Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hoá và sinh học làm detector cho thiết bị phân tích dòng chảy phục vụ phân tích môi trường và thực phẩm

- Thiết kế, chế tạo máy đo điện thế đa kênh ghép nối máy tính và chương trình điểu khiển trên hệ LABVIEW dùng để đo thế điện động của các điện cực chọn lọc ion - Nghiên cứu làm tinh urea

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

B Á O C Á O TỐ N G HỢP

Đ Ề TÀ I T R Ọ N G ĐIỂM ĐẠI HỌC QUÔ C G IA H À NỘI

N GH IÊN CỨU C H Ê TẠ O C Ả M B IÊN ĐIỆN HÓẠ V À SINH HỌC LÀM D E T E C T O R CH O TH IÊT B Ị PH ÂN TÍCH DÒNG

C H A Y p h ụ c v ụ p h â n Tí c h m ò i t r ư ờ n g v à t h ự c p h ẩ m

BÁO CÁO TÓM TẮT

1 Tên đề tài

“Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa và sinh học làm detector cho thiết

bị phân tích dòng chảy phục vụ phân tích môi trường và thực phẩm ”

- GS TS Từ Vọng Nghi, Khoa Hoá học, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- PGS TS Cao Thế Hà, Khoa Hoá học, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- PGS TS Nguyễn Văn Mùi, Khoa Sinh học, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- TS Trần Quang Vinh, Khoa Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội

- ThS Đỗ Phúc Quân, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- CN Lê Thế Duẩn, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- CN Chu Xuân Quang, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường

và Phát triển bển vững, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- CN N guyễn Minh Tuệ, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường

và Phát triển bền vững, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

- CN Hoàng Gia Hưng, Khoa Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội

- CN Phạm Hải Yến, Khoa Sinh học, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

4.1 Mục tiêu

- N ghiên cứu phát triển các điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn dùng polyme dẫn điện phục vụ cho việc quan trắc môi trường và phân tích thực phẩm

- Thiết k ế và chế tạo máy đo điện th ế đa kênh ghép nối máy tính dùng

để đo thế điện động của các điện cực chọn lọc ion

- Khảo sát quá trinh cố định enzym ureaza lên màng mỏng polypyrol bằng phương pháp điện hoá và khả năng chê tạo điện cực đo thê sinh hoá nhạy urê

- Khảo sát điều kiện trùng hợp điện hoá màng mỏng polypyrol, màng giữ vai trò lớp tiếp xúc rắn trao đổi điện tử - ion giữa màng cảm biến

và các thành phần so sánh bên trong Các thông số đặc trưng chính của SCISE như khoảng tuyến tính, độ dốc N em st và hệ số chọn lọc được đánh giá ở trạng thái dừng và trong chế độ dòng chảy

- Thiết kế, chế tạo máy đo điện thế đa kênh ghép nối máy tính và chương trình điểu khiển trên hệ LABVIEW dùng để đo thế điện động của các điện cực chọn lọc ion

- Nghiên cứu làm tinh ureaza, khảo sát phương pháp cố định ezym ureaza trên màng mỏng polypyrol trong quá trình trùng hợp điện hoá phục vụ cho việc chế tạo điện cực sinh hoá đo urê

- Đánh giá độ chính xác của các phép đo thế điện động và ứng dụng SCISE vào việc xác định nitrat, nitrit và amôni trong nước bề mặt, nước ngầm và nước thải

4.3 Thực nghiệm

Hoá chất

Tất cả các hoá chất được sử dụng đều có độ tinh khiết phân tích Các dung dịch chuẩn và dung dịch đệm được pha bằng nước khử ion Pyrol mua của Fluka trước khi dùng được cất lại trong chân không và bảo quản có bọc giấy nhôm trong tủ lạnh để tránh phân hủy do tia cực tím Têtraoctylamôni bromua (TOAB), têtrađêxylamôni bromua (TDAB), triđôđêxylm êtylam ôni clorua (TDDMAC), xianoaqua-cobyrinic axít heptakis (2-phênylêtyl este), nonactin và monactin, valinomycin, 2-đôđêxyl-2-m êtyl-l,3-propanediyl

2-nitrophênyloctyl ête (2-NPOE), bis(2-êtylhexyl) sebacat (DOS), b is(l- butylpentyl) adipat (BBPA), kali tetrakis(4-clophênyl)borat (KTpClPB), polyvinyl chlorua (PVC), polyurêtan (PU), và têtrahyđrôíuran (THF) được đặt của Fluka (Buchs, Thụy Sĩ)

Tổng hợp điện hoá polypyrol

Tổng hợp điện hoá và đanh giá màng polypyrol (Ppy) được thực hiện với

hệ ba điện cực gồm điện cực đĩa GC đường kính trong 2 mm (6.1204.110

GC, M etrohm, Switzerland) đóng vai trò điện cực làm việc, điện cực lưới platin đóng vai trò điện cực phụ trợ và điện cực so sánh Ag/AgCl (3M NaCl) Thiết bị galvanostat được sử dụng trong quá trình tổng hợp tại mật độ dòng không đổi Tổng hợp điện hoá tại th ế không đổi và các phép đo c v của polyme dẫn được tiến hành trên thiết bị Voltammetry (Model 757 VA Computrace, M etrohm, Switzerland)

Trước khi điện phân, bể mặt điện cực được đánh bóng bằng bột oxit nhôm với cỡ hạt 0.05 um, sau đó rửa sạch bằng nước cất hai lần và siêu âm trong trong 30s

Màng mỏng Ppy tổng hợp tại dòng không đổi (tại mật độ dòng 2 mA.cm' 2) hoặc thế không đổi (0.90V) trong dung dịch nước chứa pyrol (0.5 M) Để tăng khả năng trao đổi cation của màng mỏng Ppy, màng nafion được phủ lên trên bề mặt điện cực GC trước khi tổng hợp (trong trường hợp đối với SCISE amoni và kali) Dung dịch điện ly được sục khí nitơ trong 5 phút để loại bỏ ôxi hoà tan trước khi tiến hành điện phân

Màng lỏng chọn lọc ion được phủ lên trên bề mặt polyme dẫn đóng vai trò màng tiếp xúc rắn dẫn điện tử - ion giữa màng chọn lọc ion và điện cực

so sánh nội Các thông số đặc trưng của điện cực tiếp xúc rắn và tổng trở của chúng cũng được nghiên cứu

Phép đo điện thê

Các phép đo điện th ế ở trạng thái tĩnh được thực hiện theo phương pháp nhúng các điện cực vào trong dung dịch đo với cùng độ sâu và dung dịch được khuấy liên tục trong suốt quá trình đo với tốc độ không đổi Đường chuẩn được lập theo phương pháp thêm chuẩn trong vùng nồng độ ion chọn lọc từ 10'6 M to 10 1 M Hệ số chọn lọc được xác định theo phương pháp dung dịch riêng (SSM) Các phép xác định độ chọn lọc được tiến hành với nồng độ ion là 0,01 M Tất cả các phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng Các phép đo điện thế trong dòng chảy được thực hiện trên thiết bị phân tích FIA bao gồm bơm nhu động bốn kênh (Ismatec - Switzerland), van bơm mẫu

6 chiều (5020 Rheodyne) với vòng mẫu 100 fil và bình dòng chảy wall-jet (Metrohm, Switzerland) Điện thế của các điện cực được so sánh với điện cực

so sánh kép Ag/AgCl (Orion 90-02-00) và máy đo 692 pH/Ions meter (Metrohm, Switzerland) hoặc hệ đo điện thế ghép nối máy tính

Xác định tổng trở

Các phép đo tổng trở được thực hiện trên thiết bị phân tích tổng trở điện hoá đa năng A utolab (AUT30.V AUTOLAB, Eco Chemie, B.V., The Netherlands) Phép đo tổng trở được tiến hành với hệ gồm 3 điện cực trong cùng một bình đo Điện cực so sánh Ag/AgCl/3M NaCl với cầu muối NaCl

IM và điện cực phụ trợ platin được sử dụng trong toàn bộ phép đo Tổng trở điện hoá được xác định trong vùng tần số từ 100 kHz-10 mHz với biên độ thế kích thích xoay chiều là 10 mV Phép đo tiến hành trong dung dịch điện ly nồng độ 0,1 M tại nhiệt độ phòng.

5 Kết quả

Điện cực chọn lọc ion được sử dụng phổ biến để xác định trong phạm vụ rộng các chất phân tích Các ưu điểm của chúng bao gồm tốc độ phân tích nhanh, qui trình phân tích đơn giản, đáp ứng nhanh, độ chọn lọc hợp lý, vùng nồng độ tuyến tính rộng và thiết bị phân tích rẻ tiền Tuy nhiên, sự phát triển của khoa học phân tích hiện nay đòi hỏi các sensor có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng Phương pháp tiếp cận chung trong chế tạo sensor không cần bảo dưỡng đó là loại bỏ hoàn toàn dung dịch nội trong các điện cực thông thường để chế tạo loại sensor tiếp xúc rắn, trong đó sự vận chuyển điện tích được thực hiện bởi một màng tiếp xúc rắn có khả năng trao đổi điện

tử và ion hỗn hợp giữa màng chọn lọc ion và điện cực so sánh nội Hơn nữa, quá trình thu nhỏ điện cực được thực hiện thuận lợi hơn điện cực dung dịch nội khi điện cực tiếp xúc rắn không chứa thành phần dung dịch nào

Công việc nghiên cứu hiện nay nhằm chế tạo điện cực tiếp xúc rắn sử dụng lớp phim polyme dẫn điện đóng vai trò màng tiếp xúc rắn giữa điện cực

so sánh và m àng chọn lọc ion thay thế cho cấu trúc của điện cực dụng dịch nội thông thường

Các đặc trưng đáp ứng điện th ế của SCISE

Cắc đặc tính của SCISE như độ dốc của đường chuẩn, vùng nồng độ tuyến

tính, giới hạn phát hiện và hệ số chọn lọc phụ thuộc vào thành phần màng chọn lọc ion và độ ổn định điện thế của các SCISE phụ thuộc vào màng tiếp xúc rắn trên cơ sở polypyrol Ảnh hưởng của màng phim Ppy tới đáp ứng điện thế của các SCISE được nghiên cứu trên cơ sở kết hợp các màng phim Ppy với màng chọn lọc ion Các kết quả thu được cho thấy các SCISE đáp ứng rất ổn định trong vùng nồng độ của ion chọn lọc tương ứng từ 5.10"6 đến 10'1 M Độ dốc đường chuẩn của các điện cực đạt từ 55 - 58 m V dec'1 (n=9).Tín hiệu FIA của các SCISE thu được bằng cách bơm các nồng độ khác nhau của ion chọn lọc vào hệ dòng chảy cho thấy rằng các píc có độ lặp lại cao Thế điện cực của SCISE nitrit cho thấy đường nền lệch khỏi vị trí ban đầu do quá trình phân ly chậm của các phức giữa ion/phối tử Tuy nhiên, đường nền bị lệch khỏi giá trị ban đầu không gây ảnh hưởng tới đường chuẩn

vì quá trình xử lý số liệu được lấy theo chiều cao píc Sự đáp ứng trong dòng chảy thấp hon giá trị độ dốc lý thuyết cũng được quan sát thấy đối với trường hợp điện cực nitrit do ảnh hưởng của thành phần pha động, chất ổn định lực ion và sự phân tán của vùng mẫu Mặc dù vậy, sự đáp ứng đạt 87% giá trị khi

đo trong trạng thái tĩnh vẫn đạt được độ nhạy phân tích Các SCISE đáp ứng

tuyến tính trong vùng nồng độ từ 3 1 0 5 và 10'1 M của ion chọn lọc với độ dốc xấp xỉ giá trị lý thuyết.

Hệ số chọn lọc của các điện cực đối với một số ion thông dụng được xác đinh theo phương pháp dung dịch riêng (SSM) trong trạng thái tĩnh và dòng chảy, mặc dù phương pháp này có một sô hạn chế, nhưng phương pháp SSM thường được áp dụng khi xác định hệ số chọn lọc của số lượng lớn các ion

Hệ số chọn lọc của các SCISE đối với các ion chỉ ra sự phụ thuộc chủ yếu vào thành phần của màng chọn lọc ion

Thời gian đáp ứng của SCISE - thời gian cần thiết để các điện cực đạt được giá trị thế bằng 90% giá trị ổn định trong khoảng 3s Tất cả các điện cực có đáp ứng ổn định theo thời gian ít nhất trong 1 tháng mà không có sự giảm độ dốc ban đầu

Tổng trở điện hoá

Tổng trở của các SCISE cho thấy rằng bán cầu đáp ứng tần số cao liên quan tới trở kháng (Rb) của màng và điện dụng (Cg) của m àng polyme được dẻo hoá, trong khi bán cầu tần số thấp có thể do quá trình chuyển điện thích

và khuếch tán trong điện cực màng Đáp ứng tần số thấp cũng có thể bị ảnh hưởng của màng tiếp xúc rắn đóng vai trò chuyển điện tử - ion Tổng trở của các SCISE không có đường khuếch tán cho thấy rằng quá trình chuyển điện tích và khuếch tán xảy ra nhanh cũng như điện dung ôxi hoá khử cao của màng tiếp xúc rắn

Cô' định ureaza lên màng mỏng polypyrol

Do có nhiều thành quả nghiên cứu gần đây về điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn sử dụng polyme dẫn điện, việc kết hợp các điện cực này với các phản ứng xúc tác enzym đặc hiệu đang được tích cực phát triển nhằm tạo ra các thiết bị cảm biến sinh hoá thu nhỏ và đáp ứng nhanh dùng cho phân tích một

số đối tượng hữu cơ Trong việc chế tạo một thiết bị như vậy để phát hiện và định lượng urê, phân đoạn cố định một enzym thích hợp có vai trò rất quan trọng Trong phạm vi đề tài, enzym ureaza tách từ đậu nành được làm tinh và hoạt tính của nó được đánh giá bằng một phản ứng dùng enzym kết hợp Ureaza đã phân lập được dùng để xác định nồng độ urê trong nước bằng phương pháp đo thế trực tiếp sử dụng điện cực chọn lọc ion amôni Các thông số động học của enzym ở trạng thái tự do tính từ kết quả đo điện thế hoàn toàn phù hợp với kết quả thu được từ phương pháp trước Ngoài ra, hai phương pháp cố định enzym được thử nghiệm: cố định bằng một lớp màng thẩm thấu xenlulô triaxêtat và bẫy vào màng mỏng polypyrol bằng phương pháp điện hoá Trong cả hai trường hợp, kết quả xác định cho thấy hoạt tính ureaza ở trạng thái cố định không đủ để ứng dụng vào các phép đo thực tế Hai phương án này sẽ còn tiếp tục được thử nghiệm với điều kiện có được ureaza hoạt tính cao hơn

Thiết k ế và chê tạo thiết bị đo điện thê đa kênh ghép nôi máy tính

Để xác định đồng thời thế điện động của nhiều điện cực chọn lọc ion cần phải tạo được một máy đo điện thế đa kênh ghép nối máy tính Bằng cách sử dụng các bộ lọc điện tử có trở kháng cao, các mạch chuyển tín hiệu tuần tự thành dạng số có độ phân giải cao và một chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ LABVIEW, hệ đo tự tạo có thể thu thập và xử lý hiệu điện thế từ 8 kênh với độ nhạy và độ lặp lại cao Độ chính xác của thiết bị này có thể sánh với máy đo của hãng Metrohm trên thị trường cho thấy khả năng ứng dụng cao trong quan trắc môi trường

