Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuOITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG GLUCOSE

TRONG MẪU THỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN HỒNG NHUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG GLUCOSE

TRONG MẪU THỰC

Chuyên ngành: Hóa Phân Tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quốc Dũng

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng

dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực” là do bản thân tôi thực hiện Các số

liệu, kết quả trong đề tài là trung thực Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Nhung

Xác nhận của Trưởng khoa chuyên môn

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lan TS Nguyễn Quốc Dũng

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành TS Nguyễn Quốc Dũng,

thầy giáo trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này Cảm ơn các thầy, cô giáo

Khoa Hóa học, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu

trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện

thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận

văn khoa học

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí

nghiệm Hoá lý - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên

và các bạn đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn Em

cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Đặng Văn Thành, Bộ môn Vật lý -

Lý Sinh, Trường Đại học Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và

trang thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm

Báo cáo này được sự hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của đề tài nghiên

cứu NAFOSTED mã số 103.02-2016.63 do TS Nguyễn Quốc Dũng chủ trì

Tôi xin trân thành biết ơn sự giúp đỡ to lớn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên

cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu

sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các

bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong

luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Hồng Nhung

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt iv

Danh mục bảng biểu v

Danh mục các hình vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về cảm biến sinh học glucose 3

1.2 Các thế hệ cảm biến glucose 5

1.2.1 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất 5

1.2.2 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai 6

1.2.3 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba 7

1.2.4 Cảm biến sinh học glucose không có enzim 8

1.3 Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực 13

1.3.1 Hệ ba điện cực trong điện hóa học 13

1.3.2 Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến sinh học 14

1.4 Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO 16

Chương 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 18

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị 18

2.1.2 Hóa chất 18

2.1.3 Xử lý đế ITO 18

2.2 Điện phân tạo màng 19

2.3 Khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu 20

2.3.1 Phương pháp quét điện tử bề mặt (SEM) 20

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 21

2.3.3 Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) 22

2.4 Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose 23

2.5 Xác định nồng độ glucose trong dung dịch 23

2.6 Nghiên cứu trên mẫu giả thực 23

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Ảnh hưởng của dung dịch chất điện li đến quá trình điện phân tại điện cực ITO 25

3.2 Cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu 28

3.3 Ảnh hưởng của chất điện li nền dùng để chế tạo điện cực đến khả năng phản ứng của glucose tại điện cực CuO/ITO 31

3.4 Ảnh hưởng của thế đến quá trình điện hóa 36

3.5 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình điện phân 38

3.6 Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li NaOH đến quá trình phản ứng của glucose tại điện cực 40

3.7 Phương pháp chronoamperometry phân tích nồng độ glucose trong dung dịch 42

3.8 Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực 45

KẾT LUẬN 47

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 55 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Hiển vi điện tử quét bề mặt Scanning Electronic

Phổ tán sắc năng lượng tia X Energy-dispersive X-ray

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1 So sánh kết quả mẫu thực và đo từ điện cực CuO/ITO được chế tạo 46

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ cảm biến sinh học 4

Hình 1.2 Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7 8

Hình 1.3 Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ được đề xuất bởi Pletcher 9

Hình 1.4 Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử và M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa 10

Hình 1.5 Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân thành axit gluconic 11

Hình 1.6 Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO 12

Hình 1.7 Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose 13

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực 14

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM) 20

Hình 1.10 Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể 21

Hình 2.1 Quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO 23

Hình 3.1 Quá trình quét thế vòng của đế ITO từ +0,6 V đến -0,9 V với tốc độ quét thế là 20 mV/s trong các dung dịch khác nhau: a) CuSO 4 0,1M; b) CuSO 4 0,1M; H 2 SO 4 0,1M; c) CuSO4 0,1M; H 2 SO 4 0,1M; d) cả 3 đường trên cùng đồ thị 25

Hình 3.2 Sự phụ thuộc mật độ dòng theo thời gian của quá trình khử Cu2+ tại điện cực từ các dung dịch chất điện li khác nhau 28

Hình 3.3 Ảnh SEM của CuO được chế tạo từ a) CuSO 4 0,1M; b) CuSO 4 0,1M; H 2 SO 4 0,1M; c) CuSO 4 0,1M; Na 2 SO 4 0,1M; d) so sánh kích thước hạt CuO trong hình a, b và c 29

Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X của điện vật liệu CuO trên đế ITO 30

Hình 3.5 Phổ EDS của CuO trên đế ITO 31

Hình 3.6 Quá trình quét thế vòng từ 0 – 0,8V với tốc độ quét thế 20 mV/s của các điện cực a) CuO-C/ITO; b) CuO-H/ITO; c) CuO-N/ITO khi không và có mặt glucose 1 mM trong dung dịch chất điện li NaOH 0,1M 32

Hình 3.7 Quá trình trừ dòng nền theo chiều quét dương của quá trình quét thế

vòng đối với các điện cực CuO-C/ITO, CuO-H/ITO và CuO-N/ITO 34 Hình 3.8 Sự phụ thuộc của mật độ dòng TDN vào nồng độ glucose của các

điện cực a) CuO-C/ITO, b) CuO-H/ITO, c) CuO-N/ITO trong môi trường chất điện li NaOH 0,1M; d) mật độ dòng đỉnh của quá trình oxi hóa glucose của các điện cực CuO/ITO vào nồng độ 35

