BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU NANO MoS2 VÀ AgNP/MoS2 NHẰM ỨNG DỤNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU NANO MoS2 VÀ AgNP/MoS2 NHẰM ỨNG DỤNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số: 9440122

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. PHẠM HÙNG VƯỢNG
2. PGS. TS. PHƯƠNG ĐÌNH TÂM

Hà Nội - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa
từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và
trung thực.
Tơi xin xin chịu trách nhiệm về nội dung luận án và những kết quả công bố trong
luận án.

Tập thể hướng dẫn

Hà Nội, ngày tháng
năm 2023
Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phạm Hùng Vượng

Đinh Văn Tuấn

PGS.TS Phương Đình Tâm

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới
PGS.TS. Phương Đình Tâm, PGS. TS. Phạm Hùng Vượng và TS Cao Xuân Thắng.
Những người Thầy đã cho tôi những định hướng khoa học và phong cách sống. Đã tận

tình giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt q trình hồn thành luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Phòng Đào tạo, Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Điện lực, Ban Chủ nhiệm
Khoa Điện tử Viễn thông đã luôn động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi tập
trung nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp,
các anh chị em trong nhóm nghiên cứu đã ln động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn mã số đề tài 103.02–2017.320 của Quỹ Phát triển
khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đã hỗ trợ kinh phí để thực hiện luận án.
Tôi gửi lời cảm ơn đến TS. Vũ Văn Thú, PGS. TS Nguyễn Văn Quỳnh, TS.
Nguyễn Xuân Trường, TS. Phạm Hồng Nam, ThS. Nguyễn Hoài Nam, TS. Hoàng Lan,
TS. Nguyễn Thị Nguyệt, ThS. Đặng Thị Thúy Ngân, ThS Đào Vũ Phương Thảo vì sự
cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả để tơi có thể hồn thiện luận án.
Tơi muốn gửi thành quả này của mình đến vợ và các con những người luôn đồng
hành và cổ vũ tơi ở mọi hồn cảnh. Tơi xin gửi lịng biết ơn đến Bố, Mẹ, các anh, chị,
em trong gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong cuộc sống và q trình học tập.
Chính sự tin u và mong đợi của gia đình đã tạo thêm động lực cho tôi thực hiện thành
công luận án này.
Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy, Cô, Đồng nghiệp
và bạn bè đã cổ vũ, động viên tơi vượt qua những khó khăn trong q trình thực hiện
luận án.
Hà Nội, ngày tháng
năm 2023
Nghiên cứu sinh

Đinh Văn Tuấn

ii



MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ....................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: ......................................................................................................................... 7
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE ......................................................... 7
1.1.

Giới thiệu về cảm biến sinh học ............................................................................... 7

1.1.1. Khái niệm .............................................................................................................. 7
1.1.2. Quá trình phát triển của cảm biến sinh học ............................................................. 7
1.1.3. Cấu tạo chung cảm biến sinh học ......................................................................... 11
1.1.4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ......................................................... 13
1.1.5. Ứng dụng cảm biến sinh học [26]......................................................................... 13
1.2.

Giới thiệu về cảm biến xác định glucose ................................................................ 14

1.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa xác định glucose .............................. 21
1.2.2. Các thế hệ cảm biến điện hóa glucose .................................................................. 22
1.3.

Tổng quan về vật liệu phát triển cho ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose .... 26


1.3.1. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose sử dụng enzyme ...................................... 26
1.3.2. Vật liệu cho cảm biến điện hóa glucose không sử dụng enzyme ........................... 28
1.4.

Tổng quan về kim loại chuyển tiếp dichalcogenides - MoS2 ................................... 29

1.4.1. Cấu trúc tinh thể................................................................................................... 30
1.4.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử..................................................................................... 32
1.4.3. MoS2 và tiềm năng ứng dụng trong cảm biến sinh học ......................................... 33
1.5.

Tình hình nghiên cứu vật liệu MoS2 và cảm biến glucose trong trong nước ............ 39

1.6.

Kết luận chương 1.................................................................................................. 42

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM .............................................................. 44
2.1.

Phương pháp chế tạo vật liệu ................................................................................. 44

2.1.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo .................................................................................. 44
2.1.2. Quy trình chế tạo vật liệu MoS2 bằng phương pháp thủy nhiệt ............................. 45
2.1.3. Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ........................................ 49
2.1.4. Chế tạo cảm biến glucose sử dụng enzyme GOx trên cơ sở các vật liệu: MoS2 NP
(dạng hạt), MoS2 NF (hình hoa), MoS2 NPL (dạng vảy) ................................................ 50
2.1.5. Chế tạo điện cực biến đổi với vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 không sử dụng
enzyme ......................................................................................................................... 51


iii


2.2.

Phương pháp đặc trưng vật liệu .............................................................................. 52

2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................................. 52
2.2.2. Hiển vi điện tử quét phát xạ trường ...................................................................... 54
2.2.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X ................................................................................. 55
2.2.4. Phổ Raman .......................................................................................................... 56
2.2.5. Phương pháp điện hóa .......................................................................................... 57
CHƯƠNG 3:........................................................................................................................ 62
PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ENZYME PHÁT HIỆN GLUCOSE NỀN VẬT LIỆU MoS2 .... 62
3.1. Đặc trưng vật liệu MoS2 ............................................................................................ 63
3.1.1. Đặc trưng hình thái bề mặt và phân bố kích thước hạt ........................................ 63
3.1.2. Đặc trưng thành phần vật liệu .............................................................................. 69
3.1.3. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu ............................................................................ 69
3.2.

Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose trên nền vật liệu MoS2 .................... 70

3.2.1. Đặc trưng cảm biến glucose trên cơ sở các vật liệu MoS2 ..................................... 70
3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến ............................................. 74
3.2.3. Độ chọn lọc, độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến glucose trên cơ sở MoS2 ....... 77
3.3.

Kết luận chương 3.................................................................................................. 79


CHƯƠNG 4:........................................................................................................................ 80
CẢM BIẾN GLUCOSE KHÔNG ENZYME TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE
AgNP/MoS2 ......................................................................................................................... 80
4.1.

Đặc trưng hình thái và cấu trúc của vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ............... 81

4.2.

Đặc trưng điện hóa của các điện cực PtE, MoS2/PtE và AgNP/MoS2/PtE ............... 82

4.3. Đặc trưng điện hóa của cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở PtE,
MoS2F/PtE và AgNP/MoS2/PtE........................................................................................ 84
4.4. Độ chọn lọc, độ ổn định, độ lặp lại và khả năng tái sử dụng của cảm biến glucose
trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE .............................................................................................. 87
4.5.

Kết luận chương 4.................................................................................................. 89

CHƯƠNG 5:........................................................................................................................ 91
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ CẢM BIẾN CẦM TAY NHẰM XÁC ĐỊNH
NỒNG ĐỘ GLUCOSE ........................................................................................................ 91
5.1.

