Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------

Vũ Thị Thanh Hoa

CHẾ TẠO VẬT LIỆU LỖ XỐP ĐA TẦNG KIM LOẠI
VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------

Vũ Thị Thanh Hoa

CHẾ TẠO VẬT LIỆU LỖ XỐP ĐA TẦNG KIM LOẠI
VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN GLUCOSE

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Viết

Hà Nội - 2019

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Viết, người thầy đã tận
tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian em thực hiện
và hoàn thành Luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ và các Thầy, Cô giáo Phòng thí
nghiệm Điện Hóa, khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc
gia Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ em về kiến thức và hỗ trợ thiết bị thực nghiệm có
liên quan tới Luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp và bạn
bè đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên
cứu.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số
QG.17.15

Hà nội, ngày 22 tháng 06 năm 2019
Tác giả luận văn

Vũ Thị Thanh Hoa


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................... i
DANH MỤC VIẾT TẮT.............................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................... iv
Mở đầu.......................................................................................................................... 1
Chương 1. Tổng quan.................................................................................................... 2
1.1. Tổng quan về cảm biến glucose.......................................................................... 2
1.1.1. Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất................................................................ 3

1.1.2. Thế hệ cảm biến glucose thứ hai.................................................................. 6
1.1.3. Thế hệ cảm biến glucose thứ ba................................................................... 8
1.1.4. Thế hệ cảm biến glucose thứ tư................................................................... 9
Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 11
1.3. Các phương pháp nghiên cứu........................................................................... 12
1.3.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính và hình thái vật liệu.......................12
1.3.2. Các phương pháp khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu.........................13
Chương 2. Thực nghiệm.............................................................................................. 17
2.1. Dụng cụ và thiết bị............................................................................................ 17
2.2. Hóa chất............................................................................................................ 17
2.3. Quy trình thực nghiệm...................................................................................... 17
2.3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu/PGE................................................... 17
2.3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu 3D-Cu2O/PGE, 3D-CuO/PGE và 3DCuOx/PGE........................................................................................................... 19
2.3.3. Nghiên cứu sử dụng các điện cực xốp đồng trên nền PGE làm cảm biến
glucose................................................................................................................. 19
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................... 20


3.1. Tổng hợp vật liệu.............................................................................................. 20
3.1.1. Chế tạo vật liệu 3D nano CuOx/PGE......................................................... 20
3.2. Đặc trưng thành phần cấu trúc và hình thái bề mặt của vật liệu 3D-Cu/PGE. . .23
3.2.1. Đặc trưng hình thái bề mặt......................................................................... 23
3.2.2. Đặc trưng XRD.......................................................................................... 27
3.3. Khảo sát tính chất điện hóa của các điện cực trong môi trường kiềm...............28
3.3.1. Hoạt hóa các điện cực trong môi trường kiềm........................................... 28
3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ quét........................................................................ 30
3.3.3. Tính chất điện hóa của điện cực 3D-Cu/PGE trong môi trường kiềm đối với
glucose................................................................................................................. 32
3.3.4. Ảnh hưởng của thế áp vào điện cực........................................................... 34
3.3.5. Đường chuẩn xác định glucose bằng phương pháp Dòng – thời gian........36

3.3.6. Ảnh hưởng của chất làm nhiễu.................................................................. 41
3.3.7. Khảo sát độ bền theo thời gian................................................................... 42
KẾT LUẬN................................................................................................................. 44
Tài liệu tham khảo....................................................................................................... 45


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Số lượng bài báo về cảm biến glucose không có cấu trúc enzyme....................3
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo cảm biến glucose thế hệ một...................................................... 4
Hình 3. Cơ chế tạo ra cầu nối trung tâm FAD và điện cực của SWCNTs......................7
Hình 4. Nguyên lý của phương pháp quét thế tuần hoàn............................................. 14
Hình 5. Nguyên lý của phương pháp dòng – thời gian (a) Dạng phổ của bước nhảy
điện thế; (b) Sự suy giảm của nồng độ chất hoạt động theo thời gian (c) Sự suy giảm
cường độ dòng theo thời gian...................................................................................... 16
Hình 6. Sơ đồ chế tạo các điện cực 3D-CuOx/PGE..................................................... 18
Hình 7. Quá trình chế tạo điện cực.............................................................................. 20
Hình 8. Hình ảnh minh họa cơ chế hình thành lớp xốp đồng 3D trên điện cực...........21
Hình 9. Ảnh SEM của điện cực 3D-Cu/PGE ở độ phóng đại...................................... 24
Hình 10. Ảnh SEM. Ảnh SEM của điện cực 3D-Cu2O/PGE ở độ phóng đại..............25
Hình 11. Ảnh SEM của điện cực 3D-CuO/PGE ở độ phóng đại.................................26
Hình 12. Giản đồ XRD của các điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu 2O/PGE và 3D-CuO/PGE
27
Hình 13. Đường quét phân cực vòng (CV) của các điện cực trong dung dịch KOH
0,1M sau 20 vòng quét, tốc độ quét 50mV/s............................................................... 29
Hình 14. Đường quét phân cực vòng CV của điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch
-1

KOH 0,1 M với các tốc độ quét khác nhau 10 – 150 mV.s ........................................ 31
Hình 15. Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ dòng vào tốc độ quét (i – v) của
điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch KOH 0,1M...................................................... 32

Hình 16. Đường quét phân cực 2 vòng CV của điện cực 3D-Cu/PGE trong dung dịch
KOH 0,1 M, glucose 0 mM và 1 mM, tốc độ quét 50 mV/s........................................ 33
Hình 17. Đường quét dòng – thời gian I-t của điện cực 3D-CuOx/PGE ứng với các thế
khác nhau 0,45 V-0,60 V ở mức nồng độ glucose 0,5 - 2,0 mM..................................34

i


Hình 18. Đường chuẩn ảnh hưởng của thế áp vào lên mối liên hệ của cường độ dòng
thu được với nồng độ glucose 0,5-2,0 mM trên điện cực 3D-CuOx/PGE....................35
Hình 19. Đường dòng – thời gian của dung dịch glucose trong KOH 0,1M với các
nồng độ glucose 2 µM – 16 mM với điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE và 3DCuOx/PGE................................................................................................................... 37
Hình 20. Quan hệ dòng – nồng độ glucose trong KOH 0,1M với các nồng độ glucose
2µM – 16mM với điện cực 3D-Cu/PGE, 3D-Cu2O/PGE và 3D-CuOx/PGE...............38
Hình 21. Đường chuẩn mối liên hệ tuyến tính của cường độ dòng thu được với nồng
độ glucose 2 µM – 4 mM trên các điện cực, thế áp 0,50 V.......................................... 38
Hình 22. Ảnh hưởng của các chất gây nhiễu DA 50 μM, AA 50 μM, UA 100 μM,
NaCl 15 mM và saccarozo 100 μM đến điện cực 3D-CuOx/PGE với glucose mỗi lần
được thêm vào 0,6 mM, thế điện cực 0,5 V................................................................. 41
Hình 23. Ảnh hưởng của các chất DA 50 μM, AA 50 μM, UA 100 μM, NaCl 15 mM
và sucrose 100 μM đến điện cực 3D-CuOx/PGE tính theo % tại glucose 0,6 mM......42
Hình 24. Kết quả đo i – t của điện cực 3D-CuOx/PGE trong dung dịch KOH 0,1 M,
glucose 0,6 mM tại E = 0,50 V trong thời gian 3700 giây........................................... 43

ii


XRD

SEM

PGE

3D-Cu/PGE
3D-Cu2O/PGE
3D-CuO/PGE
3D-CuOx/PGE
Current
Time
Concentration

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Dấu mốc chính của quá trình phát triển cảm biến glucose có cấu trúc sinh học
8
Bảng 2. Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến glucose không sử dụng enzyme.........9
Bảng 3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch tới sự hình thành 3D-Cu/PGE
21
Bảng 4. Vị trí pic cathode của các điện cực................................................................. 29
Bảng 5. Phương trình thể hiện ảnh hưởng của thế áp vào lên mối liên hệ của cường độ
dòng và nồng độ glucose 0,5-2,0mM trên điện cực 3D-CuOx/PGE............................35
Bảng 6. Phương trình thể hiện mối liên hệ của cường độ dòng thu được với nồng độ
glucose 2 µM - 4 mM trên các điện cực, thế áp 0,50 V............................................... 38
Bảng 7. Giá trị cường độ dòng của các mẫu trắng....................................................... 39
Bảng 8. So sánh các thông tin quan trọng của cảm biến 3D-CuOx/PGE với các cảm
biến dựa trên Cu và CuOx bằng phương pháp i – t...................................................... 40

iv

Mở đầu
Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), có khoảng 221 triệu người đang mắc tiểu
đường vào năm 2010. Dự đoán tiểu đường sẽ trở thành nguyên nhân đứng thứ 7 trong
các nguyên nhân dẫn tới cái chết cho tới năm 2030 khi đạt mức 330 triệu người. Ở
nước ta, tỉ lệ bệnh nhân mắc tiểu đường là 5,4%, đối với các thành phố lớn có tỉ lệ này
lên tới 7% [37]. Các biến chứng do tiểu đường như bệnh tim mạch vành, tai biến mạch
máu não, mù lòa, suy thận hay hoại thư là nguyên nhân dẫn đến cái chết hoặc tai biến
cho bệnh nhân của tiểu đường.
Việc chẩn đoán và chữa trị tiểu đường đều yêu cầu sự định lượng chính xác và
thường xuyên nồng độ glucose trong máu người bệnh nhằm cung cấp một lượng
insulin phù hợp vào cơ thể, tránh tình trạng nguy hiểm do thừa insulin đưa vào dẫn tới
lượng đường trong máu quá thấp. Do đó, một số lượng lớn các nghiên cứu trong
khoảng một thập kỉ trở lại đây nhằm phát triển, chế tạo được một thiết bị đảm bảo đo
chính xác, dễ sử dụng và đáng tin cậy trong việc định lượng glucose trong cơ thể [23].
Từ loại cảm biến glucose đầu tiên dựa trên cấu trúc enzyme được công bố năm
1962 của Clark có độ chọn lọc và độ nhạy tốt, nhưng nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng
bởi nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và các chất hòa tan trong máu. Vì vậy việc phát triển
cảm biến glucose không sử dụng enzyme là một hướng nghiên cứu hấp dẫn và nhiều
tiềm năng. Các cấu trúc nano của kim loại quý như Pt, Pd và Au hoặc hợp kim của
chúng thể hiện khả năng xác định glucose trong máu với độ nhạy cao, bền bỉ theo thời
gian. Tuy nhiên loại điện cực dựa trên hệ kim loại này có nhược điểm là giá thành cao,
-

và dễ bị mất hoạt tính do sự hấp phụ của ion Cl trong máu và huyết thanh. Vì vậy việc
chuyển hướng sang sử dụng các kim loại chuyển tiếp có giá thành rẻ và hoạt tính xúc
tác tốt như Cu, Co, Ni và các oxit của chúng trong xác định glucose là một hướng
nghiên cứu tiềm năng.
Trong luận văn thạc sỹ này chúng tôi đề xuất “Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng

kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose” trên nền than chì. Vật liệu xốp đồng
và oxit của nó được chế tạo bằng phương pháp điện hóa và kết hợp xử lý nhiệt với
mục tiêu chế tạo điện cực giá thành rẻ, nhỏ gọn và có hoạt tính xúc tác cao với
glucose, ít bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu, khoảng hoạt động rộng và bền bỉ.

1


Chƣơng 1. Tổng quan
1.1. Tổng quan về cảm biến glucose
Cảm biến glucose đóng một vai trò cốt lõi trong các thiết bị chuẩn đoán và phát
hiện bệnh nhân tiểu đường, đồng thời theo dõi hàm lượng đường trong máu của các
bệnh nhân tiểu đường hằng ngày. Hầu hết các phương pháp truyền thống để định lượng
đường trong máu là phương pháp điện hóa hoặc phương pháp quang phổ. Điển hình
như thiết bị glucometer cầm tay phổ biến đang được sử dụng hiện nay dựa trên việc
chích máu ở đầu ngón tay bệnh nhân, sau đó mẫu máu này được xác định hàm lượng
đường bằng cách áp dụng phương pháp điện hóa, dưới xúc tác của enzyme glucose
oxidase (GOx) hoặc glucose dehydroase (GDH). Glucose phản ứng với oxi tự do tạo
thành sản phẩm, đồng thời thay đổi các tính chất điện hóa của dung dịch mẫu thử tiếp
xúc với điện, sự thay đổi này tương ứng với hàm lượng glucose trong máu và được
hiển thị trên màn hình thiết bị. Mặc dù cách kiểm tra này cho kết quả chính xác, tuy
nhiên phương pháp chích ngón tay lấy mẫu máu này khiến bệnh nhân không hài lòng
do tạo thành một lỗ nhỏ chảy máu trên đầu ngón tay, gây ra một sự bất tiện trong việc
điều trị bệnh do phải thực hiện thường xuyên [23].
Trong những thập kỉ gần đây, các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát
triển không ngừng theo nhiều hướng khác nhau. Họ tập trung vào phát triển các kĩ
thuật hiệu quả bao gồm kiểm tra xâm lấn và không xâm lấn hàm lượng đường trong cơ
thể dựa trên cảm biến có cấu trúc enzyme và không có cấu trúc enzyme. Những nỗ lực
để làm tạo ra được kĩ thuật làm hài lòng bệnh nhân, thay thế phương pháp chích lấy
máu mà vẫn đem lại độ chính xác và tin cậy cao như kiểm tra hàm lượng glucose trong

nước mắt, mồ hôi [23] hoặc nồng độ acetone có trong hơi thở như một dấu hiệu nhận
biết bệnh tiểu đường, hướng tới chế tạo một thế hệ cảm biến glucose dễ sử dụng, cho
kết quả nhanh, giá rẻ, di động và không gây đau đớn.
Bên cạnh đó, nồng độ glucose cũng là một thang đo rất quan trọng trong các
ngành công nghiệp, nông nghiệp, và môi trường [45, 53].
Các hướng nghiên cứu về cảm biến glucose đã phát triển từ năm 1962, khi lần
đầu tiên hai nhà hóa học là Clark và Lyons công bố ý tưởng đầu tiên về điện cực
enzyme glucose. Cho đến nay, các cảm biến glucose có thể chia thành 4 thế chính [40,
2


44, 45]. Thế hệ đầu tiên là cảm biến sử dụng enzyme xúc tác cho phản ứng oxi hóa
glucose bằng oxygen hòa tan trong máu, thế hệ thứ hai sử dụng các chất trung gian
nhân tạo thay thế oxygen hòa tan và nâng cao hiệu suất vận chuyển electron đến điện
cực. Sang đến thế hệ cảm biến thứ ba, các enzyme GOx được cố định trên những vật
liệu nền có cấu trúc nano hoặc micro nhằm tăng tốc độ vận chuyển electron. Ba thế hệ
cảm biến đầu tiên này đều dựa vào các enzyme xúc tác cho quá trình oxi hóa glucose.
Tuy nhiên việc sử dụng enzyme tồn tại những hạn chế về môi trường phản ứng: nhiệt
độ, pH hay sự nhiễu của các ion hòa tan trong máu ảnh hưởng tới độ chính xác của kết
quả đo. Các cảm biến này đòi hỏi bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm thấp để tránh làm
giảm hoạt tính sinh học của các enzyme trong thời gian chưa sử dụng tới. Nhằm khắc
phục các hạn chế đó, các hướng nghiên cứu mới hiện nay cố gắng tìm ra các vật liệu
xúc tác không sử dụng enzyme. Thế hệ cảm biến glucose mới này được coi là thế hệ
thứ 4 trong chỗi phát triển các loại cảm biến đo đường huyết. Trong thế hệ cảm biến
này thì glucose được oxi hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực và tạo ra sự thay đổi tín
hiệu điện có thể đo được. Số lượng các nghiên cứu được công bố về thế hệ cảm biến
này tăng lên đáng kể theo từng năm, được thể hiện ở trên hình 1 [38]:

Hình 1. Số lượng bài báo về cảm biến glucose không có cấu trúc enzyme
1.1.1. Thế hệ cảm biến glucose thứ nhất

Với lịch sử hơn 50 năm phát triển, xuất phát từ ý tưởng về điện cực enzyme
glucose được xuất bản năm 1962 bởi hai nhà hóa học Clark và Lyons từ bệnh viện
Children Cincinnati [12]. Thiết bị đầu tiên xác định nồng độ glucose trong máu dựa

3


trên lớp mỏng GOx được kẹp xung quanh điện cực oxi, xúc tác quá trình tiêu thụ oxy,
oxi hóa glucose thành gluconic acid [53]:
GOx

Glucose + O 2  Gluconic Acid + H 2 O2

Sau đó, sự thay đổi thế âm điện do sự tiêu thụ O 2 được ghi lại và chuyển đổi
thành nồng độ glucose thông qua phản ứng (2):

O

2

Phương pháp này cho kết quả đo chính xác và tin cậy cao với lượng máu cần
thiết cho việc xác định nồng độ glucose là cỡ 100 µL. Các nghiên cứu tiếp sau đó
nhằm thu nhỏ kích thước thiết bị bằng cách thay đổi thiết kế điện cực, vật liệu, màng
tiếp xúc hoặc cố định hướng tiếp cận mẫu đã được mô tả và công bố trong suốt những
năm 80 của thế kỉ trước. Điều nà góp phần giúp cảm biến sinh học trở thành một chủ
đề hấp dẫn, phản ánh sự phát triển của công nghệ sinh học trong giai đoạn này.
Thế hệ cảm biến glucose sinh học thương mại đầu tiên dựa vào enzyme glucose
oxidase (GOx), xúc tác phản ứng tiêu thụ glucose và đo tín hiệu xuất hiện của hydro
peroxide trên điện cực.
Nồng độ hydro peroxide được xác định một cách tương đối đơn giản bằng so

sánh thay đổi hiệu điện thế với điện cực so sánh, giúp cho thiết kế thiết bị 3 điện cực
có kích thước nhỏ. Một bộ cảm biến rất phổ biến của thế hệ này là bộ cảm biến của
hãng YSI, bao gồm một lớp GOx được đặt giữa một lớp màng polycarbonate và một
màng cellulose acetate. Sơ đồ cảm biến thể hiện ở hình 2 [45]:

Hình 2. Sơ đồ cấu tạo cảm biến glucose thế hệ một

4


Kĩ thuật và bằng sáng chế của Clark sau đó được chuyển giao cho Công ty
Yellow Spring Instrument để đưa vào ứng dụng như một thiết bị phân tích thương mại
từ năm 1975 (Model 23 YSI analyzer). Thiết bị này có thể để đo nồng độ glucose trong
mẫu máu có thể tích 25 μL.
Năm 1967, nhóm nghiên cứu của Updike và Hicks tiếp tục nghiên cứu và phát
triển lý thuyết của Clark bằng cách sử dụng hai điện cực oxi hoạt động (được phủ một
lớp enzyme). Tiến hành đo sự khác nhau về cường độ dòng để loại bỏ đường nền oxi
trong mẫu, tăng độ chính xác của phép đo [42].
Năm 1973, nhóm nghiên cứu của Guilbault và Lubrano [18] đã thiết kế điện
cực enzyme làm anode để xác định hàm lượng glucose trong máu dựa vào phản ứng
phân hủy H2O2 sinh ra oxygen:

H O  O  2 H   2e
2

Phương pháp này cho kết quả độ chính xác và độ tin cậy cao đối với các mẫu
máu có thể tích 100 μL.
Nhược điểm cơ bản của các cảm biến thế hệ thứ nhất là khi xác định nồng độ
H2O2 cần có thế oxy hóa điện hóa cao, gây nhiễu các tín hiệu điện mà đầu dò của điện
cực ghi nhận được. Thế oxy hóa điện hóa cao khi áp vào điện cực cũng dẫn đến sự oxi

hóa các chất khác có trong mẫu máu hoặc huyết thanh như ascorbic acid, uric acid và
một số loại thuốc có trong máu như acetaminophen làm sai lệch kết quả đo [45]. Có
hai cách chính để làm giảm nhiễu đã được áp dụng: một là sử dụng màng phủ chọn lọc
phù hợp để giảm các chất có thể gây nhiễu tiến tới gần bề mặt điện cực. Ví dụ như sử
dụng một lớp phủ bằng Nafion (điện tích âm) và lớp cellulose acetate. Hai là tìm cách
giảm thế áp vào điện cực xuống mức tối ưu (0 - 0,2 V vs. Ag/AgCl) để tránh tín hiệu
nhiễu của các chất có mặt đồng thời trong mẫu máu [50].
Một vấn đề khác với cảm biến thế hệ một này là sự phụ thuộc vào nồng độ oxi
tự do hòa tan trong máu. Như ở phương trình (1), lượng oxi là một nhân tố có hạn (sự
thiếu hụt oxi), điều này ảnh hưởng tới tốc độ phản hồi của cảm biến và là giới hạn trên
của phép đo khi lượng oxi đã bão hòa trên bề mặt cảm biến. Một số nghiên cứu đã giải
quyết nhược điểm này: sử dụng tấm film chọn lọc điện tích như polyurethane hoặc
polycarbonate để điều chỉnh dòng glucose và oxi trên bề mặt điện cực [3, 17], một

5


cách khác là dán các tấm carbon giàu oxi lên điện cực enzyme, tấm carbon này cung
cấp duy trì hàm lượng oxi cao trong mẫu thử [46].
1.1.2. Thế hệ cảm biến glucose thứ hai
Trong những năm 80 của thế kỉ trước, cảm biến sinh học trở thành một đề tài
nóng trong cộng đồng các nhà hóa lí, hóa sinh, phản ánh sự phát triển nổi bật của công
nghệ sinh học kết hợp với công nghệ hóa học. Với các thành công bước đầu về cảm
biến thế hệ đầu, một loạt các điện cực enzyme khác nhau về thiết kế, chất liệu, hợp
chất làm màng điện cực v.v. đã được chế tạo. Thế hệ thứ 2 của cảm biến glucose sinh
học đã được ra đời trên cơ sở nghiên cứu đó, băng tự kiểm tra nồng độ glucose cũng
được giới thiệu lần đầu và thương mại hóa ngay trong năm 1987 [23].
Ở

thế hệ cảm biến thứ 1, glucose oxidase không trực tiếp vận chuyển

electron tới điện cực vì trung tâm oxi hóa khử enzyme FAD được bao quanh bởi một
lớp protein dày, gây cản trở cho sự vận chuyển electron. Do đó, thế hệ thứ hai sử dụng
các chất nhận electron từ FADH 2 không có nguồn gốc sinh học, giúp việc cho nhận
electron trở nên dễ dàng, đồng thời giải quyết được nhược điểm sử dụng oxi tự do của
thế hệ một.
Các chất cho nhận electron có nguồn gốc phi sinh học – hợp chất trung gian
nhân tạo – có khả năng cho nhận electron qua lại giữa trung tâm FAD và bề mặt điện
cực đặc biệt hữu dụng và được sử dụng chủ yếu với các mẫu thử glucose trong công
nghiệp. Phản ứng diễn ra có thể thể hiện thông qua các phản ứng sau [45]:

Glucozo  GOD  Gluconic Acid  GOD
(ox)

GOD
( red )

2M
( red )

2M

2M

(ox)

(ox)

Trong đó, M(ox) và M(red) là dạng oxi hóa và dạng khử của hợp chất oxy hóa
khử trung gian. Dạng khử của M sẽ bị oxi trở lại tại điện cực, tạo nên tín hiệu dòng mà

từ đó xác định được nồng độ glucose.
Các polymer có khả năng trao đổi electron như poly(vinyl pyridine) hoặc
poly(vinyl imidazole) liên kết cộng hóa trị với phức chất osmium tạo thành phức chất
6


có khả năng vận chuyển electron, làm giảm khoảng cách giữa trung tâm oxi hóa khử
của polymer với trung tâm FAD của enzyme, dẫn tới cường độ dòng đầu ra lớn hơn và
sự phản hồi của cảm biến tốt hơn [33].
Các vật liệu Nano như hạt Nano vàng (NPs) hay ống Nano carbon (SWCNT)
cũng được sử dụng như vật liệu kết nối giữa điện cực và trung tâm FAD do chúng có
cùng kích thước. Ví dụ, Patolsky và cộng sự đã cố gắng nối trực tiếp trung tâm FAD
với điện cực bằng sử dụng SWCNTs làm cầu nối [32], ban đầu các ống SWCNT được
gắn với điện cực bằng vàng, sau đó FAD liên kết cộng hóa trị với đầu cuối của ống
SWCNT, rồi được hoàn nguyên với enzyme GOx, như thể hiện ở hình 3. Kết quả cho
thấy bề mặt điện cực bằng vàng đã liên kết với trung tâm FAD của enzyme GOx thông
qua cầu nối ống Nano carbon, cầu nối Nano carbon này có tính chất như một cầu dẫn
điện chuyển điện tích trực tiếp qua hai đầu ống. Các electron được vận chuyển suốt
khoảng cách hơn 150 nm và tốc độ truyền tải electron có thể điều khiển bằng điều
khiển chiều dài ống SWCNTs. Cơ chế của quá trình tạo ra cầu nối được thể hiện trong
hình dưới [53]:

Hình 3. Cơ chế tạo ra cầu nối trung tâm FAD và điện cực của SWCNTs
7


Các chất trung gian nhân tạo được thử nghiệm sử dụng như phức iron (III)
cyanide, phức chất hữu cơ của sắt, phức chất của kim loại chuyển tiếp khác v.v.[10,
36]. Để có được một chất trung gian vẫn chuyển electron lý tưởng thì cần đảm bảo
nhiều tiêu chí: phản ứng nhanh với dạng khử của enzyme trong khi lại không cạnh

