Chế tạo và bước đầu ứng dụng cảm biến điện hóa phân tích acetaminophen trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide và poly (3,4 ethylenedioxythiophene)

BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI PHAN CHIẾN THẮNG CHẾ TẠO VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA PHÂN TÍCH ACETAMINOPHEN TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIDE VÀ POLY3,4-ETHYLE

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

PHAN CHIẾN THẮNG

CHẾ TẠO VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA PHÂN TÍCH

ACETAMINOPHEN TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIDE VÀ POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI - 2018

ACETAMINOPHEN TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIDE VÀ POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

Người hướng dẫn:

ThS Lý Công Thành

Nơi thực hiện:

1 Bộ môn Vật lý – Hóa lý

2 Khoa KH Vật liệu Tiên tiến và Công

nghệ Nano – Trường Đại học KH&CN

Hà Nội

HÀ NỘI - 2018

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đến ThS Lý Công Thành - Giảng viên Bộ môn Vật lý - Hóa lý, là người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo

điều kiện về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Vũ Thị Thu - Giảng viên trường Đại học Khoa học

và Công nghệ Hà Nội đã dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, các anh chị kỹ thuật viên trong Bộ môn Vật lý – Hóa lý trường Đại học Dược Hà Nội; Khoa Khoa học Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ Nano trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình để tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Cũng nhân đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáo

và cán bộ công nhân viên Trường Đại học Dược Hà Nội, những người đã dạy bảo và giúp đỡ tôi trong suốt năm năm học tập tại trường

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn ở bên động viên, cổ vũ và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành khóa học này

Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Phan Chiến Thắng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về acetaminophen 2

1.1.1 Công thức hóa học 2

1.1.2 Các tính chất đặc trưng 2

1.1.2.1 Tính chất vật lý 2

1.1.2.3 Độ ổn định 3

1.1.3 Tác dụng dược lý và dược động học 3

1.1.3.1 Tác dụng dược lý 3

1.1.3.2 Dược động học 3

1.1.4 Tác dụng không mong muốn 3

1.1.5 Các phương pháp xác định acetaminophen 3

1.2 Cảm biến điện hóa 5

1.2.1 Giới thiệu chung 5

1.2.2 Các kĩ thuật chế tạo cảm biến điện hóa 6

1.2.2.1 Điện cực 6

1.2.2.2 Vật liệu điện cực 6

1.2.3 Ứng dụng của cảm biến điện hóa trong y dược 6

1.3 Graphene oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 7

1.3.1 Graphene oxide – dẫn xuất của graphene 7

1.3.1.1 Cấu trúc của Graphene oxide và dẫn xuất của graphene 7

1.3.1.2 Các tính chất đặc trưng của GO 8

1.3.2 Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 8

1.3.2.1 Cấu trúc vật liệu PEDOT 8

1.3.2.2 Các tính chất đặc trưng của PEDOT 9

1.3.3 Ứng dụng Graphene oxide và PEDOT trong cảm biến điện hóa 9

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

2.1 Nguyên vật liệu, thiết bị và đối tượng nghiên cứu 10

2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu 10

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 10

2.1.3 Đối tượng nghiên cứu 11

2.2 Nội dung nghiên cứu 11

2.3 Phương pháp nghiên cứu 13

2.3.1 Chế tạo màng PEDOT, rGO và rGO-PEDOT sử dụng kĩ thuật quét thế vòng13 2.3.2 Phân tích hình thái và cấu trúc 13

2.3.3 Phân tích đặc trưng điện hóa 13

2.3.3.1 Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử 13

2.3.3.2 Phổ tổng trở (EIS) 13

2.4 Thẩm định phương pháp nghiên cứu 14

2.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định acetaminophen 14

2.4.2 Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược 14

2.4.2.1 Thử trên mẫu Độc hoạt tang kí sinh 14

2.4.2.2 Thử trên mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh 14

2.5 Phương pháp xử lý số liệu 15

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 16

3.1 Tổng hợp màng composite kết hợp vật liệu Graphene oxide và PEDOT 16

3.1.1 Tổng hợp màng PEDOT 16

3.1.2 Tổng hợp màng rGO 19

3.1.3 Tổng hợp màng rGO-PEDOT 19

3.2 Khảo sát đặc trưng màng composite đã tổng hợp 20

3.2.1 Phân tích hình thái 20

3.2.2 Phân tích cấu trúc 21

3.2.3 Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử ks 22

3.2.4 Phổ tổng trở (EIS) 23

3.3 Thẩm định phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1 Xây dựng đường chuẩn của cảm biến xác định acetaminophen 25

3.3.2 Thử nghiệm xác định acetaminophen trong đông dược 28

3.3.2.1 Mẫu độc hoạt tang kí sinh 28

3.3.2.2 Mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh 29

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện lên quá trình hình thành màng PEDOT

Phụ lục 2: Dữ liệu tính K

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

RE Reference Electrode Điện cực so sánh

WE Working Electrode Điện cực làm viêc

CV Cyclic voltammetry Quét thế vòng

PEDOT Poly(3,4-ethylendioxythiophene)

GO Graphene oxide

rGO Reduced Graphene oxide

SWV Square Wave Voltammetry Quét thế xung vuông

FTIR IR-Infrared Spectrocopy Phổ hấp thụ hồng ngoại

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

rGO-PEDOT Reduced Graphene oxide -

Poly(3,4-ethylendioxythiophene) PBS Phosphate buffered solution Muối đệm photphat

NSAIDs Nonsteroidal anti-inflammatory

LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện

EIS Electrochemical impedance

spectroscopy Đo phổ tổng trở điện hóa

AOAC Association of Official

Analytical Chemists

Hiệp hội các nhà hóa phân tích chính thức

Bảng 3.3 Bảng giá trị giữa nồng độ C và ∆I của dãy dung dịch từ 10 μM đến 60μM 27

Bảng 3.4 Kết quả đánh giá độ thu hồi và độ lặp lại của Acetaminophen 29

Bảng PL 2.1 Giá trị Epa và Epc của màng rGO và điện cực trần GCE tại vận tốc v=10mV/s đến 500mV/s

Bảng PL 2.2 Giá trị Epa và Epc của màng PEDOT và rGO-PEDOT tại vận tốc v=10mV/s đến 500mV/s

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức hóa học của acetaminophen 2

Hình 1.2 Phản ứng thủy phân của nhóm amid 2

Hình 1.3 Các loại điện cực trong cảm biến điện hóa 6

Hình 1.4 Cấu trúc của graphene oxide theo mô hình của Lerf-Klinowski [18] 8

Hình 1.5 Cấu trúc của PEDOT 9

Hình 2.1 Máy AUTOLAP/PGSTAT302 10

Hình 2.2 Hệ 3 điện cực 11

Hình 2.3 Hệ điện cực in 11

Hình 3.1 Phổ tổng hợp màng PEDOT trên điện cực GCE 16

Hình 3.2 Phản ứng polymer hóa EDOT diễn ra trên điện cực tạo thành PEDOT 18

Hình 3.3 Đặc trưng điện hóa màng PEDOT trong dung dịch PBS 1X 18

Hình 3.4 Phổ tổng hợp màng rGO 19

Hình 3.5 Phổ tổng hợp màng rGO-PEDOT 20

Hình 3.6 Hình ảnh FE-SEM của màng PEDOT, rGO và rGO-PEDOT 20

Hình 3.7 Phổ ATR-FTIR của các màng rGO, rGO-PEDOT, PEDOT 21

Hình 3.8 Phổ Raman của các màng rGO, rGO-PEDOT, PEDOT 22

Hình 3.9 Phổ đặc trưng của các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE tại vận tốc v=50mV/s 23

Hình 3.10 Phổ tổng trở của các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE quét bằng phương pháp FRA impedance potentiostatic từ 0,01Hz đến 100000 Hz 24

Hình 3.11 Mạch Randles cho GCE và các màng rGO, PEDOT và rGO-PEDOT 24

Hình 3.12 Phản ứng oxy hóa nhóm hydroxyl của Acetaminophen 25

Hình 3.13 Phổ phát hiện Acetaminophen nồng độ 10µM sử dụng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s 26

Hình 3.14 Phổ phát hiện Acetaminophen nồng độ 10µM đến 60µM sử dụng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc

100 mV/s 26 Hình 3.15 Đường tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa cường độ dòng điện theo nồng độ của màng rGO-PEDOT 27

Hình 3.16 Phổ phát hiện Acetaminophen trong mẫu trắng và mẫu thử bằng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc

100 mV/s 28

Hình 3.17 Phổ phát hiện Acetaminophen trong mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh bằng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s 30

Hình PL 1.1 Khảo sát màng PEDOT với số vòng quét khác nhau

Hình PL 1.2 Khảo sát màng PEDOT với tốc độ quét khác nhau

Hình PL 2.1 Phổ của màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và GCE trong dung dịch

K3Fe(CN)6 10mM + K4Fe(CN)6 10mM + KCl 100mM ở các vận tốc khác nhau

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay các phương pháp phân tích hóa lý truyền thống cho kết quả với độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, hóa chất có độ tinh khiết cao, xử lý mất nhiều thời gian (lên đến vài ngày), kĩ thuật phân tích phức tạp, người vận hành đòi hỏi phải có trình độ cao Phương pháp phân tích sử dụng cảm biến với các ưu điểm: phân tích nhanh, chính xác, ngay tại chỗ và tương đối rẻ đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

Với sự phát triển của công nghệ Nano, các vật liệu Nano đặc biệt là Nano kim loại, Nano carbon và các polymer dẫn đã được đưa vào sử dụng làm điện cực trong cảm biến nhằm tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện Cảm biến điện hóa là cảm biến nhận biết các yếu tố cần phân tích dựa trên các quá trình điện hóa và được sử dụng trong nhiều phân tích Việc sử dụng cảm biến điện hóa để phân tích thuốc trong mẫu là một phương pháp mới và đầy tiềm năng

Acetaminophen (Paracetamol) là một thuốc có tác dụng giảm đau, hạ nhiệt được dùng khá phổ biến Đặc biệt, acetaminophen thường được trộn trái phép trong đông dược nhằm mục đích tăng tác dụng tức thời cho thuốc nhưng gây ra những tác hại trên người sử dụng Việc phát hiện acetaminophen trong đông dược thường gặp khó khăn trong việc xử lý mẫu và phải vận chuyển về phòng thí nghiệm để thực hiện Phương pháp xác định acetaminophen bằng cảm biến điện hóa có thể khắc phục được các nhược điểm trên Chính vì thế, nhóm nghiên cứu của chúng tôi thực hiện đề tài

“Chế tạo và bước đầu ứng dụng cảm biến điện hóa phân tích Acetaminophen trên

cơ sở kết hợp vật liệu Graphene Oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)” với các

mục tiêu:

1 Chế tạo màng vật liệu composite trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide

và vật liệu polime dẫn PEDOT (màng rGO-PEDOT)

2 Phát triển cảm biến acetaminophen trên cơ sở màng vật liệu composite

rGO-PEDOT

3 Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược sử dụng cảm

biến đã chế tạo

1.1.2.2 Tính chất hóa học

Acetaminophen thể hiện tính chất hóa học của nhân thơm và nhóm hydroxylphenol Acetaminophen còn thể hiện tính chất đặc trưng của nhóm amid là phản ứng thủy phân khi có mặt xúc tác acid hay base tạo ra 4-aminophenol (4-AP) [4]

Hình 1.2 Phản ứng thủy phân của nhóm amid

N-acetyl Thải trừ: Thuốc thải trừ qua nước tiểu chủ yếu ở dạng đã chuyển hóa, độ thanh thải là 19,3 L/h Thời gian bán thải là 2,5 giờ [3]

1.1.4 Tác dụng không mong muốn

Khi dùng acetaminophen liều cao (>10 g/ngày), sẽ tạo ra nhiều benzoquinimine làm cạn kiệt glutathion gan, khi đó N-acetyl-benzoquinoniminesẽ phản ứng với nhóm sulfydrid của protein gan gây tổn thương gan, hoại tử gan, có thể gây chết người nếu không cấp cứu kịp thời [3]

N-acetyl-Xử trí khi dùng quá liều acetaminophen: ngoài các biện pháp giải độc chung thì cần phải cho bệnh nhân uống tiền chất của glutathione là acetylcystein hoặc methionin càng sớm càng tốt Nếu xử trí chậm (sau khi uống quá 36 giờ), gan đã bị tổn thương sẽ khó hồi phục [3]

1.1.5 Các phương pháp xác định acetaminophen

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định acetaminophen như phương pháp sắc

ký, phương pháp quang phổ UV-VIS [2], phương pháp sắc ký lớp mỏng [2],… Các phương pháp phổ biến dùng để định lượng acetaminophen như phép đo nitrit, đo độ

Phương pháp sắc ký lớp mỏng có ưu điểm là thiết bị đơn giản, thời gian phân tích nhanh và khá chọn lọc, chủ yếu được dùng để định tính [1]

- Phương pháp quang phổ UV-VIS

Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên việc đo phổ hấp phụ tử ngoại và khả kiến của chất phân tích Phổ hấp thụ là đồ thị biểu diễn giữa mật độ quang (độ hấp thụ) của dung dịch chất phân tích vào bước sóng của tia sáng đơn sắc Thiết lập phổ hấp thụ bằng cách đo mật độ quang của một dung dịch có nồng độ xác định với các bức xạ

có độ dài sóng giảm hoặc tăng dần, sau đó vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của D – λ

ta sẽ có một phổ hấp thụ của dung dịch chất phân tích Trên phổ hấp thụ sẽ nhận thấy các cực đại hấp thụ (ứng với bước sóng, ở đó sự hấp thụ là cực đại) và các cực tiểu nếu

có Các chất khác nhau thường có phổ hấp thụ khác nhau Do vậy thường dùng phổ hấp thụ để định tính các chất hoặc để thử tinh khiết các chất căn cứ vào dạng phổ, các cực đại và các cực tiểu hấp thụ, tỷ lệ cường độ hấp thụ của các cực đại hoặc các cực tiểu hấp thụ [1]

Phương pháp này khá đơn giản, cho kết quả tương đối chính xác

- Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là kĩ thuật sắc kí trong đó các chất phân tích hòa tan trong pha động là chất lỏng và di chuyển qua cột chứa các hạt pha tĩnh Tùy thuộc vào ái lực của chất phân tích với pha động và pha tĩnh mà các chất phân tích di

1.2 Cảm biến điện hóa

1.2.1 Giới thiệu chung

Cảm biến điện hóa là các cảm biến nhận biết yếu tố cần phân tích (điều kiện vật

lí, phân tử hóa học hoặc sinh học) dựa trên các quá trình điện hóa [6] Dựa theo cơ chế nhận biết, cảm biến điện hóa có thể được chia thành các dòng cảm biến hóa điện hóa, cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến quang điện hóa… Các kĩ thuật điện hóa khác nhau có thể được sử dụng để ghi nhận tín hiệu trong cảm biến bao gồm quét thế vòng (CV), quét đẳng áp (CA), quét thế xung vuông (SWV), quét thế xung vi phân (DPV), hay tổng trở (EIS)… Cảm biến xây dựng trong đề tài này là cảm biến hóa điện hóa hoạt động trên cơ sở nhận biết acetaminophen qua phản ứng oxy hóa của chất này trên điện cực và ghi nhận lại sự nhận biết bằng tín hiệu dòng trong kĩ thuật quét thế xung vuông (SWV)

*Các thông số kĩ thuật của cảm biến điện hóa

- Giới hạn phát hiện (Limit of detection – LOD): được xem là nồng độ thấp nhất

của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác, có nghĩa so với tín hiệu mẫu trắng hay nền [6] Giới hạn phát hiện được tính dựa vào đường hồi quy tuyến tính:

[9]

trong đó: δ là độ lệch chuẩn của đáp ứng (the standard deviation of the response)

b là độ dốc của đường chuẩn

- Độ nhạy (Sensitivity): Độ nhạy là tính đáp ứng của hệ thống phân tích khi thay

đổi nồng độ chất phân tích hay khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ nhất về nồng độ chất phân tích [6]

Công thức tính: S =

trong đó b: độ dốc của đường chuẩn

A: diện tích điện cực làm việc ( 0,071 cm2)

c) Điện cực trụ

Hình 1.3 Các loại điện cực trong cảm biến điện hóa 1.2.2.2 Vật liệu điện cực

Các yêu cầu về đặc tính của vật liệu sử dụng trên điện cực điện hóa bao gồm:

độ dẫn điện tốt, độ bền cơ học và hóa học cao trong điều kiện phân tích, có tính tương thích sinh học cao (trong trường hợp cảm biến sinh học điện hóa), có đặc tính hóa/ lí/ sinh học/ điện hóa mong muốn [6]

Các loại vật liệu thường được sử dụng trong cảm biến điện hóa là:

- Polymer dẫn: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), Polyaniline (PANi), Polypyrrole (PPy)…

- Kim loại và hạt nano kim loại: thường sử dụng hạt nano vàng (AuNPs), nano bạc (AgNPs) và nano oxit kim loại ( Fe3O4, ZnO, TiO2,…)

- Vật liệu nano carbon: ống carbon (CNTs), carbon đơn lớp (graphene) [6]…

1.2.3 Ứng dụng của cảm biến điện hóa trong y dược

Trong y dược, cảm biến điện hóa được sử dụng chủ yếu trong phân tích các chỉ

số hóa sinh hoặc chẩn đoán bệnh, và phân tích dược phẩm Các chỉ số hóa sinh được phân tích bao gồm hàm lượng glucose, cholesterol, urea trong các dịch cơ thể như máu, nước tiểu, nước bọt… Jeotikanta Mohapatraa và cộng sự đã sử dụng carbon nano-onions ứng dụng vào cảm biến để phát hiện glucose Trong nghiên cứu của Jeotikanta, cảm biến có độ nhạy là 26,5μA/mM.cm2 trong dải tuyến tính từ 1-10 mM [20] Một số chỉ dấu sinh học trong chẩn đoán bệnh như CEA (ung thư) cũng đã được phân tích sử dụng cảm biến sinh học điện hóa Theo nghiên cứu của Joshiane P Lafleur và cộng sự (2016), cảm biến sinh học điện hóa được ứng dụng trong hệ kênh

7

vi lưu để phát hiện các thành phần sinh học như ADN, virus, ARN… có trong cơ thể [21] Bên cạnh đó, việc sử dụng cảm biến điện hóa trong phân tích các dược phẩm, đặc biệt là các dược phẩm có tính oxy hóa khử như acetaminophen, cũng thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới Trong nghiên cứu của Abbas Afkhami

và cộng sự, việc kết hợp NiFe2O4 với hạt Nano carbon lên điện cực đã phát hiện acetaminophen với giới hạn phát hiện 0,003 μM [7] Cũng sử dụng graphene kết hợp với hạt nano vàng để phát hiện acetaminophen, Sangmin Yu và cộng sự đã phát hiện được acetaminophen ở nồng độ 0,005 μM [23] Việc sử dụng các cảm biến điện hóa với kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp cao với các thiết bị điện tử sẽ cho phép xây dựng các giải pháp sàng lọc trong chẩn đoán bệnh cũng như kiểm nghiệm dược phẩm [22], [21]

1.3 Graphene oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

1.3.1 Graphene oxide – dẫn xuất của graphene

1.3.1.1 Cấu trúc của Graphene oxide và dẫn xuất của graphene

Graphene là một vật liệu nano carbon được phát minh vào năm 2004 (Noslov, 2004) Vật liệu này có cấu trúc xếp lớp đặc trưng của các nguyên tử carbon liên kết với nhau chủ yếu thông qua lai hóa sp2 Với cấu trúc này, vật liệu graphene có những đặc tính ưu việt phù hợp làm vật liệu điện cực trong cảm biến điện hóa như độ dẫn điện cao, tốc độ dịch chuyển điện tử lớn, độ dẫn nhiệt tốt, và có độ linh hoạt cơ học cao… Tuy nhiên, việc chế tạo vật liệu này đòi hỏi các kĩ thuật cao với chi phí tốn kém (ví dụ như kĩ thuật lắng đọng vật lí pha hơi – Chemical Vapor Deposition – CVD) [14], [13]

Để khắc phục vấn đề này, vật liệu graphene oxide (GO) – một dẫn xuất của graphene – đã được sử dụng gần đây Đây là một dạng oxi hóa của cấu trúc graphene với các nguyên tử carbon được liên kết với nhau chủ yếu dựa trên lai hóa sp3 Bên cạnh đó, các nhóm chức như carboxylic, hydroxyl hay epoxy cũng được hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu này So với graphene, GO có độ dẫn điện rất kém Tuy nhiên, vật liệu này có thể được chuyển hóa dễ dàng thành dạng khử (rGO) có các đặc trưng tương tự graphene Ưu điểm của việc sử dụng rGO so với graphene bao gồm sự đơn giản trong chế tạo vật liệu, dễ thao tác với vật liệu do khả năng phân tán tốt của

GO trong môi trường nước (dung môi thường gặp trong điện hóa), và giá thành thấp [15]

Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu Trong đó, mô hình của Lerf-Klinowski [17] phổ biến hơn

8

cả, graphit sau khi bị oxy hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các nhóm hydroxyl, epoxy và trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các nhóm chức cacbonyl hoặc cacboxylic

Hình 1.4 Cấu trúc của graphene oxide theo mô hình của Lerf-Klinowski [17]

A: nhóm epoxy, B: nhóm hydroxyl, C: nhóm cacboxylic 1.3.1.2 Các tính chất đặc trưng của GO

Cấu trúc và đặc tính của GO phụ thuộc vào từng phương pháp tổng hợp và mức

độ oxy hóa Các sản phẩm oxy hóa với tỉ lệ C:O trong khoảng từ 2,1 đến 2,9 GO chứa các nhóm chức có chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: Hydroxyl (-OH), epoxy (-O-) đính ở trên bề mặt, và cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) đính ở rìa của các đơn lớp, nhưng GO vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu của graphit [13] Các nhóm chức này đóng vai trò như vật chèn thêm vào khoảng cách giữa hai lớp graphene và khi khoảng cách lớp được nới rộng thì lực hút giữa hai lớp sẽ bị giảm đi nhanh chóng Những động tác cơ học như siêu âm sẽ dễ dàng tách than chì thành các mảng GO dưới dạng huyền phù Sự có mặt của các nhóm chức trên, làm cho bề mặt của GO có mật độ điện tích âm lớn, do đó GO là vật liệu ưa nước, rất dễ phân tán trong nước mà không bị kết lắng [17]

1.3.2 Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)

1.3.2.1 Cấu trúc vật liệu PEDOT

PEDOT là polymer dẫn bao gồm nhiều monomer 3,4-ethylenedioxythiphene (EDOT) liên hợp có cấu trúc như sau [8], [26]:

A B

C

9

Hình 1.5 Cấu trúc của PEDOT 1.3.2.2 Các tính chất đặc trưng của PEDOT

Do trong cấu trúc có hệ Л liên hợp nằm dọc theo chuỗi polymer nên PEDOT có

độ dẫn điện rất tốt Bên cạnh đó, PEDOT cũng rất bền và độ ổn định cao [6] Dựa vào tính chất này PEDOT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như pin năng lượng, điốt phát quang, linh kiện điện tử và quan trọng nhất là trong cảm biến điện hóa [11], [16]

1.3.3 Ứng dụng Graphene oxide và PEDOT trong cảm biến điện hóa

Graphene oxide sau khi được khử sẽ chuyển hóa thành rGO (reduced graphene oxide) với những đặc tính tương tự như graphene như dẫn điện tốt (sp2 chuyển hóa thành sp3), độ bền cơ học và tính linh hoạt cao, dẫn nhiệt tốt, tính tương thích sinh học cao… Do đó, rGO đã được lựa chọn là vật liệu tiềm năng để cải tiến hoạt động của cảm biến điện hóa nói riêng và cảm biến điện hóa ứng dụng trong y dược nói riêng [15]

Cùng với đó, polymer dẫn cũng được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến điện hóa Các loại polymer dẫn có nhiều đặc tính như độ dẫn cao, tổng hợp dễ dàng, độ ổn định cao, tính bền nhiệt lớn, có thời gian sử dụng dài [6] Việc đưa polymer dẫn vào ứng dụng để chế tạo cảm biến sẽ tạo ra bước tiến bộ vượt bậc cho lĩnh vực này nhờ các ưu thế: tính đa dạng, linh hoạt của vật liệu, khả năng gia công dễ dàng hơn

Gần đây, để tăng tính khả dụng của polymer dẫn, các nhà khoa học thế giới đã nghiên cứu chế tạo composite của polymer dẫn với các vật liệu vô cơ và hữu cơ khác nhau, tiêu biểu là graphene oxide [25], [27] Theo một nghiên cứu mới nhất của Fariba Saadati, graphene oxide đã được kết hợp với hạt nano polyaniline để chế tạo cảm biến phát hiện p-nitrophenol với giới hạn phát hiện là 20μM [18] Để xác định đồng thời acid uric và tyrosin, Weihua Zheng và cộng sự đã kết hợp rGO trên nền polymer dẫn

và giới hạn phát hiện của acid uric là 0,3232 μM, của tyrosine là 0,046 μM [28] Việc kết hợp giữa vật liệu graphen và vật liệu polymer dẫn để chế tạo cảm biến đã và đang mang đến những kết quả tốt, mở ra những triển vọng trong tương lai [21]

10

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên vật liệu, thiết bị và đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu

1 Phosphate Buffer Saline

4 Graphene oxide (GO) Việt

Hình 2.1 Máy AUTOLAP/PGSTAT302

2.1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Màng vật liệu composite trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide và vật liệu polime dẫn PEDOT (màng rGO-PEDOT)

- Cảm biến điện hóa phát hiện acetaminophen trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide và vật liệu polime dẫn PEDOT (màng rGO-PEDOT)

- Thuốc đông dược: viên nang Độc hoạt tang kí sinh của Công ty TNHH dược phẩm FITO Pharma số lô 0316 và thuốc bột Cây Bách Bệnh trên thị trường

2.2 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu được đặt ra trong đề tài này bao gồm:

12

ND1: Chế tạo màng vật liệu composite trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide

và vật liệu polime dẫn PEDOT (màng rGO-PEDOT)

Trong nội dung nghiên cứu này, màng vật liệu rGO-PEDOT sẽ được chế tạo sử dụng phương pháp quét thế vòng trong dung môi nước với quy trình một bước Nói cách khác, quá trình khử vật liệu graphene (GO→rGO), quá trình oxy hóa monomer EDOT, và quá trình lắng đọng vật liệu lên điện cực (chủ yếu sử dụng điện cực glassy carbon) sẽ được tiến hành đồng thời Chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp điện hóa trong một bước là một cách tiếp cận mới mẻ và cho phép tạo ra lớp màng vật liệu đồng đều, dễ điều khiển chiều dày với thời gian và chi phí chế tạo tiết kiệm Vật liệu composite giữa graphene oxide và PEDOT cũng là một vật liệu khá mới được nghiên cứu gần đây cho phép tăng cường độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện của các

hệ cảm biến điện hóa Lớp vật liệu này có độ dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao, dễ biến tính khi cần thiết, và có độ tương thích sinh học cao; do đó có thể sử dụng như một nền tảng phổ biến và có thể được biến tính phù hợp để phát triển các dòng cảm biến điện hóa khác nhau phù hợp với đối tượng phân tích

ND2: Phát triển cảm biến acetaminophen trên cơ sở màng vật liệu composite

rGO-PEDOT

Trong nội dung nghiên cứu này, màng vật liệu đã chế tạo sẽ được sử dụng làm vật liệu điện cực để tăng cường độ nhạy của cảm biến điện hóa xác định acetaminophen Quá trình nhận biết acetaminophen dựa trên quá trình oxi hóa acetaminophen thành N-acetyl-p-quinoneimine (NAPQI) và được ghi nhận bằng kĩ thuật quét thế xung vuông (SWV) Đường chuẩn sẽ được xây dựng với nồng độ acetaminophen trong dải 10µM tới 60µM

ND3: Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược sử dụng cảm

biến đã chế tạo

Trong nội dung nghiên cứu này, cảm biến đã chế tạo sẽ được sử dụng để phân tích bán định lượng tại chỗ lượng acetaminophen trong một số sản phẩm thuốc đông dược Việc phân tích thành phần acetaminophen trong các sản phẩm này cho phép có một quá trình sàng lọc trước khi can thiệp các phân tích chuyên sâu hơn trong kiểm định chất lượng của sản phẩm

13

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Chế tạo màng PEDOT, rGO và rGO-PEDOT sử dụng kĩ thuật quét thế vòng

Quá trình tổng hợp các vật liệu PEDOT, rGO, và rGO-PEDOT được tiến hành giống nhau trên điện cực glassy carbon và điện cực in Với điện cực glassy carbon, điện cực được làm sạch theo quy trình tiêu chuẩn Cụ thể, điện cực được mài với bột nhôm mịn 0.3 μm, rửa sạch với nước cất và isopropanol, rồi sấy khô dưới súng nitơ trước khi

sử dụng Để tổng hợp màng rGO-PEDOT, điện cực được quét bằng phương pháp CV trong dung dịch điện hóa gồm GO (1 mg.ml-1) và EDOT (0.01 M) phân tán đều trong PBS 1X (pH 7.4) trong khoảng thế từ -1,2 V tới +1,5V tại vận tốc quét 50 mV.s-1 với số vòng bằng 5 Quá trình tổng hợp vật liệu rGO hoặc PEDOT được tiến hành tương tự

2.3.2 Phân tích hình thái và cấu trúc

Hình thái của vật liệu được phân tích bằng chụp ảnh trên hệ thiết bị FE-SEM ở điện thế 5 kV

Cấu trúc của vật liệu được xác định bằng cách đo phổ ATR-FTIR trong dải số sóng 300 – 3000 cm-1 và phổ Raman với nguồn bức xạ 532 nm trong dải số sóng 300 tới

3500 cm-1

2.3.3 Phân tích đặc trưng điện hóa

Đặc trưng điện hóa của màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT được phân tích qua 2 thông số là hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử (standard transfer rate constant) và điện trở dịch chuyển (charge transfer resistance)

2.3.3.1 Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử

Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử của điện cực biến tính với vật liệu được xác định bằng phương pháp Laviron [29], [24] Điện cực được quét trong dung dịch KCl 100mM chứa K3Fe(CN)6 10mM + K4Fe(CN)6 10mM trong khoảng thế -200 mV tới +600 mV tại các tốc độ quét khác nhau từ 10 tới 500 mV/s

+

Ln(ks) = α.ln(1-α) + (1-α).lnα -ln(

14

KCl 100mM chứa K3Fe(CN)6 10mM + K4Fe(CN)6 10Mm trong khoảng tần số từ 0,01Hz đến 100000 Hz Kết quả đo sẽ được xử lý với mạch tương đương phù hợp bằng phần mềm Zview [19]

2.4 Thẩm định phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định acetaminophen

Dung dịch Acetaminophen chuẩn được pha từ bột mẫu Acetaminophen chuẩn của Merck trong dung dịch PBS 1X ở dải nồng độ khác nhau từ 10 µM – 60 µM và được xác định bằng cảm biến thông qua phương pháp Square Wave Voltammetry trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s

2.4.2 Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược

2.4.2.1 Thử trên mẫu Độc hoạt tang kí sinh

Mục đích : Định tính và đánh giá độ thu hồi, độ lặp lại của phương pháp Định tính: Cân khối lượng bột thuốc có trong viên nang Độc hoạt tang kí sinh, sau đó hòa tan (có rung siêu âm trong 15 phút) vào trong 50 ml dung dịch PBS 1X Dùng cảm biến đã chế tạo để định tính sự có mặt của acetaminophen

Làm song song 2 mẫu:

- Mẫu trắng: chỉ có nền Độc hoạt tang kí sinh

- Mẫu thử: nền Độc hoạt tang kí sinh thêm vào 200μl dung dịch chuẩn acetaminophen 0,01M

Đánh giá độ thu hồi và độ lặp lại của phương pháp:

- Chuẩn bị 6 mẫu thử trên nền Độc hoạt tang kí sinh Mỗi mẫu thử có thể tích 50ml sau đó thêm vào 200μl dung dịch chuẩn acetaminophen 0,01M để thu được 6 mẫu có nồng độ 40 μM

- Dùng cảm biến đo các mẫu thử vừa pha được bằng phương pháp Square Wave Voltammetry trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s Nồng độ trong 6 mẫu thử được tính lại theo đường chuẩn

2.4.2.2 Thử trên mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh

Mục đích: định tính và định lượng acetaminophen có trong mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh bằng phương pháp ngoại chuẩn

Quy trình tạo mẫu:

- Xác định khối lượng gói thuốc bột bằng cân phân tích

- Pha 1 gói thuốc bột vào 100ml dung dịch PBS 1X (pH=7,4) Pha loãng 1000 lần thu được mẫu thử