Nghiên cứu chế tạo chip sợi nano vàng ứng dụng trong định lượng hàm lượng cholesterol tự do trong dung dịch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO PHẠM XUÂN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHIP SỢI NANO VÀNG ỨNG DỤNG TRONG ĐỊNH LƯỢNG HÀM LƯỢNG CHOLESTEROL TỰ DO TRONG DUNG DỊCH LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CƠNG NGHỆ NANO PHẠM XUÂN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHIP SỢI NANO VÀNG ỨNG DỤNG TRONG ĐỊNH LƯỢNG HÀM LƯỢNG CHOLESTEROL TỰ DO TRONG DUNG DỊCH Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanơ (Chun ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TỐNG DUY HIỂN Tống Duy Hiển Thành phố Hồ Chí Minh - 2014 LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cholesterol cảm biến sinh học 1.1.1 Tổng quan cholesterol 1.1.2 Tổng quan cảm biến sinh học 1.2 Công nghệ nano cảm biến sinh học sợi nano vàng 11 1.2.1 Công nghệ nano 11 1.2.2 Cảm biến sợi nano vàng dùng cho phát cholesterol 14 1.3 Phương pháp đơn lớp tự ghép 16 1.3.1 Cố định enzyme 16 1.3.2 Các phương pháp cố định enzyme 17 1.3.3 Phương pháp đơn lớp tự lắp ghép (self assembly monolayer – SAM) 19 1.4 Kỹ thuật qt vịng tuần hồn 22 1.4.1 Nguyên lý 22 1.4.2 Đồ thị quét vòng 24 1.5 Các nội dung nghiên cứu luận văn 25 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 26 2.1 Chế tạo sợi nano vàng kỹ thuật DEA 26 2.1.1 Cấu trúc sợi nano vàng đế silic chế tạo 26 2.1.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo sợi nano vàng đế silic 26 2.2 Hoạt hóa bề mặt cố định enzyme lên sợi nano vàng 38 2.2.1 Các hóa chất thiết bị 38 2.2.2 Quy trình hoạt hóa bề mặt sợi nano vàng cố định enzyme 39 2.2.2.2 Hoạt hóa bề mặt sợi nano vàng DTSP 40 2.2.3 Xác định nồng độ cholesterol tự dung dịch 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Đánh giá kết chế tạo sợi nano vàng ký thuật DEA 42 3.1.1 Kết chế tạo sợi nano vàng 42 3.1.2 Kết đo điện trở sợi nano vàng 44 ii 3.1.3 Kết chụp kính hiển vi điện lực nguyên tử (AFM) 48 3.2 Kết kiểm tra tính chất chip sợi nano vàng q trình hoạt hóa bề mặt 49 3.3 Xác định cholesterol 52 3.3.1 Xác định cholesterol chip hoạt hóa cysteamine 52 3.3.2 Xác định cholesterol chip hoạt hóa bề mặt DTSP 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 • Kết luận 57 • Hướng phát triển 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan nội dung đề tài tơi nhóm nghiên cứu thực Kết trình bày trung thực, xác Đề tài chưa công bố phương tiện Kết thực nghiệm tác giả nhóm nghiên cứu thực Mọi bảng biểu đồ thị, hình ảnh có chúng tơi xử lý kết thí nghiệm Xin cam đoan thơng tin thật, có vấn đề tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm TP HCM ngày 22 tháng 09 năm 2014 Học viên cao học Phạm Xuân Thanh Tùng Cán hướng dẫn TS Tống Duy Hiển iv Để hoàn thành đề tài này, xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn, TS Tống Duy Hiển người đưa vào Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Nano hướng dẫn tơi từ ngày đầu khập khiễng bước chân vào lĩnh vưc cảm biến sinh học tạo điều kiên thuận lợi trình thực luận văn Xin cảm ơn giáo viên phản biện dành thời gian đọc, góp ý đánh giá cho đề tài Xin cảm ơn trường Đại học Công nghệ ĐHQG HN Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Nano ĐHQG TP HCM hợp tác mở chuyê ngành công nghệ Vật liệu Linh kiện Nano để tơi có điều kiện theo học Xin chân thành cảm ơn anh Phạm Văn Bình, chị Đặng Ngọc Thùy Dương, anh Phan Thanh Nhật Khoa, chị Lê Thị Thanh Tuyền thành viên nhóm nghiên cứu Biosensor thuộc PTN CNNN giúp đỡ vấn đề chun mơn q trình làm thí nghiệm Xin chân thành cảm ơn anh chị em PTN CNNN giúp đỡ lúc khó khăn chia sẻ với tơi niềm vui thành cơng Để hồn thành luận văn này, thiếu giúp đỡ động viên từ cha mẹ thành