BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Thị Luyến

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN
HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP
HỆ VI LƯU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

HÀ NỘI - 2017


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. i
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. iv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 6
1.1. Cảm biến sinh học điện hóa .................................................................................... 6
1.1.1. Phân tích điện hóa ............................................................................................ 6
1.1.2. Cảm biến sinh học điện hóa............................................................................. 7
1.1.2.1 Nhu cầu phát triển cảm biến sinh học .............................................................. 7
1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa.......................... 8
1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa trong và ngoài nước.......... 9
1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa ............................................. 11
1.2. Biến tính bề mặt cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu polime dẫn
polypyrrole .................................................................................................................... 12
1.2.1. Vật liệu polime dẫn polypyrrole ứng dụng trong chế tạo cảm biến DNA
điện hóa ..................................................................................................................... 12

2.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 45
2.2.2. Điện cực tích hợp ............................................................................................ 46
2.2.3. Tổng hợp dây nano PPy sử dụng kỹ thuật điện hóa ................................... 46
2.2.4. Cố định DNA dò trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 47
2.2.5. Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò ...................... 47
2.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 48
2.3.1. Tổng hợp dây nano PPy trên điện cực Pt..................................................... 48
2.3.1.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực Pt tích hợp ...................................... 48
2.3.1.2. Giá trị điện thế trong phản ứng polyme hóa pyrrole ............................... 48
2.3.1.3. Ảnh hưởng của gelatin – khuôn nano trong chế tạo dây polyme ............. 50
2.3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ monome pyrrole ................................................ 51
2.3.1.5. Thời gian polime hóa ................................................................................ 53
2.3.1.6. Phổ FT-IR ................................................................................................. 54
2.3.1.7. Phổ Raman ............................................................................................... 55
2.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định DNA dò .............................................................. 56
2.3.3. Đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dò- DNA đích ............................................ 57
2.4. Kết luận ................................................................................................................... 60
3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HÓA TÍCH HỢP HỆ VI LƯU ... 61
3.1. Mở đầu .................................................................................................................... 61
3.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 62
3.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 62
3.2.2. Hệ ba điện cực tích hợp kết nối với bình phản ứng mini ........................... 62
3.2.3. Tổng hợp dây nano PPy trong vi bin
̀ h phản ứng ........................................ 65
3.2.4. Cố định DNA dò trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 66
3.2.5. Phát hiêṇ tín hiêụ lai hóa DNA sử du ̣ng Lock-in Amplifier ....................... 66
3.3. Kết quả và thảo luâ ̣n .............................................................................................. 66
3.3.1. Kế t quả chế ta ̣o hê ̣vi kênh tích hơ ̣p với điêṇ cực ........................................ 66
3.3.1.1. Kế t quả đo bề dày vi kênh PDMS ............................................................. 67
3.3.1.2. Kế t quả gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực ............................................. 68



MỞ ĐẦU
Hiện nay, các phương pháp phân tích sinh học phân tử truyề n thố ng (PCR, ELISA…)
đang được sử dụng phổ biến, cho kết quả tốt và độ chính xác cao. Dẫu vậy, mọi kỹ thuật
phân tích tiên tiến đều có những điểm còn chưa hoàn thiện [8,47] cần có hoạt động R&D để
nâng cấp hoặc thậm chí thay thế. Các phương pháp trên đều phức tạp, yêu cầu kỹ thuật viên
có tay nghề cao, yêu cầu phòng thí nghiệm hiện đại tại những trung tâm nghiên cứu, phân
tích trung ương hoặc các thành phố lớn, trong quá trình thực hiện cần phải sử dụng các sinh
phẩm và hóa chất đặc hiệu. Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến hàng ngày để thực
hiện và đặc biệt, các thiết bị phân tích, chẩn đoán không thể dịch chuyển ra khỏi nơi lắp đặt
ban đầu [123]. Đây cũng là một trong những điểm tồn tại cần được giải quyết khi thực hiện
các chiến dịch phân tích lưu động. Việc nghiên cứu và phát triển những kỹ thuật phân tích
có khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật phân tích truyền thống là
thực sự cần thiết. Trong số đó cảm biến sinh học là một trong những thiết bị được kỳ vọng
thay thế một phần các kỹ thuật phân tích truyền thống nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong
phát hiện virus gây bệnh, chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường, phân tích độc học trong
thực phẩm…[60,92].
Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry) năm 1999 định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị tích hợp có khả
năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm một
phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi
(transducer). Phần tử nhận biết sinh học có thể là DNA, tế bào, enzyme..., giữ vai trò dò tìm
đối tượng đích trong mẫu phân tích. Mẫu phân tích có thể là mẫu máu, mẫu nước tiểu hay vi
khuẩn, virus... Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc
hiệu: kháng nguyên- kháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA (cảm biến DNA) hoặc
enzym- cơ chất (cảm biến enzym)… Khi diễn ra tương tác sinh học đặc hiệu giữa phần tử
nhận biết sinh học và đối tượng đích, phần tử chuyển đổi giữ vai trò chuyển đổi tương tác
sinh học thành tín hiệu điện hóa, quang, nhiệt… sau đó đưa qua bộ phận xử lý tín hiệu và
hiển thị kết quả đo. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang,

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và tích hợp cảm biến sinh học điện hóa và vi
bình phản ứng ứng dụng trong phát hiện các thành phần sinh học, bao gồm: 01) biến tính bề
mặt cảm biến sử dụng vật liệu có cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả cố định các phần tử
cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến; 02) tích hợp hệ điện cực với vi bình phản ứng nhằm
thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêu thụ và 03) phát triển và tùy biến qui trình
đo lường điện hóa sử dụng cảm biến sinh học không đánh dấu nhằm phát hiện các thành
phần sinh học.
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu thực nghiệm. Cách tiếp cận trong quá
trình nghiên cứu là từ các kết quả thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết và các tài liệu tham
khảo, giải thích, so sánh, đánh giá và tối ưu qui trình thực nghiệm.
Nội dung của luận án:
Để giải quyết được mục tiêu của đề tài, luận án tập trung nghiên cứu 3 nội dung:
Nội dung nghiên cứu 1: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa trên cơ sở dây nano
polypyrrole. Trong nội dung nghiên cứu 1, mục tiêu của NCS là làm quen với các kỹ thuật
điện hóa được thực hiện trong một hệ đo mở, các phép đo điện hóa không sử dụng các điện
cực thương mại mà trên cơ sở các điện cực tự thiết kế và phát triển, vật liệu thể mềm cấu
trúc nano (dạng dây) được chế tạo giữ vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt cảm
biến và bộ chuyển đổi, giúp nâng cao hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học lên bề
mặt cảm biến, DNA được lựa chọn làm đối tượng đo nhờ độ bền, độ ổn định cao và dễ đặt
mua. Nội dung nghiên cứu 1 bao gồm: nghiên cứu tổng hợp dây nano polypyrrole trên điện
cực Pt sử dụng kỹ thuật điện hóa nhằm biến tính bề mặt cảm biến; nghiên cứu cố định DNA

2


dò lên bề mặt cảm biến trên cơ sở dây nano polypyrrole; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai
hóa DNA dò – DNA đích của cảm biến DNA điện hóa đã chế tạo.
Nội dung nghiên cứu 2: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu.
Phát triển từ các kết quả đã đạt được trong nội dung nghiên cứu 1 với các phép đo điện hóa

việc phát triển một kỹ thuật phân tích mới trong đó tập trung vào việc làm tăng độ nhạy, độ
chọn lọc, làm giảm lượng mẫu phân tích và thời gian phân tích.
Luận án tập trung vào phát triển cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thông tin di truyền
(DNA) và kháng thể của vật chủ, sử dụng kỹ thuật đo lường điện hóa. Để phát triển cảm biến
sinh học điện hóa, trước tiên, luận án đã tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo các điện

