Nghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampe

Nghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampeNghiên cứu biến tính điện cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von- ampe

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HỒ XUÂN ANH VŨ

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE OXIDE DẠNG KHỬ

ĐỂ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CHẤT KHÁNG SINH

VÀ KHÁNG VIÊM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ: HÓA PHÂN TÍCH

HUẾ, NĂM 2024

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hải Phong

HUẾ, NĂM 2024

LỜI CAM ĐOAN

Luận án này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế,

dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Hải Phong Tôi xin cam đoan đây là

công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trước đó

Tác giả

Hồ Xuân Anh Vũ

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn hết sức tận tình và đầy nhiệt tâm của

quý Thầy PGS.TS Nguyễn Hải Phong Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

và gia đình Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Đại

học Huế; Phòng Sau đại học; Khoa Hóa học và GS.TS Đinh Quang Khiếu cùng quý thầy

cô giáo giảng dạy lớp nghiên cứu sinh đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế; các bạn đồng nghiệp gần xa đã giúp đỡ, động viên, khích lệ tác giả trong suốt quá trình làm luận án Cuối cùng, tác giả xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân và các người bạn của tác giả, những người đã luôn mong mỏi, động viên và tiếp sức cho tác giả để hoàn thành bản luận án này

Trân trọng!

Thừa Thiên Huế, tháng 04 năm 2024

Hồ Xuân Anh Vũ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

1,4-BQMCPE

1,4-benzoquinone modified

carbon paste electrode

Điện cực carbon nhão biến tính1,4-benzoquinone

3DRGO Three-dimensional reduced

Graphene oxide

Graphene oxide dạng khử ba chiều

AgNPs Silver nanoparticles Vật liệu nano silver

SWCNTs-rGO

Silver nanoparticles dotted single walled carbon nanodicubes-reduced Graphene oxide

Nano silver - ống nano carbon đơn lớp - Graphene oxide dạng khử

AuNPs/BDD Gold nanoparticles on boron

doped diamond

Nano gold/ điện cực kim cương pha tạp boron

AuNPs/CNT Gold nanoparticles/carbon

AuNPs/Cys Gold nanoparticles/L-Cysteine Nano gold g/ L-Cysteine

AuNPs/GO Gold nanoparticles/Graphene

AuNPs/N-G Gold

nanoparticles/Nitrogen-doped Graphene nanosheets

Nano gold / tấm nano Graphene pha tạp Nitrogen

Au-Pt/rGO

Au-Pt nanoclusters decorated on the surface of reduced Graphene oxide

Nano Au-Pt phủ trên Graphene oxide dạng khử

ASV Anodic Stringpping voltammetry Von - ampe hòa tan anodic

CCZME Carbon ceramic electrode

incorporated with zeolite ZSM-5

Điện cực carbon gốm kết hợp zeolite ZSM-5

CD-GrO Graphite oxide and

β-cyclodextrin (CD)

Graphite oxide và cyclodextrin (CD)

β-Co3O4@rGO Cobalt oxide nanocrystals on

reduced Graphene oxide

Nano Cobalt oxide trên Graphene oxide dạng khử Cl-RGO Chlorine-doped reduced

Graphene oxide

Graphene oxide dạng khử pha tạp Chlorine

CFO Ceramic cerium ferrite CeFeO3 Gốm cerium ferrite CeFeO3

CPE Carbon Paste Electrode Điện cực carbon nhão

CSV Cathodic Stringpping

CSM@VSM Cylindrical surfactant micelles @

vertical silica mesochannels

Cylindrical surfactant micelles

@ vertical silica mesochannels

DP-AdASV Differential Pulse - adsorptive

anodic stripping voltammetry

Von - ampe hòa tan anodic hấp phụ xung vi phân

EDS Energy Dispersive Spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng

EIS Electrochemical Impedance

ErGO Reduced Graphene Oxide Graphene oxide dạng khử

FE-SEM Field Emission Scanning

Eelectron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét FT-IR Fourier Transform Infrared

GCE Glassy Carbon Electrode Điện cực than thủy tinh

G Graphite Graphite

HDME The hanging mercury drop

HPLC High Performance Liquid

Chromatography Sắc ký lỏng hiệu năng cao

phương pháp LS-AdCSV Linear sweep - adsorptive

cathodic stripping voltammetry

Von-ampe hòa tan cathodic hấp phụ quét thế tuyến tính

LSV Linear sweep voltammograms Von-ampe quét thế tuyến tính

MDL Method Detection Limit Giới hạn phát hiện của phương

pháp MoS2-IL/GO MoS2 ionic-liquid/Graphene

pABSA/GR p-aminobenzene sulfonic acid

and Graphene

p-aminobenzene sulfonic acid

và Graphene P(EBT) Poly Eriochrome Black T Poly Eriochrome Black T

PGA/TOHS/

MWCNTs

poly-glutamic acid (PGA) film and TiO2 hollow spheres (TOHS), multi-walled carbon nanodicubes

Màng poly-glutamic acid (PGA) và TiO2 cầu rỗng (TOHS), ống nano carbon đa tường

Nano Platinum-nickel oxide và ống nano carbon đa tường

rGO Reduced Graphene oxide Graphene oxide dạng khử

rGO/PdNPs Reduced Graphene oxide/

ethylenedioxythiophene)Graphene oxide dạng khử poly(3,4-

-poly(styrenesulfonate) RSD Relative standard deviation Độ lệch chuẩn tương đối

ethylenedioxythiophene)-Rct Thecharge transfer resistance Điện trở chuyển điện tích Si-Fe/NOMC

Iron-nitrogen co-doped ordered mesoporous carbon-silicon nanocomposite

mesoporous carbon-silicon nanocomposite pha tạp iron-nitrogen

SWV Square wave voltammetry Von-ampe sóng vuông

SW-AdAS Square wave adsorptive anodic

stripping

Von-ampe hòa tan anodic hấp phụ sóng vuông

XPS X-ray photoelectron

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iii

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xvi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 VẬT LIỆU GRAPHENE 5

1.1.1 Graphite oxide, graphene oxide và graphene oxide dạng khử 5

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp graphene oxide dạng khử 8

1.2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN ErGO VÀ ỨNG DỤNG15 1.3 VẬT LIỆU MnO 2 VÀ AgNPs TRÊN NỀN GRAPHENE OXIDE 22

1.3.1 Vật liệu MnO2 22

1.3.2 Vật liệu AgNPs 26

1.3.3 Vật liệu MnO2 vàAgNPs trên nền graphene oxide 28

1.4 CÁC CHẤT KHÁNG SINH VÀ KHÁNG VIÊM 30

1.4.1 Chất kháng sinh 30

1.4.2 Chất kháng viêm Piroxicam 36

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẤT KHÁNG SINH (CHLORAMPHENICOL, TINIDAZOLE, OFLOXACIN) VÀ CHẤT KHÁNG VIÊM PIROXICAM 37

1.5.1 Phương pháp phân tích quang phổ 37

1.5.2 Phương pháp sắc ký 38

1.5.3 Phương pháp điện hóa 39

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 43

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 43

2.2.2 Tổng hợp vật liệu nano composite MnO2/GO và AgNPs/MnO2/GO 43

2.2.3 Quy trình biến tính điện cực Glassy carbon bằng vật liệu MnO2/GO, AgNPs/MnO2/GO để xác định các chất kháng sinh, kháng viêm 46

2.2.4 Các đặc trưng vật liệu tổng hợp biến tính điện cực 48

2.2.5 Phương pháp phân tích điện hóa 49

2.2.6 Phương pháp phân tích sắc ký 53

2.2.7 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu 54

2.2.8 Phương pháp thống kê 56

2.2.9 Hóa chất 58

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

3.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE MnO 2 /GO, AgNPs/MnO 2 /GO, MnO 2 /ErGO VÀ AgNPs/MnO 2 /ErGO 60