Hình 3.9 Dòng TDN của các điện cực CuO-N/ITO đối với các nồng độ

glucose khác nhau trong dung dịch điện li NaOH 0,1M của các

điện cực a) CuO-N-3/ITO, b) CuO-N-4/ITO, c) CuO-N-5/ITO, d) CuO-N-6/ITO, và d) CuO-N-7/ITO và e) Sự phụ thuộc peak vào nồng độ của các điện cực CuO-N/ITO 37

Hình 3.10 Sự phụ thuộc thế oxi hóa vào nồng độ của các điện cực

CuO-N/ITO ở các điều kiện chế tạo khác nhau 38 Hình 3.11 Dòng TDN của các điện cực với thời gian điện phân khác nhau 39 Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li nền đối với quá trình phản

ứng glucose tại điện cực: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M và d) sự phụ thuộc dòng TDN của điện cực và nồng

độ ở các nồng độ NaOH khác nhau 40

Hình 3.13 Sự phụ thuộc thế oxi hóa glucose vào nồng độ glucose ở 3 nồng

độ chất điện li NaOH là 0,01M; 0,1M và 1M 41 Hình 3.14 Dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO trong dung

dịch NaOH 0,1M khi không có và khi có mặt glucose 1 mM 42 Hình 3.15 Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO

khi không có và khi có glucose 1 mM 43 Hình 3.16 Dòng chronoamperometry của điện cực đối với glucose nồng độ:

(a) từ 0 đến 2000 µM và (b) từ 0 đến 50 µM 44

Hình 3.17 Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry sau 20 giây của điện

cực đối với glucose ở nồng độ từ 5 µM đến 8 mM 45 Hình 3.18 Dòng chronoamperometry phụ thuộc vào nồng độ các mẫu

thực (*: chỉ các mẫu glucose trong nước) 45

MỞ ĐẦU

Đái tháo đường hay còn gọi là bệnh tiểu đường là nhóm bệnh rối loạn chuyển hóa cacbohydrat, mỡ và protein Đây là nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng số ca tử vong do bệnh tật ở các nước phát triển, ước tính tại Mỹ có khoảng 20,4 triệu ca mắc bệnh đái tháo đường năm 2003 – 2006 [13], con số này được

dự đoán có thể tăng tới 48,3 triệu người vào năm 2050[35] Tổ chức Y tế thế giới cho biết, số người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới năm 2000 khoảng 171 triệu người và dự đoán sẽ tăng lên 366 triệu người vào năm 2030 [55] Nguyên nhân chính của sự gia tăng nhanh chóng số ca mắc bệnh trên là

do lối sống ít vẫn động kết hợp với thói quen ăn uống dẫn đến tỷ lệ béo phì cao

Đã có nhiều thí nghiệm được áp dụng trong việc chẩn đoán và theo dõi triệu chứng của bệnh đái tháo đường.Trong đó, việc xác định nồng độ glucose trong máu là một trong những công cụ hữu hiệu cung cấp các số liệu nhằm tối

ưu hóa hoặc thay đổi các phương thức điều trị cho phù hợp[28] Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị để đo nồng độ glucose đã được nghiên cứu, chế tạo[5] Công nghệ cảm biến đã phát triển rất nhanh và trở thành công cụ phân tích rất hữu dụng với ứng dụng chính chủ yếu trong y học Ngày nay, cảm biến sinh học glucose đóng vai trò quan trọng, là thiết bị tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng hai phương pháp đo để nghiên cứu

và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực đó là phương pháp quét thế vòng và phương pháp chronoamperometry Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực trong khi phương pháp chronoamperometry dùng để xác định nồng độ glucose

Để tăng cường khả năng tính nhạy glucose và giảm giá thành sản phẩm đòi hỏi phải có phương pháp mới, vật liệu mới và quy trình chế tạo đơn giản Chính vì vậy, chúng tôi chế tạo vật liệu điện cực trực tiếp vật liệu lên đế dẫn điện ITO

bằng phương pháp kết tủa điện hóa sử dụng thiết bị điện hóa Autolab 302N – thiết bị sử dụng hệ 3 điện cực

Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã lựa chọn vấn đề nghiên cứu của

luận văn là: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng dụng trong cảm

biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực”

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về cảm biến sinh học glucose

Cảm biến sinh học được định nghĩa như là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi [46]

Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: (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) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được; (iii) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra: có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý [12],[48] Đầu thu sinh học phân tử bao gồm: Đầu thu, enzim, kháng thể, phân

tử axit nucleic và vi sinh vật [9], [27] Bộ phận chuyển đổi bao gồm: chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ[36], trong đó chuyển đổi điện hóa đóng vai trò chủ yếu do chúng có tính chọn lọc, độ nhạy cao, duy trì ổn định và giá thành rẻ Cảm biến điện hóa được chia thành nhiều loại khác nhau như: Cảm biến thế, cảm biến dòng [21], [39], [45]

Mặc dù các phép phân tích điện hóa cổ điển bắt đầu vào năm 1922, khi Heyrovsky đã phát minh ra điện cực giọt thủy ngân và đã đạt giải Nobel, kể từ

đó điện cực làm từ kim loại hiếm và các dạng khác nhau của cacbon là cảm biến được lựa chọn trong những năm gần đây Sự tiến bộ ấn tượng trong lĩnh vực này, và sự ảnh hưởng lên lĩnh vực hóa học phân tích điện hóa ngày càng cao trong những năm gần đây

Thủy ngân là một vật liệu điện cực hấp dẫn trong những năm gần đây bởi

nó có cửa sổ dải thế catot rộng, độ hồi phục cao và bề mặt có khả năng làm mới Điện cực giọt thủy ngân treo và điện cực màng thủy ngân là điện cực làm việc phổ biến nhất trong phân tích tách [51] Rất nhiều phương pháp được phát triển để xác định kim loại, ion, hợp chất cơ kim loại và hợp chất hữu cơ trong phân tích tách tại nồng độ có thể xuống đến 10-10M sử dụng bước xử lý nồng độ

đơn giản Thế anot giới hạn và sự độc hại của điện cực thủy ngân là những bất lợi căn bản của phương pháp Hơn thế nữa, điện cực giọt thủy ngân chỉ ứng dụng để định lượng các ion kim loại và một số phân tử chất hữu cơ Việc không

có khả năng định lượng trực tiếp glucose là giới hạn của loại điện cực này Và đặc biệt điện cực giọt thủy ngân có hạn chế lớn nhất là không có khả năng được chế tạo thành thiết bị cầm tay

Cảm biến sinh học được ứng dụng chủ yếu trong quân đội thử nghiệm, phân tích nhanh nhằm xác định vũ khí sinh học Cảm biến sinh học còn được ứng dụng trọng 1 số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [9]

Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzim được ứng dụng rộng rãi nhất và đã được đưa vào nghiên cứu từ nhiều thế kỉ trước Nhìn chung, việc xác định nồng độ glucose dựa vào phản ứng với một trong ba enzim: hexokinase, Glucose oxidase (GOx) và glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [41], [15] Hexokinase được sử dụng chủ yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai enzim: GOx và GDH Các enzim này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối với glucose [22] Xúc tác bởi enzim GOx có nhiều ưu điểm như: sự chọn lọc cao với glucose, thích ứng với sự thay đổi pH, lực ion, nhiệt độ, do đó các nhà khoa học có thể linh hoạt trong quá trình áp dụng chúng trong thực nghiệm [22], [17], [4]

Hình 1.1 Sơ đồ cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzim GOx cho quá trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và hidro peoxit [54] Để có thể hoạt động với vai trò như một chất xúc tác, GOx cần một cơ chất gắn thêm vào có đặc tính khử (cofactor) –Flavin ađênin nucleotit (FAD) FAD hoạt động như một chất nhận electon chuyển thành FADH2

Glucose + GOx – FAD+ Axit gluconic + GOx – FADH2

Cofactor ban đầu được tái tạo lại bằng phản ứng:

GOx – FADH2 + O2GOx – FAD + H2O2

H2O2 sinh ra bị oxi hóa tại điện cực Pt, mật độ dòng tỉ lệ với lượng H2O2

sinh ra và do đó tỉ lệ với lượng glucose cần đo [20]

H2O2 2H+ + O2 + 2e

Ba phương pháp đo phổ biến được sử dụng cho cảm biến điện hóa glucose đó là: đo sự tiêu thụ oxi, đo lượng H2O2 sinh ra hoặc sử dụng chất trung gian để chuyển electron từ GOx đến điện cực

1.2 Các thế hệ cảm biến glucose

1.2.1 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất

Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzim lần đâì tiên được chế tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyonstrong đó enzim GOx được đặt lên điện cực oxy thông qua màng bán thấm[12] Sự giảm nồng độ oxi tỉ lệ với nồng độ glucose Hai nhà khoa học Updike và Hicks đã đơn giản hóa sự phân tích điện hóa glucose bằng cách duy trì ổn định enzim GOx Họ cố định GOx trong tấm gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [47]

Cảm biến sinh học glucose sử dụng công nghệ của Clark có tính chất thương mại mang lại thành công đầu tiên cho công ty Yellow Springs Instrument Bằng cách đo trực tiếp nồng độ glucose năm 1975 dựa trên sự xác định dòng của H2O2

Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất được dựa trên việc sử dụng chất nền oxy tự nhiên và đo nồng độ H2O2 tạo ra Nguyên tắc của phương pháp

là H2O2 sinh ra bị oxi hóa hoặc khử tại điện cực theo các phương trình sau:

1.2.2 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai

Do sự phụ thuộc vào oxi trong cảm biến thế hệ thứ nhất nên cần phải có chất đi cùng khác thay thế cho oxi, chúng được gọi là chất khử trung gian, thuận lợi cho quá trình chuyển electron từ enzim đến bề mặt điện cực làm việc [33] Kết quả là thế áp vào phụ thuộc vào thế của cặp oxi hóa khử của chất trung gian:

Glucose + GOx (Ox) axit gluconic + GOx (Khử) GOx (Khử) + 2 M(Ox)  GOx (Ox) + 2M(Khử) + 2H+2M (Khử) 2M (Ox) + 2e

Vòng chuyển đổi chất trung gian như vậy sẽ sinh ra một dòng phụ thuộc vào nồng độ của glucose Một số lượng lớn các chất trung gian như: ferrocenes (C10H10Fe), ferricyanide ([Fe(CN)6

3-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp [8] Trong số đó, ferrocenes đáp ứng được tất cả các tiêu chí của một chất trung gian như không phản ứng với oxi, duy trì ổn định cả ở dạng khử hay dạng oxi hóa, không phụ thuộc vào pH, phản ứng nhanh với enzim [10] Trong những năm 80, việc ứng dụng các chất trung gian trong cảm biến sinh học glucose và đưa các sản phẩm thương mại để đo nồng độ glucose trong máu được đẩy mạnh và đã mang lại nhiều dấu ấn đáng kể [59],[34 ], [18] Máy đo

nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc Chúng sử dụng GDH-PQQ và chất trung gian ferrocene [34].Thành công này đã dẫn tới cuộc cách mạng trong y học cho các bệnh nhân bị tiểu đường

1.2.3 Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba

Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba dựa trên sự truyền electron trực tiếp giữa enzim và điện cực mà không cần có mặt của chất trung gian Với sự thay thế các các chất trung gian có độc tính cao, điện cực có thể trao đổi electron trực tiếp bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn điện hữu cơ [29] Bởi vậy, thế hệ cảm biến glucose thế hệ thứ ba đã dẫn đến sự ra đời của các thiết bị cấy ghép cải tiến trong việc xác định nồng độ glucose trong máu Các muối hữu cơ dẫn điện như tetrathiafulvalence-tetracuanoquinodimethane (TTF-TCNQ) được biết đến là chất trung gian điện hóa của GDH-PQQ hay GOx Sự có mặt của chất trung gian dẫn đến sự chọn lọc tương đối cao

Glucose + GOx(Ox) Axit gluconic + GOx (Khử)

GOx (Khử) GOx (Ox) + e

Tuy nhiên, chỉ có một số vài enzim trong đó có peroxidase thể hiện được đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [59][1],[24] Ngoài ra, còn có nhiều cách tiếp cận khác trong việc khảo sát sự truyền electron trực tiếp ở cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba như sử dụng: TTF-TCNQ có cấu trúc tinh thể hình que [29], [38], GOx/polypyrole [43, [50], [37] hay kim cương biến tính boron [56], [57] Một số bán dẫn của oxit kim loại cũng được sử dụng như là vật liệu cho cảm biến sinh học glucose thế

hệ thứ ba [23].Mặc dù có độ nhạy, độ chọn lọc cao nhưng cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba vẫn phải đối diện với vấn đề cố hữu của nó đó là việc sử dụng enzim Với bản chất tự nhiên của enzim là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt

độ thấp và enzim dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo

1.2.4 Cảm biến sinh học glucose không có enzim

Việc sử dụng điện cực không dùng enzim đối với cảm biến glucose được xem như là cảm biến glucose thế hệ thứ tư trong đó glucose bị oxi hóa trực tiếp tại điện cực Nó được khảo sát lần đầu tiên cách đây hàng thế kỉ bởi Walther Loeb dựa trên sự oxi hóa điện hóa của glucose trong axit sunfuric tại điện cực anot bằng chì Điện cực này xuất hiện trước cả điện cực oxy của Clark và sau

đó được nghiên cứu và phát triển song song với điện cực enzim Mặc dù, cảm biến glucose thế hệ thứ tư đã khắc phục được nhiều những vấn đề gặp phải đối với cảm biến glucose sử dụng enzim, đó là cần phải có quá trình cố định enzim phức tạp, cần bảo quản và vận hành ở nhiệt độ thấp, enzim cũng dễ bị rời ra khỏi điện cực Tuy nhiên, độ chọn lọc kém và động học của quá trình oxi hóa glucose chậm tại nhiều điện cực “trần”, sự gây nhiễu đối với điện cực của những phần tử trong mẫu thật Do đó các vật liệu khác nhau dùng để biến tính điện cực đã được nghiên cứu bao gồm các kim loại chuyển tiếp (Pt, Au, Ni, Cu), kim loại oxit, chất bán dẫn (CuO, NiO, CuS), hợp kim (Pt,Pb, Pt,Ru), phức chất (Coban phthalocyanine) và cacbon (dựa trên carbon nanotube, kim cương biến tính boron)

Như ta đã biết glucose trong nước tồn tại ở 3 dạng giữa dạng mạch hở và

2 dạng  và  được gọi là sự quay hỗ biến được mô ta như hình 1.2

Hình 1.2 Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7

Trên hình 1 ta thấy dạng  mạch thẳng có nhóm andehit tự do nằm trung gian giữa 2 dạng  và  ở dạng mạch vòng Khi ở trạng thái cân bằng trong nước tỉ lệ các dạng :: lần lượt là 37:0,003:63 cho thấy hầu hết chúng tồn tại

ở dạng mạch vòng

Cơ chế của quá trình xúc tác của điện cực phụ thuộc vào tâm của kim loại chuyển tiếp Chất phân tích được hấp phụ lên bề mặt điện cực thông qua liên kết gây bởi electron d và obitan d của kim loại trên bề mặt điện cực [40] Quá trình xúc tác điện hóa thường được thấy xảy ra thông qua sự hấp phụ của chất cần phân tích lên bề mặt điện cực, một quá trình có thể liên quan đến electron d và obitan d trên bề mặt kim loại tạo một liên kết với chất bị hấp phụ [40] Pletcher gợi ý rằng quá trình xúc tác có thể diễn ra thông qua một bước kết hợp, tức là quá trình tách hiđro diễn ra đồng thời với quá trình hấp phụ các phần tử hữu cơ Quả thực, bước xác định tỉ lệ trong hầu hết các thực nghiệm oxi hóa điện hóa glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [26] (hình 1.2) và sự hấp phụ hóa học của các chất phân tích được coi là xảy ra đồng thời Điều này có nghĩa là các tâm hoạt động của kim loại có thể sẽ bị chiếm bởi chất hấp phụ đơn lẻ bất cứ lúc nào như sơ đồ hình 1.3

Hình 1.3 Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ

đƣợc đề xuất bởi Pletcher

Như vậy trong quá trình chế tạo và nghiên cứu chất xúc tác điện hóa, cả yếu tố electron và hình học cần phải được chú ý để khai thác triệt để sự tăng cường động học phản ứng bằng cách cung cấp các tâm hấp phụ và gia tăng diện tích bề mặt

Tuy nhiên, đề xuất trung tâm kim loại chuyển tiếp hoạt động trên điện cực chỉ giải thích quá trình hấp phụ trên bề mặt mà không xem xét đến vai trò của oxi hóa của các gốc hidroxyl được thể hiện trong nhiều bài báo đã xuất bản

[31], [26], [49], [3], [32] rằng quá trình oxi hóa điện hóa glucose và nhiều phân

tử hữu cơ khác xảy ra với sự bắt đầu là sự nhóm OHhp hấp phụ Burke [7] đã thảo luận tầm quan trọng của lớp hidroxit kim loại trong quá trình xúc tác điện hóa và đã đề xuất mô hình IHOAM (Incipient Hydrous Oxide Adatom Mediators) Theo mô hình này những nguyên tử bề mặt hoạt động trải qua một bước oxi hóa và hình thành lên lớp OHhp Cơ chế xúc tác theo mô hình này

được thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử

và M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa

Trên hình 1.4: ta thấy vai trò xúc tác của cặp oxi hóa/khử M[OH]ads/M*, trong đó glucose nhận electron từ dạng oxi hóa M[OH]adstạo thành sản phẩm gluconolacton và dạng khử M*

, M*sau đó sẽ cho electron với điện cực Mô hình này thích hợp với kim loại nhóm platin và vàng Nhóm hydroxyl cũng đóng vai trò quan trong quá trình điện phân glucose tại điện cực niken và điện cực đồng

Một lượng lớn các nghiên cứu cảm biến glucose không enzim là bắt đầu với kim loại quý như Pt và Au Nhiều nhà nghiên cứu đã phám phá những biểu

hiện của glucose tại điện cực Pt trong các môi trường khác nhau như axit [44], trung tính và kiềm [49] Một lượng lớn các tác giả đã chỉ ra rằng sản phẩm duy nhất của quá trình oxi hóa glucose là gluco--lacton sau đó thủy phân thành axit gluconic trong bất kỳ điều kiện pH nào

Hình 1.5 Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân

thành axit gluconic

Tuy nhiên nhược điểm của điện cực Pt phụ thuộc mạnh vào điều kiện chất điện li, đặc biệt là vào bản chất và nồng độ của các ion [14] Điều này là bởi sự hấp phụ glucose lên bề mặt có sẵn của Pt Đó là sự hấp phụ cạnh tranh của các anion, đặc biệt là các ion photphat [14], [49], mức độ hấp phụ của hiđro

và hidroxit, đặc điểm các cấu trúc đồng phần của glucose (dạng mạch hở, mạch vòng), tất cả ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hóa học của glucose và do đó ảnh hưởng đến khả năng oxi hóa của glucose Bởi sự phụ thuộc quá trình oxi hóa glucose vào độ hấp phụ của glucose tại bề mặt điện cực nên sự phụ thuộc tuyến tính giữa dòng quá trình oxi hóa glucose vào nồng độ glucose là mất rất nhanh khi bề mặt điện cực bão hòa

Vàng là một kim loại hấp phụ hóa học yếu nhưng có tính hoạt động điện hóa cao hơn platin và do đó cũng thu hút rất nhiều các nghiên cứu như cảm biến glucose không enzim Điện cực vàng nguyên chất có độ chọn lọc cao hơn platin nhưng vẫn có ái lực mạnh với ion clorua trong môi trường trung tính [49] Cụ thể, trong môi trường đệm photphat, tốc độ quá trình oxi hóa glucose giảm tỉ lệ với nồng độ của ion clorua, đặc biệt ảnh hưởng mạnh ở thế kém dương hơn Điều là này do sự hấp phụ của ion clorua mạnh hơn oxi trên bề mặt của vàng

Điện cực Niken đang được khai thác một cách rộng rãi như là chất xúc tác cho quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường kiềm Rất nhiều báo cáo cho rằng, phần tử xúc tác là Ni(III) oxihidroxit bởi cặp oxi hóa khử NiOOH/Ni(OH)2 [6]

Nguyên nhân là do sự thay đổi liên kết bề mặt của trạng thái oxi hóa của niken có thể biểu diễn một cách đơn giản theo phương trình sau:

Ni(OH)2 NiOOH + H+

+ e

Cơ chế xúc tác của điện cực Niken thể hiện trên hình 1.6 [17]

Hình 1.6 Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO

Các điện cực đồng có cơ chế tương tự như điện cực Niken trong quá trình oxi hóa glucose Tuy nhiên cơ chế xúc tác dựa trên cặp CuOOH/CuO tương tự như Niken không có bằng chứng rõ ràng Hiện nay, cảm biến glucose dựa trên điện cực đồng đang được tập trung nghiên cứu bởi độ nhạy rất cao, giới hạn đo nhỏ và khoảng tuyến tính rộng và có khả năng ứng dụng đo trong mẫu thực Như vậy hiện nay có 4 thế hệ cảm biến glucose, trong ba thế hệ đầu tiên, cảm biến glucose dựa trên điện cực enzim, trong khi cảm biến thế hệ thứ tư không sử dụng ezim Cơ chế phản ứng của glucose đối với điện cực của các thế

hệ cảm biến glucose được tóm tắt trên hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose

1.3 Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực

1.3.1 Hệ ba điện cực trong điện hóa học

Hệ ba điện cực là một hệ điện hóa gồm điện cực làm việc, điện cực so sánh

và điện cực đối, trong đó điện cực so sánh là điện cực có thế không đổi, ổn định thường được làm từ điện cực loại hai như điện cực Ag,AgCl|KCl (bão hòa) (trong

đề tài này để đơn giản chúng tôi kí hiệu là Ag/AgCl), hoặc điện cực Calomen Hg,Hg2Cl2|KCl; và một điện cực đối thường là điện cực trơ ví dụ như Ptatin hay vàng Ba điện cực trên được kết nối với một bộ nguồn cấp thế và dòng có thể thay đổi được Thiết bị này được kết nối với máy tính chứa phần mềm điều khiển Sơ

đồ hệ được thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực

Trước đây khi mới ra đời hệ chỉ có 2 điện cực là điện cực làm việc và điện cực so sánh, thế được rơi trên 2 điện cực đồng thời dòng cũng xuất hiện giữa hai điện cực Nhược điểm của hệ 2 điện cực là dòng giữa 2 điện cực sẽ ảnh hưởng đến điện cực so sánh làm thay đổi thế của điện cực so sánh dẫn đến tín hiệu đo được bị nhiễu và không còn chính xác Hệ 3 điện cực được cải tiến dựa trên hệ hai điện cực, trong đó điện cực so sánh được tách thành 2 điện cực là điện cực so sánh và điện cực đối Thế được điều khiển giữa 2 điện cực làm việc

và điện cực so sánh trong khi đó dòng điện thì chạy giữa 2 điện cực làm việc và điện cực đối Vì vậy, dòng không ảnh hưởng gì đến thế của điện cực so sánh, điện cực so sánh sẽ ổn định hơn

1.3.2 Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến sinh học

Hệ 3 điện cực có rất nhiều các phương pháp và kĩ thuật đo khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic

Dung dịch điện li Mẫu phân tích

Voltametry Potentiostatic, Cyclic Voltametry Galvanostatic, v.v; quét tuyến tính: Linear Sweep Voltammetry Potentiostatic, Linear Sweep Voltammetry Galvanostatic, v.v; Phương pháp cực phổ xung vi phân: Differential Pulse Voltametry; Phương pháp cực phổ sóng vuông: Square Wave Voltametry; các phương pháp khác như đo tổng trở; v.v Ngoài các phương pháp dùng để đo các tính chất điện hóa của hệ cần nghiên cứu, hệ 3 điện cực cũng có thể dùng

để ứng dụng để chế tạo vật liệu bằng cách kết tủa điện hóa

Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực vừa dùng để chế tạo vật liệu, vừa được dùng để khảo sát tính chất của vật liệu Vật liệu được chế tạo sử dụng kĩ thuật Chronoamperometry được đặt thế cố định Đồng sẽ được kết tủa trên điện cực trong quá trình điện phân dung dịch CuSO4 Để khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu chúng tôi dùng phương pháp quét thế vòng (hay quét thế tuần hoàn) đồng thời cũng dùng để định lượng hay xây dựng đường chuẩn trong việc xác định nồng độglucose Phương pháp quét thế tuần hoàn – CV (Cyclic Voltammetric) thường được dùng để khảo sát thế oxi hóa khử của một

hệ oxi hóa khử, xác định hệ số khuếch tán và xem xét sự biến thiên thuận nghịch (khả năng có thể phóng và nạp) của vật liệu nghiên cứu Điện thế ở đây biến thiên tuyến tính theo thời gian

Biến thiên điện thế theo thời gian có thể xác định theo các công thức sau:

φ = φđ – v.τ khi 0 <τ<λ

φ = φđ – v.λ+v(τ-λ) khi τ>λ Trong đó: v – Tốc độ quét thế 0,000 mV/s ÷ 1000 mV/s

λ - Thời điểm đổi chiều quét thế, s

τ - Thời gian, s

φđ - điện thế ban đầu (V) Trong phạm vi nghiên cứu, phương pháp quét thế vòng tuần hoàn sử dụng để khảo sát tính chất điện hóa của glucose tại điện cực nghiên cứu

Phương pháp quét thế vòng cho biết quá trình oxi hóa khử của chất nghiên cứu tại điện cực phụ thuộc vào thế và tốc độ quét thế tử đó có thể cho biết tính chất điện hóa của chất nghiên cứu tại điện cực

