Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận án tiến sĩ ngành vật liệu điện tử với đề tài: 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, cho các bạn tham khảo

1. 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

2. 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: 62.44.01.23
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đại Lâm
Hà Nội – 2020

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. 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. TS. Trần Đại Lâm

4. 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. TS. 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. TS. Nguyễn Tuấn Dung, PGS. TS. Đỗ Phúc Quân, Th.S
Nguyễn Lê Huy,… cùng các bạn Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên
đại học.

5. 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

6. i
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.2.1 Cảm biến trên cơ sở thế điện cực 6
I.2.2 Cảm biến dòng điện 8
I.2.3 Cảm biến độ dẫn 8
I.2.4 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.2.1 Poly(1,8-diaminonaphthalen) 18
II.2.2 Poly(1,5-diaminonaphthalen) 18
II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn 20
II.3.1 Hạt nano Fe3O4 20
II.3.2 Ống nano cácbon (CNTs) 22
II.3.3 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.1.1 Xác định nồng độ glucôzơ 23
III.1.2 Xác định nồng độ cholesterol 24

7. ii
III.1.3 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.3.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa 27
III.3.2 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.1.1 Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp 33
I.1.2 Chế tạo bộ mặt nạ cho vi điện cực điện hóa 34
I.1.3 Chế tạo hệ vi điện cực điện hóa phẳng (planar) 36
I.1.4 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.1.1 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp ống nano cácbon 46
II.1.2 Tổng hợp điện hóa màng polyanilin pha tạp hạt nano Fe3O4 48
II.1.3 Chế tạo màng đa lớp polyanilin/Graphen 49
II.2 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen (PDAN) 52
II.2.1 Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen pha tạp hạt
nano Fe3O4 52
II.2.2 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.1.1 Cố định các phân tử enzym lên màng PANi biến tính 53
III.1.2 Cố định phần tử sinh học aptamer lên màng PANi biến tính 54
III.1.3 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

8. iii
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.2. 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.1.1 Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs 89
I.1.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4 98
I.1.3 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANi-
Fe3O4/Graphen 100

9. iv
I.2 Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch 103
I.2.1 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs 103
I.2.2 Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi-Fe3O4 109
I.2.3 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi-
Fe3O4/Graphen 114
I.3. 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.2.1 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5-
DAN)-Fe3O4 124
II.2.2 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

10. v
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình I.1. 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.3. Một số polyme dẫn điện tử 11
Hình I.4. Polyme oxy hóa khử 12
Hình I.5. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine) 12
Bảng I.1: Tính chất một số polyme dẫn thông dụng 13
Hình I.6. Công thức cấu tạo của anilin 13
Hình I.7. Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái
oxy hóa
14
Hình I.8. Các dạng cộng hưởng của cation gốc anilin 15
Hình I.9. Dạng dime của anilin 16
Hình I.10. Dạng cation gốc dime 16
Hình I.11. Quá trình tạo thành polyme 16
Hình I.12. Cơ chế pha tạp của polyanilin trong môi trường HCl 17
Hình I.13. Cấu trúc hóa học của 1,5-DAN 19
Hình I.14. Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN 19
Hình I.15. Cấu trúc của graphen (a); ảnh TEM (b) và SEM (c) của
graphen được tổng hợp bằng phương pháp khử graphen ôxít
22
Hình I.16. 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

11. vi
Hình II.1. Sơ đồ các bước thực nghiệm chế tạo – thử nghiệm cảm biến
sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn
33
Hình II.2. Thiết kế của hệ vi điện cực điện hóa tích hợp đơn chíp (màu
xanh: điện cực làm việc và điện cực đối; màu hồng: điện cực so sánh)
34
Hình II.3. Mặt nạ hệ vi điện cực tích hợp điện hóa với đường kính điện
cực làm việc là 500 m
35
Hình II.4. Các công đoạn chế tạo hệ vi điện cực tích hợp phẳng (planar) 37
Bảng II.1. Thông số quá trình phún xạ điện tử 39
Bảng II.2. Thông số quá trình bốc bay chùm tia điện tử 40
Hình II.5. Ảnh hệ vi điện cực điện hóa tích hợp sau khi chế tạo 42
Hình II.6. Điện cực điện hóa tích hợp Pt ( trong đó: điện cực làm việc
– 1; điện cực đối – 2; điện cực so sánh – 3)
42
Hình II.7. Cấu trúc hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng 43
Hình II.8. Mặt nạ hệ vi điện cực điện hóa tích hợp có buồng phản ứng 43
Hình II.9. Hình ảnh thiết bị ăn mòn khô (DRIE – dry etching) tại Khoa
ESS, Đại học quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan
45
Hình II.10. Phản ứng chức năng hóa MWCNTs 47
Hình II.11. Hệ lọc hút chân không CNTs sau khi chức năng hóa bằng
hỗn hợp axit
47
Hình II.12. Quy trình CVD nhiệt tổng hợp màng graphen 50
Hình II.13. Quy trình tách chuyển màng Graphen từ đế đồng sang đế vi
điện cực
51
Hình II.14. Cố định enzym qua liên kết chéo sử dụng tác nhân
glutaraldehít
54
Hình II.16 Sàng lọc aptamer đặc hiệu theo chu trình SELEX 55

12. vii
Hình III.1. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng
PANi/MWCNTs trên điện cực tích hợp
62
Hình III.2. Phổ tổng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng PANi
(a) và màng PANi/MWCNTs (b) tại chu kỳ thứ 20 trên điện cực tích
hợp
63
Hình III.3. Ảnh chụp vi điện cực tích hợp có/không có màng
PANi/MWCNTs
64
Hình III.4 Ảnh FE-SEM của ống MWCNTs, màng PANi thuần và màng
PANi/MWCNTs
65
Hình III.5. Ảnh FESEM của phóng đại cấu trúc bề mặt PANi/MWCNTs 66
Hình III.6. Ảnh AFM của màng PANi và màng PANi/MWCNTs 67
Hình III.7. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi và màng
PANi/MWCNTs
67
Hình III.8. Sơ đồ hình thành liên kết giữa màng PANi dạng ES với
MWCNTs thông qua các liên kết: (a) π-stacking (xếp lớp liên kết π của
vòng thơm), (b) liên kết ion và (c) liên kết Hiđrô
68
Hình III.9 Phổ trùng hợp điện hóa CV của màng PANi pha tạp Fe3O4 69
Hình III.10. So sánh phổ trùng hợp điện hóa của màng PANi-Fe3O4 và
PANi
70
Hình III.11. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của màng PANi-Fe3O4 trên
vi điện cực
71
Hình III.12. Hình thái bề mặt của màng PANi và PANi-Fe3O4 trên vi
điện cực
72
Hình III.13. Ảnh HRTEM của màng graphen 73
Hình III.14. Phổ Raman của các màng graphen, PANi và PANi/Graphen 74

13. viii
Hình III.15. Phổ điện hóa của màng PANi/Graphen trước và sau khi ủ
glutaraldehít trong dung dịch HCl 0,1M (dải thế quét: -0,2 ÷ +0,8 V, tốc
độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV)
76
Hình III.16. Phổ Raman của màng PANi-Fe3O4/Graphen trên vi điện cực 77
Hình III.17. Hình ảnh AFM của màng graphen được tách chuyển trên vi
điện cực PANi-Fe3O4.
78
Hình III.18. Ảnh FESEM của màng PANi-Fe3O4/Graphen 78
Hình III.19. Tính chất điện hóa của màng PANi-Fe3O4/Graphen 79
Hình III.20. Trùng hợp điện hóa màng PDAN-Fe3O4, PDAN và so sánh
hoạt động điện hóa của các màng PDAN pha tạp/không pha tạp Fe3O4
81
Hình III.21. Đường CV vòng quét đầu tiên ghi trên điện cực (a) Pt và
(b) Pt/Gr trong dung dịch HClO4 1M và monome 1,5-DAN 5mM
82
Hình III.22. Phổ CV tổng hợp màng poly(1,5-DAN) trên điện cực (a) Pt
và (b) Pt/Gr
83
Hình III.23. Phổ Raman của Gr (đường a), poly(1,5-DAN) (đường d) và
các màng tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kỳ (đường b) và
20 chu kỳ quét thế (đường c)
84
Bảng III.1. Các đỉnh Raman của màng mỏng graphen, poly(1,5-DAN)
và tổ hợp Gr/poly(1,5-DAN)
85
Hình III.24. Ảnh FESEM của màng graphen (A) và điện cực
Pt/graphen/P(1,5-DAN) (B); Ảnh AFM của màng graphen (C)
86
Hình III.25. So sánh hoạt động điện hóa của các màng Pt/PDAN và
Pt/Graphen/PDAN
87
Hình IV.1. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định GOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít với (a) phóng đại
10.000 lần và (b) phóng đại 50.000 lần
89

14. ix
Hình IV.2. Phổ tổng trở của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (đường
a) và vi điện cực PANi/CNTs (đường b) (thông số dòng xoay chiều: tần
số f= 0,01 ÷ 105
Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
90
Hình IV.3. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong dung
dịch PBS: (a) không có glucôzơ; (b) 0,5 mM glucôzơ và (c) 1,0 mM
glucôzơ (thông số: dải thế: -0,8 V ÷ +0,8 V, tốc độ quét: 50 mV/s, bước
thế: 10 mV)
91
Hình IV.4. So sánh dòng đáp ứng của vi cảm biến PANi/GOx (A) và
PANi/MWCNTs/GOx (B) khi thêm glucôzơ vào hệ điện hóa (E = +0,7
V)
92
Hình IV.5. Đường đặc tuyến dòng đáp ứng của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/GOx khi thêm glucôzơ vào hệ điện hóa (E = 0,7 V)
93
Bảng IV.1. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm glucôzơ vào hệ điện
hóa
94
Hình IV.6. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx trong
dải nồng độ 1÷ 9 mM
94
Bảng IV.2. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx 95
Hình IV.7. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx sau các
khoảng thời gian khác nhau
96
Bảng IV.3. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx theo thời
gian
97
Hình IV.8. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/GOx (điện thế
áp = 0,7 V)
97
Hình IV.9. Đáp ứng dòng của vi cảm biến sinh học PANi-Fe3O4/GOx
và PANi/GOx tại điện thế +0,7 V trong dung dịch PBS (pH = 7) khi
thêm liên tiếp 0,5 mM glucôzơ sau mỗi 50 s
98

15. x
Hình IV.10. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/GOx 99
Hình IV.11. Phổ điện hóa SWV đặc trưng cho các lớp vật liệu của vi
cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx (thông số: tần số = 12,5 Hz, tốc độ
quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ xung = 5 mV, dải thế = -0,6
÷ 0,65 V trong dung dịch HCl 0,1M)
100
Hình IV.12. Đáp ứng dòng ra của vi cảm biến PANi-
Fe3O4/Graphen/GOx khi thêm liên tiếp các nồng độ của glucôzơ (E =
0,7 V, nhiệt độ phòng, không có khuấy, dung dịch đệm 50mM PBS 1x)
101
Hình IV.13. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx
theo nồng độ glucôzơ
102
Bảng IV.4. So sánh tính chất của các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa
xác định nồng độ glucôzơ trên cơ sở vật liệu khác nhau
103
Hình IV.14. Ảnh FE-SEM màng PANi/CNTs đã cố định ChOx theo
phương pháp liên kết chéo sử dụng glutaraldehít (a) phóng đại 10.000
lần và (b) phóng đại 50.000 lần
103
Hình IV.15. Phổ tổng trở của điện cực PANi/MWCNTs/ChOx (đường
a) và điện cực Pt/PANi/MWCNTs (đường b) (thông số dòng xoay chiều:
tần số f= 0,01 ÷ 105
Hz, Uo=5 mV trong dung dịch PBS 50 mM)
104
Hình IV.16. Phổ CV của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx trong dung
dịch PBS 50 mM (a) không có cholesterol; (b) 0,05 mM cholesterol; (c)
0,1 mM cholesterol và (d) 0,2 mM cholesterol (thông số: dải thế = -0,9
÷ 0,8 V, tốc độ quét = 50 mV, bước thế = 10 mV)
105
Hình IV.17. Đặc trưng đáp ứng dòng theo thời gian của vi cảm biến
PANi/MWCNTs/ChOx khi thêm liên tiếp cholesterol vào dung dịch
PBS 50 mM (pH = 7) tại điện áp -0,3 V (vs Ag/AgCl)
106

16. xi
Bảng IV.5. Chênh lệch cường độ dòng khi thêm cholesterol vào hệ điện
hóa
107
Hình IV.18. Đường chuẩn của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx 107
Hình IV.19. Độ đặc hiệu của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx 108
Bảng IV.6. Độ nhạy của vi cảm biến PANi/MWCNTs/ChOx 109
Hình IV.20. Phổ điện hóa CV của cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong
dung dịch PBS 50 mM có 0,5 mM cholesterol với các tốc độ quét thay
đổi từ 10 ÷ 100 mV/s với bước thế 10 mV (đường a tới j) trong dải thế -
0,6 V ÷ + 0,6 V
110
Hình IV.21. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx trong PBS 50
mM khi không có cholesterol và khi có 0,5 mM cholesterol (thông số:
dải thế -0,6 V ÷ +0,6 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV)
111
Hình IV.22. So sánh khả năng đáp ứng dòng của cảm biến PANi/ChOx,
PANi-Fe3O4/ChOx và PANi/Fe3O4/ChOx- Fe3O4
112
Hình IV.23. Cơ chế phản ứng thủy phân cholesterol trên vi cảm biến
sinh học điện hóa PANi-Fe3O4/Fe3O4-ChOx
112
Hình IV.24. Đặc tuyến đáp ứng dòng với các nồng độ cholesterol (0,19
mM) được thêm vào của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi-
Fe3O4/ChOx-Fe3O4
113
Hình IV.25. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi-
Fe3O4/ChOx-Fe3O4
113
Hình IV.26. Đường đáp ứng dòng của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi-Fe3O4/Graphen/ChOx với các nồng độ cholesterol trong dung
dịch (hình nhỏ: đường đặc tuyến của cảm biến cholesterol)
114
Bảng IV.7. So sánh tính chất của các vi cảm biến sinh học điện hóa xác
định hàm lượng cholesterol trong dung dịch
116

17. xii
Hình IV.27. Đồ thị SWV khi xử lí với EDC/NHS (đường 1), khi gắn với
aptamer HPV-16-L1 với nồng độ 5x10-8
M (đường 2) và khi hình thành
phức hợp HPV-16-L1 với kháng nguyên HPV (đường 3- 7) (thông số:
tần số = 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10 mV, biên độ
xung = 5 mV, dải thế = -0,6 V ÷ 0,5 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
116
Hình IV.28. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh học điện hóa
PANi/MWCNTs theo nồng độ HPV trong dải 10-80 nM
117
Hình IV.29. Đồ thị SWV sau khi được xử lí với EDC/NHS (đường 1);
sau khi gắn với aptamer 5.10-8
M HPV-16-L1 (đường 2) và sau khi tạo
phức hợp với 5.10-8
M kháng nguyên OVA (đường 3) (thông số: tần số
= 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế = 10mV, biên độ xung =
5mV, dải thế = -0,6V ÷ 0,5V trong dung dịch HCl 0,1M)
118
Hình IV.30. Nguyên lý chế tạo và ứng dụng vi cảm biến Aptasensor xác
định AFM1 trong sữa
119
Hình IV.31. Phổ CV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: dải thế = -0,2 V ÷ 1,0 V, tốc độ quét = 50
mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
120
Hình IV.32 Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
AFM1 khác nhau (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s,
bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1
M)
121
Hình IV.33. Kết quả đo SWV của vi cảm biến với mẫu đối chứng OTA
(thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV,
dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
122
Bảng IV.8. So sánh các phương pháp xác định nồng độ AFM1 trong
dung dịch
123

18. xiii
Hình IV.34. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến sinh học điện hóa
PDAN-Fe3O4 (thông số: dải thế = -0,02 ÷ 0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s,
bước thế = 10 mV trong dung dịch PBS 1x)
124
Hình IV.35. Đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực theo nồng độ lactozơ
của vi cảm biến sinh học điện hóa PDAN/Fe3O4 (E = 0,4V)
125
Hình IV.36. Đường chuẩn của vi cảm biến PDAN-Fe3O4 theo nồng độ
lactôzơ trong dung dịch
126
Hình IV.37. Độ hoạt động điện hóa của vi cảm biến Graphene/PDAN
(thông số: dải thế: -0,02 V÷0,95 V, tốc độ quét = 50 mV/s, bước thế =
10 mV trong dung dịch PBS 1x)
127
Hình IV.38. Đường chuẩn của vi cảm biến Graphene/PDAN theo nồng
độ lactôzơ trong dung dịch
128
Hình IV.39. Mô hình bề mặt vi điện cực làm việc PANi-Fe3O4 được cố
định đầu dò sinh học -ATZ của vi cảm biến
129
Hình IV.40. Tính chất điện hóa của vi cảm biến PANi-Fe3O4 trước và
sau khi gắn Anti-ATZ (thông số: dải thế = -0,6 V÷ +0,65 V, tốc độ quét
= 50 mV/s, bước thế = 10 mV trong dung dịch HCl 0,1 M)
129
Hình IV.41. Phổ SWV của vi cảm biến PANi-Fe3O4 với các nồng độ
khác nhau của Atrazin (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50
mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch
HCl 0,1 M)
130
Hình IV.42. Xác định sự nhả ATZ trên bề mặt cảm biến bằng phương
pháp SWV (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước
thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
131
Hình IV.43. Đường chuẩn của cảm biến PANi-Fe3O4/Anti-Atrazin 132

19. xiv
Hình IV.44. Nguyên lý chế tạo và hoạt động của vi cảm biến sinh học
điện hóa PANi/Graphen xác định dư lượng thuốc BVTV Atrazin
133
Hình IV.45. Tín hiệu đáp ứng SWV của vi cảm biến PANi/Graphen với
các nồng độ Atrazin trong dải từ 10-11
đến 10-7
M (thông số: tần số quét
12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷
+0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)
135
Hình IV.46. Đường chuẩn đáp ứng dòng ra tại điện áp +0,57 V của vi
cảm biến PANi/Graphen trong dải nồng độ của ATZ từ 10-11
đến 10-7
M
135
Bảng IV.9. So sánh một số cảm biến điện hóa xác định hàm lượng
Atrazin
136

20. xv
DANH MỤC VIẾT TẮT
ADN Acid Deoxyribonucleic Axít deoxyribonucleíc
AFM Atomic Force Microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử
AFM1 Aflatoxin M1 Độc tố Aflatoxin M1
APT Aptamer Aflatoxin M1 Chuỗi aptame Aflatoxin M1
ARN Acid Ribonucleic Axít ribonucleíc
ATZ Atrazine Thuốc BVTV Atrazin
BSA Bovine serum albumine Huyết thanh bò
CNT Carbon nanotubes Ống nano cácbon
CSA Camphorsulfonic acid Axít Camphorsulfoníc
CV Cyclic Voltammetry Vôn-Ampe tuần hoàn
CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha hơi hóa học
ChOx Cholesterol oxidase Enzym Cholesterol oxidase
DAN Diaminonapthalene Diaminonapthalen
DBSA Doecyl benzensulfonic acid Axít Doecyl benzensulfoníc
DI Deionized Nước khử ion
DRIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòn sâu bằng phản ứng
ion
EB Emeraldin base Dạng bazơ emeraldin
EDC
N-(3-dimethylaminopropyl)-N-
ethylcarbodiimide hydrochloride
N-(3-dimethylaminopropyl)-
N-ethylcarbodiimide
hydrochlorít
ELISA Enzyme-linked immunosorbent
assays
Xét nghiệm miễn dịch enzym
pha rắn
ES Emeraldin Salt Dạng muối emeraldin
FESEM Field Emission Scanning Electron
Microscopy
Kính hiển vi điện tử quét
phát xạ trường
FET Field Effect Transistor Tranzitơ hiệu ứng trường

21. xvi
FTIR Fourier Transform Infrared Phổ hấp thụ hồng ngoại biến
đổi chuỗi Fourier
GA Glutaraldehyde Glutaraldehít
GOx Glucose oxidase Enzym Glucose oxidase
HMDS Hexamethyldisilazane Hexamethyldisilazan
HPV Human Papilloma Virus Virút gây u nhú ở người
HRTEM High Resolution Transmission
Electron Microscopy
Kính hiển vi điện tử truyền
qua độ phân giải cao
ICP Intrinsically Conducting Polymer Polyme dẫn thuần
IDE Interdigitated electrodes Điện cực cấu trúc răng lược
IPA Isopropanol Rượu Isopropanol
ISFET Ion Selective Field Effect
Transistor
Tranzitơ hiệu ứng trường
chọn lọc ion
KLH Keyhole limpet haemocyanin Keyhole limpet haemocyanin
LB Leucoemeraldin base Dạng bazơ Leucoemeraldin
LOD Limit of detection Giới hạn phân tích
LOQ Limit of quantitation Giới hạn định lượng
MEMS Micro ElectroMechanical System Hệ thống vi cơ điện tử
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor
Field Effect Transistor
Tranziơ hiệu ứng trường kim
loại-ôxít-bán dẫn
MWCNTs Multi Wall Carbon NanoTubes Ống cácbon nano đa vách
NHS N-hydroxysuccinimide N-hydroxysuccinimít
OLED Organic Light Emitting Diode Điốt phát quang hữu cơ
OTA Orchratoxin A Độc tố Orchratoxin A
PANi Polyaniline Polyanilin
PB Polypernigranilin base Dạng bazơ Polypernigranilin
PBS Phosphate buffer saline Đệm phốt-phát
PCR Polymerase chain reaction Phản ứng nhân chuỗi polyme
PDAN Polydiaminonaphthalene Polydiaminonaphthalen

22. xvii
PMMA Poly(methyl methacrylate) Poly(methyl methacrylate)
PVD Physical Vapor Deposition Lắng đọng pha hơi vật lý
QCM Quartz Crystal Microbalance Vi cân tinh thể thạch anh
SELEX Systematic Evolution of Ligands
by Exponential Enrichment
Quy trình chọn lọc gen
SELEX
SPE Screen printed electrode Điện cực in lưới
SPR Surface Plasmon Resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt
SWV Square Wave Voltammetry Vôn-Ampe xung sóng vuông

