Nghiên cứu chế tạo điện cực biến tính trên cơ sở graphen ứng dụng trong phân tích ure và axít uric TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Bùi Thị Phương Thảo

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH TRÊN
CƠ SỞ GRAPHEN ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH
URE VÀ AXIT URIC

Chun ngành: Hóa Phân tích
Mã số: 9.44.01.18

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HĨA HOC

HÀ NƠI – 2021


Cơng trình được hồn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Đỗ Phúc Quân
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Trần Đại Lâm

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

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp

Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng
… năm 202….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Axit uric (UA) và Ure là các thành phần thường có trong
dịch sinh học trong cơ thể người bởi chúng là sản phẩm cuối của q
trình chuyển hóa sinh hóa của cơ thể. Các thông số về hàm lượng
UA và Ure là một trong số những kênh thông tin quan trọng giúp
theo dõi sự hoạt động của gan và thận. Bệnh tăng huyết áp, bệnh tim
mạch và bệnh gút có liên quan khi nồng độ UA trong huyết thanh và
nước tiểu quá cao (khoảng 420 μ M và 4,43 mM). Tuy nhiên khi UA
trong huyết thanh và nước tiểu thấp hơn 120 μ M và 1,48 mM là dấu
hiệu của bệnh thối hóa thần kinh . Việc đánh giá tỷ lệ UA/creatinin
trong nước tiểu cho phép theo dõi nhanh bệnh gút, bệnh thận, và tính
hữu ích trong điều trị một số bệnh như tăng UA máu, suy thận và
bệnh thận do UA cấp tính. Phương pháp sắc ký để xác định đồng
thời UA và ure hiện đang được tiến hành bằng sắc ký lỏng hiệu năng
cao điện di mao quản vùng, sắc ký lỏng khối phổ và sắc ký điện di
mao quản điện động học kiểu micelle. Mặc dù các phương pháp này
cho độ chính xác và độ nhạy cao, nhưng chúng khá phức tạp và địi
hỏi phải có thiết bị. Do đó, sự phát triển của một phương pháp phân
tích nhanh UA và ure thay thế các phương pháp trên là cần thiết.
Trong những thập kỷ qua, kỹ thuật điện hóa là phương pháp

được ứng dụng nhiều nhất do tính đơn giản, chi phí thấp, dễ xử lý,
thời gian đáp ứng nhanh, tính di động và tiêu thụ điện năng thấp.
Nhưng UA, DA và AA cùng tồn tại trong dịch cơ thể, cả ba chất
chuyển hóa này đều hoạt động điện hóa và do đó chúng thích hợp
cho các phương pháp điện hóa. Ở các điện cực thơng thường, cả UA,
DA, AA bị oxy hóa, các đỉnh vơn – ampe thường trùng nhau nên khó
xác định chúng một cách chọn lọc. Do đó, các điện cực biến tính
được chế tạo kết hợp với các vật liệu nano tạo thành nanocompozit
được phát triển trong những năm qua để loại bỏ ảnh hưởng của AA.
Nhờ các kĩ thuật biến tính, người ta có thể tạo ra những cảm biến có


độ chọn lọc, độ nhạy, độ ổn định hay bền vững cao. Gần đây, hướng
chế tạo nanocompozit polyme dẫn và vật liệu nanocacbon được đặc
biệt quan tâm và thu được các kết quả rất khả quan. Graphen là vật
liệu mới nhất được phát hiện năm 2004 và nhanh chóng thu hút sự
quan tâm mạnh mẽ của các nhà vật lý, hóa học và khoa học vật liệu
trong và ngồi nước. Ngay sau khi được phát minh, graphen đã
nhanh chóng được nghiên cứu chế tạo nanocompozit với polyme dẫn
và kỳ vọng có được đặc tính vượt trội nhờ kết hợp các ưu điểm của
cả hai vật liệu thành phần. Cho đến nay, một số điện cực biến tính đã
được phát triển để xác định UA, urê bao gồm, các điện cực paste
cacbon, ống nano cacbon liên kết, Điện cực biến tính đất sét, Điện
cực oxi hóa màng kim cương, màng sol – gel xêramic kết hợp xanh
methylen trên GCE, điện cực biến tính axit ferrocenecarboxylic, biến tính
β-cyclodextrin copolyme của axit sulfanilic và N-acetylanilin, xử lý điện
hóa điện cực bút chì

graphit, điện cực GCE

biến tính

màng polymerized luminol, cảm biến điện hóa graphen pha tạp nitơ,
graphen/Pt kích thước nano, điện cực enzym dựa trên màng poly
(vinyl alcohol) / polyion phức hợp chứa pyruvat oxyaza, điện cực
biến tính enzym paste cacbon [23], điện cực biến tính cấu trúc nano
NiO, điện cực NiO/Cellulose/CNT để phát hiện ure khơng enzym.
Xuất phát từ lý do đó, luận án hướng tới vấn đề: “Nghiên cứu
chế tạo điện cực biến tính trên cơ sở graphen ứng dụng trong phân
tích ure và axít uric” làm chủ đề nghiên cứu.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Chế tạo điện cực cảm biến sinh học xác định hàm lượng ure,
axit uric trong nước tiểu.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Nghiên cứu chế tạo điện cực cảm biến điện hóa xác định uric.
- Nghiên cứu chế tạo điện cực cảm biến xác định ure
- Khảo sát các điều kiện tối ưu nhất cho các điện cực đã chế tạo.


