<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA </b>

<b> ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

<b> CẢM BIẾN GLUCOSE TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZnO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆ </b>

<b> </b>

<b> Sinh viên: Bạch Văn Trường </b>

<i><b> Mã số sinh viên: 18010213 Khóa: K12 </b></i>

<b> Ngành: Công nghệ Vật liệu Hệ: Đại học chính quy </b>

<b> Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Phương Đình Tâm </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b> BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA </b>

<b> ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

<b>CẢM BIẾN GLUCOSE TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZnO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT </b>

<b> Sinh viên: Bạch Văn Trường </b>

<i><b>Mã số sinh viên: 18010213 Khóa: K12 </b></i>

<i><b> Ngành: Công nghệ Vật liệu Hệ: Đại học chính quy </b></i>

<b>Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Phương Đình Tâm TS. Nguyễn Đắc Diện </b>

<b>Hà Nội – Năm 2024 </b>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<i> Mẫu QT.ĐT.19.M22 </i>

<b>CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc </b>

<b>BẢN GIẢI TRÌNH SỬA CHỮA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

Kính gửi: <b>- Hội đồng đánh giá đồ án tốt nghiệp; </b>

- Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.

Họ và tên tác giả đồ án : Bạch Văn Trường

Mã sinh viên: 18010213 Lớp: K12 – Công nghệ Vật liệu điện tử - nano Ngành: Công nghệ Vật liệu

Đã bảo vệ đồ án tốt nghiệp ngày 16 tháng 03 năm 2024

Tên đề tài: Cảm biến Glucose trên cơ sở vật liệu ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt . Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Phương Đình Tâm

Theo góp ý của Hội đồng, dưới sự định hướng của giảng viên hướng dẫn, tác giả đồ án/khoá luận đã nghiêm túc tiếp thu những ý kiến đóng góp của Hội đồng và tiến hành sửa chữa, bổ sung đồ án/khoá luận theo đúng tinh thần kết luận của Hội đồng. Chi tiết về các nội dung chỉnh sửa như sau:

<b> 1. Tác giả chỉnh sửa và bổ sung đồ án theo góp ý của Hội đồng </b>

Bỏ 10 trang (8 hình ảnh ) khơng có tài liệu tham khảo

Đã sửa Các hình ảnh ghi chú tiếng

anh

Các hình ảnh ghi chú tiếng việt

Tại sao khi có Ag/ZnO thì độ hấp thụ giảm

Khi chỉ có ZnO thì độ hấp thụ lớn và khi thêm Ag thì độ hấp

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

thụ giảm, hàm lượng Ag tăng dần thì độ hấp thụ cũng tăng theo.

Trên đây là Bản giải trình về những điểm sửa chữa, bổ sung đồ án của tác giả theo đúng yêu cầu của Hội đồng đánh giá ĐAKLTN ngành Công nghệ Vật liệu tại Trường Đại học Phenikaa ngày … tháng … năm 2024

<i> Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024 </i>

<b>CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG </b><i><b>GV HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ </b></i>

<i> (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) </i>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

1

<b>TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

Trong đồ án này, vật liệu tấm nano ZnO có kích thước 300 x 800 x 50 nm đã được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau (160, 180, 200, và 220C) và vật liệu Composite ZnO/Ag cũng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học. Hình thái, cấu trúc của vật liệu đã được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) và phổ hấp thụ UV-Vis (UV-Vis).

Vật liệu sau khi chế tạo đã được sử dụng để phát triển cảm biến glucose trên cơ sở đo phổ hấp thụ UV-Vis. Kết quả cho thấy, cảm biến có giới hạn phát hiện tuyến tính trong khoảng 1-4 mM, độ nhạy 0,033 mM<small>-1</small>.

Kết quả này đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng trong y học để phát hiện Glucose trong máu hay nước tiểu của bệnh nhân tiểu đường với độ nhạy đáng tin cậy.

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

2

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Tên tôi là: Bạch Văn Trường

Mã số sinh viên: 18010213 Khóa: K12 – Cơng nghệ Vật liệu

Lớp: Công nghệ Vật liệu – Vật liệu điện tử Nano

Tôi đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: Cảm biến Glucose trên cơ sở vật liệu ZnO

<i>chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt. </i>

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của: PGS.TS Phương Đình Tâm và TS. Nguyễn Đắc Diện.

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được các tác giả khác cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu phát hiện có bất kỳ hình thức gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

<b> </b>

<b>TM. TT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN </b>

<i> Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2024 </i>

<b> Sinh viên thực hiện</b>

<b> </b>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

3

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Sau 5 năm học tập tại Khoa Khoa học và kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Phenikaa, tôi đã được các thầy cô truyền đạt rất nhiều kiến thức bổ ích, kỹ năng làm việc, tình u với khoa học và một tư tưởng trong sáng. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa và trường, cán bộ các Phịng Ban đã giúp đỡ tơi trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS. TS Phương Đình Tâm đã tận tâm chỉ bảo cũng như định hướng cho đồ án tốt nghiệp của tôi, luôn quan tâm động viên tơi trong suốt q trình làm đồ án. Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Đắc Diện đã trả lời giúp tôi nhiều câu hỏi về kiến thức chuyên môn để tôi hiểu sâu hơn về vấn đề, thầy đã hướng dẫn tôi cẩn thận về quy trình thực nghiệm, các bước chế tạo mẫu, đo đạc, xử lý số liệu, cách viết đồ án để tơi hồn thành được khóa học này. Tơi xin cảm ơn ThS. Lê Thị Oanh và học viên cao học Võ Thị Lê Na đã hướng dẫn tôi phương pháp thủy nhiệt, phương pháp khử hóa học, cách sử dụng máy đo hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) để có được bộ mẫu và kết quả thí nghiệm trong đồ án này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đã giúp tơi kinh phí học tập, sinh hoạt và luôn hỏi thăm, quan tâm, ủng hộ, cổ vũ, hỗ trợ, động viên tôi học tập tốt,

