3. TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRấN
5.4.2. Vật liệu Fe3O4/PANi/PSA ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện húa
húa xỏc định cholesterol
Hỡnh 5.26 trỡnh bày ảnh SEM của màng Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx. Khi cú
mặt enzym ChOx, độ gồ ghề của bề mặt điện cực giảm. Điều này chứng tỏ Fe3O4/PSA-ChOx đó được gắn thành cụng trờn màng PANi nhờ tỏc nhõn liờn kết ngang GA. Cơ chế gắn cú thể giả thiết như sau: được tổng hợp bằng phương phỏp điện húa màng PANi cú nhiều nhúm NH2 ở cuối mỗi mạch và cỏc nhúm NH2 của ChOx sẽ gắn với nhau thụng qua liờn kết ngang với GA tạo thành liờn kết cộng húa trị (C=N) [24]. Mặt khỏc cỏc nhúm COOH của PSA trờn bề mặt hạt Fe3O4 cú thể liờn kết với nhúm NH2 của PANi thụng qua liờn kết amit (CONH) [74]. Giả thiết này được thể hiện trờn hỡnh Hỡnh 5.27.
0 2 4 6 8 10 12 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 I(A)=0,163*Cglucose+0,0198 R2=0,9963 I ( A ) Cglucose (mM)
100
Hỡnh 5.26 Ảnh SEM của màng PANi/Fe3O4/PSA–ChOx
Hỡnh 5.27Mụ hỡnh gắn Fe3O4/PSA-ChOx vào điện cực Pt/PANi [70]
Đặc trưng điện húa của điện cực Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx được khảo sỏt bằng phương phỏp quột thế vũng với tốc độ quột từ 10 đến 100 mV/s, thế quột giữa -0,6V và +0,6V trong dung dịch đệm PBS (pH 7,0). Kết quả cho thấy xuất hiện cặp pic khử - oxy húa tại vị trớ –0,32 V (Epc) và +0,18 V (Epa) trong vựng thế quột đó chọn (Hỡnh
101 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Cu rr en t ( A ) E (V, Ag/AgCl) a j I
Hỡnh 5.28Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx ở cỏc tốc độ quột khỏc nhau (từ a tới j tương ứng với 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, và 100 mV/s) trong
dung dịch PBS
Cường độ cỏc đỉnh phụ thuộc vào tốc độ quột thể hiện trong Bảng 5-8, từ đú
xõy dựng được đồ thị quan hệ giữa tốc độ quột và cường độ dũng khử, oxy húa, kết quả thể hiện ở Hỡnh 5.29. Cú thể thấy rừ ràng rằng cường độ dũng khử - oxy húa tăng tuyến tớnh với tốc độ quột.
Bảng 5-8. Quan hệ giữa tốc độ quột và cường độ dũng khử, oxy húa Tốc độ quột (mV/s) Cường độ dũng oxy húa
Ipa(àA) Cường độ dũng khử Ipc (àA) 10 0,8 -0,927 20 0,907 -1,25 30 1,01 -1,68 40 1,13 -1,9 50 1,26 -2,2 60 1,37 -2,44 70 1,47 -2,62 80 1,6 -2,83 90 1,72 -3,03 100 1,88 -3,27
102 0 20 40 60 80 100 -3 -2 -1 0 1 2 Ipc Ipa R2=0.984 R2 = 0.998 I( tốc độ quét(mV/s)
Hỡnh 5.29Quan hệ giữa tốc độ quột và cường độ dũng khử, oxy húa
Như vậy, quỏ trỡnh trao đổi điện húa trờn bề mặt điện cực hoàn toàn cú thể điều khiển được dựa trờn điều khiển quỏ trỡnh khuếch tỏn [31, 32]. Sự tăng tuyến tớnh của cường độ cỏc đỉnh khử - oxy húa được mụ tả như ở hai phương trỡnh sau:
Ia (àA) = 0.6650 àA + 0.0118 àA (s/mV) v (mV/s) (R2 = 0.998) Ic (àA) = –0.8248 àA – 0.0253 àA (s/mV) v (mV/s) (R2 = 0.984)
Nghiờn cứu phổ CV của cảm biến
Tiến hành quột phổ CV của điện cực sinh học Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOxtrong dung dịch PBS (pH=7) trong khoảng thế từ -0,6 tới +0,6 V, tốc độ 50mV/s lỳc chưa cú và cú cholesterol 0,5 mM. Kết quả được đưa ra tại Hỡnh 5.30, cú thể thấy rằng cú sự tăng cường độ dũng trờn phổ CV trong khoảng điện thế từ -0,1 V đến 0,6 V khi quột trong dung dịch PBS cú chứa cholesterol so với dung dịch khụng chứa cholesterol. Điều này chứng tỏ sự đỏp ứng điện húa của điện cực Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx trong dung dịch chứa cholesterol. Pic cú cường độ yếu ở khoảng 0,18 V trong phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx trong dung dịch PBS chứa 0,5 mM cholesterol gõy ra do sự tạo thành H2O2 trong quỏ trỡnh oxi húa của cholesterol bởi ChOx [10,84]. Hạt nano Fe3O4 đúng vai trũ là mụi trường truyền điện tớch cú thể làm tăng đỏp ứng dũng của điện cực do đú sẽ làm tăng độ nhạy của cảm biến [20,84].
