Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu nghiên cứu đề tài là ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose trong dung dịch. Ứng dụng vật liệu nano từ tính – kim loại trong phân lập và khảo sát tế bào gốc máu từ mẫu tủy xương.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ Lƣu Mạnh Quỳnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG HẠT NANO KIM LOẠI, BÁN DẪN Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62440104 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2018 i Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Văn Vũ PGS TS Nguyễn Ngọc Long Phản biện 1: ……………………………… Phản biện 2:……………………………… Phản biện 3:……………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp : Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi …… 00, ngày …… tháng …… năm ……… Có thể tìm hiểu luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội ii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cảm biến sinh học chuyển hóa tín hiệu sinh học thành tín hiệu đọc với độ chọn lọc cao, ứng dụng nhiều trong nhiều ngành khoa học, công nghệ sinh học, công nghệ môi trường hay công nghệ thực phẩm Các cảm biến sinh học hệ cảm biến có tín hiệu đầu tín hiệu điện hóa dạng giản đồ thể qt vịng (CV) Cùng với CV, q trình điện hóa xảy bề mặt điện cực cảm biến điện hóa khảo sát thơng qua phương pháp đo điện tổng trở (total impedance) Trong cảm biến sinh học điện hóa, vật liệu nano thường đưa lên bề mặt điện cực để làm tăng diện tích tiếp xúc đối tượng sinh học với điện cực; từ tăng cường tín hiệu đọc được, giúp tăng độ nhạy cảm biến Gắn liền với tín hiệu qt vịng đối tượng glucose Mặc dù đối tượng cũ, cảm biến sinh học điện hóa xác định nồng độ glucose ln dùng để đánh giá phẩm chất cảm biến Thơng qua đây, vai trị vật liệu nano việc hỗ trợ làm tăng độ nhạy cảm biến thể rõ rệt Các nghiên cứu nước tập trung vào khai thác khả làm tăng diện tích tiếp xúc vật liệu nano cố định bề mặt điện cực đối tượng sinh học Chưa có nghiên cứu sử dụng cảm biến điện hóa đánh giá tương thích vật liệu đối tượng sinh học Trong đó, số nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử bước đầu cho thấy tương thích bề mặt phân tử sinh học với chấm lượng tử chứa lưu huỳnh ZnS hay PbS Trong vật liệu nano PbS vật liệu mới, vậy, đối tượng phù hợp để ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học Một đối tượng quan trọng cảm biến sinh học điện tổng trở tế bào Trong đó, tế bào gốc máu đối tượng mới, có tính ứng dụng y học cao nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm Các hạt nano thường điều khiển để bám lên bề mặt tế bào cách đặc hiệu Sau đó, tín hiệu điện tổng trở sử dụng tín hiệu đầu cảm biến sinh học Ý tưởng tạo loại vật liệu đa chức vừa có từ tính vừa có tính chất quang hạt nano kim loại nhằm tách chiết chụp ảnh đo đạc tế bào nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm Việc sử dụng vật liệu nano đa chức tách lọc tế bào gốc kết hợp với chụp ảnh đo đạc nồng độ tế bào hạn chế Xuất phát từ thực tế trên, thực đề tài “Nghiên cứu chế tạo tính chất cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano kim loại, bán dẫn” Mục tiêu nghiên cứu luận án Ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS để nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose dung dịch Ứng dụng vật liệu nano từ tính – kim loại phân lập khảo sát tế bào gốc máu từ mẫu tủy xương Nội dung nghiên cứu Vật liệu nano chì sulfide (PbS) chế tạo phương pháp hóa siêu âm Các hạt nano vàng (Au) đa chức từ tính – kim loại, bao gồm Fe3O4-Ag Fe3O4-Au, nghiên cứu chế tạo phân tán môi trường nước phương pháp hóa ướt Vật liệu nano PbS nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose Vật liệu đa chức Fe3O4-Ag ứng dụng nghiên cứu phân lập đo đạc nồng độ tế bào gốc máu từ mẫu tủy xương Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án thực nghiệm kết hợp với mơ tính tốn Các phép đo sử dụng nghiên cứu hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ quang học vùng tử ngoại khả kiến (UV-vis), phổ huỳnh quang (PL) phổ tán xạ Raman Các tín hiệu đầu cảm biến tín hiệu điện bao gồm giản đồ quét vòng (CV) tổng trở đo hệ điện hóa tích hợp (PGSTATS) Phương pháp tính tốn mơ sử dụng để đánh giá tương tác vật liệu nano với phân tử hữu Những đóng góp luận án Đã chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu nano PbS với độ nhạy lên tới 546,2 µAcm-2mM-1 Sử dụng phương pháp tính tốn mơ để khảo sát liên kết hạt PbS với phân tử hữu cơ, từ đưa lời giải thích khả chuyển tiếp điện tích hạt nano PbS với enzyme Glucose Oxidase (GOx), dẫn tới làm tăng độ nhạy cảm biến Chế tạo thành công cảm biến sinh học điện tổng trở sử dụng hạt nano Fe3O4-Ag để khảo sát nồng độ tế bào gốc Trong trình chế tạo cảm biến, thành công ứng dụng tính chất từ vật liệu nano tính huỳnh quang chất nhạy quang đính kháng thể để khảo sát hiệu suất gắn kháng thể vật liệu Cấu trúc luận án Luận án gồm 137 trang bao gồm: Phần mở đầu (8 trang); Tổng quan (37trang); Phương pháp chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu (14 trang); Phân tích tính chất vật liệu (31 trang); Ứng dụng vật liệu nano chế tạo cảm biến sinh học (32 trang); Kết luận (1 trang); Danh mục cơng trình cơng bố luận án (1 trang); Tài liệu tham khảo (13 trang), với 149 tài liệu Luận án có bảng, 72 hình vẽ CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Cảm biến sinh học Cảm biến sinh học bao gồm phận chính: (i) phần tử nhận biết sinh học hay đầu thu sinh học (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt đối tượng cần nhận biết cách đặc hiệu, (ii) phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) đóng vai trị chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu đo được, (iii) phần tử xử lý tín hiệu (signal processing system) đóng vai trị biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu đọc được; từ đưa thông tin đối tượng sinh học cần nhận biết Các tiêu chí chất lượng (performance criteria) đóng vai trị khơng thể thiếu đánh giá, so sánh cảm biến sinh học Các tiêu chí tập trung vào đánh giá hiệu suất sử dụng nhiều đánh giá chất q trình sinh hóa xảy bên cảm biến sinh học Các tiêu chí phẩm chất cảm biến sinh học bao gồm: thơng số hiệu chỉnh, tính lọc lựa độ tin cậy, thời gian phản ứng tính lặp lại, độ bền thời gian sống Cảm biến sinh học điện hóa cảm biến sinh học có tín hiệu