Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanhNghiên cứu, chế tạo điện cực CuSITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM

LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

THÁI NGUYÊN – 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM

LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH

Hóa Phân Tích

Mã ngành: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quốc Dũng

THÁI NGUYÊN - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

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

phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh” 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 04 năm 2018

Tác giả luận văn

ii

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

giáo trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành 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 04 năm 2018

Tác giả

Đỗ Thị Ngọc Ánh

iii

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 Khái niệm 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 6

1.2.4 Cảm biến sinh học glucose không có enzym 7

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 15

1.4 Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuS 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 Chế tạo điện cực 19

2.2.1 Chế tạo Cu 19

2.2.2 Chế tạo CuS 19

2.2.3 Tiến hành phủ CuS lên đế ITO 19

iv

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 19

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19

2.3.2 Phương pháp phổ Raman 21

2.3.3 Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) 21

2.4 Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuS/ITO đối với glucose 22

2.5 Xác định nồng độ glucose trong dung dịch 22

2.6 Nghiên cứu trên mẫu thực 22

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

3.1 Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu và CuS 23

3.2 Tính điện hóa của điện cực CuS/ITO xác định nồng độ glucose trong nước 27 3.3 Phương pháp chronoamperometry (CA) phân tích nồng độ glucose trong dung dịch 33

3.4 Phương pháp amperometry (AP) phân tích nồng độ glucose trong dung dịch 40 3.5 Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực 43

KẾT LUẬN 49

KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC

iv

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

Quá trình điện di Electrophoresis

deposition process EDP

v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng so sánh đối với các thế khi đo Chrono amperometry 40 Bảng 3.2 Bảng so sánh đối với các thế khi đo Amperometry 43 Bảng 3.3 Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương

pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,45V 44 Bảng 3.4 Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương

pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,4V 45 Bảng 3.5 Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương

pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V 46 Bảng 3.6 Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương

pháp AP sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V 48

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

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

Hình 3.1 Ảnh SEM của Cu & CuS dạng bột: (a) Cu; (b) CuS 23

Hình 3.2 Ảnh SEM của CuS trên đế ITO 24

Hình 3.3 Phổ EDS của CuS trên đế ITO 25

Hình 3.4 Phổ Raman của CuS: (a) CuS ở dạng bột; (b) CuS màng trên đế ITO 26

Hình 3.5 Quá trình quét thế vòng với tốc độ quét thế 20 mV/s của điện cực (a) ITO và (b) CuS/ITO trong NaOH 0,1M 28

Hình 3.6 Sơ đồ oxi hóa glucose trên điện cực CuS 29

Hình 3.7 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 30

Hình 3.8 Dòng TDN của điện cực CuS/ITO đối với các nồng độ chất điện li NaOH khác nhau: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M 32

Hình 3.9 Dòng CA của điện cực CuS/ITO trong dung dịch NaOH 0,1M khi không có và khi có mặt glucose 1 mM 34

Hình 3.10 Sự phụ thuộc mật độ dòng của điện cực CuS/ITO khi không có mặt và khi có mặt glucose 1 mM ở các thế: a) 0,35V; b) 0,4V; c) 0,45V; d) 0,5V;e) 0,55V; f) 0,6V; g) 0,65V; h) sự phụ thuộc dòng TDN của điện cực vào các thế khác nhau 35

Hình 3.11 Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V: a) từ 0 đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM 36

vii

Hình 3.12 Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V: a) từ 0

đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM 37

Hình 3.13 Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V: a) từ 0

đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM 38

Hình 3.14 Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V: a) từ 0

đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM 39

Hình 3.15 Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V

41 Hình 3.16 Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V 41 Hình 3.17 Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V

42 Hình 3.18 Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V 42

Hình 3.19 Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,45V (* chỉ các mẫu

glucose trong nước) 44

Hình 3.20 Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,4V (* chỉ các mẫu

glucose trong nước) 45

Hình 3.21 Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các

mẫu glucose trong nước) 46

Hình 3.22 Dòng AP phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các

mẫu glucose trong nước) 47

1

MỞ ĐẦU

Bệnh đái tháo đường, thường được gọi là bệnh tiểu đường, nó đã trở thành một bệnh phổ biến Theo Tổ chức Y tế Thế giới, có khoảng 350 triệu người trên toàn thế giới bị bệnh tiểu đường, và người ta dự báo bệnh đái tháo đường sẽ là nguyên nhân thứ 7 gây tử vong cao vào năm 2030 [9] Bệnh tiểu đường được đặc trưng bởi tăng lượng glucose (đường) trong máu, có thể là do sản xuất insulin không đủ trong cơ thể (bệnh tiểu đường loại 1) hoặc do bản thân cơ thể không

có khả năng sử dụng insulin tự sản xuất (tiểu đường loại 2) [22] Insulin là một hooc môn giúp các tế bào của cơ thể được hấp thụ được glucose trong máu Cả hai loại bệnh tiểu đường loại 1 và loại 2 có thể được điều trị bằng cách cung cấp cho cơ thể lượng insulin cần thiết Tuy nhiên, nếu insulin không được cung cấp, mức đường trong máu có thể tăng đến mức mà mắt, thận, tim và các dây thần kinh có thể bị tổn thương [22] Cả việc giám sát chính xác và kiểm soát chặt chẽ mức glucose trong máu là cần thiết để chẩn đoán và điều trị bệnh tiểu đường Do

đó, thường xuyên kiểm tra nồng độ glucose sinh lý là rất quan trọng để tránh nguy cơ tiểu đường như hạ đường huyết trong máu (nồng độ đường trong máu rất thấp) cũng như ngăn ngừa các biến chứng lâu dài phát sinh bao gồm nhồi máu

cơ tim, đột quỵ, cao huyết áp, suy thận, mù lòa và cắt bỏ chi [32] Người ta khuyên bệnh nhân mắc bệnh đái tháo đường phải kiểm tra lượng đường trong máu hàng ngày để đảm bảo chúng nằm trong phạm vi an toàn Do đó, để chăm sóc và quản lý bệnh đái tháo đường đúng cách, đo lượng đường trong máu chính xác là rất quan trọng Các phép đo này thường được thực hiện bằng xét nghiệm máu Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị dùng để đo nồng độ glucose

đã được nghiên cứu và chế tạo [1] 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

2

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng các phương pháp điện hóa để nghiên cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực Phương pháp chrono amperometric và phương pháp amperometry 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

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 CuS/ITO bằng phương pháp điện

hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh”

3

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm cảm biến sinh học Glucose

Ngày nay, việc xác định glucose càng đòi hỏi độ nhạy, độ chọn lọc cao, ổn định, dễ chế tạo và không độc Cảm biến glucose là thiết bị dùng để xác định nồng độ glucose trong dung dịch Glucose được xác định bằng cách chuyển thành tín hiệu đo được Để đáp ứng được những nhu cầu này, một bước tiến tới cảm biến glucose không dùng enzym đã được phát triển Những cảm biến mới này đã thu được sự quan tâm đáng kể do khả năng của chúng đạt được để theo dõi lượng glucose một cách liên tục, có độ ổn định cao so với cảm biến glucose truyền thống và dễ chế tạo Nghiên cứu đã được mở rộng hướng tới việc cảm biến glucose không dùng enzym từ các vật liệu mới, thường có cấu trúc micro hoặc nano, có các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cảm biến sinh hóa điện hóa Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu bao gồm các kim loại quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme, v.v được nghiên cứu như là chất xúc tác điện hóa đối với quá trình oxy hóa glucose

Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: Đầu thu sinh học: có tác dụng xác định sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể

đo được; Bộ phận thiết bị xử lý và 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 [8] Đầu thu sinh học phân tử có thể là: enzym, kháng thể, phân tử axit nucleic và vi sinh vật, v.v [5]