- Sử dụng điện cực mới chế tạo, sử dụng qui trình xây dựng
được xác định hàm lượng ure, axit uric trong mẫu nước tiểu. Đồng
thời đánh giá độ tin cậy của qui trình phân tích qua độ đúng và độ lặp
lại. Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương
pháp phân tích.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Axit uric và ure
1.1.1. Axit uric
1.1.1.1 Giới thiệu chung
UA là một hợp chất hữu cơ dị vòng ngưng tụ chứa các dị tố
nitơ, ơxi với cơng thức C5H4N4O3.

Tên gọi hóa học: 7,9-dihydro-1H-purin-2,6,8(3H)-trion
Tên gọi khác: 2,6,8 Trioxypurin.
UA là một axit yếu với hệ số phân li (pKa) =5,75-10,3.
Nhưng thể ion hóa của UA là urat chiếm ưu thế trong huyết tương,
dịch ngoài bào và trong hoạt dịch. Trong huyết tương với pH= 7,4
thì 98% lượng UA tồn tại dưới dạng muối kiềm : Urat monosidium
1.1.1.2. Các phương pháp phân tích UA
* Phương pháp trắc quang sử dụng thuốc thử phosphotungstat
* Phương pháp xác định UA sử dụng enzym Uox
* Xác định axit uric bằng phương pháp HPLC
* Xác định axit uric bằng phương pháp điện hóa
1.1.2. Ure
1.1.2.1. Giới thiệu chung
Ure là một hợp chất hữu cơ có thành phần gồm cacbon, nitro,
oxy, và hiđro, với công thức CON2H4 hay (NH2)2CO. Dạng tinh thể
hoặc bột màu trắng; phân tử lượng: 60,1; khối lượng riêng: 1,34
g/cm3; nhiệt độ nóng chảy: 132-134 oC; Ure tan tốt trong nước, tan
rất ít trong cồn < 0,04%; pH (dung dịch 10%): 7,2. Trong dung dịch
nước, ure bị thủy phân dần dần hình thành amoni cacbonat hoặc
dung dịch amoni cacbonat và cacbon dioxit.


Ở trong cơ thể người, ure là sản phẩm chuyển hóa cuối cùng
của axit amin. Khoảng 90% nito trong axit amin thải ra ở gan dưới
dạng ure dưới sự điều chỉnh của N-axetylglutamat, sau đó theo máu
đến thận và đào thải ra ngoài qua nước tiểu. Nồng độ ure trong huyết
thanh khoảng 0,15 - 0,45 g/l. Hằng ngày, mỗi người bài tiết khoảng
15 - 35 gam ure theo nước tiểu. Hàm lượng ure trong máu là 16-54
mg/mL đối với nam và 12-47 mg/mL đối với nữ
1.1.2.2. Các phương pháp phân tích Ure

* Phương pháp so màu
* Phương pháp enzym
* Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
* Phương pháp điện hóa
1.2. Cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các thành phần sinh
học đặc trưng kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu để phát hiện, đo đạc
hoặc phân tích các yếu tố hóa sinh. Cảm biến sinh học bao gồm bốn
bộ phận chính: i) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện
sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; ii) Tác nhân cố
định: giúp gắn kết các đầu thu lên trên điện cực; iii) Bộ phận chuyển
đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có
thể đo đạc được; iv) Bộ phận xử lý và hiển thị tín hiệu ra (bộ phận
này có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các
thiết bị khác có thể xử lý). Ngay từ ban đầu, cảm biến sinh học được
xem như một thiết bị đầy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như: sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, vệ sinh an tồn thực phẩm,
bảo vệ mơi trường và an tồn trong cơng nghiệp.v.v.
1.3 Các phương pháp biến tính điện cực để xác định axit uric, ure
Biến tính bề mặt điện cực bao gồm những giải pháp khác
nhau nhằm thay đổi một hoặc đồng thời các tính chất lý hóa của bề
mặt điện cực như tăng cường hoạt tính xúc tác điện hóa nhờ những
vật liệu có diện tích bề mặt lớn để tăng độ nhạy; tăng cường khả


năng chọn lọc nhờ các nhóm chức; tăng tính chất động học khuếch
tán của chất điện hoạt hay tập trung nồng độ chất điên hoạt tại lớp
tiếp xúc giữa môi trường dung dịch đo và bề mặt điện cực…
1.3.1. Ứng dụng graphen
1.3.2. Ứng dụng Polyme dẫn

1.3.3. Ứng dụng hạt Nano kim loại
1.3.4. Ứng dụng enzym
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Thiết bi, hóa chất
* Thiết bị:
- Thiết bị nghiên cứu điện hóa đa năng Autolab (AUT30.v
AUTOLAB, Eco Chemie B.V., Hà Lan).
- Điện cực so sánh Ag/AgCE1(KCl 3M), điện cực đối Pt và
điện cực làm việc GCE có đường kính 2mm (6.1204.110GCE,
Metrohm- Thụy Sỹ).
- Thiết bị quang phổ Raman Jasco NRS- 3000 Series, bước
sóng kích thích laze 532nm và power density 2.9 mW/cm2.
- Thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (field-emission
scanning electron microscope – FE - SEM, JSM – 6700, JEOL Ltd.,
Tokyo, Japan)
- Vi điện cực tích hợp Dropsens (Hà Lan): đường kính điện
cực làm việc là 1,6 mm.
* Hóa chất:
- Các hóa chất gồm Gr, graphit, UA, ure, DA, AA, hãng sản xuất
Sigma (Đức).
- Di-Natri hydro photphat dihydrat (Na2HPO4.2H2O) hãng
sản xuất Prolabo (Pháp). Natri dihydrogen phosphat monohydrat
(NaH2PO4.H2O) hãng sản xuất Merck (Đức). Dung dịch đệm 0,1 M
(PBS), pH 7,0, được điều chế từ Na2HPO4.2H2O và NaH2PO4.2H2O


- CuCl2, axid sulfuric (H2SO4), axid clohydric (HCl),
amoniac (NH4OH), etanol, hydro peoxit (H2O2), natrinitorit
(NaNO2), hãng sản xuất Merck, Đức.
- Enzym ureaza (E.C.3.5.1.5, 42 đơn vị/mg, Sigma - Aldrich)

- Dung dịch Pyrol của hãng Fluka (Thụy Sĩ) đã được cất
trước khi sử dụng và bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4oC.
- Tất cả các hóa chất được chuẩn bị bằng nước deion.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản sau:
- Phương pháp von-ampe vòng (CV)
- Phương pháp von-ampe xung vi phân
- Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
- Phương pháp Phổ tán sắc năng lượng
- Phương pháp điện hóa tổng hợp polyme
- Phương pháp xác định các thông số đặc trưng của điện cực
2.3. Phương pháp thực nghiệm
2.3.1. Phân tích axit uric
2.3.1.1. Chế tạo và khảo sát điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs
Điện cực GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs là điện cực được chế tạo
bằng cách phủ lên bề mặt điện cực GCE một lớp Gr (Gr một lớp, từ
vật liệu ACS có đường kính vảy 0,4 - 5, độ dày 0,6 - 1,2nm và điện
trở điện <0 Ω.cm, có độ phân tán cao trong nước với sự hỗ trợ của
siêu âm), sau đó điện phân một lớp PDA- Cu kết hợp với hạt nano
Cu (CuNPs) để có độ nhạy và độ chọn lọc với UA
Nghiên cứu các điều kiện tối ưu của điện cực vừa tổng hơp: Độ
dày của lớp Gr, phương pháp tổng hợp PDA – Cu, thời gian điện
phân PDA – Cu, vai trò của CuNPs, số vòng điện phân CuNPs, các
đặc trưng của điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs: Tính chất
điện hóa, diên tích bề mặt điên hoạt của điện cực, pH của dung dịch
đệm, khả năng đáp ứng của điện cực theo thời gian, các yếu tố ảnh
hưởng: Ảnh hưởng của DA, Glucozo, Citric, Nitrit, Paracetamol, đặc


trưng phân tích của điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs, khoảng

tuyến tính, độ ổn định và độ lặp lại tín hiệu của điện cực
2.3.1.2. Chế tạo và khảo sát điện cực GCE/rGO/PDA–Cu/CuNPs
Điện cực GCE/rGO/PDA- Cu/CuNPs là điện cực được chế tạo
trên cơ sở biến tính bề mặt điện cực GCE bằng cách điện phân poly
dopamin với đồng có phủ lớp đồng nano trên bề mặt điện cực GCE
đã được phủ lớp graphene oxid được khử điện hóa.
Nghiên cứu các điều kiện tối ưu của điện cực vừa tổng hơp:
phương pháp tổng hợp PDA – Cu, vai trò của Cu trong PDA, số
vòng điện phân PDA–Cu, dung dịch điện phân PDA – Cu, số vòng
điện phân CuNPs, các đặc trưng của điện cực GCE/rGO/PDA–
Cu/CuNPs, pH tối ưu, khoảng tuyến tính, các chất ảnh hưởng:
Dopamine, Paracetamol, Nitrit, Glucose. đáp ứng của điện cực theo
thời gian, độ ổn định và độ lặp lại tín hiệu của điện cực
2.3.2. Phân tích ure ( Điện cực Pt/ Graphene/PANi/Ureaza)
Điện cực Pt/Gr/PANi/Ureaza được chế tạo bằng cách: Chế tạo
màng Gr theo phương pháp CVD sau đó tách và gắn lên vi điện cực
tích hợp dropsens, điện phân tổng hợp PPy lên vi điện cực đã gắn
màng Gr, phủ enzym ureaza lên bề mặt điện cực Pt/Gr/PANi trong
điều kiện nhất định.
Khảo sát các bước tổng hợp để tối ưu các điều kiện chế tạo điện
cực: Đặc tính của Gr tổng hợp, điều kiện tổng hợp điện hóa màng
PANi lên vi điện cực đã gắn màng Gr, Khảo sát ảnh hưởng của pH,
khảo sát ảnh hưởng của chất đối chứng ascorbic, khoảng tuyến tính
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs
Điện cực biến tính GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs được chế tạo
theo các điều kiện tối ưu trong từng lớp điện cực như sau:
- Tổng hợp lớp Gr: 5µl dung dịch Gr 0,5 mg/ml,

- Tổng hợp màng PDA- Cu(II): Theo phương pháp CA trong
dung dich DA 10 mM + CuCl2 30 mM ở thế 0,5 V trong thời gian
350s.
- Tổng hợp CuNPs: CV trong dung dịch Cu 3mM + H2SO4
0,1M ở khoảng thế -0,5 đến -0,7V, 10 vòng, tốc độ quét là 50 mV/s.
Sau khi tối ưu hóa các điều kiện chế tạo điện cực
GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs chúng tôi cũng khảo sát các đặc trưng
của điện cực như tính chất điện hóa, diện tích bề mặt điện hoạt. Đồng
thời cũng khảo sát các điều kiện tối ưu của điện cực mới chế tạo như:
- PH của dung dịch đệm bằng 7 phù hợp với phát hiện UA
- Khả năng đáp ứng của điện cực sau 14 ngày chế tạo thì
khoảng tuyến tính, cường độ tín hiệu và độ nhạy vẫn ổn định.
- Các chất ảnh hưởng đến điện cực khi xác định UA: DA,
NO2, paracetamol. Các chất không ảnh hưởng đến điện cực khi xác
định UA là glucozo, citric.

Hình 3.3: Ảnh SEM và phổ EDS của GCE/Gr/PDA-Cu(II) (A
& B) và GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs (C & D)
Ảnh SEM của hỗn hợp Gr/PDA-Cu (II) cho thấy cấu trúc đa
lớp phẳng, được hình thành từ một lớp PDA-Cu (II) trên bề mặt các
lớp Gr mà khơng có bất kỳ hạt nano đồng nào (Hình 3.3A). CuNPs
được phân phối trên bề mặt của Gr/PDA-Cu (II). Phổ EDS của vật
liệu tổng hợp Gr/PDA-Cu(II) và Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs cho thấy các
đỉnh quan trọng của C, O, Si, Sn, In và Cu được quan sát và tỷ lệ
phần trăm khối lượng của Cu trong vật liệu tổng hợp Gr/PDA-


Cu(II)/CuNPs là 18,56% (Hình 3.3D), cao hơn nhiều so với Gr/PDACu(II) là 1,04% (Hình 3.3B). Tóm lại, nanocompozit Gr/PDA-Cu
(II)/CuNPs đã được tổng hợp thành công.
* Khảo sát các đặc trưng của điện cực GCE/Gr/PDA–

Cu(II)/CuNPs
* Tính chất của điện cực GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs
Hình 3.4 cho thấy khi được phủ các lớp vật liệu biến tính có
tính chất điện hoạt cao thì cường độ dịng đáp ứng lớn hơn. Điện cực
GCE/Gr cho tín hiệu cường độ dòng lớn nhất. Điện cực
GCE/Gr/PDA–Cu, cường độ dòng tín hiệu giảm. Sự xuất hiện của
các hạt nano đồng làm cho cường độ tín hiệu của điện cực
GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs được cải thiện rõ rệt. Như vậy, điện
cực biến tính thu được GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs có tính chất
điện hoạt cao để ứng dụng phân tích.

Hình 3.4: Tín hiệu CV khi qt dung dịch
K3FeCN)6/K4Fe(CN)6 5mM và KCl 0,1M với các điện cực làm việc
(1)GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs; (2): GCE/Gr/PDA – Cu(II); (3):
GCE/Gr.
Diện tích bề mặt điện động của điện cực biến tính
GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs được tính là 10,4 mm2. Kết quả này
được cho là do tác động tổng hợp của Gr và các tính chất của CuNPs,
như diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, cạnh lớn, thành phần cơ
bản và hoạt động xúc tác. So sánh diện tích bề mặt điện động của các
điện cực biến đổi với các vật liệu khác nhau cho thấy diện tích bề
mặt điện động của GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs được thể hiện cao


hơn nhiều lần so với GCE/Gr/CuNPs và GCE/Gr; GC và GC/PDACu(II)/CuNPs.

(A)

(B)

Hình 3.5: (A) Đồ thị của dịng điện cực đại đáp ứng của điện cực
GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs trong 5,0 mM Fe (CN)6 4-/3- so với căn
bậc hai của tốc độ quét; (B) Các tín hiệu CV của điện cực
GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNP trong 5,0 mM Fe (CN)6 4-/3- ở các tốc
độ quét khác nhau từ 10 đến 120 mV /s
Hình dạng của CV bị biến đổi do trở kháng của màng PDA tạo
ra hình dạng ohmic khi dịng điện được tăng cường đáng kể khi có
UA tại GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs. Những kết quả này chỉ ra rằng
GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs thể hiện hiệu suất điện động tốt cho
q trình oxy hóa UA. Do đó, nó có thể được coi là một cảm biến
UA. Ảnh hưởng của tốc độ qt đối với tính chất điện hóa của
GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs với 0,10 mM UA được kiểm tra bằng
CV với các tốc độ quét khác nhau từ 10 đến 70 mV s-1. Các biểu đồ
von-ampe tuần hồn trong Hình 3.7 cho thấy dòng cực đại anốt tăng
lên cùng với sự gia tăng tốc độ quét.

Hình 3.7: (A) Đường cong DPV; (B) sự phụ thuộc của dòng điện
anod so với nồng độ UA khác nhau trong 0,1 PBS (pH 7,0) ở các
điện cực biến đổi khác nhau: a) GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs và (b)


GCE/Gr/CuNPs

và (c) GCE/Gr

và (d) GC/PDA–Cu(II)/CuNPs

trong UA.
So sánh các DPV của UA ở các điện cực biến đổi khác nhau
trong dung dịch PBS 0,10 M được trình bày trong Hình 3.7A. Có thể

thấy rằng đường cong phản ứng DPV rộng và yếu của UA trên
GCE/PDA-Cu(II)/CuNPs. Hiện tượng này liên quan chặt chẽ đến sự
chuyển điện tử bị chậm lại do sự dẫn điện kém của PDA. Khi vật liệu
là Gr và CuNPs, Ipa của UA tăng rõ ràng, cho thấy Gr và CuNP có
hoạt động điện cực tốt đối với UA
Các điện cực biến tính với các hạt nano Gr/PDACu(II)/CuNPs, dịng oxy hóa mạnh xuất hiện ngày càng tăng khi so
sánh PDA-Cu(II)/CuNPs do tác dụng tương đồng của các hạt nano
Gr và CuNPs. Các sơ đồ của dòng điện cực đại oxy hóa bằng vơn kế
xung vi phân (DPV) so với sự thay đổi nồng độ của UA trong dung
dịch PBS 0,1 M (pH 7,0) ở các điện cực biến đổi khác nhau được thể
hiện trong Hình 3.7B.
Theo kết quả thu được, có thể kết luận rằng UA thể hiện độ
nhạy điện hóa của các phản ứng oxy hóa trên các vật liệu biến đổi
khác nhau giảm theo thứ tự GCE/Gr > GCE/Gr/CuNPs >
GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs > GCE/PDA-Cu(II)/CuNPs. Do có sẵn
cả độ ổn định cực đại lớn và dòng điện tăng cường, điện cực GCE
biến đổi Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs đã thể hiện điện cực tốt nhất để cảm
nhận sự phát hiện của UA.
* Khoảng tuyến tính

E/V

Hình 3.10: Tín hiệu von ampe xung vi phân và đường chuẩn
cường độ tín hiệu tỉ lệ dung dịch UA với điện cực GCE/Gr/PDACu(II)/CuNPs, môi trường pH7 dung dịch đệm PBS 0,1M


Kết quả cho thấy, độ nhạy đối với UA đạt 0,055 µA/µM,
đường chuẩn của UA có phương trình hồi qui tuyến tính

I =

0,055.CUA + 10-6 với hệ số tương quan R = 0,991
Giới hạn phát hiện của phương pháp được tiến hành bằng cách
đo lặp lại 7 lần (n-1 = 6) dung dịch UA nồng độ 8.10-5 M. Độ lệch
chuẩn của cường độ tín hiệu S = 2,52.10-7 . độ nhạy r = 0,92857
µA/µM. Giới hạn phát hiện LOD = 8,142.10-7 M, LOQ =2,71.10-6M
* Cơ chế đề xuất và kết quả tính tốn lý thuyết
Chúng tơi đề xuất cơ chế khả năng ghi chọn lọc của điện cực
GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs đối với UA như sau: AA dễ bị oxi hoá
bởi Cu2+ hơn UA và bị chuyển về dạng bị động DDA, và khơng bị
ghi nhận tín hiệu pic oxi hố khi dùng điện cực biến tính. Ngược lại,
UA khơng bị oxi hố bởi Cu2+, lắng tụ trên bề mặt của điện cực do
tạo phức với PDA, từ dó, dưới tác dụng của điện hố chuyển về dạng
DDU, tín hiệu bị ghi nhận bởi điện cực cảm biến. Sự có mặt của
CuNPs đóng vai trị cân bằng, ổn định lượng Cu(II) có trên bề mặt
điện cực, từ đó tăng sự lặp lại và độ bền của điện cực theo thời gian.
Lượng Cu(II) bị hao hụt do oxi hoá AA được bù lại bởi quá trình
tương ứng của CuNPs. Cơ chế được thể hiện chi tiết trong hình 3.12

Hình 3.12: Cơ chế đề xuất khả năng chọn lọc UA của điện cực
GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs
Đầu tiên AA và UA sẽ tham gia phản ứng tạo phức, thay thế
hợp phần PDA trong GCE/Gr/PDA-Cu(II) theo các phương trình:
GCE/Gr/PDA-Cu(II) + AA  GCE/Gr/AA-Cu(II) + PDA (*)
GCE/Gr/PDA-Cu(II) + UA  GCE/Gr/UA-Cu(II) + PDA (*)


Kết quả tính tốn về mặt nhiệt động cho thấy phản ứng * dễ
dàng xảy ra hơn, phản ứng toả nhiệt (giá trị ΔrE <0). Điều đó chứng
tỏ AA dễ dàng tạo phức với Cu(II) hơn.

Trong giai đoạn tiếp theo, AA và UA trong phức bị oxi hoá,
tách ra ion H+, ở chiều ngược lại, Cu(II) trong phức bị khử về Cu(I).
Các phản ứng cụ thể như sau:
GCE/Gr/AA-Cu(II)  GCE/Gr/MDA-Cu(II) + H+

(***)

GCE/Gr/UA-Cu(II)  GCE/Gr/MDU-Cu(II) + H+

(****)

Kết quả tính tốn về mặt năng lượng cần cung cấp cho các
quá trình trên xảy ra lần lượt là: 3,43 và 3,68 eV. Kết quả tính tốn 1
lần nữa khẳng định AA dễ bị oxi hoá hơn UA, phù hợp với giả thiết.
Như vậy các tính tốn lý thuyết đã xác nhận giả thiết về cơ chế làm
việc của cảm biến cũng như sự chọn lọc giữa UA và AA.
3.2. Điên cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs
Tổng hợp điện hóa rGO trong dung dịch NaCl 0,5M bằng cách
quét CV ở khoảng thế từ -1,5 đến + 0,5V, tốc độ quét 100 mV/s, 10
vòng quét. Lớp PDA-Cu được tổng hợp bằng cách điện phân trong
dung dịch DA 10 mM + CuCl2 30 mM, quét CV 3 vòng ở khoảng thế
từ - 0,3 đến 0,5 V, tốc độ quét 10 mV/s. Vai trò của Cu trong lớp
PDA được đánh giá dựa vào kết quả đo thực nghiệm của 2 điện cực
GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs và GCE/rGO/PDA/CuNPs với UA cho
thấy khi trong dung dịch điện phân PDA có sự có mặt của Cu và theo
tỉ lệ 10: 30 (ml) thì độ dẫn của điện cực tăng, đáp ứng với UA tốt
hơn, độ lặp lại của điện cực cao hơn. CuNPs được điện phân lên điện
cực bằng cách CV trong dung dịch Cu 3 mM+ H2SO4 0,1M ở khoảng
thế -0,5 đến -0,7 V, 10 vòng, tốc độ quét là 50 mV. Điện cực
GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs sau khi chế tạo xong được khảo sát và tối

ưu hóa các điều kiện để đo UA tốt nhất như pH = 7, khoảng tuyến
tính 11,9 – 224 µM, LOD = 3,9 µM, LOQ = 12,998 µM . Các chất
ảnh hưởng đến điều kiện đo UA của điện cực là DA, paracetamol,
nitrit, cịn gluco thì khơng ảnh hưởng đến phép đo UA của điện cực.


Điện cực sau khi chế tạo được ngâm trong đệm để qua đêm đáp ứng
với UA tốt hơn, độ ổn định cao hơn điện cực vừa mới chế tạo và điện
cực đo ở ngày thứ 3.
* Khảo sát các đặc trưng của điện cực GCE/rGO/PDA –
Cu/CuNPs
Kết quả tổng hợp điện hóa PDA-Cu trên điện cực GCE/rGO
bằng CV trên Hình 3.19A cho thấy có sự xuất hiện 2 píc anốt tại thế
0 V và 0,25 V tương ứng với quá trình ôxi hóa của Cuo thành Cu2+ và
DA thành PDA. Khi qt thế theo chiều catốt có píc khử tại thế -0,04
V ứng với quá trình khử của Cu2+ thành Cuo. Quá trình kết tủa
CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA-Cu trong Hình 3.19B cho thấy
chỉ xuất hiện cặp tín hiệu ơxi hóa khử của Cu2+. Như vậy, PDA
không tham gia vào quá trình ơxi hóa điện hóa.
Khảo sát CV trong dung dịch [Fe(CN)6]4- cho thấy cường độ
dịng oxi hóa khử của Fe2+/Fe3+ giảm dần theo thứ tự GCE/rGO>
GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs>GCE/rGO/PDA-Cu. Mặc dù điện cực
GCE/rGO có khả năng điện hoạt cao nhất, nhưng do độ ổn định và
độ chọn lọc điện hóa với chất phân tích thấp nên sử dụng trong xác
định UA. Vì vậy, GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs được lựa chọn để xác
định UA.
0.400x10-3

DA
0.300x10-3

Cu0

0.300x10-3

PDA

0.200x10-3

2nd và 3rd Cycles

Cu2+

1st Cycles

Cu2+

0

0.100x10-3
i/A

i/A

Cu0

0.100x10-3

0.200x10-3

0

-0.100x10-3

-0.300x10

-0.100x10-3

Cu2+

Cu0

Cu2+

-0.200x10-3

Cu0

-3

-0.400x10-3

-0.200x10-3

-0.500x10-3

-0.300x10-3

-0.300 -0.200 -0.100

0

0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600

-0.600x10-3

E/V

-0.750

-0.500

-0.250

0

0.250

0.500

0.750

E/V

Hình 3.19: Tín hiệu CV của quá trình điện phân (A) PDA-Cu và (B)
CuNPs


Hình 3.20: Tín hiệu CV của các điện cực biến tính khác nhau khi
quét dung dịch K3FeCN)6/K4Fe(CN)6 1mM và KCl 0,1M: (a)

GCE/rGO; (b) GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs; (c) GCE/rGO/PDA-Cu

CuNPs

(A)

(B)

Hình 3.21: (A) Ảnh SEM và (B) phổ EDS của GCE/rGO/PDACu(II)/CuNPs
Kết quả tính tốn diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực
GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs là 21,96 mm2. So với diện tích bề mặt
điện hoạt của điện cực GCE khi chưa biến tính là 3,14 mm2 thấy rằng
màng PDA sau khi được phân tán CuNPs đã làm tăng khả năng vận
chuyển điện tích lên gần 7 lần và điện cực biến tính GCE/rGO/PDACu/CuNPs có tính chất điện hoạt cao để ứng dụng phân tích.
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu rGO/PDACu(II)/CuNPs trong Hình 3.21A cho thấy PDA-Cu(II) tạo compozit
với rGO và trên bề mặt vật liệu rGO/PDA được tạo thành các hạt
kim loại. Với sự hình thành hạt nano đồng trên bề mặt sẽ đóng vai
trị loại bỏ ảnh hưởng của AA trong q trình xác định điện hóa của
UA.


Kết quả đo phổ EDS trong hình 3.21B cho thấy tín hiệu của Cu
xuất hiện tại giá trị năng lượng 1 keV và hàm lượng của Cu trong
màng PDA chiếm 1,03% theo khối lượng. Khử điện hóa trực tiếp của
Cu2+ thành CuNPs trên PDA-Cu(II) đã tăng hàm lượng phần trăm
theo khối lượng Cu lên 22,43%. Như vậy, khả năng xúc tác điện hóa
cho phản ứng ơxi hóa UA bởi CuNPs được tăng cường rõ rệt.
Đường CV trong Hình 3.22 cho thấy píc ơxi hóa UA xuất hiện
tại thế 0,23 V và khơng có píc khử. Để xác định hệ vật liệu
rGO/PDA-Cu/CuNPs tối ưu dùng trong xác định điện hóa UA, các

điều kiện tổng hợp điện hóa gồm thành phần dung dịch điện phân,
thời gian tổng hợp PDA-Cu và CuNPs đã được khảo sát.

Hình 3.22: Tín hiệu CV của UA trên GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs với
các tốc độ quét thế khác nhau từ 20 mV/s đến 125 mV/s.
So

sánh

đặc

trưng

điện

hóa

của

điện

cực

GCE/rGO/PDA/CuNPs và điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs cho
thấy màng PDA khi khơng có Cu đáp ứng kém hơn về khoảng tuyến
tính và độ nhạy đối với UA.
* Khoảng tuyến tính
Khoảng tuyến tính của UA khá rộng, nằm trong khoảng 11,9 –
224 µM, giới hạn phát hiện của UA đạt được ở nồng độ thấp 3,9µM,
LOQ = 12,998 µM

Hình 3.23: (A)Tín hiệu DPV và (B) đường chuẩn biểu diễn sự phụ
thuộc của cường độ dòng vào nồng độ UAcủa điện cực
GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs
3.3. Điện cực Pt/Gr/ PANi/Ureaza
Điện cực Pt/Gr/ PANi/Ureaza chế tạo bằng cách tổng hợp Gr
bằng phương pháp CVD sau đó tách và gắn màng Gr lên vi điện cực
droppsens, đặc tính của Gr được đánh giá bằng ảnh SEM và phổ
Raman cho thấy màng Gr tổng hợp được có khoảng 2-3 lớp Gr,
khoảng cách giữa 2 lớp Gr được đánh giá bằng hình ảnh HRTEM là
khoảng 0,34 nm. Tổng hợp điện hóa màng PANi lên vi điện cực phủ
màng Gr bằng cách quét CV trong dung dịch 0,3 M monome anilin
và H2SO4 0,5M và được ổn định trong dung dịch HCl 0,1 M bằng
cách quét thế vòng đa chu kỳ. Enzym được cố đinh trên điện cực và
ủ trong hơi glutaraldehit 25% trong 24 giờ, làm khô trong khơng khí
ở nhiệt độ thường. Điện cực Pt/Gr/ PANi/Ureaza sau khi chế tạo
xong được khảo sát các điều kiện tối ưu nhất để xác định ure như pH
= 7, khoảng tuyến tính 5 – 30 mM; LOD = 1,59.10-3 (mM); LOQ =
5,3.10-3 (mM).
* Đặc tính của Gr tổng hợp
Hình thái của bề mặt tấm Cu sau quá trình CVD được thể hiện
trên hình 3.29. Một số sọc trắng (được chỉ bằng mũi tên) do sự hiện
diện của Gr trên lá Cu sau CVD. Sự xuất hiện của các sọc trắng này
có thể được giải thích bằng sự khác biệt giữa hệ số giãn nở nhiệt của
Gr (αGr = -6.10-6 / K) và chất nền Cu-lá (αCu = 24.10-6 / K).


Hình 3.29: Ảnh SEM bề mặt của màng graphen trên đế đồng
được tổng hợp bằng phương pháp CVD nhiệt

Chất lượng và đặc tính của graphen được nghiên cứu sâu
hơn bằng quang phổ Raman (hình 3.30). Các đỉnh cụ thể của Gr
được quan sát chi tiết: Đỉnh D ở 1353 cm-1, là do chế độ giãn nở
ngoài mặt phẳng của các nguyên tử sp 2. Đỉnh G ở 1582 cm-1 do
cấu trúc than chì và đỉnh 2D (~2683 cm-1) tương ứng với cấu trúc
Gr. Cường độ cao của đỉnh 2D chứng tỏ rằng màng Gr tổng hợp
có chất lượng tốt. Số lượng lớp Gr trên màng cũng có thể được dự
đốn từ phổ Raman do tỷ lệ cường độ của băng 2D so với băng G
của Gr phụ thuộc vào số lượng lớp Gr. Nếu tỷ lệ I2D/IG ~ 2-3, đặc
trưng Gr đơn lớp; nếu 2> I2D/IG> 1, đặc trưng cho Gr 2 lớp; và nếu
I2D/IG <1, đặc trưng cho Gr đa lớp. Trong nghiên cứu này, tỷ lệ
I2D/IG thu được là 1,14, cho thấy màng Gr phát triển trên đế Cu có
cấu trúc đa lớp.
Số lượng các lớp graphen cũng được xác định bởi HRTEM
(Hình 3.30B). Kết quả cho thấy màng Gr tổng hợp là Gr đa lớp với
số lượng lớp dao động từ 2 đến 3 lớp. Khoảng cách giữa hai lớp
graphen xấp xỉ 0,34nm. Kết quả này phù hợp tốt với kết quả đo phổ
Raman.

(A)

(B)

Hình 3.30: (A) Phổ Raman và (B) hình ảnh HRTEM của màng
Gr tổng hợp


* Tổng hợp điện hóa màng PANi trên vi điện cực tích hợp
dropsens
Các màng PANi đã được lắng đọng điện hóa trên các vi điện

cực bạch kim trần và các vi điện cực bạch kim được biến tính Gr
bằng cách sử dụng phương pháp quét CV, 20 chu kỳ, điện thế từ -0,4
V đến + 0,9 V (so với Ag/AgCl), tốc độ quét 50 mV/s, dung dịch
điện hóa monome anilin 0,3 M và H2SO4 0,5 M. Hình 3.30 thể hiện
các đường cong CV của phản ứng trùng hợp điện hóa của monome
anilin trên vi điện cực bạch kim trần (Hình 3.31a) và trên các vi điện
cực platin biến tính (Hình 3.31b).
600

300

(a)

500

200

400

150

300

I ()

I ()

250

100

(b)

200
100

50
0

0

-50

-100
-200

-100
-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

E(V)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

E (V)

Hình 3.31: Phổ trùng hợp điện hóa theo phương pháp CV màng
PANi trên điện cực Pt (a) và trên điện cực Pt gắn màng Gr (b)
Tín hiệu cường độ dịng khi có gắn màng Gr (b) tăng gần 2

lần so với khi khơng có màng Gr (a), chứng tỏ sự có mặt của màng
Gr đã cải thiện đáng kể độ dẫn điện của bề mặt điện cực (gia tăng
diện tích bề mặt điện hố).
3.3.3. Kết quả phân tích hàm lượng UA sử dụng điện cực biến
tính Pt/Gr/ PANi/Ureaza

Hình 3.34: (A) phổ CV và (B) đường biểu diễn sự phụ thuộc của
nồng độ urê vào cường độ dòng.
Kết quả cho thấy cảm biến sinh học trên cơ sở màng
Gr/PANi có đáp ứng tuyến tính với nồng độ urê trong khoảng từ 5 -


30mM. Khi nồng độ urê lớn hơn 30mM, cường độ dịng điện cũng
tăng khơng đáng kể.
Phương trình hồi quy có dạng I (A) =0,11553 + 0,0198*C
(mg/ml). Hệ số tương quan của phương trình hồi quy đạt 0,96948.
LOD = 1,59.10-3 (mM); LOQ = 5,3.10-3 (mM)
3.4. Kết quả ứng dụng phân tích mẫu thực tế
Các điện cưc mới đươc chế tạo được ứng dụng làm điện cực làm
việc để phân tích mẫu nước tiểu theo phương phương pháp thêm
chuẩn so sánh kết quả với đơn vị dịch vụ độc lập cho thấy:
Điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs phân tích axit uric cho
kết quả 1,92 mM so với kết quả của đơn vị dịch vụ là 1,89mM, sai số
1,56%.
Điện cưc GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs phân tích axit uric cho kết
quả 1,96 mM so với kết quả của đơn vị dịch vụ là 1,89mM, sai số
3,57%.
Điện cưc Pt/Gr/ PANi/Ureaza phân tích ure cho kết quả 347,6
mM so với kết quả của đơn vị dịch vụ là 350,8mM, sai số 0,92%.
KẾT LUẬN

Từ những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, các kết quả
nghiên cứu chính đã đạt được như sau:
a) Đã xây dựng qui trình tối ưu và chế tạo thành cơng ba loại
điện cực biến tính dùng để phân tích nhạy và chọn lọc đối với UA,
Ure trong mẫu nước tiểu gồm:(1) điện cực biến tính GCE/Gr/PDACu(II)/CuNPs chế tạo bằng vật liệu Gr với PDA-Cu và hạt nano
đồng; (2) điện cực biến tính GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs chế tạo bằng
vật liệu GO với PDA-Cu và hạt nano đồng; (3) điện cực biến tính
Pt/Gr/ PANi/Ureaza chế tạo bằng vật liệu Gr với polyanilin và
enzym ureaza.
b) Đã chế tạo thành cơng điện cực biến tính GCE/Gr/PDACu(II)/CuNPs có độ nhạy và độ chọn lọc cao với axit uric. Khoảng
tuyến tính của điện cực là 1,19.10-5 – 3,46.10-4(mol/L), LOD =


8,142.10-7(mol/L), LOQ = 2,71.10-6 (mol/L), điện cực có độ lặp lại
và độ ổn định tín hiệu tốt.
Đã chế tạo thành cơng điện cực biến tính GCE/rGO/PDACu/CuNPs có độ nhạy và độ chọn lọc cao với axit uric. Điện cực
GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs sau khi chế tạo xong được khảo sát và tối
ưu hóa các điều kiện để đo UA tốt nhất như pH 7, khoảng tuyến tính
1,19.10-5 – 2,24.10-4 (mol/L), LOD = 3,9 .10-6(mol/L). Điện cực sau
khi chế tạo được ngâm trong đệm để qua đêm đáp ứng với UA tốt
hơn, độ ổn định cao hơn điện cực vừa mới chế tạo và điện cực đo ở
ngày thứ 3.
Đã chế tạo thành công điện cực Pt/Gr/ PANi/Ureaza với các
điều kiện tối ưu để xác định ure như pH 7, khoảng tuyến tính 5.10-3 –
30.10-3 (mol/L); LOD = 1,59.10-6 (mol/L); LOQ = 5,3.10-6 (mol/L).
c) Đã ứng dụng các điện cực biến tính chế tạo được để phân tích
mẫu nước tiểu. Kết quả thu được có độ tin cậy cao được đối chứng
bằng kết quả thử nghiệm song song của một đơn vị dịch vụ đơc lập.
Cho phép kết luận rằng điện cực biến tính đã chế tạo thành cơng để
ứng dụng phân tích mẫu nước tiểu.

Thành cơng của luận án là một đóng góp có giá trị về mặt ứng
dụng vật liệu mới trong nghiên cứu điện hóa để phân tích đối tượng
mẫu y sinh.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1.

Bui Thi Phuong Thao, Duong Thu Ha, Nguyen Le Huy, Do

Phuc Quan, Tran Dai Lam. Electrochemical determination of Uric
acid based on polydopamine - Copper/ Graphene (Gr-PDA-Cu). The
6th Analytica Vietnam Conference 2019 page 292 – 303
2.

Nguyen Hai Binh, Bui Thi Phuong Thao, Cao Thi Thanh,

Nguyen Van Quynh, Bui Dinh Tu, Tran Dai Lam, Nguyen Van
Chuc, Do Phuc Quan. A hybrid film of Graphene/Polyaniline/Urease


based electrochemical biosensor for the rapid determination of
herbicide atrazine. The 6th Analytica Vietnam Conference 2019
page 119-125
3.

Do Phuc Quan; Bui Thi Phuong Thao;Nguyen Van Trang;

Nguyen Le Huy; Nguyen Quoc Dung; ; Minhaz Uddin Ahmed,Tran
Dai

Lam,

The

role

of

copper

nanoparticles

decorating

polydopamine/graphene film as catalyst in the enhancement of uric
acid sensing. Journal of Electroanalytical Chemistryjournal, Journal
of Electroanalytical Chemistryjournal Volume 893, 15 July 2021,
115322
4.

Bùi Thị Phương Thảo, Dương Thu Hà, Đỗ Phúc Quân, Trần

Đại Lâm. Nghiên cứu xác định chọn lọc điện hóa axit uric trên điện
cực biến tính nano compozit rGO/PDA-Cu/CuNPs. Tạp chí Khoa
học và cơng nghệ Việt Nam tập 61, số 1 tháng 1/2019 trang 37-42