Thời gian làm giàu có ảnh hưởng lớn tới độ nhạy của phép phân tích. Theo định luật Faraday và sự điện phân thì “số lượng của chất bất kỳ phát ra hoặc bị phân hủy trên bề mặt điện cực tỷ lệ với điện lượng đi qua bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch”. Một cách thông thường có thể thấy thời gian làm giàu càng tăng thì lượng ion cần phân tích sẽ càng tích lũy được nhiều trên bề mặt và từ đó dòng hòa
tan sẽ có cường độ lớn. Error! Reference source not found. dưới đây đưa ra kết
quả đo SWASV dòng đỉnh hòa tan Pb tại điện SPE/P(1,5DAN) trong nền đệm
acetat có chứa Pb2+ 45g/l. Các điều kiện đo: thế áp -1,2V, tần số 50Hz, biên độ
xung 50mV; bước thế 5mV.
Bảng III.2. Kết quả đo chiều cao SWASV dòng đỉnh hòa tan Pb trên điện cực SPE/P(1,5DAN) với thời gian làm giàu khác nhau
t (giây) 180 240 300 360 420 480
Ip (A) 1,05 1,68 1,97 2,27 2, 45 2,73
Hình III.13. Ảnh hưởng của thời gian áp thế làm giàu tới dòng đỉnh hòa tan Pb theo kỹ thuật SWASV
Kết quả cho thấy dòng đỉnh hòa tan Pb theo kỹ thuật SWASV tăng gần như tuyến tính với thời gian áp thế làm giàu. Tuy nhiên, với điện cực polyme việc giữ
180 240 300 360 420 480 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 I / A thoi gian (s)
thế làm giàu lâu không chỉ làm mất thời gian của phép đo mà còn gây suy thoái polyme giảm tính dẫn điện của màng, giảm độ lặp của phép đo. Do đó, dựa vào kết quả khảo sát (hình III.13) thời gian làm giàu 360 s được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
III.1.7. Xây dựng đường chuẩn
Từ các kết quả đã trình bày ở trên cho thấy điện cực polyme dẫn điện P(1,5DAN) là vật liệu tiềm năng thay thế cho thủy ngân kim loại trong phân tích
các ion kim loại nặng như Pb2+. Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ tới kết quả đo
SWASV trên điện cực SPE/P(1,5DAN) trong điều kiện nền điện ly là đệm acetat
0,1M (pH = 4,5); điện thế làm giàu Elg = -1,2V; thời gian làm giàu tlg = 360s.
Đường SWASV được quét theo chiều dương từ -1.2 tới -0,5V; với tần số 50Hz, biên độ xung 50mV; bước thế 5mV.
Hình III.14.Đường SWASV của điện cực SPE/P(1,5DAN) trong dung dịch đệm acetat có chứa Pb2+ có nồng độ từ 0 tới 150g
Chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) được xác định như mô tả tại hình III.15
Hình III.15. Mô tả cách xác định chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb theo kỹ thuật SWASV
Kết quả xác định chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) được đưa ra tại Bảng
III.3
Bảng III.3.Sự phụ thuộc của Ip vào nồng độ ion Pb2+
[Pb2+] (g/l) 5,0 10 15 20 25 30
Ip (g/l) 0,246 0,523 0,601 0,988 1,183 1,421
[Pb2+] (g/l) 35 40 45 50 70 150
Ip (g/l) 1,668 1,942 2,271 2,612 3,423 6,291
Từ kết quả thu được tại Error! Reference source not found., thu được hình
III.15 là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa nồng độ Pb2+ với chiều cao dòng đỉnh hòa
Hình III.16. Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) với nồng độ ion Pb2+ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) với
nồng độ ion Pb2+từ 5 tới 70g/llà một hàm hồi quy tuyến tính bậc nhất có dạng Ip
(A) = 0,0509 × CPb – 0,0665 với bình phương hệ số tương quan R2 = 0,9951.
