Nghiên cứu phát triển điện cực biến tính với graphen oxit để phân tích axit ascorbic, paracetamol và caffein bằng phương pháp von ampe hòa tan tt

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRẦN THANH TÂM TOÀN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VỚI GRAPHEN OXIT ĐỂ PHÂN TÍCH AXIT ASCORBIC, PARACETAMOL VÀ CAFFEIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE HOÀ TAN Ngành: Hóa Phân tích Mã số: 944.01.18 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA PHÂN TÍCH HUẾ -NĂM 2020 Cơng trình hồn thành Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hải Phong Phản biện 1: ………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………… Phản biện 3: ………………………………………………… Luận án bảo vệ trước hội đồng cấp: Đại học Huế vào lúc ngày năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: ………………………… MỞ ĐẦU Năm 2004, hai nhà vật lý người Nga Andrei Geim Konstantin Sergeevich Novoselov thuộc Đại học Manchester, Anh bóc tách thành công graphen từ graphit đến năm 2010, Andrei Geim Konstantin Sergeevich Novoselov nhận giải thưởng Nobel vật lý Do tính chất ưu việt graphen như: trơ mặt hóa học, độ bền học lớn (gấp hàng trăm lần so với thép), độ dẫn điện nhiệt cao, Thêm vào đó, graphen vật liệu sở cấu trúc graphen ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghệ khác như: lưu trữ lượng, vật liệu hấp phụ xúc tác, vật liệu xử lý môi trường, điện, điện tử đặc biệt vật liệu cảm biến (sensor), Các loại vật liệu cảm biến, nghiên cứu phát triển cảm biến khí cảm biến điện hóa Chính vậy, nghiên cứu graphen vật liệu sở graphen nhiều nhà khoa học nước giới tập trung nghiên cứu Hiện nay, việc tổng hợp graphen, thường dựa sở việc oxy hóa graphit phương pháp khác nhau, để tạo thành graphit oxit (GrO) graphen oxit (GO) hợp chất trung gian graphit grephene Tiếp theo tiến hành khử nhóm chức có chứa oxy phương pháp khác nhau, chẳng hạn như: phương pháp hóa học, phương pháp điện hóa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi sóng phương pháp nhiệt,… Phương pháp tổng hợp sản phẩm trung gian GrO GO chủ yếu phương pháp Hummers cải tiến Nhiều nghiên cứu cải tiến phương pháp Hummers cách thay đổi tác nhân oxy hóa Chẳng hạn như, thay KMnO4 NaNO3 K2S2O8 P2O5, thay NaNO3 H3PO4 GrO hoặc/và GO xem vật liệu sử dụng xử lý mơi trường, cảm biến khí đặc biệt cảm biến điện hóa Điều thể qua hai tác giả Alagarsamy Pandikumar Perumal Rameskumar chủ biên sách “Graphene-based electrochemical sensors for biomolecules”, bao gồm 13 Chương 364 trang năm 2019 Song, để ứng dụng thực tế, cần phải biến tính chức hóa số nhóm chức GrO GO Tùy vào mục đích sử dụng mà việc biến tính chức hóa có khác Trong lĩnh vực phân tích điện hóa, Bas S.Z sử dụng nano vàng GO xác định đồng thời hydrogen peroxide (H2O2) glucose, sulfamethazine Dong Y biến tính điện cực glassy carbon (GCE) nano vàng graphen với giới hạn phát (LOD) axit ascorbic 10–9 M Guo Z xác định dopamine GCE biến tính với GO-Ag/P(L-lysine) với LOD đạt đến 0,03 µM,… Trong vài năm gần đây, nhiều cơng trình nghiên cứu chuyển dạng GO thành graphen oxit dạng khử (Reduced Graphene Oxide – rGO), tức loại bỏ số nhóm chức chứa oxy cấu trúc GO Q trình chuyển dạng thực phương pháp nhiệt, hóa học,… phương pháp điện hóa (Electrochemically Reduced Graphene Oxide – ERGO) Phương pháp điện hóa phương pháp xem “Phương pháp xanh” có nhiều ưu điểm: - Tiết kiệm mặt kinh tế thời gian; - Khơng sử dụng hóa chất độc hại nguy hiểm đó, thân thiện với môi trường Mặt khác, sản phẩm tổng hợp khơng bị nhiễm bẩn hóa chất dư thừa dễ làm - Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát hiệu suất sản phẩm sau trình khử - Một ưu điểm trội phương pháp ERGO thực trực tiếp bề mặt điện cực làm việc theo kiểu in situ Trong phương pháp phân tích hóa lý (phân tích cơng cụ), phương pháp phân tích điện hóa nói chung phương pháp von-ampe hịa tan (SV) nói riêng phương pháp có nhiều ưu điểm như: độ nhạy, độ xác, tính chọn lọc cao giới hạn phát thấp, đặc biệt chi phí thiết bị chi phí phân tích rẻ đó, thích hợp cho việc xác định trực tiếp đồng thời số hợp chất hữu Đặc biệt đối tượng mẫu như: mẫu nước tiểu huyết thanh, môi trường nước, mẫu dược phẩm thực phẩm,… Chính từ ưu điểm trên, phương pháp khử điện hóa hướng nghiên cứu mà nhiều nhà khoa học nghiên cứu Qua cho thấy khả áp dụng vật liệu ERGO khử trực tiếp điện cực phương pháp điện hóa để xác định đồng