Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển polyanilin Ống nano cacbon Ứng dụng trong cảm biến sinh học

Các nghiên cúu chế tao và ứng dụng cảm biển trong hóa phân tích rất đa đạng từ chuẩn đoán bệnh trong y học, phát hiện ADN, ARN trong sinh học; phẩn tích độc học trong thực phẩm, phân tíc

NGUYÊN LÊ HUY

NGIIIÊN CUU PIEAT TRIEN

POLY ANILIN/ONG NANO CACBON

UNG DUNG TRONG CAM BIEN SINH HOC

Chuyên ngành HOA PHAN TECH

LUẬN VAN THAC SI KHOA HOC

NGANH HOA HOC

NGUGI HUGNG DAN KHOA HOC

PGS TS TRAN DAI LAM

Hà Nội — Năm 2010

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

LỜI CẮM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tả lửng biết ơn sâu sắc dén PGS TS Trin Pai Lam,

người huớng đẫn khoa học đã tận tỉnh, chỉ bảo và tao điều kiện giúp đổ tôi hoàn thảnh bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm on TS Nguyễn Tuần Dung - Viện Kỹ thuật nhiệt

đới; Th.§ Nguyễn Hải Bình - Viện E-hoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thục hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng vật liệu nano y sinh và Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và Linh kiện điện tử - Viện Khoa học Vật liệu, Viện Kỷ thuật Nhiệt đới - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Khoa Công nghệ Hóa

học, Viên Đảo tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trường Đại học Bách

Khoa [la Néi đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Chỗ cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các thầy cô trang Bộ môn IIéa Phân tích

và bạn bè đố tạo điều kiện thuận lợi, động viễn vả giúp đỡ tôi Irơng thời gian học

tập cũng như trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIỆT TẮT 5

TANH MỤC CÁC HỈNH VE, BO THỊ 7

11, Gag nano cabon "— _ 13 L1.1 Giải thiện chung về đngm nano cachon 13 1.1.2 Cầu trúc của ông nano cacbon ssentnirnegntatnsisn 13

1.4.5 Tính chat un việt của enzyme so với các chất xúc tác khác 32 1.3 Cảm biến sinh học (Bisensor) - sseeerrrrrrrerorou2 15.1 Cấu tạo cảm biển sinh học 32

15.3 Tiêu chuẩn đánh giá cằm biến sinh hoc

1.6 Cam bién enzyme

16.2 Cam bién cholesterol (ChOx sensors) 23?

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

1.1.4 Cổ định cnzyine äeeneeeaeesiraisiaareereoo4E

112.1 Phương pháp phố hồng ngoại biển đổi Fouricr ŒT-IR) 48

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu điện hóa

CHƯƠNG TH KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN

1T1.1 Kết quá FT-IR của MWCNTSs và MWCNT-c

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

IDE Diện cực có cầu trúc răng hrợc

MWCNTs (Ông nano cachon đa vách

SWCNTs Ống nano cacbon đơn vách ICP Polyme dấn điện thuần

PEDOT Toly (3, 4-ethylcnedioxythiophcne)

MWCKT-c Ởng nano cacbon đa vách cỏ nhỏm COOH

FAD Flavinne Adenin Dinncleott ITO Indium Tin Oxide

FT-IR Thể héng ngoai bién déi Fourier SEM Kính hiển vi điện tử quét

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems USB Universal Serial Bus

PBS Dung dich dém mudi phosphat

EIS Thổ tổng trở điện hóa

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

DANH MỤC CÁC BẰNG

Bảng 1 Chẻnh lệch cường độ dòng khi thêm gluoose vào hệ điện hóa 72

Bảng 3 Chênh lệch cường độ dờng khi thêm cholcslerol vào hệ điện hỏa 74

Bảng 4 Độ nhạy của cảm biến ChŒx à Si nieerirorriioooe T5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BO THỊ

Chương I

Tĩnh T 1 Leland © Clark Jr (1918-2005)

Hình T 3 Cần trúc graphit tạa bởi các mặt praphen

Hình I 3 Mô tà cách cuận mật graphen để có được CKT&

Tinh I 4 Mô hình các cách cuẩn tắm graphen để tạo thành CNT

Hình I 5 Mô hình cấn trúc éng nano eachon don vach (SWCNT)

Hình I 6 Chức năng hóa ống nano cachon đơn vách

Hình I 8 Một số palymer dẫn điện tử

Hình L 9 Polyme oxy héa khit

Hinh L 10 Polyme trao di ion poly(vinylpyridine)

Hình L 11 Biển đỗ tỷ lệ các nghiên cứu ứng dụng của polyme dẫn điện

Hình L 13 Sơ đỗ mô là hệ điện hóa ba điện cực vests nnn

Hinh I, 15, Công thức tổng quát của BAN¡

Hình L 16 Proten hóa /đŠ proton và phân ứng khử giữa các dạng PANI

Hinh I, 17 Dạng bipolaron của PAN¡

Hình L 18 (a) Mô hình Eiaher (b) Mô hình Koshland

Hình L 19 Sự có mặt của enzyme làm giảm năng lượng hoạt hỏa của phản ứng

Hinh L 20 Sơ đổ cấu tạo cũa cảm biển sinh học

Hinh L 21 Mắt số phân tử được sử đụng lám đều thu sinh học

Hinh L 24 Cảng thức phân t của glutaraldehyde

Hinh 1 25 Phương pháp liên kết chéo (cross-linking)

Chương II

Hinh II, 1 Các đạng điện cực và vi điện cực thường đùng trong câm biến sinh học

Hình II 3 Vì cảm biển cấu trúc rắng lược kết nói theo chun USB

Hinh II 3 Sơ đề quá trình chức năng hóa MWCNTs

Hinh II 4 Hệ lọc hút chân không ông nano cacbon

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

Hình H 5 Hệ điện hỏa đa năng Autolab/PGSTATI2 „43 Hình H 6 Sơ đô quá mình cổ định enzyme theo phương pháp liên kết chéo sử dụng tác

Hình II ? Sơ đổ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 48

Hình H 8 Sơ đỗ nguyên lý kính hiển vi điện tir qnét (SEM) - 50 Hình H 9 Phương pháp quét thể tuyển tinh da chu ky 50 Hình H 10 Quan hé gitra điện thẻ và dòng điện trong phương pháp CV 51 Hình H 11 Mạch tương đương cho tổng trở của polymer đẫn 52 Tĩnh H1 13 Biển diến mặt phẳng tổng trở cho hệ đơn giản 46

Chương II

Hình HI 1 Phê FT-TR của MWCNTS chưa chức năng hóa 54 Hình HI 2 Phê FT-TR của MWCNT san khi chức năng hòa bằng ad 55

Hình II 3 MWCNT được phân tắn rong mdi trường nước 56

Hình HI 4 Phé trùng hợp diện hóa theo phương pháp CV (3) màng PANi và wa màng

ĐANi/MWCNT-c trên điện cực ITO _-

Hình HI 6 Phổ trùng hạp điện hóa theo phương pháp CV (a) màng, PAN¡ và (b) màng

Tĩinh IH ? So sánh cường đô đòng của phê trùng hợp điện hóa theo phương pháp CV

của (3) mảng PAN¡ và (b) mang PAN¡/MWCMT-c tại chủ kỳ thứ 20 tréu IDES9 Hình H1 8 Ảnh chụp mảng PAN/MWCNT trên IDE - 59 Tinh I} 9 Phd FT-IR mang PANi tổng họp bằng phương pháp điện hóa 60 Hinh IT 10 Phổ FT-IR màng nano eomposite PAKi/MWCNT-c tổng hợp theo phương,

Tinh TIT 13 Anh FR-SEM mang PANi/MWCNT-c tang hop theo phirang phap CV .63

liên kết chéo sử dụng giutaraldehyde „64

16 Anh FE-SEM màng PAN/MWCNT-¢ da cổ định ChOx theo » pong gia

17 Phổ tổng trở của (đường a) diên cực GOx/PANi/MWCNT-c/TTO 66

18 Phổ tổng trở của (đường a) điện cục ChOx/PANi/MWCNT-e/IDE 66

19 Phổ CV của câm biển GOx trong dung dich PBS (a) không có glucose; (b)

20 Phổ CV của cảm biến ChOx trong dung dich PBS 1 Ka[Fe(CN),] (a)

khéng cé cholesterol; (h} 0,1mM cholesteral va (c} 0,2mM cholesterol 68

21 Dặc trưng đáp ứng dòng theo thời gian của cảm biến GOx khi thêm liên tiếp glucose vao PBS SOmM tai E=10,7¥ (vs SCE) 70

23 Dáp ứng dòng của cảm biến GOx ở nằng độ gÌucose 8,04mM 72

24 Dặc trung đáp tug đỏng theo thời gian của cảm biển ChOx khi thêm liên tiếp cholesterol vào PB 50mM+ (pH=7,0) tại điện áp -0,3V (vs CF) 73

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

MỞ ĐẦU

Cảm biển sinh học là lĩnh vực đang thu hút được sự qnan tâm của nhiễu nha

khoa học trên thế giới cũng như cáo nhả khoa học trong nước Các khám phá gần đây về các loại vật liên mới như vật liên nano, vậi liệu lai, các loại polyme cỏ khả năng dan điện cũng như sự phát triển của công nghệ vi điện từ đã thúc đẩy các nghiên cứu nhằm đưa ra các thiết bị ngày một nhỏ gọn, tiện ích có khả năng phân

tích nhanh, chỉnh xác trên các đối đối tượng cụ thể với lượng mẫu rất nhỏ, với độ

tin cậy cao

Nghiên cửu phát triển cảm biển nói chung vả cảm biến sinh học nói riễng là

một hướng nghiên cứu mới của hóa học phân tích hiện đại Cảm biển sinh học giúp

giải quyết nhu cầu cấp thiết về phân tích phát hiện cũng như phân tích định lượng

trên các mẫu sinh học trong thời gian ngắn, sử dụng đơn giản, nhỏ gọn, tốn ít dung môi-hóa chất, có độ nhạy và độ chính xác cao Các nghiên cúu chế tao và ứng dụng cảm biển trong hóa phân tích rất đa đạng từ chuẩn đoán bệnh trong y học, phát hiện ADN, ARN trong sinh học; phẩn tích độc học trong thực phẩm, phân tích kim loại nặng và một số các cation trong phản tích nguyên tổ và phân tích môi trường

Trong những năm gân đây, bên cạnh mức sống, được nâng cao thì một sở căn bệnh và các yếu †ổ nguy cơ cũng gia tăng như các bệnh liên quan tới sự tăng hảm

lượng đường trong mẫu hay hảm lượng cholesterol trong máu Việc phát hiện muộn hoặc không kiểm soát được sự tăng hàm lượng đưởng hay cholesterol trong máu gây ra những hậu quả và biến chứng nặng n, là gảnh nặng cho không chỉ với mỗi

cá nhân, gia đình người bệnh mà đổi với câ nền kỉnh tế - xã hội Việc tìm ra một phương pháp phân tích nhanh, hiện quả, đơn giản giúp kiểm soát thường xuyên các yếu tổ nguy cơ này là môi mne liêu hưởng lới của nhiễu các nghiên cứu

Từ mô hình cảm biển sinh học đầu tiên do Clark và Iyons phát triển, các

nghiên cửu chế tạo cảm biến sinh học ngày một hoàn thiện giúp ảm biển cỏ độ dn

định cao, có thể sản xuất hàng loạt, có khá năng tích hợp đa cầm bién (array), str dụng thuận tiện, đon giản và có giá thành ngày cảng hạ

Mục tiêu của luận vẫn lä nghiên cửu tổng hợp điện hỏa mảng nanoeorposile polyanitiuống nano cacbon trên vi điện cực kun loại được chế tao theo công nghệ

vi điện tử Cé dinh thanh phan sinh hee 14 cac enzyme glucose oxidase va

cholesterol oxidase trên bề mặt mảng, nanocomposite theo phương, pháp liên kết

chéo Ứng dụng nguyên lý điện hóa theo phép đo dòng theo thời gian thực (real-

time) để xáo định nhanh hảm lượng gincose và cholesterol trong một số đổi trong sinh hoe, thực phẩm

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

CHUONG I: TONG QUAN

Những năm gân đây, các nghiên cứu chẻ tạo cảm bién sinh hoe (biosensors)

ng dụng trong hóa học phân tích đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhả Khoa học trong vả ngoải nước Cảm biển sinh học đo tin hiệu điện hóa (electrochemical biosensor) đáp ứng được các yêu cầu của hóa học phân tích hiện đại đó là có khả năng phân tích nhanh theo thời gian thực (real-time), có độ nhạy,

độ chọn lọc và chính xác cao; thiết bị phân tích nhỏ gọn, sử dụng đơn giản, có giả thành phù hợp Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ nano và các loại vật liêu mới, khả năng chế tạo và ứng dụng cảm biển sinh học ngày một hiện

thực hơn, phương pháp không đòi hỏi nhiều hóa chất, dung môi; chí cần lượng mẫu

phân tích nhỏ đây lả tiên để của hóa học phân tích xanh lả chủ đề của hóa học hiện đại đang hướng tới

é tit nam 1962, khi Clark va Lyons [1] phat minh ra

bộ cảm biển sinh học đầu tiên (cảm biến enzyme glucose),

các nhà khoa học thuộc nhiều ngảnh như Hóa học, Vật lý,

Vật liệu, Sinh học, Môi trưởng đã củng nhau nghiên cửu

phát triển nhằm hoàn thiện công nghệ chẻ tạo cảm biển có

thể áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau phục vụ

ne sốïZ oi 8À

Ở Việt Nam, khái niệm “cảm biến sinh học” mới HGH 0S)

chỉ được biết tởi gần hai chục năm trở lại đây, nhưng với sư đầu tư tập trung các nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viên Khoa học và Công nghệ

Việt Nam, Dai hoc Quoc gia thanh phô Hồ Chí Minh đã thu được các kết quả tương

đối khả quan như cảm biên xác định glueose [2-4] cảm biên phát hiện sự biến đổi

gen ở đầu tương [5], cảm biên phát hiện dư lượng thuốc trử sâu, cảm biên phát hiện

virut Herpes, virus củm A [6-12]

Những vật liên nano nhhy hạt nano, ông nano cacbon, các câu trúc nano của vật liệu polyme và nano eomposite đã và đang thu hút mạnh mè sụ quan lâm của

