Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ KHÁNH TÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC

ĐIỆN HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG

THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VŨ KHÁNH TÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC

ĐIỆN HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG

THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số:60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Vân Anh

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CẢM ƠN

-

Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn

Vân Anh trong suốt thời gian học tập vừa qua cũng như trong thời gian thực

hiện luận văn này

Xin trân trọng ghi ơn các quí Thầy Cô, nhất là các Thầy Cô trong khoa

Hóa Trường Đại Học Khoa Học Thái Nguyên đã nhiệt tình dạy những kiến

thức, những phương pháp nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc lực

cho quá trình làm luận văn và nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai của

những người đi sau chúng em

Xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, các anh chị em đồng nghiệp và thủ

trưởng cơ quan đã luôn động viên giúp đỡ, làm chỗ dựa tinh thần cho tôi trong

những ngày đi học và làm luận văn, cảm ơn các bạn Cảm ơn các anh chị em

trong lớp Cao học Hóa Phân tích K9B đã tương trọ cho tôi tròn quá trình học

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu viết tắt a Mục lục b Danh mục các bảng d Danh mục các hình e

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Vấn đề dư lượng thuốc BVTV trong nông sản 3

1.2 Nhóm chất BVTV họ lân hữu cơ 5

1.3 Cảm biến sinh học điện hóa 6

1.3.1 Cảm biến Enzyme 10

1.3.2 Cảm biến miễn dịch (immunosensors) 14

1.4 Polyme dẫn điện 16

1.4.1 Giới thiệu tổng quát về polyme dẫn điện 16

1.4.2 Polyanilin (PANi) 19

1.4.3 Polypyrrol (PPy) 21

1.4.4 Các phương pháp tổng hợp điện hóa polyme dẫn điện 23

1.5 Tính hình nghiên cứu trong nước về cảm biến điện hóa sinh học 26

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 28

2.1 Thực nghiệm 28

2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 28

2.1.2 Hóa chất sử dụng 29

2.1.3 Lựa chọn hệ cảm biến và nghiên cứu các đặc trưng cơ bản 30

2.2 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của cảm biến 31

2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) [61] 31

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 32

2.2.3 Phương pháp điện hóa trong phân tích nồng độ chất 33

2.2.4 Các phương pháp phân tích 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Tổng hợp điện hóa màng PANi và đặc trưng tính chất 39

3.1.1 Biến tính bằng kỹ thuật von-apme vòng (CV) 39

3.1.2 Đặc trưng cấu trúc màng PANi bằng phổ FT-IR 40

3.1.3 Hành vi điện hóa của điện cực PANi/SPE 41

3.1.4 Phổ Raman của điện cực PANi-Gr/SPE 41

3.2 Cố định điện hóa Enzym AChE trên màng PANi - Gr 43

3.3 Các đặc trưng bề mặt của cảm biến điện hóa trước/sau biến tính 44

3.4 Ứng du ̣ng cảm biến sinh ho ̣c điện hóa tích hợp xác đi ̣nh dư lượng thuốc BVTV 46

3.4.1 Thử nghiệm hoạt tính của enzyme cố định trên điện cực 46

3.4.2 Xác định điểm hoạt động tối ưu của cảm biến 46

3.4.3 Thử nghiệm xác định thuốc BVTV 48

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CV Vôn - ampe vòng (Cyclic voltammetry)

EIS Phổ tổng trở (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

ELISA enzyme-linked immunosorbent assay

FE-SEM Hiển vi điện tử quét trường phát xạ (Field Emission Scanning

Electron Microscope)

FT-IR Fourier transform infrared spectroscopy

GA Glutaraldehylde

GC Điện cực than thủy tinh (Glassy carbon)

GPRS General Packet Radio Service

HPLC High Performance Liquid Chromatography

ISFET Transito nhạy ion hiệu ứng trường (Ion Selective Field Effect Transistor) LNT Phòng thí nghiệm công nghệ nano (Laboratory of Nanotechnology MEMS Hệ vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical System)

MOSFET Transitor hiệu ứng trường kim loại-oxit (Metal-Oxide-Semiconductor

Field Effect Transistor) MRL Mức giới hạn tối đa (Maximum Residue Limit)

MS Khối phổ (Mass spectrometry)

MWCNTs Ống nano các bon đa vách (Multi-walled carbon nanotubes)

OP Lân hữu cơ (organophosphate)

SEM Scanning electron microscope

SWV Square wave voltammetry

Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các điều kiện phân ly MS/MS: 37 Bảng 3.1 Kết quả phân tích trên nền nước 50 Bảng 3.2 Kết quả phân tích trên nền rau 51

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các phương pháp hiện được sử dụng để xác định thuốc bảo vệ

thực vật (giai đoạn 2005 - 2011) 6

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một cảm biến sinh học 7

Hình 1.3 Số các công bố khoa học liên quan đến chủ điểm cảm biến sinh học xác định thuốc BVTV từ 1989 tới 2011 (theo thống kê của Thomson Reuters Web of Science) 8

Hình 1.4 Các mô hình cảm biến sinh học xác định chất BVTV đang được nghiên cứu 10

Hình 1.5 Mô hình ức chế xúc tác enzyme của thuốc BVTV Hình phía trên: khi không có chất BVTV; Hình phía dưới: khi có chất BVTV [13]11 Hình 1.6 Mô hình ức chế enzyme AChE trong xác định chất BVTV 11

Hình 1.7 Mô hình chế tạo cảm biến enzym xác định chất BVTV 12

Hình 1.8 Cảm biến sinh học phân tích thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) 14

Hình 1.9 Mô hình cảm biến ATZ dựa trên sự thay đổi tín hiệu signal- off/signal- on của màng poly(JUG-HATZ) [32] 16

Hình 1.10 Một số polyme dẫn điện tử điển hình 17

Hình 1.11 Polyme oxy hóa khử 17

Hình 1.12 Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridin) 18

Hình 1.13 Cơ chế hình thành PANi từ Ani bằng phương pháp điện hóa [38] 20 Hình 1.14 Công thức tổng quát của PANi 21