23. xviii
MỞ ĐẦU
Hiện nay, cảm biến sinh học được xem như một thiết bị đầy tiềm năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như: sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, vệ sinh an toàn thực
phẩm, bảo vệ môi trường và an toàn trong công nghiệp.v.v. Cảm biến sinh học là
thiết bị sử dụng các thành phần sinh học đặc trưng kết hợp với bộ chuyển đổi tín
hiệu để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất.
Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và phát triển cấu trúc, dễ
tích hợp với các phần tử của vi hệ thống, dễ chế tạo. Các điện cực làm việc, điện cực
đối, điện cực so sánh đều được tích hợp trên một chip, giúp giảm thể tích và khối
lượng của mẫu cần phân tích do kích thước điện cực giảm. Các phần tử của vi cảm
biến điện hóa đều được chế tạo trên công nghệ Vi điện tử nên dễ đóng gói, tăng độ
ổn định và độ lặp lại.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên
cơ sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối
lượng, áp suất, điện hóa… So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối lượng, áp
suất, vi cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng công nghệ
MEMS nên kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo số lượng lớn làm giảm giá thành, có cấu
trúc đơn giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh-vi van-vi bơm hơn, dễ đóng gói
hơn, dễ sử dụng các phương pháp điện hóa để kiểm tra tính chất của thiết bị. Tại
Việt Nam, một số kết quả ban đầu về chế tạo và phát triển cảm biến sinh học đã
được công bố bởi các đơn vị nghiên cứu trong nước. Tóm lại, hướng nghiên cứu
phát triển các vi hệ thống điện hóa ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và quan trắc
môi trường đang được quan tâm và đầu tư mạnh tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ cùng dân số gần
90 triệu người, triển vọng về phát triển các thiết bị, các vi hệ thống điện hóa sử dụng
vật liệu cấu trúc nano có giá trị thúc đẩy khoa học công nghệ và ý nghĩa kinh tế xã
hội sâu sắc. Trên cơ sở khoa học và yêu cầu thực tiễn đó, tôi lựa chọn thực hiện luận
án “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”.

24. xix
Vấn đề đặt ra cho luận án này là phải nghiên cứu chế tạo phát triển và thử nghiệm
các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa nền (platform) có chế độ hoạt động đơn giản,
thời gian đáp ứng nhanh, độ chính xác cao, dễ dàng tùy biến cấu trúc, dễ dàng tích
hợp linh kiện. Với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện
hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn biến tính vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện công
nghệ hiện có ở trong nước, luận án đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết
kế hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp (lần đầu tiên ở Việt Nam) phù hợp với điều
kiện công nghệ hiện có, tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến, khảo sát các
tính chất đặc trưng của cảm biến đã chế tạo, thử nghiệm phân tích một số chỉ tiêu
trong y sinh, chất ô nhiễm môi trường và chất trong an toàn thực phẩm. Trên cơ sở
đó, rút ra được những kết luận về khả năng chế tạo – phát triển và ứng dụng hệ vi
cảm biến này trong những điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước. Từ những mục
tiêu đặt ra của luận án, nội dung chính của luận án sẽ được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan
Trong chương này, tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa sẽ được trình bày về
định nghĩa, cấu trúc, các tính chất và ứng dụng; các vật liệu polyme dẫn ứng dụng
trong cảm biến sinh học điện hóa cũng được mô tả; từ đó lựa chọn vật liệu cho cảm
biến thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có ở trong
nước.
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vi cảm biến sinh học điện hóa
Trong luận án này, hệ vi cảm biến điện hóa chủ yếu được thực hiện tại Viện Khoa
học vật liệu và kết hợp một phần tại các phòng thí nghiệm nước ngoài. Các kỹ thuật
thực nghiệm trong quy chế tạo vi cảm biến điện hóa: thiết kế chế tạo hệ vi điện cực
tích hợp, trùng hợp điện hóa màng polyme dẫn và biến tính màng, cố định các phần
tử sinh học lên bề mặt màng, các kỹ thuật phân tích được trình bày trong chương
này.
Chương 3: Nghiên cứu phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu
polyme dẫn

25. xx
Các kết quả về chế tạo, phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa sử dụng các màng
polyme dẫn (PANi, P(1,5-DAN) được biến tính/pha tạp với các vật liệu nano (như
ống CNT, hạt nano Fe3O4, màng graphen) sẽ được trình bày và thảo luận; bên cạnh
đó, các tính chất điện hóa và cấu trúc bề mặt của các màng nanocompozít này cũng
được khảo sát nghiên cứu.
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng các vi cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích
Các kết quả thử nghiệm ứng dụng vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng
Polyme dẫn (PANi và P(1,5-DAN)) được biến tính bằng vật liệu cấu trúc nano
(CNTs, Fe3O4, graphen) trong phân tích y-sinh, kiểm soát ô nhiễm môi trường và an
toàn thực phẩm sẽ được trình bày và thảo luận đánh giá trong chương này.
Kết luận chung

26. 1
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN
I. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA
I.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa
Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp phần tử cảm nhận sinh học với thành
phần chuyển đổi tín hiệu (điện hóa, quang điện, quang hóa, từ trở....). Mô hình
và công nghệ chế tạo cảm biến sinh học đầu tiên được hai nhà khoa học Clark và
Lyons đưa ra vào năm 1962 [1]. Mô hình cảm biến sinh học này gồm điện cực ôxy-
hóa được cố định thành phần sinh học enzym trên bề mặt (của điện cực). Khi mật
độ glucôzơ trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất ôxy-hóa trên bề mặt
điện cực cũng giảm tương ứng. Sự thay đổi này cho phép xác định chính xác nồng
độ glucôzơ trong môi trường cần kiểm tra.
Hình I.1. Sơ đồ cấu tạo và chức năng của cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng cung
cấp những thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, gồm hai thành phần
chính là phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu
(transducer) (như biểu diễn trong Hình I.1 ở trên). Hoạt động của các cảm biến sinh
học dựa trên sự tương tác của các thành phần sinh học được cố định trên bề mặt bộ
chuyển đổi với thành phần sinh học cần phân tích, làm thay đổi các tín hiệu sinh hóa
HỆ VI ĐIỆN
CỰC TÍCH
HỢP
MÀNG
POLYME
CHỨC NĂNG
HÓA
PHẦN TỬ
ĐẦU DÒ
SINH HỌC
CHẤT
PHÂN
TÍCH

27. 2
ở lân cận bề mặt chuyển đổi. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ được nhận biết bằng bộ
chuyển đổi tín hiệu và được hiển thị bằng tín hiệu điện, quang, cơ hoặc nhiệt ở đầu
ra của cảm biến. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết
được một loại đối tượng phân tích theo nguyên tắc khóa – chìa; nếu không có đối
tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi
tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. Vì vậy, cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao
(tính đặc hiệu sinh học có thể đạt 100 %). Cảm biến sinh học có thể được phân loại
dựa trên thành phần cảm nhận sinh học hoặc bộ phận chuyển đổi. Nếu dựa trên thành
phần cảm nhận sinh học, chúng ta có thể chia cảm biến thành các loại như: cảm biến
enzym, cảm biến gen/ADN và cảm biến miễn dịch... Nếu dựa trên bộ phận chuyển
đổi thì chúng ta có thể chia cảm biến sinh học thành các loại: cảm biến điện hóa dựa
trên cơ sở các phép đo dòng, thế, hoặc độ dẫn của dung dịch; cảm biến quang trên
cơ sở phép đo huỳnh quang; cảm biến cơ dựa trên sự thay đổi khối lượng ở bề mặt,
cảm biến làm thay đổi tần số trong vi cân tinh thể thạch anh; cảm biến trên cơ sở
tranzitơ hiệu ứng trường...
Sau phát minh trên, các nhà khoa học liên ngành (Hóa học, Vật lý, Khoa học vật
liệu, Sinh học, Môi trường...) đã liên tục cùng nhau nghiên cứu phát triển nhằm hoàn
thiện công nghệ chế tạo cảm biến nhằm áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau phục vụ cuộc sống con người như ứng dụng trong cảnh báo sớm ô nhiễm môi
trường (phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu, phát hiện nồng độ kim loại nặng...), kiểm
soát an toàn thực phẩm (phát hiện độc tố trong thực phẩm, xác định hàm lượng chất
trong thực phẩm…) và phân tích y sinh (dùng cho chẩn đoán sớm các bệnh, định
lượng các thông số (máu, nước tiểu...) của cơ thể, kiểm soát các quá trình công nghệ
trong chế biến thực phẩm và công nghệ sinh học, sản xuất nông nghiệp...
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
Hoạt động của cảm biến sinh học gồm hai phần khá độc lập với nhau. Thành
phần vật lý chủ yếu là chuyển đổi tín hiệu của thành phần sinh học thành tín hiệu
điện hiển thị ở đầu ra. Khả năng xác định chất cần phân tích của cảm biến sinh học
là do tính chất đặc hiệu của thành phần sinh học (các phản ứng sinh – hóa) quyết

28. 3
định. Từ nguyên lý của quá trình nhận biết của phần tử sinh học, ta có nguyên lý
hoạt động của cảm biến sinh học. Khi có sự thay đổi tính chất của môi trường (pH,
nồng độ chất, độ dẫn…) thì thành phần sinh học sẽ xác định sự thay đổi của môi
trường thông qua các quá trình sinh học (trực tiếp hoặc gián tiếp). Thí dụ như: nếu
nồng độ cơ chất trong môi trường thay đổi thì cân bằng động học trong phản ứng
enzym thay đổi, từ đó người ta xác định được nồng độ cơ chất. Nếu trong môi trường
xuất hiện chất lạ thì phản ứng miễn dịch (immuno reaction) (thí dụ như dạng kháng
nguyên-kháng thể (antibody-antigen)) xảy ra và chúng ta xác định được chất đó là
gì, lượng bao nhiêu. Cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao là do tính chất đặc
hiệu của phản ứng sinh học. Một phản ứng sinh học chỉ xảy ra khi một loạt điều kiện
cùng tồn tại.
Cảm biến sinh học điện hóa là một loại cảm biến sinh học trong đó nguyên lý
hoạt động dựa trên các hiện tượng điện hóa xảy ra khi cho dòng điện đi qua bình
điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa – khử trên các điện cực, các hiện tượng trên
phụ thuộc vào các tính chất của điện cực và bản chất, nồng độ của các dung dịch
[2].
Ngày nay, cảm biến sinh học thường được chế tạo với công nghệ vi điện tử/vi cơ
điện tử để tạo thành những vi cảm biến có độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác cao.
Các vi hệ thống sử dụng vật liệu nano sinh học với kích thước hoạt động nhỏ hơn
micromet; ngoài khả năng tương thích sinh học cao, chúng còn phát huy được ưu
thế về diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, có thể làm tăng độ hấp thụ đặc hiệu trong các
phép phân tích y sinh. Với phân tích y sinh, các phép đo dựa trên các hiệu ứng vật
lý như sự thay đổi khối lượng, tính chất quang… đã được áp dụng trong các vi thiết
bị. Feng Liu và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo vi cảm biến ADN sử dụng vi cân trên
cơ sở tinh thể thạch anh QCM (Quartz Crystal Microbalance) xác định sự biến đổi
gen cấp độ 1 bazơ trong chuỗi ADN, dựa trên mối quan hệ giữa tần số dao động của
tinh thể quartz và đối tượng tương tác trên bề mặt cảm biến giúp tăng độ nhạy đạt
tới cỡ nM [3]. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng của
môi trường đo nên độ chọn lọc không cao, tỷ số SNR thấp. Bên cạnh đó, phương

