Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai ghép polyme dẫn (PPy, PANi) – nano cacbon (CNTs, Gr) ứng dụng làm cảm biến sinh học, môi..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai ghép polyme dẫn (PPy, PANi) – nano cacbon (CNTs, Gr) ứng dụng làm cảm biến sinh học, môi..

1. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã sớm nhận thấy những tổ hợp vật liệu cho các đặc tính vượt trội, đặc biệt các vật liệu lai vô cơ – hữu cơ, một trong những lĩnh vực phát triển hấp dẫn nhất trong khoa học vật liệu. Những khả năng to lớn của sự kết hợp các thuộc tính khác nhau trong một vật liệu bắt đầu cho sự bùng nổ các ý tưởng về khả năng ứng dụng các hệ vật liệu này trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong đó, sự kết hợp vô tận giữa polime dẫn điện và các vật liệu các vật liệu như hạt oxit kim loại như MnO2, TiO2, Fe3O4 hoặc các hạt kim loại như Cu, Au, Sb, và đặc biệt là các vật liệu nanocacbon, điển hình là ống nanocacbon và graphen đã đem lại tính chất nổi trội cho hệ vật liệu. Sự lai tạo vật liệu polime dẫn điện – nano cacbon nhằm mục đích kết hợp các ưu điểm của vật liệu polime như dễ tổng hợp và biến tính, đa dạng về cấu trúc với các ưu điểm của vật liệu nanocacbon như độ bền cơ, bền nhiệt lớn, đồng thời có tính linh động điện tử cao nhờ các elctron pi. Khả năng chức hóa đa dạng bằng cách gắn các ion đối hay các nhóm chức thích hợp vào mạng lưới polime đã tạo ra độ linh hoạt và phạm vi nhận biết hóa học lớn hơn rất nhiều, đồng thời có độ nhạy cao hơn so với chỉ việc sử dụng riêng rẽ các loại vật liệu. Vì những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn là: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai ghép polime dẫn (PPy, PANi) – nano cacbon (CNTs, Gr) ứng dụng làm cảm biến sinh học, môi trường” 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án (1) Nghiên cứu tổng hợp được vật liệu có tính chất điện hóa phù hợp dùng trong cảm biến đo ion kim loại. 1
2. (2) Nghiên cứu tổng hợp được vật liệu lai vô cơ-hữu cơ kết hợp thành phần sinh học (kháng thể hoặc enzym) cho chế tạo cảm biến đo thuốc trừ sâu (carbaryl) hoặc glucozơ trong mẫu sinh hóa (3) Ứng dụng vật liệu trong chế tạo cảm biến dùng trong phân tích y sinh, môi trường. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án (1) Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng các hệ vật liệu trên cơ sở ống nano các bon đa vách và polypyrrol dây nano, ứng dụng chế tạo cảm biến điện hóa và sinh học điện hóa, dùng cho phân tích môi trường và y sinh (2) Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng hệ vật liệu trên cơ sở PANi- CNTs, ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa dùng cho nhận biết glucozơ. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Đã tổng quan về các vật liệu trên cơ sở polime dẫn điện liên hợp: polypyrol và polyaniline, vật liệu cacbon cấu trúc nano và vật liệu lai polime dẫn –nano cacbon, các phương pháp chế tạo vật liệu lai ghép và tình hình nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu lai ghép trên cơ sở polypyrol, polyaniline và nanocacbon cho chế tạo cảm biến điện hóa trong lĩnh vực y sinh và môi trường. CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU Vật liệu lai polime dẫn (polypyrrol, polyaniline, polydopamin) kết hợp ống nano cacbon (CNT) hoặc màng graphen được tổng hợp trên các điện cực than thủy tinh (GCE), vi điện cực màng platin phẳng răng lược của hệ 3 điện cực thiết bị nghiên cứu điện hóa đa năng Autolab. 2
3. Các lớp của hệ vật liệu được lần lượt đưa lên bề mặt điện cực theo thứ tự cấu tạo điện cực: CNTs hoặc graphen (trong dung dịch phân tán với chất bảo vệ là SDS) được nhỏ giọt lên điện điện cực và để khô; màng polime được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa (CA, CV, ); cuối cùng, lớp hạt nano kim loại được điện phân lên bề mặt điện cực cũng bằng phương pháp điện hóa và gắn kết các phần tử sinh học lên bề mặt điện cực. Các hệ điện cực được chế tạo, khảo sát yếu tố ảnh hưởng, nghiên cứu cấu trúc, đặc trưng tính chất và ứng dụng với sự kết hợp các phương pháp vật lý, hóa lý hiện đại như EDX, FE-SEM, IR, UV-Vis, CA, CV, DPV CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp và đặc trưng hệ vật liệu trên cơ sở ống nano cacbon đa vách và polypyrrol dây nano Phân tích các ion Pb2+ và Cd2+ sử dụng màng mỏng antimony (Sb) kết hợp màng polime để tăng độ nhạy và độ bền của điện cực. Polime được lựa chọn là polydopamin (PDA) có cấu trúc vòng thơm tương tự catechol, phù hợp cho việc tạo liên kết phối trí với antimon. Do PDA là chất không dẫn điện nên MWCNTs được đưa vào hệ để khắc phục nhược điểm này. Hệ vật liệu được ký hiệu CNTs-PDA-SbNPs. 3.1.1. Hệ vật liệu CNTs-PDA-SbNPs 3.1.1.1.Kết quả tổng hợp và đặc trưng vật liệu Hình 3.1 cho thấy, vật liệu CNTs-PDA-SbNPs (hình 3.1a) có cấu trúc dạng sợi, đây là các ống MWCNTs được bao quanh bởi màng PDA. Kích thước của các sợi này cỡ 60  80 nm, lớn hơn kích thước của MWCNTs ban đầu (20 40 nm). 3
4. Trên bề mặt các sợi, có các đốm tròn nhỏ có kích thước khoảng 10 – 15 nm, cho thấy sự có mặt của các hạt antimon kim loại được điện phân lên bề mặt màng CNTs-PDA Hình 3.1. Ảnh SEM của các hệ vật Trường hợp điện cực liệu (a) CNTs-PDA-SbNPs trên điện chỉ phủ hạt Sb (hình 3.1b), cực GCE; (b) hạt Sb trên điện cực ITO quan sát thấy sự hình thành các hạt Sb có dạng cầu nhưng kích thước thay đổi trong khoảng rộng. Vai trò của PDA là bắt giữ 3+ Hình 3.2. Tương tác giữa các nhóm –OH của các ion Sb nhờ PDA với Sb3+ và sự tạo thành hạt SbNPs trên tương tác phối trí màng PDA giữa các nhóm –OH của PDA, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điện phân kết tủa hạt Sb kích thước nano trên bề mặt điện cực (hình 3.2). Khảo sát tính chất điện hóa cho thấy, màng vật liệu Hình 3.4. Đường CV của GCE/SbNPs CNTs-PDA-SbNPs (hình và GCE/CNTs-PDA-SbNPs trong 3.4) không bị thay đổi nhiều K3[Fe(CN)6] 5 mM, v = 50 mV/s 4
5. so với trường hợp chỉ có SbNPs. Như vậy, sự có mặt của MWCNTs đã khắc phục được tính không dẫn điện của PDA. Để 25 20 CPb2+ g/L 32 y = 0,04844x - 1,934 đánh giá 51 20 79 15 106 khả năng 130 160 10 15 197 A) A)   236 I ( ứng dụng I ( 276 316 5 10 351 của hệ vật 383 412 0 5 (a) (b) liệu -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0 100 200 300 400 C (g/L) E (V vs. SCE) CNTs- 15 C 2+ g/L Pb y = 0,04665 x - 1,8204 12 PDA- 12 24 48 83 9 SbNPs 9 130 187 A) A)   248 6 I ( trong chế I ( 6 310 3 tạo cảm 3 (c) 0 (d) 0 biến nhận -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 50 100 150 200 250 300 350 E (V vs. SCE) C (g/L) biết ion Hình 3.5. Tín hiệu DPASV và đường chuẩn xác định ion kim loại Pb2+của các điện cực: (a,b) GCE/CNTs-PDA-SbNPs và (c,d) nặng, đối GCE/SbNPs tượng được chọn: ion Pb2+ và Cd2+. 3.1.1.2. Khảo sát nồng độ monome DA và thời gian trùng hợp PDA Nồng độ monome DA và thời gian trùng hợp màng PDA (tPDA) là hai yếu tố quyết định chiều dày màng PDA trên bề mặt MWCNTs. Các kết quả cho thấy, khi có mặt lớp PDA, khoảng tuyến tính của tín hiệu phân tích theo nồng độ được mở rộng hơn. Sự có mặt của PDA 5
6. với các nhóm OH sẽ tương tác với các ion Sb3+ sẽ duy trì mật độ ion ổn định trên bề mặt điện cực. 20 2+ [DA] Pb 2+ 20 [DA] Cd 5 mM 5 mM 15 10 mM 10 mM 15 mM 15 15 mM ) 10 A A) 10   I ( I ( 5 5 0 (a) 0 (b) 100 200 300 400 0 100 200 300 400 C (g/L) C (g/L) Hình 3.6. Đường chuẩn xác định (a) Pb2+ và (b) Cd2+ ứng với hệ vật liệu CNTs-PDA-SbNPs được chế tạo ở nồng độ DA khác nhau So sánh các trường hợp ta thấy, ở nồng độ DA = 10 mM, ta thấy khoảng tuyến tính là lớn nhất, chân nền của tín hiệu phân tích là ổn định (Hình 3.8), tương ứng với trường hợp độ dày của màng PDA là phù hợp nhất. Giá trị nồng độ DA này được chọn sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 30 (a) Pb (g/L) 25 Pb (g/L) 32,9 (b) 51,2 25 106 79,2 130 [DA] = 5 mM 105,6 [DA] = 10 mM 160 20 130,4 20 197 159,7 236,6 237 A) A) 276,4 15  276  316,0 I ( I I ( 15 316 316,0 351 10 351,5 383,5 10 412,5 5 5 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 E (V vs. SCE) E (V vs. SCE) Hình 3.8. Tín hiệu DPASV phát hiện ion Pb2+ của hệ GCE/CNTs-PDA-SbNPs ứng với (a) [DA] = 5 mM và (b) [DA] = 10 mM 6
7. Các phân tích tương tự đối với sử dụng hệ vật liệu CNTs-PDA- SbNPs cho chế tạo cảm biến nhận biết ion Cd2+. Trong đó, nồng độ DA = 10 mM cũng cho khoảng tuyến tính và độ nhạy trong nhận biết ion Cd2+ là tốt nhất. Giá trị độ nhạy và khoảng tuyến tính ứng với các nồng độ DA khác nhau được tập hợp trong bảng 3.1. Ảnh hưởng của thời gian điện phân trong quá trình tổng hợp PDA đến khoảng tuyến tính và độ nhạy khi sử dụng điện cực để xác định nồng độ ion Pb2+ được cũng được liệt kê trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ DA và thời gian điện phân PDA đến tín hiệu phân tích Pb2+ Trùng hợp điện hóa màng polydopamin Điều kiện phân tích Pb2+: phương pháp DPASV pH 4,5 (ABS), thế điện phân Pb2+: - 1,2 V; thời gian điện phân Pb2+: 180 s Nồng Độ nhạy Khoảng Thời gian Độ nhạy Khoảng độ DA(a) A/(g/L) tuyến tính điện phân A/(g/L) tuyến tính (mM) (g/L) DA (b) (s) (g/L) 5 0,0502 106-350 300 0,0386 51 – 276 10 0,0484 33 - 412 350 0,0484 33 – 412 15 0,0624 106 -197 400 0,0421 51 – 276 450 0,0622 51 – 276 (a) thời gian điện phân DA = 350 s; (b) nồng độ DA = 10 mM; Có thể thấy, ở thời gian 350 s, độ nhạy và khoảng tuyến tính khi phân tích Pb2+ đạt giá trị tốt nhất. 3.1.1.3.Khảo sát thế điện phân và thời gian điện phân Sb Hình 3.11 biểu diễn đường chuẩn xác định nồng độ ion Pb2+ và Cd2+ ứng với sự thay đổi các điều kiện chế tạo hạt SbNPs gồm thế điện phân (ESb) và thời gian điện phân (tSb). 7
8. Với ESb = 1,2V, độ E 2+ 20 Sb Pb 20 E Cd2+ - 1,1 V Sb -1,1 V - 1,2 V dốc có giá trị nhỏ hơn 15 15 -1,2 V - 1,3 V -1,3 V 10 A) 10 A)  so với cả hai trường  I ( I I ( 5 5 hợp ESb = 1,1 V và (a) (b) 0 0 ESb = 1,3 V, nhưng 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 C (g/L) C (g/L) khoảng tuyến tính lại Hình 3.11. Đường chuẩn xác định nồng độ lớn nhất. Bên cạnh (a) Pb2+ và (b) Cd2+ tương ứng với hệ vật liệu đó, với mục tiêu sử CNTs-PDA-SbNPs được chế tạo ở điều kiện dụng cảm biến để thế điện phân Sb khác nhau nhận biết ion Cd2+ và 2+ 2+ nhận biết đồng thời ion Pb và Cd thì giá trị ESb = -1,2 V là điều kiện thích hợp đối cho chế tạo hệ vật liệu điện cực CNTs-PDA-SbNPs. Khảo sát tương tự đối với ảnh hưởng của thời gian điện phân Sb trong quá trình tổng hợp điện hóa hạt nano antimon lên màng vật liệu đến tín hiệu phân tích ion Pb2+, kết quả được tập hợp trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của thế điện phân và thời gian điện phân Sb đến tín hiệu phân tích Pb2+ Tổng hợp điện hóa hạt nano antimon Điều kiện phân tích Pb2+: phương pháp DPASV, [Pb2+] =160 g/L trong đệm ABS pH 4,5; E = -1,2 V, thời gian phân tích = 180 s Thế điện Độ Khoảng Thời gian Độ Khoảng phân Sb(a) nhạy tuyến tính điện phân nhạy tuyến (V) A/ (g/L) Sb (b) (s) A/ tính (g/L) (g/L) (g/L) -1,1 0,0730 21,5 – 237 120 0,0421 100-350 -1,2 0,0484 33 – 412 180 0,0484 33 – 412 -1,3 0,0548 33 – 350 240 0,0492 51 – 236 (a) Thời gian điện phân Sb = 180 s; (b): Thế điện phân Sb = -1,2 V 8
9. Có thể thấy thời gian điện phân SbNPs ảnh hưởng ít đến độ nhạy của giá trị phân tích. Tuy nhiên, với tSb = 180 s, khoảng tuyến tính đạt giá trị lớn nhất. Do vậy, các thông số được chọn cho chế tạo màng vật liệu CNTs- PDA/SbNPs được lựa chọn: nồng độ DA là 10 mM, thời gian điện phân trùng hợp mang PDA là 350 s, thế điện phân và thời gian điện phân SbNPs là -1,2 V và 180 s tương ứng. Các thông số này được cũng được sử dụng cho chế tạo các hệ vật liệu PPy/CNTs-PDA-SbNPs và PPy-CNTs/CNTs-PDA/SbNPs mà không cần phải khảo sát lại. Trong phần tiếp theo, chỉ tập trung vào tác dụng của lớp nền PPy-CNTs. 3.1.2. Hệ vật liệu PPy-CNTs/CNTs-PDA-SbNPs Hệ vật liệu CNT-PDA/SbNPs cho kết quả tốt đối với nhận biết ion Pb2+ và Cd2+so với điện cực chỉ có antimon. Trong phần này, màng polypyrrol dạng dây nano (PPyNWs) được sử dụng làm lớp nền. Lớp nền này không những tăng khả năng phân tán MWCNTs trên bề mặt của PPyNWs mà còn có khả năng tương tác với lớp PDA nhờ liên kết hydro -N H–O giữa PPy và PDA, theo đó làm tăng độ ổn định của các lớp trên bề mặt điện cực. Với việc sử dụng chất hoạt Hình 3.13. Ảnh SEM của bề mặt động bề mặt CTAB với nồng độ điện cực GCE/PPyNWs trùng hợp bằng 4 lần nồng độ mixen tới hạn bằng phương pháp CV trong dung (CMC), PPy hình thành có dạng dịch Py 15mM + CTAB 1,74mM sợi cấu trúc nano như quan sát + NaNO3 0,1M khoảng thế từ -0,7 được trong hình 3.13. ÷ 0,7 V; với 3 vòng quét thế. 9
10. 3.1.2.1. Ảnh hưởng của lớp màng PPyNWs và PPyNWs-CNTs composite đến quá trình trùng hợp PDA Lớp nền PPyNWs được 100 đưa vào hệ vật liệu với mục 80 GCE/CNTs đích làm tăng liên kết giữa hệ GCE/PPyNWs/CNTs 60 A)  vật liệu với bề mặt điện cực. I ( 40 Tuy nhiên, bản thân lớp nền 20 này có thể ảnh hưởng đến hệ 0 0 50 100 150 200 250 300 350 vật liệu điện cực. Vậy, cần E (V vs. SCE) khảo sát ảnh hưởng của lớp Hình 3.14. Tổng hợp màng PDA PPyNWs đến quá trình trùng trên các điện cực (a) GCE/CNTs, hợp PDA (hình 3.14). Kết quả (b) GCE/PPyNWs/CNTs theo cho thấy màng polime PDA phương pháp CA tại E = 0,5 V, 3 được trùng hợp thành công lên L CNT 10mg/mL, [SDS] = 0,01 bề mặt điện cực. Trường hợp có M, [DA] = 10 mM. màng PPyNWs, mật độ dòng giảm không đáng kể, nghĩa là lớp PPyNWs ít ảnh hưởng đến sự 0.0 trùng hợp của PDA lên bề mặt -0.2 điện cực. -0.4 I (mA) I Lớp nền PPyNWs có ảnh -0.6 GCE/CNTs-PDA GCE/PPyNWs/CNTs-PDA hưởng nhất định đến quá trình -0.8 điện phân SbNPs trên bề mặt điện 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t (s) cực (hình 3.15), đặc biệt khi có Hình 3.15. Đường cong phân cực mặt PDA. Do vậy, lớp nền I – t của quá trình điện phân SbNPs PPyNWs cần có độ dày thích hợp. trên bề mặt điện cực biến tính bằng Độ dày này dễ dàng được kiểm các hệ vật liệu: CNTs-PDA và soát bằng các thông số điện hóa. PPyNWs/CNTs-PDA 10
11. 3.1.2.2.Ảnh hưởng của số vòng điện phân PPyNWs và thế điện phân SbNPs Kết quả được tổng kết trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo vật liệu PPyNWs/CNTs- PDA-SbNPs đến tín hiệu phân tích Pb2+. Điều kiện phân tích Pb2+: phương pháp DPASV, [Pb2+] = 160 ppb trong đệm ABS pH 4,5; E = - 1,2 V, thời gian phân tích: 180 s. Tổng hợp điện hóa hạt nano Trùng hợp điện hóa màng polypyrrol antimony Số Độ nhạy Khoảng Thế điện Độ nhạy Khoảng vòng A/ tuyến tính phân Sb (b) A/ tuyến tính quét(a) (g/L) (g/L) (V) (g/L) (g/L) 3 0,0378 31 - 409 -1,1 0,0288 20 – 281 5 0,0348 30 - 436 -1,2 0,0378 31 – 409 10 0,0470 91 -288 -1,3 0,0366 20 – 311 (a) [Py] =15 mM , [CTAB] = 1,74 mM, [NaNO3] = 0,1 M, E = -0,7 V  0,7 V ; (b) Nồng độ Sb3+ = 2 mg/L, thời gian điện phân Sb = 180 s; Số vòng CV trong quá trình điện phân màng PPyNWs được chọn là 5. Với điều kiện này, điện cực biến tính có độ nhạy và khoảng tuyến tính thích hợp với cả hai loại ion, đồng thời tránh hiện tượng lệch chân nền, tạo thuận lợi cho quá trình phân tích các ion Pb2+ và Cd2+. 3.1.2.3.Kết quả tổng hợp và đặc trưng vật liệu PPyNWs-CNTs/CNTs- PDA-SbNPs Để tăng độ dẫn điện, một lượng nhỏ MWCNTs được đưa vào màng trong quá trình trùng hợp PPyNWs tạo thành một dạng composit ở lớp trong cùng. Từ đó, ta thu được hệ vật liệu ký hiệu là PPyNWs - CNTs/CNTs-PDA-SbNPs. Với hệ vật liệu này, cường độ cặp pic oxy hóa khử tăng nhiều, cho thấy lớp màng composit PPyNWs -CNTs làm tăng hoạt tính điện hóa của điện cực biến tính lên nhiều (hình 3.18). 11
12. Bề mặt điện hoạt của các hệ 200 GCE/CNTs-PDA-SbNPs điện cực được xác định từ GCE/PPyNWs/CNTs-PDA-SbNPs GCE/PPyNWs-CNTs/CNTs-PDA-SbNPs phương trình Randles-Sevcik. 100 A) Giá trị diện tích bề mặt điện hoạt  0 I ( được liệt kê trong bảng 3.4 -100 Hệ GCE/PPy-CNTs/CNTs- -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 SDS/PDA/SbNPs (G3) có bề mặt E (V vs. SCE) điện hoạt lớn nhất (10,7 mm2) Hình 3.18. Tín hiệu CV của các tương ứng với độ nhạy lớn nhất. hệ điện cực trong dung dịch 3- 4- Điều này cho thấy, khi pha tạp Fe(CN)6 / Fe(CN)6 5mM; tốc MWCNTs vào màng PPy, khả độ quét thế 20 mV/s năng dẫn điện và diện tích bề mặt riêng của hệ compozit này được cải thiện đáng kể, dẫn đến sự gia tăng cả về độ nhạy, khoảng tuyến tính và giới hạn phát hiện. Bảng 3.4. Diện tích bề mặt điện hoạt (A, mm2) của các điện cực biến tính và độ nhạy của các điện cực với ion Pb2+ tương ứng Điện cực A Độ nhạy Khoảng tuyến (mm2) A/ g/L) tính (g/L) GCE 2,49 - - GCE/ SbNPs 4,04 0,0466 48 - 310 GCE/CNTs- SbNPs 5,65 - - G1 7,14 0,0484 33 - 412 G2 5,01 0,0378 31 - 409 G3 10,70 0,1328 10 - 120 (G1): GCE/CNTs-PDA/SbNPs; (G2): GCE/ PPyNWs/CNTs-PDA-SbNPs và (G3) GCE/PPyNWs -CNTs/CNTs-PDA- SbNPs. 12
