Nghiên cứu tổng hợp dây nano polyaniline bằng phương pháp điện hoá ứng dụng trong chế tạo cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP DÂY NANO POLYANILINE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP DÂY NANO POLYANILINE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu điện tử Mã số: 62.52.92.01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN TRUNG TS MAI ANH TUẤN Hà Nội - 2013 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất xuất công bố chung với cán hướng dẫn khoa học đồng nghiệp đồng ý tác giả trước đưa vào luận án Các số liệu, kết luận án trung thực, chưa công bố sử dụng để bảo vệ luận án khác Tác giả luận án Chu Văn Tuấn iii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn PGS.TS Trần Trung TS Mai Anh Tuấn người định hướng, hướng dẫn, giúp tơi hồn thành nhiệm vụ đặt cho luận án Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc, môn Công nghệ vi hệ thống cảm biến thuộc Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu (ITIMS), Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên tạo điều kiện thuận lợi thời gian, giúp đỡ ủng hộ khác giúp tơi hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn tất thành viên nhóm cảm biến sinh học, nhóm cảm biến khí - Viện ITIMS giúp đỡ tơi nhiệt tình để tơi hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn đến tất đồng nghiệp, bạn bè, gia đình động viên giúp đỡ thời gian qua vật chất lẫn tinh thần, trợ giúp chun mơn, cơng việc có liên quan trực tiếp gián tiếp đến luận án, v.v… giúp tơi hồn thành luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến vợ tôi, người động viên, chia sẻ khó khăn suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Tác giả luận án Chu Văn Tuấn iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung vật liệu polymer dẫn 1.1.1 Lịch sử phát triển vật liệu polymer dẫn 1.1.2 Một số loại polymer dẫn 1.1.3 Các phương pháp chế tạo polymer dẫn cấu trúc chiều 10 1.1.4 Ứng dụng polymer dẫn 14 1.2 Dây nano polyaniline 17 1.2.1 Giới thiệu 17 1.2.2 Tính chất polyaniline 19 1.2.3 Cơ chế dẫn điện 22 1.2.4 Các kỹ thuật đo điện hóa 27 1.2.5 Biến tính q trình biến tính vào polyaniline 32 Chương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO POLYANILINE 36 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA 2.1 Mở đầu 37 2.2 Thực nghiệm 39 2.2.1 Hóa chất thiết bị sử dụng để tổng hợp dây nano PANi 39 2.2.2 Sơ đồ hệ điện hóa tổng hợp dây nano PANi 41 2.2.3 Quy trình tổng hợp dây nano PANi lên hệ vi điện cực Pt 41 2.3 Kết thảo luận 2.3.1 Đặc trưng quét vòng (CV) 43 43 2.3.2 Đặc trưng hình thái cấu trúc hệ vi điện cực Pt - dây nano 49 polyaniline 2.3.2.1 Ảnh hiển vi điện tử quét (FE-SEM) xác định cấu 49 trúc hình thái bề mặt dây nano polyaniline 2.3.2.2 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM 54 v 2.3.3 Đặc trưng cấu trúc điện tử dây nano polyaniline 55 2.3.3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR 55 2.3.3.2 Phổ Raman dây nano polyaniline 58 2.3.3.3 Kết phân tích nhiệt 59 Kết luận 60 Chương ỨNG DỤNG DÂY NANO POLYANILINE TRONG 62 CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ 3.1 Mở đầu 63 3.2 Cảm biến khí 65 3.2.1 Khái niệm cảm biến khí 65 3.2.2 Cơ chế nhạy khí dây nano polyaniline 66 3.3 Chuẩn bị điện cực hệ đo khí 68 3.3.1 Vi điện cực Pt phủ dây nano polyaniline 68 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ trộn khí 70 3.4 Kháo sát đặc trưng nhạy khí 3.4.1 Các đặc trưng cảm biến 71 72 3.4.1.1 Khả nhạy khí nhiệt độ phịng 72 3.4.1.2 Sự phụ thuộc điện trở cảm biến theo nhiệt độ 72 3.4.1.3 Sự ổn định điện trở cảm biến theo thời gian 73 3.4.2 Kết khảo sát đặc trưng nhạy khí 73 3.4.2.1 Đặc trưng nhạy khí NH3 74 3.4.2.2 Đặc trưng nhạy khí ethanol 79 3.4.2.3 Dây nano PANi biến tính bề mặt hạt nano Pd 81 3.4.2.4 Khả chọn lọc cảm biến 85 Kết luận 86 Chương ỨNG DỤNG DÂY NANO POLYANILINE TRONG 88 CẢM BIẾN SINH HỌC XÁC ĐỊNH VI RÚT GÂY BỆNH 4.1 Mở đầu 89 4.2 Cảm biến sinh học xác định vi rút viêm não Nhật Bản 92 4.2.1 Khái niệm cảm biến sinh học 92 4.2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học 94 vi 4.2.3 Vi rút viêm não Nhật Bản 95 4.2.4 Cố định kháng thể IgG lên cảm biến 97 4.3 Các phép đánh giá điện hóa cảm biến phát vi rút 98 viêm não Nhật Bản 4.3.1 Phương pháp qt vịng tuần hồn (CV) 101 4.3.2 Đặc trưng đáp ứng dòng theo nồng độ kháng nguyên vi rút 101 viêm não Nhật Bản 4.3.3 Phương pháp đo phổ tổng trở cảm biến xác định vi rút 102 viêm não Nhật Bản 4.3.3.1 Xác định bắt cặp kháng nguyên /kháng thể 103 phép đo phổ tổng trở 4.3.3.2 Phổ tổng trở cảm biến theo nồng độ vi rút viêm 106 não Nhật Bản 4.3.4 Đánh giá đặc trưng cảm biến 107 4.3.4.1 Khoảng tuyến tính/ giới hạn phát 107 4.3.4.2 Thời gian đáp ứng 108 Kết luận 110 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 135 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng anh SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Field Emission Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM EDX TEM TGA Energy-Dispersive X-ray Transmission Electron Microscope Thermo Gravimetric Analysis Tên tiếng việt Tán xạ lượng tia X Kính hiển vi điện tử truyền qua Phân tích nhiệt trọng lượng Phân tích nhiệt vi sai MFC Differential Thermal Analysis Standard cubic centimeters per minute Mass flow controller LPG Liquefied Petroleum Gas Khí ga hóa lỏng XRD X Ray Diffraction Fourier-transform infrared spectroscopy Polyaniline Nhiễu xạ tia X Phổ hồng ngoại PA Polyaxetylen Polyaxetylene PPy Polypyrrole Polypyrrole PTs Polythiophene Polythiophene PEO poly-ethyl oxide poly-ethyl oxide PVA polyvinyl alcohol polyvinyl alcohol PLA Poly-lactic acid Axit Poly-lactic Organic light emitting diode Đi ốt phát sáng hữu Nanowires Dây nano CV Cyclic voltammetry Thế vịng tuần hồn LE Leucoemeraldine EM Emeraldine Chất trạng thái khử Chất trạng thái oxy hóa nửa DTA SCCM FT-IR PANi OLED NWs Xăng-ti-mét khối chuẩn phút Điều chỉnh lưu lượng khí Polyaniline viii PE Chất trạng thái khử Phổ tổng trở WE Pernigranilin Electrochemical Impedance Spectroscopy Working electrode RE Reference electrode Điện cực so sánh CE counter electrode Deoxyribonucleic acid Enzyme – Linked Immuno Sorbent Assay Ribonucleic acid Điện cực đối Axit nucleic Japanese encephalitis virus Vi rút Viêm não Nhật EIS ADN ELISA ARN VNNB (JEV) Điện cực làm việc Miễn dịch đánh dấu enzyme A xít ribonucleic Organic light emitting diode Đi ốt phát sang hữu PVC Polyvinyl clorua Một loại polyme PCR Polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi polyme ARN Ribonucleic acid Axit Ribonucleic NHS Tên loại hóa chất Tên loại hóa chất BSA N-Hydroxysuccinimide 1-ethyl-3-(3dimethyaminopropyl) carbodiimide Bovine serum albumin PBS Phosphate buffered saline Dung dịch đệm phốt phát