CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1.2 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐO HÀM LƢỢNG GLUCOSE
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.