Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hoá trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng trong y sinh và môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2020 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y-SINH VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62.44.01.23 Người hướng dẫn khoa học: GS TS Trần Đại Lâm Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn GS.TS Trần Đại Lâm Các số liệu kết luận án công bố báo xuất cộng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Hải Bình Hướng dẫn khoa học GS TS Trần Đại Lâm LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả luận án xin bày tỏ lòng kính trọng cảm ơn chân thành hướng dẫn tận tình, hiệu kiến thức, vật chất tinh thần GS TS Trần Đại Lâm tồn q trình học tập NCS thực luận án Luận án thực nhờ hỗ trợ kinh phí từ đề tài: đề tài Nghị định thư Việt Nam – Hàn Quốc, Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản, đề tài Nghị định thư Việt Nam – Đài Loan, đề tài Quỹ NAFOSTED đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin cảm ơn hỗ trợ cụ thể cần thiết Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện Ban lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam cho tơi hồn thành luận án Tôi chân thành cảm ơn giúp đỡ Thầy/cô đồng nghiệp Viện Khoa học vật liệu, đồng nghiệp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam động viên – hỗ trợ nghiên cứu hoàn thành luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới giúp đỡ đồng nghiệp Phòng Vật liệu Nano Y-sinh, Phòng Vật liệu Nano cácbon, Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Linh kiện điện tử (Viện Khoa học vật liệu), đồng nghiệp Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam), Viện Kỹ thuật hóa học (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), Trung tâm CETASD (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội); cám ơn PGS TS Nguyễn Tuấn Dung, PGS TS Đỗ Phúc Quân, Th.S Nguyễn Lê Huy,… bạn Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên đại học Luận án nhận giúp đỡ thực thực nghiệm Viện IEF (Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp), Khoa ESS (Trường Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan) Xin trân trọng cảm ơn hỗ trợ quý báu Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm sâu sắc nhất, chân thành cho gia đình tơi, chỗ dựa vững cho động lực tâm hoàn thành luận án Hà Nội, tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Hải Bình MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục i Danh mục bảng, hình vẽ v Danh mục viết tắt xv Mở đầu xviii Chương I: Tổng quan I Giới thiệu cảm biến sinh học điện hóa I.1 Định nghĩa cảm biến sinh học điện hóa I.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa I.2.1 Cảm biến sở điện cực I.2.2 Cảm biến dòng điện I.2.3 Cảm biến độ dẫn I.2.4 Cảm biến hiệu ứng trường I.3 Một số tính chất cảm biến sinh học điện hóa II Vật liệu polyme dẫn sử dụng cảm biến sinh học điện hóa 10 11 II.1 Giới thiệu Polyanilin 13 II.2 Giới thiệu polydiaminonaphthalen 18 II.2.1 Poly(1,8-diaminonaphthalen) 18 II.2.2 Poly(1,5-diaminonaphthalen) 18 II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano pha tạp/kết hợp với polyme dẫn 20 II.3.1 Hạt nano Fe3O4 20 II.3.2 Ống nano cácbon (CNTs) 22 II.3.3 Vật liệu màng graphen 22 III Ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa III.1 Ứng dụng lĩnh vực y tế chăm sóc sức khỏe 23 23 III.1.1 Xác định nồng độ glucôzơ 23 III.1.2 Xác định nồng độ cholesterol 24 i III.1.3 Xác định chuỗi DNA virút HPV 25 III.2 Ứng dụng quan trắc mơi trường 26 III.3 Ứng dụng kiểm sốt an toàn thực phẩm 27 III.3.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin sữa 27 III.3.2 Xác định hàm lượng lactôzơ sữa 29 IV Kết luận 31 Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa I Chế tạo vi điện cực điện hóa 33 33 I.1 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa tích hợp 33 I.1.1 Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp 33 I.1.2 Chế tạo mặt nạ cho vi điện cực điện hóa 34 I.1.3 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar) 36 I.1.4 Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS) 42 II Tổng hợp điện hóa màng polyme dẫn II.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin 46 46 II.1.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon 46 II.1.2 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4 48 II.1.3 Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen 49 II.2 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN) 52 II.2.1 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt nano Fe3O4 52 II.2.2 Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen 52 III Cố định phần tử sinh học vi điện cực điện hóa tích hợp 53 III.1 Cố định phần tử sinh học màng polyanilin biến tính 53 III.1.1 Cố định phân tử enzym lên màng PANi biến tính 53 III.1.2 Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính 54 III.1.3 Cố định kháng thể Atrazin 56 III.2 Cố định phần tử sinh học enzym màng PDAN biến tính IV Các phương pháp phân tích điện hóa ii 56 57 IV.1 Phương pháp Vơn-Ampe tuần hồn 57 IV.2 Phương pháp đo dòng thời gian thực 58 IV.3 Phương pháp xung sóng vng 58 IV.4 Phương pháp tổng trở điện hóa 59 V Các kỹ thuật phân tích bề mặt cấu trúc màng 59 VI Kết luận 60 Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa sở vật liệu polyme dẫn 62 I Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa sở polyme dẫn polyanilin 62 I.1 Pha tạp màng PANi ống nano cácbon 62 I.2 Pha tạp màng PANi vật liệu hạt nano Fe3O4 69 I.3 Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp PANi/Graphen 73 I.4 Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANiFe3O4/Graphen 76 II Phát triển vi cảm biến cảm biến sở màng P(1,5-DAN) 80 II.1 Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4 80 II.2 Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN 82 III Kết luận 87 Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng vi cảm biến sinh học điện hóa phân tích 89 I Ứng dụng phân tích y sinh 89 I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ dung dịch 89 I.1.1 Xác định hàm lượng glucôzơ vi cảm biến sinh học điện hóa PANi/MWCNTs 89 I.1.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ vi cảm biến PANi-Fe3O4 98 I.1.3 Xác định hàm lượng Glucôzơ vi cảm biến điện hóa PANiFe3O4/Graphen 100 iii I.2 Xác định hàm lượng cholesterol dung dịch 103 I.2.1 Xác định hàm lượng cholesterol vi cảm biến PANi/CNTs 103 I.2.2 Xác định nồng độ cholesterol cảm biến PANi-Fe3O4 109 I.2.3 Xác định hàm lượng cholesterol vi cảm biến PANiFe3O4/Graphen 114 I.3 Xác định chuỗi ADN virút HPV II Ứng dụng kiểm sốt an tồn thực phẩm 115 118 II.1 Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 sữa 118 II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ sữa 124 II.2.1 Xác định hàm lượng lactôzơ sữa vi cảm biến P(1,5DAN)-Fe3O4 124 II.2.2 Xác định hàm lượng lactôzơ sữa vi cảm biến Graphen/P(1,5-DAN) 136 III Ứng dụng quan trắc ô nhiễm môi trường 128 III.1 Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin vi cảm biến PANi/Fe3O4 128 III.2 Xác định dư lượng Atrazin dung dịch vi cảm biến PANi/Graphen 132 IV Kết luận 137 Kết luận chung 138 Tài liệu tham khảo 139 Phụ lục I iv DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ Hình I.1 Sơ đồ cấu tạo chức cảm biến sinh học Hình I.2: Sơ đồ MOSFET (trái) mạch điện tương đương (phải) Hình I.3 Một số polyme dẫn điện tử 11 Hình I.4 Polyme oxy hóa khử 12 Hình I.5 Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine) 12 Bảng I.1: Tính chất số polyme dẫn thơng dụng 13 Hình I.6 Cơng thức cấu tạo anilin 13 Hình I.7 Các dạng khác polyanilin phụ thuộc vào trạng thái 14 oxy hóa Hình I.8 Các dạng cộng hưởng cation gốc anilin 15 Hình I.9 Dạng dime anilin 16 Hình I.10 Dạng cation gốc dime 16 Hình I.11 Quá trình tạo thành polyme 16 Hình I.12 Cơ chế pha tạp polyanilin mơi trường HCl 17 Hình I.13 Cấu trúc hóa học 1,5-DAN 19 Hình I.14 Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN 19 Hình I.15 Cấu trúc