thời số hợp chất hữu có tính khả thi điều kiện phịng thí nghiệm Việt Nam Đó lý chọn đề tài luận án: "Nghiên cứu phát triển điện cực biến tính với graphen oxit để phân tích axit ascorbic, paracetamol caffein phương pháp Von-ampe hồ tan” Những đóng góp luận án: Đã tiến hành khảo sát điều kiện thực nghiệm cho phương pháp von-ampe hịa tan anot sóng vng xác định AA, PA CA Đã đánh giá độ tin cậy phương pháp qua thông số thống kê sau: - Độ lặp lại tốt với RSD Ip dao động từ 0,90% đến 2,71%; - Giới hạn phát hiện: AA: 0,073 µM giới hạn định lượng từ 0,22 đến 0,29 μΜ; PA: 0,033 µM giới hạn định lượng từ 0,10 đến 0,13 μM; CA: 0,068 µM giới hạn định lượng từ 0,21 đến 0,27μM Tiến hành áp dụng thực tế PA CA mẫu dược phẩm Panadol Extra, Hapacol Extra , Tatanol, Effe Paracetamol, Ameflu day time C Efferalgan Vitamin C xác định AA, CA số mẫu nước giải khát thị trường Thừa Thiên Huế (Number One, Sting max gold Wake-up 247) Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu phương pháp von – ampe hòa tan anot 1.2 Giới thiệu vật liệu graphen 1.3 Sơ lược paracetamol, axit ascorbic, caffein 1.4 Các phương pháp xác định paracetamol, axit ascorbic caffein 1.5 Tổng quan ứng dụng phương pháp thiết kế tối ưu Chương MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu Ứng dụng graphen oxit tổng hợp để biến tính điện cực nhằm phân tích đồng thời axit ascorbic, paracetamol caffein 2.2 Nội dung nghiên cứu Tổng hợp vật liệu graphit oxit (GrO) graphen oxit (GO) phương pháp Hummers cải tiến Khảo sát điều kiện thí nghiệm thích hợp đến q trình tổng hợp ERGO phương pháp von-ampe vòng (CV) điện thời gian (E-t); Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến q trình biến tính điện cực Nghiên cứu trình phản ứng ascorbic acid, paracetamol Caffein bề mặt điện cực biến tính Khảo sát ảnh hưởng số thông số kỹ thuật xung vi phân sóng vng đến tín hiệu hòa tan Đánh giá độ tin cậy phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot xung vi phân (DP-AdASV) vonampe hịa tan hấp phụ anot sóng vng (SQW-AdASV) Xây dựng quy trình phân tích đồng thời ascorbic acid, paracetamol Caffein đánh giá quy trình Xác định đồng thời ascorbic acid, paracetamol Caffein mẫu dược phẩm 2.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tổng hợp vật liệu để biến tính điện cực Phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp quang điện tử tia X, Phương pháp khuếch tán tử ngoại khả kiến, phổ Raman Phương pháp von-ampe Chuẩn bị điện cực Quy trình phân hủy mẫu thật Các phần mềm sử dụng 2.4 Thiết bị, dụng cụ hóa chất CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GRAPHEN OXIT 3.1.1 Tổng hợp graphen oxit từ graphit Quy trình tổng hợp Graphit oxit (GrO) từ Graphit (G) trở thành kinh điển ba tác giả Brodie B.C (1859), Staudenmaier L (1898) Hummers W.S., Offeman R.E (1958) đề xuất Trong đó, phương pháp Hummer nhiều nhà khoa học sử dụng Huang N.M (2011) nghiên cứu tối ưu điều kiện tổng hợp nhằm thu hiệu suất GrO cao gọi phương pháp Hummer cải tiến (modified Hummer's method) Trong năm gần đây, phương pháp Hummer cải tiến sử dụng rộng rãi tính an tồn, dễ thực thân thiện với mơi trường Vì vậy, phương pháp Hummer cải tiến sử dụng luận án 3.1.2 Các đặc tính graphit graphit oxit Graphit Graphit oxit đánh giá qua phổ hồng ngoại (Fourrier Transformation InfraRed – FT-IR) nhiễu xạ tia X (Fundamental of X-ray Diffraction – XRD) Kết thu cho thấy GrO tổng hợp theo phương pháp Hummer cải tiến xuất số nhóm chức chứa oxy thông qua phổ FT-IR Chẳng hạn như, đỉnh peak 3428 cm–1 đặc trưng cho hấp phụ mạnh nhóm hydroxyl (-OH) qua q trình oxy hóa G Trong đó, peak dao động 1735 cm–1 chứng tỏ sản phẩm xuất liên kết C=O nhóm carboxyl hoặc/và cacbonyl Mặt khác, peak 1632 cm–1 liên kết đơi C=C vịng thơm GrO Peak dao động 1400 cm–1 liên kết COO– nhóm carboxyl Thêm vào đó, peak xuất rõ số sóng 1213 cm–1 minh chứng cho có mặt nhóm epoxyl (C–O–C) sản phẩm GrO Cuối cùng, nhận thấy có mặt nhóm alkoxy số sóng 1054 cm–1 (C–O) Mặt khác, cường độ peak nhóm chức qua lần tổng hợp có sai khác khơng đáng kể Như vậy, cho việc tổng hợp GrO theo phương pháp Hummer cải tiến đồng chất lượng sản phẩm hoàn toàn tương đồng với nghiên cứu tham khảo 3.1.3 Nghiên cứu trình phân tán graphit oxit Sản phẩm trình tổng hợp từ graphit (G) theo phương pháp Brodie B.C (1859), Staudenmaier L (1898), Hummers W.S (1958) phương pháp Hummers W.S cải tiến gọi