Tổng hợp vật liệu nano bạc chấm lượng tử graphen (AgNPs GQDs) và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Thị Ngọc Lan TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA VÔ CƠ Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Thị Ngọc Lan TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/ CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/GQDs) VÀ ỨNG DỤNG Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Hƣớng dẫn 1: TS Trần Vĩnh Hoàng Hƣớng dẫn 2: GS.TS Trần Đại Lâm Hà Nội - 2019 Lời cam đoan Tơi xin cam đoan viết luận văn tìm tòi, học hỏi thân hƣớng dẫn tận tình thầy TS Trần Vĩnh Hoàng GS.TS Trần Đại Lâm Mọi kết nghiên cứu nhƣ ý tƣởng tác giả khác, có đƣợc trích dẫn cụ thể Đề tài luận văn chƣa đƣợc bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chƣa đƣợc công bố phƣơng tiện Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, ngày 11 tháng năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Ngọc Lan Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc, tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn tơi TS Trần Vĩnh Hồng GS.TS Trần Đại Lâm Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ mơn Hóa Vơ Đại cƣơng, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện cho làm thực nghiệm, đo mẫu thời gian qua Trong q trình nghiên cứu, tơi nhận đƣợc động viên, giúp đỡ các thầy cô- Viện Hàn lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, bạn bè ủng hộ cho lời khun bổ ích Cuối cùng, tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp ngƣời thân ln sát cánh bên tơi để tơi hồn thiện khóa học Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu T GQDs G AgNPs S TEM T M SEM S EDX E sp PL P XRD X FT-IR F sp DLS D UV-Vis U WHO W IUPAC In A ChOx C HRP H Danh mục bảng Bảng So sánh cảm biến cholesterol sở phương pháp so màu Error! Bookmark not defined Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo cảm biến sinh học[2] Hình Các kiểu đầu thu sinh học phổ biến cảm biến sinh học Hình 1.3 Phân loại cảm biến sở phận chuyển đổi (transducer)[34] Hình 1.4 Cảm biến so màu phổ dụng: (a) giấy đo độ pH; (b) Hộp que thử 10 thông số nước tiểu (c) màu sắc ứng với nồng độ 10 thông số que thử nước tiểu; (d) giấy thử hàn the thực phẩm; (e) kit xác định hàm lượng methanol rượu (f) que thử thai .10 Hình 1.5 (a) Cấu trúc enyzme Cholesterol Oxidase; (b) Sơ đồ cấu trúc cholesterol (c) cấu trúc cholest-4-en-3-one 14 Hình 1.6 Mơ hình mô tả tác hịa làm tắc mạch máu, xơ vữa động mạch cholesterol .15 Hình 1.7 Sơ đồ phản ứng enzyme dùng để xét nghiệm cholesterol theo phương pháp so màu .17 Hình 1.8 (A) Bộ dụng cụ đo nồng độ cholesterol máu: (1) hộp đựng que thử; (2) than máy đo; (3) kim chích máu; (4) que đo (5) bút chích máu (B) Cấu trúc que thử .17 Hình 1.9 Cảm biến màu cholesterol sử dụng hạt nano vàng (lõi)/bạc (vỏ) thay enzyme POD [43] 19 Hình 1.10 Nguyên lý phát cholesterol phương pháp so màu sử dụng hạt graphen nano (GQDs) thay enzyme HRP[54] 20 Hình 1.12 Hai nguyên lý tổng hợp GQDs 22 Hình 13 (a) Dung dịch nano bạc (nano Ag); (b) Phổ UV-Vis dung dịch nano Ag (c) ảnh TEM hạt nano Ag chế tạo luận văn 23 Hình 2.1 Sơ đồ chùm tia tới chùm tia nhiễu xạ tinh thể 30 Hình 2.2 Độ tù pic phản xạ gây kích thước hạt 31 Hình 2.3 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X .31 Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua đại 32 Hình 2.5 Máy đo phổ hồng ngoại (FTIR) 33 Hình 2.6 Bước chuyển electron phân tử 34 Hình 2.7 Hệ đo UV–Vis Agilent 8453 35 Hình 3.1 Sơ đồ mơ tả hình thành hạt GQDs dots theo phương pháp từ lên (bottom-up) 37 Hình 2.