Nội dung của luận trình bày thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa; nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn; ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích.
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 lịng 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, Phịng Vật liệu Nano cácbon, Phịng 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 dịng 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 .. .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... 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... 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