ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH VÕ ANH HÀO

THIẾT KẾ HỆ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN HÓA
ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ GLUCOSE

Chuyên ngành : Vật lý Kỹ thuật
Mã số

: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
+ CBHD 1: TS. Trần Trung Nghĩa
+ CBHD 2: PGS. TS. Trần Việt Cường
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Trần Thị Thu Hiền
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Trung Hậu
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia
TP.HCM vào ngày 23 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:

TS. Lý Anh Tú

2. Thư ký:

TS. Phạm Thị Hải Miền

3. Phản biện 1:

PGS. TS. Phạm Thị Thu Hiền

4. Phản biện 2:

TS. Trần Trung Hậu

5. Uỷ viên:

TS. Ngô Thị Minh Hiền

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Lý Anh Tú

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

PGS. TS. Trương Tích Thiện


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Huỳnh Võ Anh Hào ........................................ MSHV: 2171030 .........
Ngày, tháng, năm sinh: 21/03/1999 ........................................... Nơi sinh: Đồng Nai ......
Chuyên ngành: Vật lỹ Kỹ thuật .................................................. Mã số: 8520401 ...........
I.

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG
ĐO NỒNG DỘ GLUCOSE (DESIGN OF A PHOTOELECTROCHEMICAL
SENSOR SYSTEM FOR MEASURING GLUCOSE CONCENTRATION)

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

_ Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về cảm biến quang điện hóa ...................................................
_ Tìm hiểu, xây dựng mơ hình hệ đo cảm biến quang điện hóa .......................................
_ Thiết kế mạch điều khiển, thu nhận tín hiệu cho hệ thống ............................................
_ Xây dựng cấu trúc điện cực làm việc cho cảm biến quang điện hóa .............................
_ Thực nghiệm đo glucose và đánh giá hệ thống ..............................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 ................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023 ...............................................
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trần Trung Nghĩa – PGS. TS. Trần Việt Cường ..
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CBHD 1

CBHD 2

TS. Trần Trung Nghĩa

PGS. TS. Trần Việt Cường

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS. TS. Huỳnh Quang Linh

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

PGS. TS. Trương Tích Thiện

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ: “Thiết kế hệ cảm biến quang điện hóa ứng
dụng đo nồng độ glucose”, lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đối với hai
thầy hướng dẫn đó là thầy TS Trần Trung Nghĩa và thầy PGS. TS. Trần Việt Cường.
Dưới sự hướng dẫn trực tiếp của hai thầy cả về chuyên môn và những kinh nghiệm
thực tiễn mà tơi mới có thể hồn thành đề tài luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đối với thầy TS. Phạm Hoài Phương, thầy ThS.
Trần Trung Tín và thầy Th.S Huỳnh Lê Phước Sơn đã hỗ trợ và chia sẽ rất nhiều những
kiến thức chuyên mơn trong q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin cảm ơn mọi người đã giúp đỡ khi tôi thực hiện luận văn này.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQGHCM) trong khn khổ Đề tài mã số B2022-20-01/HĐ-KHCN.


Xin chân thành cảm ơn!

ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
THIẾT KẾ HỆ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN HÓA
ỨNG DỤNG ĐO NỒNG DỘ GLUCOSE
Khoảng 2 thập kỷ trở lại đây, các khái niệm về một kỹ thuật liên quan đến cảm
biến quang điện hóa (PEC sensor) trở thành một trong những điểm nóng liên quan tới
các nghiên cứu về phân tích hóa sinh. Tuy nhiên, các hệ cảm biến này được tận dụng
dựa trên các hệ PEC dùng trong tách nước hoặc các hệ PEC thương mại đa chức năng
phức tạp và đắc đỏ, chỉ phù hợp cho mục đích nghiên cứu chứ khơng phù hợp với thực
tiễn ứng dụng. Đề tài này hướng tới mục tiêu xây dựng hệ thống thu nhận tín hiệu cho
cảm biến PEC với khả năng đo được tín hiệu nhỏ, kích thước gọn nhẹ và di động cùng
và việc ứng dụng của hệ đo này trong việc đo nồng độ glucose. Hệ đo PEC bao gồm
mạch đo điện hóa và hệ đèn LED đơn sắc (405 nm, 470 nm, 525 nm, 630 nm, 770 nm
và 850 nm) có thể điều chỉnh được. Mạch đo điện hóa được thiết kế đa năng, có thể
hoạt động ở các chế độ hai, ba và bốn điện cực. Khả năng đo của mạch điện hóa trong
phạm vi từ 18 mA đến 1 nA với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 1%. Phần nguồn dòng của hệ
đèn LED có thể điều chỉnh dịng điện tuyến tính trong phạm vi 0 mA đến 450 mA. Để
khảo sát đo glucose, vật liệu thanh CuO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt
và sử dụng vật liệu này để làm điện cực làm việc phục vụ cho ứng dụng đo nồng độ
glucose bằng kỹ thuật qt thế vịng tuần hồn và đo dòng điện theo thời gian cùng với
sự hoạt động của đèn 405 mn ở 100 mA. Kết quả đo glucose cho thấy vật liệu CuO
NRs cho ra mật độ dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ glucose ở các nồng độ khác nhau.
Với thí nghiệm quét CV, hiệu ứng quang điện không được thể hiện rõ ràng trong việc
phát hiện glucose mà sự phát hiện glucose dựa vào kỹ thuật này chủ yếu liên quan tới
sự oxi hóa – khử của cặp oxi hóa – khử Cu2+/Cu3+. Với thí nghiệm đo dịng điện theo

thời gian, điện tử được sinh ra từ hiệu ứng quang điện tham gia vào phản ứng oxi hóa –
khử glucose và cho kết quả tương đối tuyến tính trong khoảng nồng độ glucose từ 0
đến 100 µM. Kết quả cho thấy hệ thống được thiết kế có thể thực hiện được cho việc
iii


đo một số phép điện hóa cơ bản cũng như là có khả năng sử dụng trong kỹ thuật đo
quang điện hóa.

iv


ABSTRACT
DESIGN OF A PHOTOELECTROCHEMICAL SENSOR SYSTEM
FOR MEASURING GLUCOSE CONCENTRATION
In the last two decades, the concept of a technique related to the
photoelectrochemical sensor (PEC sensor) has become one of the hot spots in the
research of biochemistry analysis. However, these sensor systems are utilized based on
PEC systems used in water separation or complex and expensive multifunctional
commercial PEC systems, which are only suitable for research purposes. This thesis
aims to build a signal acquisition system for PEC sensors with the ability to measure a
small signal, compacte size and portable, and the application of this measurement
system in measuring glucose concentration. The PEC measurement system includes a
potentiostat circuit and an adjustable monochromatic LED system (405 nm, 470 nm,
525 nm, 630 nm, 770 nm, and 850 nm). The potentiostat circuit can be used in two,
three, and four-electrode modes. The measurement capability of the designed
potentiostat is in the range of 18 mA to 1 nA with a relative standard deviation of less
than 1%. The current source portion of the LED system can regulate the current in the
linear range from 0 mA to 450 mA. For detecting glucose application, CuO nanorods
were synthesized by hydrothermal method. It was used as a working electrode for

glucose concentration measurement by cyclic voltammetry sweeping and amperometry
techniques with the operation of the 405 mn LED at 100 mA. The glucose
measurement results showed that the CuO NRs materials gave a current density
proportional to the glucose concentration at different points. In the CV scanning
experiment, the photocurrent is not clearly expressed for glucose detection. The
glucose detection based on this technique is mainly due to the oxidation-reduction of
the Cu2+/Cu3+ redox pair. With the amperometry technique, the photocurrent
participates in the glucose oxidation-reduction reaction with a relatively linear result in
the glucose concentration range from 0 to 100 µM. The results show that the system is
v


designed to be practicable for the measurement of some basic electrochemical
measurements as well as potentially for use in photoelectrochemical measurement
techniques.