(A) Phổ UV-Vis GQDs (B) phổ FL GQDs với bước sóng kích thích khác nhau; (D) Ảnh TEM of GQDs;(E) Màu sắc dung dịch GQDs mẫu nước ánh sáng thường (trái) tia UV (phải) 38 Hình 3.3 Sơ đồ mô tả tạo thành vật liệu AgNPs/GQDs 39 Hình 3.4 (A) Phổ UV-Vis (a) GQDs, (b) AgNPs/GQDs; (B) Phổ XRD (a) GQDs (b) AgNPs/GQDs 40 Hình (a,b) Ảnh TEM AgNPs/GQDs; (c) ảnh SEM sản phẩm AgNPs/GQDs;(d) Phân bố kích thước hạt phân tích theo phương pháp tán xạ laser (DLS) mẫu AgNPs/GQDs) .41 Hình 3.6 (A) Phổ FT-IR của: (a) chấm lượng tử graphen (GQDs) (b) AgNPs/GQDs (B) Phổ tán xạ lượng (EDX) 43 Hình (A) phổ hấp thụ UV-vis AgNPs/GQDs (a) trước (b) sau thêm 100 μM dung dịch H2O2; (B) Biến đổi A/A (%) theo thời gian 44 Hình Phổ UV-vis dung dịch AgNPs/CQDs trước (đường i) sau phản ứng với 100 µM H2O2 pH khác nhau: (a) pH =3; (b) pH = 4; (c) pH = 7; (d) pH = 9; (e) pH = 11; (f) Biến đổi tín hiệu A/A0 (%)và biến đổi tín hiệu max cảm biến có mặt 100 µM H2O2 pH khác 46 Hình 3.9 Ảnh hưởng nhiệt độ lên khả hiệu làm việc cảm biến phát H2O2 Nồng độ H2O2 sử dụng 20, 40, 60, 80 100 µM pH =7 47 Hình 3.10.Cơ chế phản ứng cảm biến phát H2O2 48 Hình 3.11 Ảnh TEM dung dịch AgNPs/GQDs (a,b) khơng có mặt H2O2 (c,d) có mặt H2O2 với nồng độ 0,8 mM 49 Hình 3.12 (A) Phổ UV-Vis cảm biến H2O2 với nồng đô H2O2 khác từ 0, 0.5; 1; 5; 10; 20; 30; 40; 50 100 μM H2O2;(B) Đường chuẩn cảm biến để xác định nồng độ H2O2 (hình chèn: màu sắc cảm biến tương ứng với nồng độ H2O2) 50 Hình 3.13 (A) Phổ UV-Vis cảm biến H2O2 với nồng đô H2O2 khác từ 0, 0.5; 1; 5; 10; 20; 30; 40; 50 100 μM H2O2;(B) Đường chuẩn cảm biến để xác định nồng độ H2O2 (hình chèn: màu sắc cảm biến tương ứng với nồng độ H2O2) 51 Hình 3.14 Phổ UV-Vis dung dịch cảm biến có mặt: (1) mẫu trắng; (2) có 0,5 mM glucose; (3) mM glucose; (4) 0,5 mM axit ascorbic; (5) 1mM axit ascorbic; (6) mM galactose; (7) 0,02 mM H2O2 52 Hình 3.15 Thành phần kit xét nghiệm H2O2 53 Hình 3.16 Bảng màu chuẩn để đọc kết nồng độ H2O2 mẫu 53 Hình 3.17 Cơ chế hoạt động cảm biến Cholesterol sở AgNPs/CQDs 54 Hình 3.18 Độ chọn lọc cảm biến cholesterol: A) Phổ UV-Vis cảm biến với có mặt sacarit khác nồng độ mM (B) Độ thay đổi tín hiệu cường độ pic A/A0 of ứng với sacarit hình A Hình chèn: màu sắc dung dịch cảm biến tương ứng 55 Hình 3.19.(A) Phổ UV-vis cảm biến với nồng độ cholesterol khác (hình chèn: màu sắc dung dịch cảm biến tương tứng); (B) Đường chuẩn xác định nồng độ cholesterol cảm biến 56 Hình 3.20 Ảnh TEM mẫu AgNPs/GQDs sau phản ứng với hỗn hợp ChOx mM cholesterol thang đo (a) 100nm (b) thang đo 20 nm 58 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC, CẤU TRÚC, CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1.Định nghĩa cảm biến sinh học 1.1.2 Cấu trúc thành phần cảm biến sinh học 1.1.2.1 Đầu thu sinh học (capture probe) 1.1.2.2 Bộ phận chuyển đổi 1.1.3 Cảm biến so màu 1.1.4 Các đặc trƣng cảm biến sinh học 11 1.1.4.1 Độ nhạy 11 1.1.4.2 Độ chọn lọc (độ đặc hiệu) 12 1.1.4.3 Giới hạn phát (LOD) 12 1.2 ENZYME VÀ CẢM BIẾN ENZYME CHOLESTEROL 13 1.2.1 Enzyme 13 1.2.2 Cấu trúc phân tử đặc tính xúc tác ƣu việt enzyme 13 1.2.5 Enzyme Cholesterol oxidase 13 1.3 CHOLESTEROL VÀ BỆNH RỐI LOẠN MỠ MÁU 15 1.3.1 Cholesterol bệnh rối loạn mỡ máu 15 1.3.2 Các phƣơng pháp xét nghiệm nồng độ cholesterol 16 1.3.2.1 Phƣơng pháp so màu sở sử dụng enzyme đặc chủng nhƣ cholesterol oxidase (ChOx) 16 67 peroxidase-like activity of C60-carboxyfullerenes Biosensors and Bioelectronics, 2013 47: 502-507 51 Z Xing, J Tian, A M Asiri, A H Qusti, A O Al-Youbi, and X Sun, Two-dimensional hybrid mesoporous Fe2O3-graphene nanostructures: A highly active and reusable peroxidase mimetic toward rapid, highly sensitive optical detection of glucose Biosensors and Bioelectronics, 2014: 452-457 52 L Wang, J Zheng, Y Li, S Yang, C Liu, Y Xiao, J Li, Z Cao, and R Yang, AgNP-DNA@GQDs Hybrid: New Approach for Sensitive Detection of H2O2 and Glucose via Simultaneous AgNP Etching and DNA Cleavage Analytical Chemistry, 2014 86(24): 12348-12354 53 S Ge, W Liu, H Liu, F Liu, J Yu, M Yan, and J Huang, Colorimetric detection of the flux of hydrogen peroxide released from living cells based on the high peroxidase-like catalytic performance of porous PtPd nanorods Biosensors and Bioelectronics, 2015 71: 456-462 54 N R Nirana, S Abraham, V Kuman, A Bansal, A Srivastava, and P S Saxena, Colorimetric detection of cholesterol based on highly efficient peroxidase mimetic activity of graphene quantum dots Sensors and Actuators B: Chemical, 2015 218: Pages 42-50 55 X Xu, R Ray, Y Gu, H J Ploehn, L Gearheart, K Raker, and W A Scrivens, Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent SingleWalled Carbon Nanotube Fragments Journal of the American Chemical Society 2004 126(40): 12736-12737 56 A P Demchenko and M O Dekaliuk, Novel fluorescent carbonic nanomaterials for sensing and imaging Methods and Applications in Fluorescence, 2013 1: 042001 (17pp) 57 Y Wang and A Hu, Carbon quantum dots: synthesis, properties and applications, Journal of Materials Chemistry C, 2014 2: 6921-6939 58 Hoang V Tran, Chinh D Huynh, Hanh V Tran, and B Piro, Cyclic voltammetry, square wave voltammetry, electrochemical impedance 68 spectroscopy and colorimetric method for hydrogen peroxide detection based on chitosan/silver nanocomposite Arabian Journal of Chemistry, 2018 11: 453–459 59 N D Nguyen, T V Nguyen, A D Chu, H V Tran, L T Tran, and C D Huynh, A Label-free Colorimetric Sensor Based on Silver Nanoparticles Directed to Hydrogen Peroxide and Glucose Arabian Journal of Chemistry, 2018 11(7): 1134-1143 60 C Zong, B Li, J Wang, X Liu, W Zhao, Q Zhang, X Nie, and Y Yu, Visual and colorimetric determination of H2O2 and glucose based on citrate-promoted H2O2 sculpturing of silver nanoparticles Microchimica Acta, 2018 185: Article 199 61 M J Krysmann, A Kelarakis, P Dallas, and E.P Giannelis, Formation Mechanism of Carbogenic Nanoparticles with Dual Photoluminescence Emission J Am Chem Soc., 2011 134: 747 62 H Tetsuka, R Asahi, A Nagoya, K Okamoto, I Tajima, R Ohta, and A Okamoto, Optically Tunable Amino-Functionalized Graphene Quantum Dots Advanced Materials, 2012 24: 5333-5338 63 R Mamatha, K Shadab, S Pooja, S Shruti, K Shuchishweta, P Asmita, D Animesh, and C.P Bhushan, Rapid synthesis of highly monodispersed silver nanoparticles from the leaves of Salvadora persica Materials Letters, 2017 205: 226-229 64 T Li, K Zhu, S He, X Xia, s Liu, Z Wang, and X Jiang, Sensitive detection of glucose based on gold nanoparticles assisted silver mirror reaction Analyst, 2011 136: 2893-2896 65 N R Nirala, P S Saxena, and A Srivastava, Colorimetric detection of cholesterol based on enzyme modified gold nanoparticles Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2018 190: 506-512 69 66 T Lin, L Zhong, H Chen, Z Li, Z Song, L Guo, and F Fu, A sensitive colorimetric assay for cholesterol based on the peroxidase-like activity of MoS2 nanosheets Microchimica Acta, 2017 184: 1233-1237 67 A Hayat, W Haider, Y Raza, and J L Marty, Colorimetric cholesterol sensor based on peroxidase like activity of zinc oxide nanoparticles incorporated carbon nanotubes Talanta, 2015 143: 157161 68 S Brahim, D Narinesingh, and A Griseppi-Elie, Amperometric determination of cholesterol in serum using a biosensor of cholesterol oxidase contained within a polypyrrole–hydrogel membrane Analytica Chimica Acta, 2001 448(1-2): Pages 27-36 69 S Xu, Y Wang, D Zhou, M Kuang, D Fang, W Yang, S Wei, and L Ma, A novel chemiluminescence sensor for sensitive detection of cholesterol based on the peroxidase-like activity of copper nanoclusters Scientific Reports, 2016 6: Article number: 39157 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM Tạp chí Hóa học, T 56, số 6E2 - 2018 MỤC LỤC TABLE OF CONTENTS Tổng hợp hoạt tính xúc tác quang composit SnS2/g-C3N4 Preparation and photocatalytic activity of SnS2/g-C3N4 composite Nguyễn Văn Kim, Nguyễn Thị Việt Nga, Nguyễn Thị Thanh Hương, Võ Viễn Nghiên cứu tổng hợp tính chất hệ vật liệu nanocompozit xCoFe 2O4/(1-x)TiO2-5%La, ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy chất màu hữu vùng ánh sáng nhìn thấy Synthesis and properties of the nanocomposite xCoFe2O4/(1-x)TiO2-5%La, applied as a photocatalyst for organic dyes degradation under visible irradiation Đặng Thị Minh Huệ, Nguyễn Thị Tuyết Mai, Trần Văn Châu, Trần Thị Thu Huyền, Nguyễn Thị Lan, Trần Thị Luyến, Trần Vĩnh Hồng, Huỳnh Đăng Chính Nghiên cứu hoạt tính xúc tác MnO2 pha tạp Cu phân tán chất mang bentonit phản ứng oxi hóa m-xylen Study on the catalytic performance of Cu-doped MnO dispersed on bentonite support in the oxidation of m-xylene Nguyễn Thị Mơ, Lê Minh Cầm Nghiên cứu khả oxy hóa toluen hệ xúc tác CoxCuyOz loại chất mang khác Study on toluene oxidation over CoxCuyOz on different supports Ngô Quốc Khánh, Vũ Đức Thảo, Pham Thanh Trung, Lê Minh Thắng Nghiên cứu hệ xúc tác Cu-Zn-Al cho trình hyđro hóa CO thành hỗn hợp ancol C 1-C3 Investigation of Cu-Zn-Al catalysts for carbon monoxide hydrogenation to mixed alcohol C1-C3 Nguyễn Thị Thu Hà, Nguyễn Thị Mơ, Lê Văn Khu, Lê Minh Cầm Ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ pha tạp Mn4+ lên tính chất quang vật liệu ZnAl2O4 chế tạo phương pháp đồng kết tủa 32 Effects of annealing temperature and doping concentration on the optical properties of ZnAl2O4:Mn4+ synthesized by Co-precipitation method Nguyễn Ngọc Sâm, Hà Thu Hường, Nguyễn Tư, Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Duy Hùng, Phạm Thành Huy, Đỗ Quang Trung Nghiên cứu cấu trúc phức chất đa nhân phối tử N’,N’,N’’’,N’’’-tetraetyl-N,N’’pyriđin-2,6-đicacbonylbis(thioure) với hỗn hợp ion kim loại Zn(II) Ba(II) nhiễu xạ tia X đơn tinh thể 36 X-Ray structural characterization of mixed metal complex of Zn(II) and Ba(II) and N',N',N''',N'''-tetraethyl-N,N''-pyridine-2,6-dicarbonylbis(thiourea) ligand Lê Cảnh Định, Nguyễn Hùng Huy Chế tạo vật liệu nano ZnO phương pháp điện hóa kết hợp plasma lạnh ứng dụng hấp 40 25 Vật liệu khung kim ứng dụng tổng hợp hạt nano phát quang chuyển đổi ngược Y2O3:Er3+,Yb3+ Applications of Metal Organic Framework for synthesis of Y2O3:Er3+,Yb3+ upconversion nanoparticles Lâm Thị Kiều Giang, Đinh Mạnh Tiến, Nguyễn Vũ, Lê Quốc Minh 26 Chế tạo tính chất vật liệu nano phát quang GdPO 4:Dy phản ứng nổ Preparation and characterization of GdPO4:Dy nanophosphors synthesized by combustion method Phạm Đức Roãn, Nguyễn Thị Huế, Thái Thị Diệu Hiền, Ngô Khắc Không Minh, Lâm Thị Kiều Giang, Nghiêm Thị Hà Liên, Phạm Anh Sơn, Nguyễn Vũ 27 Tổng hợp vật liệu xúc tác quang CdMoO4/GO/C3N4 Phương pháp gián tiếp Synthesis of CdMoO4/GO/C3N4 photocatalytic material by indirect method Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Minh Quốc, Võ Thị Thanh Châu, Hoàng Văn Đức 28 Nghiên cứu chế tạo cấu trúc màng mỏng ZnO pha tạp Sn tổng hợp từ pha ướt Study on fabrication and structure of Sn-doped ZnO thin films synthesized from wet phase Vũ Viết Doanh, Lê Hải Đăng, Trần Thị Phương, Trịnh Quang Thông 29 Nghiên cứu hàm lượng tối ưu cấp phối tro trấu (RHA) sản xuất xi măng Portland (PC) xi măng Portland hỗn hợp (PCB) Study on optimal content of rice husk ash (RHA) in the production of blended portland cement (PCB) Tạ Ngọc Dũng, Huỳnh Đăng Chính, Trịnh Xn Lan, Nguyễn Văn hồn, Phạm Thanh Mai, Nguyễn Thị Tuyết Mai 30 c tính hấp phụ xanh metylen photphat nước vật liệu Fe/CTAB-Bentonite Sorption behavior of methylene blue and phosphate to Fe/CTAB-Bentonite from water Bùi Văn Thắng, Lê Tấn Tài, Trần Thị Xuân Mai 31 Tổng hợp, đ c điểm hoạt tính xúc tác quang vật liệu nano Bi2(Zr-Ti)2O7 Synthesis, characterization and photocatalytic activity of nano-crystalline Bi 2(Zr-Ti)2O7 Nguyễn Văn Hải, Đoàn Thị Hải 32 Tổng hợp hạt nano bạc theo phương pháp xanh ứng dụng làm đầu dò đa chức chế tạo cảm biến cholesterol theo phương pháp so màu A green method for synthesis of silver nanoparticles and its application as multifunctional probe for fabrication of colorimetric cholesterol biosensor Nguyễn Thị Ngọc Lan, Nguyễn Khắc Tuấn, Phạm Tuấn Khiêm, Nguyễn Đức Nguyên, Trần Vĩnh Hoàng, Huỳnh Đăng Chính, Trần Đại Lâm 33 Vật liệu Fe3O4/cacbon cấu trúc lõi vỏ có hoạt tính xúc tác tương tự peroxidase ứng dụng để chế