103 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 -4 -3 -2 -1 0 1 2 Cu rr en t ( A ) E (V, Ag/AgCl) khụng cú cholesterol cú cholesterol
Hỡnh 5.30 Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx trong dung dịch PBS khi khụng cú cholesterol (a) và khi cú 0.5 mM cholesterol trong khoảng điện thế từ
–0.6 đến +0.6 V tốc độ quyột 50 mV/s
Đặc trưng đỏp ứng dũng theo nồng độ cholesterol
Bỡnh điện húa sử dụng cho phộp xỏc định chứa 5ml dung dịch đệm PBS, trong điều kiện nhiệt độ phũng. Sử dụng hệ gồm cú điện cực làm việc là điện cực sinh học Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx, điện cực so sỏnh là điện cực SCE, điện cực phụ trợ là điện cực lưới Pt. Áp dụng phương phỏp đo dũng (chronoamperometric) tại điện ỏp cố định E = 0,181 V để định lượng nồng độ cholesterol tổng số.
Cường độ dũng được đo liờn tục theo thời gian, khi đạt sự ổn định dũng thỡ dung dịch cholesterol 1mM sẽ được thờm vào hệ điện húa. Sau khi cường độ dũng đạt cõn bằng mới, lượng cholesterol tiếp theo lại được thờm vào. Đường đặc trưng đỏp ứng dũng của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx được đưa ra tại Hỡnh 5.31.
104 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 I ( A ) Time (s) cholesterol
Hỡnh 5.31 Đỏp ứng dũng của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx khi thờm 0,2mM cholesterol trong dung dịch PBS (pH=7) dưới thế +0,18v
Cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx đạt ổn định dũng trong dung dịch đệm PBS 50mM (pH=7) sau khoảng 200 giõy. Tiếp theo thờm 100 l dung dịch cholesterol nồng độ 1mM vào bỡnh điện húa lỳc này tớn hiệu dũng cú sự thay đổi đột ngột và cú xu hướng tương đối ổn định sau khoảng 70 tới 80 giõy. Lượng cholesterol cho vào cú đỏp ứng dũng tương đối tốt tới nồng độ 1,8 mM, sau khoảng nồng độ này cường độ dũng khụng ổn định, thậm chớ khụng đỏp ứng dũng khi cú cholesterol trong hệ. Điều này cho thấy cú thể lượng enzym cố định trờn điện cực đó hết. Chờnh lệch cường độ dũng ứng với tổng nồng độ cholesterol trong hệ điện húa được đưa ra tại Bảng 5-9.
Bảng 5-9. Cường độ dũng khi thờm cholesterol vào hệ điện húa
C (mM) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 I (A) 3,95 6,89 9,17 11,94 16,72 21,53 25,66
C (mM) 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6
105
Từ đú xõy dựng được đường cong chuẩn của tớn hiệu dũng phụ thuộc theo nồng độ cholesterol, kết quả được trỡnh bày trong Hỡnh 5.32. Tớn hiệu dũng tăng tuyến
tớnh với nồng độ cholesterol trong dải 0,2 đến 1,8 mM theo phương trỡnh: I(A) = 17,67 C(mM) - 0,3314 (R2= 0,9901), với thời gian cần thiết để đạt tới 95% giỏ trị của dũng bóo hũa là dưới 5s.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 10 20 30 40 I ( A ) Cholesterol (mM) R 2 = 0. 9901 y = 0.3314 + 17.67 * x
Hỡnh 5.32Đường chuẩn của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx là hàm của nồng độ cholesterol
Độ đặc hiệu của cảm biến
Để đỏnh giỏ độ đặc hiệu của cảm biến ChOx, thớ nghiệm được tiến hành như trong điều kiện xõy dựng đường chuẩn. Dung dịch cholesterol 5mM, dung dịch glucose 5mM, dung dịch axit ascobic 5mM, dung dịch axit uric 5mM và dung dịch acetaminophen 5mM được cho vào hệ điện húa sau đú đo dũng đỏp ứng. Kết quả được đưa ra tại Hỡnh 5-32, cú thể thấy rằng khi cho dung dịch glucose, dung dịch axit ascobic, dung dịch axit uric và dung dịch acetaminophen vào hệ điện húa đó gõy ra sự thay đổi đỏng kể cường độ dũng, tuy nhiờn chỳng nhanh chúng trở về giỏ trị dũng như lỳc trước khi thờm dung dịch. Trong khi đú khi thờm cholesterol, cường độ dũng đạt trạng thỏi ổn định mới. Như vậy cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx cú độ đặc hiệu cao với cơ chất.
106
Hỡnh 5.33Đỏp ứng dũng của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx khi thờm 0,5mM cholesterol, 5 mM glucose, 0.5 mM AA, 0.5 mM UA, and 0.5 mM AC trong dung
dịch PBS (pH=7) dưới thế +0,18v
Độ nhạy của cảm biến
Trong phộp định lượng theo nguyờn lý đo dũng của cảm biến, độ nhạy (S) được định nghĩa là sự thay đổi cường độ dũng (A) trờn một đơn vị nồng độ (mM) và diện tớch của điện cực làm việc (3,14*0,25*0,25 = 1.96.10-3 cm2) [24,81]. Từ kết quả đo đỏp ứng dũng của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx tại Hỡnh 5.31 thu được số liệu tớnh độ nhạy thể hiện ở Bảng 5-10 (tớnh độ nhạy chỉ sử dụng số liệu trong khoảng tuyến tớnh của cảm biến, nồng độ cholesterol từ 0,2 đến 1,8 mM).
Bảng 5-10. Độ nhạy của cảm biến
C (mM) I (àA) ΔI(àA) ΔI/C S (A.mM-1.cm-2)
0,2 3,95 3,944 19,720 10048,53 0,4 6,891 6,885 17,212 8770,76 0,6 9,175 9,169 15,281 7786,87 0,8 11,942 11,936 14,920 7602,89 1 16,725 16,719 16,719 8519,26 1,2 21,537 21,531 17,942 9142,90 1,4 25,66 25,654 18,324 9337,23 1,6 28,035 28,029 17,518 8926,44 1,8 31,912 31,906 17,725 9032,28 Độ nhạy trung bỡnh 8796
107
Như vậy độ nhạy trung bỡnh của cảm biến Pt/PANi/Fe3O4/PSA-ChOx : S = 8796 A.mM-1.cm-2
, giỏ trị này tương đương với kết quả đó được cụng bố về cảm biến cholesterol của một số nhúm nghiờn cứu khỏc [8, 48, 53, 82, 84].
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
Trong chương này chỳng tụi đó ứng dụng cỏc vật liệu cấu trỳc nano cho cỏc ứng dụng khỏc nhau:
1. Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh tải curcumin lờn vật liệu nano GPCS, sau khi tải kớch thước vật liệu tăng lờn 30-40nm; hiệu suất tải curcumin đạt được cao nhất là 75%.
* Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh nhả curcumin trong dung dịch PBS (pH=7,4) cho thấy trong 8 giờ đầu khoảng 50% lượng curcumin được nhả ra khỏi hạt GPCS, sự nhả curcumin chậm dần và đạt tới 75% sau 24 giờ.
Kết quả nhận được cho thấy vật liệu cú khả năng tiếp nhận và nhả chậm thuốc. 2. Đó nghiờn cứu khả năng khỏng khuẩn của vật liệu nano Ag/CS. Kết quả cho thấy vật liệu cú khả năng khỏng khuẩn tốt đối với cỏc khuẩn gram õm, gram dương và nấm, trong đú tốt nhất khỏng chủng P.aeruginosa (IC50 là 1,42 àg/ml) tốt hơn khỏng sinh penicillin-streptomycin cho chủng này (IC50 là 4,5 àg/ml).
* Đó nghiờn cứu khả năng ức chế sự phỏt triển của 4 dũng tế bào ung thư (HepG2, Lu, MCF-7,KB) của dung dịch Ag/CS từ nồng độ 6,25 àg/ml, so sỏnh với mẫu trắng khụng cú nano Ag/CS, quan sỏt sự biến đổi tế bào bằng kớnh hiển vi, kết quả cho thấy cả 4 dũng tế bào đó bị ức chế sinh trưởng mạnh lờn tới 60% so với mẫu trắng sau 72 giờ.
3. Đó nghiờn cứu gắn curcumin lờn vật liệu nano Fe3O4/CS, kớch thước vật liệu trước khi gắn là 30-50 nm, sau khi gắn kớch thước hạt tăng lờn đến 400-450 nm. Sau khi gắn curcumin, vật liệu cũng cú khả năng phỏt quang giống curcumin. Đõy là cơ sở để cú thể theo dừi sự di chuyển khi sử dụng vật liệu làm chất dẫn thuốc hướng đớch.
* Đó nghiờn cứu khả năng hấp phụ Pb(II), Ni(II), Cr(VI) của vật liệu nano Fe3O4/CS. Dung lượng hấp phụ tối đa đối với Pb(II), Ni(II), Cr(VI) tương ứng là 63,3 mg/g, 52,55 mg/g và 55,08 mg/g. Việc kết hợp giữa khả năng hấp phụ của tốt
108
CS và tớnh chất từ của Fe3O4 nhằm loại bỏ chất bị hấp phụ ra khỏi dung dịch bằng nam chõm và tỏi sinh chất hấp phụ.
* Đó khảo sỏt chi tiết động học hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch cú nồng độ Cr(VI) ban đầu tương ứng là 40, 80 và 180 mg/l. Kết quả cho thấy quỏ trỡnh hấp phụ tuõn theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir quỏ trỡnh hấp phụ là đơn lớp, và tuõn theo phương trỡnh động học bậc 2.
4. Đó nghiờn cứu chế tạo cảm biến sinh học bằng quỏ trỡnh gắn enzym glucose oxidase vào vật liệu Fe3O4/PPy. Đó nghiờn cứu sử dụng cảm biến sinh học xỏc định hàm lượng glucose bằng phương phỏp quột thế vũng (CV) và phương phỏp đo dũng. Khoảng tuyến tớnh của cảm biến glucose đạt được là 0,98 - 9,02 mM, R2 =0,9963, đỏp ứng dải đo trong y tế.
* Đó nghiờn cứu chế tạo cảm biến sinh học bằng quỏ trỡnh gắn enzym cholesterol oxidase vào vật liệu Fe3O4/PANi/PSA. Đó nghiờn cứu sử dụng cảm biến sinh học xỏc định hàm lượng cholesterol bằng phương phỏp quột thế vũng (CV) và phương phỏp đo dũng. Khoảng tuyến tớnh của cảm biến cholesterol là 0,2 - 2 mM, R2=0,9958, độ nhạy tương đối cao.
109
KẾT LUẬN
Luận ỏn đó nghiờn cứu tổng hợp, đặc trưng và đỏnh giỏ khả năng ứng dụng của một số vật liệu tổ hợp cấu trỳc nano từ polyme thiờn nhiờn chitosan, polyme dẫn polyanilin, polypyrrol với Ag, Fe3O4. Kết quả được thể hiện trong cỏc kết luận sau:
1. Đó nghiờn cứu tổng hợp vật liệu nano chitosan sử dụng gossypol làm tỏc nhõn khõu mạch. Vật liệu tạo ra GPCS cú dạng hỡnh cầu, phõn bố kớch thước tương đối đồng đều trong khoảng 20-35nm.
* Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh tải curcumin lờn vật liệu nano GPCS, sau khi tải kớch thước vật liệu tăng lờn 30-40nm; hiệu suất tải curcumin đạt được cao nhất là 75%.