đầu tín hiệu điện hóa; thơng thường tín hiệu điện qt vịng (cyclic voltammetry – CV), tín hiệu tổng trở (total impedance) Gắn liền với lịch sử cảm biến sinh học, cảm biến điện hóa sử dụng tín hiệu CV để xác định glucose dung dịch hoạt động dựa sở tương tác glucose với enzyme, đóng vai trị cảm biến Tương tác enzyme phân tử glucose tạo phản ứng xi hóa khử để xi hóa glucose thành gluconic acid Các cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose sử dụng nghiên cứu đại thường cảm biến hệ II hệ III Ở cảm biến thể hệ II, electron chuyển tiếp lần qua dung mơi điện hóa trước phía điện cực Cảm biến hệ III, với mong muốn đơn giản hóa q trình pha thêm dung môi, chuyển tiếp trực tiếp điện tử tới bề mặt điện cực thông qua tiếp xúc enzyme với vật liệu làm điện cực Một đối tượng xuất nhiều cảm biến sinh học tổng trở tế bào; đó, tế bào gốc máu nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm Trong cảm biến khảo sát tế bào, phận nhận biết sinh học hoạt động dựa tương tác kháng nguyên – kháng thể Các nghiên cứu tế bào gốc thường tập trung vào phân lập tế bào gốc, sau tiến hành ni biệt hóa với mục đích khác nhau; muốn khảo sát hàm lượng tế bào gốc lại có phép đo riêng biệt Rất thấy nghiên cứu kết hợp việc phân lập tế bào gốc máu xác định làm lượng 1.2 Vật liệu nano cảm biến sinh học điện hóa Với kích thước nhỏ đạt đến cấp độ kích thước tế bào, vật liệu nano cho vật liệu làm thay đổi nên khoa học cơng nghệ nhiều tính đặc biệt: tổng diện tích bề mặt lớn, kích thước phù hợp để nghiên cứu sinh học cấp độ tế bào, xuất tính lý hóa đặc biệt tiết kiệm vật liệu, thu nhỏ kích thước linh kiện Các ưu điểm hồn tồn ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa nhằm làm tăng độ nhạy tăng khả điều khiển đối tượng sinh học trước đo đạc Trong cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose, vật liệu nano cố định bề mặt điện cực để tạo cấu trúc xốp với diện tích bề mặt lớn Sau đó, dung dịch chứa nhỏ lên bên trên, để điều kiện phù hợp cho Sau có toàn hệ cố định lớp polymer dẫn Hầu hết nghiên cứu hướng tới tăng độ xốp vật liệu, đơn giản dựa vào việc chế tạo vật liệu sau ứng dụng mà chưa đề cập nhiều đến tương thích enzyme với vật liệu nhằm nâng cao chất lượng trình trao đổi điện tử từ vật liệu tới enzyme Một số nghiên cứu ứng dụng tính chất quang vật liệu cảm biến xác định nồng độ glucose cho thấy vật liệu sulfide kim loại biểu tính tương thích sinh học với glucose oxidase Giải pháp dùng hạt nano từ bám đặc hiệu lên bề mặt tế bào gốc máu, phân lập trước khảo sát cho giải pháp đơn giản, chi phí thấp Vật liệu nano từ tính – kim loại hứa hẹn vật liệu đa có tính ứng dụng cao cảm biến điện chúng sử dụng tách chiết tế bào nhờ tính chất từ, có khả tăng cường tín hiệu điện (từ chất vật liệu kim loại quý) khả đánh dấu tín hiệu Raman tăng cường bề mặt CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu 2.1 Chế tạo hạt nano bán dẫn PbS Phản ứng tạo sulfide kim loại từ muối chứa ion kim loại thioacetamide (TAA) nghiên cứu từ sớm Trong thí nghiệm chế tạo hạt nano PbS, sóng siêu âm sử dụng yếu tố xúc tác phản ứng cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) sử dụng chất hoạt động