đông đảo các nhà khoa học trên thế giới Với tỉnh chất điện tủ, hóa học, cơ học đặc

biệt hắp dẫn, điện cực lai sử dụng ống nano cacbon húa hẹn tiểm năng img dung hết

sức to lén trong lĩnh vực chế tạo linh kiện cảm biển sinh học giúp tầng độ nhạy, độ

ấn định, độ chọn lọc cho cảm biển

Trong khuân khổ nghiên cứu của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phát triển

cảm biển sinh học điện hóa trên cơ sở màng nano composite polyanilin/éng nano

cacbon of kha nang ứng dụng trong phân tích định lrong Glucose va Cholesterol

11 ONG NANG CACBON

1.1.1 Giới thiệu chung vỀ ông mano cachon

Ong nano cacbon (Carbon nanotubes vist tat la CNTs) duge ché tao lan dau

tiên bởi Ijima nguoi Nhat Ban vao nam 1991 [13] Một ống nano cacbon đơn lớp cỏ

thẻ hiểu là một tâm than chỉ với độ đày cỡ một nguyên tử được cuộn tròn lại thành một hinh trụ hển, với đường kinh cỡ nanomet tỉ lệ giữa chiểu dài vả đường kinh vượt trên 10.000 lần Ông nano đang đem đến con người nhiều áp đựng thực tiện, là

vật liệu đẩy húa hẹn cho cáo ứng đụng công nghệ cao Cơ tính, điện tính, sự truyền nhiệt và tính dẫn điện đặc biệt cúa ông nano đưa đến hàng trăm đặc tính hữn đụng, khác nhan đã kích thích võ số nghiên cứn cơ bản đa ngành cũng như những nghiên cửa ứng đụng lừ vật liệu học đến điện tử học, từ vật lý đến y học, lử hóa học đến

sinh học [2-6]

1.L2 Cầu trúc của ấng nano cacbon

“âu trúc graphit của cachon bao gồm nhiễn lớp nguyên lử cacbon sắp xếp

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

Hink I 2 Cắu trác graphit tạo bởi các _ Hình 1 3 Mô tả cách cuộn mặt graphen để cả

Cách mả tắm graphen được cuôn như vậy được biêu diễn bởi một cặp chỉ số (nm) gọi lả vector chiral Các số nguyên n và m là số của các vector don vi doc

theo hai hướng trong lưới tinh thẻ hinh “tổ ong” của graphen Nêu m=0, ông nano

có cầu trúc "2igzag" Nếu n=m, ống nano được gọi lả "ghế bảnh" (armchair) Nêu n khác m, chúng được goi la "chiral" [14, 17]

Hinh I 4 Mé hinh céic cdch cugn tim graphen dé tao thành CNTs [18]

Chỉnh nhờ sự sắp xếp các phân tử cacbon khác nhau nảy mã tạo nên các cầu

hình khác nhau của ông nano cacbon lam cho CNTs có thể cỏ tỉnh chát của kim loại hoặc bản dân

C6 hai loại ông nano cacbon chỉnh: ống nano cacbon đơn vách (Single-

Walled Carbon Nanotubes viet tat la SWCNTs) và ống nano cacbon da vach (Multi-

Walled Carbon Nanotube viet tắt là MWCNTS) được tạo thành từ hai lớp graphen

0.34nm [19] Chiêu dải của các ông nano cacbon cỏ thẻ từ vải trăm nanormet tới vài

chục mieromet thậm chỉ tới vải centimet

ƠNTs thể hiện một số tính chất cơ học vả điện học đặc biệt với những ứng dụng cho các vật liệu tiên tiền vá hệ thông cơ điện tử nano (nanoelectromechanical

systems viét tat la NEMS) Ông nano con cho nhiêu áp dụng khác chẳng han ding trong bộ cảm biến dé phat hiện ánh sảng, nhiệt, sỏng điện từ hoặc những hóa chất đốc hại với đô nhạy rất cao [14, 15, 18-23]

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

1.1.3 Ống nano cacbon ứng dụng trong cảm biến sinh học

Kích thước nano và câu trúc của CNTs làm cho nó có điện tích bê mặt rất

lớn, ngoài ra một số tính chất như: độ đân điện cao, bên với nhiệt đô, axit làm

CNTs 1a vat ligu rat tiém năng làm chất nên cho quá trình có định các phân tử sinh học lên bể mặt và là phản tử chuyên đổi hữu hiệu khi ứng dụng cho cảm biến sinh

học điện hóa

Với câu trúc độc nhất và các tính chất cơ, điện rất đáng quan tâm, CNTs tré thành vật liệu cực kỳ hấp dẫn đổi với các nhà khoa học, trong đó có lĩnh vực điện tử

y sinh Đã có rất nhiều bải báo với các công bỏ vẻ việc sử đụng CNTš cho cảm biển

sinh học điện hóa [2, 8, 14, 17, 21, 24, 25]

Để gắn các phân tử sinh học lên ông nano bằng liên kết công hóa trị yéu cau đầu tiên lả phải tao các nhóm chức năng trên bề mặt ông [2, 26, 27] Nhóm

cacboxylie lả lựa chọn tốt bởi vỉ nó có thẻ chịu đựng được những thay đổi của quả trình phản ứng và có thể để dàng tạo được bằng quả trình xử lý oxy hóa hóa học Một phương pháp phổ biển để tạo các sai hỏng trên ông nano cacbon đó là sử dụng các chất oxi hóa mạnh như H:SO¿, HNO; hoặc hỗn hợp của chúng

Hình 1 6 Một vài cơ chế chúc năng hóa SHWC.VT (4) tạo khuyết tật trên bẻ mặt vách, `

(B) tạo liên kết đằng hóa trị trêu bè mmặt vách, (C) tạo liên kết không cùng hóa trị trên bề mặt, (Đ) chửe năng lúa tạo liên kết với polyrue, (E) C60 lồng vào trong ống [28]

12 POLYME DẪN ĐIỆN

12.1 Giới thiệu về polyme dẫn điện

Từ những phát hiện ban đầu của Hideki Shirakawa - Viện Công nghệ Tokyo,

Nhat Bản về polyme dẫn điện vào những năm 70 của thế kỷ trước Polyme dẫn điện

thuần (Intrinsically Condueting Polymer — ICP) ngày cảng thu hút các nhà khoa học

tập trung nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, Ghi

nhận những người đã có công khám phá và phát triển polyme dẫn, Viên Han lam Quốc gia Thụy Điển đã trao giải Nobel Hỏa học (năm 2000) cho các giáo sư A.G MacDiarmid, A.J Heeger và H Shirakawa [29-33]

Hình 1 7 Các nhà khoa học đoạt giai Nobel héa lọc năm 2000 Từ trải qua: AG

MacDiarmid, H Shirakawa, A.J Heeger [34]

Polyme đẫn được phân ra lắm ba loại chinh [2, 31, 32, 35]:

+ Các polyme dẫn điện tử (electrically conducting polymer): là polyme cỏ mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, không có sự tích tụ điện tích một cách đáng kể

Các polyme loại nảy 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) Cac polyme dẫn điện tử thể hiện tính dan gan giéng kim loại vả duy trì tỉnh dẫn trên một vùng điện thẻ rộng Vùng dẫn này bị không chế mạnh bởi bản chất hoá học của polyme va hon thé nita nỏ có thể bị không chế bởi cả điều kiện tổng hợp

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

Tinh I 8, Matsd polymer dan dién tir

| Cc polyme oxy hod khủ (Redox polyme): là các polyme có chúa nhóm hoạt tỉnh oxy hoá khử liên kết với mạch polyme không hoạt đông điện hoá Trong

các polyme loại này, sự vận chuyên điện tủ xảy ra thông qua quả trình tự trao đổi electron liên tiếp giữa các nhóm oxy hoả khử gân kế nhau Quá trình này gọi là chuyén electron theo bude nhay (electron hopping)

@ 2

Poly(2-methyl-5-vinylpyridine) Poly vinylfetocene

Hink £9 Polyme oxy héa khit

+ Các polyme irao đổi ion (lon exchange polyme): là loại polyme cỏ các cầu

tử hoạt tính oxi hỏa khử liên kết tinh điện với mạng polyme dẫn ion Cáo cu tử oxi

hóa khử là các ion trải đấu với chuỗi polyme fĩnh điện Khi đó, sự vận chuyển

electron có thê do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxi hóa khử cổ định hoặc do

sự khuếch tán vật lý một phản các dạng oxi hóa khử kèm theo sự chuyển electron

Riêng nhóm polyme dẫn điện tử, đo có hê thông các liên kết đôi xen kế, trái

dai trên toàn mạch, các điện tử œ trở lên linh động, có thẻ di chuyển dọc theo chiều

dải chuối polyme theo hệ thông liên kết đôi liên hợp (hệ thông liên kết ø mở rộng)

nhờ sự xen phủ các obital ø nên sự địch chuyên điện tích trong chuỗi polyme loại

nảy là lớn, không có sự tích tụ cục bộ điện tich, nhở đó polyme dẫn điện có độ dẫn cao nhất trong họ polyme dẫn và nó có khả năng duy trí tính dẫn trên một vùng điện

thể rộng, vỉ vây nó được quan tâm nghiền cứu rộng rãi [29-31]

12.2 Một số ứng dụng của polyme dẫn

Trong cấu tạo của vật liêu polyme dẫn có rất nhiều liên kết z Chỉnh hệ

thông các liên kết z này khiến cho polyme nhạy cảm với các phân ứng oxi hóa khử trong phương pháp hóa học hay điên hóa Đặc điểm của các phản ứng oxi hóa khử

trong các polyme dân là tinh thuận nghịch cho nên chủng ta có thẻ điều khiển các

phản ứng này với đô chính xác khá cao, Nhờ phững đặc điểm đó, vật liệu polyme dẫn ngày cảng được ứng dụng rộng rãi, đặc biết trong các lĩnh vực công nghẻ cao

Polyme đẫn điện được sử dụng trong vật liêu chồng tĩnh điện, vật liêu phú

hấp thụ sóng điện từ, tụ điện, các linh kiên điện tử, các linh kiến phát quang, các dây than kinh nhãn tao, vật liệu mảng, bảo vệ chẳng ăn mòn, bộ cảm biển v.v [31]

Cơ bắp nhân tao

¡ Cảm biển

éC Vi ps liga

Lb “Quảng điện Chống ăn món

Hình 1 11 Biểu đẳ tì lệ các nghiên cứu ứng dụng của polsne dẫn điện [29J

Những năm gân đây, polyme din dién thu hút được nhiễu chủ ý của các nhả

khoa học trên thể giới trong nghiên cứu và chế tạo cảm biển điên hóa nói chung va

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

cảm biến sinh học điện hóa nói riêng Các ứng dụng của cảm biên sinh học rất đa dạng như được dủng để phân tích định lượng nhanh đường glucose, cholesterol,

urea, các chất bảo vệ thực vật, các độc tô sinh học có ảnh hưởng trực tiếp đền sức

khoẻ con người Để phát hiện vả định lượng những phân tử nảy người ta sử dụng các loại enzyme đặc hiệu và kết hợp với mach polyme dan điện (enzyme có thẻ kết

hợp với polymer dẫn điện ở dạng dopant, hay được phú lên bể mặt của polyme) Enzyme sẽ phân ứng chọn lọc với chất phân tích cho ra những chất hoặc hợp chất làm thay đổi điên trở trên bể mặt cảm biến, sự thay đổi tín hiệu điện hóa đó là một hàm phụ thuộc nông độ chất phân tích

Hiện nay, polypyrol (PPy), polyamlin (PAMN) vả poly4, 4- ethylenedioxythiophene) (PEDOT) lả ba loại polyme dẫn đã vả đang được nghiên cứu rộng rãi trong chế tạo bộ cảm biển sinh học điên hóa Trong khuân khổ của luận văn nảy, tập trung nghiên cửu, chế tạo cảm biển sinh học điện hỏa trên cơ sở vật

liệu polyme dẫn điện là polyanilin cỏ pha tạp MWCNT-c

1.2.3 Polyanilin

Năm 1862, polyanilin được nha khoa hoc H.Letheby tổng hợp lần đầu tiên

bằng phương pháp điện hoá [36]: Từ đó đến nay mảng polyanilin hoạt động điện hoá đã được đặc biệt chú ÿ nghiên cửu Bằng phương pháp pha tạp (doping) cấy

chọn lọc các vật liêu nano vào mảng polyanilin nhằm tăng vả khống chế độ dẫn

trong quá trình tổng hợp đã đem tới khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu này trong,

Tĩnh vực cảm biến hoá học vả cảm biến sinh học đo theo nguyên lý điện hóa

1.2.3.1 Monome anilin (Ani) [37]

Anilin lả hợp chất hữu cơ có công thức phân

tử C,H;NH›, M= 93,13 g/mol Là chất hữu cơ lỏng

không màu nhưng sẽ chuyên thành màu nâu khi gặp

không khí và/hoặc ánh sáng

Các đại lượng vật lý quan trong:

Tỉnh chất hỏa học của anilin lá chất vừa thể hiện ở vòng thơm vừa thể hiện ở

nhóm —NH; do cặp cleclron chưa chỉa Tuy nhiên tỉnh bazơ của mnilin khả yếu (k4=5,30.10") vi cap electron chưa chia nảy tham gia liên hợp với hệ thông,

electron œ của vòng benzen

1.2.3.2 Tũng hop polyanilin (PANi)

Có hai phương pháp tổng hợp PAN¡ đó là phương pháp điện hóa và phương pháp hóa học [35, 38-10]

Phương pháp hỏa học luy cổ um điểm là có thể sẵn xuất một lượng lớn PAN nhưng nó có nhược điểm độ tính Mưới không cao, thời gian tiền hành phân ứng lân và khó

khăn khi tạo mảng cũng như khóng chế chiều dày màng trên bê mặt điện cực kừu loại

Với mục tiêu tạo mảng PANI trên bể mặt điện cực tng dung lam thành phan chuyển đổi trong ché tạo cảm biến sinh học thi phương pháp điện hỏa tỏ ra là một

phương pháp hiệu quả và phù họp [40]

Các giai đoạn xảy ra trên bẻ mặt điện cục

+ Khuếch tán và hập phụ anilin

| Oxy héa anilin

+ Hình thanh polyme trên bể mặt điện cực

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

các kim loại như Au, Pt, hay cac oxit kim loai nhu ITO (Indium-Tin-Oxit) Hé

điện hỏa hai điện cục thưởng được sử dụng dé tổng hợp vật liệu

Trong hệ điện hóa 3 điên cực, cầu hình gồm điện cực lảm việc (WE), điện

cực phụ trợ (CE) và điện cực so sánh (Reference Eleetrode viết tắt là RE) Điện cực Calomen bão hỏa (viết tắt là SCE) vả điện cực Ag/AgCl thường được sử dụng làm điện cực so sánh Hệ điện hóa ba điện cực bên cạnh sử dụng đề tổng hợp vật liêu

còn thưởng được sử dụng để nghiên cửu các quả trình điện hỏa

Hình 1 13 Sơ đồ mô tâ hệ điện hóa với cẫu hình ba điện cực

‘Ve mặt phương pháp tổng hợp điền hóa polyme dẫn điện, người ta thường sử dụng ba phương pháp sau để tông hợp đó là: phương pháp phân cực vỏng (Cyclic Voltammetry viết tắt lả CV), phương pháp phân cực dòng tĩnh (gavanostatic viết tắt

là G§) vả phương pháp phân cực thể tĩnh (potentiostatie viết tắt là PS),

~ Phương pháp phân cực vòng (CỤ): Điện thế phân cực được quét tuyển tính một cách tuần hoàn từ điện thể E; đến điện thế E› và quay lại theo thời gian với vận tốc quét không đổi Dòng điện phản hồi I duge ghi lai Tir dong I va thé 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 đàn cỏ polyme

kết tủa trên bẻ mặt anot Khi tăng chu kỷ phân cực, dỏng thụ động giảm dẫn Sau một số chu kỳ, các đường phân cực vòng trùng khit lên nhau, khi đó mảng polyme lắng đọng trên bẻ mặt điện cực

- Phương pháp phân cực đèng fĩnh (GS): Tiên hành ap dong điện không đôi lên binh điện phân và đo hiện điện thế phân cục E thco thời gian và thiết lập đổ thị

Et

-Phương pháp phân cực thé fink (PS): là phương pháp áp điền thế phân cực

không đổi và đo đong phản hồi I theo thời gian Từ những đữ kiện thu dược ta xây

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

1.2.3.3 Cầu trúc phân từ của PANI va cdc trang thai oxy hba-khete

Green và Woodhead đã mô tả PANI như là mạch chính của cặp phân tử anilin đầu cuối ở vì trí para của vòng thơm PANI là sân phẩm cộng hợp của nhiều

phân tử anilin trơng điểu kiện có mặi của tác nhân oxi hóa lắm xúc tác [35]

Do quả trình trên đều xảy ra thuận nghịch nên lương tự quả trình oxi hỏa, quá bình khử cững xây ra lừng phẩn hoặc toàn phần Trong quá trình tổng hợp PANI người ta cồn quan sảt được cáo màu sắc khảo nhau tương ủng với cấu trúc khác nhau của PANI,

Trạng thải tổng quát của polyanilin:

Quá trình khử ngược lại cũng có thể xảy ra từng phản hoặc toàn phần Các

phản ứng oxi hoá khử nhụ các quả trình trên đây lá thuận nghịch, các dạng có thé dé

đảng chuyển đổi cho nhau (hình L.16) [29] PAMi thường tạo muối với các axit

thành dang mudi Emeraldine (ES) cé lính chất đẫn điện tôi

BOOK ee

Finh 1 16 Que trink chuyén ddi cau trie dién tir PANi trong môi trưởng oxy bón khứ

1.23.4 Co ché dan cia PANi

PANi la m6t hap chất hữm cơ dẫn điện do hệ thông nổi đôi liên hợp đọc toàn mạch phân Lử hoặc trên những đoạn lớn của mạch Sự bắt định xử của một số lớn

electron dọc theo mạch polyme trong hệ thông nổi đôi liên hợp mang lại thuận lợi lỏn về mặt năng lượng Đó chỉnh là điển kiện để polyme có thể dẫn điện Bẻ rộng, vùng cảm trong polyme dẫn cổ khoảng 1,5eV, nên có thé coi polyme dẫn tương

đương với chất bán dẫn Khi pha tạp các tâm cho e (donor) hay các lâm nhận e

(aceeptor) và đất trong đuều kiện thích hợp thì các polyme có thể trở thánh chat din

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

Đâu tiên, một clectron được lách ra từ chuỗi polyme lạo ra một gốc lự do va

một hạt tải đương, Gốc tự do va cation liên kết với phân còn lại của chuỗi nhờ điều

kiện cộng hưởng địa phương của diện tích vả gốc Liên kết giữa một cation được

định xứ trong chuỗi và một góc được gọi lả polaron Trạng thải polaron của PANi

nằm chỉnh giữa hai bờ vùng năng lượng Trong quá trình oxy hỏa tiếp theo gắc tự

do của polaron tách ra khỏi liên kết tạo ra một trạng thái mới là bipolaran Cuốt cùng,

với việc pha tạp, dạng vùng năng lượng chuyển thành vũng bpolaran [29, 35]

tà bì

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

Than Tan “nan nh)

Hink I 17 Dang bipolaron cha PANE

Đặc tinh dẫn điện của polyme được quyết định bởi hai yếu tổ quan trọng là:

trạng thải oxi hóa của polyrne vả mức độ proton hóa của nguyên tử nite trong mach,

L3 NANOCOMPOSTTE POI.VANILIMÔNG NANO CACBON

'Ngày nay, vật liệu polyme đóng vai trò quan trọng trong cuộc-sống bới nhiễu

ưu điểm nỗi bật như nhẹ, bến, đễ đàng gia công, sản xuất, chỉ phí hương đối thấp Việc cải liễn, nâng cao giả trị của vật liệu polyme thông qua việc pha tạp các vật liêu nano vô cơ đang là hướng nghiên cứn và ứng dụng có trểm nẵng to lớn

Sở dụng CNTs như một vật liệu để pha tạp vào PANI đem lại các kết quá quả lý thú Vật liệu nano cornposite PANICNTs có độ dẫn điện, độ bên cơ, bên

nhiệt, tính đẻo cao hơn hẳn so với polyme tỉnh khiết [19, 30-32] Thêm vào đó CNTs cing lam tầng bẻ mặt riêng của mảng PANI, điều này là rất có ý nghĩa trong ché tao cảm biển đặc biệt là cảm biến nhạy khí (gas sensor) vả cảm biển sinh học

(biesensor) [12, 43]

14 ENZYME

1.4.1 Giới thiệu về Enzyme

Enzyme 1a chất xúc tác sinh học (biocatalysators) cỏ bản chất là protein,

enzyme có trong mọi tế bảo sinh vật Enzvme có thể xúc tác đặc hiệu cho mọi phản

ứng sinh hóa bên trong vả bền ngoài cơ thê sinh vật Enzyme có hiệu suất xúc tác

lớn han tất cả các chất xúc táo hóa học hữu cơ và vô cơ khác Các chất tham gia

trong phản ứng đo enzyme xúc táo gọi là cơ chất Enzyme có tính đặc hiệu cao vì mỗi enzyme chỉ xúc tác che một kiểu phản tìng nhất định tạo thành một hay một số sản phẩm nhát định [2, 44]

1.4.2 Cầu trúc phân tứ enzyme [45]

142.1 Ban chdt hoa hoc

Tuyệt đại đa số enzyme cả bản chất là protein và sụ thể hiện hoạt tỉnh xúc

tác phụ thuộc vào câu trúc bậc l, 2, 3 và 4 của phân tử protein và trang thai tự nhiên của chúng

Kết quả nghiên cứu tính chất hóa lý của enzyme đã cho thấy enzyme co tit

cả các thuộc tính hóa học của các chất protein về hình dang phân tử: đa số enzyme

có dạng hình câu (đạng hạ) Tỷ lệ giữa Irục đầi và trục ngắn của phần tử vào khoảng l - 2 hoặc 4 - 6 Vẻ khối lượng phân lử: cac enzyme có khối lượng phân lử

lỏn, thay đổi rất rông từ 12000 dalton đến 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn

nhóm ngoại hay nhóm prosthetic, khi nó liên kết chặt chế với phần protein của cnzyăne bằng liên kết đẳng hóa trị Một phúc hợp hoán chính gồm cả apoenzyme va

coenzyme duce goi 1a holoenzyme Mal eocnzyme khí kết hợp với các spocnzyme

tạo thành các holoenzyme khác nhau xúc tảo cho quả trình chuyển hỏa các chất khác nhau nhưng giống nhau về kiểu phản ứng Coenzyrne trực tiếp tham gia phan ứng xúc tác, giữ vai trà quyết định kiểu phản ứng mả enzyme xúc tác và làm tăng

độ bên của apoenzyme đối với các yếu tế gây biến lính Còn apoenzyme có fác

tỳ 8

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

dụng nâng cao hoạt tính xúc tắc của coenzyme và quyết định tỉnh đặc hiệu của

enzyme Cac coonzymo thường là các dẫn xuất của cáo vitamin hòa lan trong nước

14.2.3 Trung tim hoat déng cia enzyme

Trung tâm hoạt động của enzyme lả phản của phân tử enzyme trục tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất tring gian giữa enzyre và cơ chất để tạo thành sản phẩm phân ứng Trang lâm hoạt động bao gém nhiều nhớm chúc năng khác nhau của amino axil, phan li nude lién kết và nhiều khi có cả cofactor hữu co (eocnzymne),

Sự tương ủng về cau hinh không gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất

được hình thành trong quả trình enzyme tiếp xúc với cơ chất Theo quan niệm của Fisher thi trung tâm hoạt động của enzyme đã được hình thánh sẵn với một cấu tạo

nhật định chỉ cho phép cơ chất có cần tạn tương ứng kết hợp vào, có thể ví sự tương

ng đó như “ễ khóa với chia kha” (keylock) (hinh I.18(a))

Hint £18 (a) Mé tink Fisher (6) Mé tink Koskiand

Thuyết nảy luy cũng giải thích được một số hiện tượng nhưng không giải thích thỏa đáng được nhiều kết quả thu đuợc trong thực nghiệm Vì vậy, Kosidand

đa đưa ra một giả thuyết khác, theo đó thì đặc điểm của vùng trung tâm hoạt động là rất mềm dẻo và linh hoạt, các nhóm chức năng cửa trung tâm hoạt động cửa enzyme

tu do chưa ở tư thể sẵn sàng hoạt động, khi tiếp xúc với cơ chất, các nhóm chức

năng ở trang phân trung tâm hoạt động của phân tú enzvme thay đổi vị trí trong không gian, tạo thành hính thể khỏp với hình thể của cơ chất (Hình [.I8(b)) Cũng

vi vậy, người ta gọi mô hinh này là mô hình “tiếp xúc cảm ủng” hoặc “khớp cảm

ting” (induced fit)

14.2.4, Tink dic hiéu cia enzyme

Do câu trắc lý hỏa đặc biệt của phân Lử enzyme vả đặc biệt là của Irung tâm hoạt động mà enzyme có tỉnh đặc hiệu rÃi cao so với những chât xúc tắc thông thường khác, Mỗi cnzyrne chỉ có khả năng xúc tác chơ sự chuyển hỏa một hay một

số chất nhất định theo một kiểu phản ứng, nhất định Đặc tỉnh tác dụng lựa chọn cao

nảy gọi là tỉnh đặc hiệu hoặc tính chuyên hóa của enzyme Tính đặc hiệu là một

trong những đặc tinh cơ bản quan trọng nhất của erzyme,

Co thể phân biệt hai kiểu đặc hiệu: đặc hiện kiểu phản ứng và đặc hiệu cơ chất

Đặc hiệu kiểu phản ứng: Phần nhiéu mi enzyme déu có tỉnh đặc hiệu với một loại phản ứng nhật định Những chất có khả năng xảy ra nhiều loại phản ứng

hóa học thi mỗi loại phản ứng ấy phảt đo một enzyme đặc hiệu xúc táo

Đặc hiệu cơ chất Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho sự chuyên hóa một hoặc một

sẽ chất nhất định Mức độ đặc hiệu sơ chất của các enzyme khác nhau không giồng

nhau, người ta thường phân biệt thành các mức nh sau:

- Đặc hiện luyệt đổi: Một số enzyme hấu như chí xúc tác cho phản ứng chuyển hóa một co chất xác định vả chỉ xúc tác cho phan ứng ấy mà thôi Như đổi với trường hợp glucose oxydasc (cnzyrmc nảy có trong các losi nắm mốc, có khả năng oxy hóa đặc hiệu B-D-glueose thành glueenie acid)

Glucose oxydase + B-D-glucose pluconic acid Enzyme này có khả năng phân giải 10 cơ chất nhưng khả năng nhỏ hơn nhiều Ví dụ: nếu coi tốc độ oxy hỏa tương đối acid ƒ-D-plucose là 100% thì œ1 ghucosc chỉ bằng 0,64 % (ngoai ra mallose 0,19%, D.galactasc 0,14%) [44]

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

từ nhóm OH glucoside của ơ, - glucose voi nhóm OH của một monose khác

1.4.3 Cơ chế của xtc tac enzyme

Hầu như tất cả các biển đối hóa sinh trong tế bảo và cơ thể sông đêu được

xúc tác bởi enzyme ở pH trung tính, nhiệt độ và áp suất bình thường trong khi đa số các chất xúc tác hóa học khác lại chỉ xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao Chỉnh nhờ việc tạo được môi trường đặc hiệu (bởi trung tâm hoạt động của enzyme liên kết với

cơ chất) có lợi nhật vẻ mặt năng lượng đẻ thực hiện phản ứng mả enzyme cd duoc

những khả năng đặc biệt đã nêu trên

Trong phản ứng có sự xúc tác

của enzyme, nhở sự tạo thành phức

hop trung gian enzyme - cg chat ma co

cực hóa, sự chuyển dịch của các

electron và sự biển dạng của các liên

kết tham gia trục tiếp vào phản img Z 4 19 Sự có mặt của Emayme làm

đân tới làm thay đôi động năng cũng

như thể năng, kết quả lả làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt đông hơn, nhờ đó

tham gia phản ửng để dàng

Năng lượng hoạt hóa khi có xúc tác enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều

so với trường hợp không cỏ xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất

xúc tác thông thường

hiễu đữ liên thực nghiệm đã cho thây quá trình tạo thánh phức hợp enzyme

co chất vả sự biến đổi phức hợp nảy thành sản phẩm, giải phỏng enzyme tự đo thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau

- Giai đoạn thứ hat: xây ra sự biển đôi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và nhá vỡ các liên kết đẳng hóa trị tham gia phản ứng,

- Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do Các loại liên kết chủ yêu được tạo thành giữa E và 8 trong phức hợp E-8 lá: tương tác tĩnh điện, fién két hydrogen, trong tac Van der Waals Mat loai én kết đôi hải những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hướng khác nhau khi có nước

1.4.4 Đơn vi do hoat 44 ché phaim Enzyme

Hoạt độ chẻ phdm enzyme 1a thude do dah gia ih nang sic tac ofa ché phim

Don vi IU (International Unit): Mét don vi IU 1a hoat 46 cla mét enzyme & điều kiện tiêu chuẩn thích hợp, xúc tác cho phân ứng chuyển hỏa một mol cơ chất trong mệt phút

IIU lIeœchâUphit (10°mol⁄60 giây)

Đơn vị Katal (viết (at 14 kat): Mal đơn vị kat là lượng enzzre xúc tác cho phân ứng chuyển hóa ruột mọi cơ chất Irong một giây ở các điều kiện phân lich

1 kat = I moljgiảáy > Ikat=60x 105IU

Hoat 46 riéng (specific activity): Hoạt độ riêng của cnzyme được tính bằng

số đơn vị hoạt độ enzyme trên một đơn vị khối lượng (miligan hay gam) protein

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

1.4.5 Tính chất tu việt của enzyme so với các chất xúc tác khác

Thu nhận để đảng tử các nguồn khác nhau, có thể từ động vật hoặc vi sinh

vật, với công nghệ ADN tải tổ hợp, hiệu quả thu en2yme cảng cao hơn

Hoạt động xúc tác nhẹ nhàng, điều kiện bình thường, ngay cả ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường thì sự xúc tác của enzyme vẫn cho hiệu quả phản

ứng cao nhất

Enzyme có tính đặc hiệu cao hơn những các xúc tác khác, chỉ tác đụng lên những cơ chất nhất định và xúc tác cho những phản ứng nhất định đo đỏ rat it tao sản phẩm phụ, hiệu suất thu được sản phẩm chỉnh khá cao

Enzyme hâu như không bị mắt đi khi phản ửng kết thúc

5 CAM BIEN SINH HOC (BIOSENSORS)

Theo Hiệp hội hóa hóa lý thuyết va hỏa ửng dụng quéc té - IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nam 1999 da dinh nghĩa: “Cảm bién sinh hoc (biosensor) là một thiết bị tích hợp cỏ

năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phản tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyên đổi (transducer)” [46]

1.8.1 Cấu tạo cảm biến sinh học

Hình L 20 đưa ra câu tạo chung của một cảm biến sinh học

Hinh I 20 So dé céu tao cita cam biển sinh học

- Tác nhân cần phat hién (Analyte) co thé 1a cac vi khuan (E.Coli, vi khuẩn bệnh than ); các khí (CO, CO,, ethanol ); các protein hay các ADN, ARN

~ Đầu thu sinh học (Bioreceptor) là những chất có khả năng phản ứng trực

tiếp với các tác nhân cân phát hiện vả có nguồn gốc từ các thành phần sinh học

Như các enzyme, các kháng thẻ-kháng nguyên, các axit nucleic như ADN, ARN

Hình L 21 Một sỗ phân từ được sử dụng làm đầu thu sinh học

~ Tác nhân cô định (Recognition): là một phân rất quan trong trong cảm biến

sinh học Các tác nhân nảy cỏ nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên để Nói một cách khác đây là bộ phân trung gian có tác dụng liên kết các thành phản

sinh học (cỏ nguồn gốc từ cơ thẻ sống) với thành phan vô cơ Những tác nhần nay

vừa phải đảm bảo độ bên cơ học, vừa phải đảm bảo khả năng chuyển tải tín hiệu

giữa bộ phân sinh học vả bộ phận chuyên đổi Việc nghiên cứu lựa chọn những tác

nhân cổ định thích hợp giúp nâng cao độ nhạy, độ ôn định cho cảm biển sinh học

Với sự phát minh polyme dẫn điện vào năm 1977 đã nhanh chóng trở thảnh tâm điểm chú ý của các nhà khoa học đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo cảm biến [33]

Những nghiên cứu gắn đây cho thấy khi pha tạp ống nano cacbon vảo các vật liệu

polyme mảng composite có độ dẫn, đô bẻn tốt hơn polyme tỉnh khiết Vật liêu

nanocomposite polyme dan điện/ông nano cacbon mở ra những tiêm năng to lớn với nhiêu đặc tỉnh lý thú khi ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

- Bộ phận chuyén aét (Transducer) Co nhiều đạng chuyển đổi nhu chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bang tinh thé ap điệu

hoặc chuyển đối bằng các hệ vỉ cơ Trong đó, chuyển đổi theo nguyễn lý điện hoá

có nhiễu ưu điểm như chế tạo đơn giản, có độ nhạy và độ chính xác cao phủ hợp

trong chế tạo cảm biển sinh học ứng dụng phân tích nhanh

1.5.2 Một số phép đo của câm biến sinh học điện hóa

Cảm biển sinh học dựa trên bộ chuyển đổi điện hóa đã và đang [hu hút được

sự chú ý của các nhà khoa học trong việc phát triển loại các thể hệ câm biển sinh hoe Nhờ những phản ung điện hóa (như lai hỏa của ADN, oxy hóa khử của enzyme )

cho tin liệu điện trực tiếp, nên phương pháp có độ nhạy tương đối cao, thời gian đáp ứng nhanh, rất thích hợp để phát hiện nhanh trong phần tich cận lâm sảng [47]

Quá trình nhận biết tín hiệu có thể thực hiện bằng các phép do đòng, đo thé

và độ dẫn [R, 48, 49]

Pháp đo dòng: Dựa trên sự thay đổi dòng điện gây ra do sự oxy hóa - khử

điện hóa của chất cần phát hiện Phương pháp nảy được thực hiện bằng cách áp một

điện thế giữa điện cực làm việc (WE) va điện cực so sánh (RE), tín hiệu đồng sẽ

đến mật giá Irị nào đó (thưởng là điện thế oxi hoá), thì hiện mợng oxi hoá xuất hiện

và các clectron được sinh ra Dòng điện thu được liên quan trực tiếp đẻn nông độ

điện cực pI1, hay các ion như TP, I, CN”, Na', K ,Ca` , NHI, [8]

Đo đồ dẫn: Dộ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng dắn điện của vật liệu Phản tng giữa đầu dò vả các phân tử đích làm thay đổi thành phân của chất dẫn điện khiển độ dẫn điện của chất đó thay đổi Các phần ứng enzyme như trê và

nhiễu thụ thể màng sinh học có thê được kiểm soát bởi các thiết bị đo trở kháng hay

độ dẫn ion sử đụng các vi điện cực xen kế nhau [8]

1.5.3 Tiên chuẩn đánh giá cảm biễn sinh học

Dưới đây là một số tiêu chí đánh giá, cũng như cáo yêu cần đối với cảm buần sinh học:

- Khoảng taydn tink (Linearity): gi tri hàm lượng lớn nhất của chất phân

tích mà tín hiện phân tỉch còn tuân theo phương trình tuyến tỉnh bậc nhất

- Đệ nhạy (Sensilivily}: là tính đáp ứng của cảm biến khi Ihay đỗi nẳng độ chat phân tich hay khả răng phát hiện sự thay đổi lin hiện Khi có sự thay đổi nhỏ nhất vẻ nông độ chát phân ticl

- Độ chọn toe (Sclectivily): chi mire độ ảnh hưởng của các chất nên lới phép xác định chất phản tích

- Thài gian đáp ứng (Respmse time}: là khả năng phải hiện, định lượng chất cần phản lich nhanh hay châm Đây là một trong những tính chất của cảm biển mà các nghiên cửu đang tập trung, cải tiền

Bên cạnh đó là các tiêu đhuẩn khác khi thực hiện các phép phân tích định lượng như độ lặp lại (repeatability), độ chựm (precision), độ chính xác (accuracy)

Lễ 4 số ứng dụng của cảm hiển sinh học

- Ứng dụng trong lĩnh vue y 18 và chấm sóc sức khoẻ đấy là lĩnh vực có

nhiễu cất tiến cũng như nhiều ứng đụng nhất Có thể kế các loại câm biển như cảm

biến đo nông đô oxí, lượng glueose trong mán, cám biển huyết áp, Những cảm

biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của minh ma

không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế Ngảy nay, các cảm biển dạng nảy

không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mả côn được ché tao theo

hướng cảng ngày cảng nhó gọn, rẻ và đễ sử dung

- Ủng dụng trong phân tích môi trường: Đỏ là các cảm biến dạng “mũi điện

° xác định một hoá chất độc bại nào đó hoặc xác định đô ô nhiễm của mỗi trường

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

như cảm biển xác định nông độ khí độc (CO›, H:§), xác định dư lượng thuốc trừ

sâu, xác định nông độ của các kim loại nặng,

- Ung dung trong công nghiệp phục vụ các quá trình tự động hỏa và an toàn

trong sản xuất

~ Ứng dụng trong kỹ thuật quốc phòng: đỏ là các cảm biễn sử dụng trong phát

hiện chat nd, phat hiên các vụ tấn công sinh ~ hỏa, cảm biển các chất phóng xã

1.6 CAM BIEN ENZYME

1.6.1 Cam bién glucose (GOx sensors)

1.6.1.1 Glucose oxidase (GOx) [51, 52]

Glucose oxidase con ¢6 cac tén goi khac nhu glucose

oxyhydrase; corylophyline, penatin, glucose

aerodehydrogenase; microcid, ƒ-p-glucose oxidase, p-

glucose oxidase, p-plucose-l-oxidase; -p-plueose: quinone

oxidoreductase; glucose oxyhydrase; deoxin-l;GOD pring 1 29 Encyme glucose

Enzyme Glucose thuée nhém 1 (Oxydoreductase) (EC 1.1.3.4) cỏ tác dụng, xúc tác cho phản ứng oxy hỏa-khử Enzyme glucose thường được thu tử chủng nấm

pH thích hợp từ 4.0 đến 7.0 (tính đặc hiệu cao nhát tại pH=7.0)

Độ bên: GOx dưới dạng khô không bị giảm hoạt tính trong nhiễu năm khi cất

giữ ở nhiệt độ thấp Dung dịch bảo quản ở +4°C không bị giảm hoạt tinh trong vòng,

16.12 Phân ứng với xúc tác GOx

Glucose oxidase 1a mot flavoenzyme (cé CoE 1a FAD), khi oxy héa glucose thành acid gluconic, coenzyme FAD của nó bị khử thành FADH: Phản ứng oxy hóa elucose dưới xúc tác GOx với sản phẩm của phản ứng là H:O›: [53]

Cholesterol oxidase con có các tên gọi khác

nhu Cholesterol-O, oxidoreductase; beta-hydroxy

steroid oxidoreductase; beta-hydroxysteroid: oxygen

thưởng được thu từ Septomyces, Pseudomonas, Brevibacferiton

Enzyme nảy cỏ tỉnh đặc hiệu cao đổi 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 tuyết đối để phát hiện và định lương cholesterol

Nghiên cứu phát trién polyanilin/éng nano cachon ứng dụng trong cảm biển sinh học

1.6.2.2 Phần ứng với xúc tác ChOx

Phản ứng oxy hóa cholesterol đưới tác dụng của ChOx tạo ra H›O›:

Cholesterol + O,—% 5 cholest-4-en-3: one + H,0,

17 CO DINH ENZYME

Kỹ thuật có định xúc tác sinh học đã được công bỏ trong nhiều tài liệu [2, 3,

8, 55-60] như: phương pháp hấp phụ dựa trên lực hút tĩnh điện giữa bể mặt cảm

biến vả phân tử sinh học Phương pháp tự gắn kết là kỹ thuật cố định dựa trên tương

tác giữa các phân tử sinh học Phương pháp cộng hoá trị dựa trên liên kết công hỏa trị giữa chất nên được phủ trên bể mặt cảm biến vả phần tử cảm nhận sinh học Phương pháp liên kết chéo dựa trên liên kết chẻo đồng hoả trị kết hợp các phân tử

sinh học lại với nhau v.v

Trong luận văn này sử dụng phương pháp liên kết chéo thông qua tác nhân

glutaraldehyde CH,(CH:CHO) (Petitanie-1,5-dial) để cổ định GOx và ChOx [58]

Hinh I 24 Cong thite phan tir cha glutaraldehyde

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc liên kết chéo đồng hóa trị, kết hợp các

phân tử enzyme lại với nhau, tạo thành cầu trúc đại phân tử không tan nhở các tác

nhân lưỡng cực hoặc đa chúc mà không cẩn chất mang (hinh 1.25)

enzyme

glutaraldehyde

Hinh I 25 Plucong phdp lién két chéo (cross-linking)

Tác nhân glutaraldehyde là tác nhân hóa học được biết tới nhiều nhất đề cố định các phân tử sinh học là các cnzyme Phương pháp có khả năng tạo liên kết bên

va cỗ định được một lượng lớn enzyme, it chịu tác động của cậc yếu tố môi trưởng,

chỉ phí tương đổi rẻ tiễn, phương pháp thực hiện đơn giản vả có khả năng cổ định phần tử sinh học ở mức độ công nghệ

Nghiên cửu phát triển palyaniliUlng aane cacbon ứng dụng trong câm Biển sinh koe

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠN G PHÁP THỰC NGHIỆM

VÀ NGHIÊN CỨU

TL1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGIIỆM

1L1.1 Điện cực Fam việc

Phần tử chuyển đổi (transdueer) trên vi cảm biển có nhiệm vụ chuyển đổi các

tin hiệu không điện thành các tin hiệu điện

Hình 1L.1 đưa ra một số cắn trc vị cảm biển thường gặp

trụ, (g) dang vi cas, (l) ví bản cầu, () đang đo sợi, (} dạng răng lược [61]

Trong khuân khổ thực nghiệm của luận văn, chúng tôi thực hiện chế tạo hai

loại điện cục đó là điện cực bản ITO (Indium-Tin-Oide) và vi điện cực bạch kim

theo cau tric rang huge (Interdigitated Electrodes viét tit la IDE) trén phién Si/SiO,

có bê đày 400 micromet có sử dựng lớp lót crom (Cr) để tăng độ bám đính