3


cực khác với điện cực truyền thống. Bề mặt điện cực sau đó được biến tính trên cơ sở lớp
vật liệu trung gian với cấu trúc nano. Trên bề mặt phân cách giữa dung dịch chứa mẫu phân
tích và màng sinh học có cấu trúc nano, các tính chất hóa lý diễn ra có phần khác so với
những tính chất đó ở các điện cực truyền thống. Các kỹ thuật quét thế vòng, thế không đổi,
tổng trở và kỹ thuật đo vi sai đã được triển khai để nghiên cứu các tính chất điện hóa tại đây.
Đối với việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phát hiện các thành phần
sinh học, vấn đề giảm thể tích mẫu phân tích, thu nhỏ hệ thống phân tích có ý nghĩa quan
trọng. Luận án đã tập trung nghiên cứu các kỹ thuật đo lường điện hóa trong một vi bình
phản ứng có thể tích rất nhỏ thay vì thực hiện các phép đo trong hệ mở.
Những đóng góp mới của luận án:
Một trong những đóng góp mới của luận án là đã tổng hợp được vật liệu polime dẫn
polypyrrole (PPy) với cấu trúc dây nano nhằm mục đích biến tính bề mặt cảm biến, nâng cao
hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học. Dây nano PPy được tổng hợp trực tiếp trên
điện cực làm việc (WE), sử dụng kỹ thuật polime hóa điện hóa, khắc phục được tình trạng
vật liệu PPy được tạo thành dưới dạng đảo, có cấu trúc hoa súp lơ. Đặc biệt, việc tổng hợp
thành công vật liệu PPy có cấu trúc nano tại chính xác một vị trí mong muốn bên trong vi
bình phản ứng (thể tích 4 µl) là một thách thức mà cho đến thời điểm hiện tại, rất ít nhóm
nghiên cứu trên thế giới làm được. Hiện nay, số lượng công trình công bố quốc tế liên quan
đến việc tổng hợp cấu trúc nano bên trong hệ tích hợp vẫn còn rất hạn chế.
Bên cạnh đó, việc sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ
trứng gà làm phần tử dò cho cảm biến miễn dịch cũng là một trong những đóng góp mới của



1. TỔNG QUAN
1.1. Cảm biến sinh học điện hóa
1.1.1. Phân tích điện hóa
Đứng trước nhu cầu rất cao của xã hội, việc phát triển một hệ thống phân tích đáp ứng
được đầy đủ các yêu cầu như thời gian phân tích nhanh, độ chính xác, độ chọn lọc, độ nhạy
cao, thiết bị đơn giản, chi phí thấp là hết sức cần thiết. Các phương pháp phân tích truyền
thống như phân tích thể tích, phân tích khối lượng sử dụng thiết bị đơn giản, có sẵn ở các
phòng thí nghiệm, chi phí phân tích hợp lý nhưng hạn chế của các phương pháp trên là chỉ
áp dụng được với hàm lượng mẫu lớn, thời gian phân tích kéo dài, độ nhạy, độ chọn lọc
không cao, nhiều yếu tố gây nhiễu, sai số [3]. Một bước tiến quan trọng của các phương
pháp phân tích hiện đại như phương pháp quang phổ [4], phương pháp sắc kí [3], phương
pháp phân tích điện hóa (độ dẫn điện, điện thế, cực phổ, điện lượng, vol ampe…) [11] là cho
phép phân tích những lượng mẫu nhỏ với độ nhạy, độ lặp, độ chọn lọc, độ chính xác, độ tin
cậy cao và thời gian phân tích nhanh [3].
Trong các phương pháp phân tích hiện đại, phân tích điện hóa luôn là đề tài hấp dẫn các
nhà khoa học trong nhiều thập kỷ liên tiếp. Phương pháp phân tích điện hóa đã được hình
thành từ thế kỉ 19 và cho đến nay vẫn không ngừng phát triển và hoàn thiện. Ưu điểm lớn
của phương pháp là ở chỗ khi hệ đo chịu tác động điện (dòng, thế) thì đáp ứng nhận được
cũng là tín hiệu điện. Đặc điểm nổi bật của phương pháp phân tích điện hóa là độ nhạy và
độ chọn lọc cao, không đòi hỏi thể tích dung dịch lớn (nhỏ hơn 1 ml) [11]. Thành công của
kỹ thuật điện hóa được thể hiện trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, thực phẩm, dược
phẩm, y học, quốc phòng, khoa học vật liệu, hàng không, môi trường [28,127,130]…Đà tăng
trưởng trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu và phát triển các sản phẩm ứng dụng cho phân
tích điện hóa đã phản ánh sự quan tâm sâu sắc của các trung tâm nghiên cứu khoa học hàng
đầu, các tập đoàn công nghệ quốc tế.

(a)
(b)

Hiện nay, các phương pháp phân tích sinh học phân tử truyề n thố ng (PCR, ELISA…)
đang được sử dụng phổ biến, cho kết quả tốt và độ chính xác cao, tuy nhiên bên cạnh những
ưu điểm cũng thể hiện những nhược điểm [8,40]. Các phương pháp trên đều phức tạp, yêu
cầu kỹ thuật viên có tay nghề cao, yêu cầu phòng thí nghiệm hiện đại tại những trung tâm
nghiên cứu, phân tích trung ương hoặc các thành phố lớn, trong quá trình thực hiện cần phải
sử dụng các sinh phẩm và hóa chất đặc hiệu. Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến
hàng ngày để thực hiện và đặc biệt, các thiết bị phân tích, chẩn đoán không thể dịch chuyển
ra khỏi nơi lắp đặt ban đầu [123]. Đây cũng là một trong những điểm tồn tại cần được giải
quyết khi thực hiện các chiến dịch phân tích lưu động. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển
những kỹ thuật phân tích có khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật
phân tích truyền thống là thực sự cần thiết. Cảm biến sinh học là một trong những thiết bị