graphen (a); ảnh TEM (b) SEM (c) graphen tổng hợp phương pháp khử graphen ơxít 22 Hình I.16 Cấu trúc hóa học dạng Aflatoxin 28 Hình I.17 Giới hạn hàm lượng Aflatoxin sữa giới 29 Hình I.18: Cấu trúc hóa học lactơzơ 30 Hình I.19: Cơ chế thủy phân lactôzơ 31 v 18 Dinh Tu Bui, Mau Danh Tran, Huu Duc Nguyen, Hai Binh Nguyen, High sensitivity planar Hall sensor based on simple GMR NiFe/Cu/NiFe structure for biochip application, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, (1), 015017 (2013) 19 Van Binh Pham, Hien Le Thi, Xuan Thanh Tung Pham, Van Vinh To, Ngoc Thuy Duong Dang, Thi Thanh Tuyen Le, Mau Chien Dang, Viet Long Nguyen and Duy Hien Tong, Detection of biomarker p53 mutated gene by a silicon nanowire nanosensor, International Journal of Nanotechnology, 10 (3-4), pp 178-186 (2014) 20 Nguyen Van Anh, Hoang Van Trung, Bui Quang Tien, Nguyen Hai Binh, Cao Hong Ha, Nguyen Le Huy, Nguyen Thai Loc, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam, Development of a PMMA Electrochemical Microfluidic Device for Carcinoembryonic Antigen Detection, Journal of Electronic Materials, 45 (5), pp 2455-2462 (2016) 21 Bui Quang Tien, Nguyen Thy Ngoc, Nguyen Thai Loc, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam, Biochip for Real-Time Monitoring of Hepatitis B Virus (HBV) by Combined Loop-Mediated Isothermal Amplification and Solution-Phase Electrochemical Detection, Journal of Electronic Materials, 46 (6), pp 35653571 (2017) 22 Do Phuc Quan, Do Phuc Tuyen, Tran Dai Lam, Phan Thi Ngoc Tram, Nguyen Hai Binh, Pham Hung Viet, Electrochemical selective determination of dopamine in the presence of ascorbic and uric acid on the surface of the modified Nafion/Single wall carbon nanotubes/poly(3-methylthiophene) glassy carbon electrodes, Colloid and Surface B: Biointerfaces, Volume 88 (2), pp.764-770 (2011) 23 Do Phuc Tuyen, Do Phuc Quan, Nguyen Hai Binh, Nguyen Van Chuc, Tran Dai Lam, Le Trong Huyen, Nguyen Le Huy, Pham Hung Viet, Nguyen Thai Loc, Tran Quang Huy, A highly sensitive electrode modified with graphene, gold nanoparticles, and molecularly imprinted over-oxidized polypyrrole for 141 electrochemical determination of dopamine, Journal of Molecular liquids, 198, pp 307-312 (2014) 24 Nguyen Le Huy, Nguyen Hai Binh, Nguyen Van Anh, Tran Dai Lam, Research and development of biosensor in Vietnam: current situation and prospects, Vietnam Science and Technology Review, (1), pp 57-64 (2015) 25 Nguyen Hai Binh, Nguyen Le Huy, Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Van Tu, Mai Thi Thu Trang, Nguyen Tuan Dung, Nguyen Van Anh, Do Phuc Quan, Nguyen Xuan Phuc, Vu Dinh Lam, Tran Dai Lam, Biosensors: some of initial results at Institute of Materials Science, Vietnamese Journal of Science and Technology, 51 (2A), pp 128-148 (2013) 26 S Dzyadevych, N Jaffrezic-Renault, Conductometric biosensors, Biological Identification: DNA Amplification and Sequencing, Optical Sensing, Lab-Onchip and Portable Systems, Elsevier, pp 153-193 (2014) 27 Matti Kaisti, Detection principles of biological and chemical FET sensors, Biosensors and Bioelectronics, 98, pp 437 – 448 (2017) 28 Gordon G Wallace, Geoffrey M Spinks, Leon A P Kane-Maguire, Peter R Teasdale, Conductive electroactive polymers: Intelligent polymer systems, Third editor, CRC Press Taylor & Francis Group (2009) 29 Nguyễn Đức Nghĩa, Bán dẫn hữu polyme Cơng nghệ chế tạo, tính chất, ứng dụng, Nhà xuất Khoa học tự nhiên công nghệ (2007) 30 Malenahalli Halappa Naveen, Nanjanagudu Ganesh Gurudatt, Yoon-Bo Shim Applications of conducting polymer composites to electrochemical sensors: A review, Applied Materials Today, 9, pp 419-433 (2017) 31 Swati Shrivastava, Nimisha Jadon, Rajeev Jain, Next-generation polymer nanocomposite-based electrochemical sensors and biosensors: A review, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 82, pp 55-67 (2016) 32 Mehdi Jaymand, Recent progress in chemical modification of polyaniline, Progress in Polymer Science, 