viên gia đình họ hàng sinh sống TP HCM Tơi xin dành tình cảm sâu sắc cảm ơn thành viên gia đình Xin chân thành cám ơn! v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Au: vàng ChOx: Cholesterol Oxidase CA: Cysteamine DTSP: Dithiodipropionic acid di(N-hydroxysuccinimide ester) GAD: Glutaraldehyde CV: Cyclic voltammetry HDL: High density lipoprotein LDL: Low density lipoprotein VLDL: very low density lipoprotein SAM: Self assembly monolayer EIS: electrochemical impedance spectroscopy PECVD: plasma enhance chemical vapour deposition LPCVD: low pressure chemical vapour deposition RIE: reactive ion etching PVD: physical vapour deposition SEM: Scanning electron microscopy WE: working electrode CE: counter electrode RE: reference electrode PBS: phosphate buffer saline vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng I.1: Giới hạn hàm lượng cholesterol máu người trưởng thành Bảng I.2: Enthanpi số phản ứng có enzyme xúc tác Bảng II.1: Thơng số trình quang khắc chất lượng cấu trúc tạo thành tương ứng Bảng II.2: Tốc độ bốc bay theo dòng diện đốt Bảng III.1: Kết đo điện trở từ khảo sát đặc trưng I-V sợi nano Au chế tạo Điện quét Volt, với bước quét 50 mV, chiều dài sợi thay đổi từ 5-1000 µm Chiều ngang sợi la 50 nm, chiều dày 25 nm vii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Hình I.7: Đồ thị quét theo thời gian phép đo CV Hình I.8: Quan hệ dịng-điện qt vịng thuận nghịch Hình I.10: Đồ thị CV q trình oxi hóa bất thuận nghịch (A), giả thuận nghịch (B) thuận nghịch (C) Hình III.4: Đặc trưng tính chất điện I-V sợi nano Au có chiều rộng 50 nm, độ dày 25 nm, chiều dài thay đổi từ đến 500 µm Điện chiều quét giá trị từ -1 volt đến + volt, với bước quét 50 mV Hình III.7: Đường quét CV chip sợi nano vàng dung dịch H2SO4 10 mM Hình III.8: Đường CV chip sợi nano vàng dung dịch K3Fe(CN)6 5mM PBS pH trước sau hoạt hóa cysteamine Hình III.9: đồ thị phụ thuộc cường độ peak oxi hóa khử theo thời gian chip Au/CA với nồng độ cysteamine khác quét dung dịch K3Fe(CN)6 PBS pH Hình III.10: Đường CV chip sợi nano vàng sau bước hoạt hóa bề mặt dung dịch K3Fe(CN)6 PBS pH chất hoạt hóa cysteamine (A) DTSP (B) Hình III.11: đường CV chip sợi nano vàng hoạt hóa cysteamine dung dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 nồng độ cholesterol khác từ đến mM (A) đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu từ đường CV (B) Hình III.12: Đường Lineweaver – Burke (A) đường Hanes (B) chip sợi nano vàng hoạt hóa cysteamine Hình III.13: độ lặp lại điện cực (A) độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol 3mM Hình III.14: đường CV chip sợi nano vàng hoạt hóa DTSP dung dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 nồng độ cholesterol khác từ 0.5 đến mM (A) đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu từ đường CV (B) Hình III.15: Đường Lineweaver – Burke (A) đường Hanes (B) chip sợi nano vàng hoạt hóa DTSP Hình III.16: độ lặp lại điện cực (A) độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol 3mM viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình I.1: Cấu trúc hóa học cholesterol Hình I.2: Sơ đồ cấu tạo cảm biến sinh học Hình I.3: nguyên lý hoạt động chung cảm biến sinh học Hình I.4: Sơ đồ cấu tạo cảm biến áp điện Hình I.5: Sợi nano chế tạo nhiều phương pháp khác (A); Đơn sợi nano với kích thước 40-50 nm (B); Sợi nano với hai điện cực nối mạch điều khiển bên ngồi (C) Hình I.6: hình thành SAM từ sulfur hữu Hình I.9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm qt vịng tuần hồn Hình II.1: Cấu trúc sợi nano Au đế silic chế tạo Hình II.2: Quy trình chế tạo sợi nano vàng kỹ thuật lắng đọng ăn mịn góc nghiêng Hình II.3: Thiết bị PECVD Plasmalab 80Plus, Oxford Instruments PTN CN Nano Hình II.4: Giao