Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học theo nguyên lý Điện hóa không sử dụng chất Đánh dấu Ứng dụng trong y sinh

LOI CAM ĐO/ N Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ khoa học - ngành Tiồa Học, để lài “Nghiên cứu phát triển cảm biển sinh học theo nguyên lý điện hóa không sử dụng chát đánh đấu ứng dụn

_ BO GIAO DUC VA DAO TẠO | TRUONG DAI HQC BACH KHOA HA NOI

NGUYEN THI MY THUY

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIEN CAM BIEN SINH HOC

THEO NGUYEN LY DIEN HOA KHONG SU DUNG

CHAT DANH DAU UNG DUNG TRONG Y SINH

LOI CAM ĐO/

N

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ khoa học - ngành Tiồa Học, để lài

“Nghiên cứu phát triển cảm biển sinh học theo nguyên lý điện hóa không sử

dụng chát đánh đấu ứng dụng trong y sinh ” là công trình nghiên cứu độc lập của mình , các kết quả phân tích được thực hiện là chính xác không sử dụng của các tác

giả khác

Trong luận văn tòi cổ tham khảo kết quả nghiền cứu của một số tác giả được

chỉ rõ trong đanh mục tài liệu tham khảo Mọi số liệu, lài liệu sử dụng Irong hiện

van đều có nguồn gốc rố rằng,

Tà Nại, ngày 26 thắng 03 nấm 2012

Tác giả

Nguyễn Thị Mỹ Thủy

14.1 Giới thiệu chung wake § 5

14.2 Tính chất của hạt nano Ÿ@gÙx ccooo 30)

14.3 Phương pháp tổng hợp hạt nano sắt từ 32 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHAP THUC NGHIEM VA NGHIEN NCỨU 37 IIL1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 37

1.12 Chế tạo hạt nano Fe;O, được bọc bing copolyme poly 38

1I.1.3 Trùng hợp điện hóa màng PAN¡ và PANI-F8z0x ¬

HLA Cé diah enzyme Cholesterol

HLS Cée phan tich din haa

11.16 Phân tích cholesterol bing phuong phap CHOD-PAP

112 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

11.2.1 Phuong phap phd hàng ngoại biển đốt Fouier eee

1.2.2 Phương pháp kinh hiển vì điện từ Quê cccceoeieoecree

112.3 Các phương pháp nghiên cứu điện hóa cu eeeoeoeereee 1.3.4 Phương pháp trắc quang

CHƯƠNG 1H KÉT QUÁ VẢ THẢO LUẬN

TIL1 TONG HGP PIEN HOA MANG NANOCOMPOSITE PANI/Fc304

TỊ.2 HÀNH VI ĐIỆN HÓA CỦA ĐIỆN CỰC PAN¡ VÀ PANI-Fc;O,,

TỊI.3 PHÂN TÍCH TĨNH THẤI TỌC QUA ẢNH F-SEM

1H31 Ảnh EB-SBA màng DAN¡ và TANI-Ea:O,,

THỊ 3.2 Ảnh EB-SDA màng P.ANI và DANI-Ee;Q„ cổ định ChOx

4 PHO HONG NGOAI PANi va PANi-Fe;O,/Fe;O,-ChOx

TH.5 CÁC PHÉP DÁNH GIÁ DIỆN HÓA DỐI VỚI CÁM BIẾN ChOx

1HỊ.5.1 Phương pháp Von-xUmpe vòng (CÍ) cào

THỊ 5.2 Phương pháp quảt thể tuyễn tính (L6)

TIL6.2 Gidi han phat hién va giới hạn định lượng

11.7 DANI GIÁ CẢM BIRN ChOx

HE?.1 Kiémn wa dé dige hidu cita cam bién ChOx

HI?.2 Dé nhay cia cam bién

TH.7.3 Phân tích mẫu giả lập

KẾT LUẬN

DỊNH HƯỚNG NGHIÊN cức TIẾP 1T THEO

TẢI LIỆU THAM KHẢO "¬"-.-

wi BO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TAT

p(St-co-AA) Copolyme polystyren va polyacrylic axit

EIS Phổ tổng trở điện hóa

EM Emeraldine

FT-TR Phê hỏng ngoại biển đổi Pourier

Gs Phân cục đồng tĩnh

IDE Điện cực có cầu trúc răng lược

IUPAC Hiệp hội quốc tế về hoá học lý thuyết và hóa ung dung

SCE Điện cực calomen bão hòa

SEM Kính hiển vi điện tủ quét

USB Universal Serial Bus

Wr Điện cực làm việc

DANH MUC CAC HINH VE

Hinh I 1 Mé hinh cam bién Glucose thế hệ đầu tiên [11] 3

Hình T 2 Phòng sạch tai Vién TTIMS, FH Rach Khoa Ha Noi 4

Hinh 1 3 $o đỗ cầu tao chung ctia cim bién sinh hoc 5 Tinh L 4 Mệt số phân tử được sử dụng làm đầu thu sinh học 6

Tĩnh L é (a) Mô hình Fisher (b) Mé hinh Koshland 12 Hình 1 7 Xúc tác Enzyme lảm giảm năng lượng của phản ứng 14 Hinh I 8 Cholesterol Owidase (ChƠx) - 17

Hinh I, 9 Vinylferroeene

Hinh I 10 Xột số golyme dẫn đện từ, san "-

Hình I 11 Polyme trao đổi ion (poly 4- yngydline với Fe(CN)y”)

Hinh I 12 Công thúc tổng quát của PANI

Hình I, 13 Quả trình chuyển đổi câu trúc điện tử PAN¡ trong môi trưởng oxy hỏa-

Hình I 14: Đường ŒV của PANI Irong dong d địch HƠI 1M và sự thay đổi màu củn

ĐAN¡ ở các giai đoạn oxy hoá khảo nhau ở tắc độ quét thể 50 rnV/s [Z]25

THinh I 17 Cơ chế hình thành vả phát triển hạt nano trong dung dịch 32 Hình L 18 Công thức phân tử của glutaraldehyde 35 Hình I 19 Phương pháp liên kết ciéo (cross-linking) «c3

Hình II 1 Sơ đỏ chế tạo vi điện cực tích hợp eo

Hình II 3 Vì điện cục tích hợp - 38 Tỉnh TI 3 TIệ điện hóa da nang Autolab/PGSTAT [2 Al

Ilinh Il 5 Sơ để nguyên lý của máy quang phê hồng ngoại biển đổi Tourier 46

Hinh II 6 Sơ để các bộ phận của kinh hiển vi điện tử quét 48 Hinh II 7 Phương pháp quét thế tuyển tỉnh đa chu kỳ 49

Hinh I 8 Quan hé giữa điện thể và đóng điện trong phương pháp CV 49

Linh IL 9 Se 44 nguyén ly may tric quang $1 Linh II 10 Đường chuẩn và cách xáo định nâng độ (C„) theo phương pháp đường,

Hình IIL, 1 Phê trùng hợp điện hóa theo phương pháp CV ruảng (3) PAN¡ vả ()

Hinh 1H, 2 So sảnh cường độ dòng phổ CV (chủ kỷ thử 20) của quá trình trùng hợp

mang PANi va PANi-Fe;Q, sonsenetssi statisti uantisien SS Hinh IL, 3 Anh hé dign cực trước va sau khi tring bop pests sn Hình IIT 4 Phổ CV của điện cực PƯPANI và DƯPANi-Fe;O, trong dém PBS SKC

Tinh TI, § Anh FR-SEM mang (A) PANI va œ PANI-Fe:O, trừng hợp theo

phương pháp CV trên vi điện cực Pt 55 1lình III 6 ảnh FE-SEM của (A) hạt nano Fe;O,„ điện cực (B) PƯPANi/ChOx, (C)

PUPANi-Fe,0,/ChOx va (D) Pt/PANi-Fe:0./ Fe:O.-ChOx 56

Hinh UL 7 Phd FT-IR của (đường a) PANi và (đường b) PANI-Fe;O/Fe;O,-ChƠy 57 Hình III 8 Phổ CV của PƯPANi-Fe;O,/Fs;O,-ChOx với các tốc độ quét thay đổi tir