3.1.1 Lựa chọn phương pháp khử điện hóa 60

3.1.2 Phổ nhiễu xạ tia X 63

3.1.3 Phổ hồng ngoại 64

3.1.4 Phổ Raman 64

3.1.5 Phổ quang điện tử tia X 65

3.1.6 Phổ SEM-EDS và HR-TEM 67

3.2 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MnO 2 /ErGO BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC GCE XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CHLORAMPHENICOL VÀ TINIDAZOLE 69

3.2.1 Lựa chọn điện cực làm việc 69

3.2.2 Ảnh hưởng của pH 73

3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ quét 77

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích vật liệu MnO2/GO 80

3.2.5 Ảnh hưởng của thế và thời gian làm giàu 80

3.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ quét thế của phương pháp LS-AdCSV 82

3.2.7 Độ lặp lại và độ tái lặp của điện cực biến tính 83

3.2.8 Ảnh hưởng của các chất cản trở 85

3.2.9 Khoảng tuyến tính và giới hạn phát hiện 87

3.2.10 Xác định độ lặp lại của phương pháp LS-AdCSV 91

3.2.11 Áp dụng phân tích đồng thời CAP và TNZ trong mẫu thật 93

3.3 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU AgNPs/MnO 2 /ErGO BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC GCE XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI PIROXICAM VÀ OFLOXACIN 100

3.3.1 Lựa chọn điện cực làm việc 100

3.3.2 Ảnh hưởng của pH 103

3.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ quét thế 104

3.3.4 Ảnh hưởng của thể tích vật liệu biến tính 108

3.3.5 Ảnh hưởng của thế làm giàu, thời gian làm giàu và biên độ xung 108

3.3.6 Ảnh hưởng của một số yếu tố cản trở 112

3.3.7 Độ tái lặp, độ lặp lại và thời gian sống của điện cực biến tính 113

3.3.8 Khoảng tuyến tính và giới hạn phát hiện 116

3.3.9 Phân tích mẫu thực tế 118

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 123

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 PHỤ LỤC a

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 (a) Cấu trúc của graphene, graphene oxide và graphene oxide dạng khử, (b)

Quá trình tổng hợp từ graphite thành graphene oxide dạng khử 5

Hình 1.2 (a) GO được phủ SDBS sau đó được khử hydrazin monohydrate, (b) quá trình

khử GO bằng NaBH4 sau đó xử lý bằng acid và ủ trong Ar/H2 9

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp ErGO bằng phương pháp điện di lắng đọng 11 Hình 1.4 Sơ đồ khử hai bước GO bằng phương pháp von- ampe vòng (0 V đến -1,5 V

Hình 1.7 (a) Sơ đồ minh họa quá trình chuẩn bị PG-1 (PANI/ErGO), (b) Ảnh SEM cắt

ngang của PG-1 (PANI (màu xanh) chỉ được phủ bên ngoài graphene hydrogel (GHG) (màu

xám)) (c) Ảnh SEM của lớp PANI trong PG-1 (d) Ảnh SEM của lớp GHG trong PG-1

18

Hình 1.8 Quy trình tổng hợp ErGO/CeO2/PLA làm sensor phát hiện H2O2 19

Hình 1.9 Quá trình tổng hợp vật liệu α-Fe2O3/ErGO biến tính trên điện cực GCE xác định dopamin 20

Hình 1.10 Quy trình tổng hợp VMSF/ErGO-GCE phát hiện doxorubicin trong máu 21 Hình 1.11 Quy trình tổng hợp Lf-GO-Pue hấp phụ và làm chất mang thuốc vào não để

nghiên cứu điều trị bệnh Parkinson 21

Hình 1.12 Ảnh SEM các dạng thù hình khác nhau của MnO2 23

Hình 1.13 (a) Quá trình tổng hợp α-MnO2 và β-MnO2 dạng nanocacti và nanorods; (b)

α -MnO2 nanocacti ; (c) α -MnO2 nanorods 24

Hình 1.14 Các con đường tổng hợp AgNPs (a) Phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên

(b) Phương pháp tổng hợp vật lý, (c) Phương pháp tổng hợp hóa học (d) Cơ chế tổng hợp

xanh sử dụng nicotinamide adenine (NADH) khử AgNO3 thành AgNPs 27

Hình 1.15 Quy trình tổng hợp và biến tính điện cực MnO2NRs-ErGO để xác định amaranth 29

Hình 1.16 Quy trình tổng hợp MnO2/GO làm chất xúc tác quá trình oxy hóa benzyl alcohol 30

Hình 1.17 Cấu trúc phân tử chloramphenicol 32

Hình 1.18 Cấu trúc phân tử tinidazole 33

Hình 1.19 Cấu trúc phân tử ofloxacin 36

Hình 1.20 Cấu trúc phân tử piroxicam 37

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp graphene oxide theo phương pháp Hummer cải tiến dựa trên đề xuất của Marcano 44

Hình 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu composite MnO2/GO 45

Hình 2.3 Quy trình tổng hợp vật liệu composite AgNPs/MnO2/GO 46

Hình 2.4 Mô tả quá trình xác định đồng thời chloramphenicol (CAP) và tinidazole (TNZ) bằng phương pháp LS-AdCSV dùng điện cực biến tính MnO2/ErGO-GCE 47

Hình 2.5 Mô tả quá trình xác định đồng thời piroxicam (PRX) và ofloxacin (OFX) bằng phương pháp DP-AdASV dùng điện cực biến tính AgNPs/MnO2/ErGO-GCE 48

Hình 2.6 Dạng đường CV điển hình cho quá trình oxy hóa khử thuận nghịch 49

Hình 2.7 Diễn biến thế trên điện cực theo thời gian và dạng đường quét tuyến tính 51

Hình 2.8 (a) Sự biến thiên thế theo thời gian và (b) đường von-ampe hoà tan trong phương pháp DP 52

Hình 2.9 Quy trình xử lý mẫu thuốc viên nang và viên nén 54

Hình 2.10 Quy trình xử lý mẫu mật ong 56

Hình 3.1 (a) Đường tín hiệu khử vật liệu MnO2 /GO bằng von – ampe vòng (CV), (b) Đường tín hiệu khử vật liệu bằng dòng – thời gian (i-t) 60

Hình 3.2 (a) Đồ thị Nyquist trong khoảng tần số từ 100 kHz đến 10 mHz của các điện cực, và (b) Các đường CV tại tốc độ quét thế 0,1 V/s 61 Hình 3.3 (a) Phổ XRD của GO, MnO2, MnO2/GO và MnO2/ErGO, 63

Hình 3.4 (a) Phổ FT-IR của GO, MnO2, MnO2/GO và MnO2/ErGO, (b) Phổ FT-IR của

GO, AgNPs/MnO2/GO và AgNPs/MnO2/ErGO 64

Hình 3.5 (a) Phổ Raman của MnO2, MnO2/GO và MnO2/ErGO, (b) Phổ Raman của

AgNPs/MnO2/GO và AgNPs/MnO2/ErGO 65

Hình 3.6 (a) Phổ XPS của MnO2 /ErGO, (b) C1s, (c) O1s và (d) Mn 2p 66 Hình 3.7 (a) Phổ XPS của vật liệu AgNPs/MnO2 /ErGO; (b) C 1s; (c) O 1s; (d) Mn 2p

và (e) Ag 3d 67 Hình 3.8 (a) Ảnh SEM của vật liệu MnO2 /ErGO, (b) tỉ lệ thành phần của các nguyên

tố, (c-g) phân bố của các nguyên tố C, O, S, Cl, Mn 68 Hình 3.9 (a) Ảnh SEM của vật liệu AgNPs/MnO2 /ErGO, (b) tỉ lệ thành phần của các nguyên tố, (c-g) phân bố của các nguyên tố C, O, Mn, Ag (h,i) ảnh HR-TEM của vật liệu

composite AgNPs/MnO2/ErGO 69

Hình 3.10 (a) Các đường CV tại tốc độ quét thế 0,1 V/s và đồ thị Nyquist trong khoảng tần số từ 100 kHz đến 10 mHz; (b) Của năm loại điện cực 70 Hình 3.11 (a) Các đường LS-AdCSV, (b) cường độ dòng của CAP và TNZ 5 µM 72 Hình 3.12 (a), (b) Các đường CVs của TNZ và CAP đo riêng lẻ trên điện cực

