Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng trong y sinh và môi trường (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ


Nguyễn Hải Bình

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA
TRÊN CƠ SỞ POLYME DẪN BIẾN TÍNH
ĐỂ ỨNG DỤNG CHO Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 9.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2019


Luận án được hoàn thành tại:
Phòng Vật liệu Nano y sinh, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đại Lâm

Phản biện 1: .....................................................
Phản biện 2: .....................................................
Phản biện 3: .....................................................

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Cơ sở tổ chức tại Học viện Khoa
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi
ngày tháng

giờ

năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Hà Nội, Thư viện Học viện
Khoa học và Công nghệ, Thư viện Viện Khoa học vật liệu, Thư viện Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.


MỞ ĐẦU
Hiện nay, cảm biến sinh học được xem như một thiết bị đầy tiềm năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như: sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, vệ sinh an toàn thực
phẩm, bảo vệ môi trường và an toàn trong công nghiệp... Cảm biến sinh học là thiết bị
sử dụng các thành phần sinh học đặc trưng kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu để phát
hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất.
Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, có thể thay đổi thiết kế và phát triển cấu
trúc, khả năng tích hợp cao với các phần tử của vi hệ thống, chế tạo số lượng lớn nên
giá thành giảm. Các điện cực làm việc, điện cực đối, điện cực so sánh đều được tích
hợp trên một chip, giúp giảm thể tích và khối lượng của mẫu cần phân tích do kích
thước điện cực giảm. Các phần tử của vi cảm biến điện hóa đều được chế tạo trên công
nghệ planar nên dễ đóng gói, tăng độ ổn định và độ lặp lại.
Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên cơ
sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối lượng,
áp suất, điện hóa… So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối lượng, áp suất, vi
cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng công nghệ MEMS

nên kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo số lượng lớn làm giảm giá thành, có cấu trúc đơn
giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh - vi van - vi bơm hơn, dễ đóng gói hơn, dễ
sử dụng các phương pháp điện hóa để kiếm tra tính chất của thiết bị. Tại Việt Nam,
một số kết quả ban đầu về chế tạo và phát triển cảm biến sinh học đã được công bố bởi
các đơn vị nghiên cứu trong nước. Tóm lại, hướng nghiên cứu phát triển các vi hệ thống
điện hóa ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và quan trắc môi trường đang được quan
tâm và đầu tư mạnh tại nhiều quốc gia trên thế giới. Việt Nam là một quốc gia có nền
kinh tế đang phát triển mạnh mẽ cùng dân số gần 90 triệu người, triển vọng về phát
triển các thiết bị, các vi hệ thống điện hóa trên cơ sở ứng dụng vật liệu nano có giá trị
thúc đẩy khoa học công nghệ và ý nghĩa kinh tế xã hội sâu sắc. Trên cơ sở khoa học và
yêu cầu thực tiễn đó, tôi lựa chọn thực hiện luận án “Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm
biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính để ứng dụng trong y-sinh và môi
trường”.

1


Vấn đề đặt ra cho luận án này là phải nghiên cứu chế tạo phát triển và thử nghiệm
các hệ vi cảm biến sinh học điện hóa nền (platform) có chế độ hoạt động đơn giản, thời
gian đáp ứng nhanh, độ chính xác cao, dễ dàng tùy biến cấu trúc, dễ dàng tích hợp linh
kiện. Với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo một số hệ vi cảm biến sinh học điện hóa trên
cơ sở vật liệu polyme dẫn biến tính vật liệu cấu trúc nano ở điều kiện công nghệ hiện
có ở trong nước, luận án đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết kế hệ vi cảm
biến điện hóa phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có, tiến hành thực nghiệm chế tạo
cảm biến, khảo sát các tính chất đặc trưng của cảm biến đã chế tạo, thử nghiệm phân
tích một số chỉ tiêu trong y sinh, chất ô nhiễm môi trường và chất trong an toàn thực
phẩm. Trên cơ sở đó, rút ra được những kết luận về khả năng chế tạo – phát triển và
ứng dụng hệ vi cảm biến này trong những điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Hệ vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn (PANi và P(1,5-DAN))

được biến tính/chức năng hóa với vật liệu cấu trúc nano (CNTs, hạt nano Fe3O4 và
Graphen).
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Nghiên cứu chế tạo hệ vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn
((PANi và P(1,5-DAN)) được biến tính/chức năng hóa với vật liệu cấu trúc nano
(CNTs, hạt nano Fe3O4 và Graphen).
Thử nghiệm ứng dụng hệ vi cảm biến sinh học điện hóa đã chế tạo trong phân
tích y sinh và môi trường.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Nghiên cứu biến tính/chức năng hóa các vật liệu polyme dẫn sử dụng các vật
liệu cấu trúc nano (CNTs, hạt nano Fe3O4, Graphen) để phát triển các cảm biến sinh
học điện hóa và thử nghiệm ứng dụng các cảm biến sinh học điện hóa trong phân tích
y sinh và môi trường.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các vi điện cực điện
điện hóa tích hợp được chế tạo bằng công nghệ Vi điện tử/Vi cơ điện tử. Cấu trúc bề
mặt của các màng compozít trên cơ sở polyme dẫn biến tính/chức năng hóa vật liệu
nano được khảo sát bằng các kỹ thuật: phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ Raman, ảnh hiển
2


vi điện tử quét, ảnh hiển vi lực nguyên tử. Tính chất điện hóa của các màng compozít
được đánh giá bằng các kỹ thuật phân tích điện hóa: Vôn-Ampe tuần hoàn, Vôn-Ampe
xung sóng vuông, phổ tổng trở điện hóa. Các thử nghiệm phân tích y sinh, môi trường
của cảm biến sinh học điện hóa được thực hiện bằng các kỹ thuật điện hóa: Vôn-Ampe
tuần hoàn, đo dòng thời gian thực, Vôn-Ampe xung sóng vuông trên thiết bị điện hóa
đa năng Autolab PGS/TAT 30A (EcoChimie, Hà Lan).
Nội dung nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu trùng hợp điện hóa màng compozít trên cơ sở vật liệu polyme dẫn
(PANi, P(1,5-DAN)) biến tính/chức năng hóa bởi vật liệu cấu trúc nano (CNTs, hạt

nano Fe3O4, Graphen).
- Nghiên cứu cấu trúc bề mặt, tính chất điện hóa của màng compozít trên bề mặt hệ
vi điện cực điện hóa tích hợp.
- Nghiên cứu đánh giá đặc trưng của cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng
compozít (PANi, P(1,5-DAN)) và thử nghiệm ứng dụng phân tích y sinh, môi trường.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương I là phần
tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa, các vật liệu polyme dẫn (PANi, P(1,5-DAN),
vật liệu cấu trúc nano và ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa. Chương II trình
bày các quy trình công nghệ và thực nghiệm để chế tạo hệ vi điện cực điện hóa tích
hợp, tổng hợp điện hóa màng compozít, các kỹ thuật phân tích. Chương III đưa ra các
kết quả nghiên cứu tính chất màng compozít trên cơ sở polyme dẫn (PANi và P(1,5DAN)). Chương IV trình bày các kết quả nghiên cứu thử nghiệm hệ vi cảm biến sinh học
điện hóa trong phân tích y sinh, môi trường.
Các kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trong 10 công trình khoa học,
bao gồm 04 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế (ISI), 02 bài báo đăng trên tạp chí quốc
tế (Scopus) và 04 bài đăng trên tạp chí quốc gia.
Kết quả chính của luận án:
Đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ vi điện cực điện hóa tích hợp bằng công
nghệ Vi điện tử/Vi cơ điện tử.
Đã nghiên cứu trùng hợp điện hóa thành công màng compozít trên cơ sở polyme
dẫn được biến tính/chức năng hóa bằng các vật liệu cấu trúc nano. Đã nghiên cứu tính
chất cấu trúc và điện hóa của màng compozít trên bề mặt hệ vi điện cực điện hóa.
Đã phát triển thành công cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn
(PANi, P(1,5-DAN)) và ứng dụng trong phân tích y sinh, môi trường.
3


Chương I. TỔNG QUAN
I. Giới thiệu về cảm biến sinh học điện hóa
Cảm biến sinh học điện hóa là một loại cảm biến sinh học trong đó nguyên lý hoạt

động dựa trên các hiện tượng điện hóa xảy ra khi cho dòng điện đi qua bình điện phân
hoặc do quá trình ôxy hóa – khử trên các điện cực, các hiện tượng trên phụ thuộc vào
các tính chất của điện cực và bản chất, nồng độ của các dung dịch. Vi cảm biến điện
hóa là hệ cảm biến điện hóa có điện cực làm việc với một trong các kích thước nhỏ
hơn 1mm (tương tự như định nghĩa của vi hệ thống cơ điện tử - MEMS). Vi cảm biến
sinh học điện hóa cho phép chuyển đổi trực tiếp tín hiệu sinh hóa là kết quả tương tác
protein-protein, kháng nguyên-kháng thể, ADN dò-ADN đích, enzym-cơ chất thành
các tín hiệu điện.
II. Vật liệu polyme dẫn sử dụng trong cảm biến sinh học điện hóa
Hai loại polyme dẫn điện tử (PANi và PDAN) đã được nghiên cứu trùng hợp và biến
tính để phát triển cảm biến sinh học điện hóa nhờ các ưu điểm của chúng: độ dẫn tốt,
dễ dàng gia công, giá thành rẻ, có nhóm chức -NH2 trong cấu trúc polyme để tạo liên
kết với phần tử sinh học, độ ổn định và độ bền tốt. Bên cạnh đó, nhằm tăng cường tính
chất dẫn, độ hoạt động điện hóa của chúng, các vật liệu cấu trúc nano (như ống nano
cácbon, Graphen, hạt nano từ Fe3O4) cũng sẽ được sử dụng để pha tạp/biến tính với
các polyme dẫn trong chế tạo – phát triển các vi cảm biến sinh học điện hóa.
III. Ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa
Cảm biến sinh học điện hóa có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
như: trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe (theo dõi hàm lượng glucôzơ cholesterol
trong máu, xác định chuỗi DNA của virút HPV), trong quan trắc môi trường (xác định
dư lượng thuốc bảo vệ thực vật Atrazin), trong kiểm soát an toàn thực phẩm (xác định
hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa, xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa)
Chương II. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA
Trong chương này, các quy trình thực nghiệm trong chế tạo – phát triển và thử
nghiệm cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu polyme dẫn được pha tạp/biến
tính với các vật liệu cấu trúc nano (hạt nano Fe3O4, ống nano cácbon, vật liệu
graphen…) được trình bày cụ thể. Mô hình sơ đồ các bước thực nghiệm được thể hiện
trong Hình II.1 dưới đây.
4

CHẾ TẠO
HỆ
VI
ĐIỆN CỰC
TÍCH HỢP

CỐ ĐỊNH
PHÂN TỬ
ĐẦU DÒ
SINH
HỌC

TỔNG HỢP
MÀNG
POLYME
DẪN CHỨC
NĂNG HÓA

ĐO ĐẠC,
PHÂN
TÍCH,
THỬ
NGHIỆM

Hình II.1. Sơ đồ các bước thực nghiệm chế tạo – thử nghiệm cảm biến sinh học điện hóa
trên cơ sở polyme dẫn