<i>nghiên cứu tốt, rèn luyện tốt vì ngày mai lập thân, lập nghiệp, có ích cho xã hội. Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2024 </i>

<b> Sinh viên thực hiện </b>

<b> </b>

<b> Bạch Văn Trường </b>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

1.1. Giới thiệu về vật liệu nano ZnO ... 13

1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO ... 20

1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học... 21

<i><b>1.4. CẢM BIẾN SINH HỌC PHÁT HIỆN NỒNG ĐỘ GLUCOSE ... 22</b></i>

1.4.1. Cảm biến quang xác định nồng độ glucose ... 23

1.4.2. Cảm biến điện hóa xác định nồng độ glucose ... 24

<b>CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM... 27</b>

2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ... 27

2.2. Chế tạo tấm nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ... 28

2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano bạc ... 29

2.3. Chế tạo vật liệu nanocomposite ZnO/Ag bằng phương pháp khử hóa học ... 31

2.4. Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu ... 32

2.4.1. Phương pháp đo hiển vi điện tử quét (SEM) ... 33

2.4.2. Phương pháp đo XRD ... 34

2.4.3. Phương pháp đo tán sắc năng lượng tia X (EDS) ... 35

2.5. Phương pháp đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) ... 35

2.6. Phương pháp phát hiện nồng độ glucose bằng phương pháp đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến ... 37

<b>CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 38</b>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

5 3.1. Đặc trưng hình thái bề mặt của vật liệu ZnO, Ag và ZnO/Ag ... 383.2. Kết quả đo phổ hấp thụ UV – Vis của dung dịch glucose... 443.3. Cơ chế xác định nồng độ glucose bằng phổ hấp thụ UV-Vis sử dụng ZnO/Ag .... 48

<b>KẾT LUẬN ... 50TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 51</b>

<b> </b>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

6

<b>DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT </b>

<b>CHỮ </b>

<b>VIẾT TẮT </b>

CVD chemical vapour deposition lắng đọng pha hơi hóa học

EDS energy dispersive X-ray spectroscopy

phổ tán sắc năng lượng tia X FET field effect transistor transistor hiệu ứng trường

FPG fasting plasma glucose test xét nghiệm plasma glucose nhanh GCE glassy carbon electrode điện cực cacbon thủy tinh

HRP horseadish peroxidase enzyme cải ngựa LED light emitting diode điốt phát quang

LSPR localized surface plasmon resonance

cộng hưởng plasmon bề mặt MGCN modified graphitic carbon nitride cacbon nitride graphen biến tính

MOF metal-organic framework khung hữu cơ – kim loại

OGTT oral glucose tolerance test xét nghiệm dung nạp glucose đường ăn PEG polyethylene glycol H−(O−CH<small>2</small>−CH<small>2</small>)<small>n</small>−OH

PVD physical vapour deposition lắng đọng pha hơi vật lý PVP polyvinylpyrrolidone (C<small>6</small>H<small>9</small>NO)<small>n</small>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

7 SEM scanning electron microscopy hiển vi điện tử quét

SERS surface – enhanced Raman scattering

tán xạ Raman bề mặt tăng cường TEM transmission electron microscopy hiển vi điện tử truyền qua

TMB 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine [-C<small>6</small>H<small>2</small>(CH<small>3</small>)<small>2</small>-4-NH<small>2</small>]<small>2</small>

UV-Vis ultraviolet – visible tử ngoại – khả kiến VLS vapour – liquid – solid hơi – lỏng – rắn

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

8

<b>DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ </b>

Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của vật liệu ZnO cấu trúc wurtzite ... 17

<b>Bảng 2.1. Lượng các tiền chất khi chế tạo tổ hợp ZnO/Ag dùng NaOH ... Error! Bookmark not defined.</b>Bảng 2.2. Lượng các tiền chất khi chế tạo tổ hợp ZnO/Ag dùng HCl... 32

Bảng 2.3. Thể tích các dung dịch được trộn trong cuvet UV-Vis ... 37

Hình 1.1. Cấu trúc (a) lục giác, (b) giả kẽm, (c) lập phương ZnO [16]. ... 15

Hình 1.2. (a) Vùng Brillouin [17], (b) Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO [16]. ... 16

Hình 1.3. Phổ phát quang của nano ZnO với kích thước tinh thể khác nhau [14]. ... 18

Hình 1.4. (a) Ảnh SEM ống nano ZnO, (b) Phổ phát quang của ống nano ZnO dưới tác động kích thích bởi nguồn sáng có bước sóng 325 nm [20]. ... 18

<b>Hình 1.5. (a, b) Đặc tính dòng áp I-V của transistor hiệu ứng trường dây nano </b>ZnO, (c) Hệ số khuếch đại của FETs [20]. ... 19

Hình 1.6. (a-d) Linh kiện đơn hạt ZnO nằm trong lỗ nano được tiếp xúc trực tiếp với các điện cực kim loại trên và dưới, (e) Đặc tính I-V của linh kiện dưới tác động chiếu sáng từ nguồn UV 365 nm với các cường độ sáng khác nhau [20]. 19Hình 1.7. Độ dẫn điện thay đổi theo mật độ khí CO, ethanol, NO

<small>2</small>

hấp thụ [20]. ... 20

Hình 2.1. Nguyên liệu tổng hợp tấm nano ZnO. ... 27

Hình 2.2. Dụng cụ thí nghiệm dùng trong tổng hợp vật liệu. ... 28

Hình 2.3. Sơ đồ quy trình thực nghiệm chế tạo tấm nano ZnO. ... 29

Hình 2.4. Các thiết bị khảo sát tính chất vật liệu nano. ... 32

Hình 3.1. Ảnh SEM của tấm nano ZnO được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau (160C, 180C, 200C, và 220C) trong 20 h với độ phóng đại 10k và 50k... 39

Hình 3.2. Ảnh TEM của tấm nano ZnO tổng hợp ở 180C trong 20 h. ... 39

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

9

Hình 3.3. Ảnh SEM của hạt nano bạc tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học. ... 40Hình 3.4. (a) Ảnh SEM, (b) ảnh TEM của tổ hợp tấm/hạt nano ZnO/Ag1. ... 40Hình 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của độ pH đến ZnO/Ag (A), ZnO/Ag2, (B), ZnO/Ag3, (C), pH8,2 ZnO/Ag4, (D), pH7,1 ZnO/Ag, (E), pH6 ZnO/Ag6, (F), pH5,2 ZnO/Ag7. ... 41Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của (a) tấm ZnO thuần, (b) hạt Ag thuần, (c) tổ hợp ZnO/Ag; (d) tính kích thước tinh thể theo cơng thức Debye. . 43Hình 3.7. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) của ZnO và ZnO/Ag. ... 44Hình 3.8. Phổ hấp thụ UV-Vis của (a) dung dịch glucose với các nồng độ khác nhau từ 1 mM đến 4 mM, (b) ZnO thuần. ... 45Hình 3.9. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV – Vis) của mẫu (a) ZnO thuần, (b) ZnO/Ag1, (c) ZnO/Ag2, (d) ZnO/Ag3. ... 46Hình 3.10. So sánh phổ UV-Vis của các mẫu khác nhau (ZnO, ZnO/Ag) ở các nồng độ khác nhau của glucose: (a) 1 mM; (b) 2 mM; (c) 3 mM; (d) 4 mM. .... 47Hình 3.11. Phổ hấp thụ UV-Vis trong khoảng bước sóng 250-360 nm. ... 48Hình 3.12. Sơ đồ dải năng lượng của ZnO/Ag và sự truyền điện tích giữa vật liệu và glucose. ... 49

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

10

<b>MỞ ĐẦU </b>

<b>1. Lý do chọn đề tài </b>

Trong số các hợp chất oxit kim loại có tính bán dẫn, kẽm oxit (ZnO) có nhiều tính chất điện, quang nổi bật như vùng cấm thẳng, rộng, năng lượng liên kết exciton lớn, bền vững, nhiệt độ nóng chảy cao, thân thiện với môi trường. ZnO đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như linh kiện quang điện tử, laser, điốt (diode) tử ngoại, đèn huỳnh quang compact, đèn LED (điốt phát quang) phát ánh sáng màu hoặc ánh sáng trắng, bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET), cảm biến sensor nhạy khí, cảm biến sinh học, pin mặt trời, đế SERS (tán xạ Raman bề mặt tăng cường), chất quang xúc tác…

Một số phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO đã được sử dụng như phương pháp thủy nhiệt, phương pháp điện hóa, phương pháp sol-gel, phương pháp phún xạ, phương pháp chuyển pha rắn – lỏng – khí (VLS)… với nhiều dạng thù hình khác nhau như dây, thanh, tấm, hạt, ống, vòng, đai… Việc tổ hợp ZnO với các oxit kim loại khác như CuO, Fe<small>2</small>O<small>3</small>, TiO<small>2</small>… hoặc biến tính bề mặt với các kim loại quý như Au, Ag, Pt… đã cải thiện các đặc tính của ZnO như khoảng tuyến tính, độ nhạy, giới hạn phát hiện, độ ổn định, độ chọn lọc…

Glucose là thành phần quan trọng trong các loại thực phẩm, cung cấp năng lượng cho cơ thể người. Tuy nhiên, nếu xảy ra rối loạn chuyển hóa glucose thì sẽ dẫn đến nhiều bệnh nguy hiểm cho con người như tiểu đường, tim mạch, nếu không được phát hiện và điều trị kịp thời có thể dẫn đến tử vong. Việc xác định hàm lượng glucose trong cơ thể bệnh nhân là việc quan trọng giúp các bác sĩ chẩn đoán sớm bệnh một cách chính xác. Hàm lượng glucose trong rau quả, thực phẩm cũng cần được xác định giúp con người có chế độ ăn uống cân bằng, phòng ngừa bệnh tật. Hiện nay xét nghiệm nồng độ glucose có thể thực hiện bằng cách xét nghiệm glucose qua máu, nước mắt, nước bọt, mồ hôi, nước tiểu sử dụng một số phương pháp như FPG (xét nghiệm glucose plasma nhanh), OGTT (xét nghiệm glucose đường miệng), BUN (nitơ urê máu)…

Cảm biến sinh học glucose được nghiên cứu rộng rãi và được chế tạo bằng nhiều cách khác nhau. Năm 1962, Clark và Lyons cố định glucose oxidase (GOx) lên điện

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

11 cực oxi để xác định lượng glucose trong dung dịch [1]. Năm 1967, Updike và Hicks gắn GOx lên cảm biến để xác định nồng độ glucose trong dịch và mô sinh học bằng các phép đo điện hóa, so màu, đo độ dẫn, độ hấp thụ hay cường độ huỳnh quang [2]. Các nghiên cứu đề cập ở trên đều sử dụng enzyme để phát hiện nồng độ glucose, trong đó GOx được sử dụng để oxi hóa glucose thành gluconic acid và hydrogen peroxide (H<small>2</small>O<small>2</small>) [3]:

Glucose OH OGluconic acidH O

(1)

Tuy nhiên, hoạt tính của enzyme bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ pH, độ ẩm và các hóa chất khác nên tín hiệu cường độ dịng điện, điện áp, điện trở, độ dẫn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Hơn nữa, cảm biến enzyme có thời gian sống ngắn, q trình gắn enzyme phức tạp, khơng ổn định, chi phí cao [4]. Cảm biến khơng enzyme có độ nhạy và chọn lọc với glucose, có thể khắc phục được các nhược điểm của cảm biến glucose truyền thống.

Cảm biến được phát triển dựa trên vật liệu có cấu trúc nano ZnO kết hợp với Ag để phát hiện nồng độ glucose khơng sử dụng enzyme. Do đó, tơi lựa chọn đề tài nghiên

<i><b>cứu “ Cảm biến Glucose trên cơ sở vật liệu ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ” làm đồ án tốt nghiệp đại học của mình. </b></i>

<b>3. Phương pháp nghiên cứu </b>

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Trong đó phương pháp thủy nhiệt và phương pháp khử hóa học để tổng hợp vật liệu ZnO/Ag dạng tấm/hạt. Các tính chất vật liệu đã được sử dụng bằng phương pháp SEM, TEM, XRD, EDS, UV – Vis.

<b>4. Nội dung nghiên cứu </b>

- Tổng quan về vật liệu ZnO và cảm biến glucose.

- Chế tạo vật liệu ZnO dạng tấm, Ag dạng hạt, tổ hợp ZnO/Ag.

- Khảo sát đặc trưng hình thái, kích thước, cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, tính

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

12 chất quang hấp thụ của các vật liệu chế tạo được.

- Tìm mối liên hệ giữa độ hấp thụ với nồng độ glucose, vai trò của vật liệu ZnO thuần, ZnO/Ag tổ hợp.

<b>5. Kết quả của đồ án </b>

- Đã chế tạo thành cơng tấm nano ZnO có kích thước 300 x 800 x 50 nm bằng phương pháp thủy nhiệt.

- Chế tạo được vật liệu Composite ZnO/Ag bằng phương pháp khử hóa học.

- Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis để chỉ ra cảm biến có giới hạn tuyến tính trong khoảng 1 đến 4 mM với giới hạn phát hiện là 1 mM.

<b>6. Cấu trúc của đồ án </b>

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, đồ án gồm 3 chương chính: Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

13

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN </b>

<i><b>1.1. Giới thiệu về vật liệu nano ZnO </b></i>

Tính chất của vật liệu thay đổi khi kích thước vật liệu thay đổi từ vĩ mô đến vi mô trong khi bản chất hóa học của vật liệu khơng thay đổi. Khi kích thước giảm đến cỡ nanomet, các đặc tính điện tử thay đổi do hiệu ứng lượng tử, tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng, các đặc tính cơ, nhiệt, điện, từ, quang thay đổi. Các tính chất này phụ thuộc vào kích thước, hình thái, thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, độ ổn định lý hóa, diện tích bề mặt riêng, năng lượng bề mặt, tạp chất. Một chất điện môi không dẫn điện ở dạng khối nhưng trở nên dẫn điện ở kích thước nano hoặc cường độ phát quang tăng dần và đỉnh phát quang dịch chuyển về phía sóng ngắn khi kích thước vật liệu giảm dần. Khả năng hấp phụ, khả năng xúc tác, phản ứng hóa học, độ nhạy, độ đáp ứng được tăng cường, giới hạn phát hiện giảm dần khi diện tích bề mặt riêng tăng dần [5]. Trong y sinh học, các hạt nano có thể thâm nhập vào cơ thể, can thiệp ở quy mô phân tử hay tế bào, tiêu diệt tế bào ung thư, hoặc dẫn truyền thuốc, hỗ trợ chẩn đốn bệnh [6]. Trong năng lượng, cơng nghệ nano góp phần nâng cao chất lượng pin Mặt Trời, tăng hiệu quả dự trữ năng lượng của pin, siêu tụ điện, chất siêu dẫn [7]. Trong kỹ thuật điện tử, công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo máy tính nano, thiết bị ghi thơng tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại thơng minh, xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ [8]. Nano bạc có khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây mùi khó chịu trong quần áo, thay đổi hương vị thực phẩm và giàu dinh dưỡng hơn, lưu trữ thực phẩm được lâu hơn. Thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ơ nhiễm bằng quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Các màng lọc nano có thể lọc được các phân tử gây ô nhiễm, hấp phụ hoặc phân hủy chất thải hồn tồn và nhanh chóng [9, 10]. Máy lọc nước nano có thể loại bỏ vi khuẩn, tạp chất, bụi bẩn và giữ lại các khoáng chất tự nhiên có lợi cho người dùng, đảm bảo nguồn nước sạch, an toàn cho người dùng.

ZnO là hợp chất của nguyên tố nhóm IIA và nguyên tố nhóm VIA, Zn có cấu hình điện tử là <small>22626102</small>

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s , O có cấu hình điện tử là <small>224</small>

1s 2s 2p . Trong phân tử ZnO, Zn có số oxi hóa +2, O có số oxi hóa – 2. Cấu hình điện tử của ion <small>2</small>

<small>Zn</small> ^

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

14 là 1s 2s 2p 3s 3p 3d² ² ⁶ ² ⁶ ¹⁰, của ion <small>2</small>

O ^ là 1s 2s 2p² ² ⁶. Liên kết giữa <small>2</small>

Zn ^ và

O

²^ có liên kết ion chiếm 67%, liên kết cộng hóa trị chiếm 33% [11]. Trạng thái 4s của Zn tạo thành vùng dẫn với các mức năng lượng còn trống, sẵn sàng nhận thêm điện tử. Trạng thái 2s2p của O đã lấp đầy điện tử tạo thành vùng hóa trị, có thể cho điện tử nên ZnO thể hiện tính bán dẫn với độ rộng vùng cấm 3,37 eV ở nhiệt độ phòng [12], năng lượng liên kết exciton (liên kết giữa điện tử và lỗ trống trong cặp e/h) cỡ 60 meV, lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết exciton của bán dẫn khác [13]. ZnO bền vững, nhiệt độ nóng chảy cao, thân thiện với môi trường. ZnO kết tinh theo 3 thù hình là cấu trúc lục giác wurtzite, lập phương giả kẽm (zinc blend), lập phương đơn giản (cubic).

(a)

<i> <b> Hình 1.1. Cấu trúc (a) lục giác [14] </b></i>

Cấu trúc lục giác wurtzite là cấu trúc ổn định, bền vững của ZnO và là cấu trúc phổ biến nhất (hình 1.1a). Mỗi ơ đơn vị có 2 phân tử ZnO, trong đó có 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí có tọa độ (0, 0, 0); ^{1 2 1}, ,

 ^{với u là giá trị tọa độ khi dịch đi một khoảng theo trục z vng góc}

với mặt lục giác đều và đi qua tâm mặt lục giác đó. Mạng lục giác wurtzite gồm 2 phân mạng lục giác xếp chặt vào nhau, một phân mạng chứa các cation <small>2</small>

<small>Zn</small> ^ và một phân mạng chứa các anion <small>2</small>

<small>O</small> ^. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm ở 4 đỉnh của một tứ diện, 12 nguyên tử lân cận bậc hai gồm 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên tử ban đầu khoảng a, 6

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

15 nguyên tử kia ở đỉnh lăng trụ tam giác cách nguyên tử ban đầu khoảng

  ^{, trong đó a là cạnh của lục giác đều, c là khoảng cách giữa hai mặt}

phẳng lục giác lân cận theo phương z. Trong cấu trúc lập phương giả kẽm, mỗi ô cơ sở chứa 4 phân tử ZnO (hình 1.1b). Vị trí của 4 nguyên tử Zn là (0, 0, 0); 0,^{1 1},

2 ^{với a là hằng số mạng lập phương và 12 nguyên tử O lân}

cận bậc hai nằm tại khoảng cách ^a2 ^.

(b) (c)

<i><b>Hình 1.1. Cấu trúc (b) giả kẽm, cấu trúc (c) lập phương ZnO [14]. </b></i>

Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl gồm hai phân mạng lập phương tâm mặt của cation <small>2</small>

Zn ^ và anion

O

²^ lồng vào nhau, trong đó phân mạng anion dịch một đoạn bằng a/2 với a là cạnh của hình lập phương (hình 1.1c). Mỗi ơ cơ sở gồm 4 phân tử ZnO. Vị trí của 4 nguyên tử O là (0, 0, 0); ^{1 1}, , 0

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

16 trí của 4 nguyên tử Zn là ^{1 1 1}, ,

<i><b>Hình 1.2. (a) Vùng Brillouin [15], (b) Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO [14]. </b></i>

Vùng Brillouin của tinh thể ZnO wurtzite có dạng khối lục giác 8 mặt (hình 1.2a), đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn đều cùng số sóng k 0, ZnO là bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm E_g 3,37 eV (hình 1.2b). 10 dải dưới vùng hóa trị xung quanh – 9 eV tương ứng với mức 3d của Zn. Sáu dải trong khoảng năng lượng từ – 5 eV đến 0 eV tương ứng với mức 3p của O. Hai dải trên vùng dẫn là mức 4s của Zn bị trống. ZnO không hấp thụ ánh sáng khả kiến do năng lượng photon nhỏ hơn bề rộng vùng cấm nên ZnO là vật liệu trong suốt, không màu. Bảng 1.1 cho một số thông số vật lý của vật liệu ZnO cấu trúc lục giác wurtzite.

ZnO được ứng dụng làm vật liệu cho linh kiện quang điện tử phát tia tử ngoại (UV) bước sóng 380 nm, các chuyển mức phát quang xảy ra với xác suất tương đối lớn, hiệu suất lượng tử đạt gần 100% cho cường độ phát quang lớn nhờ quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống ở biên vùng dẫn và vùng hóa trị. Khi pha tạp vào ZnO loại tạp phù hợp để tạo ra các mức năng lượng trong vùng cấm của ZnO thì nó có thể phát ra ánh sáng có màu sắc (bước sóng) mong muốn hoặc phát ánh sáng trắng. ZnO pha tạp đất hiếm (Eu, Ce, Tb…) làm chất nền huỳnh quang trong các loại đèn ống, đèn compact, đèn LED… [14]. Vật liệu ZnO có cấu trúc màng được dùng làm kênh dẫn trong cấu trúc FET cho phép linh kiện hoạt động ổn định với hiệu suất cao, tỉ số đóng mở lớn, độ linh động cao, điện áp hoạt động thấp [16]. Đơn hạt nano ZnO được ứng dụng làm linh kiện chuyển mạch quang có độ nhạy cao, khả năng đóng mở dòng

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

17 quang điện nhanh và ổn định dưới tác động của ánh sáng tử ngoại phát ra từ đèn LED tử ngoại [16]. ZnO còn được ứng dụng làm cảm biến khí nhờ sự thay đổi độ dẫn bề mặt khi tương tác với khí thử [17].