vi


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn "Thiết kế hệ cả biến quang điện hóa ứng dụng đo nồng
độ glucose" là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi, được thực hiện dưới sự hướng
dẫn khoa học của thầy TS. Trần Trung Nghĩa và thầy PGS. TS. Trần Việt Cường. Mọi
kết quả và số liệu sử dụng trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu,
phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công
bố dưới bất kỳ hình thức nào trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tơi xin chịu hồn tồn
trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình
nghiên cứu này.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.


Huỳnh Võ Anh Hào

vii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ..................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................vii
MỤC LỤC ................................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................xvi
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................ xvii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ............................................................................................ 1
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ........................................................................... 4
1.2.1. Mục tiêu ......................................................................................................... 4
1.2.2. Nhiệm vụ ....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ........................................................................................... 6
2.1. Tổng quan về cảm biến ......................................................................................... 6
2.1.1. Cảm biến và phân loại cảm biến ................................................................... 6
2.1.2. Cảm biến điện hóa ......................................................................................... 7
2.1.3. Cảm biến quang điện hóa ............................................................................ 10
2.1.4. Cảm biến sinh học quang điện hóa .............................................................. 13
2.2. Các vấn đề chung của cảm biến điện hóa ........................................................... 17

viii



2.2.1. Tế bào điện phân ......................................................................................... 17
2.2.2. Nguyên lý của thiết bị đo điện hóa .............................................................. 21
2.2.3. Các quy tắt chung của điện hóa ................................................................... 24
2.3. Vật liệu nano trong cảm biến quang điện hóa .................................................... 26
2.3.1. Tổng quan về vật liệu nano ......................................................................... 26
2.3.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano .................................................... 28
2.3.3. Vật liệu nano trong cảm biến quang điện hóa ............................................. 30
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ............................................................ 33
3.1. Xây dựng hệ đo quang điện hóa ......................................................................... 33
3.1.1. Khối nguồn .................................................................................................. 34
3.1.1.1. Khối sạc pin lithium và chia sẻ tải ....................................................... 35
3.1.1.2. Khối nguồn digital ............................................................................... 36
3.1.1.3. Khối nguồn analog ............................................................................... 39
3.1.1.4. Khối nguồn cho hệ đèn LED đơn sắc .................................................. 42
3.1.2. Khối điều khiển ........................................................................................... 42
3.1.3. Khối mạch potentiostat ................................................................................ 45
3.1.3.1. Khối tạo tín hiệu................................................................................... 45
3.1.3.2. Khối khuếch đại kiểm soát điện áp và hồi tiếp điện áp ....................... 46
3.1.3.3. Khối chuyển dòng thành áp ................................................................. 48
3.1.3.4. Khối thu thập tín hiệu .......................................................................... 49
3.1.4. Khối đèn LED đơn sắc ................................................................................ 51
3.1.5. Thiết kế và gia công PCB ............................................................................ 52

ix


3.1.6. Buồng đo quang điện hóa ............................................................................ 54
3.2. Quy trình chuẩn bị điện cực làm việc ................................................................. 55
3.2.1. Tổng hợp thanh nano đồng (II) oxit ............................................................ 55

3.2.1.1. Dụng cụ và hóa chất ............................................................................. 55
3.2.1.2. Quy trình tổng hợp ............................................................................... 55
3.2.2. Quy trình phun thanh đồng (II) oxit lên điện cực ITO ................................ 56
3.3. Phương pháp đánh giá mạch đo .......................................................................... 57
3.3.1. Khảo sát giới hạn đo bằng điện trở chuẩn ................................................... 57
3.3.2. Khảo sát với thiết bị chuẩn .......................................................................... 59
3.3.3. Khảo sát hệ đèn LED................................................................................... 60
3.4. Phương pháp đánh giá vật liệu............................................................................ 60
3.4.1. Phổ nhiễu xạ XRD ....................................................................................... 60
3.4.2. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM ..................................................................... 62
3.4.3. Phổ tử ngoại - khả kiến................................................................................ 63
3.5. Phương pháp đo glucose ..................................................................................... 65
3.5.1. Kỹ thuật qt thế vịng tuần hồn ................................................................ 65
3.5.2. Đo dòng điện theo thời gian ........................................................................ 66
3.5.3. Chuẩn bị mẫu khảo sát ................................................................................ 67
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................... 68
4.1. Đánh giá thiết bị sau khi gia công ...................................................................... 68
4.1.1. Kết quả khảo sát trên điện trở...................................................................... 69
4.1.2. Kết quả đo điện hóa với thiết bị chuẩn ........................................................ 70

x


4.1.3. Kết quả hệ đèn LED .................................................................................... 72
4.1.3.1. Nguồn dòng .......................................................................................... 72
4.1.3.2. Hệ đèn LED đơn sắc ............................................................................ 74
4.2. Kết quả vật liệu làm điện cực ............................................................................. 74
4.2.1. Phổ nhiễu xạ XRD ....................................................................................... 74
4.2.2. Ảnh hiển vi điện tử SEM ............................................................................. 76
4.2.3. Phổ hấp thụ UV – VIS ................................................................................. 77

4.3. Kết quả đo glucose .............................................................................................. 78
4.3.1. Quét thế vòng tuần hồn .............................................................................. 79
4.3.2. Đo dịng điện theo thời gian ........................................................................ 81
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 83
5.1. Kết luận ............................................................................................................... 83
5.2. Hạn chế ............................................................................................................... 83
5.3. Hướng phát triển ................................................................................................. 84
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ............................................................... 85
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 91

xi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các thành phần chính của một hệ cảm biến PEC tiêu chuẩn ............................ 3
Hình 2.1. Các thành phần cơ bản của cảm biến [17] ....................................................... 8
Hình 2.2 Các thành phần cơ bảng của hệ điện cực – chất điện phân ............................... 8
Hình 2.3. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến PEC .................................... 11
Hình 2.4. Sự hình thành dịng quang điện của cảm biến điện hóa [8] ........................... 12
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý đại diện cho cảm biến sinh học [32] ................................... 14
Hình 2.6. Số cơng trình về cảm biến glucose trong thập kỷ thứ 2 thế kỷ 21 [38] ......... 16
Hình 2.7. Cấu hình hai điện cực ..................................................................................... 19
Hình 2.8. Cấu hình ba điện cực ...................................................................................... 20
Hình 2.9. Cấu hình bốn điện cực.................................................................................... 21
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của mạch potentiostat [48] ................................................ 22
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát nguyên lý thiết kế mạch ....................................................... 34
Hình 3.2. Nguyên lý mạch sạc pin lithium 3.7V kết hợp chia sẻ tải.............................. 35
Hình 3.3. Mơ hình hóa một hạt ferrit [52] ..................................................................... 36
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý nguồn digital 3.3V .............................................................. 37
Hình 3.5. Mạch nguồn tăng áp cho nguồn digital 5.5V ................................................. 38

Hình 3.6. Mạch nguồn LDO 5.5V.................................................................................. 39
Hình 3.7. Mạch lọc nhiễu cách ly hai thành phần Digital và Analog ............................ 39
Hình 3.8. Mạch điện áp tham chiếu 5V và 2.5V ............................................................ 41
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V cấp cho hệ đèn LED đơn sắc .................... 42