29. 4
pháp phân tích quang học trên cơ sở hợp chất huỳnh quang, chấm lượng tử (quantum
dot) hoặc sử dụng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR – Surface Plasmon Resonance)
cũng được phát triển để xác định tương tác của chuỗi ADN hoặc protein [4]. Nhìn
chung, các phương pháp quang có độ chọn lọc và độ chính xác cao nhưng đòi hỏi
thiết bị đắt tiền, cấu hình thiết bị phức tạp, khó tích hợp để phát triển, khó thay đổi
cấu trúc của hệ thống. So với những phương pháp khác, phương pháp điện hóa được
đánh giá là có nhiều tiềm năng trong chế tạo và phát triển các vi cảm biến sinh học,
hay còn gọi là vi cảm biến sinh học điện hóa. Trong các loại cảm biến, hệ vi cảm
biến điện hóa tích hợp là một trong những hướng nghiên cứu được đầu tư phát triển
do các ưu điểm như: dễ dàng chế tạo với số lượng lớn, giá thành rẻ, dễ phát triển,
dễ tích hợp, độ bền cơ-lý-hóa tốt.
Vi cảm biến điện hóa là hệ cảm biến điện hóa có điện cực làm việc với một
trong các thông số kích thước nhỏ hơn 1 mm (tương tự như định nghĩa của vi hệ
thống cơ điện tử - MEMS). Vi cảm biến sinh học điện hóa cho phép chuyển đổi trực
tiếp tín hiệu sinh hóa là kết quả tương tác protein-protein, kháng nguyên-kháng thể,
ADN dò-ADN đích, enzym-cơ chất thành các tín hiệu điện. Hàm lượng chất cần
phân tích (protein, kháng nguyên, ADN đích) sẽ được xác định dựa trên sự biến đổi
tín hiệu ra (điện áp, dòng điện) tương ứng theo sự thay đổi tính chất điện hoặc điện
hóa của môi trường phân tích. Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, có khả
năng thay đổi thiết kế và phát triển cấu trúc, dễ tích hợp với các phần tử của vi hệ
thống, dễ chế tạo số lượng lớn bằng công nghệ CMOS/MEMS nên giá thành rẻ. Các
điện cực làm việc, điện cực đối, điện cực so sánh đều được tích hợp trên một chip,
giúp giảm thể tích và khối lượng của mẫu cần phân tích do kích thước điện cực giảm.
Các phần tử của vi cảm biến điện hóa đều được chế tạo trên công nghệ vi điện tử
hoặc vi cơ điện tử (CMOS/MEMS technology) nên dễ chế tạo số lượng lớn, giảm
giá thành và thuận lợi trong đóng gói chip, tăng độ ổn định và độ lặp lại.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên
cơ sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối
lượng, áp suất, điện hóa… Nhóm nghiên cứu của Roland Zengerle và cộng sự tại

30. 5
IMTEK (Đức) đã phát triển các vi cảm biến sinh học sử dụng vi kênh để điều khiển
và khống chế lượng mẫu phân tích, thời gian phân tích, xử lý tín hiệu [5-7]. Một số
nhóm đã tích hợp hệ vi kênh với bộ nguồn công suất trong cùng một chíp để tạo
thành vi hệ thống điện hóa hoàn chỉnh (Hiroaki Suzuki và cộng sự - 2019, I-Ming
Hsing và cộng sự - 2006…) [8-9]. So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối
lượng, áp suất, vi cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng
công nghệ MEMS nên kích thước nhỏ, có thể chế tạo số lượng lớn làm giảm giá
thành, có cấu trúc đơn giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh-vi van-vi bơm
hơn, dễ đóng gói hơn, dễ sử dụng các phương pháp điện hóa để kiếm tra tính chất
của thiết bị. Chính vì vậy, việc phát triển các vi hệ thống điện hóa đã và đang được
nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm sâu sắc, một số phòng thí nghiệm tập trung về lĩnh
vực chế tạo và tích hợp các thiết bị y sinh (W.B.Zimmerman và cộng sự - 2011,
R.Zengerle và cộng sự - 2017, A.J.Baeumer và cộng sự - 2009) [7,10-11]. Bên cạnh
đó, nhiều vi cảm biến điện hóa đã được các nhóm nghiên cứu phát triển thành thiết
bị phân tích: ứng dụng để xác định gen (Ian White và cộng sự – 2011) [12], vi hệ
thống cảm biến miễn dịch (DeVoe và cộng sự – 2018) [13], xác định độc tố trong
thực phẩm [14].
Tại Việt Nam, một số kết quả ban đầu về chế tạo và phát triển cảm biến sinh học
đã được công bố bởi các đơn vị nghiên cứu trong nước. Nhóm nghiên cứu tại Viện
ITIMS (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã phát triển cảm biến sinh học trên cơ
sở tranzitơ hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET – Ion Selective Field Effect
Transistor) và điện cực độ dẫn. Các cảm biến trên được ứng dụng để xác định độ pH
của dung dịch, dư lượng thuốc trừ sâu trong môi trường nước và phát triển cảm biến
ADN để phát hiện một số virus gây bệnh [15-16]. Nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ
thuật hóa học ((Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã phát triển cảm biến ADN
trên cơ sở vật liệu cấu trúc dây nano (CNTs, dây nano Ppy) xác định vi rút cúm A
[17-18] Cảm biến sinh học dựa trên cơ sở hiệu ứng Hall được nghiên cứu phát triển
tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội ứng dụng trong phân tích
y sinh [19-20]. Nhóm nghiên cứu cảm biến sinh học tại Phòng thí nghiệm Công nghệ

31. 6
nano (LNT – Lab. of Nannotechnology), Đại học Quốc gia TP HCM cũng có được
một số kết quả ban đầu trong chế tạo cảm biến sử dụng dây nano [21]. Nhóm nghiên
cứu tại Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã phát triển cảm biến sinh
học ứng dụng xác định chất định dạng tế bào ung thư [22-23]. Nhóm nghiên cứu tại
Trung tâm CETASD (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội)
đã nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn ứng dụng
trong phân tích dopamin [24-25] . Tóm lại, hướng nghiên cứu phát triển các vi hệ
thống điện hóa ứng dụng trong chẩn đoán sớm y sinh và quan trắc môi trường đang
được quan tâm và đầu tư mạnh tại nhiều quốc gia trên thế giới [26-27]. Trên cơ sở
khoa học và yêu cầu thực tiễn đó, chúng tôi lựa chọn thực hiện luận án “Nghiên cứu
chế tạo hệ vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng chẩn
đoán nhanh trong y-sinh”.
Cảm biến điện hóa cũng là một vật dẫn đặt trong môi trường nghiên cứu, nơi sẽ
xảy ra quá trình trao đổi điện tích giữa các hạt tích điện có mặt trong môi trường và
cảm biến, kết quả được chuyển thành tín hiệu điện. Cảm biến điện hóa được phân
thành nhiều loại như sau: cảm biến điện thế cực, cảm biến điện dẫn, cảm biến dòng
điện và cảm biến chọn lọc ion trên cơ sở tranzito hiệu ứng trường… [2]
I.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa
Cảm biến sinh học điện hóa được phân thành nhiều loại khác nhau dựa theo hiệu
ứng điện hóa như: cảm biến thế điện cực, cảm biến dòng điện, cảm biến độ dẫn, cảm
biến trên cơ sở hiệu ứng trường.
I.2.1. Cảm biến trên cơ sở thế điện cực
Khi nhúng một điện cực kim loại vào nước hoặc dung dịch, giữa điện cực và dung
dịch xuất hiện một điện thế được gọi là thế điện cực do điện tử được trao đổi giữa
điện cực và dung dịch gây nên phản ứng điện hóa. Sau một thời gian sẽ đạt tới trạng
thái cân bằng trong đó có phản ứng trao đổi:
Ox + ne → Rk
Phản ứng này xảy ra cùng tốc độ với phản ứng trao đổi ngược lại
Rk – ne → Ox

32. 7
trong đó Ox là chất oxy hóa, Rk là chất khử, ne là số điện tử trao đổi.
Khi nồng độ của dung dịch nhỏ, các nguyên tử kim loại ở dạng ion dương có một
phần đi vào dung dịch và làm cho dung dịch tích điện dương; trên bề mặt điện cực
sẽ tồn tại các điện tử âm nên điện cực tích điện âm đối với dung dịch. Khi nồng độ
của dung dịch lớn thì ngược lại, các ion dương tách ra ngay tại điện cực làm cho
điện cực có thế dương so với dung dịch. Tại thời điểm cân bằng, thành phần dung
dịch ở gần điện cực không thay đổi và điện cực đạt được thế cân bằng E. Thực tế
điện cực của một kim loại bất kỳ được quy ước xác định đối với thế của một điện
cực chuẩn là điện cực Hydro. Song do không thể chế tạo được điện cực bằng khí H2
nên người ta đã chế tạo “điện cực Hydro kim loại” bằng cách chế tạo tấm Platin hấp
thụ khí Hydro trên bề mặt của nó để làm điện cực chuẩn. Điện thế cực của các chất
khác nhau đối với điện cực chuẩn không quá ± 3V. Điện thế cực ở nhiệt độ và nồng
độ bất kì được xác định theo định luật Nernst:
E = E0 + (RT/nF)ln(fc)
trong đó:
E0: thế chuẩn của điện cực (V);
n: hóa trị của ion;
R: hằng số khí lý tưởng (R = 8,371 J.mol-1
.K-1
);
T: nhiệt độ tuyệt đối (K);
F: hằng số Faraday (F = 965522 C/g.mol);
f: hệ số hoạt động của dung dịch
Ngoài thế điện cực trên biên của hai dung dịch còn có một hiệu điện thế gọi là
điện thế biên có độ lớn một vài mV tùy thuộc vào nồng độ dung dịch. Để giảm suất
điện động được tạo ra trên biên của hai dung dịch, người ta sử dụng khóa điện ly
trong đó sử dụng một số dung dịch như KCl hay KNO3.
Các cảm biến thế điện cực được sử dụng để đo nồng độ các ion trong chất điện
phân, các quá trình ôxy hóa – khử diễn ra trên các điện cực. Cảm biến thế điện cực
được sử dụng đo hoạt độ của các ion H+
, qua đó có thể xác định được thành phần
của các dung dịch cần nghiên cứu [2].

