Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose

Những nỗ lực để làm tạo ra được kĩ thuật làm hài lòng bệnh nhân, thay thế phương pháp chích lấy máu mà vẫn đem lại độ chính xác và tin cậy cao như kiểm tra hàm lượng glucose trong nước m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Vũ Thị Thanh Hoa

CHẾ TẠO VẬT LIỆU LỖ XỐP ĐA TẦNG KIM LOẠI

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Vũ Thị Thanh Hoa

CHẾ TẠO VẬT LIỆU LỖ XỐP ĐA TẦNG KIM LOẠI

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Viết

Hà Nội - 2019

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Xuân Viết, người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian em thực hiện

và hoàn thành Luận văn

Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ và các Thầy, Cô giáo Phòng thí nghiệm Điện Hóa, khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ em về kiến thức và hỗ trợ thiết bị thực nghiệm có liên quan tới Luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và bạn

bè đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.17.15

Hà nội, ngày 22 tháng 06 năm 2019

Tác giả luận văn

Vũ Thị Thanh Hoa

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH i

DANH MỤC VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG iv

Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan 2

1.1 Tổng quan về cảm biến glucose 2

1.1.1 Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất 3

1.1.2 Thế hệ cảm biến glucose thứ hai 6

1.1.3 Thế hệ cảm biến glucose thứ ba 8

1.1.4 Thế hệ cảm biến glucose thứ tư 9

Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3 Các phương pháp nghiên cứu 12

1.3.1 Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và hình thái vật liệu 12

1.3.2 Các phương pháp khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu 13

Chương 2 Thực nghiệm 17

2.1 Dụng cụ và thiết bị 17

2.2 Hóa chất 17

2.3 Quy trình thực nghiệm 17

2.3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu/PGE 17

2.3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu2O/PGE, CuO/PGE và 3D-CuOx/PGE 19

2.3.3 Nghiên cứu sử dụng các điện cực xốp đồng trên nền PGE làm cảm biến glucose 19

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

3.1 Tổng hợp vật liệu 20

3.1.1 Chế tạo vật liệu 3D nano CuOx/PGE 20

3.2 Đặc trưng thành phần cấu trúc và hình thái bề mặt của vật liệu 3D-Cu/PGE 23

3.2.1 Đặc trưng hình thái bề mặt 23

3.2.2 Đặc trưng XRD 27

3.3 Khảo sát tính chất điện hóa của các điện cực trong môi trường kiềm 28

3.3.1 Hoạt hóa các điện cực trong môi trường kiềm 28

3.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quét 30

3.3.3 Tính chất điện hóa của điện cực 3D-Cu/PGE trong môi trường kiềm đối với glucose 32

3.3.4 Ảnh hưởng của thế áp vào điện cực 34

3.3.5 Đường chuẩn xác định glucose bằng phương pháp Dòng – thời gian 36

3.3.6 Ảnh hưởng của chất làm nhiễu 41

3.3.7 Khảo sát độ bền theo thời gian 42

KẾT LUẬN 44

Tài liệu tham khảo 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Số lượng bài báo về cảm biến glucose không có cấu trúc enzyme 3

Hình 2 Sơ đồ cấu tạo cảm biến glucose thế hệ một 4

Hình 3 Cơ chế tạo ra cầu nối trung tâm FAD và điện cực của SWCNTs 7

Hình 4 Nguyên lý của phương pháp quét thế tuần hoàn 14

Hình 5 Nguyên lý của phương pháp dòng – thời gian (a) Dạng phổ của bước nhảy điện thế; (b) Sự suy giảm của nồng độ chất hoạt động theo thời gian (c) Sự suy giảm cường độ dòng theo thời gian 16

Hình 6 Sơ đồ chế tạo các điện cực 3D-CuOx/PGE 18

Hình 7 Quá trình chế tạo điện cực 20

Hình 8 Hình ảnh minh họa cơ chế hình thành lớp xốp đồng 3D trên điện cực 21

Hình 9 Ảnh SEM của điện cực 3D-Cu/PGE ở độ phóng đại 24

Hình 10 Ảnh SEM Ảnh SEM của điện cực 3D-Cu2O/PGE ở độ phóng đại 25

Hình 11 Ảnh SEM của điện cực 3D-CuO/PGE ở độ phóng đại 26

Hình 12 Giản đồ XRD của các điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE và 3D-CuO/PGE 27

Hình 13 Đường quét phân cực vòng (CV) của các điện cực trong dung dịch KOH 0,1M sau 20 vòng quét, tốc độ quét 50mV/s 29

Hình 14 Đường quét phân cực vòng CV của điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch KOH 0,1 M với các tốc độ quét khác nhau 10 – 150 mV.s-1 31

Hình 15 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ dòng vào tốc độ quét (i – v) của điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch KOH 0,1M 32

Hình 16 Đường quét phân cực 2 vòng CV của điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch KOH 0,1 M, glucose 0 mM và 1 mM, tốc độ quét 50 mV/s 33

Hình 17 Đường quét dòng – thời gian I-t của điện cực 3D-CuOx/PGE ứng với các thế khác nhau 0,45 V-0,60 V ở mức nồng độ glucose 0,5 - 2,0 mM 34

Hình 18 Đường chuẩn ảnh hưởng của thế áp vào lên mối liên hệ của cường độ dòng thu được với nồng độ glucose 0,5-2,0 mM trên điện cực 3D-CuOx/PGE 35Hình 19 Đường dòng – thời gian của dung dịch glucose trong KOH 0,1M với các nồng độ glucose 2 µM – 16 mM với điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE và 3D-CuOx/PGE 37Hình 20 Quan hệ dòng – nồng độ glucose trong KOH 0,1M với các nồng độ glucose 2µM – 16mM với điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE và 3D-CuOx/PGE 38Hình 21 Đường chuẩn mối liên hệ tuyến tính của cường độ dòng thu được với nồng

độ glucose 2 µM – 4 mM trên các điện cực, thế áp 0,50 V 38Hình 22 Ảnh hưởng của các chất gây nhiễu DA 50 μM, AA 50 μM, UA 100 μM, NaCl 15 mM và saccarozo 100 μM đến điện cực 3D-CuOx/PGE với glucose mỗi lần được thêm vào 0,6 mM, thế điện cực 0,5 V 41Hình 23 Ảnh hưởng của các chất DA 50 μM, AA 50 μM, UA 100 μM, NaCl 15 mM

và sucrose 100 μM đến điện cực 3D-CuOx/PGE tính theo % tại glucose 0,6 mM 42Hình 24 Kết quả đo i – t của điện cực 3D-CuOx/PGE trong dung dịch KOH 0,1 M, glucose 0,6 mM tại E = 0,50 V trong thời gian 3700 giây 43

DANH MỤC VIẾT TẮT

Nhiễu xạ tia X

Kính hiển vi điện tử quét

Điện cực graphite ngòi chì 3D-Cu/PGE Điện cực xốp đồng đa tầng trên nền PGE

3D-Cu2O/PGE Điện cực xốp copper (I) oxide đa tầng trên nền PGE 3D-CuO/PGE Điện cực xốp copper (II) oxide đa tầng trên nền PGE 3D-CuOx/PGE Điện cực xốp copper (I, II) oxide đa tầng trên nền PGE

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Dấu mốc chính của quá trình phát triển cảm biến glucose có cấu trúc sinh học 8Bảng 2 Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến glucose không sử dụng enzyme 9Bảng 3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch tới sự hình thành 3D-Cu/PGE 21Bảng 4 Vị trí pic cathode của các điện cực 29Bảng 5 Phương trình thể hiện ảnh hưởng của thế áp vào lên mối liên hệ của cường độ dòng và nồng độ glucose 0,5-2,0mM trên điện cực 3D-CuOx/PGE 35Bảng 6 Phương trình thể hiện mối liên hệ của cường độ dòng thu được với nồng độ glucose 2 µM - 4 mM trên các điện cực, thế áp 0,50 V 38Bảng 7 Giá trị cường độ dòng của các mẫu trắng 39Bảng 8 So sánh các thông tin quan trọng của cảm biến 3D-CuOx/PGE với các cảm biến dựa trên Cu và CuOx bằng phương pháp i – t 40

Mở đầu

Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), có khoảng 221 triệu người đang mắc tiểu đường vào năm 2010 Dự đoán tiểu đường sẽ trở thành nguyên nhân đứng thứ 7 trong các nguyên nhân dẫn tới cái chết cho tới năm 2030 khi đạt mức 330 triệu người Ở nước ta, tỉ lệ bệnh nhân mắc tiểu đường là 5,4%, đối với các thành phố lớn có tỉ lệ này lên tới 7% [37] Các biến chứng do tiểu đường như bệnh tim mạch vành, tai biến mạch máu não, mù lòa, suy thận hay hoại thư là nguyên nhân dẫn đến cái chết hoặc tai biến cho bệnh nhân của tiểu đường

Việc chẩn đoán và chữa trị tiểu đường đều yêu cầu sự định lượng chính xác và thường xuyên nồng độ glucose trong máu người bệnh nhằm cung cấp một lượng insulin phù hợp vào cơ thể, tránh tình trạng nguy hiểm do thừa insulin đưa vào dẫn tới lượng đường trong máu quá thấp Do đó, một số lượng lớn các nghiên cứu trong khoảng một thập kỉ trở lại đây nhằm phát triển, chế tạo được một thiết bị đảm bảo đo chính xác, dễ sử dụng và đáng tin cậy trong việc định lượng glucose trong cơ thể [23]

Từ loại cảm biến glucose đầu tiên dựa trên cấu trúc enzyme được công bố năm

1962 của Clark có độ chọn lọc và độ nhạy tốt, nhưng nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và các chất hòa tan trong máu Vì vậy việc phát triển cảm biến glucose không sử dụng enzyme là một hướng nghiên cứu hấp dẫn và nhiều tiềm năng Các cấu trúc nano của kim loại quý như Pt, Pd và Au hoặc hợp kim của chúng thể hiện khả năng xác định glucose trong máu với độ nhạy cao, bền bỉ theo thời gian Tuy nhiên loại điện cực dựa trên hệ kim loại này có nhược điểm là giá thành cao,

và dễ bị mất hoạt tính do sự hấp phụ của ion Cl- trong máu và huyết thanh Vì vậy việc chuyển hướng sang sử dụng các kim loại chuyển tiếp có giá thành rẻ và hoạt tính xúc tác tốt như Cu, Co, Ni và các oxit của chúng trong xác định glucose là một hướng nghiên cứu tiềm năng