* Đó nghiờn cứu quỏ trỡnh nhả curcumin trong dung dịch PBS (pH=7,4) cho thấy trong 8 giờ đầu khoảng 50% lượng curcumin được nhả ra khỏi hạt GPCS, sự nhả curcumin chậm dần và đạt tới 75% sau 24 giờ.
Kết quả nhận được cho thấy vật liệu cú khả năng “tải” và “nhả chậm” thuốc.
3. Đó nghiờn cứu tổng hợp vật liệu nano Ag/CS, trong đú CS với vai trũ vừa là chất khử vừa là chất bao bọc. Với nồng độ của [Ag+] và [CS] lần lượt là 3,33.10-3 mmol/l và 0,33 mg/l; thời gian 6 giờ, nhiệt độ 800 thu được vật liệu nano Ag/CS hỡnh cầu khụng kết khối cú kớch thước 12-15 nm, với kớch thước này vật liệu cú khả năng khỏng khuẩn tốt.
* Đó nghiờn cứu chi tiết động học của phản ứng tổng hợp nano Ag/CS. Phương trỡnh động học phụ thuộc giữa nồng độ theo thời gian cho thấy phản ứng là bậc 1, hằng số tốc độ phản ứng ở 300C, 500C, 800C, 1000C lần lượt là (3,8± 0,25) x10-5, (2,76± 0,18) x10-4, (3,46± 0,22) x10-3, (1,49± 0,09) x10-2 (phỳt-1), năng lượng hoạt húa Ea ~ 79,9 kJ/mol.
* Đó nghiờn cứu khả năng khỏng khuẩn của vật liệu nano Ag/CS. Kết quả cho thấy vật liệu cú khả năng khỏng khuẩn tốt đối với cỏc khuẩn gram õm, gram dương và nấm, trong đú tốt nhất khỏng chủng P.aeruginosa (IC50 là 1,42 àg/ml) tốt hơn khỏng sinh penicillin-streptomycin cho chủng này (IC50 là 4,5 àg/ml).
* Đó nghiờn cứu khả năng ức chế sự phỏt triển của 4 dũng tế bào ung thư (HepG2, Lu, MCF-7,KB) của nano Ag/CS từ nồng độ 6,25 àg/ml, kết quả cho thấy
110
cả 4 dũng tế bào đó bị ức chế sinh trưởng mạnh lờn tới 60% so với mẫu trắng sau 72 giờ.
4. Đó nghiờn cứu tổng hợp vật liệu nano Fe3O4/CS theo phương phỏp đồng kết tủa. Kớch thước hạt của vật liệu đạt 30-50 nm, từ độ bóo hũa đạt 55 emu/g so với 52 emu/g của nano Fe3O4. Sản phẩm cú thể dựng cho ứng dụng dẫn thuốc và hấp phụ kim loại nặng.
* Đó nghiờn cứu gắn curcumin lờn vật liệu nano Fe3O4/CS, kớch thước vật liệu trước khi gắn là 30-50 nm, sau khi gắn kớch thước hạt tăng lờn đến 400-450 nm. Sau khi gắn curcumin, vật liệu tạo thành cú khả năng phỏt quang giống curcumin. Đõy là cơ sở để cú thể sử dụng vật liệu làm chất dẫn thuốc hướng đớch.
* Đó nghiờn cứu khả năng hấp phụ Pb(II), Ni(II), Cr(VI) của vật liệu nano Fe3O4/CS. Dung lượng hấp phụ tối đa đối với Pb(II), Ni(II), Cr(VI) tương ứng là 63,3 mg/g, 52,55 mg/g và 55,08 mg/g. Việc kết hợp giữa khả năng hấp phụ tốt của chitosan và momen từ cao của Fe3O4 nhằm loại bỏ chất bị hấp phụ ra khỏi dung dịch bằng nam chõm và tỏi sinh chất hấp phụ.
* Đó khảo sỏt chi tiết động học hấp phụ Cr(VI) trong dung dịch cú nồng độ Cr(VI) ban đầu tương ứng là 40, 80 và 180 mg/l. Quỏ trỡnh hấp phụ tuõn theo phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir và tuõn theo phương trỡnh động học bậc 2.
5. Đó nghiờn cứu tổng hợp điện húa vật liệu tổ hợp cấu trỳc nano giữa Fe3O4 với cỏc polyme: polypyrrol, polyanilin, poly styren và axit acrylic kớ hiệu là: