Nghiên cứu chế tạo điện cực biến tính trên cở sở vật liệu nanocompozit của polime dẫn và vật liệu nanocacbon nhằm xác định điện hóa dopamin trong mẫu dược phẩm và sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Đỗ Phúc Tuyến

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH TRÊN CƠ
SỞ VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CỦA POLIME DẪN VÀ
VẬT LIỆU NANOCACBON NHẰM XÁC ĐỊNH ĐIỆN HÓA
DOPAMIN TRONG MẪU DƯỢC PHẨM VÀ SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Đỗ Phúc Tuyến

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH TRÊN CƠ
SỞ VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT CỦA POLIME DẪN VÀ
VẬT LIỆU NANOCACBON NHẰM XÁC ĐỊNH ĐIỆN HÓA
DOPAMIN TRONG MẪU DƯỢC PHẨM VÀ SINH HỌC

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 62440118

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Đỗ Phúc Quân
2. GS.TS. Từ Vọng Nghi

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

Đỗ Phúc Tuyến


LỜI CẢM ƠN
Công trình khoa học này được hoàn thành là sự nỗ lực của bản thân tôi cùng quá trình
đào tạo và chỉ bảo của các thầy cô hướng dẫn, sự hỗ trợ tạo điều kiện và dành thời gian
của đồng nghiệp và gia đình.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới cố GS.TS.Từ Vọng Nghi, sinh thời đã trực
tiếp hướng dẫn tận tình, sâu sắc về mặt khoa học đồng thời tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho phép tôi hoàn thành tốt bản luận án này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS.Đỗ Phúc Quân, người đã tận tình trực tiếp chỉ
bảo và định hướng chuyên môn khoa học cũng như đã truyền dạy những kỹ năng và
phương pháp nghiên cứu để giúp tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TS. Phạm Hùng Việt và Ban giám đốc
Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), trường
Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
quá trình thực hiện đề tài tại trung tâm.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Khoa Hóa học, Bộ môn
Hóa học phân tích, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG Hà Nội đã dạy dỗ, giúp
đỡ và bồi dưỡng cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập.
Công trình nghiên cứu của tôi được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ Qũy Phát
triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia–NAFOSTED qua đề tài nghiên cứu
104.07.108.09; cũng như sự tài trợ kinh phí của Đại học Quốc gia Hà Nội thông qua đề
tài QG.10.16.
Tôi cũng xin cảm ơn các nhà khoa học đã có những ý kiến phản biện và ý kiến về
chuyên môn giúp hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, đồng nghiệp đã luôn ở bên tôi,
quan tâm, giúp đỡ, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Hà nội, ngày

tháng

Đỗ Phúc Tuyến

năm 2017


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN .................................................................................3

DOPAMIN (DA) .......................................................................................3

1.1.1.

Giới thiệu chung ..................................................................................3

1.1.2.

Vai trò của dopamin trong cơ thể ........................................................4

1.2.

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DA ..............................................6

1.2.1.

Phương pháp huỳnh quang ..................................................................8

1.2.2.

Phương pháp khối phổ .........................................................................9

1.2.3.

Phương pháp miễn dịch liên kết enzym (ELISA) .............................11

1.2.4.

Phương pháp điện hóa .......................................................................11

1.3.

ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH HÓA HỌC XÁC ĐỊNH ĐIỆN HÓA DA ..17

1.3.1.

Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ...................17

1.3.2.

Các phương thức biến tính điện cực để xác định DA .......................25

1.3.3.

Mục tiêu và ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu ........................36

1.4.

KẾT LUẬN TỔNG QUAN ...................................................................37

CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................39

2.1.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................39

2.2.

THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT ..............................................40

2.2.1.

Thiết bị và dụng cụ ............................................................................40

2.2.2.

Hóa chất .............................................................................................40

2.3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................41

2.3.1.

Các phương pháp nghiên cứu phản ứng và bề mặt điện cực .............41

2.3.2.

Phương pháp von-ampe xung vi phân ...............................................43


2.3.3.

Phương pháp điện hóa tổng hợp polime ............................................43

2.3.4.

Phương pháp phổ Raman ..................................................................44

2.3.5.

Phương pháp xác định các thông số đặc trưng của điện cực .............44

2.3.6.

Ứng dụng phân tích mẫu và đánh giá kết quả ...................................45

2.4.

THỰC NGHIỆM ....................................................................................45

2.4.1.

ĐIỆN CỰC NF-SWCNTs/P3MT/GCE ............................................45

2.4.2.

ĐIỆN CỰC AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE ..........................................49

2.4.3.

PHÂN TÍCH MẪU DƯỢC PHẨM VÀ SINH HỌC ........................51

CHƯƠNG 3.
3.1.

KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN .......................................................53

ĐẶC TRƯNG ĐIỆN HÓA CỦA DA TRÊN GCE ..............................53

3.1.1.

Trong môi trường pH 4 .....................................................................53

3.1.2.

Trong môi trường pH 7 .....................................................................55

3.2.

ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH NF-SWCNTs/P3MT/GCE ..........................58

3.2.1.

Tổng hợp poli-(3-metylthiophen) (P3MT) trên điện cực GCE và khảo

sát đáp ứng với DA ...........................................................................................58
3.2.2.

Tổng hợp compozit của Nafion với P3MT trên điện cực GCE và

khảo sát đáp ứng với DA ..................................................................................65
3.2.3.