bề mặt để hạn chế phát triển kích thước hạt 2.2 Chế tạo hạt nano vàng Quá trình phát triển kích thước điều khiển có mặt chất hoạt hóa bề mặt Phân tử CTAB có cấu trúc đầu nước đầu kị nước, nên phân tán vào môi trường nước, chúng thường tạo thành tiểu cầu có kích thước nhỏ Các tiểu cầu có xu bao bọc xung quanh hạt nano vàng, vừa hạn chế trình phát triển đồng thời hỗ trợ điều khiển hình dạng hạt 2.3 Chế tạo hạt nano Fe3O4 Các hạt nano Fe3O4 chế tạo phương pháp đồng kết tủa Tiền chất sử dụng FeCl2.4H2O, FeCl3.6H2O dung dịch amoni NH4OH Dung dịch chứa muối FeCl2 FeCl3 trộn với theo tỉ lệ số mol FeCl2:FeCl3 = 1:2 NH4OH bổ sung từ từ nhiệt độ dung dịch giữ 60oC Kết tủa Fe3O4 hình thành có màu đen để ổn định thời gian 30 phút trước lọc rửa 2.4 Chế tạo hạt nano composite Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag Các hạt Fe3O4-Au Các hạt Fe3O4-Au chế tạo theo bước: Cho HAuCl4 vào dung dịch chứa hạt nano Fe3O4 với pH khác nhau, sau ion AuCl4 hấp phụ lên bề mặt Fe3O4, sử dụng NaBH4 để khử thành Au Các hạt Fe3O4-Ag Các hạt Fe3O4-Ag chế tạo theo bước: chức hóa bề mặt hạt Fe3O4 APTES (Aminopropl triethyl orthosilane), ion Ag+ cho hấp phụ lên bề mặt hạt Fe3O4 sau chức hóa dùng NaBH4 để khử Ag+ thành Ag Các phƣơng pháp nghiên cứu 2.5 Nhiễu xạ tia X – XRD 2.6 Tán xạ Raman 2.7 Hiển vi điện tử truyền qua – TEM 2.8 Hệ đo hấp thụ quang học CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT VẬT LIỆU 3.1 Các hạt nano PbS Các hạt nano PbS chế tạo phương pháp đồng kết tủa có dạng lập phương, dạng với kích thước chiều ngang khoảng 23 nm Các hạt cấu thành từ kết hợp nhiều hạt đơn tinh thể có kích thước 2-3 nm (hình 3.1) Nghiên cứu phổ tán xạ Raman kết hợp với xạ nhiệt laser cho chế tạo sau ngâm CTAB tháng 4,2 ± 0,5 (12%) nm 23,6 ± 1,2 (3%) nm Hình 3.2 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hạt nano Au Hình A: ảnh TEM hạt sau chế tạo Hình B: ảnh TEM hạt sau ngâm 70 mM CTAB tháng Hình C: phổ phân bố kích thước hạt hai trường hợp Các phân tử CTAB phân ly dung dịch thành ion dương Ctyltrimethyl ammonium (CTA+) Br- Các ion CTA+ có đầu mang điện tích dương gốc amin cấp III – nguyên tử H NH3 bị thay cụm CH3, liên kết với bề mặt hạt nano vàng liên kết tĩnh điện – điện tích bề mặt hạt nano vàng âm Đầu lại ion CTA+ chuỗi dài phân tử hữu (C16), chúng 10 tạo liên kết kị nước với đuôi hữu C16 ion CTA+ khác tạo thành “gói” để bao bọc hạt nano vàng lại Chính cấu trúc “gói” hạn chế q trình khuếch tán hạt Au với nhau; đồng thời làm cho hạt sau phát triển có kích thước Hình 3.3 Sự phụ thuộc kích thước hạt nano Au theo thời gian ngâm môi trường dung mơi khác Kích thước hạt tính tốn từ lý thuyết Mie Hình 3.3 kết tính tốn thể tích hạt nano Au theo thời gian mơi trường dung mơi CTAB có nồng độ 25 mM, 35 mM, 70 mM CTAB có nồng độ 25 mM bổ sung 100 mg/L PVP Có thể thấy, nồng độ CTAB thay đổi, phát triển kích thước hạt nano vàng theo thời gian không thay đổi nhiều Nhưng bổ sung thêm 500 mg PVP vào dung dịch tốc độ già hóa hạt nano vàng tăng lên; khơng thể tích hạt nano Au lớn so với thể 11 tích hạt Au có CTAB Có thể thấy, q trình già hóa chia làm hai giai đoạn Giai đoạn đầu, tốc độ phát triển