Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh (LV thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.21 MB, 66 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN
ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM
LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH
LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC
THÁI NGUYÊN – 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN
ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM
LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH
Hóa Phân Tích
Mã ngành: 8.44.01.18
LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng
THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng
phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước
đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh” 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 04 năm 2018
Tác giả luận văn
Đỗ Thị Ngọc Ánh
Xác nhận của
Xác nhận
Trưởng khoa chuyên môn
của giáo viên hướng 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, là thầy
giáo trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành 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 04 năm 2018
Tác giả
Đỗ Thị Ngọc Ánh
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
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1. Khái niệm 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 .....................................................6
1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzym ...............................................7
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 ................................................................................................................15
1.4. Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuS ........ 16
Chương 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. Chế tạo điện cực ........................................................................................... 19
2.2.1. Chế tạo Cu ..................................................................................................19
2.2.2. Chế tạo CuS ................................................................................................ 19
2.2.3. Tiến hành phủ CuS lên đế ITO ..................................................................19
iii
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 19
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................19
2.3.2. Phương pháp phổ Raman ...........................................................................21
2.3.3. Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) ....................................21
2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuS/ITO đối với glucose........ 22
2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch .................................................. 22
2.6. Nghiên cứu trên mẫu thực............................................................................. 22
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 22
3.1 Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu và CuS ............................................. 23
3.2 Tính điện hóa của điện cực CuS/ITO xác định nồng độ glucose trong nước 27
3.3. Phương pháp chronoamperometry (CA) phân tích nồng độ glucose trong
dung dịch.............................................................................................................. 33
3.4. Phương pháp amperometry (AP) phân tích nồng độ glucose trong dung
dịch
40
3.5. Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực............................ 43
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 49
KIẾN NGHỊ................................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51
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
Scanning Electronic
Microscope
Nhiễu xạ tia X
Phổ tán sắc năng lượng tia X
X-ray Diffraction
Energy-dispersive X-ray
spectroscopy
Trừ dòng nền
SEM
XRD
EDS
TDN
Quá trình điện di
Electrophoresis
deposition process
EDP
Chronoamperometry
Chronoamperometry
CA
Amperometry
Amperometry
AP
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Chrono amperometry ........................40
Bảng 3.2. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Amperometry ....................................43
Bảng 3.3. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,45V ......................................44
Bảng 3.4. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,4V ........................................45
Bảng 3.5. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................46
Bảng 3.6. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp AP sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................48
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
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 2.1. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM) .....................................20
Hình 3.1. Ảnh SEM của Cu & CuS dạng bột: (a) Cu; (b) CuS ...................................23
Hình 3.2. Ảnh SEM của CuS trên đế ITO ...................................................................24
Hình 3.3. Phổ EDS của CuS trên đế ITO ....................................................................25
Hình 3.4. Phổ Raman của CuS: (a) CuS ở dạng bột; (b) CuS màng trên đế ITO .......26
Hình 3.5. Quá trình quét thế vòng với tốc độ quét thế 20 mV/s của điện cực
(a) ITO và (b) CuS/ITO trong NaOH 0,1M ................................................28
