VŨ Y DOÃN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ Y DOÃN
VẠT LÝ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN NHẰM ỨNG
DỤNG CHO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH
KHÓA 2014A
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ Y DOÃN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
DÂY NANO OXIT KIM LOẠI BÁN DẪN NHẰM ỨNG
DỤNG CHO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH
Chuyên ngành :
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS.
Phƣơng Đình Tâm đã trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng khoa học, giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Cảm ơn thầy đã dành thời
gian, tâm huyết để giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn TS. Phạm Hùng Vƣợng cùng các thầy cô trong Viện
Tiên Tiến Khoa Học và Công Nghệ, Viện Vật Lý Kỹ Thuật – Đại Học Bách Khoa
Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi làm thực nghiệm và
nghiên cứu trong thời gian qua.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh chị nghiên cứu sinh viện AIST đã
nhiều lần giúp đỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu tại viện.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới Bố mẹ, các anh chị và những ngƣời bạn của
tôi, những ngƣời đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ vật chất. Tôi không biết nói
gì hơn ngoài lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới những ngƣời thân yêu nhất của tôi.
Tác giả luận văn
Vũ Y Doãn
2
Vũ Y Doãn 2016
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ...................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU .............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 7
GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 9
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 13
1. Giới thiệu ........................................................................................................... 13
1. Tổng hợp thanh nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy nhiệt ................................. 38
1.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của lớp mầm ..........................................................38
1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ thủy nhiệt. .........................................40
1.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ Zn2+ ...................................................42
1.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian thủy nhiệt .........................................44
1.5. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu thanh nano ZnO bằng phổ tán xạ năng lƣợng
tia X (EDS) .........................................................................................................47
1.6. Nghiên cứu độ dẫn của vật liệu thanh nano ZnO ........................................49
2. Kết quả nghiên cứu cố định kháng thể .............................................................. 51
2.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) .....................................................51
2.2. Ảnh kính hiển vi huỳnh quang ....................................................................52
3. Đặc trƣng C-V của cảm biến miễn dịch ............................................................ 53
Kết luận ..................................................................................................................... 56
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 57
DANH MỤC CÔNG TRÌNH.................................................................................... 63
4
Vũ Y Doãn 2016
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Thứ tự Kí hiệu
Viết tắt
1
CV
Cyclic voltammetry
7
SEM
Scanning Electron Microscope
5
Vũ Y Doãn 2016
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Thứ tự
Tên bảng biểu
Trang
1
Bảng 2.1
Danh mục hóa chất sử dụng
24
2
Bảng 2.2
17
3
Hình 1.3
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
18
4
Hình 1.4
Cấu trúc Blende(a) và Wurtzite(b) của ZnO
21
5
Hình 1.5
Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano
21
6
Hình 2.1
Hình 2.4
Cấu tạo của kính hiển vi huỳnh quang (Nikon)
35
10
Hình 2.5
Sơ dồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi huỳnh
quan
11
Hình 3.1
36
Ảnh hƣởng của số lớp mầm đến hình thái vật liệu
ZnO. a) Mẫu 1 lớp mầm; b) Mẫu 2 lớp mầm; c)
Mẫu 3 lớp mầm d) Mẫu 4 lớp mầm; e) Mẫu 5 lớp
39
mầm; f) hình ảnh khuếch đại các lá mỏng hình
thành trên các thanh ZnO
12
Hình 3.2
khác nhau. a) 3h ; b) 6h; c) 9h ; d) 12h
15
Hình 3.5
Ảnh FE-SEM của thanh nano ZnO đƣợc chế tạo
bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt ở điều kiện nhiệt độ
thủy nhiệt là 1500C, nồng độ ion Zn2+ trong dung
46
dịch thủy nhiệt là 0,025M, thời gian thủy nhiệt là
3h
16
Hình 3.6
Phổ tán xạ năng lƣợng tia X của thanh nano ZnO
đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp thuỷ nhiệt với
47
thời gian khác nhau, a) 3h ; b) 6h; c) 9h; d) 12h
17
Hình 3.7
Phổ nhiễu xạ X-ray của các mẫu ZnO nano với thời
gian tổng hợp khác nhau. a) 3h; b) 6h; c) 9h; d) 12h
21
Hình 3.11
Thế vòng C-V của cảm biến miễn dịch
22
Hình 3.12
Thế vòng C-V của cảm biến miễn dịch theo nồng
độ
8
54
55
Vũ Y Doãn 2016
GIỚI THIỆU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế, sự gia tăng dân số, và hội nhập
toàn cầu là sự phát sinh các dịch bệnh nguy hiểm nhƣ: viêm đƣờng hô hấp cấp tính
(SARS), cúm A/H5N1, sốt phát ban, sốt xuất huyết Dengue, viêm não Nhật Bản, tiêu
chảy cấp…v.v đe dọa đến sức khoẻ cộng đồng. Việc phát hiện, khống chế và ngăn
chặn kịp thời các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm
thiểu nguy cơ tác hại đến sức khoẻ và những thiệt hại về mặt kinh tế, xã hội. Chính
vì vậy, việc làm cần thiết là phải phát hiện nhanh, nhạy và sàng lọc đƣợc các mầm
11, 40], Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [12, 21], Đại học Quốc
gia Hà Nội [42], Đại học Quốc gia TPHCM [8].