Khảo sát các tính chất điện hóa của DA trên điện cực NF-

SWCNTs/P3MT/GCE ......................................................................................75
3.2.4.
3.3.

Các đặc trưng phân tích của điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE ....79

ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE .......................89

3.3.1.

Tổng hợp và khảo sát graphen (Gr) ...................................................89

3.3.2.

Tổng hợp và khảo sát các lớp vật liệu biến tính ................................91

3.3.3.

Tính chất của điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE .......................103


3.3.4.
3.4.

Các đặc trưng phân tích của điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE 110

KẾT QUẢ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH MẪU ....................................114

3.4.1.

Quy trình phân tích ..........................................................................114

3.4.2.

Phân tích DA bằng điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE ................116

3.4.3.

Phân tích DA bằng điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE ..............117

3.5.

TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................119

CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN .................................................................................122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....................................................................................123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................124
PHỤ LỤC............................................................................................................... i
Phụ lục 1: Tín hiệu EDS của bề mặt điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/ITO .... i
Phụ lục 2: Một số tín hiệu phân tích thực tế .................................................... iii
Phụ lục 3. Kết quả kiểm nghiệm đối chứng mẫu dược phẩm...........................v
Phụ lục 4. Kết quả kiểm nghiệm đối chứng mẫu nước tiểu ............................ vi
Phụ lục 5: Một số vấn đề lý thuyết điện hóa liên quan đến luận án............. viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Viết đầy đủ tiếng Việt (tiếng Anh)

AA

Axit ascobic (Ascorbic acid)

AuNPs

Hạt nano vàng (Gold nanoparticles)

CE

Điện di mao quản (Capillary Electrophoresis)

CNTs

Cacbon nano dạng ống (Carbon nanotubes)

CPs

Polime dẫn (Conducting polymers)

CV

Von-ampe vòng (Cyclic voltametry)

CVD

Tổng hợp ngưng hơi hóa học (Chemical vapor deposition)

DA

Dopamin (Dopamine)

DOPA

3,4-Dihydroxyphenylalanin (3, 4-Dihydroxyphenylalanine)

DOPAC

3,4-Dihydroxyphenyl axetic axit (3,4-Dihydroxyphenyl-acetic
acid)

DPV

Von-ampe xung vi phân (Differential-Pulse Voltammetry)

ELISA

Phương pháp miễn dịch liên kết enzym (Enzyme Linked
Immunosorbent Assay)
Phương pháp von-ampe vòng quét nhanh (Fast-scan cyclic
voltametry)

FSCV
GCE

Điện cực glasy cacbon (Glassy carbon electrode)

Gr

Graphen (Graphene)

Gr/GCE

Điện cực glasy cacbon biến tính bằng graphen

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (High-performance liquid
chromatography)
Sắc ký lỏng ghép nối đe-tec-tơ huỳnh quang (High-performance
liquid chromatography with fluoresence detector)

HPLC/FL
HVA

Axit homovanilic (Homovanillic acid)

ITO

Oxit inđi thiếc (Indium tin oxide)


Viết tắt

Viết đầy đủ tiếng Việt (tiếng Anh)

LC

Sắc ký lỏng (Liquid chromatography)

LC-ECD

Phương pháp sắc ký lỏng ghép nối cảm biến điện hóa (Liquid
chromatography–electrochemical detection)
Sắc ký điện động học mixen (micellar electrokinetic
chromatography)

MEKC
MIP

Polime in dấu phân tử (Molacular imprinting polymer)

MN

Metanephrin (Metanephrine)

NE

Norepinephrin (Norepinephrine)

NF

Nafion (Nafion)

NMN

Normetanephrin (Normetanephrine)

OPPy

Polipyrol quá oxi hóa (Over-oxided polypyrrol)

P3MT

Poli-(3-metylthiophen) (Poly-(3-methylthiophene)

P3MT/GCE Điện cực glasy cacbon biến tính bằng poli 3-metylthiophen
PBS

Dung dịch đệm phốt phát (phosphate buffer solution)

PMMA

Polimetyl metacrylat (Polymethyl methacrylate)

PPy

Polipyrol (Polypyrrol)

Py

Pyrol (Pyrrol)

S/N

Tỷ lệ cường độ tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-noise ratio)

SAMs

Các đơn lớp tự lắp ghép (Self-assembled monolayers)

SWCNTs

Ống nanocacbon đơn vách (Single wall carbon nanotubes)

TBAP

Tetrabutyl amoni peclorat (Tetrabuthyl ammonium perchlorate)

UA

Axit uric (Uric acid)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hàm lượng bình thường dopamin trong mẫu sinh học ................... 7
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp công trình nghiên cứu trên thế giới công bố gần đây
......................................................................................................................... 20
Bảng 3.1. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc GCE, phương pháp đo von-ampe vòng
......................................................................................................................... 53
Bảng 3.2. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc GCE, phương pháp đo xung vi phân . 54
Bảng 3.3. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 7, điện cực làm việc GCE, phương pháp đo xung vi phân . 58
Bảng 3.4. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc P3MT/GCE, kỹ thuật đo von-ampe vòng
......................................................................................................................... 62
Bảng 3.5. Vị trí điện thế của píc anot (Epa) và píc catot (Epc) khi xác định DA
bằng điện cực P3MT/GCE trong môi trường PBS 0,1 M với pH 4 ............... 63

Bảng 3.6. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc P3MT/GCE, đo xung vi phân ............ 64
Bảng 3.7. Vị trí thế oxi hóa và cường độ tín hiệu theo pH của điện cực
NF/P3MT/GCE ............................................................................................... 68
Bảng 3.8. Khoảng tách píc tín hiệu điện thế giữa DA và AA theo pH ......... 69
Bảng 3.9. Cường độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với nồng độ DA
khi đo CV với điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M và pH 4 ....... 70
Bảng 3.10. Thế oxi hóa khử và cường độ tín hiệu của điện cực NF/P3MT/GCE
trong PBS 0,1 M với pH 4 chứa DA 5×10-5 M với tốc độ quét thế thay đổi .. 71
Bảng 3.11. Số liệu đường chuẩn xác định độ DA với điện cực NF/P3MT/GCE
trong đệm PBS 0,1 M và pH 4, phương pháp xung vi phân ........................... 73


Bảng 3.12. Số liệu đường chuẩn DA trong hỗn hợp chứa đồng thời DA và AA
trên điện cực NF/P3MT/GCE, môi trường đo pH 4, PBS 0,1 M.................... 74
Bảng 3.13. Vị trí píc tín hiệu của AA, DA, UA và khoảng tách tín hiệu ...... 77
Bảng

3.14. Thế oxi hóa khử và cường độ tín hiệu của điện cực NF-

SWCNTs/P3MT/GCE trong PBS 0,1 M với pH 4 chứa DA 10 -4 M với tốc độ
quét thế thay đổi .............................................................................................. 79
Bảng 3.15. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4 điện cực làm việc NF-SWCNTs/P3MT/GCE .................. 80
Bảng 3.16. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4 chứa đồng thời AA, DA, UA và đường chuẩn xác định DA
điện cực làm việc NF-SWCNTs/P3MT/GCE, đo xung vi phân ..................... 81
Bảng 3.17. Số liệu về độ lặp lại khi đo DA, phương pháp xung vi phân, điện
cực làm việc NF-SWCNTs/P3MT/GCE ......................................................... 84
Bảng 3.18. Ảnh hưởng của các chất đến tín hiệu DPV của DA.................... 86

Bảng 3.19. Các thông số đặc trưng của các điện cực biến tính ..................... 88
Bảng 3.20. Thế oxi hóa khử và cường độ tín hiệu của điện cực AuNPs/OPPyMIP/Gr/GCE trong PBS 0,1 M pH 7 chứa DA 5×10-5 M theo tốc độ quét thế
....................................................................................................................... 104
Bảng 3.21. Cường độ tín hiệu (Ipa) khi quét CV với tốc độ quét (ʋ) thay đổi
dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM trong KCl 0,1 M, điện cực làm việc
OPPy-MIP/Gr/GCE....................................................................................... 106
Bảng 3.22. Cường độ tín hiệu (Ipa) khi quét CV với tốc độ quét (ʋ) thay đổi
dung dịch Fe(CN)64-/3- 5 mM trong KCl 0,1 M sử dụng điện cực làm việc
AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE .......................................................................... 107
Bảng 3.23. Hệ số góc k tương ứng nồng độ DA ......................................... 109
Bảng 3.24. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 7 điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE.............. 110


Bảng 3.25. Độ lặp lại khi đo DA bằng điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
....................................................................................................................... 112
Bảng 3.26. Số liệu về sự thay đổi cường độ tín hiệu DPV của DA 10 µM khi
trong dung dịch đo xuất hiện các chất khác với nồng độ cao gấp n lần ....... 113
Bảng 3.27. Số liệu về độ chụm xác định nồng độ dopamin trong mẫu thuốc
tiêm sử dụng điện cực biến tính NF-SWCNTs/P3MT/GCE ........................ 116
Bảng 3.28. Phân tích mẫu thuốc tiêm với điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE
....................................................................................................................... 117
Bảng 3.29. Phân tích mẫu nước tiểu với điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE
....................................................................................................................... 117
Bảng 3.30. Kết quả phân tích mẫu nước tiểu so sánh phương pháp điện hóa
với điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE và phương pháp ELISA.............. 118
Bảng 3.31. Số liệu về độ chụm xác định nồng độ DA trong mẫu nước tiểu 10
µM sử dụng điện cực biến tính AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE ...................... 119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các chất quan trọng trong sinh hóa thuộc nhóm catecholamin ...... 3
Hình 1.2. Phản ứng tổng hợp DA trong phòng thí nghiệm ............................. 4
Hình 1.3. Khớp thần kinh và vai trò truyền dẫn tín hiệu của DA [175] ......... 6
Hình 1.4. Phản ứng oxi hóa – khử DA .......................................................... 13
Hình 1.5. Hình minh họa hệ thiết bị cấy ghép truyền tín hiệu không dây gồm
điện cực kích thích và các cảm biến nhạy với các hợp chất thần kinh trong nhân
đồi thị và vi mạch đo, chuyển đổi và truyền tín hiệu [4]. ............................... 16
Hình 1.6. Số lượng bài báo liên quan đến phương pháp và một số chất thần
kinh quan trọng trong giai đoạn 2010-2013 [115]. ......................................... 17
Hình 1.7. Số lượng công trình được công bố đến 2013 liên quan đến ứng dụng
các vật liệu nano để xác định dopamin [115] ................................................. 18
Hình 1.8. Cấu trúc các vật liệu cacbon nano [41, 107] ................................ 26
Hình 1.9. Các phương thức chức năng hóa cacbon dạng ống nano [66, 106]
......................................................................................................................... 27
Hình 1.10. Nguyên tắc chung cho polime in dấu phân tử [151] ................... 36
Hình 2.1. Các vị trí và các nhóm chức hình thành trong quá trình chức năng
hóa SWCNTs [66, 106] ................................................................................... 46
Hình 2.2. Quá trình chuyển lớp màng graphen tổng hợp CVD lên bề mặt điện
cực glasy cacbon [166].................................................................................... 50
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình chế tạo điện cực AuNPs/Gr/OPPy-MIP/GCE ..... 51
Hình 2.4. Mẫu dược phẩm thuốc tiêm dopamin được tiến hành phân tích ... 52
Hình 3.1. Tín hiệu CV (hình A) và đường chuẩn cường độ tín hiệu píc anot
(hình B) của điện cực GCE trong dung dịch DA với môi trường đo pH 4 của
dung dịch đệm PBS 0,1 M .............................................................................. 53


Hình 3.2. Tín hiệu von-ampe xung vi phân (hình A) với điện cực GCE trong
môi trường pH 4 dung dịch đệm PBS 0,1 M và đường tuyến tính cường độ dòng
tín hiệu theo nồng độ DA (hình B) ................................................................. 54

Hình 3.3. Tín hiệu xung vi phân của hỗn hợp DA và AA khi xác định bằng
điện cực GCE trong môi trường đo dung dịch đệm PBS 0,1 M với pH 4 ...... 55
Hình 3.4. Đường tín hiệu von-ampe vòng khi quét liên tục 5 vòng dung dịch
DA trong môi trường pH 7 dung dịch đệm PBS 0,1 M .................................. 55
Hình 3.5. Tín hiệu CV (hình A) và DPV (hình B) khi sử dụng điện cực GCE
xác định DA trong sự có mặt của AA ............................................................. 56
Hình 3.6. Tín hiệu CV (hình A) và DPV (hình B) của điện cực GCE trong
dung dịch pH 7 đệm PBS 0,1 M chứa AA, DA và UA .................................. 57
Hình 3.7 . Tín hiệu xung vi phân (hình A) và đường chuẩn (hình B) xác định
DA với điện cực GCE trong môi trường pH 7 đệm photphat 0,1 M .............. 57
Hình 3.8. Tín hiệu điện phân và cơ chế tổng hợp điện hóa lớp màng poli-(3metylthiophen) ................................................................................................ 59
Hình 3.9. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của lớp màng P3MT .................. 59
Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian điện phân tổng hợp màng P3MT nên khả
năng đáp ứng với DA ...................................................................................... 60
Hình 3.11. Tín hiệu CV -0,3–0,7 V tốc độ quét 100 mV/s của điện cực GCE
và P3MT/GCE trong dung dịch DA 50 µM, môi trường dung dịch đệm PBS
0,1 M pH 4 ...................................................................................................... 61
Hình 3.12. Tín hiệu CV (hình A) và đường chuẩn theo píc anot (hình B) của
điện cực P3MT/GCE dung dịch DA, PBS 0,1 M, pH 4 ................................. 62
Hình 3.13. Tín hiệu xung vi phân (hình A) và đường chuẩn (hình B) khi xác
định DA bằng điện cực P3MT/GCE trong môi trường đệm PBS 0,1 M, pH 4
......................................................................................................................... 63


Hình 3.14. Tín hiệu DPV (hình A) và CV (hình B) khi sử dụng điện cực
P3MT/GCE để xác định AA, DA, UA, hỗn hợp AA-DA-UA trong môi trường
PBS 0,1 M với pH 4 ........................................................................................ 64
Hình 3.15. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của lớp compozit NF/P3MT .... 65
Hình 3.16. Tín hiệu DPV và cường độ tín hiệu điện cực NF/P3MT/GCE trong
dung dịch DA 0,1 M, PBS 0,1 M, pH 4 với hàm lượng nafion phủ khác nhau

......................................................................................................................... 66
Hình 3.17. Ảnh hưởng của pH đến quá trình oxy hoá DA trên điện cực
NF/P3MT/GCE ............................................................................................... 67
Hình 3.18. Vị trí píc tín hiệu điện thế của DA phụ thuộc vào pH của dung dịch
đệm PBS 0,1 M ............................................................................................... 68
Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến khả năng tách tín hiệu hỗn hợp DA-AA
trên điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M các giá trị pH khác nhau
......................................................................................................................... 69
Hình 3.20. Đường CV của DA nồng độ khác nhau (a→k) (hình A) và quan
hệ cường độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với nồng độ DA (hình B)
trên điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M và pH 4 ....................... 70
Hình 3.21. Đường CV (hình A) của điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS
0,1 M với pH 4 chứa nồng độ DA 5×10-5 M với tốc độ quét thế thay đổi và quan
hệ cường độ tín hiệu píc anot (Ipa), píc catot (Ipc) tuyến tính căn bậc hai tốc độ
quét thế (hình B).............................................................................................. 71
Hình 3.22. Tín hiệu xung vi phân (hình A) và đường chuẩn (hình B) khi xác
định DA bằng điện cực NF/P3MT/GCE ......................................................... 72
Hình 3.23. Tín hiệu DPV (hình A) và đường chuẩn DA (hình B) trong hỗn
hợp chứa đồng thời DA và AA trên điện cực NF/P3MT/GCE, môi trường đo
pH 4, PBS 0,1 M ............................................................................................. 73


