Nhằm phát triển cảm biến sinh học glucose có độ nhạy cao, sử dụng vật liệu nano lai tiên tiến, TS. Vũ Văn Thú cùng các cộng sự tại Trường Đại học Công đoàn đã triển khai đề tài: “Nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu nano lai MoS2/AgNPs và MoS2/PANI nhằm xác định nồng độ glucose”. Mục tiêu chính của nghiên cứu là tổng hợp thành công vật liệu nano lai MoS2/AgNPs và MoS2/PANI, đồng thời từ đó chế tạo cảm biến điện hóa có độ nhạy vượt trội để định lượng nồng độ glucose chính xác.

Sau 48 tháng thực hiện, từ 01/08/2018 đến 30/08/2022, đề tài thu được những kết quả nổi bật sau: 

1. Nghiên cứu tổng hợp, tính chất vật liệu MoS2/AgNPs 

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp các hạt nano bạc (AgNPs) với đường kính trung bình từ 30-50 nm. Song song đó, vật liệu MoS2 cũng đã được tổng hợp bằng cả phương pháp thủy nhiệt và phương pháp hóa học, tạo ra nhiều cấu trúc đa dạng như dạng hạt, dạng hoa, dạng tấm mỏng hoặc dạng đĩa. Sau khi tổng hợp, các cấu trúc MoS2 này đã được ứng dụng để đánh giá đặc tính nhạy sinh học, đặc biệt là sự phụ thuộc của chúng vào các dạng cấu trúc khác nhau của vật liệu.

Tiếp nối các thành tựu trên, đề tài tập trung vào việc tổng hợp vật liệu tổ hợp MoS2/AgNPs phục vụ cho ứng dụng cảm biến sinh học. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu MoS2/AgNPs với đặc điểm nổi bật là các hạt nano Ag phân bố không đồng đều trên nền vật liệu MoS2. Vật liệu tổ hợp này sau đó đã được phủ lên điện cực để phát triển cảm biến sinh học glucose, mở ra tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

2. Nghiên cứu tổng hợp, tính chất vật liệu MoS2/PANI 

Đề tài đã tiến hành tổng hợp thành công vật liệu MoS2/PANI thông qua hai phương pháp chính: điện hóa và hóa học. Với phương pháp điện hóa, nghiên cứu đã đi sâu tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp. Cụ thể, các yếu tố được khảo sát bao gồm ảnh hưởng của cường độ dòng điện, tốc độ quét, hàm lượng monomer PANI, cũng như thời gian tổng hợp, nhằm tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu.

Song song đó, vật liệu MoS2/PANI cũng được tổng hợp bằng phương pháp hóa học. Trong phần này, các yếu tố quan trọng tác động đến quá trình tổng hợp vật liệu cũng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các yếu tố này bao gồm ảnh hưởng của chất polymer hóa, nồng độ monomer anilin, thời gian polymer hóa và nhiệt độ tổng hợp, góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp này.

3. Thực hiện chế tạo điện cực điện hoá 

Trong phần nghiên cứu này, nhóm đề tài đã tập trung vào việc thiết kế và chế tạo điện cực chuyên biệt cho ứng dụng cảm biến. Quy trình chế tạo điện cực bắt đầu bằng việc làm sạch bề mặt phiến silic thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Tiếp theo, phiến silic được oxy hóa để tạo một lớp oxit có độ dày phù hợp, đóng vai trò là lớp cách điện quan trọng cho linh kiện.

Sau khi tạo lớp cách điện, phiến silic được sử dụng để tạo hình linh kiện thông qua quá trình quang khắc. Trước đó, một lớp vật liệu nhạy sáng đặc biệt gọi là chất cản quang được phủ lên bề mặt. Chất này bền vững trong môi trường axit và kiềm, hoạt động như một khuôn mẫu, định hình cấu trúc điện cực và bảo vệ các chi tiết khỏi tác động của dung môi hóa học. Sau quá trình quang khắc, lớp Cr/Pt được phún xạ để tạo thành các điện cực kim loại trên bề mặt phiến Si. Cuối cùng, lớp chất cản quang được loại bỏ để thu được các điện cực hoàn chỉnh, và sau đó chúng sẽ được đóng gói để sẵn sàng cho các ứng dụng tiếp theo.

4. Nghiên cứu phương pháp cố định enzyme 

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp liên kết chéo để cố định enzyme glucose trên bề mặt điện cực. Quá trình này bao gồm việc nhỏ enzyme glucose lên bề mặt điện cực, sau đó ủ trong hơi glutaraldehyde 30% trong khoảng thời gian 1 giờ.

Sau khi quá trình cố định hoàn tất, điện cực được rửa sạch và bảo quản ở nhiệt độ dưới 4°C, đảm bảo duy trì hoạt tính và ổn định của enzyme cho các ứng dụng tiếp theo.

5. Nghiên cứu đặc trưng, các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến 

Nghiên cứu này đã đi sâu vào việc khảo sát đường đặc trưng và các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra của cảm biến dựa trên vật liệu MoS2/PANI khi phát hiện nồng độ glucose. Đồng thời, nghiên cứu cũng đã tìm hiểu đường đặc trưng và các yếu tố tác động đến tín hiệu của các điện cực sử dụng vật liệu MoS2/AgNPs và MoS2/PANI không cố định enzyme (non-enzyme) trong quá trình phát hiện glucose.

Thông qua các phân tích, đề tài đã tiến hành đánh giá hiệu quả hoạt động của cảm biến khi có sử dụng enzyme so với các cảm biến không sử dụng enzyme, từ đó làm rõ vai trò quan trọng của enzyme trong việc nâng cao hiệu suất cảm biến.

Các kết quả đã được công bố trên một số tạp chí uy tín trong và ngoài nước như: Current Applied Physics, Chuyên san Toán và Vật lý - Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội và trình bày tại Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc 2021. 

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21523/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.