33. 8
I.2.2. Cảm biến dòng điện
Cảm biến dòng điện hoạt động nhờ dòng điện chạy qua mạch đo khi đặt hiệu điện
thế giữa hai điện cực, thường một điện cực là kim loại và một điện cực là chuẩn.
Cường độ dòng điện chạy qua giữa hai điện cực là hàm mật độ của các hạt điện tích
trong dung dịch và điện áp đặt giữa hai điện cực. Quan sát đặc trưng Von-Ampe khi
điện phân một dung dịch nào đó chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng nếu giữ một
điện thế EA không đổi giữa hai điện cực, tương ứng với giới hạn khuếch tán, thì dòng
điện đo được tỷ lệ với nồng độ oxy hóa hay chất khử trên điện cực đo. Giá trị dòng
đo được của cảm biến từ vài pA đến vài chục mA và phụ thuộc vào số lượng các hạt
tác động lên điện cực đo và vào bề mặt điện cực [2]. Trong luận án này, chúng tôi
đã nghiên cứu và phát triển các vi cảm biến sinh học điện hóa trên nguyên lý đo
dòng điện để ứng dụng xác định các chất trong phân tích y sinh, ô nhiễm môi trường
và kiểm soát an toàn thực phẩm.
I.2.3. Cảm biến độ dẫn
Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dẫn là dựa vào quan hệ giữa độ dẫn điện
của dung dịch với nồng độ và thành phần chất điện phân cũng như diện tích hiệu
dụng S và khoảng cách l giữa các điện cực [28]. Quan hệ đó được biểu diễn dưới
dạng biểu thức:
G = γ
trong đó: G – điện dẫn
l – khoảng cách giữa hai điện cực (cm)
γ – hệ số đặc trưng cho chất điện phân gọi là độ dẫn (s.cm-1
)
S – diện tích mặt cắt của điện cực (cm2
)
Cấu tạo của cảm biến gồm hai điện cực có diện tích bề mặt là S được nhúng vào
dung dịch cần đo và cách nhau một khoảng l. Thông thường cảm biến được chuẩn
bằng cách đo độ điện dẫn G0 của chất điện phân đã biết trước độ dẫn γ0 với S và l
không thay đổi.
K = và γ = k.G

34. 9
Qua đó ta thấy khi đo độ điện dẫn G của một chất điện phân, ta có thể xác định
được độ dẫn γ của nó.
Để tránh hiện tượng phân cực trong quá trình đo và sự điện phân làm thay đổi
điện trở, người ta sẽ sử dụng nguồn điện xoay chiều với tần số thích hợp (50 Hz đến
hàng chục kHz) để loại trừ các nhiễu gây sai số.
I.2.4. Cảm biến hiệu ứng trường
Một trong những vi cảm biến điện hóa được ứng dụng rộng rãi hiện nay là sử
dụng các cảm biến dựa trên tranzitơ trường (như biểu diễn trong Hình I.2 dưới đây)
[29].
Hình I.2: Sơ đồ của MOSFET (trái) và mạch điện tương đương (phải)
Như ta đã biết, dòng điện máng ID của một MOSFET kênh n ở vùng tuyến tính
(VGS > Vr; VDS<VGS – VT) được biểu diễn dưới dạng:
ID = βVDS
Sự cân bằng tương ứng khi ở trạng thái bão hòa (VGS > Vr; VDS<VGS – VT). Dòng
điện ID có dạng:
ID = βVDS
trong đó: β =
VGS: hiệu điện thế đặt giữa cực cổng và cực nguồn
VT: điện áp ngưỡng
ID: dòng điện máng
μ: độ linh động của điện tử trong kênh
Cox: điện dung của cực cổng trên đơn vị diện tích
VG VDS
ID

35. 10
W: độ rộng kênh
L: chiều dài kênh
I.3 Một số tính chất của cảm biến sinh học điện hóa
Dưới đây là một số tiêu chí đánh giá chất lượng cũng như các yêu cầu đối với
cảm biến sinh học:
a) Độ chính xác: Độ chính xác thể hiện ở khả năng xác định đúng chất quan tâm,
không bị lẫn lộn với các chất khác. Độ chính xác còn được thể hiện ở khả năng định
lượng chính xác chất cần phát hiện. Đây là ưu điểm rất nổi trội của cảm biến sinh
học do chúng thường có độ chính xác (độ chọn lọc) rất cao (1-1) đối với chất cần
phân tích do bản chất của phản ứng nhận dạng sinh học.
b) Độ nhạy: Độ nhạy cũng là một tiêu chí rất quan trọng, nó thể hiện lượng chất
nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện. Chúng ta chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ
đầu dò sinh học trên bề mặt cảm biến để xác định hàm lượng dạng vết của chất cần
phân tích trong môi trường đo.
c) Giới hạn đo: Giới hạn đo là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất mà cảm biến có thể đo
được.
d) Tốc độ hồi đáp: Tốc độ hồi đáp là khoảng thời gian nhỏ nhất để phát hiện, định
lượng chất cần phân tích của cảm biến. Đây là một trong những tính chất của cảm
biến mà người ta đang tập trung cải tiến.
e) Khả năng tái sử dụng: Cho đến nay, hầu hết các cảm biến sinh học nói chung
và cảm biến sinh học điện hóa nói riêng chỉ dùng được một lần do khi các tác nhân
bắt cặp với đầu dò sinh học, rất khó để tách các tác nhân này ra và tạo thành đầu dò
“sạch” như lúc ban đầu. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đang cố gắng giảm
giá thành các sản phẩm dùng một lần và nghiên cứu chế tạo sản phẩm có thể dùng
nhiều lần (tái sử dụng).
f) Khả năng tự chuẩn hóa và độ thuận tiện, độ an toàn trong sử dụng: Các cảm
biến sinh học sẽ được sử dụng phổ biến ngoài phòng thí nghiệm do đó tiêu chí dễ sử
dụng và an toàn cũng rất quan trọng.

36. 11
g) Giá thành: Hiện nay cảm biến sinh học thường chỉ sử dụng được 1 lần do đó
cần thiết phải giảm giá thành
II. VẬT LIỆU POLYME DẪN SỬ DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC
ĐIỆN HÓA
Từ những phát hiện ban đầu của Hideki Shirakawa - Viện Công nghệ Tokyo, Nhật
Bản về polyme dẫn điện vào những năm 70 của thế kỷ trước. Polyme dẫn điện thuần
(Intrinsically Conducting Polymer – ICP) ngày càng thu hút các nhà khoa học tập
trung nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ghi nhận
những người đã có công khám phá và phát triển polyme dẫn, Viện Hàn lâm Quốc
gia Thụy Điển đã trao giải Nobel Hóa học (năm 2000) cho các giáo sư A.G.
MacDiarmid, A.J. Heeger và H. Shirakawa [30].
Polyme dẫn thường được phân ra làm ba loại chính [31]:
+ Các polyme dẫn thuần điện tử (electrically conducting polymer): là polyme có
mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, không có sự tích tụ điện tích một cách đáng kể.
Các polyme loại này bao gồm các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyacetylen),
các polyme liên hợp vòng thơm (như polyanilin) và các polyme dị vòng (như
polypyrol)... Các polyme dẫn điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì
tính dẫn trên một vùng điện thế rộng. Vùng dẫn này bị khống chế mạnh bởi bản chất
hoá học của polyme và hơn thế nữa nó có thể bị khống chế bởi cả điều kiện tổng hợp.
C
C
H
C
C
H
C
HH H
C
H
C
C
H
C
H H
Polyacetylen
N
H
*
N
H
*
n
Polypyrol
* NH NH N N
y 1-y n
Polyanilin
Hình I.3. Một số polyme dẫn điện tử
+ Các polyme oxy hoá – khử (Redox polyme): là các polyme có chứa nhóm hoạt
tính oxy hoá khử liên kết với mạch polyme không hoạt động điện hoá (như trong

37. 12
Hình I.4). Trong các polyme loại này, sự vận chuyển điện tử xảy ra thông qua quá
trình tự trao đổi điện tử liên tiếp giữa các nhóm oxy hoá khử gần kề nhau. Quá trình
này gọi là chuyển điện tử theo bước nhảy (electron hopping).
N
CH3
CH CH2* *
n
Fe
C* CH2 *
n
Poly(2-methyl-5-
vinylpyridine)
Poly vinylferrocene
Hình I.4. Một số polyme oxy hóa khử thông dụng
+ Các polyme trao đổi ion (Ion exchange polyme): là loại polyme có các cấu tử
hoạt tính oxi hóa khử liên kết tĩnh điện với mạng polyme dẫn ion. Các cấu tử oxi
hóa khử là các ion trái dấu với chuỗi polyme tĩnh điện. Khi đó, sự vận chuyển điện
tử có thể do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxi hóa khử cố định hoặc do sự
khuếch tán vật lý một phần các dạng oxi hóa khử kèm theo sự chuyển điện tử.
Hình I.5. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridine)
Riêng với nhóm polyme dẫn điện tử, do có hệ thống các liên kết đôi xen kẽ, trải
dài trên toàn mạch, các điện tử  trở lên linh động, có thể di chuyển dọc theo chiều
dài chuỗi polyme theo hệ thống liên kết đôi liên hợp (hệ thống liên kết  mở rộng)
nhờ sự xen phủ các obital  nên sự dịch chuyển điện tích trong chuỗi polyme loại
này là lớn, không có sự tích tụ cục bộ điện tích; nhờ đó polyme dẫn điện tử có độ
dẫn cao nhất trong họ polyme dẫn và nó có khả năng duy trì tính dẫn trên một vùng
điện thế rộng, vì vậy nó được quan tâm nghiên cứu rộng rãi [32-33]. Tính chất về
độ dẫn, khả năng gia công chế tạo của một số polyme dẫn được trình bày trong bảng
I.1 dưới đây.

38. 13
Bảng I.1: Tính chất một số polyme dẫn thông dụng
Polyme Độ dẫn
(Ω-1
cm-1
)
Độ ổn
định
Khả năng gia công
chế tạo
Polyacetylen 103
÷105
kém Hạn chế
Polyphenylen 1000 Kém Hạn chế
Polyphenylene sulfide 100 Kém Rất tốt
Poly(p-phenylene vinylene) 1000 Kém Hạn chế
Polypyrol 100 Tốt Tốt
Polythiophen 100 Tốt Rất tốt
Polyanilin 10 Tốt Tốt
Poly(diaminonaphthalene) 10 Tốt Tốt
Trong luận án này, hai loại polyme dẫn điện tử (PANi và PDAN) đã được nghiên
cứu trùng hợp và biến tính để phát triển cảm biến sinh học điện hóa nhờ các ưu điểm
của chúng: độ dẫn tốt, dễ dàng gia công, giá thành rẻ, có nhóm chức -NH2 trong
cấu trúc polyme để tạo liên kết với phần tử sinh học, độ ổn định và độ bền tốt. Bên
cạnh đó, nhằm tăng cường tính chất dẫn, độ hoạt động điện hóa của chúng, các vật
liệu cấu trúc nano cũng sẽ được sử dụng để pha tạp/biến tính với các polyme dẫn
trong chế tạo – phát triển các vi cảm biến sinh học điện hóa.
II.1 Giới thiệu về Polyanilin
Hiện nay, đa phần các nghiên cứu về phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên
cơ sở polyme dẫn trên thế giới đều tập trung vào polyme dẫn điện tử polyanilin
(PANi), polypyrol, polythiophen, polydiaminonaphthalen (PDAN) [32-33]. Đó là
do các polyme dẫn này đều thể hiện những tính chất cơ nhiệt tốt, độ dẫn cao và ổn
định với môi trường.
e
Hình I.6. Công thức cấu tạo của anilin
NH2 NH2