38 (9), pp 1287-1306 (2013) 142 33 Dzung Tuan Nguyen, Lam Dai Tran, Huy Le Nguyen, Binh Hai Nguyen, Nguyen Van Hieu, Modified Interdigitated Arrays by Novel Poly(1,8Diaminonaphthalene)/Carbon Nanotubes Composite for Selective Detection of Mercury(II), Talanta, 85 (5), pp 2445-2450 (2011) 34 Hoang Duy Vu, Le Huy Nguyen, Tuan Dzung Nguyen, Hai Binh Nguyen, Thai Loc Nguyen, Dai Lam Tran, Anodic stripping voltammetric determination of Cd2+ and Pb2+ using interpenetrated MWCNT/P1,5-DAN as an enhanced sensing interface, Ionics, 21(2), pp 571-578 (2015) 35 Xin-Gui Li, Jia-Li Zhang, Mei-Rong Huang, Interfacial Synthesis and Functionality of Self-Stabilized Polydiaminonaphthalene Nanoparticles, Chemistry, A European Journal, 18(32), pp 9877–9885 (2012) 36 Binh Hai Nguyen, Lam Dai Tran, Quan Phuc Do, Huy Le Nguyen, Ngoc Huan Tran, Phuc Xuan Nguyen, Label-free detection of aflatoxin M1 with electrochemical Fe3O4/Polyaniline-based aptasensor, Materials Science and Engineering: C, 33 (4) 2013, pp 2229-2234 (2013) 37 Ning Yang, Xianping Chen, Tianling Ren, Ping Zhang, Daoguo Yang, Carbon nanotube based biosensors, Sensors and Actuators B: Chemical, 207, pp 690715 (2015) 38 Novoselov, K S., Geim, A K., Morozov, S V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S V., Grigorieva, I V., and Firsov, A A., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, 306(5696), pp 666-669 (2004) 39 Celine I.L Justino, Ana R Gomes, Ana C Freitas, Armando C Duarte, Teresa A.P Rocha-Santos, Graphene based sensors and biosensors, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 91, pp 53-66 (2017) 40 Babak Rezaei, Mozhdeh Ghani, Ahmad Mousavi Shoushtari, Mohammad Rabiee, Electrochemical biosensors based on nanofibres for cardiac biomarker detection: A comprehensive review, Biosensors and Bioelectronics, 78, pp 513 – 523 (2016) 143 41 Li Wang, Yujie Zhang, Aiguo Wu, Gang Wei, Designed graphene-peptide nanocomposites for biosensor applications: A review, Analytica Chimica Acta, 985, pp 24-40 (2017) 42 Elif Burcu Bahadır, Mustafa Kemal Sezgintürk, Electrochemical biosensors for hormone analyses, Biosensors and Bioelectronics, 68, pp 62-71 (2015) 43 Nguyễn Huy Cường, Bệnh đái tháo đường – quan điểm đại, Nhà xuất Y học (2002) 44 Le Dang Khuong, Nguyen Hai Binh, Nguyen Le Huy, Vu Dinh Lam, Tran Dai Lam, Fabrication on the electrochemical biosensor for determination of the concentration of glucose based on PANi/MWCNT coated - Micro Intedigitated Electrode (IDE), Vietnamese Journal of Chemistry, T49, 2ABC, pp361-366 (2011) 45 Huy Le Nguyen, Binh Hai Nguyen, Anh Tuan Nguyen, Lam Dinh Vu, Dung Tuan Nguyen, Lam Dai Tran, Amperometric glucose biosensor based on poly(styrene-acrylic acid) magnetic microspheres/polyanline nanocomposite films, Proceeding of the 9th Asian Workshop on Polymer processing (AWPP2010), pp.263-267 (2010) 46 Chiara Zerbinati, Luigi Iuliano, Cholesterol and related sterols autoxidation, Free Radical Biology and Medicine, 111, pp 151 – 155 (2017) 47 Diane M Harper, Leslie R De Mars, HPV vaccines – A review of the first decade, Gynecologic Oncology, 146 (1), pp 196 – 204 (2017) 48 Lam Dai Tran, Dzung Tuan Nguyen, Binh Hai Nguyen, Quan Phuc Do,Huy Le Nguyen, Development of interdigitated array coated with functional polyaniline/MWCNT for electrochemical biodetection Application for Human Papilloma Virus, Talanta, 85 (3), pp.1560-1565 (2011) 49 Govindhan Maduraiveeran, Wei Jin, Nanomaterials based electrochemical sensor and biosensor platforms for environmental applications, Trends in Environmental Analytical Chemistry, 13, pp 10-23 (2017) 144 50 Puja Biswas, Abhinav Kumar Karn, P Balasubramanian, Paresh G Kale, Biosensor for detection of dissolved chromium in potable water: A review, Biosensors and Bioelectronics, 94, pp 589-604 (2017) 51 Navpreet Kaur, Nirmal Prabhakar, Current scenario in organophosphates detection using electrochemical biosensors, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 92, pp 62-85 (2017) 52 Cristina Tortolini, Paolo Bollella, Riccarda Antiochia, Gabriele Favero, Franco Mazzei, Inhibition-based biosensor for atrazine detection, Sensors and Actuators B: Chemical, 224, pp 552 – 558 (2016) 53 Donald E Tillitt, Diana M Papoulias, Jeffrey J Whyte, Catherine A Richter, Atrazine reduces reproduction in fathead minnow (Pimephales promelas), Aquatic Toxicology, 99 (2), pp 149-159 (2010) 54 M.G Paulino, M.M Sakuragui, M.N Fernandes, Effects of atrazine on the gill cells and ionic balance in a neotropical fish, Prochilodus lineatus, Chemosphere, 86 (1), pp 1-7 (2012) 55 Renee M Zaya, Zakariya Amini, Ashley S Whitaker, Steven L Kohler, Charles F Ide, Atrazine exposure affects growth, body condition and liver health in Xenopus laevis tadpoles, Aquatic Toxicology, 104 ( 3–4), pp 243-253 (2011) 56 Yuan Li, Yan Sun, Junwei Yang, Yanping Wu, Jia Yu, Baixiang Li, The longterm effects of the herbicide atrazine on the dopaminergicsystem following exposure during pubertal development, Mutation Research, 763, pp, 23–29 (2014) 57 H Galal-Gorchev, R Helmer, X Bonnefoy, O Espinoza, Marla Sheffer, Atrazine in Drinking water, WHO Guidelines for Drinking-water Qualit, World Health Organization, (2003) 58 Hanna Barchanska, Elzbieta Jodo, Robert Graham Price, Irena Baranowska, Ramadan Abuknesha, Monitoring of atrazine in milk using a rapid tube-based ELISA and validation with HPLC, Chemosphere, 87 (11), pp 1330-1334 (2012) 145 59 Guowen Zhang, Junhui Pan, Simultaneous spectrophotometric determination of atrazine and cyanazine by chemometric methods, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 78 (1), pp 238-242 (2011) 60 L Campanella, S Eremin, D Lelo, E Martini, M Tomassetti, Reliable new immunosensor for atrazine pesticide analysis, Sensors and Actuators B: Chemical, 156 (1), pp 50-62 (2011) 61 Pie Pichetsurnthorn, Krishna Vattipalli, Shalini Prasad, Nanoporous impedemetric biosensor for detection of trace atrazine from water samples, Biosensors and Bioelectronics, 32 (1), pp 155-162 (2012) 62 Rodica E Ionescu, Chantal Gondran, Laurent Bouffier, Nicole JaffrezicRenault, Claude Martelet, Serge Cosnier, Label-free impedimetric immunosensor for sensitive detection of atrazine, Electrochimica Acta, 55 (21), pp 6228-6232 (2010) 63 Zhimin Yu, Guohua Zhao, Meichuan Liu, Yanzhu Lei, and Mingfang Li, Fabrication of a Novel Atrazine Biosensor and Its Subpart-per-Trillion Levels Sensitive Performance, Environ Sci Technol., 44 (20), pp 7878–7883 (2010) 64 Yan Zeng, Zhihong Zhu, Dan Du, Yuehe Lin, Nanomaterial-based electrochemical biosensors for food safety, Journal of Electroanalytical Chemistry, 781, pp 147 – 154 (2016) 65 Bansi D Malhotra, Asha Chaubey, Biosensors for clinical diagnostics industry, Sensors and Actuators B: Chemical, 91 (1-3), pp 117-127 (2003) 66 Donatella Farina, Manual Zinellu, Mauro Fanari, Maria Cristina Porcu, Sergio Scognamillo, Giulia Maria Grazia Puggioni, Gaia Rocchitta, Pier Andrea Serra, Luca Pretti, Development of a biosensor telemetry system for monitoring fermentation in craft breweries, Food Chemistry, 218, pp 479-486 (2017) 67 Bognanno, M., L La Fauci, et al, Survey of the occurrence of Aflatoxin M1 in ovine milk by HPLC and its confirmation by MS, Molecular Nutrition & Food Research, 50(3), pp 300-305 (2006) 146 68 Fink-Gremmels J., Mycotoxins in cattle feeds and carry-over to dairy milk: A review, Food Additives & Contaminants: Part A, 25(2), pp 172-180 (2008) 69 Jonas A Ohlsson, Monika Johansson, Henrik Hansson, Agnes Abrahamson, LiisaByberg, AnnikaSmedman, HelenaLindmark-Mansson, Ase Lundh, Lactose, glucose and galactose content in milk, fermented milk and lactose-free milk products, International Dairy Journal, 73, pp 151-154 (2017) 70 Wibo B van Scheppingen, Piet H van Hilten, Marieke P Vijverberg, Alexander L.L Duchateau, Selective and sensitive determination of lactose in low-lactose dairy products with HPAEC-PAD, Journal of Chromatography B, 1060, pp 395-399 (2017) 71 Conzuelo F., M Gamella, S Campuzano, M.A Ruiz, A J Reviejo, J M Pingarrn, An integrated amperometric biosensor for the determination of lactose in milk and dairy products, J Agric Food Chem., 58, 12, 7141–7148 (2010) 72 Federico Tasca, Roland Ludwig, Lo Gorton, Riccarda Antiochia, Determination of lactose by a novel third generation biosensor based on a cellobiose dehydrogenase and aryl diazonium modified single wall carbon nanotubes electrode, Sensors and Actuators B, 177, 64– 69 (2013) 73 Jing Cheng, Larry J Kricka, Biochip Technology, Harwood Academic Publisher (USA), (2001) 74 Marc J Madou, Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, Third Edition, CRC press (2011) 75 Benjamin G.Eynon, Jr Banqiu Wu, Photomask Fabrication Technology, McGraw-Hill (2005) 76 Mohamed Gad-el-Hak, MEMS: design and fabrication, Taylor and Francis Group, New York, USA (2006) 77 Nguyen Le Huy, Nguyen Thi My Thuy, Nguyen Hai Binh, Nguyen Ngoc Thinh, Mai Thu Trang, Huynh Dang Chinh, Pham Thien Ngoc, Nguyen Xuan Phuc, Nguyen Van Anh, Tran Dai Lam, Covalent immobilization of cholesterol oxidase and poly(styrene-co-acrylic acid) magnetic microspheres on polyaniline 147 films for amperometric cholesterol biosensing, Analytical Methods, 5, pp 1392-1398 (2013) 78 Hai Binh Nguyen, Van Chuc Nguyen, Van Tu Nguyen, Thi Thanh Tam Ngo, Ngoc Thinh Nguyen, Thi Thu Huyen Dang, Dai Lam Tran, Phuc Quan Do, Xuan Nghia Nguyen, Xuan Phuc Nguyen, Hong Khoi Phan and Ngoc Minh Phan, Graphene patterned, polyaniline-based biosensor for glucose detection, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, (2), 025011 (2012) 79 Hai Binh Nguyen, Van Chuc Nguyen, Van Tu Nguyen, Huu Doan Le, Van Quynh Nguyen, Thi Thanh Tam Ngo, Quan Phuc Do, Xuan Nghia Nguyen, Ngoc Minh Phan and Dai Lam Tran, Development of the layer-by-layer biosensor using graphene films: application for cholesterol determination, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, (1), 015013 (2013) 80 Nguyễn Tuấn Dung, Vũ Hoàng Duy, Đăng Thị Thu Huyền, Nguyễn Văn Tú, Nguyễn Văn Chúc, Nguyễn Hải Bình, Trần Đại Lâm, Nguyễn Xuân Phúc, Thái Hồng, Chế tạo nghiên cứu tính chất màng tổ hợp dạng đa lớp graphen/poly(1,5-diaminonaphthalen), Tạp chí Khoa học Công nghệ, 52 (1), pp 115-122 (2014) 81 Ashok Mulchandani and Kim R Rogers, Enzyme and Microbial Biosensors, Humana Press (1998) 82 Shiping Song, Lihua Wang, Jiang Li, Jianlong Zhao, Chunhai Fan, Aptamerbased biosensors, Trends in Analytical Chemistry, 27 (2), pp.108-117 (2008) 83 Tuerk, C and L Gold, Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase, Science, 249 (4968), pp 505-510 (1990) 84 Binh Hai Nguyen, Binh Thanh Nguyen, Hanh Van Vu, Chuc Van Nguyen, Dzung Tuan Nguyen, Loc Thai Nguyen, Thi Thu Vu, Lam Dai Tran, Development of label-free electrochemical lactose biosensor based on 148 graphene/poly(1,5-diaminonaphthalene) film, Current Applied Physics, 16 (2), pp 135-140 (2016) 85 Valentin Mirceski, Sebojka Komorsky-Lovric, Milivoj Lovric, Square-Wave Voltammetry: Theory and Applications, Springer-Verlag (2007) 86 Evgenij Barsoukov, J Ross Macdonald, Impedance Spectroscopy Theory, Experiment, and Applications, John Wiley &Sons (2005) 87 H V Tran, S Reisberg, B Piro, T D Nguyen, M.C Pham, Label-free electrochemical immunoaffinity sensor based on impedimetric method for pesticide detection, Electroanalysis, 25, pp 664–670 (2013) 88 Jing Zheng, Xingfa Ma, Xiaochun He, Mingjun Gao, Guang Li, Preparation, characterizations, and its potential applications of PANi/ graphene oxide nanocomposite, Procedia Engineering, 27, pp 1478 – 1487 (2012) 89 J Zhang, S Yang, H Wang, S Wang, Enhanced sensitivity for biosensor: functionalized P1,5-diamnonaphthalene-multiwall carbon nanotube composite film-modified electrode, Electrochimica Acta, 85, pp 467 – 474 (2012) 90 Dzung Tuan Nguyen, My Thanh Nguyen, Giang Truong Ho, Toan Ngoc Nguyen, S Reisberg, B Piro, M.C Pham, Design of interpenetrated network