diện hình phần mềm PC 2000 dùng điều khiển thiết bị PECVD Hình II.5: Thiết bị đo độ dày FilmTek 1000 PTN Cơng Nghệ Nano Hình II.6: Hệ chiếu sáng dùng cho trình quang khắc quang học (optical lithography) Hình II.7: Hình SEM bề mặt màng Au chế tạo phương pháp bốc bay (A) Màng có kích thước hạt nhỏ cỡ 10 nm (B) Màng có kích thước hạt lớn cỡ 30 nm Hình II.8: Hệ ăn mòn ion beam etching (Ionfab 300Plus Oxford Instruments) Hình II.9: Hệ đo Autolab sử dụng để khảo sát khả phát cholesterol sợi nano vàng chế tạo PTN CNNN Hình II.10: Quy trình hoạt hóa bề mặt gắn kết enzyme Hình III.1: Hình SEM độ phân giải thấp chíp silicon có sợi nano vàng, đơn sợi chế tạo với điện cực nối riêng biệt nối mạch điều khiển ngồi (mạch điện tử, hệ đo) Hình III.2: Đơn sợi nano điện cực riêng biệt Hình III.3: Chip sợi nano vàng dùng cho định lượng cholesterol Hình III.5: Cấu trúc điện cực dùng xác định điện trở tiếp xúc sợi nano Hình III.6: Hình ảnh AFM chiều (A) chiều (B) sợi nano Au 45 300 uA 200 100 -1500 -1000 -500 500 1000 mV 1500 -100 Series1 -200 Series2 Series3 -300 C: Sợi dài 50 µm 30 uA 20 10 -1500 -1000 -500 500 1000 mV 1500 -10 Series1 -20 Series2 Series3 -30 D: Sợi dài 500 µm Hình III.4 Đặc trưng tính chất điện I-V sợi nano Au có chiều rộng 50 nm, độ dày 25 nm, chiều dài thay đổi từ đến 500 µm Điện chiều quét giá trị từ -1 volt đến + volt, với bước quét 50 mV Hình III.4 đặc trưng điện sợi nano Au với kích thước chiều ngang độ dày khác Để đạt kết đo này, 20 linh kiện sử dụng cho loại mẫu, với loại mẫu đo lặp lại 10 lần chế độ đo, cho phép khảo sát kết trung bình độ lặp lại chứng tỏ tính thống kê kết đo Kết cho phép xác định điện trở sợi, quan trọng xác định chế độ làm việc sợi sau để có dịng điện thích hợp khoảng µA cho cảm biến 46 Ngoài điện trở tiếp R tiếp xúc ~ 1/A lên kích thước sợi kích thước nano, diện tích tiếp xúc sợi điện cực nhỏ, điện trở tiếp xúc sợi điện cực trở lên thông số có ảnh hưởng nhiều đến điện trở đo đạc, cần phải khảo sát (1-10, 33) Do nhóm tác giả thiết kế cấu trúc đo điện cực ( Hình IV.33), cho phép xác định điện trở tiếp xúc sợi nano kết trình bày bảng III.1 Điện trở tiếp xúc cỡ 20±5 ôm chấp nhận cho đặc tính cảm biến sau Kết tuyến tính đường I-V điện trở sợi tính tốn từ phép đo cho thấy sợi chế tạo mang đặc trưng kim loại Au Tuy điện trở đo đạc có giá trị cao giá trị tính tốn lý thuyết (dựa vào giá trị vật liệu khối theo phương R=ρ l s ) 30-40% Kết yếu tố thay đổi điện trình trở suất kim loại chế tạo kích thước siêu nhỏ nano; ảnh hưởng q trình chế tạo gây tạp bẩn làm tăng điện trở sợi… Tuy tượng công bố điện trở dây dẫn nano Ví dụ nhóm nghiên cứu Penner đại học California chế tạo sợi nano kim loại đo đạc kết tăng từ 50250% cho điện trở sợi nano kim loại Pt, Au, Pd Hình III.5: Cấu trúc điện cực dùng xác định điện trở tiếp xúc sợi nano Bảng III.1 đưa kết đo đạc I-V trung bình cho sợi nano Au chế tạo với kích thước khác nhau, độ dày khác Kết tính tốn lí thuyết đưa để so sánh 47 TT L R tổng R contact (µm) Rt(ohm) Rct(ohm) 444.2 453.3 446.6 20 1581.7 20 1571.2 20 1593.7 50 4098.2 50 3994.3 50 3933.3 500 43154 500 40374 500 41596 20±5 R lí Rs/Rlt R sợi (%) Rs(ohm) thuyết Rlt(ohm) Rs/Rlt nhóm n/c khác (%) 408.0 294.4 138.5 1501 1542.2 1177.6 130.9 250-3002 3988.6 2944.4 135.4 200-2503 29444.0 41668.0 141.5 Bảng III.1: Kết đo điện trở từ khảo sát đặc trưng I-V sợi nano Au chế tạo Điện quét Volt, với bước quét 50 mV, chiều dài sợi thay đổi từ 5-1000 µm Chiều ngang sợi la 50 nm, chiều dày 25 nm Từ kết đo đạc cho thấy sợi nano vàng có kích thước q nhỏ mỏng có điện trở thay đổi nhiều so với thơng số dự đốn Điều có thề giải thích qua việc với kích thước nhỏ, điện trở sợi trở lên nhạy cảm với thay đổi q trình chế tạo, dẫn đến tính không ổn định cảm