7


được kỳ vọng có khả năng thay thế một phần các kỹ thuật phân tích truyền thống nhờ những
ưu điểm vượt trội như thời gian phân tích nhanh, độ nhạy tương đối cao, quy trình đơn giản,
chi phí thấp [22,24,91]. Trong thời gian gần đây, cảm biến sinh học đã và đang thu hút được
sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học vì khả năng ứng dụng trong phát hiện virus
gây bệnh, chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường, phân tích độc học trong thực phẩm…
1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa
Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp
có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao
gồm một phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển
đổi tín hiệu (transducer). Chất được gắn trên bộ phận chuyển đổi được gọi là “phần tử
dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tích trong mẫu được gọi là “phần tử đích”.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc hiệu: kháng nguyênkháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA (cảm biến DNA) hoặc enzym- cơ chất (cảm
biến enzym)… Trên cơ sở các phản ứng đặc hiệu này, phần tử nhận biết sinh học giữ vai trò
dò tìm đối tượng đích trong mẫu phân tích và phần tử chuyển đổi giữ vai trò chuyển đổi

thế.

Bảng 1.1: Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa trên thế giới

ĐỐI TƯỢNG
PHÁT HIỆN

KHẢ NĂNG PHÁT
HIỆN
KỸ THUẬT
PHÁT HIỆN

BIẾN TÍNH BỀ MẶT
CẢM BIẾN

EIS
Bidirectional
Stripping
Voltammetry
Chronoamperometry

GIỚI HẠN
PHÁT HIỆN

THỜI
GIAN
ĐÁP
ỨNG

THAM


Amperometric

Watersoluble graphene
sheet (WGS)/prussian
blue-chitosan (PBCTS)/nanoporous gold
(NPG) composited film

6,31 pg/mL

-

[29]

EIS
CV

Coiled-coil peptide
(CCP)

1 pg/ml

20
phút

[112]

EIS

Protein A

2 giờ

[106]

E.Coli
O157:H7
AFP
Salmonella

Kanamycin
Virus cúm ở
người
hemagglutinin
Antihemagglutinin
kháng thể

9


Khoảng hơn mười năm trở lại đây, Việt Nam mới tiếp cận công nghệ cảm biến sinh học
nhưng đã đạt được những tiến bộ đáng ghi nhận, bảng 1.2. Đầu tiên là nhóm nghiên cứu cảm
biến sinh học của Đại học Bách khoa Hà Nội với những bộ cảm biến để phát hiện dư lượng
thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và kim loại nặng trong môi trường [119,120]. Các chíp sinh học
này chủ yếu dựa trên các loại điện cực răng lược, được chức năng hóa bề mặt bằng các loại
men (enzyme) có khả năng xúc tác cho các phản ứng thủy phân. Trong môi trường có dư
lượng thuốc trừ sâu hoặc thuốc diệt cỏ, hoạt tính xúc tác của men sẽ bị suy giảm và sự suy
giảm này tỷ lệ với nồng độ của chất gây ô nhiễm. Với sự phối hợp với Viện Vệ sinh Dịch tễ
Trung ương, các nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã phát triển một số chip
sinh học phát hiện vật liệu di truyền của virus cúm A [93,95], virus Herpes [94]. Những công
trình nghiên cứu này được đánh giá cao thông qua số lượng trích dẫn trên các công trình

DNA điện
hóa

Virus Herpes

Màng PPy

2 nM

Miễn dịch
điện hóa

Kháng nguyên
JEV (Japanese
encephalitis virus)

APTES-GA-PrA

N/A

5-20 phút

[12]

Ecoli O157: H7

MWCNTs

1 nM


điện hóa

GIỚI HẠN THỜI GIAN
PHÁT HIỆN ĐÁP ỨNG

THAM
KHẢO

< 4 phút

[93]

N/A

[94]

Miễn dịch
điện hóa

Virus HPV
(Human
papilloma virus)

Polyaniline/MWCNTs 490 pM

N/A

[76]