tranh với oxi, có tính chất điện hóa tốt như thế oxi hóa khử nhỏ, có độ tan thấp trong
môi trường nước, không độc và ổn định về mặt hóa học trong cả dạng oxi hóa và dạng
khử [45].
1.1.3. Thế hệ cảm biến glucose thứ ba
Thế hệ cảm biến glucose thứ ba đi theo hướng cố gắng loại các phản ứng phụ
không mong muốn: sự khử của chất trung gian nhân tạo và sự khử của enzyme. Ở thế
hệ enzyme này, electron được vận chuyển trực tiếp từ trung tâm phản ứng enzyme tới
điện cực, không sử dụng các chất trung gian tự nhiên hay nhân tạo.
Khó khăn lớn nhất vẫn là giữ được sự vận chuyển electron hiệu quả giữa điện
cực và enzyme glucose xuyên qua lớp protein dày bao quanh trung tâm oxi hóa khử.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các vật liệu Nano
và vật liệu xốp với diện tích bề mặt lớn, rất nhiều loại điện cực khác nhau được chế tạo
từ các loại vật liệu này [5, 47, 48]. Một cách khác là sản xuất cảm biến glucose thế hệ
ba chứa điện cực làm việc chứa muối hữu cơ có khả năng dẫn điện dựa vào sự truyền
điện tích của các phức chất, ví dụ như tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane
(TTF-TCNQ) [22, 31].
Trong thập kỉ 90, các nghiên cứu tiếp tục được mở rộng theo hướng thiết lập
liên lạc điện hóa giữa trung tâm xúc tác oxi hóa khử GO x với bề mặt điện cực [13], và
phát triển cải tiến thiết bị, hạn chế tối đa sự xâm nhập xuống dưới bề mặt da mà vẫn
đảm bảo độ hiệu quả và tin cậy [6, 19, 43]. Bảng 1 tổng hợp lại những dấu mốc chính
của quá trình phát triển cảm biến sinh học glucose điện hóa có cấu trúc sinh học [45]:
Bảng 1. Dấu mốc chính của quá trình phát triển cảm biến glucose có cấu trúc sinh học
Năm Sự kiện

1962 Sự xuất hiện đầu tiên của cảm biến g

8


1973 Cảm biến glucose hoạt động dựa trên

1975 Thương mại hóa hệ thống cảm biến

1982 Chứng minh khả năng định lượng gl

1984 Phát triển chất vận chuyển trung gia

1987 Lần đầu thương mai họa máy đo glu
1999 Thương mại hóa cảm biến glucose
2000 Giới thiệu thiết bị xác định glucose
Một cách tiếp cận khác là sử dụng các vật liệu làm điện cực có cấu trúc mao
quản có kích thước 2 - 50 nm, có diện tích bề mặt và độ khuếch đại tín hiệu lớn [5, 48],
trong đó sự trao đổi electron từ enzyme đến điện cực có thể đạt được mà không cần
các chất trung gian phức tạp hay phụ thuộc vào nồng độ oxi tự do. Điện cực glucose
không có cấu trúc enzyme loại này có thể phản ứng trực tiếp glucose với độ nhạy cao,
-1

-2

cường độ dòng phản hồi có thể đạt mức mA.mM .cm . Ngoài ra nó còn tránh được
vấn đề về thời gian sống, cấu trúc dễ vỡ và giá thành cao của enzyme. Sự thành công
của hướng tiếp cận này là một gợi ý cho việc nghiên cứu thế hệ cảm biến mới không
sử dụng cấu trúc enzyme.
1.1.4. Thế hệ cảm biến glucose thứ tƣ
Ý

tưởng về thế hệ cảm biến thứ 4 lần đầu được nghiên cứu và công bố bởi

Walther Loeb, tác giả này đã sử dụng cách oxi hóa glucose trực tiếp trên anode bằng
axit sunfuric, các nghiên cứu về việc sử dụng một hệ thống điện cực không có cấu trúc
enzyme ngày càng mở rộng, ngang bằng với các nghiên cứu phát triển cảm biến có cấu

trúc enzyme [7, 34]. Một số kết quả nghiên cứu về các loại cảm biến không có cấu trúc
enzyme được liệt kê ở bảng 2 sau:
Bảng 2. Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến glucose không sử dụng enzyme

Vật liệu điện cực

9


Cu

Cu@Cu2

CuO N

Cu

CuO-M

C

Cu na

X
Nhược điểm gặp phải của hầu hết cảm biến thuộc thế hệ này là tính chọn lọc
thấp hơn khi so sánh với cảm biến enzyme, đồng thời có tốc độ oxi hóa glucose thấp
do sự tích tụ sản phẩm trung gian hoặc chất gây nhiễu trên điện cực khi áp dụng cho
mẫu thực. Tuy nhiên, với ưu điểm các cấu trúc điện cực và kim loại sử dụng đa dạng,
có thể áp dụng cho môi trường pH của sinh vật. Bên cạnh đó, giới hạn phát hiện
thường nằm trong khoảng nồng độ glucose trong máu (3-7 mM), độ nhạy cũng rất đa

dạng và phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt và xúc tác sử dụng trong quá trình phản ứng.
Hiện nay, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã có những thử nghiệm mới
nhằm tạo ra điện cực có độ nhạy, tốc độ phản hồi cao, tính chọn lọc tốt, chi phí chế tạo
thấp và dễ dàng áp dụng trong thực tế. Các kết quả nghiên cứu nổi bật là sử dụng kim
loại khác nhau, thay đổi cấu trúc mẫu của điện cực.v.v. còn ít. Số lượng công trình
nghiên cứu cảm biến glucose ở Việt Nam còn ít hơn rất nhiều. Vì vậy, đề tài luận văn
“Chế tạo vật liệu lỗ xốp đa tầng kim loại và ứng dụng trong cảm biến glucose” đã

10


được lựa chọn nhằm chế tạo vật liệu có cấu trúc xốp đa tầng có thể ứng dụng làm cảm
biến glucose trong máu và thực phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu
Từ tổng quan trên về bốn thế hệ cảm biến glucose, thế hệ cảm biến glucose dựa
trên cấu trúc không sử dung enzyme của các hạt nano kim loại đang thể hiện các ưu
điểm nổi bật, khắc phục được các nhược điểm của thế hệ cảm biến glucose trước. Một
trong những yếu tố quan trọng của cảm biến glucose không sử dụng enzyme là việc
cấu trúc của hệ vật liệu, quyết định độ nhạy, độ bền, độ chọn lọc của cảm biến thu
được. Trong các kim loại được sử dụng để chế tạo nên cấu trúc nano, cấu trúc xốp
nano ba chiều chứa đồng đang mở ra nhiều triển vọng mới trong việc xác định nồng độ
glucose bằng phương pháp điện hóa, chế tạo các cảm biến giá rẻ, có tính ứng dụng cao
trong hỗ trợ điều trị tiểu đường và ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông
nghiệp khác. Chính vì lý do đó, luận văn này nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các cấu
trúc 3D xốp của kim loại đồng và oxit đồng có kích thước nano trên nền điện cực PGE
(pencil graphite electrode). Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:
+

Chế tạo các điện cực xốp đồng đa tầng bằng phương pháp điện hóa

trên nền vật liệu PGE.
o Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp o
Xử lý nhiệt hệ vật liệu thu được

+

Khảo sát các đặc trưng cấu trúc của các điện cực thu được bằng các

phương pháp hóa lý (SEM, XRD).
+
Khảo sát tính chất điện hóa của các điện cực trong môi trường KOH
0,1 M.
+

Đánh giá khả năng xúc tác phản ứng oxi hóa glucose và ứng dụng

xác định nồng độ glucose trong môi trường KOH 0,1 M.

11


1.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu
1.3.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc tính và hình thái vật liệu
1.3.1.1. Phƣơng pháp chụp ảnh SEM
Phương pháp chụp ảnh SEM sử dụng một kính hiển vi điện tử quét, chùm
electron được gia tốc bằng điện thế 50kV giữa cathode và anode rồi đi qua thấy kính
hội tụ, quét bề mặt mẫu đặt trong môi trường chân không. Tương tác giữa chùm điện
tử với bề mặt mẫu tạo ra chùm điện tử thứ cấp hoặc chùm phản xạ ngược, được đầu dò
thu lại và chuyển thành ảnh hiển thị bề mặt vật liệu. Ảnh SEM cung cấp các thông tin

về đặc điểm hình dáng bề mặt, hình thái cấu trúc: sự kết tinh, kích thước hạt, quan sát
vi cấu trúc trên bề mặt của mẫu.
Luận văn sử dụng ảnh SEM chụp bằng máy Hitachi TM4000 Plus với điện thế
15kV tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
1.3.1.2. Phƣơng pháp XRD
Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm
tia X khi tương tác với mạng tinh thể của mẫu, tạo ra các tán xạ đàn hồi với các điện tử
của các nguyên tử có trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, việc xác định các thông tin về
góc độ tán xạ, bước sóng tia X sẽ cho biết các đặc điểm về cấu trúc thành phần mạng
tinh thể [41].
Mạng tinh thể được tạo nên từ các nguyên tử hoặc ion được phân bố đều đặn
trong không gian theo trật tự nhất định. Khi chùm tia X đi tới bề mặt tinh thể và đi sâu
vào trong mạng lưới thì mạng lưới này thể hiện như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các
nguyên tử hoặc ion trong mạng bị kích thích bởi năng lượng của chùm tia X thích hợp
sẽ trở thành các trung tâm phản xạ, các lớp nguyên tử hoặc ion này được phân bố trên
các mặt phẳng song song trong không gian.
Mối liên hệ giữa khoảng cách hai mặt nhiễu xạ (dhkl), góc giữa chùm tia X (θ)
và bước sóng tia X (λ) được biểu thị bằng phương trình Vulf – Bragg:
2dhkl.sinθ = n.λ

12


Với λ là bước sóng của tia X, là góc tới giữa tia X và mặt phẳng tinh thể, d là khoảng
cách giữa hai mặt phẳng tinh thể liên tiếp, n là bậc nhiễu xạ
Từ phương trình trên cho thấy, các cấu trúc tinh thể khác nhau sẽ có kiểu mạng
tinh thể khác nhau với đặc trưng về vị trí, số lượng và cường độ của các vạch nhiễu xạ,
từ các thông số đặc trưng đó có thể xác định cấu trúc tinh thể thông qua giản đồ nhiễu
xạ.
Trong nội dung luận văn này, giản đồ nhiễu xạ tia X được đo trên thiết bị D8

Advance Bruker của Đức, tại phòng thí nghiệm Vật liệu – Khoa Đại Hóa học – Trường
học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. Phép đo sử dụng bức xạ tốc độ kế Cu Kα (1,54Å),
o

-1

o

o

quét 2 phút , góc quét 2θ = 20 – 80 , độ rộng góc quét mỗi

o

lần 0,02 .

1.3.2. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu
Tính chất điện hóa của các điện cực được xác định bằng hệ ba điện cực trên
máy Autolab 30 – Metrohm, trong đó điện cực đối là Platin, điện cực so sánh là
Ag/AgCl (Metrohm) và điện cực làm việc xốp đồng trên nền PGE, dung dịch sử dụng
là KOH 0,1 M với tất cả thí nghiệm.
1.3.2.1. Phƣơng pháp quét thế tuần hoàn (Cyclic voltammetry/CV)
Phương pháp quét thế tuần hoàn còn gọi là phương pháp Von-Ampe vòng quét
xung tam giác, là phương pháp điện hóa được sử dụng để nghiên cứu tính chất điện
hóa, cũng như động học và cơ chế phản ứng của chất nghiên cứu trên các điện cực
khác nhau.
Phương pháp CV cho phép áp lên điện cực nghiên cứu điện thế xác định, quét
giá trị thế theo hướng cathode hay anode để quan sát dòng tương ứng. Trong phương
pháp này, bề mặt các điện cực nghiên cứu cần được phục hồi trước mỗi thí nghiệm.
Khoảng thế nghiên cứu phụ thuộc việc lựa chọn dung môi và chất điện li nền.

Phương pháp đo này được tiến hành trong dung dịch tĩnh, không khuấy trộn, sự
chuyển khối được thực hiện bằng cách khuếch tán. Tốc độ quét thường giới hạn từ 1
mV/s đến 1000 mV/s. Tốc độ quét này không được nhỏ hơn 1mV/s, bởi vì gặp phải tín
hiệu nhiễu của sự khuấy trộn đối lưu của lớp khuếch tán.

13


Đường phân cực vòng biểu diễn mối quan hệ i-E, là một đường cong có đỉnh
đặc trưng (ip), tại đó có dòng điện cực đại i p ứng với điện thế Ep. Với những quá trình
oxi hóa khử thuận nghịch:
Ox  ne  Kh
Bị khống chế bởi quá trình khuếch tán, Randles – Sevsick đã đưa ra mối quan
hệ giữa dòng điện cực đại với tốc độ quét thế:
 2, 678.1015.n3/ 2 . A.D1/ 2

i

o

p

Trong đó:
ip là cường độ dòng đặc trưng
n là số electron tham gia phản
-1

ứng v là tốc độ quét thế (mV.s )
2

A là diện tích của điện cực (cm )
-1

Co là nồng độ chất phản ứng (mol.L )
2 -1

Do là hệ số khuếch tán (cm .s )
Hiệu điện thế pic anode Epa và pic cathode Epc đối với quá trình thuận
nghịch được mô tả bằng phương trình:
EE

Hình 4. Nguyên lý của phương pháp quét thế tuần hoàn
(a) Đường quét thế tuần hoàn và thời gian; (b) Liên hệ giữa dòng điện –
điện thế Trong quá trình bất thuận nghịch:
14


Ox  ne  Kh

Phương trình dòng cực đại tuân theo Nicholson – Shain có dạng:
 2, 99.1015.n.(.n

i
p

Trong đó:
n, A, Co, Do, v: ý nghĩa tương tự như phương trình của Randles –
Sevsick
α là hệ số chuyển
na là số electron trao đổi biểu kiến

Nếu trong quá trình điện hóa có xảy ra các phản ứng hóa học trước và sau phản
ứng điện hóa thì quan hệ ip – Ep không còn tuyến tính. Do đó, bằng phương pháp đo
này, có thể xác định được các bước khử riêng biệt của các chất phản ứng, khoảng thế
xảy ra phản ứng với các giá trị ip, Ep và đặc biệt là tính chất thuận nghịch và bất thuận
nghịch của quá trình điện hóa.
Trong khi tiến hành đo, có thể sử dụng quét một chu kì hoặc lặp lại nhiều chu kì
liên tục, các đường i-E sẽ được quét liên tục nhiều lần với giá trị điện thế được biến
đổi tuần hoàn theo thời gian, sau đó kết quả đo sẽ là tính trung bình của các lần quét.
Khi quét thế tuần hoàn, căn cứ vào đường cong thu được và các đặc trưng về pic, có
thể xác định được số phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực, hay số giai đoạn của phản
ứng theo: số pic đặc trưng, điểm gãy, điểm uốn xuất hiện trên đồ thị.
1.3.2.2. Phƣơng pháp dòng – thời gian (Amperometric measurement/ I-t)
Nguyên lý cơ bản của phương pháp dòng – thời gian là áp một điện thế không
đổi lên điện cực, sau đó đo sự biến đổi của dòng điện trên điện cực theo thời gian [2].
Điện thế áp lên điện cực làm việc được khống chế để tạo ra bước nhảy điện thế
từ mức không có dòng Faraday (E1) lên mức điện thế cao hơn mà tại đó nồng độ chất
hoạt động điện hóa trên bề mặt điện cực làm việc bằng không (E 2). Nguyên lý trên
được thể hiện qua hình dưới đây:

15


Hình 5. Nguyên lý của phương pháp dòng – thời gian (a) Dạng phổ của bước nhảy
điện thế; (b) Sự suy giảm của nồng độ chất hoạt động theo thời gian (c) Sự suy giảm
cường độ dòng theo thời gian.
Khi điện thế áp vào sẽ tạo ra phản ứng điện hóa trên điện cực làm việc và sinh
ra dòng Faraday. Do vậy, dòng đo được sẽ là tổng của dòng tụ điện và dòng Faraday.
Ban đầu, thế E1 là thế tại đó không có phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực
làm việc, sau khi áp thế E 2, phản ứng điện hóa sẽ xảy ra trong thời gian t (hình a) tạo
ra một sự chênh lệch nồng độ giữa vùng sát điện cực và dung dịch (hình b), hình thành

một dòng chất di chuyển từ trong dung dịch tới khu vực bề mặt điện cực để tham gia
phản ứng điện hóa. Dòng chất và cường độ dòng điện thu được do phản ứng điện hóa
xảy ra sẽ tỉ lệ với sự chênh lệch nồng độ chất tại bề mặt điện cực, kết quả là cường độ
dòng sẽ diễn ra như trên hình 5b và 5c.

16