quả phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs@MIP khi hấp phụ một số hợp chất có nồng độ 1 × 10−3 M; b) Kết quả cường độ phát xạ huỳnh quang (F0/F) của CQDs@MIP khi hấp phụ một số hợp chất có nồng độ 1 × 10−3 M 47

Hình 3.20 Phổ phát xạ huỳnh quang của CQDs@MIP khi có mặt glucose tại các nồng độ khác nhau trong môi trường dung dịch nước tiểu nhân tạo 48

Hình 3.21 Đường cân bằng hấp phụ glucose của CQDs@MIP trong môi trường dung dịch nước tiểu nhân tạo; b) Mối liên hệ logarit giữa cường độ phát xạ huỳnh quang và nồng độ glucose 49

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Vật liệu carbon quantum dots 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Tính chất của vật liệu nano phát quang 4

1.2 Cảm biến glucose 10

1.2.1 Cảm biến glucose 10

1.2.2 Lịch sử phát triển 10

1.3 Polymer in dấu phân tử 11

1.3.1 Giới thiệu 11

1.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu polymer in dấu phân tử 12

1.3.3 Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử 14

1.3.4 Ứng dụng vật liệu polymer in dấu phân tử 16

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16

1.4.1 Tình hình trong nước 16

1.4.2 Tình hình ngoài nước 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 18

2.1.1 Hóa chất 18

2.1.2 Thiết bị 19

2.2 Nội dung nghiên cứu 21

2.2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 21

2.2.2 Tổng hợp dung dịch CQDs 22

2.2.3 Chế tạo polymer in dấu phân tử 24

2.3 Quy trình khảo sát khả năng hấp phụ glucose của CQDs@MIP 25

2.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ glucose ở các nồng độ khác nhau của CQDs@MIP 25

2.3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ dung dịch glucose của CQDs@MIP trong môi trường nước tiểu nhân tạo 26

2.3.3 Khảo sát khả năng chọn lọc của CQDs@MIP 28

2.4 Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu 28

2.4.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 28

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 28

2.4.3 Phương pháp quang phổ kính hiển vi điện tử truyền qua – TEM 29

2.4.4 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 29

2.4.5 Quang phổ quang điện tử tia X 29

2.4.6 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán 29

2.4.7 Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến 30

2.4.8 Phổ phát xạ huỳnh quang 31

2.4.9 Phương pháp xử lý số liệu 31

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 32

3.1 Khảo sát quang phổ, hình thái và cấu trúc 32

3.1.1 Kết quả FTIR 32

3.1.2 Kết quả XPS 33

3.1.3 Kết quả XRD 34

3.1.4 Kết quả DRS 35

3.1.5 Kết quả PL và UV-Vis 38

3.1.6 Kết quả SEM 39

3.1.7 Kết quả DLS 40

3.1.8 Kết quả TEM 41

3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu CQDs@MIP 42

3.2.1 Cơ chế hấp phụ glucose của vật liệu CQDs@MIP 42

3.2.2 Khảo sát khả năng phát huỳnh quang của mẫu CQDs@MIP 43

3.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ glucose của vật liệu CQDs@MIP 44

3.2.4 Khảo sát khả năng chọn lọc của vật liệu 47

3.2.5 Khảo sát khả năng hấp phụ glucose của vật liệu CQDs@MIP trong môi trường nước tiểu nhân tạo 47

KẾT LUẬN 50

KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên tiếng Việt

CQDs Carbon quantum dots Chấm lượng tử carbon GQDs Graphene quantum dots Chấm lượng tử graphene GOX Glucose oxidase

ADN Deoxyribonucleic acid

WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới TEOS Tetraethyl orthosilicate

APTES (3-Aminopropyl)

triethoxysilan TMB 3,3',5,5'-

Tetramethylbenzidine MIP Molecular imprinted polymer polymer in dấu phân tử NIP Non imprinted polymer polymer không in dấu

phân tử DLS Dynamic light scattering Tán xạ ánh sáng động XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning electron

microscope

Kính hiển vi điện tử quét

FTIR Fourier-transform infrared

spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại

biến đổi UV-Vis Ultraviolet-visible

spectroscopy

Quang phổ hấp phụ tử ngoại khả kiến DRS Diffuse reflectance

spectroscopy

Phổ quang điện tử tia X

PBS Phosphate bufferes saline Đệm phosphate

CQDs@MIP Polymer in dấu phân tử

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, CQDs được tổng hợp bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn với

sự hỗ trợ của heating mantle, chúng được dùng làm vật liệu kết hợp trong chế tạo polymer in dấu phân tử Polymer in dấu glucose được chế tạo dựa trên quá trình đồng trùng hợp của 3-aminopropyltriethoxysilane và tetraethyl orthosilicate lên bề mặt CQDs bằng phương pháp sol-gel Sản phẩm được mang đi rửa giải để thu được vật liệu polymer

in dấu glucose Hình thái và cấu trúc hóa học của các sản phẩm được phân tích bằng các phương pháp như quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ quang điện tử tia

X (XPS), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ phản xạ khuếch tán (DRS), phổ phát xạ huỳnh quang (PL), quang phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), tán xạ ánh sáng động (DLS) Các kết quả cho thấy vật liệu in dấu phân tử CQDs@MIP có cấu trúc mạng polymer kết hợp CQDs Đặc biệt, vật liệu polymer in dấu phân tử glucose có các khoang liên kết đặc hiệu đối với glucose Kết quả phân tích cho thấy mẫu vật liệu CQDs phát quang màu xanh lam ( phát quang

