Cảm biến Sarcosine-MIP/EIS

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Cảm biến Sarcosine-MIP/EIS

3.1.1. Ảnh hưởng của vật liệu đế lên sự hình thành màng polyme MIP

Để nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu làm điện cực lên chất lượng cũng như độ nhạy của của cảm biến, hai loại điện cực mực in các bon được biến tính hạt vàng (AuNPs-SPCE) và mực in vàng (SPAuE) đã được sử dụng trong nghiên cứu. Khác biệt lớn nhất giữa hai loại cảm biến là hình thái bề mặt của màng polyme MIP được hình thành trên điện cực.

Hình 3.1. a) Ảnh SEM của điện cực SPAuE sau khi biến tính màng MIP; b) Ảnh SEM của điện cực SPCE sau khi biến tính màng MIP; c) Đặc trưng dòng-thế của quá trình polyme hóa trên điện cực SPAuE; d) Đặc trưng dòng-thế của quá trình polyme hóa trên điện cực

52

Sự khác biệt này có thể quan sát một cách rõ ràng qua ảnh SEM trên hình 3.1a và hình 3.1b. Bề mặt màng polyme MIP trên điện cực SPAuE rất thô ráp với các cụm hạt polyme được hình thành có kích thước micromet trong khi đó, màng polyme MIP hình thành trên nền điện cực AuNPs-SPCE có dạng lớp mỏng bao phủ trên các hạt nano vàng. Kết quả này cho thấy tốc độ polyme trên điện cực SPAuE có tốc độ nhanh gấp nhiều lần so với trên điện cực AuNPs-SPCE. Sự chênh lệch về tốc độ polyme này có thể đánh giá được trên đồ thị tín hiệu điện phản hồi I/V trong hình 3.1c và hình 3.1d. Sự khác biệt giữa hai quá trình polyme hóa của có thể nhận thấy rõ ràng ở ngày vòng quét CV thứ hai trên đường đồ thị I-V. Đỉnh oxi hóa của quá trình polyme hóa trên điện cực SPAuE tại điện áp khoảng -290 mV vs. Ag/AgCl giảm rất mạnh ở vòng quét thứ hai so với đường quét đầu tiên và phẳng dần ở các vòng quét ngay sau đó. Sự sụt giảm cường độ dòng này có thể giải thích rằng sau vòng quét đầu tiên trên bề mặt điện cực vàng đã hình một lớp màng khá đặc và dày, bao phủ hầu hết bề mặt điện cực và làm giảm tính dẫn điện của điện cực. Ngược lại, cường độ dòng tại đỉnh oxi hóa của quá trình tổng hợp polyme trên đế AuNPs-SPCE giảm chậm, chúng ta vẫn có thể quan sát thấy đỉnh oxi hóa cho đến vòng quét thứ 15. Điều này cho thấy màng polyme được hình thành một cách chậm rãi trên bề mặt điện cực AuNPs-SPCE, giúp cho màng mỏng và đồng đều. Xem xét đến yếu tốđộng học của phản ứng oxi hóa tạo màng polyme MIP, các kết quả nêu trên có thể được giả thích từ bước khởi tạo ban đầu. Các nghiên cứu về quá trình tổng hợp màng polyme aniline trong môi trường axit đã chỉ ra rằng quá trình oxi hóa các monome xảy ra không đơn điệu trong cả quá trình [124], [141]. Ban đầu quá trình tổng hợp sẽ diễn ra với tốc độ chậm (còn được gọi là induction period); trong suốt quá trình này, các chuỗi aniline oligomers được hình thành. Theo sau quá trình induction period là bước tỏa nhiệt nhanh của quá trình phát triển mạch polyme. Đối với bước ban đầu, bậc phản ứng của chất oxi hóa cũng là bậc một. Trong bước phát triển mạch, các monomer có xu hướng bị oxi hóa bởi các dạng pernigraniline của p-ATP, lấn át các chất oxi hóa nguyên gốc [142]. Các yếu tố phụ thuộc quá trình động học để mô tả hai quá trình này được đưa ra bởi Tzou and Gregory vào năm 1992:

