Chế tạo cảm biến sinh học glucose thế hệ mới không sử dụng enzyme trên nền vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại Au, Cu, Ni
Cập nhật vào: Thứ tư - 30/11/2022 00:36
Cỡ chữ
Nhu cầu phát triển cảm biến glucose (cảm biến đường huyết) với độ chính xác cao, nhanh, độ chọn lọc tốt và bền trong xác định đường huyết là vấn đề rất cấp thiết ngày nay trong việc chẩn đoán, theo dõi và điều trị bệnh tiểu đường. Người ta ước tính rằng đến năm 2000 đã có 2.8% dân số thế giới bị ảnh hưởng bởi tiểu đường, tương đương 171 triệu người. Cũng theo báo cáo này thì dự đoán tới năm 2030 số người bị tiểu đường sẽ tăng lên 4.4% dân số thế giới, tương đương 366 triệu người, chịu sự ảnh hưởng của tiểu đường
Những vật liệu lỗ xốp đã được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như làm chất hấp phụ, chất xúc tác, và chất cách nhiệt… Vật liệu lỗ xốp kim loại được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau như dealloying, điện phân trên template, tự lắp ghép các hạt nano thông qua lớp SAM (self assembly layer) hoặc bằng phương pháp điện phân sử dụng bọt khí làm template. Trong số vật liệu cấu trúc nano thì vàng là một loại vật liệu chế tạo điện cực hấp dẫn. So với các kim loại khác vàng thể hiện hoạt tính cao hơn đặc biệt hoạt động cao cả ở trong môi trường trung tính, có thế oxi hóa thấp hơn và ít bị mất hoạt tính do sự hấp phụ cạnh tranh so với các kim loại khác. Trong khi đó thì Cu và Ni là những vật liệu phổ biến và giá thành rẻ hơn nhiều so với kim loại quí như Pt, Pd hay vàng. Ngoài ra, do chúng có quá thế thoát của Hydro không quá thấp nên những dạng cấu trúc 3D hay foam có thể dễ dàng chế tạo được tầng bằng phương pháp điện phân. Hoạt tính của đồng và niken trong quá trình oxi hóa trực tiếp glucose là rất cao trong môi trường kiềm. Những hệ vật liệu lỗ xốp đa tầng từ đồng và niken không những thích hợp trong chế tạo cảm biến glucose không sử dụng enzyme mà còn là một loại vật liệu hấp dẫn làm điện cực trong chế tạo pin nhiên liệu.
Để có thể mở ra nhiều triển vọng trong việc chế tạo thành công và thương mại hóa cảm biến glucose thế hệ mới (không sử dụng enzyme) nhằm có thể thay thế toàn bộ hoặc một phần cảm biến glucose sử dụng enzyme dựa trên những vật liệu bền vững và giá thành hợp lí cũng như nghiên cứu chuyên sâu để tìm ra những cấu trúc, cách sắp xếp vật liệu mới nhằm tăng hoạt tính và độ chọn lọc của những vật liệu tưởng như truyền thống như Au, Cu và Ni, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên do PGS.TS. Nguyễn Xuân Viết đã thực hiện đề tài: “Chế tạo cảm biến sinh học glucose thế hệ mới không sử dụng enzyme trên nền vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại Au, Cu, Ni”.
Nhằm nghiên cứu chế tạo cảm biến glucose không enzyme dựa trên hệ vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại (Au, Cu, Ni). Đề tài sẽ nghiên cứu chế tạo những cấu trúc lỗ xốp đa tầng kim loại vàng, đồng, niken trên nền điện cực cacbon, chế tạo từ phương pháp in màng dày (screen-printing) ứng dụng trong cảm biến glucose không sử dụng enzyme. Sự kết hợp của 2 loại vật liệu này có thể tạo ra cảm biến sinh học đường huyết nhỏ gọn, ổn định và độ nhạy cao và thời gian đo nhanh chóng. Ưu điểm của hệ kim loại lỗ xốp đa tầng so với những hạt kích thước nano là: bề mặt diện tích lơn hơn, cấu trúc ổn định và bền vững, phương pháp chế tạo chế tạo đơn 5 giản, trưc tiếp trên bề mặt điện cực (on site), không tạo ra các chất thải nguy hại trong quá trình chế tạo (green process), và không cần thêm các quá trình xử lí sau chế tạo
Sau một thời gian triển khai, đề tài đã phát triển thành công đầu đo cảm biến glucose thế hệ mới không sử dụng enzyme dựa trên hệ vật liệu cấu trúc lỗ xốp đa tầng kim loại Au sử dụng trong môi trường trung tính (pH 7.4).
Hệ vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại Au biến tính trên bề mặt điện cực mực in carbon SPCE (screen-printed carbon electrode). Sự kết hợp của hệ vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại Au và điện cực mực in carbon SPCE sẽ tạo ra một đầu đo cảm biến có kích thước nhỏ gọn (dài x rộng ~ 5 mm x 20 mm), và có khả năng ứng dụng trong thực tế rất cao do giá thành tạo ra đủ rẻ để có thể cạnh tranh với các cảm biến được thương mại trên thị trường (sử dụng enzyme). Hệ vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại Au được tổng hợp thông qua phương pháp kết tủa điện hóa với bọt khí H2 sử dụng như là một template động.
Hệ kim loại Au thu được có độ xốp cao và tính bền cơ học tốt. Cảm biến glucose làm từ hệ kim loại này cho ra các thông số rât tốt như khoảng hoạt động rất rộng từ 1.5 - 16 mM (bảo phủ hoàn toàn các mức glucose trong máu của người bình thường và người có hàm lượng glucose cao), độ nhạy lớn 48.4 µA.mM-1.cm-2, và giới hạn phát hiện nhỏ (LOD) 25 µM. Ngoài ra cảm biến này còn thể hiện khả năng chọn lọc phát hiện glucose khi có mặt của các chất gây nhiễu phổ biến như ascorbic acid, uric acid hay dopamine trong máu.
Cảm biến này cũng đã chứng minh được khả năng ứng dụng trong thực tế và độ tin cậy cao khi xác định được glucose trong máu người và so sánh kết quả với các phương pháp đã được thương mại với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 10%.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17813/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
P.T.T (NASATI)