<i><b>Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của vật liệu ZnO cấu trúc wurtzite </b></i>

<b>Thơng số vật lý Kí hiệu và giá trị </b>

Năng lượng liên kết exciton

E

_b

60 meV

Nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, phổ huỳnh quang của dây và đai nano ZnO phụ thuộc mạnh vào kích thước của nó. Thơng thường phổ huỳnh quang của vật liệu nano ZnO thể hiện 2 đỉnh tại vùng cực tím (UV) và vùng nhìn thấy với bước sóng lần lượt nằm trong 2 lân cận là 380 nm và 520 nm tương ứng với 2 chuyển mức năng lượng vùng-vùng và các mức tạp chất. Đỉnh phát xạ có bước sóng cỡ 380 nm có cường độ mạnh, ngồi ra đỉnh phát xạ có bước sóng 520 nm có cường độ tăng khi kích thước của dây giảm xuống. Khi kích thước càng nhỏ thì phổ huỳnh quang dịch về phía có năng lượng lớn tương ứng với vùng có bước sóng ngắn và được thể hiện bằng sự dịch chuyển xanh (blue-shift) trong phổ huỳnh quang (hình 1.3).

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

18

<i><b>Hình 1.3. Phổ phát quang của nano ZnO với kích thước tinh thể khác nhau [12]. </b></i>

<i><b>Hình 1.4. (a) Ảnh SEM ống nano ZnO, (b) Phổ phát quang của ống nano ZnO dưới tác động kích thích bởi nguồn sáng có bước sóng 325 nm [18]. </b></i>

ZnO có năng lượng vùng cấm thẳng tương đối lớn, khoảng 3,37 eV tại nhiệt độ phịng. Do đó, ZnO tinh khiết là vật liệu trong suốt và không màu [7]. Phổ phát quang của ống nano ZnO với đường kính trung bình 70 nm dưới tác động kích thích bởi đèn Xe có bước sóng 325 nm. Đỉnh phát quang được ghi nhận trên phổ với cường độ mạnh xuất hiện tại vùng tia cực tím có bước sóng 386 nm, tương ứng với sự phát xạ bằng với độ rộng vùng cấm 3,37 eV của vật liệu ZnO (hình 1.4). Đỉnh phát quang với cường độ rất mạnh cho phép sử dụng ZnO trong lĩnh vực chế tạo laze hiệu suất cao.

Vật liệu ZnO có cấu trúc màng được dùng làm kênh dẫn trong cấu trúc FET cho thấy, linh kiện hoạt động ổn định với hiệu suất cao tỉ số đóng mở lớn, độ linh động

<i>cao, điện áp hoạt động thấp (hình 1.5). </i>

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<i><b>nguồn UV 365 nm với các cường độ sáng khác nhau [18]. </b></i>

Linh kiện chuyển mạch quang sử dụng đơn hạt nano ZnO được nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm trong hình cho thấy linh kiện đơn hạt nano ZnO có độ nhạy rất cao cùng khả năng đóng/mở (OFF/ON) dịng quang điện nhanh và ổn định dưới tác động từ nguồn sáng phát ra từ đèn UV-LED ( 365 nm) (hình 1.6). Thiết bị sử dụng vật liệu màng mỏng oxide kim loại có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực cảm biến hóa, khí bởi có kích thước nhỏ, giá thành chế tạo rẻ, tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp với công nghệ chế tạo điện tử hiện tại. Nguyên lý cơ bản của cảm biến này dựa trên sự thay đổi về độ dẫn điện bởi sự tương tác điện tích giữa các nguyên tử trên bề mặt dây như

O , H , OH

^ ^ ^ với các phân tử khí mục tiêu (hình 1.7).

<i><b>Điện áp cổng V<small>C</small> (V) Điện áp xả V<small>D </small>(V) Điện áp đầu vào (V) </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

20

<i><b>Hình 1.7. Độ dẫn điện thay đổi theo mật độ khí CO, ethanol, NO<small>2</small> hấp thụ [18]. </b></i>

<i><b>1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO </b></i>

Hiện nay, ZnO cấu trúc nano đang được tập trung nghiên cứu nhằm khai thác nhiều tính chất ưu việt của nó trong nhiều lĩnh vực. Một số phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO đã được sử dụng gồm phương pháp thủy nhiệt, phương pháp điện hóa, phương pháp sol-gel, phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp phún xạ, chuyển pha khí – lỏng – rắn (VLS)…

Phương pháp thủy nhiệt tiêu tốn ít năng lượng do có thể chế tạo ở nhiệt độ thấp (khoảng 100 – 200C), thời gian chế tạo ngắn (10 – 48 h), ZnO thu được có độ tinh khiết cao, hình thái và kích thước dễ dàng thay đổi bằng cách điều khiển các thông số chế tạo như tiền chất, độ pH, nhiệt độ, thời gian thủy nhiệt… ZnO tinh thể hóa trong một bình kín (gọi là nồi hấp, autoclave) bằng Teflon có vỏ bằng thép khơng gỉ có thể chịu được áp suất cao. Phản ứng thủy nhiệt xảy ra ở nhiệt độ không đổi, áp suất tự động, các mầm tinh thể được hình thành từ các phân tử rồi tăng dần về kích thước để tạo ra hình thái xác định. Dung môi nếu là nước thì gọi là quá trình thủy nhiệt (hydrothermal), nếu dung môi là chất hữu cơ không phải nước như ethanol, polyethylene glycol (PEG)… thì gọi là q trình nhiệt đung mơi (solvothermal). Tiền chất là các muối của kim loại tương ứng, chẳng hạn chế tạo ZnO thì dùng Zn(NO<small>3</small>)<small>2</small>

hoặc (CH<small>3</small>COO)<small>2</small>Zn [19], chế tạo Fe<small>2</small>O<small>3</small> thì dùng Fe(NO<small>3</small>)<small>3</small> hoặc FeSO<small>4</small> [9], chế tạo CuO thì dùng Cu(NO<small>3</small>)<small>2</small> hoặc CuSO<small>4</small> [10], chế tạo WO<small>3</small> thì dùng Na<small>2</small>WO<small>4</small> hoặc (NH<small>4</small>)<small>2</small>WO<small>4</small> [17]… Để điều chỉnh độ pH, ta dùng dung dịch KOH, NaOH hoặc HCl.

<i>Thời gian (min) </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

21 Bộ điều khiển nhiệt độ cho phép thiết lập nhiệt độ và khoảng thời gian thủy nhiệt. Sản phẩm sau thủy nhiệt được lọc, rửa bằng giấy lọc, máy hút chân không, nước cất và cồn tuyệt đối [20-22].

Phương pháp sol-gel là phương pháp hóa ướt tổng hợp các phần tử dạng keo rắn trong chất lỏng. Các alkoxide M(OR) với M là kim loại, R là gốc hydrocarbon, O là oxi, tạo dung dịch dạng sol, sau khi phản ứng với xúc tác thích hợp (axit, bazơ) sẽ xảy ra q trình gel hóa, tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân – ngưng tụ. Phương pháp sol-gel dễ chế tạo, chi phí thấp, độ tinh khiết cao, độ đồng nhất tốt, có thể được ứng dụng trong chế tạo màng mỏng (màng bảo vệ, màng chống phản xạ, pin mặt trời), thấu kính, bộ tách tia, chất xúc tác, chất cách điện, chất cách nhiệt. Tạo màng từ dung dịch sol-gel bằng kỹ thuật nhúng, phủ quay, phun phủ… [23].

Trong phương pháp điện hóa, dung dịch muối tiền chất được sử dụng làm dung dịch điện phân, hệ ba điện cực gồm điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực so sánh. Một dòng điện một chiều chạy giữa điện cực làm việc và điện cực đối, các ion dương (cation) kim loại bị khử trên cực âm (cathode). Bằng việc thay đổi nồng độ dung dịch, bản chất tiền chất, độ pH, chất xúc tác, điện áp làm việc, thời gian điện hóa, bản chất điện cực, bề mặt điện cực, ta có thể điều khiển được hình thái, kích thước sản phẩm lắng đọng [24, 25].

Trong đồ án này, tôi lựa chọn phương pháp thủy nhiệt vì đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền, dễ thực hiện, khơng địi hỏi thiết bị phức tạp như hệ chân khơng, nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, thiết bị kiểm soát nhiệt độ, áp suất, nguồn khí mang như Ar, H<small>2</small>, chỉ cần một số hóa chất cơ bản và dụng cụ thí nghiệm hóa học thơng thường mà có thể tạo ra được lượng lớn mẫu với chất lượng ổn định, khả năng lặp lại tốt.

<i><b>1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học </b></i>

Cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng về các đối tượng cần phân tích. Cảm biến sinh học có cấu tạo bao gồm phần tử nhận biết sinh học kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi tín hiệu. Ngồi ra nó cịn có một bộ phận xử lý và hiển thị tín hiệu. Cảm biến sinh học là thiết bị kiểm tra, xác định các trạng thái phần tử sinh học dựa trên sự tương tác giữa các phần tử phân tích với các phần tử sinh học như enzyme, kháng thể, ADN...

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

22 Cấu tạo của cảm biến sinh học được mô tả trên hình 1.8, nó bao gồm 3 bộ phận chính:

<i><b>Hình 1.8. Ngun lý cảm biến sinh học [21] </b></i>

- Bộ phận đầu thu sinh học hay còn được gọi là đầu dò sinh học: Đây là bộ phận có tác dụng phát hiện các tác nhân sinh học cần phân tích, nó được cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi tín hiệu.

- Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: Đây là bộ phận chuyển đổi các tín hiệu do sự tương tác của chất phân tích với đầu do sinh học thành các tín hiệu có thể đo được như tín hiệu điện, quang, cơ nhiệt. Từ các tín hiệu chuyển đổi này, các nhà khoa học đã chia thành các bộ chuyển đổi như:

 Bộ chuyển đổi điện hóa  Bộ chuyển đổi quang  Bộ chuyển đổi nhiệt

- Bộ phận xử lý và đọc tín hiệu: Đây là bộ phận có tác dụng sử lý tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi sau đó chuyển thành các tín hiệu điện để hiển thị.

Nguyên tắc hoạt động chung của cảm biến sinh học: Cảm biến sinh học hoạt động dựa trên sự tương tác của đầu dò sinh học với các chất cần phân tích, nó sẽ làm thay đổi tín hiệu điện, cơ hoặc quang ở trên bề mặt cảm biến. Sự thay đổi tín hiệu này sẽ được phát hiện bằng bộ chuyển đổi và được xử lý, hiển thị ở đầu ra của cảm biến.

<i><b> 1.4. Cảm biến sinh học phát hiện nồng độ glucose </b></i>

Glucose là một chất hữu cơ quan trọng có trong hầu hết các sinh vật và nồng độ của nó ảnh hưởng nhiều đến các chức năng của các bộ phận trong cơ thể sinh vật. Lượng đường trong máu phản ánh nhiều khía cạnh của tình trạng sức khỏe. Việc phát

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

23 hiện nhanh chóng và chính xác nồng độ glucose cho phép chẩn đoán và điều trị bệnh tiểu đường. Nếu không được phát hiện và điều trị sớm, bệnh tiểu đường sẽ gây biến chứng và gây hậu quả nghiêm trọng đến sức khỏe. Cơ thể người mắc bệnh tiểu đường không tạo ra được insulin cần thiết để chuyển hóa đường, tinh bột và thức ăn thành năng lượng. Khi lượng đường huyết vượt quá ngưỡng (8.8 – 10 mmol/l) hoặc khả năng tái hấp thụ của thận giảm thì glucose bị thải vào nước tiểu mà khơng được cơ thể sử dụng [26]. Theo thống kê, có gần 500 triệu bệnh nhân tiểu đường trên thế giới và tăng thêm 25% trong 10 năm tới. Gần 1/3 số người bệnh không phát hiện được căn bệnh này. Việc đo nồng độ glucose trong thực phẩm giúp con người có chế độ dinh dưỡng phù hợp, ngăn ngừa các bệnh liên quan. Mức đường huyết trong máu nằm trong khoảng 80 – 120 mg/dl. Khi nằm ngoài giới hạn này con người vẫn bị mắc bệnh tiểu đường. Do đó, việc phát hiện mức đường huyết là rất cần thiết. Hiện nay đã có một số phương pháp đã được sử dụng để phát hiện nồng độ glucose. Trong đó, phương pháp đơn giản và hiểu quả là sử dụng cảm biến sinh học. Nhiều loại cảm biến phát hiện nồng độ glucose được phát triển dựa trên các vật liệu nanocomposite, graphene, vật liệu lai hoặc các vật liệu kim loại có cấu trúc nano. Đây là các loại cảm biến có kích thước nhỏ gọn, thời gian đáp ứng nhanh. Quá trình phát hiện có thể dựa trên các bộ chuyển đổi quang học, cơ học hoặc điện hoá.

<i><b>1.4.1. Cảm biến quang xác định nồng độ glucose </b></i>

Hiện nay, cảm biến glucose trên cơ sở các bộ chuyển đổi quang học cũng đã được nhiều nhóm nghiên cứu. Ví dụ như hệ thống cảm biến quang học sợi quang gồm lõi SiO<small>2</small> và hạt nano Ag kích thước 90 nm cho phép theo dõi sự thay đổi nồng độ glucose một cách liên tục theo thời gian thực thông qua sự thay đổi chiết suất của dung dịch đã được nghiên cứu bởi Benkó và các cộng sự [27]. Kết quả của họ đã chỉ ra độ nhạy của cảm biến là 4 µM. Đây là cảm biến có kích thước nhỏ gọn, thời gian đáp ứng nhanh, hiệu quả cao, chi phí thấp. Cảm biến glucose dựa trên sự dập tắt huỳnh quang có độ nhạy cao, không ảnh hưởng đến mẫu đã được nghiên cứu bởi nhóm nghiên cứu của John [28]. Trong đó, glucose bị oxi hóa thành gluconic acid khi có xúc tác enzyme, điều này đã làm thay đổi nồng độ oxi hòa tan dẫn đến sự dập tắt cường độ huỳnh quang. Trong một nghiên cứu khác, Vanesa Sanz và đồng nghiệp ở Tây Ban Nha đã phát triển cảm biến quang học để phát hiện trực tiếp glucose trong máu sử

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

24 dụng horseadish peroxidase (HRP) và glucose oxidase làm enzyme xúc tác phản ứng với glucose [29]. Wang và cộng sự đã chế tạo cảm biến quang học dựa trên việc gắn glucose oxidase vào một màng nhạy tri(4,7-diphenyl-1, 10-phenanthroline) ruthenium (II) perchlorate để phát hiện nhanh glucose trong huyết thanh người [30]. Yang và đồng nghiệp chế tạo cảm biến glucose huỳnh quang để phát hiện nồng độ glucose ở nồng độ thấp với độ lặp lại và độ ổn định cao [31]. Xiao và nhóm nghiên cứu đã chế tạo cảm biến glucose quang học bằng cách bẫy glucose oxidase (GOx) vào xerogel với thời gian sống của cảm biến lên đến 3 năm, khoảng làm việc tuyến tính từ 9 µM đến 100 mM, cảm biến dùng để phát hiện glucose trong nước tiểu [30]. Chang và nhóm nghiên cứu đã phát triển cảm biến quang học để xác định glucose với khoảng tuyến tính từ 0,1 đến 5 mM, giới hạn phát hiện 0,06 mM [32].

<i><b>1.4.2. Cảm biến điện hóa xác định nồng độ glucose </b></i>

Cảm biến điện hóa được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như môi trường, kiểm soát thực phẩm, chẩn đoán y học nhờ vào những ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt, cần lượng mẫu nhỏ, thời gian đáp ứng nhanh [33]. Tùy theo phương pháp phát hiện glucose, cảm biến điện hóa glucose được chia làm hai loại là cảm biến sinh học phát hiện nồng độ glucose có sử dụng enzyme và cảm biến sinh học phát hiện nồng động glucose không sử dụng enzyme.

<i><b>a, Cảm biến điện hóa sử dụng enzyme </b></i>

Glucose oxdase (Gox) là loại enzyme thường được sử dụng trong cảm biến sinh học glucose. Để chế tạo được cảm biến sinh học enzyme, GOx cần được gắn trên bề mặt điện cực sử dụng các phương pháp hấp phụ, liên kết ngang hoặc liên kết cộng hố trị…v.v. Q trình phát hiện nồng độ glucose dựa trên sự tương tác của enzyme Gox với glucose để tạo ra các ion H<small>+</small> hoặc OH<small>-</small>. Từ đó, dựa vào sự thay đổi nồng độ điện tích trong dung dịch sẽ được phát hiện bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và được hiển thị ở đầu ra của cảm biến [34]. Năm 1962, Clark và Lyons đề xuất cảm biến sinh học điện hóa bằng cách kết hợp GOx với điện cực Pt để phát hiện glucose [35]. GOx hiệu quả trong chẩn đoán bệnh tiểu đường. Nếu O<small>2</small> là chất nhận điện tử thì O<small>2</small> bị khử thành H<small>2</small>O<small>2</small>, độ suy giảm nồng độ O<small>2</small> trong quá trình phản ứng dùng để xác định nồng độ glucose. Phương pháp này có độ nhạy cao và chọn lọc tốt nhưng bị nhiễu loạn bởi oxi môi trường [36]. Hiện nay, để chế tạo cảm biến sinh học glucose trên cơ sở enzyme,

Copies for internal use only in Phenikaa University

</div>