NANO ZNO PHỦ VÀNG.
3.4.1 Khảo s t nhạy của cảm biến
Hình 3.9: Ảnh SEM của ống nano ZnO phủ vàng sau khi đ c nhỏ 15 glucose nồng độ 10mM.
Trong hình 3.9 là ảnh SEM của một mẫu sau khi đã đƣợc nhỏ 15 glucose
nồng độ 10mM. Quan sát trên hình cho thấy glucose đã che phủ hầu hết trên bề mặt mẫu, không còn thấy rõ cấu trúc của ống nano Au/ZnO. Điều đó chứng tỏ glucose đã đƣợc cố định thành công trên các ống nano Au/ZnO. Nhƣ đã đề cập trong phần mở đầu, các vật liệu IEP thấp hơn, chẳng hạn nhƣ protein và glucose, dễ dàng đƣợc cố định trên bề mặt ống nano ZnO với IEP cao (9,5).
Hình 3.10: Phổ PL của c c ống nano ZnO phủ Au đã x lý ằng ung ịch glucose nồng độ 0,05mM-14mM C ờng độ đ c chuẩn h a với c ờng độ đỉnh PL
của c c mẫu ống Au/ZnO ch a đ c nhỏ glucose.
Sau đó, 14 mẫu ống nano ZnO phủ vàng bằng phƣơng pháp phún xạ trong
10s đƣợc nhỏ 15 glucose với các nồng độ từ 0,05-15mM và đo phổ phát quang.
Kết quả đo phổ PL của ống nano ZnO phủ vàng sau khi nhỏ glucose đƣợc khảo sát trong khoảng bƣớc sóng từ 370-420nm nhƣ thể hiện trong hình 3.10. Phổ PL trong vùng bƣớc sóng dài từ 420nm đến 650nm không đƣợc khảo sát do đó là vùng đặc trƣng cho sai hỏng. Thêm vào đó, giảm cƣờng độ huỳnh quang xảy ra chủ yếu trong vùng tử ngoại. Trong hình 3.9, đƣờng màu đen thể hiện phổ huỳnh quang của thanh ZnO khi chƣa nhỏ đƣờng, các đƣờng đồ thị có cƣờng độ thấp hơn thể hiện phổ huỳnh quang của mẫu khi nhỏ những nồng độ đƣờng tƣơng ứng từ 0,05mM đến 14mM (0,9–252mg/dL). Ta quan sát thấy, cƣờng độ PL của ống ZnO phủ vàng trong vùng tử ngoại giảm khi nồng độ glucose tăng lên mà không
Bước sóng (nm) Cư ờng đ ộ hu ỳn h q uan g t ỷ đối (I/I 0 )
có sự thay đổi đáng kể của vị trí đỉnh phổ tại bƣớc sóng 382nm. Từ đó, ta có thể chu n hóa cƣờng độ đỉnh phổ bằng cách lấy tỷ lệ cƣờng độ đỉnh phổ 382nm của các mẫu đã đƣợc nhỏ dung dịch đƣờng glucose với mẫu khi không có glucose.
Hình 3.11: Thay đổi c ởng độ đỉnh PL mẫu ống nano ZnO phủ nano vàng (phún xạ trong 10s theo nồng độ ung ịch glucose .
Hình 3.11 biểu diễn sự thay đổi cƣờng độ đỉnh của các mẫu sau khi đƣợc nhỏ glucose với trƣớc khi nhỏ glucose với các nồng độ khác nhau (thƣờng đƣợc gọi là đƣờng cong chu n). Quan sát đồ thị ta nhận thấy tốc độ thay đổi cƣờng độ đỉnh PL theo nồng độ là khác nhau ở các khoảng giá trị nồng độ khác nhau. Cụ thể, cƣờng độ PL giảm nhanh và tuyến tính trong khoảng nồng độ 0,05 – 2mM với độ dốc đạt 9,23%/mM, sau đó, khi nồng độ vƣợt qua 1mM thì tốc độ thay cƣờng độ PL giảm với độ dốc đƣờng tuyền tính khoảng 4,05%/mM trong khoảng nồng độ 1 - 15mM. Khoảng nồng độ glucose đƣợc chọn để khảo sát sao cho phù hợp với thực tế khi bao trùm nồng độ thƣờng có trong máu ngƣời vào khoảng 4,4mM đến 6,6 mM
Nồng độ glucose (mM) I/ I0 k2 = 0,0405 LOD =0,105 mM k1 = 0,0923
(80–120 mg/dL) [64] và nồng độ đƣờng trong nƣớc mắt là 0,2 – 0,92mM (3,6 – 16,6 mg/ml) [21]. Kết quả chứng tỏ khả năng có thể phát triển một loại cảm biến đo hàm lƣợng đƣờng glucose hoạt động dựa trên sự thay đổi cƣờng độ huỳnh quang của vật liệu ZnO phủ Au.
