Cảm biến sinh học điện hóa thông thường dựa trên hệ gồm 3 điện cực (điện cực làm việc, điện cực so sánh và điện cực đối), vật liệu và yêu cầu đối với mỗi loại điện cực được trình bày trong bảng 1.1. Điện cực so sánh (RE - reference electrode) đóng vai trò giữ thế cốđịnh đối với điện cực làm việc. Điện cực đối (CE - counter electrode) hay còn gọi là điện cực phụ trợ (AE - auxiliary electrode). Điện cực làm việc (WE - working electrode) đóng vai trò quan trọng nhất trong cảm biến sinh học điện hóa do mọi quá trình tương tác giữa đầu thu sinh học và đối tượng cần phân tích đều diễn ra trên điện cực này. Vật liệu làm điện cực làm việc rất đa dạng như vật liệu kim loại
8
(vàng, bạc hoặc platin) hoặc các bon [7], [17]. Điện cực kim loại được chế tạo bằng công nghệ màng mỏng kết hợp với kỹ thuật quang khắc để tạo cấu trúc và hình dạng khác nhau. Điện cực kim loại độ dẫn tốt, bền vững trong môi trường hóa, cho phép cố định đầu thu sinh học một cách trực tiếp thông qua lực tĩnh điện. Tuy nhiên, do tính ôxy hóa mạnh của kim loại nên có thể phản ứng với chất tạp nhiễu và làm giảm độ chọn lọc của cảm biến. Điện cực làm việc sử dùng vật liệu các bon với ưu điểm như giá thành rẻ, dòng phông nền thấp, tính tương thích sinh học cao, vùng thếđiện hóa mở rộng nên được lựa chọn trong chế tạo cảm biến sinh học [18], [19].
Bảng 1.1. Điện cực điện hóa trong cảm biến sinh học điện hóa.
Điện cực Vật liệu làm điện cực Yêu cầu đối với điện cực
Điện cực làm việc
Vàng, bạc, platin, các bon (mực in các bon, graphene, các bon thủy tinh GCE)
- Trơ về mặt hóa học
- Không làm ảnh hưởng đến hoạt tính của đầu thu sinh học. Điện cực đối Vàng, platin, các bon Trơ về mặt hóa học
Điện cực so sánh Điện cực clorua bạc, điện cực
calomel bão hòa Điện thếđiện cực ổn định
Điện cực các bon được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm hiện nay là GCE (Glassy carbon electrode) (hình 1.1) với ưu điểm là có thể tái sử dụng bằng cách đánh bóng bề mặt điện cực, tuy nhiên nhược điểm là tiêu hao hóa chất lớn và yêu cầu xử lý bề mặt điện cực trước khi sử dụng.
Hình 1.1. Điện cực các bon thủy tinh (Glassy carbon electrode - GCE) và hệ điện hóa ba
điện cực sử dụng điện cực làm việc GCE.
Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng điện cực tích hợp các điện cực trên cùng một đếvà được chế tạo trên cơ sở công nghệin lưới màng dày (screen-printing thick film). Trong công nghệin lưới, mực in được nén qua một khuôn mẫu hay mặt nạ và xử lý nhiệt thích hợp đểđảm bảo mực in bám dính tốt với đế. Loại đếthường được sử dụng trong công nghệin lưới là đế gốm và đế nhựa. Đế gốm cho phép áp dụng nhiệt độ xửlý cao và thường được sử dụng cho các loại mực in vàng hoặc platin. Đế nhựa được sử dụng đối với các loại mực in chứa bạc hoặc các bon và nhiệt độ xử lý thấp. Ngoài ra còn có một số loại đếkhác như nitroxenlulô, sợi thủy tinh. Các loại mực in các bon haykim loại (vàng hoặc platin) thường được sử dụng để chế tạo điện
9
cực làm việc và điện cực đối, mực in Ag/AgCl được dùng tạo điện cực so sánh. Công nghệin lưới có rất nhiều ưu điểm như: giá thành thấp, cho phép sản xuất hàng loạt, thiết kế linh hoạt, độ lặp lại cao và nguồn nguyên liệu phong phú.
Hình 1.2. Điện cực điện hóa in lưới màng dầy (a) hệ 2 điện cực, (b) hệ 3 điện cực
Điện cực in lưới mực in có cấu trúc đa dạng bao gồm hệ hai điện cực (điện cực làm việc và điện cực so sánh) hay ba điện cực (điện cực làm việc, điện cực so sánh, điện cực đối) được tích hợp trên cùng một đế(hình 1.2). Hơn thế nữa, công nghệ in lưới tạo ra điện cực có cấu trúc linh hoạt (cấu trúc đơn kênh hoặc đa kênh) cho phép xác định đồng thời một hay nhiều đối tượng khác nhau, kích thước nhỏ gọn, cấu hình phẳng, yêu cầu một lượng nhỏ mẫu cần phân tích, ghép nối với hệđo dễ dàng (hình 1.3).
Hình 1.3. Điện cực in lưới mực in cácbon của hãng Dropsen (Tây Ban Nha) (a) 1 điện cực
Các điện cực này được dùng trong cảm biến sinh học điện hóa thông qua việc xác định các tín hiệu điện hóa như cường độ dòng, điện áp, phổ trở kháng. Trên hình 1.4, trình bày cấu trúc của điện cực in lưới màng dày của hãng BioDevice Technology (Nhật Bản) được sử dụng trong nội dung nghiên cứu của luận án.
(b)
(d) (c)
10
Hình 1.4. Điện cực in lưới màng dày của hãng BioDevice Technology (Nhật Bản) (a) điện
cực làm việc mực in các bon; (b) điện cực làm việc mực in vàng.