I. Chế tạo các vi điện cực điện hóa
Trong khuôn khổ thực nghiệm của luận án này, chúng tôi thực hiện chế tạo hệ vi

điện cực điện hóa tích hợp trên 1 chíp gồm: điện cực làm việc (Pt), điện cực đối (Pt)
và điện cực so sánh (Ag/AgCl) trên phiến Si/SiO2 (được mua từ công ty Wafernet Inc,
Mỹ) (trong đó đế Si p<100> có chiều dày ~50 m và lớp SiO2 có chiều dày 1 m) có
sử dụng lớp lót Crôm (Cr) để tăng độ bám dính của các lớp vật liệu trên đế.
Vi điện cực điện hóa tích hợp được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi điện tử bằng
kỹ thuật quang khắc (UV-photolithography), lắng đọng màng mỏng pha hơi vật lý
(PVD – Physical Vapor Deposition), lift-off... tại Viện Khoa học vật liệu (IMS), Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) và tại một số Phòng thí nghiệm
nước ngoài (Viện Điện tử cơ bản, Đại học Paris 11, Pháp và Khoa Khoa học Hệ thống
và Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Thanh Hoa, Đài Loan). Vi điện cực điện hóa tích hợp
có kích thước: đường kính điện cực làm việc 100/200/500 m, bề rộng điện cực
đối/điện cực so sánh là 100/200 m, khoảng cách giữa các điện cực là 100/200 m với
chân cắm ra được thiết kế theo cấu hình USB.
II. Trùng hợp điện hóa các màng polyme dẫn
II.1. Trùng hợp điện hóa màng polyanilin
Dung dịch tiến hành điện phân gồm có monome ANi 0,1 M trong H2SO4 0,5 M
có chứa MWCNTs-COOH (hoặc Fe3O4-COOH) 1 % khối lượng (so với Anilin). Quá
trình trùng hợp áp dụng phương pháp quét thế vòng (CV) trong dải thế từ 0,0 ÷ 0,9 V
(vs Ag/AgCl), tốc độ quét 50 mV/s với bước thế 10 mV trong 20 chu kỳ. Quá trình
tổng hợp PANi trong cùng điều kiện cũng được tiến hành để so sánh.
II.2. Trùng hợp điện hóa màng polydiaminonaphthalen
Màng P (1,5-DAN) pha tạp Fe3O4 phủ trên vi điện cực làm việc (Pt) được trùng hợp
trong dung dịch 1,5-diaminonapthalene (DAN) 5mM trong HClO4 1 M và dung dịch
Fe3O4 (10mg/ml) với tỉ lệ 0,5 % khối lượng so với DAN theo phương pháp tổng hợp
5


điện hóa quét Vôn-Ampe tuần hoàn (CV) trong khoảng thế từ -0,02 ÷ +0,95 V, tốc độ
50 mV/s, 10 chu kỳ, bước thế 10 mV. Màng PDAN cũng được tổng hợp trong cùng
điểu kiện để so sánh tính chất.

III. Cố định các phần tử sinh học trên vi điện cực điện hóa tích hợp
Sau khi các màng compozít trên cơ sở màng polyme dẫn đa chức năng (được biến
tính bằng vật liệu cấu trúc nano) được trùng hợp điện hóa trên bề mặt vi điện cực làm
việc (của hệ vi điện cực tích hợp), các phần tử sinh học (đầu dò sinh học như: enzym,
aptamer, chuỗi ADN hoặc kháng thể đơn dòng…) cần được cố định lên bề mặt màng
compozít để phát triển cảm biến sinh học điện hóa. Các đầu dò sinh học được cố định
lên bề mặt màng compozít thông qua các liên kết hóa học (-NH-COO-) bằng kỹ thuật
sinh học. Các đầu dò sinh học được sử dụng trong luận án này là các đầu dò sinh học
có độ đặc hiệu cao như: enzym (Glucose oxidase, Cholesterol oxidase…), kháng thể
đơn dòng, chuỗi ADN, chuỗi aptamer.
IV. Các phương pháp phân tích điện hóa
Trong luận án này, chúng tôi đã sử dụng nhiều phương pháp phân tích điện hóa khác
nhau để khảo sát tính chất của màng compozít (trên cơ sở PANi và PDAN) và xác định
hàm lượng chất cần phân tích trong dung dịch như: Vôn-Ampe tuần hoàn, xung sóng
vuông, đo dòng, phổ tổng trở điện hóa. Các thực nghiệm điện hóa được thực hiện trên
thiết bị điện hóa đa năng Autolab PGS/TAT 30 (Ecochimie, Hà Lan) tại Viện Khoa
học vật liệu (VAST), Viện Kỹ thuật nhiệt đới (VAST), Trung tâm CETASD (Trường
Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội).
V. Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc màng
Các kỹ thuật phân tích bề mặt và cấu trúc như phương pháp hiển vi điện tử quét
(FE-SEM), phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (HRTEM) phương pháp hiển vi
lực nguyên tử (AFM), phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR), phổ Raman được sử dụng trong
nghiên cứu khảo sát tính chất bề mặt của các màng vật liệu trong vi cảm biến sinh học
điện hóa
Chương III. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VI CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN
HÓA TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU POLYME DẪN
I. Phát triển vi cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở polyme dẫn - polyanilin
I.1. Pha tạp màng PANi bằng ống nano cácbon (CNTs)

6

Phổ CV thu được trong cả hai trường hợp được trình bày trên hình III.1 có hình
dáng tương tự như nhau, đây chính là phổ CV đặc trưng của quá trình tổng hợp điện
hóa màng PANi. Tuy nhiên một điều rất lý thú là cường độ dòng điện thu được của
màng PANi/MWCNTs lớn hơn cỡ gần 10 lần so với màng PANi. Như vậy với sự pha
tạp MWCNTs trong màng có thể đã làm tăng : (i) độ dẫn điện của màng và/hoặc (ii)
bề mặt tiếp xúc giữa màng với dung dịch chứa monome.

Hình III.1. Phổ trùng hợp điện hóa theo phương pháp CV của màng PANi (a) và màng
PANi/MWCNTs (b) tại chu kỳ thứ 20 trên vi điện cực tích hợp

I.2. Pha tạp màng PANi bằng hạt nano Fe3O4
Phổ tổng hợp điện hóa của màng PANi pha tạp Fe3O4 được thể hiện trong Hình
III.2. Ta quan sát thấy sự tăng cường độ dòng điện hóa của màng PANi có pha tạp
Fe3O4 (đường liền nét) khi so sánh với màng PANi (đường đứt nét) (như trong Hình
III.3); điều đó có nghĩa là hạt nano Fe3O4 có thể đã làm tăng cường độ dòng của màng
PANi trong cùng điều kiện thực nghiệm (thiết kế của điện cực và tính chất màng PANi
như nhau), chứng tỏ sự pha tạp Fe3O4 vào màng PANi làm tăng độ hoạt động điện hóa
hoặc bề mặt tiếp xúc giữa màng với dung dịch chứa monome; điều đó dẫn đến việc
tăng khả năng truyền điện tử trong cấu hình của vi cảm biến điện hóa

7


1000

1000

800

800
600

600

400

400

I / A

I /A

Fe3O4/PANi

200
0

PANi

200
0
-200

-200

-400

-400

-600
-800

-600
-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

-0,2

1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

E /V vs. Ag/AgCl

E /V vs. Ag/AgCl

Hình III.2: Phổ trùng hợp điện hóa CV của Hình III.3. So sánh phổ trùng hợp điện hóa
màng PANi pha tạp Fe3O4

của màng PANi-Fe3O4 và PANi

I.3 Nghiên cứu phát triển vi cảm biến điện hóa sử dụng cấu trúc lớp PANi/Graphen
Chiều dày và cấu trúc cũng như nhóm chức của màng PANi/Graphen được đánh giá
bằng phổ Raman (như Hình III.4). Sự biến đổi về cấu trúc của màng Graphen trước và
sau khi chuyển lên bề mặt điện cực làm việc Pt/PANi được quan sát rõ ràng trong phổ
Raman thông qua việc so sánh với phổ Raman của màng PANi và màng Graphen. Phổ
Raman của màng PANi/Graphen (đường đen) thể hiện các dải phổ được tạo thành từ
PANi và graphene, điều đó chứng tỏ sự tồn tại đồng thời cả hai vật liệu trong màng. Vấn
đề cần nghiên cứu là màng graphen đã tạo liên kết hóa học với màng PANi hay là màng
graphen chỉ gắn tạm thời trên màng PANi. Trong luận án này, ta thấy vân tại vị trí 1507
cm-1 (liên kết N-H, lưỡng cực) đã bị che chắn cùng lúc đó vân tại vị trí 1612 cm-1 (liên
kết C-C, vòng benzenoid) đã dịch chuyển về phía đỏ tới vị trí 1597cm-1. Các kết quả này
chứng tỏ sự tăng nồng độ của các cấu trúc benzenoid, hay nói cách khác là sự xuất hiện
của liên kết hóa học giữa PANi và graphen. Đây là liên kết π-π giữa vòng quinoid của
PANi với graphen. Các liên kết này tạo kênh truyền điện tích giữa Graphen và PANi do
đó làm tăng khả năng truyền dẫn điện tích-hạt mang điện của vật liệu PANi/Graphen.
Từ đó chúng làm tăng độ dẫn của vật liệu, giảm thời gian truyền tín hiệu của cảm biến
sử dụng vật liệu PANi/Graphen.

8


Hình III.4. Phổ Raman của các màng graphen, PANi và PANi/Graphen

Ảnh hưởng của glutaraldehít lên tính chất điện hóa của màng PANi/Graphen được thể
hiện trong Hình III.5.
40
20

I /A

0
-20
-40
-60
-80

PANi/Graphen
PANi/Graphen/Glutaraldehyde

-100
-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

E /V vs. Ag/AgCl
Hình III.5. Phổ điện hóa của màng PANi/Graphen trước và sau khi ủ glutaraldehít trong
dung dịch HCl 0,1M (dải thế quét: -0,2 ÷ +0,8 V, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV)
9


Hình dạng của phổ CV không thay đổi (trong đó, hai cặp đỉnh ôxy hóa-khử tại thế
0,25V/0,2 V và 0,65V/0,57V đặc trưng cho tính chất điện hóa của lớp polyaniline, lớp
vật liệu graphen không có đỉnh điện hóa đặc trưng) nhưng cường độ dòng đã giảm; điều
này chứng tỏ glutaraldehít đã được cố định và ảnh hưởng đến độ hoạt động điện hóa của
cảm ứng.
I.4 Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa cấu trúc lớp PANi-Fe3O4/Graphen
Cấu trúc bề mặt màng compozít PANi-Fe3O4/Graphen được đánh giá bằng thiết bị
hiển vi điện tử quét (FESEM S-4800, Hitachi) tại Viện Khoa học vật liệu (như thể hiện
trong Hình III.6)
Graphen

PANi
Fe3O4

Hình III.6. Ảnh FESEM của màng PANi-Fe3O4/Graphen

Từ ảnh FESEM, ta quan sát thấy lớp màng graphen phẳng và trong suốt trên bề mặt
điện cực, nó sẽ làm tăng độ dẫn điện tử và khả năng cố định phân tử sinh học thông
qua các nhóm chức –CO trên bề mặt. Từ đó chúng làm tăng độ nhạy, giảm thời gian
đáp ứng của cảm biến.

Phổ CV của màng PANi-Fe3O4/Graphen thể hiện đầy đủ các cặp đỉnh oxi hóa-khử
của màng PANi (như Hình III.7), tuy nhiên cường độ dòng ra của màng PANiFe3O4/Graphen (cường độ dòng tại đỉnh +0,25 V đạt ~ 380 A) lớn hơn nhiều (khoảng
8 lần) so với màng PANi thuần; hạt nano Fe3O4 (đóng vai trò như chất tăng cường hoạt
10


động điện hóa) được pha tạp với nồng độ nhỏ không làm thay đổi dạng phổ nhưng đã
tăng cường độ hoạt động điện hóa của màng compozít, màng graphen đã tăng độ dẫn
của màng nên ta thấy cường độ dòng tại các píc (Ipa và Ipc) của màng compozít lớn hơn
(khoảng 8 lần) so với cường độ píc của màng PANi thuần.

400 (1) PANi/Fe3O4/Graphene films

(1)

300 (2) PANi films

I / A

200
100

(2)

0
-100
-200
-300
-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

E /V vs. Ag/AgCl
Hình III.7. Tính chất điện hóa của màng PANi-Fe3O4/Graphen

II. PHÁT TRIỂN VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ MÀNG P(1,5-DAN)
II.1 Tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) pha tạp hạt nano Fe3O4
Khi pha tạp hạt nano Fe3O4 vào màng PDAN trong quá trình trùng hợp điện hóa insitu, hạt nano từ Fe3O4 đã liên kết với monome DAN thông qua cầu liên kết [Fe3O4]COO-NH-[DAN] và làm tăng độ hoạt động điện hóa (electroactivity) của màng vật
liệu. Sau 20 chu kỳ, cường độ dòng của màng PDAN/Fe3O4 đạt ~ 120 A trong khi đó,
cường độ dòng của màng PDAN chỉ đạt ~ 8 A, như vậy cường độ dòng của màng
PDAN/Fe3O4 đã tăng rất lớn so với màng PDAN thông thường.
Độ hoạt động điện hóa của màng PDAN/Fe3O4 được khảo sát và so sánh với màng
PDAN bằng phổ điện hóa Von-Ampe tuần hoàn (hình III.8). Phổ điện hóa của polyme
PDAN-Fe3O4 không có sự thay đổi về hình dạng nhưng cường độ tín hiệu tăng lên rõ
11


rệt, diện tích phổ cũng tăng lên (thể hiện sự tăng cường về độ dẫn điện hóa của màng)

khoảng 10 lần. Do độ dẫn điện hóa của màng PDAN/Fe3O4 nên tín hiệu ra của cảm
biến điện hóa cũng tăng tương ứng, từ đó, độ nhạy của cảm biến cũng tăng lên..
60
40