39. 14
Polyanilin (PANi) được tổng hợp từ các monome anilin có công thức C6H5NH2
(cấu trúc hóa học được thể hiện trong Hình I.6). Monome anilin là chất hữu cơ dạng
lỏng, không màu nhưng sẽ chuyển thành màu nâu khi gặp không khí (hoặc có ánh
sáng); Anilin có khối lượng phân tử 93,13 g/mol cùng các thông số kỹ thuật sau: tỷ
trọng là 1,022 g/cm3
, độ nhớt là 4,35 m.Pa.s (tại 20 0
C) và 1,62 m.Pa.s (tại 60 0
C),
độ tan là 3,7 g/100ml H2O. Anilin có nhiệt dung riêng là 2,06 J.g-1
.k-1
, nhiệt độ sôi
là 184 0
C tại áp suất 101,3 Kpa. Tính chất hóa học của anilin chủ yếu do có vòng
thơm và có nhóm NH2 với cặp điện tử hóa trị chưa tạo liên kết (tự do). Tuy nhiên
tính bazơ của anilin khá yếu (kb = 5,30.10-10
) vì cặp điện tử tự do này tham gia liên
hợp với hệ thống điện tử  của vòng benzen.
Gốc polyleucoemeraldin base (LB)
Muối polyleucoemeraldin salt (LS)
Gốc polyemeraldin base (EB)
Muối polyemeraldin salt (ES) (polaron)
Muối polyemeraldin salt (ES) (bipolaron)
Gốc polypernigranilin base (PB)
Hình I.7. Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái ôxy hóa
N NN N
H H H H
[ ]n
N NN N
H H H H
[ ]nH
+
N NN N
H H
[ ]n
N NN N
H H H H
[ ]n
. .+ +
N NN N
H H
[ ]n
HH
+ +
N NN N
[ ]n

40. 15
Polyanilin được xây dựng bởi các đơn vị cơ sở chứa bốn vòng quinon hoặc benzen
cách nhau bởi nguyên tử N. Tương ứng với tỉ lệ số vòng quinon/ số vòng benzen
khác nhau có các dạng polyanilin khác nhau như: Gốc polypernigranilin (PB), poly
leucoemeraldin (LB), gốc polyemeraldin (EB), muối poly emeraldin (ES) [34].
Khi proton hóa hay ôxy hóa thì các dạng PANi chuyển giao lẫn nhau (như thể
hiện trên Hình I.7). Khi phân cực trong môi trường axit, theo chiều tăng của thế, ta
thấy xuất hiện sự chuyển đổi các dạng của PANi theo trình tự: LB trong suốt → LS
(LB proton hóa) hơi vàng trong suốt → EB xanh lam → ES xanh lục → PB màu tía.
 Cơ chế tổng hợp polyanilin
Cùng với nhiều phương pháp tổng hợp polyanilin là nhiều cơ chế để giải thích
quá trình polyme hóa của anilin, các nghiên cứu tập trung vào cơ chế polyme hóa
điện hóa và so sánh với cơ chế hóa học. Tuy nhiên cơ chế tổng hợp của hai phương
pháp này cũng gần giống nhau. Cơ chế tổng hợp trong các phương pháp trên cũng
phù hợp với quá trình trùng hợp; do đó nó được tiến hành từng bước. Bước ôxy hóa
đầu tiên tương ứng với dạng cation gốc, với sự chuyển dịch của một điện tử ở mức
năng lượng 2s của nguyên tử N, sự chuyển dịch điện tử xảy ra với bất cứ giá trị pH
nào. Với sự hiện diện của chất xúc tác, phản ứng sẽ được tiến hành mạnh hơn, sau
đó nó sẽ được xảy ra liên tục với quá trình tự xúc tác.
Cation gốc anilin có ba dạng (như biểu diễn trong Hình I.8). Trong các dạng này,
dạng (2) là dạng hoạt động nhất với sự cản trở về mặt không gian nguyên tử là ít
nhất, do đó nó có khả năng phản ứng nhiều nhất.
Hình I.8. Các dạng cộng hưởng của cation gốc anilin
Tiếp theo, trong môi trường axit, phản ứng giữa gốc cation và dạng 2 có thể xảy
ra và dạng dime tương ứng được tạo ra (như trong Hình I.9 dưới đây).

41. 16
Hình I.9. Dạng dime của anilin
Sau đó, dime này được oxy hóa để tạo thành dạng cation mới, được chỉ ra trong
hình I.10 dưới đây.
Hình I.10. Dạng cation gốc dime
Cation gốc mới này có thể phản ứng với các monome cation gốc hoặc với chính
bản thân nó để tạo thành dạng trime hoặc tetrame, rồi thành polyme polyanilin.
Hình I.11. Quá trình tạo thành polyme
Polyanilin cần được pha tạp nếu muốn trở thành polyme dẫn điện tử. Khái niệm
pha tạp ở đây tương tự như trong chất bán dẫn Si hay Ge được pha tạp với P hoặc
Bo. Các chất tạp hóa polyme dẫn gồm có các chất khử (donor) và chất ôxy hóa
(acceptor). Tùy từng tạp chất đưa vào ta sẽ thu được polyme loại n hoặc loại p.

42. 17
PANi là loại polyme dẫn đặc biệt do cơ chế dẫn của nó phụ thuộc vào sự ôxy hóa
của polyleucoemeraldin hoặc proton hóa polyemeraldin. Hai cơ chế này được tóm
tắt như trong Hình I.12 dưới đây.
Hình I.12. Cơ chế pha tạp của polyanilin trong môi trường HCl
Theo cơ chế trên, ta có thể tổng hợp được muối polyemeraldin – HCl, tuy nhiên
sản phẩm tạo ra kém hòa tan trong hầu hết các dung môi và độ dẫn điện của nó thay
đổi theo độ ẩm và nhiệt độ.
Một trong những phương pháp để cải thiện độ hòa tan của polyme dẫn và nhiệt
độ làm việc ổn định của nó là sử dụng các chất pha tạp khác thay cho HCl trong
dung dịch chứa monome, như axít poly acrylic hoặc các polyme khác, axít acrylic
(AA), muối lithium và axít voluminous, đặc biệt là axít sunfonic với cấu tạo mạch
dài như DBSA (doecyl benzensulfonic acid) hoặc CSA (camphorsulfonic acid) được
sử dụng như là các chất pha tạp vào dung dịch chứa monome [34].

43. 18
II.2 Giới thiệu về polydiaminonaphthalen
II.2.1 Poly(1,8-diaminonaphthalen)
Poly-diaminonaphthalen, được tổng hợp từ diamin thơm như 1,5-, 1,8- hoặc 2,3-
diaminonaphthalen bằng phương pháp trùng hợp ôxy hóa bằng điện hóa hoặc hóa
học, là một loại mới của vật liệu polyme đa chức năng tương tự như polyanilin và
polypyrol. Bên cạnh các tính chất như độ dẫn điện hóa, độ hoạt động điện hóa, độ
điện từ và độ điện phân, poly-diaminonaphthalen cũng có một số tính chất thú vị
khác có nguồn gốc từ các hoạt động hóa học của nhóm chức năng aminô trong cấu
trúc phân tử của chúng. Các ứng dụng của polyme dẫn điện tử trong thiết bị điện
tâm đồ, cảm biến sinh học và hóa học, cơ bắp nhân tạo, bộ chấp hành cơ bản dựa
trên nguyên lý quan trọng là những tính chất mới về hóa học, điện hóa, cơ-hóa điện
tử sẽ thay đổi đáng kể với phản ứng khử có thể đảo ngược dưới kích thích điện hóa.
Giống như một chức năng mới, polydiaminonaphthalen có tính chất tạo phức càng
cua và/hoặc tính khử nhờ các nhóm cho điện tử (các nhóm amino thứ cấp và amin).
Điều đó đã được minh chứng trong các kết quả nghiên cứu là Poly(1,8-
diaminonaphthalen) (P(1,8-DAN)) nhạy với các ion kim loại nặng và có khả năng
tách chiết một số ion kim loại nặng như Ag+
, Cu2+
, Hg2+
, Pb2+
, VO2+
, Cr3+
từ dung
dịch pha loãng của chúng với nồng độ ion thấp tới mức 1 M thông qua việc tạo
phức của các ion này với nhóm amin trong cấu trúc polyme. Do đó, màng PDAN
được sử dụng như là vật liệu chế tạo – biến tính bề mặt điện cực ứng dụng trong
phân tích chọn lọc kim loại (ăn mòn anốt) và phân tích vết – lượng nhỏ của hàm
lượng ion kim loại nặng [35-36].
II.2.2 Poly(1,5-diaminonaphthalen)
Poly(1,5-diaminonaphthalen) (hay P(1,5-DAN)) là polyme dẫn được tổng hợp từ
monome 1,5-diaminonaphthalen có công thức phân tử như sau:

44. 19
Hình I.13. Cấu trúc hóa học của 1,5-DAN
Monome 1,5-DAN có các thông số vật lý như: tỷ trọng: 1,4 g/cm3
, độ tan trong
nước: < 0,1 g/100 ml H2O ở 20,5 0
C
Poly (1,5–diaminonaphthalen) là polyme dẫn có nhiều ứng dụng trong thực tế như
chế tạo vật liệu phát quang, vật liệu điện cực có độ nhạy cao, chế tạo cảm biến có
hiệu suất cao, màng poly(1,5-diaminonaphthalen) hấp thụ mạnh các ion kim loại
nặng…
Hầu hết các poly-diaminonaphthalen đều được tổng hợp bằng phương pháp trùng
hợp điện hóa. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Xin-Gui Li, Jia-Li Zhang và Mei-
Rong Huang đã tổng hợp poly(1,5-DAN) bằng phương pháp trùng hợp oxi hóa hóa
học bằng cách phân tán 1,5-DAN vào dung dịch (NH4)2S2O8 với tỉ lệ số mol 1:1, tốc
độ khuấy 200 vòng/phút trong môi trường HNO3, 0 ÷ 30 phút [37].
Trong luận án này, màng P(1,5-DAN) sẽ được tổng hợp và pha tạp/biến tính bằng
phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ với kĩ thuật quét thế Vôn-Ampe tuần hoàn
(Cyclic Voltammetry – CV), thực hiện trên máy Autolab/PGSTAT30 để phát triển
cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phân tích an toàn thực phẩm.
Có giả thiết cho rằng monome 1,5-DAN đã tham gia phản ứng trùng hợp điện hóa
theo sơ đồ hình I.14:
Hình I.14. Sơ đồ trùng hợp điện hóa 1,5-DAN
N H 2
H 2N
N H
H 2N
*
n
 