Hình 3.24. Tín hiệu DPV (hình A) và CV (hình B) trong hỗn hợp chứa đồng
thời AA, DA và UA trên điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M pH 4
......................................................................................................................... 74
Hình 3.25. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của bề mặt điện cực NFSWCNTs/P3MT/GCE ..................................................................................... 75
Hình 3.26. Tín hiệu DPV (hình A) khi sử dụng các thể tích dung dịch NFSWCNTs khác nhau để biến tính điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE và đồ thị
cường độ tín hiệu (hình B) tương ứng ............................................................ 76
Hình 3.27. Tín hiệu DPV (hình A) và cường độ píc anot của DA (hình B) khi
đo hỗn hợp gồm DA 1×10-4 M, AA 2,5×10-3 M, UA 4,15×10-4 M trên điện cực

NF-SWCNTs/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1M với các giá trị pH thay đổi 77
Hình 3.28. Tín hiệu CV (hình A) của điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE trong
PBS 0,1 M, pH 4 chứa DA 10-4 M với tốc độ quét thế thay đổi và đường biểu
diễn tuyến tính (hình B) giữa cường độ píc anot và catot với tốc độ quét thế 78
Hình 3.29. Tín hiệu von-ampe xung vi phân (hình A) dung dịch DA với điện
cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE, môi trường pH 4 dung dịch đệm PBS 0,1 M và
đường chuẩn (hình B) cường độ tín hiệu tỷ lệ nồng độ DA ........................... 79
Hình 3.30. Tín hiệu DPV (hình A) của điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE
trong dung dịch đệm PBS 0,1 M pH 4 chứa đồng thời AA, DA, UA và đường
chuẩn xác định DA (hình B) ........................................................................... 81
Hình 3.31. Tín hiệu CV (hình A) và DPV (hình B) của dung dịch đệm PBS
0,1 M pH 4 chứa AA, DA và UA riêng rẽ ...................................................... 82
Hình 3.32. Tín hiệu CV (hình A) và DPV (hình B) của dung dịch đệm PBS
0,1 M pH 4 chứa AA, DA và UA hỗn hợp ..................................................... 82
Hình 3.33. Quá trình oxi hóa các chất AA, DA, UA trên bề mặt P3MT ...... 83
Hình 3.34. Mô phỏng quá trình khuyếch tán DA, AA vào bề mặt điện cực biến
tính NF-SWNT/P3MT/GCE ........................................................................... 83


Hình 3.35. Độ ổn định tín hiệu sau nhiều lần đo ở nhiều nồng độ DA của điện
cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE........................................................................ 85
Hình 3.36. Cường độ tín hiệu DPV của dopamin trong sự có mặt của một số
hợp chất với nồng độ gấp 500 đến 2000 lần ................................................... 86
Hình 3.37. Hình A: Tín hiệu DPV của điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE
trong mẫu trắng trước (1) và sau khi làm sạch điện cực (2). Hình B: Đường CV
của quá trình làm sạch điện cực NF-SWCNTs/P3MT/GCE sau khi đo DA với
tốc độ quét 100 mV/s, 20 vòng quét trong đệm PBS 0,1 M, pH7. ................. 87
Hình 3.38. Phổ Raman của lớp graphen ........................................................ 90
Hình 3.39. Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) của lớp graphen ............ 90
Hình 3.40. Tín hiệu điện hóa quá trình tổng hợp lớp polipyrol không chứa

phân tử dopamin (A) và polipyrol có chứa phân tử dopamin (B) .................. 91
Hình 3.41. Hình minh họa tương tác giữa phân tử dopamin trong polipyrol in
dấu phân tử dopamin ....................................................................................... 91
Hình 3.42. Ảnh hưởng của số vòng quét CV (n) trong quá trình tổng hợp
PPy(DA) đến độ nhạy với DA ........................................................................ 93
Hình 3.43. Đường chuẩn xác định DA bằng điện cực PPy-MIP/Gr/GCE với
số vòng quét CV (n) tổng hợp PPy-MIP khác nhau ....................................... 94
Hình 3.44. Tín hiệu CV và cơ chế phản ứng của quá trình quá oxi hóa PPyMIP thành OPPy-MIP ..................................................................................... 95
Hình 3.45. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của bề mặt điện cực ITO phủ lớp
màng polipyrol chưa quá oxi hóa (PPy-MIP) và đã bị quá oxi hóa (OPPy-MIP)
......................................................................................................................... 96
Hình 3.46. Píc tín hiệu điện hóa của quá trình khử tổng hợp AuNPs ........... 97
Hình