kích thước hạt nhanh, đạt đến ổn định sau 10h (hình 3.8 – hình nhỏ) Sau đó, giai đoạn sau kích thước hạt phát triển chậm nhiều, bắt đầu đạt ổn định sau 30 ngày ngâm dung dịch Q trình già hóa khơng dùng để nghiên cứu chế tạo hỗ trợ ổn định bề mặt hạt nano vàng, hay kim loại nói chung mà cịn ứng dụng việc bọc kim loại xung quanh bề mặt hạt từ Cụ thể, sau khử ion kim loại để tạo lớp kim loại bên ngồi hạt nano từ, ta tiếp tục ngâm chúng môi trường phản ứng để lớp kim loại bên tiếp tục phát triển thêm, để tạo thành lớp vỏ bao bọc xung quanh hạt nano từ 3.3 Các hạt nano đa chức từ tính – kim loại 3.3.1 Hạt nano Fe3O4 Hình 3.4 Ảnh TEM HRTEM mẫu hạt Fe3O4 làm phương pháp đồng kết tủa Các hạt nano Fe3O4 hình thành dạng đơn tinh thể có kích thước nằm khoảng từ nm đến 12 nm (hình 3.4) Trong trình phản ứng tạo thành từ phương pháp đồng kết 12 tủa, hạt nano Fe3O4 hình thành từ tâm phản ứng độc lập lớn đến kích thước 10 nm Tại đây, hạn chế phát triển chất hoạt hóa bề mặt, kích thước hạt dừng lại ổn định Ở kích thước này, hạt nano Fe3O4 biểu tính siêu thuận từ có độ từ hóa bão hóa Ms = 67,1 emu/g 3.3.2 Nghiên cứu trình gắn Au lên hạt Fe3O4 Dung dịch muối vàng – chloroaurate – tồn dung dịch dạng phức với OH theo công thức AuClx (OH )4x với x = 0, 1, 2, Sự chuyển hóa ion chloroaurate dung dịch pH khác tuân theo phương trình sau: AuClx (OH ) 4 x H Cl AuClx 1 (OH ) 3 x H O Hình 3.5 Tổng điện tích điện hóa q trình ion Au(OH)xCl4-x- có tổng nồng độ mM bị khử pH khác (hình trái) phần trăm lượng ion bị hấp phụ lên bề mặt hạt nano Fe3O4 sau ngâm thời gian 30 phút (hình phải) Khi pH tăng tỉ phần muối phức có giá trị x lớn tăng lên Từ giá trị số cân phương trình kể số cân nước ( H OH H 2O ), tính tỉ phần ion có dung dịch pH khác 13 Với cấu hình có nhiều gốc OH hơn, pH cao, lượng ion chloro aurate hấp phụ nhiều bề mặt hạt Fe3O4 Điều đo đạc thơng qua tính tốn từ phép đo CV dung dịch chứa muối vàng trước sau ngâm Fe3O4 pH khác (hình 3.5) Như vậy, để có lượng Au bám nhiều bề mặt hạt nano Fe3O4, hạt nano Fe3O4 ngâm dung dịch chứa ion chloroaurate pH cao, sau sử dụng NaBH4 để khử muối vàng thành Au Kết nhận hình 3.6 Hình 3.6 Ảnh TEM hạt nano Fe3O4 trước sau gắn với hạt nano Au Hình A: Ảnh TEM hạt nano từ trước gắn với hạt nano Au Hình B: hạt nano Fe3O4 dạng phức hợp tạo thành từ việc khử dung dịch HAuCl4 NaBH4 sau ngâm hạt Fe3O4 dung dịch 30 phút pH Do lượng hạt chế tạo không lớn, không đủ để thực phép đo từ tính hệ từ kế mẫu rung; thí nghiệm đơn giản để kiểm tra từ tính hệ vật liệu, đồng thời hướng đến ứng dụng vật liệu tách chiết y sinh thực (mô tả mục 2.3.3) Cụ thể, hạt nano phức hợp Fe3O4-Au phân tán dung dịch, đặt nam châm vĩnh cửu bên cạnh đo nồng độ dung dịch theo thời 14 gian thông qua giảm cường độ hấp thụ đỉnh 540 nm – đặc trưng hạt nano vàng (hình 3.7) Các khoảng thời gian đo phút, phút, 10 phút, 20 phút, 35 phút 45 phút sau đặt nam châm vĩnh cửu Hình 3.7 Phổ hấp thụ dung dịch chứa hạt nano vàng thời điểm khác sau đặt nam châm bên cạnh cuvette; (a) phổ hấp thụ mẫu thời điểm ban đầu chưa đặt nam châm, (b), (c), (d), (e), (f) phổ hấp thụ thời điểm phút, phút, 10 phút, 20 phút 35 phút sau đặt nam