tạo cảm biến phát H2O2 phương pháp so màu Peroxidase-like of Fe3O4/carbon core-shell nanoparticles and its application to fabricate of colorimetric sensor for H2O2 detection Lưu Thị Đức Phương, Trần Vĩnh Hoàng 34 Tổng hợp nghiên cứu cấu trúc phức chất Ni(II), Cu(II) Zn(II) với phối tử benzadehit 4-pyrrolidinyl thiosemicacbazon TẠP CHÍ HĨA HỌC 56(6E2) 164-169 THÁNG 12 NĂM 2018 Tổng hợp hạt nano bạc theo phương pháp xanh ứng dụng làm đầu dò đa chức chế tạo cảm biến cholesterol theo phương pháp so màu Nguyễn Thị Ngọc Lan1, Nguyễn Khắc Tuấn2, Phạm Tuấn Khiêm2, Nguyễn Đức Ngun1, Trần Vĩnh Hồng1*, Huỳnh Đăng Chính1, Trần Đại Lâm3 Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, Hai Bà Trưng, Hà Nội 2Trường THPT Thăng Long, Hai Bà Trưng, Hà Nội 3Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Đến Tòa soạn 23-8-2018; Chấp nhận đăng 30-10-2018 Abstract In this work, we report a “green method” for preparation of silver nanoparticles (AgNPs) using graphene quantum dots (GQDs) as reducing reagent and stabilizer (AgNPs/GQDs) Synthesized AgNPs/GQDs product was analysed using Ultraviolet–visible spectroscopy (UV-Vis), X-ray diffraction (XRD) and Scanning/Transmission electron microscopy (SEM/TEM) techiniques Based on the redox reaction of silver (Ag 0) in AgNPs/GQDs with H2O2, we found that a yellow solution of AgNPs/GQDs containing zero-silver (Ag 0) was oxidized to silver ion (Ag +) as colorless solution Therefore, a colorimetric sensor for H2O2 has been fabricated basing on the use of AgNPs/GQDs as capture probe and signal probe Combining with cholesterol oxidase (ChOx), we have also constructed a cholesterol biosensor The fabricated sensors performed excellent sensitivity and selectivity with high reproducibility for H 2O2 and cholesterol detection Keywords Graphene quantum dots (GQDs), silver nanoparticles (AgNPs), “green method”, cholesterol sensor, colorimetric detection, hydrogen peroxide (H2O2) MỞ ĐẦU Cholesterol, phân tử steroid, thành phần quan trọng màng tế bào động vật tiền chất chất sinh học tế bào Do tính thiết yếu động vật, tất tế bào tổng hợp cholesterol từ phân tử đơn giản Mặc dù đóng vai trò quan trọng sinh vật, tích tụ nồng độ cholesterol cao lại liên quan chặt chẽ với bệnh tim mạch; với người khỏe mạnh nồng độ cholesterol huyết 200 mg/dL (5,2 mM) Vì vậy, xác định nồng độ cholesterol xét nghiệm quan trọng lĩnh vực chẩn đốn lâm sàng kiểm sốt an tồn thực phẩm nên phương pháp phân tích yêu cầu phải nhạy có độ chọn lọc cao [1-4] Một loạt phương pháp phát triển để xét nghiệm cholesterol huỳnh quang, điện hóa, tán xạ Raman bề mặt (SERS), phát quang hóa học, so màu phát huỳnh quang.[1,5] Các hạt nano kim loại quý, đặc biệt hạt nano bạc (AgNP), thu hút ý đáng kể đặc tính quang học độc đáo đặc trưng phổ plasmon bề mặt Phổ bị thay đổi có tác nhân cơng tồn làm biến dạng hình học hạt AgNPs mắt thường quan sát biến đổi Vì thời gian gần có nhiều nghiên cứu ứng dụng tính chất để chế tạo cảm biến hóa học/sinh học.[6] Tuy nhiên để đáp ứng cho ứng dụng AgNPs u cầu có độ cao mẫu khơng có dư lượng sản phẩm phụ sản phẩm phụ không ảnh hưởng/tương tác với chất hệ ứng dụng AgNPs Do phương pháp truyền thống tổng hợp AgNPs tỏ bị hạn chế sản xuất nano bạc cho ứng dụng Trong nghiên cứu chúng tơi trình bày phương pháp “xanh” để tổng hợp ổn định dung dịch hệ nano bặc chấm lượng tử graphen (GQDs), dùng AgNPs tổng hợp để làm đầu dò cho chế tạo cảm biến hydrogen peroxit từ kết hợp với enzym cholesterol oxidase chế tạo thành công cảm biến cholesterol THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất 164 TCHH, 56(6E2), 2018 Axit citric (C6H8O7.H2O); urea ((NH2)2CO); dung dịch ammoniac (NH3) 28 %; dung dịch axit acetic (CH3COOH) 99 %; axit ascorbic; saccarose; dung dịch hydrogen peroxide (H 2O2) 30 % hóa chất tinh khiết (P.A) Phosphate buffered saline (PBS); cholesterol oxidase (ChOx) cholesterol hãng Sigma Aldrich PBS pha nước cất theo quy trình nhà sản