 ne2

 nH2
n

45. 20
Do sự hiện diện của nhóm -NH2 trong phân tử sau khi trùng hợp, P(1,5-DAN) sở
hữu nhiều tính chất hóa lý đặc biệt. Khi được kết hợp với các vật liệu chức năng
thích hợp, P(1,5-DAN) có thể đóng vai trò như một chất xúc tác, chất hấp phụ bề
mặt hay làm vật liệu chế tạo cảm biến cảm biến sinh học. Do có tính chọn lọc cao
đối với các tác nhân sinh học nên P(1,5-DAN) là vật liệu rất thích hợp để chế tạo
cảm biến sinh học. Các cảm biến dựa trên vật liệu P(1,5-DAN) đã được sử dụng
trong việc phát hiện H2O2, axít domoic, axít uric, axít ascorbic và dopamin. Tuy
nhiên, nhược điểm của vật liệu này là độ nhạy và độ xốp kém. Vì vậy, nhiều nghiên
cứu đã tìm cách tăng độ dẫn của P(1,5-DAN) bằng pha tạp thêm ống nano cácbon
hay hạt vàng [36]. Trong chế tạo cảm biến, P(1,5-DAN) có thể được tổng hợp bằng
hóa học hay điện hóa. Tuy nhiên, phương pháp điện hóa được ưa chuộng hơn do
đơn giản, dễ kiểm soát và vật liệu tạo ra có độ bám dính trên điện cực tốt hơn.
Trong luận án này, vật liệu điện cực P(1,5-DAN) được biến tính bằng vật liệu cấu
trúc nano (màng graphene và hạt nano Fe3O4) nhằm tăng độ hoạt động điện hóa,
tăng diện tích bề mặt hiệu dụng của màng P(1,5-DAN), tăng mật độ nhóm chức năng
(-NH2, -COOH) trên bề mặt màng polyme; từ đó làm tăng mật độ đầu dò sinh học
được cố định trên bề mặt màng, tăng độ nhạy, dải tín hiệu đáp ứng, giảm thời gian
đáp ứng, thời gian hồi đáp của cảm biến.
II.3 Một số vật liệu cấu trúc nano được pha tạp/kết hợp với polyme dẫn
II.3.1 Hạt nano Fe3O4
Hiện nay, hạt nano từ tính Fe3O4 đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các
nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh học nhờ khả năng tương tác với từ
trường ngoài. Hơn nữa, hạt nano từ tính Fe3O4 có thể được điều chế một cách dễ
dàng với số lượng lớn bằng các phương pháp như: đồng kết tủa, thủy nhiệt, vi sóng...,
và các hạt Fe3O4 cũng được xác nhận là không gây độc đối với cơ thể. Các hạt nano
từ tính Fe3O4 được ứng dụng một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong
lĩnh vực y-sinh học. Chúng có thể được đưa vào cơ thể để phục vụ cho những mục
đích như dẫn thuốc đến tế bào ung thư, điều trị ung thư bằng nhiệt trị, tăng chất
lượng ảnh cộng hưởng từ. Các hạt ôxít sắt từ cũng có thể được sử dụng ở bên ngoài

46. 21
cơ thể như: cố định enzym, phân tích miễn dịch, phân tách các phần tử sinh học, làm
các cảm biến sinh học trong việc phát hiện bệnh … Đặc biệt, các hạt nano từ tính
này còn được dùng trong lĩnh vực làm giàu các thực thể sinh học như kháng nguyên,
kháng thể, protein, axít nucleic, …. và do đó có thể làm tăng độ nhạy trong các phân
tích y-sinh, và là một cơ sở để phân tích – chẩn đoán và phát hiện bệnh sớm.
Khả năng ứng dụng phong phú của các hạt nano ôxít sắt từ trong sinh học là do
một số nguyên nhân:
‐ Thứ nhất, đó là kích thước các hạt nano rất gần với kích thước của các thực thể
sinh học, điều này làm chúng có thể dễ dàng tiếp cận mà không gây ra những thay
đổi lớn trong hoạt động của các thực thể sinh học.
‐ Thứ hai, là các hạt nano có diện tích bề mặt hiệu dụng cực lớn trong một thể
tích rất nhỏ do đó làm tăng khả năng liên kết giữa chúng với các thực thể sinh học
và thuận lợi cho việc giảm kích thước của cảm biến.
‐ Thứ ba, là các hạt nano có từ tính nên chúng ta có thể dùng từ trường mà tác
động lên các thực thể sinh học thông qua “cầu nối” là các hạt nano từ tính.
‐ Thứ tư, hạt Fe3O4 được tạo ra có kích thước đồng đều, không gây độc với cơ
thể.
Do có kích thước nhỏ cỡ nano mét (1 nm = 10–9
m), vật liệu nano thường có tính
chất lý hóa khác xa so với tính chất của chúng ở dạng khối và do đó cách chúng thể
hiện và phản ứng lại với các thay đổi hóa lý cũng khác đi. Một trong những tính chất
đó chính là khả năng bị chức năng hóa hay nói cách khác là tự sắp xếp để thu hút
hay liên kết một số phân tử nào đó. Tính chất đặc biệt này của vật liệu nano làm cho
chúng phù hợp một cách tuyệt đối với những yêu cầu của cảm biến. Việc sử dụng
vật liệu nano để gắn chúng lên những cảm biến hiện nay sẽ làm tăng độ nhạy, độ
chọn lọc và tốc độ đáp ứng của thiết bị.
Việc sử dụng hạt nano Fe3O4 như một vật liệu để pha tạp vào polyme dẫn đem lại
các kết quả lý thú. Vật liệu nano compozít như là PANi/Fe3O4 có bề mặt hiệu dụng
lớn, có độ dẫn điện, độ bền cao, độ ổn định và thời gian sống lớn cao hơn hẳn so với

47. 22
polyme tinh khiết. Điều này là rất có ý nghĩa trong chế tạo cảm biến, đặc biệt là cảm
biến sinh học [27, 38].
II.3.2 Ống nano cácbon (CNTs)
Ống nano cácbon (CNTs – Carbon nanotubes) bao gồm các phân tử cácbon được
sắp xếp thành một hình trụ rỗng với cấu trúc tinh thể, mang lại độ bền đặc biệt lớn
cũng như trọng lượng rất nhẹ. CNTs có độ dày chỉ vài nm nhưng lại có thể được
tổng hợp dài tới vài mm. Sợi CNTs dài tới 18 mm đã được tạo ra, có 2 loại ống nano
cacbon là: đơn vách và đa vách. CNTs có diện tích bề mặt lớn, có khả năng hấp thụ
cao ngoài ra còn CNTs còn có độ cứng lớn, độ bền độ dẻo cao và dẫn điện tốt, có
khả năng dẫn điện theo phương vuông góc với mặt phẳng điện cực chính vì những
ưu điểm này nên CNTs được pha tạp vào polyme dẫn để tăng độ dẫn, độ bền và tăng
khả năng truyền dẫn điện tử của màng polyme dẫn [39].
II.3.3 Vật liệu graphen
Graphen được dùng để mô tả lớp vật liệu cácbon đơn nguyên tử phẳng, liên kết
theo cấu trúc dạng tổ ong. Graphen là dạng cấu trúc cơ bản nhất để tạo nên vật liệu
cácbon graphít ở các dạng khác như fulleren, ống nano cácbon hoặc graphít 3D (thể
hiện trong Hình I.15 dưới đây) [40].
Hình I.15. Cấu trúc của graphen (a); ảnh TEM (b) và SEM (c) của graphen
được tổng hợp bằng phương pháp khử graphen ôxít [40]

48. 23
Nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu
graphen do các tính chất lý hóa đặc biệt như diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện, dẫn
nhiệt và độ bền cơ học cao, dễ chức năng hóa và sản xuất với khối lượng lớn. Các
ứng dụng chính của graphen có thể kể đến như trong vật liệu điện tử, thiết bị năng
lượng như pin hoặc các hệ cảm biến điện hóa hoặc sinh học. Xuất phát từ những
tính chất rất đặc biệt của graphen như độ dẫn cao, độ bền cơ học, rất phù hợp cho
việc truyền tải nhanh những tín hiệu từ sinh học - hóa học qua tín hiệu vật lý,
graphen đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển và thử nghiệm gắn lên
các cảm biến điện hóa nhằm làm tăng độ nhạy của cảm biến, mở rộng dải đo, giảm
thời gian hồi đáp…[41]
III.ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA
Cảm biến sinh học có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như trình
bày dưới đây.
III.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ
Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất. Chúng ta có thể
kể ra rất nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng
glucôzơ/cholesterol trong máu, xác định chỉ số uric, chỉ dấu ung thư, … Những cảm
biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà
không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế. Ngày nay, các cảm biến dạng này
không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo
hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng [42-44].
III.1.1 Xác định nồng độ glucôzơ
Trong cơ thể người, glucid tồn tại dưới các dạng khác nhau như: glycogen,
glucôzơ... Trong đó, glucôzơ là dạng vận chuyển trong máu và các dịch cơ thể.
Chuyển hóa glucid cung cấp phần lớn năng lượng cho tế bào hoạt động đồng thời
cung cấp nhiều sản phẩm chuyển hóa trung gian quan trọng. Các glucid được chuyển
hóa (thủy phân) theo chu trình Krebs dưới tác dụng của các enzym thủy phân và sản
phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân là glucôzơ (Dglucôzơ), một phần nhỏ là
fructôzơ và galactôzơ. Glucôzơ trong máu dao động từ 3,36,0 mmol/l (hay 60120

49. 24
mg/dl). Glucôzơ trong máu tăng trong bệnh tiểu đường do tụy, tuyến yên, tuyến
giáp, thượng thận, bệnh thiểu năng gan, nhồi máu cơ tim. Với người mắc bệnh tiểu
đường thì glucôzơ trong máu (theo tiêu chuẩn y tế Việt Nam) thời điểm bất kỳ lớn
hơn 11 mmol/l (hay 200 mg/dl) hoặc lúc đói lớn hơn 7,0 mmol/l (hay 126 mg/dl)
[45].
Dưới tác dụng xúc tác đặc hiệu của enzym Glucose oxidase (GOx), trong dung
dịch có glucozơ sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa:
Lượng H2O2 hình thành được xác định bằng kỹ thuật đo dòng thời gian thực
(Amperometric) khi đặt điện thế bằng thế oxy hóa của H2O2 là +0,7 V [46-47]. Do
đó, dòng điện đo được tỷ lệ với lượng H2O2, do đó tỷ lệ với nồng độ glucôzơ trong
dung dịch.
III.1.2 Xác định nồng độ cholesterol
Cholesterol là một chất béo steroid, có ở màng tế bào của tất cả các mô trong cơ
thể, và được vận chuyển trong huyết tương của mọi động vật [48]. Hầu hết
cholesterol không có nguồn gốc từ thức ăn mà nó được tổng hợp bên trong cơ thể.
Cholesterol hiện diện với nồng độ cao ở các mô tổng hợp nó hoặc có mật độ màng
dày đặc, như gan, tuỷ sống, não và mảng xơ vữa động mạch. Cholesterol đóng vai
trò trung tâm trong nhiều quá trình sinh hoá, nhưng lại được biết đến nhiều nhất do
liên hệ đến bệnh tim mạch gây ra bởi nồng độ cholesterol trong máu tăng.
Xét nghiệm hàm lượng cholesterol là một trong những xét nghiệm cơ bản trong
quy trình khám sức khỏe tổng quát hiện nay. Do đó, việc phát triển các thiết bị phân
tích nhanh, nhỏ gọn là yêu cầu cấp thiết hiện nay trong khoa học và cuộc sống.
Phản ứng ôxy hóa cholesterol dưới tác dụng của ChOx tạo ra H2O2:
+
2 2 2H O O + 2H + 2e

50. 25
ChOx
2 2 2Cholesterol + O cholest-4-en-3-one + H O
o O
Tương tự như cảm biến glucôzơ, dòng điện tạo ra bởi phản ứng thủy phân
cholesterol và phân hủy H2O2 sẽ quan hệ tuyến tính với nồng độ cholesterol.
III.1.3. Xác định chuỗi DNA của virút HPV
Hiện nay, ung thư cổ tử cung là loại ung thư phổ biến thứ ba ở phụ nữ trên toàn
thế giới với ước tính có 529.00 trường hợp nhiễm mới hàng năm [49]. Vai trò của
virút gây u nhú ở người (HPV – Human papilloma virus) trong nguyên nhân gây tổn
thương tiền ung thư cổ tử cung và xâm lấn – phát triển khối u đã được xác định.
Virút này là một loại trong họ các virút gây u nhú ở người. Giống như tất cả các
virút gây u nhú, virút HPV chỉ lây nhiễm hiệu quả trong biểu bì của da hoặc màng
nhầy. Trong khi phần lớn trong số gần 200 chủng virút HPV được biết đến không
gây ra triệu chứng cụ thể trong hầu hết mọi người, một số loại có thể gây ra mụn
cóc, trong khi một số loại khác – trong các trường hợp thiểu số - sẽ gây ra ung thư
ở cổ tử cung, âm hộ, âm đạo và hậu môn ở phụ nữ hoặc ung thư ở hậu môn và dương
vật của nam giới. Việc lây nhiễm HPV tuýp nguy cơ cao có liên quan đến sự tăng
của ung thư cổ tử cung ở phụ nữ trên toàn thế giới. Chủng virút HPV có nguy cơ
gây ung thư cao phổ biến nhất là HPV16 và HPV18 [50]. Thực tế này cho thấy tầm
quan trọng trong việc phát hiện các phản ứng kháng thể của HPV trong các hoạt
động tình dục của người trẻ. Cho đến nay, hầu hết các phân tích huyết thanh, trong
trường hợp nhiễm trùng tự nhiên hoặc trong thử nghiệm vắcxin phòng bệnh, thường
dựa vào xét nghiệm miễn dịch liên kết enzym (ELISA – enzyme-linked
immunosorbent assays). Do các khó khăn và yêu cầu cao trong việc thực hiện các
xét nghiệm huyết thanh và HPV hiệu quả, một số thiết bị phân tích dựa trên nhận
biết phân tử đã được phát triển ứng dụng cho chẩn đoán các bệnh nhiễm do virút
HPV. Tuy nhiên, do tỷ lệ đột biến cao của virút, việc phát hiện virút HPV bằng
phương pháp khuếch đại chuỗi polyme (PCR – polymerase chain reaction) khá phức
tạp.

51. 26
III.2 Ứng dụng trong quan trắc môi trường
Các cảm biến dạng “mũi điện tử” được ứng dụng nhằm xác định một hoá chất
độc hại nào đó hoặc xác định độ ô nhiễm của môi trường như cảm biến xác định
nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ của
các kim loại nặng, ... [51-53]. Trong luận án này, các vi cảm biến sinh học điện hóa
đã được nghiên cứu chế tạo xác định hàm lượng thuốc BVTV Atrazin trong dung
dịch.
Atrazin (ATZ, 1-chloro-3-ethylamino-5-isopropylamino-2,4,6-triazine) là một
loại thuốc diệt cỏ được sử dụng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp như ngô và các
cây nông nghiệp khác [54]. Nguyên lý hoạt động của ATZ dựa trên liên kết của
quinine với liên kết của protein, ức chế sự vận chuyển điện tử và ngăn cản sự quang
hợp của cỏ dại. Kể từ khi được đưa vào sử dụng lần đầu năm 1958, người ta nghĩ
rằng các động vật sẽ miễn dịch với các tác dụng của Atrazin do sự quang hợp chỉ có
trong thực vật. Thuốc này được coi là an toàn cho người và chỉ gây hại cho động vật
như cóc và cá. Thuốc diệt cỏ Atrazin thông thường là chất không độc hại đối với
gen (không trực tiếp ảnh hưởng đến ADN) nhưng lại liên quan đến tỉ lệ các chứng
cứ về bệnh ung thư ngày càng gia tăng ở các bộ phận như vú và tử cung trong thí
nghiệm với động vật. Theo nghiên cứu gần đây, thuốc diệt cỏ Atrazin, thường được
sử dụng rộng rãi trên thế giới ảnh hưởng đến sự sinh sản của cá [55-56]. Tuy nhiên,
các nghiên cứu mới đây tại California chỉ ra rằng Atrazin có thể ảnh hưởng đến khả
năng sinh sản và sức khỏe của con người [57-58]. Những phụ nữ tiếp xúc với Atrazin
thì giảm khả năng sinh sản do tổn thương tử cung và những đứa trẻ sinh ra từ những
phụ nữ này có cân nặng thấp hơn bình thường và kèm theo một loạt rối loạn. Atrazin
hoạt hóa một gen quyết định đến cân nặng của thai nhi khiến cho trẻ đẻ ra nhẹ cân
đồng thời tác động lên một gen khác ảnh hưởng đến tử cung gây giảm khả năng sinh
sản. Hiện nay, chất Atrazin đã bị cấm sử dụng tại châu Âu; các nước khác như Hoa
Kỳ, Nhật, Canađa đã đặt mức yêu cầu dư lượng Atrazin trong nước là 3 ppb (tương
đương 3 g/L) [59]. Tình hình lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật nói chung và Atrazin
tại Việt Nam ngày càng phổ biến, gây ảnh hưởng lớn đến vệ sinh an toàn thực phẩm

52. 27
và môi trường. Do đó, việc phát hiện dư lượng thuốc diệt cỏ được đặt ra trong sản
xuất nông nghiệp, an toàn thực phẩm và kiểm soát ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, các phương pháp xác định hàm lượng Atrazin trong đất và nước sau
quá trình sản xuất nông nghiệp thường sử dụng các thiết bị đắt tiền, đòi hỏi người
thực hành có tay nghề trình độ cao, thời gian lâu dài, chi phí tốn kém như HPLC,
các phương pháp quang [60-31]. Vấn đề kiểm soát an toàn thực phẩm và ô nhiễm
môi trường đòi hỏi phát triển các thiết bị phân tích nhanh các chất gây ô nhiễm môi
trường. Cảm biến sinh học xác định Atrazin đáp ứng được yêu cầu phân tích nhanh,
tiện lợi, chi phí hợp lý, không đòi hỏi người vận hành có tay nghề cao, dễ phát triển
thiết bị cầm tay [62-65]. Đây là một trong những hướng phát triển mạnh mẽ của thiết
bị phân tích nhanh các chất gây ô nhiễm môi trường hiện nay tại Việt Nam và trên
thế giới.
III.3 Ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm
Ngày nay, khi công nghệ sinh học phát triển, đồng thời với việc các chế phẩm
sinh học được sản xuất rộng rãi trên qui mô công nghiệp, cũng như tham gia ngày
càng nhiều vào các quá trình sản xuất khác thì một nhu cầu tất yếu nảy sinh, đó là
việc theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh học như điều chỉnh lượng
glucôzơ trong quá trình nuôi vi khuẩn, kiểm soát an toàn thực phẩm v.v.... [66-68].
Các cảm biến sinh học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền
thống như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác.
III.3.1 Xác định hàm lượng độc tố Aflatoxin trong sữa
Các Aflatoxin (AF) là một nhóm hoạt chất liên quan đến độc tố nấm, chủ yếu do
các loại nấm Aspergillus tạo ra có thể tìm thấy trong nhiều loại thực phẩm có nguồn
gốc từ thực vật, đặc biệt là các loại ngũ cốc và các loại hạt (Eaton và Groopman,
1994). Sự nhiễm độc và chiết xuất độc tố Aflatoxin có thể xảy ra trong mọi giai đoạn
tăng trưởng, thu hoạch, chế biến và lưu trữ của cây trồng. Cả hai quá trình lây nhiễm
và tích lũy AF bị ảnh hưởng mạnh bởi điều kiện môi trường như côn trùng phá hoại,
nhiệt độ và độ ẩm. Cấu trúc hóa học của các dạng AF phổ biến (B1, B2, G1 và G2)
cùng hai dẫn xuất trao đổi chất thông thường M1 và M2 được thể hiện trong hình

53. 28
I.16 dưới đây; được tạo ra trong sữa của động vật tiết sữa đã ăn thức ăn bị nhiễm
độc aflatoxin [69].
O O
O
O
OCH3
O
O O
O
O
OCH3
O
O O
O
O
OCH3
O
O
O O
O
O
OCH3
O
O
AFB1 AFB2 AFG1 AFG2
O O
O
O
OCH3
O
OH
O O
O
O
OCH3
O
OH
O O
O
O
OCH3
O
HO O O
O
O
OCH3
O
O
HO
AFM1 AFM2 AFB2A AFG2A
O O
O
O
OH
O
O O
O
O
OCH3
O
OH
AFP1 AFQ1
Hình I.16. Cấu trúc hóa học của các dạng Aflatoxin
Aflatoxin M1 (AFM1) có thể được tìm thấy trong các sản phẩm từ sữa như pho
mát, sữa chua và các sản phẩm sữa công thức cho trẻ sơ sinh (van Egmond, 1983;
Sharman và các cộng sự, 1989; Martins và Martins, 2002), và cũng có trong sữa mẹ
của con người và hoạt động như một chất đánh dấu sinh học tốt (El-Nezami và các
cộng sự., 1995). Do yêu cầu thực tế là nhu cầu sữa của trẻ sơ sinh cao và dễ bị nhiễm
độc, Ủy ban Châu Âu đã quy định mức độ tối đa cho phép của Aflatoxin M1 trong
sữa là 50 ng/L và các sản phẩm cho trẻ sơ sinh là 25 ng/L theo điều luật 47/2002
[70]. Áo và Thụy Sĩ đã áp đặt giới hạn chặt chẽ của AFM1 trong thực phẩm là 10
ng/L trong khi đó Mỹ đã quy định mức cao hơn là 500 ng/L. Tuy nhiên hầu hết các
quốc gia kém phát triển không áp đặt các hạn chế Aflatoxin M1 (như thể hiện trong
Hình I.17 dưới đây).

54. 29
Hình I.17 Giới hạn hàm lượng của Aflatoxin trong sữa trên thế giới [70]
III.3.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa
Sữa của động vật có vú chứa đường lactôzơ khoảng 5 % và hàm lượng canxi,
riboflavin, khoáng khá cao. Sữa là nguồn dinh dưỡng quan trọng cung cấp cho cơ
thể. Tuy nhiên ở nhiều trẻ em và người cao tuổi do enzym lactase thủy phân lactôzơ
không được sinh tổng hợp hoặc sinh tổng hợp không đủ hoặc bị thoái hóa dẫn đến
không dung nạp được lactôzơ. Ở những người bệnh này, khi uống sữa thường bị đầy
bụng, rối loạn tiêu hóa và tiêu chảy, làm cơ thể suy dinh dưỡng trầm trọng. Trên thế
giới tỷ lệ người thiếu enzym lactase khá phổ biến, chiếm khoảng 75 % dân số, trong
đó khoảng 15 % người da trắng, 45 % người Eskimo, 81 % người da đen. Ở một số
vùng của Trung Quốc, Malaysia có đến 100 % người bị bệnh này. Bệnh tập trung
chủ yếu ở trẻ em và người già, bệnh mang tính di truyền và xảy ra ở cả giới nữ và
nam. Ở Việt Nam, tỷ lệ người bệnh không dung nạp sữa do thiếu enzym lactase cũng
chiếm tỷ lệ cao, đặc biệt ở trẻ em không được uống sữa từ nhỏ hoặc không có thói
quen uống sữa. Những người bệnh này nếu muốn dùng sữa thì phải uống với thuốc
có chứa lactase/β-galactosidase hoặc dùng sản phẩm được chế biến từ sữa (không
có lactôzơ). Tuy nhiên, hiện nay mọi loại thuốc lactase/β-galactosidase (LacZ) cũng
như sữa đã xử lý lactôzơ (Ensure) trên thị trường đều phải nhập ngoại và phụ thuộc