−d[An]/dt = 𝑘𝑘1[An][Ox] + 𝑘𝑘2𝜎𝜎[An]S

Trong đó:

[An] là nồng độ mol phân tử của aniline; [Ox] là nồng độ mol phân tử của chất oxi hóa; S là diện tích bề mặt môi trường phản ứng xảy ra; σ là hệ số bề mặt;

k1 hằng số tốc độcho bước polyme hóa ban đầu (induction step);

53

Các nhóm chức đầu cuối đã kích hoạt của mỗi chuỗi p-ATP được tạo ra bởi các chất oxi hóa, ở đây là các proton trong môi trường pH 6,8. Trong bước ban đầu, các nhóm chức amino của các monomer p-ATP được oxi hóa; tuy nhiên, do sự hình thành của các oligomer, các nhóm chức amino đầu cuối của các oligomer dễ bịoxi hóa do chúng có điện áp oxi hóa thấp hơn. Do đó, hằng số tốc độ k2 của quá trình phát triển mạch polyme lớn gấp nghìn so với hằng số tốc độ của quá trình polyme hóa ban đầu k1. Nói cách khác, quá trình hình thành của các chuỗi oligomeric dẫn đến khả năng tăng tốc ấn tượng của quá trình polyme hóa [141]. Chuỗi p-ATP hình thành rất nhanh trong bước phát triển mạch trên nền SPAuE do một lượng lớn các monomer ATP khởi tạo được kích hoạt trên diện tích bề mặt hoạt động điện tử lớn để hình thành các chuỗi oligomeric. Khi các chuỗi oligomer đã hình thành, quá trình phát triển mạch được tăng tốc rất nhanh và độ dày của lớp polyme thay đổi mạnh trên toàn bộ bề mặt điện cực vàng. Trên nền điện cực AuNPs-SPCE, quá trình phát triển mạch có thể diễn ra một cách nhẹ nhàng hơn do hệ số bề mặt S là một tập hợp các giá trị rời rạc trên diện tích bề mặt hạt vàng. Thêm vào đó, cường độ dòng kích thích giảm so với trên nền điện cực SPAu do độ dẫn điện thấp của lớp carbon (hình 3.1d). Kết quả là màng p-ATP phát triển chậm và bao phủ toàn bộ bề mặt các hạt vàng như trong hình 3.1b.

Giả thiết rằng hình thái bề mặt của các màng polyme tổng hợp được sẽ là một yếu tố đáng kể ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến do ảnh hướng đến số lượng hốc nhận dạng được tạo thành trên bề mặt tương tác sau quá trình tách loại mẫu. Có thể thấy rằng hiệu suất tách loại phụ thuộc rất lớn vào độdày cũng như độđồng đều của màng polyme. Nếu bước tổng hợp màng polyme không được kiểm soát, các khối cầu polyme đặc và thô ráp trên điện cực SPAuE có thể tạo thành các rào cản không gian, ngăn cản quá trình tách loại mẫu ra khỏi mạch polyme cũng như quá trình vận chuyển các phân tử Sarcosine tiến tới hốc nhận dạng để tái liên kết. Trong khi đó quá trình tách loại-tái liên kết giữa template và hốc trên điện cực MIP/AuNPs-SPCE sẽ dễ dàng và thuận lợi hơn. Thêm vào đó, việc phân tán một lớp đồng đều hạt vàng trên điện cực carbon sẽ làm tăng diện tích hiệu dụng của màng MIP dẫn đến tăng số vị trí in phân tử và hiệu quả hoạt động của cảm biến. Giả thiết này được chứng minh bằng việc so sánh kết quả hoạt động của hai loại cảm biến SPAuE và AuNPs/SPCE được đánh giá thông qua phép đo EIS.

Quá trình chế tạo màng NIP trên hai loại điện cực SPCE và SPAuE được chế tạo tương tự quy trình của màng MIP ngoại trừ thêm các chất phân tích vào trong quá trình tạo màng polyme. Như quan sát được từhai đồ thị điện áp của hai quá trình tổng hợp polyme có sarcosine và không có sarcosine, ở đây chỉ có một đỉnh khử duy nhất tại điện áp +200 mV so với điện cực Ag/AgCl gây ra quá trình polyme hóa các phân tử p-ATP. Kết quả này đã chứng tỏ rằng Sarcosine không

54

tham gia vào quá trình polyme hóa cũng như không bị ảnh hưởng bởi quá trình này và cấu trúc của nó vẫn được bảo toàn sau đó.

3.1.2. Phân tích đặc tính điện hóa của cảm biến qua các bước trong quy trình công nghệ công nghệ

Hình 3.2. Phổ EIS của cảm biến MIP/AuNPs-SPCE sau các bước biến tính.

Phương pháp EIS được sử dụng để khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực qua các bước làm bằng cách sử dụng dung dịch Fe(CN6)3− /Fe(CN6)4−đóng vai trò là cặp đầu dò oxi hóa khử. Đây là một công cụ rất hiệu quảđể quan trắc các đặc tính trên bề mặt của điện cực sau khi được biến tính. Như chúng ta đã biết, phổ tổng trở gồm hai phần; phần bán cung ở dải tần cao hơn liên quan đến quá trình động học của các hạt mang điện trên bề mặt điện cực; phần tuyến tính ở dải tần số thấp hơn liên quan đến quá trình khuếch tán của các hạt mang điện. Đường kính của bán cung có trị số bằng giá trị của điện trở truyền điện đích đo được, ảnh hưởng bởi tính chất dẫn điện của dung dịch điện môi và bề mặt điện cực. Trong nghiên cứu này, mặt phẳng tọa độ Nyquist được sử dụng để nghiên cứu và đánh giá sựthay đổi của điện trởtrao đổi tại bề mặt tiếp xúc giữa cảm biến và dung dịch đầu dò sau các bước chế tạo cảm biến. Đồng thời cũng đánh giá sựthay đổi của điện trởtrao đổi điện tích sau quá trình tái liên kết của các phân tử sarcosine với các hốc nhận diện với nồng độsarcosine thay đổi. Hình 3.2 biểu diễn đồ thị Nyquist của phổ EIS sau mỗi bước biến tính bề mặt điện cực trong quy trình chế tạo cảm biến MIP, giá trị của các tham số trong phổ EIS fit theo mô hình Randles được mô tả trong bảng 3.1. Quan sát từtrên đồ thị ta có thể thấy điện cực carbon ban đầu có giá trị RCT khá lớn, hơn 6 kΩ. Điều này cho thấy, điện cực in carbon nguyên gốc có tính dẫn điện khá thấp. Sau khi phủ hạt vàng lên

55

trên bề mặt điện cực carbon, giá trị RCT của điện cực làm việc giảm một cách đột ngột xuống 200 Ω (nhỏhơn gần 20 lần so với điện cực carbon ban đầu) như quan sát được qua đường cong EIS. Sự thay đổi chủ yếu này có thể được giải thích rằng sau quá trình phủ hạt vàng bằng phương pháp mạ điện quét thế tuần hoàn, trên bề mặt điện cực đã hình thành một lớp hạt vàng đồng đều vềkích thước và phân bố mật độ. Lớp hạt vàng này đã bao phủ hầu hết bề mặt điện cực làm tăng diện tích hiệu dụng trao đổi điện tích và hoạt tính xúc tác điện trên bề mặt điện cực. Các hạt vàng có thểđược coi như các hồ chứa điện tử, làm tăng mật độ hạt mang điện trên bềđiện cực dẫn đến tăng cường việc trao đổi điện tích giữa điện cực và dung dịch. Đồng thời, sản phẩm của axit sulfuric sau quá trình điện phân dung dịch HAuCl4 có thể kích hoạt quá trình oxi hóa tự do các hạt vàng trên bề mặt điện cực dưới tác dụng của điện tích điện áp. Nhìn chung, lớp hạt vàng và bề mặt carbon bị oxi hóa hoạt động như một cặp điện trở song song làm giảm đáng kể tổng trở bề mặt của điện cực. Sau đó tính chất điện trên bề mặt điện cực thay đổi đáng kể khi màng poly-amino thiophenol được hình thành và bao phủ lên bề mặt điện cực. Quá trình trao đổi điện tích giữa dung dịch và điện cực bị cản trở khá nhiều so với điện cực được biến tính hạt vàng; giá trị RCTtăng lên gần 1 KΩ. Tuy nhiên, bởi vì màng p-ATP là màng polyme dẫn điện, nên trở kháng của màng polyme MIP vẫn nhỏ hơn nhiều lần so với điện cực ban đầu. Do màng polyme MIP bao phủ một lớp rất mỏng trên bề mặt điện cực, nên quá trình loại bỏ các phân tử sarcosine ra khỏi màng khá dễ dàng, chúng ta có thể thấy rằng gần như không có phần bán cung trong phổ tổng trở điện hóa. Điều này chứng tỏ rằng các phân tử mẫu được loại bỏ hoàn toàn và các hốc nhận diện đã được hình thành giúp cho việc truyền điện tích và khuếch tán của đầu dò điện tích trở nên dễdàng hơn.

Bảng 3.1. Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến

MIP/AuNPs/SPCE sau mỗi bước biến tính.

Các bước biến tính SPCE

Các thành phần trong mạch tương đương Randles

RCT(kΩ) Cdl (µF) Bare 6,37 0,16 AuNPs-biến tính 0,16 1,15 Polyme hóa 1,00 0,46 Blank (Mẫu trống) 0,06 16,3 1000 ng 1,41 1,49

Tuy nhiên điện trở truyền điện tích của điện cực đã được biến tính màng polyme MIP vẫn nhỏhơn rất nhiều so với điện trởtrao đổi của điện cực ban đầu, do màng p- ATP có tính dẫn điện. Sau đó khi sarcosine được loại bỏ khỏi màng, đường kính bán cung giảm xuống rất thấp, sốđiểm trên đường tuyến tính chiếm đa số. Điều này cho

56

thấy việc loại bỏ phân tử sarcosine đã tạo một lượng lớn các hốc nhận dạng của sarcosine trong màng polyme giúp cho quá trình trao đổi điện tích và khuếch tán của cặp oxi hóa khử xuyên qua màng được dễdàng hơn. Điện cực sau khi đã được biến tính màng polyme in phân tử sarcosine sẽ được nhỏ dung dịch chứa các nồng độ sarcosine khác nhau. Khi đó sarcosine sẽ liên kết lại với các vị trí liên kết trong hốc đã hình thành trên màng, dựa vào lực liên kết hydro, gây cản trở quá trình trao đổi điện tích và quá trình vận chuyển khối của cặp ferro/ferrit làm tăng điện trở trao đổi lên khi tăng nồng độ sarcosine.

Ngoài ra, khi quan sát sựthay đổi của giá trị Cdlsau các bước biến đổi trong bảng 3.2, quy luật thay đổi của các giá trị này phù hợp với các lý thuyết về lớp điện tích kép. Giá trị ZC tỉ lệ nghịch với gái trị tụđiện C, phụ thuộc lớn vào điện tích trên bề mặt điện cực. Với điện cực ban đầu, do lớp carbon dẫn điện kém nên giá giá trị Cdl khá nhỏ, do mật độ hạt trên bề mặt điện tích thấp. Ngược lại sau khi phủ hạt vàng, như đã nói ở trên, các hạt vàng đóng vai trò như các hồ chứa điện tử làm giá trị Cdl

tăng lên rất nhiều. Sau đó, ởcác bước biến tính tiếp theo, ta có thể nhận thấy quy luật tăng giảm của Cdlngược lại so với quy luật tăng giảm của RCT. Các kết quảnày cũng thu được khi khảo sát hoạt động của cảm biến MIP/AuNPs/SPCE, trong khi đó, cảm biến MIP/SPAuE không có hiện tượng này. Kết quả này có thểđược giải thích do đặc tính hình thái học bề mặt của màng MIP trên SPAuE không đồng đều như trên SPCE. Cuối cùng, bằng phương pháp tính toán sựthay đổi của RCT tương ứng với các nồng độ sarcosine khác nhau khi tái liên kết với các hốc nhận dạng và cản trở quá trình truyền động lượng của cặp ferro/ferrit mà chúng ta có thểxác định ngược lại nồng độ sarcosine thông qua đường cong chuẩn hóa của RCT.

Bảng 3.2. Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến

sarcosine-MIP/SPAuE và NIP/SPAuE

Nồng độ sarcosine (µg/mL)

Các thành phần trong mạch tương đương Randles

sarcosine-MIP (15 CVs)/SPAuE NIP (15 CVs)/SPAuE

RCT (kΩ) Cdl (µF) RCT (kΩ) Cdl (µF) 0 0,70 1,65 27,5 1,47 0,001 2,68 0,54 30,3 0,14 0,010 5,40 0,41 30,2 0,14 0,100 6,10 0,52 30,2 0,16 0,600 6,58 0,40 30,3 0,12 1,600 6,59 0,40 30,3 0,14 2,600 6,58 0,42 30,3 0,15

57

3.1.3. Khảo sát hoạt động của cảm biến sarcosine-MIP/SPAuE

Tiếp theo để khảo sát các đặc tính của cảm biến sarcosine-MIP sử dụng điện cực SPAuE, màng polyme MIP hình thành trên bề mặt điện cực được chế tạo với các vòng quét polyme khác nhau 5, 7 và 15 vòng. Sau đó, cảm biến được khảo sát hoạt động với các nồng độ sarcosine khác nhau trong dải từ 1 ng/mL đến 2,6 µg/mL để xác định điều kiện hoạt động tốt nhất của cảm biến. Đồ thị Nyquist của các phổ tổng trởtương ứng với các nồng độkhác nhau được biểu diễn trên hình 3.3 và giá trị của các thành phần trong phổ trởkháng tương ứng với mô hình tương đương được mô tả trong bảng 3.3.

Hình 3.3. a) Phổ EIS ứng với các nồng độ khác nhau của cảm biến sarcosine-MIP (15 CVs)/SPAuE sau các bước biến tính; b) Đường đặc trưng chuẩn của các cảm biến

sarcosine-MIP/SPAuE và NIP/SPAuE.

Bảng 3.3. Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến

sarcosine-MIP (7 CVs)/SPAuE và sarcosine-MIP (5 CVs)/SPAuE.

Nồng độ sarcosine

(µg/mL)

Các thành phần trong mạch tương đương Randles

sarcosine-MIP (7 CVs)/SPAuE sarcosine-MIP (5 CVs)/SPAuE

RCT (kΩ) Cdl (µF) RCT (kΩ) Cdl (µF) 0 0,17 8,51 0,16 4,58 0,001 0,26 4,56 0,21 6,90 0,010 0,53 7,46 0,36 9,95 0,020 0,96 5,00 0,92 4,15 0,040 1,73 6,51 1,12 7,75 0,060 1,92 6,85 1,32 6,91 0,080 2,05 6,58 1,56 7,05 0,100 2,14 5,61 1,57 6,53

58

Hình 3.3b hiển thị đường cong chuẩn hóa của cảm biến sarcosine-MIP (15