Hình 1.15 Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [38] 22

Hình 1.16 Mô tả quá trình trùng hợp điện hóa PPy trong hệ ba điện cực 23

Hình 2.1 Hệ đo điện hóa Palmsen 3 và thiết bị tích hợp phần mềm đo điện hóa 28

Hình 2.2 Hệ điện cực mạch in tích hợp thương mại của hãng Dropsens® (http://www.dropsens.com) 28

Hình 2.4 Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong phương pháp CV 34

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn trên nền nước 35

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn trên nền rau 35

Hình 2.7 Khối phổ (MS) của mẫu Methamidophos 37

Hình 3.1 Phổ trùng hợp điện hóa PANi theo phương pháp CV 39

Hình 3.2 Phổ FT-IR của PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa 40

Hình 3.3 Hành vi điện hóa của điện cực PANi/SPE tổng hợp theo kỹ thuật (a) trong dung dịch HCl 1M 41

Hình 3.4 Phổ Raman của màng Graphene, PANi và PANi/Graphene 42

Hình 3.5 Ảnh FE-SEM màng PANi/Graphene đã cố định AChE theo phương pháp liên kết đồng hóa trị sử dụng glutaraldehyde (a) phóng đại 10.000 lần và (b) phóng đại 50.000 lần 43

Hình 3.6 Phổ CV của vi điện cực điện hóa trong dung dịch K3[Fe(CN)6] 44

Hình 3.7 Phổ SWV của vi điện cực trước và sau khi cố định 45

Hình 3.8 Ghi nhận phản ứng enzyme-cơ chất trên bề mặt điện cực bằng phương pháp quét thế tại V = + 300 mV 46

Hình 3.9 Đường đáp ứng dòng của điện cực AChE/PANi-Gr/SPE trong dung dịch PBS khi thêm cơ chất ATCh 47

Hình 3.10 Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu 47

Hình 3.11 Phát hiện thuốc trừ sâu họ lân hữu cơ sử dụng cảm biến điện hóa AChE bằng phương pháp áp thế 48

Hình 3.12 Đường chuẩn xác định dư lượng thuốc BVTV họ lân hữu cơ sử dụng cảm biến điện hóa AChE bằng phương pháp áp thế 49

cơ khó phân hủy, có khả năng tích lũy sinh học, tham gia vào chuỗi thức ăn Do

đó, vấn đề kiểm soát sử dụng thuốc BVTV đặc biệt trong các sản phẩm nông sản đã trở thành một vấn đề có tính toàn cầu không chỉ ở trong nước

Việc kiểm soát dư lượng thuốc BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản là phương pháp phân tích sắc

ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều

kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài hiện trường Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được ứng dụng để xác định dư lượng các chất BVTV dựa trên nguyên lý kháng nguyên - kháng thể Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh nhưng nhược điểm đó là kém chính xác trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân

thiết bị cảm biến nói chung và cảm biến sinh học nói riêng với kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định cao ứng dụng trong phân tích Hóa học và Sinh học đã và đang được kỳ vọng có thể thay thế một phần hay hoàn toàn các phương pháp phân tích truyền thống

Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài được lựa chọn:

“Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả„

Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào việc ứng dụng các cảm biến hiện

có trên cơ sở biến tính các hệ điện cực cơ sở để thực hiện các phép phân tích hóa học và sinh học

- Nội dung 1: lựa chọn cảm biến Loại cảm biến được lựa chọn là cảm

biến điện hóa sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Acetylcholinesterase được

chế tạo và biến tính

- Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của hệ cảm biến này (đặc trưng bề mặt, hình thái học, các đặc trưng điện hóa/đáp ứng điện hóa)

- Ứng dụng hệ cảm biến trong xác định các độc chất gây ức chế thần

kinh như các loại thuốc bảo vệ thực vật nhóm lân hữu cơ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề dư lượng thuốc BVTV trong nông sản

Là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều, Việt Nam có nhiều điều kiện khí hậu thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng nông nghiệp và công nghiệp Bên cạnh đó, các điều kiện khía hậu này cũng rất thuận lợi cho sự phát sinh, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại gây hại mùa màng Do vậy việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) để phòng trừ sâu hại, dịch bệnh bảo vệ mùa màng, giữ vững an ninh lương thực quốc gia là một biện pháp quan trọng Tuy nhiên, có một thực tế rằng việc sử dụng thuốc BVTV tràn lan, sai mục đích, không tuân thủ các quy trình sử dụng an toàn đã gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và trầm tích đáy với thời gian tồn dư lâu dài, ảnh hưởng đến hệ sinh thái nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng Thuốc BVTV tồn dư, thậm chí được sử dụng như một loại chất bảo quản trên các sản phẩm nông sản trong nước cũng như nhập khẩu đang là vấn đề nhận được sự quan tâm của toàn xã hội Nhiều thuốc BVTV được cho là có khả năng gây ung thư, thậm chí gây đột biến gen, ảnh hưởng đến chất lượng tăng trưởng và sức khỏe[1]

Theo thống kê của Cục Bảo vệ thực vật, lượng thuốc BVTV được sử dụng ở nước ta tăng nhanh trong những năm gần đây đặc bệt về cả số lượng và chủng loại Trong đó, nhiều loại thuốc nhóm lân hữu cơ thuộc danh mục những loại thuốc cấm sử dụng trên rau vẫn được sử dụng tràn lan như: Monitor, Azodrin, Endosulfan, Monocrotophos, Methamidophos, Methyl parathion Đây

là những loại thuốc có độ độc rất cao thời gian phân hủy kéo dài nếu tồn lưu trong rau thì cần phải trải qua thời gian dài mới phân hủy hết được Những sản phẩm này khi bán ra thị trường sẽ ảnh hưởng trược tiếp đến sức khỏe của cộng đồng Cũng theo một báo cáo tổng hợp của Tổng cục Môi trường (Bộ Tài nguyên & Môi trường), nếu như những năm 1960, chỉ có 0,48% diện tích đất canh tác sử dụng thuốc BVTV thì nay là 100% diện tích đất canh tác đều có sử dụng thuốc BVTV Theo cục Y tế dự phòng và Môi trường (Bộ Y tế), năm

2009, các bệnh viện đã tiếp nhận 4.515 người bị nhiễm độc thuốc BVTV, trong

đó 138 người đã tử vong do nhiễm độc quá nặng Ba vấn đề nổi cộm nhất liên quan đến sự ô nhiễm môi trường và gây nhiễm độc thuốc BVTV gồm:

Hệ thống xử lý chất thải tại các cơ sở sản xuất, chế biến thuốc BVTV không được quan tâm thích đáng Nhiều cơ sở vì lợi nhuận đã không thực hiện khâu xử lý chất thải mà xả thẳng vào môi trường

Hiện tượng lạm dụng và sử dụng sai quy trình, quy cách thuốc BVTV trong nông dân như sử dụng thuốc trừ sâu vượt ngưỡng cho phép, hoặc không thực hiện thời gian cách ly đến lúc thu hoạch như quy định Bên cạnh đó, người nông dân hầu như chưa có kiến thức trong xử lý dụng cụ, bao gói thuốc BVTV

Việc sử dụng sai mục đích các thuốc BVTV làm chất bảo quản, chất kích thích tăng trưởng và phát triển cây trồng, vật nuôi

Bên cạnh việc quản lý chặt chẽ các loại thuốc BVTV thì công tác phân tích, kiểm nghiệm thuốc BVTV trong nông sản và môi trường là một giải pháp quan trọng giúp có một cái nhìn tổng quan về hiện trạng sử dụng thốc BVTV Đồng thời hỗ trợ các cơ quan nhà nước đưa ra các giải pháp ứng phó phù hợp, đồng thời cảnh báo sớm nguy cơ góp phần đảm bảo an toàn thực phẩm và sức khỏe cộng đồng[2]

Như trên đã nói, phương pháp thông thường đang được áp dụng để phân tích hàm lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản và trong môi trường nước đó là phương pháp sắc ký kết hợp với khối phổ Phương pháp có độ nhạy

và độ chọn lọc cao tuy nhiên thời gian phân tích thường trải qua nhiều giai đoạn và tốn nhiều thời gian, vận hành thiết bị phức tạp, phân tích phải được thực hiện tại phòng thí nghiệm Thông thường, kể từ khi lấy mẫu đến khi có kết quả phân tích thời gian thường mất từ 1 tới 2 ngày Đối với xuất-nhập khẩu nông sản: việc kéo dài thời gian phân tích đối với các sản phẩm nông sản tươi dẫn đến những phản ứng của doanh nghiệp xuất nhập khẩu do những thiệt hại

về kinh tế gây ra

Trước tình hình thời sự về vấn đề sử dụng tràn lan, thiếu kiểm soát các loại thuốc BVTV trong trồng trọt và bảo quản nông sản việc tìm ra các phương pháp khác bổ sung/thay thế phương pháp truyền thống là tất yếu Yêu cầu của phương pháp thay thế là có thể xác định nhanh, dễ dàng dư lượng các thuốc BVTV nhằm phát hiện và ngăn chặn kịp thời các chất BVTV độc hại trong nông phẩm phù hợp với việc đo đạc ở hiện trường cũng như giám sát tại chỗ và trực tuyến các chất độc hại Đây là một nhu cầu thực tế có ý nghĩa kinh tế-xã hội cao Do vậy, nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học (biosensor) quan trắc các chất gây ô nhiễm môi trường (hợp chất hữu cơ, kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh) là một trong các nhiệm vụ ưu tiên triển khai Với việc tận dụng các nguồn lực về con người và cơ sở vật chất đã được nhà nước đầu tư tại các đơn

vị phối hợp cho thấy việc chế tạo hệ cảm biến sinh học đo tại thực địa nhằm kiểm soát dư lượng một số thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản và môi trường nước là nội dung có tính cấp thiết cho định hướng nghiên cứu này

1.2 Nhóm chất BVTV họ lân hữu cơ

Nhóm lân hữu cơ (organophosphorus) đều là các este, là các dẫn xuất hữu cơ của acid photphoric Nhóm này có thời gian bán phân huỷ ngắn hơn so với nhóm Clo hữu cơ và được sử dụng rộng rãi hơn Nhóm này tác động vào thần kinh của côn trùng bằng cách ngăn cản sự tạo thành men Cholinestaza làm cho thần kinh hoạt động kém, làm yếu cơ, gây choáng váng và chết

Có thể coi việc sử dụng hóa chất BVTV trong sản xuất nông nghiệp là một thành tựu khoa học giúp đảm bảo an ninh lương thực, an sinh xã hội Tuy nhiên ngày nay việc sử dụng tràn lan chất BVTV và không tuân thủ quy trình sản xuất an toàn khiến tồn dư các chất BVTV trong các sản phẩm nông sản gây nguy hại cho sức khỏe người tiêu dùng Việc kiểm soát dư lượng chất BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo

an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản

là phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) [3, 4] sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis [5] Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài hiện trường

Hình 1.1.Các phương pháp hiện được sử dụng để xác định thuốc bảo vệ thực vật

(giai đoạn 2005 – 2011)

Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được ứng dụng để xác định dư lượng các chất BVTV dựa trên nguyên lý kháng nguyên – kháng thể [6, 7] Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích tương đối nhanh nhưng nhược điểm đó là kém chính xác trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới Thêm vào đó, để gia tăng tiện ích các nhà khoa học liên ngành đã và đang hướng tới chế tạo một bộ thiết bị phân tích hoàn chỉnh có khả năng đo trực tiếp tại hiện trường đồng thời truyền dẫn dữ liệu về trung tâm tạo lập hệ thống quan trắc tức thời tại mọi thời điểm

1.3 Cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến được coi là kỹ thuật nền tảng cho sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, được đánh giá là một trong mười công nghệ làm thay đổi cuộc sống[8] Bên cạnh sự có mặt của các loại cảm biến trong các ngành công nghiệp, cảm biến ứng dụng trong đời sống như một thiết bị dân dụng, đã và đang hiện diện ngày một nhiều hơn trong cuộc sống Đó có thể là các cảm biến

gia tốc, cảm biến ánh sáng, cảm biến khoảng cách, cảm biến lực và con quay hồi chuyển… trong các thiết bị di động thông minh; cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ… trong ôtô; cảm biến báo cháy, cảm biến chuyển động, cảm biến quang học trong văn phòng và gia đình v.v… Có thể thấy rằng, cảm biến đo lường các đại lượng vật lý đã có những bước phát triển mạnh mẽ với độ tin cậy cao, nhỏ gọn và giá thành ngày càng giảm Trong khi

đó, cảm biến sinh học vẫn còn ở những bước nghiên cứu khởi đầu, đòi hỏi sự đầu tư, nghiên cứu để biến các ý tưởng thành các sản phẩm ứng dụng, phục vụ đời sống[8, 9]

Năm 1962, lần đầu tiên khái niệm về cảm biến sinh học đã được L.C Clark và C Lyons đề cập đến trong báo cáo về chế tạo điện cực dùng enzym glucozơ oxidaza để định lượng glucozơ [10] Từ đó tới nay, lĩnh vực cảm biến sinh học đã và đang tiếp tục thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học liên ngành (hóa học, vật lý, sinh học, khoa học vật liệu, cơ học, điện tử ) trên toàn thế giới Cảm biến sinh học đã cho thấy tiềm năng có thể trở thành phương pháp phân tích mới, có triển vọng thay thế một phần hay toàn

bộ cho các thiết bị và phương pháp phân tích truyền thống vốn có giá thành cao, tốn nhiều thời gian, vận hành phức tạp, sử dụng nhiều dung môi, hóa chất Lĩnh vực ứng dụng của cảm biến sinh học đa dạng, nổi bật là trong chẩn đoán y-sinh học, kiểm soát môi trường, an toàn thực phẩm, an ninh, quốc phòng

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học ứng dụng trong xác định dư lượng chất BVTV là một nội dung đang nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp phát triển công nghệ Mặc dù còn là chủ đề còn nhiều mới mẻ, nhưng các nghiên cứu gần đây đều cho thấy cảm biến sinh học ứng dụng trong dư lượng chất BVTV có độ nhạy rất cao cỡ picomol thậm chí là femtomol, thời gian phân tích nhanh, về mặt nguyên lý có thể tạo được các thiết bị phân tích nhỏ gọn, thao tác và hoạt động đơn giản Với những bước phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học như sinh học phân tử, hiện nay

đã có thể chế tạo được các đầu do sinh học như các kháng thể đơn dòng đặc hiệu với từng loại hoạt chất cho phép phân tích rất chọn lọc trong các nền mẫu phức tạp, đặc biệt là các loại hoạt chất có độc tính cao và bị cấm sử dụng

Số lượng công bố khoa học liên quan đến cảm biến sinh học xác định thuốc bảo vệ thực vật (pesticide biosensors) tăng rất nhanh qua các năm (Hình 1.3)

Hình 1.3 Số các công bố khoa học liên quan đến chủ điểmcảm biến sinhhọc xác định thuốc BVTV từ 1989 tới 2011(theo thống kê của Thomson Reuters

Web of Science) [11]

Từ các nghiên cứu cơ bản đến một sản phẩm công nghệ cụ thể đòi hỏi những đầu tư một cách bài bản và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực Nếu theo dõi các công bố trong vòng vài năm trở lại đây chúng ta sẽ tìm được trên 10.000 công

trình thuộc hệ thống ISI, có nội dung liên quan đến cảm biến sinh học Các nghiên cứu này phát triển theo hai xu hướng tạm gọi là “phần cứng” (hardware) và “phần mềm” (software): (1) Chiến lược phát triển “phần mềm” tập trung chủ yếu vào quá trình cô lập (isolation), nhận biết (recognition) và khuếch đại cả về độ chọn lọc và cường độ của các tín hiệu (do các phản ứng sinh hóa đặc trưng giữa enzym-

cơ chất; kháng nguyên-kháng thể… gây nên) (2) Sự phát triển “phần cứng” bao gồm việc thiết kế các vi thiết bị hiệu quả hơn, đồng thời tối ưu hóa quá trình chế tạo và tích hợp các thiết bị này trên các vật liệu tương sinh Song song với quá trình này là việc cải tiến phương pháp đóng gói (packaging) các hệ này cũng như giao thức tương tác với thiết bị bên ngoài

Từ những qua thử nhanh đơn giản có tính định tính hoặc bán định lượng, việc phát triển các bộ công cụ hiệu quả có khả năng phân tích định lượng chính xác với độ chính xác, đặc hiệu cao là nhu cầu tất yếu Việc kết hợp sử dụng các kỹ thuật khác nhau nhằm tạo ra một bộ thiết bị hoàn chỉnh có khả năng định lượng chất BVTV trong môi trường và thực phẩm là một yêu cầu vừa có tính khoa học

và thực tiễn Những thành công của bộ đo đường huyết theo nguyên lý điện hóa đang được bán rộng rãi trên thị trường là một kết quả vô cùng khích lệ cho các nhà nghiên cứu cũng như phát triển công nghệ hướng tới một thị trường tiềm năng, gia tăng tiện ích, góp phần cho cuộc sống ngày một bền vững hơn

Nếu dựa trên sự phân loại phần tử nhận biết sinh học (bio-recognition elements) thì cảm biến sinh học gồm[8]: cảm biến với đầu dò enzyme, cảm biến với đầu dò tế bào, cảm biến với đầu dò kháng thể (cảm biến miễn dịch) và cảm biến với đầu dò ADN (Hình 1.4) Trong đó, cảm biến với đầu dò enzyme

và cảm biến miễn dịch được quan tâm nhiều hơn cả, với khoảng 40-50% số nghiên cứu dựa trên cơ chế ức chế enzyme [12] Đây là các dạng đầu dò có khả năng tiến tới các sản phẩm thương mại trong thời gian gần Một số các kỹ thuật mới gần đây như kỹ thuật tạo khuân phân tử MIP, cảm biến aptame cũng đã được báo cáo

Hình 1.4 Các mô hình cảm biến sinh học xác định chất BVTVđang được

nghiên cứu [12]

Có nhiều nguyên lý đo các tín hiệu được tạo ra do sự tương tác giữa thành phần sinh học và hoạt chất BVTV như nguyên lý quang học với các kỹ thuật có độ nhạy cao như cộng hưởng plasmon bề mặt SPR, phổ raman tăng cường bề mặt SERS; hay nguyên lý điện hóa với các kỹ thuật đo phổ tổng trở, con-ampe xung vi phân, sóng vuông, hay ứng dụng nguyên lý transito hiệu ứng trường Hiện nay, phần tử chuyển đổi tín hiệu theo nguyên lý quang học và điện hóa được sử dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng cảm biến sinh học Lợi thế của nguyên lý quang học trong chế tạo cảm biến đó

là độ nhạy cao và có khả năng nghiên cứu sâu về các quá trình sinh học phân tử Tuy nhiên giá thành kỹ thuật quang học còn khá đắt do kỹ thuật chế tạo còn phức tạp, việc thu gọn kích thước gặp nhiều trở ngại; thêm vào đó, việc bảo quản các

hệ quang học trong điều kiện thời tiết nhiệt đới như ở Việt Nam có nhiều khó khăn Do đó sử dụng phần tử chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa đã được chúng tôi lựa chọn để chế tạo cảm biến sinh học

1.3.1 Cảm biến Enzyme

Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự ức chế mạnh một số loại enzyme khi

có mặt một số loại thuốc BVTV, trên cơ sở sự giảm hoạt tính của enzyme, xác định được hàm lượng chất BVTV trong đối tượng phân tích (Hình 1.5)

Hình 1.5 Mô hình ức chế xúc tác enzyme của thuốc BVTV Hình phía trên: khi không có chất BVTV; Hình phía dưới: khi có chất BVTV [13]

Tiêu biểu có thể kể đến nhóm lân hữu cơ (organophosphorus), carbamate gây ức chế mạnh men Cholinesterase (ChE), Acetylcholinesterase (AChE) [14-16], Butyrylcholinesterase (BChE) [17, 18], Enzyme Tyrosinase bị ức chế bởi các chất BVTV như Carbamate và Atrazine [19-21] Một loại enzyme khác là organophosphorus hydrolase có khả năng thủy phân một số hoạt chất thuộc nhóm lân hữu cơ như paraoxon, parathion, methyl parathion cũng đã được nghiên cứu [22, 23]

a Cảm biến sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Cholinesterase và Acetylcholinesterase

Mặc dùđộđặc hiệu của cảm biến enzyme này còn hạn chế, nhưng đây đượccho là công cụ mạnh mẽkhi phát hiện nhanh và nhạy nhóm lân hữu cơ (OP) và carbamate (CM)

Hình 1.6 Mô hình ức chế enzyme AChE trong xác định chất BVTV

Các nghiên cứu đáng chú ý đưa ra giới hạn phát hiện hoạt chất Trichlorfon trên điện cực màng Nylon và xenlulo nitrat là 0,038 µM [17, 18]; trên điện cực PbO2/TiO2/Ti là 0,1.10-3 µM[24]… Với hoạt chất Diazinon; giới hạn phát hiện 0,147 ppb trên cơ sở điện cực vàng biến tính bởi polyanilin [25]

Giới hạn phát hiện hoạt chất Carbaryl trên điện cực in (SPE) biến tính bởi Prussian xanh (PB) là 0,124 µM [26], trên điện cực than thủy tinh biến tính bởi chitosan-Prussian xanh đạt 3.10-3µM [15], hay trên điện cực than thủy tinh biến tính bởi TiO2-Graphene là 1,4.10-3µM [27]…

Hình 1.7 Mô hình chế tạo cảm biến enzym xác định chất BVTV

theo nguyên lý điện hóa

Một nhóm nghiên cứu đa ngành của Brazil mới đây đã phát triển một loại cảm biến sinh học giúp đo hàm lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm, nước

và đất Công nghệ hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển nhưng nếu trở thành một sản phẩm thương mại, công nghệ có thể mang lại một giải pháp di động, giá cả phải chăng để giám sát loại hóa chất độc hại này Nhóm nghiên cứu đã

sử dụng enzyme acteylcholinesterase (AChE) - một loại enzyme hoạt hóa cao

có trong các nút giao thần kinh cơ và khớp thần kinh não cholinergic của nhiều loài côn trùng, động vật như lươn, cá, động vật có vú và kể cả não người

Enzyme AChE hoạt động với chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine (ACh) liên quan đến các chức năng nhận thức như suy nghĩ và ghi nhớ Khi tiếp xúc với phân tử methamidophos, hoạt động của enzyme AChE bị ức chế khiến nó sản sinh ra ít proton hơn so với bình thường Sự chênh lệch về lượng proton sẽ được hiển thị trên một thiết bị nhỏ được tích hợp một tấm phim siêu mỏng có chức năng khuếch đại tín hiệu, qua đó cho biết hàm lượng thuốc trừ sâu Thiết bị trông giống như dụng cụ thường dùng để đo nồng độ đường trong máu Do có kích thước nhỏ bé, những người nông dân có thể thực hiện các phép đo và lấy kết quả ngay Nhóm nghiên cứu ước tính chi phí sản xuất cảm biến sẽ vào khoảng từ 46 đến 92 USD

b Cảm biến sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Tyrosinase

Trongsinh học phân tử, Tyrosinase (Tyr) coi là mộtoxidase, một loại enzyme giới hạn tốc độ nhằm kiểm soát quá trình sản sinh melanin Quá trình này gồm hai bước liên tiếp nhau: đầu tiên, enzyme tyrosinase xúc tác cho quá trình hydroxyl hóa monophenol thành o-diphenol tương ứng Trong giai đoạn thứ hai, hợp chất o-diphenol này tiếp tục bị oxy hóa thành o-quinone, và sau

đó, qua nhiều phản ứng tạo thànhmelanin:

Tyrbị ức chế bởicác hợp chấtthuốc BVTV khác nhau như nhóm Carbamate, lân hữu cơ Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng cảm biến Tyrtheo nguyên lýđiện hóa để phát hiện nhiều dạng độc chất khác nhau trong môi trường [20, 21, 28, 29] Cảm biến sinh học trên cơ sở enzyme Tyr tuy có độ đặc hiệu thấp và bị ảnh hưởng bởi điều kiện nền phức tạp [12] nhưng ưu điểm của Tyr làcó thể chịu đựng được nhiệt độcaovà chịu được cácdung môi hữu cơ thường được dùng đểhòa tanthuốc BVTV

Nghiên cứu của Xuejiang Wang và cộng sự cho biết cảm biến Tyr có giới hạn phát hiện với hoạt chất Diazinon là 0,05 µM và Carbaryl là 0,2 µM [30]; hay nghiên cứu của Edith Kuusk cho biết giới hạn phát hiện carbaryl là 0.2 mg/l[31]

1.3.2 Cảm biến miễn dịch (immunosensors)

Sử dụng kháng thể để nhận biết và liên kết đặc hiệu với từng nhóm chất BVTV giúp khắc phục các nhược điểm về độ đặc hiệu của cảm biến enzyme Hơn nữa, phức hợp kháng-nguyên kháng thể có thể phân ly khi sử dụng tác nhân thích hợp Vì vậy, giống như enzyme, thành phần sinh học của cảm biến

có thể phục hồi, cho phép giám sát môi trường liên tục theo thời gian thực Nguyên lý hoạt động của cảm biến miễn dịch trong phân tích chất BVTV là dựa trên cơ chế chọn lọc hoặc thay thế, trong đó các phân tử chất BVTV tự do sẽ cạnh tranh hoặc thế chỗ các cơ chất khi tương tác với kháng thể Một số kết quả nghiên cứu gần đây liên quan đến cảm biến miễn dịch phân tích thuốc BVTV đó là phân tích thuốc diệt cỏ atrazine [32-34], hoạt chất paraoxon [35], chlorpyrifos [36], carbaryl [37],… Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng việc tạo ra các chế phẩm sinh học (phần tử dò) đặc hiệu với phần tử đích là các hoạt chất thuốc BVTV còn gặp nhiều khó khăn nên hạn chế nhiều khả năng ứng dụng của phương pháp

Hình 1.8 Cảm biến sinh học phân tích thuốc bảo vệ thực vật (BVTV)

dựa trên mô hình transit hiệu ứng trường (FET) [13]

Gần đây, cảm biến miễn dịch xác định chất trừ cỏ atrazin đã được báo

cáo với nhiều kết quá rất đáng chú ý Atrazin, (2clo4 (ethylamino) 6

-(isoprophylamino)-s-triazin) (viết tắt là ATZ, TLPT = 215 Da) là một loại thuốc diệt cỏ vẫn còn được sử dụng tại nhiều quốc gia Các nghiên cứu cho thấy ATZ là nguyên nhân khiến cho một số loài động vật lưỡng cư, có vú và cá

bị huỷ diệt, gây chuyển đổi giới tính và ảnh hưởng đến khả năng sinh sản của nhiều loài động vật Phụ nữ tiếp xúc với ATZ thì khả năng sinh sản giảm do tổn thương tử cung và những đứa trẻ sinh ra từ những phụ nữ này có cân nặng thấp hơn bình thường và kèm theo một loạt rối loạn ATZ hoạt hóa một gen quyết định đến cân nặng thai nhi khiến cho trẻ đẻ ra nhẹ cân đồng thời tác động lên một gen khác ảnh hưởng đến tử cung gây giảm khả năng sinh sản Hiện nay, ATZ đã bị cấm sử dụng tại châu Âu; các nước khác như Hoa Kỳ, Nhật, Canađa

đã đặt mức yêu cầu dư lượng ATZ trong nước sinh hoạt với nồng độ an toàn là 3ppb (tương đương 14.10-9 M)

Cảm biến miễn dịch điện hóa xác định chọn lọc siêu vết ATZ được thiết

kế trên màng hydroxy-1,4-naphthoquinon-3-propionamid] [32] Điểm nổi bật trong cảm biến này đó là sử dụng phản ứng tổng hợp hữu cơ để tổng hợp một loại monome mới từ 5-hydroxy-1,4-naphthoquinon(JUG) và hydroxyatrazin Monome mới này, với tên gọi N-(6-(4-hydroxy-6-isopropylamino-1,3,5-triazin-2-ylamino)hexyl)-5-hydroxy-1,4-naphthoquinon-3-propionamid] (viết tắt là JUG-HATZ), có chứa ba nhóm chức: nhóm hydroxyl cho trùng hợp, nhóm quinon là tác nhân chỉ dấu điện hóa nội và nhóm hydroxyatrazin có vai trò như đầu dò sinh học

poly[N-(6-(4-hydroxy-6-isopropylamin-1,3,5-triazin-2-ylamino)hexyl)5-Mô hình cảm biến ATZ trên cơ sở màng poly(JUG-HATZ) được đưa ra dưới đây

Hình 1.9 Mô hình cảm biến ATZ dựa trên sự thay đổi tín hiệu signal-

off/signal- on của màng poly(JUG-HATZ) [32]

Cảm biến miễn dịch có giới hạn phát hiện rất thấp, khoảng 1 pM tức khoảng 0,2 ng/l, thấp hơn nhiều lần ngưỡng cho phép trong thực phẩm và đồ uống của Liên minh châu Âu (0,1 g/l) Tuy nhiên, phần tổng hợp hữu cơ monome khá phức tạp là hạn chế khá lớn khi ứng dụng cảm biến trong kiểm

soát và định lượng ATZ trên thực tế

1.4 Polyme dẫn điện

1.4.1 Giới thiệu tổng quát về polyme dẫn điện

Từ những nghiên cứu ban đầu của H Shirakawa (Viện Công nghệ Tokyo, Nhật Bản) vào những năm 70 của thế kỷ trước, polyme dẫn điện ngày càng chứng tỏ tiềm năng phát triển và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Năm 2000, giải Nobel Hóa học đã được trao cho A.G MacDiarmid, A.J Heeger và H Shirakawa do những công lao khám phá và có nhiều đóng góp trong việc phát triển polyme dẫn [38]

Polyme dẫn được phân ra làm ba loại chính:

- Các polyme dẫn điện tử (electrically conducting polymer): là polyme

có mạch chứa các liên kết đôi liên hợp, không có sự tích tụ điện tích một cách

đáng kể Các polyme loại này bao gồm các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyacetylene), các polyme liên hợp vòng thơm (như polyanilin, PANi) và các polyme dị vòng (như polypyrol, PPy) Các polyme dẫn điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế rộng Vùng dẫn này bị khống chế mạnh bởi bản chất hoá học của polyme và bởi cả điều kiện tổng hợp

C

C

H

C C H

C

H

C H

C C H

C

Polyacetylen

N H

*

N H

Hình 1.10 Một số polyme dẫn điện tử điển hình

- Các polyme oxy hoá khử (Redox polymer): là các polyme có chứa

nhóm hoạt tính oxy hoá khử liên kết với mạch polyme không hoạt động điện hoá Trong các polyme loại này, sự vận chuyển điện tử xảy ra thông qua quá trình tự trao đổi electron liên tiếp giữa các nhóm oxy hoá khử gần kề nhau (electron hopping) Các polyme oxy hóa khử, như polyvinylferrocen có một hiệu ứng là chỉ duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế hẹp Độ dẫn cực đại đạt được khi nồng độ các vị trí hay các tâm oxy hóa và khử bằng nhau Điều này xảy ra tại điện thế tiêu chuẩn của các trung tâm oxy hóa khử trong pha polyme

Poly(2-methyl-5-vinylpyridin) Poly vinylferrocen

Hình 1.11 Polyme oxy hóa khử

- Các polyme trao đổi ion (Ion exchange polymer): có các cấu tử oxi hóa

khử liên kết tĩnh điện với mạng polyme dẫn ion Các cấu tử oxy hóa khử là các ion trái dấu với chuỗi polyme tĩnh điện Khi đó, sự vận chuyển điện tử có thể

do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxi hóa khử cố định hoặc do sự khuếch tán vật lý một phần các dạng oxi hóa khử kèm theo sự chuyển điện tử của các polyme trao đổi ion

Hình 1.12 Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridin)

Đặc điểm chung của polyme dẫn điện là cấu trúc carbon liên hợp C=C và sự hiện diện của chất pha tạp dopant Cấu trúc liên hợp của mạch polyme tạo nên những dải bất định xứ và tính linh động cho điện tử Chính các điện tử  này sẽ dịch chuyển khi có sự mất cân bằng về điện tích trong mạch tạo nên độ dẫn cho polyme, do chúng có thể hoạt động như một nguồn điện tử khi bị oxi hóa và nguồn lỗ trống khi bị khử, do đó có khả năng tham gia mạnh

C=C-mẽ các phản ứng điện hoá Quá trình pha tạp (doping) polyme dẫn được biểu diễn tóm tắt như sau:

(Polyme)r+ nA ↔ [(Polyme)n+(A)n]r + ne A = ion đối Đây là một quá trình thuận nghịch và là tính chất đặc trưng thú vị nhất của polyme dẫn Quá trình pha tạp đã tác động lên cấu trúc điện tử của mạch polyme, hình thành điểm khuyết tật và tạo ra các phần tử mang điện.Bảng 1.1 trình bày cấu trúc hóa học, loại chất pha tạp và độ dẫn của một số vật liệu polymer dẫn điện phổ biến

Bảng 1.1 Cấu trúc hóa học và độ dẫn của một số polymer dẫn thông dụng[39, 40]

học

Độ rộng vùng

Ðộ dẫn (S.m-1)

- ,ClO 4

-10 2 - 7,5.10 3

102 - 103

Trong các polyme dẫn này, Polyanilin, Polypyrrole là hai trong số các polyme dẫn được dùng khá phổ biến trong tạo màng mỏng chế tạo đầu dò sinh học, biến tính các điện cực trong phân tích điện hóa

1.4.2 Polyanilin (PANi)

Trong số các polyme dẫn thì polyanilin (PANi) có những ưu điểm vượt trội như có độ bền cao trong môi trường axit, độ dẫn điện tốt, dễ tổng hợp và đặc biệt dễ liên kết và tích hợp với các linh kiện điện tử

Anilin là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C6H5NH2 (hình 1.9), M= 93,13g/mol Anilin là chất hữu cơ lỏng không màu nhưng sẽ chuyển thành màu nâu khi gặp không khí và/hoặc ánh sáng [41]

Hình 1.13 Cơ chế hình thành PANi từ Ani bằng phương pháp điện hóa [38]

Quá trình điện trùng hợp có thể được mô tả theo các bước như sau:

- Khuếch tán và hấp thụ anilin lên bề mặt màng PANi tạo thành Anilin

bị oxy hoá, chuyển điện tử cho màng PANi, tạo thành gốc hoạt hoá có cặp điện

tử dư trên bề mặt màng PANi dẫn điện

- Các gốc anilin và gốc tự do trong màng PANi kết hợp với nhau làm tăng chiều dày màng polime dẫn trên bề mặt điện cực

- Quá trình ổn định màng PANi trên bề mặt điện cực

- Quá trình oxi hoá khử điện hoá PANi

Trong quá trình tổng hợp PANi, nếu tiến hành theo phương pháp Ampe vòng (CV), có thể quan sát được các màu sắc khác nhau tương ứng với cấu trúc khác nhau của PANi tùy theo giá trị điện thế tại từng thời điểm Ba trạng thái cơ bản của PANi đó là Pernigranlin (màu xanh thẫm);

Von-Leucoemeradin (màu vàng) và Emeraldin (màu xanh lá cây) Trong đó trạng thái dạng Emeraldin được quan tâm hơn cả do nó có tính dẫn điện cao

(Khi y = 1: Leucoemeraldin; y = 0,5: Emeraldin; y = 0: Pernigranilin)

Hình 1.14 Công thức tổng quát của PANi

Vì độ hoạt hoá cao nên PANi có thể bị oxi hoá ngay trong không khí hoặc trong dung dịch nước PANi có độ bám dính trên điện cực khá cao và có

độ dẫn điện tốt (gần xấp xỉ như kim loại) Quá trình khử ngược lại cũng có thể xảy ra từng phần hoặc toàn phần Các phản ứng oxi hoá khử như các quá trình trên đây là thuận nghịch, các dạng có thể dễ dàng chuyển đổi cho nhau

Nhờ có nhóm amin trong mạch polyme nên PANi có thể cố định các phân tử sinh học thông qua liên kết hóa học với các tác nhân như glutaraldehit Tuy nhiên, nhược điểm của PANi là khả năng dẫn điện giảm đáng kể trong môi trường trung tính, điều này hạn chế phần nào khả năng ứng dụng PANi thuần trong chế tạo cảm biến sinh học Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp pha tạp (doping) chọn lọc các vật liệu nano (nano cacbon, nano kim loại) vào màng nhằm tăng cường độ dẫn của PANi thuần thường được sử dụng

1.4.3 Polypyrrol (PPy)

Pyrrole là hợp chất dị vòng năm cạnh một dị tố (Nitơ) Điểm nổi bật nhất

là hợp chất dị vòng năm cạnh một dị tố này có tính thơm Đặc biệt tính thơm này, cũng như các tính chất khác phụ thuộc vào cặp electron không chia sẻ mà

dị tố N đóng góp vào hệ electron π của vòng.Polypyrrole (PPy) là một trong những polyme dẫn điện thuần được tập trung nghiên cứu và có khả năng ứng dụng nhiều nhất PPy là polyme có độ dẫn cao, ngoài ra nó còn là polyme có tính chất cơ lý tốt như tính bền vật liệu, chịu nhiệt, tính chất quang học tốt

PPy được tổng hợp từ các monome là các phân tử Pyrrole Trong phân tử PPy, các monome Py thường liên kết với nhau theo dạng phẳng ở các vị trí α và α

Cơ chế của phản ứng trùng hợp PPy được mô tả như sau

Hình 1.15 Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [38]

Phản ứng trùng hợp được thực hiện theo các giai đoạn sau: dưới tác dụng của một thế oxy hóa đủ lớn monome pyrrol bị oxy hóa tạo thành một cation gốc, sao đó cation gốc này kết hợp với monome trung tính tạo ra một dime Như vậy, phản ứng tiếp tục xảy ra và tạo thành chuỗi ologome Nếu tiếp tục áp thế các chuỗi polyme sẽ lớn dần lên Khi độ tan của oligome giảm, nó sẽ kết tủa trên bề mặt điện cực tạo nên các hạt và sẽ lớn dần lên do sự kết hợp của các cation gốc Các oligome kết tủa và các monome có sẵn trong dung dịch sẽ khuyếch tán đến bề mặt điện cực Theo thời gian phản ứng, màng tạo thành lớn dần lên theo hướng đồng dạng với oligome ban đầu

Thông thường PPy được tổng hợp trong môi trường pH trung tính, màng PPy có cấu trúc tương đối khít chặt và hình thái học dạng “hoa súp lơ”

1.4.4 Các phương pháp tổng hợp điện hóa polyme dẫn điện

Nguyên tắc của phương pháp điện hóa là dùng dòng điện để tạo nên sự phân cực (bằng điện thế hoặc dòng điện lên điện cực làm việc) với điện thế hoặc dòng điện (năng lượng) thích hợp, để có thể oxy hóa monome thành các cation gốc hay polaron Các phần tử này không tồn tại độc lập mà nhanh chóng tham gia vào phản ứng polyme hoá tạo màng dẫn điện phủ lên trên bề mặt điện cực Có thể sử dụng hệ hai hoặc ba điện cực cho trùng hợp điện hóa Vật liệu làm điện cực có thể là kim loại như vàng, bạc, đồng, thép không gỉ hay bán dẫn như oxit

thiếc indi (ITO), Si

Hình 1.16 Mô tả quá trình trùng hợp điện hóa PPy trong hệ ba điện cực

Tùy thuộc vào bản chất của monome mà quá trình trình hợp điện hóa được diễn ra trong môi trường nước hoặc hữu cơ Thông thường trùng hợp trong môi trường hữu cơ là dễ dàng hơn môi trường nước Một số loại monome như pyrrol có thể trùng hợp ngay trong môi trường trung tính, trong khi đó các monome khác như anilin, diaminonaphthalen phản ứng trùng hợp chỉ xảy ra trong môi trường axit mạnh như HCl, H2SO4, HClO4

Ưu điểm của phương pháp điện hóa: sản phẩm tạo ra có độ sạch cao do không cần chiết từ hỗn hợp monome-dung môi-chất oxy hóa, quá trình pha tạp

và độ dày màng có thể điều khiển bằng các thông số của quá trình điện hóa, các

phản ứng xảy ra đồng thời và polyme dẫn kết tủa thành dạng lớp mỏng Chính

vì vậy, trong lĩnh vực nghiên cứu polyme dẫn, phương pháp trùng hợp điện hóa được áp dụng phổ biến hơn

a Phương pháp phân cực vòng (cyclic voltammetry, CV) điện thế phân cực được quét tuyến tính tuần hoàn, từ điện thế đầuEi đến điện thế cuối Ef và ngược lại, theo thời gian với vận tốc quét không đổi, dòng điện phản hồi được ghi lại

để thiết lập đường cong I - E Chu kì phân cực càng tăng, dòng thụ động càng

nhỏ Sau đó, dòng polyme hóa tăng nhanh, xuất hiện kết tủa polyme trên bề mặt anot Sau một số chu kì, dòng thụ động đạt giá trị nhỏ nhất, các đường phân cực vòng trùng khít lên nhau Phương pháp có tốc độ tạo màng chậm nhưng cho phép thu được màng có chất lượng tốt và đống nhất

b) Phương pháp phân cực dòng tĩnh (galvanostatic) áp dòng điện không đổi lên hệ và đo điện thế điện cực E theo thời gian, thiết lập đường cong E - t

Với mật độ dòng thấp, tốc độ polyme hóa chậm, nhưng sản phẩm thu được mịn hơn so với trường hợp mật độ dòng lớn

c) Phương pháp phân cực thế tĩnh (potentiostatic) là phương pháp áp

điện thế không đổi E và đo dòng phản hồi theo thời gian, thiết lập đường cong phân cực I-t Đối với polyme hóa bằng thế tĩnh PS cần áp một thế đủ lớn để đồng thời thụ động nền đồng thời oxy hóa monome Dòng polyme hóa ổn định phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ monome trong dung dịch Trong phân cực thế tĩnh, điều quan trọng là lựa chọn được giá trị điện thế phù hợp

Nhiều nghiên cứu cho rằng các kĩ thuật này ảnh hưởng rất lớn đến hình thái cấu trúc và các tính chất điện, quang… của màng polyme tạo thành Tuy nhiên rất khó có thể tìm ra một quy luật ảnh hưởng chung cho mọi trường hợp Khả năng điều khiển dễ dàng các thông số điện hóa đã tạo cho polyme dẫn lợi thế đặc biệt so với các polyme thông thường khác, đó là khả năng thiết kế các tính chất,hình thái, cấu trúc , biến polyme dẫn thành vật liệu được “chức năng” và “thiết kế” theo yêu cầu