Nghiên cứu phát triển chế tạo vi hệ thống điện hóa trên cơ sở vật liệu cấu trúc nano ứng dụng trong y sinh

Công nghệ nano là công nghệ nghiên cứu đặc trưng, tính chất của vật liệu và thiết bị có kích thước nằm trong khoảng từ 1-100nm. Đây là vùng kích thước của cấu trúc nguyên tử, phân tử và các cấu trúc sinh học cơ sở nên công nghệ nano không chỉ là lĩnh vực của vật lý, hóa học mà còn là của sinh học và y học. Đặc biệt, các kết quả nghiên cứu trong ba thập kỷ gần đây đã chứng tỏ tiềm năng ứng dụng to lớn của công nghệ và vật liệu nano.

Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ cùng dân số gần 90 triệu người, triển vọng về phát triển các thiết bị, các vi hệ thống điện hóa trên cơ sở ứng dụng vật liệu nano có giá trị thúc đẩy khoa học công nghệ và ý nghĩa kinh tế xã hội sâu sắc.

ThS. Nguyễn Ngọc Thịnh cùng nhóm nghiên cứu dựa trên những cơ sở khoa học và thực tiễn để nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu phát triển chế tạo vi hệ thống điện hóa trên cơ sở vật liệu cấu trúc nano ứng dụng trong y sinh” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo vi cảm biến điện hóa tích hợp trên cơ sở công nghệ MEMS và phát triển vi hệ thống điện hóa; nghiên cứu tổng hợp một số cấu trúc compozit tương sinh trên cơ sở vật liệu polyme dẫn (polyanilin, polypyrrol) được pha tạp vật liệu nano (ống nano cacsbon, graphen, hạt nano Fe₃O₄); nghiên cứu quy trình cố định các phân tử cảm nhận sinh học (enzyme cholesterol oxidase và urease) lên bề mặt vi cảm biến được phủ một lớp màng compozit tương sinh; phát triển và thử nghiệm thiết bị y sinh trên cơ sở vi hệ thống điện hóa trong định lượng cholesterol/ure.

Qua thời gian nghiên cứu từ năm 2011 đến 2013, đề tài đã thực hiện được những kết quả chính như sau:
- Về phần phát triển các hệ vật liệu: chế tạo được vật liệu graphen biến tính ứng dụng cho vi cảm biến sinh học; chế tạo được vật liệu polyme dẫn (PANi; Ppy) cấu trúc nano pha tạp CNT, hạt oxit nano dùng chế tạo cảm biến sinh học; chế tạo được vật liệu CNT chức năng hóa ứng dụng cho vi cảm biến sinh học điện hóa; chế tạo được vật liệu nano Fe₃O₄ chức năng hóa có khả năng gắn kết phần tử sinh học.
- Về phát triển linh kiện: Đã chế tạo các vi điện cực điện hóa tích hợp tại các đơn vị tham gia đề tài (Đại học Bách Khoa, Hà Nội, Viện khoa học vật liệu). Các linh kiện được thiết kế với cấu trúc tích hợp giao tiếp USB 2.0 nhằm tạo ra các thiết bị dễ tích hợp, dễ phát triển và dễ chế tạo. Trên nền các vi điện cực đó, đã phát triển một số loại cảm biến sinh học điện hóa khác nhau trên cơ sở tối ưu màng nhận biết (polyme dẫn điện pha tạp Fe₃O₄, kết hợp pha tạp hay không pha tạp CNT hay graphen ở các nồng độ tối ưu).

Cụ thể, đề tài đã phát triển cảm biến enzyme xác định cholesterol/ure. Các thông số chính của từng loại cảm biến là:
- Cảm biến cholesterol: độ nhạy của cảm biến theo diện tích làm việc của cảm biến cholesterol là 1095,5µA.mM-1.cm^-2, tín hiệu dòng ra tuyến tính tốt từ 1,566nM tới 15,070nM (đáp ứng yêu cầu phân tích trong y sinh).
- Cảm biến ure: có đáp ứng tuyến tính trong dải đo 0,98÷9.02nM ure (đáp ứng dải đo trong y tế từ 2.6÷4.3nM) với độ nhạy là 21,41µA.mM-1.cm^-2.

Đề tài đã phát triển và tích hợp mạch vi xử lý tín hiệu trên cơ sở công nghệ PIC/PsoC để chế tạo thiết bị phân tích tích hợp nhỏ gọn.

Các nghiên cứu giai đoạn vừa qua mới mang tính khai phá ban đầu, nhằm chứng minh tính khả thi của các hướng đề tài, tuy nhiên đề tài đã đạt được các hết quả khả quan về các công trình công bố (02 công bố quốc tế, gửi đi từ PTN tại Việt Nam, hoàn toàn do các cán bộ nghiên cứu Việt Nam thực hiện, có chỉ số ảnh hưởng khá cao (IF>1,5)). Mặc dù vậy, nhiều vấn đề cần được tiếp tục đầu tư nghiên cứu chiều sâu, đòi hỏi có sự tham gia học thuật và hợp tác phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu đã hình thành và các đơn vị khác kể cả trong nước và quốc tế.