Thiết kế chức năng................................................................................................. 92

5.2.

Thiết kế phần cứng ................................................................................................ 94


5.2.1. Thiết kế khối xử lý trung tâm, khối tạo áp và khối đo dòng .................................. 96
5.2.2. Thiết kế khối điện cực .......................................................................................... 97
5.2.3. Thiết kế khối truyền thông ................................................................................... 98
5.2.4. Thiết kế khối nguồn ............................................................................................. 99
5.2.5. Sơ đồ nguyên lý của potentiostat ........................................................................ 100

iv


5.2.6. Thiết kế mạch in (PCB)...................................................................................... 101
5.3.

Thiết kế vỏ hộp .................................................................................................... 102

5.4.

Thiết kế phần mềm .............................................................................................. 103

5.5.

Thực nghiệm thiết bị ............................................................................................ 106

5.5.1. Khảo sát đặc tính CV của thiết bị ....................................................................... 106
5.5.2. Khảo sát phát hiện glucose của thiết bị ............................................................... 108
5.6.

Kết luận chương 5................................................................................................ 108

KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 110
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .................................................................. 111

CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................................ 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 112

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

λ

Wavelength

Bước sóng

Chữ viết tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit Deoxyribonucleic


PANI

Polyaniline

Polyaniline

EDX

Energy dispersive X-ray
spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng tia X

Field Emission Scanning

Hiển vi điện tử quét phát xạ

Electron Microscopy

trường

XRD

X - ray diffraction

Giản đồ nhiễu xạ tia X

GOx


Enzyme Glucose Oxidase

Enzyme Glucose

GDH

Glucose-1-Dehydrogenase

Enzyme Glucose-1-

FESEM

Dehydrogenase
FAD

Flavin Adenine Dinucleotide

Flavin Adenine Dinucleotide

PPQ

Pyrroquinolinequinone

Pyrroquinolinequinone

AA

Ascorbic acid

Axit Ascorbic


AP

Acetaminophen

Axetaminofen

UA

Uric acid

Axit uric

UAC

Uric acid

Axit Uric

PB

Prussian Blue

Prussian xanh

Med

Mediator

Chất trung gian


BNNT

Boron Nitride Nano Tube

Ống nano Boron Nitride

DET

Direct Electron Transfer

Quá trình chuyển electron
trực tiếp

GO

Graphene Oxide

PEDOT

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

CAP

Chloramphenicol

Chloramphenicol

GCE


Glassy Carbon Electrode

Điện cực cacbon

MoS2 NP

MoS2 nanoparticle

MoS2 dạng hạt

vi

Graphen oxit


DI

Deionized water

Nước cất

PBS

Phosphate Buffered Saline

Photphat muối

XRD

X-ray Diffraction


Quang phỗ nhiễu xạ tia X

MoS2 NF

MoS2 nanoflower

MoS2 hình hoa

MoS2 NPL

MoS2 nanoplatelets

MoS2 dạng vảy

AgNP

Ag Nanoparticle

Hạt nano bạc

GA

Glutaraldehyde

Glutarandehit

LOD

Limits of detection


Giới hạn phát hiện

Cu2OMS-RGO

Hạt micro Cu2O lai Graphen
Oxit dạng khử

CV

Cyclic Voltammetry

Thế vòng, còn gọi là thế tuần
hồn

CA

Chronoamperometry

Kỹ thuật dịng – thời gian

RE

Reference Electrode

Điện cực so sánh

WE

Working Electrode


Điện cực làm việc

CE

Counter Electrode

Điện cực đối

AE

Auxiliarty Electrode

Điện cực phụ trợ

LOx

Lactate Oxidase

Enzyme Lactat

FET

Field Effect Transistor

Transitor hiệu ứng trường

TIA

Transimpedance Amplifier


Bộ khuếch đại trở kháng

LOD

Limit of Detection

Giới hạn phát hiện

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Các mốc thời gian phát triển của cảm biến sinh học ........................................... 10
Bảng 1. 2: Phân loại một số cảm biến glucose theo nguyên lý hoạt động ............................. 17
Bảng 1. 3: Một số loại cảm biến glucose không xâm lấn ...................................................... 19
Bảng 1. 4: Các cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite trên cơ sở
MoS2 .................................................................................................................................... 34
Bảng 2. 1: Hóa chất sử sử dụng………………………………………………………………………44
Bảng 2. 2: Thiết bị sử dụng……………………………………………………………………………45
Bảng 3. 1: Cường độ đỉnh dịng oxy hóa của các điện cực biến tính bởi các vật liệu MoS2 ... 71
Bảng 3. 2: So sánh các thơng số phân tích của các cảm biến sinh học được chuẩn bị/thực
nghiệm. ................................................................................................................................ 73
Bảng 4. 1: So sánh hoạt động của cảm biến glucose không sử dụng enzyme trên cơ sở
AgNP/MoS2/PtE (trong nghiên cứu này) và các cảm biến glucose khác................................ 87

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1. 1: Ba thế hệ của cấu trúc cảm biến sinh học [3] ........................................................ 8
Hình 1. 2: Cấu tạo điển hình của cảm biến sinh học [24] ..................................................... 11
Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ............................................... 13
Hình 1. 4: Các thế hệ cảm biến glucose [32] ........................................................................ 21
Hình 1. 5: Nguyên lý hoạt động của cảm biến glucose thế hệ thứ nhất [43].......................... 23
Hình 1. 6:(a): cấu trúc tinh thể MoS2, (b): MoS2 dạng khối; (c), (d): MoS2 đơn lớp [51] ...... 30
Hình 1. 7: Ba dạng cấu trúc của tinh thể MoS2 [71] ............................................................. 31
Hình 1. 8: Cấu trúc vùng năng lượng của các MoS2 với số lượng lớp khác nhau [76] .......... 32
Hình 1. 9: Đặc tính CV của (a)- điện cực GCE (Glassy Carbon Electrode); (b)- GCE phủ tấm
nano MoS2; (c)- GCE phủ Ag@MoS2 (Trong dung dịch KCl 0.1 M và 1mM Fe(CN)6) [104] 35
Hình 1. 10: Biểu đồ Nyquist của điện cực GCE, điện cực GCE phủ tấm nano MoS 2 và điện cực
GCE phủ Ag@MoS2 [104] ................................................................................................... 35
Hình 1. 11: Minh chứng về q trình lai hóa các hạt nano Au@Pt trên nền tấm nano MoS 2 (AẢnh TEM tấm MoS2; B- Ảnh TEM vật liệu lai MoS2-Au@Pt; C- Phân bố kích thước hạt nano
Au@Pt trên tấm MoS2; D- Giản đồ nhiễu xạ tia X của tấm MoS2 và vật liệu lai MoS2- Au@Pt
[105] ................................................................................................................................... 36
Hình 1. 12: Đường đặc tính CV (A) và biểu đồ Nyquist của các hệ (a)-tấm GCE; b- MoS2/GCE;
c- MoS2-Au/GCE; d- MoS2-Pt/GCE; e- Au@Pt/GCE và f-MoS2-Au@Pt/GCE trong dung dịch
5mM [Fe(CN)6]3-/4- và 0.1 M KCl.[105] ............................................................................ 36
Hình 1. 13: Ảnh SEM vật liệu MoS2 hình hoa (A); nano Cu2O (B) và vật liệu lai MoS2-Cu2O
(C). EDS của vật liệu lai MoS2-Cu2O [101] ......................................................................... 38
Hình 1. 14: Đặc tính CV của các điện cực MoS2/GCE (A); Cu2O/GCE (B); Cu2O-MoS2/GCE
(C) và Cu2O-MoS2/GCE trong các mơi trường có nồng độ Glucose khác nhau (D) [101] .... 39
Hình 2. 1: Sự phụ thuộc của áp suất hơi nước vào nhiệt độ ở các thể tích khơng đổi [111] .. 46
Hình 2. 2: Cấu tạo bình thủy nhiệt (Autoclave) .................................................................... 47
Hình 2. 3: Sơ đồ quy trình chế tạo các vật liệu MoS2 (dạng vảy, dạng hạt và hình hoa) bằng
phương pháp thủy nhiệt........................................................................................................ 48
Hình 2. 4: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2 ............................... 49
Hình 2. 5: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trên mặt phẳng tinh thể ....................................................... 52
Hình 2. 6: Thiết bị nhiễu xạ tia X tại Viện khoa học vật liệu ................................................. 53
Hình 2. 7: Hệ thiết bị FE-SEM - JEOL JSM-7600F tại Viện AIST ........................................ 54

Hình 2. 8: Nguyên lý phổ tán sắc năng lượng tia X .............................................................. 55
Hình 2. 9: Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng Laser .................................. 56
Hình 2. 10: Hai mode dao động đặc trưng E12g và A1g của vật liệu MoS2 ............................. 57
Hình 2. 11: Mơ hình hệ điện hóa ba điện cực ....................................................................... 58
Hình 2. 12: Quan hệ phụ thuộc E-t trong phương pháp CV: a) chu kỳ oxi hóa; b) chu kỳ khử
............................................................................................................................................ 59
Hình 2. 13: Đường Von-Ampe vịng trong trường hợp có chất hoạt động điện hóa và phản ứng
xảy ra thuận nghịch ............................................................................................................. 60
Hình 3. 1: Hình ảnh FESEM của các MoS2 NP được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 200 °C
trong 15 h và tỷ lệ mol S/Mo là 2/1. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FESEM
của các mẫu MoS2 NP. ......................................................................................................... 63
Hình 3. 2: Ảnh FESEM của các mẫu MoS2 NP được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt tại
các nhiệt độ khác nhau, trong 15h. (a) 200 oC, (b) 250 oC, (c) 300 oC, (d) 350 oC. ............... 64

ix


Hình 3. 3: Phân bố kích thước hạt của các mẫu MoS2 NP được tổng hợp bằng phương pháp
thủy nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau, trong 15h. (a) 200 oC, (b) 250 oC, (c) 300 oC, (d) 350 oC.
............................................................................................................................................ 64
Hình 3. 4: Hình ảnh FESEM của MoS2 NF được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 220 °C trong
20 giờ. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FESEM của MoS 2 NF ............. 65
Hình 3. 5: Phân bố kích thước hạt của MoS2 NF được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt 220 °C
trong 20 giờ. ........................................................................................................................ 66
Hình 3. 6: FE-SEM của MoS2 NFs được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ở 220 °C với
các khoảng thời gian khác nhau (a) 15 giờ, (b) 17 giờ, [(c), (c’)] 20 giờ và [(d), (d’)] 25 giờ.
............................................................................................................................................ 66
Hình 3. 7: Hình ảnh FE-SEM của MoS2 NPLs được chuẩn bị ở nhiệt độ thủy nhiệt 350 ° C
trong 24h. Trong đó: (a, b) độ phóng đại cao hơn của hình ảnh FE-SEM của MoS 2 NPLs ... 67
Hình 3. 8: FESEM của các mẫu MoS2-NPL được tổng hợp tại nhiệt độ 3500C trong 24 giờ với

sự thay đổi tỷ lệ S/MO, (a) S/Mo = 1:1, (b) S/Mo = 2:1, (c) S/Mo = 3:1, (d) S/Mo = 4:1...... 68
Hình 3. 9: Phân bố kích thước hạt các mẫu MoS2 NPL được tổng hợp tại nhiệt độ 3500C trong
24 giờ với sự thay đổi tỷ lệ S/MO, (a) S/Mo = 1:1, (b) S/Mo = 2:1, (c) S/Mo = 3:1, (d) S/Mo =
4:1. ...................................................................................................................................... 68
Hình 3. 10: Phổ EDX của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. ............................. 69
Hình 3. 11: Phổ XRD của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. ............................. 69
Hình 3. 12: Phổ Raman của (a) MoS2 NP, (b) MoS2 NF, và (c) MoS2 NPL. .......................... 70
Hình 3. 13: (A) Đường CV của điện cực biến tính MoS2 với các cấu trúc khác nhau [(A)- MoS2
NP; (B)- MoS2 NF và (C)- MoS2 NPL]: (a) GCE trần, (b) MoS2/GCE, (c) GOx/MoS2/GCE, và
(d) phát hiện glucose 3 mM. ................................................................................................. 71
Hình 3. 14: Đáp ứng điện hóa của các điện cực phụ thuộc vào nồng độ glucose từ 2-10 mM
trong dung dịch PBS: (a)- GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE; (c)-GOx/MoS2NPL/GCE ............................................................................................................................ 73
Hình 3. 15: Ảnh hưởng của pH dung dịch điện ly từ pH = 4 đến pH = 12 đối với phản ứng của
điện cực biến tính MoS2 trong glucose 3 mM: GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE;
(c)-GOx/MoS2-NPL/GCE ..................................................................................................... 74
Hình 3. 16: Ảnh hưởng của nồng độ GOx từ 0,05 mg/mL đến 10 mg/mL đối với phản ứng của
điện cực biến tính MoS2 trong glucose 3 mM: GOx/MoS2-NP/GCE; (b)-GOx/MoS2-NF/GCE;
(c)-GOx/MoS2-NPL/GCE ..................................................................................................... 75
Hình 3. 17: Ảnh hưởng của nhiệt độ từ 25oC đến 60oC đối với phản ứng của điện cực biến tính
MoS2 trong glucose 3 mM: (a)-GOx/MoS2 NP/GCE; (b)-GOx/MoS2 NF/GCE; (c)-GOx/MoS2
NPL/GCE ............................................................................................................................ 77
Hình 3. 18: Độ lặp lại của 10 cảm biến trên cơ sở các vật liệu MoS2 ................................... 78
Hình 3. 19: Độ chọn lọc của các cảm biến khi có nhiễu trong dung dịch NaOH 0.1M .......... 78
Hình 3. 20: Độ ổn định sau 3 tuần bảo quản ở 4 °C của cảm biến sinh học glucose dựa trên
MoS2 có cấu trúc khác nhau. ................................................................................................ 79
Hình 4. 1: Ảnh FESEM (a) và (b), (c) Phổ EDS, và (d) giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite
AgNP/MoS2. ......................................................................................................................... 81
Hình 4. 2: Đường đặc trưng CV của điện cực (a) PtE, (b) MoS2/PtE, (c) AgNP/MoS2/PtE, và
(d) 3 điện cực trong dung dịch NaOH , có chứa [Fe(CN)6] 3-/4- tại tốc độ quét 100mV s−1 .... 82
Hình 4. 3: Đường đặc trưng CV của điện cực (a) MoS2/PtE và (c) AgNP/MoS2/PtE tại những