Để góp phần vào việc phát triển cảm biến sinh học ở Việt Nam nhằm phát
hiện nhanh, trực tiếp các vi sinh vật gây bệnh, nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu
chế tạo, tính chất của vật liệu dây nano oxit kim loại bán dẫn nhằm ứng dụng
cho cảm biến miễn dịch” làm đề tài luận văn cao học của mình.
Trong khuôn khổ đề tài này, nghiên cứu tổng hợp, tính chất của vật liệu
oxit kẽm (ZnO) nhằm phát triển cảm biến sinh học có độ nhạy và độ ổn định cao sẽ
đƣợc thực hiện. Trong đó, phƣơng pháp thuỷ nhiệt sẽ đƣợc sử dụng để nghiên cứu
tổng hợp vật liệu. Các tính chất cơ bản, các hiện tƣợng và tính chất mới của vật liệu
sẽ đƣợc quan tâm nghiên cứu bằng các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc. Ngoài ra,
chúng tôi đặt mục tiêu rất lớn là chế tạo hoàn chỉnh loại cảm biến sinh học trên cơ
sở loại vật lịêu này nhằm ứng dụng cho các lĩnh vực y sinh và bảo vệ môi trƣờng.
2. Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là
Nghiên cứu tổng hợp, tính chất của thanh nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy
nhiệt.
Ứng dụng thanh nano ZnO đã chế tạo đƣợc để nghiên cứu phát triển cảm
biến miễn dịch xác định vi rút gây bệnh tiêu chẩy cấp.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Từ mục tiêu này, chúng tôi đặt ra nhiệm vụ cần thực hiện là:
10
11
Vũ Y Doãn 2016
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chƣơng này sẽ trình bày các kết quả đạt đƣợc bao gồm: các kết qủa nghiên
cứu tổng hợp vật liệu, các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu thanh
nano ZnO bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Các kết quả về việc cố định kháng thể lên
bề mặt cảm biến cũng nhƣ kết quả về việc xác định đặc trƣng của cảm biến cũng
đƣợc trình bày trong chƣơng này.
12
Vũ Y Doãn 2016
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây trên thị trƣờng bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm
đƣợc quảng bá sử dụng công nghệ nano nhƣ khẩu trang nano bạc, bột nghệ nano,
thiết bị lọc nƣớc nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn
nano… Các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano đã không còn xa lạ với mọi ngƣời.
Điều đó cho thấy rằng “Công nghệ Nano” đã và đang có ảnh hƣởng không hề nhỏ
đến cuộc sống của mỗi chúng ta.
Khái niệm về công nghệ nano đƣợc xuất hiện từ những năm 1959, khi nhà
vật l ngƣời Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thƣớc
siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra
đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM
hay STM) có khả năng quan sát đến kích thƣớc vài nguyên tử hay phân tử, con
ngƣời có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Từ đó, công nghệ nano bắt
1) Nhóm các phƣơng pháp vật lí nhƣ: bốc bay nhiệt trong chân không, phún xạ
cao tần, bay hơi chùm điện tử, lắng đọng bằng xung Laser…v.v. Ƣu điểm của
nhóm phƣơng pháp này là chế tạo đƣợc mẫu với độ tinh khiết cao, đồng nhất
cao. Tuy nhiên các phƣơng pháp này đòi hỏi cao về công nghệ chế tạo nhƣ phải
thực hiện trong các môi trƣờng chân không cao cùng với các thiết bị phức tạp, đắt
tiền.