ở bước sóng 𝜆𝑒𝑚 = 450 nm khi kích thích ở bước sóng 𝜆𝑒𝑥 = 360 nm CQDs tổng hợp được có đỉnh phân bố kích thước hạt tập trung tại 0.78 nm và 5 nm trong dung dịch đệm

pH = 7 Hơn nữa, CQDs có hai mức năng lượng vùng cấm với các nhóm chức có trên

bề mặt đã được phát hiện

Khảo sát khả năng hấp phụ glucose của CQDs@MIP cũng đã được thực hiện và kết quả cho thấy khả năng hấp phụ glucose cao hơn so với vật liệu polymer không in dấu Tận dụng đặc điểm này, vật liệu CQDs@MIP được sử dụng để khảo sát hấp phụ glucose trong dung dịch nước tiểu nhân tạo Kết quả cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng được trong mẫu nước tiểu thực Khi tăng nồng độ glucose, thì tín hiệu cường độ giảm dần, xu hướng này đặc trưng cho khả năng hấp phụ glucose của vật liệu Giới hạn phát hiện của phương pháp này được xác định trong dung dịch đệm là 2.5 nM và trong dung dịch nước tiểu nhân tạo là 2.5E + 1 nM Trong môi trường nước tiểu nhân tạo, mối quan

hệ logarit giữa nồng độ glucose và tín hiệu cường độ có độ tin cậy cao với R2 = 0.9894 Glucose cho tín hiệu cảm biến cao nhất với giá trị F0/F là 1.8400 ± 0.0067, kết quả cho thấy CQDs@MIP có độ đặc hiệu đối với glucose

MỞ ĐẦU

Glucose đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra năng lượng cần thiết cho cơ thể con người phát triển và hoạt động [1] Để đảm bảo sức khỏe ổn định và hoạt động tốt của cơ thể, mức đường huyết phải được kiểm soát chặt chẽ [1], [2] Bệnh đái tháo đường

là loại bệnh mãn tính gây hậu quả nghiêm trọng cho con người, xã hội và kinh tế [3] Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Liên đoàn Tiểu đường Quốc tế, tỷ lệ mắc bệnh

dự kiến tăng gấp đôi trong vài thập kỷ tới, từ 347 triệu người vào năm 2005 lên 700 triệu người vào năm 2030 [3] Đến năm 2023 Việt Nam có khoảng 5 triệu người bị mắc bệnh đái tháo đường [4] Vì thế, nhu cầu về việc chẩn đoán sơ bộ tình trạng sức khỏe đang là vấn đề tiêu điểm được nhiều người quan tâm hiện nay [2]

Mặc dù chưa có cách chữa trị bệnh tiểu đường, nhưng việc sử dụng thuốc phù hợp và theo dõi mức đường huyết có thể cải thiện trong quá trình điều trị, giảm thiểu các triệu chứng và biến chứng [2] Ở trên thị trường chẩn đoán y tế hiện nay hầu hết các thiết bị hoạt động dựa vào phương pháp phân tích điện hóa trên nền enzyme hữu cơ [5] Các thiết bị điện hóa hiện tại đòi hỏi tốn kém nhiều chi phí, các enzyme dễ bị ảnh hưởng bởi

sự không ổn định do nhiều yếu tố môi trường tác động làm cho enzyme kém bền [6] Các vật liệu nano như quantum dots, graphene oxide, ống nano carbon, sắt từ, … có tính xúc tác tương tự enzyme (còn được gọi là nanozyme) và đang được quan tâm nghiên cứu Chúng dần trở thành xu hướng mới trong việc xác định glucose [6], [7] Trong số chúng, các vật liệu có khả năng phát huỳnh quang mở ra một hướng nghiên cứu đầy triển vọng, vì nhóm vật liệu này có các tính chất hóa lý đặc biệt tăng cường độ nhạy cho cảm biến [7] Phần lớn các thiết bị cảm biến glucose trên thị trường thực hiện định lượng theo phương pháp xâm lấn Có nguy cơ gây nhiễm trùng, gây đau khi sử dụng và còn khó khăn hơn đối với những người mắc bệnh truyền nhiễm qua đường máu [6], [8] Những năm gần đây nhiều nghiên cứu đề xuất các cảm biến glucose theo hướng không xâm lấn có thể áp dụng trên các mẫu dịch sinh lý cơ thể con người [6]

Xuất phát từ những vấn đề trên, bài luận văn chọn đề tài: “Chế tạo polymer in dấu phân

tử kết hợp chấm lượng tử carbon và ứng dụng trong xác định glucose” nhằm nghiên cứu tổng hợp vật liệu có khả năng phát hiện được glucose và định hướng ứng dụng trong nước tiểu

Mục tiêu nghiên cứu:

Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp carbon quantum dots dùng trong xác định glucose

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là vật liệu CQDs@MIP được sử dụng để xác định glucose trong môi trường dung dịch đệm, nước tiểu nhân tạo và độ chọn lọc của vật liệu Phạm vi nghiên cứu là tổng hợp CQDs bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn với sự hỗ trợ của thiết bị heating mantle Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử kết hợp CQDs, khảo sát khả năng hấp phụ glucose trong môi trường dung dịch đệm, nước tiểu nhân tạo

và độ chọn lọc

Phương pháp nghiên cứu:

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu như trên Vật liệu CQDs được tổng hợp bằng phương pháp gia nhiệt pha rắn Tiến hành chế tạo vật liệu CQDs@MIP thông qua phương pháp sol-gel Mặt khác, dựa vào các phương pháp và kỹ thuật trên các thiết bị hiện đại để xác định các tính chất của vật liệu CQDs@MIP như sử dụng kính hiển vi điện quét (SEM) để xác định kích thước vật liệu, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

để xác định cấu trúc và kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) để xác định sự phân bố kích thước của chúng trong dung dịch Bên cạnh đó, phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) cũng được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố và nhóm chức được hình thành trong vật liệu CQDs@MIP Phương pháp phổ phát xạ huỳnh quang được sử dụng để khảo sát khả năng hấp phụ glucose của CQDs@MIP

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu carbon quantum dots

1.1.1 Giới thiệu

1.1.1.1 Vật liệu carbon quantum dots

Vật liệu được tạo ra từ các dạng tinh thể của carbon ngày càng được quan tâm bởi các nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và vật lý [9] Các thành viên trong họ vật liệu carbon có nhiều đặc tính quan trọng như độ bền cao, độ dẫn điện tốt và nhiều dạng cấu trúc khác nhau [10] Nổi bật trong số đó là chấm lượng tử carbon (CQDs) CQDs là vật liệu nano 0 chiều có kích thước nhỏ hơn 10 nm và khung carbon lai hóa sp2 [11] CQDs tồn tại các nhóm chức như hydroxyl và carbonyl ở phần rìa, những nhóm chức này có tính phân cực và có thể tạo liên kết bề mặt tốt [12] CQDs có nhiều ưu điểm nổi bật như hiệu suất phát huỳnh quang cao [13], phản ứng tạo liên kết hóa học ổn định, khả năng tương thích sinh học tốt, phân tán tốt trong nước và quy trình tổng hợp có thể tối giản tùy thuộc vào mục đích sử dụng [14]

1.1.1.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu carbon quantum dots

Có hai phương pháp tổng hợp CQDs bao gồm phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên [12] Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp CQDs nhìn chung là đơn giản và dễ dàng tiếp cận, với nguyên liệu tổng hợp phổ biến, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng CQDs [15] Tuy nhiên, đối với các ứng dụng cảm biến quang học

và cảm biến điện hóa [16], để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao và đặc tính độc đáo, thì cần phải sử dụng đến những phương pháp tổng hợp CQDs tiên tiến [12] Các nhà nghiên cứu trên thế giới ngày càng quan tâm đến việc chọn lựa con đường tổng hợp đơn giản [17], có khả năng điều khiển kích thước hạt, giảm thiểu chi phí, nhưng vẫn tạo

ra loại CQDs có đặc tính nổi bật như hiệu suất phát huỳnh quang cao [18]

Các phương pháp trong nhóm từ trên xuống (top - down)

Phương pháp tổng hợp từ trên xuống sử dụng các biện pháp vật lý hoặc hóa học để làm nhỏ các tiền chất carbon như ống nano carbon, tấm graphene và graphite [12] Phương pháp này tập trung vào việc chia nhỏ vật liệu ban đầu thông qua quá trình oxy hóa, xen giữa các lớp, đồng thời tạo ra các khuyết tật trong mạng carbon [14] Phương pháp từ

trên xuống thông thường yêu cầu thiết bị chuyên dụng, khó sử dụng, đắt tiền, dẫn đến năng suất thấp và không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn [18] Bên cạnh đó, sản phẩm tổng hợp từ phương pháp này khó kiểm soát hình dạng và phân bố kích thước [14] Điều kiện quy trình độc hại và khó kiểm soát cũng là những hạn chế cần lưu ý [12]

Phương pháp acid etching

Phương pháp này được sử dụng để tách CQDs từ các nguyên liệu lớn bằng cách sử dụng acid mạnh như acid nitric [18] Trong quá trình này, dung dịch acid tác động lên bề mặt của vật liệu, gây ra sự oxy hóa các nhóm chức [14] Trên bề mặt vật liệu, lúc này xuất hiện khuyết tật và các vị trí khuyết tật này gia tăng đáng kể diện tích bề mặt của CQDs Tuy nhiên, các chất oxy hóa cần được loại bỏ hoàn toàn để thu được CQDs có độc tính thấp [18]

Phương pháp bắn phá bằng tia laser (laser ablation)

Đây là phương pháp có thể sản xuất các loại vật liệu nano có cấu trúc khác nhau, thân thiện với môi trường và nhưng chi phí sản xuất cao [18] Phương pháp này thực hiện bằng cách sử dụng một xung laser có năng lượng cao chiếu xạ lên bề mặt mẫu Tại bề mặt, xuất hiện trạng thái nhiệt động với nhiệt độ cao, áp suất cao và bay hơi thành plasma [17] Dòng hơi này được tinh chế thành các hạt nano [12]

Phương pháp điện hóa (electrochemical method)

Phương pháp này được thực hiện trong một bước, liên tục tạo ra một lượng lớn CQDs

và thực hiện bằng cách tách lớp điện hóa từ nguồn nguyên liệu như carbon nanotubes [14] Trong quá trình điện phân, các ion O- và OH- bị tiêu thụ Các ion này tham gia vào phản ứng tách lớp điện hóa và cũng chính là tác nhân tạo nên các phản ứng hóa học để tách lớp các vùng ở ngoài rìa và tách lớp nhiều tại các vị trí khuyết tật của nguyên liệu đầu vào [18]

Phương pháp xử lý siêu âm (Ultrasonication exfoliation)

Đây là phương pháp thân thiện với môi trường, với cách thức là cắt các nguyên liệu khối bằng lực cơ học [12] Nguyên liệu ban đầu trải qua một số bước tinh chế như oxy hóa trong dung dịch acid, xử lý solvothermal hoặc vi sóng Sau đó, sóng siêu âm được sử dụng kết hợp để thu được CQDs đồng nhất [18]

Các phương pháp trong nhóm từ dưới lên (Bottom - up)

Phương pháp hydrothermal

Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp quen thuộc được sử dụng phổ biến vì tính đơn giản, linh hoạt, thân thiện với môi trường và chi phí hợp lý [17] Phương pháp này thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong dung dịch nước Sản phẩm thu được cuối cùng sẽ được lọc qua màng Hiện nay có một số nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên để tổng hợp quantum dots thông qua phương pháp thủy nhiệt chẳng hạn như sử dụng nước ép từ quả cam có hàm lượng acid citric cao [19]

Phương pháp hỗ trợ vi sóng (microwave)

