4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
3.1.2. Các điều kiện điện phân tạo AuNP
٭ Ảnh hưởng của thời gian điện phân tạo AuNP
Sự phụ thuộc của mật độ và kích thước của các hạt vàng được tạo trên trên bề mặt điện cực GCE vào thời gian điện phân được đánh giá thông qua các ảnh SEM như trình bày trên hình 3.2. Kết quả thu được cho thấy mật độ các hạt AuNP trên bề mặt GCE tăng tỉ lệ theo thời gian điện phân khi áp thế cố định +0,5 V. Ở thời gian 50 giây các hạt vàng bắt đầu xuất hiện và nằm rải rác trên bề mặt GCE (hình 3.2 (a)). Khi tăng thời gian điện phân lên 300 giây có sự tăng lên về số lượng các mầm tinh thể vàng do đó mật độ các hạt vàng đã dày đặc hơn nhưng chưa phủ kín hết bề mặt GCE (hình 3.2 (b)). Khi tăng thời gian điện phân lên 600 giây, các hạt vàng đã phủ gần như kín bề mặt GCE, kích thước các hạt vàng thu được khá đồng đều và được sắp xếp sát nhau tạo thành lớp phủ kín bề mặt GCE (hình 3.2 (c)).
50
Hình 3. 2. Ảnh SEM của AuNP trên bề mặt điện cực GCE với thời gian tạo vàng
khác nhau: 50 giây (a), 300 giây (b), 600 giây (c)
Như vậy, để thu được lớp vàng có cấu trúc dạng hạt với kích thước hạt nano đồng đều thì thời gian điện phân 600 giây kết tủa vàng lên bề mặt GCE được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
٭ Ảnh hưởng của khuấy dung dịch đến hình thái bề mặt AuNP
Hình 3. 3. Ảnh SEM của AuNP trên bề mặt điện cực GCE với thời gian với thời gian
600 giây trong điều kiện không khuấy (a) và có khuấy ở tốc độ 60 vòng/phút (b).
Trong quá trình điện phân kết tủa vàng lên bề mặt GCE, ảnh hưởng của khuấy dung dịch điện ly đến việc tạo AuNP lên bề mặt GCE cũng đã được nghiên cứu. Tiến hành khảo sát hình thái của vàng nano khi điện phân không khuấy và có khuấy tại tốc độ khuấy 60 vòng/phút [164]. Kết quả thu được trên hình 3.3 cho thấy ở điều kiện không khuấy, các hạt vàng sắp xếp không đều và trên bề mặt GCE có những vùng không có sự hình thành các tinh thể vàng, xuất hiện vùng các hạt vàng chồng lấn, đan xen nhau tạo nên những hạt vàng kích thước lớn và không còn ở kích thước nanomet. Ngược lại, khi có sự khuấy trộn kích thước các hạt vàng đồng đều ở kích thước
71
thành Hg (II) và tạo píc oxi hóa như trên hình 3.16. Khoảng thời gian cần thiết để khử toàn bộ Hg (II) thành Hg (0) đã được khảo sát, kết quả thu được như trên hình 3.17.
Hình 3. 17. Ảnh hưởng của thời gian áp thế đến tín hiệu thủy ngân
Kết quả thu được cho thấy tín hiệu dòng píc tăng dần khi tăng thời gian áp thế từ 3 giây đến 10 giây và đạt giá trị dòng cực đại tại 10 giây, sau đó giá trị dòng không đổi khi kéo dài thời gian áp thế. Lúc này, toàn bộ Hg (II) trên bề mặt bị khử thành Hg (0). Vì vậy, thời gian áp 10 giây được lựa chọn là thời gian áp thế trước khi quét thế theo chiều anot.
