Tổng hợp thanh nano ZnO trên đế điện cực in (PCB) ứng dụng trong cảm biến huỳnh quang sinh học đo hàm lượng đường : Luận văn ThS. Khoa học vật chất: 604401

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- ĐỖ PHƯƠNG THẢO TỔNG HỢP THANH NANO ZnO TRÊN ĐẾ ĐIỆN CỰC IN PCB ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN HUỲNH QUANG SINH HỌC ĐO HÀM LƯỢNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐỖ PHƯƠNG THẢO

TỔNG HỢP THANH NANO ZnO TRÊN ĐẾ ĐIỆN CỰC

IN (PCB) ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN HUỲNH QUANG SINH HỌC ĐO HÀM LƯỢNG ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐÔ PHƯƠNG THẢO

TỔNG HỢP THANH NANO ZnO TRÊN ĐẾ ĐIỆN CỰC IN (PCB) ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN HUỲNH QUANG SINH

HỌC ĐO HÀM LƯỢNG ĐƯỜNG

Chuyên ngành: Quang học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS MAI HỒNG HẠNH

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Mai Hồng Hạnh,

người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn cũng như trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Từ tận đáy lòng em xin kính chúc

cô cùng gia đình mạnh khoẻ và đạt được nhiều thành công trong các nghiên cứu mới

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học KHTN, đặc biệt là các thầy, cô giáo trong bộ môn Quang lượng tử đã hướng dẫn tạo mọi điều kiện cho em được học tập và hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo, các cán bộ Phòng Sau đại học, Phòng Công tác và chính trị sinh viên, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Hoàng, Tâm, Thịnh và các bạn/em khác trong nhóm đã luôn hỗ trợ nhiệt tình cho tôi/chị trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Nhân dịp này, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Hà Nội, tháng 8 năm 2018

Học viên

Đỗ Phương Thảo

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4

1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC 4

1.1.1 Ca ̉ m biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose 8

1.1.2 Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme 11

1.2 CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƯỢNG GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENYME DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO ZnO 14

1.2.1 Tổng quan về vật liệu nano ZnO 14

1.2.2 Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO 24

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP THANH NANO ZnO 25

1.3.1 Phương pháp CVD 25

1.3.2 Phương pháp phún xạ 26

1.3.3 Phương pháp VLS (Vapor-Liquid-Solid) 28

1.3.4 Phương pháp thuỷ nhiệt 30

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 36

2.1 CÁC LOẠI HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ TỔNG HỢP THANH NANO ZnO THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT KẾT HỢP HIỆU ỨNG PIN GALVANIC 36

2.1.1 Hóa chất 36

2.2.2 Thiết bị 38

2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP THANH NANO ZnO 39

2.2.2 Quy trình tổng hợp thanh nano ZnO 40

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO ZnO 41

2.3.1 Phương pháp, thiết bị khảo sát hình thái, cấu trúc thanh nano ZnO 41

2.3.2 Phương pháp, thiết bị khảo sát tính chất quang của thanh nano ZnO 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

3.1 HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA THANH NANO ZnO 53

3.1.1 Hình thái học của thanh nano ZnO 53

3.2 KẾT QUẢ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG 57

3.3 ỨNG DỤNG THANH NANO ZnO VÀO CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO GLUCOSE KHÔNG SỬ DỤNG ENZYME 58

3.4 KHẢO SÁT ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN 59

3.4.1 Khảo sát độ nhạy của cảm biến 59

3.4.2 Cơ chế giảm cường độ phát xạ PL 63

3.5 KHẢO SÁT ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN 65

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của Uric Acid (UA), Ascobic Acid (AA), Albumin Bovin Serum (BSA) 65

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của fructose, maltose, sucrose lên phổ huỳnh quang của ZnO 68

3.6 PHÁT HIỆN GLUCOSE TRONG MẪU HUYẾT THANH CỦA MÁU NGƯỜI 71

3.7 TIỂU KẾT CHƯƠNG 3 74

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Mô hình các thế hê ̣ cảm biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣

glucose

10

Hình 1.3 Số lượng các bài báo được xuất bản trong lĩnh vực cảm biến

sinh học NEG trong vài năm qua

12

Hình 1.4 Cơ chế thứ nhất của việc đo nồng độ glucose dựa trên huỳnh

quang

13

Hình 1.9 Vù ng Brillouin với ma ̣ng tinh thể wurzite 18

Hình 1.10 Cấu trúc đối xứng vùng năng lượng lý thuyết (a) và thực

nghiệm (b)

20

Hình 1.11 Sơ đồ vùng năng lượng của tinh thể ZnO 21

Hình 1.12 Phổ huỳnh quang thường thấy của ZnO tại nhiệt độ phòng 24

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của phương pháp CVD 26

Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của phương pháp phún xạ 27

Hình 1.15 Sơ đồ phương pháp nhiệt bốc bay vận chuyển sử dụng cơ chế

VLS

28

pháp VLS

Hình 1.17 Quy trình chế tạo thanh nano ZnO sử dụng phương pháp thủy

nhiệt

32

Hình 1.18 Đế thường và đế có sử dụng hiệu ứng pin Galvanic 33

Hình 1.19 Sơ đồ minh hoạt quá trình chế tạo dựa trên tế bào galvanic

của các thanh nano ZnO

34

Hình 1.20 Cơ chế tổng hợp thanh nano ZnO có sử dụng phương pháp

pha bão hòa

34

Hình 2.1 Máy khuấy từ gia nhiệt và điều chỉnh nhiệt độ 39

Hình 2.3 Sơ đồ các bước tổng hợp thanh nano ZnO 40

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí của kính hiển vi điện tử quét 43

Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) NANOSEM 450 45

Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X của thanh nano ZnO 49

Hình 2.9 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X tại khoa Vật lý trường Đại học

Khoa học Tự Nhiên

50

Hình 2.10 Các quá trình hồi phục của phân tử bị kích thích 51

Hình 2.11 Hệ huỳnh quang sử dụng laze He- Cd 325 nm 51

Hình 3.1 Ảnh SEM của thanh nano ZnO trên bảng mạch in nồng độ

0,08 M, thời gian thủy nhiệt 3 giờ

54,55

Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X của thanh nano ZnO 56

Hình 3.3 Quang phổ huỳnh quang của thanh nano ZnO 58

Hình 3.5 Ảnh SEM của thanh nano ZnO xử lý glucose 61

Hình 3.6 Phổ PL của các thanh nano ZnO đã xử lý bằng glucose nồng

độ 0.1mM-10mM

61

Hình 3.7 Thay đổi cường độ đỉnh PL theo hàm lượng glucose tương

ứng với nồng độ ZnO chưa được nhỏ glucose

62

Hình 3.8 Cơ cấu dập tắt PL của các thanh nano ZnO được xử lý

glucose

65

Hình 3.9 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi nhỏ Ascorbic Acid (AA) 67

Hình 3.10 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi nhỏ Uric Acid (UA) 67

Hình 3.11 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi nhỏ Abumin Bovin

Serum (BSA)

68

Hình 3.12 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi được nhỏ fructose 70

Hình 3.13 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi được nhỏ maltose 70

Hình 3.14 Phổ PL của thanh nano ZnO sau khi được nhỏ sucrose 71

Hình 3.15 Phổ PL của thanh nano ZnO được nhỏ đường và máu người

nồng độ 3.31 mM đã được chuẩn hóa

73

nồng độ 4.93 mM đã được chuẩn hóa

Hình 3.17 Phổ PL của thanh nano ZnO được nhỏ đường và máu người

nồng độ 6.09 mM đã được chuẩn hóa

74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các phần tử có thể được dùng để chế ta ̣o cảm biến sinh ho ̣c 4

Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật của máy Labram HR 800 42

Bảng 3.1 Hằng số mạng tinh thể mẫu thanh nano ZnO được tổng hợp

và lý thuyết

52

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AA – Ascobic Acid

ADP - Adenosine diphosphate

ATP - Adenosine triphosphate

BSA – Bovin Serum Abumin

CB – Conduction Band – Vùng dẫn

EG – Enzyme glucose – Cảm biến sinh học đo đường có enzyme

FAD - Flavin adenine dinucleotide

FRET – Förster Resonance Energy Transfer – Trao đổi năng lượng cộng hưởng Förster

FTO - Fluorine-doped tin oxide – Sn2O : F

ITO – Oxit Indium pha tạp thiếc

NAD+ - Nicotinamide Adenine Dinucleotide

NADP+ - Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate

NEG–Non–enzyme glucose –Cảm biến đo đường không có enzyme PCB – Printed circuit board – Đế điện cực in

PL – Photoluminescence – Phổ huỳnh quang

SEM – Scanning electron micrograph – Quét hiển vi điện tử

VB – Valence Band – Vùng hóa trị

XRD – X-ray diffraction – Nhiêu xạ tia X

ZnO – Zinc Oxide – Kẽm oxit

MỞ ĐẦU

Bênh tiểu đường ngày nay là một trong những nguyên nhân gây tử vong và tàn tật hàng đầu thế giới Theo số liệu ước tính của tổ chức thế giới về bệnh tiểu đường (IDF), cứ 6 giây trên thế giới lại có 1 người mắc bệnh tiểu đường tử vong Số bệnh nhân vẫn không ngừng tăng lên và dự kiến sẽ là hơn 629 triệu người vào năm 2045 [45,83]

Việc chuẩn đoán và điều trị bệnh đái tháo đường đòi hỏi phải theo dõi định kỳ lượng đường trong máu Do vậy mà việc kiểm tra lượng đường huyết một cách chính xác với độ tinh cậy cao vẫn tiếp tục là vẫn đề được quan tâm trong nhiều nghiên cứu gần đây [64,77]

Năm 1962, Clark và Lyons đã đưa ra khái niệm cảm biến sinh học đo nồng độ glucose lần đầu tiên và sau đó đã trở thành một bước tiến mới trong việc phát triển các thiết bị tin cậy nhằm kiểm soát bệnh tiểu đường Hiện nay, các cảm biến sinh học

đo nồng độ glucose càng ngày càng ưu việt và chiếm hơn 85% thị phần trong lĩnh vực y sinh học Qua nhiều các nghiên cứu, cảm biến glucose sử dụng enzyme đã được cải tiến nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm Cụ thể như cảm biến sinh học glucose sử dụng enzyme (EG) có nhược điểm là sự phụ thuộc của hoạt động của enzyme vào các điều kiện môi trường như: độ ẩm, nhiệt độ, độ pH… [52] làm giảm

độ nhạy của cảm biến Hơn nữa, trong một số điều kiện, cảm biến glucose sử dụng enzyme còn chịu ảnh hưởng của các chất khác như: acid ascorbic (AA) uric acid (UA) trong máu người [76] Thêm vào đó, việc sản xuất cảm biến sinh học đo glucose sử dụng enzyme cũng rất phức tạp [76]

Để khắc phục những nhược điểm của cảm biến sinh học (EG), các nhà khoa học

đã phát triển cảm biến sinh học đo glucose không sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc của các vật liệu nano như: CuO, MoS2, TiO2,… [8,11,42,70] Trong luận văn này, tôi nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học huỳnh quang đo hàm lượng glucose không

sử dụng enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO Lý do chúng tôi lựa chọn vật liệu

độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV ở nhiệt độ phòng, có năng lượng liên kết exciton

cỡ 60 meV, lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết exciton trong một số loại vật liệu bán dẫn khác, ổn định với môi trường Đặc biệt ZnO cũng là một vật liệu an toàn với môi trường, không độc và có thể được sử dụng cho các ứng dụng khoa học y sinh học và môi trường [29] Ngoài ra, ZnO có điểm đẳng điện cao (IEP) khoảng 9.5 tạo thuận lợi cho sự hấp phụ các vật liệu IEP thấp hơn, chẳng hạn như protein và glucose [91]

Để tổng hợp thành công thanh nano ZnO sử dụng trong cảm biến đo nồng độ glucose, nhiều nghiên cứu trước đó đã sử dụng các loại đế đắt tiền như như GaN, Si, ITO, FTO và sapphire Đồng thời, các loại đế có giá rẻ như đế đồng, đế kính… cũng được sử dụng với mục đích giảm giá thành Tuy nhiên, do có sự sai khác lớn về hằng

số mạng tinh thể giữa ZnO và Cu hay giữa ZnO và đế kính nên độ định hướng của thanh ZnO được tổng hợp trên các loại đế ấy thường không cao Để tăng độ định hướng, người ta thường phủ một lớp Au hoặc tạo một lớp mầm ZnO trên các đế này [66,90] Việc phủ một lớp Au hoặc tạo một lớp mầm ZnO trên bề mặt đế sẽ khiến cho quy trình tổng hơp thanh nano ZnO trở nên phức tạp hơn, xuất hiện thêm các tạp chất [43] Đây chính là những trở ngại chính cho việc ứng dụng vật liệu nano ZnO trong cảm biến

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng đế bảng mạch in (PCB) vì những ưu điểm như: giá thành thấp, tính dẫn điện tốt, có sẵn trên thị trường Thanh nano ZnO

đã được tổng hợp thành công trên đế PCB bằng phương pháp thủy nhiệt trong dung dịch pha bão hòa kết hợp với hiệu ứng pin Galvanic [92] Phương pháp tổng hợp thanh nano ZnO này đơn giản với một bước và không cần phủ một lớp Au hay mọc một lớp mầm ZnO Cấu trúc và hình thái học của thanh nano ZnO được tổng hợp trên

đế PCB cũng được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tía X, quang phổ Raman và phổ PL

glucose không sử dụng enzyme, thanh nano ZnO đã được thử nghiệm với các chất

khác có trong máu người như acid ascorbic (AA), uric acid (UA), bovin serum

abumin (BSA), fructose, maltose, sucrose và mẫu huyết thanh trong máu người được

cung cấp bởi bệnh viện địa phương

Cấu trúc của luận văn:

Các kết quả nghiên cứu của luận văn được viết thành 4 chương có bố cục như

sau:

• Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về cảm biến sinh học đo nồng độ glucose cũng như nguyên

lý hoạt động của cảm biến huỳnh quang đo glucose không sử enzyme dựa trên cấu

trúc thanh nano ZnO Trình bày cấu trúc cũng như một số tính chất quang của vật liệu

nano ZnO, từ đó đưa ra phương pháp tổng hợp cũng như phương pháp khảo sát hình

thái cấu trúc thanh nano ZnO

• Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày các bước thực nghiệm để tổng hợp thanh nano ZnO, các thiết bị khảo

sát cấu trúc và hình thái bề mặt của thanh nano ZnO Quá trình khảo sát đô nhạy, độ

chọn lọc của vật liệu cũng được đề cập

• Chương 3: Kết quả và thảo luận

Trình bày các kết quả tổng hợp và khảo sát hình thái cấu trúc thanh nano ZnO

cũng như độ nhạy, độ chọn lọc của cảm biến đo hàm lượng glucose dựa trên cấu trúc

thanh nano ZnO

• Chương 4: Kết luận

Chương này là kết luận chung của toàn luận văn và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC

Theo L.C Clark, cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn

vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phần tử chuyển đổi tín hiê ̣u” [8] Trong một cuốn sách có tiêu đề “Biosenser: Fundamental and Applications” xuất bản năm 1987, Antony P.F Tuner đã đưa ra mô ̣t bản thống kê về các đối tượng sinh ho ̣c

cũng như các phẩn tử chuyển đổi tín hiê ̣u (bảng 1.1) [74] Theo tác giả, các phần tử được liê ̣t kê có thể không phủ hết các đối tượng nghiên cứu cũng như các loa ̣i tín hiê ̣u chuyển đổi, nhưng việc thống kê này sẽ giúp ích rất nhiều cho viê ̣c nghiên cứu và phát triển các loa ̣i cảm biến sinh ho ̣c khác nhau hoặc tăng đô ̣ nha ̣y của cảm biến

Ba ̉ ng 1.1: Các phần tử có thể được dùng để chế ta ̣o cảm biến sinh ho ̣c [74]

Phần tử sinh ho ̣c/ đối tượng sinh ho ̣c Phần tử chuyển đổi/ tín hiê ̣u đo được

Các cơ chế sinh vâ ̣t

Thành phần cấu ta ̣o nên enzyme

Thụ thể sinh ho ̣c

Kháng thể

Acid nucleic

Phân tử hữu cơ

Hiệu điê ̣n thế

Dòng điê ̣n

Đô ̣ dẫn Tổng trở

Tính chất quang

Tính chất nhiê ̣t

Tín hiê ̣u âm

Tín hiê ̣u cơ Điê ̣n tử phân tử (molecular electronic)

Từ năm 1962 đến nay, trải qua hơn nửa thế kỷ phát triển cảm biến sinh ho ̣c đã

dần hoàn thiê ̣n hơn cả về đối tượng nghiên cứu, cách tiếp câ ̣n cũng như ứng du ̣ng các loại khoa ho ̣c công nghê ̣ mới như công nghê ̣ nano [31,80] Cấu trúc của mô ̣t cảm biến sinh học cũng đã thay đổi so với đi ̣nh nghĩa ban đầu của Clark Phần tử nhâ ̣n biết sinh

học được phân tích kĩ hơn và tách biê ̣t ra khỏi phần tử nhâ ̣n biết tín hiê ̣u Bên ca ̣nh đó, phần tử mới là phần tử xử lí tín hiê ̣u được thêm vào để có thể ứng du ̣ng được các

kĩ thuâ ̣t xử lí tín hiê ̣u và hiển thi ̣ kết quả [74]

Cấu tru ́ c của cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học bao gồm 3 bô ̣ phâ ̣n chính như trong hình 1.1: (1) phần tử nhận biết sinh học hay các đầu thu sinh ho ̣c (biological recognition element hay bioreceptor) dù ng để phân biệt các đối tượng cần nhâ ̣n biết với sự có mặt của các hóa chất khác nhau (2) phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) đóng vai trò chuyển đổi

tín hiê ̣u sinh ho ̣c thành một tín hiệu có thể đo lường (3) phần tử xử lý tín hiệu (signal processing system) đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu đo được thành dạng tín hiê ̣u có thể đọc được, từ đây đưa ra thông tin về đối tượng sinh ho ̣c cần nhâ ̣n biết [13,33,54]

Hình 1.1: Sơ đồ khối của cảm biến sinh học

Các yếu tố nhận biết phân tử có thể là các yếu tố sinh học enzyme, kháng thể,

quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme và composite đã được khảo sát để phản ứng xúc tác điện phân của chúng đối với quá trình oxy hóa glucose [12,37] Năm loại phần tử chuyển đổi tín hiê ̣u chính là điện hóa, quang học, nhiệt kế,

áp điện và từ trường [36] Hệ thống xử lý tín hiệu được xác định và xây dựng bởi các loại phần tử chuyển đổi tín hiê ̣u được lựa chọn

Ca ́ c tiêu chí chất lượng của cảm biến sinh học

Song hành với các nghiên cứu cải thiê ̣n chất lượng cảm biến sinh ho ̣c, các tiêu chí chất lượng (performance criteria) đóng vai trò không thể thiếu trong đánh giá, so

sánh cảm biến sinh ho ̣c Các tiêu chí này tâ ̣p trung vào đánh giá hiê ̣u suất sử du ̣ng nhiều hơn là đánh giá bản chất quá trình sinh hóa xảy ra bên trong mô ̣t cảm biến sinh

học Năm 1994, R P Buck đã thống kê các tiêu chí chất lượng đối với các hê ̣ điê ̣n

cực khảo sát ion có tính lo ̣c lựa, được Hiê ̣p hô ̣i Hóa ho ̣c và Hóa ho ̣c ứng du ̣ng Quốc

tế (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) công bố [19] Sau đó các tiêu chí này được thu he ̣p trên đối tượng cảm biến sinh ho ̣c bởi D R Thesvenot [74] bao gồ m: các thông số hiê ̣u chỉnh, đô ̣ cho ̣n lo ̣c và đô ̣ tin câ ̣y, thời gian phản ứng

và tính lă ̣p la ̣i, đô ̣ bền và thời gian sống

❖ Các thông số hiê ̣u chỉnh

Các thông số hiê ̣u chỉnh bao gồm đô ̣ nha ̣y, khoảng hoa ̣t đô ̣ng hay khoảng tuyến

tính và giới hạn đo đa ̣c; được xác đi ̣nh thông qua khảo sát sự phu ̣ thuô ̣c của tín hiê ̣u đầu ra (S) và nồng đô ̣ của đối tượng (C) Sự phu ̣ thuô ̣c giữa S và C có thể được vẽ ở

dạng đồ thi ̣ S(C) [13,60,81,85], S(logC) [75,82], hay logS(logC) [69] tù y thuô ̣c vào

bản chất tương tác của đối tượng sinh ho ̣c và quá trình chuyển đổi tín hiê ̣u – đồ thi ̣

này go ̣i là “đồ thi ̣ hiê ̣u chỉnh” (calibration curve) Khoảng hoa ̣t đô ̣ng của cảm biến là khoảng tuyến tính của đồ thi ̣ hiê ̣u chỉnh; và đô ̣ dốc của đoa ̣n tuyến tính này chính là

đô ̣ nha ̣y của cảm biến

❖ Độ chọn lọc và độ tin cậy

Tính đă ̣c hiê ̣u (specificity) được coi là mô ̣t trong những tính đă ̣c trưng của cảm biến sinh ho ̣c do sự bắt că ̣p giữa đối tượng nhâ ̣n biết với thu ̣ thể trong phần tử nhâ ̣n biết Tuy nhiên, ái lực bắt că ̣p đối tượng – thu ̣ thể không nhất thiết cố đi ̣nh đối với mỗi đối tượng cần nhâ ̣n biết Ví du ̣ trong liên kết kháng nguyên – kháng thể có thể được phân că ̣p từ các cá thể me ̣ khác nhau (từ ngựa, từ thỏ) nên cấu trúc phân tử khác nhau Đô ̣ cho ̣n lo ̣c (selectivity), vì vâ ̣y cũng có thể thay đổi khi thay đổi thu ̣ thể trong

cảm biến, hay thay đổi cấu trúc cảm biến

Đô ̣ tin câ ̣y của cảm biến được đánh giá thông qua đô ̣ cho ̣n lo ̣c và khả năng lă ̣p

lại

❖ Thời gian phản ứng

Thờ i gian phản ứng có thể đánh giá hiê ̣u suất đo đa ̣c của cảm biến – có thể hiểu

là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo của cảm biến Hai da ̣ng thời gian phản ứng thường được nhắc tới trong cảm biến sinh ho ̣c sử du ̣ng trong cảm biến sinh ho ̣c

sử du ̣ng tín hiê ̣u điê ̣n; đó là thời gian phản ứng ổn đi ̣nh và thời gian phản ứng tức thờ i

❖ Tính lặp lại, độ bền và thời gian sống

Cũng giống như các phép đo khác, tính lă ̣p la ̣i của cảm biến sinh ho ̣c được tính toán dựa trên sai số của phép đo Trong khi đó, thời gian sống hay đô ̣ bền vẫn luôn là thách thức với cảm biến sinh ho ̣c Các phần tử sinh ho ̣c luôn rất nha ̣y với môi trường,

vì vâ ̣y đô ̣ nha ̣y của cảm biến cũng bi ̣ ảnh hưởng khá nhiều bởi các yếu tố môi trường như nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩm, hay điều kiê ̣n bảo quản Bên ca ̣nh đó, các phần tử sinh ho ̣c thườ ng không bền ở các điều kiê ̣n bảo quản thường vì vâ ̣y thời gian sống của các cảm biến sinh ho ̣c không cao Phương pháp giải quyết thường là các mẫu cảm biến được

bảo quản trong điều kiê ̣n đa ̣c biê ̣t và sử du ̣ng mô ̣t lần

1.1.1 Ca ̉ m biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose

Cảm biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose đầu tiên được đề xuất bởi Clark năm 1962 từ bê ̣nh viê ̣n Nhi Cincinnati [37,84] Với số lượng ca mắc bê ̣nh tiểu đường ngày càng tăng, viê ̣c nghiên cứu ra những cảm biến sinh ho ̣c nhâ ̣n biết nồng đô ̣ đường trở nên cấp thiết trong những năm đầu thế kỷ XXI [59,68]

1.1.1.1 Nguyên ly ́ cơ chất – enzyme trong cảm biến đo nồng độ glucose

Cảm biến sinh ho ̣c đo nồng đô ̣ glucose đều dựa trên cơ sở tương tác cơ chất với enzyme Có ba enzyme được sử du ̣ng trong các cảm biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose và đều đóng vai trò là các phần tử nhâ ̣n biết sinh ho ̣c: hesokinase, glucose oxidise (GOx) [62] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [38]

Enzyme hexokinase được sử du ̣ng thành că ̣p với enzyme Glucose-6P-dehydrogenase (G-6P-D) để có sản phẩn cuối cùng là H+, theo hệ phương trình phản ứng sau [39]:

𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑨𝑻𝑷 hexokinase 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑨𝑫𝑷

𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑵𝑨𝑫𝑷+ G-6P-D 𝑮 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 − 𝟔 − 𝑷 (1.1)

+𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+

Trong đó ATP và ADP là Adenosine triphosphate và Adenosine diphosphate, NADP +

và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và da ̣ng khử của NADP +

Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme oxi hóa khử Khi tương tác với D-glucose xuất hiê ̣n quá trình trao đổi electron để biến D-glucose thành Glucolactone Nếu GOx

cần phải có thêm phối tử (cofactor) là Flavine adenine nucleotide (FAD) để chuyển

hóa glucose trong môi trường giàu oxi (phương trình 1.2) thì GHD khi có phối tử NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) chuyển hóa glucose mà không bi ̣ ảnh hưởng bởi oxi môi trường (phương trình 1.3) Vì vâ ̣y GDH được ưu tiên sử du ̣ng cho

các cảm biến sinh ho ̣c được chế ta ̣o bởi các hãng danh tiếng như Bayer, Roche hay Abbott [84] Tuy nhiên, GDH cần yêu cầu bảo quản và giá thành cao; nên hầu hết các nghiên cứ u nhằm tăng đô ̣ nha ̣y cảm biến la ̣i sử du ̣ng GOx [55,58,63,89]

𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫 → 𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 + 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫𝑯 (1.2) 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫𝑯 + 𝑶𝟐 → 𝑮𝑶𝒙 − 𝑭𝑨𝑫 + 𝑯𝟐𝑶𝟐

H2O2 bị oxy hóa ở cực điện cực dương Dòng electron tương ứng với số lượng các phân tử glucose và được nhận biết bởi điện cực

𝐇2 O 2 → 𝟐𝐇+ + 𝐎2 + 𝟐𝐞

𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫 → 𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 + 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫𝑯 (1.3) 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫𝑯 → 𝑮𝑫𝑯 − 𝑵𝑨𝑫++ 𝑯++ 𝟐𝒆

Tín hiê ̣u sinh ho ̣c có thể là nồng đô ̣ của các chất tham gia hoă ̣c sản phẩm của

các phản ứng như ATP, ADP hay H2O2; cũng có thể là số electron cần thiết để chuyển

hóa glucose thành gluconic acid – thường là các tín hiê ̣u không đo ̣c được Phần tử chuyển đổi tín hiê ̣u gắn với các đối tượng mang tín hiê ̣u sinh ho ̣c, để chuyển đổi tín hiệu sinh ho ̣c thành các tín hiê ̣u đo ̣c được Ban đầu, dựa vào các phép đo đã được biết trước trong sinh ho ̣c phân tử, các chất tham gia phản ứng được sử du ̣ng làm đối tượng gián tiếp để đo đa ̣c glucose Nhóm nghiên cứu Deeg sử du ̣ng phương pháp đo nồng

đô ̣ ATP để đưa ra nhâ ̣n xét về tốc đô ̣ quá trình chuyển hóa glucose của hexokinase [39] Nhóm nghiên cứu Ziegenhorn sử du ̣ng peroxidase và chất nhuô ̣m màu dể nhâ ̣n biết nồng đô ̣ H2O2 – sản phẩm của phương trình 1.2 – từ đó đưa ra mối liên hê ̣ với

nồng đô ̣ glucose có trong mẫu dung di ̣ch [93] Cảm biến sinh ho ̣c xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose dựa trên các phản ứng thứ cấp như hai ví du ̣ kể trên được go ̣i là cảm biến sinh học thế thê ̣ thứ I

Cảm biến sinh ho ̣c thế hê ̣ thứ I của Clark đã được sử dụng để chế tạo bộ cảm biến sinh học thương mại đầu tiên của Công ty Yellow Spring Instrument năm 1975, dựa trên sự phát hiện H2O2 Cách phát hiện glucose này đã mang lại một cách tiếp cận đơn giản, chính xác và có chọn lọc hơn đối với việc kiểm tra đường huyết và nhận biết hydrogen peroxide ở cực dương cho một tỷ lệ trực tiếp với nồng độ glucose

1.1.1.2 Ca ̉ m biến điê ̣n hóa xác đi ̣nh nồng độ glucose

Việc sử du ̣ng thêm phản ứng phu ̣ không chỉ làm tăng chi phí sản xuất cảm biến

mà còn làm phức ta ̣p hóa điều kiê ̣n khảo sát, vì vâ ̣y, cảm biến sinh ho ̣c thế hê ̣ I nhanh chóng được thay thế bằng cảm biến sinh ho ̣c thế hê ̣ II và III

Hình 1.2: Mô hi ̀nh các thế hê ̣ cảm biến sinh học xác đi ̣nh nồng độ glucose

Cảm biến xác đi ̣nh nồng đô ̣ glucose thế hê ̣ II và thế hê ̣ III là cảm biến điê ̣n hóa (hình 1.2) Các enzyme được sử du ̣ng là GOx và GDH như trong hai hê ̣ phương trình 1.2 và 1.3 Quá trình chuyển hóa glucose thành glucoslactone là quá trình oxi hóa Ở

cảm biến thế hê ̣ II, các electron chuyển tiếp mô ̣t lần nữa qua các dung môi điê ̣n hóa trước khi đi về phía điê ̣n cực Các loa ̣i dung môi điê ̣n hóa này có thể là ferrocence, ferricyanide, quinines hay xanh methylene; bên cạnh hỗ trợ cho quá trình chuyển đổi điê ̣n tử còn giúp làm tăng đô ̣ nha ̣y của cảm biến [28,30,67] Cảm biến thế hê ̣ II đã loại bỏ được nhược điểm của thế hê ̣ I thông qua viê ̣c đơn gản hóa quá trình chuyển tiếp điê ̣n tử tới bề mă ̣t chuyển tiếp, nhưng vẫn cần phải bổ xung thêm dung môi điê ̣n

hóa trong mỗi mô ̣t lần đo (hình 1.2) Cảm biến thế hê ̣ III với mong muốn đơn giản

hóa quá trình pha thêm dung môi, chuyển tiếp trực tiếp điê ̣n tử tới bề mă ̣t điê ̣n cực thông qua tiếp xúc giữa enzyme oxi hóa khử – GOx, GDH – với vâ ̣t liê ̣u làm điê ̣n cực [30,84]

Như vâ ̣y phần tử chuyển đổi tín hiê ̣u trong cảm biến sinh ho ̣c thế hê ̣ II là các dung môi điê ̣n hóa; và trong cả biến sinh ho ̣c thế hê ̣ III là vâ ̣t liê ̣u làm điê ̣n cực Nếu như viê ̣c hòa tan thêm dung môi điê ̣n hóa để làm tăng quá trình chuyển hóa điê ̣n tử được cho là phức ta ̣p, thì sự có mă ̣t của dung môi cũng làm loãng đi các ion vi lượng

có từ mẫu phẩm Các ion dung môi hữu cơ có tính tương thích tốt với các phân tử enzyme trở thành ưu điểm của cảm biến thế hê ̣ II so với cảm biến thế hê ̣ III Trong khi đó, tương thích sinh ho ̣c giứa vâ ̣t liê ̣u điê ̣n cực với các enzyme vẫn luôn là thách thứ c rất lớn đối với các vâ ̣t liê ̣u mới nhằm ứng du ̣ng trong chế ta ̣o cảm biến sinh ho ̣c thế hê ̣ III Vì vâ ̣y các nghiên cứu về cảm biến sinh ho ̣c sử du ̣ng tương tác enzyme oxi

hóa khử với cơ chất hiê ̣n nay vẫn xuất hiê ̣n đồng thời cả hai loa ̣i cảm biến thế hê ̣ II

và III [30,54,55,68]

Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, nhiều nhóm khoa học đã chú ý rất nhiều đến việc phát triển các cảm biến glucose hiệu quả và liên tục hơn, không đòi hỏi enzyme Những cảm biến này được đặt tên là các cảm biến sinh học đo nồng đô ̣ glucose không có enzyme (NEG)

1.1.2 Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng enzyme

Các nhược điểm của cảm biến đo hàm lượng glucose dựa trên hoạt động của enzyme đã hướng các nhà nghiên cứu khám phá ra viê ̣c không sử dụng enzyme Điều này đã dẫn đến việc phát triển các cảm biến đo hàm lương đường không sử dụng enzyme (NEG), cho phép glucose được oxy hoá trực tiếp trên bề mặt điện cực Cảm biến NEG có khả năng tạo thành thế hệ cảm biến glucose thứ IV Một số lượng đáng

kể các nghiên cứu về cảm biến NEG đang diễn ra trên khắp thế giới, bằng chứng là

sự gia tăng số lượng các ấn phẩm trong những năm gần đây (xem hình 1.3) [48]

Hình 1.3: Số lượng các bài báo được xuất bản trong lĩnh vực cảm biến sinh học

NEG trong vài năm qua (dữ liệu được thu thập bằng Google Scholar)[48]

1.1.2.1 Huỳnh quang phát hiện hàm lượng đường

Có ba cách để đo hàm lượng glucose trong máu là điện hóa, quang phổ và huỳnh quang Hầu hết các thiết bị khảo sát nồng độ glucose trên thị trường hiện nay đều sử dụng phương pháp điện hóa Một sản phẩm duy nhất sử dụng quang phổ để đo nồng

độ đường thì chỉ được sản xuất và bán tại Châu Âu và chưa có thiết bị nào sử dụng huỳnh quang để đo glucose được sản xuất

Vì vậy cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose là một công nghệ đầy hứa hẹn thay thế cho cảm biến điện hóa và cảm biến sử dụng quang phổ sử dụng huỳnh quang để phân tích chính xác nồng độ glucose trong máu [66]

Huỳnh quang

Huỳnh quang là sự phát quang khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon) hoặc dạng quang (photon).Ở trạng thái cơ bản S 0, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron, nhận năng lượng các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái

kích thích S*, đây là một trạng thái không bền, do đó electron sẽ mau chóng nhường

năng lượng dưới dạng nhiệt để về trạng thái kích thích nhưng năng lượng thấp hơn

𝑆0∗, thời gian tồn tại của electron giữa mức năng lượng S* → 𝑆0∗ vào khoảng 10-9 đến

10-12 giây, sau khi về trạng thái kích thích 𝑆0∗, electron lại một lần nữa phát năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn, hiện tượng này gọi là huỳnh quang phân tử

Cơ chế cảm biến huỳnh quang

Có hai cơ chế để đo nồng độ glucose dựa trên huỳnh quang Cả hai cơ chế này đều đòi hỏi cấu trúc bao gồm chất cố định glucose (receptor), fluorophore - chất phát quang hay chất cho năng lượng, acceptor - chất nhận năng lượng huỳnh quang hoặc điện tử gọi là chất dập tắt (quenche)

Trong cơ chế đo nồng độ glucose đầu tiên, chất phát quang fluorophore sẽ cho acceptor năng lượng (hoặc electron) thông qua các sự trao đổi năng lượng cộng hưởng Förster (Förster Resonance Energy Transfer – FRET) Khi chất fluorophore cho bớt electron cũng đồng nghĩa với việc cường độ huỳnh quang thấp Khi có glucose đến liên kết với receptor làm thay đổi cấu trúc ban đầu, cụ thể là glucose làm giảm FRET hay phá vỡ sự trao đổi electron giữa fluorophore và acceptor Khi fluorophore không còn phải cho bớt electron thì cường độ phát huỳnh quang sẽ tăng lên Nồng độ glucose

có thể được đo cách đo sự tăng hoặc giảm cường độ phát huỳnh quang [59] Cơ chế này được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4: Cơ chế thứ nhất của việc đo nồng độ glucose dựa trên huỳnh quang [49]

Cơ chế thứ hai để đo nồng độ glucose dựa trên sự dập tắt huỳnh của fluorophore, ngược lại với cơ chế đầu tiên Trong cơ chế này, sự có mặt của glucose làm xuất hiện chất dập tắt (acceptor hoặc quencher) làm giảm cường độ huỳnh quang của phân tử fluorophore Do đó, glucose được nhận biết và đo nồng độ Cơ chế này được thảo luận chi tiết hơn trong các phần tiếp theo

1.2 CẢM BIẾN HUỲNH QUANG ĐO HÀM LƯỢNG GLUCOSE

KHÔNG SỬ DỤNG ENYME DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO ZnO

1.2.1 Tổng quan về vật liệu nano ZnO

1.2.1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ZnO

Tinh thể ZnO tồn tại dưới 3 dạng cấu trúc: Cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thường, cấu trúc lập phương giả kẽm ở nhiệt độ cao và cấu trúc lập phương kiểu NaCl xuất hiện ở áp suất cao

Cấu trúc wurtzite

Cấu trúc lục giác wurtzite là cấu trúc ổn định và bền vững của ZnO ở điều kiện

nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển và thuộc nhóm không gian P63 mc hoặc C 4 6v

Mạng lục giác Wurtzite có thể coi là 2 mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng chứa cation O2- và một mạng chứa Zn2+ và được dịch đi một khoảng bằng u = 3/8 chiều

cao (trường hợp lý tưởng) Một trong những tính chất đặc trưng của phân mạng lục giác xếp chặt là giá trị tỉ số của các hằng số mạng c và a Theo lí thuyết, trong trường

hợp lí tưởng tỉ số c/a = 1.633 Trên thực tế, các giá trị của tỉ số c/a của hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐵𝑉đều nhỏ hơn 1.633 Điều này chứng tỏ các mặt xếp chặt không hoàn toàn.[26] Mỗi ô cơ sở có hai phân tử ZnO trong đó vị trí của các nguyên tử như sau: 2 nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (1/3, 1/3, 1/3) ; 2 nguyên tử O: (0, 0, u), (1/3, 1/3, 1/3 + u) với u ≈ 3/8 Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một

tứ diện gần đều Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc hai, trong

đó 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu, cách

nguyên tử ban đầu một khoảng a và 6 nguyên tử khác ở đỉnh lăng trụ tam giác, cách nguyên tử ban đầu một khoảng [1

3𝑎3+ 𝑐2(𝑢 −1

2)2]1⁄2 [1]

Tinh thể lục giác ZnO không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hướng [0001] Liên kêt của mạng ZnO vừa là liên kết ion vừa là liên kết cộng hoá trị là loại liên kết pha trộn bao gồm 67% liên kết ion và 33% liên kết cộng hoá trị Đặc điếm quan trọng của liên kết cộng hoá trị là tính dị hướng

và tinh bão hoà vì mỗi nguyên tứ chi có thể có nhiều nhất một số liên kết cộng hoá trị nào đó [1,26]

Hình 1.5: Cấu trúc Wurtzite của ZnO [62]

Bảng 1.2: Các thông số mạng cơ bản của ZnO[6]

Khối lượng mol phân tử 81.38 g/mol

Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl (cấu trúc Rocksalt)

Đây là một trạng thái giả bền của ZnO xuất hiện ở nhiệt độ cao Nhóm đối xứng

không gian của câu trúc này là Fm3m và cấu trúc có 6 phần toạ độ Ở ma ̣ng cơ sở

củ a cấu trúc lặp phương kiêu NaCl có thể được xem như gồm hai phần ma ̣ng lâ ̣p phương tâm mặt của cation (Zn) và anion (O) lồng vào nhau, trong đó phần mạng anion dịch đi một đoạn bằng a/2, với a là cạnh hình lập phương Mỗi ô cơ sở gồm 4 phân tử ZnO Vị trí của các nguyên tử Zn trong ô cơ sở là: (0, 0, 0), (1

2,0,0), số lân cận gần nhất của cation và anion đều bằng 6 [1]

Trong ZnO khi áp suất giảm có sự chuyển pha từ pha wurtzite đến pha Rocksalt xuất hiê ̣n ở áp suất 10Gpa Theo tính toán của nhóm Bates [21], sự thay đổi thể tích

củ a hai tra ̣ng thái này vào cỡ 17%, và hằng số ma ̣ng trong cấu trúc khoảng 4.27Å (hình 1.6) [22,23]

Hình 1.6: Cấu trúc lập phương kiểu NaCl

Cấu trúc lập phương giả kẽm

Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm của ZnO được minh họa trên hình 1.7 Cấu trúc này chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ cao Nhóm đối ứng không gian của

cấu trúc này là F4̅3m Nó gồm hai phân mạng lập phương tâm diện (fcc) xuyên

vào nhau ¼ đường chéo ô mạng, Mỗi ô cơ sở chứa bốn phân tử ZnO với vị trí các

nguyên tử như sau: 4 nguyên tử Zn: (0,0,0), (0, ½, ½), (½, 0, ½), (½, ½, 0); 4 nguyên tử O là: (¼, ¼, ¼), (¼, ¾, ¼), (¾, ¼, ¾), (¾, ¾, ¼)

Trong mỗi cấu trúc này, một nguyên tử bất kì được bao bởi bốn nguyên tử khác loại Mỗi nguyên tử O được bao quanh bởi bốn nguyên tử Zn nằm ở đỉnh của tứ diện

có khoảng cách a√3/2 với a là thông số mạng lập phương Mỗi nguyên tử ZnO được bao bọc bởi 12 nguyên tử cùng loại, chúng là lân cận bậc hai, nằm tại khoảng cách a√2 (hình 1.3)

Hình 1.7: Cấu trúc giả kẽm của ZnO

ZnO ở cấu trúc nano có thể tồn tại ở một số dạng hình thái học như màng mỏng, sợi nano, dây nano, thanh nano, ống nano hay tồn tại ở dạng lá, dạng lò xo, dạng ZnO tetrapods… như minh họa trên hình 1.8 Tùy vào ứng dụng người ta sẽ tìm điều kiện

để tổng hợp ZnO cấu trúc nano dưới những hình thái học khác nhau Ví dụ transistor màng mỏng ZnO được dùng rộng rãi trong ứng dụng sản xuất màn ảnh do màng mỏng ZnO có độ linh động điện tử cao Đối với ứng dụng cho các hệ cảm biến khí, thanh nano ZnO được lựa chọn vì khi tồn tại ở dạng thanh sẽ giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu ZnO với khí, làm tăng đáng kể độ nhạy so với cảm biến dùng màng mỏng ZnO… [1]

Trong đó thanh nano là mô ̣t trong những dạng hình thái học được quan tâm nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong chế tạo cảm biến sinh học thời gian gần đây

Hình 1.8: Một số loại hình thái học của ZnO

a) thanh nano b) hoa nano c) dây nano d) ống nano e) hạt nano f) tetrapods

1.2.1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu ZnO

Cấu tru ́ c vùng năng lượng của bán dẫn 𝑨𝑰𝑰𝑩𝑽𝑰

Để tính toán được các vùng năng lượng của các hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐵𝑉𝐼người ta thường

sư du ̣ng mô ̣t số phương pháp như phương pháp gia thế, phương pháp sóng phẳng trực giao Theo tính toán thì tát cả các hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐵𝑉𝐼 đều có vùng cấm trực tiếp và đô ̣

rộng vùng cấm giảm khi nguyên tử lượng tăng Cấu trúc lu ̣c giác của ZnO thuô ̣c nhóm đối xứng không gian C 4 6v (hoă ̣c P63 mc) Vù ng Brillouin thứ nhất là mô ̣t khối bát diê ̣n được thể hiê ̣n trong hình 1.4 [2]

Hình 1.9: Vu ̀ ng Brillouin với mạng tinh thể wurzite [1]

Lí thuyết nhóm đã chỉ ra ta ̣i tâm Γ tồn ta ̣i các kiểu dao đô ̣ng quang ho ̣c sau:

Γ = 𝐴1+ 2𝐵1+ 𝐸1+ 2𝐸2

Các kiểu dao đô ̣ng 𝐵1 ứ ng với số sóng 260 cm-1 (năng lượng thấp) và 540 cm-2

(năng lượng cao) là các kiểu dao đô ̣ng không tích cực Các kiểu dao đô ̣ng 𝐴1, 𝐸1, 𝐸2(năng lượng thấp 𝐸21 và năng lượng cao 𝐸22) là các kiểu dao đô ̣ng tích cực Raman Hơn nữa, các kiểu dao đô ̣ng 𝐴1, 𝐸1 là tích cực hồng ngoa ̣i, do đó tách thành các thành phần quang do ̣c (LO) và quang ngang (TO) [24]

Do cấu trúc tinh thể của ma ̣ng lâ ̣p phương và ma ̣ng lu ̣c giác có khác nhau nên thế năng tác du ̣ng lên điê ̣n tử trong hai loa ̣i tinh thể cũng khác nhau Tuy nhiên, đối

vớ i cùng mô ̣t chất khoảng cách giữa các nguyên tử trong hai loa ̣i ma ̣ng tinh thể là

bằng nhau và liên kết hóa ho ̣c của các nguyên tử trong hai loa ̣i ma ̣ng tinh thể cũng như nhau Chỉ có sự khác nhau của trường tinh thể và vùng Brillouin gây ra sự khác biệt trong thế năng tác du ̣ng lên điê ̣n tử Bằng phương pháp nhiễu loa ̣n có thể tính được vùng năng lượng của ma ̣ng lu ̣c giác từ vùng năng lượng của ma ̣ng lâ ̣p phương

Sơ đồ vùng dẫn (CB) và vùng hóa tri ̣ (VB) của hợp chất nhóm 𝐴𝐼𝐼𝐵𝑉𝐼 vớ i ma ̣ng tinh thể lục giác được cho trong hình 1.10 So với sơ đồ vùng ma ̣ng lâ ̣p phương ta thấy

rằng mức Γ8 (J = 3/2) và Γ7 (J = 1/2) củ a vùng hóa tri ̣ đó ảnh hưởng của nhiễu loa ̣n trường tinh thể, bi ̣ tách thành 3 phân vùng Γ9 (𝐴), Γ7(𝐵), Γ7(𝐶) trong mạng lu ̣c giác [2]

Cấu tru ́ c vùng năng lượng của ZnO

Tinh thể ZnO có đă ̣c điểm chung của các hợp chất AIIBVI là cấu trúc vùng cấm trực tiếp: cực đa ̣i tuyê ̣t đối của vùng hóa tri ̣ và cực tiểu tuyê ̣t đối của vùng dẫn cùng

nằm ta ̣i giá tri ̣ k = 0, tức là ở tâm của vùng Brillouin Cấu hình đám mây điện tử của

nguyên tử O là: 1s 2 2s 2 2p 4 và của Zn là: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 Trạng thái 2s, 2p và mức suy biến bội ba trong trạng thái 3d của Zn tạo nên vùng hóa trị Trạng thái 4s và suy biến bội hai của trạng thái 3d trong Zn tạo nên vùng dẫn Từ cấu hình điện tử và

sự phân bố điện tử trong các quỹ đạo chúng ta thấy rằng Zn và Zn 2+

bởi vì các quỹ đạo đều được lấp đầy các điện tử, dẫn đến moment từ của các điện tử

bằng không Theo Biman [16], cấu trúc vùng năng lượng của ZnO ở vùng dẫn có đối

xứng Γ7, còn vùng hóa trị có cấu trúc trúc suy biến bội ba ứng với ba vùng hóa trị khác nhau, và hàm sóng của lỗ trống của các vùng con này lần lượt có đối xứng là Γ9,

Γ7 và Γ7 Nhánh cao nhất trong vùng hóa trị có đối xứng Γ9, hai nhánh thấp hơn có cùng đối xứng Γ7 Chuyển dời Γ9→Γ7 là chuyển dời cho phép sóng phân cực có E vuông góc với K, còn chuyển dời Γ7→Γ7 cho phép với mọi phân cực (hình 1.6) Thông qua việc khảo sát các kết quả thực nghiệm về phổ hấp thụ và phổ phát xạ, Thomas đã đồng nhất ba vùng hấp thụ exciton là ba vùng A, B, C lần lượt tương ứng với độ rộng khe năng lượng là 3.3708, 3.378, 3.471 eV tại nhiệt độ 77K, tương ứng với ba nhánh trong vùng hóa trị Tuy nhiên, theo kết qủa thực nghiệm, người ta thấy

có sự thay đổi thứ tự đối xứng giữa hai nhánh vùng hóa trị nói trên Thứ tự của chúng phải là Γ7 đối với vùng cao nhất, và Γ9 đối với vùng tiếp theo, và cuối cùng là Γ7 Điều này cho thấy sự tách quỹ đạo spin của bán dẫn ZnO, và ngược so với các bán

dẫn A II B VI khác (hình 1.10b) [68]

Hình 1.10: Cấu trúc đối xứng vùng năng lượng lý thuyết (a) và thực nghiệm (b)

Sơ đồ vùng năng lương của ZnO dưới da ̣ng tinh thể lu ̣c giác kiểu wurzite, lâ ̣p phương giả kẽm, lâ ̣p phương đơn giản kiểu NaCl được cho trên hình 1.11 Khe năng

lựng giữa các điểm đối xứng trong vùng năng lượng của ZnO có thể tham khảo trong [27] Khối lượng hiê ̣u du ̣ng của điê ̣n tử ở lân câ ̣n của đáy vùng dẫn và lỗ trống ở lân

cận đỉnh vùng hóa tri ̣ của tinh thể ZnO theo tính toán lí thuyết và thực nghiê ̣m có thể tham khảo [14,18,25]

Hình 1.11: Sơ đô ̀ vùng năng lượng của tinh thể ZnO 1.2.1.3 Một số tính chất quang của vật liệu nano ZnO

Cơ chế phát quang của vật liê ̣u bán dẫn

❖ Cơ chế hấp thụ ánh sáng

Khi tinh thể bị ánh sáng kích thích chiếu tới, điện tử sẽ nhận được năng lượng của ánh sáng để chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn Quá trình hấp thụ ánh sáng chính là quá trình chuyển đổi năng lượng của photon sang các dạng năng lượng khác của tinh thể Tùy theo năng lượng của ánh sáng mà có thể xảy ra các quá trình hấp thụ sau [1,3,46]:

- Hấp thụ cơ bản: xảy ra khi năng lượng photon của ánh sáng tới thỏa mãn

điều kiện hυ ≥ Eg Sự hấp thụ này xảy ra do chuyển mức của điện tử từ đỉnh vùng

hóa trị lên đáy vùng dẫn

thích của cặp điện tử lỗ trống Phổ hấp thụ exiton nằm gần bờ hấp thụ

- Hấp thụ các hạt tải điện tự do: Liên quan đến chuyển mức của điện tử hoặc lỗ trống trong vùng năng lượng cho phép hay là giữa các vùng con cho phép

- Hấp thụ do tạp chất: liên quan đến chuyển mức của điện tử hay lỗ trống giữa các mức năng lượng cho phép và mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm hoặc chuyển mức giữa các mức năng lượng trong vùng cấm Phổ hấp thụ giữa các mức năng lượng cho phép các tạp chất từ trung hòa chuyển sang ion nằm trong vùng hồng ngoại xa Phổ hấp thụ làm cho nguyên tử tạp chất từ ion chuyển sang trung hòa nằm trong vùng gần bờ hấp thụ cơ bản Nếu tâm tạp chất là sâu thì phổ hấp thụ bị dịch về phía sóng dài Phổ hấp thụ với các chuyển mức giữa các mức tạp chất cũng nằm gần

bờ hấp thụ và nếu tạp chất là tâm sâu thì phổ cũng bị dịch về phía sóng dài

- Hấp thụ plasma: Liên quan đến việc hấp thụ năng lượng sóng ánh sáng của plasma cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến một trạng thái lượng tử cao hơn của plasma

- Hấp thụ phonon: liên quan đến sự hấp thụ năng lượng của sóng ánh sáng bởi các dao động mạng tinh thể và tạo thành các phonon mới

❖ Các quá trình tái hợp bức xạ

Khi nguyên tử tạp chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng, các cặp hạt tải điện (điện tử

và lỗ trống) được hình thành Điện tử ở trạng thái kích thích một thời gian ngắn rồi chuyển về trạng thái có năng lượng thấp hơn, quá trình đó gọi là quá trình tái hợp Quá trình tái hợp có bản chất ngược với quá trình hấp thụ, nó làm biến mất các hạt tải điện trong bán dẫn Quá trình tái hợp có thể kèm theo bức xạ hay không bức xạ photon Trong quá trình bức xạ không kèm theo bức xạ, tất cả năng lượng giải phóng

ra được truyền cho dao động mạng (phonon), hoặc truyền cho hạt tải điện tự do thứ

ba (tái hợp Auger), hoặc được dùng để kích thích các dao động plasma (plasma điện tử-lỗ trống) trong chất bán dẫn (tái hợp plasma) Trong trường hợp tái hợp có kèm theo bức xạ, tất cả hoặc một phần năng lượng được giải phóng dưới dạng lượng tử ánh sáng (photon) Khi đó trong tinh thể xảy ra quá trình phát quang hay quá trình tái

hợp bức xạ [3,4,46]

Lý thuyết vùng của chất rắn và những thực nghiệm nghiên cứu các tính chất của bán dẫn đã chứng tỏ rằng: huỳnh quang của tinh thể và tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn có cùng bản chất [2].Do vậy, quá trình tái hợp bức xạ ánh sáng được gọi là huỳnh quang Điều kiện cơ bản để xuất hiện huỳnh quang là bán dẫn phải ở trạng thái không cân bằng nhiệt động

Quá trình tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn không phụ thuộc vào phương pháp kích thích và được thực hiện qua các cơ chế tái hợp sau:

- Tái hợp của các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống tự do trong vùng hóa trị (chuyển dời vùng – vùng, C-V)

- Tái hợp exiton (exiton tự do, exiton liên kết, phân tử exiton, plasma điện

tử-lỗ trống … (E-V))

- Tái hợp của các hạt tải điện tử tự do với các hạt tải điện định xứ trên các tâm tạp chất - electron tự do trong vùng dẫn với lỗ trống trên acceptor hoặc electron trên donor với lỗ trống tự do trong vùng hóa trị, (chuyển dời vùng-tạp chất, C-A, D-V, DD-V, C-DA)

- Tái hợp giữa các electron trên donor và các lỗ trống trên acceptor (chuyển dời cặp donor-acceptor, D-A)

- Tái hợp bên trong các sai hỏng

❖ Tính chất phổ huỳnh quang của vật liê ̣u nano ZnO

Phổ huỳnh quang của vật liệu ZnO nói chung thường bao gồm hai vùng phát xạ Vùng 1 nằm trong dải bước sóng 350 - 400 nm, được giải thích là liên quan đến sự tái hợp bức xạ gần bờ vùng hấp thụ Vùng 2 nằm trong dải bước sóng 440 - 600 nm, bản chất của đỉnh huỳnh quang nằm trong dải bước sóng này cho đến nay vẫn chưa được giải thích nhất quán Một số tác giả cho rằng đỉnh bức xạ này là do tái hợp của

tật khác Một số tác giả khác lại cho rằng, đỉnh bức xạ này liên quan đến sự chuyển dời bức xạ của các điện tử tự do lên mức năng lượng của nút khuyết ôxy đã được ion hóa.[72] Tỉ số giữa cường đô ̣ của hai đỉnh này càng lớn thì mẫu kết tinh càng tốt và ít sai hỏng

Hình 1.12: Phổ huỳnh quang thường thấy của ZnO tại nhiệt độ phòng

1.2.2 Cảm biến huỳnh quang đo hàm lượng glucose không sử dụng

enzyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO

Loại cảm biến này sử dụng đặc tính huỳnh quang của ZnO để xác định và đo nồng độ glucose Cấu trúc của cảm biến huỳnh quang đo glucose không sử dụng enyme dựa trên cấu trúc thanh nano ZnO gồm ba phần: chất cố định glucose, chất phát quang fluorophore, chất nhận năng lượng acceptor Đặc biệt ZnO đóng vai trò

cả chất cố định glucose và chất phát quang Chất dập tắt là H2O2 H2O2 là sản phẩm của phản ứng oxy hóa glucose với ZnO là chất xúc tác và được tăng cường bởi tia

UV [66]:

𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑶𝟐+ 𝑯𝟐𝑶 thanh nano ZnO 𝑮𝒍𝒖𝒄𝒐𝒏𝒊𝒄 𝒂𝒄𝒊𝒅 + 𝑯𝟐𝑶𝟐 (1.4) Cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra khi chiếu ánh sáng tia UV vào thanh nano ZnO Dưới sự kích thích của tia UV xảy ra quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống làm phát xạ huỳnh quang Nhưng H2O2 lấy mất các e- khiến cường độ phát quang giảm

Tia UV

đi, vì vậy H2O2 còn được gọi là chất dập tắt (quencher) Do đó đo sự giảm cường độ phát quang sẽ xách định được nồng độ glucose [66]

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP THANH NANO ZnO

Gần đây, đã có nhiều tiến bộ trong việc chế tạo các vật liệu nano / vi mô 1D, và việc tổng hợp các cấu trúc nano ZnO 1D đã được công bố rộng rãi Tuy nhiên, các thanh nano được báo cáo trước đây chủ yếu được tổng hợp trên các đế đắt tiền như GaN, sapphire…hoặc kính nhưng cần phủ một lớp hạt vàng để tăng độ định hướng theo trục z của các thanh ZnO-làm các bước tổng hợp trở nên phức tạp [73]

1.3.1 Phương pháp CVD

Đây là phương pháp tổng hợp vật liệu từ pha hơi Khí precursor đưa được dòng đối lưu vận chuyển, gặp môi trường nhiệt độ cao hay plasma sẽ xảy ra hiện tượng va chạm giữa các electron với ion hay electron với notron cũng có thể là electron va chạm với electron để tạo ra gốc tự do Sau đó, các phân tử gốc tự do khuếch tán xuống

đế, gặp môi trường nhiệt độ cao tại đế sẽ xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế Sản phẩm phụ sinh ra sau khi phản ứng sau đó sẽ khuếch tán ngược vào dòng chất lưu, dòng chất lưu đưa khí precursor dư, sản phẩm phụ, khí độc ra khỏi buồng [11]

Trong phương pháp CVD pha hơi được tổng hợp bằng phương pháp hóa Việc phủ một lớp màng mỏng được thực hiện nhờ quá trình lắng đọng các cụm nguyên tử, phân tử hay ion thông qua phản ứng hóa học Tốc độ lắng đọng cao, màng tạo ra có

độ tinh khiết tốt và có thể tạo màng trên các đế có hình dạng phức tạp Tuy nhiên cơ chế của quá trình khá phức tạp, đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn các phương pháp khác Mặt khác đế và các thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng khí [11]

Hình 1.13 : Cơ chế hoat động của phương pháp CVD [11]

là catốt), trong buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ

10-2 mbar) Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm bị iôn hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt bia Các nguyên tử được truyền động năng

sẽ bay về phía đế và lắng đọng trên đế Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử

bị phún xạ Cơ chế hoạt động được mô tả trên hình 1.14 Như vậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và trao đổi xung lượng [6]

Hình 1.14: Nguyên lý hoạt động của phương pháp phún xạ [13]

Tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa Độ bám dính của màng với đế rất tốt do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao

so với phương pháp bay bốc nhiệt Dễ dàng tổng hợp các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt [6]

Tuy nhiên phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải có bộ làm lạnh bia Tốc độ phún xạ nhỏ, hiệu suất về năng lượng thấp, cho nên phún xạ không phải là phương pháp tiết kiệm năng lượng Bia thường là rất khó tổng hợp và đắt tiền, hiệu suất sử dụng bia thấp (không sử dụng được hết, nhiều khi

do bia giòn, cho nên dễ bị nứt dẫn đến hỏng sau số lần phún xạ chưa nhiều Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp Áp suất thấp, khoảng từ 5-15 mTorr Điều này đòi hỏi phải hút chân không cao Số electron theo thời gian tích tụ nhiều trên bản cực làm hủy sự tái phún

xạ, ion dương đập vào phá hủy màng [6]

Có các loại phún xạ: phún xạ một chiều DC, phún xạ xoay chiều RF, phún xạ magneton

1.3.3 Phương pháp VLS (Vapor-Liquid-Solid)

Qúa trình phát triển của vật liệu nano bằng phương pháp VLS gồm 3 giai đoạn: hòa tan vật liệu nguồn vào trong giọt kim loại, lắng đọng vật liệu bão hòa hay quá trình trong giọt bão hòa kim loại và hình thái cấu trúc nano Cơ chế VLS diễn ra khi vật liệu được hóa hơi ở nhiệt độ nhất định và sau đó được cho lắng đọng trên đế để hình thành cấu trúc mong muốn Qúa trình này diễn ra trong một lò ngang như hình (1.15) Buồng nung là một ống inox hoặc thạch anh, được duy trì chân không trong khoảng 10-4 Torr Vật liệu ban đầu được đặt ở tâm lò và các đế lắng đọng được đặt ở nhiệt độ thấp hơn xuôi theo hướng của dòng khí vận chuyển Trong quá trình dịch chuyển ở một đầu và ra ở đầu phía bên kia khí vận chuyển sẽ mang theo các vật liệu

ở pha hơi đến lắng đọng trên đế [4]

Hình 1.15 : Sơ đồ phương pháp nhiệt bốc bay vận chuyển sử dung cơ chế VLS

[4]

Để tổng hợp vật liệu nano ZnO sử dụng phương pháp VLS chúng ta trộn ZnO

và C theo tỉ lệ 1:1 và dặt vào tâm buồng Khí Argon được thổi vào với tốc độ xác định, trong giai đoạn này áp suất và nhiệt độ của buồng cũng được duy trì ở giá trị không đổi (tốc độ 50sccm, nhiệt độ 900oC, áp suất 10-5 Torr) Sau quá trình phản ứng xảy ra với C các phân tử ZnO tạo thành sẽ bốc hơi và được khí vận chuyển mang đến các hạt vàng trên đế như hình 1.15 Đế được đặt xuôi theo dòng khí tại nơi có nhiệt