biến sau Ngược lại, sợi có kích thước lớn hơn, điện trở ổn định hơn, lại hạn chế đến độ nhạy cảm biến sau Với chip sợi nano vàng dùng định lượng cholesterol, số lượng sợi chip 100 sợi kết nối với theo kiểu song song, điện trở hệ sợi nhỏ điện trở đơn sợi 100 lần cường độ dòng điện qua hệ sợi lớn cường độ dòng điện qua đơn sợi 100 lần Chính lí sợi nano Au có độ dày 25 nm, có chiều ngang 40-50 nm, chiều dài khoảng 50- 48 500 micro tiếp tục khảo sát mơi trường điện hóa để đưa kích thước tối ưu sợi nano vàng dùng cho định lượng cholesterol 3.1.3 Kết chụp kính hiển vi điện lực nguyên tử (AFM) Trong quan sát ảnh SEM cho phép quan sát bề mặt phẳng sợi, quan sát kính hiển vi lực nguyên tử lại cho phép khảo sát bề mặt chiều sợi nano Au, cung cấp thêm thơng tin hữu ích khác hình dạng tính chất hạt sợi Hình III.6 hình ảnh AFM sợi nano chế tạo luận văn (a) (b) Hình III.6 Hình ảnh AFM chiều (A) chiều (B) sợi nano Au Hình cung cấp thêm thơng tin kích thước, định dạng cấu tạo bề mặt sợi Sợi có chiều ngang 50 nm, chiều cao khoảng 50 nm bề mặt mịn 49 3.2 Kết kiểm tra tính chất chip sợi nano vàng trình hoạt hóa bề mặt Hình III.7 Đường qt CV chip sợi nano vàng dung dịch H2SO4 10 mM Trên hình III.7 đương quét dung dịch H2SO4 10 mM chip sợi nano vàng trình làm Chúng ta thấy sau số lần quét đường CV bắt đầu ổn định cho peak khử rõ rang E = 0.8V peak khử vàng, qua kết luận bề mặt chip vàng khử trạng thái Au0 tinh cho bước hoạt hóa bề mặt Hình III.8 Đường CV chip sợi nano vàng dung dịch K3Fe(CN)6 5mM PBS pH trước sau hoạt hóa cysteamine Hình III.8 đường quét CV chip sợi nano vàng trước sau hoạt hóa cysteamine Sau hoạt hóa cysteamine, đường CV chip vàng có xuất peak oxi hóa khử K3Fe(CN)6 cách rõ ràng Nguyên nhân việc xuất hiên peak bề mặt chip sợi nano vàng bao phủ lớp cysteamine với nhóm NH2 đầu mạch Các nhóm NH2 (amine) môi trường acid (pH=4) kết hợp với ion H+ dung dịch để hình thành ion 𝑁𝐻3+ 50 bề mặt điện cực làm cho bề mặt điện cực tích điện dương K3Fe(CN)6 dung dịch bị phân ly thành ion K+ Fe(CN)63- Bề mặt điện cực tích điện dương hút ion Fe(CN)63- lực hút tĩnh điện làm tăng nồng độ bề mặt Fe(CN)63- từ làm tăng giá trị peak oxi hóa khử thu Hình III.9 đồ thị phụ thuộc cường độ peak oxi hóa khử theo thời gian chip Au/CA với nồng độ cysteamine khác quét dung dịch K3Fe(CN)6 PBS pH Trong hình III.9 phụ thuộc cường độ peak oxi hóa khử theo thời gian chip hoạt hóa bề mặt cysteamine với nồng độ cysteamine khác quét dung dịch K3Fe(CN)6 PBS pH Ở nồng độ cysteamine (CA) 100 mM, sau 20 phản ứng peak oxi hóa tiếp tục tăng, điều dự đốn đơn lớp chưa hình thành hồn tồn bề mặt sợi vàng Với nồng độ CA 200 mM, peak oxi hóa đạt giá trị cực đại sau 8h không thay đổi sau 20 ngâm, qua dự đốn đơn lớp hình thành bao phủ hoàn toàn bề mặt sợi nano vàng chưa hình thành màng đa lớp Đối với nồng độ CA 300 mM, peak oxi hóa đạt cực đại sau 8h ngâm chip giảm mạnh sau 20 giờ, nguyên nhân giảm dự đoán hình thành màng đa lớp dẫn tới tăng điện trở điện cực vàng làm giảm cường độ peak Đối với nồng độ CA 400 mM, peak oxi hóa tăng nhẹ sau 4h ngâm gần giữ nguyên giá trị sau 20 giờ, điều dự đốn hình thành màng đa lớp sớm làm cho giá trị peak oxi hóa khơng thể tăng Qua đường ảnh hưởng hình III.9 định chọn nồng độ cysteamine 200 mM thời gian ngâm 8h peak oxi hóa đạt giá trị cực đại không đổi sau 20 ngâm, điều có nghĩa đơn lớp hình thành tốt ổn định 51 (A) (B) Hình III.10 Đường CV chip sợi nano vàng sau bước hoạt hóa bề mặt dung dịch K3Fe(CN)6 PBS pH chất hoạt hóa cysteamine (A) DTSP (B) Trong hình III.10 đường quét chip sợi nano vàng sau bước hoạt hóa bề mặt với cysteamine (A) DTSP (B) Đối với trường hợp cysteamine thấy cường độ peak oxi hóa tăng bề mặt vàng hoạt hóa cysteamine, điều giải thích trên, sau