I /A

20
0

-20
-40

P1,5-DAN
P1,5-DAN/Fe3O4

-60
0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

E /V vs. Ag/AgCl

Hình III.8. So sánh hoạt động điện hóa của các màng PDAN pha tạp/không pha
tạp Fe3O4

II.2 Chế tạo vi cảm biến điện hóa Graphen/PDAN
Độ hoạt động điện hóa của màng Graphen/PDAN được khảo sát và so sánh với màng
PDAN bằng phổ điện hóa Von-Ampe tuần hoàn (Hình III.9 dưới đây).
150

100

I / A

50

0

-50

Pt/Gr/P(1,5-DAN)
Pt/P(1,5-DAN)

-100

-150
-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

E /V vs. Ag/AgCl

Hình III.9. So sánh hoạt động điện hóa của các màng Pt/PDAN và Pt/Graphen/PDAN

So với màng PDAN thuần, phổ điện hóa của màng polyme Graphen/PDAN không
12


có sự thay đổi về hình dạng nhưng cường độ tín hiệu tăng lên rõ rệt, diện tích phổ cũng
tăng lên (thể hiện sự tăng cường về độ dẫn điện hóa của màng) khoảng 15 lần. Do độ
dẫn điện hóa của màng Graphen/PDAN nên tín hiệu ra của cảm biến điện hóa cũng
tăng tương ứng, từ đó, độ nhạy của cảm biến cũng tăng lên. Sự tăng độ dẫn điện hóa
của màng PDAN trên vật liệu Graphen có thể do tương tác của nhóm NH2-Graphen đã
làm thay đổi vùng cấm của vật liệu dẫn đến tăng khả năng dẫn truyền điện tử của vật
liệu.

Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC VI CẢM BIẾN SINH HỌC
ĐIỆN HÓA TRONG PHÂN TÍCH
I. ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH Y-SINH
I.1 Xác định hàm lượng glucôzơ trong dung dịch
I.1.1 Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến sinh học điện hóa PANi/CNTs
Đường đặc trưng dòng đáp ứng của vi cảm biến trên cơ sở màng nanocompozíte

PANi/CNTs/GOx (với tỷ lệ pha tạp CNTs là 1,0 % khối lượng) được chỉ ra trong hình
IV.1 dưới đây.
Đường chuẩn của vi cảm biến trên cơ sở
màng composite PANi/CNTs có pha tạp
1,0%CNTs

0,4

∆i (μA)

0,3

0,2

y = 0,0371x + 0,0074
R² = 0,9962

0,1

0
0

2

4
6
Nồng độ (mM)

8

10

Hình IV.1. Đường đặc tuyến dòng đáp ứng Hình IV.2. Đường chuẩn của vi cảm biến
của vi cảm biến PANi/CNTs/GOx khi thêm PANi/CNTs/GOx với dải nồng độ 1-9 mM
glucôzơ vào hệ điện hóa (E = 0,7V)

Có thể thấy rằng cường độ dòng khi đo trong dung dịch PBS (10 mM, pH = 7) đạt
ổn định sau khoảng 200 s. Khi thêm dung dịch glucôzơ vào thì cường độ dòng tăng
nhanh và đạt ổn định sau khoảng 30-40 s. Tuy nhiên khi nồng độ glucôzơ vượt giá trị
9mM thì sự tăng cường độ dòng là rất yếu, thậm chí bị giảm. Điều này có thể do lượng
enzym GOx cố định trên điện cực chưa nhiều và hoạt tính thấp (20 kU).
13


Đường chuẩn mô tả mối quan hệ giữa chênh lệch cường độ dòng đáp ứng ΔI (A)
và nồng độ glucôzơ C (mM) đã thêm vào bình điện hóa được đưa ra tại hình IV.2.
Phương trình hồi quy có dạng ΔI (A) = 0,0074 + 0,0371*C (mM). Hệ số tương quan
của phương trình hồi quy đạt R2 = 0,9962.
I.1.2 Xác định hàm lượng Glucôzơ bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4
Cường độ dòng của quá trình ôxy hóa của glucôzơ trên vi cảm biến
PANi/Fe3O4/GOx tăng theo nồng độ glucôzơ trong dung dịch được thể hiện trong Hình
IV.3.

Hình IV.3. Đáp ứng dòng của vi cảm biến Hình IV.4. Đường chuẩn của cảm biến
sinh học PANi/Fe3O4/GOx và PANi/GOx tại PANi/Fe3O4/GOx
điện thế +0,7 V trong dung dịch PBS (pH=7)
khi thêm liên tiếp 0,5mM glucôzơ sau mỗi
50s

Từ kết quả trên Hình IV.3, ta xác định được độ nhạy của vi cảm biến đạt 10

A.mM−1.cm−2 và thời gian đáp ứng nhỏ hơn 10 s. Từ đường chuẩn của cảm biến (Hình
IV.4), khoảng tuyến tính của vi cảm biến PANi/Fe3O4/GOx được xác định là 0,5 đến
3,5 mM với R2 = 0,9992, LOD = 0,25 mM. Phương trình hồi qui có dạng: I (A) =
0,33021*C (mM) + 0,04503.
I.1.3 Xác định hàm lượng glucôzơ bằng vi cảm biến điện hóa PANiFe3O4/Graphen/GOx
Đường đáp ứng thời gian thực của cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen/GOx đối với nồng
độ glucôzơ trong dung dịch được thể hiện trong Hình IV.5 dưới đây (mỗi lần thêm 3
mM glucôzơ vào dung dịch, nhiệt độ phòng, không có khuấy, dung dịch đệm 50 mM
PBS 1x).
14


