Thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng trong xác định nồng độ glucose

NTTU-NCKH-04

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------------------

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2019

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng trong xác
định nồng độ glucose
Số hợp đồng: 2019.01.09

Chủ nhiệm đề tài: Phan Ngọc Hân
Đơn vị công tác: Viện kỹ thuật công nghệ cao NTT
Thời gian thực hiện: 1 năm

TP. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 9 năm 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------------------------------------------------

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2019

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay ứng dụng trong xác
định nồng độ glucose
Số hợp đồng: 2019.01.09
Chủ nhiệm đề tài: Phan Ngọc Hân
Đơn vị công tác: Viện kỹ thuật công nghệ cao NTT
Thời gian thực hiện: 1 năm

Các thành viên phối hợp và cộng tác:
STT
01
02
03
04

Họ và tên
Nguyễn Lương Hiếu Hòa
Trần Lê Phương Duy
Nguyễn Văn Khiêm
Trần Trung Tín

Chun ngành
Sinh học
Sinh học
Sinh học
Quang học

Cơ quan cơng tác
Viện KT CNC NTT
Viện KT CNC NTT

Viện KT CNC NTT

Trường ĐH Bách Khoa

Ký tên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...........................................................................
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................................
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
RE

Reference Electrode

WE
CE

Working Electrode
Counter Electrode

DAC
ADC
CV

Digital to Analog Convert
Analog to Digital Convert
Cyclic Voltammetry


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1: Dãy thế điện hóa tại điều kiện tiêu chuẩn của một số cặp aOxh/bKh.
Hình 2: Mối quan hệ giữa mật độ dịng I và thế E.
Hình 3: Q trình qt thế vịng
Hình 4: Mạch chuyển dịng thành áp
Hình 5: Hình ảnh layout pcb của mạchvà hình thực tế của thiết bị
Hình 6: Chương trình giao tiếp với thiết bị trên điện thoại di động
Hình 7: Kết quả đo với dung dịch chuẩn K4Fe(CN)6
Hình 8: Chỉnh pH của dung dịch buffer A
Hình 9: Kết quả đo lần 1 trên DY2100B khi đã nhỏ 10μL dung dịch glucose
Hình 10: Kết quả đo lần 1 trên thiết bị tự thiết kế.
Hình 11: Kết quả đo dung dịch glucose lần 2 với quy trình 2 a) thiết bị DY2100B
(5mg/mL enzyme GOx); b) Thiết bị tự thiết kế
Hình 12: Chitosan tan hồn tồn trong acetic acid 1M
Hình 13: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase vừa được nhỏ vào WE
Hình14: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase được bay hơi trong 2 giờ
Hình 15: Kết quả lúc trước và sau khi nhỏ glucose, quét ở tốc độ 20mV/s
Hình 16: Kết quả lúc trước và sau khi nhỏ glucose, quét ở tốc độ 50mV/s
Hình 17: a) Đồ thị giữa mật độ dòng và thế ở cả 2 tốc độ quét 20mV/s và 50mV/s; b) Sự
ảnh hưởng của tốc độ quét đến mật độ dịng qua điện cực.
Hình 18: Kết quả đo chitosan/glucose oxidase với thiết bị tự thiết kế
Bảng 1: Thông số quét CV của 2 thiết bị
Bảng 2: Tổng hợp kết quả đo với dung dịch glucose
Bảng 3: Tổng hợp kết quả đo dung dịch glucose với quy trình 2

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Sản phẩm thực đạt được
1.Thiết bị đo điện hóa cầm tay
2. Bản thảo hồn chỉnh

Sán phẩm đăng ký tại thuyết minh
1.Thiết bị đo điện hóa cầm tay
2. Bài báo khoa học


Thời gian đăng ký : từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 09 năm 2019
Thời gian nộp báo cáo: ngày 20 tháng 9 năm 2019


