Luận án tiến sĩ: Vi cảm biến điện hóa từ polyme dẫn biến tính - Nguyễn Hải Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2020 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …….***………… NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y-SINH VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62.23 Người hướng dẫn khoa học: GS. Trần Đại Lâm Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS. Trần Đại Lâm. Các số liệu và kết quả chính trong luận án được công bố trong các bài báo đã được xuất bản của tôi và các cộng sự.

Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Hải Bình Hướng dẫn khoa học GS. Trần Đại Lâm LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả luận án xin bày tỏ lòng kính trọng và cảm ơn chân thành nhất đối với sự hướng dẫn tận tình, hiệu quả cả về kiến thức, vật chất và tinh thần của GS. Trần Đại Lâm trong toàn bộ quá trình học tập NCS và thực hiện luận án này.

Luận án này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí từ các đề tài: đề tài Nghị định thư Việt Nam – Hàn Quốc, Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản, đề tài Nghị định thư Việt Nam – Đài Loan, đề tài Quỹ NAFOSTED và các đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ cụ thể và rất cần thiết này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy/cô và đồng nghiệp tại Viện Khoa học vật liệu, các đồng nghiệp trong và ngoài Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã động viên – hỗ trợ trong nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Phòng Vật liệu Nano Y-sinh, Phòng Vật liệu Nano cácbon, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện điện tử (Viện Khoa học vật liệu), các đồng nghiệp tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Công nghệ Sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Viện Kỹ thuật hóa học (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), Trung tâm CETASD (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội); cám ơn PGS. Nguyễn Tuấn Dung, PGS. Đỗ Phúc Quân, Th.S Nguyễn Lê Huy,… cùng các bạn Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên đại học. Luận án đã nhận được sự giúp đỡ thực hiện các thực nghiệm tại Viện IEF (Đại học Paris 11, Pháp), Viện ITODYS (Đại học Paris 7, Pháp), Khoa ESS (Trường Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan).

Xin trân trọng cảm ơn những sự hỗ trợ quý báu này. Cuối cùng, tôi xin dành mọi tình cảm sâu sắc nhất, chân thành nhất cho gia đình tôi, là chỗ dựa vững chắc và cho tôi động lực cũng như quyết tâm hoàn thành bản luận án. Hà Nội, tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Hải Bình MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục i Danh mục bảng, hình vẽ v Danh mục viết tắt xv Mở đầu xviii Chương I: Tổng quan 1 I. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa 1 I.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa 1 I.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa 6 I.1 Cảm biến trên cơ sở thế điện cực 6 I.2 Cảm biến dòng điện 8 I.3 Cảm biến độ dẫn 8 I.4 Cảm biến hiệu ứng trường 9 I.3 Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa 10 II.

Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa 11 II.1 Giới thiệu về Polyanilin 13 II.2 Giới thiệu về polydiaminonaphthalen 18 II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn 20 II.1 Hạt nano Fe3O4 20 II.2 Ống nano cácbon (CNTs) 22 II.3 Vật liệu màng graphen 22 III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa 23 III.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe 23 III.1 Xác định nồng độ glucôzơ 23 III.2 Xác định nồng độ cholesterol 24 i III.3 Xác định chuỗi DNA của virút HPV 25 III.2 Ứng dụng trong quan trắc môi trường 26 III.3 Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm 27 III.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa 27 III.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa 29 IV. Kết luận 31 Chương II: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa 33 I. Chế tạo các vi điện cực điện hóa 33 I.1 Chế tạo các hệ vi điện cực điện hóa tích hợp 33 I.1 Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp 33 I.2 Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa 34 I.3 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar) 36 I.4 Chế tạo hệ vi điện cực có buồng phản ứng (dạng MEMS) 42 II.

