Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai polyme dẫn – graphen, định hƣớng ứng dụng xác định ion chì (II) và thuốc trừ sâu

hản ứng cơ chất – enzym Phân tích cơ chất ATCh trên điện cực Pt phủ màng lai polyme dẫn – graphen đã cố định enzym AChE, điện áp được đặt vào hệ điện hóa là +0,3V, bình điện phân là 5ml dung dịch PBS (pH = 7), từng lượng dung dịch ATCh được thêm liên tiếp vào bình điện phân sau khi cường độ dòng đạt được giá trị cân bằng. 2.2.5. Xác định hàm lƣợng thuốc trừ sâu methamidophos Phương pháp nhận biết thuốc trừ sâu methamidophos được thực hiện bằng phép đo đáp ứng dòng tại thế áp đặt +0,3V. Để thử nghiệm sự ức chế của methamidophos lên enzym AChE trên điện cực, khi cường độ dòng tăng và ổn định sau khi cho cơ chất ATCh, tiến hành thêm methamidophos vào dung dịch và theo dõi sự thay đổi của cường độ dòng theo thời gian. Từ sự thay đổi của cường độ dòng theo thời gian khi thêm cơ chất ATCh và thuốc trừ sâu methamidophos, chúng ta có thể đánh giá được khả năng ứng dụng làm cảm biến thuốc trừ sâu của điện cực chế tạo được. 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu - Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc, hình thái học: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) được đo trên thiết bị Nicolet NEXUX 670; phổ tán xạ Raman được thực hiện trên thiết bị Labram-HR 800; ảnh hiển vi điện tử quét (FE-SEM) được ghi trên máy Hitachi S4800. - Các phƣơng pháp điện hóa: Phương pháp vôn – ampe vòng (CV), vôn – ampe sóng vuông (SWV), đo dòng (CA) được thực hiện trên máy điện hóa Autolab/ PGSTAT30. 5 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai poly(1,5- diaminonaphtalen) P(1,5-DAN) và graphen 3.1.1. Màng đa lớp Gr/P(1,5-DAN) 3.1.1.1. Tổng hợp bằng phƣơng pháp điện hóa Điện cực tích hợp Pt phủ màng graphen được sử dụng làm điện cực làm việc, tiếp tục trùng hợp tạo màng P(1,5-DAN) bằng phương pháp điện hóa trong dung dịch nước có chứa HClO4 1M và monome 1,5-DAN 5mM. Kỹ thuật sử dụng là vôn – ampe vòng trong khoảng từ -0,02V đến +0,95V, tốc độ quét 50mV/s. P(1,5-DAN) cũng được tổng hợp trên điện cực Pt trần với cùng điều kiện để đối chứng. Hình 3.2 trình bày phổ CV tổng hợp P(1,5-DAN) với 20 chu kì quét thế. Hình 3.2: Phổ tổng hợp màng P(1,5-DAN) trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B) So sánh hai trường hợp tổng hợp P(1,5-DAN), trên Pt và trên Pt/Gr, dạng phổ CV thu được tương tự nhau, nhưng cường độ dòng điện tăng gần gấp 20 lần trong trường hợp phủ graphen. Như vậy, graphen với độ linh động điện tử cao giúp tăng độ dẫn điện và diện tích bề mặt riêng của màng P(1,5-DAN) đã làm tăng tín hiệu điện hóa. Sự tương tác giữa graphen và polyme, làm tăng quá trình chuyển điện tích đã được các nhà khoa học chỉ ra gần đây, tuy nhiên vẫn chưa được giải thích thực sự rõ ràng. Đã có một vài nghiên cứu cố gắng xây dựng cơ chế của việc tăng cường chuyển điện tích cho sự kết hợp giữa graphen và polyme, ví dụ Gupta và cộng sự cho rằng sự tăng dòng là do tăng diện tích bề mặt riêng, độ dẫn điện và tương tác π-π giữa graphen và màng polyme tại bề mặt điện cực [130]. 