Các kết quả về sự dập tắt huỳnh quang tƣơng tự cũng đƣợc báo cáo trong các nghiên cứu về cảm biến huỳnh quang đo glucose dựa trên cấu trúc nano ZnO của chúng tôi và của các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới. Soldzel đề xuất cảm biến glucose dựa trên các hạt nano ZnO kết hợp enzyme GOx với khả độ nhạy 0,5%/1mM trong khoảng nồng độ 10mM – 300mM [77]. Kim và cộng sự cũng phát triển một loại cảm biển huỳnh quang glucose khác sử dụng cấu trúc liên hợp ZnO – MUA – Gox với khoảng nồng độ 5 – 20mM[45] . Đồng thời, khả năng cảm biến glucose mà không cần dùng tới enzyme dựa trên vật liệu thanh nano ZnO của Sargangi và nhóm của chúng tôi [72][64][63][67]. Trong đó, cảm biến phát triển bởi nhóm của Sarangi có khoảng tuyến tính nằm trong vùng nồng độ 0,5 – 30mM với độ nhạy đạt 1,4%/1mM, còn của nhóm chúng tôi là khoảng 2% trong vùng 1 – 20mM.
Cơ chế dập tắt huỳnh quang của các ống ZnO phủ Au có thể đƣợc lý giải dựa
trên hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang do va chạm bởi các phân tử H2O2. Các phân
tử H2O2 đƣợc hình thành từ quá trình oxi hóa phân tử glucose mà trong đó các ống
nano ZnO phủ Au đóng vai trò là chất xúc tác thay thế cho enzyme đƣợc sử dụng trong cảm biển đo glucose sử dụng enzyme đóng vai trò là chất dập tắt huỳnh quang khi nhận các điện tử truyền từ vùng dẫn của các ống nano ZnO. Khả năng xúc tác của của cấu trúc nano ZnO và cấu trúc tổ hợp ZnO – kim loại giúp oxi hóa glucose đã đƣợc chứng thực trong các nghiên cứu của Sarangi [72], Ridhuan [31],
Lin [55]. Hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang của H2O2 đƣợc đề xuất là cơ chế hoạt
động của nhiều nghiên cứu cảm biến glucose dựa trên vật liệu ZnO[45][77][72], đám nano đồng [57], chấm lƣợng tử Cacbon [53].
Kết quả cho thấy có thể sử sụng cấu trúc tổ hợp ống nano ZnO phủ vàng nhƣ là một phần tử nhận biết và chuyển đổi tính hiệu trong cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose.
Cảm biến thể hiện khả năng hoạt động ở hai vùng nồng độ: vùng nồng độ thấp 0 – 1 mM đạt độ nhạy 9,23%/1mM, vùng nồng độ cao: 1 – 15mM đạt độ nhạy 4,05%/1mM. Có sự khác nhau về độ nhạy giữa hai vùng nồng độ có thể đƣợc
lý giải do sự ngăn cản tƣơng tác xảy ra giữa các phân từ H2O2 với bề mặt Au/ZnO
khi số lƣợng phân tử glucose bám dính trên bề mặt Au/ZnO càng lớn khi nồng độ glucose đƣợc nhỏ trên bề mặt mẫu tăng. So sánh với các kết quả nghiên cứu trƣớc đó đã đề cập ở trên cho thấy sự cải thiện trong độ nhạy đối với glucose của cấu trúc ống nano ZnO phủ vàng.
Giới hạn phát hiện hàm lƣợng glucose dựa trên sự dập tắt huỳnh quang của
cấu trúc Au/ZnO là 105μM đƣợc tính toán dựa trên công thức:
(3.2)
Trong và k lần lƣợt là sai số chu n và độ dốc của đƣờng chu n vẽ trong
vùng nồng độ thấp. Ngƣỡng pháp hiện là 105μM thấp hơn so với các kết quả
nghiên cứu trƣớc đó của Sodzel với 10mM [77], Kim với 0,33mM [45], Sagrangi 0,5mM[67].
Sự cải thiện này có thể đƣợc giải thích dựa trên sự cải thiện về tính chất các ống nano ZnO đƣợc tổng hợp nhƣ mật độ, độ định hƣớng, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích, chất lƣợng kết tinh, cũng nhƣ sự có mặt của hạt nano vàng. Mật độ, độ định hƣớng cũng nhƣ tỷ lệ diện tích bề mặt cao giúp tăng khả năng phát huỳnh quang của các ống nano ZnO đồng thời tăng diện tích tiếp xúc giữa Au/ZnO với
các phân tử glucose và H2O2. Đặc biệt, chất lƣợng kết tinh cao, và sự có mặt của
các hạt nano vàng đóng vai trò rất quan trọng khi giúp làm tăng chất lƣợng tín hiệu nhờ tăng cƣờng độ huỳnh quang đỉnh phổ UV. Chất lƣợng kết tinh tốt giúp làm
giảm sai hỏng trong cấu trúc tinh thể ZnO làm giảm số các điện tử bị kích thích ở các mức năng lƣợng vùng xanh và tăng cƣờng số điện tử kích thích ở vùng dẫn. Cƣờng độ huỳnh quang ở đỉnh phổ vùng UV còn đƣợc tăng cƣờng nhờ hiện tƣợng tăng cƣờng huỳnh quang bề mặt do sự có mặt của các hạt nano kim loại vàng.
3.4.2 Sự dập tắt huỳnh quang của ống nano ZnO phủ vàng trong H2O2 và cơ chế hoạt ng của cảm biến huỳnh quang sinh học o nồng glucose dựa chế hoạt ng của cảm biến huỳnh quang sinh học o nồng glucose dựa trên ống nano ZnO phủ vàng.
3.4.2.1 Sự dập tắt huỳnh quang của ống nano ZnO phủ vàng trong H2O2
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