tốc độ quét thế khác nhau (10–100 mV s−1) trong dung dịch NaOH. Sự phụ thuộc của dịng oxy
hóa theo tốc độ quét thế của điện cực (b) MoS2/PtE và (d) AgNP/MoS2/PtE. ........................ 84

x


Hình 4. 4: Đường đặc trưng CV của các điện cực khác nhau (a) PtE, (b) MoS 2/PtE, (c)
AgNP/PtE, và (d) AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH chứa Fe[CN] 6)3−/4− với các trường
hợp có và khơng có 3,0 mM glucose với các điện cực, tại tốc độ quét thế 100 mV s−1. .......... 85
Hình 4. 5: (a) Đường đặc trưng CV của điện cực AgNP/MoS2/PtE đáp ứng với những nồng độ
glucose khác nhau trong dung dịch NaOH chứa (Fe[CN] 6)3−/4− tại tốc độ quét 100 mV s−1. (b)
Đường chuẩn biểu diễn mối liên quan giữa dòng đỉnh và nồng độ glucose........................... 86
Hình 4. 6: Độ chọn lọc của cảm biến trên cơ sở AgNP/MoS2/PtE dưới tác động của các chất
trong dung dịch chứa 4,0 mM glucose (Glu), 0,12 mM L-ascorbic acid (LAA), 0,3 mM uric acid
(UAC), và 0,12 mM acetamidophenol (APH). ...................................................................... 87
Hình 4. 7: Độ bền của điện cực AgNPs/MoS2/PtE theo thời gian ......................................... 88
Hình 4. 8: Độ lặp lại của điện cực AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH gồm 4,0 mM
glucose................................................................................................................................. 88
Hình 4. 9: Khả năng tái sử dụng của điện cực AgNP/MoS2/PtE trong dung dịch NaOH gồm 4,0
mM glucose.......................................................................................................................... 89
Hình 5. 1: Thiết bị đo glucose trong máu. ............................................................................ 92
Hình 5. 2: Ngun lý hệ điện hóa/cảm biến điện hóa. ........................................................... 93
Hình 5. 3: Sơ đồ ngun lý của potentiostat. ........................................................................ 93
Hình 5. 4: Sơ đồ khối của chip ADuCM355.......................................................................... 95
Hình 5. 5: Sơ đồ nguyên lý chức năng của khối xử lý trung tâm, khối tạo áp, khối đo dịng trên
cơ sở chip ADuCM355 ......................................................................................................... 96
Hình 5. 6: Sơ đồ nguyên lý đầy đủ của khối xử lý trung tâm, khối tạo áp, khối đo dòng trên cơ
sở chip ADuCM355.............................................................................................................. 97
Hình 5. 7: Sơ đồ nguyên lý khối điện cực của potentiostat .................................................... 98
Hình 5. 8: Sơ đồ ngun lý khối truyền thơng của potentiostat ............................................. 99

Hình 5. 9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của potentiostat ..................................................... 100
Hình 5. 10: Sơ đồ nguyên lý của potentiostat ..................................................................... 100
Hình 5. 11: Thiết kế mạch in của potentiostat..................................................................... 101
Hình 5. 12: Thiết kế vỏ của potentiostat ............................................................................. 102
Hình 5. 13: Vỏ hộp in 3D của potentiostat ......................................................................... 102
Hình 5. 14: Lưu đồ thuật tốn chương trình qt thế vịng của potentiostat ........................ 105
Hình 5. 15: Potentiostat được hồn thiện ........................................................................... 106
Hình 5. 16: Đường đặc tính CV của thiết bị PalmSen4 và thiết bị tự phát triển .................. 107
Hình 5. 17: Đường đặc tuyến giữa dòng đỉnh và căn bậc hai của điện áp quét................... 107
Hình 5. 18: Đường đặc tuyến phát hiệu H2O2 của máy Pamlsens4 và thiết bị trên cơ sở chip
ADuCM355 ........................................................................................................................ 108

xi


MỞ ĐẦU
Ngày nay, cảm biến sinh học là thiết bị đóng vai trị quan trọng trong nhiều lĩnh
vực của đời sống, đặc biệt là các ứng dụng liên quan tới việc theo dõi sức khỏe. Những
thơng tin chẩn đốn chính xác giúp hỗ trợ tốt hơn trong việc thiết kế phác đồ điều trị và
sử dụng những loại thuốc để đạt được hiệu quả điều trị cao nhất. Khác với những cảm
biến hóa lý, những cảm biến sinh học cần phải có những thành phần sinh học để tạo nên
sự chọn lọc và đặc hiệu đối với những tác nhân sinh học cần phân tích. Tối ưu và duy
trì điều kiện hoạt động của những thành phần sinh học trong cảm biến là vấn đề quan
trọng, quyết định tới sự chính xác của cảm biến sinh học. Trong số các loại cảm biến
sinh học, cảm biến sinh học phát hiện glucose trong máu là loại cảm biến điển hình,
được phát triển sớm nhất từ thập niên 60 của thế kỷ trước. Trải qua quá trình phát triển
cảm biến sinh học glucose, nhiều thế hệ cảm biến glucose đã được ra đời với những sự
cải tiến lớn về độ nhạy, độ chọn lọc, độ bền. Những thế hệ cảm biến gần đây cho thấy
vai trò rất lớn của những hệ vật liệu được ứng dụng trong điện cực cảm biến. Những vật
liệu này giúp tối ưu hóa hoạt động của những thành phần sinh học có trong cảm biến,

đối với cảm biến sinh học glucose là enzyme glucose oxidase (GOx). Những hệ vật liệu
mới giúp đẩy nhanh quá trình vận chuyển điện tử từ trung tâm phản ứng của enzyme tới
bề mặt điện cực thông qua cơ chế làm bền enzyme và tạo ra cầu nối điện tử giữa enzyme
và bề mặt điện cực. Đặc biệt, những hệ vật liệu có cấu trúc nano gần đây được phát triển
với mong muốn loại bỏ vai trò của enzyme trong cảm biến sinh học glucose, điều này
giúp giảm giá thành và tăng độ ổn định của cảm biến. Mặc dù cảm biến glucose đã được
nghiên cứu phát triển từ lâu và cho đến nay, ứng dụng chúng trong đời sống hằng ngày
đã trở nên phổ biến nhưng nó vẫn được coi là một loại cảm biến điển hình, được sử dụng
để đánh giá hiệu quả của những thế hệ vật liệu mới trên những cảm biến glucose nói
riêng và những cảm biến sinh học khác nói chung.
Trong những năm gần đây, MoS2 là vật liệu thu hút được nhiều sự quan trong
những nghiên cứu chế tạo các loại cảm biến sinh học do sở hữu những đặc tính nổi trội
như: diện tích bề mặt lớn, tính tương thích sinh học cao, khả năng vận chuyển điện tử
lớn và có hoạt tính xúc tác điện hóa. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các vật liệu 2D
MoS2 (tấm nano/vảy nano) có khả năng làm cầu nối giúp tăng cường tính bám dính, cải
thiện mật độ của các loại enzyme lên các đế điện cực trong các loại cảm biến sinh học.
Ngoài ra, tương tác giữa các vật liệu 2D MoS2 cịn có khả năng làm bền các loại enzyme
1


trong quá trình hoạt động của cảm biến sinh học. Một tính chất rất đáng chú ý khác của
vật liệu MoS2 là hoạt tính xúc tác điện hóa. Đây tính chất được khai thác với mục đích
thay thế sự hoạt động của các enzyme trong các cảm biến sinh học. Sự thay thế này đóng
vai trị quan trọng trong việc kéo dài độ bền trong quá trình hoạt động, đây chính là vấn
đề cần khác phục của các cảm biến sinh học do độ bền kém của các loại enzyme đang
sử dụng. Xúc tác diện hóa của các MoS2 thể hiện trên các cạnh xúc tác điện hóa
(electrocatalytic active edge-site) của vật liệu. Để tăng số lượng các tâm xúc tác này,
các cấu trúc 3D MoS2 đã được nghiên cứu chế tạo và cho thấy hiệu quả lớn trong việc
nâng cao hiệu quả xúc tác điện hóa của vật liệu MoS 2, điển hình là cấu trúc 3D hình hoa.
Ngồi ra, các cấu trúc 3D cịn có ưu điểm là giảm thiểu sự kết khối trong quá trình phủ

vật liệu lên điện cực, điều mà các vật liệu dạng 2D (tấm nano) vẫn thường xuyên gặp
phải. Điều này đóng vai trò quan trọng để tạo nên sự hoạt động ổn định của điện cực.
Mặc dù sở hữu những tính chất đáng quý phục vụ cho việc phát triển những thế hệ
cảm biến sinh học mới, nhưng nhược điểm rất lớn của các vật liệu MoS2 là tính dẫn điện
kém, điều này làm suy giảm cường độ tín hiệu thu được trong những cảm biến sinh học
điện hóa. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu có
tính dẫn điện cao như: graphen, các hạt nano kim loại (Au, Ag, Pt, Cu…), các loại vật
liệu polyme dẫn. Trong số các vật liệu dẫn được nghiên cứu sử dụng, các hạt nano Ag
thể hiện nhiều tính chất ưu việt như: giá thành khơng đắt, tính tương thích sinh học cao,
độ dẫn điện lớn và có hoạt tính xúc tác điện hóa với glucose.
Trên cơ sở những vấn đề nêu trên, có thể thấy rằng, MoS2 là một vật liệu có nhiều
tiềm năng trong việc chế tạo các cảm biến sinh học. Tuy vậy, hầu hết các nghiên cứu
trước đây chủ yếu sử dụng các vật liệu MoS2 dạng 2D (tấm nano, vảy nano), vai trị của
hình thái học của các dạng vật liệu (như dạng hạt, vảy, hoa) tới sự hoạt động của cảm
biến của các cảm biến sinh học vẫn là vấn đề còn bỏ ngỏ. Ngoài ra, kết hợp vật liệu 3D
MoS2 với các kim loại có tính dẫn cao, hoạt tính oxi hóa điện hóa tốt nhằm tạo ra thế hệ
cảm biến mới không sử dụng enzyme vẫn đang là một vấn đề rất đáng quan tâm. Do
vậy, nghiên cứu chế tạo các vật liệu MoS2 với các dạng hình thái khác nhau, kết hợp với
các hạt nano Ag ứng dụng trong cảm biến sinh học, cụ thể là cảm biến sinh học glucose
là một vấn đề rất có ý nghĩa, cả về khoa học và thực tiễn.

2


Dựa trên cơ sở khoa học và yêu cầu thực tiễn đặt ra, nghiên cứu sinh đã lựa chọn
đề tài “Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano MoS2 và AgNP/MoS2
nhằm ứng dụng để xác định nồng độ glucose” để làm luận án tiến sĩ.


Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu chung: Mục tiêu chính của luận án là phát triển được cảm biến sinh học

phát hiện nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu nano MoS2.
Mục tiêu cụ thể:
-

Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 và nanocomposite AgNP/MoS2 có tính chất
điện hố tốt, tương thích sinh học cao để ứng dụng cho cảm biến sinh học glucose

-

Phát triển được thiết bị cầm thay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực
tế.



Nội dung nghiên cứu:

-

Tổng hợp được vật liệu nano MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt với nhiều hình
dạng khác nhau.

-

Tổng hợp được vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2.

-

Phát triển được cảm biến điện hoá xác định nồng độ glucose trên cơ sở vật liệu

nano MoS2 và vật liệu nanocomposite AgNP/MoS2.

-

Phát triển được mạch đo kết hợp với cảm biến để chế tạo thiết bị đo cầm tay phát
hiện nồng độ glucose trong điều kiện thực tế.



Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm. Trong đó, vật

liệu MoS2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, vật liệu AgNP/MoS 2 được tổng
hợp bằng phương pháp hóa học. Các đặc trưng của vật liệu được khảo sát bằng phổ
nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM), phổ tán xạ Raman ... Các
đặc trưng của cảm biến sẽ được khảo sát bằng phép đo quét thế tuần hoàn và phép đo
phổ tổng trở điện hoá.