3.1.1.2. Nghiên cứu đặc trƣng a. Đặc trƣng điện hóa b. Đặc trƣng phổ tán xạ Raman -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -15 -10 -5 0 5 10 15 5 15 20 I,   E, V 10 A -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 10 15 20 E, V I,   5 B 6 Hình 3.6: Phổ tán xạ Raman của P(1,5-DAN) thuần (a) và các màng tổ hợp Gr/P(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kì (b) và 20 chu kì quét thế (c) Phổ tán xạ Raman của màng tổ hợp Gr/P(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kì quét thế (b) thể hiện rõ rệt cấu trúc của cả 2 thành phần: ngoài các đỉnh tại 1335,5; 1448,5 và 1522cm -1 đặc trưng cho các liên kết hóa học của P(1,5-DAN) còn xuất hiện thêm đỉnh 2D của graphen tại 2697cm -1 . Do đỉnh D và đỉnh G của graphen ở số sóng 1353 và 1582cm -1 gần vùng đặc trưng của naphtalen nên có sự chồng lấn đỉnh và không xuất hiện trên đường b. Tuy nhiên, đỉnh tại 1580,6cm -1 đặc trưng cho dao động khung của nhân naphtalen có cường độ tương đối cao hơn nhiều so với trường hợp P(1,5-DAN) thuần, chứng tỏ có sự kết hợp với đỉnh G cường độ mạnh của graphen tại 1582cm -1 . Trường hợp màng Gr/P(1,5-DAN) được tổng hợp với 20 chu kì quét thế, màng P(1,5-DAN) dày hơn, che lớp graphen ở phía dưới nên chỉ quan sát thấy cấu trúc của P(1,5-DAN) thuần trên phổ Raman (đường c). c. Đặc trƣng hình thái học Hình 3.7: Ảnh SEM bề mặt Graphen (A) và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B) Nhận xét: Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) có tính chất điện hóa tăng mạnh so với màng polyme thuần, quá trình trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN) được thực hiện dễ dàng, thuận lợi lên trên bề mặt 1000 1500 2000 2500 3000 c b a Số sóng cm-1 C ư ờ ng đ ộ 1 0 0 ↔ 1 0 0 1454 1335,4 1515 1579 (A) (B) 7 tấm graphen. Tuy nhiên, quy trình chế tạo tấm graphen bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) phức tạp, đòi hỏi thực hiện trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ trên 1000 o C trong môi trường khí hiếm). Phần tiếp theo của luận án chúng tôi thử nghiệm tổng hợp màng nanocomposit P(1,5-DAN) với graphen dạng bột. 3.1.2. Màng nanocomposit poly(1,5-diaminonaphtalen)-graphen 3.1.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa điện hóa a. Tổng hợp điện hóa Theo phương pháp này, thành phần pha tạp (bột graphen) được phân tán trong dung dịch thường được sử dụng để tạo màng điện hóa P(1,5-DAN): HClO4 1M + 1,5-DAN 5mM. Do graphen dạng bột rất khó phân tán nên chúng tôi sử dụng dạng graphen oxit (GO), với hàm lượng 20µg/mL. Màng P(1,5-DAN) thuần cũng được tổng hợp với cùng điều kiện trong dung dịch không có GO để đối chứng. Phổ CV thu được trình bày trên hình 3.8. Hình 3.8: Phổ CV quá trình trùng hợp màng (A) P(1,5-DAN) và (B) P(1,5-DAN)/GO trên điện cực Pt Quan sát hình 3.8 ta thấy trong cả hai trường hợp, không có và có GO, đều thu được phổ CV tổng hợp rất đặc trưng của P(1,5-DAN). Như vậy, có thể nói dưới tác dụng của dòng điện, monome 1,5-DAN bị oxi hóa tạo gốc đồng thời phát triển mạch và lắng đọng trên bề mặt điện cực. Sau mỗi vòng quét, màng P(1,5-DAN) dầy dần lên và sự dịch chuyển pic tại khoảng 0,24V cho thấy sự thay đổi bề mặt của điện cực. Khi so sánh cường độ dòng quá trình tạo màng P(1,5-DAN) thuần và P(1,5-DAN)/GO thì trong trường hợp có GO, cường độ dòng trên phổ CV thu được nhỏ hơn (hình 3.8B). Điều này là do GO với các nhóm -OH và –COOH trên bề mặt đã tương tác với 1,5-DAN bị 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -20 -10 0 10 20 I /  A E / V A 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 I /  A E / V B 8 proton hóa trong môi trường axit hình thành các hạt lơ lửng ngày càng to và lắng xuống. Sự suy giảm nồng độ monome và cấu trúc nano của graphen bị mất đi đã làm hiệu quả quá trình trùng hợp giảm. Như vậy, sự phân tán đơn thuần GO trong dung dịch monome 1,5-DAN là không hiệu quả, khả năng hình thành màng P(1,5-DAN)/GO là ít có khả năng xảy ra. b. Nghiên cứu đặc trƣng Đặc trưng điện hóa Đặc trưng phổ Raman 1000 1500 2000 2500 0 1000 2000 3000 4000 5000 C ö ô øn g ñ o ä Soá soùng (cm -1 ) 1348 1594A Hình 3.10: Phổ Raman của GO (A) và màng nanocomposit P(1,5- DAN)/GO (B)tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa điện hóa Ta thấy phổ Raman trên hình 3.10A chính là phổ đặc trưng của GO, với các đỉnh D tại 1348 và đỉnh G tại 1594cm -1 , tương ứng với vị trí sp 2 của cấu trúc cacbon như các tài liệu đã công bố [131]. Trên hình 3.10B chỉ quan sát thấy các đỉnh đặc trưng của polyme P(1,5- DAN) mà không thấy đỉnh đặc trưng của graphen oxit. Đặc trưng hình thái học Hình 3.11: Ảnh FE-SEM của graphen oxit (A), P(1,5-DAN) (B), composit P(1,5-DAN)/GO tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa điện hóa (C) 1000 1500 2000 2500 In te n s it y Wave number, cm-1 1579 1335 1454.5 1515.6 C ư ờ n g đ ộ Số sóng cm-1 B (A) (B) (C) 9 Trên hình 3.11C. ta hầu như không quan sát thấy sự có mặt của graphen pha tạp trong màng P(1,5-DAN), chỉ xuất hiện ít đốm trắng nhỏ rất thưa thớt của graphen oxit chứng tỏ việc tổng hợp màng composit không thành công. Tiếp theo, chúng tôi thử nghiệm tổng hợp màng lai P(1,5-DAN) và graphen bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ, nghĩa là thực hiện đồng thời hai quá trình: vừa khử graphen oxit, vừa trùng hợp điện hóa polyme dẫn. Khử graphen oxit tức là khử các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt GO. 3.1.2.2. Phƣơng pháp trùng hợp in-situ a. Tổng hợp điện hóa Điện cực Pt phủ lớp hỗn hợp monome 1,5-DAN và GO (tỉ lệ 20μg/mL) được phân cực trong HClO4 0,1M bằng phương pháp CV, tốc độ quét 50mV/s. Đường cong E-I được trình bày trong hình 3.12 và 3.13. Hình 3.12: Phổ CV của điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN và GO trong dung dịch HClO4 0,1M với khoảng thế từ - 0,02V tới +0,95V Hình 3.13: Phổ CV của điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN và GO trong dung dịch HClO4 0,1M với khoảng thế từ - 0,8V tới +0,95V Vòng quét thế đầu tiên trên hình 3.12 cho thấy dòng bắt đầu tăng mạnh từ +0,48V và xuất hiện pic oxi hóa tại +0,6V. Cùng với chu kì quét thế vòng, cường độ pic này giảm mạnh, hai cặp pic oxi hóa khử có cường độ rất yếu và không tăng theo thời gian. Như vậy, tuy ban đầu monome có bị oxi hóa nhưng sau đó không quan sát thấy sự phát triển polyme, lí do có thể do sự có mặt của GO dẫn điện kém đã ngăn cách sự tiếp xúc giữa các phân tử monome với nhau. Để khắc phục điều này cần khử GO bằng phương pháp điện hóa. Phân cực điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN/GO từ thế cân bằng về -0,8V sau đó oxi hóa tới +0,95V, tốc độ quét thế vẫn giữ nguyên 50mV/s. Phổ CV thu được trình bày trên hình 3.13. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -10 -5 0 5 10 15 20 I /  A E / V -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 -15 -10 -5 0 5 10 15 I /  A E / V 10 Tương tự hình 3.12, hình 3.13 cũng thể hiện pic oxi hóa của monome xuất hiện tại +0,6V ở vòng quét thế đầu tiên và cường độ giảm mạnh ở những chu kì sau. Tuy nhiên, trong trường hợp này, từ vòng quét thế thứ 2 xuất hiện rõ nét 2 cặp pic oxi hóa-khử của polyme có cường độ tăng mạnh theo chu kì quét thế. Ngoài ra, còn quan sát thấy pic khử tại -0,48V liên quan đến quá trình khử GO, cường độ của pic này giảm dần theo số vòng quét. Như vậy, nếu tiến hành quét thế trong khoảng rộng hơn giữa -0,8V và +0,95V, GO bị khử đã tăng độ dẫn điện của màng và tạo điều kiện để quá trình trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN) diễn ra thuận lợi. b. Nghiên cứu đặc trƣng Đặc trưng điện hóa Hình 3.14: Đường CV trong đệm axetat 0,1M của điện cực Pt/P(1,5- DAN)/RGO khi:chưa trùng hợp (a); trùng hợp với Ei = -0,02V (b) và trùng hợp với Ei = -0,8V (c) Như vậy việc tiến hành đồng thời khử GO với quá trình trùng hợp điện hóa 1,5-DAN cho phép phát triển màng composit P(1,5- DAN)/RGO có hoạt tính điện hóa tốt. Đặc trưng phổ IR Các kết quả cho thấy phổ IR của màng composit thể hiện chủ yếu các đỉnh hấp thụ đặc trưng của P(1,5-DAN): vân phổ rộng và có cường độ trung bình tại 3434 cm -1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết N-H của nhóm amin; đỉnh hấp thụ yếu tại 1574,4 cm -1 đặc trưng cho dao động C=Car, đỉnh hấp thụ hẹp với cường độ trung bình tại 1403 cm -1 đặc trưng cho dao động khung của nhân naphtalen và đỉnh yếu tại 1141,5 cm -1 quy cho dao động hóa trị C-C trong nhân thơm; đỉnh hấp thụ có cường độ mạnh tại 1115 cm -1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết C-H trên mặt phẳng. -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -10 -5 0 5 10 c b I /  A E / V a 11 Hình 3.15: Phổ FT- IR của GO và màng nanocomposit P(1,5- DAN)/RGO tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ Trên phổ IR của màng composit không quan sát thấy các đỉnh hấp thụ tại 3443 cm -1 đặc trưng cho liên kết O-H (vân phổ hẹp với cường độ mạnh trên phổ của GO) và tại 1052 cm -1 đặc trưng cho liên kết COH/COC (nhóm chức epoxi) của GO, điều này chứng tỏ các nhóm chức này đã bị khử (GO bị khử về RGO). Đặc trưng phổ Raman Hình 3.16: Phổ Raman của GO, P(1,5-DAN) và P(1,5-DAN)/RGO Phổ Raman thu được trên màng composit P(1,5-DAN)/RGO thể hiện rõ rệt cấu trúc hóa học của cả 2 thành phần: graphen và P(1,5- DAN). Các đỉnh đặc trưng của P(1,5-DAN) quan sát thấy tại 1327cm - 3500 3000 2500 2000 1500 1000 1 5 7 4 .4 1 0 5 2 1 1 4 1 .5 1 0 8 7 1 1 1 5 1 4 0 1 1 4 0 3 1 6 3 5 .5 1 6 3 1 .5 3 4 3 4 3 4 4 3 P(1,5-DAN)/RGO T ra n s m it a n c e ( % ) Wavenumber (cm-1) GO Số sóng cm-1 Đ ộ t ru y ền q u a (% ) 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Sè sãng (cm -1 ) 1 5 8 2 1 5 2 6 1 4 5 1 1 3 5 9 1 3 2 7 1 3 7 7 P(1,5-DAN)/RGO GO C ư ờ n g đ ộ 12 1 (liên kết C-N), 1451 cm -1 và 1526 cm -1 (dao động khung của nhân naphtalen), các đỉnh đặc trưng của graphen quan sát thấy tại 1350 cm - 1 (đỉnh D) và 1594 cm -1 (đỉnh G). Ngoài ra, đỉnh Raman tại 1582 cm -1 tương ứng với sự kết hợp của 2 đỉnh tại 1594cm -1 của graphen (đỉnh G) và tại 1567cm -1 của polyme (dao động khung naphtalen). Các kết quả này chứng tỏ composit P(1,5-DAN)/RGO bao gồm hai thành phần là poly(1,5-diaminonaphtalen) và graphen đã được tổng hợp thành công trên điện cực Pt. Đặc trưng hình thái học Hình 3.17: Ảnh FE-SEM của composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ Trên hình 3.17, ta có thể quan sát một cách rõ ràng cấu trúc tổ hợp của hai thành phần: P(1,5-DAN) và các tấm graphen phân tán trong màng composit P(1,5-DAN)/RGO. Nhận xét: Từ các kết quả trên, chúng tôi chọn màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) và màng nanocomposit tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ P(1,5-DAN)/RGO để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo. 3.1.3. Khảo sát tính nhạy cation kim loại Pb 2+ 3.1.3.1. Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) Đường hồi đáp SWASV trên điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) thể hiện đỉnh hòa tan chì rất rõ nét tại -0,54 V (đường b). Trong điều kiện nồng độ chì thấp (0,1nmol/L), màng P(1,5-DAN) thuần không có tín hiệu. Như vậy màng graphen có tác dụng tăng hoạt tính điện hoá cho màng P(1,5-DAN) và tăng độ nhạy trong phép xác định chì(II). 13 Hình 3.19: Đường SWASV của điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) trong dung dịch đệm axetat 0,1M không có (đường a) và có (đường b) Pb(II) 0,1nmol/L; trên điện cực đối chứng Pt/P(1,5-DAN) (đường c) 3.1.3.2. Màng composit P(1,5-DAN)/RGO -1.0 -0.5 0.0 0.5 0 4 8 12 16 20 I(  A ) E(V) a b a Hình 3.20: Đường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch đệm axetat 0,1M không có (đường a) và có Pb(II) 1nmol/L (đường b) Hình 3.20 trình bày kết quả đo SWASV trong dung dịch đệm axetat 0,1M không có và có Pb(II) nồng độ 1nmol/L, điều kiện làm giàu: Eđp = -1,0V, tđp = 240 giây. Điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO cũng thể hiện đỉnh hòa tan chì rất rõ nét tại -0,52 V (đường b). -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0 20 40 60 80 b c I,  A E, V a 14 Nhận xét: Cả hai màng lai P(1,5-DAN)-graphen, dạng màng tổ hợp và dạng màng nanocomposit, đều có độ nhạy với ion Pb(II) tốt hơn nhiều so với màng P(1,5-DAN) thuần. Điều này có thể giải thích do graphen có tác dụng gia tăng quá trình chuyển hóa điện tử trong màng polyme, hoạt tính điện hóa tăng và độ nhạy tăng. Trường hợp màng tổ hợp đa lớp tuy cho tín hiệu dòng đỉnh hòa tan (Ip) tốt, nhưng màng graphen chế tạo bằng phương pháp CVD kém bám dính lên bề mặt Pt, nhất là trong điều kiện làm giàu, áp thế Eđp = -1V trong thời gian khá lâu, màng Gr dễ bong dẫn đến kết quả phân tích chì không ổn định. Do đó màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.1.4. Tối ƣu hóa quá trình xác định chì và xây dựng đƣờng chuẩn 3.1.4.1. Khảo sát hàm lƣợng graphen pha tạp Hình 3.21: Đường SWASV trong dung dịch Pb(II) 10µM của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO với tỷ lệ GO khác nhau: a) 20; b) 40; c) 60µg/mL Kết quả cho thấy trong 3 tỉ lệ graphen oxit nghiên cứu, tỉ lệ 40 μg/mL là thích hợp nhất. Khi lượng graphen oxit càng nhiều, lượng graphen oxit khử pha tạp (doping) vào màng polyme càng lớn, làm gia tăng diện tích bề mặt riêng và khả năng truyền điện tử, do vậy tăng tín hiệu nhận biết ion Pb(II). Tuy nhiên, nếu graphen oxit quá nhiều, 60 μg/mL, có thể GO không được khử hết toàn bộ, phần GO còn lại do dẫn điện kém sẽ cản trở sự tiếp xúc giữa các phân tử monome, cản trở quá trình polyme hóa P(1,5-DAN), dẫn đến giảm hoạt tính điện của màng nanocomposit, tín hiệu phân tích chì giảm mạnh. -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 b c I,  A E, V a 15 3.1.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của điều kiện làm giàu Hình 3.22: Đường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch Pb(II) 1μM với tđp khác nhau Kết quả cho thấy, tđp càng tăng thì lượng kim loại cần phân tích sẽ tích lũy được càng nhiều trên bề mặt điện cực, dẫn đến dòng hòa tan sẽ có cường độ lớn hơn. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng màng, thời gian làm giàu tối ưu là 240 giây được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.1.4.3. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định Pb(II) Các đường SWASV thu được khi thay đổi nồng độ Pb(II) của màng P(1,5-DAN)/RGO và màng P(1,5-DAN) được trình bày trên hình 3.25 và hình 3.24. Hình 3.24: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN) trong dung dịch chứa chì với các nồng độ khác nhau Hình 3.25: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch chứa chì với các nồng độ khác nhau -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 10 20 30 40 I(  A ) E(V) 60 giây 120 giây 180 giây 240 giây 300 giây -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 1200 g L -1 900 g L -1 700 g L -1 500 g L -1 400 g L -1 350 g L -1 300 g L -1 250 g L -1 200 g L -1 I /  A E / V -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 20 40 60 80 100 120 140 I /  A E / V 1000 g L -1 700 g L -1 500 g L -1 400 g L -1 300 g L -1 200 g L -1 100 g L -1 30 g L -1 0.2 g L -1 16 Từ các kết quả thu được, ta xác định giá trị dòng đỉnh hòa tan Ip và thiết lập đồ thị phụ thuộc của Ip vào nồng độ Pb(II) trong dung dịch. Điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO cho tín hiệu Ip tăng tuyến tính theo chiều tăng của nồng độ Pb(II) trong khoảng từ 0,2μg/L đến 700μg/L và giới hạn nhận biết là 200ng/L. Trong khi đó, khoảng tuyến tính của điện cực Pt/P(1,5-DAN) thuần dịch chuyển về phía nồng độ cao hơn và giới hạn nhận biết là 200μg/L. Sự khác biệt lớn trong giới hạn nhận biết và độ nhạy của hai loại điện cực này là do sự gia tăng diện tích bề mặt bởi sự có mặt của RGO. Từ kết quả thu được, ta vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ giữa nồng độ Pb(II) với chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb. Kết quả trên hình 3.26. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Pt/P(1,5-DAN)/RGO Pt/P(1,5-DAN) Y = 0.0593*X - 4.498 R 2 = 0.9911 Y = 0.173*X + 0.560 R 2 = 0.9923 [Pb 2+ ], g/L I /  A Hình 3.26: Sự phụ thuộc của tín hiệu Ip vào nồng độ Pb(II) Nếu tăng tđp lên 480 giây có thể thu được tín hiệu nhận biết ion Pb(II) ở nồng độ 20ng/L (hình 3.27). Hình 3.27: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch chứa Pb(II) nồng độ 20 ng/L -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 10 20 I(  A ) E(V) 17 3.1.4.4. Ảnh hƣởng nhiễu của các ion khác 3.1.4.5. Ứng dụng phát hiện chì trong mẫu nƣớc sinh hoạt 3.1.5. Nghiên cứu ứng dụng làm cảm biến enzym 3.2. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai polyanilin- graphen 3.2.1. Tổng hợp màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 I(  A ) E(V) A -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -400 -200 0 200 400 600 I(  A ) E(V) B Hình 3.32: Phổ CV tổng hợp màng PANi trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B) Đây là phổ tổng hợp đặc trưng của PANi [136], xuất hiện 3 cặp oxi hóa khử tại điện thế +0,15V/+0,01V; +0,43V/+0,39V; +0,75V/+0,67V với cường độ dòng điện tăng liên tục theo chiều tăng của các chu kì quét thế, chứng tỏ sự phát triển của màng PANi dẫn điện trên bề mặt điện cực làm việc. Trường hợp trùng hợp trên lớp graphen, phổ CV tổng hợp màng PANi có cường độ dòng lớn hơn, chứng tỏ quá trình trùng hợp diễn ra mạnh mẽ hơn. Nhận thấy vị trí xuất hiện các đỉnh oxi hóa và khử trong 2 trường hợp đế Pt và đế Pt/Gr không thay đổi nhưng tín hiệu điện hóa tức cường độ dòng I tăng cao hơn (khoảng 6 lần). Điều này được giải thích do tính dẫn tốt của graphen đã làm tăng tín hiệu điện hóa hay tăng độ dẫn điện của màng polyme. 3.2.2. Nghiên cứu đặc trƣng màng Gr/PANi a. Đặc trưng điện hóa Đường CV thu được có dạng đặc trưng của PANi đã được công bố trong các tài liệu [135, 136]. Màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi có hoạt tính điện hóa tốt hơn so với PANi thuần (dòng oxi hóa khử lớn hơn gần 5 lần). 18 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 I/  A E/V A -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 I(  A ) E(V) B Hình 3.33: Đường CV ghi trong dung dịch HCl 0,1M của các điện cực: Pt/PANi (A) và Pt/Gr/PANi (B) b. Đặc trưng phổ IR c. Đặc trưng phổ tán xạ Raman 1000 1500 2000 2500 3000 Soá soùng (cm -1 ) Gr/PANi PANi1237 1180 1338 1405 1597 1612 1507 C ö ô øn g ñ o ä 1 0 0 Hình 3.37: Phổ Raman của màng PANi và Gr/PANi Phổ Raman của Gr/PANi xác nhận sự xuất hiện của cả hai thành phần trong màng. Trong trường hợp trước đây, các dải phổ có liên quan đến bipolaron và benzoid bị thay đổi mạnh. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi này đã được quan sát thấy: dải phổ nằm ở 1507cm -1 (dao động của liên kết N-H) đã bị phá hủy, và dải phổ nằm ở vị trí 1612cm -1 (dao động của liên kết C-C của cấu trúc benzoid) đã dịch 19 sang vị trí 1597cm -1 . Những kết quả này chứng minh rõ ràng sự gia tăng nồng độ của các vòng benzoid; hay là các liên kết hóa học giữa PANi và Gr xảy ra. Người ta tin rằng những liên kết là liên kết π-π giữa các vòng dạng quinoid của PANi và Gr. Các liên kết như vậy có thể tạo điều kiện truyền điện tử giữa Gr và PANi; do đó tăng cường khả năng truyền dẫn điện tử trong hệ vật liệu composit Gr/PANi. d. Đặc trưng hình thái học 3.2.3. Ứng dụng xác định thuốc trừ sâu 3.2.3.1. Khảo sát phản ứng enzym – cơ chất bằng phƣơng pháp CV Hình 3.39: Đường CV ghi trên điện cực Pt/Gr/PANi/AChE trong dung dịch PBS 0,01M khi không có (a) và có (b) cơ chất ATCh 50µM Khi cho cơ chất axetylthiocholin vào thì dưới tác dụng xúc tác của enzym AChE, cơ chất ATCh bị thủy phân trên bề mặt điện cực theo phương trình: 2 + - Axetylthiocholin + H O Thiocholin +Axit axetic Thiocholin Dithio-bis- cholin + 2H + 2e AChE  Phản ứng thủy phân ATCh sinh ra các điện tử và proton nên tính chất điện hóa trên bề mặt cảm biến thay đổi, tín hiệu hoạt động điện hóa tăng lên. Từ hình 3.39, nhận thấy tín hiệu điện hóa tăng cao nhất tại vị trí +0,3V, vì vậy, điện áp E = +0,3V được chọn để thực hiện phép đo đáp ứng dòng, đây cũng là giá trị thường được sử dụng theo các tài liệu tham khảo [127]. -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 I(  A ) E(V) a b 20 3.2.3.2. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định thuốc trừ sâu methamidophos a. Thử nghiệm hoạt tính của enzym cố định trên điện cực b. Xác định điểm hoạt động tối ưu của cảm biến Việc xác định dư lượng methamidophos sử dụng cảm biến enzym là dựa trên sự ức chế của methamidophos tới hoạt tính của enzym đó. Hoạt độ của enzym càng mạnh thì càng thuận tiện cho việc theo dõi độ giảm của hoạt độ này khi có mặt methamidophos. Do đó, việc xác định nồng độ cơ chất bão hòa, nồng độ của cơ chất mà tại đó tín hiệu thu nhận giữ giá trị không đổi và màng enzym đã phản ứng hoàn toàn với cơ chất, đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động của các cảm biến enzym. Vì vậy cần tiến hành xây dựng đường chuẩn cơ chất của cảm biến trước khi tiến hành các phép đo ức chế enzym. Hình 3.42: Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu đáp ứng ra vào nồng độ cơ chất ATCh Đáp ứng dòng điện đối với điện áp +0,3V được ghi nhận với nồng độ cơ chất tăng từ 2 tới 900µM. Dựa vào kết quả thu được, ta thấy khi cơ chất đạt nồng độ trong khoảng 900µM thì tín hiệu thu được đạt giá trị bão hòa và đáp ứng ra là không đổi. Vùng hoạt động tối ưu của cảm biến được xác định là nằm trong khoảng 50 – 100µM. c. Thử nghiệm sự ức chế của methamidophos lên enzym CATCh (µM) Δ I (n A ) 21 Enzym AChE khi tiếp xúc với phân tử thuốc trừ sâu, hoạt động của enzym AChE sẽ bị ức chế khiến nó sản sinh ra ít proton hơn so với bình thường. Dựa vào nguyên tắc này, cảm biến sinh học điện hóa định lượng thuốc trừ sâu đã và đang được tập trung nghiên cứu và phát triển. Kết quả được trình bày trên hình 3.43. Hình 3.43: Đường đáp ứng dòng của điện cực Pt/Gr/PANi/AChE khi thêm cơ chất ATCh 50µM và methamidophos 20ppm d. Xây dựng đường chuẩn xác