châm Hình trong: biểu diễn phụ thuộc độ hấp thụ 540 nm vào thời gian 3.3.3 Hạt Fe3O4-Ag Tương tự phần 3.3.2, trình thu thập hạt Fe3O4-Ag nam châm vĩnh cữu đo đạc thông qua phổ hấp thụ quang học tử ngoại khả kiến (UV-vis) Đầu tiên, đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc cường độ hấp thụ vào nồng độ dung dịch chứa Fe3O4-Ag xây dựng Phổ hấp thụ dung dịch chứa hạt nano đa chức nồng độ khác ppm, 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm, 72 ppm 150 ppm đo hệ đo hấp thụ quang học UV2450, Shimadzu 15 Hình 3.8 Sự giảm nồng độ hạt Fe3O4-Ag dung dịch sử dụng nam châm để hút Từ cường độ hấp thụ 376 nm, nồng độ hạt nano thời gian kể tính tốn vẽ đồ thị phụ thuộc thời gian hình 3.20 Nhận thấy cần 20 phút để thu thập hầu hết hạt nano Fe3O4-Ag Thời gian sử dụng thực nghiệm ứng dụng trình bày chương CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC 4.1 Chế tạo cảm biến glucose sử dụng hạt nano PbS 4.1.1 Thiết kế cảm biến phương pháp đo đạc Quy trình chế tạo điện cực làm việc mơ tả hình 4.1; chia làm bước: tạo điện cực vàng, tạo hỗn hợp PbS-GOx nhỏ dung dịch chứa hỗn hợp PbS-GOx lên điện cực để tạo thành màng không tan nước Đặc trưng I-V hiệu quét vòng đo máy PGSTAT302N với hệ điện cực bao gồm điện cực chuẩn RE điện cực Ag/AgCl bão hòa, điện cực đếm CE làm Pt 16 điện cực làm việc WE chế tạo phần Đặt hiệu điện quét vòng lên điện cực làm việc, khoảng làm việc [-0.1, +1,5], tốc độ quét 50 mV/s Khoảng cách điện cực làm việc điện cực đếm giữ nguyên cm Nồng độ glucose dung dịch tăng dần từ 0,1 mM đến 1,3 mM Hình 4.1 Mơ tả cấu tạo điện cực làm việc cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose có sử dụng hạt nano PbS 4.1.2 Kết thảo luận Hình 4.2 Kết đo CV dung dịch chứa glucose với nồng độ tăng từ 0,1 M đến 1,3 M hệ điện hóa với điện cực WE có PbS-GOx Hình 4.2 kết đo CV dung dịch chứa glucose với nồng độ tăng dần từ 0,1 mM đến 1,3 mM – điện cực sử dụng 17 điện cực có PbS-GOx Khi nồng độ glucose tăng lên, số điện tử cần để hoạt hóa GOx tăng lên, dẫn tới cường độ dòng khử đỉnh 0,49 V tăng lên Tương tự vậy, cường độ dịng xi hóa đo vị trí hiệu điện làm việc 1,14 V, đặc trưng cho q trình chuyển hóa PbS thành PbSO2, tăng lên, biểu tiếp xúc tốt PbS GOx Độ nhạy cảm biến tính từ độ dốc đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ dịng điện hóa vị trí đỉnh xi hóa PbS thành PbSO2 (1,14 V), có kết S1PbS = 546,2 ± 24,6 μAcm-2mM-1 Cglucose > 0,8 Độ nhạy lớn cảm biến sinh học xác định glucose sử dụng enzyme Gox cơng bố nhóm Chen năm 2011 đạt 711,1 μAcm-2mM-1 Dựa vào phương pháp chế tạo điện cực, thấy diện tích điện cực nhóm Chen xấp xỉ diện tích điện cực cơng bố luận án Nhưng trình chế tạo điện cực nhóm Chen chia làm bước, (i) cố định lớp graphene sau (ii) phủ lớp hạt nano vàng lên bề mặt điện cực, trước sử dụng điện hóa để gắn phân từ GOx Quá trình phức tạp nhiều so với trình chế tạo điện cực luận án So sánh kết với kết cơng bố trước với điện cực làm từ tetrapod ZnO – độ nhạy 166,7 ± 8,3μAcm2 mM-1; ta nhận độ nhạy cảm biến tăng lên lần Kết phân tử GOx hấp phụ bề mặt vật liệu, chúng ưu tiên liên kết chặt chẽ với hạt nano PbS so với ZnO Trong cấu trúc 3D GOx, vị trí liên kết với FAD – nơi liên kết để chuyển tiếp electron, 18 gần với amino axit cystein vị trí thứ 512 – amino acid đặc trưng có gốc thiol (-SH) Hình 4.2 Tính tốn độ nhạy cảm biến từ đỉnh xi hóa 1,14 V với điện cực làm việc WE có PbS-GOx 4.1.3 Tương tác hạt PbS phân tử 4-ATP Hình 4.3A kết tính toán tổng lượng hệ PbS 4-ATP trường hợp: Pb-S nguyên tử S phân tử 4-ATP tiến lại gần liên kết với nguyên tử Pb tinh thể PbS S-S nguyên tử S 4-ATP tiến lại gần liên kết với nguyên tử S tinh thể PbS Tổng lượng hệ Pb-S nhỏ so với tổng lượng hệ S-S, tương ứng với khoảng cách hai nguyên tử liên kết hai trường hợp 2,98 Å Pb-S 3,40 Å S-S Bên cạnh đó, phân bố mật độ electron cho thấy nguyên tử 4-ATP hình thành liên kết ion với nguyên tố Pb bề mặt, đồng thời cịn có liên kết với hai ngun tử S lân cận nguyên tử Pb tinh thể PbS (hình 4.3B) Điều chứng tỏ phân tử 4- 19 ATP ưu tiên liên kết chặt chẽ với bề mặt tinh thể PbS vị trí nguyên tử chì (Pb) Hình 4.3 Phụ thuộc tổng lượng hệ PbS-4ATP phụ thuộc vào khoảng cách hai nguyên tử tham gia liên kết (A) giản đồ phân bố mật độ electron vị trí có tổng lượng thấp (B) – liên kết bền 4.2 Ứng dụng hạt nano từ - kim loại phân lập tế bào gốc máu từ mẫu tủy xƣơng 4.2.1 Thiết kế cảm biến phương pháp đo đạc Hình 4.4 Thiết kế điện cực sử dụng cảm biến đo nồng độ tế bào phương pháp điện tổng trở (A) ảnh SEM bề mặt điện cực (B) Cảm biến đo nồng độ tế bào hệ hai điện cực thiết kế hình 4.4A Hình 4.4B ảnh SEM bề mặt điện cực độ phóng đại 30 lần Khi thực phép đo tổng trở điện cực chuẩn RE nối tắt với điện cực đếm CE 20 Quá trình đo đạc cảm biến chia thành bước: (i) chức hóa gắn hạt Fe3O4-Ag với kháng thể antiCD34, (ii) phân lập tế bào gốc từ mẫu tủy xương (iii) sử dụng phép đo tổng trở để khảo sát nồng độ tế bào gốc sau phân lập 4.2.2 Kết thảo luận Mẫu tủy xương nhuộm màu hai chất huỳnh quang ECD – chất huỳnh quang màu đỏ, đính đặc hiệu với tế bào CD34+ FITC - chất huỳnh quang màu xanh cây, có đính đặc hiệu với loại tế bào khác CD45+ Trên ảnh hiển vi huỳnh quang đặc trưng ECD tế bào phát quang màu đỏ tế bào CD34+ (hình 4.5A) Các tế bào phát huỳnh quang màu xanh hình 4.5B tế bào CD45+ Hình 4.5 Kết hiển vi huỳnh quang mẫu tủy xương trước (A, B) sau (C, D) sử dụng hạt nano Fe3O4-Ag-antibody để tách chiết tế bào gốc A,C: huỳnh quang thị tế bào CD45+ B,B: huỳnh quang thị tế bào CD34+ 21 Sau sử dụng hạt nano từ gắn kháng thể Fe3O4-AgantiCD34 để phân lập tế bào CD34+, mẫu khơng cịn tế bào phát huỳnh quang màu xanh (FITC) nữa, chứng tỏ khơng cịn dấu hiệu CD45+ (hình 4.5C) Khi chụp điều kiện phát quang ECD, ta lại thấy tất tế bào phát màu đỏ (hình 4.5D).Hay nói cách khác, sau phép lọc từ, mẫu cịn lại tế bào CD34+ Hình 4.7 biểu diễn phụ thuộc nghịch đảo điện trở tương đương - RC , ứng với độ dẫn σ dung dịch (hình A) cảm kháng tương đương CC vào C (hình B) Ở đây, đơn vị nồng độ [tế bào/μL] nên đơn vị tương đương C [tế bào/cm ], nồng độ tế bào theo chiều dài Nhận thấy -1 điểm thí nghiệm có xu nằm đường tuyến tính Độ dẫn dung dịch tỉ lệ thuận dùng làm tín hiệu thị để đo nồng độ tế bào Cảm biến có độ nhạy 1,48 ± 1,4% (10-4 Ω-1/tế bào.mm-1), có giới hạn khảo sát 2,74 tế bào.mm-1 Hình 4.7 Khảo sát phụ thuộc tuyến tính giá trị trở tương đương 1/RC (hình A) CC (hình B) vào nồng độ tế bào theo chiều dài ( C ) 22 KẾT LUẬN Ứng dụng vật liệu nano PbS để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose Độ nhạy cảm biến, đo tỉ lệ cường độ điện hóa 1,14V ứng với q trình xi hóa PbS thành PbSO2 với nồng độ glucose, đạt 546,2 ± 24,6 μAcm-2mM-1 Sự phát triển hạt nano vàng mơi trường chứa chất hoạt hóa bề mặt, CTAB PVP nghiên cứu Kết cho thấy, mơi trường có chứa chất hoạt hóa, hạt nano phát triển chậm có kích thước đồng khơng có chất hoạt hóa Kích thước hạt điều khiển thơng qua thời gian ngâm dung dịch CTAB Các hạt nano Fe3O4-Ag ứng dụng để phân lập tế bào gốc máu từ mẫu tủy xương Các hạt nano Fe3O4-Ag gắn với kháng nguyên nhận biết tế bào gốc máu CD34+ tìm đến gắn đặc hiệu lên bề mặt tế bào Sử dụng từ trường để phân lập tế bào gốc máu khỏi mẫu Độ dẫn dung dịch chứa tế bào sử dụng làm tín hiệu để xác định nồng độ tế bào Độ nhạy cảm biến 1,48 ± 1,4% (10-4 Ω-1/tế bào.cm-1) Giới hạn khảo sát cảm biến 2,74 tế bào.mm-1 Kiến nghị hướng nghiên cứu Cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose dung dịch thực mẫu phịng thí nghiệm mà chưa thực mẫu thực Luận án khai thác nhiều góc độ tương tác vật liệu chuyển tiếp tín hiệu enzyme Cấu trúc điện cực tối ưu để hướng tới tạo sản phẩm có tính ứng dụng cao 23 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC TIÊU BIỂUCỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Luu Manh Quynh, Chu Tien Dung, Bach Thi Mai, Hoang Van Huy, Nguyen Quang Loc, Nguyen Quang Hoa, Pham Tuan Thach, Bui Viet Anh, Chu Thi Thao, Nguyen Hoang Nam, Hoang Thi My Nhung, Nguyen Ngoc Long, Le Van Vu (2018), “Development of Fe3O4/Ag core/shell-based multifunctional immunomagnetic nanoparticles for isolation and detection of CD34+ stem cells” Journal of Immunoassay and Immunochemistry 39(3), pp 308-322 Cong Doanh Sai, Manh Quynh Luu, Van Vu Le, Phuong Mai Nguyen, Nguyen Hai Pham, Viet Tuyen Nguyen, Xuan Quy Nguyen, Quoc Khoa Doan, Thi Ha Tran (2017), “Fast Synthesis of PbS Nanoparticles for Fabrication of Glucose Sensor with Enhanced Sensitivity”, Journal of Electronic Materials 46(6), pp 3674-3680 Nguyen Thuy Trang, Luu Manh Quynh, Tran Van Nam, Hoang Nam Nhat (2013), “Charge transfer at organicinorganic interface of surface-activated PbS by DFT method”, Surface Science 608, pp 67-73 Sai Cong Doanh, Luu Manh Quynh (2015) “Highly sensitive enzyme based glucose sensor using lead sulfide nanocrystals”, VNU Journal of Science: Mathematics – Physics 31(2), pp 61-67 24 ... hạn chế Xuất phát từ thực tế trên, thực đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo tính chất cảm biến điện hóa sử dụng hạt nano kim loại, bán dẫn? ?? Mục tiêu nghiên cứu luận án Ứng dụng vật liệu nano bán dẫn PbS... khả đánh dấu tín hiệu Raman tăng cường bề mặt CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu 2.1 Chế tạo hạt nano bán dẫn PbS Phản ứng tạo sulfide... hầu hết hạt nano Fe3O4-Ag Thời gian sử dụng thực nghiệm ứng dụng trình bày chương CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC 4.1 Chế tạo cảm biến glucose sử dụng hạt nano PbS