4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
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
ngân vào nồng độ ngâm trong dung dịch AET với thời gian ngâm 20 phút).
Kết quả thu được cho thấy, tín hiệu dòng tăng dần và đạt giá trị cực đại tại 0,1mM sau đó giảm dần khi tăng nồng độ AET. Ở nồng độ thấp các phân tử AET hấp phụ dần vào các chỗ trống trên bề mặt vàng nano. Ở nồng độ cao hơn, số lượng các phân tử AET di chuyển đến bề mặt nhiều hơn và đạt giá trị cực đại tại 0,1 mM.
0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 -2 0 2 4 6 8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 IpHg / µA CAET / mM AET 0.05 mM AET 0.1mM AET 0.2 mM AET 0.3 mM AET 0.5 mM AET 0.8 mM AET 1 mM I / µA E / V (b)
80
Tuy nhiên, lượng AET hấp phụ quá nhiều khi tăng nồng độ AET có thể hình thành nhiều liên kết hidro trên bề mặt SAM. Do đó, sự giảm dòng thủy ngân bởi nồng độ ngày càng tăng của AET là tương tự với sự tăng thời gian ngâm trong dung dịch này.
3.5.4.2. So sánh tín hiệu dòng thủy ngân trên điện cực SAM/AuNP
Tín hiệu thủy ngân ở cùng nồng độ 1 ppb khi sử dụng các điện cực PET-SAM, AET-SAM, PET-AET-SAM được thể hiện trên hình 3.25. Kết quả thu được cho thấy cả ba đường đo đều xuất hiện một píc oxi hóa của Hg (0) thành Hg (II) tại thế 0,52 V và có chiều cao píc tương ứng với AuNP biến tính với AET-SAM, PET-SAM và PET-AET-SAM là 0,3 µA; 1,07 µA và 1,8 µA.
Khi sử dụng riêng rẽ PET-SAM và AET-SAM, kết quả cho thấy việc sử dụng PET-SAM cho chiều cao lớn hơn hẳn (gấp 3,56 lần) so với sử dụng AET–SAM. Kết quả này phù hợp với kết quả khảo sát sự hấp phụ các SAM bằng phản ứng khử hấp phụ trong KOH 0,5 M (được trình bày phần 3.3.3).
Hình 3. 25. Đường DPASV phát hiện Hg (II) sử dụng điện cực AET-SAM(▲),
PET-SAM (●), PET-AET-SAM (■) trong dung dịch Hg (II) nồng độ 1 ppb với thời gian làm giàu 30 phút
Kết quả hình 3.25 phản ánh sự sắp xếp các phân tử PET có khả năng hấp phụ tạo đơn lớp lớn hơn so với AET với mật độ phân tử PET lớn hơn AET, được thể hiện qua vai trò của nhóm chức pyridine và nhóm amino ở các SAM. Ở đây, liên kết giữa
81
Hg (II) với NH2 của AET hình thành do cơ chế giữa axit Lewis yếu với một bazo yếu,
sự hình thành này yếu hơn so với cơ chế tạo liên kết cho nhận giữa Hg (II) với N- pyridine của PET-SAM.
Khi sử dụng điện cực biến tính với hai cấu tử PET và AET đã ghi nhận được sự tăng tín hiệu dòng đáng kể, đạt 1,8 µA, tăng 80% so với hệ PET-SAM. Kết quả cho thấy sự có mặt của AET trên bề mặt SAM cũng liên kết với Hg (II). Bên cạnh đó, khi hình thành SAM hai cấu tử cấu trúc SAM sẽ thay đổi so với SAM một cấu tử do các tương tác giữa các phân tử liền kề như: liên kết Van der Walls giữa các chuỗi metylen trong phân tử hay liên kết hydro giữa các nhóm chức của PET và AET tạo ra. Trong quá trình sắp xếp các phân tử AET sẽ tạo ra những thay đổi hình dạng liên kết trong phân tử PET, điều này có thể làm ảnh hưởng đến khả năng liên kết của các ion Hg (II) trong dung dịch.
3.5.4.3. Khảo sát độ lặp lại của điện cực
Để đánh giá độ lặp lại của phép đo, tiến hành chuẩn bị Hg(II) ở nồng độ 1 ppb. Ghi dòng hòa tan bằng kỹ thuật Von-Ampe anot xung vi phân, tiến hành đo lặp lại 7 lần mỗi loại điện cực. Kết quả đo lặp lại trên hình cho thấy các điện cực PET- SAM/AuNP có độ lặp lại tốt với RSD là 2,190 %.
Hình 3. 26. Sự phụ thuộc giưa tín hiệu dòng và số lần đo lặp lại (7 lần) trên điện cực
82
Bảng 3. 7. Giá trị thống kê độ lặp lại của các điện cực PET-AET-SAM/ AuNP
Đại lượng Giá trị thống kê
Giá trị dòng píc trung bình 1,826
Độ lệch chuẩn 0,040
Độ lệch chuẩn tương đối 2,190
Để kiểm chứng độ lặp lại và độ ổn định của điện cực đối với mẫu thực, tiến hành phân tích mẫu nước biển và nước hồ trong hai ngày liên tiếp, ghi đo đường DPV và tính toán theo phương pháp thêm chuẩn để tìm ra lượng Hg (II). Phép phân
tíchđược thưc hiện 7 lần trên mỗi mẫu để tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn.
Kết quả được chỉ ra ở bảng sau:
Bảng 3. 8. Kết quả phân tích hàm lượng Hg (II) trong cùng một mẫu trong hai ngày
liên tiếp
Mẫu Hàm lượng Hg (II) (ppt)
Ngày 1 Ngày 2 Sai số
Nước biển 0,151 ± 0,004 0,148 ± 0,006 1,986 %
Nước hồ 0,159 ± 0,011 0,164 ± 0,010 3,144 %
Kết quả phân tích ở bảng 3.8 cho thấy sai số của phép phân tích giữa hai ngày đo là không đáng kể. Như vậy, phương pháp phân tích có độ lặp lại và độ ổn định tốt không chỉ đối với dung dịch chuẩn mà còn đối với mẫu thực.
3.5.4.4. 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 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.
83
Hình 3. 27. Sự biến đổi dòng píc Hg (II) ở nồng độ 1 ppb theo số lần sử dụng của
điện cực PET-AET-SAM/AuNP
Bảng 3. 9. Giá trị thống kê nghiên cứu độ bền điện cực PET-AET-SAM/AuNP
Đại lượng Giá trị thống kê
Số lần đo lặp lại 51
Giá trị dòng píc trung bình 1,831
Độ lệch chuẩn 0,095
Độ lệch chuẩn tương đối 5,188
Các kết quả trên hình 3.27 biểu diễn sự biến đổi của giá trị dòng theo số lần sử dụng của điện cực PET-AET-SAM/AuNP. Kết quả cho thấy dòng ghi đo điện cực PET-AET-SAM/AuNP có độ lặp lại sau 51 lần ghi đo là 5,188 % chứng tỏ các điện cực có độ bền tốt và điện cực PET-AET-SAM có độ bền tốt hơn so với điện cực PET-SAM/AuNP (độ lặp lại là 5,376 % sau 30 lần đo).
3.5.4.5. Xây dựng đường chuẩn
Hình 3.28 là đồ thị đường chuẩn thể hiện mối tương quan giữa nồng độ và dòng píc tương ứng.
84
Hình 3. 28. Đường DPASV và đường chuẩn theo chiều cao píc trên điện cực PET-
AET-SAM/AuNP khi nồng độ thủy ngân tăng dần từ 50 ppt đến 2000 ppt Kết quả đo cho thấy, trong khoảng nồng từ 50 ppt đến 2000 ppt, có sự tương quan tốt giữa nồng độ thủy ngân với tín hiệu điện hóa đo được trên điện cực PET- AET-SAM/AuNP. Điều này được thể hiện ở giá trị hệ số tương quan tuyến tính của đường chuẩn: R = 0,998. Trên hình 3.28 có thể quan sát được sự tăng tương ứng của píc hòa tan trên đường Von – Ampe khi đo ở các nồng độ thủy ngân tăng dần.
Phương trình đường chuẩn được viết đầy đủ như sau:
y = (0,016 ± 2,545.10-6).C + (0,137 ± 0,028) (3.26)
Vậy với thể tích mẫu là 40 ml thì tuyến tính của đường trong khoảng 50 ppt đến 2000 ppt.
3.5.4.6. Đánh giá giới hạn phát hiện của phương pháp
Tiến hành đo lặp lại 7 lần mẫu dung dịch chuẩn Hg (II) có nồng độ: 50 ppt trên điện cực PET-AET-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
85
Bảng 3. 10. Giới hạn phát hiện và độ thu hồi Hg (II) trên điện cực PET-AET-
SAM/AuNP
STT
PET-AET-SAM/AuNP
Hàm lượng Hg (ppt) Độ thu hồi
1 59,064 118,128 2 50,061 100,122 3 52,126 104,252 4 34,124 68,248 5 60,939 121,878 6 44,061 88,122 7 37,878 75,756 Trung bình 48,320 96,644 Độ lệch chuẩn 10,173 LOD 31,973
Kết quả thu được ở bảng cho thấy phương pháp Von – Ampe xung vi phân sử dụng điện cực PET-AET-SAM/AuNP có giới hạn phát hiện thấp, thấp hơn so với điện cực PET-SAM/AuNP (38,420 ppt).