Chiều cao píc tính được ở kỹ thuật quét anot là 1,01 µA, cao gấp 2,44 lần so với kỹ thuật quét catot. Kết quả này có thể được giải thích bởi: ở kỹ thuật quét theo
chiềucatot thì quá trình quét xảy ra nhanh nên lượng Hg (II) được làm giàu có thể sẽ
không bị khử hết, bởi vậy ở kỹ thuật quét theo chiều anot có thêm giai đoạn khử về Hg (0) trong 10 giây trước khi quét thế theo chiều anot. Do đó, píc thu được sẽ cao hơn píc đo bằng kỹ thuật quét theo chiều catot như trình bày trên hình 3.16. Mặt khác, việc sử dụng quét thế theo chiều anot còn thuận lợi hơn là sau khi quét lượng Hg (II) sẽ khuếch tán vào trong dung dịch. Như vậy, sẽ loại bỏ được thủy ngân ra khỏi bề mặt ở các lần đo tiếp theo. Vì vậy, kỹ thuật quét theo chiều anot được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
72
3.5.3. PET-SAM/AuNP phân tích Hg (II)
3.5.3.1. Vai trò của AuNP trong điện cực biến tính phân tích Hg (II)
Vai trò của AuNP trong việc sử dụng chế tạo điện cực phân tích Hg (II) được thể hiện trong phổ đồ xung vi phân của hai loại điện cực: điện cực đĩa vàng và điện cực AuNP/GCE cùng được biến tính bởi PET-SAM. Kết quả thu được như trên hình 3.18.
Từ kết quả DPASV thu được cho thấy tín hiệu thu được trên hai điện cực đều xuất hiện píc tại thế 0,52 V. Tuy nhiên, chiều cao píc đo được khi sử dụng điện cực
AuNP (chiều cao píc đạt 1µA) cao gấp 3 lần (chiều cao píc đạt 0,33 µA) so với điện cực
vàng đĩa. Sự tăng chiều cao này do sự tăng diện tích bề mặt hình học nhờ lớp AuNP. Diện tích bề mặt thật của lớp vàng nano cũng được đánh giá bằng phương pháp quét CV
trong dung dịch K3(Fe(CN)6) pha trong đệm photphat 0,1 M, pH=7. Từ giá trị dòng píc
thu được, tính toán theo phương trình Randles-Sevcik, tỉ lệ Ahđ/Ahh=1,6.
Hình 3. 18. Đường DPASV phát hiện Hg (II) của PET-SAM/Au đĩa (■) và PET-
SAM/AuNP (●) sau khi làm giàu trong dung dịch Hg (II) 1 ppb với thời gian ngâm
30 phút, ghi đo trong dung dịch KCl 0,1 M +HCl, pH=3
Như vậy, với phương pháp kết tủa tạo AuNP trên bề mặt GCE diện tích hoạt động điện hóa tăng 60% so với diện tích hình học. Đây là nguyên nhân làm tăng số
73
3.5.3.2. Ảnh hưởng của các ion đến tín hiệu Hg (II)
Trong các mẫu nước phát thải môi trường thường tồn tại nhiều loại ion khác nhau, mỗi mẫu nước sẽ có thành phần khác nhau. Việc tồn tại Hg (II) cùng các ion kim loại khác thường rất phổ biến, các ion này dễ gây ảnh hưởng đến việc phân tích bằng phương pháp điện hóa do thế tiêu chuẩn của chúng gần với thủy ngân. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các cation kim loại nhằm nâng cao độ chọn lọc với Hg (II) là rất cần thiết.
*Ảnh hưởng của các cation
Trong nghiên cứu ảnh hưởng của cation kim loại, một số cation được lựa
chọn có khả năng cùng tồn tại với Hg (II) trong mẫu nước: Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+,
Fe3+, Ni2+, Mn2+ với nồng độ đến 120 ppb, gấp 120 lần so với nồng độ Hg (II) có
trong dung dịch. Sự chọn lọc đối với Hg (II) được đánh giá thông qua giá trị dòng, kết quả thể hiện như trên hình 3.19.
Hình 3. 19. Sự ảnh hưởng của các cation trong dung dịch đến tín hiệu dòng Hg(II)
Kết quả dòng píc đo được biểu diễn ở dạng tỉ lệ giữa dòng píc thu được khi có
mặt của các cation kim loại (ic
pHg(II)) và dòng píc thu được khi chỉ có Hg (II) (i0
pHg(II). Kết quả trên hình cho thấy nồng độ các cation có trong dung dịch cao gấp 100 lần nồng độ Hg (II) thì tỷ lệ dòng píc thu được khi có mặt và không có mặt gần như thay đổi không đáng kể và nồng độ cation lên đến 120 ppb gía trị dòng píc bắt đầu có xu hướng giảm.
74 *Ảnh hưởng của các anion
Ngoài sự có mặt của các cation, sự ảnh hưởng của một số anion: Cl-, NO3-
, SO42- đến tín hiệu Hg (II) cũng được khảo sát. Kết quả được thể hiện như trên
hình 3.20.
Đối với mẫu nước biển, độ mặn của nước biển thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố địa lý của từng vùng biển. Độ mặn trung bình của nước biển là khoảng 3,5 % tương
ứng với nồng độ Cl- khoảng 0,6 M. Do đó, khoảng nồng độ Cl- phù hợp cũng được
lựa chọn để nghiên cứu. Kết quả cho thấy lượng Hg (II) có trong dung dịch Hg 1 ppb,
sự có mặt Cl- ở nồng độ 0,8 M và các anion SO42- và NO3- lên đến 0,2 M thì giá trị
ipHg(II) gần như không bị thay đổi.
Hình 3. 20. Sự ảnh hưởng của các anion Cl-(●), SO42- (▼) và NO3-(■) đến tín
hiệu ipHg(II)
3.5.3.3. Khảo sát số lần sử dụng điện cực
Điện cực sau mỗi lần đo sẽ mất đi một lượng SAM nhất định nên việc nghiên cứu độ bền của điện cực hay thời gian sống của điện cực là rất cần thiết. Độ bền của điện cực đã được nghiên cứu và đánh giá qua giá trị chiều cao píc theo số lần sử dụng phân tích mẫu dung dịch Hg (II) ở nồng độ 1 ppb. Tiến hành ghi đo trong dung dịch
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 i Hg 2+ / A Nong do Cl- /M 0.5 1.5 2.5 1.0 2.0 3.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 I2Hg + / µ A NO3- SO24- Nong do anion / M
75
KCl 0,1M + HCl pH=3 bằng cách áp thế -0,4 V trong thời gian 60 giây, sau đó quét hòa tan từ 0,35 V đến 0,67 V bằng kỹ thuật von –ampe xung vi phân DPV.
Hình 3. 21. Sự biến đổi dòng píc Hg (II) ở nồng độ 1 ppb theo số lần sử dụng của
điện cực PET-SAM/AuNP
Bảng 3. 5. Giá trị thống kê nghiên cứu độ bền điện cực PET-SAM/AuNP
Đại lượng Giá trị thống kê
Số lần đo lặp lại 30
Giá trị dòng píc trung bình 1,023
Độ lệch chuẩn 0,055
Độ lệch chuẩn tương đối 5,376 %
Các kết quả trên hình 3.21 biểu diễn sự biến đổi của giá trị dòng theo số lần sử dụng của điện cực PET-SAM. Kết quả cho thấy dòng ghi đo điện cực PET-SAM lặp lại sau 30 lần ghi đo với độ lặp lại là 5,376 % chứng tỏ điện cực có độ bền tốt.
3.5.3.4. Xây dựng đường chuẩn
Tiến hành xây dựng đường chuẩn với các mẫu nước thủy ngân có nồng độ khác nhau đã được sử dụng để đo sự thay đổi chiều cao píc thủy ngân sử dụng phương pháp DPASV. Kết quả đo được thể hiện trên hình 3.22.
76
Hình 3. 22.Đường DPASV và đường chuẩn theo chiều cao píc trên điện cực PET-
SAM/AuNP khi nồng độ thủy ngân tăng dần từ 100 ppt đến 1000 ppt
Phổ đồ DPASV cho thấy các mẫu đo đều xuất hiện một píc rất rõ ở thế 0,52 V. Trên đường đo có thể quan sát được chiều cao píc thủy ngân tăng tương ứng với sự tăng của nồng độ và có sự tương quan tuyến tính tốt, với khoảng nồng độ tuyến tính 100 ppt – 1000 ppt. Hệ số tương quan tuyến tính R = 0,997.
Từ kết quả phân tích trên phần mềm origin, phương trình sự phụ thuộc của cường độ dòng (chiều cao píc) vào nồng độ thủy ngân là:
y = (0,001 ± 2,13.10-6).C + (0,004 ± 0,0122) (3.25)
Vậy với thể tích mẫu là 40 ml thì tuyến tính của đường trong khoảng 50 ppt đến 2000 ppt.
3.5.3.5. Đánh giá giới hạn phát hiện của phương pháp
Giới hạn phát hiện là nồng độ thấp nhất có thể phát hiện được, nồng độ này lớn hơn mẫu trắng với độ tin cậy 99%.
Trong nghiên cứu này, giới hạn phát hiện được xác định bằng cách đo độ lặp lại 7 lần mẫu dung dịch chuẩn Hg (II) ở nồng độ 100 ppt đối với điện cực PET- SAM/AuNP các điều kiện đo được xác lập như lập đường chuẩn, chấp nhận sự sai khác giữa độ lệch chuẩn của dung dịch và độ lệch chuẩn của mẫu trắng là không
đáng kể: Sb = Sy. Bậc tự do (n-1): 6. Giá trị t tra bảng với bậc tự do 6, độ tin cậy
77
Bảng 3. 6. Giới hạn phát hiện và độ thu hồi thủy ngân trên điện cực PET-
SAM/AuNP
STT PET-SAM/AuNP
Hàm lượng Hg (ppt) Độ thu hồi
1 91,982 91,982 2 119,002 119,002 3 89,875 89,875 4 104,543 104,543 5 83,506 83,506 6 108,002 108,002 7 95,506 95,506 Trung bình 98,917 98,917 Độ lệch chuẩn 12,224 LOD 38,420
Kết quả thu được ở bảng cho thấy phương pháp Von – Ampe xung vi phân sử dụng điện cực PET-SAM/AuNP có giới hạn phát hiện thấp và hoàn toàn có thể sử dụng để phân tích hàm lượng vết thủy ngân.
3.5.4. PET-AET-SAM/AuNP phân tích Hg (II)
3.5.4.1. Khảo sát điều kiện chế tạo PET-AET-SAM
Ngoài việc sử dụng PET-SAM trong phân tích thủy ngân, việc sử dụng đồng thời cả hai cấu tử PET và AET biến tính AuNP trong phân tích thủy ngân cũng được nghiên cứu bởi cả hai cấu tử PET và AET đều có khả năng liên kết với Hg (II) như
đã trình bày ở mục 3.5.1.2. Do đặc tính về cấu trúc và khả năng liên kết,PET-SAM
được lựa chọn là SAM chính và AET được lựa chọn là cấu tử thứ hai đưa vào PET- SAM để lấp đầy những vị trí còn trống trên bề mặt AuNP giữa các phân tử PET liền kề nhằm tạo PET-AET-SAM trên bề mặt AuNP. Việc đưa cấu tử thứ hai, AET, sẽ làm cấu trúc nano của vật liệu biến tính thay đổi do thay đổi khả năng tương tác giữa các phân tử liền kề. Do đó, sẽ ảnh hưởng đến khả năng liên kết với Hg (II) ở pha dung
78
tạo SAM hai cấu tử đều được đánh giá dựa vào chiều cao píc Hg(II) trong phổ Vol- Ampe xung vi phân.
٭ Khảo sát thời gian ngâm AET
Ảnh hưởng của thời gian ngâm AET đến tín hiệu Hg được thể hiện trên hình 3.23.
0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0 2 4 6 0 5 10 15 20 25 30 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 IpHg / µA timmer / min I / µA E / V AET 1 min AET 10 min AET 20 min AET 30 min (a)
Hình 3. 23. Đường DPASV phát hiện thủy ngân ở nồng độ 1ppb sử dụng PET-
AET-SAM/Au-NP/GCE được chuẩn bị bằng cách ngâm PET- SAM trong 0,1 mM AET với thời gian khác nhau (Hình nhỏ: Sự phụ thuộc của tín hiệu dòng thủy ngân
vào thời gian ngâm trong dung dịch AET ở nồng độ 0,1 mM)
Kết quả phổ đồ thu được cho thấy, xuất hiện một píc oxi hóa biến đổi Hg (0) thành Hg (II) tại giá trị thế 0,52 V và sự biến đổi tín hiệu dòng thủy ngân chia thành
ba khu vực: tín hiệu tăng dần từ 1 đến 10 phút và đạt giá trị 1,49 A, sau đó đạt giá
trị cực đại 1,8 A tại 20 phút và giảm dần khi kéo dài thời gian ngâm. Sự thay đổi
này cho thấy sự kết hợp của Hg (II) với nhóm chức của SAM hai cấu tử bị ảnh hưởng bởi quá trình hình thành PET-AET-SAM. Thời gian đầu 1-10 phút là khoảng thời gian cần thiết để ổn định các phân tử AET hấp phụ vào các khoảng trống của phân tử PET trên vàng nano. Khoảng thời gian này khá phù hợp với báo cáo hấp phụ hoàn toàn ankanthiol trên bề mặt vàng từ 10–100 phút của một số nghiên cứu đã công bố [184]. Do đó ở khoảng thời gian này Hg (II) chủ yếu liên kết với N-pyridin của PET. Khi thời gian đủ dài, khoảng 10 – 20 phút AET có thể tiếp cận trong hệ ổn
định SAM hai cấu tử, khi đó Hg (II) kết hợp với cả nhóm N-pyridin và –NH2 dẫn đến
79
ngâm gây ra sự hình thành liên kết hidro trên bề mặt SAM dẫn đến giảm mật độ electron trên nguyên tử N trong vòng pyridin, có thể làm giảm sự kết hợp với Hg (II). Sự hình thành liên kết hidro trên bề mặt SAM tương tự như kết quả công bố của các tác giả khác [81,185]. Do đó, thời gian ngâm AET 20 phút được lựa chọn tối ưu cho sự hình thành PET-AET-SAM.
٭Khảo sát nồng độ ngâm AET
Như đã trình bày, việc sử dụng cấu tử thứ hai, AET, đóng vai trò quan trọng trong việc làm tăng giá trị dòng píc Hg (II). Không chỉ riêng thời gian ngâm PET- SAM/AuNP trong dung dịch AET mà nồng độ AET trong dung dịch cũng làm thay đổi cấu trúc của PET-AET-SAM và kết quả là thay đổi khả năng liên kết với Hg (II) trong dung dịch. Do đó, trong nghiên cứu này dòng Hg (II) cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ của AET trong dung dịch. Để chứng minh cho lập luận này, nồng độ AET đã được khảo sát cùng với các nồng độ AET khác nhau như trong hình 3.24.
Hình 3. 24. Đường DPASVphát hiện thủy ngân ở nồng độ 1ppb sử dụng PET-AET-
SAM/Au-NP/GCE được chuẩn bị bằng cách ngâm PET- SAM trong dung dịch AET 20 phút với nồng độ ngâm khác nhau. (Hình nhỏ: Sự phụ thuộc của tín hiệu dòng thủy