xuất, nồng dộ 100 mM; cholesterol pha cồn 98 %; dung dịch bảo quản oC để tiến hành thí nghiệm 2.2 Tổng hợp AgNPs phương pháp “xanh” GQDs tổng hợp theo báo cáo trước [6] Lấy 100 µL dung dịch GQDs đem pha vào ml nước cất, sau dùng NaOH 0,1 M để điều chỉnh pH dung dịch pH9 cho 20 μL dung dịch AgNO3 0,1 M vào dung dịch Hỗn hợp sau gia nhiệt đến 90 o C để khử Ag+ thành nano bạc (AgNPs); để nguội hỗn hợp đến nhiệt độ phòng thu dung dịch chứa vật liệu nano bạc bền hóa chấm lượng tử graphen (AgNP/GQDs); bảo quản oC để sử dụng Dung dịch đầu dò chuẩn bị cách pha dung dịch AgNP/GQDs với nước cất theo tỷ lệ 1:10 (dung dịch có pH 7) 2.3 Chế tạo tối ưu hóa điều kiện hoạt động cảm biến hydrogen peroxit mL dung dịch đầu dò cho vào ống eppendorf Sau đó, 200 L dung dịch H2O2 cho vào, lắc máy vortex, sau đem ủ 30 oC 40 phút Để hỗn hợp nhiệt độ phòng đo phổ hấp thụ UV-Vis So sánh thay đổi cường độ pic hấp thụ bước sóng 419 nm trước sau có mặt H2O2 để lập đường chuẩn cảm biến, đường thẳng quan hệ [H2O2] với A/A0 (%) Trong đó: A/A (%) = 100*(A0 - AC)/A0 (1) Với A0 AC cường độ pic hấp thụ bước sóng 419 nm dung dịch AgNPs/GQDs trước sau thêm H2O2 2.4 Chế tạo cảm biến cholesterol Lấy 100 μL dung dịch cholesterol vào ống eppendorfs, thêm vào 100 μL dung dịch ChOx (0,5 mg.mL-1 đệm PBS) Hỗn hợp khuấy để phản ứng 37 oC vòng 30 phút Sau thêm mL dung dịch đầu dò vào ống Hỗn hợp sau khuấy để phản ứng 30 oC vòng 40 phút Sau hỗn hợp chuyển sang cuvet để đo mật độ quang 419 nm Trần Vĩnh Hoàng cộng s 2.5 Phương pháp phân tích Phổ UV-Vis đo máy quang phổ Agilent 8453 với bước sóng từ 200 đến 1200 nm Hình dạng kích thước vật liệu quan sát ảnh hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy-TEM) hệ JEM1010 - JEOL Phổ nhiễu xạ tinh thể (XRD) phân tích hệ D8 Advance - Bruker Ảnh SEM phân tích hệ JEOL-7600F Scanning Electron Microscope KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng vật liệu AgNPs/GQDs Phổ UV-Vis GQDs (hình 1a, đường i) cho thấy đỉnh 288 nm bờ hấp thụ bước sóng 221 nm chuyển đổi π-π* C = C n-π* C = O GQDs Với mẫu AgNPs/GQDs (đường ii) có pic 419 nm đặc trưng AgNPs dạng hình cầu Trong mẫu AgNPs/GQDs pic đặc trưng cho GQDs 288 nm biến mất, chuyển thành bờ phụ bước sóng; chứng tỏ hình thành hạt AgNPs với nồng độ cao (cường độ pic mạnh) GQDs tự giảm nồng độ Hình chèn (1a) thể dung dịch GQDs gần suốt AgNPs/GQDs có màu vàng đặc trưng AgNPs Phổ XRD GQDs (hình chèn 1b) cho thấy dạng gần vơ định hình GQDs, với pic nhiễu xạ yếu 2θ = 270 đặc trưng cho pic nhiễu xạ (002) lớp chấm lượng tử graphen.[7] Phổ XRD AgNPs/GQDs (hình chèn 1c) cho thấy pic đặc trưng 2θ = 37,50, 43,10 64,80 ứng với số Miller (111), (200) (220) AgNPs.[8] Ảnh TEM (hình 1b) cho thấy hạt GQDs có kích thước nhỏ, 5-6 nm, tồn độc lập; ảnh TEM AgNPs/GQDs cho thấy hạt AgNPs cỡ 20-50 nm (hình 1c), khơng hạt 10 nm tự đặc trưng GQDs Ảnh SEM mẫu AgNPs/QGDs cho thấy kích thước hạt 20-50 nm phổ biến, khơng thấy hạt < 10 nm Những kết khẳng định AgNPs hình thành cách có hiệu quả, hạt AgNPs tạo thành đồng đều; khơng GQDs tự do; chứng tỏ GQDs tham gia khử Ag+ thành Ag0 (dạng AgNPs) sau GQDs tham gia vào cấu trúc/bám lên bề mặt hạt AgNPs, bảo vệ làm bền cho hệ AgNPs.[6] 3.2 Cảm biến H2O2 từ vật liệu AgNPs/GQDs 3.2.1 Tối ưu hóa điều kiện phản ứng Khi cho dung dịch H2O2 với nồng độ thấp vào dung TCHH, 56(6E2), 2018 165 dịch đầu dò (AgNPs/GQDs) màu vàng đặc trưng cho AgNPs dung dịch nhạt dần, có xu hướng chuyển sang màu hồng nhẹ Nếu tăng nồng độ H 2O2 dung dịch AgNPs/GQDs chuyển sang khơng màu Điều chứng tỏ H 2O2 phản ứng với hạt nano bạc Nếu thay đổi A/A (%) lớn nồng độ H2O2 cho vào thấp chứng tỏ phản ứng nhạy, thích hợp để chế tạo cảm biến nhạy H2O2 Ở hình 1a 1b cho thấy phản ứng xảy nhanh khoảng 15 phút đầu, sau chậm lại kết thúc sau khoảng 40 phút Ở nhiệt độ cao 40 oC hiệu phản ứng thấp (hình 1c), có lẽ phần H2O2 bị phân hủy; nhiệt độ thấp (10 oC) hiệu phản ứng tốt tốc độ chậm Vậy nên nhiệt độ thích hợp khoảng 20-30 