Tổng hợp điện hóa các màng polyme dẫn 46 II.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin 46 II.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon 46 II.2 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4 48 II.3 Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen 49 II.2 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN) 52 II.1 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt nano Fe3O4 52 II.2 Chế tạo màng đa lớp Graphen/polydiaminonapthalen 52 III. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp 53 III.1 Cố định các phần tử sinh học trên màng polyanilin biến tính 53 III.1 Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính 53 III.2 Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính 54 III.3 Cố định kháng thể Atrazin 56 III.2 Cố định phần tử sinh học enzym trên màng PDAN biến tính 56 IV. Các phương pháp phân tích điện hóa 57 ii IV.1 Phương pháp Vôn-Ampe tuần hoàn 57 IV.2 Phương pháp đo dòng thời gian thực 58 IV.3 Phương pháp xung sóng vuông 58 IV.4 Phương pháp tổng trở điện hóa 59 V. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng 59 VI.

Kết luận 60 Chương III: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn 62 I. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn - polyanilin 62 I.1 Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon 62 I. Pha tạp màng PANi bằng vật liệu hạt nano Fe3O4 69 I.3 Nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp PANi/Graphen 73 I.4 Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANi- Fe3O4/Graphen 76 II. Phát triển vi cảm biến cảm biến trên cơ sở màng P(1,5-DAN) 80 II.1 Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4 80 II.2 Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN 82 III.

Kết luận 87 Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích 89 I. Ứng dụng trong phân tích y sinh 89 I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch 89 I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa PANi/MWCNTs 89 I.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4 98 I.3 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANi- Fe3O4/Graphen 100 iii I.2 Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch 103 I.1 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs 103 I.2 Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4 109 I.3 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi- Fe3O4/Graphen 114 I. Xác định chuỗi ADN của virút HPV 115 II. Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm 118 II.1 Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa 118 II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa 124 II.1 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5- DAN)-Fe3O4 124 II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến Graphen/P(1,5-DAN) 136 III.

Ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường 128 III.1 Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazin bằng vi cảm biến PANi/Fe3O4 128 III.2 Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến PANi/Graphen 132 IV. Kết luận 137 Kết luận chung 138 Tài liệu tham khảo 139 Phụ lục I iv DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ Hình I. Sơ đồ cấu tạo và chức năng của cảm biến sinh học 1 Hình I.2: Sơ đồ của MOSFET (trái) và mạch điện tương đương (phải) 9 Hình I. Một số polyme dẫn điện tử 11 Hình I.

Polyme oxy hóa khử 12 Hình I. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine) 12 Bảng I.1: Tính chất một số polyme dẫn thông dụng 13 Hình I. Công thức cấu tạo của anilin 13 Hình I. Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái 14 oxy hóa Hình I.

Các dạng cộng hưởng của cation gốc anilin 15 Hình I. Dạng dime của anilin 16 Hình I. Dạng cation gốc dime 16 Hình I. Quá trình tạo thành polyme 16 Hình I.

Cơ chế pha tạp của polyanilin trong môi trường HCl 17 Hình I. Cấu trúc hóa học của 1,5-DAN 19 Hình I. Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN 19 Hình I. Cấu trúc của graphen (a); ảnh TEM (b) và SEM (c) của 22 graphen được tổng hợp bằng phương pháp khử graphen ôxít Hình I.

Cấu trúc hóa học của các dạng Aflatoxin 28 Hình I.17 Giới hạn hàm lượng của Aflatoxin trong sữa trên thế giới 29 Hình I.18: Cấu trúc hóa học của lactôzơ 30 Hình I.19: Cơ chế thủy phân lactôzơ 31 v Hình II. Sơ đồ các bước thực nghiệm chế tạo – thử nghiệm cảm biến 33 sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn Hình II. Thiết kế của hệ vi điện cực điện hóa tích hợp đơn chíp (màu 34 xanh: điện cực làm việc và điện cực đối; màu hồng: điện cực so sánh) Hình II. Mặt nạ hệ vi điện cực tích hợp điện hóa với đường kính điện 35 cực làm việc là 500 m Hình II.

Các công đoạn chế tạo hệ vi điện cực tích hợp phẳng (planar) 37 Bảng II. Thông số quá trình phún xạ điện tử 39 Bảng II. Thông số quá trình bốc bay chùm tia điện tử 40 Hình II. Ảnh hệ vi điện cực điện hóa tích hợp sau khi chế tạo 42 Hình II.