MWCNT/poly(1,5-DAN) on interdigital electrode: Toward NO2 gas sensing, Talanta, 115, pp 713 – 717 (2013) 91 Xianchen Dong, Peng Wang, Wẹning Fang, Ching-Yuan Su, Yu-Hsin Chen, Lain-Jong Li, Wei Huang, Peng Chen, Growth of large-sized graphene thinfilms by liquid precursor-based chemical vapor deposition under atmospheric pressure, Carbon, 49 (11), pp 3672-3678 (2011) 92 Nguyen Hai Binh, Nguyen Le Huy, Vu Thi Hong An, Nguyen Ngoc Hung, Vu Dinh Lam, Tran Dai Lam, Study on fabrication of electrochemical biosensor for cholesterol quantitive at low potential by using K3[Fe(CN)6] mediator, Vietnamese Journal of Chemistry, T49, 4, pp 437-440 (2011) 93 Nguyen Van Chuc, Nguyen Hai Binh, Cao Thi Thanh, Nguyen Van Tu, Nguyen Le Huy, Nguyen Tuan Dzung, Phan Ngoc Minh, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam, 149 Electrochemical Immunosensor for Detection of Atrazine based on Polyaniline/Graphene, Journal of Materials Science and Technology, 32(6), pp 539-544 (2016) 150 PHỤ LỤC Hóa chất – vật tư thiết bị chế tạo hệ vi điện cực tích hợp - Phiến Silic pha tạp loại p+, định hướng , đường kính inch (~ 10 cm), độ dày ~50 m (Wafernet Inc, USA), có lớp SiO2 dày 1m - Chất cảm quang âm (Negative Photoresist) AZ5214E (Microchemicals GmbH Co.Ltd, Đức) - Chất hình (Developer) AZ400K AZ400 (Microchemicals GmbH Co.Ltd, Đức) - Chất lót, tăng cường độ bám dính HMDS (hexamethyldisilazane, [(CH3)3Si]2NH) (Microchemicals GmbH Co Ltd, Đức) - Các hóa chất Aceton, Isopropanol, H2SO4, HNO3 có độ tinh khiết (Merck) - Các hóa chất khác có độ phân tích - Hệ thiết bị quang khắc sử dụng tia UV: h-line ( = 405 nm) - Hệ thiết bị lắng đọng pha vật lý: phún xạ màng mỏng (Sputtering) bốc bay chùm tia điện tử (E-gun Evaporation) - Các thiết bị: bếp nhiệt gia nhiệt nhiều bước, thiết bị rung siêu âm, kính hiển vi quang học (có kèm CCD), thiết bị cắt phiến theo chương trình Hóa chất – vật tư thiết bị tổng hợp màng polyme 2.1 Hóa chất – vật tư tổng hợp màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon a Hóa chất cho chức hóa ống nano cácbon - Ống nano cacbon đa vách (Multi Wall Carbon NanoTubes - MWCNTs) độ tinh khiết > 95 % tổng hợp phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam - Dung dịch H2SO4 98 % (d =1,84 g/ml) (Merck) - Dung dịch HNO3 68 % (d = 1,51 g/ml) (Merck) - Dung dịch HCl nồng độ M (Merck) I - Máy rung siêu âm tần số 47 kHz - Màng lọc Nylon có đường kính lỗ lọc 0,22 μm - Hệ lọc hút chân không dụng cụ thủy tinh khác b Hóa chất – thiết bị để tổng hợp màng Polyanilin pha tạp ống nano cácbon - Monome Anilin (ANi) Merck tinh chế lại theo phương pháp chưng cất áp suất thấp bảo quản tránh ánh sáng mơi trường khí trơ, nhiệt độ thấp - Dung dịch H2SO4 nồng độ M - Hệ điện hóa đa (Autolab/PGSTAT30 Eco Chemie, Hà Lan) 2.2 Hóa chất – vật tư tổng hợp màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4 a Hóa chất dụng cụ tổng hợp hạt nano Fe3O4 - CH2=CH-COOH (ts = 141 0C, d = 1,051 g/ml) (Merck) - C6H5CH=CH2 (ts = 145 0C, d = 0,909 g/ml) (Merck) - (NH4)2S2O8 (Merck) - Dung dịch FeCl2 M pha từ tinh thể FeCl2 (MW=126,75 g/mol) (Merck) - Dung dịch FeCl3 M pha từ tinh thể FeCl3 (MW=162,21 g/mol) (Merck) - Dung dịch NH3 M (Merck) - Bình cầu, máy khuấy từ, tủ sấy chân khơng, bình sục khí N2 dụng cụ khác b Hóa chất- thiết bị để tổng hợp màng Polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4 - Monome Anilin (ANi) Merck tinh chế lại theo phương pháp chưng cất áp suất thấp bảo quản tránh ánh sáng mơi trường khí trơ, nhiệt độ thấp - Dung dịch H2SO4 nồng độ M - Hệ điện hóa đa (Autolab/PGSTAT30 Eco Chemie, Hà Lan) 2.3 Hóa chất vật tư chế tạo màng đa lớp Polyanilin/Graphen - Tấm đồng 35 m, độ 99,8 % mưa từ Đức - Dung dịch Anilin (Ani), đệm PBS 1x, mua từ Merck - Các hóa chất khác có độ phân tích II - Các dung dịch pha chế nước khử ion - Vi điện cực điện hóa tích hợp (được chế tạo Viện Khoa học vật liệu) - Thiết bị điện hóa đa Autolab PGSTAT 30 phụ kiện - Hệ thiết bị lắng đọng màng mỏng pha hóa học (CVD) - Monome