Luận án tiến sĩ Vật lý: Chế tạo vật liệu nano PbS, nano kim loại Au, Ag ứng dụng cảm biến sinh học - Lưu Mạnh Quỳnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ LƯU MẠNH QUỲNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN PbS, NANO KIM LOẠI QUÝ Au, Ag VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 9441030.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. NGUYỄN NGỌC LONG Hà Nội – 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS. Lê Văn Vũ và PGS. Nguyễn Ngọc Long đã luôn tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu, thực hiện luận án. Tôi cũng xin cảm ơn Bộ môn Sinh học tế bào, Khoa Sinh học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện nghiên cứu tế bào gốc và công nghệ gen, Bệnh viện Đa khoa Quốc Tế VINMEC đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi thực hiện các nghiên cứu ứng dụng sinh học liên quan đến đề tài. Xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Quang Hòa, ThS.

Vƣơng Văn Hiệp, ThS. Sái Công Doanh cùng tập thể anh chị em Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự biết ơn tới những ngƣời thân trong gia đình, các em sinh viên Khoa Vật lý luôn sát cánh cùng tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành luận án này.

Tác giả Lƣu Mạnh Quỳnh. i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoạn đây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. Lê Văn Vũ và PGS. Nguyễn Ngọc Long.

Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, tháng 2 năm 2020. Tác giả Lƣu Mạnh Quỳnh ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. i LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. viii MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài. Mục tiêu luận án. Nội dung nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Những đóng góp mới của luận án .6 Cấu trúc của luận án. CẢM BIẾN SINH HỌC. CẢM BIẾN SINH HỌC XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ GLUCOSE.

Cảm biến sinh học điện hóa đo nồng độ glucose. Cảm biến sinh học đo nồng độ glucose sử dụng vật liệu nano. Lựa chọn đối tƣợng vật liệu. CẢM BIẾN ĐO ĐẠC NỒNG ĐỘ TẾ BÀO GỐC MÁU.

Nguyên lý kháng nguyên – kháng thể trong nhận biết tế bào. Cảm biến sinh học sử dụng phép đo tổng trở trong đo đạc tế bào. Vật liệu nano trong cảm biến đo đạc tế bào. Lựa chọn đối tƣợng vật liệu.

CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU. Vật liệu sulfide kim loại. Vật liệu nano kim loại. Vật liệu đa chức năng từ tính – kim loại.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC.32 KẾT LUẬN CHƢƠNG I .36 CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH. CHẾ TẠO VẬT LIỆU. Chế tạo vật liệu PbS bằng phƣơng pháp hóa siêu âm kết hợp ủ laser. Chế tạo các hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp nuôi mầm.

Chế tạo các hạt nano đa chức năng bằng phƣơng pháp hóa ƣớt .39 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .Các phƣơng pháp thực nghiệm .Phƣơng pháp tính toán lý thuyết .54 KẾT LUẬN CHƢƠNG II.55 CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU NANO PbS, NANO VÀNG VÀ NANO ĐA CHỨC NĂNG Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag. VẬT LIỆU NANO PbS. VẬT LIỆU NANO VÀNG.

VẬT LIỆU NANO ĐA CHỨC NĂNG Fe3O4-Au, Fe3O4-Ag. Vật liệu nano từ tính Fe3O4. Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Au. Vật liệu nano đa chức năng Fe3O4-Ag .84 KẾT LUẬN CHƢƠNG III .88 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC.

CHẾ TẠO CẢM BIẾN GLUCOSE SỬ DỤNG CÁC HẠT NANO PbS. Thiết kế cảm biến và phƣơng pháp đo đạc. Kết quả và thảo luận. Tƣơng tác giữa hạt PbS với phân tử 4-ATP.

ỨNG DỤNG CÁC HẠT NANO TỪ TÍNH – KIM LOẠI TRONG PHÂN LẬP TẾ BÀO GỐC MÁU TỪ MẪU TỦY XƢƠNG. Thiết kế cảm biến và phƣơng pháp đo đạc. Kết quả và thảo luận .107 KẾT LUẬN CHƢƠNG IV .125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ .126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .127 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4-ATP 4-aminothiophenol A2P-TRP Phƣơng pháp hai pha nƣớc sử dụng polymer nhạy với nhiệt độ (Aquaeous two-phase system using temperature responsive polymer) ADN A xít Deoxyribose nucleotide ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate APTES (3-Aminopropyl)triethoxysilane CE Điện cực đếm (Counter Electrode) CNT Ống nano các bon (Carbon nanotube) CPE Phần tử pha hằng số (Constant phase element) CTAB Cetyltrimethyl ammonium bromide CV Hiệu điện thế quét vòng (Cyclic voltammetry) DFT Lý thuyết hàm mật độ (Density Funtional Theory) ĐH BKHN Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội ĐH KHTN Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội ECD Chất huỳnh quang hữu cơ, phát ánh sáng đỏ (Phycoerythrin – Texas Red) EDC 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide FACS Phƣơng pháp lọc phân lập tế bào kích hoạt huỳnh quang (Fluorescence-activated cell sorting) FAD Flavin adenine dinucleotide FADH Dạng khử của FAD khi thêm một nguyên tử hydrogen Fe(cp2) Ferrocencemonocarbolxylic acid [Fe(CN)6]3-/4- Dung môi Ferrocianide FITC Chất huỳnh quang hữu cơ phát ánh sáng xanh lá cây (Fluorescein isothiocyanate) G-6P-D Enzyme Glucose-6P-dehydrogenase GHD Enzyme Glucose-1-dehydrogenase GOx Enzyme Glucose Oxidase HIV Virus gây suy giảm miễn dịch (Human immunodeficiency virus) HR-TEM Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (High resolution TEM) v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LDA Phƣơng pháp tính toán gần đúng dựa trên hàm mật độ định xứ (Localized Density Approximation). MACS Phƣơng pháp phân lập tế bào kích hoạt từ (magnetic-activated cell sorting) MetS Vật liệu sulfide kim loại NAD+ Nicotinamide adenine dinucleotide NADH Dạng khử của NAD khi thêm một nguyên tử hydrogen NADP+ Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate NADPH Dạng khử của NADP+ khi thêm một nguyên tử hydrogen NAFOSTED Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia PBS Đệm phosphate (Phosphate buffer solution) PGSTATS Hệ điện hóa tích hợp (Nhà sản xuất và cung cấp: MetroOhm) PS Polystyrene PVP Polyvinyl pyrolidone QDs Chấm lƣợng tử (Quantum dots) RE Điện cực tham chiếu (Reference Electrode) SDS Sodium dodecyl sulphate SELEX Phƣơng pháp phát triển hệ thống các phối tử bởi sự làm giàu theo hàm mũ (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) SEM Kính hiển vi điện tử quét SER Raman tăng cƣờng bề mặt (Surface enhanced Raman) SERS Tín hiệu Raman tăng cƣờng bề mặt (Surface enhanced Raman signal) TA Dao động âm ngang (transverse aucostic) TAA Thioacetamide TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmitted electron microscope) TO Dao động quang ngang (transverse optic) TOAB Tetraoctyl ammonium bromide UV-vis Tử ngoại – khả kiến (phổ hấp thụ quang học trong vùng UV-vis) VSM Phép đo trên hệ từ kế mẫu rung (Vibrating sample measurement) WE Điện cực làm việc (Working Electrode) XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục các bảng Bảng 1.

Các phần tử có thể đƣợc dùng để chế tạo cảm biến sinh học. Thống kê một số nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose. Ƣu và nhƣợc điểm một số phƣơng pháp sử dụng cơ chế cảm biến sinh học để lọc tế bào gốc. Thống kê nghiên cứu về chế tạo cảm biến sinh học tại một số cơ sở nghiên cứu trong nƣớc.

So sánh giá trị hằng số mạng và kích thƣớc tinh thể tính toán từ giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa các hạt PbS trƣớc và sau khi ủ nhiệt laser. Bảng thống kê các kết quả tính toán lý thuyết và đo đạc vị trí đỉnh đặc trƣng Raman tăng cƣờng bề mặt của phân tử 4-ATP trên bề mặt các hạt nano vàng. Bảng các tham số fit đƣợc từ các kết quả đo tổng trở .121 vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Danh mục các hình vẽ Hình 1. Sơ đồ khối của cảm biến sinh học.

Mô hình các thế hệ cảm biến sinh học xác định nồng độ glucose. Cấu trúc thƣờng thấy của WE trong cảm biến sinh học đo nồng độ glucose. Đồ thị hiệu chỉnh đặc trƣng của cảm biến sinh học sử dụng enzyme GOx. Mô hình nguyên lý liên kết kháng nguyên - kháng thể trong cảm biến sinh học khảo sát, đo đạc tế bào.

Nghiên cứu sử dụng kháng thể cố định trên bề mặt điện cực để đo nồng độ tế bào (ở đây là E. Coli) và sự thay đổi của Rct theo nồng độ tế bào. Ứng dụng mô hình đơn giản R//C trong khảo sát tế bào bám trên bề mặt điện cực. Một số mô hình điện cực kích thƣớc micromet đƣợc thiết kế để khảo sát tế bào.

Mô hình cảm biến sử dụng còi carbon làm điện cực để tăng diện tích tiếp xúc cũng nhƣ độ tƣơng thích sinh học; sau đó các hạt nano vàng đƣợc chức năng hóa, bắt cặp với kháng thể đặc hiệu rồi cố định lên trên bề mặt tế bào để làm tăng tín hiệu điện hóa. Thống kê số đề tài NAFOSTED về cảm biến sinh học từ năm 2011 đến năm 2016. Chế tạo các hạt nano PbS bằng phƣơng pháp hóa siêu âm. Hình A mô tả các bƣớc thí nghiệm chế tạo hạt.

Hình B là ảnh thực tế quá trình chế tạo hạt. Quy trình chế tạo và nghiên cứu sự phát triển của các hạt nano vàng trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt. Quy trình chế tạo các hạt nano Fe3O4 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa. Mô tả tán xạ của chùm tia X trên bề mặt tinh thể.

Cấu trúc và hoạt động của máy đo nhiễu xạ tia X (XRD). Hình A: mô hình hoạt động của một máy XRD. Hình B: Ảnh của máy XRD Siemens D5005 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học KHTN. Hình ảnh hệ đo LabRAM HR800, Horiba tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội .