chế tạo điện cực dựa trên vật liệu hạt nano nio ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.81 MB, 64 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

SERTH SEDTHIPHONH

CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DỰA TRÊN VẬT LIỆU HẠT NANO NiO ỨNG DỤNG TRONG

CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN – 2021

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

SERTH SEDTHIPHONH

CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DỰA TRÊN VẬT LIỆU HẠT NANO NiO ỨNG DỤNG TRONG

CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE

Chun ngành: HỐ VƠ CƠ Mã ngành: 8.44.01.13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng

THÁI NGUYÊN – 2021

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Chế tạo điện cực dựa trên vật liệu hạt nano NiO ứng dụng trong cảm biến điện hóa Glucose” là cơng trình nghiên cứu của

riêng tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Quốc Dũng. Các số liệu và tài liệu

trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2021

Tác giả luận văn

Serth SEDTHIPHONH

Xác nhận

của Trưởng khoa chuyên môn

Xác nhận

của giảng viên hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan TS. Nguyễn Quốc Dũng

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Đề tài được hồn thành và có kết quả như ngày hơm nay, em xin được gửi

lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo TS Nguyễn Quốc Dũng,

người đã định hướng dẫn dắt và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình tiếp xúc, học tập và hoàn thiện đề tài.

Em xin gửi lời cảm ơn các thầy, cơ giáo trong Khoa Hóa học, các thầy cơ Phịng Đào tạo, các thầy cơ trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình học tập thời gian qua.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong nhà thí nghiệm đã hướng dẫn em sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị trong quá trình thực hiện thực nghiệm.

Cuối cùng, tơi cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý và giúp đỡ của Hội đồng khoa học và Quý thầy cô, anh chị em đồng nghiệp và bạn bè.

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2021

Tác giả

Serth SEDTHIPHONH

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.1. Cảm biến sinh học glucose ... 3

1.1.1. Khái niệm cảm biến sinh học glucose ... 3

1.1.2. Các thế hệ cảm biến điện hóa glucose ... 4

1.1.3. Cảm biến glucose dựa trên kim loại Cu và Ni ... 8

1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước ... 10

1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước ... 10

1.2.2. Các nghiên cứu trong nước ... 12

1.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực đối với glucose 15 1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học ... 15

2.2. Chế tạo điện cực hạt nano NiO trên đế ITO ... 19

2.3. Xác định hình thái, cấu trúc của vật liệu ... 20

2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét ... 20

2.3.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X ... 21

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ... 22

2.4. Phương pháp CV nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực đối với glucose ... 24

2.5. Ứng dụng điện cực xác định glucose trong mẫu huyết thanh người ... 24

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ... 25

3.1. Hình thái, cấu trúc và thành phần của vật liệu ... 25

3.2. Ảnh hưởng của thế lắng đọng trong chế tạo điện cực NiO/ITO ... 28

3.3. Tính chất điện hóa của điện cựcNiO/ITO ... 30

3.4. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ glucose ... 38

3.5. Xác định nồng độ glucose trong huyết thanh người... 41

KẾT LUẬN ... 46

CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ... 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 48

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CE Counter Electrode Điện cực đối

CV Cyclic Voltammetry Phương pháp quét thế vòng EDS Energy-dispersive X-ray

spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng tia X EN1 /EN2

Potential of negative scan of BS-CV (peak 1/peak 2)

Thế quá trình quét âm của phương phương pháp BS-CV (pic 1/pic 2)

GOx Enzyme Glucose oxidase Enzyme Glucose oxidase ITO Indium tin oxide Indi Thiếc Oxide

RE Reference Electrode Điện cực so sánh SEM Scanning Electronic

Microscope Hiển vi điện tử quét XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X WE Working Electrode Điện cực làm việc

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Bảng 3.2. So sánh nồng độ glucose giữa mẫu đo tại bệnh viện và mẫu đo từ điện

cực NiO/ITO của huyết thanh người ... 45

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

vii

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1. 1. Sơ đồ cảm biến sinh học ... 4

Hình 1. 2. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến glucose ... 8

Hình 1. 3. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực ... 15

Hình 2. 1. mơ tả q trình thiết lập chương trình để lắng đọng điện hóa Ni lên đế ITO ... 19

Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc hệ đo SEM ... 20

Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS ... 22

Hình 2. 4. Nhiễu xạ tia X theo mơ hình Bragg ... 23

Hình 2. 5. Chương trình đo CV của điện cực ... 24

Hình 3. 1. Ảnh SEM của NiO trên đế ITO ... 25

Hình 3. 2. Giản đồ XRD của NiO trên đế ITO ... 26

Hình 3. 3. Phổ EDS của NiO trên đế ITO ... 27

Hình 3. 4. Quá trình quét CV của đế ITO trong dung dịch NiSO4 0,1 M và

Hình 3. 9. Phương pháp BS-CV theo chiều quét dương của điện cực NiO/ITO trong NaOH 0,25 M đối với nồng độ glucose khác nhau ... 33

Hình 3. 10. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO trong NaOH 0,25 M đối với nồng độ glucose khác nhau ... 33

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

viii

Hình 3. 11. Phương pháp BS-CV theo chiều quét dương của điện cực NiO/ITO đối với 1 mM glucose trong các nồng độ NaOH khác nhau ... 34 Hình 3. 12. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO đối

với 1 mM glucose trong các nồng độ NaOH khác nhau ... 35 Hình 3. 13. Sự phụ thuộc của thế pic EP1 theo pOH của điện cực đối với 1 mM

glucose trong môi trường chất điện li NaOH nồng độ khác nhau .. 36 Hình 3. 14. Sự phụ thuộc của thế pic EP2 theo pOH của điện cực đối với 1 mM

glucose trong môi trường chất điện li NaOH nồng độ khác nhau .. 36 Hình 3. 15. Sự phụ thuộc của thế pic EN1 theo pOH của điện cực đối với 1 mM

glucose trong môi trường chất điện li NaOH nồng độ khác nhau .. 37 Hình 3. 16. Sự phụ thuộc của thế pic EN2 theo pOH của điện cực đối với 1 mM

glucose trong môi trường chất điện li NaOH nồng độ khác nhau .. 37 Hình 3. 17. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO đối

với nồng độ glucose 10-700 M trong NaOH 0,1 M ... 38 Hình 3. 18. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO đối

với nồng độ glucose 1000-10000 M trong NaOH 0,1 M ... 39 Hình 3. 19. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO đối

với nồng độ glucose 10 M trong NaOH 0,1 M ... 39 Hình 3. 20. Đường chuẩn sự phụ thuộc mật độ dịng pic oxi hóa glucose (EN1)

trong NaOH 0,1 M đối với nồng độ glucose khác nhau ... 40 Hình 3. 21. Phương pháp BS-CV theo chiều quét dương của điện cực NiO/ITO

trong NaOH 0,1 M đối với glucose 5 mM và mẫu thật 8,7 mM ... 42 Hình 3. 22. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm của điện cực NiO/ITO trong

NaOH 0,1 M với glucose 5 mM (4 lần) và mẫu thật 8,7 mM ... 43 Hình 3. 23. Phương pháp BS-CV theo chiều quét âm để xác định glucose trong

các mẫu thật khác nhau ... 44

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

MỞ ĐẦU

Theo báo cáo trên trang web của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) vào tháng 5 năm 2020 trên toàn thế giới về bệnh tiểu đường đã thống kê cho thấy số người bị mắc bệnh tiểu đường tăng từ 108 triệu người vào năm 1980 lên đến 422 triệu người năm 2014. Tỉ lệ người trưởng thành trên 18 tuổi tăng từ 4,7 % năm 1980 lên đến 8,5% năm 2014. Tỉ lệ bệnh tiểu đường ở các nước thu nhập thấp và trung bình tăng nhanh hơn so với các nước thu nhập cao. Bệnh tiểu đường là nguyên nhân chính gây ra các bệnh mù lịa, suy thận, đau tim, đột quy và cụt chi dưới. Năm 2016, ước tính có 1,6 triệu ca tử vong trực tiếp do bệnh tiểu đường. Một con số khác là 2,2 triệu ca tử vong là do đường huyết cao vào năm 2012. Một nửa số ca tử vong là do đường huyết cao xảy ra trước 70 tuổi. WHO ước tính rằng bệnh tiểu đường là nguyên nhân gây ra tử vong hàng thứ bảy trong năm 2016. Do đó, một chế độ dinh dưỡng lành mạnh, hoạt động thể chất thường xuyên, duy trì trọng lượng cơ thể bình thường và tránh sử dụng thuốc lá là những cách ngăn ngừa và hoặc trì hỗn sự khởi phát của bệnh tiểu đường loại 2. Bệnh tiểu đường có thể được điều trị và hậu quả của nó có thể được tránh hoặc trì hỗn bằng chế độ ăn uống, tập thể dục thể thao, uống thuốc, sàng lọc và điều trị thường xuyên cho các biến chứng. Do đó, phát hiện sớm bệnh tiểu đường đóng một vai trò quan trọng trong những biến chứng của bệnh tiểu đường. Bệnh tiểu đường liên quan đến nồng độ glucose trong máu, khi nồng độ glucose trong máu cao bất thường là dấu hiệu của bệnh tiểu đường. Vì thế, xác định nồng độ glucose trong máu là một trong những phương pháp hữu hiệu trong chẩn đoán bệnh tiểu đường. Một trong những phương pháp xác định nồng độ glucose trong máu là phương pháp trắc quang, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi thiết bị cồng kềnh, và chỉ được đặt cố định trong bệnh viện.

Cảm biến điện hóa là một trong những phương pháp hữu hiệu trong việc phát hiện glucose trong mẫu bởi độ nhạy cao, dễ chế tạo và có thể chế tạo thành thiết bị cầm tay thuận tiện trong chẩn đoán tại nhà. Cảm biến điện hóa sử dụng

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

các vật liệu có hoạt động xúc tác điện hóa mạnh như các kim loại quý, kim loại chuyển tiếp như Cu, Ni và các oxit của chúng, tuy nhiên trong số đó thì kim loại NiO là một trong những vật liệu được quan tâm nhiều bởi dễ chế tạo, rẻ tiền, độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp đặc biệt vật liệu có cấu trúc nano. Do đó, đề

tài này chúng tôi tiến hành “CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC DỰA TRÊN VẬT LIỆU NANO NiO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE”

với mục tiêu:

1- Chế tạo thành công vật liệu điện cực dựa trên vật liệu NiO có cấu trúc nano (NiO nanoparticles: NiO NPs)

2- Khảo sát tính chất điện hóa của điện cực đối với glucose trong các môi trường điện li khác nhau

3- Giải thích vai trị của cặp oxi hóa khử trung gian trên bề mặt điện cực đối với quá trình oxi hóa glucose tại điện cực.

4- Ứng dụng điện cực trong việc xác định glucose trong mẫu huyết

thanh người.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Cảm biến sinh học glucose

1.1.1. Khái niệm cảm biến sinh học glucose

1.1.1.1. Khái niệm

Cảm biến glucose là thiết bị dùng để xác định nồng độ glucose trong dung dịch. Glucose được xác định bằng cách chuyển thành tín hiệu đo được.

Cảm biến sinh học glucose được dựa trên điện cực enzyme. Tuy nhiên, ngày nay, nghiên cứu đã được mở rộng hướng tới việc cảm biến glucose không dùng enzym từ các vật liệu mới, thường có cấu trúc micro hoặc nano, có các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cảm biến sinh hóa điện hóa. Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu bao gồm các kim loại quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polymer, v.v được nghiên cứu như là chất xúc tác điện hóa đối với q trình oxi hóa glucose.

1.1.1.2. Các thành phần chính của cảm biến sinh học

Một bộ cảm biến sinh học thường gồm một thành phần là chất nhận sinh học, một thành phần là bộ chuyển đổi sinh học và hệ thống điện tử bao gồm bộ phận khuếch đại tín hiệu, bộ xử lý và hiển thị. Thành phần chất nhận, thường gọi là chất nhận sinh học, sử dụng những phân tử sinh học từ cơ quan sinh học hoặc mô phỏng hệ thống sinh học để tương tác với chất cần phân tích. Sự tương tác này được đo bởi bộ chuyển đổi sinh học mà đầu ra là tín hiệu có thể đo được tỉ lệ với lượng của chất cần phân tích trong mẫu.

a) Chất nhận sinh học

Chất nhận sinh học (bioreceptor) được thiết kế để liên kết với chất phân tích đặc hiệu để tạo ra tín hiệu có thể đo được thơng qua bộ chuyển đổi (transducer). Dựa vào chất nhận sinh học, cảm biến sinh học có thể được phân loại thành:

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

kháng thể/kháng nguyên, enzyme, axit nucleic/DNA, cấu trúc tế bào/tế bào, hoặc vật liệu phỏng sinh học.

b) Bộ chuyển đổi

Cảm biến sinh học cũng được phân loại dựa vào bộ chuyển đổi tín hiệu như tín hiệu điện, quang, hiệu ứng áp điện, trọng lực, hiệu ứng nhiệt điện. Chất được gắn trên bộ phận chuyển đổi được gọi là “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tích trong mẫu được gọi là “phần tử đích”. Nhờ đó cảm biến sinh học cũng được phân loại thành cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học quang hóa, cảm biến sinh học trọng lực, v.v. Sự phân loại cảm biến được thể hiện trong Hình 1.1. Trong đề tài này, cảm biến chúng tơi lựa chọn là cảm biến điện hóa.

Hình 1. 1. Sơ đồ cảm biến sinh học

1.1.2. Các thế hệ cảm biến điện hóa glucose

Cảm biến điện hóa glucose dựa trên điện cực enzyme xúc tác cho q trình oxi hóa glucose để tăng tốc độ phản ứng tại điện cực và khi đó glucose dễ dàng được phát hiện trong sự có mặt của nhiều chất nhiễu khác. Tùy thuộc vào cách phản ứng của glucose tại điện cực, cảm biến sinh học glucose được phân loại theo các thế hệ khác nhau: thế hệ thứ nhất, thế hệ thứ hai, thế hệ thứ ba và thế hệ thứ tư (cảm biến glucose không dùng enzyme).

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

1.1.2.1. Cảm biến glucose thế hệ thứ nhất

Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzyme lần đầu tiên được chế tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyons, trong đó enzyme GOx được cố định lên điện cực oxi thông qua màng bán thấm. Sự giảm nồng độ oxi tỉ lệ với nồng độ glucose. Hai nhà khoa học Updike và Hicks đã đơn giản hóa sự phân tích điện hóa glucose bằng cách duy trì ổn định enzyme GOx. Họ cố định GOx trong tấm gel polyacryamide trên điện cực oxi và sau đó đo nồng độ glucose [10].

Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất được dựa trên việc sử dụng chất nền oxi tự nhiên và đo nồng độ H2O2 tạo ra. Nguyên tắc của phương pháp là H2O2 sinh ra bị oxi hóa hoặc khử tại điện cực theo các phương trình sau:

H2O2 → 2H+ + 2O2 + 4e (dòng catot) H2O2 + 2H+ + 2e → 2H2O (dòng anot).

Phương pháp trên khá đơn giản, tuy nhiên có nhược điểm do ảnh hưởng của oxi hịa tan trong dung dịch và H2O2 sinh ra bị oxi hóa ở thế rất dương hoặc bị khử ở thế rất âm nên ảnh hưởng của chất nhiễu là rất đáng kể. Do đó để có độ chọn lọc cao thì phải chọn thế thấp, tuy nhiên khi đó độ nhạy là rất thấp.

1.1.2.2. Cảm biến glucose thế hệ thứ hai

Do sự phụ thuộc vào oxi trong cảm biến thế hệ thứ nhất nên cần phải có chất đi cùng khác thay thế cho oxi, chúng được gọi là chất khử trung gian, thuận lợi cho quá trình chuyển electron từ enzyme đến bề mặt điện cực làm việc [25]. Loại cảm biến này được gọi là cảm biến glucose thế hệ thứ hai. Kết quả là thế áp vào phụ thuộc vào thế của cặp oxi hóa khử của chất trung gian:

Glucose + GOx (Ox) → Axit gluconic + GOx (Khử)

GOx (Khử) + 2 M(Ox) → GOx (Ox) + 2M(Khử) + 2H+

2M (Khử) → 2M (Ox) + 2e

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Vòng chuyển đổi chất trung gian như vậy sẽ sinh ra một dòng phụ thuộc vào nồng độ của glucose. Một số lượng lớn các chất trung gian như: ferrocenes (C10H10Fe), ferricyanide ([Fe(CN)63-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp. Trong số đó, ferrocenes đáp ứng được tất cả các tiêu chí của một chất trung gian như không phản ứng với oxi, duy trì ổn định cả ở dạng khử hay dạng oxi hóa, khơng phụ thuộc vào pH, phản ứng nhanh với enzyme. Trong những năm 80, việc ứng dụng các chất trung gian trong cảm biến sinh học glucose và đưa các sản phẩm thương mại để đo nồng độ glucose trong máu được đẩy mạnh và đã mang lại nhiều dấu ấn đáng kể [25]. Máy đo nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc. Dựa trên enzyme Glucose dehydrogenase Pyrroloquinoline Quinone (GDH-PQQ) và chất trung gian ferrocene [18]. Thành công này đã dẫn tới cuộc cách mạng trong y học cho các bệnh nhân bị tiểu đường.

1.1.2.3. Cảm biến glucose thế hệ thứ ba

Khác với cảm biến glucose thế hệ thứ hai, nguyên tắc hoạt động của cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba dựa trên sự truyền electron trực tiếp giữa enzyme và điện cực mà không cần sự có mặt của chất trung gian. Thay vì sử dụng chất trung gian có độc tính cao, điện cực cảm biến thế hệ thứ ba có thể trao đổi electron trực tiếp bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn điện hữu cơ [34]. Bởi vậy, thế hệ cảm biến glucose thế hệ thứ ba đã dẫn đến sự ra đời của các thiết bị cấy ghép cải tiến trong việc xác định nồng độ glucose trong máu.

Glucose + GOx(Ox) → Axit gluconic + GOx (Khử)

Tuy nhiên, chỉ có một vài enzyme trong đó có peroxidase thể hiện được đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thơng thường. Ngồi ra, cịn có nhiều cách tiếp cận khác trong việc khảo sát sự truyền electron trực tiếp ở cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba như sử dụng: GOx/polypyrole hay kim cương

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

biến tính boron [41]. Những khó khăn trên là do trung tâm oxi hóa khử của enzyme được bao phủ bên ngoài bởi lớp protein dày. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu nano và xốp đã làm tăng diện tích bề mặt của điện cực [41]. Vật liệu xốp trên bề mặt điện cực có khả năng bẫy các enzyme vào đó để enzyme có thể truyền điện tử trực tiếp với điện cực. Mặc dù có độ nhạy, độ chọn lọc cao nhưng cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba vẫn phải đối diện với thuộc tính cố hữu của nó, đó là việc sử dụng enzyme. Với bản chất tự nhiên của enzyme là kém bền, cần bảo quản và vận hành ở nhiệt độ thấp và enzyme dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo.

1.1.2.4. Cảm biến glucose thế hệ thứ tư

Việc sử dụng điện cực không dùng enzyme đối với cảm biến glucose được xem như là cảm biến glucose thế hệ thứ tư trong đó glucose bị oxi hóa trực tiếp tại điện cực. Cảm biến glucose thế hệ thứ tư đã khắc phục được nhiều những vấn đề gặp phải đối với cảm biến glucose sử dụng enzyme. Tuy nhiên, đó chọn lọc kém và động học của q trình oxi hóa glucose chậm tại nhiều điện cực “trần”, sự gây nhiễu đối với điện cực của những phân tử trong mẫu thật. Do đó, các vật liệu khác nhau dùng để biến tính điện cực đã được nghiên cứu bao gồm các kim loại quý (Pt, Au) [20], các kim loại chuyển tiếp (Co, Ni, Cu) [20] [6], oxit kim loại (CuO, NiO, CuS) [15], hợp kim (PtPb, PtRu) [40] [9], phức chất (Coban phthalocyanine) và cacbon (dựa trên carbon nanotube, kim cương biến tính boron).

Cơ chế của quá trình xúc tác của điện cực phụ thuộc vào tâm của kim loại chuyển tiếp. Chất phân tích được hấp phụ lên bề mặt điện cực thông qua liên kết gây bởi electron d và obitan d của kim loại trên bề mặt điện cực [5].

Tuy nhiên điện cực độ ổn định không cao, dễ bị độc bởi môi trường và đặc biệt các oxi kim loại chuyển tiếp bị ảnh hưởng mạnh bởi ion chloride. Do đó,

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

hiện nay các vật liệu oxit kim loại được quan tâm nhiều đặc biệt các oxit của đồng và niken như CuO và NiO.

Như vậy, có bốn thế hệ cảm sinh học điện hóa glucose. Cơ chế phản ứng của glucose đối với điện cực của các thế hệ cảm biến glucose được tóm tắt trên Hình 1.2.

Hình 1. 2. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến glucose

1.1.3. Cảm biến glucose dựa trên kim loại Cu và Ni

Cảm biến glucose dựa trên kim loại chuyển tiếp như Ni, Cu rất nhiều các nhà khoa học vật liệu được quan tâm [29]. Như đã làm sáng tỏ trong oxi hóa glucose trực tiếp qua các trung tâm oxi hóa khử kim loại, cơ chế của quá trình oxi hóa glucose trong chất xúc tác kim loại chuyển tiếp bao gồm các phản ứng

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

oxi hóa khử giữa các oxit kim loại có số oxi hóa thấp hơn và cao hơn [7]. Ví dụ, trong các điện cực dựa trên niken, các dạng oxi hóa khử Ni(II)(OH)2 và Ni(III)OOH (thường được viết là Ni(II)/Ni(III)) được coi là trung tâm phản ứng của q trình oxi hóa glucose. NiOOH bị khử thành Ni(OH)2 trong q trình oxi hóa glucose thơng qua phản ứng chuyển hóa ngun tử hydro của C-1. Chất trung gian gốc dehydro hóa tiếp tục được oxi hóa thành glucono-D-lactone và cuối cùng thành axit gluconic bằng cách thủy phân. Sự trùng nhau giữa pic anot của các kim loại chuyển tiếp và q trình oxi hóa glucose cho thấy sự hỗ trợ của trung tâm kim loại chuyển tiếp trong quá trình này [24]. Khi thêm glucose vào, dòng điện anot của oxit kim loại ở thế oxi hóa tăng lên trong khi pic catot khơng đổi. Điều này cho thấy rằng một số oxit kim loại có số oxi hóa cao hơn được hình thành ở thế anot dễ dàng bị khử thành các oxit thấp hơn dưới sự có mặt của glucose, oxi hóa nó thành gluconolactone. Mặt khác, dịng điện catot khơng đổi vì tổng lượng oxit kim loại cao hơn tiếp xúc trên bề mặt bị giới hạn bởi diện tích bề mặt điện cực.

Trong số nhiều kim loại chuyển tiếp, điện cực kim loại và oxit kim loại gốc Cu-, Ni- và Co- thu hút nhiều nhà nghiên cứu quan tâm bởi hiệu suất xúc tác tốt của chúng. Đặc biệt, niken là chất xúc tác kim loại chuyển tiếp được tập trung nghiên cứu nhiều nhất, và có nhiều dạng khác nhau như Ni [13], NiO [8], Ni(OH)2 [16] và phức hữu cơ kim loại Ni [23]. Chất nền dẫn điện bằng kim loại hoặc cacbon thường được sử dụng do tính dẫn điện thấp của nhiều oxit kim loại chuyển tiếp. Như đã đề cập ở trên, cặp oxi hóa khử Ni là Ni(II)/Ni(III). Bất kể dạng tổng hợp ban đầu là gì, bề mặt của điện cực cuối cùng được chuyển thành cặp oxi hóa khử Ni(OH)2/NiOOH trong q trình điện phân. Như ví dụ, NiO được sử dụng rộng rãi được kích hoạt bởi OH- trong dung dịch thành dạng Ni(OH)2 [8]. Chất xúc tác dựa trên Ni tạo ra dòng oxi hóa từ sự chuyển đổi Ni2+/Ni3+ giữa các thế +0.2 ~ +0.4 V (so với Ag/AgCl), ở quá trình oxi hóa glucose cũng diễn ra [8].

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

[Ni(II)2(OH)6(OH2)3]n2+ 3nOH− → [Ni(III)2O3(OH)3(OH2)3]n3−+ 3nH2O + 2ne− 2Ni(III) + glucose → 2Ni(II) + Gluconolactone

Cảm biến glucose dựa trên kim loại chuyển tiếp có một số lợi thế so với các vật liệu xúc tác khác ở chỗ chúng kinh tế, có sẵn trong nhiều cấu trúc và hình thái nano, có khả năng chống lại các chất nhiễu như Cl-, và có tính chọn lọc cao đối với glucose, hoạt động tốt trong dung dịch kiềm. Mặc dù có những ưu điểm này, hầu hết các oxit kim loại chuyển tiếp có tính dẫn điện khơng tốt địi hỏi chất nền dẫn điện và khả năng oxi hóa glucose khơng hiệu quả trong điều kiện trung tính. Hơn nữa, chúng có phạm vi tuyến tính hẹp, thấp hơn mức đường huyết trung bình (3-8 mM) và cần pha loãng mặc dù độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp. Các chất xúc tác dựa trên kim loại chuyển tiếp cũng cho thấy hiệu suất phản ứng chiển hóa oxi cao [36], gây ra dịng điện nền cao gần thế oxi hóa glucose, dẫn đến có thể hiểu sai kết quả đo được.

1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1. Các nghiên cứu ngồi nước

Những năm gần đây, cảm biến glucose khơng dùng enzyme là một chiến lược hấp dẫn mang lại cơ hội cho các nhà khoa học vật liệu, có thể tiến hành thảo luận về cảm biến glucose không dùng enzyme với các quan điểm đa dạng tùy thuộc vật liệu hoặc cơ chế mà được sử dụng trong cảm biến.

Park và cộng sự [31] so sánh động học của q trình oxi hóa glucose tại điện cực Pt trung tính làm kết tủa bằng điện hóa và điện cực thanh Pt có bề mặt nhẵn. Họ quan sát thấy rằng độ nhạy thể hiện qua pic oxi hóa glucose tăng lên tại điện cực có cấu trúc nano. Khi thế cao đủ để điều khiển quá trình khuếch tán cho đến khi nồng độ glucose tại bề mặt điện cực bằng không. Đặc biệt trên điện cực nanoporous (cấu trúc xốp nano), quá trình này chỉ diễn ra trong vòng vài mili giây.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Soumabha Bag và cộng sự [6] đã sử dụng vật liệu Ni60Nb40 trong cảm biến glucose không sử dụng enzyme. Bài báo cho thấy khả năng cảm biến glucose của các hợp kim vô định hình niken-niobi (Ni60Nb40) trong mơi trường kiềm. Ba hệ vật liệu khác nhau có cùng thành phần nguyên tố nhưng cấu trúc khác nhau được tổng hợp và nghiên cứu khả năng phản ứng của glucose tại các điện cực. Trong số các vật liệu được tổng hợp gồm vật liệu ruy băng nóng chảy (melt spun ribon), nano thủy tinh (nanoglass), vật liệu composite tinh thể - vơ định hình (amorphous–crystalline nanocomposite materials) thì vật liệu nano thủy tinh cho kết quả tốt nhất với mật độ dòng anot cao và độ nhạy cao (20 mAcm-2mM-1), giời hạn đo 100 nM, độ ổn định, độ lặp lại cao. Dựa trên mơ hình chất trung gian hydrous oxide (IHOAM), cơ chế oxi hóa glucose được cung cấp nhưng cần phải hiểu thêm về cấu trúc để thiết lập nó. Với giới hạn phát hiện là 100 nM, vật liệu nano thủy tinh đã được chứng minh là một vật liệu độc đáo, có cấu trúc nano và phối tử trống để thiết kế cảm biến glucose không dùng enzym trong tương lai.

Natasha Singer và cộng sự [35] đã chế tạo điện cực dựa trên cấu trúc nano của NiO ứng dụng trong cảm biến glucose. Các điện cực Niken (Ni) và Niken Oxit (NiO) có cấu trúc nano được chế tạo trên lá Ni bằng kỹ thuật Glancing Angle Deposition (GLAD). Trong các điều kiện tối ưu về nồng độ NaOH và điện thế (~ 0,50 V so với Ag/AgCl), điện cực GLAD hoạt động tốt hơn so với điện cực lá Ni trần, với điện cực GLAD cho thấy độ nhạy vượt trội (4400 μA mM-1

cm-2 ), giới hạn phát hiện vượt trội (7 nM) và khoảng phát hiện rộng (0,5 μM – 9 mM), với độ chọn lọc và khả năng tái tạo cao. Dựa trên hiệu suất của chúng ở nồng độ thấp, các điện cực GLAD NiO cũng được sử dụng để định lượng glucose trong nước tiểu người và mẫu mồ hơi có mức glucose thấp hơn đáng kể so với máu. Các điện cực GLAD cho thấy phản ứng không đáng kể với các chất nhiễu trong phép đo glucose (axit uric, dopamine, serotonin và axit ascorbic), và chúng không bị nhiễm độc bởi lượng natri clorua cao.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Warakorn Limbut [22] đã nghiên cứu “Ứng dụng vật liệu nano để phát triển cảm biến glucose Enzyme và cảm biến glucose không dùng Enzyme”. Kết quả cho thấy các vật liệu nano đã cải thiện hiệu suất của cảm biến. Tức là nó có độ nhạy và độ đặc hiệu cao hơn. Tăng giới hạn đo cho giá trị phản hồi tín hiệu nhanh, các điện cực có độ ổn định cao, có thể được sử dụng để đo các mẫu huyết và chính xác. Ngồi ra, người ta thấy rằng Glucose khơng chứa enzyme có một quy trình đơn giản hơn để điều chỉnh các điện cực. Nó có giá trị phản hồi nhanh hơn (Ít hơn 1-7 giây và 5-20 giây tương ứng khi không sử dụng và sử dụng enzyme) và điện cực không sử dụng enzyme ổn định hơn loại sử dụng enzyme.

1.2.2. Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, từ năm 1997, GS.TS Nguyễn Văn Hiệu đã phát động nghiên cứu về nano và đây được coi là dấu mốc cho nghiên cứu phát triển công nghệ cao tại Việt Nam, trong đó lĩnh vực cảm biến sinh học là một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng. Cảm biến sinh học là một trong những sản phẩm được khuyến khích phát triển, các hướng nghiên cứu ứng dụng vi lưu (microfluidic) trong lọc tách tế bào, khuếch đại DNA; tích hợp vi lưu với cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu nano cho chẩn đốn cận lâm sàng và lâm sàng; kiểm sốt mơi trường và an toàn thực phẩm đã được đề xuất và nhận được sự tài trợ thông qua các chương trình và đề tài nghiên cứu [3].

Tuy điều kiện nguồn lực còn hạn chế, một số kết quả nghiên cứu, chế tạo cảm biến sinh học được thực hiện tại Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS); Phịng thí nghiệm trọng điểm về công nghệ nano (LNT) và Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (IMS) đã cho những kết quả rất đáng khích lệ. Tại ITIMS và LNT, với việc sở hữu phịng sạch, hai đơn vị này có thế mạnh trong triển khai nghiên cứu các linh kiện điện tử trong chế tạo cảm biến như cảm biến nhạy ion hiệu ứng trường (ISFET), cảm biến dựa trên cấu trúc kim loại - oxit - bán dẫn hiệu ứng trường (MOSFET), cảm

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

biến hiệu ứng trường dùng ống cacbon nano (CNT FET) [32]. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cơng nghệ và tối ưu quy trình chế tạo phần cứng, từ đó nâng cao hiệu năng của cảm biến.

Tại Viện Khoa học vật liệu, một số kết quả nổi bật đã được công bố trên nhiều tạp chí khoa học trong và ngồi nước với chỉ số trích dẫn cao. Các nghiên cứu tiếp cận xu thế thế giới với hướng phát triển cảm biến điện hóa tích hợp dạng chuỗi trên cơ sở vật liệu tiên tiến như polyme dẫn điện cấu trúc nano kết hợp các vật liệu nano như ống nano cacbon, graphen, hạt nano oxit sắt từ. Các nghiên cứu tập trung vào các vấn đề có tính mới và tính thời sự. Đó là cảm biến DNA xác định vi rút HIV [11], vi rút bệnh lao [28], cảm biến aptamer xác định vi rút HPV gây ung thư cổ tử cung [12], cảm biến micro ARN xác định ung thư tiền liệt tuyến [37], xác định độc tố aflatoxin M1 trong sữa [26], cảm biến miễn dịch xác định chọn lọc dư lương thuốc trừ cỏ atrazin [38], cảm biến enzyme xác định glucose, lactose và cholesterol [38] [27]. Cảm biến điện hóa glucose khơng sử dụng enzyme dựa trên điện cực NiO, CuO, Cu2O, CuS v.v bởi các tác giả với số lượng nghiên cứu khác nhau.

Nguyễn Xuân Việt và Takamura [39] đã nghiên cứu cảm biến không sử dụng enzyme dựa trên nền hạt nano Au biến tính hệ ba điện cực thu nhỏ (miroelectrode). Các hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa điện hóa trên bề mặt của hệ ba điện cực thu nhỏ (SPCE). Sự kết hợp của hạt nano vàng với hệ ba điện cực thu nhỏ làm cho cảm biến trở nên nhỏ gọn, giá thành rẻ và có thể hiện thực việc đo đường huyết trong thực tế. Trong nghiên cứu này hạt nano có kích thước cỡ 50 nm được kết tủa điện hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực từ dung dịch axit vàng, HAuCl4. Hạt nano vàng biến tính bề mặt hệ ba điện cực thu nhỏ đã thành công trong việc xác đinh glucose. Cảm biến glucose không sử dụng enzyme này có khoảng hoạt động tuyến tính rộng từ 0,5 mM tới 8,5 mM và độ nhạy 9,12 µA/mA.cm-2 với giới hạn phát hiện đạt 200 µM.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Lê Thị Mai Ngân [4] đã nghiên cứu chế vật liệu Cu2O bằng phương pháp điện hóa và ứng dụng trong cảm biến Glucose. Tính chất điện hóa của điện cực Cu2O/ITO đối với glucose trong môi trường NaOH 0,1 M được đo bằng phương pháp quét thế vòng và định lượng glucose bằng phương pháp amperometric tại thế 0,5 V (so với Ag/AgCl). Kết quả sai lệch của cảm biến dựa trên điện cực Cu2O/ITO so với mẫu máu được đo tại bệnh viện cho thấy có cả sai số âm và sai số dương tức là đo bằng điện cực Cu2O/ITO cho kết quả lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với đo bằng thiết bị tại bệnh viên cho thấy tính chất ngẫu nhiên của phép đo. Thêm vào đó, sai số nhỏ hơn 10% nên bước đầu điện cực có thể hứa hẹn được

sử dụng để đo trong mẫu thật.

Tại trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, nhóm nghiên cứu của thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Dũng và cộng sự gần đây đã công bố các bài báo: “Communication—A Simple Empirical Method for Determination of CuOOH/CuO Redox Couple in Electrochemical Nonenzymatic Glucose Sensing (Phương pháp thực nghiệm đơn giản để xác định cặp oxi hóa khử CuOOH/CuO trong cảm biến điện hóa glucose khơng có enzyme)” [15], “A cyclic voltage method for glucose electrochemical senser based on CuO/ITO electrode (Phương pháp quét thế vòng xác định nồng độ Glucose dựa trên điện cực cảm biến CuO/ITO)” [1] “A simple route for electrochemical glucose sensing using background current subtraction of cyclic voltammetry technique (Cảm biến điện hóa glucose bằng cách sử dụng phép trừ dòng nền từ q trình qt thế vịng)” [14], “Kĩ thuật chronoamperometry trong cảm biến glucose dựa trên điện cực CuO/ITO” [2], v.v. Những kết quả trên cho thấy hướng nghiên cứu về cảm biến glucose vẫn tiếp tục được quan tâm nghiên cứu với xu hướng tìm hiểu kĩ bản chất của các phản ứng glucose tại các điện cực dựa trên kim loại đồng và niken.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

1.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực đối với glucose

1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học

Hệ ba điện cực là một hệ điện hóa gồm điện cực làm việc, điện cực so sánh và điện cực đối, trong đó điện cực so sánh là điện cực có thế không đổi, ổn định thường được làm từ điện cực loại hai như điện cực Ag,AgCl/KCl (bão hòa) (trong đề tài này để đơn giản chúng tơi kí hiệu là Ag/AgCl), hoặc điện cực Calomen Hg,Hg2Cl2/KCl và một điện cực đối thường là điện cực trơ ví dụ như Platin hay vàng. Ba điện cực trên được kết nối với một bộ nguồn cấp thế và dịng có thể thay đổi được. Thiết bị này được kết nối với máy tính chứa phần mềm điều khiển. Sơ đồ hệ được thể hiện trên Hình 1.3.

Hình 1. 3. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực

Trước đây khi mới ra đời hệ chỉ có 2 điện cực là điện cực làm việc và điện cực so sánh, thế được đặt trên 2 điện cực đồng thời dùng cũng xuất hiện giữa hai điện cực. Nhược điểm của hệ 2 điện cực là dòng giữa 2 điện cực sẽ ảnh hưởng đến điện cực so sánh làm thay đổi thế của điện cực so sánh dẫn đến tín hiệu đo được bị nhiễu và khơng cịn chính xác. Hệ 3 điện cực được cải tiến dựa trên hệ hai điện cực, trong đó điện cực so sánh được tách thành 2 điện cực là điện cực so sánh và điện cực đối. Thế được điều khiển giữa 2 điện cực làm việc và điện cực so sánh trong khi đó dịng điện thì chạy giữa 2 điện cực làm việc và điện cực

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

đối. Vì vậy, dịng khơng ảnh hưởng gì đến thế của điện cực so sánh, điện cực so sánh sẽ ổn định hơn.

Hệ 3 điện cực có rất nhiều các phương pháp và các kỹ thuật đo khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu. Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic Voltametry Potentiostatic, Cyclic Voltametry Galvanostatic, vv; quét tuyến tính: Linear Sweep Voltammetry Potentiostatic, Linear Sweep Volammetry Galvanostatic, vv; Phương pháp cực phổ xung vi phân: Differential Pulse Voltametry; Phương pháp cực phố sóng vng: Square Wave Voltametry; các phương pháp khác như đo tổng trở; v.v.

1.3.2. Phương pháp quét thế vòng

Cyclic Voltammetry (CV) là một loại phương pháp điện hóa đo lường. Trong phép đo quét thế vòng, thế điện cực làm việc được tăng tuyến tính theo thời gian. Khi đạt được điện thế đã được đặt sẵn, điện thế của điện cực làm việc được chuyển theo hướng ngược lại để trở về điện thế ban đầu. Các chu kì đo có thể được lặp lại nếu cần. Dòng điện ở điện cực làm việc được đo theo điện áp đặt vào (nghĩa là điện thế của điện cực làm việc). Q trình qt thế vịng thường được sử dụng để nghiên cứu các tính chất điện hóa của chất phân tích trong dung dịch hoặc của một phân tử được hấp phụ lên điện cực.

Phương pháp đo này cho phép đặt lên điện cực nghiên cứu một điện thế có dạng xác định được quét theo hướng anot hoặc catot để quan sát dòng tương ứng. Trong phương pháp đo này, bề mặt điện cực phải được phục hồi trước khi đo, dung dịch khơng có sự khuấy trộn và sự chuyển khối theo sự khuếch tán. Đường cong phân cực là đường tuần hoàn biểu diễn mối quan hệ giữa mật độ dòng J và thế E. Đường cong phân cực vòng phụ thuộc vào việc lựa chọn dung môi chất

điện ly nền và bản chất điện cực.

Ưu điểm của phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi cho để kiểm tra đặc tính khử oxi hóa ban đầu của một phân tử (các thế oxi hóa khử, và sự ổn định

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

của các trạng thái oxi hóa khác); độ nhạy, độ chính xác cao, phân tích đơn giản; khả năng lặp lại, chi phí vừa phải; kỹ thuật phân tích khơng q phức tạp. Bên cạnh đó cũng có những nhược điểm như: các hiệu ứng chuyển electron không đồng nhất và phản ứng hóa học khơng thể tách rời. Nếu cả 2 ảnh hưởng cùng xuất hiện thì các hằng số tốc độ của các q trình này chỉ có thể được tính tốn

bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng.

1.3.3. Phương pháp amperometry

Phương pháp Amperometry (AP) đo dòng theo thời gian là một phương pháp của phân tích điện hóa, trong đó tín hiệu ở đầu ra là dòng khi áp một thế cố định lên điện cực. Dòng này phụ thuộc vào nồng độ nhất định của chất cần phân tích. Trong quá trình hoạt động của cảm biến các phản ứng oxi hóa- khử sẽ xảy ra trên bề mặt điện cực, các electron di chuyển từ dung dịch tới điện cực làm việc hoặc ngược lại. Hướng di chuyển của các electron phụ thuộc vào bản chất của chất cần phân tích và được kiểm sốt bởi điện áp đặt vào hệ. Phương pháp đo dịng được thực hiện trên hệ điện hóa được thiết lập gồm hai hay ba điện cực. Trong phương pháp đo này, dung dịch được khuấy liên tục nhằm loại bỏ dòng khuếch tán.

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

- Đế dẫn điện: Indium tin oxide (ITO) trên đế thủy tinh - Nước cất 2 lần; huyết thanh lấy từ bệnh viện.

2.1.2. Dụng cụ

- Máy điện hóa Autolab PGSTAT 302 N, phần mềm Nova 2.0

- Lò ủ, tủ hút ẩm NDBON, đồng hồ vạn năng, thước kẹp điện tử, băng dính chịu nước, keo epoxy.

- Bình định mức, pipet, micropipette, cốc thủy tinh, cân, kẹp và một số dụng cụ khác.

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

2.2. Chế tạo điện cực hạt nano NiO trên đế ITO

1) Cắt đế ITO có kích thước 0,5×2 (cm), đo bề mặt dẫn bằng đồng hồ vạn năng và dùng băng dính (loại khơng dính ướt) cố định 1 diện tích 0,5×0,5 cm (phần cịn lại che bằng băng dính, để hở phía trên để kẹp điện cực).

2) Pha 100 mL dung dịch hỗn hợp NiSO4 0,1 M + Na2SO4 0,1 M trong 1 bình định mức (100 mL).

3) Hút 25 mL dung dịch hỗn hợp NiSO4 0,1 M và Na2SO4 0,1 M vào cell (cốc đi với máy Autolab), rồi lắp cốc lên giá.

4) Kết nối hệ điện cực với máy, trong đó điện cực ITO đóng vai trị là làm việc.

5) Tiến hành lắng đọng điện hóa ở thế khơng đổi.

6) Rửa điện cực sau điện phân (NiO/ITO) bằng nước cất, rồi để khơ.

7) Cho vào lị ủ 400 ⁰C trong thời gian 2 giờ và sẵn sàng dùng để khảo sát tính chất điện hóa của điện cực đối với glucose trong các dung dịch NaOH.

Hình 2. 1. mơ tả q trình thiết lập chương trình để lắng đọng điện hóa Ni lên đế ITO

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

2.3. Xác định hình thái, cấu trúc của vật liệu

2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét

Hiển vi điện tử là một thiết bị phân tích hiệu quả và chính xác được dùng để nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu trong các ngành khoa học vật

liệu, hóa học, sinh học, v.v. Cho đến nay, hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope: SEM) là loại thiết bị phổ biến nhất bởi SEM cho ảnh có độ phân

giải, độ tương phản cao, dễ phân tích, đồng thời có thể sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố của vật liệu.

Các bộ phận chính của SEM gồm: nguồn phát điện tử (súng phóng điện tử), hệ thống các thấu kính từ, buồng chân khơng chứa mẫu, bộ phận thu nhận tín hiệu detector (tùy từng loại mục đích phân tích, thơng thường là detector điện tử thứ cấp), thiết bị hiển thị. Các bộ phận khác: Nguồn cấp điện, hệ chân không, hệ thống làm lạnh, bàn chống rung, hệ thống chống nhiễm từ trường và điện trường.

Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc hệ đo SEM

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Nguyên lý hoạt động: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ hội tụ tại một diện tích rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu làm phát ra điện tử thứ cấp. Người ta bố trí detector để thu tín hiệu điện tử thứ cấp từ mẫu phát ra khi quét chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu và dùng tín hiệu này khuếch đại lên để điều khiển cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình quan sát. Giới hạn của độ phân giải hay khoảng cách tối thiểu d có thể phân biệt được theo Rayleigh tỷ lệ với bước sóng λ của tia chiếu tới d ~λ. Vì vậy tia điện tử có bước sóng ngắn vài chục nm tùy thuộc vào trường gia tốc sẽ cho độ phân giải của kính hiển vi điện tử cao hơn nhiều lần so với giới hạn của kính quang học.

Trong nghiên cứu của chúng tôi, điện cực NiO/ITO được cắt nhỏ, lấy phần diện tích bề mặt mẫu và đo trên hệ máy Jeol JSM6510LV tại Viện Vật liệu – Viện Hàn Lâm và Khoa học Việt Nam.

2.3.2. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X

Phổ tán xạ năng lượng tia X hay Phổ tán sắc năng lượng (Energy-dispersive X-ray spectroscopy: EDS or EDS) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).

Kỹ thuật EDS chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley: Tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thơng tin về các ngun tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Có nhiều thiết bị phân tích EDS nhưng chủ yếu EDS được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thơng tin về các nguyên tố cũng như thành phần.

Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lý của hệ ghi nhận tín hiệu phổ EDS

Mẫu nghiên cứu của chúng tôi cũng đo trên hệ máy Jeol JSM6510LV tại Viện Vật liệu – Viện Hàn Lâm và Khoa học Việt Nam cùng với kết quả đo SEM.

2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD) là một phương pháp không phá hủy, đã được sử dụng rộng rãi để đạt được thơng tin chính xác về các thuộc tính hóa lý của vật liệu. Xem xét phạm vi angstrom của bước sóng XRD và năng lượng cực đại của chúng để xuyên qua ở cấp độ nguyên tử. Phương pháp này dùng để phân tích pha: kiểu và lượng pha có mặt trong mẫu, ơ mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, sức căng cũng như phân bố electron. Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc có nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff – Bragg.

Theo Bragg, sự nhiễu xạ tia X được xem là sự giao thoa của các tia X phản xạ từ các mặt phẳng nút của mạng lưới tinh thể, trong mạng tinh thể các đơn vị

</div>