1.4 Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO

CuO là vật liệu bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng 1,4 đến 1,8 eV, trong lĩnh vực cảm biến được xem là vật liệu rất có triển vọng bởi độc tính thấp, thân thiện với môi trường và có quá trình chế tạo đơn giản CuO được nghiên cứu rộng rãi bởi có nhiều ứng dụng như trong cảm biến khí [25], quang tách nước [11] Hiện nay cảm biến glucose không sử dụng enzim được coi là cảm biến thế hệ thứ tư loại cảm biến này sử dụng các điện cực kim loại quí như Pt, Au, Pd, v.v để phát hiện glucose ở thế thấp và đã được tập trung nghiên cứu [30], [53], [58] Tuy nhiên, nhược điểm của điện cực này là tốc độ phản ứng chậm, độ chọn lọc kém và dễ bị nhiễm độc bởi ion clorua [30], [58] Chính vì vậy, việc chế tạo các điện cực dựa trên các cấu trúc nano của CuO [52], [42], [2], [60] và ứng dụng trong cảm biến glucose đang được quan tâm rất nhiều do các ưu thế như độ ổn định cao, độ nhạy cao và giới hạn đo thấp, đặc biệt không bị độc bởi ion clorua Tuy nhiên việc chế tạo điện cực dựa trên CuO gặp phải vấn đề khó khăn là khả năng bám dính của vật liệu lên đế dẫn CuO sau khi được chế tạo được phân tán trong một dung môi thích hợp sau đó phủ lên bề mặt đế dẫn bằng các phương pháp như nhúng kéo, nhỏ phủ (drop casting) hay quay phủ Phương pháp nhúng kéo và nhỏ phủ thường không cho độ lặp lại cao cũng như tạo bề mặt đồng đều; phương pháp quay phủ đòi hỏi đế dẫn điện có kích thước dạng vuông hoặc tròn và do đó không phủ hợp với việc chế tạo điện cực Các phương pháp có thể lắng đọng trực tiếp Cu lên bề mặt của đế phương pháp PVD (Physical Vapour Deposition - Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha hơi), phương pháp CVD (Chemical Vapour Deposition - phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi), và phương pháp phún

xạ (sputtering), tuy nhiên các phương pháp PVD, CVD cần phải thực hiện ở nhiệt độ cao, phương pháp phún xạ thực hiện ở nhiệt độ thấp nhưng không điều khiển được cấu trúc của vật liệu Hơn nữa tất cả các phương pháp trên đòi hỏi phải có quy trình và thiết bị đắt tiền và việc chế tạo phức tạp [19] Để khắc phục những nhược điểm trên, phương pháp điện phân trực tiếp kim loại lên đế dẫn được chúng tôi quan tâm bởi có thể điều khiển độ dày, cấu trúc của vật liệu thông qua kiểm soát thế, dòng và dung dịch điện li Phương pháp này cho phép chế tạo điện cực hàng loạt và có khả năng ứng dụng trong thực tế

Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị

 Thiết bị Autolab PGS 302 N

 Cân điện tử 4 số Precisa XT 120A- Switland

 Tủ sấy DZ-2A II (Hàn Quốc)

 Lò ủ YEONG SHIN, Đài Loan

 Bình định mức, pipet,cốc thủy tinh, và một số dụng cụ khác

Quá trình xử lý để được thực hiện theo hai giai đoạn như sau:

- Đế ITO được cắt với kích thước 2 x 0,5 (cm)

- Rung siêu âm trong nước cất 2 lần, mỗi lần với thời gian 30 phút, nhiệt

độ 50o

C

- Rung siêu âm trong dung môi C2H5OH, thời gian 45 phút, nhiệt độ 50o

C

- Rung siêu âm trong dung môi aceton, thời gian 30 phút, nhiệt độ 50oC

- Sấy khô bằng dòng khí nitơ

2.2 Điện phân tạo màng

Đế sau khi đã xử lý được kết nối thành điện cực làm việc theo cấu hình 3 điện cực Trong quá trình điện phân tạo Cu, chất điện ly được chúng tôi sử dụng ở đây là dung dịch CuSO4, Cu sẽ được tạo thành và bám trên bề mặt đế ITO theo phản ứng:

Cu2+ + 2e  Cu Ngoài CuSO4, dung dịch được cung cấp thêm chất điện li trơ để tăng độ dẫn điện của dung dịch và đồng thời làm thay đổi cấu trúc bề mặt của vật liệu được tạo thành Ba dung dịch được lựa chọn để khảo sát là:

(0,5 x 1,0)

Việc tạo màng được thực hiện bằng phương pháp thế không đổi

“Chronoamperometry” Trong bình điện hóa ba điện cực, điện cực làm việc (WE) là điện cực ITO trong suốt đã được làm sạch, điện cực đối (RE) là tấm Platin (Pt) và điện cực so sánh (CE) là điện cực Ag/AgCl (SE) Đối với quá trình lắng đọng đồng trên đế ITO thế lắng được khảo sát ở các thế từ -0,1 V đến -0,7 V đối với điện cực so sánh Ag/AgCl Màng Cu được lắng đọng trên đế ITO với các thời gian khác nhau để cho các độ dày khác nhau Điện cực Cu/ITO được tạo thành sau đó được nung ở nhiệt độ 4000C trong lò nung trong

2 tiếng để chuyển điện cực Cu/ITO thành điện cực cần nghiên cứu CuO/ITO

2.3 Khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu

2.3.1 Phương pháp quét điện tử bề mặt (SEM)

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM)

Hình 1.9 trình bày sơ đồ cấu tạo của một kính hiển vi điện tử quét, gồm các bộ phận chính: nguồn phát điện tử, kính vật là một hệ thống thấu kính điện

từ có tác dụng hội tụ chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu, cuộn quét điều khiển chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu, buồng đặt mẫu, các đầu thu tín hiệu, hệ thống hiển thị và lưu trữ số liệu Các electron phát ra từ ống phóng electron được gia tốc bởi điện thế của anot (thường bé hơn 30kV) qua hệ thống thấu kính điện từ, chùm tia electron hội tụ lên bề mặt mẫu nghiên cứu Nhờ cuộn quét, chùm tia electron sẽ quét lên bề mặt mẫu và tương tác với các nguyên tử của bề mặt mẫu đồng thời tia electron cũng quét lên màn hình máy tính Tín hiệu phát ra từ bề mặt mẫu là electron thứ cấp (SE), electron tán xạ ngược (BSE), tia X…Các tia này mang một thông tin đặc trưng của mẫu nghiên cứu và được thu nhận bởi các đầu thu Đầu thu biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại và đưa vào bộ phận xử lý để hiển thị ảnh lên màn hình Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào

độ rộng và tốc độ quét của chùm tia Độ phóng đại ảnh của SEM được xác định bằng tỷ số:

Anot Chùm tia điện tử Ống phóng tia điện tử

Mẫu đo Giá đặt mẫu

Cuộn quét

Màn hình máy tính Thấu kính điện từ

Đầu thu điện tử thứ cấp

D M d

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một phương pháp hiệu quả dùng để xác định đặc trưng lý hóa của vật liệu và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ Phương pháp này dùng để phân tích pha: kiểu và lượng pha

có mặt trong mẫu, ô mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, sức căng cũng như phân bố electron Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc có nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff - Bragg

Hình 1.10 Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể

Trên hình 1.10 trình bày hiện tượng nhiễu xạ XRD trên họ mặt mạng tinh

thể (mặt phẳng Bragg) có khoảng cách giữa hai mặt liền kề d Dễ nhận thấy

hiệu quang trình giữa hai tia phản xạ từ hai mặt phẳng này là 2dsin, trong đó 

là góc giữa tia tới và mặt phẳng mạng Với các sóng phản xạ từ những mặt phẳng Bragg thoả mãn điều kiện của sóng kết hợp: cùng tần số và có độ lệch

pha không đổi theo thời gian thì cường độ của chúng sẽ được nhân lên theo định luật giao thoa Công thức diễn tả định luật này chính là nội dung cơ bản của phương trình Bragg:

2dsin = n Trong đó  là bước sóng nguồn tia X sử dụng; n = 1, 2, 3, là bậc nhiễu

xạ Thông thường trong thực nghiệm chỉ nhận được các nhiễu xạ ứng với n = 1

Từ phương trình Bragg, nhận thấy đối với một họ mặt mạng tinh thể (d đã biết) thì ứng với giá trị nhất định của bước sóng tia Rơnghen sẽ có giá trị 

tương ứng thoả mãn điều kiện nhiễu xạ Nói cách khác, bằng thực nghiệm trên máy nhiễu xạ tia Rơnghen chúng ta sẽ nhận được tổ hợp của các giá trị dhkl đặc trưng cho các khoảng cách mặt mạng theo các hướng khác nhau của một cấu trúc tinh thể Bằng cách so sánh tổ hợp này với bảng tra cứu cấu trúc trong các tệp dữ liệu về cấu trúc tinh thể hoặc của các mẫu chuẩn có thể cho chúng ta thấy được thành phần pha cũng như cấu trúc tinh thể của mẫu nghiên cứu

2.3.3 Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS)

Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) là một phương pháp kĩ thuật dùng dể phân tích thành phần hóa học của một vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ ( mà chủ yếu là chùm electron có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử)

Khi chùm electron có mức năng lượng cao được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp electron bên trong của nguyên tử Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỷ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử tuân theo định luật Mosley: Tần

số của tia X phát ra đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho ta các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này

Phổ tia X phát ra có tần số ( năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng, do đó ghi nhận thông tin về nguyên tố cũng như thành phần

2.4 Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose

- Điện cực CuO/ITO sau khi được chế tạo được phủ một lớp epoxy trên một phần bề mặt để lại một phần diện tích của điện cực làm việc là 0,5 x 0,5 (cm) Hình 2.1 mô tả quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO dùng làm điện cực phát hiện glucose

Hình 2.1 Quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO

- Tính chất điện hóa của điện cực được chế tạo đối với glucose được khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng từ 0 – 0,8 (V) với tốc độ quét thế là

20 mV/s trong các dụng dịch NaOH nồng độ là 0,01 M; 0,1M; 1M và với nồng

độ glucose khác nhau

2.5 Xác định nồng độ glucose trong dung dịch

Nồng độ glucose trong dung dịch được xác định theo phương pháp Chronoamperometry trong đó một thế oxi hóa glucose được áp vào điện cực và

đo dòng theo nồng độ glucose Từ đó xây dựng đường chuẩn xác định phụ thuộc mật độ dòng vào nồng độ glucose

2.6 Nghiên cứu trên mẫu giả thực

Máu người được xử lý tách hồng cầu để thu được huyết thanh tại bệnh viện Đa khoa huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên, sau đó được đo nồng độ glucose trên thiết bị của bệnh viện Huyết thanh sau đó được mang về phòng thí