Ab Antibody Kháng thể Ag Antigen Kháng nguyên OLED EDC Albumin huyết bò ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu polymer dẫn Bảng 1.2 Năng lượng vùng cấm số polymer dẫn 33 Bảng 2.1 Hóa chất dùng thí nghiệm Bảng 2.2 Nồng độ hóa chất thơng số q trình 42 điện hóa Bảng 3.1 Một số nghiên cứu cảm biến khí sở vật 64 liệu polyaniline Bảng 4.1 Một vài cảm biến sinh học chế tạo phát 92 triển ITIMS Bảng 4.2 Giá trị điện trở chuyển điện tích Rct nồng 107 độ kháng nguyên vi rút VNNB khác Bảng 4.3 So sánh kết dị tìm kháng ngun vi rút gây 110 bệnh số loại cảm biến miễn dịch 39 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Chu Van Tuan, Tran Quang Huy, Mai Anh Tuan, Nguyen Van Hieu, Tran Trung (2013), Polyaniline nanowires-based electrochemical immunosensor for label free detection of Japanese encephalitis virus, Analytical Letters, 46, pp 1229 - 1240 Chu Van Tuan, Mai Anh Tuan, Nguyen Van Hieu, Tran Trung (2012), Electrochemical synthesis of polyaniline nanowires on Pt interdigitated microelectrode for room temperature NH3 gas sensor application, Current Applied Physics, 12, pp 1011 - 1016 Chu Văn Tuấn, Mai Anh Tuấn,Trần Trung (2012), Nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy Ethanol sở vật liệu polyme dẫn điện, Tạp chí hóa học Viện Khoa học & Cơng nghệ Việt Nam, 50(1), pp 63 - 67 Chu Văn Tuấn, Nguyễn Thị Nguyệt, Ngô Đức Tùng, Trần Trung (2011), Ảnh hưởng tốc độ quét tuần hoàn đến cấu trúc mạng dây nano polyaniline lên vi điện cực platin, Tạp chí Nghiên cứu khoa học Cơng nghệ qn sự, 16, pp 130 - 135 Chu Van Tuan, Mai Anh Tuan, Nguyen Van Hieu, Tran Trung (2011), Electrochemical Synthesis of polyaniline nanowires as hydrogen gas sensor, The th Vietnam-Korea International Joint Symposium on Advanced Materials and Their Processing, Hanoi, Vietnam - November 14 - 15, pp 12 - 16 Chu Van Tuan, Mai Anh Tuan, Nguyen Van Hieu, Tran Trung (2011), Electrochemical synthesis of polyaniline nanowires for gas-sensing applications, Proceedings of IWNA 2011, November 10-12, Vung Tau, Vietnam, pp 764 - 768 Chu Văn Tuấn, Mai Anh Tuấn, Trần Trung (2011), Nghiên cứu tính chất nhạy khí dây nano polyme dẫn nhiệt độ phịng, Hội nghị Vật lý chất rắn & KHVL tồn quốc lần thứ 7(SPMS-2011), TP.Hồ Chí Minh, 7-9/11/2011 Tran Trung, Chu Van Tuan, Nguyen Van Tri, Nguyen Van Hieu (2011), Anomalous coupling of odd electrons in polypyrrole nanocomposites containing maganese dioxide identified via ESR and FTIR studies, Vietnam Journal of Chemistry, 49(5), pp 591 - 596 135 Chu Văn Tuấn, Mai Anh Tuấn, Trần Trung (2011), Nghiên cứu chế tạo dây nano polypyrrole phương pháp điện hóa ứng dụng, Tạp chí hóa học Viện khoa học & công nghệ Việt Nam, 49(1), pp 105 - 108 136 ... tài nghiên cứu: ‘? ?Nghiên cứu tổng hợp dây nano polyaniline phương pháp điện hóa ứng dụng chế tạo cảm biến? ?? Đề tài thực với hai mục tiêu chính: i- Thứ tổng hợp dây nano polyaniline phương pháp điện. .. tượng nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu phát triển cảm biến hóa học Chương 2: Nghiên cứu chế tạo dây nano polyaniline phương pháp điện hóa Trong chương mô tả chi tiết việc nghiên cứu, chế tạo dây nano. .. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP DÂY NANO POLYANILINE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO CẢM BIẾN Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu điện