Luận án Tiến sĩ: Chế tạo vật liệu nano MoS2, Cu2MoS4 cảm biến điện hóa dược phẩm

TMDCs là nhóm vật liệu có công thức MX2. M là kim loại chuyển tiếp. X là nguyên tố chalcogen. MoS2 là đại diện tiêu biểu nhất. Cấu trúc lớp tạo nên tính chất quang và điện đặc biệt. Khoảng cấm năng lượng thay đổi theo số lớp. MoS2 đơn lớp có khoảng cấm ~1.8 eV. MoS2 nhiều lớp có khoảng cấm ~1.2 eV. Tính chất này điều chỉnh được bằng cách kiểm soát số lớp. Cu2MoS4 là hợp chất kép chứa đồng. Có cấu trúc tinh thể khác MoS2. Tính chất điện hóa học độc đáo hơn. Cả hai vật liệu đều có khả năng xúc tác điện hóa tốt. Phù hợp làm điện cực cảm biến.

Tấm nano MoS2 (MoS2 nanosheets) có cấu trúc phẳng hai chiều. Diện tích bề mặt riêng rất lớn. Số lượng vị trí hoạt điện hóa nhiều. Hoa nano MoS2 (MoS2 nanoflowers) có cấu trúc ba chiều. Các tấm nano MoS2 xếp chồng tạo hình bông hoa. Cấu trúc hoa tăng độ xốp. Khuếch tán chất phân tích dễ dàng hơn. Cả hai dạng hình thái đều được nghiên cứu chế tạo. Mỗi dạng có ưu điểm riêng cho cảm biến điện hóa. Tấm nano phù hợp với cảm biến màng mỏng. Hoa nano phù hợp với cảm biến có diện tích bề mặt lớn hơn. Lựa chọn hình thái phụ thuộc ứng dụng cụ thể.

Nanocomposite MoS2 là vật liệu kết hợp MoS2 với các thành phần khác. Có thể là kim loại, oxit kim loại, polyme dẫn điện, hoặc carbon. Mục đích tăng hiệu suất cảm biến. MoS2 kết hợp với graphene tăng dẫn điện. MoS2 kết hợp với nanoparticle vàng tăng xúc tác. MoS2 kết hợp với polypyrrole tăng ổn định. Nanocomposite MoS2 cải thiện giới hạn phát hiện. Tăng độ nhạy cảm biến điện hóa. Mở rộng phạm vi ứng dụng phân tích dược phẩm. Các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả vượt trội của nanocomposite MoS2 so với MoS2 đơn chất.

Tổng hợp hydrothermal sử dụng nước làm dung môi. Phản ứng xảy ra trong nồi áp suất ở nhiệt độ cao. Thông thường 180-240°C. Thời gian phản ứng 12-24 giờ. Tiền chất gồm muối molypden và nguồn lưu huỳnh. MoS2 thu được có cấu trúc tinh thể tốt. Phương pháp solvothermal sử dụng dung môi hữu cơ. DMF, ethanol, ethylene glycol thường dùng. Điều kiện phản ứng tương tự hydrothermal. Dung môi hữu cơ ảnh hưởng đến hình thái sản phẩm. MoS2 dạng hoa nano thường thu được bằng solvothermal. MoS2 dạng tấm nano thường thu được bằng hydrothermal. Cả hai phương pháp đều đơn giản. Dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm.

Cu2MoS4 là hợp chất kép chứa đồng, molypden và lưu huỳnh. Tổng hợp phức tạp hơn MoS2 đơn chất. Cần kiểm soát tỷ lệ nguyên tố chính xác. Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng phổ biến. Pha trộn dung dịch muối đồng và molypden. Thêm nguồn lưu huỳnh. Kết tủa Cu2MoS4 hình thành. Phương pháp solvothermal cũng áp dụng được cho Cu2MoS4. Nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng lớn đến độ tinh khiết. Cu2MoS4 có cấu trúc tinh thể tứ phương. Tính chất điện hóa học khác biệt so với MoS2. Cần tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để đạt hiệu suất cảm biến tốt nhất.

Phương pháp bay hơi hóa học (CVD) tạo ra MoS2 đơn lớp chất lượng cao. Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ rất cao. 700-900°C. Khí tiền chất mang molypden và lưu huỳnh bay hơi. Kết tủa trên nền đế. MoS2 đơn lớp mỏng ~0.65 nm. Chất lượng tinh thể rất tốt. Phù hợp cho nghiên cứu cơ bản. Phương pháp CVD phức tạp hơn. Chi phí thiết bị cao. Khó nhân rộng quy mô lớn. Các phương pháp khác gồm: mài cơ học, lột lớp bằng ultrasound, tổng hợp bằng vi sóng. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng. Lựa chọn phụ thuộc mục đích ứng dụng và điều kiện thực hiện.

Ofloxacin bị oxy hóa trên bề mặt điện cực. Phản ứng điện hóa tạo tín hiệu dòng điện. Điện áp oxy hóa ofloxacin phụ thuộc pH môi trường. pH acid cho tín hiệu tốt hơn. MoS2 xúc tác quá trình oxy hóa ofloxacin. Giảm điện áp quá điện thế. Tăng dòng điện đỉnh. Cảm biến trên cơ sở MoS2 có giới hạn phát hiện thấp. Khoảng tuyến tính rộng. Phù hợp kiểm tra hàm lượng ofloxacin trong viên nén, viên nang. Ofloxacin cũng bị khử ở điện áp âm hơn. Tín hiệu khử cũng được sử dụng cho phân tích. Điện hóa học xung differential (DPV) cho độ nhạy cao hơn voltammetry cyclic.

Chloramphenicol bị khử trên bề mặt điện cực. Nhóm nitro trong phân tử được khử. Phản ứng khử tạo tín hiệu dòng điện. Điện áp khử chloramphenicol ở vùng âm. Cu2MoS4 xúc tác quá trình khử này. Hiệu quả hơn MoS2 đơn chất. Giới hạn phát hiện đạt ngưỡng μg/L. Độ chọn lọc tốt. Không bị nhiễu bởi các thành phần khác trong mẫu dược phẩm. Cảm biến Cu2MoS4 ổn định trong thời gian dài. Chịu được nhiều chu kỳ đo liên tiếp. Kết quả phân tích chloramphenicol trong viên nang, dung dịch tiêm chính xác. Sai số nhỏ hơn 5%. Phù hợp tiêu chuẩn phân tích dược phẩm.

Paracetamol bị oxy hóa trên bề mặt điện cực. Nhóm hydroxyl trong phân tử tham gia phản ứng. Điện áp oxy hóa paracetamol phụ thuộc pH. pH trung tính cho tín hiệu ổn định. MoS2 nanoflowers xúc tác quá trình oxy hóa paracetamol. Hiệu quả hơn tấm nano MoS2. Cấu trúc hoa nano tăng diện tích bề mặt. Số vị trí hoạt nhiều hơn. Giới hạn phát hiện đạt ngưỡng nM. Khoảng tuyến tính rộng, từ μM đến mM. Phù hợp kiểm tra hàm lượng paracetamol trong viên nén thông thường, viên sủi, dung dịch uống. Kết quả so sánh với phương pháp HPLC cho thấy tương quan tốt. Sai số nhỏ hơn 3%. Cảm biến nhanh, tiện lợi, chi phí thấp.

XRD (X-ray diffraction) xác định cấu trúc tinh thể MoS2 và Cu2MoS4. MoS2 có cấu trúc lục giác 2H. Các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở 2θ = 14°, 33°, 39°, 58°. Cu2MoS4 có cấu trúc tứ phương. Các đỉnh nhiễu xạ khác biệt so với MoS2. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) xác định trạng thái oxy hóa. Mo ở trạng thái Mo4+. S ở trạng thái S2-. Cu ở trạng thái Cu1+. Thành phần nguyên tố phù hợp với công thức lý thuyết. EDX (Energy dispersive X-ray) cho thấy tỷ lệ nguyên tố đồng đều. Không có tạp chất. Độ tinh khiết vật liệu cao.

SEM (Scanning electron microscopy) quan sát hình thái bề mặt. MoS2 dạng tấm nano phẳng, mỏng. Độ dày vài nanomet. Kích thước ngang vài trăm nanomet đến micromet. MoS2 dạng hoa nano có cấu trúc cầu. Đường kính 1-5 μm. Các tấm nano MoS2 xếp chồng tạo hình bông hoa. Cu2MoS4 có hình thái khác. Dạng hạt nano hình cầu. Kích thước 20-100 nm. TEM (Transmission electron microscopy) cho thấy cấu trúc bên trong. HRTEM thấy rõ khoảng cách mạng tinh thể. SAED (Selected area electron diffraction) xác nhận tính chất tinh thể. Hình thái vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cảm biến.

Raman spectroscopy xác định số lớp MoS2. MoS2 đơn lớp có hai đỉnh E2g và A1g cách nhau ~18 cm-1. MoS2 nhiều lớp khoảng cách lớn hơn. UV-Vis đo tính chất quang học. MoS2 có đỉnh hấp thụ ở vùng hồng ngoại gần. Cu2MoS4 có đỉnh hấp thụ ở vùng khả kiến. BET đo diện tích bề mặt riêng. MoS2 nanoflowers có diện tích bề mặt ~50-100 m2/g. Lớn hơn MoS2 bulk. Điện hóa học cyclic voltammetry đánh giá tính chất điện hóa. MoS2 và Cu2MoS4 có tín hiệu dòng điện lớn. Điện trở truyền electron thấp. Tốc độ truyền electron nhanh. Phù hợp ứng dụng cảm biến điện hóa.

Ofloxacin được phân tích trong viên nén, viên nang chứa ofloxacin. Mẫu dược phẩm được hòa tan trong dung dịch đệm pH. Lọc bỏ tạp chất không hòa tan. Đo bằng cảm biến điện hóa MoS2. Kỹ thuật DPV (Differential pulse voltammetry) cho độ nhạy cao. Kết quả cho thấy hàm lượng ofloxacin trong mẫu thực tế phù hợp với công bố trên nhãn. Sai số so với HPLC nhỏ hơn 4%. Giới hạn phát hiện ~0.1 μM. Khoảng tuyến tính 0.5-100 μM. Cảm biến ổn định sau 30 ngày bảo quản. Độ lặp lại tốt. RSD nhỏ hơn 5%. Phù hợp tiêu chuẩn phân tích dược phẩm Việt Nam.

Chloramphenicol được phát hiện trong viên nang, dung dịch nhỏ mắt chứa chloramphenicol. Mẫu dược phẩm được xử lý đơn giản. Hòa tan, pha loãng đến nồng độ phù hợp. Đo bằng cảm biến Cu2MoS4. Kỹ thuật SWV (Square wave voltammetry) cho tín hiệu khử rõ ràng. Kết quả phân tích mẫu thực tế chính xác. Hàm lượng chloramphenicol phù hợp công bố nhãn. Sai số so với HPLC nhỏ hơn 5%. Giới hạn phát hiện ~0.05 μM. Khoảng tuyến tính 0.1-80 μM. Cảm biến có độ chọn lọc tốt. Không bị nhiễu bởi tá dược trong viên nang. Không bị nhiễu bởi các thành phần khác trong dung dịch nhỏ mắt.

Paracetamol được phân tích trong viên nén thông thường, viên sủi, dung dịch uống. Mẫu dược phẩm được hòa tan, pha loãng. Đo bằng cảm biến MoS2 nanoflowers. Kỹ thuật DPV cho tín hiệu oxy hóa mạnh. Kết quả chính xác, tương đương HPLC. Sai số nhỏ hơn 3%. Giới hạn phát hiện ~0.01 μM. Khoảng tuyến tính 0.05-200 μM. Rộng hơn nhiều so với yêu cầu kiểm tra. Cảm biến hoạt động tốt trong môi trường pH trung tính. Không cần điều chỉnh pH phức tạp. Thời gian đo nhanh, dưới 5 phút. Tiết kiệm thời gian và chi phí phân tích. Phù hợp kiểm tra hàng loạt mẫu dược phẩm.

MoS2 và Cu2MoS4 có tiềm năng phát hiện nhiều loại hoạt chất khác. Kháng sinh nhóm beta-lactam. Thuốc chống viêm không steroid. Vitamin. Hormone. Chất cấm trong thực phẩm chức năng. Cần nghiên cứu cơ chế điện hóa cho từng loại chất. Tối ưu hóa điều kiện đo. Đánh giá độ chọn lọc trong mẫu phức tạp. Xây dựng cơ sở dữ liệu phổ điện hóa. Phát triển cảm biến đa kênh. Phát hiện đồng thời nhiều hoạt chất. Tiết kiệm thời gian và chi phí phân tích. Ứng dụng trong kiểm tra an toàn thực phẩm. Kiểm tra môi trường. Y tế lâm sàng.

Cảm biến điện hóa miniaturized là xu hướng công nghệ mới. Kích thước nhỏ, di động. Sử dụng điện cực in screen-printed. Điện cực carbon in trên nền linh hoạt. MoS2 và Cu2MoS4 phủ lên bề mặt điện cực in. Tích hợp với mạch điện tử đọc tín hiệu. Kết nối smartphone hiển thị kết quả. Hệ thống phân tích cầm tay, dễ sử dụng. Phù hợp kiểm tra tại nhà thuốc. Tại nhà máy dược phẩm. Tại vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa. Chi phí thiết bị thấp. Không cần kỹ thuật viên chuyên nghiệp. Tiềm năng thương mại hóa cao. Góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

Thương mại hóa cảm biến MoS2, Cu2MoS4 cần nhiều bước. Nghiên cứu quy mô pilot. Đánh giá độ ổn định dài hạn. Xin cấp phép sản xuất. Hợp tác với doanh nghiệp dược phẩm. Đào tạo nguồn nhân lực nghiên cứu. Sinh viên, nghiên cứu sinh. Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm. Nâng cao năng lực nghiên cứu vật liệu nano tại Việt Nam. Hợp tác quốc tế. Chia sẻ kết quả nghiên cứu. Công bố trên tạp chí khoa học quốc tế. Đóng góp vào sự phát triển khoa học công nghệ đất nước. Nâng cao vị thế nghiên cứu Việt Nam trên trường quốc tế.