Hình 3.6. Sơ đồ oxi hóa glucose trên điện cực CuS ....................................................29
Hình 3.7. 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 ......30
Hình 3.8. Dòng TDN của điện cực CuS/ITO đối với các nồng độ chất điện li
NaOH khác nhau: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M ..........32
Hình 3.9. Dòng CA của điện cực CuS/ITO trong dung dịch NaOH 0,1M khi
không có và khi có mặt glucose 1 mM .......................................................34
Hình 3.10. Sự phụ thuộc mật độ dòng của điện cực CuS/ITO khi không có mặt và
khi có mặt glucose 1 mM ở các thế: a) 0,35V; b) 0,4V; c) 0,45V; d)
0,5V;e) 0,55V; f) 0,6V; g) 0,65V; h) sự phụ thuộc dòng TDN của điện
cực vào các thế khác nhau .......................................................................35
Hình 3.11. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........36
vi
Hình 3.12. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........37
Hình 3.13. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........38
Hình 3.14. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........39
Hình 3.15. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V
...................................................................................................................41
Hình 3.16. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V .....41
Hình 3.17. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V
...................................................................................................................42
Hình 3.18. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V .....42
Hình 3.19. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,45V (* chỉ các mẫu
glucose trong nước) ..................................................................................44
Hình 3.20. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,4V (* chỉ các mẫu
glucose trong nước) ..................................................................................45
Hình 3.21. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các
mẫu glucose trong nước) ..........................................................................46
Hình 3.22. Dòng AP phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các
mẫu glucose trong nước) ..........................................................................47
vii
MỞ ĐẦU
Bệnh đái tháo đường, thường được gọi là bệnh tiểu đường, nó đã trở thành
một bệnh phổ biến. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, có khoảng 350 triệu người trên
toàn thế giới bị bệnh tiểu đường, và người ta dự báo bệnh đái tháo đường sẽ là
nguyên nhân thứ 7 gây tử vong cao vào năm 2030 [9]. Bệnh tiểu đường được đặc
trưng bởi tăng lượng glucose (đường) trong máu, có thể là do sản xuất insulin
không đủ trong cơ thể (bệnh tiểu đường loại 1) hoặc do bản thân cơ thể không
có khả năng sử dụng insulin tự sản xuất (tiểu đường loại 2) [22]. Insulin là một
hooc môn giúp các tế bào của cơ thể được hấp thụ được glucose trong máu. Cả
hai loại bệnh tiểu đường loại 1 và loại 2 có thể được điều trị bằng cách cung cấp
cho cơ thể lượng insulin cần thiết. Tuy nhiên, nếu insulin không được cung cấp,
mức đường trong máu có thể tăng đến mức mà mắt, thận, tim và các dây thần
kinh có thể bị tổn thương [22]. Cả việc giám sát chính xác và kiểm soát chặt chẽ
mức glucose trong máu là cần thiết để chẩn đoán và điều trị bệnh tiểu đường. Do
đó, thường xuyên kiểm tra nồng độ glucose sinh lý là rất quan trọng để tránh
nguy cơ tiểu đường như hạ đường huyết trong máu (nồng độ đường trong máu
rất thấp) cũng như ngăn ngừa các biến chứng lâu dài phát sinh bao gồm nhồi máu
cơ tim, đột quỵ, cao huyết áp, suy thận, mù lòa và cắt bỏ chi [32]. Người ta
khuyên bệnh nhân mắc bệnh đái tháo đường phải kiểm tra lượng đường trong
máu hàng ngày để đảm bảo chúng nằm trong phạm vi an toàn. Do đó, để chăm
sóc và quản lý bệnh đái tháo đường đúng cách, đo lượng đường trong máu chính
xác là rất quan trọng. Các phép đo này thường được thực hiện bằng xét nghiệm
máu. Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị dùng để đo nồng độ glucose
đã được nghiên cứu và chế tạo [1]. 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.
1
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng các phương pháp điện hóa để nghiên
cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực. Phương pháp
quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện
cực. Phương pháp chrono amperometric và phương pháp amperometry 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.
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 CuS/ITO bằng phương pháp điện
hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm
lượng glucose trong huyết thanh”
2
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm cảm biến sinh học Glucose
Ngày nay, việc xác định glucose càng đòi hỏi độ nhạy, độ chọn lọc cao, ổn
định, dễ chế tạo và không độc. 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. Để đáp ứng được những nhu cầu này, một bước tiến tới cảm
biến glucose không dùng enzym đã được phát triển. Những cảm biến mới này đã
thu được sự quan tâm đáng kể do khả năng của chúng đạt được để theo dõi lượng
glucose một cách liên tục, có độ ổn định cao so với cảm biến glucose truyền
thống và dễ chế tạo. 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, polyme, v.v được nghiên cứu như là chất
xúc tác điện hóa đối với quá trình oxy hóa glucose.