MnO2/ErGO-GCE trong các dung dịch đệm BR có pH khác nhau (4,2 – 11,7) 73

Hình 3.13 Các đường hồi quy tuyến tính giữa EPC và pH của CAP và TNZ 74

Hình 3.14 (a) Các đường CV (phần cathodic) của TNZ và CAP trên điện cực

MnO2/ErGO-GCE trong các pH khác nhau (1,1 – 2,8), (b) Sự biến thiên của IPC và các đường hồi quy tuyến tính giữa EPC và pH 76

Hình 3.15 Các đường LSV của TNZ và CAP với 05 lần đo lặp lại tại 10 tốc độ quét thế

từ 0,05 V/s đến 0,50 V/s 77

Hình 3.16 (a) Các đường hồi quy tuyến tính biểu diễn tương quan giữa IPC và v1/2 và (b)

giữa ln(IPC) và ln(v) 78

Hình 3.17 (a) Các đường hồi quy tuyến tính biểu diễn tương quan giữa EPC và v (b)

giữa EPC và ln(v) 79

Hình 3.18 (a) Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ và (b) sự biến thiên của IPC

(A) theo thể tích vật liệu MnO2/GO đến dòng đỉnh hòa tan của CAP và TNZ 80

Hình 3.19 (a) Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ và (b) sự biến thiên của IPC

(A) theo thế làm giàu (n = 5) 81

Hình 3.20 (a) Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ và (b) sự biến thiên của IPC

(A) theo thời gian làm giàu (n = 5) 82

Hình 3.21 (a) Các đường LS-AdCSV của TNZ và CAP trên điện cực MnO2/ErGO-GCE

với các tốc độ quét thế khác nhau (b) Sự biến thiên của IPC và EPC với các tốc độ quét thế khác nhau 83

Hình 3.22 Giá trị dòng cathodic của CAP và TNZ sau 15 lần đo liên tục, mỗi lần đo lặp

lại 06 lần (bỏ lần đo đầu tiên),  và  được tính từ lần đo thứ 3 đến 15, n = 65 84

Hình 3.23 Giá trị dòng cathodic của 5 điện cực khác nhau (tương ứng với 5 lần biến tính khác nhau), mỗi lần biến tính đo lặp lại 15 lần (a) CAP, (b) TNZ 85 Hình 3.24 Ảnh hưởng của một số hợp chất hữu cơ và vô cơ đến dòng đỉnh hòa tan của

CAP và TNZ 50 µM tại pH 1,8 (HClO4) 86

Hình 3.25 (a) Các đường LS-AdCSV của CAP (0 – 50 M) và (b) Các đường hồi quy

tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa IPC và nồng độ từ 1 đến 50 M 88

Hình 3.26 (a) Các đường LS-AdCSV của TNZ (0 – 50 M) và (b) các đường hồi quy

tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa IPC và nồng độ từ 1 đến 50 M 88

Hình 3.27 (a) Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ; (b) Các đường hồi quy tuyến

tính của CAP và TNZ trong khoảng nồng độ từ 1 đến 20 M 90

Hình 3.28 Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ tại các nồng độ CAP và TNZ khác

nhau 92

Hình 3.29 Các đường LS-AdCSV của CAP và TNZ trong 03 mẫu MO, MO-spike 1 và

MO-spike 2 và các đường hồi quy tuyến tính giữa IPC và nồng độ thêm chuẩn 94

Hình 3.30 Các đường LS-AdCSV và đường hồi quy tuyến tính giữa IPC và nồng độ của CAP và TNZ trong các mẫu C4, T1 và T2 97

Hình 3.31 Các đường LS-AdCSV và đường hồi quy tuyến tính giữa IPC và nồng độ của CAP 98

Hình 3.32 (a) Mẫu thuốc mỡ tra mắt thêm chuẩn đồng thời CAP và TNZ bằng phương pháp LS-AdCSV; (b) Đường thêm chuẩn của CAP và TNZ trên mẫu thật 100 Hình 3.33 Các đường CV (a) tại tốc độ quét thế 0,1 V/s và đồ thị Nyquist trong khoảng tần số từ 100 kHz đến 10 mHz (b) của năm điện cực 101 Hình 3.34 (a) Các đường CV của các loại vật liệu biến tính khi có mặt đồng thời PRX

và OFX tại pH = 4; (b) Các đường CV của PRX và OFX theo pH; (c) sự biến thiên IPA

theo pH và (d) đường hồi quy tuyến tính EPA theo pH 103

Hình 3.35 Các đường CV của PRX và OFX với 04 lần đo lặp lại tại 6 tốc độ quét thế từ

0,1 V/s đến 0,45 V/s 105

Hình 3.36 (a) Mối tương quan tuyến tính IPA của PRX và OFX với v1/2; (b) Mối tương

quan tuyến tính ln(IPA) của PRX và OFX với ln(v) 105

Hình 3.37 (a) Các đường hồi quy tuyến tính biểu diễn tương quan giữa EPA và v; (b)

Các đường hồi quy tuyến tính biểu diễn tương quan giữa EPA và ln(v) 107

Hình 3.38: Ảnh hưởng của thể tích vật liệu biến tính AgNPs/MnO2/GO đến dòng đỉnh PRX và OFX 108

Hình 3.39 (a) Các đường DP-AdASV của PRX và OFX và (b) sự biến thiên của IPA

theo thế làm giàu Eacc 109

Hình 3.40 (a), (b) Sự biến thiên của IPA của PRX và OFX theo thời gian làm giàu 110

Hình 3.41 Sự biến thiên IPA của PRX và OFX tại các biên độ xung khác nhau 111

Hình 3.42 Ảnh hưởng của một số hợp chất hữu cơ và vô cơ đến dòng đỉnh hòa tan của

PRX và OFX 10 µM Phần trong ngặc ở trục hoành là tỷ lệ nồng độ (µM/µM) giữa chất cản trở và chất phân tích (PRX và OFX) 113

Hình 3.43 Độ tái lặp trên điện cực được biến tính bằng AgNPs/MnO2/ErGO trong 15 lần với lượng vật liệu tương tự nhau 114

Hình 3.44 Các đường DP-AdASV của PRX và OFX tại các nồng độ 2 µM, 10 µM và

tuyến tính của PRX và OFX 116

Hình 3.48 Các đường DP-AdASV thêm chuẩn và đường hồi quy tuyến tính của mẫu thuốc thương mại (a) Mẫu M1; (b) Mẫu M2; (c) Mẫu M3; (d) Mẫu M4 119 Hình 3.49 Các đường DP-AdASV thêm chuẩn xác định đồng thời PRX và OFX của (a) mẫu nước máy, (b) nước sông Như Ý sau ba lần đo độc lập 120

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các phương pháp chính tổng hợp graphene oxide 6

Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp khử GO bằng điện hóa 13

Bảng 1.3 Các phương pháp tổng hợp MnO2 và ứng dụng 22

Bảng 1.4 Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học 31

Bảng 1.5 Tổng hợp các công trình khoa học xác định CAP, TNZ, PRX và OFX bằng phương pháp phân tích điện hóa 40

Bảng 3.1 Các thông số đặc trưng của điện cực trong hệ tiêu chuẩn [Fe(CN)6]3–/4– 5 mM 62

Bảng 3.2 Các thông số đặc trưng của năm loại điện cực 71

Bảng 3.3 Độ nhạy và hệ số tương quan tại các khoảng nồng độ khác nhau của CAP và TNZ 89

Bảng 3.4 So sánh kết quả phân tích CAP và TNZ bằng phương pháp LS-AdCSV dùng điện cực biến tính MnO2/ErGO-GCE với các nghiên cứu khác đã công bố 90

Bảng 3.5 Kết quả xác định độ lặp lại tại các nồng độ khác nhau của CAP và TNZ 92

Bảng 3.6 Quy trình chiết, phân tích đồng thời CAP và TNZ của 03 mẫu mật ong 93

Bảng 3.7 Kết quả xác định độ thu hồi trên mẫu thật Mật ong bằng phương pháp LS-AdCSV và LC-MS/MS 95

Bảng 3.8 Kết quả xác định nồng độ của CAP và TNZ trong mẫu thật 97

Bảng 3.9 Kết quả xác định nồng độ của CAP trong tế bào điện hóa 98

Bảng 3.10 Xác định đồng thời CAP và TNZ trong mẫu thuốc mỡ bằng phương pháp LS-AdCSV 100

Bảng 3.11 Các thông số đặc trưng của năm loại điện cực 102

Bảng 3.12 Cường độ dòng đỉnh của PRX và OFX tại các giá trị pH khác nhau 104

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của thế làm giàu đến tín hiệu hòa tan của PRX và OFX theo

phương pháp DP-AdASV 109

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của thời gian làm giàu đến tín hiệu hòa tan của PRX và OFX

theo phương pháp DP-AdASV 110

Bảng 3.15: Ảnh hưởng của biên độ xung đến tín hiệu hòa tan của PRX và OFX theo

Bảng 3.19 Khối lượng viên trung bình để phân tích PRX và OFX 118

Bảng 3.20 Xác định đồng thời PRX và OFX trong mẫu thuốc bằng phương pháp

DP-AdASV và xác định riêng lẻ bằng phương pháp đối chứng HPLC 119

Bảng 3.21 Xác định đồng thời PRX và OFX trong nước bằng phương pháp DP-AdASV

và xác định riêng lẻ bằng phương pháp đối chứng HPLC 122

MỞ ĐẦU

Thuốc kháng sinh và thuốc kháng viêm mặc dù có tác dụng điều trị các bệnh lý viêm nhiễm, nhất là nhiễm trùng đường hô hấp, tai mũi họng, đường tiết niệu Tuy nhiên, chúng lại rất nguy hiểm nếu không được sử dụng đúng mục đích và chỉ định Bên cạnh đó, kháng kháng sinh là mối đe dọa sức khỏe cộng đồng trên toàn thế giới, ảnh hưởng đến sức khỏe và cuộc sống của người dân và sự phát triển bền vững của cả một quốc gia.Theo Đại học Oxford, kháng kháng sinh là nguyên nhân khiến 1,5 triệu người

tử vong mỗi năm Dự báo, đến năm 2050, mỗi năm sẽ có tới 10 triệu người tử vong mà nguyên nhân có thể là do thuốc kháng sinh không còn ngăn ngừa hiệu quả các bệnh thông thường WHO xếp Việt Nam vào nhóm các nước có tỉ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới Theo số liệu của WHO, từ năm 2009 đến năm 2017, số lượng thuốc kháng sinh ở Việt Nam bán ra ngoài cộng đồng tăng gấp 2 lần Nguyên nhân chính là do lạm dụng kháng sinh bán ra mà không cần kê đơn, trong đó thuốc kháng sinh bán ra tại thành thị khoảng 88% và tỉ lệ này lên đến 91% bán ra ở nông thôn [253] Mặt khác, chất kháng sinh và kháng viêm còn được dùng để trị một số bệnh nhiễm khuẩn trong nuôi trồng thủy sản Yêu cầu về an toàn vệ sinh thực phẩm nói chung hay trong các mặt hàng thủy sản nói riêng ngày càng được chú trọng Nếu dư lượng trong sản phẩm vượt quá mức cho phép, việc tiêu thụ sản phẩm sẽ gặp nhiều khó khăn thậm chí không tiêu thụ được gây thiệt hại về kinh tế và an sinh xã hội là rất đáng kể

Chính vì vậy, các nhà khoa học đã và đang phát triển các phương pháp phân tích hiện đại để phân tích kháng viêm – kháng sinh trong dược phẩm, thực phẩm và môi trường nước Hiện nay, các phương pháp như sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid Chromatographic, HPLC) [6], [101], [162], [165]; sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép khối phổ (High Performance Liquid Chromatographic–tandem Mass

phương pháp phân tích quang phổ (Spectrophotometric) [51], [97] và điện di mao quản [137] Mặc dù các phương pháp này thu được kết quả đáng tin cậy và chính xác, nhưng

có nhược điểm như chi phí cao của các thiết bị, quy trình chuẩn bị mẫu tốn nhiều thời gian và thao tác phức tạp, tiêu thụ nhiều thuốc thử và dung môi dẫn đến có thể hạn chế việc áp dụng các phương pháp này.Vì vậy, trong những năm gần đây phương pháp điện hóa đã hoàn thiện và phát triển

Graphene và các vật liệu mới trên cơ sở graphene đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ như: lưu trữ năng lượng, vật liệu hấp phụ xúc tác, vật liệu xử

lý môi trường, điện tử và đặc biệt là vật liệu sensor khí và điện hóa, Bắt đầu từ vật liệu graphene oxide (GO), sự phát triển của các loại hợp chất lai tạp (composite) khác nhau trong đó các kim loại, oxide kim loại, khung kim loại-hữu cơ, phối tử hữu cơ và các loại polymer đã được kết hợp với GO Để ứng dụng vật liệu trên nền graphene oxide trong phân tích điện hóa, cần phải hoạt hóa một số nhóm chức chứa oxy của GO để chuyển thành graphene oxide dạng khử (rGO) Ngoài ra, GO kết hợp với MnO2 và AgNPs để chế tạo điện cực biến tính được sử dụng trong phương pháp von-ampe có khả năng phân tích được một số chất kháng sinh, kháng viêm MnO2 với nhiều hóa trị, đã thu hút sự quan tâm đối với các ứng dụng xúc tác và hiệu quả cao trong quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi Tuy nhiên, MnO2 có tính dẫn điện kém và diện tích bề mặt thấp Khi kết hợp với MnO2, các tấm nano GO sẽ làm tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa và cải thiện hoạt động xúc tác [238] Vật liệu composite giữa MnO2 và một số dạng của graphene được sử dụng để biến tính điện cực than thủy tinh xác định đồng thời dopamine và uric acid [117], hydrogen peroxide [63], và một số chất màu thực phẩm,

rhodamine B [75], sunset yellow [42], quinoline yellow [223] Tác giả Kim H và cộng

sự đã sử dụng vật liệu composite MnO2/GO [201] và Pam A [155] sử dụng vật liệu AgNPs/GO để hấp phụ và loại bỏ phẩm màu methylene blue (MB) và methyl orange (MO) Tác giả Chen S M đã sử dụng MnO2/GO và Ag/GO để xác định hydrazine và arsenic [157] Mặt khác, trong các tài liệu tham khảo được chưa thấy nghiên cứu nào xác định đồng thời CAP và TNZ bằng vật liệu composite, bên cạnh đó graphene oxide có mặt MnO2 và vật liệu AgNPs/MnO2 chỉ mới bước đầu ứng dụng trong vật liệu lưu trữ năng lượng

Xuất phát từ những yếu tố đó, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu biến tính điện

cực trên cơ sở graphene oxide dạng khử để xác định một số chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von-ampe”

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung: phát triển điện cực biến tính trên nền graphene oxide dạng khử để xác định đồng thời các chất kháng sinh và kháng viêm bằng phương pháp von–ampe

Mục tiêu cụ thể: xuất phát từ những vấn đề nêu trên, mục tiêu cụ thể đặt ra là:

- Tổng hợp vật liệu composite MnO2/GO và AgNPs/MnO2/GO;

- Điện cực than thủy tinh biến tính bằng vật liệu MnO2/ErGO xác định đồng thời CAP và TNZ bằng phương pháp LS-AdCSV;