13. 3.1.3.Ứng dụng hệ vật liệu PPy-CNTs/CNTs-SDS/PDA/SbNPs chế tạo cảm biến nhận biết ion kim loại nặng Trên cơ sở các khảo sát ở phần trên, hệ vật liệu PPyNWs- CNTs/CNTs-PDA-SbNPs chế tạo ở điều kiện tối ưu được lựa chọn cho ứng dụng để biến tính điện cực làm việc của cảm biến điện hóa nhận biết ion kim loại Pb2+ 15 (a) nặng Pb2+ và Cd2+ 10 Equation y = a + b*x Weight No Weighting A)  Residual 0.41664 (Trong luận án tóm tắt Sum of I ( Squares 5 Pearson's r 0.99868 Adj. R-Squar 0.9967 Value Standard Err Intercept -1.5111 0.23412 chỉ trình bày kết quả I 0 Slope 0.13276 0.00341 2+ 0 20 40 60 80 100 120 đối với ion Pb ). C (g/L) (b) (c) 30 n = 7 2+ So với các hệ vật liệu Pb g/L n = 6 25 n = 5 25 10 n = 4 ) 20 A 40 n = 3  của các tác giả khác, hệ A) 20 n = 2 I ( 20 60  90 I ( n = 1 120 vật liệu đa lớp trên cơ 15 15 -1.0 -0.5 0.0 -1.0 -0.5 0.0 sở PPyNWs-CNTs/ E (V) E (V) CNTs-PDA-SbNPs có Hình 3.19. (a) Đường chuẩn xác định ion Pb2+ độ nhạy cao, khoảng (b) Tín hiệu DPASV tại các nồng độ ion Pb2+ tuyến tính và giới hạn khác nhau và (c) Độ lặp lại của tín hiệu phát hiện tương đương. DPASV tương ứng với [Pb2+] = 90 g/L 3.2.Hệ vật liệu trên cơ sở polypyrrol dây nano 3.2.1.Tổng hợp màng polypyrrol dây nano và các đặc trưng tính chất 3.2.1.1.Ảnh hưởng của phương pháp trùng hợp điện hóa Phương pháp điện hóa đề trùng hợp màng polypyrrol ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc của vật liệu. Đối với phương pháp CV, dung dịch được sử dụng trong phản ứng trùng hợp điện hóa gồm pyrole 0,2 M trong đệm photphat (PBS, pH = 7,4) chứa LiClO4 10 mM. Đường CV 13
14. tổng hợp màng PPy và ảnh SEM tương ứng của màng PPy trên bề mặt điện cực được thể hiện trên hình 3.21. Đường CV đầu 6 vòng 1 vòng 2 5 vòng 3 vòng 4 tiên có một pic oxy 4 vòng 5 vòng 6 3 vòng 7 vòng 8 hóa ở 0,62 V tương 2 vòng 9 I (mA) vòng 10 1 ứng với quá trình 0 -1 oxy hóa monome -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 E(V, SCE) Py. Sau mỗi chu kỳ, Hình 3.21. (A) Đường CV quá trình trùng hợp đường CV có cường điện hóa PPy và (B) ảnh SEM của màng PPy độ tăng dần chứng tỏ màng PPy phát triển tốt trên bề mặt điện cực. Ảnh SEM cho thấy vật liệu PPy hình thành có cấu trúc khối điển hình. Với phương pháp CA, màng polime PPy được hình thành ở điều kiện thế áp vào không đổi và bằng +0,75 V trong 500 s (hình 3.22). Kết quả Hình 3.22 (A) Đường CA của quá trình trùng cho thấy, có sự hình hợp PPy ở điều kiện[Py] = 0,2 M; Na2HPO4 thành liên tục màng 0,2 M; LiClO4 10 mM, E = +0,75 V, t = 500 s. PPy dẫn điện trên bề và (B) Ảnh SEM của vật liệu tương ứng mặt điện cực. Từ hình 3.22B ta thấy các dây nano polypyrrole (PPyNWs) được tổng hợp thành công trên bề mặt điện cực IDμE. Các sợi nano này có kích thước khá đồng đều, đường kính trung bình khoảng 50 - 60 nm. 14
15. 3.2.1.2.Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đệm Khi sử dụng dung dịch đệm photphat (PBS) nồng độ 0,1 M làm chất điện ly nền, sẽ thu được PPy có cấu trúc khối điển hình, nhưng với dung dịch chất điện ly đệm PBS 0,2 M (pH = 8), cấu trúc của PPy có dạng dây nano khá đồng đều (hình 3.23). Cấu trúc dây nano có diện tích bề mặt lớn hơn và độ dài khuếch tán nhỏ hơn là vật liệu khối thông thường. Do đó, cấu Hình 3.23. Ảnh SEM của (A) PPy cấu trúc trúc này sẽ đem lại khối và (B) PPy cấu trúc dây nano các tính chất ưu việt cho hệ vật liệu. 1.2 Hành vi điện hóa của vật liệu PPy NWs PPy PPyNWs và cấu trúc khối được 0.8 đánh giá bằng phương pháp CV 0.4 0.0 (hình 3.24). I (mA) -0.4 Như được thể hiện trên các -0.8 đường CV cả hai mẫu đều có -1.2 -1.0 -0.5 0.0 0.5 hoạt tính điện hóa. Tuy nhiên, E (V vs. SCE) có thể thấy rằng PPyNWs có độ Hình 3.24. Đường CV của PPy hoạt động điện hóa cao hơn do dạng dây nano và PPy dạng khối diện tích bề mặt riêng của dây trong KCl 1M, tốc độ 50 mV/s. nano lớn. 15
16. 3.2.2. Ứng dụng hệ vật liệu trên cơ sở màng PPyNWs chế tạo cảm biến sinh học điện hóa, dùng cho phân tích y sinh và môi trường 3.2.2.1.Phân tích thuốc trừ sâu atrazin sử dụng cảm biến miễn dịch kháng nguyên-kháng thể Antibody -ATZ được cố định lên bề mặt điện cực IDµE/PPyNWs nhờ glutarandehit (GA) với vai trò là phần tử trung gian tạo liên kết chéo với màng polime PPy. Kết quả gắn -ATZ được Hình 3.26. Các đường CV của chứng minh thông qua hành vi điện cực IDµE/PPyNWs trước khi điện hóa của điện cực gắn α-ATZ (đen) và sau khi gắn α- IDµE/PPyNWs trước và sau ATZ (đỏ) trong K3[Fe(CN)6]/ khi gắn -ATZ (hình 3.26). K4[Fe(CN)6] 5 mM + KCl 0,1 M, Ta thấy, sau khi gắn α- tốc độ quét 50 mV/s ATZ, cường độ dòng điện giảm xuống, chứng tỏ sự có mặt của [ATZ] ng/mL 200 0 10 100 GA gắn với kháng thể α-ATZ. 150 300 400 500 Tuy nhiên, diện tích bề mặt điện 100 2500 2000 -Z" (Ohm) 1500 (Ohm) 1000 S hoạt của điện cực vẫn lớn, hứa 50 R 500 y = 91.14 + 4.790x 0 R = 0.9909 0 100 200 300 400 500 0 [ATZ] (ng/mL) hẹn hệ vi điện cực có khả năng 100 200 300 400 500 600 700 Z' (Ohm) xác định nồng độ ATZ với độ Hình 3.29. Phổ Nyquist với các nhạy cao. Kết quả phân tích nồng độ atrazine khác nhau, mô atrazine thể hiện trên hình 3.29. hình mạch tương đương, đường Như vậy, hệ vật liệu hồi quy tuyến tính theo nồng độ polypyrrol dây nano ứng dụng atrazine (hình chèn) trong chế tạo cảm biến miễn dịch 16
17. phát hiện thuốc trừ sâu atrazine. Đây cũng là cơ sở để áp dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa không cần sử dụng cơ chất hoặc chất đánh dấu, ứng dụng nhận biết các phần tử sinh học hoặc hóa học, đặc biệt là các chất yêu cầu tính đặc hiệu cao. 3.2.2.2.Phân tích thuốc bảo vệ thực vật carbaryl thuộc họ carbamat. Từ nhiều nguyên nhân, giải pháp sử dụng bẫy được coi là hữu hiệu nhằm bắt giữ/cố định các phần tử sinh học trên bề mặt điện cực mà không/rất ít ảnh hưởng đến hoạt tính của phần tử sinh học đó. a. Quá trình cố định enzyme AChE bằng PDA-Gr trên bề mặt điện cực IDE/PPyNWs Vật liệu sử dụng để bẫy phần tử sinh học là màng polydopamin (PDA). Khi có mặt AChE trên bề mặt IDE/PPyNWs trong quá trình trùng hợp PDA, enzym này sẽ được giữ lại trên bề mặt điện cực. Để khẳng định sự có mặt của enzyme AChE được bẫy trong màng PDA trên bề mặt điện cực IDE/PPyNWs, phổ hồng ngoại của các hệ vật liệu PPyNWs/PDA-Gr-AChE, c PPyNWs và enzym AChE được b 3270 1538 1291 780 xác định, kết quả thể hiện trên hình 922 1043 1410 3.31. 3359 a 1519 1632 1237 % Truyen qua % Truyen 2960 1076 625 Kết quả cho thấy có sự có mặt 3274 1235 1029 của AchE và PDA trong màng 1622 1515 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 PPyNWs, từ đó có thể đưa ra nhận so song (cm-1) Hình 3.31. Phổ hồng ngoại của: định là AChE đã được gắn thành công lên bề mặt PPyNWs nhờ tác (a) PPyNWs/PDA-Gr-AChE, động của PDA. (b)AChE, và (c) PPyNWs 17
18. Từ ảnh SEM (hình 3.32) có thể thấy bề mặt điện cực có các chấm nhỏ bám trên dây nano. Chấm nhỏ này chính là các phần tử AChE, cho thấy enzym đã được cố định thành công trên bề Hình 3.32. Ảnh SEM của điện cực mặt màng polime. IDE/PPyNWs/PDA-Gr-AChE (b) 2 (c) (e) 1 (a) 0 Hành vi điện hóa của các điện cực A) -1  10 I ( (d) -2 -3 IDE và IDE/PPyNWs/PDA-Gr- -4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 (b) E (V) (c) 0 (a) A) AChE trong đệm PBS cho thấy tín  I ( -10 IDE trong PBS hiệu điện hóa của các hệ điện cực IDE/PPyNW/PDA-Gr-AChE trong PBS IDE/PDA-Gr-AChE trong PBS có ATCl 1 mM IDE/PPyNW/PDA-AChE trong PBS có ATCl 1 mM khá nhỏ khi chưa có cơ chất ATCl IDE/PPyNWs/PDA-Gr-AChE trong PBS có ATCl 1 mM -20 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 (hình 3.34 a, b hình chèn). Khi E (V) thêm ATCl 1,0 mM vào dung dịch Hình 3.34. Đường CV của các chất điện ly, trường hợp điện cực điện cực: (a) IDE trần; IDE/PPyNWs/PDA-Gr-AChE (b) IDE/PPyNWs/PDA-Gr- (đường e), cường độ dòng tăng lớn AChE trong PBS (pH = 7,4) và có xuất hiện pic oxy hóa tại + và (c) IDE/PDA-Gr-AChE; 0,7 V. Có thể thấy vai trò của Gr (d) IDE/PPyNWs/PDA-AchE; trong hệ composite làm tăng đáng (e) IDE/PPyNWs/PDA-Gr- kể hoạt tính điện hóa của màng AChE trong đệm PBS (pH = 7,4) PDA. + ATCl 1,0 mM 18
19. b. Khả năng đáp ứng của cảm 80 biến sinh học trong nhận biết Y = 3.169 + 53.673.X R2 = 0.9702 carbaryl 60 2.5 Khi có mặt chất bảo vệ thực 40 2.0 1.5 (a) (b) (c) % uc che ) (d) A vật carbaryl trong dung dịch chứa  1.0 (e) 20 I ( (f) 0.5 1 mM (g) cơ chất ATCl, đáp ứng của điện 0.0 ATCl 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Time (s) cực IDE/PPyNWs/PDA-Gr- 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Carbaryl (g/mL) AChE giảm đáng kể. Hình 3.36. Đường chuẩn nồng độ Bằng phương pháp đường carbaryl và % ức chế và các đường chuẩn, xác định khoảng tuyến biểu diễn áp thế đo dòng theo thời tính nồng độ carbaryl từ 0,05 đến gian (hình chèn) đối với hệ điện 1,5 µg.mL-1 , độ nhạy (LOD) cực IDE/PPyNWs/PDA-Gr-AchE 0,008 µg/mL. 3.3. Hệ vật liệu trên cơ sở PANi-CNTs trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa nhận biết glucozơ 3.3.1.Tổng hợp và đặc trưng vật liệu PANi-CNTs trên nền vi điện cực IDµE Sử dụng chất hoạt động bề mặt SDS là một giải pháp hiệu quả để tăng khả năng phân tán của CNTs trong môi trường. Hàm lượng CNT trong SDS được khảo sát chi tiết và tìm được điều kiện tối ưu [SDS] = 1,4mM và [CNTs] = 19,2mg/L. Giá trị E = + 0,9 V được lựa chọn cho quá trình trùng hợp màng composite (từ số liệu của đường CV của quá trình trùng hợp PANi-CNTs). Hình 3.38a (xem trang sau), ngay tại thời điểm áp thế, cường độ dòng điện đạt tới gần 900 A, các monome bị oxy hóa tạo thành các ion gốc và giải phóng electron. Sau đó, cường độ dòng điện giảm mạnh xuống 100 A và giữ ổn định trong suốt 240 giây, ứng với quá trình 19
20. tạo thành các oligome, tetrame, và màng polime. Hình 3.38b cho thấy trên bề mặt điện cực có phủ đều một lớp màu xanh đặc trưng của Hình 3.38. (a) Đường I –t của quá trình polyanilin. trùng hợp màng PANi-CNT, nồng độ ANi Đặc trưng tính chất là 0,01M trong H2SO4 0,1M với nồng độ của vật liệu, cấu trúc, SDS 1,4mM và CNT 19,2 mg/L; và (b) hình thái học và hành vi Ảnh chụp điện cực trước và sau khi trùng điện hóa của hệ vật liệu hợp điện hóa tạo màng PAni-CNTs. được nghiên cứu bằng các phương pháp FTIR, ảnh SEM (hình 3.40) và CV (hình 3.41, xem trang sau). Có thể thấy, các ống CNTs này được phân bố đều trong lớp nền PANi thành màng composite khá đồng nhất, có bề mặt riêng phát triển, tạo thuận lợi cho việc đưa các phần tử sinh học như enzyme Hình 3.40. Ảnh SEM của hệ vật liệu PANi- lên trên bề mặt. CNTs ở các độ phóng đại khác nhau. Vì vậy, vai trò của CNTs trong hệ vật liệu: ngoài làm tăng diện tích bề mặt còn tăng hoạt tính điện hóa của hệ nhờ khả năng dẫn điện cao của vật liệu. Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng đỉnh oxy hóa theo tốc độ quét, xác định được bề mặt điện hoạt của hệ điện cực IDµE/PANi- CNTs là 236 mm2, giá trị này của IDµE/PANi là 178 mm2. Điều này 20
21. 0.3 A sẽ cải thiện đáng kể hoạt động C 0.2 B của cảm biến sinh học, tăng độ 0.1 0.0 nhạy khi ứng dụng để nhận biết -0.1 I (mA) I -0.2 B' glucozơ. A' -0.3 Pt PANi -0.4 3.3.2. Ứng dụng hệ vật liệu PANi-CNT C' -0.5 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 PANi-CNTs trong chế tạo cảm E (V vs. SCE) biến sinh học nhận biết Hình 3.41. Các đường CV của glucozơ. các hệ điện cực IDµE, và IDµE Phản ứng tại bề mặt điện cực biến tính bởi PANi hoặc dưới tác dụng xúc tác của enzym PANi/CNT-SDS trong HCl 1 M, GOx là cơ sở cho phép xác định: tốc độ quét thế 50 mV/s GOx Glucozơ + O2  Gluconic axit + H2O2 + - H2O2 → O2 + 2H + 2e Ta thấy, dòng điện đo được tỷ lệ với lượng H2O2 bị oxy hóa, và theo đó, tỷ lệ với nồng độ glucozơ trong dung dịch, có thể xây dựng đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính của cường độ dòng điện đáp ứng và nồng độ glucozơ. 3.3.2.1.Cố định enzyme GOx lên bề mặt điện cực IDµE/PANi-CNTs Nhờ có các nhóm chức NH2 và NH lên bề mặt điện cực IDµE/PANi-CNTs, các phần tử sinh học được Hình 3.42. Ảnh FE-SEM của hệ vật liệu đưa lên bề mặt điện cực PANi-CNTs sau khi gắn enzyme GOx là enzyme GOx với mục (PANi- CNTs/GOx) ở các độ phân giải đích chế tạo cảm biến khác nhau glucozơ (hình 3.42). 21
22. Khi các phần tử GOx gắn với bề mặt PANi-CNTs, màng polime trông khít chặt hơn và có cấu trúc kiểu gel, quan sát thấy các cấu trúc vi cầu, sắc sáng chứng tỏ sự có mặt của GOx trên bề mặt PANi-CNTs. Hệ điện cực IDµE/PANi-CNTs/GOx được sử dụng để nhận biết glucozơ sử dụng phương pháp CA 3.3.2.2.Nhận biết glucozơ sử dụng điện cực IDµE/PANi-CNT/GOx Phương pháp điện hóa được sử dụng để nhận biết glucozơ là CA, giá trị thế áp vào thích hợp cho hệ bằng phương pháp CV. Giá trị điện thế được lựa chọn E = + 0,6 V do ở điện thế lớn hơn 0,8 V sẽ có sự oxy hóa – khử các hợp chất khác như axit arcobic (AA), axit uric (UA) và acetaminophen (AAP). Các chất này thường có mặt trong các mẫu glucozơ và có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của việc xác định glucozơ. Kết quả xây dựng 35 đường chuẩn xác định 30 1 mM glucozo nồng độ glucozơ được thể A) 33  25 I ( 30 hiện trong hình 3.45. ) A 27  ( R=0.99039 I 24 20 Phương trình tuyến tính 21 0 2 4 6 8 10 12 14 16 mô tả sự phụ thuộc này Cglucose (mM) 0 100 200 300 400 500 Time (s) được xác định là I (µA) = 1.07 Cglucozơse (mM) + Hình 3.45. Đáp ứng dòng của hệ 20.06 với hệ số tương IDµE/PANi-CNTs/GOx theo nồng độ quan là 0.99039. Khoảng glucozơ, tương ứng với mỗi lần tiêm tuyến tính này nằm trong glucozơ 1 mM trong PBS tại E = + 0,6 V giới hạn đo đường huyết và đường chuẩn tương ứng (hình chèn) của người bình thường, đủ để sử dụng cho cảm biến ứng dụng trong phân tích cận lâm sàng xác định đường huyết ở người bình thường (4,4 – 6,6 mM). 22
23. KẾT LUẬN Sau khi nghiên cứu khảo sát điện cực biến tính sử dụng vật liệu lai ghép giữa polime dẫn điện và các vật liệu nano cacbon, cụ thể là MWCNTs và graphen, đã thu được một số kết quả như sau: 1. Đã khảo sát các điện cực lai ghép polypyrrol nano dây (dùng chất hoạt động bề mặt CTAB) và MWCNTs và đã lựa chọn ra được điện cực đáp ứng tốt nhất đó là điện cực GCE/PpyNWs-CNTs/CNTs- PDA-SbNPs với độ ổn định cao, sự chênh lệch tín hiệu tại cùng một nồng độ nhỏ hơn 5%, độ nhạy tốt nhất trong số các điện cực khảo sát. 2. Khảo sát và đưa ra các điều kiện tối ưu trong chế tạo điện cực PPy/CNTs và điều kiện đo với các ion kim loại nặng Cd2+ và Pb2+. Nhận thấy với điện cực GCE/PPyNWs-CNTs /CNT-PDA-SbNPs đã đáp ứng được độ nhạy đối với kim loại Pb2+, đạt độ nhạy mong muốn là 2µg/L. 3. Đã tổng hợp thành công màng polypyrrol dây nano trên bề mặt vi điện cực màng platin răng lược không cần sử dụng khuôn (template) trong quá trình trùng hợp. Các điều kiện để thu được màng PPyNWs được đánh giá ổn định cao. 4. Ứng dụng màng PPyNWs chế tạo cảm biến sinh học phân tích hàm lượng thuốc bảo vệ thực vật atrazin (α-ATZ) với giới hạn nhận biết là 10 ng/Ml và carbaryl với giới hạn nhận biết là 8ng/mL. 5. Đã tổng hợp thành công màng PANi-CNTs với sự hỗ trợ phân tán của chất hoạt động bề mặt SDS. Ngoài ra, SDS còn có vai trò tương tự như chất pha tạp vào màng polime. Hệ vật liệu này cho thấy khả năng cố định các phân tử sinh học lên bề mặt. Đối với ứng dụng chế tạo cảm biến glucozơ, hệ vật liệu cho thấy thời gian đáp ứng nhanh (< 5 s), khoảng tuyến tính lớn 1 -12 mM. 23
24. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đã nghiên cứu chế tạo thành công các điện cực biến tính trên cơ sở vật liệu lai vô cơ – hữu cơ của polyme dẫn điện và vật liệu nanocacbon, để xác định các mẫu sinh học, môi trường. Trên cơ sở các hệ vật liệu PPyNWs-CNTs/CNTs-PDA-SbNPs, PPyNWs/PDA-Gr và PANi-CNTs, các điện cực chế tạo được đã được chứng minh có các đặc trưng phù hợp để ứng dụng phân tích mẫu nước chứa kim loại nặng Pb2+ và Cd2+, thuốc bảo vệ thực vật (atrazine, carbaryl) và glucozơ. - Các vật liệu có tính chất điện hóa ưu việt là polyme dẫn điện, ống nanocacbon, và graphen đã được nghiên cứu tổng quan, khảo sát bằng thực nghiệm để ứng dụng biến tính điện cực glassy cacbon, điện cực răng lược bạch kim nhằm xác định độ nhạy và chọn lọc với các chất cần phân tích. - Đã nghiên cứu, khảo sát một cách hệ thống các đặc trưng điện hóa của điện cực chế tạo được bao gồm độ chọn lọc, độ ổn định, giới hạn phát hiện các chất phân tích. 24