Anilin (ANi) Merck tinh chế lại theo phương pháp chưng cất áp suất thấp bảo quản tránh ánh sáng mơi trường khí trơ, nhiệt độ thấp - Dung dịch H2SO4 nồng độ M - Hệ điện hóa đa (Autolab/PGSTAT30 Eco Chemie, Hà Lan) 2.4 Hóa chất, vật tư thiết bị chế tạo màng đa lớp Graphen/PDAN - Monome 1,5-Diaminonaphthalen (1,5-DAN) mua từ Sigma-Aldrich (Đức) - Các hóa chất khác có độ phân tích - Các dung dịch pha chế nước khử ion - Vi điện cực điện hóa tích hợp có phủ màng Graphen bề mặt điện cực làm việc - Thiết bị điện hóa đa Autolab PGSTAT30 phụ kiện Hóa chất – dụng cụ để cố định phần tử sinh học vi điện cực điện hóa tích hợp 3.1 Hóa chất dụng cụ để cố định enzym màng PANi biến tính - Enzym Glucose oxidase (GOx, E.C.1.1.3.4, 10 kU, Sigma-Aldrich) tách từ nấm Aspergillus niger - Enzym Cholesterol oxidase (ChOx, E.C.1.1.3.6, 50 kU, Sigma-Aldrich) tách từ Brevibacterium - Dung dịch Glutaraldehít 25 % (Sigma-Aldrich) - Dung dịch đệm muối phosphat gốc 0,1M (PBS 10x) hỗn hợp gồm có NaCl 1,37 M + 0,027 M KCl + 0,08 M Na2HPO4 + 0,02 M KH2PO4 - Dung dịch K3[Fe(CN)6] K4[Fe(CN)6] 0,1 M III - Máy đo pH, micropipet dụng cụ cần thiết khác 3.2 Hóa chất vật tư cố định aptamer lên màng PANi biến tính: b.1 Hóa chất vật tư cố định aptamer HPV - Vi điện cực điện hóa tích hợp phủ màng PANi/MWCNT-c (được chế tạo mô tả phần II.2) - N-(3-dimethylaminopropyl)-N-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC), Nhydroxysuccinimide (NHS) mua từ Sigma Các dung dịch pha chế nước khử ion (điện trở đạt 18 MΩ) - Chất đối chứng OVA (egg albumin, 2x tinh thể) mua từ Calbiochem, La Jolla (California, Hoa Kỳ) - Chuỗi pep-tít HPV-16-L1 (đoạn 311-325, ví dụ: Asn–Leu–Ala–Ser–Ser– Asn–Tyr–Phe–Pro–Thr–Pro–Ser–Gly–Ser–Met) mua từ Genscript, Hoa Kỳ - Kháng thể thứ cấp Ig (từ dê) F(ab’)2 liên kết với HRP (HRP - horseradish peroxidase) mua từ Tebu (Le Perray-en-Yvelines, France) - Các kháng thể kháng HPV ( kháng HPV, chuỗi protein 16-L1 kháng virút gây u nhú tách chiết từ chuột, kháng thể đơn dòng) kháng Ovalbumin (antiOvalbumin, anti-OVA) cung cấp từ AbD serotec (Morphosys, Anh) - Máy đo pH, micropipet dụng cụ cần thiết khác b.2 Cố định aptamer Anti-Aflatoxin M1 - Aptamer AFM1 có trình tự 21 mer sau: HSADN (5’-(CH2) 6-ACT GCT AGA GATTTT CCA CAT-3’) cung cấp Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam) - Afltoxin M1 (chiết xuất từ Aspergillus flavus) mẫu đối chứng âm Ochratoxin A (OTA) chiết xuất từ Petromyces albertensis, ≥ 98 % (TLC) mua từ Fluka - Glutaraldehít mua từ Sigma-Aldrich Anilin ((Merck, 99,5 %) chưng cất chân không để tổng hợp màng polyme Mọi dung dịch pha chế nước khử ion DI IV - Vi điện cực điện hóa tích hợp phủ màng PANi pha tạp hạt nano Fe3O4 3.3 Hóa chất vật tư để cố định kháng thể Atrazin lên màng PANi biến tính - Atrazin kháng thể đơn dòng Anti-Atrazin (a-ATZ, MW = 150 kDa) mua từ Thermo Scientific (USA) - Đệm PBS 1x, dung dịch Glutaraldehít 25 % mua từ Sigma - Các hóa chất khác có độ phân tích - Các dung dịch pha chế nước khử ion - Vi điện cực điện hóa tích hợp phủ màng PANi/Graphen 3.4 Hóa chất – vật tư để cố định phần tử sinh học enzym màng PDAN biến tính - Vi điện cực điện hóa tích hợp phủ màng PDAN biến tính hạt nano Fe3O4 Graphen - Enzym Glucose oxidase (GOx, E.C.1.1.3.4, 10 kU, Sigma-Aldrich) tách từ nấm Aspergillus niger - Enzym -galactosidase (-Gal, EC 3.2.1.23, 8000 U/g, Sigma-Aldrich) chiết tách từ nấm Aspergillus oryzae - Dung dịch Glutaraldehít 25 % (Sigma-Aldrich) - Máy đo pH, micropipet dụng cụ cần thiết khác V ... cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng y- sinh môi trường xviii Vấn đề đặt cho luận án phải nghiên cứu chế tạo phát triển thử nghiệm hệ vi cảm biến sinh học điện. .. luận án Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng chẩn đốn nhanh y- sinh Cảm biến điện hóa vật dẫn đặt môi trường nghiên cứu, nơi x y trình trao đổi điện tích.. .VI N HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VI T NAM HỌC VI N KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG