* Khoảng tuyến tính
Hình 3.10 và bảng 3.7 thể hiện tín hiệu DPV và đường chuẩn UA trên điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs xây dựng trên dải nồng độ UA từ 1,19.10-5 đến 3,46.10-04 .
Hình 3.10: (A)Tín hiệu DPV và (B) đường chuẩn UA trên điện cực GCE/Gr/PDA-
E/V CUA/µM I µA (A) (B) I/ A
Cu(II)/CuNPs, môi trường pH 7 dung dịch đệm PBS 0,1M
Kết quả cho thấy, độ nhạy đối với UA đạt 0,055 µA/µM, đường chuẩn của UA có phương trình hồi qui tuyến tính I = 0,055.CUA + 10-6 với hệ số tương quan R = 0,991.
Bảng 3.7: Số liệu đường chuẩn xác định UA trong môi trường đệm PBS nồng độ 0,1M với pH 7 điện cực làm việc GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs
STT CUA (M) I (A) 1 1,19.10-5 1,21.10-6 2 2,34.10-5 2,11.10-6 3 4,58.10-05 3,79.10-06 4 8,09.10-05 6,09.10-06 5 1,29.10-04 8,81.10-06 6 1,86.10-04 1,17.10-05 7 2,69.10-04 1,54.10-05 8 3,46.10-04 2,1.10-5
Giới hạn phát hiện của phương pháp được tiến hành bằng cách đo lặp lại 7 lần (n-1 = 6) dung dịch UA nồng độ 8.10-5 M. Độ lệch chuẩn của cường độ tín hiệu S = 2,52.10-7. độ nhạy r = 0,92857 µA/µM. Giới hạn phát hiện LOD = 8,142.10-7 M, LOQ =2,71.10-6M
*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 3.8: Độ lặp lại khi đo UA bằng điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs
STT Thông số I (µA) I (µA) I (µA) I (µA) I (µA) I (µA)
1 UA(µM) 11,9 23,4 45,8 80,9 129 186
2 Lần đo 1 1,31 2,83 4,59 7,28 10,8 14,3
4 Lần đo 3 1,30 2,81 4,60 7,26 10,8 14,1 5 Lần đo 4 1,29 2,85 4,58 7,23 10,7 14,2 6 Lần đo 5 1,26 2,78 4,59 7,25 10,9 14,2 7 Lần đo 6 1,28 2,81 4,63 7,20 10,8 14,2 8 Lần đo 7 1,30 2,75 4,59 7,24 10,8 14,2 9 Trung bình 1,294 2,804 4,6 7,249 10,814 14,2 10 Độ lệch chuẩn (SD) 0,0184 0,0302 0,0169 0,0264 0,0639 0,0535 11 Độ lệch chuẩn tương đối (%) 1,422 1,077 0,367 0,364 0,591 0,377
Hình 3.11: Độ ổn định tín hiệu sau nhiều lần đo ở nhiều nồng độ UA của điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs
Kết quả thu được, sau 7 lần đo lặp lại cường độ tín hiệu thay đổi không quá 10% khi đo UA trong cùng điều kiện phân tích, chứng tỏ rằng điện cực có độ ổn định và độ lặp lại cao.
3.1.4. Cơ chế đề xuất và kết quả tính toán lý thuyết
Chúng tôi đề xuất cơ chế khả năng ghi chọn lọc của điện cực GCE/Gr/PDA- Cu(II)/CuNPs đối với UA như sau: AA dễ bị oxi hoá bởi Cu2+ hơn UA và bị chuyển
CUA/µM
I
về dạng bị động DDA, và không bị ghi nhận tín hiệu pic oxi hoá khi dùng điện cực biến tính. Ngược lại, UA không bị oxi hoá bởi Cu2+, lắng tụ trên bề mặt của điện cực do tạo phức với PDA, từ dó, dưới tác dụng của điện hoá chuyển về dạng DDU, tín hiệu bị ghi nhận bởi điện cực cảm biến. Sự có mặt của CuNPs đóng vai trò cân bằng, ổn định lượng Cu(II) có trên bề mặt điện cực, từ đó tăng sự lặp lại và độ bền của điện cực theo thời gian. Lượng Cu(II) bị hao hụt do oxi hoá AA được bù lại bởi quá trình tương ứng của CuNPs. Cơ chế được thể hiện chi tiết trong hình 3.12.
Hình 3.12: Cơ chế đề xuất khả năng chọn lọc UA của điện cực GCE/Gr/PDA- Cu(II)/CuNPs
Để kiểm tra cơ chế đề xuất trên, mô hình tính toán hoá lý thuyết áp dụng phương pháp GFN2-xTB để nghiên cứu tương tác của AA và UA với các hợp phần của cảm biến.
Phương pháp GFN-xTB là 1 phương pháp phiếm hàm mật độ trong đó tuân theo chiến lược chỉ tham số toàn cục và phần tử cụ thể và được tham số hóa cho tất cả các phần tử. Mục đích ban đầu của phương pháp và mục tiêu chính cho việc tối ưu hóa tham số là tính toán hình học phân tử, tần số dao động và năng lượng tương tác không cộng hóa trị. Phương pháp đã được sử dụng thành công trong việc tối ưu hóa cấu trúc của phức chất cơ kim, hợp chất hữu cơ hệ liên hợp.. Ngoài ra, phương pháp này còn hoạt động tốt trong các mô phỏng động lực học phân tử ở nhiệt độ cao của phổ khối lượng Ý nghĩa đặc biệt của phương pháp là đóng góp của nó vào một giao thức mới được phát triển để tính toán tự động phổ cộng hưởng từ hạt nhân
(NMR). Trong đó, lấy mẫu cấu trúc với GFN-xTB được sử dụng để tạo ra tập hợp bộ chỉnh hình-rotamer, từ đó xác định hình dạng chi tiết của phổ NMR. Trong khi GFN-xTB có thể xác định thành công các cấu trúc liên quan cho các phân tử ít phân cực hơn, các hệ thống liên kết hydro phân cực và mạnh như đường cũng không được mô tả. Điều này đã được cải thiện do sự cải tiến toán tử Hamiltonian GFN- xTB theo cách tốt hơn về mặt vật lý, hiệu chỉnh đặc tính phân cực sẽ được gọi là GFN2-xTB có các đặc điểm sau:
- Bộ cơ sở GFN2-xTB bao gồm một bộ cơ sở hóa trị tối thiểu của các hàm Gaussian được quy ước, tập trung vào nguyên tử, gần đúng với các hàm Slater (STO-mG). Các chức năng phân cực cho hầu hết các phần tử nhóm chính (thường là hàng thứ hai trở lên) được sử dụng, đặc biệt quan trọng để mô tả trạng thái siêu hóa trị. Khác với GFN-xTB, hydro chỉ được áp dụng với orbitan 1s duy nhất.
- Hamilton GFN2-xTB gần giống với GFN-xTB hoặc của phương pháp DFTB3. Tuy nhiên, GFN2-xTB đại diện cho phương pháp liên kết chặt chẽ tham số hóa rộng rãi đầu tiên bao gồm các tương tác tĩnh điện và hiệu ứng tương quan trao đổi lên đến bậc thứ hai trong sự mở rộng đa cực. Hơn nữa, mô hình phân tán D4 phụ thuộc vào mật độ được phát triển đồng thời trong một công thức tự nhất quán là một phần vốn có của phương pháp. Khác với GFN-xTB hoặc DFTB3, GFN2-xTB không sử dụng các hiệu chỉnh cổ điển khác, ví dụ: để mô tả liên kết hydro hoặc halogen. Chúng được mô tả hợp lý trong tĩnh điện mở rộng đa cực.
- Khác với các phương pháp bán thực nghiệm khác, GFN2-xTB tuân thủ nghiêm ngặt chiến lược tham số toàn cục và phần tử cụ thể.
Sử dụng phương pháp, chúng tôi đã tiến hành mô hình hoá qua trình ghi nhận UA trên bề mặt điện cực như sau:
Đầu tiên AA và UA sẽ tham gia phản ứng tạo phức, thay thế hợp phần PDA trong GCE/Gr/PDA-Cu(II) theo các phương trình:
GCE/Gr/PDA-Cu(II) + AA GCE/Gr/AA-Cu(II) + PDA (*)
Hình 3.13. Mô hình sản phẩm phản ứng * và **
Kết quả tính toán về mặt nhiệt động cho thấy phản ứng * dễ dàng xảy ra hơn, phản ứng toả nhiệt (giá trị ΔrE <0). Điều đó chứng tỏ AA dễ dàng tạo phức với Cu(II) hơn.
Trong giai đoạn tiếp theo, AA và UA trong phức bị oxi hoá, tách ra ion H+, ở chiều ngược lại, Cu(II) trong phức bị khử về Cu(I). Các phản ứng cụ thể như sau: GCE/Gr/AA-Cu(II) GCE/Gr/MDA-Cu(II) + H+ (***)
GCE/Gr/UA-Cu(II) GCE/Gr/MDU-Cu(II) + H+ (****)
Kết quả tính toán về mặt năng lượng cần cung cấp cho các quá trình trên xảy ra lần lượt là: 3.43 và 3.68 eV. Kết quả tính toán 1 lần nữa khẳng định AA dễ bị oxi hoá hơn UA, phù hợp với giả thiết. Như vậy các tính toán lý thuyết đã xác nhận giả thiết về cơ chế làm việc của cảm biến cũng như sự chọn lọc giữa UA và AA.
3.1.5. Kết luận
Trong phần này, chúng tôi đã trình bày chi tiết qui trình tổng hợp điện cực biến tính GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs. Chúng tôi đã nghiên cứu và khảo sát các điều kiện tối ưu trong chế tạo từng vật liệu điện cực như sau:
- Chế tạo vật liệu Gr: 5µl dung dịch Gr 0,5 mg/mL,
- Tổng hợp màng PDA- Cu(II): Theo phương pháp CA trong dung dich DA 10 mM + CuCl2 30 mM ở thế 0,5 V trong thời gian 350s.
- Tổng hợp CuNPs: CV trong dung dịch Cu 3mM + H2SO4 0,1M ở khoảng thế -0,5 đến -0,7V, 10 vòng, tốc độ quét là 50 mV/s.
Sau khi tối ưu hóa các điều kiện chế tạo điện cực GCE/Gr/PDA- Cu(II)/CuNPs chúng tôi cũng khảo sát các đặc trưng của điện cực như tính chất điện hóa, diện tích bề mặt điện hoạt. Đồng thời cũng khảo sát các điều kiện tối ưu của điện cực mới chế tạo như:
- pH của dung dịch đệm bằng 7 phù hợp với phát hiện UA
- Khả năng đáp ứng của điện cực sau 14 ngày chế tạo thì khoảng tuyến tính, cường độ tín hiệu và độ nhạy vẫn ổn định.
- Các chất DA, glucozo, citric không ảnh hưởng đến điện cực khi xác định UA trong điều kiện hàm lượng cho phép.
- Khoảng tuyến tính của điện cực là 1,19.10-5 – 3,46.10-4(mol/L), LOD = 8,142.10-7(mol/L), LOQ = 2,71.10-6(mol/L) điện cực có độ lặp lại và độ ổn định tín hiệu tốt.