Ý nghĩa khoa học:
Hiện nay, sử dụng cảm biến sinh học để phát hiện nồng độ glucose đã được nhiều

nhóm nghiên cứu thực hiện. Tuy nhiên, các cảm biến được chế tạo thường không ổn
định, có thời gian phục vụ khơng cao và độ nhạy thấp. Do đó, để cải thiện những vấn đề
trên có nhiều phương pháp trong đó phương pháp sử dụng các vật liệu nano có cấu trúc
3


2 chiều đang được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu hiện nay. Đề tài này hướng đến
phát triển cảm biến glucose sử dụng vật liệu MoS2 và AgNP/MoS2 và phát triển thiết bị

đo cầm tay để xác định nồng độ glucose trong điều kiện thực tế. Do đó, nó vừa có ý
nghĩa khoa học và vừa có ý nghĩa thực tiễn cao.


Tính mới của luận án

-

Đã tổng hợp được vật liệu MoS2 bằng phương pháp thuỷ nhiệt và AgNP/MoS2
bằng phương pháp hố học có tính tương tích sinh học và điện hóa tốt.

-

Đã phát triển được cảm biến sinh học sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu MoS 2 ở
3 cấu trúc khác nhau để xác định nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 0,081mM;
khoảng tuyển tính (2-10) mM; độ nhạy của cảm biến chế tạo lần lượt là 64,0; 68,7
và 77,6 μAmM− 1 cm− 2 tương ứng với vật liệu MoS2 chế tạo ở các cấu trúc dạng
hạt, dạng hoa và dạng vảy.

-

Đã phát triển được cảm biến sinh học không sử dụng enzyme trên cơ sở vật liệu
AgNP/MoS2 để xác định nồng độ glucose với giới hạn phát hiện 1mM; khoảng
tuyển tính (1-15) mM; độ nhạy 46,5 µM mM-1 1cm− 2.

-

Đã phát triển được thiết bị đo cầm tay kết hợp với cảm biến nhằm xác định nồng
độ glucose trong điều kiện thực tế.


Nội dung chính của luận án này được trình bày trong 5 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến sinh học glucose:
Trong chương này, tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa chung và cảm biến
sinh học điện hóa phát hiện glucose sẽ được trình bày từ các định nghĩa cơ bản, cấu tạo,
nguyên lý hoạt động, đến các ứng dụng cụ thể các loại cảm biến kèm với quá trình phát
triển của các thế hệ cảm biến. Bên cạnh đó, trong chương này, tổng quan về các vật liệu
tiềm năng dùng cho phát triển các thế hệ cảm biến tương ứng cũng được trình bày đầy
đủ. Từ đó, nêu bật lên được cơ sở khoa học của việc lựa chọn các vật liệu cảm biến thích
hợp cho nghiên cứu tại các chương tiếp theo như là polyme dẫn, hạt nano kim loại, hay
hợp chất của kim loại chuyển tiếp có cấu trúc 2 chiều MoS2.
Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm
Trong chương này, phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp các dạng
vật liệu MoS2 (dạng hạt, hình hoa, dạng vảy), phương pháp chế tạo vật liệu
4


nanocomposite AgNP/MoS2, phương pháp chế tạo điện cực có enzyme và khơng có
enzyme sẽ được mơ tả chi tiết thơng qua các quy trình tổng hợp, chế tạo vật liệu. Các
phương pháp đặc trưng vật liệu bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét
phát xạ trường (FESEM), tán xạ năng lượng tia X, Raman, quét thế vịng tuần hồn CV
được mơ tả về ngun lý hoạt động.
Chương 3: Phát triển cảm biến enzyme phát hiện glucose nền vật liệu MoS 2
Trong chương này, một nghiên cứu đầy đủ của vật liệu MoS2 dùng phát triển cảm
biến glucose trên cơ sở cố định xúc tác enzyme GOx đã được thực hiện. Vật liệu MoS 2
ở các dạng thù hình khác nhau (cấu trúc dạng hạt, cấu trúc dạng hoa, và cấu trúc dạng
vảy) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt. Các mẫu chế tạo được
kiểm tra đặc tính, đánh giá hình thái bề mặt, cấu trúc và tính chất bằng nhiều kĩ thuật
khác nhau như XRD, SEM hay RAMAN và điện hóa. Đồng thời các ảnh hưởng của
dạng cấu trúc MoS2 lên hiệu quả của cảm biến điện hóa phát hiện glucose cũng được
nghiên cứu.

Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được cơng bố trên tạp chí Current
Applied Physics, thuộc danh mục SCIE – Q2 với chỉ số ảnh hưởng IF = 2,856.
Chương 4: Cảm biến glucose không enzyme trên cơ sở vật liệu nanocomposite
AgNP/MoS2
Trong chương này chế tạo vật liệu nanocomposite AgNP/MoS 2 trên cơ sở lai hóa
hạt nano Ag với vật liệu MoS2 hình hoa, dùng để phát triển thế hệ cảm biến glucose
không dùng xúc tác enzyme đã được trình bày và thảo luận. Các hệ vật liệu khác nhau
phủ lên điện cực platin MoS2/PtE, AgNP/MoS2/PtE đã được tổng hợp và đánh giá đặc
tính đáp ứng với phản ứng oxi hóa trực tiếp glucose, khơng dùng xúc tác enzyme GOx.
Các kết quả đạt được được làm cơ sở cho việc lựa chọn vật liệu nanocomposite
AgNP/MoS2 để phát triển cảm biến phát hiện glucose không dùng xúc tác enzyme.
Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được công bố trên tạp chí Current
Applied Physics, thuộc danh mục SCIE – Q2 với chỉ số ảnh hưởng IF = 2,856.
Chương 5: Nghiên cứu phát triển thiết bị cảm biến cầm tay nhằm xác định nồng độ
glucose
Trong chương này này, nghiên cứu sinh trình bày từ những nghiên cứu cơ bản về
phương pháp điện hóa làm cơ sở để phát triển hệ điện hoá cầm tay dựa trên nền tảng
5


chip vi điều khiển ARM Cortex M3 32 bit để định lượng chính xác H 2O2 là cơ sở quan
trọng để xác định nồng độ glucose. Thiết bị này có khả năng đo với kỹ thuật dòng – thời
gian (chronoamperometry - CA) và kỹ thuật thế - vòng còn gọi là thế – tuần hoàn (cyclic
voltammetry – CV). Đây là hai kỹ thuật chính được dùng nhiều trong phân tích điện
hóa. Kết quả đạt được chỉ ra cho thấy, thiết bị được chế tạo có khả năng định lượng
H2O2 với độ nhạy 0,64 μA/mM. Tạo cơ sở khoa học cho việc phát triển các thế hệ cảm
biến glucose tương ứng.
Các kết quả nghiên cứu của chương này đã được công bố trên kỷ yếu của Hội nghị
toàn quốc về Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu lần thứ 12 (SPMS2021).