2) Nhóm các phƣơng pháp hóa học nhƣ: Phƣơng pháp sol-gel, lắng đọng điện hóa,
phƣơng pháp đồng kết tủa, phƣơng pháp hóa ƣớt…. Ƣu điểm của phƣơng pháp này
là dễ áp dụng, giá thành thấp, có thể thay đổi dễ dàng nồng độ pha tạp và có khả
14
Vũ Y Doãn 2016
năng đƣa vào chế tạo hàng loạt. Nhƣợc điểm là độ tinh khiết của mẫu không cao,
phụ thuộc vào môi trƣờng nên không ổn định.
Trong số các cấu trúc nano một chiều thì cấu trúc nano một chiều trên cơ sở
vật liệu oxít kim loại bán dẫn đƣợc ứng dụng nhiều trong những lĩnh vực khác nhau
nhƣ trong lĩnh vực quang điện tử [41], cảm biến khí [45, 51], năng lƣợng [6, 38].
Đặc biệt, do có cấu trúc một chiều với nhiều ƣu điểm nhƣ diện tích bề mặt riêng
lớn, độ dẫn điện cao nên loại vật liệu này đƣợc ứng dụng nhiều để chế tạo các cảm
biến sinh học [4, 26, 27, 33]. Trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu đã công bố
các kết quả ứng dụng vật liệu nano cấu trúc một chiều cho cảm biến sinh học. Có
thể kể đến công trình của Harshala J. Parab và các cộng sự [26], họ đã sử dụng
thanh nano vàng đã đƣợc gắn DNA để phát hiện vi rút mầm bệnh Chlamydia trong
khoảng nồng độ 0,25 – 20nM. Gần đây, Wang và các cộng sự [46] đã nghiên cứu
cảm biến sinh học sử dụng vật liệu CuO có cấu trúc thanh nano và hoa nano. Trong
đó, vật liệu nano CuO đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp CHM (composite –
hydroxide – mediated) và CMS (composite – molten – salt). Kết quả nghiên cứu đã
chỉ ra cho thấy, cảm biến khi sử dụng vật liệu hoa nano CuO có độ nhạy 709,52 µA
chuyển đổi tín hiệu [1]. Theo Daniel R. Thévenot và đồng nghiệp, hệ thống nhận
biết sinh học chuyển thông tin từ vùng sinh hoá, thƣờng là nồng độ chất phân tích
thành tín hiệu vật lý hoặc hóa học ở đầu ra với độ nhạy xác định. Mục đích chính
của hệ thống nhận biết này là nhằm tạo cho cảm biến có độ chọn lọc cao đối với
chất cần phân tích. Phần tử nhận biết sinh học có thể là enzyme, DNA/RNA, kháng
nguyên/kháng thể, tế bào….[39]. Cảm biến sinh học thực chất là một thiết bị phân
tích chuyển một tín hiệu sinh hoá thành một tín hiệu điện. Đầu tiên, cảm biến sẽ
nhận dạng hiện tƣợng và biên dịch thành một đặc tính có thể định lƣợng đƣợc. Sau
đó đặc tính định lƣợng này đƣợc chuyển đổi thành một tín hiệu điện bởi một bộ
biến năng. Trong cảm biến sinh học, hiện tƣợng đƣợc nhận dạng bởi một hệ thống
sinh học gọi là cơ quan thụ cảm sinh học (bioreceptor). Nó sẽ tiếp xúc trực tiếp với
mẫu phân tích để tạo ra phản ứng sinh hoáCơ quan thụ cảm sinh học có đặc tính
chọn lọc đặc biệt đối với chất phân tích. Để phát hiện vi rút gây bệnh có thể dựa
trên việc phát hiện tƣơng tác kháng thể/kháng nguyên thông qua cảm biến miễn
dịch hoặc có thể dựa trên sự tƣơng tác giữa ADN dò tƣơng tác với ADN đích khi sử
dụng cảm biến ADN. Trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh, ba loại cảm biến sinh học chủ
yếu thƣờng đƣợc tập trung nghiên cứu chế tạo là : i) cảm biến enzyme trên cơ sở
16
Vũ Y Doãn 2016
phản ứng đặc hiệu enzyme – cơ chất; ii) cảm biến miễn dịch trên cơ sở phản ứng
đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể; iii) cảm biến DNA trên cơ sở lai hóa đặc hiệu
giữa hai sợi đơn DNA có trình tự bổ sung nhau.
Hình 1. 2 Cấu tạo cảm biến sinh học
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm ba bộ phận chính:
(1) Đầu thu sinh học: Đầu thu sinh học (Bioreceptor) là những đầu thu phản ứng
trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học.
học (enzym, tế bào vi sinh vật, mô) sẽ phản ứng với chất cần phân tích làm thay đổi
nồng độ ion, hoặc kích thích huỳnh quang, hoặc hấp thụ ánh sáng, nhiệt, hoặc thay
18
Vũ Y Doãn 2016
đổi khối lƣợng…Tuỳ theo từng loại tín hiệu mà ngƣời ta sử dụng bộ chuyển đổi tín
hiệu phù hợp để hiển thị kết quả đo. Nếu phần tử đầu dò không tƣơng thích với
phần tử đích thì sẽ không nhận biết đƣợc sự thay đổi của tín hiệu. Nguyên lý hoạt
động của cảm biến sinh học đƣợc mô tả ở hình 1.3.
Ứng dụng của cảm biến sinh học:
- Phát hiện dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật
Khoa học và công nghệ phát triển đã giúp cho con ngƣời có thể chế tạo
đƣợc rất nhiều sản phẩm hữu ích, thiết thực, phục vụ cho đời sống cũng nhƣ nhu
cầu giải trí. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, chúng ta cũng đã không ngừng xả
vào trong môi trƣờng sống những sản phẩm phụ độc hại, gây ảnh hƣởngmôi trƣờng
cũng nhƣ sức khỏe của chính chúng ta. Một số hợp chất nhƣ thuốc trừ sâu, kim loại
nặng hoặc Polychlorinated biphenyls (PCBs) đƣợc biết đến nhƣ các chất gây ô
nhiễm môi trƣờng tiêu biểu. Các chất này có thể gây các độc tố cho con ngƣời. Do
vậy, việc phát hiện và kiểm soát chúng là việc làm rất cần thiết. Hiện nay, có nhiều
phƣơng pháp để xác định dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật nhƣ phƣơng pháp phản
ứng chuỗi polymer, phƣơng pháp sắc ký lỏng …. Hiện nay, để xác định dƣ lƣợng
thuốc bảo vệ thực vật ngƣời ta còn sử dụng một số loại cảm biến sinh học. Ví dụ,
các nhà khoa học đã sử dụng nhiều loại cảm biến sinh học sử dụng enzim khác nhau
để phát hiện thuốc bảo vệ thực vật họ organo-phốtpho hoặc cac-na-mát. Phép phân
tích dựa vào việc tính toán hoạt tính xúc tác của choline oxidase và dựa vào sự ức
chế của Acetyl cholinesterase (AChE) và Butyrylcholinesterase (BChE) [3, 48].
Ngoài ra, các cảm biến sinh học còn đƣợc sử dụng để xác định kim loại nặng [15,
32].
3.1. Giới thiệu vật liệu nano ZnO cấu trúc 1 chiều
Kẽm oxit (ZnO) là bán dẫn loại n, thuộc nhóm bán dẫn II-VI, năng lƣợng
vùng cấm trực tiếp rộng Eg ~ 3,436 eV tại nhiệt độ T =0 K, và tại nhiệt độ phòng
Eg ~ 3.37 ± 0,01 và năng lƣợng liên kết kích thích lớn (60 meV) ở nhiệt độ phòng
[25]. ZnO tồn tại trong hai cấu trúc tinh thể wurtzite và blende nhƣ chỉ ra trong hình
1.4. Trong đó cấu trúc hexagonal wurtzite (hình 1.4) là cấu trúc bền, ổn định nhiệt
nên là cấu trúc phổ biến nhất.
20
Vũ Y Doãn 2016
Hình 1. 4 Cấu trúc Blende(a) và Wurtzite(b) của ZnO
Trong những năm gần đây, vật liệu ZnO cấu trúc nano 1 chiều đã đƣợc chế
tạo thành công ở rất nhiều dạng nhƣ: sợi nano, dây nano, thanh nano, ống nano hay
tồn tại ở dạng lá, dạng lò xo, dạng ZnO tetrapods. Các cấu trúc một chiều này có thể
chế tạo bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ thuỷ nhiệt [49, 53], sol-gel [29], lắng
đọng hơi hoá học [5, 52]. Một số cấu trúc 1 chiều hình dạng của vật liệu nano ZnO
đƣợc mô tả trong hình 1.5.
Hình 1. 5 Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano [41]
21
Vũ Y Doãn 2016
Các cấu trúc nano một chiều ZnO thể hiện đƣợc nhiều những tính chất mới,
ƣu việt đã thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và đã
có nhiều ứng dụng nhƣ: chế tạo pin mặt trời [34, 35], cảm biến sinh học [17], cảm
Copyright: Tài liệu đại học ©