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 [26], 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 [15], [29] 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

4

số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [5] Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzym 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 enzym: Hexokinase, Glucose oxidase (GOx) và Glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [11] Hexokinase được sử dụng chủ yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai enzym: GOx và GDH Các enzym này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối với glucose [17] Xúc tác bởi enzym 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 [13], [17]

Hình 1.1 Sơ đồ cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzym GOx cho quá trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và hidro peoxit [38] 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

5

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 [14]

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 enzym lần đầu tiên được chế tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyons, trong đó enzim GOx được đặt lên điện cực oxy thông qua màng bán thấm [8] 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 enzym GOx Họ cố định GOx trong tấm gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [36]

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:

H2O2 + 2e  2OH- (dòng catot)

H2O2+2H+ +2e  2H2O (dòng anot) Phương pháp trên khá đơn giản, tuy nhiên có nhược điểm do ảnh hưởng của oxi hòa tan trong dung dịch và H2O2 sinh ra bị oxi hóa ở thế rất dương hoặc bị khử ở thế rất âm nên ảnh hưởng của chất nhiễu là rất đáng kể Do đó để có độ chọn lọc cao thì phải chọn thế thấp, tuy nhiên khi đó độ nhạy là rất thấp

6

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 enzym đến bề mặt điện cực làm việc [24] 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)63-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp [4] 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 enzym [6] 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 [25], [43] Máy đo nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc Dựa trên enzym Glucose dehydrodenase Pyrroloquinolinen Quinone (GDH-PQQ) và chất trung gian ferrocene [25] 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 enzym 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 [23] 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

7

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 enzym trong đó có peroxidase thể hiện được đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [18], [43] 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 [23], GOx/polypyrole [28], [33] 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 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 enzym Với bản chất tự nhiên của enzym là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt

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

1.2.4 Cảm biến sinh học glucose không có enzym

Việc sử dụng điện cực không dùng enzym 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 enzym 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 enzym Tuy nhiên bị giới hạn bởi 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

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

Trên hình 1.2 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 [30] 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 [30] 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

9

glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [20] (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

được 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 đưa ra trong nhiều bài báo đã xuất bản [20], [37] 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 [3] 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

10

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]ads tạo 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 enzym 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 [34], trung tính và kiềm [37] 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

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 enzym 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 [37] 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

Cơ chế xúc tác của điện cực Niken thể hiện trên hình 1.6 [13]

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 Trong đó điện cực CuO cũng được cho là bề mặt hình thành cặp oxi hóa khử CuOOH/CuO Ngoài CuO, các hợp chất khác của đồng như Cu2O, CuS cũng đang được chú ý nghiên cứu và cơ chế cho quá trình điện hóa glucose tại điện cực cũng đang được xem xét

Như vậy hiện nay có 4 thế hệ cảm biến glucose, trong ba thế hệ đầu tiên, cảm biến glucose dựa trên điện cực enzym, trong khi cảm biến thế hệ thứ tư không sử dụng ezym Cơ chế phản ứng của glucose đối với điện cực của các thế

hệ cảm biến glucose được tóm tắt trên hình 1.7

13

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

14

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

15

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 các kỹ thuật đo khác nhau tùy vào mục đích nghiên cứu Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic 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

Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực được dùng để khảo sát tính chất của vật liệu 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 độ glucose 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

Phương pháp Chrono amperometry – đo dòng thời gian (CA) là một phương pháp của phân tích điện hóa, trong đó tín hiệu ở đầu ra là dòng khi áp một thế cố định lên điện cực Dòng này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ nhất định của chất cần phân tích Trong quá trình hoạt động của cảm biến các phản ứng oxi hóa - khử sẽ xảy ra trên bề mặt điện cực, các electron di chuyển từ dung dịch tới điện cực làm việc hoặc ngược lại Hướng di chuyển của các electron phụ thuộc vào bản chất của chất phân tích và được kiểm soát bởi điện áp đặt vào hệ Phương pháp đo dòng được thực hiện trên hệ điện hóa được thiết lập gồm hai hay ba điện cực

