Luận án: Chế tạo cảm biến sinh học điện hóa nano Au-Ag-rGO phát hiện vi khuẩn gây bệnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- Vũ Quang Khuê NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ CÁC VẬT LIỆU NANO VÀNG, BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ VI KHUẨN GÂY BỆNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- Vũ Quang Khuê NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ CÁC VẬT LIỆU NANO VÀNG, BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ ĐỂ PHÁT HIỆN MỘT SỐ VI KHUẨN GÂY BỆNH Ngành: Khoa học vật liệu Mã số : 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TRẦN QUANG HUY HÀ NỘI - 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án TS.

Vũ Ngọc Phan TS. Trần Quang Huy Vũ Quang Khuê luan an LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng kính trọng, tôi xin bày tỏ sự biết ơn đối với TS. Vũ Ngọc Phan và TS. Trần Quang Huy bởi những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận và định hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn tôi, động viên, khích lệ và hết lòng giúp đỡ để luận án được hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đối với Ban giám đốc, toàn thể cán bộ, giáo viên Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các cán bộ nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Y sinh, Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Trường Cao đẳng Công nghiệp Bắc Ninh đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian, hỗ trợ về chuyên môn để tác giả hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới GS.

Lê Anh Tuấn - Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa và tất cả các thành viên nhóm nghiên cứu Vật liệu Nano Y sinh và Môi trường (NEB) đã nhiệt tình giúp đỡ để tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin được dành những lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình tôi: bố, mẹ, vợ, các con đã yêu thương, người thân và bạn bè đã cảm thông và chia sẻ, động viên, hỗ trợ mọi điều kiện để tôi có thể tập trung học tập và nghiên cứu trong suốt những năm tháng học tập tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ kinh phí từ nguồn học bổng cho đào tạo nghiên cứu sinh của Bộ Giáo dục và Đào tạo (đề án 911), nhiệm vụ Nghị định thư giữa chính phủ Việt Nam và chính phủ Italia, mã số nhiệm vụ: NĐT.ITA/15, đề tài Khoa học và công nghệ tỉnh Bắc Ninh: KCBN-(08). Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Vũ Quang Khuê luan an MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.

i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. iv MỞ ĐẦU. Cảm biến sinh học và nhiễm trùng bệnh viện.

Cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa. Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học trong và ngoài nước. Nhiễm trùng bệnh viện. Vi khuẩn gây bệnh nhiễm trùng bệnh viện.

Cảm biến sinh học trên cở sở SPE phát hiện vi khuẩn gây bệnh. Điện cực in lưới cacbon- SPE. Vật liệu nano kim loại quý để biến tính điện cực. Vật liệu nano vàng.

Vật liệu nano lai bạc - oxide graphene khử. Vật liệu nano kim loại quý biến tính điện cực SPE. Phương pháp biến tính SPE. Các phương pháp cố định kháng thể trên bề mặt điện cực.

Kháng nguyên, kháng thể. Liên kết cộng hóa trị. Ái lực sinh học. Hấp phụ vật lý.

Kỹ thuật đo điện hóa trong cảm biến sinh học. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV). Phương pháp đo Von - Ampe xung vi sai (DPV). Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS).

Thiết bị cầm tay cho cảm biến sinh học. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH VỚI BẠC-OXIDE GRAPHENE KHỬ. Vật liệu và phương pháp. Vật liệu, hóa chất.

Đảm bảo an toàn sinh học. Quy trình chế tạo vật liệu nano lai AgNPs-rGO. Biến tính điện cực in lưới cacbon bằng vật liệu bạc-oxide graphene 38 2. Cố định kháng thể lên trên bề mặt điện cực biến tính.

Khảo sát khả năng phát hiện vi khuẩn Salmonella. Kết quả và thảo luận. Sự hình thành của hạt bạc trên tấm graphene oxít. Hình thái và kích thước hạt nano bạc trên graphene oxít.

Khảo sát hình thái bề mặt điện cực biến tính. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể.

Phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại biến đổi Fourie. Phát hiện vi khuẩn Salmonella. Độ chọn lọc và giới hạn phát hiện vi khuẩn Salmonella. Kết luận chương 2.

CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH. 57 HẠT NANO VÀNG (AuNPs). Vật liệu và phương pháp. Vật liệu, hóa chất.

Đảm bảo an toàn sinh học. Quy trình chế tạo hạt nano vàng. Biến tính điện cực in lưới cacbon bằng hạt nano vàng. Cố định kháng thể bằng liên kết cộng hóa trị.

Khảo sát cảm biến phát hiện vi khuẩn E.coli O157 và MRSA. Kết quả và thảo luận. Hình thái và kích thước hạt nano vàng. Sự hình thành hạt nano vàng phụ thuộc vào điện áp điện hóa.

Sự hình thành hạt nano vàng phụ thuộc vào thời gian điện hóa 63 3. Hình thái và kích thước hạt nano vàng quan sát bằng TEM. Khảo sát hình thái bề mặt của điện cực biến tính. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính.

Điện cực biến tính phụ thuộc kích thước hạt nano vàng. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể. Khảo sát khả năng phát hiện vi khuẩn E.coli O157 của cảm biến. Phát hiện vi khuẩn E.

Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Thời gian sống của cảm biến. Khảo sát phát hiện vi khuẩn MRSA của cảm biến. Kết luận chương 3.

CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ ĐIỆN CỰC IN LƯỚI CACBON BIẾN TÍNH MÀNG NANO VÀNG. Vật liệu và phương pháp. Vật liệu, thiết bị. Đảm bảo an toàn sinh học và phương pháp phát hiện vi khuẩn MRSA.

Biến tính bề mặt điện cực SPE. Kết quả và thảo luận. Hình thái bề mặt điện cực quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét. Khảo sát các đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính.

Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính phụ thuộc chiều dày màng nano vàng. Diện tích hoạt động điện hóa của điện cực biến tính. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể. Phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại biến đổi Fourier.

Phát hiện vi khuẩn MRSA. Kết luận chương 4. CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CẦM TAY CHO CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA. Vật liệu và phương pháp.

Vật liệu và linh kiện. Thiết kế các khối của thiết bị. Khối phát tín hiệu tới cảm biến. Khối giao tiếp và hiển thị.

Khối xử lý trung tâm. Thiết kế vỏ hệ đo. Kết quả và thảo luận. Bảng mạch chủ và tín hiệu thực nghiệm.

Phần mềm tích hợp thiết bị đo. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo. Các bước thực nghiệm với hệ đo. Kết luận chương 5.

112 KẾT LUẬN CHUNG. 113 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT. 114 XÁC NHẬN THỬ NGHIỆM CỦA BỘ THIẾT BỊ CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA. 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

116 QUYẾT ĐỊNH CHẤP NHẬN ĐƠN GIẢI PHÁP HỮU ÍCH. 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 118 luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Ab Antibody Kháng thể ADC Analog to digital converter Chuyển đổi tương tự - số Ag Antigen Kháng nguyên AgNPs Silver nanoparticles Hạt nano bạc DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxyribonucleic APTES 3-aminopropyl–triethoxy 3-aminopropyl–triethoxy-silan silane RNA Ribonucleic acid Axít ribonucleic AuNFs Gold nano films Màng nano vàng AuNPs Gold nanoparticles Hạt nano vàng BSA Bovine serum albumin Albumin huyết thanh bò EID50 50% Empryo infective dose Liều gây nhiễm trên phôi 50% CE Counter electrode Điện cực đối CEA Carcinoma Embryonic Antigen Kháng nguyên ung thư biểu mô phôi CFU Colony Forming Unit Đơn vị lạc khuẩn CNC Computer numerical control Điều khiển số bằng máy tính CNTs Carbon nanotubes Ống nano cacbon CV Cyclic Voltammetry Quét thế vòng tuần hoàn DI Deionized Water Nước khử ion DPV Differential Pulse Đo Von - Ampe xung vi sai Voltammetry EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia X spectroscopy EIS Electrochemical Impedance Đo phổ tổng trở điện hóa Spectroscopy ELISA Enzyme linked immunosorbent Kỹ thuật miễn dịch hấp phụ gắn men assay FET Field-effect transistor Transistor trường FTIR Fourier transform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier spectroscopy GA Glutaraldehyde Glutaraldehyde GC Graphene carbon Graphene cacbon GMBS Gamma-maleimidobutyrloxy Nhóm chức NHS sulphosuccinimide GO Graphene oxide Graphen oxít HCW Health care worker Nhân viên y tế IC Integrated circuit Mạch tích hợp LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện LSV Linear Sweep Voltammetry Đo xung thế tuyến tính i luan an L-W-H Length - Width - High Dài - rộng - cao MA Multistep Amperometry Đo dòng đa bước MRSA methicillin-resistant Khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus MTS Mercaptopropyl- Mercaptopropyl-trimethoxysilane trimethoxysilane MWNCTs Mutil walled carbon Ống nano cacbon đa vách nanotubes NHS N-Hydroxysuccinimide N-Hydroxysuccinimide OCP Open Circuit Potentionmetry Đo thế dòng mở PBS Phosphate buffered saline Dung dịch đệm phosphate PC Personal Computer Máy tính để bàn PCR Polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi polymerase PrA Protein A Protein A Pt Platinum Platin Rct Resistor charge transfer Điện trở chuyển tích RE Reference electrode Điện cực chuẩn S/N Signal/noise Tín hiệu/nhiễu SAM Self-assembled monolayer Đơn lớp tự sắp xếp SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét SPE Screen printed electrode Điện cực in lưới SWNCTs Sigle wall carbon nanotubes Ống nano cacbon đơn vách TEM Transmission electron Hiển vi điện tử truyền qua microscopy USB Universal Serial Bus Kết nối chuẩn USB USD United States Dollar Đôla Mỹ UV Ultraviolet Tử ngoại WE Working electrode Điện cực làm việc WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới ii luan an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về cảm biến điện hóa phát hiện vi khuẩn Salmonella .