xii


Hình 3.10. Module ESP32-WROOM-32 (mặt trước và sau)......................................... 43
Hình 3.11. Khối điều khiển cho mạch sử dụng ESP32 .................................................. 43
Hình 3.12. Hai thanh ghi được sử dụng trong mạch ...................................................... 44
Hình 3.13. Mạch chuyển mức logic 3.3V - 5V .............................................................. 44
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý tổng quát của khối mạch potentiostat ............................... 45
Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý khối tạo tín hiệu ................................................................ 46
Hình 3.16. Sơ đồ ngun lý khối khuếch đại kiểm soát và hồi tiếp điện áp .................. 47
Hình 3.17. Sơ đồ ngun lý khối chuyển dịng thành áp ............................................... 48
Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý khối thu thập tín hiệu ........................................................ 50
Hình 3.19. Ngun lý mạch kiểm sốt nguồn dịng dùng DAC và TL3085 .................. 51
Hình 3.20. Nguyên lý mạch của khối đèn LED đơn sắc ................................................ 51
Hình 3.21. Mặt trước (đỏ) và sau (xanh) của PCB khối nguồn và khối điều khiển ...... 52
Hình 3.22. Mặt trước (đỏ) và sau (xanh) của PCB mạch potentiostat ........................... 53
Hình 3.23. Mặt trước (đỏ) và sau (xanh) của khối đèn LED ......................................... 53
Hình 3.24. Các điện cực WE, RE và CE được sử dụng ................................................. 54
Hình 3.25. Buồng đo quang điện hóa............................................................................. 54
Hình 3.26. Quy trình tổng hợp CuO NRs ...................................................................... 56
Hình 3.27. Sơ đồ cấu tạo hệ phun vật liệu dùng siêu âm ............................................... 57
Hình 3.28. Hệ điện trở sai số 1% được dùng để khảo sát .............................................. 58
Hình 3.29. Thiết bị điện hóa ba điện cực DY2100 ........................................................ 59
Hình 3.30. Đồng hồ vạn năng Fluke 87V ...................................................................... 60
Hình 3.31. Máy đo quang phổ StellarNet model PS300 ................................................ 60


xiii


Hình 3.32. Nguyên lý nhiễu xạ tia X ............................................................................. 61
Hình 3.33. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật SEM [Nguồn: Internet] ....................................... 62
Hình 3.34. Sơ đồ nguyên lý đo quang phổ UV - VIS ................................................... 63
Hình 3.35. Thiết bị quang phổ tử ngoại khả kiến Agilent Cary 60 UV-Vis ................... 64
Hình 3.36. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật CV ......................................................... 65
Hình 3.37. Kỹ thuật đo dịng điện theo thời gian ........................................................... 66
Hình 4.1. Khối mạch nguồn và vi điều khiển ................................................................ 68
Hình 4.2. Khối mạch đo điện hóa (trái) và khi được kết nối hoạt động (phải) .............. 68
Hình 4.3. Mặt trước (trái) và mặt sau (phải) của khối nguồn cho hệ đèn LED ............. 68
Hình 4.4. Mối tương quan của giá trị dòng điện theo lý thuyết và giá trị đo được ....... 70
Hình 4.5. Đường cong CV của dung dịch K4Fe(CN)6 ở 100 mM và 10 mM ................ 71
Hình 4.6. Đường cong CV của dung dịch NaOH 1 mM với WE là GCE và Pt ............ 71
Hình 4.7. Mối tương quan giữa điện áp DAC được thiết lập và dịng điện đầu ra ........ 73
Hình 4.8. Quang phổ của các đèn LED đơn sắc ở 100 mA ........................................... 74
Hình 4.9. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu CuO được tổng hợp...................................... 75
Hình 4.10. Kết quả chụp SEM của vật liệu CuO NRs ................................................... 76
Hình 4.11. Quang phổ hấp thụ của CuO NRs ................................................................ 77
Hình 4.12. Đồ thị Tauc tương ứng với phổ UV-VIS của CuO NRs............................... 78
Hình 4.13. Thiết lập hệ đo quang điện hóa .................................................................... 78
Hình 4.14. Điện cực CuO sau khi được phủ lên đế dẫn ITO ......................................... 79
Hình 4.15. Kết quả quét CV khi tắt đèn ......................................................................... 79
Hình 4.16. Kết quả quét CV khi bật đèn ........................................................................ 80

xiv



Hình 4.17. Đáp ứng dịng quang điện của CuO NRs ở từng mức glucose .................... 81
Hình 4.18. Quan hệ của mật độ dòng quang điện CuO NRs với nồng độ glucose ........ 82

xv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các giá trị tụ điện để lọc nhiễu ở các tầng số tương ứng .............................. 40
Bảng 3.2. Thông tin về điện trở hồi tiếp và tụ điện hồi tiếp của mạch TIA .................. 49
Bảng 3.3. Dải đo và độ phân giải của ADC ở mức phân giải hiệu quả 20-bit ............... 50
Bảng 3.4. Giá trị điện trở và điện áp .............................................................................. 58
Bảng 3.5. Một số thông số của thiết bị DY2100 ............................................................ 59
Bảng 3.6. Các mức nồng độ glucose được khảo sát ...................................................... 67
Bảng 4.1. Kết quả dòng điện đo được bằng thiết bị được phát triển ............................. 69
Bảng 4.2. Giá trị điện áp được thiết lập và giá trị đầu ra dòng điện thu được ............... 72
Bảng 4.3. Thống kê về mật độ dòng điện của CuO NRs khi chiếu đèn......................... 82

xvi


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên đầy đủ tiếng Anh

Ý nghĩa tiếng Việt

ADC

Analog to digital converter


Bộ chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số

AUX

Auxiliary electrode

Điện cực phụ trợ

CA

Chronoamperometry

Phương pháp đo dòng điện
tức thời theo thời gian

CA

Chronoamperometry

Kỹ thuật đo dòng điện tức
thời – thời gian

CB

Conduction Band

Vùng dẫn


CE

Counter Electrode

Điện cực đối

Cf

Feedback capacitor

Tụ điện hồi tiếp

Crystallography Open
Database

Cơ sở dữ liệu mở về tinh
thể học

Cyclic Voltametry

Kỹ thuật quét thế vòng tuần
hồn

DAC

Digital to analog converter

Bộ chuyển đổi tín hiệu số
sang tín hiệu tương tự


DIFF

Differential amplifier

Mạch khuếch đại vi sai

Energy band gap

Năng lượng vùng cấm

COD
CV

Eg

xvii


GCE

Glassy Carbon Electrode

Điện cực than thủy tinh

GOx

Glucose Oxidase

Enzyme hóa xúc tác q
trình oxy hóa glucose


IC

Intergrated ciruit

Mạch tích hợp

LDO

Low dropout linear regulator

Nguồn điện áp tuyến tính
low dropout

LED

Light-emitting Diode

Diode phát quang

LPF

Lowpass filter

Lọc thông thấp

MCU

Microcontroler unit


Vi điều khiển

NRs

Nanorods

Thanh nano

OP

Operational Amplifier

Mạch khuếch đại thuật tốn

PCB

Printed Circuit Board

Bảng mạch in

PEC

Photoelectrochemistry

Quang điện hóa

PGA

Programmable Gain
Amplifier


Bộ khuếch đại có thể lập
trình được

RE

Reference Electrode

Điện cực tham chiếu

Rf

Feedback resistor

Điện trở hồi tiếp

xviii


ROS

Reactive Oxygen Species

Gốc oxy hóa tự do

RSD

Relative standard deviation

Độ lệch chuẩn tương đối


SA

Single-potential amperometry

Phương pháp đo dòng điện
ở điện áp cố định theo thời
gian

SD

Standard deviation

Độ lệch chuẩn

SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên hiễu

SPS

Samples per second


Mẫu trên giây

SW

Switch

Cơng tắc

TEM

Transmission electron
microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền
qua