Enzyme

cố định. Các điện cực được sử dụng cho phát triển cảm biến sinh học điện hóa thường là các
kim loại quý như Pt [19], vàng [103,111,115] và một vài dạng của cacbon bao gồm sợi
cacbon [41], graphit epoxi [16,114], graphene [72] hoặc cacbon thủy tinh [142]…Việc lựa
chọn, thiết kế và chế tạo điện cực phụ thuộc vào năng lực của đội ngũ nghiên cứu và điều
kiện cơ sở vật chất kỹ thuật của phòng sạch.
Vấn đề thứ hai được quan tâm nghiên cứu là nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình cố định
phần tử cảm nhận sinh học (DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể…) trên bề mặt của cảm
biến. Để nâng cao hiệu quả cố định phần tử cảm nhận sinh học, bề mặt cảm biến cần được
biến tính nhằm tạo ra những nhóm chức có khả năng hình thành các liên kết cộng hóa trị,
liên kết hyđrô, hoặc các liên kết yếu Van der Waals [57,75,121,137]... Có nhiều phương
pháp để biến tính bề mặt cảm biến, một trong những phương pháp đó là sử dụng vật liệu
polime dẫn. Trong các vật liệu polime dẫn, PPy thường được lựa chọn làm lớp vật liệu trung
gian giữa bề mặt cảm biến và bộ chuyển đổi vì polime dẫn PPy đáp ứng được những yêu cầu
sau: 1) bám dính tốt với bề mặt bộ chuyển đổi; 2) có độ tương thích sinh học cao, không làm
thay đổi cấu trúc và biến tính các phần tử cảm nhận sinh học; và 3) có khả năng truyền tải
thông tin tốt từ tương tác sinh học xuống bộ chuyển đổi.
Vấn đề thứ ba cũng đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới
là nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ vi lưu, vi bình phản ứng với cảm biến sinh học
điện hóa nhằm thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêu thụ, đồng thời nâng cao tỉ
lệ tín hiệu/nhiễu của phép đo. Sự kết hợp giữa cảm biến sinh học điện hóa và hệ vi lưu được
coi là một bước đệm để tiến tới chế tạo các bộ vi phân tích điện hóa cầm tay, giữ vai trò quan

11


trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụ phân tích lưu động. Tuy nhiên, hiện tại, vấn đề này
còn tương đối mới tại Việt Nam.
Vấn đề thứ tư được tập trung hướng đến là nghiên cứu xây dựng qui trình đo lường điện
hóa nhằm phát hiện các thành phần sinh học (phần tử đích) trong mẫu phân tích, trên cơ sở
đó phát triển các thiết bị điện hóa phù hợp phục vụ cho việc đo lường, phân tích điện hóa sử

trên, do đó góp phần làm tăng độ nhạy, độ chính xác, độ ổn định của cảm biến sinh học [86].
Trong các vật liệu polime dẫn, PPy được nhận định là thích hợp ứng dụng trong cảm biến
sinh học điện hóa nhờ khả năng tạo ra cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, khả năng tạo
liên kết tốt với đối tượng sinh học, khả năng biến tính để điều khiển độ dẫn [55], do đó góp

12


phần cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định của cảm biến sinh học. Đối
với việc phát hiện các phần tử sinh học tại môi trường pH tự nhiên của cơ thể động vật, PPy
có ưu điểm hơn so với polythiophene và polyaniline do vật liệu này được tổng hợp từ
monome tại môi trường pH trung tính [18]. Bên cạnh đó, PPy cũng thể hiện những đặc tính
như độ bền cao, dễ tổng hợp và độ dẫn tốt [68,102].
1.2.2. Tổng hợp vật liệu polime dẫn polypyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa
Năm 1916, PPy lần đầu tiên được tổng hợp bởi sự oxi hóa pyrrole bằng H2O2, cho sản
phẩm dạng bột vô định hình gọi là “pyrrole đen”, sản phẩm này không tan trong nước và các
dung môi hữu cơ. Pyrrole đen có thể được điều chế với sự có mặt của nhiều tác nhân oxi hóa
khác nhau như hiđro peoxit trong dung môi axit axetic, chì đioxit, sắt (III) clorua, bạc nitrat,
(NH4)2S2O8 trong dung dịch axit HCl 0,1 M, quinolin hay ô-zôn [26,51,59,82,83,135]. Các
phương pháp điều chế hóa học sử dụng tác nhân oxi hóa là axit hay peoxit chủ yếu cho ra sản
phẩm là các vật liệu cách điện ở nhiệt độ phòng (có độ dẫn điện khoảng 10-10 - 10-11 S/cm). Khi
sử dụng tác nhân oxi hóa là các muối của ion kim loại chuyển tiếp có tính oxi hóa như FeCl3,
Fe(NO3)3, Fe(ClO4)3, Fe2(SO4)3, CuCl2… PPy thu được có độ dẫn điện khoảng 10-5 - 200
S/cm.
n