Phương pháp Amperometry (AP) nguyên lý hoạt động tương tự như phương pháp CA tuy nhiên phương pháp này khác phương pháp CA ở chỗ khi

đo dòng bằng phương pháp này thì quá trình khuếch tán được loại bỏ còn phương pháp CA thì không

16

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

CuS 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 CuS được nghiên cứu rộng rãi bởi có nhiều ứng dụng như trong cảm biến khí, quang điện và ổn định nhiệt [19], [35], [16] Hiện nay cảm biến glucose không

sử dụng enzym 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 [41] Tuy nhiên, các loại điện cực này cho thấy những hạn chế về độ nhạy, độ chọn lọc kém, chi phí cao Trong khi đó các điện cực dựa trên Cu và Ni kim loại mặc dù có độ nhạy cao, phát hiện glucose ở thế thấp nhưng yếu điểm là dễ bị nhiễm độc bởi ion clorua Các điện cực dựa trên hợp chất của Cu và Ni như CuO, NiO, Cu2O đang được tập trung nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ CuS cũng đang được quan tâm nghiên cứu nhưng chưa nhiều mặc dù như ta thấy CuS là hợp chất có tích số tan rất thấp hứa hẹn một điện cực rất bền trong các môi trường, kể cả axit Tác giả Xiaojun Zhang và cộng sự đã chế tạo ống nano CuS bằng cách khử đồng nitrat và natri thiosunphat ở 150 oC trong 12 giờ trong autoclave bằng thép không gỉ Teflon Vật liệu thu được sau

đó được phân tán trong Nafion và nhỏ lên bề mặt điện cực cacbon thủy tinh Tuy

có độ nhạy cao nhưng khoảng tuyến tính chỉ từ 1 đến 5 μM [42] Tác giả Lei Qian và cộng sự đã công bố phương pháp chế tạo trực tiếp CuS lên điện cực Cu bằng cách đặt điện cực Cu trong dung dịch chứa thioure và đồng clorua Sau một thời gian điện cực được nhúng trong NaOH 1mM để tạo thành hệ CuS/Cu Kết quả cho thấy khoảng tuyến tính từ 0,2 μM đến 2,5 mM với độ nhạy cao 3135 μAcm-2mM-1 [31] Tác giả Xiaoyi Yan và cộng sự đã công bố cảm biến glucose dựa trên cấu trúc composite của CuS ở dạng nano mảnh (nanoflakes) với graphene oxit Kết quả cho thấy khoảng tuyến tính từ 1 đến 2000 μM với độ nhạy 53,5 μAcm-2mM-1 [39] Tác giả Amit Kumar Dutta và cộng sự đã chế tạo các hạt

17

nano CuS có tác dụng giống như một enzyme peroxidase ứng dụng trong cảm biến glucose, sử dụng phương pháp đo quang định lượng glucose Kết quả với khoảng tuyến tính xác định glucose từ 2 đến 1800 μM [12] Các công bố trên tuy cho kết quả độ nhạy glucose cao, tuy nhiên quy trình chế tạo phức tạp và đặc biệt trong quá trình chế tạo điện cực cần có giai đoạn đưa vật liệu lên bề mặt điện cực dẫn để đảm bảo quá trình bám dính Đầu tiên vật liệu được phân tán trong trong dung môi ở dạng huyền phù, sau đó được nhỏ lên điện cực dẫn Nhược điểm của phương pháp này là khó kiểm soát được quá trình bám dính của vật liệu đối với điện cực cũng như độ dày và độ đồng đều của vật liệu trên điện cực Sau khi được chế tạo, CuS được phân tán trong một dung môi thích hợp sau đó phủ lên bề mặt

đế dẫn bằng các phương pháp điện di CuS lên đế ITO được chúng tôi sử dụng trong luận văn này Phương pháp điện di sẽ tạo bề mặt CuS đồng đều, đồng thời kiểm soát được độ dày màng bằng cách thay đổi thế điện di cũng như thời gian điện di

 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, micropipette, cốc thủy tinh, và một số dụng cụ khác

2.1.2 Hóa chất

 Các hóa chất gốc CuSO4.5H2O; NaOH rắn; thio urea (CH4N2S6); glucose ngậm nước (C6H12O6.H2O); etylenglicol (C2H4(OH)2); etylen dianin (EDA 99%); hidrazin (N2H4 95%); isopropyl alcohol (IPA); Mg(NO3)2.6H2O; n-butanol; triethenolamine

 Nước cất 1 lần, nước cất 2 lần

 Cồn tuyệt đối

 Đế ITO

2.1.3 Xử lý đế ITO

 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 50oC Rung siêu âm trong dung môi C2H5OH, thời gian 45 phút, nhiệt

độ 50oC

 Rung siêu âm trong dung môi aceton, thời gian 30 phút, nhiệt độ 50o

 Sấy khô bằng dòng khí nitơ

và 25 µL dung dịch Hidrazin vào, phản ứng xảy ra trong 2 giờ [40] Đồng được hình thành sẽ nổi lên trên bề mặt dung dịch, khi phản ứng kết thúc chúng tôi rửa sản phẩm bằng nước cất và etanol nhiều lần

2.2.2 Chế tạo CuS

Từ các dây đồng đã được chế tạo, chúng tôi tiến hành phân tán 6,4 mg đồng bằng máy rung siêu âm trong 20 mL dung dịch Etylenglicol và 15,2 mg Thioure Phản ứng được giữ ở 800C trong 12 giờ [7] CuS thu được bằng cách ly tâm hỗn hợp và được rửa lại nhiều lần bằng nước và etanol

2.2.3 Tiến hành phủ CuS lên đế ITO

Khi đã có CuS chúng tôi tiến hành phủ nó lên đế ITO bằng phương pháp điện di (Electroforesis Deposition Process - EDP) được thực hiện bằng cách cho 6,4 mg CuS được phân tán trong 60 mL isopropyl alcohol (IPA) trong cốc thể tích 100 mL Sau đó, dung dịch rung với sóng siêu âm trong 120 phút để dung dịch đồng nhất Để tạo được điện tích trên CuS, 10-5-10-4 mol Mg(NO3)2.6H2O

đã được thêm vào trong dung dịch huyền phù làm chất điện li Đặt nguồn điện một chiều vào hai điện cực, trong đó, điện cực âm là tấm ITO và điện cực dương

là tấm Pt, hai điện cực được đặt song song và cách nhau 1cm với điện áp đặt vào

là 100 V CuS tích điện dương và di chuyển về cực âm là đế ITO hình thành điện cực CuS/ITO Hệ được nung trong tủ sấy ở 60oC trong 30 phút

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm

20

các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Có nghĩa là SEM cũng nằm trong nhóm các thiết bị

phân tích vi cấu trúc vật rắn bằng chùm điện tử

Hình 2 1 Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quét bề mặt mẫu bằng một chùm tia điện

tử hội tụ cao trong chân không, thu thập thông tin (tín hiệu) từ mẫu phát ra, tái

tạo thành một hình ảnh lớn hơn của bề mặt mẫu và hiển thị lên màn hình

Khi chiếu vào mẫu bằng chùm tia điện tử trong chân không: điện tử thứ cấp (SE), điện tử tán xạ ngược (BSE), tia X đặc trưng, và các tín hiệu khác được hình thành như mô tả ở hình bên trên Trong kính hiển vi điện tử quét SEM các tín hiệu SE và BSE thường được sử dụng để tạo nên ảnh Các điện tử thứ cấp SE

21

được sinh ra ở lớp gần bề mặt mẫu, và ảnh SE thu được từ các điện tử này phản ánh chi tiết cấu trúc địa hình mẫu BSE là các điện tử phản xạ ngược trở lại sau khi va vào các nguyên tử trên bề mặt mẫu, số lượng điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào thành phần (nguyên tử số, hướng tinh thể v.v.) của mẫu Do đó ảnh BSE phản ánh sự phân bố thành phần cấu tạo của bề mặt mẫu Đầu dò tia X cũng

có thể gắn trên SEM cho phép phân tích thành phần nguyên tố Do đó SEM không chỉ được sử dụng để quan sát cấu trúc mẫu mà còn được dùng để xác định

và định lượng nguyên tố

2.3.2 Phương pháp phổ Raman

Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser cường độ mạnh trong vùng tử ngoại - khả kiến (ν0) và chùm ánh sáng tán xạ thường được quan sát theo phương vuông góc với chùm tia tới Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại : một được gọi là tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số giống với tần số chùm tia tới (ν0); loại còn lại được gọi là tán xạ Raman, rất yếu (10-5 chùm tia tới ) có tần

số là ν0 ± νm , trong đó νm là tần số dao động phân tử Vạch ν0 - νm được gọi là vạch Stockes và vạch ν0 + νm gọi là vạch phản Stockes Do đó, trong quang phổ Raman, chúng ta đo tần số dao động (νm) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới (ν0) Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng tử ngoại - khả kiến mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất hiện

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 để 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

tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử tuân theo định luật Mosley: Tần số của

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

Điện cực CuS/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) 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 Chrono amperometry và Amperometry 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 thực

Máu người được xử lý tách hồng cầu để thu được huyết thanh tại bệnh viện

Đa khoa trung ương Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên, sau đó nồng độ glucose được đo trên thiết bị của bệnh viện Huyết thanh sau đó được mang về phòng thí nghiệm và pha thêm glucose hoặc nước để thu được các mẫu có nồng độ khác nhau biểu thị nồng độ glucose trong máu của người không mắc bệnh tiểu đường đến nồng độ cao của những người mắc bệnh tiểu đường Kết quả đo dòng của các dung dịch trên dựa vào đường chuẩn để xác định nồng độ và so sánh với nồng độ được pha để từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của điện cực

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

23

3.1 Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu và CuS

Hình thái bề mặt của vật liệu được xác định bằng phương pháp đo SEM Hình 3.1 (a) là ảnh SEM của vật liệu Cu sau khi chế tạo Ta có thể thấy cấu trúc của Cu với tỉ lệ tương quan giữa kích thước chiều dài và đường kính lớn, chiều dài vào khoảng 9µm Hình phóng đại hình 3.1 (a) cho thấy rõ kích thước đường kính của dây đồng vào khoảng 200 đến 300 nm Hình 3.1 (b) là ảnh bề mặt SEM của CuS sau khi chuyển hóa Cu trong sang CuS Ta thấy chiều dài của các dây CuS là khoảng 2 đến 3 µm, so sánh với độ dài của dây Cu cho thấy kích thước chiều dài ngắn lại Điều này có thể là do dây Cu bị gãy trong quá trình rung siêu

âm để phân tán Cu vào etylenglycol hoặc bị gãy trong quá trình chuyển hóa Cu thành CuS Hình phóng đại hình 3.1 (b) là kích thước ở độ phóng đại cao hơn cho thấy kích thước của dây CuS có đường kính khoảng từ 300 đến 400 nm, kích thước này lớn hơn so với Cu, sự gia tăng tích thước là do Cu chuyển thành CuS

Hình 3.1 Ảnh SEM của Cu & CuS dạng bột: (a) Cu; (b) CuS

Hình 3.2 là hình thái bề mặt SEM của CuS trên đế ITO Ta có thể thấy rõ CuS với cấu trúc dạng sợi được phân bố đồng đều trên đế ITO với cấu trúc xốp Kích thước chiều dài của các dây CuS trên ITO vào khoảng từ 3µm, đường kính khoảng 300 nm tương đương với kích thước của CuS được chế tạo khi chưa được