Khảo sát số vòng điện phân CuNPs.
Quá trình điện phân nhằm gắn CuNPs lên bề mặt điện cực bằng cách quét CV trong dung dịch Cu 3mM + H2SO4 0,1M với số vòng điện phân khác nhau: 5- 10-15 vòng. Kết quả thực nghiệm về độ chọn lọc, độ nhạy và khả năng đáp ứng của điện cực được trình bày trong bảng 3.15 cho thấy, khi tăng số vòng điện phân CuNPs, khả năng đáp ứng của điện cực đối với UA tăng lên. Ban đầu, khi điện phân 5 vòng, cường độ pic tín hiệu của UA rất thấp. Tăng số vòng điện phân lên 10 vòng, điện cực cho đáp ứng cao nhất với UA. Với số vòng điện phân CuNPs 15 vòng, cường độ pic tín hiệu của UA giảm đáng kể. Như vậy, điện phân CuNPs 10 vòng được lựa chọn để điện phân CuNPs lên bề mặt điện cực và tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
Bảng 3.15: Các thông số thực nghiệm khảo sát đáp ứng của điện cực với UA khi thay đổi số vòng điện phân CuNPs
Đáp ứng của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs với UA trong PBS pH 7 Số vòng CuNPs Khoảng tuyến
tính (µM) Cường độ tín hiệu (µA) Độ nhạy Hệ số tương quan 5 60,2 – 186 5,63 – 11,6 0,0478 0,9936 10 11,9 – 224 1,07 – 18,9 0,108 0,999 15 80,9 – 129 8,58 – 11,3 0,0574 0,9903
Từ kết quả thực nghiệm trong điều kiện tối ưu, thu được tín hiệu DPV và lập đường chuẩn cho điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs có số vòng điện phân CuNPs là 10 vòng trong khoảng từ 11,9 - 224µM (hình 3.18) theo bảng 3.16.
Bảng 3.16: Mối quan hệ giữa cường độ dòng và nồng độ UA C (µM) 11,9 23,4 34,7 45,8 60,2 80,9 104 129 158 186 224 I (µA) 1,09 2,24 3,33 4,35 5,75 8,78 10,8 13,6 16,4 19,8 23,9 E/V
Hình 3.18: (A) Tín hiệu xung vi phân và (B) đường chuẩn của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs có số vòng điện phân CuNPs 10 vòng 3.2.3. Khảo sát các đặc trưng của điện cực GCE/rGO/PDA – Cu(II)/CuNPs
Kết quả tổng hợp điện hóa PDA-Cu(II) trên điện cực GCE/rGO bằng CV trên Hình 3.19A. Đường cong phân cực cho thấy có sự xuất hiện 2 píc anot tại thế 0 V và 0,25 V tương ứng với quá trình ôxi hóa của Cuo thành Cu2+ và DA thành PDA. ngoài ra còn xuất hiện một pic catot tại vùng thế -0,04 V ứng với quá trình khử của Cu2+ thành Cuo. Quá trình kết tủa CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II) trong Hình 3.19B cho thấy chỉ xuất hiện cặp tín hiệu ôxi hóa khử của Cu2+. Như vậy, PDA không tham gia vào quá trình điện hóa.
So sánh khả năng điện hoạt của các điện cực biến tính bằng vật liệu khác nhau bằng phương pháp khảo sát CV trong dung dịch [Fe(CN)6]4- cho thấy cường độ dòng giảm dần theo thứ tự GCE/rGO> GCE/rGO/PDA- Cu(II)/CuNPs>GCE/rGO/PDA-Cu(II). Mặc dù điện cực GCE/rGO có khả năng điện hoạt cao nhất, nhưng do độ ổn định và độ chọn lọc điện hóa với chất phân tích
I µ
CUA/µM
(B) (A)
thấp nên không sử dụng trong xác định UA. Vì vậy, GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs được lựa chọn để xác định UA.
0.400x10 0.300x10 0.200x10 0 . 1 0 0 x 1 0 0.300x10 0.200x10 0.100x10 0 -0.100x10 -3 0 -0.100x10 -0.200x10 -0.300x10-0.300 -0.200 -0.100 0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 E / V -0.200x10 -0.300x10 -0.400x10 -0.500x10 -0.600x10-0.750 -0.500 -0.250 0 0.250 0.500 0.750 E / V
Hình 3.19: Tín hiệu CV của quá trình điện phân (A) PDA-Cu(II) và (B) CuNPs trong dung dịch CuCl2 30mM + DA 10mM ở khoảng thế từ -0,3V đến +0,5V, tốc
độ quét 10mV/s
Hình 3.20: Tín hiệu CV của các điện cực biến tính khác nhau khi quét dung dịch K3FeCN)6/K4Fe(CN)6 1mM và KCl 0,1M ở thế từ -0,3 – 0,5V, tốc độ quét 100mV/s: (a) GCE/rGO; (b) GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs; (c) GCE/rGO/PDA-Cu
Kết quả tính toán diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực GCE/rGO/PDA- Cu(II)/CuNPs là 21,96 mm-3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3 i / A i / A Cu0 Cu2+ 2nd và 3rd Cycles 1st Cycles Cu2+ Cu0 DA PDA Cu0 Cu2+ Cu2+ Cu0
-3 -3
2, tăng gấp 7 lần so với điện cực GCE khi chưa biến tính (3,14 mm2), chứng tỏ rằng màng PDA sau khi được phân tán CuNPs đã làm tăng đáng kể khả năng vận chuyển điện tích. Nói cách khác điện cực biến tính
GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs có tính chất điện hoạt cao phù hợp cho ứng dụng phân tích.
(A) (B)
Hình 3.21: (A) Ảnh SEM và (B) phổ EDS của GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs trong Hình 3.21A cho thấy PDA-Cu(II) tạo compozit với rGO và trên bề mặt vật liệu rGO/PDA được tạo thành các hạt nano Cu kim loại sáng màu.
Kết quả đo phổ EDS trong hình 3.21B cho thấy tín hiệu của Cu xuất hiện tại giá trị năng lượng 1 keV và hàm lượng của Cu trong màng PDA chiếm 1,03% theo khối lượng. Tuy nhiên, với việc khử điện hóa trực tiếp của Cu2+ thành CuNPs trên PDA-Cu(II) đã tăng hàm lượng phần trăm theo khối lượng Cu lên 22,43%. Như vậy CuNPs đã được tổng hợp thành công lên màng điện cực cảm biến.
Tiến hành đo CV của điện cực GCE/ rGO/PDA-Cu/CuNPs trong dung dịch UA cho thấy quá trình ôxi hóa khử của UA bất thuận nghịch. Đường CV trong Hình 3.22 cho thấy píc oxi hóa UA xuất hiện tại thế 0,23 V trong khi pic khử xuất hiện không rõ ràng (cường độ rất nhỏ).
0.100x10 0.050x10 0 -0.050x10 -0.100x10 -0.150x10-0.500 -0.250 0 0.250 0.500 0.750 E / V
Hình 3.22: Tín hiệu CV của UA trên GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs với các tốc độ quét thế khác nhau từ 20 mV/s đến 125 mV/s.
Dựa vào tín hiệu chiều cao pic và nồng độ của UA thu được trên máy Autolab sử dụng phương pháp quét DPV thu được kết quả thể hiện trong bảng 3.17
Bảng 3.17: Các thông số thực nghiệm khảo sát khoảng tuyến tính
Khoảng tuyến tính (µM) 11,9 - 224
Cường độ tín hiệu (µA) 1,09 – 23,9
Độ nhạy 0,108
Hệ số tương quan 0,999
Khoảng tuyến tính của UA khá rộng, nằm trong khoảng 11,9 – 224 µM, giới hạn phát hiện của UA đạt được ở nồng độ thấp 3,9µM, LOQ = 12,998 µM. Từ khoảng tuyến tính trên, xây dựng đường chuẩn xác định UA theo bảng 3.18. Kết quả cho thấy vùng làm việc của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs hẹp hơn so với GCE/Gr/PDA-Cu/CuNPs, tuy nhiên độ nhạy cao hơn đáng kể. Như vậy GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs phù hợp để xác định UA ở khoảng nồng độ thấp, với giới hạn phát hiện thấp hơn, độ nhạy cao hơn. Ngoài ra, đường chuẩn tuyến tính xây dựng có hệ số tự do b rất nhỏ, cường độ tín hiệu gần như tỉ lệ thuận với hàm lượng UA, nên điện cực cảm biến có thể định lượng UA bằng
i / A
125 mV/s 20 mV/s
phương pháp 1 mẫu chuẩn, bên cạnh phương pháp thêm chuẩn: I0/Ix = C0/Cx. Với C0, Cx là lượng UA trong mẫu chuẩn và mẫu cần phân tích. I0 và Ix là cường độ tín hiệu tương ứng.
Bảng 3.18: Sự phụ thuộc của cường độ dòng vào nồng độ UA C (µM) 11,9 23,4 34,7 45,8 60,2 80,9 104 129 158 186 224 I (µA) 1,09 2,24 3,33 4,35 5,75 8,78 10,8 13,6 16,4 19,8 23,9 CUA/µM (A) (B)
Hình 3.23: (A) Tín hiệu DPV và (B) đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng vào nồng độ UA
3.2.4. Khảo sát độ chọn lọc của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs
- Dopamin
Dựa vào tín hiệu DPV của UA khi trong dung dịch đo có mặt của DA ở nồng độ 1,07×10-4
-4 -4 -4 -4
-3M với nồng độ UA ở 1,07×10-4M trên điện cực làm việc GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs trong môi trường đệm PBS 0,1M, pH 7, ta thấy tín hiệu của từng chất UA và DA được phân tách hoàn toàn ở các vị trí điện thế tương ứng, nhưng tín hiệu bị nhiễu và giữa các lần đo và tín hiệu bị chồng chéo
I µ
Hình dáng pic tín hiệu không cân đối, tín hiệu lặp lại không ổn định (hình 3.24). So sánh với tín hiệu đo UA ở cùng nồng độ trong dung dịch không có mặt DA thấy chiều cao pic của UA giảm, độ lặp lại giảm dần.
E/V
Hình 3.24: Tín hiệu xung vi phân của UA khi trong dung dịch có mặt DAở nồng độ 1,07×10-3M với nồng độ UA ở 1,07×10-4M trên điện cực làm việc GCE/rGO/PDA-
Cu/CuNPs trong môi trường đệm PBS 0,1M, pH 7
Như vậy, khi trong dung dịch đo UA có mặt của DA có nồng độ gấp 10 lần nồng độ UA đã làm ảnh hưởng đến độ nhạy, khoảng tuyến tính cũng như giới hạn phát hiện của phương pháp. Tuy nhiên, thực tế, hàm lượng DA trong các mẫu lỏng sinh học của người thường nhỏ hơn đáng kể so với UA, do đó, khi phân tích mẫu thực tế, ảnh hưởng của DA đối với kết quả phân tích không đáng kể, có thể bỏ qua.
- Paracetamol
Dựa vào tín hiệu DPV (hình 3.25) của UA khi trong dung dịch đo có mặt của Paracetamol với nồng độ 6,40×10-4M so với nồng độ UA 9,60×10-5M trên điện cực làm việc GCE/rGO/PDA–Cu(II)/CuNPs trong môi trường đệm PBS 0,1M, pH 7, ở nồng độ UA 9,60×10-5M. Kết quả cho thấy tín hiệu oxi hoá Paracetamol chồng lên tín hiệu tương ứng của UA tại vị trí điện thế của UA, xuất hiện vai phổ của pic oxi hoá UA dẫn đến tín hiệu của UA thay đổi liên tục và độ lặp lại kém.
I/ A
UA DA
Hình 3.25: Tín hiệu xung vi phân của UA trong dung dịch có mặt của
Paracetamolvới nồng độ 6,40×10-4M so với E/V A 9,60×10-5M trên điện cực làm việc GCE/rGO/PDA–Cu/CuNPs trong môi trường đệm PBS 0,1M, pH 7, ở
nồng độ UA 9,60×10-5M
Như vậy, khi trong dung dịch đo UA có mặt của Paracetamol ở nồng độ gấp 5 lần (hoặc hơn) nồng độ của UA sẽ làm ảnh hưởng đến độ nhạy, khoảng tuyến tính cũng như giới hạn phát hiện của phương pháp.
- Nitrit
Dựa vào tín hiệu DPV của UA khi trong dung dịch đo có mặt NO - 1,06×10-2M (hình 3.26), ta thấy ở nồng độ UA 1,07×10-4M xuất hiện hai đỉnh pic tách nhau hoàn toàn ở các vị trí điện thế tương ứng với các chất UA và NO -. Tuy nhiên, các đường von-ampe không ổn định, bị nhiễu, đỉnh pic không rõ nét. So sánh với tín hiệu của UA ở cùng nồng độ trong dung dịch không có mặt NO - thấy chiều cao pic giảm.
E/V
Hình 3.26: Tín hiệu xung vi phân của UA1,07×10-4M khi trong dung dịch có mặt NO2-1,06×10-2M nồng độ U I/ A 2 2 2
Kết quả thực nghiệm cho thấy, sự có mặt của NO2- ở nồng độ gấp 100 lần nồng độ UA đã làm ảnh hưởng đến tín hiệu đo UA không ổn định, xuất hiện tín hiệu nhiễu.
-Glucozo
Dựa vào tín hiệu DPV thu được trong hình 3.27 cho thấy, ở nồng độ UA 1,07×10-4M cùng với sự có mặt của đường glucozo 1,07×10-4M trong dung dịch, pic tín hiệu của UA không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của glucozo, tín hiệu ổn định, độ lặp lại tốt. Như vậy, nhờ biến tính bề mặt điện cực GCE bằng vật liệu GO được khử trong dung dịch NaCl 0,5M, PDA-Cu(II), CuNPs, sự có mặt của đường glucozo đã không ảnh hưởng đến khoảng tuyến tính, độ nhạy và tín hiệu đo UA.
E/V
Hình 3.27: Tín hiệu DPV của UA 1,07×10-4M cùng với sự có mặt của đường glucozo 1,07×10-4M
Khảo sát độ bền, độ ổn định, độ lặp lại
Điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs sau khi chế tạo xong được rửa sạch bằng nước deion để sử dụng cho các phép đo tiếp theo. Điện cực sau khi chế tạo được sử dụng để đo khả năng ghi nhận tín hiệu UA trong 3 ngày liên tiếp. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 3.19 cho thấy, ở ngày thứ hai điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs đáp ứng với UA tốt, cường độ pic tín hiệu cao, độ nhạy tốt, khoảng tuyến tính rộng. Ngày thứ nhất và ngày thứ 3 đo UA ở cùng nồng độ, cường độ pic tín hiệu thấp, khoảng tuyến tính thấp dần .
I/ A
Bảng 3.19: Các thông số khảo sát đáp ứng của điện cực với UA theo thời gian trong 3 ngày
Đáp ứng của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs với UA trong PBS pH 7
Ngày chế tạo Ngày thứ 1 Ngày thứ 2 Ngày thứ 3
Khoảng tuyến tính (µM) 11,9 – 158 11,9 - 224 11,9 – 308 Cường độ tín hiệu (µA) 1,45 – 12,5 1,03 – 15,5 1,17 – 13,2
Độ dốc 0,0743 0,108 0,0607
Hệ số tương quan 0,993 0,999 0,9915
*Độ ổn định và lặp lại của tín hiệu
Độ ổn định và lặp lại của tín hiệu điện cực sau quá trình sử dụng phân tích UA được khảo sát bằng cách đo UA lặp lại ở nhiều nồng độ khác nhau.
Bảng 3.20: Độ lặp lại khi đo UA bằng điện cực GCE/rGO/PDA-Cu/CuNPs
Thông số I (µA) UA(µM) 11,9 23,4 45,8 80,9 129 186 269 Lần đo 1 0,973 1,89 3,6 6,26 9,910 13,1 17 Lần đo 2 1,01 1,88 3,55 6,29 9,96 12,8 17,1 Lần đo 3 1,03 1,84 3,57 6,26 9,96 12,8 17,1 Lần đo 4 0,954 1,85 3,36 6,28 9,93 12,8 16,9 Lần đo 5 0,966 1,86 3,53 6,26 9,89 12,9 16,9 Lần đo 6 0,907 1,87 3,52 6,25 9,88 12,8 16,9 Lần đo 7 0,997 1,83 3,58 6,23 9,92 12,9 17,1 Trung bình 0,977 1,86 3,53 6,26 9,91 12,9 17 Độ lệch chuẩn (SD) 0,041 0,021 0,08 0,02 0,033 0,115 0,1 Độ lệch chuẩn tương đối (%) 4,15 1,161 2,266 0,312 0,339 0,895 0,588
CUA
Hình 3.28: Độ ổn định tín hiệu sau nhiều lần đo ở nhiều nồng độ UA của điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs
Kết quả thu được, sau 7 lần đo lặp lại cường độ tín hiệu thay đổi không quá 5% khi đo UA trong cùng điều kiện phân tích, tín hiệu thu được trên hình 3.28 cho thấy điện cực có độ ổn định và độ lặp lại cao.
3.2.5. Kết luận
Trong phần này, chúng tôi đã trình bày quy trình chế tạo điện cực biến tính GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs. Qui trình công nghệ tối ưu như tổng hợp điện hóa rGO trong dung dịch NaCl 0,5M bằng cách quét CV ở khoảng thế từ -1,5 đến + 0,5V, tốc độ quét 100 mV/s, 10 vòng quét. Vật liệu PDA-Cu(II) được tổng hợp theo phương pháp điện hóa bằng cách điện phân trong dung dịch DA 10 mM + CuCl2 30 mM, quét CV 3 vòng ở khoảng thế từ - 0,3 đến 0,5 V, tốc độ quét 10 mV/s. Vai trò của Cu(II) trong vật liệu PDA được đánh giá dựa vào kết quả đo thực nghiệm của 2 điện cực GCE/rGO/PDA-Cu(II)/CuNPs và GCE/rGO/PDA/CuNPs với UA cho thấy khi trong dung dịch điện phân PDA có sự có mặt của Cu và theo tỉ lệ 10: 30 (mL) thì độ dẫn của điện cực tăng, đáp ứng với UA tốt hơn, độ lặp lại của điện cực cao hơn. CuNPs được gắn lên điện cực bằng cách quét CV trong dung dịch Cu 3 mM+ H2SO4 0,1M ở khoảng thế -0,5 đến -0,7 V, 10 vòng, tốc độ quét 50 mV. Điện cực GCE/rGO/PDA- Cu(II)/CuNPs sau khi chế tạo xong được khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện để đo
I/ A
UA: pH 7, khoảng tuyến tính 1,19.10-5 – 2,24.10-4 (mol/L), LOD = 3,9.10-6 (mol/L), LOQ = 12,998.10-6(mol/L). Các chất ảnh hưởng đến điều kiện đo UA của điện cực bao gồm paracetamol, nitrit. Sự có mặt của DA và glucozơ hàm lượng nhỏ hơn DA không ảnh hưởng đến phép đo UA của điện cực. Điện cực sau khi chế tạo được ngâm trong đệm để qua đêm đáp ứng với UA tốt hơn, độ ổn định cao hơn điện cực vừa mới chế tạo.
3.3. Điện cực Pt / Gr / PANi / ureaza
Điện cực Pt/Gr/PANi/Ureaza được chế tạo theo quy trình: Chế tạo màng Gr theo phương pháp CVD sau đó tách và gắn lên vi điện cực, điện phân tổng hợp PPy