Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa dựa trên cơ sở vật liệu nano cácbon thử nghiệm, ứng dụng trong y sinh và môi trường

LỜI CẢM ƠN Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Trần Đại Lâm, TS Nguyễn Văn Chúc TS Nguyễn Văn Hải, người hướng dẫn khoa học tận tình bảo tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Th.S NCS Nguyễn Hải BìnhPhịng Vật liệu Nano Y Sinh – Viện Khoa học vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam; TS Ngô Thị Thanh Tâm, Th.s Nguyễn Văn Tú - Phòng Vật liệu Nano Cácbon – Viện Khoa học vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam; cán Phòng Vật liệu Nano Y Sinh, Phòng Vật liệu Nano Cácbon – Viện Khoa học vật liệu- Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện, hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn thầy Bộ mơn Hóa Vơ - Khoa Hóa học – Đại học Sư Phạm Hà Nội, cấp lãnh đạo trường Đại học Hồng Đức, Khoa Khoa học Tự Nhiên trường Đại học Hồng Đức, gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian học tập thực luận văn Luận văn thực với hỗ trợ tài thiết bị đề tài nghiên cứu khoa học: Đề tài phịng thí nghiệm trọng điểm- Viện Khoa học vật Liệu, (mã số HTTĐ 01.12); Đề tài hỗ trợ Viện KHVL; Đề tài nghiên cứu Nafosted, (mã số 103.99 – 2012.15); Đề tài Nghị định thư Việt Nam – Nhật Bản (08/2011/ HĐ – NĐT Hà Nội, tháng 11 năm 2012 Lê Hữu Đoàn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… MỤC LỤC………………………………………………………………………3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………………….8 MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….11 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN…………………………………………… .13 I.1 VẬT LIỆU GRAPHEN…………………………………… …………… 13 I.1.1 Giới thiệu vật liệu graphen…………………………………… 13 I.1.2 Lịch sử phát triển graphen………………… ……………… 14 I.1.3 Các tính chất đặc biệt graphen…………………………….….16 I.1.4 Phương pháp tổng hợp graphen……………………………… ….17 I.1.5 Ứng dụng graphen cảm biến sinh học………… ………24 I.2 CẢM BIẾN SINH HỌC………………………………………… ……… 24 I.2.1 Giới thiệu cảm biến sinh học………………………………… 24 I.2.2 Cấu tạo cảm biến sinh học……………….……………………25 I.2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học…………….……… 27 I.2.4 Cảm biến theo nguyên lý điện hóa……………………… ………28 I.2.5 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học………………….……… 29 I.2.6 Một số ứng dụng cảm biến sinh học…………………… ……30 I.3 POLYME DẪN ĐIỆN……………………………………………….…….31 I.3.1 Giới thiệu polyme dẫn điện…………………………………….31 I.3.2 Cơ chế dẫn điện polyme dẫn…………………………… … 32 I.3.3 Một số ứng dụng polyme dẫn cảm biến sinh học………33 I.3.4 Phương pháp điện hóa tổng hợp polyme dẫn……………… …….34 I.3.5 Cơ chế dẫn polyanilin…………………………………………34 I.3.6 Tổng hợp PANi……………………………………………………35 I.4 HẠT NANO OXIT SẮT TỪ (Fe3O4)……………………………… ……36 I.4.1 Cấu trúc tính chất hạt nano Fe3O4……… ……………….36 I.4.2 Ứng dụng hạt Fe3O4 cảm biến sinh học……… ……….38 I.5 ENZYM…………………………………………………………… …… 38 I.5.1 Giới thiệu enzym…………………………………… ……… 38 I.5.2 Tính đặc hiệu enzym………………………………… …… 38 I.5.3 Enzym cholesterol oxidase……………………………….……….39 I.6 BỆNH VỀ MỠ MÁU VÀ CHOLESTEROL………………… …………40 I.6.1 Bệnh mỡ máu……………………………………………….…… 40 I.6.1.1 Sơ lược bệnh mỡ máu………………………………….…….40 I.6.1.2 Liên hệ mỡ máu với bệnh tim mạch…………… ……… 41 I.6.2 Cholesterol thể……………………………….………… 42 I.6.2.1 Giới thiệu chung cholesterol thể………… ……….42 I.6.2.2 Cách thức tổng hợp tính chất cholesterol……………… 43 I.7 THUỐC DIỆT CỎ ATRAZIN…………………………………………… 46 I.7.1 Giới thiệu chung atrazin……………………………….……….46 I.7.2 Cảm biến miễn dịch……………………………………………….47 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU…… ………………………………………………………………………………….48 II.1 THỰC NGHIỆM………………………………………………………….48 II.1.1 Điện cực điện hóa…………………………………… ………….48 II.1.2 Chế tạo màng graphen theo phương pháp CVD…………….……48 II.1.3 Hạt nano Fe3O4 bọc copolyme…………………… ……54 II.1.4 Trùng hợp điện hóa màng PANi PANi - Fe3O4…….…………54 II.1.5 Bóc tách gắn màng graphene lên bề mặt điện cực Pt…… ….55 II.1.6 Cố định enzym cholesterol lên bề mặt graphene điện cực Pt/Gr/PANi - Fe3O4…………………………………………………………….56 II.1.7 Cố định Anti – atrazin lên bề mặt vi điện cực Pt/PANi - Fe3O4 Pt/Gr/PANi - Fe3O4………………………………………………………….…59 II.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………………………………… 60 II.2.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)…………… ……60 II.2.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR)………… …… 61 II.2.3 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)………………………… … 63 II.2.4 Các phương pháp nghiên cứu điện hóa…………………… ……64 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………… ……… 67 III.1 PHÂN TÍCH HÌNH THÁI HỌC VÀ CẤU TRÚC CỦA LỚP MÀNG GRAPHEN TRÊN ĐẾ ĐỒNG…………………………………………… … 67 III.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ CVD………………………….……… 67 III.1.2 Ảnh hưởng thời gian CVD………………… …………… 69 III.2 PHÂN TÍCH HÌNH THÁI HỌC MÀNG GRAPHEN, PANi, PANi-Fe3O4 TRÊN ĐIỆN CỰC Pt………………………………………………………… 72 III.3 PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA MÀNG PANi, PANi-Fe3O4 VÀ Gr/PANi-Fe3O4……………………… ……………………………………….74 III.3.1 Phổ FT-IR màng PANi PANi-Fe3O4…………… …… 74 III.3.2 Phổ Raman màng Gr/PANi-Fe3O4………………………… 75 III.4 TRÙNG HỢP ĐIỆN HÓA MÀNG POLYME……………………… …76 III.5 ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ CHOLESTEROL……………………… 79 III.5.1 Cơ chế phản ứng phép đo………………………… ………79 III.5.2 Đặc tuyến đáp ứng dòng đường chuẩn……………………….79 III.6.ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH DƯ LƯỢNG ATRAZIN……………… … 81 III.6.1 Cơ chế phép đo dư lượng atrazin……………………………82 III.6.2 Xác định dư lượng atrazin phương pháp SWV……………84 KẾT LUẬN……………………………………………………………………85 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO………………………………………87 CÁC CÔNG BỐ……………………………………………………………….87 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….88 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT RE Điện cực so sánh WE Điện cực làm việc CE Điện cực đối CV Vôn – Ampe Vịng / Vơn – Ampe tuần hồn Ani Anilin PANi Polyanilin ChOx Cholesterol Oxidase SEM Kính hiển vi điện tử quét FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier PBS Phosphate Bufer Saline SWV Squave – Wave Voltametry p (AA-S) Copolyme ( axit acrylic-stirene) PMMA Polymethyl metacrylate MWCNT -c Ống nano cácbon đa vách có nhóm COOH Gr Graphen Glu Glutaraldehit ATZ Atrazin  - ATZ Anti - Atrazin DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG I Hình 1.1 Cấu trúc gaphen, than chì, ống nano cácbon, fulleren… … 13 Hình 1.2 Phương pháp bóc tách học……………………………………… 18 Hình 1.3 Cấu trúc Silicon carbide (SiC)…………………………… ……… 19 Hình 1.4 Sơ đồ mơ tả q trình tách hóa học………………………….………20 Hình 1.5 Mơ hình mơ tả q trình mở ống nano cácbon…………………… 21 Hình 1.6 Quá trình phân tán graphite………………… ……………….…….22 Hình 1.7 Mơ hình mơ tả q trình lắng đọng pha hóa……… …….…….23 Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo chung cảm biến sinh học…………… …….25 Hình 1.9 Sơ đồ hệ cảm biến điện hóa…………………………………….28 Hình 1.10 Cấu trúc số polyme dẫn điện quan trọng………………………32 Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát tạo thành polyanilin…………… …….……….35 Hình 1.12 Cấu trúc Fe3O4 37 Hình 1.13 Cholesterol Oxidase (ChOx)………………… ………………… 39 Hình 1.14 Cấu trúc hóa học phân tử cholesterol…………………… …… 43 Hình 1.15 Cấu trúc hóa học phân tử atrazin…………………………… …….46 CHƯƠNG II Hình 2.1 Vi điện cực Pt tích hợp phiến Si/SiO2…………………… …….48 Hình 2.2 Hệ lị CVD nhiệt…………………………………………………….49 Hình 2.3 Sơ đồ trình tiến hành CVD nhiệt……………………………… 51 Hình 2.4 Cơ chế hình thành graphen tape Cu……………………… ….52 Hình 2.5 Hệ điện hóa đa năng…………………………………………… ….55 Hình 2.6 Sơ đồ trình tách màng graphen chuyển lên điện cực……… 56 Hình 2.7 Phương pháp liên kết chéo (cross-linking)……………………… … 58 Hình 2.8 Sơ đồ hoạt động kính hiển vi điện tử qt (SEM)………………60 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy quang phổ hồng ngoại 61 Hình 2.10 Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR 6300 62 Hình 2.11 Sơ đồ chế làm việc kính hiển vi lực nguyên tử……….…….63 Hình 2.12 Phương pháp quét tuyến tính đa chu kỳ 64 Hình 2.13 Sự liên hệ điện dịng điện phương pháp CV…….65 Hình 2.14 Quan hệ phụ thuộc E – t phương pháp SWV……….… … 66 CHƯƠNG III Hình 3.1 Ảnh SEM màng graphen đế Cu nhiệt độ CVD (a) 8000C, (b) 8500C, (c) 9000C, (d) 9500C, (e) 10000C 67 Hình 3.2 Ảnh phổ Raman graphen CVD 9500C 10000C 68 Hình 3.3 Ảnh SEM màng graphen đế Cu 10000C với thời gian CVD phút (a), 15 phút (b), 30 phút (c)và 45 phút (d)với nguồn khí CH4 70 Hình 3.4 Kết ảnh AFM mẫu Gr đế Si…………….………….… 71 Hình 3.5 Ảnh FE-SEM màng graphen sau gắn lên điện cực Pt 72 Hình 3.6 Ảnh FE-SEM điện cực có phủ PANi(a) điện cực phủ PANiFe3O4(b)………………………………………………………………….…… 73 Hình 3.7 Phổ FT-IR PANi PANi-Fe3O4…… …………………………74 Hình 3.8 Phổ Raman màng Gr/PANi-Fe3O4………… ………………….75 Hình 3.9(a) Phổ trùng hợp điện hóa màng PANi(a)…… ………… ….…… 77 Hình 3.9(b) Phổ trùng hợp điện hóa màng PANi-Fe3O4(b)… ………….…… 77 Hình 3.9(c) Phổ trùng hợp màng PANi-Fe3O4 Pt/Gr (c)…………… ……77 Hình 3.10 Phản ứng oxy hóa cholesterol bề mặt điện cực Pt/Gr/PANiFe3O4 /ChOx…………………………………………… …………………… 79 Hình 3.11 Đặc tuyến đáp ứng dòng theo thời gian cảm biến Cholesterol thêm liên tiếp nồng độ Cholesterol khác vào PBS 0,05M E= + 0,7V……………………………………………………………….… 80 Hình 3.12 Cơ chế phép đo dư lượng atrazin………………… ………………82 Hình 3.13 Phổ CV màng compozít trước sau gắn Anti-ATZ… 84 Hình 3.14 Xác định hàm lượng atrazin phương pháp SWV sử dụng với vi điện cực Pt/PANi - Fe3O4 Pt/Gr/PANi-Fe3O4……… …………….……… 85 Hình3.15.Dạng đường chuẩn cảm biến Pt/Gr/PANi-Fe3O4/GluAntiATZ………………………………………………………… ……………… 85 10 MỞ ĐẦU Năm 2004 với việc tách thành công graphen từ bột graphit, đến năm 2010 giải thưởng Nobel vật lý trao cho hai nhà khoa học Konstantin S Novoselov Andre K Geim thuộc trường đại học Manchester nước Anh với cơng trình tách đơn lớp graphen mô tả đặc trưng chúng [40] Sự kiện đánh dấu mốc quan trọng phát triển khoa học vật liệu Đây vật liệu mới, có tính chất học vật lý đặc biệt tính dẫn điện = 10-6  cm (với điện trở suất nhỏ Cu đến 35%), dẫn nhiệt = 5300 Wm-1K-1 (gấp 10 lần Cu), độ bền cao = 42N/m (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ = 0,77 mg/m2, gần suốt (hấp thụ 2,3% ánh sáng truyền qua) [35]…Dạng vật liệu thu hút quan tâm ý nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm nghiên cứu giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhằm tận dụng triệt để ưu việt dạng vật liệu Trong năm gần gia tăng tỷ lệ người mắc bệnh đường máu, tim mạch tăng lượng cholesterol ngày cao chế độ ăn uống khơng hợp lý Bên cạnh gia tăng vấn nạn ô nhiễm môi trường nước, vệ sinh an tồn thực phẩm thói quen sử dụng thuốc bảo vệ thực vật có thuốc diệt cỏ atrazine cách bừa bãi liều lượng nguy lớn ảnh hưởng tới với sức khỏe con người đường tiêu hóa, khả sinh sản nguy mắc bệnh ung thư [3] Vấn đề đặt cần có loại thiết bị cảm biến vừa nhỏ gọn lại vừa có khả phát nhanh xác nồng độ cholesterol hay dư lượng antrazin dung dịch để đo xác rút ngắn thời gian phân tích 11 Dựa chế để xây dựng giải thích kết phép đo dư lượng ATZ phương pháp SWV I.6.2 Xác định dư lượng atrazin phương pháp SWV - Tính chất màng compozit trước sau gắn Anti - Atrazin Chúng sử dụng phương pháp Vol – Ampe vòng (CV), để đánh giá khả hoạt động điện hóa màng PANi-Fe3O4, màng PANi-Fe3O4/Glu, màng PANi-Fe3O4/Glu Anti-ATZ, giải thích thay đổi tín hiệu điện hóa phổ CV từ đưa khẳng định, giải thích tính chất, cấu trúc màng compozit trước sau có thêm tác nhân gluxetandehit liên kết Anti-ATZ đưa vào Tính chất màng compozít trước sau gắn Anti-ATZ khảo sát phương pháp Vol-Ampe vòng Phương pháp cho phép ta quan sát thay đổi cấu trúc tính chất điện hóa màng q trình hoạt động, từ ta xác định khả làm việc cảm biến điện hóa [3] 300 200 (1) PANi-Fe3O4 film (1) (2) PANi-Fe3O4 \Glu (3) PANi-Fe3O4 \Glu Anti-ATZ (2) I /A 100 (3) -100 -200 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 E /V vs Ag/AgCl Hình 3.13 Phổ CV màng compozít trước sau gắn Anti-ATZ 83 Từ hình 3.13, ta thấy suy giảm tín hiệu điện hóa (tương ứng khả hoạt động điện hóa) màng sau ủ glutaraldehit sau gắn Anti-ATZ Điều giải thích tính chất khơng hoạt động điện hóa glutaraldehyde Anti-ATZ Khi gắn Glutaraldehit lên màng compozít, phân tử glutaraldehit liên kết với PANi-Fe3O4 thơng qua liên kết NHCOO, làm giảm khả chuyển điện tử màng dung dịch đo, bên cạnh đó, phân tử che lấp phần bề mặt màng, làm giảm diện tích bề mặt q trình chuyển điện tử ion màng với dung dịch Điều dẫn đến khả hoạt động điện hóa màng giảm xuống nên tín hiệu điện hóa giảm tương ứng Khi gắn thêm Anti-ATZ, thay đổi màng xảy tương tự, tín hiệu điện hóa tiếp tục giảm Dựa tính chất này, ta áp dụng mơ hình signal-off cho vi cảm biến điện hóa để xác định hàm lượng attrazin dung dịch - Phương pháp SWV mơ hình signal-off xác định hàm lượng ATZ Ứng với thành phần lớp màng compozit khác PANi-Fe3O4; PANiFe3O4 + Glu; PANi-Fe3O4/Glu + Anti-Atrazin cho đường phổ thấp dần tính chất khơng hoạt động điện hóa gluxetandehit Anti – Atrazin Tiếp tục cho nồng độ ATZ vào dung dịch xảy phản ứng kháng nguyên – kháng thể phân tử ATZ bị đầu dị giữ lại, phản ứng khơng sinh điện tử nên tổng trở tiếp tục tăng dẫn đến tín hiệu dòng hay đường phổ tiếp tục giảm xuống Đến mức độ số lượng đầu dò Anti – Atrazin phản ứng hết khơng cịn phản ứng miễn dịch xảy cường độ dịng khơng thay đổi Phổ SWV phép đo nồng độ atrazin dung dịch sử dụng vi điện cực Pt/PANi-Fe3O4 Pt/Gr/PANi-Fe3O4: 84 (a) (b) Hình 3.14 Xác định hàm lượng atrazin phương pháp SWV sử dụng với vi điện cực Pt/PANi-Fe3O4 Pt/Gr/PANi-Fe3O4 Chúng sử dụng phương pháp SWV mơ hình signal-off để ứng dụng cho cảm biến điện hóa nhằm xác định hàm lượng nhỏ ATZ dung dịch Đường chuẩn cảm biến Pt/Gr/PANi-Fe3O4/Glu Anti-ATZ có dạng: Hình 3.15 Dạng đường chuẩn cảm biến Pt/Gr/PANi-Fe3O4/Glu Anti-ATZ 85 Hình 3.14 (a) suy giảm tín hiệu điện hóa từ đường (1) -> (7) cho thấy khả hoạt động tốt cảm biến Ta thấy, đường (4) có giảm rõ so với đường (3); điều cho thấy, với nồng độ phân tử dò Anti-ATZ 10-8 M cố định màng, chúng tơi xác định hàm lượng attrazin nhỏ 10-11M dung dịch Khi tiếp tục tăng nồng độ ATZ, tín hiệu tiếp tục giảm đường (5), (6), (7) Hình 3.14 (b) với việc gắn thêm lớp màng graphen lên cho kết xác định nồng độ Atrazin tốt hơn, peak hẹp đặc trưng khơng có tượng trơi peak PANi-Fe3O4 điều cho thấy độ chọn lọc tốt hơn, tín hiệu bị nhiễu Sự tách biệt peak điện hóa cảm biến trước sau có mặt ATZ (10-11M) rõ ràng, nên có khả phát atrazin mức 10 -11 M mức nhỏ Theo tiêu chuẩn EPA Mỹ [19] dư lượng atrazin tối đa nước 0,003mg/l hay tương đương với 1,39.10 -8M coi an tồn Như cảm biến hồn tồn đáp ứng tiêu chuẩn xác định dư lượng atrazin mức cho phép < 1,39.10-8M Nồng độ atrazin nhỏ phát 10-11M Vì cảm biến có khả ứng dụng để xác định dư lượng thuốc diệt cỏ atrazin nơng nghiệp 86 KẾT LUẬN Sau q trình thực đề tài: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa dựa sở vật liệu nano cácbon thử nghiệm, ứng dụng y sinh môi trường” thu số kết khoa học chế tạo, bóc tách vật liệu graphen ứng dụng loại vật liệu sensor điện hóa đo nồng độ cholesterol dung dịch đo nồng độ atrazin dung dịch Một số kết luận văn : Chế tạo thành công vật liệu graphen đế tape Cu theo phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD), điều khiển độ dày lớp màng graphen đế tape Cu với độ dày nm hay 10 lớp graphen thông qua việc thay đổi nhiệt độ CVD thời gian CVD Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thời gian CVD đến kết màng graphen Điều kiện tốt nhiệt độ 10000C thời gian CVD 30 phút Tách chuyển thành công màng graphen từ đế tape Cu sang sensor điện hóa Tổng hợp điện hóa màng PANi, PANi-Fe3O4 điện cực Pt điện cực Pt/Gr theo phương pháp quét vòng CV Kết cho thấy với điện cực Pt/Gr tổng hợp màng PANi/Fe3O4 cho tín hiệu điện hóa tốt chứng tỏ độ dẫn cao graphen Sử dụng vi điện cực tích hợp Pt/Gr/PANi-Fe3O4/ChOx ứng dụng đo nồng độ cholesterol theo phương pháp đo dòng theo thời gian để xây dựng đường chuẩn với độ nhạy cao 1095,5 µA.mM-1.cm-2 , thời gian đáp ứng ngắn (