10 tới 100mVs với bước 1ÔmV (đường a tới j) sHomiiisrroreoÐfỶ Hinh II, 9 Phổ CV điện cực PƯPANI-Fe;OyFe;O,-ChÓx trong PBS khi không có

cholesterol va khi co 0,5mM cholesterol tên dD

Hình II 10 Đường Lê của dign one PtPANH EeO/EeOre ChOx trong dém PBS

(đường a) 0,0mM cholostcrol, (đường b) khi (hêm 0,15mM cholesterol

và (đường c) khí thêm 0,3mM cholostcrol 60 Tinh TIT 11 So sanh kha ning dap img dong cia cam bién PANi-ChOx, PANi-

TrezO,/ChOx và PAMI-TFesO,/FezOa-ChƠx 6l

Llinh IIL 12 Co ché phan ứng oxy hóa cholesterol trên điện cực PANi-

Fe;O,/Fe;O,-ChOx 6

Hinh UL 13 Dac tuyén dap ting dong ctia cam bién ChOx, 63

Hinb IIT 14, Duong chuẩn của cảm biến ChÖ% eceieiecS

Hình II, 15 Độ đặc hiệu của cảm biến ChÓ% oi.

MO DAU

Trong những năm gần đây, xã hội ngày càng phát trên, đời sáng vật chất vả

tinh thân của con người được nảng cao Chất lượng bữa ăn được cải thiện nên một

số căn bệnh và các yêu tổ nguy cơ cũïng gia lăng, điển hình trong đó là các bệnh vẻ tìm mạch, huyết áp cao, tai biển mạch máu não Có rất nhiều nguyên nhân gây ra các bệnh tim mạch, nhưng một trong những nguyên nhãn quan trọng là đo hản: lượng cholesterol trong cơ thể tăng cao Con người ngày cảng chăm lo đến sức khỏe

của bản thân và điểm đến của họ là các bệnh viện để kiếm tra sức khỏe của mình

Dé chan đoán chính xác tình trạng bệnh, các bác sĩ chuyền khoa trong bệnh viện cẩn

quang v.v Liiên nay các xét nghiệm sinh hóa và huyết học đã tiến bộ rắt nhiều nhờ sự

có sự kết hợp của cáo khoa cận lâm sảng, đỏ là các xét nghiệm, chụp chiều

phải triển của các ngành khoa học kỹ thuậL Đổi với mội số bệnh thường gặp hiện nay như: đãi tháo đường, tăng huyết áp, rồi lnạn mỡ máu thì kết quá xét nghiệm cần được kiểm tra thường xuyến để có hưởng điểu trị kịp thòi Tuy nhiễn các phương pháp phâu tích được sử dụng ở các bệnh viện, các trung tâm nghiên cứu thường đời hỏi đầu tư máy móc của các hãng nước ngoài rất đắt tiền, thời gian phân tích lâu, người sử dụng phải cỏ chuyên môn, người bệnh phải chịu chỉ phí cao, mắt nhiều thời gian chờ đợi

Cảm biển sinh học đo tin higu dién héa (electrochemical biosensor) dap ting được các yêu cần của hóa học phân tỉ<h hiện đại đỏ lä có khá năng phân tỉch nhanh theo thời gian thực (real-time), có độ nhạy, độ chọn lọc và độ chỉnh xảo cao; thiết bị phân tich nhô gọn, sử dụng đơn giản, có giả thành phủ hợp Với sự phát triển của công nghệ vị điện tủ, công nghệ nano và các loại vật liệu mới, khả năng chế tạo vả tng dung cảm biến sinh học ngày một hiện thục hơn, phương pháp không đòi hỏi nhiều hóa chất, dung môi, chỉ cần lượng, mẫu phản tích nhỏ đây là tiến để của hỏa học phân tích xanh là chủ để của hóa học hiện đại đang hưởng tới Do vậy việc

dùng cảm biển sinh học xác định nỗng độ các chất như tre, glncose, cholesterol,

amylase được coi là một phương pháp bể sung cho các ghuøng pháp phân tích tiêu chuẩn hiện có tại các bệnh viện

Do tình hữu Ích và khả năng ứng dụng cao, luận văn “Nghiên cửu phát triển cảm biển sinh học theo nguyên lý điện hóa không sử dụng chất đảnh đu ứng đụng, trong y sinh”, hướng tới chế tạo cảm biển sinh học với điều kiện công nghệ hiện có

ở trong nước, khảo sát các kết quả của cảm biến đã chế tạo, so sánh với các kết quả

đã được kiểm tra đối chủng tại khoa hỏa sinh Bệnh viện Bạch mai Qua đỏ ứng dụng để xác định nhanh chỉ số cholesterol trong cáo chế phẩm sinh học.

CHUONG I: TONG QUAN

1.1 CAM BIẾN SINH HQC (BIOSENSORS)

1.1.1 Sơ lược quá trình phát trién cia cam bién sinh hoc

'Năm 1962, các nhà khoa học là Clark và Lyons đã có công bỏ lần đầu tiên về

cảm biến sinh học (cảm biến enzyme glucose) [1], trong hon 50 nim qua cảm biển sinh học đã thu hút đuợc sự quan tam nghiên cửu của nhiễu nhả khoa học trên thế

giới nhằm hoàn thiện công nghệ chế tạo, nâng cao hiệu quả phân tích, hạ giá thành sản phẩm và đưa ra thương phẩm phục vụ đởi sống con người Ở Việt Nam, khái niệm “cảm biển sinh học” và polyme đẫn điện lân đâu tiên được nghiền cửu lại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội bởi lác giả Doãn Thái Hòa vào năm 1993 [2] Tir

đó tới nay, một số nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học

vả Công nghệ Việt Nam, Đại học Quốc gia thành phố Hỗ Chí Minh đã đi sâu nghiên cứu vả †hu được các kết quả tương đổi khả quan như cảm biến xáo định glueose [3, 4], cảm biến phát hiện sự biến đổi gen ở đậu tương [4, 5], cảm biến phát

hiện dư lượng thuốc trừ sâu, cảm biển phát hiện virnt Herpes, virus củm A, HIV

[6-9] , cảm biển miễn dịch phát hiện ung thư cổ tử cung [10]

Catot Pt

Glucose

Có định Enzyma màng

polycacboneL

Tình L 1 Mô kình cảm biển Giucose thể hệ đầu tiên [11Ƒ

Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thi: “Cam

bien sinh hoc (biosensor) 1a mot thiet bi tich hop co khả năng cung cap thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết

sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phân tử chuyển đổi” [12]

Nhờ có sự phát triển vẻ khoa học và công nghệ cũng như sự đầu tư trọng

điểm của nhà nước, phòng thí nghiệm công nghệ vi cơ điện tử tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Khoa học Vật liêu ~ Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam da có thẻ chế tạo đưa các vi linh kiện ở kich thước micromet với đô ôn định và chỉnh xác cao Đây chính lá cơ sở để tác giả có được các vi linh kiện lả các vi điện

cực tích hợp trên nên silic ứng dụng cho chế tạo cảm biển sinh học đo theo nguyên

lý điện hóa

Hình I 2 Phòng sạch tại Liện ITIMS, ĐH Bách Khoa Hà Nội

1.1.2 Cấu tạo chung của cảm biến

Câu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm bốn bô phận chính:

~ Đầu thu sinh hoc

~ Tác nhân cố định:

~ Bộ phận chuyên đôi tín hiệu

~ Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra

Mục đích là đề dò tìm, phân tích các tác nhân cân phát hiện một cách chọn lọc

Hình I 3 Sơ đồ cấu tạo chung của cảm biển sinh học

~ Tác nhân cần phát hiện : được phân loại theo câu tạo như sau

+ Các vị khuẩn như vi khuẩn E-coli, ví khuẩn Candida

+ Các phân tử nhỏ như glucose, ure, thuốc trừ sâu,

+ Các phân tử sinh học có kích thước lớn như phân tử ADN, RNA, protein

- Dau thu sinh hoc (Biological Receptor) co tac dụng bắt cặp và phát hiện

sự có mặt của các tác nhàn sinh học cản phân tích Đầu thu sinh học phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc tử các thảnh phần sinh học