3.47. Đường chuẩn xác định DA bằng điện cực AuNPs/PPy-

MIP/Gr/GCE với số vòng quét CV (n) tổng hợp AuNPs khác nhau .............. 98


Hình 3.48. Ảnh hưởng của số vòng quét CV (n) trong quá trình tổng hợp
AuNPs đến độ nhạy với DA ............................................................................ 99
Hình 3.49. Hình ảnh hiển vi điện tử của bề mặt điện cực ITO khi được tổng
hợp trực tiếp các hạt nano vàng (ITO/AuNPs) bằng phương pháp điện hóa 100
Hình 3.50. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của bề mặt điện cực ITO phủ lớp
compozit OPPy-MIP/AuNPs ........................................................................ 101
Hình 3.51. Tín hiệu EDS của bề mặt điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/ITO 102
Hình 3.52. Tín hiệu CV khi quét trong dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 nồng
độ 5 mM và KCl 0,1 M với các điện cực làm việc khác nhau ...................... 103
Hình 3.53. Tín hiệu CV (hình A) và quan hệ tuyến tính (hình B) giữa cường
độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với tốc độ quét thế ʋ (mV/s). Môi

trường đo dung dịch đệm PBS 0,1 M pH 7, DA 5×10-5M ............................ 104
Hình 3.54. Tín hiệu quét CV (A) và đường biểu diễn I pa–ʋ1/2 (B) khi đo dung
dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM trong KCl 0,1 M với điện cực làm việc
OPPy-MIP/Gr/GCE....................................................................................... 106
Hình 3.55. Tín hiệu quét CV (A) và đường biểu diễn I–ʋ1/2 (B) khi đo dung
dịch Fe(CN)64-/3- 5 mM trong KCl 0,1 M với điện cực làm việc AuNPs/OPPyMIP/Gr/GCE ................................................................................................. 107
Hình 3.56. Đường chronoampe ở thế 100 mV nồng độ DA thay đổi , điện cực
AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE nồng độ khác nhau trong đệm PBS 0,1 M, pH 7
....................................................................................................................... 108
Hình 3.57. Đường I-t-1/2 (đường Cottrell) khi đo dung dịch DA với điện cực
làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE nồng độ khác nhau trong đệm PBS 0,1
M, pH 7 ......................................................................................................... 108
Hình 3.58. Đường biểu diễn tuyến tính giữa độ dốc (k) của đường I-t1/2 với
nồng độ DA, điện cực làm việc là AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE................... 109


Hình 3.59. Tín hiệu DPV (hình A) dung dịch DA trong môi trường đệm PBS
0,1 M với pH 7 điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE và đường chuẩn
tương ứng (hình B) ........................................................................................ 110
Hình 3.60. Tín hiệu DPV (hình A) và đường chuẩn tuyến tính cường độ tín
hiệu với nồng độ DA (hình B) khi đo dung dịch đệm PBS 0,1 M, pH 7, chứa
DA, AA và UA với điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE ............ 111
Hình 3.61. Độ ổn định tín hiệu sau nhiều lần đo ở nhiều nồng độ DA của điện
cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE ................................................................... 112
Hình 3.62. Cường độ tín hiệu DPV của dopamin trong sự có mặt của các chất
ảnh hưởng với nồng độ cao ........................................................................... 113


MỞ ĐẦU
Dopamin (DA) là chất truyền dẫn thần kinh quan trọng nhất trong số các

chất thuộc nhóm catecholamin (gồm epinphrin, norepinphrin và dopamin).
Nhóm chất này là những chỉ tiêu xét nghiệm để chẩn đoán sàng lọc những bệnh
nguy hiểm như u tế bào ưa crôm (pheochromocytoma), u nguyên bào thần kinh
(neuroblastoma) và u tế bào hạch (ganglioneuroma). Trong cơ thể, DA có vai
trò quan trọng đối với hệ thần kinh trung ương kiểm soát sự vận động, chức
năng thận, hệ thống hoocmon và tim mạch. DA liên quan trực tiếp đến bệnh
Parkinson và nhiều chức năng khác của não bộ, liên quan đến trạng thái hưng
phấn quá mức do bị kích thích, trạng thái trầm cảm, chứng nghiện chất kích
thích và quá trình hồi tỉnh sau mê. Trong y học người ta rất mong muốn xác
định được một cách nhanh chóng và chính xác nồng độ DA trong cơ thể tại
từng thời điểm và cả quá trình điều trị bệnh [51]. Vì vậy, những trang thiết bị
phân tích trực tiếp DA trên cơ thể nếu chế tạo được sẽ có ý nghĩa vô cùng to
lớn trong y học. Đã có rất nhiều nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học để chế
tạo các cảm biến xác định trực tiếp DA và cho đến nay đây vẫn là một hướng
nghiên cứu đầy triển vọng. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo trang thiết bị phân tích
DA là đề tài có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn cao, được đặc biệt quan tâm
nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Hàm lượng DA trong mẫu sinh học, trực tiếp trong cơ thể, đặc biệt là trong
não thường nhỏ và thay đổi liên tục [148, 150]. Do đó, mục tiêu nghiên cứu
phát triển trang thiết bị kích thước nhỏ, xác định nhanh, nhạy và chọn lọc đối
với DA là rất cần thiết. Do có tính chất ôxi hóa-khử điện hóa nên các phương
pháp phân tích điện hóa được xem là lý tưởng khi xác định định lượng DA và
cũng là giải pháp triển vọng nhất trong nghiên cứu phân tích lâm sàng [19, 96].
Nghiên cứu chế tạo các cảm biến điện hóa xác định các chất sinh học đã
được sớm nghiên cứu từ những năm 1920 và đến ngày nay đạt được những
1


thành tựu quan trọng [101]. Trong đó, DA là chất được chú ý với số lượng các
công trình nghiên cứu chiếm tỷ lệ rất cao so với các chất sinh học khác [115].

Ở Việt Nam, mặc dù bệnh Parkinson là bệnh phổ biến và cho đến hiện tại vẫn
là nỗi ám ảnh với các bệnh nhân và gia đình người bệnh do phải điều trị lâu dài,
chi phí xét nghiệm y tế, chi phí kiểm nghiệm dược phẩm đều đắt đỏ nhưng chưa
được nhiều nhà khoa học nước ta quan tâm phát triển [3]. Vì vậy, chúng tôi đã
lựa chọn đề tài nghiên cứu chế tạo các điện cực biến tính dùng trong phân tích
điện hóa DA với độ nhạy và chọn lọc cao nhằm ứng dụng phân tích y sinh và
kiểm nghiệm dược phẩm. Theo hướng nghiên cứu này, nhiều loại vật liệu tiên
tiến đã được ứng dụng như polime dẫn điện, nanocacbon, graphen, hạt nano
kim loại hoặc oxit kim loại.
Thực hiện đề tài nghiên cứu trên, chúng tôi đã chế tạo thành công hai loại
điện cực biến tính trên cơ sở biến tính bề mặt điện cực GCE bằng các vật liệu
mới có cấu trúc nano. Các điện cực biến tính chế tạo được có những đặc tính
nhạy và chọn lọc với DA trong môi trường có mặt axit ascobic, axit uric và một
số chất khác. Đồng thời, đã ứng dụng thành công phân tích mẫu thuốc tiêm DA
và mẫu nước tiểu cho kết quả chính xác.
Những kết quả đạt được có giá trị khoa học và thực tiễn cao, những vấn
đề thuộc hướng nghiên cứu là độ nhạy, độ chọn lọc và ứng dụng của điện cực
đã được nghiên cứu giải quyết. Các công trình công bố liên quan đến luận án
là mới tại Việt Nam và được các nhà khoa học trên thế giới thừa nhận.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

DOPAMIN (DA)

1.1.1. Giới thiệu chung
Nhóm chất trong phân tử có vòng benzen đính hai nhóm hydroxyl (nhóm

catechol) và một nhóm amin được gọi là nhóm catecholamin. Dopamin (DA)
chính là catecholamin với công thức hóa học đơn giản nhất, công thức phân tử
của dopamin C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2, danh pháp hoá học theo IUPAC là 4(2-aminoetyl) benzen-1,2-diol. Dopamin cũng thuộc nhóm các chất
phenetylamin (chứa vòng benzen và nhóm amin) là nhóm các dược chất liên
quan đến bệnh thần kinh. Tên gọi dopamin xuất phát do là một monoamin và
là tiền chất của 3,4-dihydroxyphenylalanin (levodopamin hoặc L-DOPA).
OH

HO

OH

HO

HO

NH2

HO

HN

HO

Dopamin
Epinephrin
(Adrenalin)

CH3

NH2

HO
Norepinephrin
(Noradrenalin)

Hình 1.1. Các chất quan trọng trong sinh hóa thuộc nhóm catecholamin
DA có khối lượng mol phân tử 153,178 g/ mol, tan hoàn toàn trong nước
và trong etanol 95 %; không tan trong ete, ete dầu hỏa, clorofoc, benzen và
toluen. DA bị phân hủy bởi ánh sáng và oxi trong không khí. Trong dung dịch
nước DA có hằng số phân ly pKa = 8,93. Trong dung dịch trung hòa hoặc axit
DA tồn tại ở dạng kết hợp với proton, tương đối dễ tan và bền vững. Trong môi
trường kiềm, DA phân ly proton và tồn tại ở trạng thái khó tan, dễ dàng bị oxi
hóa bởi oxi không khí. Trong thực tế dạng hóa chất hoặc dược phẩm thường
được sử dụng là dopamin hydroclorua (DA.HCl), tức là dạng muối hydroclorua
do dopamin kết hợp với axit clohydric. Ở trạng thái khô DA.HCl dạng bột
không màu, khi hòa tan trong nước dung dịch tạo thành có pH axit nhẹ nên

3


dung dịch tương đối bền. Trong cơ thể dưới tác dụng xúc tác của enzym
monoamin oxidaza, dopamin bị oxi hóa. DA cũng tự oxi hóa ở điều kiện
thường, phản ứng trực tiếp với oxi tạo thành quinon và các gốc tự do. Tốc độ
oxi hóa có thể tăng do sự có mặt muối sắt (II), kiềm hoặc các tác nhân oxi hóa
khác. Trong điều kiện thích hợp DA có thể polime hóa hình thành hạt kích
thước nano hoặc lớp phủ polidopamin thuộc loại melanin (nhóm các polime tạo
sắc tố) với nhiều tính chất lý hóa hữu ích như làm lớp chắn ánh sáng, bao phim
dược phẩm, chế tạo cảm biến sinh học [90].
DA được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1910, được phân tích xác định

tồn tại trong não người vào năm 1957. Ngày nay, DA được tổng hợp trong
phòng thí nghiệm từ phản ứng demetyl hóa 3,4-dimethoxyphenethylamin với
hydro bromua [31].
H3C
H3C

O

NH2

NH2

HO
HBr

O

HO

3,4-dimethoxyphenethylamin

Dopamin

Hình 1.2. Phản ứng tổng hợp DA trong phòng thí nghiệm
DA được sử dụng trong y học làm thuốc chống sốc do nhồi máu cơ tim,
chấn thương, nhiễm khuẩn huyết và trong phẫu thuật tim làm thuốc tăng co cơ
tim. DA thường được coi là thuốc thông dụng trong liệu pháp hàng đầu điều trị
suy tim. DA được sử dụng dạng thuốc tiêm với nồng độ DA.HCl 40 mg/mL,
80 mg/mL và 160 mg/mL.
1.1.2. Vai trò của dopamin trong cơ thể

Năm 1952, Arvid Carlsson và Nils-Åke Hillarp đã chứng minh DA
không chỉ là tiền chất của các chất là norepinephrin (noradrenalin) và
epinephrin (adrenalin) mà còn là chất dẫn truyền thần kinh quan trọng trong
chu trình tổng hợp sinh hóa. Năm 2000, Carlsson được nhận giải thưởng Nobel
sinh lý học và y khoa vì phát hiện này.

4


Trong cơ thể DA được tổng hợp từ các axit amin tiền chất là tyrosin và là
chất trung gian để tổng hợp noradrenalin. DA được tìm thấy với nồng độ cao
trong tủy thượng thận, não và nhân đuôi (thuộc hạch đáy, liên quan tới việc
điều chỉnh các cử động tự ý ở mức độ tiềm thức). DA tạo cảm giác hưng phấn
trong não. Nó cung cấp thông tin liên lạc giữa các tế bào thần kinh cũng như
giữa các tế bào thần kinh và tế bào cơ bắp. DA ức chế một số loại nơron và
kích thích một số khác. DA là chất ức chế chính của sự tiết prolactin ở tuyến
phía trước tuyến yên. Trong thùy trán, dopamin kiểm soát dòng chảy của các
thông tin từ các khu vực trong não. DA có vai trò tích cực trong hành vi và
nhận thức, động lực, trừng phạt, phấn khích. Nó đóng vai trò chủ chốt đối với
những trải nghiệm của chúng ta về sự vui thú và nỗi đau, liên quan đến khao
khát, sự nghiện ngập, và được sản sinh khi cơ thể ở trong trạng thái khỏe mạnh,
sảng khoái, vui vẻ. DA cũng liên quan đến quá trình hồi tỉnh sau gây mê và hồi
phục trí nhớ [25].
Quá trình sinh tổng hợp DA xảy ra trong các nơron và tế bào tủy sống tuyến
thượng thận gồm các bước L-phenylalanin → L-tyrosin → L-DOPA → DA.
Như vậy, cơ thể có thể sản sinh DA gián tiếp từ phenylalanin, một loại axit
amin cơ thể không thể tự tổng hợp mà phải lấy từ thức ăn, hoặc trực tiếp từ
tyrosin là axit amin cơ thể có thể tự tổng hợp. Mặc dù DA có thể tồn tại trong
nhiều loại thực phẩm nhưng không thể trực tiếp cung cấp DA cho não bộ do cơ
chế tự bảo vệ của màng não. DA không tác dụng khi uống do không thể trực

tiếp đi qua màng não mà phải được sinh ra trong não do chuyển hóa từ tiền chất
của nó.
Khớp thần kinh (synapse) là một khớp nối đặc biệt, qua đó tín hiệu từ tế
bào thần kinh sẽ truyền qua một tế bào thần kinh khác cũng như qua một loại
tế bào không phải là tế bào thần kinh (như tế bào cơ hoặc tế bào tuyến). Mỗi
nơron thần kinh có khả năng sản xuất chỉ một loại chất truyền dẫn thần kinh.

5


Hình 1.3. Khớp thần kinh và vai trò truyền dẫn tín hiệu của DA [175]
Trong y học, người ta chỉ định xét nghiệm catecholamin để chẩn đoán
bệnh u tế bào ưa crôm (pheochromocytoma), là loại u tế bào thận có thể gây
chết vì tăng huyết áp và suy tim [78]. Người ta cũng chỉ định xét nghiệm
catecholamin đối với trẻ sơ sinh để nhằm phát hiện sớm bệnh u nguyên bào
thần kinh (neuroblastoma), là khối u thể rắn ngoài não thường gặp nhất ở trẻ
em [129, 150]. Nồng độ catecholamin trong cơ thể rất dễ thay đổi để đáp ứng
lại trạng thái hoặc cảm xúc. Nhiệt độ môi trường, mất máu, tập thể thao, hạ
đường huyết, thậm chí thay đổi tư thế đứng lên ngồi xuống và ngược lại đều có
thể làm cho cơ thể thay đổi nồng độ catecholamin.
Các kết quả xét nghiệm đơn bằng lấy mẫu tức thời không chính xác để
chẩn đoán bệnh trong y học. Lấy tổng hợp toàn bộ nước tiểu trong vòng 24 giờ
(mẫu nước tiểu/ 24 giờ) là giải pháp xét nghiệm nồng độ catecholamin áp dụng
trong xét nghiệm y tế. Kết quả xét nghiệm là manh mối chẩn đoán ban đầu với
một số bệnh nguy hiểm.
1.2.

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DA

Để xác định DA cũng như các chất thuộc nhóm catecholamin khác trong

mẫu sinh học các phương pháp được áp dụng phổ biến nhất gồm sắc ký lỏng
ghép nối cảm biến huỳnh quang (HPLC/FL), sắc ký lỏng ghép nối cảm biến
điện hóa (HPLC/ECD), sắc ký lỏng ghép nối cảm biến khối phổ (HPLC/MS),

6