Đây là phương pháp nhanh chóng, dễ dàng thực hiện và thân thiện với môi trường, mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt [12] Trường điện từ phân phối đều lên mẫu Phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng lò vi sóng có bức xạ điện từ với tần số nằm giữa vùng sóng radio và hồng ngoại [18] Trong một công trình nghiên cứu, sữa bò được chiếu xạ trong lò vi sóng Sau một thời gian nhất định, sữa sẽ biến đổi tạo thành CQDs có đường kính 5 nm và có tính chất phát quang tuyệt vời, độc tính thấp [20]

Phương pháp nhiệt rắn (pyrolysis)

Phương pháp nhiệt phân pha rắn là một trong những phương pháp tổng hợp hiệu quả tạo

ra vật liệu nano CQDs có khả năng phát huỳnh quang [12] Phương pháp này được thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt để phân hủy các tiền chất; quá trình diễn ra trong môi trường trơ [17] Sản phẩm sau quá trình nhiệt phân cần được làm sạch trước khi tiến hành các bước nghiên cứu tiếp theo

1.1.1.3 Ứng dụng vật liệu carbon quantum dots trong chế tạo cảm biến phát huỳnh quang

Cảm biến phát huỳnh quang dùng để phát hiện và đo lường các chất phân tích có trong môi trường dựa trên một số đặc tính của CQDs [9] Khi CQDs tương tác với môi trường, màu sắc hoặc cường độ của ánh sáng phát ra sẽ thay đổi và được ghi nhận bằng các công

cụ phân tích phổ [21] Hiện nay, có nhiều nghiên cứu về cảm biến phát huỳnh quang nhằm phát hiện các chất gây ô nhiễm trong nước như kim loại nặng hoặc hợp chất hữu

cơ độc hại [22] Lợi thế của loại cảm biến này là có độ nhạy rất cao và độ chọn lọc tốt [16] Cảm biến phát huỳnh quang dựa trên CQDs đầu tiên được nghiên cứu bởi Wang

và cộng sự [23] Để nâng cao khả năng chọn lọc và độ đặc hiệu của cảm biến khi phát hiện các ion kim loại nặng, các chất sinh học hay phân tử hợp chất hữu cơ, thì CQDs cần phải được chức năng hóa bề mặt [22] Nhiều công trình trong lĩnh vực này đã ghi nhận sự phát hiện nhiều ion kim loại như đồng [24], thủy ngân [25], coban [26], CQDs có khả năng hoạt động như nanozyme [27], với hoạt tính tương tự như peroxydase Vấn đề này đã được nghiên cứu và làm rõ bởi Shi và cộng sự [7] Họ chỉ ra

sự quan trọng của các nhóm chức trên bề mặt và cung cấp dữ liệu liên quan đến việc phát triển cảm biến sinh học phát hiện glucose

1.1.2 Tính chất của vật liệu nano phát quang

1.1.2.1 Hình thái và cấu trúc

CQDs được tạo thành từ hệ thống chứa carbon lai hóa sp2 được sắp xếp một cách phẳng [23] Thường ở phần cạnh có chứa các nhóm carbonyl, hydroxyl và vì thế mà chúng tan tốt trong nước [20] Các nhóm chức này cung cấp khả năng phản ứng ở nhiều môi trường hóa học Hơn nữa, các nhóm chức được nghiên cứu rộng rãi vì có liên quan đến hiệu suất quang lượng tử [23] Vật liệu CQDs có nhiều hình dạng khác nhau như hình tròn, hình bầu dục và đa giác [12] CQDs có kích thước nhỏ được phát hiện với các đặc tính nổi trội tại kích thước dưới 10 nm [18] Với sự đa dạng về kích thước ở quy mô nano, CQDs có thể phát huỳnh quang ở nhiều bước sóng kích thích và tương ứng với mỗi bước sóng kích thích sẽ phát xạ tại bước sóng khác nhau [28] Cấu trúc và kích thước của CQDs phụ thuộc phần lớn vào phương pháp tổng hợp và pH của môi trường [29] Để hiểu rõ về các tính chất của vật liệu carbon quantum dots thì việc sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại để xác định tính chất của vật liệu là rất quan trọng [18]

1.1.2.2 Đặc tính

Đặc trưng quang học

Khả năng hấp thụ quang học của CQDs đóng vai trò quan trọng trong xác định các tính chất quang học [30] Ngoài ra, tính chất phát quang của CQDs có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng phổ phát quang [9] Việc kết hợp tổng thể các đặc điểm quang học

của CQDs sẽ giúp thu được kết quả phân tích nhằm hiểu rõ hơn về loại vật liệu nano này [18]

Phổ Uv -Vis

CQDs thường có khả năng hấp thụ mạnh trong vùng tử ngoại [11] Phân tử trong dung dịch hấp thụ năng lượng sóng ánh sáng tại bước sóng kích thích, sau đó electron chuyển động lên các quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn [16] Có thể quan sát được đỉnh nổi bật trong khoảng 200 - 300 nm tương ứng với sự kích thích các electron 𝜋 – 𝜋∗ của liên C=C trong lõi carbon quantum dots và đỉnh khác nằm trong khoảng 300 - 390 nm [31]

Phổ Raman

Phương pháp phổ này cung cấp thông tin về cấu trúc hóa học, tương tác phân tử và tinh thể [23] Nó dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng có bước sóng nhìn thấy và các liên kết hóa học có trong mẫu, tín hiệu được tạo ra từ sự rung động của các nguyên tử trong cấu trúc [32] Đối với vật liệu GQDs, cường độ Raman cho biết các nhóm chức được gắn kết, sự tồn tại của các khuyết tật, số lượng lớp và hai dải D và G [33]

Hình 1.1 Phổ Raman của GQDs [34]

Từ hình 1.1, dải G nằm xung quanh 1581 cm-1 do sự rung động của các nguyên tử carbon trong mặt phẳng tinh thể [35] Trong trường hợp doping, việc xuất hiện nhiều khuyết tật hơn sẽ nâng cao tính chất cho GQDs; điều này được giám sát thông qua tỷ lệ ID/IG Dải

D nằm xung quanh 1350 cm-1 đại diện cho các khuyết tật, và các nhóm chức được xem xét trong khoảng cường độ của dải D [35] Dải D’ xung quanh 1620 cm-1 có tần số yếu hơn tạo ra từ các nguyên tử carbon trên cùng mặt phẳng như dải G [36] Dải 2D được

quan tâm vì nó cho biết số lượng lớp trong graphene; sự dịch chuyển của dải 2D là do

sự tăng lớp và điều này được thể hiện trong hình 1.2

Hình 1.2 Độ mạnh của các dải 2D thay đổi theo số lượng lớp của các mẫu vật liệu

thuộc nhóm vật liệu carbon

Photoluminescence

GQDs có kích thước nhỏ vì thế các đặc tính của chúng được khái niệm hóa dưới dạng hiệu ứng giam hãm lượng tử [37] Tuy nhiên, thực tế là các đặc tính này còn phụ thuộc vào tiền chất ban đầu và thành phần hóa học cuối cùng của GQDs Vì vậy, có thể nói rằng tính chất của GQDs phụ thuộc vào kích thước của chúng và các nhóm chức có trên

bề mặt [38]

GQDs có hiệu ứng hạn chế lượng tử do liên kết các miền p tại vị trí xung quanh cạnh của mạng tinh thể [38] Xem xét dãy phổ của GQDs có phạm vi màu trải dài từ xanh da trời đến xanh lá cây Photoluminescence cho thấy đường kính của GQDs không tỷ lệ thuận với mức năng lượng của nó, thể hiện trong hình 1.3

Hình 1.3 a) Ảnh TEM của GQDs; b) Độ mạnh của cường độ phát quang (PL

intensity) phụ thuộc vào kích thước của GQDs [39]

Đặc trưng kính hiển vi ( microscopy characterization)

Kỹ thuật này sử dụng photon, electron, ion hoặc các công cụ vật lý khác để phân tích và

mô tả bề mặt mẫu [33] Trong kỹ thuật này, thường dùng Transmission Electron Microscopy (TEM) và Atomic Force Microscopy (AFM) để nghiên cứu về CQDs [40]

Phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM)

Đây là cách tiếp cận ở phạm vi mức độ bề mặt của mẫu xuống đến hàng nguyên tử bằng hình ảnh Tia điện tử được tập trung vào mẫu để tạo ra hình ảnh phóng đại Hình ảnh này có độ phân giải cao, giúp xác định cấu trúc siêu nhỏ từ 0,1 đến 0,2 nm [41] TEM thường được sử dụng để quan sát và đánh giá cấu trúc tổng thể của vật liệu, cho thấy kích thước thực và hình dạng của các hạt, tinh thể và pha [41]

Phân tích quang phổ lực nguyên tử (Atomic force microscopy - AFM)

AFM sử dụng một mũi kim nhọn giống như một cần gạt tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt mẫu [42] Cần gạt này phản ứng với sự thay đổi của bề mặt, cung cấp kết quả mô tả về hình thái của bề mặt rắn Đối với CQDs, AFM được sử dụng để xác định đường kính trung bình của CQDs bằng cách đo khoảng cách giữa hai đầu mút của đường đi của đầu kim [43]

Đặc trưng trạng thái bề mặt (Surface state characterization)

Hai phương pháp thường được sử dụng để nghiên cứu bề mặt của CQDs là FTIR và XPS, dựa trên sự thay đổi cấu trúc dải điện tử trên bề mặt vật liệu [44]

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)

FTIR được sử dụng để xác nhận quá trình tổng hợp CQDs bằng cách phát hiện các nhóm chức có mặt trong mỗi cấu trúc Theo như hình 1.4 bên dưới, sự đa dạng về kích thước của GQDs có thể dẫn đến sự biến đổi về mức độ oxy hóa, hiển thị các nhóm chức với tần số hấp thụ đại diện cho các nhóm chức đó Một đỉnh mạnh xung quanh 3700 - 3000

cm-1 tương ứng với sự có mặt của nhóm OH [45], đỉnh xung quanh 1300 - 1000 cm-1được xem là sự tồn tại của C-O và C-O-C, các đỉnh xung quanh 2900 - 2800 cm-1 biểu thị cho sự xuất hiện của -CH2 và -CH [46]

Hình 1.4 Phổ FTIR của các GQDs và GO có chứa các nhóm carboxyl khác nhau [47]

Bảng 1.1 Các nhóm chức năng chính với tần số hấp thụ tương ứng của GQDs [47]

Phổ quang điện tử (X-ray photoelectron spectroscopy - XPS)

Đây là phương pháp dùng để xác định các nguyên tố trên bề mặt vật liệu dựa trên hiệu ứng quang điện [47] Độ sâu trung bình của XPS là khoảng 5 nm và độ phân giải 7 nm được thực hiện bằng cách sử dụng tia X tập trung quét qua bề mặt mẫu gây ra sự phát

xạ [48] Kết quả thu được tín hiệu năng lượng và cường độ của đỉnh photoelectron Từ hình 1.5 nhận thấy rằng, GQDs có cấu trúc carbon điển hình như C-C, C=C và C-O [49] Các nhóm chức oxy hóa còn cung cấp thêm thông tin về cường độ của các đỉnh GQDs

có hai đỉnh mạnh là C1s và O1s C1s được đo lường từ các phản ứng của carbon lai hóa

sp2 và sp3 tương ứng với C-C, C=C, C-O-H, C-O-C [49] Phân tích hàm lượng oxy trong GQDs được thực hiện bằng tỷ lệ C/O, mà tỷ lệ này thu được từ phổ XPS

Dao động uốn cong C−O−H 1409 cm-1

Dao động kéo dãn C−O 1208 cm-1

Dao động kéo dãn C−OH 1113 cm-1

Hình 1.5 a) Phổ XPS tại đỉnh C1s của GDQ1 và b) Phổ XPS tại đỉnh C1s của GDQ2

[49]

1.2 Cảm biến glucose

1.2.1 Cảm biến glucose

Hiện nay, có nhiều phương pháp chẩn đoán lượng đường huyết trong cơ thể con người

bao gồm hai hướng chính là xâm nhập và không xâm nhập [2] Xu hướng nghiên cứu

hiện nay đi theo con đường không xâm nhập bằng cách thực hiện chẩn đoán thông qua

các dịch sinh lý như nước tiểu và mồ hôi [6] Một số phương pháp chính dùng trong

chẩn đoán bệnh tiểu đường là phân tích điện hóa, phân tích nhiệt, phân tích quang học

và từ tính [6] Trên thị trường chẩn đoán y tế hiện nay hầu hết các thiết bị hoạt động dựa

vào phương pháp phân tích điện hóa trên nền enzyme hữu cơ[5], vì thế có rất nhiều nghiên cứu về sự oxy hóa glucose bằng các enzyme tạo ra dòng điện để định lượng

glucose [2], [6] Nhược điểm của phương pháp này là các thiết bị điện hóa hiện tại đòi hỏi tốn kém nhiều chi phí [2], các enzyme dễ bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định do nhiều yếu tố môi trường tác động làm cho enzyme kém bền [5]

1.2.2 Lịch sử phát triển

Năm 1908, phương pháp của Benedict được dùng để xác định glucose trong nước tiểu bằng cách oxy hóa glucose trong nước tiểu [50] Năm 1962, một báo cáo nghiên cứu về điện hóa đầu tiên được giới thiệu, cho thấy có thể xác định nồng độ của glucose bằng màng điện cực dựa trên glucose oxidase (GOX) [51] Phương pháp điện hóa này đã được chuyển giao công nghệ và trở thành một sản phẩm thương mại vào năm 1975 [51] Năm

1984, cảm biến sinh hóa amperometric được báo cáo là có nhiều tính tiện lợi hơn so với các loại cảm biến lúc bấy giờ và được tung ra thị trường vào năm 1987 [51] Cho đến

hiện nay, các phương pháp được nghiên cứu chủ yếu xoay quanh phản ứng giữa GOX với glucose [6]

Các phương pháp đo đường huyết thường được chia ra thành hai loại chính: xâm lấn và không xâm lấn Phương pháp xâm lấn chủ yếu được áp dụng tại các bệnh viện và phòng xét nghiệm, nơi yêu cầu độ chính xác cao [52] Thông thường phương pháp này liên quan đến việc lấy máu từ ngón tay của bệnh nhân để xét nghiệm Mặc dù có độ chính xác cao, nhưng phương pháp này gây đau và có nguy cơ lây nhiễm qua đường máu Ngược lại, phương pháp không xâm lấn được phát triển để khắc phục những bất tiện kể trên, đồng thời mở ra những ứng dụng mới nhờ tính dễ thực hiện [53] Phương pháp này

sử dụng các chất lỏng sinh học như nước tiểu, mồ hôi … để xác định hàm lượng glucose Nhờ vào phương pháp này mà nhiều nghiên cứu đã phát triển các thiết bị có thể mang theo để theo dõi sức khỏe một cách tiện lợi, giá thành hợp lý, độ chính xác cao [54]

1.3 Polymer in dấu phân tử

1.3.1 Giới thiệu

Trong môi trường sinh giới tự nhiên, để tồn tại và phát triển, luôn cần có một hệ thống

có khả năng nhận dạng các phân tử một cách chính xác [55] Trong các quá trình sinh học, việc nhận dạng phân tử là vô cùng quan trọng vì đây là quá trình đầu tiên trong một chuỗi các quá trình sinh hóa của tế bào [56] Các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu để tìm hiểu về quá trình này với mong muốn học hỏi tự nhiên để tạo ra những sản phẩm cũng như đề ra giải pháp hiệu quả và bền vững Mục đích là để ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật [14], cụ thể là để đáp ứng nhu cầu đời sống của con người ở nhiều phương diện như y tế, năng lượng, môi trường, giải trí [18], Thế là một lĩnh vực đặc biệt thú vị ra đời có tên là Polymer in dấu phân tử (molecularly imprinted polymer – MIP [57] Đây là loại vật liệu được tạo thành từ quá trình hình thành các vị trí nhận dạng cụ thể do sự liên kết hoặc xúc tác với phân tử khuôn mẫu (template) và trong đó các phân tử khuôn mẫu chỉ đạo vị trí và định hướng các thành phần cấu trúc của vật liệu [55] MIP là loại vật liệu có khả năng mô phỏng quá trình sinh học trong cơ thể sống [23], giống như phản ứng miễn dịch giữa kháng nguyên và kháng thể hay sự lai hóa của các chuỗi ADN [21]

Hình 1.6 Sơ đồ minh họa quy trình in dấu phân tử bao gồm các phương pháp khác nhau như: (I) không cộng hóa trị, (II) tĩnh điện/ion, (III) cộng hóa trị, (IV) bán cộng

hóa trị, và (V) phối hợp với trung tâm kim loại [58]

Hai tương tác phổ biến xuất hiện trong vật liệu in dấu phân tử đó là tương tác cộng hoá trị và tương tác không cộng hoá trị [59] Đối với tương tác cộng hóa trị, các phân tử khuôn mẫu và các monomer chức năng tương tác thông qua liên kết cộng hóa trị để tạo

ra các polymer in dấu phân tử tại các vị trí xác định chính xác hơn [60] Tuy nhiên, điều này sẽ gây khó khăn cho quá trình tạo khoang liên kết phía sau vì liên kết cộng hóa trị bền Vì thế quy trình rửa mẫu cũng phức tạp hơn với các điều kiện kèm theo như pH và nhiệt độ của môi trường

Nhiều nghiên cứu hướng đến các tương tác liên kết kém bền hơn như liên kết hydro, tương tác ion, lưỡng cực-lưỡng cực và lực Van der Waals [61] Những liên kết này được hình thành giữa các monomer chức năng và phân tử khuôn mẫu

In dấu phân tử bán cộng hóa trị là quy trình polymer hóa in dấu phân tử có tương tác cộng hóa trị diễn ra giữa phân tử khuôn mẫu và monomer trong suốt quá trình polyme hóa [61] Sau đó vật liệu được rửa để loại bỏ phân tử khuôn mẫu nhằm tạo nên các khoang liên kết Nhưng khi tiến hành tái hấp phụ, phân tử khuôn mẫu lại tương tác không cộng hóa trị với khoang liên kết [61]

1.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu polymer in dấu phân tử

Tổng hợp vật liệu polymer in dấu phân tử tương đối phức tạp vì cần phải chọn lựa phân

tử khuôn mẫu, monomer chức năng, chất tạo liên kết và dung môi phù hợp để tạo ra vật liệu in dấu phân tử lý tưởng [62] Có hai cơ chế chính là polymer hóa gốc tự do và quá trình sol-gel [63]

Phương pháp trùng hợp gốc tự do: Phản ứng trùng hợp gốc tự do (Free Radical Polymerization - FRP) là một kỹ thuật thường được sử dụng trong việc tổng hợp polymer

in dấu phân tử [64] Cơ chế cơ bản của FRP bao gồm khơi mào, phát triển mạch và ngắt mạch Tại thời điểm bắt đầu polymer hóa, chất khơi mào sẽ bị phân hủy bởi nhiệt, tia cực tím hoặc UV để tạo thành gốc tự do R• Gốc tự do này sẽ tấn công vào liên kết đôi của monomer R=R và tạo thành monomer trung gian RM• Tiếp theo, trong bước phát triển mạch, các mạch phát triển do có thêm các phân tử monomer vào gốc mô đang phát triển R-Mn• Cuối cùng, ở giai đoạn ngắt mạch, liên kết đôi C=C và C−H được hình thành ở hai đầu của chuỗi polymer, điều này có thể xảy ra theo hai cơ chế: sự tái hợp của hai phân tử mang gốc tự do và ngắt mạch đơn phân tử (hiệu ứng gel) [64] Vật liệu thu được trải qua quá trình nghiền mịn trước khi được sử dụng vì thế làm hư hỏng các khoang liên kết, làm giảm tính năng của vật liệu

Phương pháp sol-gel: Kỹ thuật sol-gel là một phương pháp thuận tiện, linh hoạt và sản phẩm thu được có độ ổn định cao Phần lớn các kỹ thuật sol - gel sử dụng nước và alkoxides có chứa các nhóm chức năng mong muốn làm tiền chất [65]

Các phản ứng hóa học của quá trình sol - gel có thể được mô tả bằng phương trình (1.1)

và (1.2) [65]

Hydrolysis:

M(OR)n + nH2O → M(OH)n + nR(OH) (1.1)

Polycondensation:

pM(OH)n → pMOn/2 + (pn/2)H2O (1.2)

Phương pháp sol - gel cần được xúc tác để thúc đẩy quá trình Phản ứng thủy phân có thể được xúc tác bằng acid, trong khi phản ứng ngưng tụ có thể được thúc đẩy bằng xúc tác bazơ Các thông số phản ứng sol - gel, chẳng hạn như bản chất của chất xúc tác, độ nhớt, tốc độ thủy phân, chất hoạt động bề mặt được sử dụng và tốc độ sấy khô, sẽ quyết định đến cấu trúc của sản phẩm cuối cùng [62]

Hình 1.7 đồ minh họa quá trình in dấu phân tử bằng phương pháp sol – gel; trong đó

R là ký hiệu cho gốc R-alkyl; M là ký hiệu cho các phần tử hình thành mạng như Si,

Ti, Zr, Al [66],…

1.3.3 Chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử

1.3.3.1 Phân tử khuôn mẫu

Phân tử khuôn mẫu có vai trò sắp xếp các nhóm chức của monomer trong cấu trúc vật liệu Phân tử này đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các vị trí nhận diện cụ thể trong cấu trúc của polymer Việc chọn lựa phân tử khuôn mẫu tùy thuộc vào mục đích sử dụng của MIP Phân tử khuôn mẫu cần phải có khả năng tạo ra các tương tác mạnh và ổn định với các monomer chức năng trong quá trình tổng hợp [62]

1.3.3.2 Monomer và chất liên kết ngang

Monomer chức năng có các nhóm chức năng có khả năng tương tác với phân tử khuôn mẫu để tạo thành một phức hợp tiền polymer hóa chuẩn bị cho quá trình polymer hóa Monomer được lựa chọn trong nghiên cứu là 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) Ngoài ra, APTES đóng vai trò là chất khơi mào cho phản ứng polymer hóa [65]

Hình 1.8 Cấu trúc của các monomer chức năng phổ biến được sử dụng [65] Chất liên kết ngang đóng vai trò là tác nhân kiểm soát hình thái, ổn định cấu trúc của khuôn polymer Tương tác giữa monomer và phân tử khuôn mẫu cần phải đủ mạnh trong quá trình in dấu cũng như quá trình tái hấp phụ phân tử mục tiêu Nếu vật liệu in dấu phân tử có ái lực cao, điều này sẽ tỷ lệ thuận với tính đặc hiệu trong môi trường sinh học Chất liên kết ngang được sử dụng trong nghiên cứu là tetraethyl orthosilicate (TEOS) TEOS thể hiện tính tương thích cao với monomer chức năng APTES bằng tương tác Si-O [65]

Hình 1.9 Cấu trúc của các chất liên kết ngang (cross-linkers) [61]

1.3.3.3 Dung môi

Dung môi dùng trong quá trình sol-gel, ảnh hưởng đến tương tác giữa phân tử khuôn mẫu và monomer, vì vậy nó đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình in dấu phân tử[65] Dung môi cần phải hòa tan các tác chất ban đầu và tạo môi trường hữu hiệu cho tác chất hoạt động

Việc chọn lựa dung môi cho quá trình tổng hợp polymer in dấu phân tử phải đáp ứng được yêu cầu của quy trình tổng hợp, cũng như việc tìm hiểu bản chất dung môi trước khi sử dụng là vô cùng cần thiết Dung môi ít phân cực hơn sẽ thúc đẩy sự hình thành phức hợp giữa phân tử mục tiêu và monomer, trong khi dung môi phân cực hơn sẽ cản

trở tương tác giữa phân tử khuôn mẫu với monomer Dung môi hữu cơ thường sử dụng trong MIP nhằm để tăng liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giữa phân tử khuôn mẫu

và monomer [67]

1.3.3.4 Quá trình rửa giải phân tử khuôn mẫu

Tùy thuộc vào đặc điểm liên kết giữa monomer và phân tử khuôn mẫu để lựa chọn phương pháp rửa phù hợp Quá trình rửa giải phân tử khuôn mẫu có thể được thực hiện bằng một số phương pháp như: ngâm với dung môi, phương pháp Soxhlet, rửa giải bằng dung môi siêu tới hạn, hoặc rửa giải bằng dung môi với sự hỗ trợ của sóng siêu âm hoặc

vi sóng [68]

Không có một phương pháp rửa nào có thể đảm bảo loại bỏ hoàn toàn được phân tử mục tiêu Điều này được lý giải do khả năng tiếp cận kém của dung môi rửa với phân tử khuôn mẫu, hoặc có thể là do thời gian rửa chưa đủ [69]

Tuy nhiên, cần phải kiểm soát các yếu tố như độ pH, nhiệt độ và thời gian rửa Vì chúng

có thể làm hỏng các khoang liên kết MIP Khoang liên kết sẽ là nơi mà các phân tử mục tiêu bám vào trong quá trình hấp phụ vì vậy độ ổn định của khoang cần được đảm bảo sau các lần rửa và tái hấp phụ [70], [71]

1.3.4 Ứng dụng vật liệu polymer in dấu phân tử

Vật liệu polymer in dấu phân tử có khả năng phân tích nhanh chóng và tiết kiệm chi phí,

vì thế các polymer in dấu phân tử được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hóa học

và sinh học [72] Đặc biệt, chúng được sử dụng làm vật liệu có ái lực cao với các chất phân tích trong cảm biến phát hiện một số chất độc, kháng sinh, và thuốc bảo vệ thực vật [73] Gần đầy, vật liệu MIP được ứng dụng theo một hướng mới trong y tế, đóng vai trò như thụ thể nhân tạo mô phỏng thụ thể sinh học có tính tương thích sinh học Chúng

có thể được sử dụng làm vật liệu mang thuốc, giúp kiểm soát sự giải phóng thuốc và phát triển thành thiết bị theo dõi thuốc [74]

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình trong nước

Hiện nay, trong và ngoài nước có nhiều nghiên cứu đi theo hướng chế tạo cảm biến định lượng glucose dựa trên phản ứng xúc tác peroxidase và đổi màu TMB [7]

Trong nước có nhóm nghiên cứu của Nghĩa và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano bạc dùng là cảm biến định lượng glucose dựa trên phản ứng xúc tác peroxidase

và đổi màu TMB [75] Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được cảm biến có độ chọn lọc cao, cường độ màu tăng rõ rệt khi dung dịch có mặt glucose nhờ vào enzyme GOX

1.4.2 Tình hình ngoài nước

Đối với tình hình ngoài nước, Shi và các cộng sự chế tạo các chấm nano carbon có hoạt tính giống peroxidase và có thể oxy hóa xúc tác TMB bằng H2O2 để tạo ra phản ứng màu [7] Phương pháp này cung cấp giải pháp đo màu đơn giản, có độ nhạy và chọn lọc

để xác định được glucose trong huyết thanh và đâu là chỉ số quan trọng để chẩn đoán bệnh đái tháo đường trong y học lâm sàng Samarin và các cộng sự đã báo cáo về các chấm lượng tử graphene nhúng polymer in dấu phân tử silica (SMIP nhúng GQD) đã được tổng hợp và sử dụng làm cảm biến huỳnh quang chọn lọc để phát hiện metronidazole SMIP được phủ GQD phát xạ huỳnh quang mạnh ở bước sóng 450 nm khi bị kích thích ở bước sóng 365 nm Hiện tượng dập tắt huỳnh quang xuất hiện khi có

sự hiện diện của metronidazole Phạm vi tuyến tính từ 0.2 µM tới 15 µM, giới hạn phát hiện để xác định metronidazole là 0.15 µM Một nhóm nghiên khác đã phát triển cảm biến polymer in dấu phân tử chấm lượng tử để phát hiện huỳnh quang atrazine được dẫn đầu bởi A Nsibande [73] Họ sử dụng chấm lượng tử (QDs) có đặc tính quang học độc đáo và kết hợp cùng với các phân tử polymer in dấu phân tử atrazine, kết hợp lại để tạo

ra cảm biến CdSeTe/ZnS@MIP Cảm biến khi tương tác với atrazine thì cho ra kết quả cường độ huỳnh quang giảm tuyến tính trong phạm vi từ 0.2 µM tới 20 µM Giới hạn phát hiện gần tương đương với mức báo động môi trường được báo cáo là 0.08 µM Bên cạnh đó, cảm biến còn được nghiên cứu trong các mẫu nước thực và kết quả thu được đầy triển vọng để sử dụng trong giám sát nước