nh 3 12: a) Phổ PL của ống nano Au(10s)/ZnO thay đổi theo nồng độ của H2O2.
Để xác nhận hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang của các ống nano Au/ZnO phủ
vàng đƣợc gây ra bởi các phân tử dập tắt H2O2, tôi tiến hành thử đo phổ huỳnh
quang của mẫu ống nano ZnO sau khí phún xạ vàng trong 10s đặt trong cuvet
Bước sóng (nm) Cường đ ộ PL t ỷ đối (I/I 0 )
chứa 2,0ml H2O2 với các nồng độ khác nhau lần lƣợt thay đổi từ 0,1 mM – 6,0mM.
Sự giảm dần cƣờng độ đỉnh huỳnh quang của các mẫu ống Au/ZnO khi tăng
nồng độ H2O2 đƣợc thấy rõ trong hình 3.12 lên đến khoảng 70% ở nồng độ 6mM
H2O2. Đồng thời huỳnh quang của ống ZnO phủ vàng gây ra bởi H2O2 có độ dốc
lần lƣợt 21%/1mM trong vùng 0,1 – 1mM và 5,6%/1mM trong vùng nồng độ cao 1,0 – 6,0mM.
Tất các điều trên chứng minh rằng hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang ở ống nano ZnO phủ vàng trong quá trình xúc tác phân hủy glucose đƣợc gây ra bởi sự
hình thành các phân tử H2O2.
nh 3 12b): Sự thay đổi c ờng độ đỉnh PL của mẫu Au(10s)/ZnO theo nồng độ H2O2
Nồng đồ H2O2 (mM)
I/I0
k1 = 0.210k1=0,210
3 4 Cơ chế hoạt ng của cảm biến huỳnh quang o hàm lƣ ng ƣờng dựa trên ống nano ZnO phủ vàng.
Ta có thể tổng hợp lại cơ chế hoạt động của cảm biến huỳnh quang dƣa trên cấu trúc tổ hợp ống nano ZnO phủ vàng nhƣ sau.
Đầu tiên các phân tử glucose cố định trên bề mặt cấu trúc Au/ZnO bị oxi hóa để phân hủy thành A xít gluconic dƣới sự xúc tác của Au/ZnO khi đƣợc chiếu tia UV. Phƣơng trình phản ứng xảy ra nhƣ sau
Ở các cảm biến glucose sử dụng enzyme thì loại enzyme thƣờng đƣợc sử
dụng dụng là GOx, hoặc GDH để xác tác phản ứng tạo ra H2O2. Tuy nhiên, cảm
biến do nhóm chúng tôi phát triển thì vai trò của enzyme có thể đƣợc thay thế bằng cấu trúc tổ hợp ống nano ZnO phủ vàng dƣới chiếu xạ UV, do đó, hạn chế ảnh hƣởng của môi trƣờng xung quanh so với khi sử dụng tới enzyme trong quá trình xúc tác phản ứng.
Tia UV đƣợc sử dụng là ánh sáng của laser He-Cd ở bƣớc sóng 325nm đồng thời đóng vai trò là nguồn sáng kích thích phát quang các ống nano ZnO và là nguồn trƣờng điện từ kích thích dao động plasmon cục bộ trên bề mặt cấu trúc tổ hợp Au/ZnO.
Khi bị tia laser chiếu xạ, một phần các điện tử trong ZnO bị kích thích chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, đồng thời các các điện tử bị kích thích lên các mức năng lƣợng thấp dƣới vùng dẫn gây ra bởi sai hỏng cấu trúc mạng tinh thể cũng đƣợc chuyển lên vùng dẫn từ đó làm giảm số electron ở những mức năng lƣợng sai hỏng và tăng số electron vùng dẫn dẫn tới sự tăng cƣờng độ huỳnh quang ở đỉnh phổ bƣớc sóng 382nm khi xảy ra sự tái hợp điện tử lỗ trống. Đồng thời sự có mặt của các hạt nano vàng cũng góp phần làm tăng khả năng quang xác tác phân hủy phân tử glucose của ZnO khi ngăn chặn quá trình tái hợp của điện tử.
Au/ZnO UV
Các phân tử H2O2 đƣợc tạo ra từ quá trình phân hủy glucose tiếp tục đóng vai trò là chất dập tắt huỳnh quang các ống nano ZnO khi lấy đi các điện tử kích thích nằm trên vùng dẫn làm giảm cƣờng độ phát quang của ZnO. Số lƣợng phân tử
H2O2 sẽ quyết định số lƣợng electron không thể tái hợp để phát xạ ánh sáng.Từ
phƣơng trình oxi hóa glucose, ta nhận thấy số phân từ H2O2 tỷ lệ số phân tử
đƣờng, đo đó ta có thể xác định đƣợng nồng độ đƣờng glucose gián tiếp thông qua
việc xác định nồng độ H2O2 bằng phƣơng pháp so sánh sự thay đổi cƣờng độ đỉnh
phổ huỳnh quang ở vùng 382nm.
Hình 3.13: Cơ chế ập tắt PL của c c ống nano ZnO phủ vàng sau khi đ c nhỏ glucose.
Số lƣợng các phần tử H2O2 tỉ lệ với số lƣợng phân tử glucose trên ống nano
ZnO. Số lƣợng H2O2 quyết định số lƣợng các electron không thể tái hợp với lỗ
trống để phát xạ năng lƣợng. Vì vậy đo đƣợc sự giảm cƣờng độ PL cũng chính là đo đƣợc nồng độ glucose.
3.5 KHẢO SÁT ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN
Độ chọn lọc là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả hoạt động của cảm biến với sự có mặt của một số chất khác glucose. Khi so sánh với các các cảm
biến sinh học thông thƣờng với phần tử nhận biết chất phân tích là các phân tử sinh học với khả năng chọn lọc cao, cụ thể là các cảm biến đƣờng sử dụng enzyme Gox chỉ có khả năng xúc tác phân hủy glucose, cảm biến glucose dựa trên cấu trúc tổ hợp Au/ZnO đặt ra một câu hỏi về độ chọn lọc. Để nghiên cứu độ chọn lọc của cảm biến glucose dựa trên vật liệu ZnO phủ vàng, tôi khảo sát sự ảnh hƣởng lên phổ huỳnh quang của cấu trúc tổ hợp Au/ZnO bởi một số chất có trong huyết thanh ngƣời nhƣ: Axit ascobic (AA), Bovin serum albumin (BSA), sucrose, fructose, và maltose.
Hình 3.14:Phổ huỳnh quang của ống nano Au(10s)/ZnO đ c khảo s t với (a) 0,1Mm AA; (b) 40g/L BSA; (c 3mM glucose và 3mM glucose cộng với
1mM mỗi loại sucrose, maltose, fructose
Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) C ư ờ n g đ ộ tỷ đối C ư ờ n g đ ộ tỷ đối C ư ờ n g đ ộ tỷ đối
Hình 3.14a) cho thấy phổ huỳnh quang của ống nano ZnO đƣợc khảo sát với và 0,1mM AA, tƣơng ứng với nồng độ có trong huyết thanh ngƣời. Phổ PL của ống nano ZnO có sự chênh lệch nhỏ (cỡ 1%) khi 0,1 mM AA. Điều này đƣợc giải thích do sai số của máy móc và ảnh hƣởng độ tinh khiết của dung dịch trong quá trình thí nghiệm. Vì vậy có thể chỉ ra rằng và AA không làm dập tắt đáng kể đến phổ huỳnh quang của ống nano ZnO
Tiếp theo, tôi xem xét ảnh hƣởng của Abumin Bovin Serum (BSA) đối với việc dập tắt phổ PL. Nồng độ BSA đã đƣợc chọn là 40 g/l vì huyết thanh của ngƣời thƣờng chứa từ 30 đến 50g / l BSA [10]. Hình 3.14b) cho thấy phổ PL của các thanh nano ZnO đã đƣợc nhỏ BSA, cƣờng độ đỉnh đƣợc chu n hóa với cƣờng độ đỉnh ống nano ZnO không nhỏ BSA. Kết quả phổ huỳnh quang không cho thấy không có sự thay đổi đáng kể của đỉnh phổ huỳnh quang tại bƣớc sóng khoảng 382nm khi so sánh với phổ huỳnh qua của mẫu thanh nano ZnO trƣớc khi nhỏ BSA. Sự thay đổi phổ xảy ra nằm ở ở vùng từ 400nm nhƣng trong phép đo này, tôi chỉ xét tới cƣờng độ của đỉnh vùng tử ngoại tại bƣớc sóng 382nm, vậy nên BSA có thể coi không gây ra ảnh hƣởng tới cƣờng độ đỉnh phổ UV của mẫu ống nano ZnO.
Trong một thử nghiệm tƣơng tự, nhóm Admad đã nghiên cứu phản ứng amperometric của điện cực nano CuO-ZnO/điện cực FTO với sự có mặt của glucose 0,1mM và 0,02mM mỗi chất gây nhiễu (nhƣ Ascobic Axit, Axit Uric, DA, NADH, Mg2 +, Ca2 +, Cys, NaCl, lactoza, sucrose, maltozơ, và mannose) [68]. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng chỉ với 0,1mM glucose đã có phản ứng, trong khi các chất khác có phản ứng không đáng kể. Họ kết luận rằng sự có mặt của các chất khác trong huyết thanh không tạo bất cứ một ảnh hƣởng nào lên hoạt động của cảm biến glucose. Từ các kết trên, tôi đã chứng minh rằng tƣơng tự nhƣ các cảm biến glucose điện hóa truyền thống, cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng cũng có tính chọn lọc và độ nhạy tốt với glucose khi so sánh với các nghiên cứu khác và không bị ảnh hƣởng bởi một số chất khác có trong huyết thanh của ngƣời.
3.6 KẾT QUẢ ĐO NỒNG ĐỘ GLUCOSE TRONG MẪU HUYẾT THANH NGƢỜI CỦA CẢM BIẾN NGƢỜI CỦA CẢM BIẾN
Các kết quả thử nghiệm ở mục 3.3 – 3.5 ở trên đã chứng minh tiềm năng quan trọng của ống nano Au/ZnO nhƣ một cảm biến glucose để đo hàm lƣợng glucose ở huyết thanh ngƣời, độ nhạy cao và không bị ảnh hƣởng bởi các chất khác có trong huyết thanh của ngƣời. Vì vậy, tôi tiếp tục thử nghiệm thực tế với các mẫu huyết thanh trong máu ngƣời. Tôi sử dụng 12 mẫu huyết thanh đã có các kết quả xét nghiệm lâm sàng nồng độ đƣờng glucose đo bằng máy phân tích hóa học máu VetScanVS2 (Abaxis, Inc., Union City, CA 94587). 12 mẫu huyết thanh
có nồng độ đƣờng từ 0,1 – 7,61mM. 15 mỗi huyết thanh đƣợc nhỏ trục tiếp lên
bề mặt các ống nano ZnO phủ vàng với thời gian phún xạ 10s. Hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang cũng đƣợc quan sát thấy nhƣ trong hình 3.15.
nh 3 15: Phổ PL của mẫu ống nano Au(10s)/ZnO với các mẫu serum có nồng độ từ 0,1 – 7,61mM C ờng độ phổ đ c chuẩn hóa so với c ờng độ của mẫu ống
nano ZnO khi nồng độ glucose bằng 0mM.
Bước sóng (nm)
Cường đ
ộ PL t
ỷ
So sánh kết quả đo glucose pha trong DI và glucose trong mẫu Serum của ống ZnO phủ vàng.
nh 3 16: So s nh t ơng quang nồng độ glucose đo đ c bằng dập tắt huỳnh quang và kết quả cung cấp bởi bệnh viện.
So đồ hình 31.6 cho thấy mối quan hệ giữa giá trị nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh khi xác định bằng phƣơng pháp đo huỳnh quang và đối chiếu với kết quả đo lâm sàng trƣớc đó. Cụ thể, các mẫu ống nano ZnO phủ vàng sẽ đƣợc tiến hành đo huỳnh quang trƣớc và sau khi nhỏ một lƣợng 15µl huyết thanh để xác định tỷ lệ dập tắt huỳnh quang gây ra bởi glucose trong huyết thanh. Sau đó, nồng độ glucoe trong mẫu huyết thanh đƣợc suy ngƣợc lại dựa trên mực độ dập tắt huỳnh quang và đƣờng chu n thu đƣợc trƣớc đo trong hình 3.11 để thu đƣợc. Mỗi một điểm trên đồ thị hình 3.16 cho thấy hai giá trị nồng độ glucose đo: giá trị trên trục hoành là nồng độ glucose đƣợc suy ngƣợc ra từ phƣơng pháp đo huỳnh quang và giá trị trục tung là kết quả lâm sàng về nồng độ đã đƣợc cung cấp trƣớc đó bởi bệnh viện.
Kết quả cho thấy nồng đồ đƣờng glucose đo bởi phƣơng pháp đo huỳnh quang lớn hơn một chút so với kết quả cung cấp bởi bệnh viện. Nồng độ glucose
CM glucose theo dập tắt huỳnh quang
CM
glucose th
eo số
liệu lâ
đƣợc xác định bởi phổ PL cao hơn một chút so với phƣơng pháp xét nghiệm lâm sàng và chênh lệch tối đa là 0,5mM. Điều này có thể đƣợc giải thích bởi sự hiện diện của rất nhiểu các loại phân tử khác nhau (nhƣ tế bào, đoạn protein, v.v.) trong huyết thanh ngƣời. Hơn nữa, sự có mặt của AA, UA, BSA, maltose, sucrose và fructose có thể ảnh hƣởng nhỏ đến cƣờng độ PL. Tuy nhiên, hệ số tƣơng quan của bộ 12 cặp số liệu nồng độ glucse đo bằng hai phƣơng pháp ứng với 12 mẫu đƣợc xác định là 0,9985. Giá trị hệ số tƣơng quan chứng minh rằng cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose dựa trên cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng cho kết quả phủ hợp và đáng tin cậy khi so sánh với sản ph m thƣơng mại.
So với các công trình trƣớc đây, cảm biến glucose dựa trên các cấu trúc nano khác nhau và các phƣơng pháp quang học khác nhau, cảm biến của chúng tôi thể hiện tính chọn lọc, độ nhạy tốt khi đo glucose với sự có mặt của các chất khác. Trong các nghiên cứu trƣớc đây, cấu trúc nano ZnO đã đƣợc tổng hợp bằng quy trình chế tạo/tổng hợp nhiều bƣớc, trong khi ống nano ZnO phủ vàng đƣợc trình bày trong luận văn này đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp thủy nhiệt, không tốn kém với thời gian ngắn nhƣng đạt chất lƣợng tốt. Các chất dung môi và phƣơng pháp tổng hợp đều chi phí phấp. Ngoài ra, cảm biến có phạm vi hoạt động từ 0,1 mM đến 15 mM, bao gồm các nồng độ glucose trong nƣớc bọt (0,55 mM, 1,77 mM), nƣớc tiểu (> 5,55 mM), nƣớc mắt (0,5 mM - 5 mM), dịch kẽ (1,99 mM - 22,2 mM) và trong máu (> 5,6 mM) cho bệnh nhân tiểu đƣờng. Do đó, cảm biến của chúng tôi có thể đƣợc áp dụng hiệu quả để phát hiện nồng độ glucose trong các chất lỏng sinh lý trong một dải nồng độ tƣơng đối rộng.
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn “Cảm iến huỳnh quang o
hàm lƣ ng ƣờng dựa tr n vật liệu nano ZnO nh hạt vàng”, tôi đã thu đƣợc các kết quả sau:
- Tổng hợp thành công ống nano ZnO phủ vàng trên đế Cu bằng phƣơng pháp
thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng pin Gavanic. Hình thái, cấu trúc tinh thể, độ kết tinh, và hiệu tứng tăng cƣờng huỳnh quang của các ống ZnO phủ vàng đƣợc nghiên cứu thông qua phổ nhiễu xạ tia X, ảnh SEM, phổ tán xạ Raman và phổ huỳnh quang.
- Khảo sát hiện tƣợng tăng cƣờng huỳnh quang của các mẫu ống nano ZnO phủ
vàng vời thời gian phún xạ khác nhau cho thấy cƣờng độ huỳnh quang của các ống nano ZnO đƣợc tăng cƣờng nhiều nhất với thời gian phún xạ vàng trong 10s.
- Đo, khảo sát và so sánh phổ huỳnh quang của ống ZnO phủ vàng trƣớc và sau
khi đƣợc nhỏ glucose tác giả rút ra đƣợc thời gian phản hồi nhỏ hơn 5s. Đồng thời, từ việc dựng đƣợc đƣờng cong chu n của cảm biến, tác giả xác định hai khoảng nồng độ tuyến tính gồm 0,05 – 1mM và 1 – 15mM với độ nhạy và giới hạn phát hiện tƣơng ứng 9,23%/1mM – LOD =105μM và 4,05%/1mM. Giới
hạn phát hiện của cảm biến đƣợc xác định là 105μM. Kết quả cho thấy tiềm
năng ứng dụng phát hiện nồng độ glucose trong huyết thành ngƣời bình thƣờng 4,4 – 6,6 mM, trong nƣớc bọt (0,55mM, 1,77 mM), nƣớc mắt (0,5mM - 5mM).
- Khảo sát độ chọn lọc của cảm biến với Acid Ascobic (AA), Bovin Serum
Albumin (BSA), fructose, maltose, sucrose cho thấy cảm biến bị ảnh hƣởng không đáng kể bởi các chất trên
- Thử nghiệm khả năng của cảm biến với các mẫu huyết thanh ngƣời với các số
liệu lâm sàng đƣợc cung cấp từ bệnh viện địa phƣơng cho thấy cảm biến huỳnh quang đo glucose không sử dụng enyme dựa trên cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng thu đƣợc kết quả chênh lệch dƣới 0.5mM và có độ tƣơng quan cao với số liệu lâm sàng cung cấp bởi bệnh viện.
- Khảo sát phổ PL của cảm biến với các nồng độ H2O2 góp phần làm sáng tỏ cơ chế hoặt động dựa trên hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang của cảm biến.
Tất cả các kết quả thử nghiệm trong luận văn đã cho thấy cảm biến huỳnh quang không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc nano ZnO dính hạt vàng hoàn toàn có thể đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị lâm sàng nhằm xác định nồng độ glucose trong máu ngƣời và có tiềm năng xác định nồng độ đƣờng glucose trong các loại dung dịch khác nhƣ nƣớc mắt, nƣớc tiểu hay dịch kẽ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A. Belahmar, A. Chouiyakh* (2016), "Sputtering Synthesis and Thermal
Annealing Effect on Gold Nanoparticles in Al2O3 Matrix", Journal of
Nanoscience and Technology 2,100–103
2. Ahmad, R., Tripathy, N. & Hahn, Y. B. (2013)", High-performance cholesterol sensor based on the solution-gated field effect transistor fabricated with ZnO nanorods", Biosens. Bioelectron. 45, 281–286 .
3. Ariga, K.; Minami, K.; Shrestha, L.K. (2016), "Nanoarchitectonics for carbon- material-based sensors", Analyst ,141, 2629–2638
4. Baptista, F.R.; Belhout, S.A.; Giordani, S.; Quinn, S.J. (2015), "Recent developments in carbon nanomaterial sensors", Chem. Soc. Rev, 44, 4433–4453 5. Baruah, S. & Dutta, J. (2009, "Effect of seeded substrates on hydrothermally grown ZnO nanorods", J. Sol-Gel Sci. Technol. 50, 456–464
6. Baskoutas S. (2018), "Special issue: Zinc oxide nanostructures: Synthesis and characterization", Materials (Basel), 11, 11–14
7. Bates, C. H., White, W. B., and Roy, R. (1962), "New high-pressure polymorph of zinc oxide" , Science 137: 993. 6.
8. Bechelany, M. et al. (2010), "Synthesis mechanisms of organized gold
nanoparticles: Influence of annealing temperature and atmosphere", Cryst.
Growth Des. 10, 587–596
9. Berenson R. J. et al. (1991), “Engraftment after infusion of CD34+ marrow
cells in patients with breast cancer or neuroblastoma”, Blood, vol. 77, no. 8, pp.