ứ n g dụng của SCISE trong phân tích mẫu nước

Các điện cực chọn lọc ion tạo được đã được áp dụng để phân tích nitrat, nitrit và amôni trong nước tự nhiên (gồm nước bề mặt và nước ngầm) và nước thải sinh hoạt trong khu vực Hà Nội

6 Tình hình kinh phí của đề tài:

Tổng kinh phí được cấp là 300 triệu đồng từ nguồn kinh phí nghiên cứu

cơ bản của Đại học Quốc gia Hà nội để thực hiện đề tài trong 2 năm

BRIEF OF FINAL REPORT

1 Title o f project:

“D evelopm ent o f chem icaỉ sensors and bỉosensor using as potentiom etric detector in flo w injection analysis system to appỉy in

environm ental and fo o d analysis”

2 L ea d er o f p ro jec t: Assoc Prof Dr Pham Hung Viet, Director, ResearchCentre for Environmental Technology and Sustainable Development(CETASD), University o f Science, VNU Hanoi

3 Members o f Project:

- Prof Dr Tu Vong Nghi, Faculty o f Chemistry, Hanoi University o f Science, VNU Hanoi

- Assoc Prof Dr Cao The Ha, Faculty o f Chemistry, Hanoi University

o f Science, VNU Hanoi

- Assoc Prof Dr Nguyen Van Mui, Faculty o f Biology, University o f Science, VNU Hanoi

- Dr Tran Quang Vinh, Faculty o f Technology, VNU Hanoi

- PhD Do Phuc Quan, Research Centre for Environmental Technology and Sustainable Development (CETASD), University o f Science, VNƯ Hanoi

- BSc Le The Duan, CETASD, University o f Science, VNU Hanoi

- BSc Chu Xuan Quang, CETASD, University o f Science, VNƯ Hanoi

- BSc Nguyen M inh Tue, CETASD, University o f Science, VNU Hanoi

- BSc H oang Gia Hung, Faculty o f Technology, VNU Hanoi

- BSc Pham Hai Yen, Faculty o f Biology, University o f Science, VNU Hanoi

4 O bjectives and Content o f Project:

- Study on immobilisation o f urease enzyme in an electropolymerised thin polypyrrole fĩlm to use in a potentiometric biosensor for measurement o f urea.

4.2 Content o f project:

- Optim isation o f soỉvent polymeric ion-selective membrane for nitrate, nitrite, ammonium and potassium based on membrane containing o f different plasticizers and ionophores Principle ISE characteristics such as dynamic linear concentration range, Nernstian slope and selectivity coefficient were estimated by mean o f conventional intemal íĩlling solution electrodes

- Investigation o f electropolymerised conditions o f thin polypyrrole film used as solid-contact layer playing the role o f electron - ionic transfer between sensing membrane and inner reíerence element Principle SCISE characteristics such as dynamic linear concentration range, N em stian slope and selectivity coefficient were estimated in steady State and in flow irỹection system

- Design and construction o f computerised multichannel potentiom eter and LABVIEW based control program for measurement o f electrom otive force o f chemical ion-selective sensors

- Study on puriíĩcation and immobilisation conditions o f urease enzyme

in an electropolymerised thin polypyrrole film to use in a potentiom etric biosensor for measurement o f urea

- Estim ation o f precision o f electromotive force measurement and dem onstration o f SCISE for determination o f nitrate, nitrite and ammonium in suríace water, groundwater and wastewater

4.3 Experim ental

Reagents

All reagents used were o f analytical grade Standard and buffer solutions were prepared with M illi-Q water Pyrrole purchased from Fluka was redistilled under vacuum beíòre use and covered with aluminium foil in the

ammonium nitrate (TDDMAN), Tridodecylmethylammonium chloride (TDDMAC), cyanoaqua-cobyrinic acid heptakis (2-phenylethyl ester) as nitrite ionophore I, N onactin and monactin, Valinomycin, 2-dodecyl-2-

m ethyl-1,3 -propanediy 1 bis [N-5 ’ -nitro(benzo-15 -crown-5 )-4 ’ -yl]carbamate (BME-44), 2-nitrophenyl-octyl ether (2-NPOE), bis(2-ethylhexyl)sebacate

chlorophenyl)borate (KTpClPB), high molecular weight polyvinyl chloride (PVC),high m olecular weight polyurethane (PU), and tetrahydroíuran (THF) were obtained from Fluka (Buchs, Switzerland)

Electrochem ical polym erization o f polypyrrole

Polypyrrole (PPy) synthesis and characterisation were performed in a conventional three electrode system comprising, the 2 mm i.d glassy carbon (GC) disc electrode (6.1204.110 GC, Metrohm, Switzerland) as vvorking electrode, a platinum wire gauze auxiliary electrode and an Ag/AgCl (3M NaCl) reference electrode A home-made galvanostat was used for the electropolymerisation Potentiostatic polymerisation and cyclic voltammetric measurements o f conductive polymer were períorm ed using a PC-controlled system for Voltammetry (Model 757 VA Computrace, Metrohm, Switzerland)

Before polym erisation, the surface o f the glassy carbon working electrode was polished on a polishing cloth with alumina slurry (0.05 Ịam) and then cleaned with double distilled water and íinally in a water-filled ultrasonic bath for 30 seconds

polym erisation (at cuư ent density o f 2 mA.cm'2) or potentiostatic conditions (at constant potential 0.90 V) from an aqueous solution containing pyrrole (0.5 M) In order increase the cation exchange o f Ppy thin film, a naĩion membrane was coated onto glassy carbon electrode surface prior to electropolym erisation (in case o f SCISE ammonium and potassium) The

counterion solution used for polymerization was deoxygenated with nitrogen for 5 minutes to remove any trace o f oxygen from the solution, prior to the polymer synthesis.

The ion selective membranes are íòrmed on top o f a layer o f the conducting polypyrrole, working as ion-to-electron transducer The potentiometric response characteristics and electrochemical impedance o f solid-contact ISEs were evaluated

Poíentiom etric measurements

Steady-state potentiometric measurements were made while stirring at a constant rate and with the electrodes immersed to the same depth in the solution to be tested The calibration curve was obtained by a Standard addition method involving the additions o f 10'6 M to 10'1 M o f the primary ion Selectivity coefficients were determined by the separate solution method (SSM) Selectivity measurements were done in 0.01 M solutions o f different ions All measurements were carried out at room temperature.Flow injection potentiometric measurement was performed with a simple flow manifold including a four channel peristaltic pump (Ismatec - Switzerland), a low pressure six way injection valve (5020 Rheodyne) with

100 fj.l sample loop and a wall-jet flow cell (Metrohm, Switzerland) The potentials were measured against a double junction Ag/AgCl reference electrode (Orion 90-02-00) using a 692 pH/Ions meter (Metrohm, Switzerland) in connection to PC Computer for data acquisition

Im pedance m easurem ents

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed by using

an Autolab general-purpose electrochemical system and Autolab írequency response analyzer system (AUT30.V AUTOLAB, Eco Chemie, B.V., The Netherlands) Impedance measurements were performed by using a one compartment three-electrode cell where the electrode under study was connected as the vvorking electrode The reference electrode was an Ag/AgCl/3M NaCỈ with a salt bridge containing 1 M NaCl and auxiliary electrode was a platinum wire gauze electrode The impedance spectra were recorded in the írequency range 100 kHz-10 mHz by using a sinusoidal excitation signal with amplitude o f 10 mV The measurements were done in

an electrolyte solution o f 0.1 M at room temperature

5 Results o f Research Project

lon selective electrodes are commonly used for the determination o f a wide range o f analytes They offer great advantages, which include, speed, simplified measured procedures, relatively fast response, reasonable selectivity, and wide linear dynamic range, and a relatively low cost Hovvever, the current development o f analytical sciences has led to a need for maintenance-free, robust and reliable ion sensors One common approach towards maintenance-free ion sensors is to eliminate the inner íĩlling

from ionic to electronic conductivity is provided by a solid contact layer having mixed ionic and electronic conductivity betvveen the inner reference element and the sensing membrane Also, the miniaturization is easier for electrodes w ithout any liquid components than for the more traditional ones with inner íĩlling solution

In the present work, the solid-contact ion selective electrodes based on electropolymerised polypyrrole film as intemal solid contact layer between the reference element and the ion sensing membrane, instead o f the conventional design with intemal íilling solution, have been investigated

Potentiom etric response characteristics o f SCISE

Principle SCISE characteristics, such as N em stian slope, dynamic linear range, detection limit and selectivity depend on the composition o f the ion selective membrane and potentiometric stability o f ISEs depend on solid- contact layer based on PPy thin film The affect o f PPy thin film to the potentiometric response o f SCISEs based on different PPy thin íĩlms incorporate with solvent polymeric membranes were investigated The obtained results shovved that the potentiometric responses o f those SCISEs are very stable in the measured primary concentration range o f 5.10'6 to 10’1

M The N em stian slope o f calibration plots o f all solid-contact electrodes are

in the range o f 55 - 58 mV.dec’1 (n=9)

Typical flow injection peaks o f SCISEs in FIA system obtained for series

o f injections o f different solutions o f primary ions demonstrates the high reproducibility o f the observed peak heights Signiíìcant electrode potential driữing was observed with the solid-contact nitrite selective electrodes, likely due to the slow leaching process o f the inophore o f this liquid membrane However, baseline driít in the FIA mode has little effect on the calibrations since data Processing can account for this when calculating peak heights The less than N em stian response observed for the solid-contact

nitrite selective electrode in the FIA mode was due to the initial slow response o f nitrite selective liquid membrane, the interíerence by the phosphate ion present in the carrier and the ionic background present in the standards and the dispersion o f the irỹected sample zone However, the FIA response observed represents about 87% o f the steady-state response and provides adequate analytical sensitivity The potentiometric responses o f the solid-contact selective electrodes were linear over the range investigated i.e., between 3.10'5 and 10'1 M o f interest ions with N em stian slope o f theoretical approximatively.

The potentiom etric selectivity coefficients o f the ion-selective membrane electrodes towards several common interfering ions were determined by the

injection system, despite its limitations, because it is very convenient when determining the selectivity for a large number o f ions The obtained selectivity coefficient values for interfering ions o f solid-contact ion- selective electrodes are shown that those depend on the composition o f the ion selective membrane

Response time was also investigated and the time taken for all ion selective electrodes to attain 90 % o f the steady-state response was typically

a few seconds The potential response o f the solid-contact ISEs was very stable in the measured concentration range o f primary ion both in a short term and long term for at least a month without decreasing o f an initial slope

E lectrochem ical im pedance spectroscopy

Examples o f impedance spectra o f SCISEs are shown that the high ữequency semicircle can be related to the bulk resistance (Rb) and geometric capacitance (Cg) o f the plasticized polymeric membrane, while the low frequency response can be related to interfacial charge transfer and diffusion processes in the ion selective electrode The low írequency response also iníluenced by the solid-contact used as ion-to-electron transducer Impedance spectra o f SCISEs does not show signiíìcant W arburg diffusion line, indicating fast interfacial charge transfer and diffusion processes as well as a high capacitance o f the solid contact where ion-to-electron transduction takes place

Im m obilisation o f urease enzytne ỉn electropolym erised in polypyrrole film

Due to the recent emergence o f solid-contact ion-selective electrodes based on conducting polymers, their use, in combination with a speciíìc enzyme-catalysed reaction liberating analysable products, has been being studied intensively to conceive miniaturised and fast-response biosensors for a number o f organic targets o f interest In order to develop such a device for detection and quantitative determination o f urea, immobilisation o f an appropriate enzyme has been proven to be a crucial step As part o f this work, urease is extracted from soybean, puriíìed and its activity is evaluated using a coupled enzymatic reaction The isolated urease is then used in determination o f urea concentration in water with an ammonium-selective electrode The kinetic parameters o f this free-enzyme reaction, calculated from potentiom etric measurements, are comparable to those obtained with the earlier method Two enzyme immobilisation strategies are also tested: íĩxation under a cellulose triacetate dialysis membrane layer and entrapment within a thin polypyrrole fílm by mean o f electropolymerisation In both cases, the immobilised urease, o f approximately 20U/mg originally, shows inadequate activity for practical use and the two approaches are concluded to

be subject to íurther investigation where a more active enzyme is undoubtedly needed

Design and construcíion o f com puterised m ultichannelpotentiom eter

In order to determine simultaneously EMF o f ion-selective sensors, a computerised multichannel potentiometer has been developed By using high impedance electronic íilters and high resolution ADCs as vvell as a control program in LABVIEW language, potential signals from 8 channels are acquired and processed with high sensitivity and reproducibility Precision

o f the developed device is comparable to the commercially available Metrohm equipment This system can be applied in environmental analysis

A pplication o f SC ISE f o r m easurem ent o f natural water

The resulted SCISEs have been applied for determination o f nitrate, nitrite and ammonium in natural water (including surface and ground water) and domestic w astew ater in Hanoi area

6 Budget o f Project: Total budget o f project is 300 million VND which

were expended for study on development o f SCISE, construction of computerised multichannel petentiom eter and puriíication o f enzyme and

immobilisation o f urease into conductive polypyưole film Duration o f project has been implemented in two years from september 1999 to April

2002.

Hanoi, May 3 rd, 2002 Project leader

Prof Dr Pham Hung Viet

2.2.5.2 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.4.1.2 Chuẩn bị mẫu CRM 115

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

tiếp xúc rắn

Solid-Contact Ion-Selective Electrode

SCISE

Membrane

ISM

dòng chảy

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA TH ựC HIỆN ĐỂ t à i

Hà Nội

ĐHKHTN

DANH MỤC CÁC BẢNG

nghiên cứu chê tạo điện cực chọn lọc ion nitrat, nitrit, amoni và kali

chỉnh lực ion bằng ISA tuơng ứng

chúng theo thời gian

từ 100 kHz - 10 mHz với dung dịch nồng độ 10 ’ M của ion chọn lọc đối với mỗi điện cực

khi pha loãng mẫu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ CÁC Đ ồ THỊ

dung dịch nội

dụng

SCISE sử dụng màng polyme dẫn điện

m àng chọn lọc ion

tử sử dụng trong chế tạo màng chọn lọc ion

pháp dung dịch riêng (SSM) đối với các anion khác nhau tại nồng độ 10'2 M trong TRIS 102 M, pH 7,1

của các màng Nitrit 1&2 và màng không có chất dẫn ion, dung dich ISA là NaCl 2.10'3 M

d un g dich nitrit từ 10'6 đến 10 'M với dung dịch ISA là NaCl

SSM đối với các anion khác nhau tại nồng độ 102 M trong đệm Tris 102 M, pH 7,1.

dẻo hoá khác nhau được xác định theo phuơng pháp dung dịch riêng trong các dung dịch của cation tại nồng độ 10'2 M pha trong đệm Tris nồng độ 10'2M, pH 7,1

của các cation khác nhau trong vùng nồng độ từ 10‘6 đến 10’1 M

chất dẻo hoá BBPA đối với các cation khác nhau được xác định theo phương pháp SSM

của điện cực amoni

các anion khác nhau sau khi luyện 24 giờ trong dung dịch humic 25 mg/1

hoá

Pyrol 0,5M /NO,' 0,5M, Mật độ dòng: 2mA/cm2, thời gian 150s

điện phân : 150s, Khoảng quét thế từ -0,7V đến +0,6 V, Tốc

độ q u é t: 50mV/s

2mA/cm2 Khoảng q u ét: -0,7V->0,6 V Tốc độ quét: 50mV/s

dung dịch có nồng độ nitrat thay đổi từ 0,1-1M Tốc độ quét thế: 50mV/s, dung dịch điện ly chứa nitrat 0,5 M

