3.1.4.1. Tính chất điện hóa
Các điện cực GCE/Gr; GCE/Gr/PDA–Cu(II); GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs sau khi tổng hợp sẽ được tiến hành đo CV trong dung dịch chứa K3FeCN)6/K4Fe(CN)6 5mM và KCl 0,1M từ -0,3V đến 0,5V, tốc độ quét 100mV/s nhằm thu được các thông số về điện hoá như cường độ dòng, diện tích bề mặt điện hoạt. Kết quả so sánh cho thấy điện cực GCE/Gr cho tín hiệu cường độ dòng lớn
nhất. Khi được biến tính tiếp bằng vật liệu PDA–Cu(II) thu được điện cực GCE/Gr/PDA–Cu(II), cường độ dòng tín hiệu giảm. Sự xuất hiện của các hạt nano kim loại đồng làm cho cường độ tín hiệu của điện cực GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs được cải thiện rõ rệt. Tính chất oxi hóa khử của cặp chất oxi hóa khử thuận nghịch được đảm bảo nhờ sự có mặt của các hạt nano kim loại đồng.
Hình 3.4: Tín hiệu CV khi quét dung dịch K3FeCN)6/K4Fe(CN)6 5mM và KCl 0,1M với các điện cực làm viêc: (1) GCE/Gr, (2)GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs; (3):
GCE/Gr/PDA – Cu(II);
- Diện tích bề mặt điện hoạt
Vì điện cực biến tính thường có giá trị diện tích bề mặt điện hoạt không đúng với diện tích bề mặt vật lý của chúng, nên cần thiết phải xác định giá trị này để làm sáng tỏ thêm về độ nhạy của điện cực biến tính. Bề mặt điện hoạt được xác định từ phương trình Randles-Sevcik [130, 147]:
ipa = (2,69105) n3/2.A.D1/2. C.1/2 (3.1)
Trong đó, ipa (A)là cường độ dòng tại vị trí pic (tương ứng với quá trình oxy hóa); n là số điện tử trao đổi trong phản ứng oxy hóa khử (n = 1); A (cm2) diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực; D (cm2/s) là hệ số khuếch tán của ion [Fe(CN)6]4-
trong dung dịch (D = 6,5.106cm2/s); C là nồng độ mol/cm3 của ion [Fe(CN)6]4- (1.10-6 mol/cm3) và (V/s) là tốc độ quét thế vòng tuần hoàn. Từ đồ thị
của phương trình biểu diễn sự phụ thuộc tuyến tính ipa và 1/2, xác định được diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực.
Với tham chiếu đến phương trình và CV ở trên, diện tích bề mặt điện động của điện cực biến tính GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs được tính là 10.4 mm2, cao hơn khoảng 3 lần so với điện cực ban đầu GCE (3.14 mm2). Kết quả này quá trình biến tính điện cực đã thu được hiệu quả tốt. Điện cực sau biến tính có tính chất điện cực cao, rất quan trọng với các phân tích điện hoá sau này.
(A) (B)
Hình 3.5: (A) Đồ thị của dòng điện cực đại đáp ứng của điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs trong 5,0 mM Fe (CN)64-/3- so với căn bậc hai của tốc độ quét; (B) Các tín hiệu CV của điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNP trong 5,0 mM Fe (CN)6
4-/3- ở các tốc độ quét khác nhau từ 10 đến 120 mV /s
Hình 3.6: (A) CV của GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs trong 0,1 PBS (pH 7,0) trong 167 µM UA với tốc độ quét khác nhau từ 10 mV.s-1 đến 70 mV.s-1. (B) tín hiệu
DPV của UA trong 0,1 PBS (pH 7,0) tại GCE biến tính.
E/V I/ A E/V I/ A
Kết quả đo CV của điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNP trong đệm PBS cho thấy không có các pic rõ ràng liên quan đến CuNPs hoặc PDA trong trường hợp không có UA. Khi bổ sung thêm UA, pic oxi hoá tại vùng +0.265V xuất hiện, liên quan đến quá trình oxi hóa UA đã được ghi nhận bởi cảm biến GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs. Phản ứng oxy hóa điện hóa có thể có của UA được thể hiện qua sơ đồ sau [148]:
Kết quả này chỉ ra rằng GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs thể hiện khả năng ghi nhận tín hiệu tốt đối với quá trình oxy hóa UA – 1 điều kiện quan trọng để trở thành một cảm biến UA. Ảnh hưởng của tốc độ quét đối với tính chất điện hóa của GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs với 0,10 mM UA được kiểm tra bằng CV với các tốc độ quét khác nhau từ 10 đến 70 mV s-1. Kết quả cho thấy dòng cực đại anốt tăng lên cùng với sự gia tăng tốc độ quét. Ngoài ra, điện cực GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs còn thể hiện ưu điểm vượt trội khi phân tích UA khi có độ nhạy cao hơn đáng kể so với các điện cực khác ở mọi khoảng nồng độ. Điều này dẫn đến kết quả phân tích sẽ có độ chính xác cũng như độ lặp lại cao hơn đối với điện cực GCE/Gr/PDA– Cu(II)/CuNPs khi so sánh với các điện cực khác.
Hình 3.7: (A) Đường cong DPV; (B) sự phụ thuộc của dòng điện anot so với nồng độ UA khác nhau trong PBS 0,1M (pH 7,0) ở các điện cực biến đổi khác nhau: a)
GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs và (b) GCE/Gr/CuNPs và (c) GCE/Gr và (d) GCE/PDA–Cu(II)/CuNPs trong UA.
Bảng 3.5: Đặc điểm phân tích để xác định UA bằng các điện cực biến đổi khác nhau Điện cưc biến tính phương trình hồi quy tuyến tính Khoảng tuyến tính (I: µA, C: µM) (µM) GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs Ipa= 0,574 + 0,064xC 11,9÷ 129 Ipa= 3,99 + 0,042xC 129 ÷ 362 GCE/PDA – Cu(II)/CuNPs Ipa= -0,041 + 0,025xC 23,4÷ 129 Ipa= 1,361 + 0,015xC 129 ÷ 362 GCE/Gr/CuNPs Ipa=0,368 + 0,076xC 11,9 ÷ 186 Ipa= 7,265 + 0,04xC 186 ÷ 362 GCE/Gr Ipa= 0,567 + 0,085xC 11,9 ÷ 186 Ipa= 9,404 +0,034xC 186 ÷ 362
Diện tích bề mặt riêng lớn và tính dẫn điện tốt của Gr, nano Cu đã làm tăng dòng phản ứng của UA. Điện cực biến tính GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs có dòng oxy hóa tăng lên đáng kể khi so sánh GCE/PDA-Cu(II)/CuNPs, Gr/CuNPs do tác dụng tương đồng của các vật liệu Gr và CuNPs. Mối quan hệ giữa cường độ dòng anốt oxy hóa đo bằng phương pháp DPV so với sự thay đổi nồng độ của UA trong dung dịch PBS 0,1 M (pH 7,0) ở các điện cực biến đổi khác nhau được thể hiện trong Hình 3.7B và bảng 3.5. So với điện cực GCE/PDA-Cu(II)/CuNPs, GCE/Gr/CuNPs, điện cực biến tính GCE/Gr/PDA–Cu(II)/CuNPs có độ nhạy cao hơn đáng kể. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả khi đo bằng phương pháp CV. Do đó, các kết quả thu được có độ tin cậy cao. Điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs đã thể hiện điện cực tốt nhất để cảm nhận sự phát hiện của UA. So với các điện cực PDA-Cu(II)/CuNPs (không có Gr); Gr/CuNPs (không có PDA-Cu(II), điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs đã tăng hiệu quả đáng kể quá trình oxi hoá UA, cải thiện đáng kể độ nhạy do sở hữu diện tích bề mặt lớn cũng như điện trở bề mặt thấp.
3.1.4.2. Khảo sát pH của dung dịch đệm
Theo phương trình Nerst, pH có ảnh hưởng lớn đến thế điện hóa của các điện cực đối với việc xác định UA. Do đó chúng tôi nghiên cứu đáp ứng với UA của các điện cực trong môi trường có pH thay đổi khác nhau. Sự phụ thuộc của điện thế cực đại và dòng oxy hóa vào pH khác nhau được thể hiện trong Hình 3.8. Từ hình 3.8A, có thể thấy rằng với pH tăng, pic oxy hóa cực đại chuyển dịch về hướng âm do ảnh hưởng của các proton (H+) liên quan đến quá trình oxy hóa UA, phù hợp với phương trình Nerst theo lý thuyết (E= E0+0.059pH). Phương trình hồi quy tương ứng là Epa (V) = 0,065pH + 660,9 (Hình 3.8B), với hệ số tương quan là 0,998. Độ dốc được tìm thấy (0,065) rất gần với giá trị lý thuyết 0,059 ở 25 ° C, cho thấy có sự cân bằng giữa số lượng chuyển điện tử và số lượng proton tham gia vào quá trình phản ứng điện cực. Để tối ưu hóa độ nhạy, độ chọn lọc và tính khả thi, pH 7.0 được chọn cho các thí nghiệm phát hiện UA.
Hình 3.8: (A) DPV đáp ứng với 292 µM UA với GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs trong các điều kiện pH khác nhau (pH = 2,5 ÷9); và (B) Sự phụ thuộc của Epa vào pH.
3.1.4.3. Khảo sát khả năng đáp ứng của điện cực theo thời gian
Để nghiên cứu độ bền của điện cực theo thời gian, chúng tôi đã tiến hành theo dõi sự thay đổi khả năng đáp ứng điện cực đối với UA trong khoảng thời gian từ 1-14 ngày. Điện cực được bảo quản theo thời gian đo bằng cách ngâm điện cực trong dung dịch đệm PBS 0,1M với pH 7.
Bảng 3.6: Số liệu đường chuẩn xác định UA với điện cực GCE/Gr/PDA – Cu(II)/CuNPs trong dung dịch đệm PBS 0,1M và pH 7, phương pháp xung vi phân
ở các khoảng thời gian khác nhau Ngày kiểm
tra
Khoảng tuyến tính (µM)
Cường độ tín hiệu
(µA) Độ nhạy Hệ số tương
quan 1 23,4 - 346 1,28 – 13,8 0,039 0,9919 2 11,9 - 269 1,21 – 15.4 0,0553 0,9912 3 11,9 - 269 0,993 – 12,8 0,046 0,9904 4 11,9 - 269 1,03 – 14,6 0,0529 0,9902 5 11,9 - 346 0,561 – 13,0 0,0376 0,9901 8 11,9 - 269 0,63 – 11,8 0,0434 0,9934 10 11,9 - 346 1,43 – 17,6 0,0486 0,993 12 11,9 - 186 1,17 – 14,2 0,0739 0,9932 14 11,9 - 269 0,718 – 12,5 0,0463 0,9931
Kết quả cho thấy, theo thời gian, khi xác định xác định UA, trong ngày đầu tiên, khoảng tuyến tính thu được rộng nhất (23,4 – 346 µM) nhưng độ nhạy chưa cao. Từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 14, khoảng tuyến tính thu được ổn định trong khoảng 11,9 – 269 µM, cường độ tín hiệu và độ nhạy ổn định. Kết quả nghiên cứu cho thấy điện cực biến tính thu được có độ bền ổn định sau 14 ngày. Đây là 1 trong những tiêu chí quan trọng để trở thành 1 cảm biến, có thể ứng dụng trong thực tế.
3.1.4.4. Khảo sát độ chọn lọc của điện cực : Ảnh hưởng của DA, Glucozo, Citric
Vì UA luôn cùng tồn tại trong chất lỏng sinh học con người với nhiều ion, hợp chất khác nhau nên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các chất nhiễu này đến tín hiệu đáp ứng UA của cảm biến. Trong nghiên cứu này, các ion, hợp chất gây nhiễu lần lượt được thêm vào dung dịch chứa UA 1,07.10-4 M + PBS pH 7 với các hàm lượng khác nhau để đánh giá giới hạn ảnh hưởng.
Kết quả cụ thể cho thấy, DA ảnh hưởng mạnh đến tín hiệu ghi nhận UA của điện cực khi hàm lượng DA cao hơn nhiều so với UA. Khi nồng độ DA là 1,07.10-4
lỏng sinh học con người, tỉ lệ UA thường cao hơn đáng kể so với DA nên kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ghi nhận của điện cực khi đo mẫu thực tế rất ít bị ảnh hưởng bởi DA.
Khi thêm 1 lượng tương ứng glucozo, citric, pic tín hiệu thay đổi không đáng kể, sai số trong phạm vi cho phép, chứng tỏ sự có mặt của các ion này ít ảnh hưởng đến kết quả đo.
E/V
Hình 3.9: Tín hiệu DPV của điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/CuNPs với citric trong dung dịch chứa UA 1,07.10-4 M + PBS pH 7
3.1.4.5. Các đặc trưng phân tích của điện cực GCE/Gr/PDA-Cu(II)/ CuNPs
* 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