Hình IV.5. Đáp ứng dòng ra của vi cảm biến Hình IV.6. Đường chuẩn của vi cảm biến
PANi-Fe3O4/Graphen/GOx khi thêm liên PANi-Fe3O4/Graphen/GOx theo nồng độ
tiếp các nồng độ của glucôzơ (E = 0,7V, glucôzơ
nhiệt độ phòng, không có khuấy, dung dịch
đệm 50 mM PBS 1x)

Ta thấy cảm biến có thời gian đáp ứng ngắn đối với sự thay đổi nồng độ của glucozơ
trong dung dịch, tđáp ứng ~ 10-15 s, cường độ dòng đáp ứng của cảm biến có độ ổn định
tốt tại các nồng độ của glucôzơ. Dựa trên đường đáp ứng của cảm biến, ta xác định
đường đặc tuyến của cảm biến theo phương trình hồi quy như sau: I (A) = 1,484*C
(mM) + 6,764. Từ đó, ta xác định cảm biến có độ sai số tương đối là R2 = 0,9969 trong
dải nồng độ từ 2,9 ÷ 23 mM (như trong Hình IV.6).
Từ đường chuẩn của cảm biến, ta xác định được độ nhạy của cảm biến là 47 A.mM1

.cm-2, LOD = 1,5 mM; độ nhạy này lớn hơn đối với cảm biến không có màng graphen

đã được chúng tôi phát triển trước đây (khoảng 10 ÷ 30 A.mM-1.cm-2).
I.2. Xác định hàm lượng cholesterol trong dung dịch

I.2.1. Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi/CNTs
Đường đặc trưng đáp ứng dòng của vi cảm biến PANi/CNTs/ChOx với sự có mặt
của hợp chất trung gian K3[Fe(CN)6] tại điện áp E= -0,3V được đưa ra tại hình IV.7.
Nồng độ cholesterol là nồng độ đã được pha loãng (coi sự thay đổi thể tích là không
đáng kể).

15


Hình IV.7. Đặc trưng đáp ứng dòng theo
thời

gian

của

vi

cảm

Hình IV.8. Đường chuẩn của vi cảm biến

biến

PANi/MWCNTs/ChOx

PANi/MWCNTs/ChOx khi thêm liên tiếp
cholesterol vào dung dịch PBS 50mM
(pH=7,0) tại điện áp -0,3V

Vi cảm biến PANi/CNTs/ChOx đạt ổn định dòng (~ 2,8 A) trong dung dịch đệm
PBS 50 mM (pH = 7) sau khoảng 400 s. Dựa vào sự chênh lệch cường độ dòng đáp
ứng của vi cảm biến PANi/CNTs/ChOx và tổng nồng độ cholesterol đã được thêm vào
sẽ xây dựng được đường chuẩn xác định cholesterol tại điện áp -0,3V (so với Ag/AgCl)
với sự có mặt của K3[Fe(CN)6]. Phương trình hồi quy có dạng ΔI (A) = 0,0174 +
4,3014 * C (mM). Hệ số tương quan của phương trình hồi quy: R2 = 0,9985.
I.2.2 Xác định nồng độ cholesterol bằng cảm biến PANi/Fe3O4
Đường đặc tuyến đáp ứng dòng của vi cảm biến PANi/Fe3O4/ChOx-Fe3O4 được trình
bày trong hình IV.23 dưới đây. Kết quả cho thấy cảm biến cho đáp ứng dòng tốt (tuyến
tính) trong khoảng nồng độ cholesterol từ 0,196 ÷ 1,803 mM. Ở các nồng độ cholesterol
lớn hơn, khi thêm vào bình điện phân, tín hiệu bị nhiễu, đáp ứng dòng kém; điều này
là do ChOx khi xúc tác cho phản ứng thủy phhân cơ chất choleterol không phục hồi
kịp với tốc độ thêm vào của cơ chất. Với các kết quả trong đồ thị đường chuẩn của cảm
biến (hình IV.10), phương trình hồi qui của đường chuẩn sẽ có dạng: I (µA) = (21,45
± 1,271)×C (mM) + (-0,8352 ± 1,1474), hệ số tương quan của phương trình hồi quy
đạt R2 = 0,9929. Độ nhạy trung bình của vi cảm biến PANi-Fe3O4/ChOx-Fe3O4 là S =
21,44 A.mM-1.cm-2.

16


Hình IV.9. Đặc tuyến đáp ứng dòng với các

Hình IV.10. Đường chuẩn của vi cảm

nồng độ cholesterol (0,19 mM) được thêm biến sinh học điện hóa PANi/Fe3O4/ChOxvào của vi cảm biến sinh học điện hóa PANi- Fe3O4
Fe3O4/ChOx-Fe3O4

I.2.3 Xác định hàm lượng cholesterol bằng vi cảm biến PANi-Fe3O4/Graphen
Tương tự như cảm biến glucôzơ, cảm biến xác định cholesterol cũng được chế tạo ứng dụng trên cơ sở cấu trúc điện cực PANi-Fe3O4/Graphen với phần tử đầu dò sinh

học là enzym Cholesterol oxidase. Đường đáp ứng thời gian thực của cảm biến
Cholesterol được trình bày trong Hình IV.11 dưới đây (trong điều kiện thực nghiệm:
mỗi lần thêm 2mM cơ chất Cholesterol vào dung dịch chứa 50mM đệm PBS 1x, nhiệt
độ phòng, không có khuấy).
Từ Hình IV.11, ta thấy cảm biến cholesterol có thời gian đáp ứng rất ngắn đối với
sự thay đổi nồng độ cholesterol (< 5s). Đường đặc tuyến của cảm biến là tuyến tính
trong dải nồng độ từ 2 mM đến 20mM (và đáp ứng được yêu cầu phân tích trong y sinh
với dải nồng độ từ 3 ÷ 10mM). Phương trình hồi quy của cảm biến có dạng I (µA) =
(2,15 ± 0,13)*C (mM) với R2= 0,9986 (hình IV.11 nhỏ), giới hạn phân tích của cảm
biến đạt 0,25mM. Với cảm biến có đường kính điện cực làm việc là 250 µm, độ nhạy
của cảm biến cholesterol là 1095, 54 AmM-1cm-2 (lớn gấp 2 lần so với cảm biến
cholesterol sử dụng vật liệu PANi-CNT đã chế tạo).

17


Hình IV.11. Đường đáp ứng dòng của vi cảm biến sinh học điện hóa PANiFe3O4/Graphen/ChOx (hình nhỏ: đường đặc tuyến của cảm biến cholesterol)

I.3. Xác định chuỗi ADN của virút HPV
Đồ thị phân tích SWV được ghi lại sau từng quá trình (hoạt hóa với EDC/NHS, trước

I /A

và sau khi gắn aptamer, kháng nguyên HPV), được trình bày trong Hình IV.12.
3,5x10

-4

3,0x10

-4

2,5x10

-4

2,0x10

-4

1,5x10

-4

1,0x10

-4

5,0x10

-5

(1) + EDC/NHS
(2) + HPV-16-L1
(3) + 10nM anti-HPV
(4) + 20nM anti-HPV
(5) + 30nM anti-HPV
(6) + 40nM anti-HPV
(7) + 50nM anti-HPV

(1)
(2)
(3)
(4)

(5)
(6)
(7)

0,0
-5,0x10

-5

-1,0x10

-4

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

E /V vs. Ag/AgCl

Hình IV.12. Đồ thị SWV khi xử lí với Hình IV.13. Đường chuẩn của vi cảm biến sinh
EDC/NHS (đường 1), khi gắn với aptamer học điện hóa PANi/MWCNTs theo nồng độ HPV
HPV-16-L1 với nồng độ 5x10-8 M (đường 2) trong dải 10-80 nM
và khi hình thành phức hợp HPV-16-L1 với
kháng nguyên HPV (đường 3- 7) (thông số:
tần số = 12,5 Hz, tốc độ quét = 50 mV/s,
bước thế = 10 mV, biên độ xung = 5 mV, dải
thế = -0,6÷ 0,5V trong dung dịch HCl 0,1 M)
18


Phổ phân tích SWV đã chứng minh rất rõ ràng sự tạo thành phức hợp của aptamer
HPV-16-L1 và kháng thể HPV đặc hiệu của nó, thông qua việc suy giảm cường độ pic
SWV một cách tuyến tính. Đường chuẩn đã được xây dựng với một loạt các nồng độ
HPV khác nhau trong dải từ 10÷80 nM (thể hiện trong Hình IV.13). Vi cảm biến sinh
học PANi/MWCNTs có đáp ứng độ nhạy là 1,75 ± 0,2 (A.nM-1) (R2 =0,997) trong
dải nồng độ từ 10 ÷ 50 nM với giới hạn phát hiện (LOD) là 490 pM. Có thể nhận thấy,
tín hiệu có xu hướng bão hòa với giá trị nồng độ trên 80 nM.
II. ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT AN TOÀN THỰC PHẨM
II.1. Xác định hàm lượng Aflatoxin M1 trong sữa
Khả năng nhận biết nồng độ AFM1 của vi cảm biến được xác định bằng đường
chuẩn với một loạt nồng độ khác nhau (từ 6 ÷ 78 ng/L tương với nồng độ từ 18÷240
pM của AFM1) của AFM1 (trọng lượng phân tử là ~328 Da). Kết quả phân tích nồng
độ của AFM1 của vi cảm biến bằng phương pháp xung sóng vuông – SWV được thể
hiện trong Hình IV.14 hoàn toàn tương đồng với tín hiệu điện hóa CV của vi cảm biến.

(1) Fe3O4/PANi

7

(2) Fe3O4/PANi/Glu
(3) Fe3O4/PANi/Glu/APT

6

-1

(4) + AFM1 06ngL
-1
(5) + AFM1 18ngL
-1
(6) + AFM1 30ngL
-1
(7) + AFM1 60ngL

4
3

I / A

I /A

5

2

5,0

I (A) = -4,77*CAFM1 + 5,17 (A)

4,5

R = 0,9986

2

4,0
3,5
3,0
-1

2,5 LOD = 1,98 ngL
-1
LOQ = 6,62 ngL
2,0

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

SIGNAL OFF

0
-0,6

-0,4

-0,2

0,0

-1

AFM1 concentration /ngL

0,2

0,4

0,6

0,8

E /V vs. Ag/AgCl

Hình IV.14. Phổ SWV của vi cảm biến PANi/Fe3O4 với các nồng độ AFM1 khác nhau
(thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷
+0,65 V trong dung dịch HCl 0,1 M)

Kết quả thu được của vi cảm biến là: độ nhạy đạt 4,77±0,2 (A/ngL-1) (R2 = 0,9986)
trong khoảng nồng độ từ 6 – 60 ngL-1 (tương ứng xấp xỉ 18 đến 240 pM) với LOD đạt
1,98 ngL-1 (đường chuẩn của cảm biến trong Hình IV.31 nhỏ).
II.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa

19


II.2.1 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến P(1,5-DAN)/Fe3O4

Đặc tuyến đáp ứng dòng của cảm biến được khảo sát tại điện thế là 0,4V được thể
hiện trong hình IV.15 dưới đây.

Hình IV.15 Đặc tuyến đáp ứng dòng thời Hình IV.16. Đường chuẩn của vi cảm biến
gian thực theo nồng độ lactôzơ của vi cảm PDAN-Fe3O4 theo nồng độ lactôzơ trong
biến sinh học điện hóa PDAN-Fe3O4 (E = dung dịch
0,4V)

Từ đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực, ta nhận thấy rằng vi cảm biến sinh học
điện hóa PDAN-Fe3O4 có đáp ứng tuyến tính với nồng độ chất cần phân tích trong dải
~12 A.Từ hình IV.15, ta thu được thời gian đáp ứng của vi cảm biến là nhỏ (< 10 s)
và đáp ứng dòng rất ổn định tại các nồng độ mẫu khảo sát. Thời gian ổn định của vi
cảm biến trong môi trường đệm là ngắn (< 200 s). Đây là các thông số vi cảm biến đáp
ứng tốt yêu cầu kết nối mạch xử lý điện tử để phát triển thiết bị phân tích nhanh hàm
lượng lactôzơ trong mẫu.
Dựa trên đặc tuyến đáp ứng dòng thời gian thực, ta xây dựng được đường chuẩn tín
hiệu ra-nồng độ lactôzơ của cảm biến (hình IV.16). Dựa trên đường chuẩn của vi cảm
biến, ta xác định được độ nhạy của vi cảm biến là 0,38 A/(mg.mL-1), R2 = 0,9965 với
giới hạn phát hiện LOD = 0,19 mgmL-1. Vi cảm biến có đáp ứng tuyến tính trong dải
nồng độ 0 – 14 mgmL-1.
II.2.2 Xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa bằng vi cảm biến Graphen/P(1,5-DAN)
Đường chuẩn của cảm biến sinh học điện hóa Graphen/PDAN (thể hiện trong Hình
IV.17)

20


Hình IV.17. Đường chuẩn của vi cảm biến Graphen/PDAN theo nồng độ lactose trong
dung dịch

Dựa trên đường chuẩn của vi cảm biến, ta xác định được độ nhạy của vi cảm biến
đạt 1,33 A/(g.mL-1), R2 = 0,995 với giới hạn phát hiện LOD = 1,3 g.mL-1 trong dải
nồng độ 0 ÷ 60 g.mL-1.
III. ỨNG DỤNG TRONG QUAN TRẮC Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
III.1 Xác định dư lượng thuốc diệt cỏ Atrazine bằng vi cảm biến PANi/Fe3O4
Chúng tôi đã sử dụng phương pháp SWV và mô hình SIGNAL-OFF để ứng dụng
cho cảm biến điện hóa nhằm xác định các hàm lượng rất nhỏ của ATZ trong dung dịch
(như trong Hình IV.19). Sự suy giảm tín hiệu điện hóa từ các đường (1)  (7) cho thấy
khả năng hoạt động tốt của cảm biến.
Đường chuẩn của cảm biến được xây dựng dựa trên kết quả đo SWV của cảm biến
trong dải nồng độ từ 10-11 đến 10-8M của Atrazin (thể hiện trong Hình IV.19 dưới đây).
Đường chuẩn của cảm biến thể hiện sự phụ thuộc tuyến tính giữa dòng ra và nồng độ
của Atrazin (theo log) trong dải từ 10-11 M đến 10-8 M. Phương trình hồi quy là: I (A)
= (-306,02 ± 6,71) – (64,78 ± 0,62) (logCATZ). Độ nhạy của cảm biến đạt (64,78 ± 0,62)
(A/logCATZ) với R2 = 0,9915, giới hạn phân tích LOD = 2,1x10-9 M.
21


700
600

(1) PANi\Fe3O4
(2) PANi\Fe3O4 \Glu
(1)

(3) PANi\Fe3O4 \Glu-ATZ
-11

500

I /A

400

(4) [ATZ] = 10 M
-10
(5) [ATZ] = 10 M
-9
(6) [ATZ] = 10 M
-8
(7) [ATZ] = 10 M

(2)
(3)
(4)
(5)

300

(6)

200

(7)

100
0
-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

E /V vs. Ag/AgCl

Hình IV.18. Phổ SWV của vi cảm biến

Hình IV.19.. Đường chuẩn của cảm biến

PANi-Fe3O4 với các nồng độ khác nhau của

PANi-Fe3O4/Anti-Atrazin

Atrazin (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc
độ quét: 50 mV/s, bước thế 10 mV, dải thế
quét: -0,6 ÷ +0,65 V trong dung dịch HCl 0,1
M)

III.2 Xác định dư lượng Atrazin trong dung dịch bằng vi cảm biến PANi/Graphen
Tín hiệu đáp ứng SWV của vi cảm biến PANi/Graphen với các nồng độ ATZ trong

dải nồng độ đã chọn được thể hiện trong Hình IV.20 dưới đây.
550
500
450

I ()

400

Pt/PANi/Gr-GA
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ
-11
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ-ATZ 10 M
-10
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ-ATZ 10 M
-9
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ-ATZ 10 M
-8
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ-ATZ 10 M
-7
Pt/PANi/Gr-GA-ATZ-ATZ 10 M

350
300
250

CATZ

200
150

100
0,3

0,4

0,5

0,6

E (V) vs. Ag/AgCl
Hình IV.20. Tín hiệu đáp ứng SWV của vi cảm biến PANi/Graphen với các nồng độ
Atrazin trong dải từ 10-11 đến 10-7M (thông số: tần số quét 12,5 Hz, tốc độ quét: 50 mV/s,
bước thế 10 mV, dải thế quét: -0,6 ÷ +0,65V trong dung dịch HCl 0,1 M)
22


Từ hình IV.20, ta thấy rõ sự suy giảm cường độ dòng ra của đỉnh ôxy hóa tại điện
áp +0,57 V của phổ SWV theo sự tăng của nồng độ Atrazin. Điều đó cho thấy sự gia
tăng của phân tử ATZ liên kết với kháng thể ATZ tại dung dịch có nồng độ ATZ cao
hơn, chúng hoạt động như hàng rào động học ngăn cản sự truyền điện tử. Việc cố định
của các vật liệu không dẫn điện như ATZ trên bề mặt vi điện cực sẽ cản trở các phần
tử hoạt động điện gắn lên trên điện cực và làm giảm sự trao đổi điện tử giữa bề mặt
điện cực và dung dịch, cũng như sự trao đổi điện tử giữa các lớp vật liệu.
Đường chuẩn đáp ứng dòng ra của cảm biến (tại đỉnh của phổ SWV) với các nồng
độ khác nhau của ATZ được mô tả trong Hình IV.21.

Hình IV.21. Đường chuẩn đáp ứng dòng ra tại điện áp +0,57V của vi cảm biến
PANi/Graphen trong dải nồng độ của ATZ từ 10-11 đến 10-7 M

Phương trình hồi qui của cảm biến có dạng: I = 13,33 logCATZ + 202 (A), với R2 =

0,9786. Ta thấy khoảng tuyến tính của nồng độ là khá lớn, có nghĩa cảm biến có độ
chính xác cao trong dải nồng độ hoạt động lớn. Giới hạn phân tích của cảm biến miễn
dịch trên cơ sở vật liệu cấu trúc lớp PANi/Graphen là 43 pg.L-1 (hay là 43x10-12 g.L-1),
thấp hơn nhiều so với mức quy định dư lượng tối đa 3 g.L-1 theo quy định của EPA
(Mỹ) và EU.
23