Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu ZnO cấu trúc nano – bước đầu ứng dụng trong cảm biến sinh học - NCS. La Phan Phương Hạ

Tên đề tài luận án: Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu ZnO cấu trúc nano – bước đầu ứng dụng trong cảm biến sinh học
Ngành: Vật lý chất rắn.
Mã số ngành: 62 44 01 04
Họ tên nghiên cứu sinh: La Phan Phương Hạ
Khóa đào tạo: 2013
Người hướng dẫn khoa học: (ghi rõ học hàm, học vị, họ và tên)
- PGS.TS Trần Quang Trung
- GS.TS Lê Khắc Bình
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQG.HCM.
1. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN:    
   Mục đích của luận án: Nghiên cứu chế tạo vật liệu ZnO cấu trúc nano với các dạng thù hình khác nhau bằng quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp, hướng đến ứng dụng làm điện cực hoạt động của cảm biến sinh học điện hóa galactose. 
   Các kết quả chính của luận án:
 -  Vật liệu ZnO tổng hợp theo phương pháp dung dịch và phương pháp CVD: i) phương pháp dung dịch: ZnO cấu trúc thanh nano có đường kính trung bình 60 nm, mặt cắt hình lục giác, định hướng tinh thể ưu tiên phát triển theo mặt (002), các thanh nano phát triển tương đối trực giao với đế nền. Bên cạnh đó, còn có cấu trúc ZnO nano bút chì, cấu trúc kim nano. ii) Với phương pháp LPCVD theo cơ chế VLS: tổng hợp cấu trúc dây nano ZnO có chiều dài khoảng 2 - 3 µm, đường kính trung bình dây nano khoảng 20 nm. iii) Phương pháp APCVD theo cơ chế VS: tổng hợp nhiều dạng thù hình của ZnO như lá nano ZnO, hoa nano ZnO, hạt nano ZnO.
 - Vật liệu tổ hợp lai của ZnO:
  + Tổ hợp lai đồng thể bằng phương pháp dung dịch: tổng hợp thanh nano ZnO nhỏ/thanh nano ZnO lớn có tỉ lệ S/V cao (thanh nano nhỏ đường kính trung bình 30 nm phát triển xung quanh thanh nano ZnO lớn đường kính trung bình 500 nm).
  + Tổ hợp lai dị thể: tổng hợp thanh nano ZnO có gắn hạt nano kim loại Au (đường kính các hạt nano Au khoảng 4 – 5 nm) bằng phương pháp thủy nhiệt.
  + Tổ hợp lai dị thể: tổng hợp thanh nano ZnO có gắn hạt nano kim loại Ag (đường kính các hạt nano Ag khoảng 8 – 15 nm) bằng phương pháp khử quang.
 - Cố định enzyme galactose oxidase lên bề mặt thanh nano ZnO: khảo sát quá trình cố định enzyme galactose oxidase lên bề mặt các điện cực hoạt động của CBSH với cấu trúc khác nhau như điện cực CBSH ZnO “thuần” (GOx/ZnO/FTO), tổ hợp lai đồng thể (GOx/ZnO-ZnO/FTO) tổ hợp lai dị thể (GOx/Au-ZnO/FTO), (GOx/Ag-ZnO/FTO) theo thời gian cho kết quả với cấu trúc tổ hợp lai đồng thể ZnO/ZnO có thể hấp thụ enzyme nhiều nhất với hiệu suất cố định enzyme là 63,75% trong khoảng thời gian cố định enzyme 3 giờ.
 - Khảo sát hoạt động của điện cực dựa trên các dạng thù hình ZnO sau khi cố định enzyme như GOx/ZnO/FTO, GOx/Au-ZnO/FTO, GOx/Ag-ZnO/FTO và GOx/ZnO-ZnO/FTO trong dung dịch galactose có nồng độ thay đổi từ 40 mM đến 230 mM cho kết quả tín hiệu mật độ dòng thu được tăng tuyến tính theo nồng độ galactose. Trong đó hệ điện cực GOx/ZnO-ZnO/FTO cho giá trị mật độ dòng cao nhất 0,2 µA/mm2, gấp khoảng 2 lần giá trị mật độ dòng của hệ điện cực GOx/ZnO/FTO (khoảng 0,105 µA/mm2) chứng tỏ cấu trúc tổ hợp lai đồng thể ZnO/ZnO với tỷ số S/V cao là lựa chọn phù hợp cho việc chế tạo điện cực hoạt động trong CBSH galactose.
  + Khảo sát ảnh hưởng của nano kim loại đến quá trình hoạt động của điện cực CBSH thông qua các tổ hợp lai dị thể Au-ZnO/FTO, Ag-ZnO/FTO minh chứng rõ các hạt nano kim loại không bị tác động của oxi trong quá trình hoạt động mới đóng góp việc tăng độ nhạy của cảm biến. Cụ thể hạt nano Au là thích hợp vì khả năng trơ hóa của chúng với oxi. Bước đầu minh chứng hiện tượng làm hạ rào thế của điện cực ZnO khi kết nối với nano Au góp phần làm tăng khả năng dịch chuyển của điện tử sinh thành trong quá trình oxi hóa galactose vào điện cực ZnO.
2. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN:
   Luận án đã tổng hợp thành công vật liệu nano ZnO với nhiều dạng thù hình khác nhau: thanh, sợi, lá, hoa, bút chì… và các tổ hợp lai từ thanh nano ZnO như cấu trúc thanh nano nhỏ/thanh nano lớn, thanh nano ZnO đính hạt nano kim loại Au, Ag. Trên cơ sở nhiều thù hình khác nhau của ZnO tổng hợp được, lựa chọn thù hình phù hợp nhất là thanh nano ZnO chế tạo bằng phương pháp dung dịch giá thành thấp và thuận lợi cho việc tạo các tổ hợp lai đồng thể ZnO/ZnO hay dị thể Au/ZnO, Ag/ZnO nhằm mục đích tăng tỷ số S/V để ứng dụng vào làm điện cực cảm biến sinh học, trong đó cấu trúc tổ hợp lai đồng thể ZnO/ZnO với tỷ số S/V cao và định hướng phát triển tinh thể (002) vuông góc với mặt đế bất kỳ (thủy tinh , FTO, ITO, ZnO …) là tính mới của luận án trong qui trình chế tạo vật liệu.
3. CÁC ỨNG DỤNG/ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN HAY NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU:
   Hướng tiếp theo của đề tài: mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tiễn vật liệu thanh nano ZnO/thanh nano ZnO sử dụng làm hệ điện cực hoạt động trong cảm biến sinh học điện hóa galactose với các khảo sát chi tiết các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của điện cực như nhiệt độ dung dịch galactose, độ pH, thời gian hoạt động và đánh giá việc xác định galactose trong mẫu thực…Bên cạnh đó, có thể mở rộng khảo sát hoạt động của hệ điện cực trên nền vật liệu ZnO với loại cảm biến sinh học với các chất thụ cảm (enzyme) khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng.