Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG
TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƢỚC ĐẦU
NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG GLUCOSE
TRONG MẪU THỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG
TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƢỚC ĐẦU
NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG GLUCOSE
TRONG MẪU THỰC

Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng

THÁI NGUYÊN - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng
dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định
hàm lượng glucose trong mẫu thực” là do bản thân tôi thực hiện. Các số
liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Nhung

Xác nhận

Xác nhận

của Trƣởng khoa chuyên môn

của giáo viên hƣớng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

TS. Nguyễn Quốc Dũng

i


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành TS. Nguyễn Quốc Dũng,
thầy giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo
Khoa Hóa học, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu
trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện
thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận
văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí
nghiệm Hoá lý - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
và các bạn đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Em
cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Bộ môn Vật lý Lý Sinh, Trường Đại học Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và
trang thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm.
Báo cáo này được sự hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của đề tài nghiên
cứu NAFOSTED mã số 103.02-2016.63 do TS. Nguyễn Quốc Dũng chủ trì.
Tôi xin trân thành biết ơn sự giúp đỡ to lớn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên
cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu
sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các
bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong
luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Hồng Nhung

ii


MỤC LỤC
Trang

Trang bìa phụ
Lời cam đoan ........................................................................................................ i
Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................... iii
Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt.................................................................. iv
Danh mục bảng biểu ............................................................................................ v
Danh mục các hình ............................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 3
1.1. Tổng quan về cảm biến sinh học glucose ..................................................... 3
1.2. Các thế hệ cảm biến glucose ........................................................................ 5
1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất ............................................... 5
1.2.2. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai ................................................. 6
1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba .................................................. 7
1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzim ............................................. 8
1.3. Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực ................................... 13
1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học .......................................................... 13
1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến
sinh học .............................................................................................................. 14
1.4. Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO ..... 16
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 18
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất .......................................................................... 18
2.1.1. Dụng cụ và thiết bị................................................................................... 18
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................... 18
2.1.3. Xử lý đế ITO ............................................................................................ 18
2.2. Điện phân tạo màng .................................................................................... 19
2.3. Khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu ......................................... 20
iii

2.3.1. Phương pháp quét điện tử bề mặt (SEM) ................................................ 20
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................ 21
2.3.3. Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) ................................. 22
2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose .... 23
2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch ................................................ 23
2.6. Nghiên cứu trên mẫu giả thực .................................................................... 23
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 25
3.1. Ảnh hưởng của dung dịch chất điện li đến quá trình điện phân tại
điện cực ITO ...................................................................................................... 25
3.2. Cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu ....................................................... 28
3.3. Ảnh hưởng của chất điện li nền dùng để chế tạo điện cực đến khả
năng phản ứng của glucose tại điện cực CuO/ITO............................................ 31
3.4. Ảnh hưởng của thế đến quá trình điện hóa ................................................. 36
3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình điện phân ..................................... 38
3.6. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li NaOH đến quá trình phản ứng
của glucose tại điện cực ..................................................................................... 40
3.7. Phương pháp chronoamperometry phân tích nồng độ glucose trong
dung dịch ........................................................................................................... 42
3.8. Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực ......................... 45
KẾT LUẬN....................................................................................................... 47
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 49
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................ 55
PHỤ LỤC

iv


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tên tiếng việt

Tên tiếng Anh

Viết tắt

Indi thiếc oxit

Indium Tin Oxide

ITO

Hiển vi điện tử quét bề mặt
Nhiễu xạ tia X
Phổ tán sắc năng lượng tia X

Scanning Electronic
Microscope
X-ray Diffraction

Energy-dispersive X-ray
spectroscopy

Trừ dòng nền

SEM
XRD
EDS
TDN

CuO được chế tạo từ dung dịch

CuO-C/ITO

CuSO4 0,1M
CuO được chế tạo từ dung dịch

CuO-H/ITO

CuSO4 0,1M; H2SO4 0,1M
CuO được chế tạo từ dung dịch

CuO-N/ITO

CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M
CuO được chế tạo từ dung dịch
CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M bằng

CuO-N-n/ITO

cách lắng đọng điện hóa ở các thế
0 đến n V

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 3.1. So sánh kết quả mẫu thực và đo từ điện cực CuO/ITO được chế tạo ... 46

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học ...................................................................... 4
Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7 ......................... 8
Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ được
đề xuất bởi Pletcher ............................................................................. 9
Hình 1.4. Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử và
M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa ................................... 10
Hình 1.5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân
thành axit gluconic ............................................................................ 11
Hình 1.6. Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO ................................................ 12
Hình 1.7. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose ................... 13
Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực ........................................................ 14
Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM)........................... 20
Hình 1.10. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể .................................. 21
Hình 2.1. Quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO ................................................ 23
Hình 3.1. Quá trình quét thế vòng của đế ITO từ +0,6 V đến -0,9 V với tốc
độ quét thế là 20 mV/s trong các dung dịch khác nhau: a) CuSO4
0,1M; b) CuSO4 0,1M; H2SO40,1M; c) CuSO4 0,1M;
H2SO40,1M; d) cả 3 đường trên cùng đồ thị ................................... 25
Hình 3.2. Sự phụ thuộc mật độ dòng theo thời gian của quá trình khử Cu 2+
tại điện cực từ các dung dịch chất điện li khác nhau ........................ 28
Hình 3.3. Ảnh SEM của CuO được chế tạo từ a) CuSO4 0,1M; b) CuSO4
0,1M; H2SO4 0,1M; c) CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M; d) so sánh
kích thước hạt CuO trong hình a, b và c .......................................... 29
Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của điện vật liệu CuO trên đế ITO...................... 30
Hình 3.5. Phổ EDS của CuO trên đế ITO.......................................................... 31

Hình 3.6. Quá trình quét thế vòng từ 0 – 0,8V với tốc độ quét thế 20 mV/s
của các điện cực a) CuO-C/ITO; b) CuO-H/ITO; c) CuO-N/ITO
khi không và có mặt glucose 1 mM trong dung dịch chất điện li
NaOH 0,1M....................................................................................... 32

vi


Hình 3.7. Quá trình trừ dòng nền theo chiều quét dương của quá trình quét thế
vòng đối với các điện cực CuO-C/ITO, CuO-H/ITO và CuO-N/ITO .. 34
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của mật độ dòng TDN vào nồng độ glucose của các
điện cực a) CuO-C/ITO, b) CuO-H/ITO, c) CuO-N/ITO trong môi
trường chất điện li NaOH 0,1M; d) mật độ dòng đỉnh của quá trình
oxi hóa glucose của các điện cực CuO/ITO vào nồng độ ................... 35
Hình 3.9. Dòng TDN của các điện cực CuO-N/ITO đối với các nồng độ
glucose khác nhau trong dung dịch điện li NaOH 0,1M của các
điện cực a) CuO-N-3/ITO, b) CuO-N-4/ITO, c) CuO-N-5/ITO, d)
CuO-N-6/ITO, và d) CuO-N-7/ITO và e) Sự phụ thuộc peak vào
nồng độ của các điện cực CuO-N/ITO ............................................... 37
Hình 3.10. Sự phụ thuộc thế oxi hóa vào nồng độ của các điện cực CuON/ITO ở các điều kiện chế tạo khác nhau ...................................... 38
Hình 3.11. Dòng TDN của các điện cực với thời gian điện phân khác nhau ........ 39
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li nền đối với quá trình phản
ứng glucose tại điện cực: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c)
NaOH 1M và d) sự phụ thuộc dòng TDN của điện cực và nồng
độ ở các nồng độ NaOH khác nhau. ............................................. 40
Hình 3.13. Sự phụ thuộc thế oxi hóa glucose vào nồng độ glucose ở 3 nồng
độ chất điện li NaOH là 0,01M; 0,1M và 1M ................................ 41
Hình 3.14. Dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO trong dung
dịch NaOH 0,1M khi không có và khi có mặt glucose 1 mM ....... 42
Hình 3.15. Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO

khi không có và khi có glucose 1 mM............................................ 43
Hình 3.16. Dòng chronoamperometry của điện cực đối với glucose nồng độ:
(a) từ 0 đến 2000 µM và (b) từ 0 đến 50 µM .................................... 44
Hình 3.17. Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry sau 20 giây của điện
cực đối với glucose ở nồng độ từ 5 µM đến 8 mM ........................ 45
Hình 3.18. Dòng chronoamperometry phụ thuộc vào nồng độ các mẫu
thực (*: chỉ các mẫu glucose trong nước)...................................... 45

vii


MỞ ĐẦU
Đái tháo đường hay còn gọi là bệnh tiểu đường là nhóm bệnh rối loạn
chuyển hóa cacbohydrat, mỡ và protein. Đây là nguyên nhân dẫn đến sự gia
tăng số ca tử vong do bệnh tật ở các nước phát triển, ước tính tại Mỹ có khoảng
20,4 triệu ca mắc bệnh đái tháo đường năm 2003 – 2006 [13], con số này được
dự đoán có thể tăng tới 48,3 triệu người vào năm 2050[35]. Tổ chức Y tế thế
giới cho biết, số người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới năm 2000
khoảng 171 triệu người và dự đoán sẽ tăng lên 366 triệu người vào năm 2030
[55]. Nguyên nhân chính của sự gia tăng nhanh chóng số ca mắc bệnh trên là
do lối sống ít vẫn động kết hợp với thói quen ăn uống dẫn đến tỷ lệ béo phì cao.
Đã có nhiều thí nghiệm được áp dụng trong việc chẩn đoán và theo dõi
triệu chứng của bệnh đái tháo đường.Trong đó, việc xác định nồng độ glucose
trong máu là một trong những công cụ hữu hiệu cung cấp các số liệu nhằm tối
ưu hóa hoặc thay đổi các phương thức điều trị cho phù hợp[28]. Để đáp ứng
yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị để đo nồng độ glucose đã được nghiên cứu,
chế tạo[5]. Công nghệ cảm biến đã phát triển rất nhanh và trở thành công cụ
phân tích rất hữu dụng với ứng dụng chính chủ yếu trong y học. Ngày nay, cảm
biến sinh học glucose đóng vai trò quan trọng, là thiết bị tiềm năng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng hai phương pháp đo để nghiên cứu
và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực đó là phương pháp
quét thế vòng và phương pháp chronoamperometry. Phương pháp quét thế
vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực
trong khi phương pháp chronoamperometry dùng để xác định nồng độ glucose.
Để tăng cường khả năng tính nhạy glucose và giảm giá thành sản phẩm đòi hỏi
phải có phương pháp mới, vật liệu mới và quy trình chế tạo đơn giản. Chính vì
vậy, chúng tôi chế tạo vật liệu điện cực trực tiếp vật liệu lên đế dẫn điện ITO
1


bằng phương pháp kết tủa điện hóa sử dụng thiết bị điện hóa Autolab 302N –
thiết bị sử dụng hệ 3 điện cực.
Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã lựa chọn vấn đề nghiên cứu của
luận văn là: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng dụng trong cảm
biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose
trong mẫu thực”

2


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về cảm biến sinh học glucose
Cảm biến sinh học được định nghĩa như là một thiết bị tích hợp có khả
năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng,
bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một
phần tử chuyển đổi [46].
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: (i) Đầu thu sinh học:
có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân
tích;(ii) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành

các tín hiệu có thể đo đạc được; (iii) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra: có tác dụng
chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý
[12],[48]. Đầu thu sinh học phân tử bao gồm: Đầu thu, enzim, kháng thể, phân
tử axit nucleic và vi sinh vật [9], [27]. Bộ phận chuyển đổi bao gồm: chuyển
đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp
điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ[36], trong đó chuyển đổi điện hóa đóng
vai trò chủ yếu do chúng có tính chọn lọc, độ nhạy cao, duy trì ổn định và giá
thành rẻ. Cảm biến điện hóa được chia thành nhiều loại khác nhau như: Cảm
biến thế, cảm biến dòng [21], [39], [45].
Mặc dù các phép phân tích điện hóa cổ điển bắt đầu vào năm 1922, khi
Heyrovsky đã phát minh ra điện cực giọt thủy ngân và đã đạt giải Nobel, kể từ
đó điện cực làm từ kim loại hiếm và các dạng khác nhau của cacbon là cảm
biến được lựa chọn trong những năm gần đây. Sự tiến bộ ấn tượng trong lĩnh
vực này, và sự ảnh hưởng lên lĩnh vực hóa học phân tích điện hóa ngày càng
cao trong những năm gần đây.
Thủy ngân là một vật liệu điện cực hấp dẫn trong những năm gần đây bởi
nó có cửa sổ dải thế catot rộng, độ hồi phục cao và bề mặt có khả năng làm
mới. Điện cực giọt thủy ngân treo và điện cực màng thủy ngân là điện cực làm
việc phổ biến nhất trong phân tích tách [51]. Rất nhiều phương pháp được phát
triển để xác định kim loại, ion, hợp chất cơ kim loại và hợp chất hữu cơ trong
phân tích tách tại nồng độ có thể xuống đến 10-10M sử dụng bước xử lý nồng độ
3


đơn giản. Thế anot giới hạn và sự độc hại của điện cực thủy ngân là những bất
lợi căn bản của phương pháp. Hơn thế nữa, điện cực giọt thủy ngân chỉ ứng
dụng để định lượng các ion kim loại và một số phân tử chất hữu cơ. Việc không
có khả năng định lượng trực tiếp glucose là giới hạn của loại điện cực này. Và
đặc biệt điện cực giọt thủy ngân có hạn chế lớn nhất là không có khả năng được
chế tạo thành thiết bị cầm tay.

Cảm biến sinh học được ứng dụng chủ yếu trong quân đội thử nghiệm,
phân tích nhanh nhằm xác định vũ khí sinh học. Cảm biến sinh học còn được
ứng dụng trọng 1 số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực
phẩm [9].
Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzim được ứng dụng rộng
rãi nhất và đã được đưa vào nghiên cứu từ nhiều thế kỉ trước. Nhìn chung, việc
xác định nồng độ glucose dựa vào phản ứng với một trong ba enzim:
hexokinase, Glucose oxidase (GOx) và glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [41],
[15]. Hexokinase được sử dụng chủ yếu trong phương pháp quang phổ, trong
khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai enzim: GOx và GDH. Các enzim này
khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối với glucose [22]. Xúc tác bởi enzim
GOx có nhiều ưu điểm như: sự chọn lọc cao với glucose, thích ứng với sự thay
đổi pH, lực ion, nhiệt độ, do đó các nhà khoa học có thể linh hoạt trong quá
trình áp dụng chúng trong thực nghiệm [22], [17], [4].

Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học
4


Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzim GOx cho quá
trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và
hidro peoxit [54]. Để có thể hoạt động với vai trò như một chất xúc tác, GOx
cần một cơ chất gắn thêm vào có đặc tính khử (cofactor) –Flavin ađênin
nucleotit (FAD). FAD hoạt động như một chất nhận electon chuyển thành
FADH2
Glucose + GOx – FAD+ Axit gluconic + GOx – FADH2
Cofactor ban đầu được tái tạo lại bằng phản ứng:
GOx – FADH2 + O2GOx – FAD + H2O2
H2O2 sinh ra bị oxi hóa tại điện cực Pt, mật độ dòng tỉ lệ với lượng H2O2
sinh ra và do đó tỉ lệ với lượng glucose cần đo [20].

H2O2 2H+ + O2 + 2e
Ba phương pháp đo phổ biến được sử dụng cho cảm biến điện hóa
glucose đó là: đo sự tiêu thụ oxi, đo lượng H2O2 sinh ra hoặc sử dụng chất
trung gian để chuyển electron từ GOx đến điện cực.
1.2. Các thế hệ cảm biến glucose
1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất
Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzim lần đâì tiên được chế
tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyonstrong đó enzim GOx được đặt lên điện
cực oxy thông qua màng bán thấm[12]. 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 enzim GOx. Họ cố định GOx trong tấm
gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [47].
Cảm biến sinh học glucose sử dụng công nghệ của Clark có tính chất
thương mại mang lại thành công đầu tiên cho công ty Yellow Springs
Instrument. Bằng cách đo trực tiếp nồng độ glucose năm 1975 dựa trên sự xác
định dòng của H2O2.

5


Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất được dựa trên việc sử dụng
chất nền oxy 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 + 2e  2OH- (dòng catot)
H2O2+2H+ +2e  2H2O (dòng anot)
Phương pháp trên khá đơn giản, tuy nhiên có nhược điểm do ảnh hưởng của oxi
hòa 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.
1.2.2. Cảm biến sinh học 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 enzim đến bề mặt điện cực làm việc
[33]. 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
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
[8]. 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, không phụ thuộc vào pH, phản ứng nhanh với enzim [10]. 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 [59],[34 ], [18]. Máy đo
6


nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense
Inc. Chúng sử dụng GDH-PQQ và chất trung gian ferrocene [34].Thành công
này đã dẫn tới cuộc cách mạng trong y học cho các bệnh nhân bị tiểu đường.
1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba
Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba dựa trên sự truyền electron trực
tiếp giữa enzim và điện cực mà không cần có mặt của chất trung gian. Với sự
thay thế các các chất trung gian có độc tính cao, điện cực có thể trao đổi
electron trực tiếp bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn điện hữu cơ [29]. 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. Các muối hữu cơ

dẫn điện như tetrathiafulvalence-tetracuanoquinodimethane (TTF-TCNQ) được
biết đến là chất trung gian điện hóa của GDH-PQQ hay GOx. Sự có mặt của
chất trung gian dẫn đến sự chọn lọc tương đối cao.
Glucose + GOx(Ox) Axit gluconic + GOx (Khử)
GOx (Khử) GOx (Ox) + e
Tuy nhiên, chỉ có một số vài enzim trong đó có peroxidase thể hiện được
đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường
[59][1],[24]. Ngoài ra, còn 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: TTF-TCNQ có cấu trúc tinh thể hình que [29], [38], GOx/polypyrole [43,
[50], [37] hay kim cương biến tính boron [56], [57]. Một số bán dẫn của oxit
kim loại cũng được sử dụng như là vật liệu cho cảm biến sinh học glucose thế
hệ thứ ba [23].Mặc dù có độ nhạy, độ chọn lọc cao nhưng cảm biến sinh học
glucose thế hệ thứ ba vẫn phải đối diện với vấn đề cố hữu của nó đó là việc sử
dụng enzim. Với bản chất tự nhiên của enzim là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt
độ thấp và enzim dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo.

7


1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzim
Việc sử dụng điện cực không dùng enzim 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. Nó được khảo sát lần đầu tiên cách đây hàng thế kỉ bởi Walther
Loeb dựa trên sự oxi hóa điện hóa của glucose trong axit sunfuric tại điện cực
anot bằng chì. Điện cực này xuất hiện trước cả điện cực oxy của Clark và sau
đó được nghiên cứu và phát triển song song với điện cực enzim. Mặc dù, cảm
biến glucose thế hệ thứ tư đã khắc phục được nhiều những vấn đề gặp phải đối
với cảm biến glucose sử dụng enzim, đó là cần phải có quá trình cố định enzim
phức tạp, cần bảo quản và vận hành ở nhiệt độ thấp, enzim cũng dễ bị rời ra

khỏi điện cực. Tuy nhiên, độ chọn lọc kém và động học của quá trình oxi hóa
glucose chậm tại nhiều điện cực “trần”, sự gây nhiễu đối với điện cực của
những phần 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 chuyển tiếp (Pt, Au, Ni,
Cu), kim loại oxit, chất bán dẫn (CuO, NiO, CuS), hợp kim (Pt,Pb, Pt,Ru),
phức chất (Coban phthalocyanine) và cacbon (dựa trên carbon nanotube, kim
cương biến tính boron).
Như ta đã biết glucose trong nước tồn tại ở 3 dạng giữa dạng mạch hở và
2 dạng  và  được gọi là sự quay hỗ biến được mô ta như hình 1.2.

Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7
8


Trên hình 1. ta thấy dạng  mạch thẳng có nhóm andehit tự do nằm trung
gian giữa 2 dạng  và  ở dạng mạch vòng. Khi ở trạng thái cân bằng trong
nước tỉ lệ các dạng :: lần lượt là 37:0,003:63 cho thấy hầu hết chúng tồn tại
ở dạng mạch vòng.
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 [40].
Quá trình xúc tác điện hóa thường được thấy xảy ra thông qua sự hấp phụ của
chất cần phân tích lên bề mặt điện cực, một quá trình có thể liên quan đến
electron d và obitan d trên bề mặt kim loại tạo một liên kết với chất bị hấp phụ
[40]. Pletcher gợi ý rằng quá trình xúc tác có thể diễn ra thông qua một bước
kết hợp, tức là quá trình tách hiđro diễn ra đồng thời với quá trình hấp phụ các
phần tử hữu cơ. Quả thực, bước xác định tỉ lệ trong hầu hết các thực nghiệm
oxi hóa điện hóa glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí
hemiaxetal [26] (hình 1.2) và sự hấp phụ hóa học của các chất phân tích được
coi là xảy ra đồng thời. Điều này có nghĩa là các tâm hoạt động của kim loại có

thể sẽ bị chiếm bởi chất hấp phụ đơn lẻ bất cứ lúc nào như sơ đồ hình 1.3.

Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ
đƣợc đề xuất bởi Pletcher
Như vậy trong quá trình chế tạo và nghiên cứu chất xúc tác điện hóa, cả
yếu tố electron và hình học cần phải được chú ý để khai thác triệt để sự tăng
cường động học phản ứng bằng cách cung cấp các tâm hấp phụ và gia tăng diện
tích bề mặt.
9


Tuy nhiên, đề xuất trung tâm kim loại chuyển tiếp hoạt động trên điện
cực chỉ giải thích quá trình hấp phụ trên bề mặt mà không xem xét đến vai trò
của oxi hóa của các gốc hidroxyl được thể hiện trong nhiều bài báo đã xuất bản
[31], [26], [49], [3], [32] rằng quá trình oxi hóa điện hóa glucose và nhiều phân
tử hữu cơ khác xảy ra với sự bắt đầu là sự nhóm OHhp hấp phụ. Burke [7] đã
thảo luận tầm quan trọng của lớp hidroxit kim loại trong quá trình xúc tác điện
hóa và đã đề xuất mô hình IHOAM (Incipient Hydrous Oxide Adatom
Mediators). Theo mô hình này những nguyên tử bề mặt hoạt động trải qua một
bước oxi hóa và hình thành lên lớp OHhp. Cơ chế xúc tác theo mô hình này
được thể hiện trên hình 1.4.

Hình 1.4. Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử
và M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa
Trên hình 1.4: ta thấy vai trò xúc tác của cặp oxi hóa/khử M[OH]ads/M*,
trong đó glucose nhận electron từ dạng oxi hóa M[OH]adstạo thành sản phẩm
gluconolacton và dạng khử M*, M*sau đó sẽ cho electron với điện cực. Mô
hình này thích hợp với kim loại nhóm platin và vàng. Nhóm hydroxyl cũng
đóng vai trò quan trong quá trình điện phân glucose tại điện cực niken và điện
cực đồng.

Một lượng lớn các nghiên cứu cảm biến glucose không enzim là bắt đầu
với kim loại quý như Pt và Au. Nhiều nhà nghiên cứu đã phám phá những biểu

10


hiện của glucose tại điện cực Pt trong các môi trường khác nhau như axit [44],
trung tính và kiềm [49]. Một lượng lớn các tác giả đã chỉ ra rằng sản phẩm duy
nhất của quá trình oxi hóa glucose là gluco--lacton sau đó thủy phân thành
axit gluconic trong bất kỳ điều kiện pH nào.

Hình 1.5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân
thành axit gluconic
Tuy nhiên nhược điểm của điện cực Pt phụ thuộc mạnh vào điều kiện
chất điện li, đặc biệt là vào bản chất và nồng độ của các ion [14]. Điều này là
bởi sự hấp phụ glucose lên bề mặt có sẵn của Pt. Đó là sự hấp phụ cạnh tranh
của các anion, đặc biệt là các ion photphat [14], [49], mức độ hấp phụ của hiđro
và hidroxit, đặc điểm các cấu trúc đồng phần của glucose (dạng mạch hở, mạch
vòng), tất cả ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hóa học của glucose và do đó
ảnh hưởng đến khả năng oxi hóa của glucose. Bởi sự phụ thuộc quá trình oxi
hóa glucose vào độ hấp phụ của glucose tại bề mặt điện cực nên sự phụ thuộc
tuyến tính giữa dòng quá trình oxi hóa glucose vào nồng độ glucose là mất rất
nhanh khi bề mặt điện cực bão hòa.
Vàng là một kim loại hấp phụ hóa học yếu nhưng có tính hoạt động điện
hóa cao hơn platin và do đó cũng thu hút rất nhiều các nghiên cứu như cảm
biến glucose không enzim. Điện cực vàng nguyên chất có độ chọn lọc cao hơn
platin nhưng vẫn có ái lực mạnh với ion clorua trong môi trường trung tính
[49]. Cụ thể, trong môi trường đệm photphat, tốc độ quá trình oxi hóa glucose
giảm tỉ lệ với nồng độ của ion clorua, đặc biệt ảnh hưởng mạnh ở thế kém
dương hơn. Điều là này do sự hấp phụ của ion clorua mạnh hơn oxi trên bề mặt

của vàng.
11


Điện cực Niken đang được khai thác một cách rộng rãi như là chất xúc
tác cho quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường kiềm. Rất nhiều
báo cáo cho rằng, phần tử xúc tác là Ni(III) oxihidroxit bởi cặp oxi hóa khử
NiOOH/Ni(OH)2 [6].
Nguyên nhân là do sự thay đổi liên kết bề mặt của trạng thái oxi hóa của
niken có thể biểu diễn một cách đơn giản theo phương trình sau:
Ni(OH)2 NiOOH + H+ + e
Cơ chế xúc tác của điện cực Niken thể hiện trên hình 1.6 [17]

Hình 1.6. Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO
Các điện cực đồng có cơ chế tương tự như điện cực Niken trong quá trình
oxi hóa glucose. Tuy nhiên cơ chế xúc tác dựa trên cặp CuOOH/CuO tương tự
như Niken không có bằng chứng rõ ràng. Hiện nay, cảm biến glucose dựa trên
điện cực đồng đang được tập trung nghiên cứu bởi độ nhạy rất cao, giới hạn đo
nhỏ và khoảng tuyến tính rộng và có khả năng ứng dụng đo trong mẫu thực.
Như vậy hiện nay có 4 thế hệ cảm biến glucose, trong ba thế hệ đầu tiên,
cảm biến glucose dựa trên điện cực enzim, trong khi cảm biến thế hệ thứ tư
không sử dụng ezim. Cơ chế phản ứng của glucose đối với điện cực của các thế
hệ cảm biến glucose được tóm tắt trên hình 1.7.

12


Hình 1.7. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose
1.3. Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực
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 tôi 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 Ptatin hay
vàng. Ba điện cực trên được kết nối với một bộ nguồn cấp thế và dòng 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 1.8.

13


Điện cực
so sánh

Điện cực
làm việc
Điện
cực đối

Mẫu phân
tích
Dung dịch
điện li

Hình 1.8. 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 rơi trên 2 điện cực đồng thời dòng 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 không còn 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 dòng điện thì chạy giữa 2 điện cực làm việc và
điện cực đối. Vì vậy, dòng không ảnh hưởng gì đến thế của điện cực so sánh,
điện cực so sánh sẽ ổn định hơn.
1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến
sinh học
Hệ 3 điện cực có rất nhiều các phương pháp và kĩ thuật đo khác nhau tùy
vào mục đích nghiên cứu. Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic

14


Voltametry Potentiostatic, Cyclic Voltametry Galvanostatic, v.v; quét tuyến
tính: Linear Sweep Voltammetry Potentiostatic, Linear Sweep Voltammetry
Galvanostatic, v.v; Phương pháp cực phổ xung vi phân: Differential Pulse
Voltametry; Phương pháp cực phổ sóng vuông: Square Wave Voltametry; các
phương pháp khác như đo tổng trở; v.v.. Ngoài các phương pháp dùng để đo
các tính chất điện hóa của hệ cần nghiên cứu, hệ 3 điện cực cũng có thể dùng
để ứng dụng để chế tạo vật liệu bằng cách kết tủa điện hóa.
Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực vừa dùng để chế tạo vật
liệu, vừa được dùng để khảo sát tính chất của vật liệu. Vật liệu được chế tạo sử
dụng kĩ thuật Chronoamperometry được đặt thế cố định. Đồng sẽ được kết tủa
trên điện cực trong quá trình điện phân dung dịch CuSO 4. Để khảo sát tính chất
điện hóa của vật liệu chúng tôi dùng phương pháp quét thế vòng (hay quét thế
tuần hoàn) đồng thời cũng dùng để định lượng hay xây dựng đường chuẩn
trong việc xác định nồng độglucose. Phương pháp quét thế tuần hoàn – CV
(Cyclic Voltammetric) thường được dùng để khảo sát thế oxi hóa khử của một
hệ oxi hóa khử, xác định hệ số khuếch tán và xem xét sự biến thiên thuận

nghịch (khả năng có thể phóng và nạp) của vật liệu nghiên cứu. Điện thế ở đây
biến thiên tuyến tính theo thời gian.
Biến thiên điện thế theo thời gian có thể xác định theo các công thức sau:
φ = φđ – v.τ khi 0 <τ<λ
φ = φđ – v.λ+v(τ-λ) khi τ>λ
Trong đó: v – Tốc độ quét thế 0,000 mV/s ÷ 1000 mV/s
λ - Thời điểm đổi chiều quét thế, s
τ - Thời gian, s
φđ - điện thế ban đầu (V)
Trong phạm vi nghiên cứu, phương pháp quét thế vòng tuần hoàn sử
dụng để khảo sát tính chất điện hóa của glucose tại điện cực nghiên cứu.

15