gắn lớp GAD peak oxi hóa giảm nhẹ, nguyên nhân gốc aldehyde (-CHO) gốc trung tính, khơng bị phân ly môi trường acid việc gắn thêm lớp màng lên bề mặt điện cực làm tăng điện trở điện cực Sau ngâm dung dịch enzyme thấy peak oxi hóa tiếp tục giảm nhẹ Nguyên nhân giảm lớp enzyme gắn lên làm tăng điện trở bề mặt sợi nano, nhiên gắn enzyme hình thành thêm nhóm amine bề mặt điện cực làm tăng khả thu hút ion Fe(CN)63- tới bề mặt điện cực peak oxi hóa giảm nhẹ mà khơng giảm mạnh phân tử enzyme tích lớn Đối với trường hợp bề mặt điện cực điện cực hoạt hóa DTSP, peak oxi hóa giảm điện cực bao phủ DTSP tương tự trường hợp GAD DTSP sau gắn lên bề mặt điện cực bề mặt điện cực chức hóa nhóm chức -CHO nhóm chức trung tính làm cho điện trở bề mặt điện cực tăng, enzyme gắn lên bề mặt điện cực cường độ peak oxi hóa tăng mạnh có hình thành nhóm amine bề mặt điện cực Sự tăng peak oxi hóa gắn enzyme trường hợp DTSP khác với giảm trường hợp cysteamine trước gắn enzyme điện cực hoạt hóa cysteamine với nhóm amine nên việc có thêm nhóm amine enzyme khơng ảnh hưởng nhiều tới thay đổi peak oxi hóa 52 Qua việc khảo sát tính chất bề mặt điện cực sau bước hoạt hóa bề mặt phương pháp qt vịng tuần hồn kết luận cách định tính enzyme cholesterol oxidase gắn thành công lên bề mặt điện cực sử dụng chất hoạt hóa cysteamine DTSP 3.3 Xác định cholesterol 3.3.1 Xác định cholesterol chip hoạt hóa cysteamine Trên hình III.11 đường CV chip sợi nano vàng với nồng độ cholesterol khác Trên đường CV thu nhận peak oxi hóa vị trí E=0.9V, giá trị peak oxi hóa cịn tẳng tăng nồng độ cholesterol, từ chúng tơi đưa kết luận peak đặc trưng cho hàm lượng cholesterol dung dịch điện cực sợi nano vàng với quy trình hoạt hóa bề mặt cysteamine sử dụng để xác định cholesterol Dựa vào peak oxi hóa thu từ đường CV hình III.11.A chúng tơi xây dựng đường đặc trưng nồng độ cholesterol theo cường độ peak thu kết thể hình III.11.B Từ đường đặc trưng chúng tơi kết luận nồng độ cholesterol phu thuộc vào cường độ peak thu cách tương đối tuyến tính khoảng nồng độ thực nghiệm từ đến mM với độ nhạy 8.7 nA/mM chip sợi nano vàng gắn enzyme phương pháp hoạt hóa bề mặt cysteamine ứng dụng làm cảm biến cholesterol cho nghiên cứu sau I(µA) y = 0.0087x + 0.0711 R² = 0.9869 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 C(mM) (A) (B) Hình III.11 đường CV chip sợi nano vàng hoạt hóa cysteamine dung dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 nồng độ cholesterol khác từ đến mM (A) đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu từ đường CV (B) 53 Để xác định hoạt tính enzyme điện cực, chúng tơi tính tốn số Michaelis-Menten 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 Hằng số tính dựa đường Lineweaver – Burke (hìnhV.12.A), đường tương quan nghich đảo nồng độ chất phản ứng nghịch đảo cường độ peak, đường Hanes (hìnhV.12.B) đường tương quan nồng độ chất phản ứng tỷ lện nồng độ chất phản ứng/cường độ dòng peak Các phương pháp tính tốn dựa việc biến đổi phương trình Michaelis – Menten: Đối với trường hợp đường Lineweaver – Burke ta có: Trong V tốc độ phản ứng Vmax tốc độ phản ứng tối đa, [S] nồng độ chất phản ứng Km số Michealis – Menten Trong trường hợp đường Hanes ta có: 14.00 y = 1.4059x + 11.534 13.00 R² = 0.9818 12.00 11.00 10.00 9.00 y = 22.298x + 4.6132 R² = 0.9932 8.00 7.00 0.5 1/C (mM-1) C/I (mM/µA) 1/I (µA-1) Giá trị số 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại ma trận phương pháp cố định enzyme yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc enzyme chế hoạt động enzyme nhạy với mơi trường Do giá trị số 𝑎𝑝𝑝 𝐾𝑚 bị ảnh hưởng lớn yếu tố Hằng số 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 đặc trưng cho lực enzyme chất nó, giá trị 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 nhỏ lực enzyme chất lớn 1.5 y = 6.5388x + 11.586 R² = 0.9387 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 C (mM) (A) (B) Hình III.12 Đường Lineweaver – Burke (A) đường Hanes (B) chip sợi nano vàng hoạt hóa cysteamine Giá trị số 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 tính đốn từ đường Lineweaver hình III.12.A 4.8 mM (ở khoảng nồng độ cholesterol cao) Việc tồn khoảng tuyến tính 54 đường Lineweaver – Burke cho thấy giá trị 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 thực tế khác với giá trị thu từ khoảng nồng độ cholesterol cao Để đưa giá trị xác cho tồn khoảng nồng độ cholesterol, sử dụng đường Hanes mà tất điểm số liệu nằm đường thẳng (hình III.12.B) giá trị 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 thu 1.77 mM Giá trị 1.77 mM cho thấy lực cao điện cực Au hoạt hóa cysteamine cholesterol cho thấy tương thích cao cholesterol oxidase điện cực nano Au hoạt hóa cysteamine Độ lặp lại điện cực khảo sát thực nghiệm đo qt vịng tuần hồn (CV) điện cực điện cực đo lần khác với nồng độ cholesterol mM Kết thể hình III.13.A cho thấy khác biệt dòng điện điện cực khoảng 2.5% điện cực với 6% 0.10 0.06 I(µA) I peak (µA) 0.08 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0.04 0.02 0.00 Chip number 10 12 14 16 18 20 Days (A) (B) Hình III.13: độ lặp lại điện cực (A) độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol 3mM Độ ổn định điện cực xác định thực nghiệm CV với chu kỳ ngày vòng 20 ngày với nồng độ cholesterol 3mM Độ ổn định điện cực theo cường độ peak trình bày hình III.13.B cho thấy điện cực vàng hoạt hóa cysteamine giữ khoảng 78% hoạt tính sau 20 ngày bảo quản Sự sụt giảm nhanh chóng hoạt tính điện cực hoạt tính mát enzyme tronhf bảo quản 3.3.2 Xác định cholesterol chip hoạt hóa bề mặt DTSP Đường CV đường chuẩn nồng độ - cường độ peak chip sợi nano vàng hoạt hóa DTSP với dung dịch cholesterol có nồng độ khác từ 0.5 đến mM thể hình III.14 Từ đường CV chúng tơi thu peak oxi hóa vị trí E=0.85V, peak tăng tăng giá trị nồng độ cholesterol từ 55 0.5 mM đến mM Từ kết hình III.14.B thấy đường phụ thuộc nồng độ - cường độ peak tương đối tuyến tính khoảng nồng độ khảo sát với độ xác khoảng 96.7% độ nhạy 14,9 nA/mM Qua kết luận phương pháp hoạt hóa bề mặt sử dụng DTSP cho hiệu suất gắn kết enzyme cao từ nâng cao độ nhạy độ ổn định cảm biến (A) (B) Hình III.14: đường CV chip Au/DTSP dung dịch cholesterol/PBS + 5%triton X-100 pH=7 nồng độ cholesterol khác từ 0.5 đến mM (A) đường chuẩn nồng độ - cường độ peak thu từ đường CV (B) Hằng số 𝐾𝑚𝑎𝑝𝑝 xác định từ đường Lineweaver – Burke Hanes cho 𝑎𝑝𝑝 hình III.15 Từ hình III.15A chúng tối tính giá trị 𝐾𝑚 theo đường Lineweaver – Burke khoảng nồng độ cholesterol cao 5.3 mM từ đường Hanes (hình 𝑎𝑝𝑝 III.15B) chúng tơi tính giá trị 𝐾𝑚 2.98 mM Giá trị 2.98 mM cho thấy lực cao enzyme gắn điện cực hoạt hóa DTSP cholesterol tương thích tốt điện cực với enzyme cholesterol oxidase 56 (A) (B) Hình III.15 Đường Lineweaver – Burke (A) đường Hanes (B) chip sợi nano vàng hoạt hóa DTSP Độ lặp lại điện cực khảo sát thực nghiệm đo quét vòng tuần hoàn (CV) điện cực điện cực đo lần khác với nồng độ cholesterol mM kết thể hình III.16.A Sự khác biệt dịng điện điện cực khoảng 2% điện cực với 5% 0.10 I(µA) 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 10 12 14 16 18 20 Days (A) (B) Hình III.16 Độ lặp lại điện cực (A) độ ổn định (B) với dung dịch cholesterol 3mM Độ ổn định điện cực xác định thực nghiệm CV với chu kỳ ngày vòng 20 ngày với nồng độ cholesterol 3mM Độ ổn định điện cực theo cường độ peak trình bày hình III.16.B cho thấy điện cực vàng hoạt hóa cysteamine giữ khoảng 92% hoạt tính sau 20 ngày bảo quản 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chế