oC Ảnh hưởng pH Tổng hợp hạt nano bạc theo đến khả hiển thị nồng độ H2O2 cảm biến khảo sát (hình 2) Ở giá trị pH thay đổi A/A (%) đạt 45 % nồng độ 100 μM H2O2, cao nhiều so với vùng axit kiềm Các kết pH thích hợp pH 7; phù hợp cho ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học hệ phản ứng sinh lý, sinh hóa thường pH Trên hình 3a-3f cho thấy có mặt H 2O2, ngồi giảm cường độ pic quan sát dịch chuyển vị trí pic (max) bước sóng dài, nhiên xu hướng trùng với xu hướng A/A(%) thay đổi pH (hình 3f), nưa thay đổi max không lớn nên nghiên cứu sử dụng A/A(%) làm tín hiệu cảm biến Hình 1: (a) Phổ UV-Vis (i) dung dịch GQDs, (ii) AgNPs/GQDs; (hình chèn: màu sắc hai dung dịch tương ứng); (b) ảnh TEM GQDs (hình chèn: phổ XRD GQDs); (c d) ảnh TEM SEM AgNPs/GQDs (hình chèn c: phổ XRD AgNPs/GQDs) Hình 2: (a) Phổ UV-Vis AgNPs/GQDs có mặt 100 μM H2O2 với thời gian phản ứng khác nhau; (b) Biến đổi A/A(%) theo thời gian phản ứng từ (a) (hình chèn: chế AgNPs/GQDs bị ăn mòn thơng qua phản ứng với H2O2) (c) A/A(%) có mặt H2O2 với nồng độ khác nhiệt độ từ 10-40 oC 166 TCHH, 56(6E2), 2018 Trần Vĩnh Hoàng cộng s Hình 3: Phổ UV-vis dung dịch AgNPs/GQDs trước (đường i) sau phản ứng (đường ii) với 100 µM H2O2 ở: (a) pH = 3; (b) pH = 4; (c) pH = 7; (d) pH = 9; (e) pH = 11; (f) tập hợp kết tín hiệu A/A0 (%) tín hiệu max cảm biến có mặt 100 µM H2O2 pH khác Do khử chuẩn Ag+/Ag ( = 0,8 V) thấp H2O2/H2O ( pH7 nên dạng nano, AgNPs AgNPs/QGDs Ag0 nên chúng dễ dàng bị H2O2 "ăn mòn" theo (1): (2) Phản ứng (2) diễn chuyển hạt nano bạc dung dịch với màu vàng đặc trưng pic hấp thụ 419 nm thành ion bạc (Ag+) không màu, pic hấp thụ đặc trưng nên mắt thường thấy dung dịch nhạt màu dần; phổ UV-Vis ta thấy pic hấp thụ giảm dần (tức A/A% tăng dần) theo nồng độ H2O2 có mặt mẫu kết qủa thu hình 1, từ chế phản ứng mơ tả hình chèn hình 2b Hình 4: (a) Phổ UV-Vis dung dịch cảm biến có mặt: (a) mẫu trắng; (b) có 0,5 mM glucose; (c) 0,5 mM axit ascorbic; (d) 0,5 mM H2O2 (e) 0,5 mM saccarose; (b) A/A0 (%) mẫu hình a Để kiểm chứng lại chế (hình 2b, hình chèn), chúng tơi khảo sát độ chọn lọc độ đặc hiệu cảm biến H2O2 Kết hình 4a cho thấy độ giảm không đáng kể pic hấp thụ 419 nm mẫu glucose, saccarose axit ascorbic so với với mẫu trắng (mẫu nước cất) Trong với mẫu có H2O2 có giảm mạnh pic hấp thụ 419 nm Kết tính tốn (hình 4b) cho thấy tín hiệu dương tính (mẫu H2O2) cao gấp 10 lần tín hiệu âm tính (mẫu H2O2), yêu cầu lần; chứng tỏ cảm biến có độ chọn lọc cao với H2O2 Độ đặc hiệu cảm biến 100 % 167 TCHH, 56(6E2), 2018 Từ kết cho thấy AgNPs/GQDs sử dụng đầu dò đa chức để chế tạo cảm biến H2O2 hoạt động theo nguyên lý so màu Theo đó, AgNPs/GQDs đóng vai trò (i) làm đầu dò nhận biết AgNPs có phản ứng với tác nhân cần phát (H2O2) theo phản ứng (2) (ii) chức đầu dò tín hiệu phản ứng (2) xảy kèm theo tượng giảm cường độ pic hấp thụ phổ UV-Vis Như vậy, cường độ pic hấp thụ bước sóng 419 nm giảm từ đường ban đầu chưa có H2O2 (đường màu đen) so với có H 2O2 (đường màu đỏ), tính %A/A ứng với nồng độ H2O2 thêm vào ta thu đường chuẩn Tổng hợp hạt nano bạc theo 3.2.2 Đường chuẩn xác định nồng độ hydrogen peroxide (H2O2) Hình 5A cho thấy pic đặc trưng AgNPs giảm xuống tăng nồng độ H2O2, mặt khác vị trí pic bị dịch chuyển vùng đỏ chứng tỏ tập hợp hạt hình dạng hạt bị thay đổi Để xác định nồng độ H2O2, đường chuẩn thể quan hệ A/A ( với nồng độ H2O2 mẫu cho kết hình 5B cho thấy có vùng tuyến tính; vùng nồng độ thấp từ 0-0,1 mM H2O2 với phương trình tuyến tính hình (R2 = 0,948) vùng nồng độ cao từ 0,1-0,5 mM H2O2 (R2 = 0,955) Giới hạn phát (LOD) cảm biến thấp cỡ 0,01 mM H2O2 ( 10 μM) cho thấy cảm biến có độ nhạy cao Hình 5: (A) Phổ UV-Vis cảm biến với nồng độ H2O2 có mặt mẫu khác (hình chèn: màu sắc dung dịch phổ) (B) Đường chuẩn quan hệ A/A (%) với nồng độ H2O2 mẫu 3.3 Cảm biến sinh học chloesterol Trên sở độ nhạy cao độ chọn lọc cao phản ứng (2), cảm biến H2O2 chế tạo có độ nhạy tốt hồn tồn ứng dụng để chế tạo cảm biến sinh học Ở đây, sử dụng enzyme cholesterol oxidase enzyme đặc hiệu có chức oxi hóa chọn lọc cholesterol thành cholest-4-en-3one giải phóng H2O2 theo phản ứng (3): Khi lượng H2O2 giải phóng tỷ lệ thuận với nồng độ cholesterol có mẫu, với H 2O2 giải phóng cảm biến thu nhận trình bày, qua biến đổi A/A0 (%) có mặt ChOx cholesterol ta biết nồng độ cholesterol mẫu Các kết khảo sát sơ cho thấy có mặt ChOx có mặt cholesterol pic 419 nm khơng thay đổi cường độ vị trí Khi có mặt ChOx với chất khác glucose, saccarose hay axit ascorbic pic khơng thay đổi chứng tỏ cảm biến cholesterol có độ nhạy tốt Độ đặc hiệu đạt 100 % Phổ UV-Vis cảm biến có mặt ChOx với nồng độ cholesterol đưa vào khác thể hình 6A Kết hình 6A cho thấy tăng nồng độ cholesterol cường độ pic giảm dần có giảm đột ngột nồng độ cao từ mM trở lên Đường chuẩn (hình 6B) cho thấy khoảng tuyến tính từ 0,1 mM đến 1,5 mM với giới hạn phát cỡ 90 μM hoàn toàn đáp ứng khoảng nồng độ cholesterol mẫu thực (từ mM trở lên), chí mẫu pha lỗng KẾT LUẬN Trong cơng trình này, chúng tơi nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử graphen (GQDs) làm chất khử/chất ổn định để chế tạo dung dịch nano Ag theo 168 TCHH, 56(6E2), 2018 Trần Vĩnh Hồng cộng s Hình 6: (A) Phổ UV-Vis cảm biến cholesterol với nồng độ cholesterol khác (hình chèn: màu sắc dung dịch cảm biến tương tứng); (B) Đường chuẩn xác định nồng độ glucose dung dịch phương pháp “xanh” AgNPs/GQDs chế tạo có độ ổn định cao, độ bền tốt ứng dụng làm đầu dò để “bắt” H2O2 (capture probe) đồng thời làm đầu dò tín hiệu (signal probe) với độ nhạy (LOD < 10 μM) độ chọn lọc cao theo nguyên lý so màu Trên sở chúng tơi chế tạo thành công cảm biến cholesterol với giới hạn phát thấp (< 90 μM) Kết cho tạo sở để khoa học để ứng dụng AgNPs/GQDs cho phát triển cảm biến sinh học khác tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng cho mẫu bệnh phẩm Lời cảm ơn Cơng trình th c với s hỗ trợ kinh phí Bộ Giáo dục Đào tạo (MOET) thông qua đề tài mã số B2017-BKA-52 TÀI LIỆU THAM KHẢO N R Nirala, P S Saxena, A Srivastava Colorimetric detection of cholesterol based on enzyme modified gold nanoparticles, Spectrochim Acta Part A, 2018, 190, 506-512 X Zhang et al Sensitive colorimetric detection of glucose and cholesterol by using Au@Ag core– shell nanoparticles RSC Adv., 2016, 6, 35001-35007 J Li et al Label-free colorimetric detection of trace cholesterol based on molecularly imprinted photonic hydrogels, J Mater Chem., 2011, 21, 19267-19274 N R Nirala et al Colorimetric detection of cholesterol based on highly efficient peroxidase mimetic activity of graphene quantum dots, Sens Actuators B Chem., 2015, 218, 42-50 W M Sperry, F C Brand The colorimetric determination of cholesterol, J Biol Chem., 1943, 150, 315-324 N D Nguyen et al A Label-free Colorimetric Sensor Based on Silver Nanoparticles Directed to Hydrogen Peroxide and Glucose, Arab J Chem., 2018, In Press, p DOI: 10.1016/j.arabjc.2017.12.035 H Tetsuka et al Optically Tunable AminoFunctionalized Graphene Quantum Dots, Adv Mater., 2012, 24, 5333-5338 R Mamatha et al Rapid synthesis of highly monodispersed silver nanoparticles from the leaves of Salvadora persica, Mater Lett., 2017, 205, 226-229 Liên hệ: Trần Vĩnh Hoàng Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam E-mail: hoang.tranvinh@hust.edu.vn 169 ... hệ ứng dụng AgNPs Do phƣơng pháp truyền thống tổng hợp AgNPs tỏ bị hạn chế sản xuất nano bạc cho ứng dụng Để khắc phục hạn chế đó, tơi chọn đề tài: Tổng hợp vật liệu nano bạc/ chấm lượng tử graphen. .. LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Thị Ngọc Lan TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC/ CHẤM LƢỢNG TỬ GRAPHEN (AgNPs/ GQDs) VÀ ỨNG DỤNG Chun ngành:... sử dụng hạt graphen nano (GQDs) thay enzyme HRP[54] 21 1.4 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN 1.4.1 Vật liệu chấm graphen lƣợng tử (Graphene quantum dots -GQDs) Chấm graphene lƣợng tử hay chấm