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: Đầu thu sinh học: có
tác dụng xác định sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; Bộ phận
chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể
đo được; Bộ phận thiết bị xử lý và 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 [8]. Đầu thu sinh học
phân tử có thể là: enzym, kháng thể, phân tử axit nucleic và vi sinh vật, v.v [5].
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
[26], 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 [15], [29]. 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
3
số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [5]. Cảm biến sinh
học glucose dựa trên điện cực enzym 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 enzym: Hexokinase, Glucose oxidase
(GOx) và Glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [11]. Hexokinase được sử dụng chủ
yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai
enzym: GOx và GDH. Các enzym này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối
với glucose [17]. Xúc tác bởi enzym 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 [13], [17].
Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzym GOx cho quá
trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và
hidro peoxit [38]. 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
4
Cofactor ban đầu được tái tạo lại bằng phản ứng:
GOx – FADH2 + O2GOx – 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 [14].
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 enzym lần đầu tiên được chế
tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyons, trong đó enzim GOx được đặt lên điện
cực oxy thông qua màng bán thấm [8]. 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 enzym GOx. Họ cố định GOx trong tấm
gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [36].
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.
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.
5
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 enzym đến bề mặt điện cực làm việc [24].
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
[4]. 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 enzym [6]. 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], [43]. Máy đo nồng độ glucose trong máu
đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc. Dựa trên enzym Glucose
dehydrodenase Pyrroloquinolinen Quinone (GDH-PQQ) và chất trung gian
ferrocene [25]. 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 enzym 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 [23]. 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
6
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 enzym trong đó có peroxidase thể hiện được
đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [18], [43].
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 [23], GOx/polypyrole [28], [33]. 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. 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 enzym. Với bản chất tự nhiên của enzym là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt
độ thấp và enzym dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo.
1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzym
Việc sử dụng điện cực không dùng enzym 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 enzym. 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 enzym. Tuy nhiên bị giới hạn bởi 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
7
(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
Trên hình 1.2 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 [30]. 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 [30]. 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
8
glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [20] (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
được 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.
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 đưa ra trong nhiều bài báo đã xuất bản
[20], [37] 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 [3] 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.
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
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]ads tạo 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 enzym là bắt đầu
với kim loại quý như Pt và Au. Nhiều nhà nghiên cứu đã phám phá những biểu
hiện của glucose tại điện cực Pt trong các môi trường khác nhau như axit [34],
trung tính và kiềm [37]. 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.
10
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 [10]. 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 [10], [37], mức độ hấp phụ của hiđro và
hidroxit, đặc điểm các cấu trúc đồng phân 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 giảm 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 enzym. 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 [37]. 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.
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
11
cáo cho rằng, phần tử xúc tác là Ni (III) oxihidroxit bởi cặp oxi hóa khử
NiOOH/Ni(OH)2 [2].
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 [13]
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. Trong đó điện cực CuO cũng được cho là bề mặt hình thành cặp
oxi hóa khử CuOOH/CuO .Ngoài CuO, các hợp chất khác của đồng như Cu2O,
CuS cũng đang được chú ý nghiên cứu và cơ chế cho quá trình điện hóa glucose
tại điện cực cũng đang được xem xét.
Như vậy hiện nay có 4 thế hệ cảm biến glucose, trong ba thế hệ đầu tiên,
cảm biến glucose dựa trên điện cực enzym, trong khi cảm biến thế hệ thứ tư
không sử dụng ezym. 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
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.
14
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 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, 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..
Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực được dùng để khảo sát tính
chất của vật liệu. 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 độ glucose. 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.
Phương pháp Chrono amperometry – đo dòng thời gian (CA) 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 tuyến tính 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 phân tích và được kiểm soát bởi điện áp đặt vào hệ.
Phương pháp đo dòng được thực hiện trên hệ điện hóa được thiết lập gồm hai
hay ba điện cực.
Phương pháp Amperometry (AP) nguyên lý hoạt động tương tự như
phương pháp CA tuy nhiên phương pháp này khác phương pháp CA ở chỗ khi
đo dòng bằng phương pháp này thì quá trình khuếch tán được loại bỏ còn phương
pháp CA thì không.
15