MỞ ĐẦU
Đường huyết là một thuật ngữ chỉ lượng đường trong máu. Thơng thường
đường là nguồn năng lượng chính của cơ thể, đồng thời cũng là nguồn nhiên liệu cực
kỳ quan trong và cần thiết cho hệ thần kinh và tổ chức não bộ. Trong máu ln có một
lượng đường nhất định, nếu lượng đường này tăng hay giảm xuống quá nhiều so với
mức độ bình thường thì đây là một dấu hiệu khơng bình thường của cơ thể. Hiện nay
có rất nhiều phương pháp đo lượng đường huyết và phổ biến nhất là máy đo đường
huyết.
Hoạt động chính của việc máy kiểm tra đường huyết bằng máy nằm ở que thử.
Tại đầu que thử có thuốc thử, thơng qua phản ứng điện hóa giữa thuốc thử ở đầu que
thử và lượng đường trong máu, máy sẽ hiển thị mức đường huyết tương ứng. Và máy
đo đường huyết là một loại cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học gồm bốn bộ phận
chính: đầu thu sinh học, tác nhân cố định, bộ phận chuyển đổi tín hiệu và bộ phận xử
lý, đọc tín hiệu. Kết quả đo đường huyết chỉ phản ánh mức đường huyết tại thời điểm

kiểm tra. Thêm vào đó, phương pháp này là phương pháp xâm lấn, tức là phải trích
máu để kiểm tra.
Xu thế phát triển cơng nghệ là tích hợp các cảm biến trên thiết bị di động như
cảm biến tiệm cận, cảm biến vân tay, cảm biến ánh sáng… Trong số đó, cảm biến cho
phép theo dõi đường huyết bằng phương pháp không xâm lấn và phản ánh mức đường
huyết theo thời gian thực là nhu cầu cấp thiết và phù hợp với xu thế phát triển cơng
nghệ trong tương lai. Do đó đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là thiết kế thiết bị
đo điện hóa cầm tay giao tiếp khơng dây với điện thoại và có khả năng đo cường độ
dịng điện sinh ra do phản ứng oxi hóa glucose trong cảm biến sinh học. Đầu thu sinh
học được sử dụng là enzyme glucose oxidase được cố định trên điện cực với polymer
chitosan. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu và bộ phận xử lý, đọc tín hiệu là thiết bị đo điện
hóa (qt thế vịng) được thiết kế nhỏ gọn, giao tiếp với điện thoại nhằm đáp ứng việc
đo các tín hiệu từ đầu thu sinh học dễ dàng ở bất kỳ nơi. Với việc sử dụng các mạch
điện tử cùng với vi xử lý hiện đại, thiết bị có kích thước nhỏ gọn: 5 x 6 cm, được lập
trình C cho vi điều khiển và giao tiếp bluetooth low energy (BLE) với điện thoại qua
ứng dụng được lập trình trên nền tảng html và javascript.
Để kiểm tra khả năng ứng dụng và độ tin cậy, thiết bị này được thiết kế nhằm xác
định nồng độ glucose thông qua phương pháp quét thế vòng (Cyclic Voltammetry –
CV). Thiết bị tự thiết kế cho kết quả tương đồng với thiết bị DY2100B của công ty
Digi-Ivy, với sai số 0,12 μA khi đo với dung dịch glucose và 0,15 μA khi thêm
enzyme glucose oxidase vào dung dịch glucose.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Phản ứng oxi hóa khử
Định nghĩa: Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của
các nguyên tố có trong thành phần phân tử của các chất phản ứng.
Chất oxi hóa: là chất nhận electron, chất có S.oxh giảm sau phản ứng.
Chất khử: là chất nhường electron, chất có S.oxh tăng sau phản ứng.
Q trình khử, q trình oxi hóa:

Ox1 + Kh2
Ox1 + ne

Kh1;

Kh1 + Ox2
Kh2

Ox2 + ne;

1.2 Thế oxi hóa khử
Khái niệm: Thế oxi hóa khử (thế khử) của một cặp oxi hóa khử là hiệu điện thế
giữa dạng khử và dạng oxi hóa. Là đại lượng đặc trưng cho tính oxi hóa khử của chất.
Kí hiệu: E
Đơn vị: V(Volt)
Xét một q trình khử:
Kí hiệu thế oxi hóa khử là EaOx/bKh
Ví dụ: 2H+ + 2e
Fe2+ + 2e
Cl2 + 2e

H2 , có thế oxi hóa khử E2H+/H2 = 0.0 V
Fe, có thế oxi hóa khử EFe2+/Fe = −0.440 V
2Cl− , có thế oxi hóa khử ECl2/2Cl− = + 1.360 V

Thế oxi hóa khử (E) là thước đo tính oxi hóa khử của cặp oxi hóa khử. E càng
lớn thì dạng oxi hóa càng mạnh, dạng khử càng yếu và ngược lại.

Hình 1: Dãy thế điện hóa tại điều kiện tiêu chuẩn của một số cặp aOxh/bKh.
Kí hiệu E0aOxh/bKh ;

Tại điều kiện tiêu chuẩn: Nhiệt độ 25oC;
Nồng độ ion trong dung dịch 1M;
Áp suất khí là 1atm;
Thế của cặp oxi hóa khử xác định bằng phương trình Nernst:

Trong đó:

R: hằng số khí lý tưởng
n: số electron trao đổi giữa dạng oxi hóa và dạng khử.
T: nhiệt độ.
F: hằng số Faraday.
[Ox], [Kh]: nồng độ dạng oxi hóa, dạng khử ở trạng thái cân bằng.

Thế oxi hóa khử (E) phụ thuộc:
Nhiệt độ.
Bản chất và nồng độ của dạng oxi hóa và dạng khử.
Ở T = 298K, R = 8,314 J/mol.K, F = 96500 C/mol.
Phương trình Nernst có dạng:

•Nếu H+ hay OH− có mặt trong phản ứng thì cũng có thừa số của chúng với số
mũ tương ứng.
• Nồng độ của H2O khơng có mặt trong phương trình Nernst.
• Nồng độ chất rắn coi bằng 1.
• Nồng độ chất khí thay bằng áp suất riêng phần.
1.3 Phương pháp đo thế vòng (Cyclic Voltammetry – CV)
Voltammetry Cyclic (CV) là phương pháp điện hóa thực hiện phép đo dòng
điện sinh ra trong một pin điện hóa trong điều kiện điện áp vượt quá giới hạn theo
phương trình Nernst.

CV được thực hiện bằng cách tuần hoàn điện thế của một điện cực làm việc và
đo kết quả dòng điện.
CV được ứng dụng để nghiên cứu các thơng số định tính về q trình điện hóa
trong điều kiện khác nhau như:


Hóa học lượng pháp điện tử (Stoichiometry electron) của một hệ.



Hệ số khuếch tán của một chất phân tích.




Độ giảm điện thế hiệu dụng.



Kiểm tra độ ăn mòn kim loại.



Phân tích ảnh hưởng của anion sulphite, sulphate và bicarbonate đối với
sự ăn mòn carbon trong nước chứa ion choloride.

Nguyên lý làm việc:

Phương pháp đo này cho phép đặt lên điện cực làm việc một điện thế có
dạng xác định được quét theo hướng anot hoặc catot để quan sát dòng

tương ứng.


Trong phương pháp đo này, bề mặt điện cực phải được phục hồi trước
khi đo, dung dịch không có sự khuấy trộn và sự chuyển khối theo sự khuếch
tán.



Đường cong phân cực là đường tuần hoàn biểu diễn mối quan hệ giữa
mật độ dòng I và thế E.



Đường cong phân cực vòng phụ thuộc vào việc lựa chọn dung mơi, chất
điện ly nền và bản chất điện cực.

Hình 2: Mối quan hệ giữa mật độ dòng I và thế E.
Quan hệ giữa dòng điện cực đại với tốc độ quét thế [1]:
iP = (2.69x105).n3/2.A.D1/2.v1/2C (1)
Với ip là dòng cực đại(ampere).
n là số electron dịch chuyển qua mỗi phân tử của chất oxi hóa hoặc chất
khử.
A là diện tích điện cực (cm2).
D là hệ số khuếch tán của chất phân tích (cm2/s).
v là tốc độ quét của thế (volt/s).


C là nồng độ chất phân tích trong dung dịch (mol/cm3).
Thế trung bình giữa 2 đỉnh thể hiện số electron dịch chuyển:

Trong đó:
-

là thế oxi hóa khử.
là đỉnh ở thế của anode.
là đỉnh ở thế của cathode.

- DO và DR là hệ số khuyếch tán của chất oxi hóa và chất khử.
Ở điều kiện bình thường, DO và DR được cho bằng nhau, do đó thế trung bình
giữa 2 đỉnh gần bằng với thế oxi hóa khử.
Cuối cùng, khoảng cách giữa 2 đỉnh trong đồ thị được cho bởi công thức:
∆Ep = |Ep,anodic – Ep,cathodic| = 2.3

mV (ở 298K) (2)

Do đó, tùy thuộc vào những thơng số đã biết của hệ thống, chúng ta có thể xác
định nồng độ, hệ số khuếch tán, số lượng electron dịch chuyển trên mỗi phân tử của
chất oxi hóa hoặc chất khử, đồng thời có thể xác định thế oxi hóa khử, tất cả chỉ trong
1 thí nghiệm đơn giản.
Hiện nay phương pháp phổ biến để đo nồng độ glucose là sử dụng máy đo điện
hóa để đo cường độ dịng điện sinh ra do phản ứng oxi hóa glucose bằng enzyme
glucose oxidase. Để có thể ứng dụng đo nồng độ glucose tức thời trong các biofluids,
thiết bị này cần phải đo được thiết kể nhỏ gọn, có thể hoạt động bằng nguồn điện cung
cấp từ điện thoại và đo được cường độ dòng điện cỡ µA. Trong đề tài này tác giả
nghiên cứu thiết kế thiết bị đo điện hóa cầm tay thỏa mãn được các yêu cầu trên để
ứng dụng trong việc đo nồng độ glucose trong mồ hôi. Thiết bị này có ý nghĩa quan
trọng trong việc kiểm sốt đường huyết cho bệnh nhân bị bệnh tiểu đường.
Ngoài ứng dụng đo nồng độ glucose, thiết bị đo điện hóa cầm tay cũng có thể
được sử dụng xác định các chất phân tích quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Các chất phân tích có thể bao gồm các chất vơ cơ như kim loại nằng đến các chất hữu
cơ phân tử lớn như protein và nucleic acid. Kết quả của các phép đo này được sử dụng
để đánh giá các chỉ số ô nhiễm môi trường, chất lượng thực phẩm cũng như phân tích
cận lâm sàng để đánh giá sức khỏe cá nhân. Trước đây những phương pháp đo này
phải sử dụng các thiết bị lớn và thường chỉ giới hạn ở các phịng thí nghiệm. Tuy
nhiên, với việc sử dụng thiết bị đo điện hóa cầm tay, các phương pháp đo này có thể
trở thành cơng cụ áp dụng rộng rãi. Hơn nữa, nếu kết quả của phép đo được kết với


“dữ liệu điện tốn đám mây” thơng qua cơng nghệ di động có thể loại bỏ hạn chế về
mặt địa lý khi đo đạc góp phần kiểm sốt tốt hơn ô nhiễm môi trường, an toàn thực
phẩm và sức khỏe con người trên diện rộng.


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Thiết kế phần cứng
Để dễ dàng cho việc đo điện hóa di động (mang bên người, đo tại chỗ), thiết bị
được thiết kế sử dụng nguồn là pin Li-po (Lithium Polymer) và giao tiếp khơng dây
(Bluetooth) với điện thoại di động.
Có rất nhiều phương pháp đo điện hóa khác nhau, nghiên cứu này chủ yếu tập
trung vào phương pháp đo thế vòng (Cyclic Voltammetry – CV).
Nguyên lý hoạt động: Thiết bị sẽ quét thế giữa 2 điện cực: điện cực tham chiếu
(reference electrode – RE), điện cực làm việc (working electrode – WE) một cách
tuyến tính giữa E1 đến E2 (sau đó qt ngược lại). Đồng thời đo dòng được tạo ra trong
phản ứng điện hóa (phản ứng oxy hóa khử). Trong q trình quét, thế giữa 2 điện cực,
thế tại WE sẽ được tăng một lượng bằng Estep trong khoảng thời gian tstep được biểu thị
ở Hình 3.

Hình 3: Quá trình quét thế vịng
Với dịng thu được hàng microampere (μA), nên rất khó để có thể đo trực tiếp

chính xác, do đó mạch chuyển dòng thành áp được sử dụng nhằm đo được chính xác
giá trị dịng điện được tạo ra (hình 4) [5].

Hình 4: Mạch chuyển dịng thành áp
Giá trị Vout được tính theo cơng thức:


Vo = Vw - IRf I =
Trong đó, Vo là Vout được xác định với kênh ADC 10 bit trong vi điều khiển.
Vw là thế quét được tạo ra bởi chip DAC 16 bit AD5667.
I là dòng cần xác định.
Rf theo sơ đồ trên = 8 kΩ.
Nhằm phục vụ cho mục đích đo điện hóa di động, thiết bị được thiết kế nhỏ gọn với
kích thước chỉ 6 x 6 cm2, do đó các linh kiện trên board mạch được sử dụng đều là linh
kiện dán (hình 5).

Hình 5: Hình ảnh layout pcb của mạch và hình thực tế của thiết bị
2.2. Thiết kế phần mềm
Với thiết kế phần cứng như trên, thiết bị có thể được lập trình để kiểm tra điện
hóa với nhiều chức năng.Trong nghiên cứu này, thiết bị sẽ được lập trình với chức
năng quét thế vịng (Cyclic Voltammetry – CV). Và việc thiết lập thơng số đo, thu và
hiển thị kết quả sẽ được hiển thị trên điện thoại di động, thông qua phần mềm được
viết riêng cho thiết bị (hình 6).


Hình 6: Chương trình giao tiếp với thiết bị trên điện thoại di động

2.3 Dung dịch chuẩn: K4Fe(CN)6
Dung dịch K4Fe(CN)6 cho tín hiệu oxy hóa khử cao khi được qt thế vòng, do
vậyK4Fe(CN)6 thường được sử dụng làm dung dịch chuẩn nhằm xác định độ nhạy của

thiết bị điện hóa với phương pháp quét thế vòng.
Trong nghiên cứu, dung dịch chuẩn được sử dụng với nồng độ 10mM với dung
dịch đệmKCl 100mM.
2.4. Kiểm tra nồng độ glucose.
Enzyme glucose oxidase được sử dụng rất nhiều trong việc xác định nồng độ
glucose tự do trong dung dịch thông qua phản ứng oxy hóa glucose thành
gluconolactone.
Nồng độ glucose có thể được xác định thơng qua đo dịng electron được tạo ra,
thơng qua phương pháp điện hóa.

Phương trình rút gọn:

Trong nghiên cứu này, thiết bị được thiết kế sẽ được dùng để quét thế vịng phản
ứng oxy hóa glucose với enzyme glucose oxidase, đồng thời sử dụng thiết bị đã được
thương mại hiện nay là DY2100B nhằm mục đích so sánh.
Chuẩn bị dung dịch đo: dung dịch đệm chứa 50mM Sodium Citrate và 100mM
Sodium Chloride ở pH = 7 và Ferrocene Carboxylic 10μM.


Sử dụng D-glucose pha với dung dịch đệm để được dung dịch glucose 100mM,
sau đó để ngồi mơi trường 4 giờ để dung dịch glucose chuyển hóa hồn tồn từ dạng
alpha sang dạng beta.
Thêm 1mg enzyme glucose oxidase vào 1mL dung dịch đệm để thu được dung
dịch enzyme có nồng độ 1mg/mL
Thế vòng được quét ở 2 thiết bị, và quét 2 lần. Lần 1 với dung dịch glucose
100mM, lần 2 thêm10 μL enzyme glucose oxidase 1mg/mL và dung dịch Glucose.


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả đo với dung dịch chuẩn

Thiết bị tự thiết kế cho tín hiệu cao khi được quét thế vòng với dung dịch chuẩn
K4Fe(CN)6 (Hình 7). Với đỉnh khử có giá trị Ep,anodic = 33,8μA ở 0,24V.
Từ kết quả trên cho thấy thiết bị tự thiết kế có khả năng qt thế vịng với độ
chính xác đến hàng micro ampere. Do đó có thể sử dụng thiết bị với các thí nghiệm
điện hóa với độ nhạy đến hàng micro ampere.
60

Ep,anodic

Cường độ dòng điện (A)

K4Fe(CN)6
40
20
0
-20
-40

Ep,catothodic
-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

Hiệu điện thế (V)

Hình 7: Kết quả đo với dung dịch chuẩn K4Fe(CN)6
3.2 Kết quả đo với dung dịch glucose
3.2.1 Chuẩn bị hóa chất
Buffer A: Đầu tiên cân 1,0705g sodium citrate và 0,5844g sodium chloride.
Cho sodium citrate và sodium chloride vào 100mL nước cất để được dung dịch
có 50mM sodium citrate và 100mM sodium chloride.
Sau đó đo nồng độ pH thì thấy chỉ có 4,0 vì thế cho thêm NaOH đến khi pH đạt
5,5 (Hình 8).


Hình 8: Chỉnh pH của dung dịch buffer A
Dung dịch glucose:
Cân 0,19817g d-glucose và cho vào 10mL buffer A để được dung dịch glucose
100mM. Sau đó để khoảng 4 giờ để dung dịch glucose chuyển hóa từ dạng alpha sang
dạng beta.
Dung dịch enzyme:
Do rất khó cân ở khối lượng quá nhỏ, nên pha với khối lượng 0,0115g ferrocene
carboxylic vào 50mL Buffer A để được dung dịch 1mM ferrocene carboxylic. Sau đó
pha lỗng đi 100 lần sẽ thu được dung dịch ferrocene carboxylic nồng độ 10μM.
Ferrocene carboxylic khơng tan hồn tồn được sau khi khuấy 2 giờ liên tục,
dung dịch thu được có màu vàng nhạt (vẫn cịn ferrocene carboxylic chưa tan). Lấy
10mL phần dung dịch vàng nhạt đó và bỏ phần ferrocene carboxylic chưa tan. Thêm
vào 1mg glucose oxidase vào 10mL dung dịch đó để thu được dung dịch có nồng độ
enzyme 0,1mg/mL.
Qt CV:
Lần qt đầu tiên (khơng có glucose): nhỏ 40μL dung dịch enzyme vào điện cực
và quét CV. Lần quét thứ hai: nhỏ thêm 10μL dung dịch glucose vào điện cực. Thí
nghiệm lần lượt trên hai thiết bị đo DY2100B và thiết bị tự thiết kế. Thông số quét thể
hiện trong Bảng 1.

Bảng 1: Thông số quét CV của 2 thiết bị
Thông số

Thiết bị DY2100B

Thiết bị tự thiết kế

Init E (V)

0

0 (default)


High E (V)

0,4

0,5

Low E (V)

0

0

Scan Rate (V/s)

0,01

0,1

Number of Cycles

3

3

Init Scan Polarity

Positive

Positive (default)

Step (V)

0,001

N/a

Sens (A/V)

1,0e-4

N/a

Time Step (ms)

N/a

25

3.2.2 Kết quả với quy trình 1
Tín hiệu khi qt thế vịng thu được trên cả 2 thiết bị thể hiện trên Hình 9 và 10.
Khi chưa nhỏ glucose và sau khi đã nhỏ glucose thì các đỉnh của thế vịng khơng có sự
dịch chuyển đáng kể. Tăng lượng glucose nhỏ vào (20μL và 30μL) tiến hành quét lần
lượt, thu được kết quả với giá trị dòng giảm tỉ lệ nghịch với lượng dung dịch glucose
được nhỏ vào, điều này không đúng với lý thuyết. Độ dịch đỉnh giữa thí nghiệm thêm
và khơng thêm glucose (Ip) có giá trị âm (từ -0,07μA đến -0,9μA) (xem Bảng 2).

Current (A)

0.6

10L glucose 100mM
no glucose

0.4
0.2
0.0

-0.2
-0.4
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Voltage (V)
Hình 9: Kết quả đo lần 1 trên DY2100B khi đã nhỏ 10μL dung dịch glucose


2.4

no glucose
10L glucose 100mM

Current (A)

1.8
1.2
0.6
0.0

-0.6
-1.2
-1.8
0.0

0.1

0.2

Voltage (V)

0.3

0.4

Hình 10: Kết quả đo lần 1 trên thiết bị tự thiết kế.
Kết quả đo với dung dịch glucose được tổng kết dưới Bảng 2
Lý giải: Do enzyme glucose oxidase có hoạt tính thấp nên khi thêm dung dịch
glucose với lượng tăng dần thì enzyme ở điện cực bị pha loãng.
Cách khắc phục: Thực hiện quy trình đo 2. Tăng độ pH của dung dịch lên với
pH = 7 nhằm tăng độ tan của ferrocene carbocylic acid. Ferrocene carboxylic acid có
cả trong dung dịch enzyme glucose oxidase và dung dịch glucose. Tăng nồng độ
enzyme glucose oxidase lên 0,5mg/mL, 1mg/mL và 5mg/mL. Khi đo, sử dụng pipette
để trộn đều dung dịch với nhau.
Bảng 2: Tổng hợp kết quả đo với dung dịch glucose
Thiết

Lần

bị

đo

Q trình đo
Chưa có glucose

1

DY21
00B

Ep,catothodic(

∆Ep

V)

V)

(V)

0,275

0,218

0,057

Ip(μA)

-0,07
0,275

0,219

0,056

0,55

Chưa có glucose

0,268

0,215

0,053

0,58

0,272

0,211

0,061

0,37

0,272

0,211

0,051

0,29

dịch glucose
Thêm 20μL dung
dịch glucose

Ip(μA)

0,62

Thêm 10μL dung
dịch glucose

Thêm 10μL dung
2

Ep,anodic(

-0,33


Thêm 30μL dung
dịch glucose
Chưa có glucose
1

Thêm 10μL dung
dịch glucose
Chưa có glucose

Tự

Thêm 10μL dung

thiết

dịch glucose

kế

Thêm 20μL dung
2

dịch glucose
Thêm 30μL dung
dịch glucose
Thêm 40μL dung
dịch glucose

0,278

0,211

0,067

0,25

0,254

0,184

0,07

1,82
-0,9

0,254

0,194

0,06

0,92

0,254

0,194

0,06

1,53

0,264

0,194

0,07

0,94

0,264

0,194

0,07

0,83

0,264

0,184

0,08

0,83

0,264

0,194

0,07

0,77

-0,76

3.2.3 Kết quả với quy trình 2
Cường độ dòng tại đỉnh của thế vòng tăng khi nhỏ thêm dung dịch enzyme vào
dung dịch glucose, Ip > 0 (đúng với lý thuyết) chứng tỏ phản ứng oxi hóa khử đã xảy
ra (xem Hình 11). Và khi nhỏ thêm dung dịch enzyme 2 lần (10μL mỗi lần) vào dung
dịch glucose thì cường độ dịng tại đỉnh cũng tăng theo (xem Bảng 3). Tuy nhiên độ
dịch đỉnh Ip rất nhỏ (chỉ từ 0,08μA đến 0,16μA) cho thấy hiệu suất của phản ứng
chưa cao.
Bảng 3: Tổng hợp kết quả đo dung dịch glucose với quy trình 2
Thiết bị

Lần

Quá trình đo

100mM glucose

1

Epa(V) Epc(V) ∆Ep(V)
0,269

0,201

0,068

Ip(μA)

Ip(μA)

0,71
0,08

100mM glucose +
1mg/mL enzyme

0,274

0,202

0,072

0,79

100mM glucose

0,269

0,207

0,062

0,82

DY2100B
2

100mM glucose +
5mg/mL enzyme

0,11
0,275

0,208

0,067

0,89


100mM glucose + 2
lần 5mg/mL enzyme
100mM glucose
100mM glucose +
0,5mg/mL enzyme

1

0,280

0,206

0,074

0,93

0,264

0,184

0,08

0,88

0,264

0,184

0,08

0,91
0,6

100mM glucose + 2
lần 0,5mg/mL

0,264

0,184

0,08

0,94

100mM glucose

0,264

0,174

0,09

0,83

100mM glucose +
1mg/mL enzyme

0,254

0,184

0,07

0,94

0,264

0,184

0,08

0,99

Tự thiết
kế

enzyme

2

100mM glucose + 2
lần 1mg/mL enzyme

Current (A)

0.6

no GOx
5mg/mL GOx

0.4
0.2
0.0
-0.2

(A)

-0.4
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Voltage (V)

Current (A)

1.2

no enzyme GOx
1mg/mL enzyme GOx

0.6

0.0

-0.6

(B)
0.0

0.1

0.2

0.3

Voltage (V)

0.4

0,16


Hình 11: Kết quả đo dung dịch glucose lần 2 với quy trình 2 a) thiết bị
DY2100B (5mg/mL enzyme GOx); b) Thiết bị tự thiết kế
3.3 Composite chitosan/glucose oxidase với dung dịch glucose
3.3.1 Chuẩn bị hóa chất
Dung dịch glucose: chuẩn bị như quy trình 2.
Composite chitosan/glucose: Dùng acetic acid 1M để hịa tan chitosan, sau đó
vừa khuấy vừa đun nóng lên khoảng 80-90⁰C trong 2 giờ (xem Hình 12).

Hình 12: Chitosan tan hoàn toàn trong acetic acid 1M
Sau khi nguội, dùng NaOH 2N để chỉnh pH lên 5,0. Trong quá trình nhỏ NaOH
thì chitosan bị kết tủa ngay phần NaOH vừa nhỏ xuống, dùng đũa thủy tinh khuấy lên
lại thì chitosan lại tan ra.
Sau khi dung dịch chitosan đạt pH = 5,0 thì cho thêm vào 0,5 mg glucose oxidase
vào 100μL dung dịch chitosan để được hỗn hợp chitosan/glucose oxidase 5mg/mL.

Cuối cùng, nhỏ 7μL hỗn hợp chitosan/ glucose oxidase vào phần WE của SPCE
(xem Hình 13) và để bay hơi trong 2 giờ ở nhiệt độ phịng (xem Hình 14).


Hình 13: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase vừa được nhỏ vào
WE

Hình14: SPCE với composite chitosan/glucose oxidase được bay hơi trong 2
giờ
3.3.2 Quy trình đo
Nhỏ khoảng 80μL dung dịch ferrocene carboxylic acid vào 3 cực của điện cực để
khoảng 3 phút sau đó quét CV 3 lần. Sau đó nhỏ 20μL dung dịch glucose 100mM và
để khoảng 1-2 phút sau đó đo CV 3 lần. Đo ở 2 chế độ 20mV/s và 50mV/s, cịn ở
100mV/s tín hiệu bị nhiễu khá nhiều.
3.3.3 Kết quả
Trong thí nghiệm so sánh trước và sau khi nhỏ glucose, quét ở tốc độ 20mV/s thì
độ dịch đỉnh Ip = 4,75 μA (xem Hình 15) và ở tốc độ quét 50mV/s, Ip = 3,63 μA
(xem Hình 16), độ dịch đỉnh ở cả 2 tốc độ quét có giá trị lớn hơn rất nhiều so với độ
dịch đỉnh trong kết quả đo với dung dịch glucose oxidase.