tạo chip chứa sợi nano vàng dùng để phân tích, định lượng cholesterol nhiệm vụ khó đòi hỏi thời gian dài Trong phần này, chúng tơi tổng kết kết mà luận văn đạt được, thực thời gian khuôn khổ luận văn cao học Tiếp theo đưa số đề xuất để tiếp tục hướng nghiên cứu Kết luận Trong phạm luận văn này, thực công việc sau đây:  Chế tạo thành công chip sợi nano vàng với điện cực nối mạch ngồi thích hợp cho ứng dụng cảm biến cơng nghệ ăn mịn bốc bay góc nghiêng,  Sử dụng phương pháp đơn lớp tự lắp ghép với hai chất hoạt hóa bề mặt cysteamine Dithiodipropionic acid di(N-hydroxysuccinimide ester) hoạt hóa bề mặt sợi nano vàng cố định thành công enzyme cholesterol oxidase lên bề mặt điện cực hoạt hóa,  Với điện cực sợi nano vàng cố định enzyme, thành công việc xác định nồng độ cholesterol tự dung dịch Kết thu điện cực vàng hoạt hóa cysteamine khoảng nồng độ – 7mM với độ nhạy 8.7 nA/mM, độ ổn định 78% sau 20 ngày điện cực vàng hoạt hóa DTSP khoảng nồng độ 0.5 – 9mM với độ nhạy 14.9 nA/mM, độ ổn định 92% sau 20 ngày Qua cho thấy hai phương pháp sử dụng để chế tạo điện cực dùng cho chế tạo cảm biến cholesterol, nhiên sợi vàng hoạt hóa DTSP cho phép chế tạo cảm biến cholesterol với độ nhạy độ ổn định cao so với sợi hoạt hóa cysteamine Hướng phát triển  Phát triển công nghệ chế tạo để chế tạo sợi nano vàng có cấu trúc, hình dạng kích thước khác nhằm tăng độ bền, độ nhạy độ lặp lại cảm biến cholesterol  Hoàn thiện quy trình cố định enzyme để tăng độ ổn định cảm biến  Tiếp tục thử nghiệm cố định đồng thời enzyme cholesterol oxidase cholesterol esterase lên bề mặt điện cực nhằm hướng tới chế tạo cảm biến xác định hàm lượng cholesterol tổng dung dịch máu người 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO A M Morales, C M Lieber, A Laser Ablation Method for the Synthesis of Crystalline Semiconductor Nanowires, Science, 279, 208, 1998 J Hu, R.W Odom, C M Lieber, Controlled growth and electrical properties of heterojunctions of carbon nanotubes and silicon nanowires, Acc Chem Res., 32(5), 435, 1999 C M Lieber, Nanoscale Science and Technology: Building a Big Future from Small Things, MRS Bull., 28 (7), 486, 2003 Y Cui, X Duan, C M Lieber, Nanowires as Building Blocks for Nanoscale Science and Technology, in “Nanowires and Nanobelts ": Materials, Properties and Devices, Z.L Wang, ed 3-68 (Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003).Z L Wang, ed., Kluwer Academic/Plenum Publishers, 3, 2003 Y Xia, P Yang, P., Chemistry and Physics of Nanowires, Adv Mater., 15, 351, 2003 Z Fan, J G Lu, Gate-refreshable nanowire chemical sensors, Appl Phys Lett., 86, 123510, 2005 Y Cui, C M Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks, Science, 291, 851, 2001 Y Huang, X Duan, Y Cui, L J Lauhon, K Kim, C M Lieber, Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks, Science, 294, 1313, 2001 L J Lauhon, M.S Gudiksen, D Wang, C M Lieber, Epitaxial Core-Shell and Core-Multi-Shell Nanowire Heterostructures, Nature, 420, 57, 2002 10 Y Cui, Z Zhong, W Wang, W U Wang, C M Lieber, High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors, Nano Lett., (2), 149, 2003 11 Yashuang Lu, Minghui Yang, Fengli Qu, Guoli Shen, Ruqin Yu, Enzymefunctionalized gold nanowires for the fabrication of biosensors, Bioelectrochemistry 71 (2007) 211–216 12 Fengli Qu, Minghui Yang, Guoli Shen, Ruqin, Electrochemical biosensing utilizing synergic action of carbon nanotubes and platinum nanowires prepared by template synthesis, Biosensors and Bioelectronics 22 (2007) 1749–1755 13 Umasankar Yogeswaran and Shen-Ming Chen, A Review on the Electrochemical Sensors and Biosensors Composed of Nanowires as Sensing Material, Sensors 2008, 8, 290-313 14 Y Xia, P Yang, Y Sun, Y