TIA

Transimpedance amplifier

Mạch khuếch đại chuyển
đổi trở kháng

Ultraviolet–visible
spectroscopy

Quang phổ tử ngoại – khả
kiến


Valence band

Vùng cấm

Virtual reference

Điểm điện áp tham chiếu
ảo

Working Electrode

Điện cực làm việc

UV-VIS
VB
VREF
WE

xix


WS
XRD

Working sense electrode

Điện cực cảm biến

X-Ray diffraction


Quang phổ nhiễu xạ tia X

xx


CHƯƠNG 1

Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Cùng với kỹ thuật máy tính và cơng nghệ truyền thông, công nghệ cảm biến là
một trong ba trụ cột quan trọng của thời đại công nghệ thông tin hiện nay. Cảm biến là
một thiết bị có thể theo dõi các sự kiện cụ thể từ môi trường và chuyển đổi các thơng
tin đó thành tín hiệu có thể xử lý được dựa trên một định luật cụ thể nhất định. Công
nghệ cảm biến đã cải thiện cuộc sống hàng ngày của con người thông qua các ứng
dụng của chúng trong hầu hết các lĩnh từ việc được sử dụng trong công nghiệp, nông
nghiệp đến các lĩnh vực thể thao, y tế, trong hàng không vũ trụ và trong cuộc sống
hàng ngày [1].
Trong lĩnh vực cảm biến, cảm biến sinh học và hóa học là một nhánh nhỏ nhưng
đóng vai trò cần thiết trong phạm vi nghiên cứu rộng lớn cũng như là trong nhiều ứng
dụng, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến sức khỏe con người. Nhiều kỹ thuật đã
được phát triển như các kỹ thuật về điện hóa, điện tử và quang học và cơ học cho các
ứng dụng cảm biến sinh học và hóa học khác nhau [2]. Tuy nhiên để đáp ứng những
đòi hỏi ngày càng cao về việc giảm giá thành sản phẩm, cải thiện độ nhạy, tăng hiệu
suất cảm biến cũng như việc tăng tính linh hoạt của thiết bị cảm biến vẫn đang là một
thử thách [3].
Khoảng 2 thập kỷ trở lại đây, các khái niệm về một kỹ thuật liên quan đến cảm
biến quang điện hóa (PEC) dần được nhắc đến nhiều hơn. Đây là một kỹ thuật được

phát triển từ kỹ thuật điện hóa thơng thường, mặc dù nó có sự bắt đầu chậm tuy nhiên
đang có sự phát triển nhanh chóng. Hàng loạt cơng bố về cảm biến PEC và xu hướng
ngày càng tăng qua từng năm cho thấy cảm biến PEC ngày càng có tầm quan trọng và
trở thành một trong những điểm nóng nghiên cứu liên quan tới các phân tích hóa sinh

GVHD: TS. Trần Trung Nghĩa || PGS. TS. Trần Việt Cường

1


CHƯƠNG 1

Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào

trong thời gian gần đây [4]. Điểm mấu chốt của phương pháp này liên quan đến vật
liệu quang hoạt được phủ lên bề mặt điện cực để thu nhận tín hiệu. Nó đóng vai trị như
một bộ chuyển đổi thơng tin điện hóa hoặc sinh học thành tín hiệu quan sát được. Việc
xây dựng cấu trúc và chọn lựa kỹ thuật chế tạo vật liệu quang hoạt hợp lý là một trong
những bước quang trọng để thiết kế một cảm biến PEC có hiệu suất cao. Được hưởng
lợi từ những tiến bộ của ngành khoa học vật liệu và công nghệ nano, nhiều phương
pháp chế tạo vật liệu PEC tiên tiến đã được phát triển và tạo điều kiện thuận lợi cho
việc phát triển loại cảm biến này. Các nghiên cứu ban đầu của công nghệ này tập trung
nhiều vào việc mở rộng phạm ứng dụng cũng như là khai thác về các dạng cấu trúc
khác nhau của vật liệu nano [3, 5-10]. Kỹ thuật này đã được khám phá cho các mục
tiêu khác nhau bao gồm phát hiện các ion kim loại nặng, dư lượng thuốc trừ sâu, các
axit nucleic, các tế bào, protein, phân tử khí, ... [4]
Trong những năm gần đây, đo nồng độ glucose là một trong những ứng dụng
được chú ý ở cơng nghệ này vì các ứng dụng quan trọng của nó trong các phân tích
sinh học đặc biệt là trong việc theo dõi bệnh tiểu đường. Nhiều loại cảm biến sinh học
PEC ứng dụng để đo glucose đã được phát triển với các dạng cấu trúc nano (hạt nano,

thanh nano, ống nano, nanosheet hay core – shell, …) và từ các loại vật liệu khác nhau
(Ti2O, SnO, g-C3N4, các hạt nano vàng, … ) [11-15]. Đặc biệt các nghiên cứu đang dần
chuyển đổi sang hướng sử dụng thuần vật liệu (không dùng enzyme hoặc có tên gọi
khác là nanozyme hay giả enzyme) để ứng dụng trong việc đo nồng độ glucose vì tính
khơng bền nhiệt và hóa học của enzyme glucose oxidase ( GOx - loại enzyme thường
được dùng trong các ứng dụng đo glucose). Tiềm năng trong việc xây dựng các dạng
vật liệu trong hướng ứng dụng này vẫn còn nhiều do yêu cầu cải thiện độ nhạy, độ đặc
hiệu của cảm biến cũng như là còn nhiều dạng vật liệu và cấu trúc chưa được khai thác
thực nghiệm để kiểm chứng khả năng cảm biến glucose. Vì vậy việc nghiên cứu xây
dựng một số dạng vật liệu nano có cấu trúc mới ứng dụng trong cảm biến glucose là
một hướng nghiên cứu tiềm năng. Ngoài ra, glucose là một trong những phân tử sinh

GVHD: TS. Trần Trung Nghĩa || PGS. TS. Trần Việt Cường

2


CHƯƠNG 1

Luận văn Thạc sĩ || Huỳnh Võ Anh Hào

học đơn giản nhất, việc phát triển cảm biến quang điện hóa để phát hiện glucose cũng
tạo tiền đề cho những nghiên cứu về cảm biến sinh học cho các cấu trúc phức tạp hơn
trong tương lai.
Ngoài ra, tùy thuộc vào từng ứng dụng các chất cần phân tích là đa dạng và khác
nhau về nồng độ; đặc biệt là một số chất phân tích có nồng độ rất thấp, chẳng hạn như
dấu ấn sinh học ở giai đoạn đầu của bệnh, điều đặt ra yêu cầu cao hơn về độ nhạy và
phạm vi phát hiện của cảm biến PEC. Để đáp ứng được nhu cầu hiện này, yêu cầu đặt
ra là cần phải có một hệ thống phục vụ riêng cho việc phát triển, kiểm tra tính chất của
các loại cảm biến PEC cũng như mang các đặc tính nhỏ gọn, tiện lợi để có thể ứng

dụng vào thực tế. Một hệ PEC tiêu chuẩn bao gồm 3 thành phần chính (được mơ tả
trong hình 1.1), đó là: nguồn sáng kích thích (i), buồng đo (ii) và mạch thu tín hiệu
(iii).

Hình 1.1 Các thành phần chính của một hệ cảm biến PEC tiêu chuẩn
(CE: điện cực đối; WE: điện cực làm việc; RE: điện cực tham chiếu)
Tuy nhiên, các hệ đo PEC ngày nay thường được tận dụng dựa trên các hệ PEC
dùng trong tách nước hoặc các hệ PEC thương mại đa chức năng phức tạp và đắc đỏ.
Những hệ thống này chỉ phù hợp cho mục đích nghiên cứu chứ không phù hợp với

GVHD: TS. Trần Trung Nghĩa || PGS. TS. Trần Việt Cường

3