6


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE
1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học
1.1.1. Khái niệm
Ngày nay, nhu cầu sử dụng những thành quả của khoa học và công nghệ để nâng
cao chất lượng cho cuộc sống ngày càng cao. Một cuộc sống hiện đại thường dựa vào
nhiều loại thiết bị hoặc tiện ích khác nhau, chẳng hạn như máy tính, điện thoại di động,
lị vi sóng, tủ lạnh, điều hịa khơng khí và hệ thống nhà thơng minh bật và tắt đèn và
quạt, giúp chúng ta tương tác với môi trường vật chất một cách hiệu quả. Phần lớn các
ứng dụng trong số này hoạt động với sự trợ giúp của nhiều cảm biến khác nhau.
Cảm biến được định nghĩa là một thiết bị hoặc mô-đun hỗ trợ phát hiện những thay
đổi của các đại lượng vật lý, hóa học và sinh học và chuyển đổi chúng thành tín hiệu có
thể được phát hiện, đo đạc và phân tích như là tín hiệu điện [1]. Bộ chuyển đổi được
định nghĩa là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
Tùy thuộc nguyên lý hoạt động của bộ phận chuyển đổi, và các thơng tin phát hiện,
chúng ta có thể phân loại cảm biến thành nhiều loại khác nhau như là cảm biến đo các
đại lượng vật lý (cảm biến vận tốc, gia tốc, áp suất, lực, nhiệt độ…), cảm biến đo các
đại lượng hóa học (cảm biến đo pH, cảm biến đo nồng độ kim loại nặng, đo dư lượng
thuốc trừ sâu…) và cảm biến sinh học.
Theo IUPAC (International Union of Pure Applied Chemistry) thì: cảm biến sinh
học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định
lượng hoặc bán định lượng đặc trưng sinh học, bao gồm phần tử nhận biết sinh học
(bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (transducer) [2]. Cảm biến
sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các tương tác kháng
nguyên - kháng thể, tương tác của DNA, tương tác các tế bào… để phát hiện sự thay đổi
các tác nhân sinh học, sau đó chuyển đổi chúng thành sự thay đổi tín hiệu điện để đo
đạc, định lượng và phân tích.

1.1.2. Q trình phát triển của cảm biến sinh học
Sự phát triển của cảm biến sinh học được phân ra làm ba thế hệ dựa trên phương
pháp tích hợp các thành phần nhận diện sinh học (bioreceptor) vào bộ chuyển đổi. Trong
loại đầu tiên của cảm biến sinh học, phản ứng của chất phân tích, hoặc sản phẩm của
7


chúng được khuếch tán đến bề mặt cảm biến và gây ra phản ứng điện. Trong loại thứ
hai, cảm biến liên quan đến các trung gian cụ thể giữa cảm biến và phản hồi để tạo ra
phản hồi tốt hơn. Trong loại thứ ba, phản ứng tự gây ra phản ứng và khơng có chất trung
gian trực tiếp tham gia.

Hình 1. 1: Ba thế hệ của cấu trúc cảm biến sinh học [3]
Ở thế hệ đầu tiên (Gen 1), cảm biến sinh học sẽ nhận diện tín hiệu điện thay đổi ở
bộ chuyển đổi, khi chất được phân tích (analytes) hoặc sản phẩm phản ứng của chất
phân tích với bộ nhận diện sinh học, được khuếch tán vào đến bộ chuyển đổi. Ở thế hệ
cảm biến loại này được gọi là cảm biến sinh học dựa trên tín hiệu dịng điện sinh ra sau
q trình oxy hóa (khơng chất trung gian) để cung cấp thông tin cung cấp định lượng
chất cần phân tích. L.C Clark, cha đẻ của cảm biến sinh học, đã công bố báo cáo đầu
tiên vào năm 1956, mơ tả về cấu hình điện cực có thể đo lường nồng độ oxy trong máu
[4]. Năm 1962, Clark bằng thực nghiệp đã mô tả sử dụng điện cực phủ enzyme để phát
hiện glucose [5]. Năm 1967, cơng trình nghiên cứu của Clark đã được tiếp tục phát triển
bởi Updike và Hicks, những người đầu tiên công bố các nghiên cứu về việc chức năng
hóa bề mặt điện cực cảm biến bằng phương pháp cố định enzyme glucose oxidase (Gox)
[6]. Tới năm năm 1969, Gulbault và Montalvo đã chứng minh vào báo cáo về việc phát
triển một cảm biến điện thế bằng điện cực enzyme để phát hiện Ure [7]. Tiếp theo đó,
cũng chính Guilbault đã tiếp tục cơng bố các cảm biến biến enzyme glucose và lactate
dựa trên việc phát hiện hydro peoxit (H2O2) trên điện cực bạch kim [8]. Một biến cảm
biến enzyme nhạy nhiệt được gọi là "nhiệt điện trở" cũng đã được nhóm Klaus Mosbach
8



phát triển vào năm 1974 [9]. Kế thừa các kết quả nghiên cứu, năm 1975, Lubbers và
Opitz phát triển mở rộng để tạo ra một cảm biến quang học để phát hiện các hợp chất
chứa cồn [10].
Trong thế hệ thứ hai (Gen 2), các thành phần riêng lẻ như enzyme và các tác nhân
đồng phản ứng ở dạng vật liệu nano đóng vai trị là mơi trường chất trung gian được tích
hợp vào lớp nhận diện sinh học của cảm biến với mục đích nâng cao hiệu suất bắt cặp
hoặc phản ứng với chất phân tích, kết quả tăng tín hiệu hồi đáp đầu ra, làm tăng độ nhạy
của cảm biến chế tạo. Các loại cảm biến này được gọi là cảm biến sinh học dựa trên nền
chất trung gian. Năm 1976, Clemens và các đồng nghiệp đã tích hợp một cảm biến
glucose điện hóa vào trong thiết bị hỗ điều khiển lượng đường trong máu của bệnh nhân
điều trị tiểu đường tại cơ sở y tế [11]. Cũng vào năm 1976, lần đầu tiên công ty thiết bị
y tế (VIA medical) đã phát triển thiết bị y tế, tích hợp cảm biến điện hóa glucose lấy
mẫu thơng qua ống thông gắn trực tiếp vào mao mạch, để liên tục theo dõi lượng đường
trong máu của bệnh nhân và đo với thời gian thực. Tiếp tục, sau đó La Roche giới thiệu
bộ phân tích lactate LA 640, sử dụng trên ngun lý đo dịng điện tích trao đổi từ enzyme
có tên lactate dehydrogenase đến điện cực [12].
Trong thế hệ thứ 3 (Gen 3), các chất nhận diện sinh học tương tác trao đổi điện
tích trực tiếp với bề mặt điện cực, tức là trong thế hệ này cảm biến sinh học sử dụng trực
tiếp các enzyme và chất trung gian trên cùng một điện cực thay vì chất trung gian khuếch
tán tự do trong dung dịch điện giải. Tương tác trực tiếp xảy ra giữa các enzyme và điện
cực thông qua việc truyền dẫn điện tử, mà không cần bất kỳ yêu cầu một bước trung
gian nào như trong thế hệ thứ 2. Bên cạnh việc tương tác trực tiếp, cho tốc độ hồi đáp
tín hiệu nhanh chóng, thì cũng phải kể đến chi phí chế tạo thấp và khả năng lặp lại phép
đo là những ưu điểm vượt trội của thế hệ cảm biến sinh học này [13].
Năm 1983, Liedberg đã xác định và quan sát được sự phụ thuộc của phản ứng (tín
hiệu hồi đáp) vào thời gian thực thơng qua ngun lý tích hợp quang học, kích thích bề
mặt plasmon [14]. Đến năm 1987, thiết bị cảm biến biến kích cỡ đầu bút đã được phát
triển tại Mỹ bởi Cambridge, để đo lượng đường huyết trong máu. Bảng 1.1 trình bày

lịch sử phát triển của các cảm biến sinh học.

