4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
1.3.5. Sử dụng SAM biến tính điện cực ứng dụng phân tích thủy ngân
Nghiên cứu đầu tiên được sử dụng SAM để phát hiện kim loại nặng được tiến hành năm 1988 của nhóm nghiên cứu I. Rubinstein [151], tác giả đã sử dụng
2,2− thiobisethyl acetoacetate biến tính điện cực vàng phân tích Cu(II) bằng phương
pháp Von − Ampe vòng. Sau đó, đã có nhiều nghiên cứu tập trung biến tính điện
cực rắn khác nhau: vàng, bạc, đồng, platin, oxit kim loại,... và sử dụng các SAM khác nhau hoặc kết hợp với các cấu tử khác thông qua phản ứng hóa học để hình thành các tính chất khác nhau trên bề mặt điện cực nhằm nâng cao độ nhạy của phép phân tích đối với kim loại nặng, trong đó có Hg (II). Một số nhóm hợp chất hữu cơ được dùng để biến tính là các thiol [152], silan [153], photphat [154]. Tính cho đến nay, các đơn lớp của alkanethiol trên nền vàng hoặc bạc được nghiên cứu nhiều nhất. Một số công trình có thể kể đến như:
Nghiên cứu của Yun Wu và cộng sự (2008) đã sử dụng đơn lớp tự sắp xếp 2,5- dimercapto-1,3,4-thiadiazole biến tính điện cực vàng nhằm phát hiện Hg(II) bằng phương pháp ASV, giới hạn phát hiện thu được là 0,1 µM. Trong khi đó, Chow và các đồng sự sử dụng axit 3-mercaptopropionic (MPA) SAM biến tính bề mặt điện cực vàng
để phân tích Hg(II) bằng phương pháp SWV với giới hạn phát hiện 10 ppb [155].Antje
Widmann đã biến tính vi điện cực vàng bởi SAM của mercaptoaxetic phát hiện Hg(II), giới hạn phát hiện là 0,02 nM. Bằng cách biến tính vi điện cực vàng Antje Widmann và cộng sự (2004) đã kết hợp phương pháp SWASV và sử dụng vật liệu biến tính MAA phân tích Hg với giới hạn phát hiện là 1nM. Đơn lớp tự sắp 1-octadecanethiol biến tính nền graphen đã được Tao Zhang và cộng sự [156] phân tích Hg(II) với giới hạn phát hiện
38
thu được là 10 ppm. Gần đây, để nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc các cấu trúc đơn lớp SAM được phát triển mạnh mẽ hơn bằng cách thêm nhiều tương tác chế tạo cảm biến có cấu trúc nano 3 chiều: hỗn hợp thiol [157], tạo vật liệu nanocomposit [158]. Năm 2004, Shuangyan Huan và cộng sự đã sử dụng hỗn hợp đơn lớp o-amino thiophenol và dodecyl mercaptan biến tính điện cực vàng phát hiện đồng thời Hg (II), Cu (II), Pb (II) bằng phương pháp DPV, kết quả thu được có sự tương quan tốt giữa tín hiệu dòng với nồng
độ từng chất, giới hạn phát hiện thu được từng nguyên tố từ 4,34.10-8 M trở xuống [159].
Tại Việt Nam, phương pháp phân tích điện hóa truyền thống sử dụng điện cực giọt thủy ngân cho phép phân tích nhanh với độ nhạy cao không còn được sử dụng do thủy ngân kim loại có độc tính cao với hệ sinh thái. Chính vì vậy việc nghiên cứu tìm ra các loại điện cực thay thế điện cực Hg kim loại có tính thực tiễn cao. Các nghiên cứu trong nước đã có một số lượng nghiên cứu về điện cực điện hóa nhất định trong thập kỉ qua như: vi điện cực tổ hợp vàng xác định Hg(II) [160], điện cực màng bimut biến tính CPE phân tích Cd, Pb, Hg. Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về phân tích thủy ngân bằng phương pháp này và hướng nghiên cứu vật liệu biến tính SAM ứng dụng trong phân tích kim loại nặng, trong đó có thủy ngân vẫn còn khá mới mẻ.