- Điện cực than thủy tinh biến tính bằng vật liệu AgNPs/MnO2/ErGO xác định đồng thời PRX và OFX bằng phương pháp DP-AdASV

Đóng góp mới của luận án

1 Đã tổng hợp thành công vật liệu composite MnO2/GO một cách đơn giản, hiệu quả, tiến hành biến tính điện cực làm sensor điện hóa với vật liệu composite MnO2/ErGO có diện tích hoạt động điện hóa lớn (A = 0,076 cm2) và điện trở chuyển điện tích nhỏ (Rct = 0,188 k) Việc xác định đồng thời hai loại kháng sinh chloramphenicol và tinidazole lần đầu tiên được thực hiện bởi điện cực GCE biến tính vật liệu MnO2/ErGO bằng phương pháp LS-AdCSV trong các đối tượng có nền mẫu phức tạp như dược phẩm, mật ong và nước

sông Kết quả này đã được công bố trong tạp chí Journal of Science: Advanced Materials

and Devices (2023, SCIE, Q1, IF = 8,0); tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học tự nhiên

(2022, Tập 131, Số 1C, trang 17–24); tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học tự nhiên

(2023, Tập 132, Số 1C, trang 51 - 59)

2 Đã tổng hợp thành công vật liệu composite AgNPs/MnO2/GO từ hỗn hợp đồng nhất của dung dịch composite MnO2/GO và AgNPs Vật liệu composite AgNPs/MnO2/ErGO biến tính điện cực có diện tích hoạt động điện hóa lớn (A = 0,087 cm2) và điện trở chuyển điện tích nhỏ (Rct = 0,077 k) Lần đầu tiên biến tính điện cực GCE bằng vật liệu

AgNPs/MnO2/ErGO để xác định đồng thời hai chất kháng viêm - kháng sinh là piroxicam

và ofloxacin Kết quả này được đăng tải trên các tạp chí Industrial & Engineering

Chemistry Research (2023, SCIE, Q1, IF = 4,3); tạp chí Khoa học và công nghệ - trường Đại học Khoa học (2023, Tập 22, Số 2, trang 79 – 90), tạp chí Xúc tác hấp phụ Việt Nam

(2023, Tập 12, Số 4, trang 48 - 55)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Đề tài giải quyết vấn đề phát triển sensor điện hóa có độ nhạy cao để định lượng các chất kháng viêm – kháng sinh trong các mẫu dược phẩm và mẫu nước môi trường Kết quả cho thấy điện cực GCE biến tính bằng các vật liệu MnO2/ErGO và AgNPs/MnO2/ErGO

có độ nhạy cao, độ lặp lại tốt, giới hạn phát hiện thấp, đáp ứng phân tích các chất kháng sinh – kháng viêm trên mẫu thực tế ở dạng vết

Các chất kháng sinh – kháng viêm hiện nay được sử dụng rất nhiều, trong khi đó phương pháp phân tích điện hóa có chi phí thiết bị và phân tích tương đối thấp, quá trình phân tích đơn giản, nhanh chóng

Kết quả luận án có thể làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về phân tích điện hóa, hóa dược và môi trường

Cấu trúc luận án bao gồm:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan tài liệu

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Chương 4: Kết luận

- Danh mục các công trình công bố kết quả nghiên cứu của luận án

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 VẬT LIỆU GRAPHENE

1.1.1 Graphite oxide, graphene oxide và graphene oxide dạng khử

Graphite oxide (GrO) là sản phẩm oxy hóa graphite (G) bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, qua đó gắn các nhóm chức có chứa oxy lên bề mặt các tấm graphene nằm trong cấu trúc graphite như: carbonyl, carboxyl, hydroxyl, epoxy (hình 1.1.a) Quá trình bóc tách graphite oxide thành graphene oxide (GO) sẽ được thực hiện thành công khi đáp ứng một số thông số như thời gian siêu âm, năng lượng và dung môi (hình 1.1.b) [91] Như vậy, có thể cho rằng GrO và GO có cấu trúc là như nhau, chỉ khác nhau là GO được phân tán trong dung môi thích hợp nhờ sự trợ giúp của siêu âm

Hình 1.1 (a) Cấu trúc của graphene, graphene oxide và graphene oxide dạng khử, (b)

Quá trình tổng hợp từ graphite thành graphene oxide dạng khử [91]

Sự khởi đầu tổng hợp GO có từ thế kỷ 19, vào năm 1859 Brodie oxy hóa Graphite thành GO [28] nhưng không được quan tâm tại thời điểm đó Quá trình này đã được cải tiến bởi nhiều nhóm và nhà khoa học như Staudenmaier (1898) [180], Hummers (1958) [82], Shen (2009) [171], Marcano (2010) [124] và nhiều nghiên cứu khác bằng cách thay đổi chất oxy hóa, nguồn graphite và nhiệt độ phản ứng được thể hiện tại bảng 1.1

Bảng 1.1 Các phương pháp chính tổng hợp graphene oxide

Tác giả Chất

phản ứng

Thời gian phản ứng

Nhiệt độ phản ứng Ghi chú Năm Tltk

Brodie HNO3, KClO3 3 – 4 giờ 60 °C Phương pháp đầu

tiên 1859 [28] Staudenmaier

KClO3, HNO3, H2SO4

96 giờ Nhiệt độ

Hummers

KMnO4, H2SO4, NaNO3

20 giờ Nhiệt độ

phòng

Phương pháp được

sử dụng rộng rãi nhất

12 giờ 35- 40 °C Hummers cải tiến Độc tính thấp 2010 [124]

David

KMnO4, H2SO4, NaNO3

16 giờ < 10 °C

Hummers cải tiến

GO và rGO tinh khiết

2014 [48]

H2SO4 1 giờ

Nhiệt độ phòng

Không thải ra kim loại Mn 2014 [142] Panwar

H2SO4, H3PO4, KMnO4, HNO3

dễ nhiễm bẩn bởi kim loại Mn Ngoài ra, sản phẩm chứa ion Na+ và NO3- khó loại bỏ và làm sạch GO Chất oxy hóa (NaNO3/KMnO4) có tính chất oxy hóa mạnh trong H2SO4

và có nguy cơ nổ cao khi Mn2O7 tiếp xúc với chất hữu cơ ở 55 °C [82]

Sau đó, Marcano [124] đã thay thế H3PO4 để tổng hợp graphene oxide Phương pháp này không giải phóng khí cháy hoặc khí độc, và graphene oxide được chế tạo có

nhiều nhóm chức chứa oxy cao hơn và cấu trúc đều hơn, nhưng yêu cầu lượng lớn KMnO4 và H2SO4

Tổng hợp graphene oxide bằng hỗn hợp oxy hóa mạnh K2FeO4/H2SO4 [142] tại nhiệt độ phòng trong 1 giờ là một phương pháp an toàn và hiệu quả Graphene oxide cũng có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng benzoyl peroxide [140] làm chất oxy hóa phản ứng trong 10 phút ở 110 °C Mặc dù phương pháp này hiệu quả cao, benzoyl peroxide chính nó thiếu ổn định và có nguy cơ nổ khi nhiệt độ phản ứng cao Ngoài tác động của các chất oxy hóa lên nguyên liệu graphite và điều này cũng ảnh hưởng đến tính chất của graphene oxide, bởi vì có ít nhóm hydroxyl và carboxyl trên bề mặt graphene oxide chế tạo từ tiền chất graphite tinh khiết

Phương pháp Hummers cải tiến được sử dụng với sự trợ giúp của thiết bị siêu âm

và khoảng cách giữa các lớp của graphene oxide trở nên lớn hơn Việc tổng hợp graphene oxide ở nhiệt độ khoảng 50 °C tạo ra nhiều hốc trên bề mặt, tuy nhiên có nhiều hốc trên graphene oxide do phản ứng oxy hóa mạnh Khi nhiệt độ phản ứng cao hơn 50 °C, graphene oxide trở nên không ổn định Nếu phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ thấp (< 10

