Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa dựa trên cơ sở vật liệu nano cácbon thử nghiệm, ứng dụng trong y sinh và môi trường

Cảm biến điện hóa chế tạo trên cơ sở vật liệu nano cácbon cụ thể là việc gắn thêm lớp màng graphen lên bề mặt polyme dẫn có pha tạp hạt nano từ của cảm biến đang là một hướng nghiên cứu

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Trần Đại Lâm,

TS Nguyễn Văn Chúc và TS Nguyễn Văn Hải, người hướng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn thành tốt bản luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Th.S NCS Nguyễn Hải Bình- Phòng Vật liệu Nano Y Sinh – Viện Khoa học vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; TS Ngô Thị Thanh Tâm, Th.s Nguyễn Văn Tú - Phòng Vật liệu Nano Cácbon – Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các cán bộ Phòng Vật liệu Nano Y Sinh, Phòng Vật liệu Nano Cácbon – Viện Khoa học vật liệu- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Hóa Vô cơ - Khoa Hóa học – Đại học Sư Phạm Hà Nội, các cấp lãnh đạo trường Đại học Hồng Đức, Khoa Khoa học Tự Nhiên trường Đại học Hồng Đức, gia đình và bạn bè đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn

Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ tài chính và thiết bị của các đề tài nghiên cứu khoa học: Đề tài phòng thí nghiệm trọng điểm- Viện Khoa học vật Liệu, (mã số HTTĐ 01.12); Đề tài hỗ trợ của Viện KHVL; Đề tài nghiên cứu cơ bản Nafosted, (mã số 103.99 – 2012.15); Đề tài Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản (08/2011/ HĐ – NĐT

Hà Nội, tháng 11 năm 2012

Lê Hữu Đoàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……… 2

MỤC LỤC………3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……….8

MỞ ĐẦU……….11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN……… 13

I.1 VẬT LIỆU GRAPHEN……… ……… 13

I.1.1 Giới thiệu về vật liệu graphen……… 13

I.1.2 Lịch sử phát triển của graphen……… ……… 14

I.1.3 Các tính chất đặc biệt của graphen……….….16

I.1.4 Phương pháp tổng hợp graphen……… ….17

I.1.5 Ứng dụng của graphen trong cảm biến sinh học………… ………24

I.2 CẢM BIẾN SINH HỌC……… ……… 24

I.2.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học……… 24

I.2.2 Cấu tạo của cảm biến sinh học……….………25

I.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học……….……… 27

I.2.4 Cảm biến theo nguyên lý điện hóa……… ………28

I.2.5 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học……….……… 29

I.2.6 Một số ứng dụng của cảm biến sinh học……… ……30

I.3 POLYME DẪN ĐIỆN……….…….31

I.3.1 Giới thiệu về polyme dẫn điện……….31

I.3.2 Cơ chế dẫn điện của polyme dẫn……… … 32

I.3.3 Một số ứng dụng của polyme dẫn trong cảm biến sinh học………33

I.3.4 Phương pháp điện hóa tổng hợp polyme dẫn……… …….34

I.3.5 Cơ chế dẫn của polyanilin………34

I.3.6 Tổng hợp PANi………35

I.4 HẠT NANO OXIT SẮT TỪ (Fe3O4)……… ……36

I.4.1 Cấu trúc và tính chất của hạt nano Fe3O4……… ……….36

I.4.2 Ứng dụng của hạt Fe3O4 trong cảm biến sinh học……… ……….38

I.5 ENZYM……… …… 38

I.5.1 Giới thiệu về enzym……… ……… 38

I.5.2 Tính đặc hiệu của enzym……… …… 38

I.5.3 Enzym cholesterol oxidase……….……….39

I.6 BỆNH VỀ MỠ MÁU VÀ CHOLESTEROL……… …………40

I.6.1 Bệnh mỡ máu……….…… 40

I.6.1.1 Sơ lược về bệnh mỡ máu……….…….40

I.6.1.2 Liên hệ giữa mỡ máu với bệnh tim mạch……… ……… 41

I.6.2 Cholesterol trong cơ thể……….………… 42

I.6.2.1 Giới thiệu chung về cholesterol trong cơ thể………… ……….42

I.6.2.2 Cách thức tổng hợp và tính chất của cholesterol……… 43

I.7 THUỐC DIỆT CỎ ATRAZIN……… 46

I.7.1 Giới thiệu chung về atrazin……….……….46

I.7.2 Cảm biến miễn dịch……….47

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU……

……….48

II.1 THỰC NGHIỆM……….48

II.1.1 Điện cực điện hóa……… ………….48 II.1.2 Chế tạo màng graphen theo phương pháp CVD……….……48 II.1.3 Hạt nano Fe3O4 và bọc bằng copolyme……… ……54 II.1.4 Trùng hợp điện hóa màng PANi và PANi - Fe3O4…….…………54 II.1.5 Bóc tách và gắn màng graphene lên bề mặt điện cực Pt…… ….55 II.1.6 Cố định enzym cholesterol lên bề mặt graphene trên điện cực Pt/Gr/PANi - Fe3O4……….56

II.1.7 Cố định Anti – atrazin lên bề mặt vi điện cực Pt/PANi - Fe3O4 và Pt/Gr/PANi - Fe3O4……….…59 II.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 60

II.2.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)……… ……60 II.2.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)………… …… 61 II.2.3 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)……… … 63 II.2.4 Các phương pháp nghiên cứu điện hóa……… ……64

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… ……… 67

III.1 PHÂN TÍCH HÌNH THÁI HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA LỚP MÀNG GRAPHEN TRÊN ĐẾ ĐỒNG……… … 67

III.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ CVD……….……… 67 III.1.2 Ảnh hưởng của thời gian CVD……… ……… 69 III.2 PHÂN TÍCH HÌNH THÁI HỌC MÀNG GRAPHEN, PANi, PANi-Fe3O4TRÊN ĐIỆN CỰC Pt……… 72 III.3 PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA MÀNG PANi, PANi-Fe3O4 VÀ Gr/PANi-Fe3O4……… ……….74

III.3.1 Phổ FT-IR của màng PANi và PANi-Fe3O4……… …… 74

III.3.2 Phổ Raman của màng Gr/PANi-Fe3O4……… 75

III.4 TRÙNG HỢP ĐIỆN HÓA MÀNG POLYME……… …76

III.5 ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ CHOLESTEROL……… 79

III.5.1 Cơ chế phản ứng của phép đo……… ………79

III.5.2 Đặc tuyến đáp ứng dòng và đường chuẩn……….79

III.6.ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG ATRAZIN……… … 81

III.6.1 Cơ chế của phép đo dư lượng atrazin………82

III.6.2 Xác định dư lượng atrazin bằng phương pháp SWV………84

KẾT LUẬN………85

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO………87

CÁC CÔNG BỐ……….87

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….88

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ChOx Cholesterol Oxidase

SEM Kính hiển vi điện tử quét

FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

PBS Phosphate Bufer Saline

SWV Squave – Wave Voltametry

p (AA-S) Copolyme ( axit acrylic-stirene)

PMMA Polymethyl metacrylate

MWCNT -c Ống nano cácbon đa vách có nhóm COOH

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

CHƯƠNG I

Hình 1.1 Cấu trúc của gaphen, than chì, ống nano cácbon, và fulleren… … 13

Hình 1.2 Phương pháp bóc tách cơ học……… 18

Hình 1.3 Cấu trúc Silicon carbide (SiC)……… ……… 19

Hình 1.4 Sơ đồ mô tả quá trình tách hóa học……….………20

Hình 1.5 Mô hình mô tả quá trình mở ống nano cácbon……… 21

Hình 1.6 Quá trình phân tán graphite……… ……….…….22

Hình 1.7 Mô hình mô tả quá trình lắng đọng pha hơi hóa……… …….…….23

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo chung của một cảm biến sinh học……… …….25