Wu, B Mayers, One-dimensional nanostructures: synthesis, characterization, and cpplications, Adv Mater., 15, 353, 2003 15 L Hood, J R Heath, M E Phelps, B Lin, Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine, Science, 306, 640, 2004 16 F Patolsky, C M Lieber, Nanowire nanosensors, Materials Today, 20, 2005 17 F Patolsky, G Zheng, O Hayden, M Lakadamyali, X Zhuang, C M Lieber, Electrical detection of single viruses, Proc Natl Acad Sci., 101, 14017, 2004 18 A Kolmakov, M Moskovits, Chemical sensing and catalysis by one-dimensional metal-oxide nanostructures, Annu Rev Mater Res., 34, 151, 2004 59 19 Matsumoto el at., Fundamental studies of glucose oxidase deposition on a Pt electrode, Anal Chem, 2002;74:362–7 20 Evans SAG, Elliott JM, Andrews LM, Bartlett PN, Doyle PJ, Denuault G., Detection of hydrogen peroxide at mesoporous platinum microelectrodes, Anal Chem, 2002;74:1322–6 21 Yuehe Lin, Fang Lu, Yi Tu, and Zhifeng Ren, Glucose Biosensors Based on Carbon Nanotube Nanoelectrode Ensembles, Nanoletters, 191-195, Vol.4, 2004 22 Patolsky, B.P Timko, G Zheng and C.M Lieber, Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences, MRS Bull 32, 142-149, 2007 23 Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos Voros and Erik Reimhult, Electrochemical Biosensors - Sensor Principles and Architectures , Sensors 2008, 8, 1400-1458 24 Jing-Juan Xu, Xi-Liang Luo and Hong-Yuan Chen, ANALYTICAL ASPECTS OF FET-BASED BIOSENSORS, Frontiers in Bioscience 10, 420 430, January 1, 2005 25 Jing-Juan Xu, Xi-Liang Luo and Hong-Yuan Chen, ANALYTICAL ASPECTS OF FET-BASED BIOSENSORS, Frontiers in Bioscience 10, 420 430, January 1, 2005 26 F Patolsky, G Zheng and C.M Lieber, Fabrication of silicon nanowire devices for ultrasensitive, label-free, real-time detection of biological and chemical species, Nat Protocols 1, 1711-1724, 2006 27 Minghui Yang, Fengli Qu, Yashuang Lu, Yan He, Guoli Shen, Ruqin Yu, Platinum nanowire nanoelectrode array for the fabrication of biosensors, Biomaterials 27, 5944–5950, 2006 28 C Xiang et al., Lithographically Patterned Nanowire Electrodeposition: A Method for Patterning Electrically Continuous Metal Nanowires on Dielectrics, ACS Nano (2008) 1939 29 F Patolsky, B.P Timko, G Zheng and C.M Lieber, Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences, MRS Bull 32, 142-149, 2007 30 Tong Duy Hien, Tran Nhan Ai, Le Dang Khoa, Le Thi Thanh Tuyen, Dang Mau Chien, Fabrication of wafer-scale platium nanowires and its application in glucose detection, Proceeding of 15th International Conference on Composites or Nano Engineering, ICCE-15, Haikou, Hainan Island, China, July 15-21, 2007 31 Tong Duy Hien et al., Simple technique for direct patterning of nanowires using a nanoslit shadow-mask, Transducers 2007, 191-194, 2007 32 Tong Duy Hien et al., Fabrication of wafer-scale, ready for application nanowires, Proceeding of Nanosensors, Vienna, 2007 (invited paper) 33 Tong Duy Hien et al., Novel Top-Down Wafer-Scale Fabrication of Single Crystal Silicon Nanowires, Nanoletter 2009 (online publication, January 2009) ... NANO PHẠM XUÂN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHIP SỢI NANO VÀNG ỨNG DỤNG TRONG ĐỊNH LƯỢNG HÀM LƯỢNG CHOLESTEROL TỰ DO TRONG DUNG DỊCH Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo. .. ăn mòn tạo hốc nano bước vô quan trọng trình chế tạo sợi nano, định tới hình dạng sợi nano chế tạo 2.1.2.4 Bốc bay góc nghiêng tạo màng vàng Tuy có nhiều phương pháp dùng để chế tạo màng vàng, ... sử dụng tuổi thọ cảm biến sinh học  Sử dụng cảm biến việc định lượng nồng độ cholesterol tự dung dịch 26 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo sợi nano vàng kỹ thuật DEA 2.1.1 Cấu trúc sợi nano vàng