°C), các khiếm khuyết trên bề mặt graphene oxide giảm đi đáng kể [48], [120]

Hiện nay, nhu cầu tổng hợp công nghiệp của graphene với graphene oxide là rất cao, nhưng các phương pháp tổng hợp graphene oxide hiện tại thường có vấn đề kỹ thuật như bước làm sạch phức tạp và nhiều khuyết tật cấu trúc trên bề mặt Bởi vì có nhiều các nhóm chứa oxy trên bề mặt gây nên sự xếp chồng liên kết π−π là giảm đáng kể, điều này cũng làm giảm độ dẫn điện và tạo các khiếm khuyết mạng trong GO Quá trình loại bỏ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO sẽ chuyển các C-sp3 thành C-sp2, sản phẩm của phản ứng khử này được gọi là graphene oxide dạng khử và ký hiệu là (reduced Graphene Oxide - rGO) Kết quả là, rGO có thể khôi phục một phần khả năng dẫn điện của nó và rGO thu được vẫn chứa một số nhóm chức dẫn đến khả năng phân tán tốt của rGO trong nhiều dung môi Quan trọng nhất, việc kiểm soát khả năng dẫn điện và độ phân tán của rGO bằng cách kiểm soát số lượng nhóm chức còn lại là tương đối dễ dàng Kết quả là rGO mang các

đặc tính dẫn điện tốt gần như graphene nguyên bản [56], [186], [236] Điều này làm cho rGO là một ứng cử viên đầy triển vọng cho vật liệu sensor điện hóa [25], [153]

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp graphene oxide dạng khử

Quá trình khử GO thành rGO có thể được tiến hành bằng các phương pháp khác nhau như phương pháp hóa học [141], [179], phương pháp nhiệt [126], phương pháp điện hóa [14] và các phương pháp khác [194]

Phương pháp hóa học:được coi là một phương pháp đầy hứa hẹn để tổng hợp

số lượng lớn graphene, cần ít thiết bị, chi phí thấp và sử dụng quy trình đơn giản hơn so với các phương pháp khác Trong phương pháp này, graphite bị oxy hóa thành graphene oxide (GO), sau đó GO bị khử thành rGO bằng cách sử dụng các tác nhân hóa học có tính khử mạnh Nhiều tác giả đã sử dụng nhiều chất khử khác nhau, thực hiện với các tác nhân khử như: hydrazine monohydrate (N2H4.H2O) hình 1.2, sodium borohydride (NaBH4), dimethyl hydrazin, hydroquinone… Mỗi tác nhân khử có hoạt tính với một nhóm chức nhất định và hiệu quả khử của các tác nhân là khác nhau, ví dụ với N2H4.H2O khử trong 30 phút thu được rGO có tỷ lệ C:O ~ 16,61:1, trong khi đó với hydrazin có hoạt tính khử mạnh với nhóm epoxy và carboxylic trong điều kiện khử từ 80 đến 100

°C, tỉ lệ C : O ~ 10, 3 : 1 [59] Tuy nhiên, những vật liệu này có khả năng tạo ra chất thải độc hại, cực kỳ nguy hiểm và có thể để lại dư lượng hóa chất hoặc chất gây ô nhiễm trên rGO có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường [210]

Do đó, việc tìm ra các chất khử hiệu quả cao và thân thiện môi trường là cần thiết

để thay thế các phương pháp khử GO truyền thống Chất khử được sử dụng trong phương pháp này bao gồm trà xanh, glucose, vitamin C, rễ cây mùi tây và vi khuẩn [194] Tác giả Zhang và cộng sự đã sử dụng ascorbic acid (L-AA) có khả năng khử và không độc [241] Ở trong nước, nhóm tác giả Vũ Thị Thu Hà - Viện Hóa học công nghiệp tổng hợp

GO bằng phương pháp Hummers rồi khử GO về rGO bằng tác nhân khử xanh “caffein”, rGO thu được khoảng 6 lớp [202]

Hình 1.2 (a) GO được phủ SDBS sau đó được khử hydrazin monohydrate [119], (b) quá trình khử GO bằng NaBH4 sau đó xử lý bằng acid và ủ trong Ar/H2 [58]

Các phương pháp khử hóa học có thể không loại bỏ hiệu quả tất cả các nhóm chức chứa oxy, dẫn đến các sản phẩm trung gian có thể ảnh hưởng đến tính dẫn điện, nhiệt và

cơ học của rGO Trên quy mô công nghiệp, việc xử lý chất thải nguy hại do phản ứng khử có thể tăng đáng kể chi phí Khả năng xử lý kém là một rào cản khác đối với việc sử dụng rGO được khử hóa học trong các ứng dụng thực tế [47]

Phương pháp nhiệt: trong quá trình khử nhiệt, chất lượng của rGO phụ thuộc

vào các điều kiện xử lý nhiệt đòi hỏi nhiệt độ cao lên tới 2000 °C trong một số môi trường nhất định (môi trường khí Ar, H2, N2,…) Hơn nữa, GO cũng có tính ưa nước nên khó tách nó khỏi môi trường nước vì bất kỳ phương pháp nào khác dẫn đến không kiểm soát được sản phẩm, điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và mức độ đồng đều của sản phẩm cuối cùng [164] Bên cạnh quá trình khử còn có quá trình bóc tách xảy ra do các khí CO, CO2, hơi H2O được tạo ra trong quá trình nung nóng graphite oxide lên nhiệt độ cao tạo ra áp lực suất lớn trong các lớp (40 MPa tại nhiệt độ 300 oC và 130 MPa khi nhiệt

độ đạt 1000 oC) Khi áp suất đủ lớn sẽ tách các lớp GO, ngoài ra CO cũng đóng vai trò

là tác nhân khử các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO [59]

Mặc dù khử nhiệt dường như là một phương pháp hiệu quả về chất lượng sản phẩm, nhưng phương pháp này vẫn có một số hạn chế Giống như quá trình khử hóa học, quá trình khử nhiệt có thể dẫn đến việc kiểm soát hạn chế quá trình khử Nhiệt độ và thời gian xử lý có thể ảnh hưởng đến mức độ khử và tính chất của rGO Nhiệt độ cao có thể gây ra hư hỏng cấu trúc cho mạng graphene oxide, dẫn đến hình thành các khuyết tật (chẳng hạn như lỗ trống, nếp nhăn hoặc tái sắp xếp lại cấu trúc) và từ đó có thể ảnh hưởng đến các tính dẫn điện, cơ và hóa học của rGO [207] Việc xếp chồng lại do lực Van-der-Waals dẫn đến diện tích bề mặt giảm, độ dẫn điện giảm và khả năng sử dụng vật liệu rGO bị hạn chế, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu trong một

số ứng dụng nhất định Quá trình khử nhiệt thường đòi hỏi nhiệt độ cao, có thể tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể Việc mở rộng quy trình sản xuất quy mô lớn có thể gặp phải những thách thức về hiệu quả sử dụng năng lượng và chi phí Ngoài ra còn có những

lo ngại về an toàn liên quan đến nhiệt độ cao được sử dụng

Phương pháp điện hóa: Khử điện hóa xuất hiện như một trong những phương

pháp khử xanh [83] Quá trình khử sử dụng một số kỹ thuật khác nhau trong một tế bào điện hóa bao gồm ba điện cực là điện cực làm việc (Working Electrode – WE), điện cực

so sánh (Reference Electrode – RE, thường là điện cực Ag/AgCl) và điện cực phụ trợ (Auxiliary Electrode – AE) hay điện cực đối (Counter Electrode – CE, thường là Platin hoặc Carbon), như: von-ampe vòng (cyclic voltammetry – CV); von-ampe quét tuyến tính (liner sweep voltammetry – LSV); dòng - thời gian (chronoamperometry – i-t) tại một thế cố định Sản phẩm khử của quá trình điện hóa được gọi là ErGO (Electrochemically reduced Graphene Oxide)

Theo Shaw Yong Toh và cộng sự[186], phương pháp điện hóa có thể được thực hiện thông qua hai cách khác nhau: cách đầu tiên liên quan đến việc khử điện hóa trực tiếp GO ở trạng thái lơ lửng trên bề mặt điện cực, trong khi cách thứ hai yêu cầu phủ trước GO lên điện cực nền sau đó đến quá trình khử điện hóa GO về dạng khử rGO

a Khử một bước (one step): hay còn được gọi là điện di lắng đọng (Electrodeposition -

EPD), quá trình khử trực tiếp GO trong dung dịch với sự có mặt của dung dịch đệm PBS

(phosphate buffer solution) [135], acid (H2SO4, HCl) hoặc chất điện ly (KCl, NaCl, LiClO4) sau khi phân tán trong dung môi thích hợp [35], [183], [249]

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp ErGO bằng phương pháp điện di lắng đọng [35]

b Khử hai bước (two step):

Bước 1: chuyển/phủ GO ở một nồng độ với thể tích thích hợp lên bề mặt điện cực

nền (nồng độ GO thường là 0,5 – 1,0 mg/mL) Việc phủ GO có thể bằng các kĩ thuật khác nhau như: nhỏ giọt bằng micropipette (drop-casting), nhúng (dip-coating), phủ quay (spin-coating), phủ nhiều lớp (layer-by-layer), phun (spray-coating), in phun (inkjet-printing), in lụa (screen-printing),…[216] Về nguyên tắc, sau khi GO chuyển lên

bề mặt điện cực nền nó sẽ bám dính lên bề mặt điện cực theo lực tương tác tĩnh điện Van-der-Waals [114]; hoặc có thể thêm dung dịch Nafion với nồng độ xác định sẽ làm tăng khả năng bám dính của vật liệu trên bề mặt điện cực nền [16], [24] Sau đó điện cực được làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng hoặc sấy khô dưới đèn hồng ngoại hoặc được sấy ở nhiệt độ thích hợp trước khi chuyển sang bước thứ hai

Bước 2: tiến hành khử GO thành rGO tương tự như đối với trường hợp khử một

bước với việc sử dụng hai phương pháp (kỹ thuật) là CV hoặc/và i-t Đối với hai bước thứ nhất và thứ hai có một điểm chung là khi thực hiện quá trình khử, trong tế bào điện hóa phải có chất điện ly hoặc dung dịch đệm Dung dịch đệm thường được sử dụng là đệm phosphate với nồng độ trong khoảng từ 0,05 M đến 1,0 M và giá trị pH từ 5,0 đến 7,0 Các chất điện ly chủ yếu là muối trung tính (KCl, KNO3, Na2SO4, NaCl…)

Hình 1.4 Sơ đồ khử hai bước GO bằng phương pháp von- ampe vòng (0 V đến -1,5 V

vs Ag/AgCl) trong đệm PBS (pH = 7) [145]

Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp khử GO bằng điện hóa

2014 [205] Chronocoulometry

CV/ EPD 0,5 V đến -0,5 V

Điện cực làm việc: FTO: fluorine doped tin oxide; Cu: Copper; GCE: Glassy carbon electrode; GR: Graphite rob

Ferrocene/Ferrocenium ion;

Vật liệu: NrGO: nitrogen-doped reduced Graphene oxide; GO-GOx: Graphene oxide – glucose oxidase; NiO/Au/PANI:

Niken oxide/Gold/Polyaniline nanofibers; MnO 2 NRs: manganese dioxide nanorod; GO-PPy: Graphene oxide- Polypyrrole.

rGO đã được chứng minh có hoạt tính xúc tác điện hóa cao do diện tích bề mặt lớn

và ít khuyết tật, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển điện tử Đối với điện cực biến tính truyền thống, GO đầu tiên được khử về mặt hóa học rồi chuyển lên điện cực nền Tuy nhiên, vật liệu tổng hợp bằng phương pháp hóa học (CrGO) và thường có độ phân tán trong dung môi thấp, vì vậy rất khó để có được lớp CrGO đồng nhất trên điện cực nền Ngoài ra, các chất khử dư thừa được sử dụng trong phương pháp khử hóa học có thể làm nhiễm bẩn sản phẩm CrGO Ngược lại, ErGO được hình thành trực tiếp trên bề mặt của điện cực nền có độ đồng đều và khả năng dẫn điện tốt, đồng thời bám dính tốt với điện cực nền ErGO cũng không sủ dụng chất khử, tránh sự can thiệp có thể xảy ra đối với quá trình phân tích điện hóa Vì thế, ErGO là vật liệu hoàn hảo để ứng dụng chế tạo sensor điện hóa [247]

Phương pháp khác: quá trình khử GO thành rGO bởi các chủng vi khuẩn chọn lọc

(Lactococcus lactis (L Lactis), Lactobacillus plantarum (L plantarum) và Escherichia coli

(E coli)) đã đạt được thông qua hoạt động của enzyme Dẫn đến việc loại bỏ các nhóm chức

chứa oxy khỏi GO và sự hình thành rGO Tuy nhiên, độc tính tế bào phụ thuộc vào nồng độ chất gây ra trong quá trình khử làm vi khuẩn dễ chết điều này cho quá trình khử GO không hoàn toàn Quá trình làm sạch vật liệu phải cẩn thận và trải qua nhiều bước [194]

1.2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN NỀN ErGO VÀ ỨNG DỤNG

Bắt đầu từ GO, sự phát triển của các loại vật liệu pha tạp (composite) khác nhau trong đó các kim loại, oxide kim loại, khung kim loại-hữu cơ, phối tử hữu cơ và các loại polymer đã được kết hợp với GO Quá trình kết hợp các loại vật liệu trên nền ErGO có thể sử dụng phương pháp điện hóa, không sử dụng điện hóa hoặc kết hợp cả hai

Phương pháp tổng hợp điện hóa một bước (trùng với quá trình khử GO) hình 1.5.a:

là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng để tổng hợp vật liệu composite dựa trên nền ErGO Vật liệu composite bao gồm GO và các thành phần khác, được khử điện hóa đồng thời trên điện cực nền Quá trình được thực hiện bằng cách trộn thành phần thứ hai với GO

và sau đó sử dụng phương pháp von-ampe vòng (CV) hoặc dòng - thời gian (i-t) trong dung môi phù thích Zhou và cộng sự [250] đã tổng hợp ErGO/polyaniline có dạng xốp 3D (ErGO/PANI) bằng cách khử điện hóa một bước Đầu tiên trộn anilin và GO trong dung

dịch acid, sau đó thực hiện quét CV từ 0,8 V đến -1,2 V vs SCE Ở thế âm các tấm GO bị

khử điện hóa và bám dính trên điện cực nền, trong khi ở điện thế dương các monome anilin

bị oxy hóa và polymer hóa lên tấm ErGO Độ dày của hỗn hợp ErGO/PANI trên điện cực

có thể là được kiểm soát bởi số chu kỳ quét CV

Hình 1.5 Sơ đồ ba phương pháp điển hình của quá trình tổng hợp điện hóa (a) tổng hợp một bước, (b) tổng nhiều bước và (c) phương pháp khác để chế tạo các vật liệu composite

trên nền ErGO [247]

Vật liệu nano kim loại/ErGO: Urhan và cộng sự [193] tổng hợp vật liệu NiNPs/ErGO bằng cách phân tán GO 2,0 mg/mL vào dung dịch NiSO4 0,1 M với KNO30,1 M (pH = 2) Sau đó, thực hiện khử đồng thời GO và Ni2+ bằng cách áp một điện thế

không đổi E = -1,1 V vs Ag/AgCl trong 3 phút với điện cực nền ITO Jiang và cộng sự [89] tổng hợp Pd/ErGO (Pd: 30% w/w) bằng phương pháp CV (0,5 V đến -1,5 V vs Ag/AgCl)

với 10 vòng trong dung dịch đệm PBS (pH = 9,18) có chứa GO 0,6 mg/mL và Na2PdCl4 1

mM Các nano kim loại khác: AuNPs [100], [118], NiNPs [110], Au-AgNPs [147]

Hình 1.6 Quá trình khử điện hóa một bước sử dụng điện cực ITO phủ NiNPs/ErGO để

phát hiện NADH [193]

Vật liệu oxide kim loại/ErGO: Ni2O3-NiO/ErGO [227], ZnO/ErGO [150], SnO/ErGO [44] ,Cu2O/ErGO [31] Pruna và cộng sự [150] nhận thấy ZnO trên ErGO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa phát triển từ cấu trúc dạng ống lục giác (Zn) thành dạng dây Zhu và cộng sự [251] đã tổng hợp MnO2 NW/ErGO: GO sau khi phủ làm khô trên GCE, tiếp theo tiến hành quá trình khử đồng thời bằng phương pháp CV trong dung dịch Na2SO4 0,1 M chứa Mn(CH3COO)2 0,05 M với khoảng quét thế 0 V đến -1,5 V Kết quả thu được vật liệu composite MnO2 NW/ErGO

Vật liệu hydroxide kim loại/ErGO: Ni(OH)2/ErGO [111] và Ni/Al-LDH/ErGO [131] cũng được tổng hợp thành công sử dụng quá trình khử đồng thời bằng điện hóa

Phương pháp điện hóa nhiều bước (kết hợp liên tiếp nhiều quá trình điện hóa, hình

1.5.b): trong phương pháp này GO được khử trực tiếp trên bề mặt điện cực làm việc, thành phần thứ hai được đưa vào bằng cách ngâm điện cực biến tính bằng ErGO trong dung môi thích hợp trong một thời gian đủ lâu để cho phép dung môi thẩm thấu vào trong cấu trúc rỗng của ErGO, sau đó thực hiện khử điện hóa tiếp theo Chen và cộng sự [35] đã tạo ra composite 3D ErGO/PANI bằng phương pháp điện hóa liên tiếp Tác giả đã tiến hành quá trình polymer hóa anilin trên mạng lưới ErGO 3D, tạo nên một lớp PANI có cấu trúc phủ bên trên các tấm ErGO

Tác giả Wu J [221] lượng PANI phủ bên ngoài có thể được điều khiển thông qua số vòng quét CV Bởi vì quá trình phủ ErGO và các thành phần thứ hai được thực hiện trong

các dung dịch khác nhau ảnh hưởng tương tác không mong muốn giữa GO và tiền chất của thành phần thứ hai Tuy nhiên, do sự cạnh tranh giữa quá trình thẩm thấu và quá trình bám dính của tiền chất bên trong các cấu trúc rỗng của ErGO 3D Quá trình tổng hợp này tạo ra một composite không đồng đều và thành phần thứ hai phủ bên bề mặt ngoài của lớp ErGO (hình 1.7.b)

Hình 1.7 (a) Sơ đồ minh họa quá trình chuẩn bị PG-1 (PANI/ErGO),

(b) Ảnh SEM cắt ngang của PG-1 (PANI (màu xanh) chỉ được phủ bên ngoài graphene hydrogel (GHG) (màu xám)), (c) Ảnh SEM của lớp PANI trong PG-1, (d) Ảnh SEM của

lớp GHG trong PG-1 [221]

Phương pháp điện hóa hai bước tương tự cũng có thể được thực hiện trên lớp ErGO được tạo ra bằng phương pháp phủ và khử So với GO trong phương pháp khử một bước, ErGO có hiệu suất xúc tác tốt đối với một số phản ứng cụ thể Ví dụ, nhiều nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng ErGO do tồn tại các gốc tự do có thể xúc tác hiệu quả quá oxy hóa

Điều này đã được chứng minh trong phổ cộng hưởng spin điện tử (Electron Spin ESR) [33], [37] Do đó, nhiều composite dựa trên polymer như 3,5-Diamino-1,2,4-triazole (pDAT@ErGO) [106], polymer in dấu phân tử (MIP/ErGO) [105], [170]; Poly Luminol/Aniline (PLA)/CeO2/ErGO (hình 1.8) [176]

Resonance-Hình 1.8 Quy trình tổng hợp ErGO/CeO2/PLA làm sensor phát hiện H2O2 [176] Composite dựa trên hạt nano kim loại như AuNPs [46], AgNPs [32], CuNPs [23], Pt-PdNPs [61] đã được tạo ra bằng phương pháp này Tương tự với phương pháp phủ và khử một bước, các thành phần thứ hai thường chỉ được phủ trên bề mặt của lớp ErGO

Các kết quả trên cho thấy các nhóm chức chứa oxy còn lại trên ErGO có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ thành phần thứ hai Điều này là thuận lợi của việc sử dụng GO và phương pháp khử điện hóa để tạo ra các hợp chất dựa trên nền GO Tuy nhiên, hầu hết các thành phần thứ hai sẽ được bám dính trên bề mặt của màng ErGO và vì vậy khó khăn trong việc các tiền chất xâm nhập vào trong cấu trúc Để giải quyết vấn đề này là phối trộn thành phần thứ hai với GO để tạo ra composite trước quá trình khử điện hóa (hình 1.9) [125], [143], [185]

Hình 1.9 Quá trình tổng hợp vật liệu α-Fe2O3/ErGO biến tính trên điện cực GCE xác định

dopamin [125]

Phương pháp khác để chế tạo các vật liệu composite trên nền ErGO: hình1.5.c:

phương pháp hấp phụ được sử dụng trước hoặc sau khi khử GO Trong phương pháp này không có phản ứng điện hóa nào xảy ra trên thành phần thứ hai Thành phần thứ hai được hấp phụ trên rGO thông qua tương tác giữa phân tử Các tấm rGO còn chứa nhiều nhóm chức oxy và vùng liên hợp có thể làm nhiệm vụ những điểm hoạt động để hấp thụ phân tử

và kết hợp các vật liệu nano Phương pháp này phù hợp để tạo ra các composite mà thành phần thứ hai được phủ vào trong lớp ErGO Ví dụ, Unnikrishnan và cộng sự [191] đã tổng hợp ErGO/carbon nano ống đơn tường (ErGO/SWCNT); ban đầu ErGO có thể được tạo ra thông qua khử điện hóa, sau đó SWCNT có thể hấp phụ lên tấm ErGO thông qua tương tác π-π Phương pháp không điện hóa cũng được sử dụng để kết hợp các loại vật liệu khác nhau như carbon nanodicube [45], [232], các hạt nano kim loại Ag-Co NPs/ErGO [92], NiNPs/ErGO [128], mesoporous silica (hình 1.10) [230], oxide kim loại Cu2O/ErGO [121], TiO2-ErGO [73], ErGO-MnO2 [72], Ta2O5-ErGO [122] , ferrocene [43], khung hữu

cơ - kim loại (MOF) [134], [213], sodium montmorillonite nanoclay [41] và 3D oxidized polypyrrole (3D-OPPy) [178] vào lớp ErGO

Hình 1.10 Quy trình tổng hợp VMSF/ErGO-GCE phát hiện doxorubicin trong máu [230]

Một thuận khác của phương pháp này là tạo ra các tấm ErGO/enzym Các enzyme khó tiếp cận lớp ErGO một cách chặt chẽ, vì vậy chúng thường được gắn vào tấm GO trước khi khử điện hóa Ví dụ, glucose oxidase [192] và horseradish peroxidase [139] đã được nhúng vào lớp GO và duy trì hoạt tính sau khi kết hợp với quá trình khử điện hóa Phương pháp này phù hợp cho các ứng dụng như sensor enzym và sensor miễn dịch Nó thích hợp cho việc sản xuất các sensor enzym: hemoglobin [21], phenol enzymatic oxidation [96],

glucose [80], và sensor miễn dịch [125], [226] (hình 1.11)

Hình 1.11 Quy trình tổng hợp Lf-GO-Pue hấp phụ và làm chất mang thuốc vào não để

nghiên cứu điều trị bệnh Parkinson [226]