+ 2n FeCl3

+ 2nFeCl2


13


Cation gốc cặp đôi với một cation gốc khác cho ra một đi-cation. Đi-cation này trải qua
phản ứng đề proton hóa (loại bỏ H+) để cho ra một đi-me trung hòa:

Đime trung hòa này bị oxi hóa thành một cation gốc, sau đó cặp đôi với các cation gốc
khác dẫn đến sự phát triển mạch:

1.2.2.2. Một số kỹ thuật điện hóa được sử dụng để tổng hợp polime dẫn
Kỹ thuật điện hóa thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu polime dẫn có thể là kỹ
thuật quét thế vòng, phân cực dòng tĩnh và phân cực thế tĩnh.
a. Kỹ thuật quét thế vòng (CV - Cyclic Voltammetry)
Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật CV là đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn vào điện cực
làm việc (working electrode) và đo sự biến đổi (mật độ) dòng điện tương ứng. Điện thế đặt
vào điện cực làm việc được so sánh với một điện cực chuẩn (reference electrode), phụ thuộc
vào điện thế E1 (initial potential), điện thế E2 (final potential) và vận tốc quét v (V/s). Điện
thế phân cực được quét tuyến tính theo thời gian một cách tuần hoàn từ E 1 đến E2 và quay
lại với vận tốc quét không đổi. Dòng điện hồi đáp I được ghi lại, từ điện thế quét và dòng
điện thu được có thể xây dựng đồ thị I - E.
Khi sử dụng kỹ thuật CV để tổng hợp vật liệu, đặc điểm, hình dáng của đường cong CV
cũng như sự thay đổi của nó khi có những biến đổi của các thông số nhiệt động học liên
quan: tốc độ quét, nồng độ chất điện li, pH dung dịch … cho phép thu được nhiều thông số
hữu ích về quá trình hình thành của vật liệu, quá trình oxi hóa khử, các chất trung gian và
các phản ứng phụ được tạo thành trong quá trình tổng hợp điện hóa. Kỹ thuật CV còn được
sử dụng để nghiên cứu tính chất điện hóa cũng như động học và cơ chế phản ứng của chất
nghiên cứu trên điện cực khác nhau.
b. Kỹ thuật phân cực dòng tĩnh (kỹ thuật áp dòng; GS - Galvanostatic)

14

0,02 wt%, PBS (phosphate buffer solution) (pH = 6,86) và LiClO4 0,07 M. Kết quả cho thấy,
dây nano PPy được hình thành trên cả điện cực Ni và ITO.

15


1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình polime hóa điện hóa pyrrole
a. Điện cực
Trong kỹ thuật điện hóa, các chất điện ly được vận chuyển tới bề mặt điện cực và tại đó
diễn ra các quá trình oxi hóa/khử, và sản phẩm phản ứng lại được vận chuyển ngược trở lại
dung dịch điện ly. Để đảm bảo độ trung thực của tín hiệu khi thu thập và xử lý trong quá
trình điện hóa, các điện cực được sử dụng phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật như sau:
01) Trơ về mặt hóa học: mọi quá trình oxi hóa/khử của các chất điện ly đều diễn ra tại đây,
do đó vật liệu làm điện cực phải được lựa chọn đảm bảo không tham gia vào quá trình dẫn
tới thay đổi tín hiệu của hệ thống. Thêm vào đó, vật liệu làm điện cực cũng phải đảm bảo
bền trong cả dung dịch điện ly có môi trường axit, hoặc bazơ; 02) Tương thích sinh học:
khác với những cảm biến được ứng dụng trong nghiên cứu môi trường, ngoài yêu cầu trơ
hóa học, điện cực dành cho các ứng dụng y sinh cần phải tương thích sinh học, nghĩa là điện
cực cần được thiết kế và chế tạo sao cho không làm ảnh hưởng hay biến tính các thành phần
sinh học gắn trên đó và; 03) Phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong khâu thu thập và xử lý
tín hiệu.
Chúng ta có thể sử dụng một hệ hai điện cực bao gồm điện cực làm việc (Working
Electrode - WE) và điện cực đối (Counter Electrode - CE) hoặc một hệ ba điện cực bao gồm
điện cực làm việc (WE), điện cực đối (CE), và điện cực so sánh (Reference Electrode - RE).
Vật liệu được dùng để chế tạo điện cực có thể là các kim loại quý (Au, Pt, ...), bán dẫn hoặc
phi kim (Si). Điện cực Calomen và điện cực Ag/AgCl thường được sử dụng làm điện cực so
sánh.
b. Mật độ dòng điện và điện thế
Để tổng hợp PPy, người ta có thể sử dụng phương pháp áp dòng hoặc phương pháp áp
thế. Giá trị thế hoặc dòng áp đặt ảnh hưởng đến quá trình polime hóa, cấu trúc và các đặc

phản liên kết có năng lượng cao hơn và 1 MO liên kết có năng lượng thấp hơn so với năng
lượng của các AO ban đầu). Như vậy, khi có sự tổ hợp của n AO sẽ tạo ra n MO và số AO
tham gia tổ hợp càng lớn sẽ tạo thành số MO càng lớn. Trong chất rắn, các nguyên tử nằm
rất gần nhau, số nguyên tử trong một đơn vị thể tích rất lớn, trong 1 cm3 chất rắn có chứa
khoảng 1022 nguyên tử, do đó, số AO tham gia tổ hợp rất lớn tạo thành một số rất lớn các
MO. Các MO được sắp xếp rất gần nhau, các mức năng lượng rất gần nhau tạo thành các
“vùng năng lượng”. Vùng có năng lượng thấp được gọi là vùng hóa trị và vùng có năng
lượng cao được gọi là vùng dẫn. Vùng nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị gọi là vùng cấm.
Sự điền điện tử vào các MO trong vùng năng lượng theo chiều năng lượng tăng dần và mỗi
MO được chiếm tối đa bởi 2 điện tử có spin đối song. Giá trị E cho biết khả năng di
chuyển của các điện tử trong chất rắn từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và điều này sẽ quyết
định tính dẫn điện của vật liệu. Những vật liệu có E > 3 eV như kim cương, polyethylene…
là những vật liệu cách điện do khi được đặt trong điện trường, điện tử không thể chuyển từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn để tham gia vào quá trình dẫn điện. Những vật liệu với E < 0,1
eV có khả năng dẫn điện, khi được đặt trong điện trường điện tử dễ dàng chuyển từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Những vật liệu có E từ 0,1 - 3 eV
là những vật liệu bán dẫn [6].
Khả năng dẫn điện của polime được giải thích do đặc điểm thứ nhất của polime dẫn là
có hệ liên kết π liên hợp nằm dọc theo chuỗi polime (conjugation bond), - C = C – C = C -,
đây là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C; và do đặc điểm thứ hai của polime
dẫn là sự hiện diện của chất pha tạp [17]. Các polime thuần, chỉ được tạo bởi các monome
thuần túy, thường có năng lượng vùng cấm cao, ví dụ polyacetylen, PPy, polyaniline,
polythiophene… có ΔE = 1,4 -3,6 eV do đó chúng được xếp vào các vật liệu bán dẫn hoặc
vật liệu cách điện. Độ dẫn của chúng có thể được cải thiện, làm giảm E, nhờ việc pha tạp
các đơn chất hoặc hợp chất trong quá trình tổng hợp.
Vật liệu polime dẫn đầu tiên được tổng hợp là polyacetylen (PA) pha tạp I2. Quá trình
pha tạp đã làm tăng độ dẫn điện của PA từ 10-5 lên 103 S/cm [14]:

17


quả trên đã chứng minh rằng sự hiện diện của chất pha tạp LiClO4 giúp tăng độ dẫn điện của
polypyrrole.
H. Chitte và cộng sự [53] cũng đã đề xuất cơ chế của quá trình doping PPy với chất pha
tạp A (aceptor), hình 1.5: Khi PPy tiếp cận với A, PPy sẽ nhường một điện tử π cho A dẫn
đến trên mạch PPy xuất hiện một lỗ trống mang điện tích dương (+1), đồng thời do sự lôi
cuốn điện tử π linh động về phía điện tích +1 dẫn đến xuất hiện một điện tử độc thân có spin
½ cách lỗ trống 3 hoặc 4 đơn vị mắt xích pyrrole được ký hiệu là một dấu chấm (•). A nhận
điện tử trở thành A-. Cặp (+ •) được gọi là polaron. Sự thành hình của polaron dẫn đến sự
thay đổi vị trí của các liên kết π còn lại trong mạch polime, vì vậy làm thay đổi cấu trúc của

18


vòng pyrrole đồng thời tạo ra hai mức năng lượng mới trên vùng cấm. Khi số phân tử A xâm
nhập vào mạng polime tăng lên, lượng polaron (+ •) cũng tăng lên. Khi hai polaron gần nhau
(+ •) (+ •), hai điện tử (• •) ghép đôi trở thành liên kết π, còn lại cặp điện tích dương (+ +)
được gọi là bipolaron. Khi mạch PPy xuất hiện nhiều bipolaron, các mức năng lượng được
hình thành của các bipolaron sẽ chồng chập vào nhau tạo thành hai dải năng lượng bipolaron.
Các dải năng lượng mới được hình thành nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, giống như những
bậc thang giúp điện tử di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn một cách thuận lợi hơn, khi đó vật
liệu trở thành vật liệu dẫn điện. Như vậy, khi biến tính polypyrrole sử dụng chất pha tạp aceptor,
sự mất các điện tử trong chuỗi polime sẽ dẫn đến sự hình thành các lỗ trống, do đó polypyrrole
được tổng hợp là chất bán dẫn loại p.

Hình 1.5: Polaron, bipolaron và sự hình thành các dải năng lượng tương ứng [53]
Quá trình doping polime dẫn có thể được tiến hành theo kỹ thuật pha tạp (doping) điện
hóa. Polime dẫn được tổng hợp sử dụng kỹ thuật trùng hợp điện hóa, trong đó chất điện li
đóng vai trò chất pha tạp (dopant) được đưa vào dung dịch phản ứng. Sau quá trình trùng
hợp điện hoá, chất pha tạp được phân bố trong mạng polyme nhờ các liên kết hóa, lý. Phản


Gelatin là chất rắn màu trắng đục, không mùi, dễ gãy (khi khô), chứa 84 - 90 % protein,
1 - 2 % muối khoáng và 8 - 15 % nước. Gelatin là một polypeptide hòa tan có nguồn gốc từ
collagen trong da và xương động vật. Gelatin đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm,
dược phẩm và y tế. Do sự hiện diện của các nhóm chức đặc trưng như: -NH2, -SH và -COOH,
gelatin thể hiện tính tương thích sinh học cao và có thể tạo được liên kết với các phần tử sinh
học [140].

20


Trong công bố [38] của D. Ge và cộng sự, gelatin đã được sử dụng như một "khuôn
mềm" có vai trò định hướng sự hình thành của vật liệu polime dẫn polypyrrole theo cấu trúc
nano 1D. Gelatin có cấu trúc chuỗi dài gồm nhiều axit amin khác nhau với các nhóm chức NH2 và -COOH. Các nhóm -NH của monome pyrrole có thể tạo thành liên kết hidro với các
nhóm -COOH của gelatin. Kết quả là, monome pyrrole được hấp phụ trên bề mặt của chuỗi
gelatin và tiếp tục được polime hóa để phát triển thành các dây nano PPy. Như vậy, gelatin
đóng vai trò như khuôn mềm định hướng cho sự hình thành vật liệu PPy cấu trúc dây nano
[38].
Tóm lại, khả năng ứng dụng vật liệu polime dẫn nói chung và PPy nói riêng trong chế
tạo cảm biến sinh học điện hóa với vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt bộ chuyển
đổi và thành phần cảm nhận sinh học đã được chứng minh qua nhiều công trình công bố
quốc tế. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, trong nhiều công trình đã công bố, vật liệu
polime dẫn PPy chủ yếu được tổng hợp với cấu trúc hoa súp lơ (màng PPy). Số lượng các
công trình công bố quốc tế liên quan đến việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu PPy cấu trúc
dây nano trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa vẫn còn hạn chế. Bên cạnh đó, cơ chế
của quá trình hình thành dây nano PPy khi có mặt gelatin vẫn đang dừng lại ở mức độ suy
luận từ kết quả thực nghiệm [38]. Vì vậy, cần được tiếp tục nghiên cứu nhằm thu được những
kết quả minh chứng có tính thuyết phục cao hơn. Trong luận án này, vật liệu polime dẫn PPy
với cấu trúc dây nano được tổng hợp tại chính xác một vị trí mong muốn (trên WE) bằng kỹ
thuật điện hóa sử dụng gelatin làm “khuôn mềm” định hướng cho sự phát triển dây nano. So
sánh với vật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vật liệu PPy cấu trúc dây nano với diện tích bề mặt