9


Năm

Bảng 1. 1: Các mốc thời gian phát triển của cảm biến sinh học
Sự phát triển của cảm biến sinh học

1956

Leland C. Clark, Jr phát minh ra điện cực oxy đầu tiên [4]

1962

Leland C. Clark, Jr và đồng nghiệp trình bày thí nghiệm về một điện cực
enzyme ampe kế để phát hiện glucose [5]

1967

Updike và Hick thực hiện thành công một điện cực chức năng đầu tiên dựa
trên glucose oxidase được gắn cố định trên một cảm biến oxy [15]

1969

Guilbault và Montalvo đã trình bày và báo cáo về cảm biến sinh học áp kế
đầu tiên dựa trên điện cực enzyme dùng cho phát hiện bề mặt [7]

1970


Phát hiện ra transistor hiệu ứng trường nhạy ion (ISFET) bởi Bergveld [16]

1973

Guilbault và Lubrano đã xác định glucose và một cảm biến enzyme lactate
dựa trên phát hiện hydro peroxide tại một điện cực bạch kim [8]

1974

K. Mosbach và B. Danielsson đã phát triển được nhiệt điện trở enzyme [9]

1975

D.W. Lubbers và N. Opitz đã chế tạo được cảm biến sinh học sợi quang để
phát hiện khí carbon dioxit và oxy [10]

1975

Cảm biến sinh học thương mại đầu tiên để phát hiện glucose bằng YSI [17]

1975

Suzuki và đồng nghiệp lần đầu tiên đã thử nghiệm thành công cảm biến miễn
dịch dựa trên vi khuẩn [18]

1976

Clemend và đồng nghiệp lần đầu tiên thành công chế tạo tuyến tụy nhân tạo
[11]


1980

Peterson đã thành công chế tạo cảm biến pH sợi quang đầu tiên cho khí máu
trong cơ thể sống [19]

1982

Cảm biến sinh học sợi quang để phát hiện glucose của Schultz [20].

1983

Liedberg và cộng sự quan sát được cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) trên
cảm biến miễn dịch [14]

1983

Roederer và Bastiaans đã phát triển cảm biến miễn dịch đầu tiên dựa trên hiện
tượng áp điện [21]

1984

Cảm biến sinh học ampe kế trung gian đầu tiên: ferrocene được sử dụng với
enzyme glucose oxidase để phát hiện glucose [13]

1999

Poncharal và đồng nghiệp đã thực hiện được cảm biến nano sinh học đầu tiên
[22].
10



2018

S. Girbi và cộng sự đã thực hiện bộ cảm biến sinh học loại vi mạch thần kinh
để đánh giá sự dẫn truyền xung thần kinh [23]

Năm 1999, cảm biến sinh học đầu tiên được phát triển trên cơ sở vật liệu nano đã
được giới thiệu với việc sử dụng ống nano cacbon [22]. Cùng với sự phát triển nhanh
chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu nano và công
nghệ thông tin, cảm biến sinh học cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc, hứa hẹn đưa
ra những vi thiết bị nhằm xác định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut gây bệnh.
Các thiết bị này cũng có thể dị tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nM) với độ
tin cậy cao.
1.1.3. Cấu tạo chung cảm biến sinh học
Một bộ cảm biến sinh học điển hình bao gồm (a) chất phân tích, (b) đầu thu sinh
học, (c) bộ phận chuyển đổi, (d) thiết bị điện tử và (e) bộ phận hiển thị [24]:

Hình 1. 2: Cấu tạo điển hình của cảm biến sinh học [24]
Chất phân tích: là tác nhân cần được phát hiện có thể là các phân tử nhỏ (glucose,
ammoniac, thuốc trừ sâu…), các loại vi khuẩn, các phân tử sinh học lớn (protein,
enzyme…).
Đầu thu sinh học: là một phân tử hoặc đối tượng sinh học có khả năng nhận biết
các chất phân tích. Đầu thu sinh học có thể là các enzyme, protein, tế bào, aptamer, axit
deoxyribonucleic (DNA, RNA), kháng thể, kháng nguyên. Quá trình tương tác giữa
11


những đầu thu sinh học và chất phân tích làm sản sinh những tín hiệu ở dạng ánh sáng,
nhiệt lượng, pH, sự thay đổi điện tích hoặc khối lượng được gọi là quá trình nhận diện

sinh học. Các đầu thu sinh học có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc kết hợp trên cùng một
loại cảm biến sinh học. Các đầu thu sinh học được cố định lên đế cảm biến thông qua
các tác nhân cố định tạo ra sự liên kết hóa-sinh giữa tác nhân sinh học và đế cảm biến.
Bộ phận chuyển đổi: là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học có vai trị
chuyển đổi năng lượng/tín hiệu từ dạng này sang dạng khác. Cụ thể, mỗi sự thay đổi
xuất hiện khi xảy ra quá trình nhận diện sinh học sẽ được chuyển đổi thành những tín
hiệu có thể được đo đạc tỷ lệ với số lượng những tương tác giữa chất phân tích và đầu
thu sinh học. Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động của cảm biến, những bộ phận chuyển
đổi được phân loại thành nhiều dạng: chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển
đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ. Chuyển
đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng điện
(amperometric) và độ dẫn (conductometric). Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động
dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang
và lân quang; bioluminiscence; chemi–luminiscence... Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa
trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong
các phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các
phản ứng. Tuy nhiên, dạng chuyển đổi này có tính chọn lọc thấp. Chuyển đổi bằng tinh
thể áp điện (piezoelectric). Chuyển đổi hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh thể sẽ thay
đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi dạng này có ưu điểm
là độ nhạy cao (cỡ picogram), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơ động cao, có thể
sử dụng đo đạc trong mơi trường lỏng và khí. Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ, nguyên lý
hoạt động của cảm biến sử dụng chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ
phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rất mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi
photodetector. Thanh mỏng này được chế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ
cũng làm cho thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên
photodetector sẽ bị thay đổi so với trường hợp khơng có lực tác dụng lên thanh. Căn cứ
vào sự thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên
thanh.
12