N 0 2' IM và (c) N 0 2' im (với 3 thời gian điện phân là 150s- 300s); (d) trong hỗn hợp Fe(CN)64- 0,1 M + N 0 2 IM; (e) trong hỗn hợp c r 0,9 M + N 0 2' 0,1 M; và (0 NOj 0,1 M trong đệm MES Tốc độ quét thế 50 mV/s, dải quét thế từ -1,2 V đến 0,6 V Màng Ppy/Cl được tổng hợp 150s trong dung dịch Py 0.5M/C1 IM

khác nhau trong dung dịch nuớc NH4C1 10'1 M, Thời gian điện phân: (a) 50s; (b) lOOs, (c) 150s; (d) 200s; (e) 250s; (f) 300s Tốc độ quét thế 100 mV/s

TrislO'2 M, pH =7,1: Thời gian điện phân polyme : 150s Mật

độ dòng điện phân: 2 mA/cm2 Tốc độ quét thế: (a) 30mV/s; (b) 50mV/s; (c) lOOmV/s

muối clorua của các cation nồng độ 1 0 ‘M: (a) NH4+; (b) K+; (c) Na+; (d) Li+ Tốc độ quét thế: lOOmV/s

cation nồng độ 10'1 M : (a) NH4+; (b) Ba2+; (c) Ca2+; (d) Mg2+ Tốc độ quét thế: lOOmV/s

trơ của naíion

độ quét thế 50mV/giây

39 Hình 3.1.2.14 Đường c v của màng naíion/polypyrol trong dung dịch KC1

0 ,0 IM với tốc độ quét thế 50mV/giây

40 Hình 3.1.2.15 Đường c v của polypyrol trong dung dịch KC1 0 ,0 IM với các

tốc độ quét thế khác nhau.

41 Hình 3.1.2.16 Ánh SEM của màng Ppy sử dụng làm màng tiếp xúc rắn

42 Hình 3.1.2.17 Đặc tính dẫn điện tử - ion hỗn hợp của màng polyme dẫn điện

(1) điện cực than kính GC, (2) điện cực than kính phủ màng polyme dẫn điện và (3) điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn trên

cơ sở màng polyme dẫn điện đo trong dung dịch chất điện ly

N a N 0 3 0,1 M khi thay đổi tỉ lệ nồng độ Fe27 F e 3+.

43 Hình 3.1.2.18 Đường đáp ứng điện thế của các màng Ppy/NO, với thời gian

điện phân khác nhau, đo trong dung dịch nitrat

44 Hình 3.1.2.19 Đáp ứng điện thế của điện cực PPy/Cl trong dung dịch clorua

45 Hình 3.1.2.20 Đáp ứng điện thế của các điện cực PPy/NH4Cl khi không có

nafion và có bổ sung naíĩon trong dung dịch amoni

46 Hình 3.1.3.1 Sơ đồ hoạt động của SCISE sử dụng màng polyme dẫn điện.

47 Hình 3.1.3.2 Đặc tuyến của các điện cực nitrat với các thể tích dung dịch

màng chọn lọc ion khác nhau Vm = 20-50 nl, thời gian điện phân thay đổi từ 120s, mật độ dòng 2 m A /cm 2, dung dịch điện phân pyrol 0,5M /nitrat 0,5M, tốc độ quét cv 50 mV/s, màng chon loc ion TO A B/N PO E/PV c

48 Hình 3.1.3.3 Đặc tuyến của các điện cực nitrat vói màng polyme dẫn điện

phụ thuộc vào nồng độ nitrat trong dung dịch điện phân Nồng

đô n itr a t: 0,1; 0,5; và IM , thời gian điện phân thay đổi từ 150s mật độ dòng 2 m A/cm 2, tốc độ quét cv 50 mV/s, màng chọn

loc ion TOAB/ POE/PVC

49 Hình 3.1.3.4 Đăc tuyến của các điện cực nitrat với màng polyme dẫn điện

có độ dày khác nhau Thời gian điện phân thay đổi từ 120s - 180s, mật độ dòng 2 m A /crrr, dung dịch điện phán pyrol

0 5M /nitrat 0,5M, tốc độ quét cv 50 m V/s, màng chọn lọc ion

TO AB/NPOE/P V c

50 H ình 3.1.3.5 Đặc tuyến của các điện cực nitrat với màng polyme dẫn điện

có độ dày khác nhau Thời gian điện phân thay đổi từ 120s - 180s, mật độ dòng 2 m A/cm2, dung dịch điện phân pyrol 0,5M /nitrat 0,5M, tốc độ quét c v 50 mV/s, màng chọn lọc ion

TO AB/NPOE/PV c.

51 H ình 3.1.3.6 Đáp ứng điện thế của các điện nitrit tiếp xúc rắn vói màng

dùng chất dẻo hoá ETH469 trong dung dịch nitrit với ISA : NaCl 2.10'3 M

52 Hình 3.1.3.7 Đáp ứng điện thế của các SCISE nitrit với màng dùng chất dẻo

hoá NPOE trong dung dịch nitrit/MES vaf ISA : NaCl 2.10'3 M

53 Hình 3.1.3.8 Đáp ứng điện thế cùa các điện cực ISE amoni dung dịch nội và

điện cực SCISE với cùng thành phần màng chọn lọc ion trong dung dịch amoni vói ISA : NaCl 2 1 0 3 M

54 Hình 3.1.3.9 Đáp ứng điện thế của các điện cực SCISE amoni màng tiếp xúc

rắn sử dụng lượng naíion khác nhau trong dung dịch amoni với ISA : NaCl 2.10'3 M.

55 Hình 3.1.3.10 Đáp ứng điện thế của các điện cực SCISE amoni với màng

PVC và PU trong dung dịch amoni với ISA: NaCl 2.10'3 M

56 Hình 3.1.3.11 Đường làm việc của điện cực kali ứng với hai chất dẫn ion

khác nhau là V alinom ipn (1) và BME44 (2) với điều kiện tổng hợp màng polyme theo phương thức dòng không đổi

57 Hình 3.1.3.12 Đường làm việc của điện cực kali ứng sử dụng chất dẫn ion

Valinomycin vói 2 loại màng tiếp xúc rắn : (1) Ppy/KCl và (2) nafion/Ppy/KCl tổng hợp tại mật độ dòng không đổi

58 Hình 3.1.3.13 Đường làm việc của các điện cực kali sử dụng chất dẫn ion là

Valinomycin và BME-44 kết hợp với các màng Ppy/K4Fe(CN)6

và màng nafion/Ppy/K4Fe(CN)6 tại thế không đổi

59 Hình 3.1.3.14 Tín hiệu FIA của SCISE kali có thành phần màng sử dụng

Valinomycin đo trên hệ điện thế đa kênh Pha động là dung dich đèm xitrat 10'^M

60 Hình 3.1.3.15 Tín hiệu FIA của SCISE kali có thành phần màng sử dụng

BME-44 đo trên hệ điện thế đa kênh Pha động là dung dịch

đệm xitrat 10'3M

61 Hình 3.1.3.16 Đường tổng trở cùa 2 điện cực chọn lọc ion nitrat tiếp xúc rắn

sử dụng 2 chất dẫn ion TOAB và TDAB

62 Hình 3.1.3.17 Đường tổng trở của 3 điện cực chọn lọc ion nitrit tiếp xúc rắn

với tổ hợp màng polyme dẫn và màng chọn lọc ion khác nhau

63 Hình 3.1.3.18 Đường tổng trở của 2 điện cực chọn lọc ion amoni tiếp xúc rắn

với màng chọn lọc ion sử dụng 2 chất dẻo hoá BBPA và ETH469

64 Hình 3.1.3.19 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion nitrat tiếp xúc rắn

(SCISE-nitrat 01-04) đo trong FIA với đệm phốt phát

65 Hình 3.1.3.20 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion nitrat tiếp xúc rắn

(SCISE-nitrat 05-07) đo tĩnh trong đệm MES

66 Hình 3.1.3.21 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion nitrit tiếp xúc rắn

(SCISE-nitrit 01-03) đo trong FIA với đệm phốt phát

67 Hình 3.1.3.22 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion nitrit tiếp xúc rắn

(SCISE-nitrit 04-05) đo trong FIA với đệm MES

68 Hình 3.2.3.23 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion amoni tiếp xúc rắn

(SCISE-amoni 01-03) đo tĩnh trong đệm Tris

69 Hình 3.1.3.24 Hệ số chọn lọc của điện cực chọn lọc ion amoni tiếp xúc rắn

(SCISE-amoni 04-05) đo trong FIA với đệm axetat.

70 Hình 3.1.3.25 Hệ số chọn lọc theo SSM (đo tĩnh) của các điện cực kali ứng

với hai chất dẫn ion là valinomycin và BME-44 kết hợp với màng polypyrol tổng hợp trong dung dịch Py/KCl tại mật độ dòng không đổi khi không và có nafion.

71 Hình 3.1.3.26 Hộ số chọn lọc theo SSM (đo tĩnh) của các điện cực kali ứng

với hai chất dẫn ion là valinomycin và BM E-44 kết hợp với

m àng polypyrol tổng hợp tại thế không đổi trong dung dịch K4Fe(CN)6 khi không và có naíìon

72 Hình 3.1.3.27 Hộ số chọn lọc xác định theo SSM trong FIA với chất mang là

dung dịch đệm xitrat 10'3M cùa các SCISE kali sử dụng valinomycin và BME-44 kết hợp với màng polypyrol điện phàn tại thế không đổi trong dung dịch K4Fe(CN )6

73 Hình 3.2.1 Sắc ký qua cột Sephadex G-200 và hoạt tính ureaza đo tại bước

sóng 340 nm

74 Hình 3.2.2 T hế đo được theo thời gian ứng với các nồng độ urê ban đầu

75 Hình 3.2.3 Nồng độ NH4+ theo thời gian ứng với các nồng độ urê ban đầu

76 Hình 3.2.4 Phụ thuộc cùa thế tại cân bằng phản ứng theo lôgarit nồng độ

ban đầu của urê

77 Hình 3.2.5 Phụ thuộc tuyến tính của thế tại t = 100 giây theo lôgarit nồng

đô ban đầu của urê

78 Hình 3.2.6 Đường hồi qui tuyến tính theo phương trình Lineweaver-Burk

79 Hình 3.2.7 Đường điện phân trong dung dịch pyrol (0,5M )/ureaza

(2,5mg/ml)

80 Hình 3.2.8 Đường c v của điện cực Ppy/ureaza trong dung dịch KC1 và

NaCl.

81 Hình 3.3.1 Sơ đổ khối của hệ đo.

82 Hình 3.3.2 Sơ đổ một kênh điện tử xử lí tín hiệu tương tự

83 Hình 3.3.3 Đồ thị Bode của 1 kênh analog

84 Hình 3.3.4 Anh chụp hệ đo.

85 Hình 3.3.5 Chương trình chính

86 Hình 3.3.6 Chức năng các chương trình con

87 Hình 3.3.7 Phép đo tĩnh ion NO, trên 2 kênh theo thời gian thực

88 Hình 3.3.8 Phép đo động FIA cho các đường cong dạng píc

89 Hình 3.3.9 Cửa sổ xử lý số liệu từ một phép đo FIA.SỐ liệu thô (a) và số

liệu sau khi được lọc (b) với độ dài cửa sổ trượt là 20 mẫu

90 Hình 3.4.1 Nồng độ trung bình cùa nitrat trong nước ngầm tại các khu vực

nghiên cứu trên địa bàn Hà nội

91 Hình 3.4.2 Nồng độ trung bình của amoni trong nước ngầm tại các khu

vực nghiên cứu trên địa bàn Hà nội

92 Hình 3.4.3 Nồng độ nitrat, nitrit và amoni trong nước thải sinh hoạt

thuộc khu vực nội thành Hà nội (I) sông Tô Lịch; (II) Sông Kim Ngưu; (III) Đầm cá Thanh Trì

TÓM TẮT NHŨNG KẾT QUẢ CHÍNH CỦA ĐỂ TÀI

1 Danh mục các công trình khoa học đã công bố:

N g h iên cứu c h ế tạo điện cực chọn lọc ion n itra t trạng thái rắn trên c ơ sở

p o ỉy p y ro t sử dụn g cho P hân tích điện t h ế trong dòng c h ả y , T uyển tập Hội

nghị Khoa học Phân tích Hoá, Lý và Sinh học Việt nam lẩn thứ nhất, Hà nội, 26/9/2000, tr 223-228

1.2 Đ ỗ Phúc Q u ân , Chu X uân Q uang, Phạm H ùng V iệt, N g h iên cím ch ê 'tạ o điện

cực chọn lọc ion a m oni trạng thái rắn trẽn c ơ s ở p o ly p y ro ì Tuyển tập Hội nghị Khoa học Phân tích Hoá, Lý và Sinh học Việt nam lần thứ nhất, Hà nội, 26/9/2000

A so ỉven t p o lym eric m em brane co a ted conductive p o ly m e r m odified eìectrode f o r selective determ ination o f am m onium ion, Proc o f the 3al

International Symposium on Advanced Environmental Monitoring, Korea,

2000, pp 52-55

1.4 D o Phuc Q u an , Chu X uan Q uang, Le The D uan and Pham H ung V iet,

A co n d u ctive p o lyp yrro le ba sed am m onium ion seỉective electrode, The

International Joumal of Environmental Monitoring and Assessment 70, 153- 165,2001

A co n d u ctive p o lyp vrro le m o d ified m icro eìectro d e f o r selective

a m p ero m etric d etectio n o f nitrate in a flo w injection system , A nalytical

Sciences 2001, Vol 17, 745-748, The International Journal of The Japan Society for Analytical Chemistry

and Pham Hung V iet, A p p lica tio n o f th in fìỉm o f co n ju g a ted p o ly m e r in soỉid-

co n ta ct ion selective sensors, A nalytical Sciences, The In tern atio n al Jo u m al

of The Japan Society for Analytical Chemistry (in press)

1.7 D o Phuc Q u an , Le The D uan, Chu X uan Q uang and Pham H ung Viet,

A co n d u ctiin g p o lỵ m e r b a sed so lid -co n ta ct p o ta ssiư m selective e le c tro d e ,

Analytical Sciences 2001, Vol 17, The International Journal of The Japan Society for Analytical Chemistry

1.8 Tran Q uang Vinh, Hoàng Gia Hung, Do Phuc Quan and Pham Hung

Viet, “D evelopm ent and application o f a low-cost multichannel

controller system fo r potentiometric measurements using conducting polym er based sensors in a f!ow injection analysis system ”, Joum al of

V ietnam Analytical Sciences (in preparation).

1.9 Do Phuc Quan, Nguyen Minh Tue, Pham Hung Viet and Nguyen Van

potentiom etric biosensing o f u rea ”, Joum al of Vietnam Analytical Sciences (in preparation).

2 Kết quả phục vụ thực tế:

Các điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn và hệ thống phân tích điện thế đa kếnh có thể ứng dụng trong phân tích môi trường cũng như phục vụ côngtác

n g h iên cứu và g iả n g dạy.

3 Kết quả đào tạo:

Số lượng sinh viên đại học : 4 (đã bảo vệ)

Học viên cao học: 0

Nghiên cứu sinh: 1 (đã bảo vệ cấp cơ sở)

4 Kết quả nâng cao tiềm lực khoa học:

- T ăn g cư ớ ng n ăn g lực n g h iên cứu và giản g dạy tro n g lĩn h vực n g h iên

cứu chế tạo sensor chọn lọc ion và sensor sinh học trên cơ sở ứng dụng các polyme dẫn điện tổng hợp điện hoá

- Bổ sung thêm thiết bị điện hoá đa kênh phục vụ cho nghiên cứu chế tạo các sensor điện thế

MỞ ĐẦU

Hiện nay, với tốc độ phát triển nhanh và không kiểm soát được của các ngành công nghiệp như công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá dầu, mức gia tăng dân sô' cao, hậu quả chiến tranh, nạn cháy rừng

và cháy mỏ dầu do con người cũng như do thiên nhiên gây ra trên nhiều khu vực của hành tinh chúng ta, ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, gây mất cân bằng sinh thái trên trái đất Bảo vệ môi trường sống trên trái đất đặt ra trước loài người như một sự bức thiết sống còn cho cả hiện tại

và tương lai

Ở Việt nam, tuy công nghiệp và nông nghiệp mới phát triển mạnh trong những năm gần đây, song sự phát triển sản xuất không kèm theo những bảo đảm an toàn cho môi sinh nên cũng đã gây ô nhiễm môi trường đáng kể Vì vậy, nghiên cứu phương pháp phân tích hiệu quả để đánh giá hàm lượng của chất gây ô nhiễm rất cần thiết đối với công tác quan trắc và đánh giá tác động môi trường Rõ ràng, nhờ khả năng phân tích trực tiếp hoặc gián tiếp trong các đối tượng mẫu phức tạp mà không phải lo ngại màu hoặc độ đục của dung dịch và thiết bị phân tích thuộc loại rẻ tiền, các sensor chọn lọc ion

đã được coi là công cụ chiếm ưu thế trong phân tích môi trường và thực phẩm Hơn nữa, sensor chọn lọc ion có thể thu nhỏ kích thước trên cở sở chế tạo theo nguyên tắc tiếp xúc rắn (SCISE) với sự loại bỏ hoàn toàn dung dịch nội Các SCISE đầu tiên phải kể đến các điện cực dây tẩm (CWE) và ISFET chế tạo đơn giản bằng cách phủ trực tiếp màng chọn lọc ion lên trên bề mặt kim loại hoặc điện cực so sánh nội Các CWE đã được sử dụng khá phổ biến trong các phòng thí nghiệm phân tích hoá học do giá thành thấp và chế tạo đơn giản Tuy nhiên, độ ổn định thế theo thời gian các điện cực CWE là vấn

đề quan tâm nghiên cứu trong nhiều thập kỷ vừa qua, do điện thế tiếp xúc tại

bề mặt điện cực so sánh/màng chọn lọc ion không được đạt được trạng thái cân bằng và bị ảnh hưởng của hơi nước và ôxi Nhiều công trình nghiên cứu

nhằm tìm kiếm các vật liệu có khả năng dẫn điện tử - ion hỗn hợp giữa màng

chọn lọc ion và bề mặt điện cực so sánh nội để tạo điều kiện thuận lợi cho

quá trình thiết lập trạng thái cân bằng thế điện động của sensor chọn lọc ion

đã được thực hiện và thu được một số tiến bộ đáng kể Mặc dù các SCISE với màng tiếp xúc rắn có điện thế khá ổn định, nhưng để trở thành sản phẩm thương mại vẫn còn nhiều hạn chế Hầu hết các SCISE hiện nay có thời gian

p h á p p h a tạ p th íc h h ợ p C á c p o ly m e d ẫ n đ ư ợ c sử d ụ n g rộ n g rã i tro n g n g h iê n

cứu xúc tác điện hoá, màng tách và sắc kí Ngoài ra, polyme dẫn còn mở ra các khả năng công nghệ trong nghiên cứu chế tạo sensor hoá học và sinh học

môi trường còn rất ít ỏi do giá thành điện cực còn khá cao và thời gian sử dụng của điện cực còn hạn chế

Xuất phát từ các vấn đề trên, đề tài nghiên cứu này nhằm góp phần phát triển phương pháp phân tích điện sử dụng sensor chọn lọc ion theo nguyên tắc tiếp xúc rắn tại Việt nam và ứng dụng chúng trong phân tích các đối tượng môi trường Để thực hiện được mục tiêu đó, chúng tôi cần giải quyết các nội dung sau :

trên cơ sở sử dụng màng polypyrol tổng hợp bằng phương pháp điện hoá

đóng vai trò chuyển điện tử - ion hỗn hợp giữa màng chọn lọc ion và điện cực so sánh nội.

- Đánh giá các thông số đặc trưng của các điện cực chọn lọc ion theo nguyên tắc tiếp xúc rắn và đánh giá độ tin cậy của phương pháp thông qua phân tích vật liệu so sánh

- Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích điện thế đa kênh ghép nối máy tính để thu thập, xử lý và lưu trữ các dữ liệu được thuận tiện

- Ngoài ra, đề tài còn thử nghiệm phương pháp cố định enzym ureaza trên màng polyme dẫn để có thể tiến tới chế tạo sensor sinh hoá xác định chọn lọc urê trong các mẫu sinh học và môi trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA c ự c CHỌN LỌC ION

Từ nhiều thập kỉ trước, điện cực chọn lọc ion (ISE) đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực hoá phân tích [12,24,55,60] ISE là công cụ phân tích duy nhất cho phép xác định trực tiếp và chọn lọc hoạt độ ion trong mẫu phân tích [2,24,35,43] Sơ đồ pin điện hoá sử dụng ISE trình bày trong hình 1.1 Trong trường hợp xác định, thế điện động của điện pin điện hoá này chỉ phụ thuộc vào hoạt độ ion cần xác định trong dung dịch

\\S

-Điện cực Ae/AeCl

Dung dịch điên lv

Thân điện cực

Màns nsăn Điện cực

chon loc ion

Dung dịch Dung dịch Màng chọn Dung dịch Điên cục so

Điện thế của pin điện hoá bao gồm tổng của tất cả các điện thế của các lớp tiếp xúc và thế màng của điện cực chọn lọc ion :

ở đây E là điện thế của pin điện hoá; Econsl là tổng của Eị + E2 + E;, + E4 + E5; Ej là thế tiếp xúc của dung dịch điện ly trong điện cực so sánh và dung dịch mẫu; EM là thế màng chọn lọc ion

Với thiết kế hai bề mặt màng được tiếp xúc với dung dịch, thế màng

[3,35] thư ờng b ao g ồm ba th àn h phần : th ế ra n h giới pha c ủ a bề m ật m àn g tiếp

xúc với dung dịch nội và dung dịch mẫu phân tích và thế khuếch tán nội màng Trong khi thế tại bề mặt màng/dung dịch nội thường được coi là độc lập

với d u n g d ịch m ẫu , th ế k h u ếch tán nội m àn g trở nên đáng kê nếu có sự biến

thiên nồng độ ion với sự chuyển động khác nhau xảy ra trong màng Tronglịch sử đã xảy ra nhiều cuộc tranh cãi về thế khuếch tán nội màng Gần đây, bằng chứng thực nghiệm cho thấy thế khuếch tán nội màng là không đáng kể trong các trường hợp thực hành thích hợp Như vậy, mô hình thế ranh giới pha

có thể sử dụng để miêu tả rất chính xác đáp ứng của ISE trên cơ sở thuyết vận chuyển ion Mô hình này đưa ra các kết quả minh bạch, nếu hoạt độ ion trong màng gần xấp xỉ bằng nồng độ và như vậy các cân bằng khối lượng và điện

tích có th ể đư ợc sử dụng.

Đ ối với ISE , th ế k h u ếch tán nội m àn g gần b ằn g k h ô n g n ếu k h ô n g xảy ra

sự biến thiên nồng độ ion trong màng Giả thiết này phù hợp đối với màng đáp ứng theo Nernst Vì vậy định đề sau được chấp nhận :

ở đ ây E pb là th ế ran h giới p h a tại bề m ặt m à n g /d u n g d ịch có thê nhận

được từ xem xét về mặt nhiệt động học

T h ế đ iện h o á ụ đối với dun g dịch nước được tín h th eo c ô n g thức :

ju(aq) = ụ(aq) + :F<p{aq) = fẤ\aq) + RT\na,(aq) + :FỘ(aq)

và thế điện hoá đối với pha hữu cơ :

M(org) = /u(org) + zFụ{org) = f j ' (org) + # n n a,r (org) + zF ệ(org) ( 1 9)

ở đây |i là hoá thế (n° hoá thế tiêu chuẩn), z là điện tích ion, a, là hoạt độ ion I, ệ là điện thế, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối và F là hằng số Faraday Với giả thiết quá trình vận chuyển ion tại bề mặt và quá trình tạo phức xảy ra nhanh, vì vậy cân bằng được duy trì tại bề mặt màng và thế điện hoá đối với cả hai pha được là cân bằng Điều đó sẽ dẫn đến biểu thức đơn giản đối với thế ranh giới pha :

Thông thường các đại lượng hóa thế được kết hợp lại và kí hiệu là

k, = e x p ( { //( a ợ ) - ự ‘{o rg )}lR T ) K ết hợp phương trìn h 1.7 và 1.10 ta n h ận được

K ết hợp phư ơ ng trìn h 1.6 và 1.12 , sự th ay đổi th ế đ iện cực phụ th u ộ c vào

hoạt độ c ủ a io n p h ân tích tro n g dung dịch biểu d iễn theo phư ơng trìn h sau :

Z ,F

Z , F

Trong trường hợp tổng quát với điện cực chọn lọc ion bất kỳ, ion được chọn lọc có thể là cation hoặc anion chúng ta có thể sử dụng công thức tổng

q u á t:

2,303RT

Dấu (+) được sử dụng trong trường hợp cực chọn lọc với cation

Dấu (-) được sử dụng trong trường hợp cực chọn lọc với anion

_ 2,303R T _ ~ ,

s = - = — = 59,16mV l z , (tai 25 °C)

Z ,F

Trong đó :

- a; là hoạt độ của Izi ở dung dịch phân tích

- R là hằng số khí lý tưởng, có giá trị 8.314 J °K‘‘ moi'1 ở 25°c

- T là n h iệ t độ tu y ệt đối (°K ).

- F là hằng số Faraday, có giá trị 9,6487 lO ^C.m ol1 tại nhiệt độ 25"C

- Zj là điện tích của ion

Khi tăng lực ion I sẽ ảnh hưởng đến hệ số hoạt độ y± Theo thuyết của Debye - Huckel, với dung dịch có I =0,1 M/l, hệ sô hoạt độ trung bình được tính theo công thức :

1.3 CÁC LOẠI ĐIỆN c ự c MÀNG CHỌN LỌC ION [3,35]

Hiện nay, rất nhiều loại ISE [24] đã được chế tạo thành công và ứng dụng trong phân tích Các ISE có thể phân loại [35] theo bản chất của vật liệu

m àng c h ọ n lọc io n n h ư sau :

a Điên cưc màns thuỷ tinh : Màng thuỷ tinh chọn lọc ion được chế tạo từ

vật liệu thuỷ tinh nhôm silicát, liti silicát hoặc thuỷ tinh đa thành phần

b Đ iê n CƯC m à n s rắn : M àng rắn được c h ế tạo trên cơ sở các vật liệu

khác nhau như đơn tinh thể, vật liệu thiêu kết hoặc đúc khuôn, đa tinh thể ép viên, cũng như sự kết hợp đồng nhất của các muối kết tủa trong vật liệu polyme kỵ nước

c Đ iê n cư c m à n s lỏng : M àn g lỏng chọn lọc ion được c h ế tạo từ các chất

hữu cơ dưới d ạn g rắn h ay lỏng hoà tan tro n g dun g m ôi hữu cơ lỏ n g (x em hình

1 2 ).

trao đổi ion rất kỵ nước và ion cần xác định mang điện tích trái dấu Tính chất của màng phụ thuộc vào hệ số phân bố của chất trao đổi ion và ion cần xác định giữa dung dịch nước và dung môi hữu cơ của màng Ngoài ra tính chất màng còn phụ thuộc vào mức độ thẩm thấu của ion cản vào bên trong màng

- Màng lỏng chứa chất dẫn ion mang điện tích : Đây là loại màng lỏng chọn lọc ion dựa trên cơ sở sự tạo phức của ion cần xác định vói một chất dẫn ion mang điện tích có tính kỵ nước cao.

Điện cực chọn lọc lon trẽn cơ sờ chát dần lon trung tính

Dung dtch m ỉu

r iA

Điện cực chcn lọc ỉon trên cơ sờchát dẩn ỉon mang diện

Hình 1.2 Sơ đồ các loại ISM sử dụng các chất dẫn ion khác nhau

lọc ion dựa trên cơ sở sự tạo phức của ion cần xác định với một chất dẫn ion trung tính có tính kỵ nước cao

Các điện cực màng rắn có ưu điểm là tuổi thọ cao (khoảng hai năm) nhưng việc chế tạo chúng tốn kém và khó khăn, thời gian đáp ứng chậm, do vậy ảnh hưởng đến kết quả phân tích đặc biệt là độ chọn lọc ion so với các ion cản hạn chế

Tuổi thọ của điện cực màng lỏng có giới hạn (6-9 tháng), đặc biệt khi sử dụng liên tục hoặc đo trong dòng chảy Đối với cực màng lỏng, sự mất mát các cấu tử màng sẽ làm giảm độ chọn lọc và khả nãng đáp ứng điện động Khi lượng dung môi màng (chất dẻo hoá) ít hơn 30% trọng lượng làm tăng điện trờ

của màng Như vậy tuổi thọ của màng lỏng phụ thuộc vào tốc độ mất mát các thành phấn màng Tuy nhiên màng lỏng có ưu điểm là chế tạo đơn giản, độ chọn lọc cao, thời gian đáp ứng nhanh, màng chọn lọc có thể thay được dễ dàng nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong phân tích.

1.4 HỆ SỐ CHỌN LỌC ĐIỆN THẾ K ị/0'

Phương trình 1.15 được sử dụng để miêu tả hoạt động của điện cực chọn lọc ion lý tưởng vói một ion nhất định và không bị ảnh hưởng bởi các ion khác cùng tồn tại trong dung dịch phân tích Trong thực tế, điện thê của cực bị ảnh hưởng bởi các ion tồn tại trong dung dịch với cấc mức độ khác nhau Sự ảnh hưởng của ion cản JZJ có thể được tính gần đúng bằng phương trình Nicolsky - Eisenman :

-K ijP°' là hệ số ch ọ n lọc c ủ a io n cản trở JZJ so với ion cần đ o Izi.

Phư ơng trìn h cho thấy, trừ k h i Kỳ rấ t nhỏ hoặc aj rất nhỏ so với ai5 sự có

mặt của ion JZJ trong dung dịch sẽ ảnh hưởng đến thế điện cực của ion F Trong trường hợp này hoặc JZJ phải được tách ra khỏi dung dịch hoặc JZJ phải được loại trừ bằng phương pháp che trước khi đo

Như vậy K,j là đại lượng đăc trưng cho khả năng của điện cực chọn lọc ion biết phân biệt các ion khác nhau có mặt trong dung dịch, hay nói cách khác Kjj đặc trưng cho khả năng chọn lọc [35,47] của điện cực chọn lọc ion đối vói ion cần xác định Izi khi có mặt ion cản trở JZJ Cũng từ phương trình

trên ch ú n g ta th ấ y rằn g , khi Kịj càng nhỏ thì đ iện cực càn g ch ọ n lọc đ ố i với ion cần x ác đ ịn h D o đó khi c h ế tạo đ iện cực ch ọ n lọc ion c ần phải ch ú ý tới

j * i

(1.22)