Về các nghiên cứu về SAM, đã có một số các nghiên cứu về điện cực điện hóa. Các hướng nghiên cứu mới có thể kể đến nghiên cứu các cấu trúc nano mới hay lựa chọn các hợp chất hữu cơ phù hợp để biến tính điện cực. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng đồng thời nhiều chất hữu cơ biến tính vật liệu nền cấu trúc nano, đặc biệt là biến tính vật liệu composit có cấu trúc nano nhằm tạo các pha có cấu trúc nano hai hoặc ba chiều trên bề mặt điện cực. Do đó, luận án tiếp nối, tập trung chế tạo các loại điện cực còn mới này và nghiên cứu khả năng ứng dụng của chúng vào phân tích Hg (II) ở hàm lượng siêu vết.
39
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Thiết bị, dụng cụ và vật liệu, hóa chất
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ
Các phép đo điện hóa tiến hành trên hệ thiết bị PGS-HH điều khiển bằng máy tính. Thiết bị được chế tạo tại Phòng Ứng dụng Tin học trong Nghiên cứu hóa học – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (đã được chứng nhận kiểm chuẩn chất lượng).
Hình 2. 1. Hệ thống thiết bị phân tích điện hoá đa năng CPA-HH*
* Hệ điện cực sử dụng trong phép đo điện hóa gồm 3 điện cực:
- Điện cực đối Pt
- Điện cực so sánh Ag/AgCl
- Điện cực làm việc là điện cực than thủy tinh đã được phủ lớp vàng nano và
lớp composit vàng nano + GO biến tính bởi các SAM: PET-SAM, AET-SAM, PET- AET-SAM trên bề mặt.
- Thiết bị chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) S-4800 (Hitachi, Nhật Bản).
- Máy khuấy từ IKA RCT basic, tốc độ khuấy từ 0-1200 vòng/phút.
- Máy cất nước hai lần Hamilton Laboratory Glass Limited.
- Bể siêu âm Ultrasonicsteri-Cleaner (ISO-9001/ISO13485)
- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh trên hệ hai thiết bị Perkin-
40
trên thiết bị Aula-254 (Viện Công Nghệ Môi Trường- Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam).
- Máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) chụp trên thiết bị D8AVVACE (Khoa Hóa học,
Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội).
- Máy đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier transform infrared
spectroscopy-FTIR) FTIR-6300 (Khoa Hóa học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội).
2.1.2. Vật liệu và hóa chất
2.1.2.1. Vật liệu
- Điện cực than thủy tinh (GCE) của hãng Tokai GCE-20 ở dạng ống hình trụ
được gia công cắt ngắn và bao kín bởi ống teflon bên ngoài với đường kính
của mặt than thủy tinh sử dụng làm điện cực làm việc có diện tích 0,071 cm2
(đường kính 3 mm).
- Điện cực vàng đĩa diện tích 0,071 cm2 (đường kính 3 mm) (hãng Metro Ohm
- Thụy Sĩ).
2.1.2.2. Hóa chất
- 2-aminoethanethiol hydrochloride (AET), 4-pyridinethanethiol hydrochloride
(PET) từ hãng Wako, Nhật Bản
- H2SO4, HCl, KOH, C2H5OH, Hg(NO3)2 1000 ppm, HAuCl4, K2HPO4, KH2PO4.
Các hóa chất có độ tinh khiết cao từ hãng Merck (Đức), Sigma (Mỹ) được sử dụng để pha thành các dung dịch có nồng độ xác định trong từng nghiên cứu cụ thể.
- Etanol tuyệt đối, axeton 99,5%, nước cất 1 lần, 2 lần …
- Graphenoxit (GO) được tổng hợp từ graphit của hãng Sigma như đã công bố [129].
2.1.2.3. Pha chế hóa chất
- Các dung dịch làm việc của các ion kim loại (Hg2+, Pb2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+,
Fe3+, Ni2+, Mn2+) được pha từ dung dịch chuẩn gốc có nồng độ 1000 ppm từ hãng
Merck (Đức).
- Pha chế các dung dịch KCl, K2SO4, NaNO3,…. từ các hóa chất tinh thể tương ứng.
41
- Pha dung dịch đệm photphat 0,1M, pH = 7 từ Na2HPO4 và NaH2PO4
- Dung dịch muối Au3+ được pha tử HAuCl4 trong dung dịch axit H2SO4 0,5 M [161].
- Dung dịch K3[Fe(CN)6] được pha từ tinh thể tương ứng trong dung dịch đệm
photphat đến nồng độ 5 mM [162].
- Nước cất dùng để pha chế hóa chất và rửa dụng cụ là nước cất hai lần.
2.2. Chế tạo điện cực
Điện cực biến tính với các hợp chất hữu cơ AET, PET trên nền vàng nano dạng hạt (AuNP) và nền composit AuNP-GO hình thành đơn lớp tự sắp xếp được chế tạo cụ thể như sau:
2.2.1. Chế tạo lớp AuNP trên điện cực GCE
Điện cực than thủy tinh có diện tích làm việc 0,071 cm2 được đánh bóng bề
mặt bằng giấy nhám siêu mịn và được làm sạch bằng nước cất trong bể siêu âm. Điện cực sau xử lý được hoạt hóa điện hóa bằng việc áp thế -1,0 V (Ag/AgCl) với thời gian
300 s trong dung dịch axit H2SO4 0,5 M. GCE sau khi hoạt hóa được làm sạch với
nước cất hai lần được áp thế +0,5 V trong dung dịch HAuCl4 nông độ 10-3M [161].
Hình 2. 2. Điện cực cacbon thủy tinh trước (a) và sau khi tạo lớp vàng nano dạng
hạt: điện cực AuNP/GCE (b)
Ảnh hưởng của thời gian áp thế và việc khuấy trộn dung dịch điện phân đến bề mặt lớp vàng nano dạng hạt được khảo sát:
- Các thời gian áp thế tạo AuNP được khảo sát là: 50 giây, 300 giây, 600 giây
- Sự khuấy trộn dung dịch được khảo sát trong điều kiện: không khuấy và có
42
Hình ảnh bề mặt điện cực trước và sau khi tạo lớp vàng nano được thể hiện trên hình 2.2.
2.2.2. Chế tạo các SAM biến tính lớp AuNP trên điện cực GCE
2.2.2.1. Chế tạo SAM 4-pyridinethanthiol (PET-SAM)
GCE sau khi đã được điện kết tủa AuNP trên bề mặt được ngâm trong dung dịch PET được pha trong dung môi etanol tuyệt đối ở nhiệt độ phòng. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là PET-SAM/AuNP/GCE [161].
2.2.2.2. Chế tạo SAM 2-aminoethanethiol (AET-SAM)
Tương tự điện cực biến tính bởi PET-SAM, điện cực GCE sau khi đã được điện kết tủa AuNP trên bề mặt được ngâm trong dung dịch AET pha trong dung môi etanol tuyệt đối ở nhiệt độ phòng. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là: AET-SAM/AuNP/GCE.
2.2.2.3. Chế tạo SAM hai cấu tử (PET-AET- SAM)
Điện cực sau khi biến tính bởi PET-SAM được ngâm trong dung dịch AET ở nồng độ và thời gian ngâm khác nhau được được khảo sát. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là: PET-AET-SAM/AuNP/GCE.
Cuối cùng, các điện cực sau khi biến tính được rửa với nước cất và cồn tuyệt đối.
2.2.3. Chế tạo lớp composit AuNP-GO trên điện cực GCE
Điện cực GCE sau khi được mài bóng, làm sạch và hoạt hóa được điện phân
trong dung dịch hỗn hợp HAuCl4 1,0 10-3 M + GO (gọi tắt là dung dịch AuNP - GO)
bằng cách áp thế 0,5 V trong điều kiện có khuấy.
Ảnh hưởng của nồng độ GO, pH của dung dịch AuNP - GO, thời gian điện phân được khảo sát.
Sau đó, rửa sạch điện cực bằng nước cất và cồn tuyệt đối, để khô trong không khí trước khi sử dụng. Điện cực sau chế tạo được ký hiệu là AuNP - GO.
2.2.4. Chế tạo các SAM biến tính lớp composit AuNP-GO trên điện cực GCE
2.2.4.1. Chế tạo PET-SAM
GCE sau khi đã được điện kết tủa AuNP+GO trên bề mặt được ngâm trong dung dịch PET ở nồng độ và thời gian khảo sát ở nhiệt độ phòng để tạo PET-SAM. Sau đó,
43
điện cực được rửa sạch bằng dung dịch ethanol để loại bỏ lượng PET còn dư trên bề mặt. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là: PET-SAM/AuNP+GO.
2.2.4.2. Chế tạo AET-SAM
Tương tự điện cực biến tính bởi PET-SAM, điện cực GCE sau khi đã được điện kết tủa AuNP-GO trên bề mặt được ngâm trong dung dịch AET ở nhiệt độ phòng. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là AET-SAM/AuNP.
Điện cực sau khi biến tính bởi PET-SAM được ngâm trong dung dịch AET ở nồng độ và thời gian ngâm khác nhau đã được khảo sát. Điện cực sau khi chế tạo xong được ký hiệu là PET-AET-SAM/AuNP-GO.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
2.3.1.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình thái cấu trúc lớp AuNP và AuNP-GO được nghiên cứu bởi thiết bị chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) S-4800 (Hitachi, Nhật Bản) với chùm điện tử sơ cấp được gia tốc bằng điện thế từ 15-20 kV khoảng cách 4-5mm, trong các trường hợp:
-Bề mặt AuNP với thời gian điện phân kết tủa vàng: 50 giây, 300 giây, 600 giây.
-Bề mặt AuNP - GO với thời gian điện phân kết tủa tối ưu: 600 giây.
2.3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
-Cấu trúc lớp AuNP được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
chụp trên thiết bị D8AVVACE (Khoa Hóa học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên,
Đại Học Quốc Gia Hà Nội), ống phát tia CuK (=1,54056 Å), cường độ dòng ống
phát 40 mA, góc quét 2θ từ 10o đến 85o, tốc độ quét 0,2o/phút.
2.3.1.3. Phương pháp hồng ngoại (FTIR)
Nghiên cứu cấu trúc vật liệu composit được tiến hành đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy-FTIR). Các phép đo được tiến hành trên thiết bị FTIR-6300 (Khoa Hóa học, Trường Đại Học Khoa Học
Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội) ở áp suất khí quyển, độ phân giải 4 cm-1, với
44
2.3.2. Phương pháp phân tích đối chứng AAS
Độ chính xác của phương pháp và các kết quả phân tích lượng vết thủy ngân trong mẫu thật được đánh giá so sánh với các kết quả đo bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh (AAS).
2.3.3. Các phương pháp đo điện hóa
Các phép đo điện hóa được sử dụng để nghiên cứu các hoạt tính điện hóa cũng như khả năng phân tích của các điện cực đã chế tạo
2.3.3.1. Nghiên cứu khử hấp phụ
Khử hấp phụ lớp SAM của AET, PET và PET AET được thực hiện bằng phép quét thế vòng điện cực trong dung dịch KOH 0,5 M đã được loại bỏ oxi hoà tan bằng
cách sục khí N2 trong thời gian 15 phút. Khoảng thế quét từ U1 = 0,00 V đến U2 = -
1,30 V, tốc độ quét thế là 0,1 V/s. Kết quả của phép đo sẽ cho thông tin về khả năng hấp phụ của các phân tử hợp chất hữu cơ AET hoặc PET trên điện cực.
2.3.3.2. Khảo sát độ thuận nghịch của phản ứng điện hóa trên các điện cực đã chế tạo
Điện cực được nghiên cứu trên hệ điện hóa đơn giản của cặp oxi hóa – khử Fe(III)/Fe(II) bằng phương pháp quét thế vòng, tốc độ quét 0,1 V/s, khoảng thế quét từ -0,025 V đến 0,45 V. Dung dịch điện li sử dụng trong nghiên cứu này là dung dịch
K3[Fe(CN) 6] 0,5 M pha trong đệm photphat (PBS) 0,1 M, pH = 7.
2.3.3.3. Phân tích thủy ngân bằng các điện cực biến tính SAM chế tạo
Các điện cực biến tính SAM sau khi chế tạo được sử dụng phân tích Hg (II) với phương pháp phân tích phát hiện và điểu kiện đo như sau:
• Phương pháp phân tích phát hiện Hg(II) được thực hiện qua hai bước như sau:
*Bước 1: Hg (II) được làm giàu lên bề mặt điện cực WE đã biến tính với các
SAM bằng cách ngâm hấp phụ hóa học điện cực làm việc trong dung dịch chứa ion Hg(II) trong môi trường pH = 7, với các thời gian ngâm được khảo sát: 5 phút, 10 phút, 30 phút, 80 phút, 100 phút, 120 phút, 150 phút, 180 phút, 200 phút trong điều kiện có khuấy với tốc độ 60 vòng/phút.
*Bước 2: Việc phân tích phát hiện lượng vết Hg (II) sau khi làm giàu được thực hiện bằng phương pháp Von-Ampe xung vi phân với hai kỹ thuật quét được khảo sát: quét theo chiều catot và quét theo chiều anot.
45
• Các điều kiện đo phân tích phát hiện Hg (II):
Đo tín hiệu điện hóa trong dung dịch KCl 0,1 M + HCl pH = 3 với độ lớn xung là 50 mV, thời gian phát xung 0,04 giây, bước nhảy xung 5 mV với thời gian 0,08 giây, tốc độ quét xung 50 mV/giây. Các phép đo điện hóa được tiến hành ở nhiệt độ
phòng (25oC ± 1).[162]
2.3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của các cation và anion
Khảo sát ảnh hưởng của các cation: Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, Fe3+, Ni2+, Mn2+ và
các anion: Cl-, NO3-, SO42-.
• Đo mẫu Hg(II) 1 ppb.
• Đo mẫu Hg (II) 1 ppb có mặt đồng thời các cation và anion với nồng độ tăng dần.
2.3.3.5. Xây dựng đường chuẩn
Tiến hành xây dựng đường chuẩn trong khoảng nồng độ tuyến tính trên từng điện cực được chế tạo. Các mẫu nước Hg (II) có nồng độ khác nhau đã được sử dụng để đo sự thay đổi chiều cao píc Hg (II) sử dụng phương pháp DPASV. Dãy các dung dịch chuẩn Hg (II) được pha từ dung dịch chuẩn gốc có nồng độ 1000 ppm đã được chuẩn bị để đo trên các điện cực khác nhau:
Đối với điện cực PET-SAM/AuNP dãy các dung dịch chuẩn Hg (II) được chuẩn bị có nồng độ lần lượt là: 100 ppt, 300 ppt, 500 ppt, 800 ppt, 1000 ppt.
Đối với điện cực PET-AET-SAM/AuNP dãy các dung dịch chuẩn Hg (II) được chuẩn bị có nồng độ lần lượt là: 50 ppt, 100 ppt, 300 ppt, 600 ppt, 800 ppt, 1000 ppt,