Trong luận văn thạc sỹ này chúng tôi đề xuất “Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng

kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose” trên nền than chì Vật liệu xốp đồng

và oxit của nó được chế tạo bằng phương pháp điện hóa và kết hợp xử lý nhiệt với mục tiêu chế tạo điện cực giá thành rẻ, nhỏ gọn và có hoạt tính xúc tác cao với glucose, ít bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu, khoảng hoạt động rộng và bền bỉ

Chương 1 Tổng quan 1.1 Tổng quan về cảm biến glucose

Cảm biến glucose đóng một vai trò cốt lõi trong các thiết bị chuẩn đoán và phát hiện bệnh nhân tiểu đường, đồng thời theo dõi hàm lượng đường trong máu của các bệnh nhân tiểu đường hằng ngày Hầu hết các phương pháp truyền thống để định lượng đường trong máu là phương pháp điện hóa hoặc phương pháp quang phổ Điển hình như thiết bị glucometer cầm tay phổ biến đang được sử dụng hiện nay dựa trên việc chích máu ở đầu ngón tay bệnh nhân, sau đó mẫu máu này được xác định hàm lượng đường bằng cách áp dụng phương pháp điện hóa, dưới xúc tác của enzyme glucose oxidase (GOx) hoặc glucose dehydroase (GDH) Glucose phản ứng với oxi tự

do tạo thành sản phẩm, đồng thời thay đổi các tính chất điện hóa của dung dịch mẫu thử tiếp xúc với điện, sự thay đổi này tương ứng với hàm lượng glucose trong máu và được hiển thị trên màn hình thiết bị Mặc dù cách kiểm tra này cho kết quả chính xác, tuy nhiên phương pháp chích ngón tay lấy mẫu máu này khiến bệnh nhân không hài lòng do tạo thành một lỗ nhỏ chảy máu trên đầu ngón tay, gây ra một sự bất tiện trong việc điều trị bệnh do phải thực hiện thường xuyên [23]

Trong những thập kỉ gần đây, các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát triển không ngừng theo nhiều hướng khác nhau Họ tập trung vào phát triển các kĩ thuật hiệu quả bao gồm kiểm tra xâm lấn và không xâm lấn hàm lượng đường trong cơ thể dựa trên cảm biến có cấu trúc enzyme và không có cấu trúc enzyme Những nỗ lực

để làm tạo ra được kĩ thuật làm hài lòng bệnh nhân, thay thế phương pháp chích lấy máu mà vẫn đem lại độ chính xác và tin cậy cao như kiểm tra hàm lượng glucose trong nước mắt, mồ hôi [23] hoặc nồng độ acetone có trong hơi thở như một dấu hiệu nhận biết bệnh tiểu đường, hướng tới chế tạo một thế hệ cảm biến glucose dễ sử dụng, cho kết quả nhanh, giá rẻ, di động và không gây đau đớn

Bên cạnh đó, nồng độ glucose cũng là một thang đo rất quan trọng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, và môi trường [45, 53]

Các hướng nghiên cứu về cảm biến glucose đã phát triển từ năm 1962, khi lần đầu tiên hai nhà hóa học là Clark và Lyons công bố ý tưởng đầu tiên về điện cực enzyme glucose Cho đến nay, các cảm biến glucose có thể chia thành 4 thế chính [40,

44, 45] Thế hệ đầu tiên là cảm biến sử dụng enzyme xúc tác cho phản ứng oxi hóa glucose bằng oxygen hòa tan trong máu, thế hệ thứ hai sử dụng các chất trung gian nhân tạo thay thế oxygen hòa tan và nâng cao hiệu suất vận chuyển electron đến điện cực Sang đến thế hệ cảm biến thứ ba, các enzyme GOx được cố định trên những vật liệu nền có cấu trúc nano hoặc micro nhằm tăng tốc độ vận chuyển electron Ba thế hệ cảm biến đầu tiên này đều dựa vào các enzyme xúc tác cho quá trình oxi hóa glucose Tuy nhiên việc sử dụng enzyme tồn tại những hạn chế về môi trường phản ứng: nhiệt

độ, pH hay sự nhiễu của các ion hòa tan trong máu ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo Các cảm biến này đòi hỏi bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm thấp để tránh làm giảm hoạt tính sinh học của các enzyme trong thời gian chưa sử dụng tới Nhằm khắc phục các hạn chế đó, các hướng nghiên cứu mới hiện nay cố gắng tìm ra các vật liệu xúc tác không sử dụng enzyme Thế hệ cảm biến glucose mới này được coi là thế hệ thứ 4 trong chỗi phát triển các loại cảm biến đo đường huyết Trong thế hệ cảm biến này thì glucose được oxi hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực và tạo ra sự thay đổi tín hiệu điện có thể đo được Số lượng các nghiên cứu được công bố về thế hệ cảm biến này tăng lên đáng kể theo từng năm, được thể hiện ở trên hình 1 [38]:

Hình 1 Số lượng bài báo về cảm biến glucose không có cấu trúc enzyme

1.1.1 Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất

Với lịch sử hơn 50 năm phát triển, xuất phát từ ý tưởng về điện cực enzyme glucose được xuất bản năm 1962 bởi hai nhà hóa học Clark và Lyons từ bệnh viện Children Cincinnati [12] Thiết bị đầu tiên xác định nồng độ glucose trong máu dựa

trên lớp mỏng GOx được kẹp xung quanh điện cực oxi, xúc tác quá trình tiêu thụ oxy, oxi hóa glucose thành gluconic acid [53]:

Sau đó, sự thay đổi thế âm điện do sự tiêu thụ O2 được ghi lại và chuyển đổi thành nồng độ glucose thông qua phản ứng (2):

Phương pháp này cho kết quả đo chính xác và tin cậy cao với lượng máu cần thiết cho việc xác định nồng độ glucose là cỡ 100 µL Các nghiên cứu tiếp sau đó nhằm thu nhỏ kích thước thiết bị bằng cách thay đổi thiết kế điện cực, vật liệu, màng tiếp xúc hoặc cố định hướng tiếp cận mẫu đã được mô tả và công bố trong suốt những năm 80 của thế kỉ trước Điều nà góp phần giúp cảm biến sinh học trở thành một chủ

đề hấp dẫn, phản ánh sự phát triển của công nghệ sinh học trong giai đoạn này

Thế hệ cảm biến glucose sinh học thương mại đầu tiên dựa vào enzyme glucose oxidase (GOx), xúc tác phản ứng tiêu thụ glucose và đo tín hiệu xuất hiện của hydro peroxide trên điện cực

Nồng độ hydro peroxide được xác định một cách tương đối đơn giản bằng so sánh thay đổi hiệu điện thế với điện cực so sánh, giúp cho thiết kế thiết bị 3 điện cực

có kích thước nhỏ Một bộ cảm biến rất phổ biến của thế hệ này là bộ cảm biến của hãng YSI, bao gồm một lớp GOx được đặt giữa một lớp màng polycarbonate và một màng cellulose acetate Sơ đồ cảm biến thể hiện ở hình 2 [45]:

Hình 2 Sơ đồ cấu tạo cảm biến glucose thế hệ một

Kĩ thuật và bằng sáng chế của Clark sau đó được chuyển giao cho Công ty Yellow Spring Instrument để đưa vào ứng dụng như một thiết bị phân tích thương mại

từ năm 1975 (Model 23 YSI analyzer) Thiết bị này có thể để đo nồng độ glucose trong mẫu máu có thể tích 25 μL

Năm 1967, nhóm nghiên cứu của Updike và Hicks tiếp tục nghiên cứu và phát triển lý thuyết của Clark bằng cách sử dụng hai điện cực oxi hoạt động (được phủ một lớp enzyme) Tiến hành đo sự khác nhau về cường độ dòng để loại bỏ đường nền oxi trong mẫu, tăng độ chính xác của phép đo [42]

Năm 1973, nhóm nghiên cứu của Guilbault và Lubrano [18] đã thiết kế điện cực enzyme làm anode để xác định hàm lượng glucose trong máu dựa vào phản ứng phân hủy H2O2 sinh ra oxygen:

Phương pháp này cho kết quả độ chính xác và độ tin cậy cao đối với các mẫu máu có thể tích 100 μL

Nhược điểm cơ bản của các cảm biến thế hệ thứ nhất là khi xác định nồng độ

H2O2 cần có thế oxy hóa điện hóa cao, gây nhiễu các tín hiệu điện mà đầu dò của điện cực ghi nhận được Thế oxy hóa điện hóa cao khi áp vào điện cực cũng dẫn đến sự oxi hóa các chất khác có trong mẫu máu hoặc huyết thanh như ascorbic acid, uric acid và một số loại thuốc có trong máu như acetaminophen làm sai lệch kết quả đo [45] Có hai cách chính để làm giảm nhiễu đã được áp dụng: một là sử dụng màng phủ chọn lọc phù hợp để giảm các chất có thể gây nhiễu tiến tới gần bề mặt điện cực Ví dụ như sử dụng một lớp phủ bằng Nafion (điện tích âm) và lớp cellulose acetate Hai là tìm cách

giảm thế áp vào điện cực xuống mức tối ưu (0 - 0,2 V vs Ag/AgCl) để tránh tín hiệu

nhiễu của các chất có mặt đồng thời trong mẫu máu [50]

Một vấn đề khác với cảm biến thế hệ một này là sự phụ thuộc vào nồng độ oxi

tự do hòa tan trong máu Như ở phương trình (1), lượng oxi là một nhân tố có hạn (sự thiếu hụt oxi), điều này ảnh hưởng tới tốc độ phản hồi của cảm biến và là giới hạn trên của phép đo khi lượng oxi đã bão hòa trên bề mặt cảm biến Một số nghiên cứu đã giải quyết nhược điểm này: sử dụng tấm film chọn lọc điện tích như polyurethane hoặc polycarbonate để điều chỉnh dòng glucose và oxi trên bề mặt điện cực [3, 17], một

cách khác là dán các tấm carbon giàu oxi lên điện cực enzyme, tấm carbon này cung cấp duy trì hàm lượng oxi cao trong mẫu thử [46]

1.1.2 Thế hệ cảm biến glucose thứ hai

Trong những năm 80 của thế kỉ trước, cảm biến sinh học trở thành một đề tài nóng trong cộng đồng các nhà hóa lí, hóa sinh, phản ánh sự phát triển nổi bật của công nghệ sinh học kết hợp với công nghệ hóa học Với các thành công bước đầu về cảm biến thế hệ đầu, một loạt các điện cực enzyme khác nhau về thiết kế, chất liệu, hợp chất làm màng điện cực v.v đã được chế tạo Thế hệ thứ 2 của cảm biến glucose sinh học đã được ra đời trên cơ sở nghiên cứu đó, băng tự kiểm tra nồng độ glucose cũng được giới thiệu lần đầu và thương mại hóa ngay trong năm 1987 [23]

Ở thế hệ cảm biến thứ 1, glucose oxidase không trực tiếp vận chuyển electron tới điện cực vì trung tâm oxi hóa khử enzyme FAD được bao quanh bởi một lớp protein dày, gây cản trở cho sự vận chuyển electron Do đó, thế hệ thứ hai sử dụng các chất nhận electron từ FADH2 không có nguồn gốc sinh học, giúp việc cho nhận electron trở nên dễ dàng, đồng thời giải quyết được nhược điểm sử dụng oxi tự do của thế hệ một

Các chất cho nhận electron có nguồn gốc phi sinh học – hợp chất trung gian nhân tạo – có khả năng cho nhận electron qua lại giữa trung tâm FAD và bề mặt điện cực đặc biệt hữu dụng và được sử dụng chủ yếu với các mẫu thử glucose trong công nghiệp Phản ứng diễn ra có thể thể hiện thông qua các phản ứng sau [45]:

(4) (5) (6) Trong đó, M(ox) và M(red) là dạng oxi hóa và dạng khử của hợp chất oxy hóa khử trung gian Dạng khử của M sẽ bị oxi trở lại tại điện cực, tạo nên tín hiệu dòng mà từ

đó xác định được nồng độ glucose

Các polymer có khả năng trao đổi electron như poly(vinyl pyridine) hoặc poly(vinyl imidazole) liên kết cộng hóa trị với phức chất osmium tạo thành phức chất

Glucozo GOD Gluconic Acid GOD

(red) 2 (ox) (ox) 2 (red) 2

( ) (ox)

2M red 2M 2e

có khả năng vận chuyển electron, làm giảm khoảng cách giữa trung tâm oxi hóa khử của polymer với trung tâm FAD của enzyme, dẫn tới cường độ dòng đầu ra lớn hơn và

sự phản hồi của cảm biến tốt hơn [33]

Các vật liệu Nano như hạt Nano vàng (NPs) hay ống Nano carbon (SWCNT) cũng được sử dụng như vật liệu kết nối giữa điện cực và trung tâm FAD do chúng có cùng kích thước Ví dụ, Patolsky và cộng sự đã cố gắng nối trực tiếp trung tâm FAD với điện cực bằng sử dụng SWCNTs làm cầu nối [32], ban đầu các ống SWCNT được gắn với điện cực bằng vàng, sau đó FAD liên kết cộng hóa trị với đầu cuối của ống SWCNT, rồi được hoàn nguyên với enzyme GOx, như thể hiện ở hình 3 Kết quả cho thấy bề mặt điện cực bằng vàng đã liên kết với trung tâm FAD của enzyme GOx thông qua cầu nối ống Nano carbon, cầu nối Nano carbon này có tính chất như một cầu dẫn điện chuyển điện tích trực tiếp qua hai đầu ống Các electron được vận chuyển suốt khoảng cách hơn 150 nm và tốc độ truyền tải electron có thể điều khiển bằng điều khiển chiều dài ống SWCNTs Cơ chế của quá trình tạo ra cầu nối được thể hiện trong hình dưới [53]:

Hình 3 Cơ chế tạo ra cầu nối trung tâm FAD và điện cực của SWCNTs

Các chất trung gian nhân tạo được thử nghiệm sử dụng như phức iron (III) cyanide, phức chất hữu cơ của sắt, phức chất của kim loại chuyển tiếp khác v.v.[10, 36] Để có được một chất trung gian vẫn chuyển electron lý tưởng thì cần đảm bảo nhiều tiêu chí: phản ứng nhanh với dạng khử của enzyme trong khi lại không cạnh tranh với oxi, có tính chất điện hóa tốt như thế oxi hóa khử nhỏ, có độ tan thấp trong môi trường nước, không độc và ổn định về mặt hóa học trong cả dạng oxi hóa và dạng khử [45]

và vật liệu xốp với diện tích bề mặt lớn, rất nhiều loại điện cực khác nhau được chế tạo

từ các loại vật liệu này [5, 47, 48] Một cách khác là sản xuất cảm biến glucose thế hệ

ba chứa điện cực làm việc chứa muối hữu cơ có khả năng dẫn điện dựa vào sự truyền điện tích của các phức chất, ví dụ như tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) [22, 31]

Trong thập kỉ 90, các nghiên cứu tiếp tục được mở rộng theo hướng thiết lập liên lạc điện hóa giữa trung tâm xúc tác oxi hóa khử GOx với bề mặt điện cực [13], và phát triển cải tiến thiết bị, hạn chế tối đa sự xâm nhập xuống dưới bề mặt da mà vẫn đảm bảo độ hiệu quả và tin cậy [6, 19, 43] Bảng 1 tổng hợp lại những dấu mốc chính của quá trình phát triển cảm biến sinh học glucose điện hóa có cấu trúc sinh học [45]:

Bảng 1 Dấu mốc chính của quá trình phát triển cảm biến glucose có cấu trúc sinh học

1962 Sự xuất hiện đầu tiên của cảm biến glucose [12]

1973 Cảm biến glucose hoạt động dựa trên xác định H2O2 [18]

1975 Thương mại hóa hệ thống cảm biến glucose YSI Inc

1982 Chứng minh khả năng định lượng glucose ở mức cơ thể [21]

1984 Phát triển chất vận chuyển trung gian chứa phức sắt [10]

1987 Lần đầu thương mai họa máy đo glucose cá nhân Medisense Inc

2000 Giới thiệu thiết bị xác định glucose không xâm lấn Cygnus Inc Một cách tiếp cận khác là sử dụng các vật liệu làm điện cực có cấu trúc mao quản có kích thước 2 - 50 nm, có diện tích bề mặt và độ khuếch đại tín hiệu lớn [5, 48], trong đó sự trao đổi electron từ enzyme đến điện cực có thể đạt được mà không cần các chất trung gian phức tạp hay phụ thuộc vào nồng độ oxi tự do Điện cực glucose không có cấu trúc enzyme loại này có thể phản ứng trực tiếp glucose với độ nhạy cao, cường độ dòng phản hồi có thể đạt mức mA.mM-1.cm-2 Ngoài ra nó còn tránh được vấn đề về thời gian sống, cấu trúc dễ vỡ và giá thành cao của enzyme Sự thành công của hướng tiếp cận này là một gợi ý cho việc nghiên cứu thế hệ cảm biến mới không sử dụng cấu trúc enzyme

1.1.4 Thế hệ cảm biến glucose thứ tƣ

Ý tưởng về thế hệ cảm biến thứ 4 lần đầu được nghiên cứu và công bố bởi Walther Loeb, tác giả này đã sử dụng cách oxi hóa glucose trực tiếp trên anode bằng axit sunfuric, các nghiên cứu về việc sử dụng một hệ thống điện cực không có cấu trúc enzyme ngày càng mở rộng, ngang bằng với các nghiên cứu phát triển cảm biến có cấu trúc enzyme [7, 34] Một số kết quả nghiên cứu về các loại cảm biến không có cấu trúc enzyme được liệt kê ở bảng 2 sau:

Bảng 2 Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến glucose không sử dụng enzyme

Vật liệu điện cực Thế áp vào

điện cực Độ nhạy LOD (μM) Tài liệu

làm việc (V)

Hiện nay, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã có những thử nghiệm mới nhằm tạo ra điện cực có độ nhạy, tốc độ phản hồi cao, tính chọn lọc tốt, chi phí chế tạo thấp và dễ dàng áp dụng trong thực tế Các kết quả nghiên cứu nổi bật là sử dụng kim loại khác nhau, thay đổi cấu trúc mẫu của điện cực.v.v còn ít Số lượng công trình nghiên cứu cảm biến glucose ở Việt Nam còn ít hơn rất nhiều Vì vậy, đề tài luận văn

“Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose” đã

được lựa chọn nhằm chế tạo vật liệu có cấu trúc xốp đa tầng có thể ứng dụng làm cảm biến glucose trong máu và thực phẩm

Mục tiêu nghiên cứu

Từ tổng quan trên về bốn thế hệ cảm biến glucose, thế hệ cảm biến glucose dựa trên cấu trúc không sử dung enzyme của các hạt nano kim loại đang thể hiện các ưu điểm nổi bật, khắc phục được các nhược điểm của thế hệ cảm biến glucose trước Một trong những yếu tố quan trọng của cảm biến glucose không sử dụng enzyme là việc cấu trúc của hệ vật liệu, quyết định độ nhạy, độ bền, độ chọn lọc của cảm biến thu được Trong các kim loại được sử dụng để chế tạo nên cấu trúc nano, cấu trúc xốp nano ba chiều chứa đồng đang mở ra nhiều triển vọng mới trong việc xác định nồng độ glucose bằng phương pháp điện hóa, chế tạo các cảm biến giá rẻ, có tính ứng dụng cao trong hỗ trợ điều trị tiểu đường và ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp khác Chính vì lý do đó, luận văn này nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các cấu trúc 3D xốp của kim loại đồng và oxit đồng có kích thước nano trên nền điện cực PGE (pencil graphite electrode) Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:

+ Chế tạo các điện cực xốp đồng đa tầng bằng phương pháp điện hóa trên nền vật liệu PGE

o Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp

o Xử lý nhiệt hệ vật liệu thu được + Khảo sát các đặc trưng cấu trúc của các điện cực thu được bằng các phương pháp hóa lý (SEM, XRD)

+ Khảo sát tính chất điện hóa của các điện cực trong môi trường KOH 0,1 M + Đánh giá khả năng xúc tác phản ứng oxi hóa glucose và ứng dụng xác định nồng độ glucose trong môi trường KOH 0,1 M

1.3 Các phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và hình thái vật liệu

1.3.1.1 Phương pháp chụp ảnh SEM

Phương pháp chụp ảnh SEM sử dụng một kính hiển vi điện tử quét, chùm electron được gia tốc bằng điện thế 50kV giữa cathode và anode rồi đi qua thấy kính hội tụ, quét bề mặt mẫu đặt trong môi trường chân không Tương tác giữa chùm điện

tử với bề mặt mẫu tạo ra chùm điện tử thứ cấp hoặc chùm phản xạ ngược, được đầu dò thu lại và chuyển thành ảnh hiển thị bề mặt vật liệu Ảnh SEM cung cấp các thông tin

về đặc điểm hình dáng bề mặt, hình thái cấu trúc: sự kết tinh, kích thước hạt, quan sát

vi cấu trúc trên bề mặt của mẫu

Luận văn sử dụng ảnh SEM chụp bằng máy Hitachi TM4000 Plus với điện thế 15kV tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

1.3.1.2 Phương pháp XRD

Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia X khi tương tác với mạng tinh thể của mẫu, tạo ra các tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên tử có trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, việc xác định các thông tin về góc độ tán xạ, bước sóng tia X sẽ cho biết các đặc điểm về cấu trúc thành phần mạng tinh thể [41]

Mạng tinh thể được tạo nên từ các nguyên tử hoặc ion được phân bố đều đặn trong không gian theo trật tự nhất định Khi chùm tia X đi tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào trong mạng lưới thì mạng lưới này thể hiện như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt Các nguyên tử hoặc ion trong mạng bị kích thích bởi năng lượng của chùm tia X thích hợp

sẽ trở thành các trung tâm phản xạ, các lớp nguyên tử hoặc ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song trong không gian

Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ (dhkl), góc giữa chùm tia X (θ)

và bước sóng tia X (λ) được biểu thị bằng phương trình Vulf – Bragg:

2dhkl.sinθ = n.λ (7)

Với λ là bước sóng của tia X, là góc tới giữa tia X và mặt phẳng tinh thể, d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể liên tiếp, n là bậc nhiễu xạ

Từ phương trình trên cho thấy, các cấu trúc tinh thể khác nhau sẽ có kiểu mạng tinh thể khác nhau với đặc trưng về vị trí, số lượng và cường độ của các vạch nhiễu xạ,

từ các thông số đặc trưng đó có thể xác định cấu trúc tinh thể thông qua giản đồ nhiễu

xạ

Trong nội dung luận văn này, giản đồ nhiễu xạ tia X được đo trên thiết bị D8 Advance Bruker của Đức, tại phòng thí nghiệm Vật liệu – Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Phép đo sử dụng bức xạ kế Cu Kα(1,54Å), tốc độ quét 2o phút-1, góc quét 2θ = 20o – 80o, độ rộng góc quét mỗi lần 0,02o

1.3.2 Các phương pháp khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu

Tính chất điện hóa của các điện cực được xác định bằng hệ ba điện cực trên máy Autolab 30 – Metrohm, trong đó điện cực đối là Platin, điện cực so sánh là Ag/AgCl (Metrohm) và điện cực làm việc xốp đồng trên nền PGE, dung dịch sử dụng

là KOH 0,1 M với tất cả thí nghiệm

1.3.2.1 Phương pháp quét thế tuần hoàn (Cyclic voltammetry/CV)

Phương pháp quét thế tuần hoàn còn gọi là phương pháp Von-Ampe vòng quét xung tam giác, là phương pháp điện hóa được sử dụng để nghiên cứu tính chất điện hóa, cũng như động học và cơ chế phản ứng của chất nghiên cứu trên các điện cực khác nhau

Phương pháp CV cho phép áp lên điện cực nghiên cứu điện thế xác định, quét giá trị thế theo hướng cathode hay anode để quan sát dòng tương ứng Trong phương pháp này, bề mặt các điện cực nghiên cứu cần được phục hồi trước mỗi thí nghiệm Khoảng thế nghiên cứu phụ thuộc việc lựa chọn dung môi và chất điện li nền

Phương pháp đo này được tiến hành trong dung dịch tĩnh, không khuấy trộn, sự chuyển khối được thực hiện bằng cách khuếch tán Tốc độ quét thường giới hạn từ 1 mV/s đến 1000 mV/s Tốc độ quét này không được nhỏ hơn 1mV/s, bởi vì gặp phải tín hiệu nhiễu của sự khuấy trộn đối lưu của lớp khuếch tán

Đường phân cực vòng biểu diễn mối quan hệ i-E, là một đường cong có đỉnh đặc trưng (ip), tại đó có dòng điện cực đại ip ứng với điện thế Ep Với những quá trình oxi hóa khử thuận nghịch:

Ox  ne  Kh

Bị khống chế bởi quá trình khuếch tán, Randles – Sevsick đã đưa ra mối quan

hệ giữa dòng điện cực đại với tốc độ quét thế:

15 3/2 1/2 1/22,678.10

Ox  ne  Kh (10) Phương trình dòng cực đại tuân theo Nicholson – Shain có dạng:

15 1/2 1/2 1/22,99.10 ( n )

Trong khi tiến hành đo, có thể sử dụng quét một chu kì hoặc lặp lại nhiều chu kì liên tục, các đường i-E sẽ được quét liên tục nhiều lần với giá trị điện thế được biến đổi tuần hoàn theo thời gian, sau đó kết quả đo sẽ là tính trung bình của các lần quét Khi quét thế tuần hoàn, căn cứ vào đường cong thu được và các đặc trưng về pic, có thể xác định được số phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực, hay số giai đoạn của phản ứng theo: số pic đặc trưng, điểm gãy, điểm uốn xuất hiện trên đồ thị

1.3.2.2 Phương pháp dòng – thời gian (Amperometric measurement/ I-t)

Nguyên lý cơ bản của phương pháp dòng – thời gian là áp một điện thế không đổi lên điện cực, sau đó đo sự biến đổi của dòng điện trên điện cực theo thời gian [2]

Điện thế áp lên điện cực làm việc được khống chế để tạo ra bước nhảy điện thế

từ mức không có dòng Faraday (E1) lên mức điện thế cao hơn mà tại đó nồng độ chất hoạt động điện hóa trên bề mặt điện cực làm việc bằng không (E2) Nguyên lý trên được thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 5 Nguyên lý của phương pháp dòng – thời gian (a) Dạng phổ của bước nhảy điện thế; (b) Sự suy giảm của nồng độ chất hoạt động theo thời gian (c) Sự suy giảm

cường độ dòng theo thời gian

Khi điện thế áp vào sẽ tạo ra phản ứng điện hóa trên điện cực làm việc và sinh

ra dòng Faraday Do vậy, dòng đo được sẽ là tổng của dòng tụ điện và dòng Faraday Ban đầu, thế E1 là thế tại đó không có phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực làm việc, sau khi áp thế E2, phản ứng điện hóa sẽ xảy ra trong thời gian t (hình a) tạo

ra một sự chênh lệch nồng độ giữa vùng sát điện cực và dung dịch (hình b), hình thành một dòng chất di chuyển từ trong dung dịch tới khu vực bề mặt điện cực để tham gia phản ứng điện hóa Dòng chất và cường độ dòng điện thu được do phản ứng điện hóa xảy ra sẽ tỉ lệ với sự chênh lệch nồng độ chất tại bề mặt điện cực, kết quả là cường độ

dòng sẽ diễn ra như trên hình 5b và 5c

Chương 2 Thực nghiệm

2.1 Dụng cụ và thiết bị

- Cân kĩ thuật (UX620H, Nhật Bản); Cân phân tích (AY 220, Shimazu, Nhật Bản)

- Tủ sấy (Medcenter Einrichtungen GmbH, Đức)

- Tủ hút chân không (Model 281A)

- Máy ly tâm (Hermle)

- Bể rung siêu âm (Ultrasonic LC60H)

- Máy cất nước hai lần Hamilton Double Distillation Aquatic Stills

- Lò nung dạng ống QSH-VTF-1200T

2.2 Hóa chất

- Thanh than chì dạng trụ thẳng đường kính 0,7 mm, chiều dài 60 mm loại 2B 7004 Deli

- Dung dịch H2SO4 98%, hydrochloric acid 36%, Acetone (Trung quốc)

- Ascorbic Acid (Merck)

- Uric Acid (Merck)

- D (+)-glucose, Potassium hydroxide, sodium chloride, L-ascorbic acid (Sigma Aldrich)

- Nước cất hai lần

2.3 Quy trình thực nghiệm

2.3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu/PGE

Trong nội dung nghiên cứu này, điện cực PGE hình trụ có kích thươc đường kính 0,7 mm x 100 mm Trong quá trình tạo lớp vật liệu cấu trúc 3D thì chiều dài của điện cực PGE được nhúng trong dung dịch điện phân là 10 mm, diện tính phần điện cực PGE trong dung dịch ~223,8.10-3 cm2 (diện tích xung quanh và diện tích đáy) Trước tiên điện cực PGE được làm sạch bằng cách rung siêu âm trong 30 phút với

acetone Sau đó được rửa lại với dung dịch HCl 10% và nước cất hai lần, được bảo quản trong acetone khi không sử dụng Khoảng cách giữa điện cực làm việc và điện cực đối trong quá trình điện phân được giữ cố định 15 mm

Quá trình chế tạo các điện cực được tóm tắt trong sơ đồ hình 6 sau:

Hình 6 Sơ đồ chế tạo các điện cực 3D-CuO x /PGE

Quá trình điện phân tạo lớp xốp đồng 3D trên bề mặt điện cực PGE ở nhiệt độ phòng thí nghiệm sử dụng hệ ba điện cực gồm điện cực so sánh Ag/AgCl, điện cực đối Platin, điện cực làm việc là điện cực PGE Dung dịch điện phân được khảo sát để thu được lớp Cu có cấu trúc xốp đa tầng, thành phần dung dịch gốc là CuSO4 0,30 M,

H2SO4 1,0 M và HCl 0,1mM, điện áp sử dụng 2A.cm-2, thời gian 10 giây Sau đó thay đổi nồng độ CuSO4 0,1 – 0,5 M, HCl thay đổi từ 0 - 0,9 mM, cường độ dòng 1 A.cm-2

- 3 A.cm-2, thời gian điện phân 5 – 20 giây Các điều kiện cụ thể được thể hiện trong bảng 3 trong phần kết quả và thảo luận

2.3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu 2 O/PGE, 3D-CuO/PGE và 3D-CuO x /PGE

Quá trình oxi hóa lớp xốp đồng đa tầng trên điện cực 3D-Cu/PGE được thực hiện bằng các nung các điện cực chứa xốp đồng trong lò nung dạng ống với dòng khí Argon có tốc độ 300 sccm, nhiệt độ nung là 600 oC trong 2 giờ Hệ vật liệu thu được trong điều kiện này được ký hiệu là 3D-Cu2O/PGE

Khi thay dòng khí argon trong quy trình chế tạo ở trên bằng dòng không khí, điện cực chế tạo trong điều kiện này được ký hiệu là 3D-CuO/PGE Tuy nhiên, vật liệu điện cực PGE dễ dàng bị oxi hóa và gãy thành các mảnh nhỏ ở nhiệt độ nung trên 300

oC Do đó điện cực 3D-CuO/PGE thu được bằng cách nung điện cực 3D-Cu/PGE trong không khí ở nhiệt độ 300 oC

Điện cực 3D-CuOx/PGE thu được bằng cách thực hiện phản ứng thủy nhiệt hệ vật liệu 3D-Cu2O/PGE trong thời gian 12 giờ trong dung dich H2O2 5% ở nhiệt độ 180

Sau mỗi lần sử dụng, điện cực được rửa sạch bằng nước cất