graphit oxit (GrO) với cấu trúc đơn lớp GrO nằm song song có khoảng cách từ 0,6 đến 0,8 nm Để sử dụng GrO lĩnh vực khoa học khác nhau, thường GrO phân tán vào dung mơi thích hợp Việc phân tán GrO dung mơi để hình thành hệ phân tán gần đồng theo thời gian, thông thường nhờ trợ giúp sóng siêu âm Hệ phân tán GrO dung mơi thích hợp tùy thuộc vào yếu tố, chẳng hạn như: công suất thiết bị, nhiệt độ, thời gian siêu âm đặc biệt dung mơi Tóm lại, qua kết nghiên cứu so sánh với nghiên cứu khác, dung môi nước lựa chọn để phân tán GrO Một lý mà dung môi nước lựa chọn khả bay nước nhanh so với dung môi ethylene glycol, DMF, điều thuận lợi cho việc biến tính điện cực 3.2 NGHIEN CỨU TỔNG HỢP GRAPHEN OXIT DẠNG KHỬ BẰNG DIỆN HOA Phương pháp để khử graphen oxit (GO) phương pháp điện hóa coi phương pháp pháp tổng hợp xanh Trong nghiên cứu này, sử dụng hai phương pháp điện hóa phương pháp von-ampe vịng (CV) phương pháp điện thời gian (E-t) Sản phẩm sau trình tổng hợp gọi Graphen Oxit dạng khử điện hóa viết tắt ERGO Sản phẩm ERGO sau khử thu tiến hành xác định số tính chất đặc trưng vật liệu phương pháp hóa lý phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) phổ Raman 3.2.1 Tổng hợp graphen oxit dạng khử phương pháp vonampe vòng Kĩ thuật von-ampe vòng (CV) sử dụng để khử GO thành RGO cách biến tính GO (được phân tán dung môi) lên bề mặt điện cực GCE Sau q trình khử xảy bề mặt GCE đệm B-RBS 0,2 M (pH = 7) quét CV khoảng âm (từ 0,0 đến -1,5 V) (Hình 2.5) Để tăng hiệu suất q trình khử, số vịng qt CV lặp lại nhiều lần với thông số máy cố định ban đầu trình bày bảng 3.2.Vật liệu GO dùng kĩ thuật von-ampe vịng để khử kí hiệu ERGOCV Quá trình khử GO kĩ thuật CV với 10 vịng qt thể hình 3.5-a Ở giai vịng qt đầu tiên, có xuất peak khử catot -1,23 V, điều cho thấy có khử nhóm chức chứa oxy GO Ở vịng tiếp theo, khơng cịn xuất peak khử, trình khử xuất hiện tượng sủi bọt khí màu sắc lớp vật liệu chuyển đổi từ nâu sang đen bề mặt điện cực cho thấy hồi phục mạng lưới п cacbon cấu trúc vật liệu 3.2.2 Tổng hợp graphen oxit dạng khử phương pháp điện thời gian Quá trình tổng hợp RGO từ GO phương pháp điện thời gian tương tự phương pháp CV Vật liệu GO (10 μg) khử cách áp âm (-3.7 V) khoảng thời gian (1200 s) Kết đường dòng-thế thể hình 3.6 Vật liệu GO dùng kĩ thuật điện thời gian để khử kí hiệu ERGOE Quá trình khử GO cách áp âm ghi tín hiệu dịng theo thời gian thể hình 3.6-a Ở giai đoạn đầu (I), tín hiệu dịng tăng nhanh theo thời gian, thời gian áp vượt q 80 s tín hiệu bắt đầu khơng đổi (giai đoạn II) đồng thời xuất hiện tượng sủi bọt khí màu sắc lớp vật liệu chuyển đổi từ nâu sang đen bề mặt điện cực cho thấy hồi phục mạng lưới п cacbon cấu trúc vật liệu Hình 3.6-b cho thấy phổ FT-IR GO với peak đặc trưng như: ν(-OH)=3417 cm-1, ν(C-O)=1720 cm-1, ν(C-C)=1620 cm-1 ν(C-O)= 1051 cm-1, peak giảm mạnh bị khử cách áp thế, chứng tỏ tạo sản phẩm ERGO Đồng thời phổ XRD phần chứng minh biến đổi (Hình 3.6-c), hai peak đặc trưng Graphit GO 2θ = 25,8o 11,3o không xuất sản phẩm khử Hai dải D G xuất phổ raman ErGO GO 1570 cm-1 1350 cm-1 (Hình 3.6-d) Tỉ lệ ID/IG GO ERGOE 0,90 1,22 cho thấy có tăng tỉ lệ ID/IG rõ ràng sau trình khử, điều cho thấy có tái tạo vùng Csp2 vòng thơm cấu trúc vật liệu ERGOE Mặt khác, kích thước tinh thể trung bình GO ERGOE tính tốn 21,36 15,76 nm Sự giảm kích thước tinh thể vật liệu ERGOE tương đồng với kết vật liệu ERGOCV 3.3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÁC ĐIỀU KIỆN BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC 3.3.1 Lựa chọn điện cực làm việc Để so sánh loại điện cực, phương pháp von-ampe vòng (CV) von-ampe hấp phụ hòa tan anot xung vi phân (DP-AdASV) sử dụng để nghiên cứu với loại điện cực là: Glassy cacbon (GCE); Glassy cacbon biến tính graphen oxit (GO/GCE); Glassy cacbon biến tính graphen oxit dạng khử - khử CV (ERGOCV/GCE) Điện cực GO/GCE, ERGOCV/GCE chuẩn bị cách sử dụng kỹ thuật phủ vật liệu GO (phân tán dung môi ethanol) lên bề mặt điện cực GCE để khơ nhiệt độ phịng (GO/GCE) Sau đó, GO bị khử thành RGO phương pháp von-ampe vòng (ERGOCV/GCE) Với phương pháp CV, với điện cực ERGOCV/GCE cho tín hiệu dịng đỉnh hịa tan ba chất phân tích; nhiên, điện cực GCE vậy, vật liệu GO tổng hợp lựa chọn để sử dụng cho thí nghiệm 3.3.3 Lựa chọn phương pháp khử graphen oxit Trong luận án này, GO khử hai phương pháp von-ampe vòng (CV) phương pháp điện thời gian (E) Để chọn lựa phương pháp khử phù hợp cho việc biến tính GO lên bề mặt điện cực làm việc GCE nhằm xác định AA, PA CA dựa vào cường độ tín hiệu Ip, thí nghiệm tiến hành sau: dung dịch nghiên cứu tích 10 mL bao gồm: đệm B-RBS 0,2 M (pH = 3), nồng độ AA, PA CA 10-4, 10-5 10-5 M Tiến hành quét CV DP-AdASV sử dụng hai điện cực ERGOCV/GCE ERGOE/GCE (với lượng GO phủ bề mặt điện cực làm việc µg) Kết hình 3.9 cho thấy hai điện cực ERGOCV/GCE ERGOE/GCE cho tín hiệu AA, PA CA rõ ràng Tuy nhiên, điện cực ERGOCV/GCE cho cường độ tín hiệu dịng đỉnh AA, PA CA cao so với điện cực ERGOE/GCE Điều chứng tỏ điện cực ERGO/GCE GO khử phương pháp von-ampe vòng tốt so với phương pháp điện thời gian Chính thế, phương pháp von-ampe vòng chọn để khử GO thành RGO cho khảo sát 3.3.4 Tối ưu điều kiện biến tính điện cực phương pháp quy hoạch hóa thí nghiệm 3.3.4.1 Thiết lập quy hoạch hóa thí nghiệm mơ hình BoxBehnken Trong q trình biến tính điện cực sử dụng phương pháp von-ampe vịng, ba yếu tố là: lượng vật liệu GO, số vòng quét CV tốc độ quét có ảnh hưởng đến chuyển hóa GO thành RGO bề mặt điện cực đến tín hiệu dịng đỉnh hịa tan (Ip) AA, PA CA áp dụng vào phân tích điện hóa theo phương pháp DP-AdASV 3.3.4.2 Đánh giá ý nghĩa phương trình hồi quy Đánh giá ý nghĩa phương trình hồi quy kiểm tra xem yếu tố 10 tương tác chúng có ảnh hưởng đến đại lượng cần nghiên cứu hay khơng Bản chất q trình đánh giá yếu tố ảnh hưởng có p nhỏ 0,05 (với mức ý nghĩa α = 0,05) có ý nghĩa tương tác yếu tố đến tín hiệu IP Từ hệ số phương trình hồi quy bảng 3.5 cho thấy có tương đồng mối ảnh hưởng yếu tố khảo sát đến tín hiệu Ip AA, PA CA Hầu hết hệ số hồi quy có nghĩa, đó, hệ số biến z1 z2 có giá trị dương, có nghĩa yếu tố lượng vật liệu GO số vòng quét khử ảnh hưởng tích cực đến cường độ Ip Nguyên nhân lượng vật liệu bề mặt điện cực GCE nhiều làm tăng số tâm hoạt động điện cực, đồng thời GO khử để tạo thành RGO cách quét CV, số vịng CV dùng để khử nhiều RGO tạo lớn làm tăng tín hiệu dịng đỉnh hịa tan chất phân tích Tuy nhiên, hệ số hồi quy yếu tố tốc độ quét (z3) có giá trị âm, tức làm giảm cường độ tín hiệu chất phân tích; điều sử dụng tốc độ quét lớn hiệu suất khử GO điện hóa so với việc áp dụng tốc độ nhỏ Với số vòng quét khử, tốc độ quét nhỏ làm cho hiệu suất khử GO cao Xét đến mối tương tác yếu tố, hệ số z1z2 có giá trị dương, điều cho thấy yếu tố lượng GO số vịng khử CV có tương tác làm tăng giá trị hàm mục tiêu Khi tăng lượng GO bề mặt điện cực cần số vịng khử nhiều hơn, kết tương tác dẫn đến số lượng tâm hoạt động lượng RGO bề mặt điện cực lớn 3.3.4.3 Xác định điều kiện tối ưu Từ hình 3.11 cho thấy cường độ Ip đạt 2,4880 giá trị biến số sau: + Lượng vật liệu GO (z1): µg; + Số vòng quét CV (z2): 10 vòng; + Tốc độ quét (z3): 0,0397 Vs-1 11 Để kiểm chứng mơ hình, thí nghiệm thực lần với điều kiện điểm tối ưu, để đánh giá sai khác giá trị dự đoán với giá trị thực nghiệm, phép kiểm định so sánh với số (one sample t-test) phần mềm SPSS-20 sử dụng Kết cho thấy với mức ý nghĩa α = 0,05 , t(2) = -2, giá trị p hai phía (p-two tail) = 0,184 (> 0,05) chứng tỏ giá trị dự đoán giá trị thực nghiệm không khác mặt thống kê Vì mơ hình Box-Behnken đánh giá tốt thí nghiệm khảo sát Vì mơ hình Box-Behnken đánh giá tốt thí nghiệm khảo sát 3.4 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐIỆN HĨA CỦA AA, PA VÀ CA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE VỊNG 3.4.1 Các đặc tính điện hóa K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] điện cực làm việc Phương pháp vol-ampe vòng sử dụng để xác định diện tích hiệu dụng bề mặt điện cực cách ghi tín hiệu dòng đỉnh dung dịch chứa 1mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] theo tốc độ quét thế, phụ thuộc bậc hai tốc độ quét với cường độ dòng đỉnh tuân theo phương trình Randles-Sevcik sau: Ipa = (2.69×105)n3/2AD01/2Cυ1/2 Trong đó, Ip cường độ dịng đỉnh anode (A), n số điện tử trao đổi, A diện tích hiệu dụng (cm2), D0 hệ số khuếch tán (cm2s-1), C nồng độ Fe dung dịch (M), υ tốc độ quét (Vs-1) Đối với hệ K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6], số điện tử trao đổi n = 1, D0 = 7.6×10-6 cm2s-1 dung dịch Fe có nồng độ 1mM Từ hình 3.12 cho kết giá trị diện tích hiệu dụng điện cực 0,043 cm2, kết tương đồng với nghiên cứu tác giả B Rezaei cộng (0,049 cm2) Khi biến tính điện cực GCE vật liệu GO, với hai kỹ thuật khử GO khác (CV E) cho kết diện tích hiệu dụng tăng lên đáng kể, cụ thể giá trị diện tích hiệu dụng điện cực ERGOE/GCE 0,050 cm2 (gấp 1,17 lần so với điện cực nền) điện cực ERGOCV/GCE 0,067 cm2 (gấp 1,55 lần 12 so với điện cực gấp 1,34 lần so với điện cực ERGOE/GCE) Điều lần cho thấy ưu điểm vật liệu ERGOCV/GCE 3.4.2 Các đặc tính điện hóa AA, PA CA 3.4.2.1 Ảnh hưởng pH Theo phương trình Nernst, nhiệt độ 298 K (25 oC), mối quan hệ Ep pH cặp oxy hóa khử liên hợp biểu diễn qua công thức (3.9) sau: aOx + ne- + mH+  bKh Ep = E + 0,0591 n log Oxa Rb − 0,0592 m n pH Trong đó, m: số proton trao đổi, n: số điện tử trao đổi, hay ta có: 𝑚 Ep = E 𝑜′ − 0,0592 pH n Từ công thức (3.6), (3.7), (3.8) (3.11), xác định mối quan hệ n m là: nAA = 1,096mAA  nAA  mAA; nPA = 0,970mPA  nPA  mPA; nCA =1,208mCA  nCA  mCA Cơ chế oxi hóa PA AA với hai điện tử hai proton minh họa hình 3.15-a 3.15-b Sự oxy hóa CA điện cực cho diễn hai bước Bước thứ liên quan đến việc oxi hóa liên kết C-8 với N-9 tạo axit 1,3,7-trimethyluric với tham gia hai điện tử hai proton Bước thứ hai xảy với tốc độ phản ứng nhanh với oxi hóa (2e, 2H+) tạo thành 4,5dihydroxy-1,3,7-trimethyltetrahydro-1-H-purine-2,6,8-trione 4,5dihydroxy-1,7, 9-trimetyltetrahydro-1-H-purin-2,6,8-trion (Hình 3.15-c) Bước xảy với tốc độ phản ứng chậm nên hạn chế tỷ lệ phản ứng Do đó, q trình oxi hóa CA liên quan đến hai điện tử hai proton 3.4.2.2 Khảo sát tốc độ quét Trong phương pháp von-ampe, tốc độ qt có ảnh hưởng lớn đến tín hiệu hịa tan chất phân tích động học phản ứng xảy bề mặt điện cực Để tiến hành khảo sát tốc độ quét thế, tiến 13 hành ghi đường von-ampe hòa tan đồng thời ba chất phân tích AA, PA CA tốc độ quét khác nhau: 0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40 Vs-1 - Khi sử dụng phương pháp phân tích phương sai đơn để đánh giá thay đổi đỉnh (Ep) theo tốc độ quét (ʋ) Kết cho thấy với mức ý nghĩa α= 0,05 đỉnh AA PA CA khác mặt thống kê thay đổi tốc độ quét (Ftính,AA= 335; Ftính,PA= 408; Ftính, CA= 534; giá trị Ftính lớn Flý thuyết (F(0,05; 6; 21) = 2,6 giá trị pAA< 0,001, pPA< 0,001, pCA< 0,001) Nghĩa tốc độ quét có ảnh hưởng đáng kể đến đỉnh AA, PA CA Hình 3.16 cho thấy AA CA xuất peak anot, riêng đường CV PA có xuất peak anot khoảng 0,638 – 0,723 V peak catot khoảng 0,541 – 0,580 V Vì vậy, AA CA chất bất thuận nghịch (irreversible) PA chất bán thuận nghịch (quasi-reversible) - Khi tăng tốc độ qt dịng đỉnh hịa tan tăng đồng thời đỉnh dịch chuyển phía dương Điều hịa tồn phù hợp với lý thuyết; - Về mặt lý thuyết, nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ quét tốc độ quét có liên quan mật thiết đến tín hiệu đo I p lẫn Ep Phương trình Laviron E sử dụng để xác định trình xảy điện cực làm việc với điều kiện áp dụng trường hợp sau: - Quá trình khơng kiểm sốt khuyếch tán (hay chuyển khối nhanh không gây chênh lệch nồng độ chất toàn khối dung dịch tiếp giáp với điện cực); Tốc độ phản ứng chuyển electron/hoặc hấp phụ định tốc độ phản ứng điện cực (hay định dòng - phản ứng xảy vùng động học); - Dạng oxi hóa dạng khử hai dạng oxi hóa khử hấp phụ mạnh điện cực làm việc tuân theo đẳng nhiệt Langmuir 14 (Langmuir Isotherm) Theo Laviron E., hệ bất thuận nghịch bán thuận nghịch Ep ln(v) có mối tương quan tuyến tính Từ đó, tiến hành xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính biểu diễn mối tương quan Epa ln(v) thu phương trình sau: Epa, AA = (0,528  0,004) + (0,057  0,002).ln(v) r=0,996 Epa, PA = (0,770  0,002) + (0,057  0,001).ln(v) r=0,999 Epa, CA = (1,613  0,007) + (0,082  0,005).ln(v) r=0,992 Từ phương trình cho thấy Ep ln(v) có tương quan tuyến tính tốt với hệ số tương quan cao (từ 0,992 đến 0,999) Điều có nghĩa q trình xảy tn theo phương trình Laviron trình hấp phụ AA, PA CA bề mặt điện cực làm việc Chính thế, phương pháp von-ampe xác định AA, PA CA gọi phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot (AdASV) 3.5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ MÁY ĐẾN TÍN HIỆU HỊA TAN TRONG PHƯƠNG PHÁP VONAMPE HẤP PHỤ HÒA TAN ANOT XUNG VI PHÂN 3.5.1 Ảnh hưởng làm giàu Khi xử lí phương pháp phân tích phương sai đơn phần mềm Microsoft Excel 2010 để tìm ảnh hưởng yếu tố làm giàu, kết thu sau: F tính, AA = 50,55; F tính, PA = 58,40; F tính, CA = 22,06; giá trị Ftính lớn Flý thuyết (F (0,05; 7; 24) = 2,42) Do đó, làm giàu có ảnh hưởng đến tín hiệu hịa tan hệ chất phân tích 3.5.2 Ảnh hưởng thời gian làm giàu Hình 3.19 cho thấy: thời gian làm giàu s, tức khơng làm giàu tín hiệu IP ba chất cao Điều chứng tỏ chất phân tích làm giàu nhanh q trình làm giàu hấp phụ hóa học Có nghĩa xảy q trình hấp phụ hóa học chất phân tích lên bề mặt vật liệu biến tính điện cực ERGO Điều 15 tương tác - hoặc/và liên kết hydro 3.5.3 Ảnh hưởng biên độ xung Từ kết hình 3.23 cho thấy, biên độ xung 0,05 0,06 V khả tách peak tốt nhất, nhiên, biên độ xung 0,06 V sai số nhỏ Vì vậy, biên độ xung 0,06 V (60 mV) chọn cho nghiên cứu 3.5.4 Đánh giá độ tin cậy phương pháp 3.5.4.1 Độ lặp lại tín hiệu hòa tan Như vậy, độ lặp lại tín hiệu hịa tan RSD (%) < 1/2 RSDH, cho độ lặp lại kết đo chấp nhận 3.5.4.2 Khoảng tuyến tính Việc xác định khoảng tuyến tính phương pháp DP-AdASV dùng điện cực biến tính ERGOCV/GCE AA, PA CA, tiến hành hai trường hợp sau: i) Trường hợp thứ thêm chuẩn chất, hai chất lại cố định nồng độ xác định; ii) Trường hợp thứ hai thêm chuẩn đồng thời AA, PA CA 3.5.4.3 Độ nhạy (LOD, LOQ) Xuất phát từ kết khảo sát khoảng tuyến tính, giới hạn phát tính tốn thơng qua cơng thức 3Sy/x/b với Sy/x độ lệch chuẩn tín hiệu đo b độ dốc phương trình hồi quy tuyến tính Kết tính tốn LOD LOQ thể bảng 3.17 Giá trị LOD AA, PA CA tương đồng tính tốn theo hai trường hợp thêm chuẩn riêng lẻ thêm chuẩn đồng thời, điều chứng tỏ khơng có ảnh hưởng qua lại chất 3.6 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ MÁY ĐẾN TÍN HIỆU HỊA TAN TRONG PHƯƠNG PHÁP VONAMPE HẤP PHỤ HỊA TAN ANOT SĨNG VNG 3.6.1 Thế làm giàu Từ hình 3.27-b nhận thấy, IP PA CA không thay đổi dáng kể, ngoại trừ V Riêng AA, làm giàu dương 16 -0,4 V lại giảm dần Điều giải thích gần đỉnh hòa tan AA Tại làm giàu -0,4 V, giá trị RSD ba chất AA, PA CA nhỏ đó, làm giàu -0,4 V lựa chọn cho thí nghiệm 3.6.2 Thời gian làm giàu Khi tacc tăng từ đến 45 s, IP AA, PA CA có xu tăng dần, điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Nhưng thời gian lớn 45 s, IP chất gần khơng thay đổi (hình 3.28b) Kết thực nghiệm thu vậy, với lượng vật liệu cố định bề mặt điện cực, tăng tacc đồng nghĩa với việc tăng nồng độ AA, PA CA bề mặt điện cực Điều gây tượng bão hịa chất phân tích bề mặt điện cực tạo thành đa lớp Tương tự kỹ thuật DP, kỹ thuật SQW tacc s, IP ba chất cao trừ với AA Như vậy, lần chứng tỏ với giả thiết xảy trình hấp phụ hóa học nhanh Từ kết thu được, giá trị tacc 45 s thích hợp 3.6.3 Biên độ sóng vng Khi giá trị biên độ sóng vng (E) tăng từ 10 mV đến 50 mV, tín hiệu hịa tan IP ba chất gần không thay đổi Điều hồn tồn khơng phù hợp với lý thuyết chúng tơi chưa giải thích Nhưng E tăng từ 50 mV đến 100 mV IP ba chất tăng tuyến tính với E Trường hợp lại phù hợp với lý thuyết Mặt khác, kỹ thuật sóng vng khơng nên lựa chọn E lớn vậy, giá trị E 60 mV lựa chọn cho nghiên cứu 3.6.4 Đánh giá độ tin cậy phương pháp Để áp dụng điện cực biến tính vào phân tích mẫu thực tế trước tiên tiến hành đánh giá độ tin cậy phương pháp Các đại lượng thống kê dùng để đánh giá bao gồm: độ lặp lại, khoảng tuyến tính, độ nhạy, giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) 17 3.6.4.1 Độ lặp lại tín hiệu hịa tan Qua kết hình 3.30 bảng 3.22, nhận thấy độ lặp lại IP chất AA, PA CA có giá trị độ lệch chuẩn tương đối (RSD) nồng độ khác nhỏ nửa RSDH tính theo hàm Horwitz W Như vậy, độ lặp lại tốt Mặt khác, để thấy độ hồi phục điện cực biến tính ERGOCV/GCE, tiến hành thí nghiệm đo IP lặp lại theo thời gian 3.6.4.2 Khoảng tuyến tính Việc xác định khoảng tuyến tính phương pháp SqW-AdASV dùng điện cực biến tính ERGOCV/GCE AA, PA CA, tiến hành hai trường hợp sau: i) Trường hợp thứ thêm chuẩn chất, hai chất lại cố định nồng độ xác định; ii) Trường hợp thứ hai thêm chuẩn đồng thời AA, PA CA 3.6.4.3 Độ nhạy, giới hạn phát giới hạn định lượng Sau tiến hành khảo sát số thông số ảnh hưởng đến tín hiệu hịa tan (IP) AA, PA CA đánh giá độ tin cậy hai phương pháp DP-AdASV SQW-AdASV với việc sử dụng điện cực ERGOCV/GCE thông qua đại lượng thống kê, rút số nhận xét sau: - Đối với hai phương pháp IP nồng độ chất phân tích có mối tương quan tuyến tính với hệ số tương quan lớn lớn 0,991 (bảng 3.28) - Khi so sánh hai phương pháp cho thấy, phương pháp SQW-AdASV có LOD thấp nhiều so với phương pháp DP-AdASV, cụ thể phân tích riêng lẻ đồng thời AA gấp 5,6 4,1 lần, PA 6,3 7,3 lần CA 3,8 3,8 lần (bảng 3.26) Qua chứng tỏ phương pháp SQW-AdASV nhạy nhiều so với phương pháp DP-AdASV Chính vậy, phương pháp SQW-AdASV lựa chọn để xác định đồng thời AA, PA CA mẫu thật 18 3.6.5 Ảnh hưởng số chất cản trở 3.6.5.1 Ảnh hưởng số hợp chất hữu Đối với nhóm hợp chất hữu chất ảnh hưởng lựa chọn D-glucose (D-G), axit benzoic (BA), axit glutamic (GA), axit uric (UA) dopamin (DA) Từ kết bảng từ 3.27 đến 3.31 nhận thấy rằng, hợp chất hữu DG, BA GA hồn tồn khơng ảnh hưởng đến tín hiệu hịa tan AA, PA CA Điều DG, BA GA làm giàu bề mặt điện cực, không gây tín hiệu hịa tan khoảng khảo sát 3.6.5.1 Ảnh hưởng số hợp chất vô Qua kết nghiên cứu ảnh hưởng số muối vơ cho thấy tín hiệu IP AA, PA CA giảm giảm không đáng kể đó, sai số tương đối mang dấu âm Tù kết luận muối vơ khơng ảnh hưởng đến tín hiệu hịa tan AA, PA CA nồng độ gấp đến 3000 lần hòa tan AA, PA CA nồng độ gấp đến 3000 lần 3.7 ÁP DỤNG XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI AA, PA VÀ CA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE HẤP PHỤ HỊA TAN ANOT SĨNG VNG 3.7.1 Quy trình phân tích Đối với mẫu thuốc dạng viên nén: tiến hành cân viên vĩ thuốc (để tính khối trung bình m0), sau viên thuốc nghiền mịn cối mã não (mẫu phân tích) Dung dịch chất phân tích chuẩn bị cách cân khối lượng xác định mẫu phân tích (m1) hịa tan nước cất lần, q trình hịa tan trợ giúp cách đánh siêu âm 60 phút; Sau tiến hành lọc bỏ chất cặn không tan dung dịch định mức đến V1 mL (dung dịch mẫu) Chất phân tích trong dung dịch mẫu xác định cách lấy V2 (mL) dung dịch mẫu vào bình điện phân chứa đệm B-RBS 0,2 M (pH = 3,2) cho tổng thể tích cuối 10 mL Đối với mẫu nước giải khát: phân tích trực tiếp mà khơng qua 19 xử lí Q trình phân tích sau: lấy V (mL) dung dịch mẫu vào bình điện phân chứa đệm B-RBS 0,2 M (pH = 3,2) cho tổng thể tích cuối 10 mL Tiến hành phân tích phương pháp SqWAdASV 3.7.2 Đánh giá độ tin cậy quy trình phân tích 3.7.2.1 Độ lặp lại quy trình phân tích Độ lặp lại đánh giá dựa vào việc thực quy trình phân tích với ba mẫu thực tế là: thuốc viên nén Panadol Extra, Effe Paracetamol nước giải khát Number One Mỗi quy trình thực ba lần Kết trình bày bảng 3.38 Kết cho thấy giá trị RSD lần thực lặp lại quy trình nhỏ ½ RSDH Vì vậy, phương pháp SqW-AdASV cho kết độ lặp lại tốt 3.7.2.2 Độ quy trình phân tích Bảng 3.40 trình bày hàm lượng AA, PA CA có hai mẫu dược phẩm mẫu nước giải khát cách sử dụng hai phương pháp SqW-AdASV HPLC Phương pháp so sánh giá trị trung bình sử dụng để đánh giá sai khác kết phân tích hai phương pháp SqW-AdASV HPLC Kết cho thấy khối lượng trung bình AA, PA CA phân tích phương pháp SqW-AdASV không khác mặt thống kê so với phương pháp HPLC (AA: t (2) = 3,40 < t (0,95; 2) = 4,30 Effe Paracetamol; PA: t (2) = 1,96 < t (0,95; 2) = 4,30 Panadol Extra, t (2) = 2,25 < t (0,95; 2) = 4,30 Effe Paracetamol; CA: t (2) = 1,00 < t (0,95; 2) = 4,30 Panadol Extra, t (2) = 2,25 < t (0,95; 2) = 4,30 Number One) Điều cho thấy kết phân tích hàm lượng AA, PA CA ba mẫu thực tế phương pháp SqW-AdASV dùng điện cực biến tính ERGOCV/GCE chấp nhận 3.7.3 Áp dụng phân tích AA, PA CA mẫu dược phẩm mẫu nước giải khát Theo Dược điển Việt Nam V, thuốc dạng viên nén, so với lượng ghi nhãn hàm lượng axit ascorbic paracetamol phải 20 nằm khoảng 95,0% - 110,0% 95,0% - 105,0% Tuy nhiên, caffein khơng đề cập Kết phân tích AA 03 mẫu thuốc (Effe Paracetamol, Ameflu day time C Efferalgan Vitamin C) PA 06 mẫu thuốc (Panadol Extra, Hapacol Extra, Tatanol, Effe Paracetamol, Ameflu day time C Efferalgan Vitamin C) phương pháp SqW-AdASV bảng 3.41 cho thấy hàm lượng AA PA nằm khoảng cho phép so với giá trị ghi nhãn Khi sử dụng phương pháp so sánh giá trị trung bình, kết cho thấy hàm lượng AA, PA CA xác định phương pháp SqW-AdASV phương pháp HPLC không khác mặt thống kê (bảng 3.41) Kết thể bảng 3.42 với 03 mẫu nước giải khát: Number One, Sting max gold, Wake-up 247 có thành phần chứa AA CA Khi sử dụng phương pháp so sánh giá trị trung bình cho thấy hàm lượng AA CA phân tích phương pháp SqW-AdASV phương pháp HPLC không khác (bảng 3.42) Một lần chứng tỏ phương pháp SqW-AdASV sử dụng điện cực biến tính ERGO/GCE có độ tốt so sánh kết 09 mẫu thực tế với phương pháp HPLC KẾT LUẬN Với mục đích đặt phát triển điện cực làm việc phương pháp von-ampe hịa tan nói chung phương pháp von-ampe hịa tan hấp phụ anot nói riêng để xác định đồng thời số hợp chất hữu dược phẩm thực phẩm Qua nghiên cứu sở lý thuyết, đồng thời tham khảo cơng trình nghiên cứu nước nước ngồi từ kết thực nghiệm thu được, rút số kết luận sau: Đã tổng hợp thành công graphit oxit (GrO) graphen oxit (GO) từ graphit (G) phương pháp Hummers cải tiến sử dụng hỗn hợp oxy 21 hóa mạnh H2SO4, H3PO4 KMnO4 nhiệt độ phòng, từ 25 oC đến 30 oC Các sản phẩm kiểm tra phương pháp phân tích Hóa lý với kết tốt Đã tổng hợp graphen oxit dạng khử (RGO) phương pháp điện hóa (ERGO) với phương pháp điện thời gian (ERGOE) phương pháp von-ampe vòng (ERGOCV) Các sản phẩm đánh giá phương pháp hóa lý áp dụng để biến tính điện cực glassy cacbon nhằm xác định đồng thời AA, PA CA Kết lựa chọn điện cực biến tính thích hợp điện cực ERGOCV/GCE Đã nghiên cứu xác định đồng thời AA, PA CA hai phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot xung vi phân (DP-AdASV) phương pháp von-ampe hịa tan hấp phụ anot sóng vng (SqWAdASV) sử dụng điện cực ERGOCV/GCE Thực nghiệm chứng minh phương pháp SQW-AdASV nhạy so với phương pháp DP-AdASV qua thông số độ nhạy, hệ số tương quan, giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) Các thơng số thích hợp sau: Thế thời gian làm giàu: Eacc = -0,400 V; tacc = 45 s; Biên độ sóng vng: E = 0,060 V LOD LOQ AA, PA CA xác định đồng thời: LOD: 0,073; 0,033 0,068 M; LOQ: 0,243 ; 0,110 0,227 M Đã xây dựng quy trình phân tích đồng thời AA, PA CA đánh giá quy trình dựa vào phương pháp thống kê phương pháp tiêu chuẩn xác định đồng thời AA, PA CA phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) Kết phương pháp SqW-AdASV dùng điện cực ERGOCV/GCE khơng có khác mặt thống kê Đã tiến hành áp dụng phân tích hàm lượng AA PA ba loại thuốc viên nén Effe Paracetamol, Ameflu C Efferalgan Vitamin C hàm lượng PA CA ba loại thuốc viên nén Panadol Extra, Hapacol Extra Tatanol Kết cho thấy phương pháp SqW-AdASV dùng điện cực ERGOCV/GCE xác định đồng thời AA PA PA CA số loại thuốc viên nén có độ 22 lặp lại tốt với giá trị độ lệch chuẩn tương đối (RSD) dao động khoảng từ 0,32% đến 5,39% Phương pháp áp dụng phân tích nồng độ AA CA ba mẫu nước giải khát cho độ lặp lại tốt với RSD dao động từ 0,99% đến 4,62% DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU I Trong nước Trần Thanh Tâm Toàn, Hoàng Trọng Nhân, Bùi Đức Điệp, Mai Xuân Tịnh, Nguyễn Hải Phong (2018), “Nghiên cứu biến tính điện cực làm việc graphen oxide dạng khử để xác định acid ascorbic, paracetamol caffein phương pháp von-ampe hịa tan anot xung vi phân”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, T13, Số 2, tr 87-96 Trần Thanh Tâm Tồn, Trần Minh Trí, Nguyễn Hải Phong (2017), “Nghiên cứu biến tính điện cực graphen oxit dạng khử để xác định axit ascorbic, paracetamol caffein”, Tạp chí Đại học Huế, T126, Số 1D, tr 139-149 II Quốc tế Tran Thanh Tam Toan, Tran Minh Tri, Nguyen Hai Phong, Dinh Quang Khieu (2017), The electrochemical behavior of acid ascorbic acid, paracetamol and caffeine at electrochemically reduced graphene oxide modified glassy carbon electrode, Proceedings of International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA) 2017, pp 583587 Tran Thanh Tam Toan, Nguyen Hai Phong, Mai Xuan Tinh, Ho Xuan Anh Vu, Luong Van Tri, Huynh Thi Thanh Truc, Nguyen Van Hop (2019), simultaneous squarewaves stripping voltammetric determination of ascorbic acid, paracetamol and caffeine on reduced 23 graphene-oxide modified electrode, Conference proceeding, The 6th Analytica Vietnam Conference 2019, pp.337-350 Nguyen Hai Phong, Tran Thanh Tam Toan, Mai Xuan Tinh, Tran Ngoc Tuyen, Tran Xuan Mau, and Dinh Quang Khieu (2018), Simultaneous Voltammetric Determination of Ascorbic Acid, Paracetamol, and Caffeine Using Electrochemically Reduced Graphene-Oxide-Modified Electrode, Journal of Nanomaterials (Accepted - https://doi.org/10.1155/2018/5348016) 24 ... DẠNG KHỬ BẰNG DIỆN HOA Phương pháp để khử graphen oxit (GO) phương pháp điện hóa coi phương pháp pháp tổng hợp xanh Trong nghiên cứu này, sử dụng hai phương pháp điện hóa phương pháp von- ampe vòng... mặt điện cực làm việc theo kiểu in situ Trong phương pháp phân tích hóa lý (phân tích cơng cụ), phương pháp phân tích điện hóa nói chung phương pháp von- ampe hịa tan (SV) nói riêng phương pháp. .. liệu để biến tính điện cực Phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp quang điện tử tia X, Phương pháp khuếch tán tử ngoại khả kiến, phổ Raman Phương pháp von- ampe Chuẩn bị điện cực Quy trình phân