Cảm biến glucose đầu tiên đƣợc phát minh bởi LeyLand C.Clark vào năm 1962, đồng thời mở ra một hƣớng nghiên cứu về các loại cảm biến sinh học [16]. Trải qua thời gian, nhiều cảm biến sinh học đo hàm lƣợng đƣờng glucose đã đƣợc phát triển và hoàn thiện bằng cách thay đổi phƣơng pháp nhận biết phân tử gluose nhƣ enzyme, các protein hoặc vật liệu nano [85], phƣơng pháp chuyển đổi tín hiệu sinh học có thể là chỉ thị màu, điện hóa hoặc quang học; kĩ thuật thu, xử lý tín hiêu và hiển thị kết quả [16][51][86] [85][82].
1.2.1. Cảm biến glucose bằng phƣơng ph p iện hóa
Trƣớc khi phát minh ra cảm biến glucose, Leland C. Clark đã phát minh ra điện cực có thể đo đƣợc nồng độ oxy khuếch tán trong dung dịch gọi là điện cực Clark năm 1949[16]. Điện cực này gồm một bản catot platin với điện thế âm so với điện cực Ag/AgCl. Sau đó điện cực này đƣợc sử dụng kết hợp với enzyme glucose oxdase GOD – GOx với mục đích đo nồng độ glucose thông qua đo lƣợng oxygen tiêu thụ trong phản ứng oxi hóa glucose theo các phƣơng trình sau [16].
(1.1)
(1.2)
(1.3)
Trong đó flavin adenine dinucple dinucleotied – FAD là tâm oxi hóa nằm enzyme GOx và bị bao quanh bởi một lớp protein mỏng glucoprotein.
Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên đo sự tiêu thụ oxy đƣợc chế tạo và phát hành thƣơng mại lần đầu năm 1975. Tuy nhiên loại cảm biến này có một vấn đề, đó là sự phụ thuộc vào nồng độ oxy trong môi trƣờng dẫn tới sự ra đời của cảm
biến glucose bằng phƣơng pháp xác định trực tiếp nồng độ H2O2 – sản ph m trong phản ứng ôxi hóa theo phƣơng trình:
(1.5)
Trong cảm biến điện hóa đo nồng độ H2O2 này, điện cực dƣơng platin ở điện
thế +0.6V so với điện cực Ag/AgCl.
Kể từ đó, cảm biến glucose có sự hoàn thiện dần. Trong khi, ở thế hệ đầu tiên của cảm biến, oxi đƣợc dùng là chất oxi hóa thì ở cảm biến thế hệ II, các electron chuyển tiếp một lần nữa qua các dung môi điện hóa trƣớc khi đi về phía điện cực. Các loại dung môi điện hóa này có thể là ferrocence, ferricyanide, quinines hay xanh methylene; bên cạnh hỗ trợ cho quá trình chuyển đổi điện tử còn giúp làm tăng độ nhạy của cảm biến [14][20][74]. Cảm biến thế hệ II đã loại bỏ đƣợc nhƣợc điểm của thế hệ I thông qua việc đơn gản hóa quá trình chuyển tiếp điện tử tới bề mặt chuyển tiếp, nhƣng vẫn cần phải bổ xung thêm dung môi điện hóa trong mỗi một lần đo. Cảm biến thế hệ III với mong muốn đơn giản hóa quá trình pha thêm dung môi, chuyển tiếp trực tiếp điện tử tới bề mặt điện cực thông qua tiếp xúc giữa enzyme oxi hóa khử – GOx, với vật liệu làm điện cực [13][14][20][86].
Thế hệ I
Thế Hệ III
Hình 1.7: Sự thay đổi cấu trúc và cơ chế hoạt động của cảm biến điện hóa glucose qua các thế hệ.
Nhƣ vậy, phần tử chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến sinh học thế hệ II là các dung môi điện hóa và trong cả biến sinh học thế hệ III là vật liệu làm điện cực. Nếu nhƣ việc hòa tan thêm dung môi điện hóa để làm tăng quá trình chuyển hóa điện tử đƣợc cho là phức tạp, thì sự có mặt của dung môi cũng làm loãng đi các ion vi lƣợng có từ mẫu ph m. Các ion dung môi hữu cơ có tính tƣơng thích tốt với các phân tử enzyme trở thành ƣu điểm của cảm biến thế hệ II so với cảm biến thế hệ III. Trong khi đó, tƣơng thích sinh học giứa vật liệu điện cực với các enzyme vẫn luôn là thách thức rất lớn đối với các vật liệu mới nhằm ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học thế hệ III. Vì vậy các nghiên cứu về cảm biến sinh học sử dụng tƣơng tác enzyme oxi hóa khử với cơ chất hiện nay vẫn xuất hiện đồng thời cả hai loại cảm biến thế hệ II và III [14][20][83].
Cảm biến sinh học glucose bằng phƣơng pháp điện hóa có ƣu điểm là thời gian phản hồi nhanh và vùng nồng độ cảm biến rộng tuy nhiên vẫn chịu ảnh hƣởng bởi các nhiễu điện từ có trong mẫu [83]. Nhƣợc điểm đó dẫn tới một hƣớng
(oxi hóa)
phát triển khác của cảm biến glucose dựa trên phƣơng pháp huỳnh quang hay còn đƣợc gọi là cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose.
1.2.2 Cảm biến glucose bằng phƣơng ph p huỳnh quang
Cảm biến huỳnh quang đƣợc xem là một hƣớng nghiên cứu cảm biến glucose nhằm khắc phục nhƣợc điểm của cảm biến điện hóa nhƣ giảm ảnh hƣởng từ các nhiễu điện từ trong mẫu, đồng thời hứa hẹn tăng cƣờng độ nhạy, cũng nhƣ độ chọn lọc khi đo hàm lƣợng glucose[22][47].
1.2.2.1 Nguyên lý hoạt ng của cảm biến glucose huỳnh quang
Nguyên lý hoạt động của cảm biến glucose huỳnh quang cũng tƣơng tự nhƣ cảm biến huỳnh quang sinh học nói chung là chuyển đổi tín hiệu từ các phân tử glucose thành tín hiệu huỳnh quang với cấu tạo gồm ba phần : (1) phần tử nhận biết glucose, (2) bộ ph n chuyển đổi tín hiệu, (3) bộ phận thu, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả.
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu từ glucose thành tín hiệu huỳnh quang là các tâm phát quang gồm các chất màu nhạy môi trƣờng protein [48][71], hay vật liệu nano nhƣ chấm lƣợng tử , vật liêu nano cacbon, hạt nano silica, vật vật liệu nano bán dẫn, kim loại [22][58][88][79]….Sự có mặt của chất phân tích có thể làm thay đổi cƣờng độ đỉnh huỳnh quang, làm dịch chuyển đỉnh hoặc làm thay đổi thời gian sống trong sự phát huỳnh quang của của các tâm phát quang.
Trong khi các tâm phát quang là chất màu và protein có nhƣợc điểm là độ bền quang học thấp [22][47], hay kích thƣớc phân tử lớn ảnh hƣởng đến phân bố của các phân từ nhận biết thì vật liệu nano lại nổi lên nhƣ một ứng cử viên thay thế với khả năng phát huỳnh quang tốt, độ bền quang học và linh động trong việc chức năng hóa bề mặt [82][22].
Cơ chế cảm biến glucose bao gồm dựa trên phát hiện liên kết với glucose hoặc dựa phản ứng oxy hóa glucose.
Cơ chế dựa trên phát hiện liên kết với glucose
Trong cơ chế cảm biến dựa trên sự hình thành liên kết với glucose yêu cầu sử dụng các chất nhƣ là Concanavalin A – Con A, Protetin liên kết glucose – GBP, boronic acid. Con A đóng vai trò nhƣ là đầu thu – receptor liên kết donnor là các tâm phát quang với các chất dập tắt – quencher khi không có glucose làm dập tắt huỳnh quang của các tâm phát quang thông qua sự truyền năng lƣợng huỳnh quang FRET. Khi có măt các phân tử glucose, các phân tử này sẽ nhanh chóng liên kết với ConA thay thế các quencher từ đó làm tăng cƣờng huỳnh quang của các tâm phát quang [22]. Tuy nhiên, việc sử dụng conA có nhƣợc điểm là chúng có độc tính có thể gây hại [22][41].
Hình 1.8: Cơ chế hoạt động của cảm biến huỳnh quang sinh học glucose dựa trên FRET [22].
GBP, Boronic axid đƣợc sử dụng nhƣ một đầu thu chất liên kết glucose với tâm phát quang. Khi xuất hiện liện kết giữa glucose, GBP và Boronic acid sẽ thay đổi hình dáng phân tử từ đó thay đổi phân cực của môi trƣờng và làm thay đổi cƣờng độ huỳnh quang của các tâm phát quang.Việc sử dụng bornic acid có nhƣợc điểm là độ chọn lọc không cao và cực kỳ nhạy với thay đổi pH của môi trƣờng [22].
1.2.2.1.2 Cơ chế dựa trên sự oxi hóa glucose
Trong cơ chế này, glucose bị oxi hóa thông qua các phản ứng xúc tác sinh ra
hiện thông qua xác định lƣợng sản ph m tạo ra hoặc sự thay đổi của pH do phản ứng. Những tác nhân trên sẽ làm thay đổi sự phát huỳnh quang của các tâm phát quang từ đó ta có thể xác định hàm lƣợng glucose thông qua xác định sự thay đổi huỳnh quang của các tâm phát quang.
Chất xúc tác thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình oxi hóa glucose là enzyme GOx bởi độ chọn lọc cao với phân tử glucose, cũng nhƣ tính ổn định khi so sánh với các loại enzyme khác. Cảm biến glucose hoạt động dựa theo theo dõi sƣ thay đổi độ pH của dung dịch sử dụng các chất màu nhạy với sự thay đổi nồng độ ion H+ trong môi trƣờng làm tâm phát quang. Cụ thể, sự phát huỳnh quang của các chất màu này bị thay đổi cƣờng độ khi pH thay đổi. Từ đó việc xác định nồng độ glucose đƣợc xác định thông qua sự thay đổi cƣờng độ phát huỳnh quang [33]
Hình 1.9: Sự thay đổi tính chất hấp thụ và phát quang phụ thuộc vào độ pH.
Việc kết hợp khả năng xúc tác chọn lọc của GOx và tính chất phát huỳnh quang của các vật liệu nano đã đƣợc nghiên cứu trong các cảm biến huỳnh quang sinh học glucose trong những năm gầy đây. Các chấm lƣợng tử CdTe/ZnS đốp Mn đính GOx đƣợc sử dụng làm tâm phát quang trong các cảm biến huỳnh quang
gluocse bị oxi hóa. H2O2 đóng vai trò nhƣ là một chất dập tắt huỳnh quang làm giảm cƣờng độ phát quang của chấm lƣợng tử thông qua hiện tƣợng dập tắt do va
chạm. Sự giảm cƣởng độ này tỷ lệ với nồng độ H2O2 và từ đó tỷ lệ với nồng độ
Glucose. [33]
Hình 1.10: Cơ chế phát hiện glucose thông qua sự dập tắt huỳnh quang của chấm l ng t C Te đốp Mn2+ gây ra bởi H2O2 [33].
Sự dập tắt huỳnh quang gây ra bởi các phân tử H2O2 còn đƣợc quan sát thấy
và sử dụng để phát triển các loại cảm biến đo glucose khác dựa trên các đám nano đồng [57], các cấu trúc nano bán dẫn ZnO [45] [82] [22][72][77][64].
Việc sử dụng chất xúc tác nhƣ GOx nói riêng hay các chất nhận biết sinh học nói chung nhƣ enzyme, protein có một nhƣợc điểm không thể tránh khỏi đó là sự thiếu ổn định, dễ bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng [72][69]. Do đó, nhiều nhóm nghiên cứu cố gắng để phát triển loại cảm biến không cần sử dụng tới các phân từ nhận biết sinh học nhằm mục đích kéo dài thời gian bảo quản và tăng tính ổn định, chính xác của cảm biến. Các cảm biến này sử dụng chủ yếu các vật liệu vô cơ có các tính chất xúc tác phản ứng nhằm thay thế cho các enzyme sinh học tạo nên hƣớng nghiên cứu cảm biến huỳnh quang không sử dụng enzyme.
Trong trƣờng hợp riêng với cảm biến glucose, ZnO hay các cấu trúc tổ hợp của ZnO đƣợc xem là một loại vật liệu hứa hẹn để phát triển các loại cảm biến huỳnh quang glucose dựa trên cơ chế xúc tác mà không cần phải sử dụng tới enzyme hay các phân tử nhận biết sinh học glucose khác bởi khả năng xúc tác phản ứng oxi hóa glucose kết hợp với khả năng phát huỳnh quang tốt ở nhiệt độ phòng , độ ổn định quang học cao, tƣơng thích sinh học. Nhiều nghiên cứu về cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose gần đây đã sử dụng các cấu trúc nano ZnO và thu đƣợc một số kết quả. Ví dụ nhƣ, Kim đã đề xuất cảm biến huỳnh quang dựa trên các tinh thể ZnO đính enzyme GOx có khả năng theo dõi glucose
với nồng độ trong khoảng 0,33mM – 42,1mM với độ nhạy 1,5%.mM-1
[45]. Tƣơng tự, Solzel cũng giới thiệu cảm biến huỳnh quang sử dụng enzyme dựa trên các hạt nano ZnO với khả năng phát hiện glucose trong khoảng 10mM – 130mM với độ
nhạy 0,5%.mM-1
[77]. Bên cạnh hai nghiên cứu trên về việc sử dụng vật liệu ZnO trong cảm biến huỳnh quang sử dụng tới enzyme, các nghiên cứu tƣơng tự khác cảm biến glucose sử dụng vật liệu ZnO cũng đƣợc phát triển đồng thời nhƣng đi theo hƣớng không sử dụng tới enzyme để khắc phục nhƣợc điểm của loại phân tử sinh học này. Trong đó, Sachin và các đồng nghiệp phát triển cảm biến huỳnh quang dựa trên cấu trúc các thanh nano ZnO đƣợc mọc trên để GaN, các cảm biến này sử dụng vật liệu ZnO làm các tâm phát huỳnh quang đồng thời thay thể GOx thực hiện chức năng xúc tác phản ứng phân hủy glucose. Cảm biến huỳnh quang của Sachin cho thấy khả năng phát hiện glucose trong khoảng nồng đột từ
0,25mM – 30mM với độ nhạy 1,4%. mM-1 [72]. Nhóm của chúng tôi cũng phát
triển cảm biến huỳnh quang đo hàm lƣợng glucose theo hƣớng không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO tƣơng tự nhóm của Sachin. Trong nghiên cứu của nhóm chúng tôi, các thanh nano ZnO đƣợc tổng hợp trên để điện cực PCB thƣơng mại giá rẻ bằng phƣơng pháp thủy nhiệt kết hợp hiệu ứng Pin
galvanic cho độ nhạy 2,3%.mM-1. Sau đó chúng tôi tiếp tục phát triển cảm biến
của mình khi thay đổi cấu trúc thanh ZnO thành cấu trúc ống ZnO tổng hợp trên đế Cu, kết quả cho thấy sự nâng cao độ nhạy 3,5%mM khi đo thử với glucose. Sự
cải thiện trong độ nhạy đƣợc lý giải thông qua sự gia tăng mật độ các thanh ZnO trên cùng một diện tích kết hợp tăng diện tích bề mặt trên thể tích khi sử dụng cấu trúc ống nano, đồng thời tăng chất lƣợng kết tinh của cấu trúc tinh thể nano ZnO nhằm tăng cƣờng khả phát huỳnh quang của các thanh ZnO ở vùng UV làm gia tăng hiệu suất chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tính hiệu huỳnh quang của cảm biến [63][66].
Để tăng cƣờng khả năng của cảm biến đƣờng glucose trong các cảm biến huỳnh quang dựa trên vật liệu ZnO, luận văn này đề cập đến việc tăng khả năng phát huỳnh quang và khả năng quang xúc của cấu trúc ZnO bằng cách tăng tỷ số diện tích trên bề mặt thông qua cấu trúc các ống nano hoặc tăng cƣờng cƣờng độ huỳnh quang nhờ hiệu ứng tăng cƣờng huỳnh quang kim loại (MEF) bằng các kết hợp ống nano ZnO với vàng tạo nên cấu trúc tổ hợp ống nano ZnO phủ vàng - Au/ZnO.
1.3 CẤU TRÚC TỔ HỢP AU/ZNO VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƢỢNG ĐƢỜNG GLUCOSE KHÔNG SỬ HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƢỢNG ĐƢỜNG GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME
1.3.1 Vật liệu nano ZnO
1.3.1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ZnO
Tinh thể ZnO tồn tại dƣới 3 dạng cấu trúc: Cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thƣờng, cấu trúc lập phƣơng giả kẽm ở nhiệt độ cao và cấu trúc lập phƣơng kiểu NaCl xuất hiện ở áp suất cao.
a) Cấu trúc Wurtzite
Cấu trúc lục giác wurtzite là cấu trúc ổn định và bền vững của ZnO ở điều
kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển và thuộc nhóm không gian P63mc hoặc
C46v với các hằng số mạng a và c theo tỷ lệ = √ = 1,633. Mạng lục giác
và một mạng chứa Zn2+ và đƣợc dịch đi một khoảng bằng u = 3/8 hằng số mạng c (trƣờng hợp lý tƣởng) [66](hình 1.11).
Mỗi ô cơ sở có hai phân tử ZnO trong đó vị trí của các nguyên tử nhƣ sau: 2 nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (1/3, 1/3, 1/3); 2 nguyên tử O: (0, 0, u), (1/3, 1/3, 1/3 + u)
với u 3/8. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một
tứ diện gần đều. Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc hai, trong đó 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu, cách nguyên tử ban đầu một khoảng a và 6 nguyên tử khác ở đỉnh lăng trụ tam
giác, cách nguyên tử ban đầu một khoảng [ ( ) ⁄ [66].
Hình 1.11: Cấu trúc Wurtzite của ZnO [66]
Tinh thể lục giác ZnO không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hƣớng [0001 . Liên kêt của mạng ZnO vừa là liên kết ion vừa là liên kết cộng hoá trị là loại liên kết pha trộn bao gồm 67% liên kết ion và 33% liên kết cộng hoá trị. Đặc điếm quan trọng của liên kết cộng hoá trị là tính dị hƣớng và tính bão hoà vì mỗi nguyên tứ chi có thể có nhiều nhất một số liên kết