+ Dau thu sinh hoc lam tir enzyme 1a dang phổ biển nhất: đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose oxidase,

+ Đầu thu làm từ các kháng thẻ/kháng nguyên

+ Ngoài ra đẫu thu sinh học lảm từ các protein , các axit nucleic như ADN, ARN

-Hình 1 4 Một số phần tử được sử dụng làm đầu thu sinh lọc

~ Tác nhân cô định: đầy là một phân rất quan trọng trong cảm biến sinh học

Các tác nhân nảy cỏ nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đề, đây lả bộ phan trung gian có tác dụng liên kết các thành phan sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phân vô cơ Những tác nhân nảy vừa phải đảm bảo độ bên cơ học, vừa phải đảm bảo khả năng chuyển tải tín hiệu giữa bộ phận sinh học và bộ phân chuyên đổi Vỉ vậy việc nghiên cứu lựa chọn những tác nhân cô định thích hợp giúp nâng cao độ nhạy, độ ổn định cho cảm biến sinh học là cần thiết Việc phát mình polyme dẫn điện vào năm 1977 đã nhanh chỏng trở thảnh tầm điểm chú ý của các nhà khoa học đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo cảm biến [13, 14] Những nghiên cứu gần đây cho thấy pha tạp (doping) các vật liệu vô cơ cỏ kích thước nano vào nuàng polyme dẫn không những lảm tăng độ dẫn điện của mảng mả còn tăng độ bên hơn nhiều lần so với polyme tình khiết [15] Một số loại polyme dẫn điện đang, được ứng dụng phố biển hiện nay đó là polyanilin, polypynol, polythiophen

~ Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyên các biển đổi sinh học thảnh các tin

hiệu cỏ thể đo đạc được Có nhiều đạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển

chuyển đổi bằng tĩnh thể áp điện hoặc chuyên đổi bằng,

đổi quang, chuyển đối nhiệ

các hệ vi cơ Trong đó, chuyên đổi theo nguyên lý điện hoá có nhiều tru điểm như chế

tạo đơn giản, có độ nhạy và độ chính xác cao phủ hợp trong chẻ tạo cảm biển sinh học ứng dụng phân tích nhanh Chuyển đổi điện hoả bao gồm chuyển đổi dựa trên dign the (potentiometric), dong điện (amperometric) vả độ dẫn (conductometric)

- Bộ phận xử lỷ và đọc tin hiệu: bộ phận này cỏ tác dụng chuyển, khuếch đại thành các tín hiệu điện để máy tính vả các thiết bị hiển thị khác đưa ra kết quả cho người cản phân tich

1.1.3 Cảm biến theo nguyên lý điện hóa

Cảm biến sinh học dựa trên bộ chuyển đổi điện hóa có tính ứng dụng cao đo nguyên lý đơn giản, độ ôn định và đô nhạy cao Nhờ những phản ứng hóa học hay sinh học đều có thể gây ra các tương tác sinh điện tử một cách trực tiếp (như lai hóa của ADN, oxy hóa khử của en2vme ) nên rất thích hợp đẻ phát hiện nhanh trong

phân tích cận lâm sảng

Hình I 5 Một hệ cảm biển điện hóa

Quá trình nhận biết tín hiệu eó thể thưc hiện bằng các phép đo đồng, đo thể

và độ dấn [11, 16, 17]

Phép đo dòng Dựa trên sụ thay đổi động điện gây ra do sự oxy hóa - khử

điện hóa của chất cân phát hiện Phương pháp nảy được thực hiện bằng cách áp một

điện thẻ giữa điện cực làm việc (WE) và điện cực so sánh (RE), tín hiệu dòng sẽ được đo giữa điện cực làm việc (WE) và điện cục phụ trợ (CE) Khi điện thé dat đến một giá trị nào đó (thưởng là điện thế oxi hoá), thì hiện hượng oxi hoá xuất hiện

và các eleclron được sinh ra Dùng điện thu được liên quan Irực tiếp đến nàng độ

chất cần phân tích [ ló, 18]

Pháp đo thể Liền quan đến việc xác định sự chênh lệch thế giữa một điện

cực chỉ thị và một điện cực chuẩn hoặc hai điện cực chuân so sánh cách nhau hỏi

một lớp mảng mỗng nảo đỏ không có đòng đi qua Bộ chuyên đổi này có thể là điện

cục chọn lọc ien ([SE) Hẳu như các thiết bị đo thế phố biến nhất hiện nay là các

điện cực pH; hay các ion như F-, I-, CN-, Na+, K+, Ca2—, NH4+ [16]

Do dé dan: Dé din điện là đại luợng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu Phản ứng giữa đầu đò và các phần tử đích làm thay đổi thành phân của chất

dẫn điện khiển độ dẫn điện của chất đó thay đôi Các phần ứng enzyme như tê và

nhiêu thụ thể mảng, sinh học có thể được kiểm soát bởi các thiết bị đo trở kháng hay

độ dẫn ion sử đụng các vi điện cực xen kẽ nhau [16]

1.1.4 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biển sinh hac

Một số tiêu chí đánh giá, cũng như các yêu cầu đối với cảm biến sinh học:

- Khoảng tuyển tinh (Lincarity): gid tri hàm lượng lớn nhảt của chải phân

tích mà tín hiệu phân tích còn tuân theo phương trình tuyến tính bậc nhất

-Dé nhay (Sensitivity): là tính đáp ứng của cảm biến khi thay đổi nẵng độ chát phân tich hay khả năng phảt hiện sự thay đổi Iin hiệu khi có sự thay đổi nhỏ

nhật về nông độ chất phân tích.

- Để chọn lạc (Selectivity): chỉ mức độ ảnh hưởng của các chất nền tới phép

xác định chất phân tịch

- Thời gian dap ứng (Response time): là khoảng thời gian cần thiết để đồng, của hê đo đạt được 90% giá trị đồng cân bằng, khi có sự tiếp xúc của điện cực nghiền cứu với dung dịch đo hoặc khi có sự thay đổi nông 46 chat trong dung dich tiếp xúc với điện cực Đây là một tiong những tiêu chuẩn của câm biển mà các nghiên cứu đang lập trung cải liễn

Bên cạnh đó là cáo tiêu chuẩn khác khi thực hiện các phép phân tích định lượng nhu độ lặp lại (ropeatability), độ nhiễu, độ chụm (preeision), độ phân giải, độ chinh xac (accuracy)

1.1.5 Mét sé tng đựng của cảm biển sinh học

Các cảm biến sinh học đã tô ra có nhiễu ưu điểm so với các phương pháp

truyền thống như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chỉnh xác Chính vì

vậy nó được ứng đụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sảng,

- Thực phẩm và kiểm soái mỗi trường

Ngày nay vấn để môi trường và và sinh an toàn thục phẫm là mỗi quan tâm của toàn xã hội Các hệ cảm biến được phát triển và ứng đụng đó là phân tích nhanh

dư lượng cáo loại thuốc trừ sân, du lượng các chất kháng sinh, các nâm mốc độc hại

tên tại trong lưới thức ần như saburamon, aflataxin [19]

tỉnh hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế Ngày nay, các cảm bién dang nay không rửiững tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp má

còn được chế tạo theo hướng càng ngày cảng nhỏ gọn, rẻ và đễ sử dụng,

Nếu như cảm biến glucose đã được thương mại hóa trên thị trường, bắt cứ người nào đều có thể mua và sử đụng dễ dâng với giá thành ngày một hạ thì cảm

biển xác định nhanh cholesterol toàn phẩn vẫn còn khả mới mẻ [21] Chính vi thế

trong nội đung luận văn này đã lựa chạn cholosterol là đối tượng nghiền cửu

12 ENZYME VA CAM BIEN ENZYME CHOLESTEROL

12.1 Enzyme [22]

Sự sống là mộtquả trình trao đổi chất liên tục Quá trình trao đổi chất bao

ôm hang loạt các phản ửng hỏa học diễn ra liên tục và liên quan chặt chế với nhau Trong, quá trình húa học ấy đều có vai trỏ xúc táo của các chất mà người ta gọi là

enzyme (E) Do vậy enzyme la chat xic tác sinh học, bản chất là protcin,được tạo ra

¡ cơ thể sống, Nhờ có cnzyme mã các quá trình hóa học Irong và ngoài cơ thể xây

ra rất nhạy với tắc độ nhanh trong điều kiện sinh lý bình thưởng

LLLL Chu tric phan tir cia Enzyme

Bản chất enzyme là những protein đặc hiệu có cấu tạo phản tử rất phúc tạp,

đo vậy nó có tất cả các thuộc tính hóa học của protein Enzyme cỏ khả năng và hiện

lực xúc tác rất lớn, có tính đặc hiệu rất cao Dễ đảm bảo cho chức năng cha enzyme

là chất xúc tác sinh học, câu tric cia enzyme phai rat tinh vi va phic tap Enzyme

Ja những loại phân tử lớn, phần nhiêu những enzyme đã được nghiên cứu có trọng

lượng phân tử từ 10.009 đến 1.000.000 dalton

những chất hữu cơ đặc biệt, cé nhiém vu cdng tac véi enzyme trong quá trình xúc tác, phần chất hữu cơ nảy gọi la coenzvme (CoE)

Tinh chat co ban của enzyme do anoenzym quyết định Da số các enzymne có chứa kun loại Kim loại có thẻ lá thành phản cầu tạo phân tử enzyme hoặc phức hợp enzyme - cơ chải, có thể là chất cộng tac trong hoạt động xúc tác của enzyrne, hoặc cũng cỏ thể vừa là thành phân câu tạo, vừa la chất cộng tác của enzyme

Trung tâm hoạt động cña en=yme

- Tất cả các cnzymne đểu boại động xúc táo thông qua những bộ phận đặc hiệu của phân tử enzxrne, được gọi lả trung tầm hoạt động (TTH)

- Trìng tâm hoạt động bao gốm những nhóm chức hỏa học cña mạch bên (gốc E) của các axit amin (a.a) trong phân tủ, phân tử 11;O liên kết, các nhỏm chức của CoF Các nhóm chức của a.a thường gặp trong TTITĐ là nhóm 81 của Cys; nhóm OH eiia Tyr; shém carboxyl cia Glu, Asp; nhom amin ở đầu N hoặc nhón:

ó thể

z-amin của I.ys, vòng imidaznl của Ilis Các nhóm chức trang TTHĐ của

có vai trò khác nhau :kết hợp hoặc xúc tác , các góc khác thì có vai trò đối với tính

1958, Koshland đã đưa ra giả thuyết * khớp phản ứng ”theo đỏ quá trình E kết hợp § số lâm thay đổi câu trúc không gian tao nên sự tương ứng về cân trúc giữa E và 3.

%

Cochit : >

linh 2 6 (a) Mé hint Fisher (6) Mé hinh Kashiand

- Tương tác giữa E và 3 là các tương tác yếu ,đễ dàng bị cắt đứt trong qua

trình phân ứng để giải phóng Tỉ va sản phẩm tương ứng,

E211 Đặc điểm sự xúc tác của enspme

Chất xúc tác lá chất lâm tang cuong phan ứng hóa học, nhưng không bị biển đôi tiêu hao và tham gia vào thành phần sản phẩm của phản ứng Chỉ cần một lượng nhỏ xc tác cũng đủ biển đổi một lượng lớn chất tham gia phản ứng Chất xúc tác làm giảm nắng lượng hoạt hóa của phản úng hỏa học bằng cách tạo nhiều phản ứng trung gian mả các các phản ứng này chỉ đôi hỏi năng lượng hoạt hỏa it hơn nhiều so với khi không có chất xúc tác tham gìa Chất xúc láo không làm Ihay đổi chiều phản ứng

Enzyme có đây đủ các tỉnh chất cơ bản của chất xúc tác, ngoài ra nó còn có đặc điểm nêng là tính chất đặc hiện rất cao và hiện lực xúc tác rất lớn Fnzyme lảm giảm năng lượng hoạt hóa nhiều hơn so với các chất xúc tác hỏa học Hoạt lĩnh của ơnzyme

chịu ảnh hưởng của rất nhiều yêu tổ lý, hóa và sinh học như nhiệt độ, ánh sáng, tia cực

tim, sóng siêu âm, gÏ1 của môi trường bản chất hóa học và nông độ của cơ chất, nắng

đô của cuzyme, thời gian tác dụng của cnzyue, tác dụng của chất úc chế, tác dụng của chất hoạt hóa, sản phẩm của phản ứng enzyme và các chất chuyển hóa khác.

Những đặc tinh wu việt của lỉ với các chất xúc tác khác

- Có hiệu quả xúc tác cao, có thể làm tăng vận tốc phản ứng lên 10” - 10” lắn

so với khí không có chất xúc tác

- Có thê hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường (nhiệt đô 20-

40°C, pH từ 5-8)

Có tỉnh đặc hiệu cao: chỉ lác đụng lên những cơ chất nhất định và xúc lắc

cho những phán ứng nhất định de vay ít có sản phẩm phụ tạo ra đồng thời hiện suất

thu được sản phẩm chỉnh cao

~ Nhiễn E không bị mắt hoại linh trong dụng môi hữa cơ

- Sử đụng E đem lại hiện quả kinh tế lớn không gây ảnh hưởng xắn đến môi trưởng

Điền chỉnh sác yếu tế vật lý, hóa học thích hợp cho hoạt động của E sẵn có

để chuyển hóa cơ chất sẵn có trong nguyên liệu khi không tách E khỏi nguyễn liệu Tách E khỏi nguyễn liệu, sản xuất các chế phẩm E có độ sạch khác nhau để sử dụng trên nhiễu đối lượng khác nhau và nhiều Tính vực khác nhau: nghiên cứu câu

trúc phân tử:phân tích các chất, xác định chính xác hàm lượng các chất, ứng dung

trong các ngảnh công nghiệp;ửng dụng trong y, được

1.2.1.8 Co ché mic tac của E

Các phản ứng do E xúc tác có thể được khái quát bằng phương trình phan ủng chung dưới đây:

ET 8 4 ES 4? E§*$>EIP

Trong dé E la enzyme; Š lả cơ chat (substrate), ES 1a phức chất hinh thành

giữa E và co chất, E5* là phức chất giữa E với cơ chất, trong dé co chất đã được biến đổi thành dạng gản như sản phẩm của phản ting, P là sản phẩm (product) cia phản ứng,

Bước 1: cơ chất gắn vào trung tâm hoạt động của E tạo thành phức hop

enzyme — co chat (ES)

E+S @ES Bude 2: duéi tac dụng nhỏm hoạt động của E ,cdu tạo điện tử của cơ chất bị biển đổi, những liên kết chịu tác dụng của enzyme bị căng ra, độ bên vững của liên kết giảm đi,hoạt tỉnh hỏa học của cơ chất tăng lên rất nhiễu, do đỏ chỉ cần năng, lượng hoạt hóa rat nhỏ cũng làm phản ứng xảy ra rất nhanh

ES © ES*

Bước 3: cơ chất được biến đổi thành sản phẩm (P) va enzyme được giải

phóng ra dưới dạng tự do

Phản ứng không xúc tác

Hình I 7 Xie tée Enzyme lam giém năng lượng của phản ứng

1.2.1.4, Tinh dac hiéu ctia enzyme

Mỗi E đẻu có tác dụng chọn lọc đối với một cơ chất hoặc một loại cơ chất nhất định đối với một loại phản ứng nhất định.Tính chất xúc tác chọn lọc nảy được gọi là tỉnh đặc hiệu của E Đây là một trong những đặc tính cơ bản quan trọng nhất của E, do cầu trúc lý hóa đặc biệt của phân tứ E vả đặc biệt lả trung tâm hoạt động

mà E có tính đặc hiệu rất cao so với những chất xúc tác thông thường khác.

Tính chất đặc hiệu gắn liền với cơ chất : mỗi E chi xtc tac cho su chuyén

hóa một chất nhất định(hoặc một cặp cơ chất nhật định trong phan ứng hai co chat) theo một phản ứng xác định tạo thành các sản phẩm xác định Vi đụ: Urease chỉ xúc tảo quả trình thủy phân ure.Các E có tính đặc hiệu tuyệt đối được sử dụng dé định lượng chính xác cơ chất của chúng.Trên thực tế ,nhiều E không có tính đặc hiện tuyệt đổi tính đặc hiện của chúng chỉ lả tương đối Chúng có tác dụng với cá một nhóm co chất có cảu trúc gần giống nhau hoặc có một bộ phận nhân từ giếng

nhan Ví đụ: một số esterase xúc tác cho phân ửng có thể tác đụng vào liên kết ester

của nhiễu axiI béo với những alcol khác nhau

Tính chất đặc hiệu gắn liền với phản ứng: phần lớn mỗi T đêu có tính đặc

hiệu với mỗi loại phản ứng nhất định Những chất có khả năng xây ra nhiễu loại phân ứng hóa hoc thi mdi loại phản ứng phải có một E đặc hiệu xúc tác Ví dụ: na

có khả năng xây ra phân ứng khử cacboxyl, phản ứng oxy hỏa khử amin và phản ủng trao đổi nhóm amin, vì vậy mỗi loại phân ứng trên cần có một E đặc hiệu tương ủng xúc tác là đecacboxylase,axit ain oxydase,auinotransferase Ngược lại, có những E có khả năng xúc tác nhiều loại phản ửng Nhiễu enzyrae protease như trypsin, chymotrypsin ngoài xúc tác đặc hiệu phản ứng thủy phân liên kết peptid, còn xúc tác phản ứng liên kết estz

L215, Don vi do hoat dé ché phdm Enzyme

Iioạt độ của enzym là đơn vị dùng để đo khả năng xúc tác của enzym Đơn

vị hoạt đô là lượng cơ chất mả emzym xúc tảo chuyển hóa hoặc lượng sản phẩm

được tạo thánh Irong một thời gian và các điều kiện như nhiệt đồ, pÏI, xác định

Lloat 46 riéng (specific activity): Hoat 46 riêng của enzyme duoc tinh bing

số đơn vị hoạt độ enzyme trên một đơn vị khối lượng (miligam hay gam) protein

Mục đích xác định hoạt tinh enzyme là xác định số đơn vị hoại tính Một đơn

vị họat tính enzyme được định nghĩa theo nhiều phương pháp

Don vị đơn vị quốc tế (En=wme hái, viết tắt U) do Hiệp hội Hóa sinh Quốc

tế (International Union o£ Biochomistry - IUB) định nghĩa: Một đơn vị chuẩn của

enzvme (1U) là lượng enzyme xúc tác sự biến đổi 1 tunol cơ chất sau I phút ở điêu kiện nhất định

1U ==1 pmol co chat (10 Smolyphat

Don vi Kafal(kaj: Năm 1979, Tiệi đồng T2anh pháp của TCT khuyến cáo

nên sử đụng Katal làm đơn vị co bản của hoạt tính enzyme Một Katal là lượng enzyme xic tác sự biến đổi 1 mol cơ chất trong 1 giây và trong những điều kiện nhất định

1 Kat = 1 mol cơ chất/ giây

IpKail 60U4

U41 = 16,67 nKat] (nanokatal) Đơn vị Katal được khuyến cáo vì năm trong hệ đơn vị đo lường Quốc tế (81)

12.1.6, Enzyme khéng tan và điện cực ensyime

F không lan là các E bị giữ hoặc được số định trong một vùng, một khoang

nhất định, không bị hỏa tan trong các điều kiện bình Ihường vẫn giữ được hoạt đông

xúc tác,có thê sử đụng liên tục và lặp lại nhiều lần Do đặc tính không bị hòa tan má

vẫn giữ được hoạt độ xúc tác ,uên ưu điểm của E không tan lả : có thể sử dụng lặp lại nhiều lẫn một lượng E xác định,đo đó làm giảm đáng kể giá thành chế phẩm E

Ngoài ra nó còn cỏ đô bên với các yếu tả hóa lý hơn khi ở dạng hòa tan Một số E,

xúc tác cho quá trình oxi hóa khử cũng là dạng E không tan

Biosensor dién cue cuzyme, cũng gọi là điền cực E không tan có thành phẩn cấu tạo sinh họo của điện cực này là E, được cố định trên bề mặt của điện cực, đáp ứng với nềng độ của một trong các cơ chất, hoặc các sản phẩm của phản ứng do E xúc tác.Điện cục E được sử dụng để xác định nông độ nhiều chất khác nhau như: gÌueose, uc, một số axit hữu cơ, amino mái, aleal Những thành tựu trong nghiên cứu I Không tan,chế tao các E-biosensor đã làm tăng hiệu quả và mỏ rộng phạm vĩ ứng dụng của E trong thực tể ở quí mỏ ngày cảng lớn.

1.2.2 Cholesterol oxidase [23-25]

Cholesterol oxidase con có các tên gọi khác nihur Cholesterol-O2 oxidoreductase, beta-hydroxy steroid oxidoreductase; beta-hydroxysteroid: oxygen oxidoreductase

Hinh I 8 Cholesterol Oxidase (ChOx)

Cholesterol oxidase thue nhóm 1 (Oxydoreductase) (EC 1.13.6) có tác dụng xúc tác cho phản ứng oxy hóa-khử Cholesterol oxidase thường được thu từ

Streptomyces, Pseudomonas, Brevibacterium

Enzyme nảy cỏ tỉnh đặc hiệu cao đổi với cholesterol trong khoảng pH thích

hợp từ 4,0 đến 7,0 (tính đặc hiệu cao nhất tại pH=7,0)

Dc tinh: enzyme là chất đặc hiệu để phát hiện vả định lượng cholesterol

12.3 Phản ứng với xúc tác ChOx

Phản ứng oxy hóa cholesterol đưới tác dụng của ChOx tạo ra H;O›

Cholesterodl + O,—##%> cholet-4-en-3-one + H,O,

sae

13 POLYME Da A POLYANILIN

13.1 Polyme din [15]

3.1.1 Giới thiệu sơ lược vé polyme din

Tử những năm 70 khi phát hiện ra tính dẫn điện của polyaxetylen, sau đỏ

là một số polyme khác như polypyrrole, polyanilin polvme dẫn đã là đối tượng

nghiên cửu chuyên sâu của các nhà khoa học Ghỉ nhận những người đã có công khám phá và phát triển polyme dẫn, Viện Hàn lâm Quốc gia Thụy Điễn đã trao

giải Nobel Ilỏa học (nằm 2000) cho các giáo sư A.G MacDiarmid, A.J Ileeper

và H Shirakawa [26-30] đã có những bước đội phá Irong quả Irình lổng hợp, nghiền cứu các đặc tỉnh điện hoá, hóa học và vật lý của vật liện này và trong những năm qua số lượng cáo nghiên cứu về polyme dẫn điện đã gia tầng nhanh chóng và đây vẫn đang là tâm điểm thu hú! sự quan lâm nghiền cửu của các nhà khoa học trên thể giới

Khả năng dẫn điện của các polyme là do trong chuỗi polyme có tệ liên kết liên hợp nằm dọc theo toàn bộ chuỗi polyme nó lạo ra đảm mãy điện tử r linh động nên điện tử có thể chuyển động từ đầu chuỗi đến cuối chuối polyme dé dang

Nhưng các polyme don thuần có đả dẫn điện không lớn và để tạo ra vật liệu có độ

dẫn điện cao (”igii¬cowductive polymer) tir cac polyme người ta cài cae tap (dopant) vào mảng để tạo ra vật liệu có độ dẫn điện cao hơn

Một phương pháp để làm tăng độ dẫn điện của các polyme dẫn điện mà hiện nay đang được nghiên cửu, ứng đụng là phương pháp cài các phân tứ có kích thước nanornet của kim loại hay oxit của kim loại vào mảng, polyme dẫn để tạo ra vật liệu mới có độ dẫn điện vượi trội Các hạt nano được cải vào trong mảng polyme thường

là kim loại chuyển tiếp hoặc oxít của kim loại chuyển tiếp, khi đó nó có chúc năng

như những câu nói để dẫn điện tả từ chuỗi polyme này sang chuỗi polyme khác

1.3.1.2 Phân loại một số polyme dẫn điện

Polyme oxy hod khie (Redox polyme): Polyme oxy hoá khử là loại polyme

dẫn điện có chứa các nhóm có hoạt tính oxy hóa - khử liên kết với mạch polyme không hoạt đông điện hoá

ferrocene] patym+ [X7]so1 = [ferrocenium™X™ |poiym + ế”

Điện tử địch chuyển từ tâm oxy hoá khử này sang tâm oxy hoá khử khác theo co ché chuyén electron theo bude nhay (electron hoping)

Polyme dẫn điện tử (electronically conducting polyme): Polyme dan dién tit ton tại mạch các bon có các nổi đôi liên hợp( các polyme mạch thẳng, polyme vòng thơm và polyme dị vòng), nằm đọc theo chuỗi polyme và quá trinh dẫn điện

ở đây là điện tử có thể chuyên động đọc theo chuỗi polyme nhờ tính linh động của

điện tử m, hoặc điện tử có thẻ chuyển tử chuỗi polyme nảy sang chuỗi polyme khác theo cơ chế electron hopping Các polyme dẫn điện tử thẻ hiện tính đẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thể rộng Vùng dẫn nảy bị khống chế mạnh bởi bản chất hoa hoc cia polyme va hơn thế nữa nó có the bi

không chế bởi cả điều kiên tổng hợp.

Hink 1 10 Mét sé polyme dén dién tir

Polyma trao đổi lon (iơn - exehange polyme): Polyme trao đổi ion là polyme

chứa các cấu tử có hoạt tính oxy hoá khử liên kết tĩnh điện với mang polyme din

ion, trong trường hợp nảy cấu tử có hoat tỉnh oxy hỏa khử có điện tích trải dâu với

mang polyme

Tình I 11 Polyme trao adi ion (poly 4-Vinpyridine với Fe(CN)È)

13.13 Cơ chế dẫn điện cũa polprne dẫn

Theo co chế din điện của Ioth và cơ chế dẫn điện của Kaoki

- Roth và công sự cho rằng quả trình chuyển điện tích vĩ mô lrong gác rang

polyme dẫn là sự tập hợp các cơ chế vận chuyển cục bộ Đó là sự vân chuyển các

20

dạng mang điện trên các mạch sọi có liên kết liên họp và từ sợi nay sang soi khác 'Nếu coi polyme là tập họp cáo bó sợi thì còn có sự vận chuyển các dạng mang điện

tứ từ bỏ sọi nay sang bỏ sợi khác

- Theo Kaoki trong pha của polyme có những chuỗi cỏ khả năng dẫn điện và những chuỗi không có khá năng dẫn điện hay nó tạo ra vùng dẫn và vùng không dẫn

Khi chuôi polyme ở trạng thái oxy hoá, khi đó thi né du cdc obital trắng do

đó nó có thể nhận hoặc cho điện tử Thông thường nó được phân bổ ngẫu nhiên trong máng polyme Dưới tác dụng của điện trường áp vào thị cáo chuỗi này có xu

hướng đuấi ra theo một chiều nhất đình Khi điện thế áp vào đú lớn thì xảy ra hiện

tượng lan truyền pha có nghĩa là các pha không dẫn trở nên dẫn điện

13.1.4 Ung dung của polyme din

Polyme đẫn có liên kết m liên hợp Irong hệ cho thấy những tính chất đặc trưng như năng lượng cluyền điện từ tháp, điện thể ion hoa thấp vả có ái lực điện tử cao Nhiễu kết quả nghiên cứu tỉnh chát cấu hình của của điện tử cho thấy các cầu hình này có thể bị oxy hoá hoặc khử để dàng, một vải polyme dẫn đã được phát triển để có thế ứng dụng vào trong thương mại vi dụ như làm nguyên liệu cho pin,

thiết bị mắt chện tử, các cảm biến sinh học

Ta thấy rằng một số polyme dẫn tổn tại ở nhiều dạng khác nhau tuý thuộc vào mức độ oxy hoá của chúng và loại vật ligu dopant va 6 điện áp ngoài nhất định

Do đề nó có thể tồn tại ở dạng oxy cao nhất và nêu nó tên tại bền vững ở trạng thái

này thì ta có thể chọn nó làm vật liệu cho ắc quủ

Môi số loại polyme dẫn có tính chất điện rất đặc biệt nó có độ dẫn tăng rất nhanh khi áp thể vào đo đỏ nó có thể được ứng dụng trong điều khiển logic va tao ra tin hiệu ở dạng số

Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các phản ứng đặc hiệu để phái hiện trực tiếp các hợp chất hoá học Trong cảm biển sinh học quá trình thực hiện theo trinh tự: chất cần phân tích trong môi trường khuếch tán vào trong,tương táo với các

21

thành phân f sinh học của cảm biển, bị chuyển hóa thành sản phẩm, tạo ra một tin

hiệu, tín hiện sẽ được khuếch đại vả được một thiết bị xử lý va gta lai Ung dung của câm biển sinh học rất đa dạng như được dùng để phản tích định lượng nhanh đường glucose, cholesterol, urea, các chất bảo vệ thực vậi, các độc tổ sinh học có ảnh tưởng trực tiếp đến sức khoé con người Để phát hiện và định lượng những, phân tử này người ta sử dụng các loại enzyme đặc hiệu vả kết hợp với mạch polyme đẫn điện (enzyme có thể kết hợp với polyme đẫn điện ở dạng dopant, hay được phủ lên bẻ mặt của polyme) Enzaxne sẽ phản ứng chọn lọc với chất phân tích cho ra những chất hoặc hợp chất làm thay đổi điện trở trên bẻ mặt cảm bến, sự thay đổi tin hiệu điện hóa đó là một hàm phụ thuộc nẻng độ chất phân tich Hiện nay, polypyrel (PPy), polyanilin (PANi) và poly(3, 4-cthylencdioxythiphene) (PEDOT) là ba loại pelyme dẫn đã và đang được nghiên cửu rộng rãi trong chế tạo bộ cảm biển sinh

học điện hóa Trong khuôn khổ của luận văn nảy, tập trung nghiên cửu, chế tạo cảm

biển sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫu điện là polyanilin có pha tạp

hạt nano Fc3Ó4 bọc copolyme p(t-cø-AA)

1.3.2 Polyanilin

E32 1 Giải thiện chương

Monome anilin (Ani) [31J: Anihn là hợp chat him co có công thức phân tử

C¿H;NH;, M= 93,13 g/mol Là chất hữu cơ lỏng không mảu nhưng sẽ chuyển thành máu nâu khi gặp không khi và/hoặc ảnh sảng

Các đại hượng vật lý quan trong:

Nhiét 46 séi 6 101.3 KPa: 184°C

Nhiét dé nong chay: -6°C

Tính chất hóa học của anilin la chất vừa thể hiện ở vòng thơm vừa thể hiện ở nhóm —NH: do cặp cleclron chưa chia Tuy nhiên tỉnh bazơ của anilin khả yếu (ky 5.30.10'% vi cặp clectron chưa chỉa nảy (ham gia liên họp với hệ thống eleotron ø của vàng benzen

Polyanilin (PANi}: Polyanilin ¢6 thé duoc tao ra trong dung môi nước hoặc

dung môi không nước, cầu Irúc của nó ngày nay vẫn còn là vấn để cân nghiên cửu Cũng như polyme dẫn điện khác nó cũng có trạng thải oxy hoá khử, try nhiên trạng, thái oxy hoá của nó bên hơn polypynide và có độ dẫn điện lớn hơn palyacetylen

14.22 CẤu trúc phân từ của DANI và các trạng thái oxy hóa-khử [2J

Green và Woodhcad đã mồ tá PAN¡ như là mạch chính của cặp phân tử anilin đầu cuỗi ở vị trí para của vòng thom PANi 1a san phim céng hợp của nhiều

phân tử anilin trong điều kiện có ruặt của tác nhân oxi hóa lâm xúc tác [32]

Trạng thái tẳng quát sủa polyanilin:

1 1X 6 ON wh MO al

[Ke / TW 3 C- dd

Hình I 12, Céng thức tẵng quất của PANI

Do qua trình trên đều xảy m thuận nghịch nên tương ụ quả trình nxi hỏa, quá trình khử cũng xây ra từng phần hoặc toàn phẩn Trong quá trình tổng họp PAN¡ người †a còn quan sát được các màu sắc khác nhau tương ứng với cầu trúc

khác nhan của PANi

Khác với các loại polyme dẫn khác, PANi có 3 trạng thái oxi hoa

~ Trạng thái khử cao nhất (n — y- 11a loucoomeraldine (LE) - miu tring

23

- Trạng thái oxi hoa mét mita (n = y =0.5) là emeraldine (EM) - mau xanh 1a cây Là hình thức chủ yến của polyanilin, ở 1 trong 2 dạng trung tính hay pha tạp với liên két imine ede nitrogen của mệt axit

- Trạng thái oxi hoá hoàn toàn (n = y =0) là pemigraniline (PE) - mau xanh tim

Vì độ hoạt hoá cao nên PAN có thé bj oxi hoa ngay trong không khi hoặc trong, dung dich nước và do bám dính trên điện cục, có độ dẫn điện như kim loại, mảng PANi

mới tạo thành chính 14 bê mặt điện cực nơi diễn ra các phán tỉng điện hoá tiếp theo

Qua trình khử ngược lại cũng có thể xảy ra từng phản hoặc toàn phần Các phân ủng oxi hoá khử nhu các quá trình trên đây là thuận nghịch, cáo đạng có thể đã

đàng chuyển đổi cho nhau (hinh I I6) [26] PANi thường tạo muối với các axit

thành dạng muối Emeraldine (E3) có tính chất dẫn điện tốt

PANI có thể tên tại cả ở trạng thái cách điện và cả ở trạng thái dẫn điện

Trong đó trạng thải muối emeraldine có độ dẫn điện cao nhất và ẳn định nhất Diễn kiệu tổng hợp cũng ảnh hưởng đến việc hình thành sai lệch hình thải cấu trúc polyme, vi vay làm thay đổi tính đẫn điện của vật liệu

EM zest | Xanhmee

bis

7 wang

Hink 1 1á: Đường CV của PAN) trong dụng dịch HCI LM va six thay abi mia

của PANI ở các giai đoạn oqy kod khúc nhau ở tắc độ guết diế 36 mÏ⁄s [2Ƒ

Quá trình oxy hoá PANi bang cach quét thé man hoàn trang dung dich axit

cho thấy rõ hai pic: sóng Oxh bat đâu ở thể khoảng 0V, đạt pie khoảng 0,2V va khiông nhạy với pH; pic thử hai nằm trong khoảng 0,2 + 0,#V và phụ thuộc mạnh

vào pII Pic Red! năm trong khoáng thể 0,2 : 0,8V, phụ thuộc vào piI giổng như

O3; pie Red2 diễn ra ở khoảng thế 0,LV và không phụ thuộc vào pH

Đặc tỉnh điện hoá của PAKi phụ thuộc vào pH Ở pH cao không có quả trình

proton hea x4y ra va PANI ở trạng thái cách điên Nếu chất điện ly đủ tỉnh axit thì

xảy ra quá trình proton hoá tạo thành đạng nigraniline và PA^M có độ dẫn điện nhất định Sau đỏ một phân của PANi gắn với bể mặt điện cực sẽ tham gia vào phản ứng

oxy héa khử điện hoá và đóng vai trò vật dẫn clcctron đến phân còn lại cia PAM

PA là một hợp chất hữu cơ dẫn điện do hệ thông nối đôi liên hợp đọc toàn

mach phan tt ho&c trén nhting doan lén cia mach Su bat dinh sat ctia mét sé 1én electron 7 doc theo mach polyme trong hệ thống nối đôi liên hợp mang lại thuận lợi lớn về mặt năng lượng Dó chỉnh là điển kiện để polyme có thé dẫn điện Bẻ rộng vùng cảm trong polyme dẫn cỡ khoảng 1,5eV, nên có thể coi polyme dẫn tương đương với chit ban din Khi pha tap các tâm cho e (donor) hay các (âm nhận e

(aeoeptor) và đặt trong điều kiện thích hợp thì các polyme có thể trở thánh chất dẫn

điện Quả trình pha tạp sé tạo ra các mức năng lượng mới có vị trí phụ thuộc vào

quả trình oxy hóa khử của polyne

Đầu tiên, một electron được tách ra từ chuỗi polyme tao ra mot gốc tụ do và

một hạt tải dương, Gốc tự đo và cation liên kết với phần còn lại của chnối nhờ điên kiện cộng hưởng địa phương của điện tích vả gốc Liên kết giữa một cation được định xứ trong chuỗi và một gốc được gọi là polaron Trang thai polaron cia PANi

nằm chính giữa hai bở ving nang lượng Trong quá trình oxy hóa tiếp theo gốc hr

do của polaron tách ra khỏi liên kết tạo ra một trạng thái mới là bipolaron Cuối cùng,

với việc pha tap, dang vùng năng lượng chuyển thanh ving bipolaron [26, 32]

\ / ry fr \ sa

Hink I 15 Dang bipsiaron cia PAN

Đặc tinh dẫn điện của polyme được quyết định bởi hai yếu tổ quan trọng là:

trạng thái oxi hóa của polyme, mức đã proton hóa của nguyên tử nifơ trong mmach và phần lớn ứng dụng của nó dựa trên đặc lính này

Cơ chế dẫn điện của PANI có thể được mô là

26

— oS

10 mà “Din ign git các tiêu phân `]

Hình 1.16: Cơ chế dẫn điện của PAANi

Các polyme dân điện, quả trình dẫn điện xảy ra hơi khác một chút Đám mây điện tử di chuyên trong một tiểu phân Giữa các tiều phân có một đường hầm lượng

tử từ tiểu phân nảy tới tiểu phân khác Trong phân tứ có sự liên hợp giữa các liên

kết z trong vòng benzoid và quinoid với elecron trên nhóm NH khi được pha tạp Quả trình pha tạp tạo nên sự khác biệt về độ dẫn điên giữa dạng emeraldine vả muối

emeraldin

Những tiểu phân PANI được tạo thành từ những phân tử có kích thước cơ bản khoảng 3,5 nm Do cảu tạo của các tiểu phân có kích thước 10 nm có chửa lõi 8 nm được tạo thảnh theo tập hợp từ 15 đến 20 phân tứ cỏ kich thước 3,5 nm Chính lõi nảy có tỉnh chất “kim loại”, là cơ sở dé PANi dan dién Những phần tứ có kích thước 10 nm tập hợp lại đẻ thành phản tứ lớn hơn có kích thước khoảng 30 nm Những phân tử có kich thước 30 nm hợp lại thảnh phản tử lớn hơn 50=100 nm Ở dang muối emeraldin nhờ cỏ sự tạo muối của axit với nhóm -NH- trong mạch phân

tử PAN¡ lắm cho nó có khả năng định hinh (tạo tỉnh thể)

khi tạo màng cũng nhĩ không chế chiêu đày màng trên bề mặt điền cực kim loại

Với mục tiêu tạo màng PANI Irên bễ mật điện cực ứng dụng làm thành phần chuyển đổi trong chẻ tạo cảm biển sinh học thi phrơng pháp điện hóa tỏ ra là một phương pháp hiệu quả và phù hẹp [35]

Các giai đoạn xảy ra trên bể mặt điện cực

I Khuếch tán và hấp phụ amlin

+ Oxy héa anilin

¡ Hình thành polyme trên bể mặt điện cực

+ Ôn định màng polyme + Oxy hóa khử bản thân mảng polyme Trong thực tế, có thể sử dụng hệ điện hỏa với cấu hình 2 hoặc 3 điện cục Hệ điện hóa 2 điện cực bao gồm điện cực làm việc (Working Electrods viết tắt lá WE)

và điện cực phụ trợ (Counler Eleclrode viết lãi là CT:) Tiệ điện hóa hai điện cực

thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu

Trong hệ điện hóa 3 điện cục, câu hình gễm điện cực làm việc (WT:), điện

cục phụ trợ (CE) va điện cực so sánh (Reference Electrode viét tat la RE) Hé dign

hóa ba điện cực bên cạnh sử dụng để tổng hợp vật liệu còn thường được sử dụng để nghiên cửu các quá trình điện hóa

Về mặt phương php tng hop điện hóa palyme dẫn điện, người ta thường sử dung ba phương pháp sau để lổng hợp đó là: phương pháp phân cực vòng (Cyclic 'Voltammetry viết tắt là CV), phương pháp phân cực dòng tĩnh (gavanostatio viết tắt

là G8) và phương pháp phân cực thế tĩnh (potentiostatie viết tắt là PS)

- Phương pháp phân cực vòng (CV): Dién thé phan cực được quét tuyến tính

một cách mẫn hoản từ điện thể T¡, đến điện thể I:: và quay lại theo thời gian với vận

tốc quét không đổi Dòng điện phản hồi I được ghi lại Từ dòng I và thể quét thu

được, người ta xây đựng đổ thí [ — I Khi quan sát các đường phân cực ta thấy:

trong một số chu ký đầu, dòng tồng nhanh tương ứng với việc bắt đâu có polyme kết tủa trên bé mat anot Khi ting chu ky phân cực, dòng thụ động giảm dan San một số chu kỹ, các đường phân cực vòng trùng khít lên nhau, khi đỏ màng polyme

lắng dong trên bề mặt điện cực

28

- Phương pháp phân cực dòng fĩnh (GS): Tiến hành áp đòng điện không đôi lên

bình điện phân và đo hiệu điện thể ghân cục E theo thỏi gian va thiết lập đỏ thị E —t

-Phương pháp phân cực thế (ĩnh (PS): là phương pháp áp điện thế phân cực không đổi và đo động phản hỏi I theo thời gian Từ những đữ kiện thu được ta xây

dựng đỗ thị I—t

Sơ đỗ tổng quát của quả trình trùng hợp màng PANí bằng phương pháp chén hóa được đưa ra tại hinh I 17 dưới đây

Tình I.17 Sơ để tẴng quải về sự hình thành pohiemili: hằng can đường điện Hóa {36}

14 HAT NANO OXIT SAT TU TINH [37]

1.4.1 Giới thiệu chung:

tt ligu nano đang đi vào doi song hién dai va dan dan chiém mét y nghia

lớn đổi với đời sông của con người nhờ vảo các tính chất rất đặc biệt của chúng mả các vật liệu truyền thông trước đỏ không có được Tỉnh đặc biệt của vật liệu nano có được lả nhờ kích thước nhỏ bé của chúng

Trong tự nhiên, sắt (Fe) lả vật liệu cỏ từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt đô

phòng, sắt không độc đôi với cơ thẻ người và tính ôn định khi làm việc trong môi

trường không khí nên các vật liêu như ô-xit sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tỉnh Hạt nano oxit sắt từ FesØ; có nhiều ứng dụng quan trọng trong,

y sinh học như làm tác nhân tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân,phân tách và chọn lọc tế bảo,hiệu ứng đốt nhiệt và phân phát thuốc Việc ứng dụng các hạt nano Fe; vào lĩnh vực y sinh đã thu được nhiều thành quả do đỏ ngày cảng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học

Hạt oxit sắt tử FesÖ; có câu trúc spien đảo thuộc nhóm đổi xứng Famm.,

hằng số mạng a=b=c=0.8396nm,số phần tử trong một ô cơ sở lả 8.Trong mạng tĩnh

thể spinen Fe:O; , cac ion Fe** và Fe®' được phân bổ trong các bát diện Các bát điên nảy tiếp xúc với nhau theo một cạnh chung, do đó cation sắt có mức oxi hoa

khác nhau mả ở gần nhau nên trao đổi điện tích để đảng, lỗ trồng đương có thể

chuyển từ Fe°* sang Fe#^

Hình I 16 Céu trie hat nano Fe;O, [38]

Hat nano kim loại có hai tỉnh chất khác biệt so với vật liệu khỏi đỏ lả hiệu

30

túng bể mặt và hiệu ứng kích thước

-Với hiệu ứng lượng tử do giảm kích thước và lăng điện tich bé mal cia cdc hạt nano đã biểu hiện rõ tính chất siêu thuận từ mổ ra tiềm năng lớn cho ứng dụng y sinh nhở những đặc tỉnh lý, hóa, nhiệt học và cơ học

Hạt nanô từ tỉnh đùng trong y sinh học cẳn phải thỏa mãn ba điển kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, tir dé bao hoa lon và vật liệu không có độc lính

-Cáo hạt nanô từ tính có kich thước tương ứng với kích thước của các phân

tủ nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm) Do vậy hạt nanô có, thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thé thao táo ở qui mô phân tử và tế bảo

-Diện tích bể mặt lớn trong một thể tích nhỏ của các hạt nanô giúp cho các

hiệu ứng xảy ra bên trên bê mặt diễn ra rất mạnh mẽ làm tăng khả năng liên kết giữa chủng với các thực thể sinh học

-Tỉnh dần điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào

mật độ điện tử tự do cao trong đó Khi kích thước của vật liệu giảm dẫn, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời ráo hóa cầu trúc vùng nàng lượng, 116 quả của quá

trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa má xuất

hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chấn Coulomb (Coulomb blockade) lam cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U vá e@/RC cho 1, với e là điện tích của điện tủ, C và R là điện dung và điện trở khoáng, nổi hạt nano với điện cuc.Tinh chất này làm cho chúng phù hợp với yêu cầu của

cảm biển sẽ làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc „ và tốc độ đáp tin của thiết bị

1.4.3 Phương pháp tổng hợp hạt nang sắt tử [31, 38]

Phương pháp nghiên được phát triển từ rất sớm đề chế lạo hại nano từ tính

đùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khi vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt Irong các loa công suấi cao, Phương pháp này có

tu điểm là đơn gián và chế tạo được vật liêu với khối lượng lớn Nhuợe điểm của phương pháp là tính đồng, nhất của các hạt nano không cao vỉ khỏ có thẻ không chế quả trình hình thành hạt nano Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp này thưởng được dùng cho các ủng dụng vật ly

Phương pháp kết tủa từ dung địch: Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khí nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tởi hạn, trong đung địch sẽ xuất hiện đột ngột những mẫm kết tụ Các mâm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua qua trình khuyếch tán của vật chất từ dưng dịch lên bễ mặt của các mắm cho đến khi mắm trở thành hại nano (hỉnh T.17) Để thu được hại có độ đẳng nhất cao, người ta cân phân tách hai giai đoạn hình thành mâm và phát triển mắm Trong quá trình

phát triển mắm, cẩn hạn chế sự hình thành của những mắm mới

Hình 1 17 Cơ ché hink thank va phdé trién hat nano trong dung dick

Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa tir dung dịch: đồng