Luận văn thạc sĩ Luật học: Nghiên cứu nâng cao tính chất của cảm biến điện hóa có điện cực làm việc được biến tính bằng Nano Fe3o4 cấu trúc spinel ứng dụng phát hiện Ofloxacin trong thực phẩm

Dé cải thiện hiệu suất va tăng cường tín hiệu của cảm biến điện hoá, luận văn đã sử dụng hạt nano FezO4a phân tán trong dung môi có chứa Nafion dé biến tính điện cực,nhằm cải thiện các t

TONG QUAN 252 2222 2222112222111 TT

Cam biến điện hóa - 222-525 St CS 3211221171211 111 21121111 2111111.11 011 11 1 1e 5 1 Phan loại cảm biến điện hóa 2-2 ©25£©S2‡EECSEEE2EEE21E271227121171 22121 EEecrke 5 2 Tính chất của cảm biến điện hóa 2- 5:25 ©2£+EE£2EESEEEEEEEEErrrkrrrkrrrrerkee § 1.2 Cac phương pháp tăng cường tin hiệu điện hóa - 5c St ssxssrseeeree 13 1.2.1 Chế tạo màng mỏng ¿-22-©++2E++£EEESEkEEEEEE2E12711211221 21.2

Cảm biến điện hóa là thiết bị phân tích hiện đại, chuyển đổi tín hiệu hóa học hoặc sinh học thành tín hiệu điện, giúp phát hiện nhanh chóng và chính xác các chất hóa học Với ưu điểm về độ nhạy cao và khả năng phát hiện nồng độ thấp, cảm biến điện hóa vượt trội so với các phương pháp truyền thống nhờ quy trình phân tích đơn giản, thiết bị gọn nhẹ và chi phí thấp Nó có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường phức tạp như dung dịch nước, mẫu sinh học và thực phẩm Ứng dụng rộng rãi của cảm biến điện hóa trong kiểm tra chất lượng thực phẩm, phân tích môi trường, y học chẩn đoán và ngành dược phẩm, đặc biệt trong phát hiện dư lượng kháng sinh, thuốc trừ sâu và chất độc hại, chứng minh hiệu quả vượt trội trong kiểm soát an toàn thực phẩm.

1.1.1 Phân loại cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa được phân loại đa dạng dựa trên mục đích sử dụng và các phép đo mà chúng thực hiện, bao gồm cảm biến đo điện thế, cảm biến đo dòng điện, cảm biến đo điện trở, cảm biến đo điện dung và cảm biến đo cường độ dòng điện.

1.1.1.1.Cảm biến đo điện thế

Cảm biến đo điện thế hoạt động dựa trên sự chênh lệch điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh khi có phản ứng điện hóa giữa chất phân tích và bề mặt điện cực Điểm nổi bật của cảm biến này là nó không phụ thuộc vào phản ứng hóa học mà chỉ đơn giản đo lường sự chênh lệch điện thế, được gọi là lực điện động (electromotive force - EMF).

Sự chêch lệch điện thế phụ thuộc vào tính chất và nồng độ của chất phân tích theo phương trình Nernst:

E: thế điện cực đo được (V).

R: hằng số khí lý tưởng (8,314 J x K~1 x molT1)

T: nhiệt độ phòng (298 K) n: số điện tử tham gia phản ứng điện cực F: hăng số Faraday (96485 C x mol") Q: chi số phan ứng, liên quan đến nồng độ của các ion phan tích.

Cảm biến đo điện thế có nhiều ưu điểm nổi bật như độ nhạy và độ chính xác cao, ứng dụng đa dạng, kích thước nhỏ gọn, khả năng hoạt động ổn định, chi phí hợp lý và dễ dàng tích hợp Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải một số nhược điểm như nhạy cảm với nhiễu và các ion khác nhau trong dung dịch mẫu, độ phân giải và dải đo hạn chế, không phù hợp với các ứng dụng đo điện áp rất thấp hoặc rất cao Thời gian đáp ứng của cảm biến cũng lâu, yêu cầu lượng mẫu phân tích lớn và tiêu hao hóa chất Hơn nữa, cảm biến đo điện thế cần được hiệu chỉnh định kỳ để đảm bảo hiệu suất tối ưu, điều này đòi hỏi thời gian và chi phí.

1.1.1.2.Cảm biến đo dòng điện

Trong lĩnh vực điện hóa, cảm biến đo dòng điện là thiết bị quan trọng giúp đo lường và kiểm soát các quá trình điện hóa như điện phân, Oxy hóa-Khử và các phản ứng điện hóa khác Những cảm biến này cho phép theo dõi dòng điện, đảm bảo rằng các quá trình điện hóa diễn ra chính xác và đạt hiệu suất tối ưu.

Hình 1.1 Cảm biến đo cường độ dòng điện [7]

Cảm biến đo dòng điện trong điện hóa hoạt động bằng cách đo cường độ dòng điện qua dung dịch hoặc điện cực Trong các hệ thống điện hóa, cảm biến cho phép áp dụng một điện áp không đổi qua dung dịch điện phân hoặc điện cực, kích thích các phản ứng oxi hóa - khử và tạo ra dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích Cảm biến sẽ đo cường độ dòng điện trong hệ thống, và tín hiệu này được chuyển đổi thành giá trị dòng điện thực tế Dựa trên giá trị đo được, có thể thực hiện các điều chỉnh để kiểm soát quá trình điện hóa.

Cảm biến đo dòng điện là công cụ quan trọng trong các ứng dụng điện hóa, cho phép theo dõi chính xác dòng điện để kiểm soát và tối ưu hóa phản ứng Mỗi loại cảm biến có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến sự lựa chọn và ứng dụng của chúng Ưu điểm bao gồm độ chính xác cao, khả năng điều chỉnh dễ dàng và thời gian đáp ứng nhanh, cùng với dải đo rộng Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là cần sử dụng các chất trung gian trong phản ứng oxy hóa-khử, dẫn đến việc cảm biến chỉ có thể phân tích gián tiếp và hạn chế phạm vi phát hiện.

1.1.1.3 Cam biến đo phố tổng trở

Cảm biến đo phố tổng trở là công nghệ phân tích hiệu quả với độ nhạy cao và khả năng chọn lọc tốt, không cần đánh dấu mẫu và có chi phí vận hành thấp Nguyên lý hoạt động dựa trên phản ứng oxi hóa - khử, cho phép chuyển giao điện tử giữa điện cực và chất phân tích, dẫn đến sự thay đổi trong phố tổng trở của hệ thống, từ đó tín hiệu thu được phản ánh sự thay đổi này Công nghệ này rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Phổ tông trở điện hóa (EIS) là phương pháp áp dụng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện xoay chiều (AC) với các tần số khác nhau để xác định tổng trở của hệ thống điện hóa Tổng trở được biểu thị qua các giá trị điện thế E(o,t) và dòng điện I(œ,t) theo thời gian tại từng tần số góc œ (@ = 27f, với f là tần số) EIS phân tích tổng trở thành hai thành phần chính: phần thực Z' và phần ảo Z", trong đó số ảo i và @ đại diện cho góc pha giữa điện thế và dòng điện.

Dữ liệu phép tổng trở được thể hiện qua sơ đồ Nyquist (Z' vs Z") hoặc biểu đồ Bode (|Z| hoặc @) ở các tần số khác nhau nhằm phân tích đặc điểm và khả năng dẫn điện của bề mặt điện cực Dữ liệu từ phép đo phổ tổng trở thường được mô hình hóa thành mạch điện tương ứng, giúp phân tích chi tiết các thành phần như cảm ứng, điện dung và điện trở, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và hoạt động của cảm biến.

Hình 1.2 Đường cong đồ thị Nyquist [10]

1.1.2 Tính chất của cảm biến điện hóa

1.1.2.1 Độ nhạy Độ nhạy của cảm biến là đại lượng để phản ánh mối quan hệ giữa sự thay đổi tín hiệu điện và sự thay đôi nồng độ chất phân tích Cảm biến có độ nhạy cao sẽ phản ánh các thay đổi nhỏ trong môi trường chat phân tích.[ 1 I ] Độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi giá trị không đổi m; của đại lượng đo được giữa tỷ số biến thiên AS (tín hiệu đầu ra) và biến thiên Am (tín hiệu đầu vào) như

Don vị do độ nhạy thường duoc sử dụng trong cam biến điện hóa là uAxuM~1xcm”3.

1.1.2.2 Độ chọn lọc Độ chọn lọc của cảm biên điện hóa là khả năng của cảm biên trong việc phân biệt và đo lường chính xác một chất cụ thể trong một hỗn hợp phức tạp mà không bị ảnh hưởng nhiêu bởi các chat khác có mặt Dé cải thiện độ chọn lọc của cảm biên, nhiêu phương pháp có thể được áp dụng Một trong những cách là sử dụng vật liệu điện cực làm việc của cảm biến đặc biệt nhạy với chất phân tích, đồng thời áp dụng các lớp phủ bảo vệ dé ngăn chặn sự tác động từ các chất khác Thêm vào đó, việc tối ưu hóa cấu trúc cảm biến có thể giúp nâng cao khả năng phân biệt giữa các chất Cuối cùng, điều chỉnh các điều kiện môi trường như pH và nhiệt độ có thé tối ưu hóa khả năng của cảm biến. Độ chọn lọc cao là yếu tố then chốt để đảm bảo cảm biến điện hóa cung cấp kết quả chính xác và tin cậy trong các ứng dụng như phân tích trong lĩnh vực môi trường, y tế, và sản xuất công nghiệp.

1.1.2.3 Độ chính xác Độ chính xác của cảm biến điện hóa được xác định bởi khả năng của nó trong việc cung cấp giá trị đo lường gần với giá trị thực của các đại lượng hóa học đang được phân tích Do tính chất biến động liên tục của các quá trình điện hóa trong môi trường chat phân tích, yêu cầu về độ chính xác của cảm biến ngày càng trở nên khắt khe hơn Đề đạt được mức độ chính xác cao, cảm biến cần phải đáp ứng nhiều yếu tố, bao gồm độ nhạy, độ 6n định và kha năng tái lặp Bên cạnh đó, việc sử dụng thiết bị đo lường chính xác và điều kiện thí nghiệm cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của cảm biến.

1.1.2.4 Độ lặp lại Độ tái lặp của cảm biến điện hóa đề cập đến khả năng của cảm biến trong việc cung cấp các kết quả đo gần như giống nhau khi thực hiện nhiều lần đo trong cùng một điều kiện thử nghiệm hoặc trong các điều kiện thí nghiệm tương tự Đặc điểm này phản ánh mức độ 6n định của cảm biến: một cảm biến có độ tái lặp cao sẽ cung cấp các tín hiệu dau ra chính xác và đông nhât giữa các lân do. Đề đánh giá độ tái lặp của cảm biến, người ta thường sử dụng chỉ số độ lệch chuẩn tương đối (Relative Standard Deviation - RSD) Chỉ số này được tính toán bằng cách thực hiện nhiều lần đo trong cùng một điều kiện, và được tính theo công thức:

Trong đó: SD: Độ lệch chuẩn