Hình 1.9 Sơ đồ một hệ cảm biến điện hóa……….28

Hình 1.10 Cấu trúc một số polyme dẫn điện quan trọng………32

Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát sự tạo thành polyanilin……… …….……….35

Hình 1.12 Cấu trúc Fe3O4 37

Hình 1.13 Cholesterol Oxidase (ChOx)……… ……… 39

Hình 1.14 Cấu trúc hóa học phân tử cholesterol……… …… 43

Hình 1.15 Cấu trúc hóa học phân tử atrazin……… …….46

CHƯƠNG II Hình 2.1 Vi điện cực Pt tích hợp trên phiến Si/SiO2……… …….48

Hình 2.2 Hệ lò CVD nhiệt……….49

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình tiến hành CVD nhiệt……… 51

Hình 2.4 Cơ chế hình thành graphen trên tape Cu……… ….52

Hình 2.5 Hệ điện hóa đa năng……… ….55

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình tách màng graphen và chuyển lên điện cực……… 56

Hình 2.7 Phương pháp liên kết chéo (cross-linking)……… … 58

Hình 2.8 Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử quét (SEM)………60

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại 61

Hình 2.10 Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR 6300 62

Hình 2.11 Sơ đồ cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử……….…….63

Hình 2.12 Phương pháp quét thế tuyến tính đa chu kỳ 64

Hình 2.13 Sự liên hệ giữa điện thế và dòng điện trong phương pháp CV…….65

Hình 2.14 Quan hệ phụ thuộc E – t trong phương pháp SWV……….… … 66

CHƯƠNG III Hình 3.1 Ảnh SEM của màng graphen trên đế Cu ở các nhiệt độ CVD (a) 8000C, (b) 8500C, (c) 9000C, (d) 9500C, (e) 10000C 67

Hình 3.2 Ảnh phổ Raman của graphen CVD ở 9500C và 10000C 68

Hình 3.3 Ảnh SEM của màng graphen trên đế Cu ở 10000C với thời gian CVD là 1 phút (a), 15 phút (b), 30 phút (c)và 45 phút (d)với nguồn khí CH4 70

Hình 3.4 Kết quả ảnh AFM của mẫu Gr trên đế Si……….………….… 71

Hình 3.5 Ảnh FE-SEM của màng graphen sau khi gắn lên điện cực Pt 72

Hình 3.6 Ảnh FE-SEM của điện cực có phủ PANi(a) và điện cực phủ PANi-Fe3O4(b)……….…… 73

Hình 3.7 Phổ FT-IR của PANi và PANi-Fe3O4…… ………74

Hình 3.8 Phổ Raman của màng Gr/PANi-Fe3O4………… ……….75

Hình 3.9(a) Phổ trùng hợp điện hóa màng PANi(a)…… ………… ….…… 77

Hình 3.9(b) Phổ trùng hợp điện hóa màng PANi-Fe3O4(b)… ………….…… 77

Hình 3.9(c) Phổ trùng hợp màng PANi-Fe3O4 trên Pt/Gr (c)……… ……77

Hình 3.10 Phản ứng oxy hóa cholesterol trên bề mặt điện cực Pt/Gr/PANi-

Fe3O4 /ChOx……… ……… 79 Hình 3.11 Đặc tuyến đáp ứng dòng theo thời gian của cảm biến Cholesterol khi thêm liên tiếp những nồng độ Cholesterol khác nhau vào PBS 0,05M

tại E= + 0,7V……….… 80 Hình 3.12 Cơ chế phép đo dư lượng atrazin……… ………82 Hình 3.13 Phổ CV của màng compozít trước và sau khi gắn Anti-ATZ… 84 Hình 3.14 Xác định hàm lượng atrazin bằng phương pháp SWV sử dụng với vi điện cực Pt/PANi - Fe3O4 và Pt/Gr/PANi-Fe3O4……… ……….……… 85 Hình3.15.Dạng đường chuẩn của cảm biến Pt/Gr/PANi-Fe3O4/GluAnti-ATZ……… ……… 85

MỞ ĐẦU

Năm 2004 với việc tách thành công những tấm graphen đầu tiên từ bột graphit, đến năm 2010 giải thưởng Nobel về vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S Novoselov và Andre K Geim thuộc trường đại học Manchester nước Anh với công trình tách được những đơn lớp graphen đầu tiên

và mô tả đặc trưng của chúng [40] Sự kiện này đánh dấu một mốc quan trọng trong sự phát triển của khoa học về vật liệu Đây là một vật liệu mới, có những tính chất cơ học và vật lý đặc biệt như tính dẫn điện = 10-6 cm (với điện trở suất nhỏ hơn của Cu đến 35%), dẫn nhiệt = 5300 Wm-1

K-1 (gấp 10 lần Cu), độ bền cao = 42N/m (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ = 0,77 mg/m2

, gần như trong suốt (hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng truyền qua) [35]…Dạng vật liệu này

đã và đang thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm tận dụng triệt để các ưu việt của dạng vật liệu này

Trong những năm gần đây sự gia tăng tỷ lệ người mắc bệnh về đường máu, tim mạch do tăng lượng cholesterol ngày càng cao do chế độ ăn uống không hợp lý Bên cạnh đó sự gia tăng vấn nạn ô nhiễm môi về trường nước, về

vệ sinh an toàn thực phẩm do thói quen sử dụng thuốc bảo vệ thực vật trong đó

có thuốc diệt cỏ atrazine một cách bừa bãi và quá liều lượng đã và đang là một nguy cơ lớn ảnh hưởng tới với sức khỏe con con người về đường tiêu hóa, khả năng sinh sản và nguy cơ mắc các bệnh về ung thư [3] Vấn đề đặt ra là cần có một loại thiết bị cảm biến vừa nhỏ gọn lại vừa có khả năng phát hiện nhanh chính xác nồng độ cholesterol hay dư lượng antrazin trong dung dịch để có thể

đo chính xác rút ngắn thời gian phân tích

Cảm biến điện hóa chế tạo trên cơ sở vật liệu nano cácbon cụ thể là việc gắn thêm lớp màng graphen lên bề mặt polyme dẫn có pha tạp hạt nano từ của cảm biến đang là một hướng nghiên cứu mới và đầy hứa hẹn, dựa vào tính dẫn rất tốt của graphen có thể giúp tăng độ nhạy và giới hạn đo của cảm biến sinh học rút ngắn thời gian phân tích, định lượng mẫu

Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi tiến hành chế tạo vật liệu graphen và chuyển lên vi điện cực tích hợp Pt, tổng hợp màng PANi có pha tạp hạt nano

Fe3O4 lên vi điện cực Pt/Gr và tiến hành thử nghiệm đo nồng độ cholesterol và

đo nồng độ atrazin trong dung dịch

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I.1 VẬT LIỆU GRAPHEN

I.1.1 Giới thiệu về vật liệu graphen

Graphen là một tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cácbon với liên kết sp2

tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong Tên gọi của nó được ghép từ “graphit” (than chì) và hậu tố “en”, trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại Chiều dài liên kết cácbon - cácbon trong graphen khoảng 0,142nm Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số dạng thù hình bao gồm than chì, ống nano cácbon, và fulleren.[51]

Hình1.1.Cấu trúc của gaphen, than chì, ống nano cácbon, và fulleren [47]

Chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) là graphen đã bổ xung đầy đủ hơn về các dạng thù hình tồn tại trước đó của cácbon là graphit (3D), ống nano cácbon (1D) và fulleuren (0D) Tuy nhiên vật liệu graphen mới tìm ra này lại có

những tính chất cơ, nhiệt, quang đặc biệt tốt hơn hẳn các dạng thù hình trước của cácbon điều này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương lai như trong công nghiệp điện tử như tăng tốc chip điện tử,

sử dụng trong vật liệu bán dẫn, vật liệu siêu dẫn, trong chế tạo sensor điện hóa…

I.1.2 Lịch sử phát triển của graphen

Như chúng ta đã biết than chì là một dạng thù hình của cácbon đã biết đến trong tự nhiên từ rất lâu và nó được đặt tên là “graphit” vào năm 1789 bởi Abraham Gottlob Werner, nó có thể tồn tại tự do ở các vỉa quặng trong tự nhiên [52] Qua nghiên cứu người ta thấy rằng graphit có cấu trúc gồm rất nhiều các tấm phẳng của các hình lục giác của cácbon hay chính là các tấm graphen xếp chồng lên nhau và giữa các tấm này liên kết với nhau bởi lực Van Der Waal rất yếu và lỏng lẻo Tuy nhiên để nghiên cứu kỹ hơn về cấu trúc của các tấm phẳng graphen, bằng cách tách ra vài đơn lớp từ graphit để nghiên cứu thì các nhà khoa học đã tốn rất nhiều thời gian và công sức, và đến trước năm 2004 thì việc tách

ra được vài đơn lớp từ graphit được coi là không thể Một số mốc thời gian đáng chú ý đánh dấu những bước tiến trong việc tách các đơn lớp graphen từ tinh thể graphit lớn :

Từ trước những năm 1970 đã có những nghiên cứu đầu tiên về việc tạo ra những dạng tồn tại mới của của graphit là graphit oxide, một dạng tồn tại trung gian làm cơ sở để phân tách các lớp graphit lớn thành những lớp graphit mỏng hơn

Năm 1970 Blackely cùng các cộng sự của ông đã thành công trong việc tạo ra những đơn lớp graphit và được tách lên trên bề mặt Ni [15]

Năm 1975 Morgan và Somorjai đã tiến hành nghiên cứu sử dụng nhiễu xạ electron với năng lượng thấp (LEED) để khảo sát sự lắng đọng của pha khí ở

nhiệt độ cao Kết quả họ đã tạo ra một lớp vật liệu mỏng trên bề mặt platinum Tuy nhiên họ đã không có những nghiên cứu tiếp theo về tính chất của dạng vật liệu mới tìm ra này [42]

Cũng trong năm 1975 van Bommel và các cộng sự cũng đã thực hiện nghiên cứu bốc bay Si ra khỏi cấu trúc silicon carbide (SiC), kết quả sau khi Si

bị thăng hoa hết thì còn lại một vài đơn lớp của graphit [48]

Trong những năm tiếp sau đã có rất nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu về tính chất đặc điểm, cấu trúc của những dạng đơn lớp graphit đã tìm ra ở trên

Năm 1986 Boehm cùng các cộng sự đã đưa ra đề nghị gọi tên đơn lớp graphit đã được tìm ra trước đó bằng thuật ngữ “graphen”

Năm 1991 Tiến sĩ Sumio Ijima người Nhật đã phát hiện ra ống nano cácbon, và đến năm 1993 người ta đã có thể tạo ra ống nano cácbon dạng đơn tường (SWCNT), đây là một dạng cấu trúc kiểu cuộn tròn dạng ống của vật liệu graphen [35]

Năm 1996 Giải Nobel về hóa học đã được trao cho Robert Curl, Richard Smalley và Harry Crotto vì đã có công nghiên cứu và phát hiện ra cấu trúc dạng tròn của cácbon gọi là “buckyball” phân tử gồm 60 nguyên tử cácbon xếp thành hình quả bóng

Năm 1999 Ruoff và các cộng sự của ông đã thử nghiệm bóc tách cơ học

từ tinh thể graphit bằng loại băng dính “scotch” tuy nhiên họ đã không thành công do không thể nhận ra bất kỳ đơn lớp mỏng nào của graphit còn lại

Đến năm 2004 Novoselov và Geim cùng các cộng sự tại trường đại học Manchester ( Anh quốc) đã tìm ra một phương pháp tạo ra các tấm graphen mỏng chỉ một vài lớp từ graphit Họ sử dụng một phương pháp bóc tách cơ học khá đơn giản đó là sử dụng một loại băng dính “Scotch” để liên tục chia mỏng

các lớp bột graphit và cuối cùng họ đã thu được những đơn lớp rất mỏng của graphen chỉ vài lớp Và quan trọng hơn họ đã đưa được những lớp mỏng graphen này lên chất nền silicon và sau đó sử dụng phương pháp quang để nhận biết ra graphen chỉ một vài lớp [40] Kể từ đó kỹ thuật này đã được sử dụng để sản xuất graphen với quy mô lớn

Năm 2008 Hernandez đã tiến hành tách thành công các đơn lớp graphen

từ các tinh thể graphit bằng cách cho các tinh thể graphit vào một dung môi thích hợp là N-methylpyrrolidone (NMP), các nghiên cứu tiếp theo đã được Coleman tiến hành với nhiều loại dung môi khác và cũng cho ra số lượng các đơn lớp graphen tùy thuộc vào loại dung môi khác nhau [24]

Năm 2010 giải Nobel về Vật lí đã được trao cho Novoselov và Geim của trường Đại học Manchester, Anh quốc Họ đã thành công trong việc tách những đơn lớp graphen từ bột graphit sau đó nhận ra các đơn lớp này bằng phương pháp quang và có những mô tả nhận dạng đặc trưng của graphen

I.1.3 Các tính chất đặc biệt của graphen [35]

- Độ dẫn điện của graphen: Vật liệu graphen ở dạng tinh khiết có thể dẫn

điện nhanh hơn bất kỳ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường Mặt khác việc việc

di chuyển của các electron qua graphen ít gặp điện trở và hầu như không sinh nhiệt Đối với graphen, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở suất vào khoảng = 10-6 cm Điện trở suất của graphen nhỏ hơn điện trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất thấp nhất được biết đến tại nhiệt

độ phòng

- Độ dẫn nhiệt: Sự dẫn nhiệt của graphen bị chi phối bởi các phonon và

đã được đo xấp xỉ là 5300 Wm-1

K-1 Đồng ở nhiệt độ phòng có độ dẫn nhiệt 401

Wm-1K-1 Như thế, graphen dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần Graphen dẫn nhiệt rất nhanh và phát tán nhiệt cũng rất nhanh

- Sức bền của graphen: Graphen có sức bền 42N/m Thép có sức bền

trong ngưỡng 250-1200 MPa = 0,25-1,2.109

N/m2 Với một màng thép giả thuyết

có cùng bề dày như graphen (có thể lấy bằng 3,35 angstrom = 3,35.10-10

m, tức là

bề dày lớp trong graphit), giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,40N/m Như vậy, graphen bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần

0,084 Tỉ trọng của graphen: Ô đơn vị lục giác của graphene gồm hai nguyên

tử carbon và có diện tích 0,052nm2 Như vậy, chúng ta có thể tính ra tỉ trọng của

nó là 0,77 mg/m2 (siêu nhẹ)

- Tính trong suốt quang học của graphen: Graphen hầu như trong suốt, nó

hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng trong vùng quang học Như vậy, miếng graphen lơ lửng không có màu sắc

- Vật liệu graphen dễ chế tạo và thay đổi hình dạng: Graphen có cấu trúc

mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphen dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano;

vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn

I.1.4 Phương pháp tổng hợp graphen

Cho đến nay đã có nhiều phương pháp vật lý, hóa học để chế tạo ra vật liệu graphen Dưới đây là một số phương pháp:

- Phương pháp cơ học: (Mechanical exfoliation)

Năm 2004 Novoselov và Geim tiến hành thử nghiệm tách graphen từ những tấm graphit nhiệt phân định hướng cao ( Highly Oriented Pyrolytic Graphene -HOPG) [40]

Hình1.2 Phương pháp bóc tách cơ học( Mechanical exfoliation) và kết quả màng graphen

thu được[35]

Nguyên tắc của phương pháp là phá hủy lực liên kết Van Der Waals tương đối yếu giữa các lớp graphite để chia nhỏ thành các lớp mỏng hơn tới một mức độ rất mỏng một vài đơn lớp cácbon ta sẽ thu được graphen

Đầu tiên graphit sẽ được nghiền nát và những mảng nhỏ rồi được gắn lên một băng dính “scotch”, việc này được lặp đi lặp lại nhiều lần nhằm mục đích chia mỏng những lớp graphit còn lại chỉ vài lớp chính là cấu trúc graphen Sau

đó những lớp này được chuyển lên bề mặt SiO2 để có thể tiến hành một số phương pháp quang xác định độ dày các mảng graphen thông qua độ tương phản của hình ảnh quang học

Tuy nhiên phương pháp này tồn tại một hạn chế đó là chất lượng màng không đồng đều nên ảnh hưởng đến tính chất điện tử của màng, đồng thời không phù hợp cho yêu cầu tạo những màng graphen cỡ lớn

- Phương pháp nhiệt: (Epitaxial growth)

Trước tiên người ta phải sử dụng một vật liệu nguồn, một cấu trúc mọc ghép giữa Si và cácbon là silicon carbide (SiC)

Hình I.3 Cấu trúc lớp C còn lại sau khi Si bị loại bỏ[35]

Quá trình này thực hiện ở một nhiệt độ cao 12500C và trong điều kiện chân không siêu cao (UHV) hoặc trong môi trường khí Argon Do nhiệt độ cao Silicon bốc hơi khỏi bề mặt kéo theo sự phá vỡ cấu trúc SiC ở hai bên, kết quả còn lại đơn lớp graphen bên trong ( cấu trúc lục giác còn lại của những nguyên

tử cácbon mầu đen chính là cấu trúc của graphen)

Khó khăn của phương pháp này là chi phí cơ sở vật chất cao và sự tương tác mạnh mẽ giữa graphen và SiC làm cho nó khó trong việc chuyển lên bề mặt khác và do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau cũng ảnh hưởng đến chính xác phép

đo về điện [47]

- Phương pháp tách hóa học: (Chemical exfoliation)

Đây là phương pháp được nghiên cứu từ rất sớm từ những năm 1940 bởi Hummer Nguyên tắc của phương pháp này là oxi hóa những tấm lớn graphit bằng cách sử dụng các axit mạnh oxi hóa chèn các phân tử oxi vào khoảng giữa của các lớp graphit tạo thành nhiều lớp graphen oxit xen kẽ nhau, sau đó đem rung siêu âm tách rời các tấm graphen oxit ta sẽ thu được các tấm graphen oxit riêng biệt

Hình 1.4 Sơ đồ mô tả quá trình tách hóa học graphit thành các lớp graphen

Kết thúc quá trình đem ủ nhiệt hoặc sử dụng phương pháp hóa học loại bỏ oxi đi và kết quả thu được các tấm graphen

Phương pháp này không thể tạo ra những tấm graphen có kích thước lớn,

và cấu trúc của graphen tạo ra có chất lượng không cao do bị ảnh hưởng bởi sự oxi hóa của axit mạnh

- Phương pháp tách mở ống nano cácbon: (Unzipping carbon nanotubes)

Phương pháp này được thực hiện bằng cách mở ống nano cácbon đa vách (MWCNT) theo hướng dọc tạo thành băng nano graphen

Nguyên tắc của phương pháp là cho ống nano cácbon tiếp xúc với môi trường “plasma etchant” mở trên dọc thân ống nano cácbon tạo thành nanoribbons graphen hay các băng graphen Phương pháp này có một số ưu điểm như độ tinh khiết của graphen rất cao do không lẫn bất kỳ dư lượng dung môi hay chất nào khác Nguồn ống nano cácbon nhiều và tương đối rẻ, quy trình thực hiện nhanh và tạo ra một lượng sản phẩm các băng nano graphen lớn trên một lần thực hiện [28]

Hình 1.5 Mô hình mô tả quá trình mở ống nano cácbon[35]

Ngoài ra việc mở ống nano cácbon còn có thể thực hiện theo phương pháp khác do Novoselov đề xuất là oxi hóa ống nanotubes bởi KMnO4 trong môi trường H2SO4 Cơ chế này là quá trình oxi hóa anken bởi manganat trong axit [30]

- Phương pháp phân tách pha lỏng: (Liquid phase exfoliation)

Phương pháp này được thực hiện đầu tiên bởi Hernandez khi nghiên cứu

sự tác động của dung môi lên graphen, ông cho một phần nhỏ graphit vào dung môi thích hợp N-methylpyrrolidone, do sự tương tác về năng lượng giữa bề mặt graphen và dung môi, năng lượng này đủ lớn để thắng được lực liên kết Van Der Waals từ đó phân tách graphit thành các tấm mỏng graphen và tạo ra một dung dịch, các tấm graphen sẽ phân tán trong dung môi Sau đó dung dịch sẽ được đem ly tâm để lắng đọng những mảng lớn graphitic mà không bị phân tán sẽ được loại bỏ và ta được dung dịch có chứa những tấm graphen [20,24] Qua hình 1.6 ta có thể thấy ảnh SEM là các tấm graphen với kích cỡ không đồng đều xếp chồng lên nhau, và các tấm graphen này rõ hơn khi quan sát ảnh TEM

Hình 1.6 Quá trình phân tán graphit thành những tấm mỏng graphen thực hiện trong dung

môi N-methyllpyrrolidone(NMP)[35]

Các thí nghiệm tương tự được tiến hành bởi Colerman khi ông tiến hành thử độ phân tán của graphen trong các dung môi khác nhau như: N,N-Dimethylacetamide (DMA), Butyrolacetone (GBL), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone ( DMEU), dimetyl sulfoxide (DMSO), Benzyl Benzonate, 1-Vinyl-2-pyrrolidinone (NVP), 1-Đoecyl-2-pyrrolidinone (N12P)…

Tuy nhiên phương pháp này tồn tại hạn chế cơ bản là kích thước và vị trí của các tấm graphen không kiểm soát được và việc đưa các tấm graphen này lên một chất nền khác là rất khó

- Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học: (Chemical Vapor

Deposition-CVD)

Đơn lớp graphen có thể được tạo ra bằng cách lắng đọng hơi hóa học trên

bề mặt những kim loại chuyển tiếp như Ni, Pd, Ru, In hoặc Cu Phương pháp này được tiến hành lần đầu tiên vào năm 1975 bởi Morgan và Somorjai, hai ông

đã sử dụng nhiễu xạ electron với năng lượng thấp (LEED) để khảo sát sự hấp thụ các khí khác nhau như CO, C2H2, C2H4 lên bề mặt platinum ở nhiệt độ cao [42] Những năm sau đó người ta đã suy luận kết quả từ thực nghiệm và thấy rằng có tồn tại một lớp vật liệu có cấu trúc kiểu graphitic, và lớp này đã làm giảm năng lượng hấp thụ trên bề mặt platinum Những nghiên cứu tiếp theo của Blackely và các cộng sự đã chứng minh lớp vật liệu bám trên bề mặt Pt chính là các đơn lớp graphen Ngoài bề mặt là Pt, các ông cũng đã thử nghiệm và thành công với bề mặt kim loại là Ni, Pd, và Co

Cho đến ngày nay phương pháp CVD đang trở thành phương pháp gần như tối ưu nhất để có thể chế tạo ra màng graphen phục vụ cho nghiên cứu cũng như các ứng dụng của graphen trong nhiều lĩnh vực

Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm có thể tạo ra những lớp mỏng graphen với diện tích lớn, độ đồng đều của màng cao, và đặc biệt có thể khống chế được chiều dày hay số lớp graphen, việc tách màng graphen để chuyển lên

bề mặt chất nền khác là tương đối dễ dàng [14, 16, 27,35, 37]

Hình 1.7 Mô hình mô tả quá trình lắng đọng pha hơi hóa học trên bề mặt kim

loại[35]

Hiện nay tại Việt Nam phương pháp CVD chế tạo màng graphen trên đế kim loại Cu đã được thực hiện thành công tại phòng Vật liệu Carbon nano, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

I.1.5 Ứng dụng của vật liệu graphen trong cảm biến sinh học

Xuất phát từ những tính chất rất đặc biệt của graphen như độ dẫn cao, độ bền cơ học, rất phù hợp cho việc chuyển nhanh những tín hiệu từ sinh học - hóa học qua tín hiệu vật lý chính ưu điểm này mà graphen đang được thử nghiệm sử dụng để gắn lên các sensor điện hóa nhằm làm tăng độ nhạy của cảm biến như cảm biến đo nồng độ glucose, đo cholesterol, đo thuốc diệt cỏ atrazin [3], đo hàm lượng kim loại nặng, dopamin…

I.2 CẢM BIẾN SINH HỌC

I.2.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học

Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) năm

1999 đã định nghĩa : “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần

tử chuyển đổi (transducer)”[25]

Cảm biến sinh học ra đời xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của con người trong nhiều lĩnh vực cần thiết trong thực tế như phân tích thực phẩm, kiểm soát môi trường, trong an ninh quốc phòng và đặc biệt trong y sinh học Yêu cầu đặt ra

là cần có một thiết bị có thể dùng để xét nghiệm lâm sàng cho kết quả nhanh chóng hơn thay vì việc phải đến các trung tâm, phòng nghiên cứu lớn để xét nghiệm, chuẩn đoán, xác định chính xác Cảm biến sinh học xuất hiện đầu tiên từ những năm 1962 bởi Leyland D.Clack [36], đến nay qua quá trình phát triển lâu

dài, cảm biến sinh học đã đáp ứng được các yêu cầu về phân tích ngày càng nhanh, và cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ đặc biệt là công nghệ

về nano, điện tử thì những thiết bị cảm biến ngày càng được thu nhỏ gọn và độ chính xác cao

I.2.2 Cấu tạo của cảm biến sinh học

Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học gồm bốn bộ phận chính (hình I.8):

- Đầu dò sinh học (1)

- Tác nhân cố định (2)

- Bộ phận chuyển đổi tín hiệu (3)

- Bộ phân xử lý,đọc tín hiệu ra (4)

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo chung của một cảm biến sinh học

Tác nhân cần phát hiện (Analyte) ở đây có thể là:

+ Các vi khuẩn: vi khuẩn Ecoli, vi khuẩn candida, vi khuẩn bệnh than… + Các phân tử nhỏ: CO, CO2, ethanol, ure, amino axit, paracetamol, penicilin, thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ atrazin [3], thuốc nổ TNT, các tác nhân thần kinh, phân tử glucose, phân tử cholesterol [39], ion kim loại nặng, dopamin…

+ Các phân tử sinh học có kích thước lớn: Các enzym, hocmon, các phân

tử protein, AND…

- Đầu dò sinh học (Biological Receptor): Là những đầu dò phản ứng trực tiếp

với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học Dựa vào các tác nhân sinh học sử dụng người ta có thể chia ra thành một số loại đầu thu như:

+ Đầu dò làm từ enzym: Đây là dạng đầu dò phổ biến nhất Một số kiểu enzym như enzyme glucose oxidase, enzyme cholesterol oxidase, enzyme urease…

+ Đầu dò làm từ các kháng thể / kháng nguyên: Dạng đầu dò này có tính chọn lọc cao và các liên kết được tạo thành khá mạnh

+ Đầu dò làm từ protein: Các đầu dò này cũng có tính chọn lọc cao tuy nhiên cũng có nhược điểm là khó cách ly

+ Đầu dò làm từ các axitnucleic: Các axitnucleic như AND, ARN có thể được sử dụng làm đầu dò sinh học Các dạng đầu dò này thường sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền

+ Đầu dò kết hợp: Là loại đầu dò sử dụng đồng thời hai hoặc nhiều các phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein…) trên một đế Ưu điểm của dạng này

là có thể làm tăng hiệu quả làm việc của cảm biến sinh học so với loại đầu dò chỉ sử dụng một phần tử làm đầu dò

- Tác nhân cố định: Đây là một bộ phận trung gian có nhiệm vụ gắn kết các đầu

dò sinh học lên trên đế Những tác nhân này vừa phải đảm bảo độ bền cơ học,vừa phải đảm bảo khả năng truyền tải tín hiệu giữa bộ phận sinh học và bộ phận chuyển đổi

Tác nhân cố định thường dùng hiện nay là các polyme dẫn như polyanilin, polypirol, polythiophene…Tuy nhiên để làm tăng độ bền, độ dẫn điện và hiệu quả đáp ứng của polyme dẫn người ta thường tìm cách pha tạp vào polyme dẫn một tác nhân khác đặc biệt là những vật liệu có kích thước nano như các hạt oxit

Fe3O4, ống nano cácbon, vật liệu graphene

- Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: Có tác dụng chuyển các biến đổi sinh học, hóa

học thành các tín hiệu có thể đo đạc được

Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ

vi cơ Trong đó, chuyển đổi theo nguyên lý điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric) có nhiều ưu điểm như chế tạo đơn giản, có độ nhạy và độ chính xác cao, dễ tích hợp, dễ phát triển thiết bị cầm tay công suất thấp

- Bộ phận xử lý và đọc tín hiệu: Bộ phận này sẽ xử lý các tín hiệu điện hóa thành

các tín hiệu điện cho máy tính và các thiết bị xử lý từ đó cho ra kết quả cần phân tích

I.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

Khi có sự thay đổi tính chất của môi trường (pH, nồng độ chất, độ dẫn…) thì thành phần sinh học sẽ xác định sự thay đổi của môi trường thông qua quá trình sinh học (trực tiếp hoặc gián tiếp) Ví dụ: nếu nồng độ cơ chất trong môi trường thay đổi thì cân bằng động học trong phản ứng enzym sẽ thay đổi, từ đó

ta xác định được nồng độ cơ chất; hoặc nếu trong môi trường xuất hiện chất lạ thì phản ứng kháng thể xảy ra và ta xác định được đó là chất gì, lượng bao nhiêu Sau khi những tín hiệu sinh học xảy ra nó sẽ được các bộ phận vật lý

chuyển đổi thành các tín hiệu điện đơn thuần từ đó xử lý sẽ cho ta kết quả cần

đo đạc

I.2.4 Cảm biến theo nguyên lý điện hóa

Đây là kiểu cảm biến sinh học có nhiều ưu điểm nhờ có những phản ứng điện hóa cho tín hiệu điện trực tiếp nên độ nhạy tương đối cao, thời gian đáp ứng nhanh

Hình 1.9 Sơ đồ một hệ cảm biến điện hóa

Hệ cảm biến điện hóa gồm:

- Bình điện phân (1)

- Điện cực (2): Có 3 điện cực gồm điện cực làm việc (WE), điện cực so sánh (RE), điện cực đối (CE)

- Hệ điện hóa đa năng (3)

- Kết nối với máy tính (4) chạy phần mềm và cho ra kết quả điện hóa Quá trình nhận biết tín hiệu có thể thực hiện bằng các phép đo dòng, đo thế và

độ dẫn [5]

Phép đo dòng: Dựa trên sự thay đổi dòng điện gây ra do sự oxi hóa - khử

điện hóa của chất cần phát hiện Phương pháp này được thực hiện bằng cách áp một điện thế giữa điện cực làm việc (WE) và điện cực so sánh (RE), tín hiệu

dòng sẽ được đo giữa điện cực làm việc (WE) và điện cực đối (CE) Khi điện thế đạt đến một giá trị nào đó (thường là điện thế oxi hoá), thì hiện tượng oxi hoá xuất hiện và các electron được sinh ra Dòng điện thu được liên quan trực tiếp đến nồng độ chất cần phân tích [2, 5, 44]

Phép đo thế: Liên quan đến việc xác định sự chênh lệch thế giữa một điện

cực chỉ thị và một điện cực chuẩn hoặc hai điện cực chuẩn so sánh cách nhau bởi một lớp màng mỏng nào đó không có dòng đi qua Bộ chuyển đổi này có thể

là điện cực chọn lọc ion (ISE) Hầu như các thiết bị đo thế phổ biến nhất hiện nay là các điện cực pH; hay các ion như F-

, I-, CN-, Na+, K+, Ca2+, NH4+ [8]

Đo độ dẫn: Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của

vật liệu Phản ứng giữa đầu dò và các phần tử đích làm thay đổi thành phần của chất dẫn điện khiến độ dẫn điện của chất đó thay đổi Các phản ứng enzyme như ure và nhiều thụ thể màng sinh học có thể được kiểm soát bởi các thiết bị đo trở kháng hay độ dẫn ion sử dụng các vi điện cực xen kẽ nhau [8]

I.2.5 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học [2]

Một số tiêu chí đánh giá, cũng như các yêu cầu đối với cảm biến sinh học:

- Độ nhạy (Sensitivity): là tính đáp ứng của cảm biến khi thay đổi nồng độ

chất phân tích hay khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ nhất về nồng độ chất phân tích

- Độ chọn lọc (Selectivity): chỉ mức độ ảnh hưởng của các chất nền tới

phép xác định chất phân tích

- Thời gian đáp ứng (Response time): là khoảng thời gian cần thiết để

dòng của hệ đo đạt được 90% giá trị dòng cân bằng, khi có sự tiếp xúc của điện cực nghiên cứu với dung dịch đo hoặc khi có sự thay đổi nồng độ chất trong

dung dịch tiếp xúc với điện cực Đây là một trong những tiêu chuẩn của cảm biến mà các nghiên cứu đang tập trung cải tiến

- Khoảng tuyến tính (Linearity): giá trị hàm lượng lớn nhất của chất phân

tích mà tín hiệu phân tích còn tuân theo phương trình tuyến tính bậc nhất

Bên cạnh đó là các tiêu chuẩn khác khi thực hiện các phép phân tích định lượng như độ lặp lại, độ nhiễu, độ chụm, độ phân giải, độ chính xác (accuracy)

I.2.6 Một số ứng dụng của cảm biến sinh học [7]

Do có khả năng xác định định tính hoặc định lượng của một số tác nhân cần phân tích với độ nhạy, thời gian đáp ứng và độ chính xác tương đối cao nên cảm biến sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

- Y học, sinh học:

Cảm biến sinh học ứng dụng phát hiện các protein ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn Nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu [28], nồng độ cholesterol, cảm biến huyết áp … những cảm biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế Ngày nay, các cảm biến dạng này không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng

- Phân tích thực phẩm và kiểm soát môi trường:

Ngày nay vấn đề môi trường và vệ sinh an toàn thực phẩm đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội vì tính cấp thiết và ảnh hưởng của nó tới môi trường sống của con người Các hệ cảm biến được phát triển và ứng dụng đó là phân tích nhanh dư lượng các loại thuốc trừ sâu, dư lượng các chất kháng sinh, các nấm mốc độc hại tồn tại trong lưới thức ăn như aflatoxin, xác định nồng độ các khí độc (CO2, H2S), hàm lượng kim loại nặng [8, 11]

- An ninh - Quốc phòng:

Cảm biến giúp phát hiện chất nổ, phát hiện các vụ tấn công hóa sinh và

các chất phóng xạ với độ nhạy cao [8]

- Một số ứng dụng khác: trong công nghiệp tự động hóa, an toàn sản xuất,

trong tương tác giữa con người và máy móc như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh hoặc các đặc trưng sinh học của con người…[7]

I.3 POLYME DẪN ĐIỆN

I.3.1 Giới thiệu polyme dẫn điện [2, 8, 9, 34]

Trong chế tạo cảm biến sinh học thì polyme dẫn có vai trò hết sức quan trọng nó đóng vai trò làm chất trung gian, là vật liệu nền gắn kết phần tử sinh học là các enzyme với bề mặt điện cực kim loại, với độ dẫn càng cao thì vai trò dẫn điện của polyme càng tốt Polyme dẫn là các polyme liên hợp có tính chất điện tử tương tự như của kim loại trong khi đó vẫn giữ nguyên được tính chất của polyme hữu cơ

Polyme dẫn được phân ra làm ba loại chính:

+ Các polyme dẫn điện tử (electrically conducting polymer): là polyme có

mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, không có sự tích tụ điện tích một cách đáng

kể Các polyme loại này bao gồm các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyacetylene), các polyme liên hợp vòng thơm (như polyanilin) và các polyme

dị vòng (như polypyrol)

Các polyme dẫn điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế rộng Vùng dẫn này bị khống chế mạnh bởi bản chất hoá học của polyme và hơn thế nữa nó có thể bị khống chế bởi cả điều kiện tổng hợp

Hình 1.10 Cấu trúc một số polyme dẫn điện quan trọng

+ Các polyme oxy hoá khử (Redox polyme): Là các polyme có chứa

nhóm hoạt tính oxy hóa khử liên kết với mạch polyme không hoạt động điện hóa Trong các polyme loại này, sự vận chuyển điện tử xảy ra thông qua quá trình tự trao đổi electron liên tiếp giữa các nhóm oxy hóa khử kề nhau

+ Polyme trao đổi ion: Polyme trao đổi ion là polyme chứa các cấu tử có

hoạt tính oxy hoá khử liên kết tĩnh điện với màng polyme dẫn ion, trong trường hợp này cấu tử có hoạt tính oxy hóa khử có điện tích trái dấu với màng polyme

I.3.2 Cơ chế dẫn điện của polyme dẫn [6]

Theo cơ chế dẫn điện của Roth và cơ chế dẫn điện của Kaoki

- Roth và cộng sự cho rằng quá trình chuyển điện tích vĩ mô trong các mạng polyme dẫn là sự tập hợp các cơ chế vận chuyển cục bộ Đó là sự vận chuyển các dạng mang điện trên các mạch sợi có liên kết liên hợp và từ sợi này sang sợi khác Nếu coi polyme là tập hợp các bó sợi thì còn có sự vận chuyển các dạng mang điện tử từ bó sợi này sang bó sợi khác

- Theo Kaoki trong pha của polyme có những chuỗi có khả năng dẫn điện

và những chuỗi không có khả năng dẫn điện hay nó tạo ra vùng dẫn và vùng không dẫn

Khi chuỗi polyme ở trạng thái oxy hoá, khi đó thì nó dư các obital trống

do đó nó có thể nhận hoặc cho điện tử Thông thường nó được phân bố ngẫu nhiên trong màng polyme Dưới tác dụng của điện trường áp vào thì các chuỗi này có xu hướng duỗi ra theo một chiều nhất định Khi điện thế áp vào đủ lớn thì xảy ra hiện tượng lan truyền pha có nghĩa là các pha không dẫn trở nên dẫn điện

I.3.3 Một số ứng dụng của polyme dẫn trong cảm biến sinh học

Trong cấu tạo của vật liệu polyme dẫn có rất nhiều liên kết π Chính hệ thống các liên kết π này khiến cho polyme nhạy cảm với các phản ứng oxi hóa khử trong phương pháp hóa học hay điện hóa Đặc điểm của các phản ứng oxi hóa khử trong các polyme dẫn là tính thuận nghịch cho nên chúng ta có thể điều khiển các phản ứng này với độ chính xác khá cao Nhờ những đặc điểm đó, vật liệu polyme dẫn ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghệ cao Polyme dẫn điện được sử dụng trong vật liệu chống tĩnh điện, vật liệu phủ hấp thụ sóng điện từ, keo dẫn điện, các dây thần kinh nhân tạo, các linh kiện điện tử, chế tạo các cảm biến, màn hình hiển thị, chất điện ly rắn, các màng trao đổi ion, pin,

Những năm gần đây, polyme dẫn điện thu hút được nhiều chú ý của các nhà khoa học trên thế giới trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến điện hóa nói chung và cảm biến sinh học điện hóa nói riêng Các ứng dụng của cảm biến sinh học rất đa dạng như được dùng để phân tích định lượng nhanh đường glucose, cholesterol, ure, các chất bảo vệ thực vật, các độc tố sinh học có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người Để phát hiện và định lượng những phần tử này

người ta sử dụng các loại enzym đặc hiệu và kết hợp với mạch polyme dẫn điện (enzym có thể kết hợp với polyme dẫn điện ở dạng dopant, hay được phủ lên bề mặt của polyme) Enzym sẽ phản ứng chọn lọc với chất phân tích cho ra những chất hoặc hợp chất làm thay đổi điện trở trên bề mặt cảm biến, sự thay đổi tín hiệu điện hóa đó là một hàm phụ thuộc nồng độ chất phân tích

I.3.4 Phương pháp điện hóa tổng hợp polyme dẫn

Sử dụng phương pháp quét thế vòng (CV-Cyclic Voltammetry): Điện thế phân cực được quét tuyến tính một cách tuần hoàn từ điện thế E1 đến điện thế E2

và quay lại theo thời gian với vận tốc quét không đổi Dòng điện phản hồi I được ghi lại Từ dòng I và thế quét thu được, người ta xây dựng đồ thị I – E Khi quan sát các đường phân cực ta thấy trong một số chu kỳ đầu, dòng tăng nhanh tương ứng với việc bắt đầu có polyme kết tủa trên bề mặt anot Khi tăng chu kỳ phân cực, dòng thụ động giảm dần Sau một số chu kỳ, các đường phân cực vòng trùng khít lên nhau Khi đó màng polyme bám trên bề mặt điện cực

I.3.5 Cơ chế dẫn của polyanilin

PANi là một hợp chất hữu cơ dẫn điện, có cấu trúc xốp dễ dàng tổng hợp, monome có giá thành thấp, độ dẫn điện cao, độ ổn định trong môi trường tốt nên PANi được sử dụng phổ biến trong cảm biến sinh học

PANi có hệ thống nối đôi liên hợp dọc toàn mạch phân tử hoặc trên những đoạn lớn của mạch, sự bất định xứ của một số lớn electron  dọc theo mạch polyme trong hệ thống nối đôi liên hợp mang lại thuận lợi lớn về mặt năng lượng Đó chính là điều kiện để polyme có thể dẫn điện Bề rộng vùng cấm trong polyme dẫn cỡ khoảng 1,5eV, nên có thể coi polyme dẫn tương đương với chất bán dẫn Khi pha tạp các tâm cho electron (donor) hay các tâm nhận electron (acceptor) và đặt trong điều kiện thích hợp thì các polyme có thể trở

thành chất dẫn điện Quá trình pha tạp sẽ tạo ra các mức năng lượng mới có vị trí phụ thuộc vào quá trình oxy hóa khử của polyme

I.3.6 Tổng hợp PANi

Với mục tiêu tạo màng PANi trên bề mặt điện cực ứng dụng làm thành phần chuyển đổi trong chế tạo cảm biến sinh học thì phương pháp điện hóa tỏ ra

là một phương pháp hiệu quả và phù hợp [21, 31, 46]

Sơ đồ tổng quát của quá trình trùng hợp màng PANi bằng phương pháp điện hóa được đưa ra tại hình I.11 dưới đây:

N H

H

N H H

N H H

H N

N H

N H H

N

N H

N H

N H H N

H

-2H+

H

N H

N H

N H H N

H H

Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát sự tạo thành polyanilin bằng phương pháp điện hóa [32]

Các giai đoạn xảy ra trên bề mặt điện cực:

+ Khuếch tán và hấp phụ anilin

+ Oxy hóa anilin

+ Hình thành polyme trên bề mặt điện cực

+ Ổn định màng polyme

+ Oxy hóa khử bản thân màng polyme

I.4 HẠT NANO OXIT SẮT TỪ (Fe 3 O 4 )

I.4.1 Cấu trúc và tính chất của hạt nano Fe 3 O 4

- Giới thiệu chung về hạt nano Fe 3 O 4 :[6, 12]

Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 với nhiều lợi thế như có kích thước hạt nhỏ cỡ nano, có tính chất từ tính, không độc hại với cơ thể con người và có tính ổn định cao trong môi trường không khí nên đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong lĩnh vực y sinh Một số ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ như phân tách và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và phân phối thuốc, pha tạp vào polyme dẫn…

Hạt oxit sắt từ có cấu trúc spinen đảo thuộc nhóm đối xứng Fd3m, hằng số mạng a = b = c = 0,8396nm, số phân tử trong một ô cơ sở là 8 Trong mạng tinh thể spinen Fe3O4, các ion Fe2+và Fe3+được phân bố trong các lỗ hổng bát diện

và Fe3+ nằm cả ở vị trí lỗ hổng tứ diện Các bát diện này tiếp xúc với nhau theo

một cạnh chung, do đó cation sắt có mức oxi hoá khác nhau mà ở gần nhau nên trao đổi điện tích dễ dàng, lỗ trống dương có thể chuyển từ Fe2+

sang Fe3+ thông qua việc trao đổi điện tích, ở đây Fe2+

và Fe3+ có tác dụng như một cặp oxi hóa khử làm giàu điện tích tự do

Hình 1.12 Cấu trúc Fe 3 O 4 (mầu xanh là Fe 2+ , mầu nâu là Fe 3+ , mầu ghi là oxy) [57]

- Tính chất của hạt nano Fe 3 O 4 :

+ Các hạt nano từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm) Do vậy hạt nanô có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng

ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào

+ Diện tích bề mặt lớn trong một thể tích nhỏ của các hạt nano giúp cho các hiệu ứng xảy ra bên trên bề mặt diễn ra rất mạnh mẽ, làm tăng khả năng liên kết giữa chúng với các thực thể sinh học

+ Giữa Fe2+ và Fe3+ trong mạng tinh thể có thể chuyển hóa trao đổi điện tích với nhau tạo nên sự linh động và giàu điện tích làm tăng độ dẫn Và ngoài ra hạt nano Fe3O4 có từ tính nên chúng ta có thể dùng từ trường tác động lên các thực thể sinh học thông qua “cầu nối” là các hạt nano từ tính

+ Bằng phương pháp hóa học có thể tổng hợp được các hạt nano Fe3O4với kích thước tương đối đồng đều

Việc sử dụng hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong chế tạo cảm biến đã và đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học

I.4.2 Ứng dụng của hạt nano Fe 3 O 4 trong cảm biến sinh học

Mục đích của việc bọc hạt nano Fe3O4 để tránh kết tụ khi không có mặt của từ trường ngoài, bảo vệ và cách ly vật liệu làm lõi với môi trường đồng thời quyết định tính chất của lõi cho phù hợp với mục đích sử dụng Từ đó tạo ra một bề mặt có tính tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa

Ở đây chúng tôi sử dụng các hạt nano Fe3O4 và bọc bằng copolyme polystyren và polyacrylic acid (Fe3O4 /p(St-co-AA)) từ nguồn có sẵn trước đó để

ứng dụng pha tạp vào PANi nhằm làm tăng hiệu quả hoạt động của màng PANi

I.5 ENZYM

I.5.1 Giới thiệu về enzym [6, 7, 12]

Enzym là chất xúc tác sinh học (biocatalysators) có bản chất là protein, enzym có trong mọi tế bào sinh vật Enzym có thể xúc tác đặc hiệu cho mọi phản ứng sinh hóa bên trong và bên ngoài cơ thể sinh vật Enzym có hiệu suất xúc tác lớn hơn tất cả các chất xúc tác hóa học hữu cơ và vô cơ khác Các chất tham gia trong phản ứng do enzym xúc tác gọi là cơ chất Enzym có tính đặc hiệu cao vì mỗi enzym chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định tạo thành một hay một số sản phẩm nhất định

I.5.2 Tính đặc hiệu của enzym

Mỗi enzym đều có tác dụng chọn lọc đối với một cơ chất hoặc một loại cơ chất nhất định đối với một loại phản ứng nhất định Tính chất xúc tác chọn lọc này được gọi là tính đặc hiệu của enzym Đây là một trong những đặc tính cơ bản quan trọng nhất của enzym, do cấu trúc lý hóa đặc biệt của phân tử enzym

và đặc biệt là trung tâm hoạt động mà enzym có tính đặc hiệu rất cao so với những chất xúc tác thông thường khác

I.5.3 Ezym Cholesterol oxidase [17, 26]

Cholesterol oxidase (EC 1.1.3.6) còn có các tên gọi khác như

Cholesterol-O2 oxidoreductase; beta-hydroxy steroid oxidoreductase; beta-hydroxysteroid: oxygen oxidoreductase

Hình 1.13 Cholesterol Oxidase (ChOx)

Cholesterol oxidase thuộc nhóm 1 (Oxydoreductase) có tác dụng xúc tác cho phản ứng oxy hóa – khử Cholesterol oxidase thường được thu từ Streptomyces, Pseudomonas, Brevibacterium…

Enzyme này có tính đặc hiệu cao đối với cholesterol trong khoảng pH thích hợp từ 4,0 đến 7,0 (tính đặc hiệu cao nhất tại pH=7,0)

Đặc tính: enzym là chất đặc hiệu để phát hiện và định lượng cholesterol Phản ứng với xúc tác ChOx

Phản ứng oxy hóa cholesterol dưới tác dụng của ChOx tạo ra H2O2 [26]:

I.6 BỆNH VỀ MỠ MÁU VÀ CHOLESTEROL

I.6.1 Bệnh mỡ máu (Dislypidemia)

I.6.1.1 Sơ lược về bệnh mỡ máu [53]

Rối loạn mỡ máu là tên gọi của một số bệnh do xáo trộn các chất mỡ trong máu hoặc quá nhiều hoặc quá ít các chất lipoprotein Bệnh thường biểu hiện qua độ tăng cholesterol, tăng loại lipoprotein xấu (LDL), tăng loại triglyceride hoặc thiếu loại lipoprotein tốt (HDL)

Cholesterol là một phần quan trọng của cơ thể, được dùng trong cấu tạo của màng tế bào, của một số hormone và một số công dụng khác trong cơ thể Nhưng có quá nhiều cholesterol trong máu là một nguy cơ lớn, có khả năng gây bệnh về tim mạch nhất là nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não

Vì là chất mỡ không hòa tan trong nước, cholesterol và các chất mỡ như triglycerides phải kết hợp với những khối tạp dễ tan trong nước là lipoprotein để

dễ di chuyển trong máu Vì thế khi xét nghiệm lượng mỡ trong máu ngoài tổng

số cholesterol người ta còn phân tích lượng cholesterol theo các loại lipoprotein trong máu

Lipoprotein là tập hợp những khối tạp gồm mỡ và đạm trong máu dùng cho việc chuyển tải cholesterol và triglyceride Lipoprotein được chia làm nhiều loại tùy theo tỷ trọng

HDL-c (tỷ trọng cao) khoảng hơn 30% cholesterol được mang trong HDL Giới Y học cho rằng HDL thường mang cholesterol ra khỏi động mạch trở

về gan và sau đó bài tiết ra khỏi cơ thể Một số khác các nhà Y học lại cho rằng HDL mang lượng cholesterol dư thừa ra khỏi các mảng sơ vữa và làm chậm sự phát triển của những mảng này Vì thế HDL còn được gọi là loại “cholesterol có ích” HDL càng thấp thì tỉ lệ bệnh tim mạch càng cao

LDL-c (tỷ trọng thấp) Ngược lại với HDL, LDL còn được gọi là cholesterol xấu Khi có quá nhiều LDL cholesterol sẽ bị đưa vào các mảng của động mạch, lấn dần làm hẹp đường kính của mạch Sau đó kết hợp với các chất khác trong màng của thành động mạch tạo thành những mảng sơ vữa ( Atherosclerosis) Những mảng này có thể bị dạn nứt làm cho thành động mạch không được trơn tru Khi chảy qua những chỗ “gồ ghề” này đọng máu dễ bị hỗn loạn không đều, dễ bị tụ lại thành cục máu đông Sự tích tụ lâu ngày của những cục máu đông này sẽ làm nghẽn động mạch Nếu xảy ra trong động mạch vành tim thì gây nghẽn mạch tim và chứng nhồi máu cơ tim Trong trường hợp cục máu đông bị dứt ra khỏi thành động mạch trôi theo dòng máu cho đến khi kẹt vào một mạch có đường kính nhỏ hơn và sẽ làm nghẽn mạch đó Nếu mạch bị nghẽn là mạch dẫn máu não thì gây nên chứng tai biến mạch máu não

I.6.1.2 Liên hệ giữa mỡ máu với bệnh tim mạch [53]

Tăng mức cholesterol hay đúng hơn là tăng mức LDL – cholesterol là nguyên nhân chính của chứng sơ vữa làm nghẽn mạch vành tim đem đến chứng đau thắt ngực, nhồi máu cơ tim đột tử hoặc suy tim Khoa học đã khẳng định rằng giảm lượng LDL-c trong máu sẽ làm giảm được nguy cơ mắc bệnh về tim mạch

Khi lượng triglycerides (TG) tăng sẽ dẫn tới biểu hiện tăng Densty-Lipoprotein-Cholesterol (VLDL-c) và lượng TG tăng lên đến 4 mmM/L thì nguy cơ mắc các bệnh tim mạch là 25%

Very-Low-Tăng TG có thể là do di truyền hoặc do chứng cao mỡ loại 3(type 3 hyperlipoproteinemia - chứng này do tăng Intermediate-Density-Lipoprotein-Cholesterol (IDL-c), dạng mỡ trước khi chuyển hóa thành LDL-c)