III.1.8. Khả năng tái sinh điện cực
Hình III.17 đưa ra đường SWASV của điện cực SPE/P(1,5DAN) trong dung
dịch đệm acetat có chứa Pb2+ 70g/l (đường a). Sau đó, điện cực này được giữ tại
+0.5V trong 30 giây và quét ngay một đường SWASV (đường b). Kết quả cho thấy không thấy bất kỳ pic nào xuất hiện tại đường SWV làm sạch này như vậy điện cực đã được tái sinh. Đem điện cực tái sinh này làm giàu tại -1,2V trong 360s vẫn tại
bình điện phân chứa Pb2+ 70g/l (đường c) cho thấy đường SWASV có độ lặp lại
Hình III.17.Đường SWASV đánh giá khả năng tái sinh điện cực SPE/P(1,5DAN) trong phân tích Pb2+
III.2. Tổng hợp màng mỏng kết hợp giữa PPy và P1,5DAN trong chế tạo cảm biến sinh học
Như đã trình bày tại phần tổng quan, enzym axetylcholinsteraza (AChE) khi tiếp xúc với phân tử thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) gốc lân hữu cơ nói chung và thuốc trừ sâu chứa hoạt chất Triclophon nói riêng, hoạt động của enzym AChE sẽ bị ức chế khiến nó sản sinh ra ít proton hơn so với bình thường. Dựa vào nguyên tác này, cảm biến sinh học (enzym) điện hóa định lượng thuốc BVTV đã và đang được tập trung nghiên cứu và phát triển. Việc cố định các phân tử sinh học là các enzym AChE lên trên bề mặt đế (bề mặt điện cực) thông qua tác nhân cố định là các polyme chức năng có khả năng dẫn điện là hướng nghiên cứu lý thú và hiệu quả.
Trong nội dung phần nghiên cứu này sẽ trình bày quá trình chế tạo màng polyme dẫn điện: polypyrol dây nano (có bề mặt riêng cao và độ dẫn điện tốt trong môi trường trung tính) và poly(1,5-diaminonaphthalen) (có nhiều nhóm amin tự do thuận lợi cho liên kết đồng hóa trị cố định enzym). Điện cực màng polypyrol dây nano/poly(1,5-diaminonaphthalen) [PPy NWs/P(1,5DAN)] được gắn kết với enzym AChE bằng liên kết đồng hóa trị thông qua tác nhân glutarandehyt (GA) và ứng dụng làm cảm biến thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ Triclophon.
III.2.1. Điện trùng hợp và hình thái màng PPy trên điện cực SPE
Như đã trình bày tại mục 1.2.1 có ba kỹ thuật chính trong tổng hợp điện hóa nói chung và trùng hợp màng polyme dẫn điện nói riêng đó là vôn-ampe vòng (CV), thế tĩnh (PS) và dòng tĩnh (GS). Trong đó, hai kỹ thuật là CV và PS là thường được sử dụng hơn cả.
Trong rất nhiều các nghiên cứu trước đây, việc tổng hợp PPy thường sử dụng kỹ thuật CV trong đệm PBS (pH = 7,4) để thu được màng có cấu trúc dạng hoa súp lơ. Để tăng bề mặt riêng hiệu dụng, một số nghiên cứu đã chỉ ra kỹ thuật PS đem lại hiệu quả tốt hơn, đặc biệt khi kết hợp sử dụng dạng khuôn cứng (hard-template) như hay khuôn mềm (soft-template) để tạo cấu trúc nano cho PPy. Tuy nhiên, việc loại bỏ khuôn ra khỏi bề mặt điện cực là rất khó khăn, đặc biệt là các loại khuôn mềm như gelatin có cấu trúc cồng kềnh, không có tính dẫn điện lại có nhiều nhóm chức thực tế lại làm giảm hiệu quả của cảm biến điện hóa.
Dưới đây sẽ trình bày quá trình trùng hợp điện hóa PPy trên điện cực SPE mục tiêu là thu được PPy cấu trúc dây nano mà không cần dùng khuôn trong quá
trình tổng hợp. Hình III.18 đưa ra phổ CV quá trình trùng hợp màng PPy như phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập tới trong các nghiên cứu.
Hình III.18. Phổ CV quá trình trùng hợp PPy trên điện cực SPE trong dung dịch PBS có chứa Py 0,5M + LiClO4 0,1M. Tốc độ quét thế 50mV/s
Kết quả chỉ ra cho thấy cường độ dòng tăng mạnh ngay từ vòng quét đầu tiên và tăng trong toàn bộ dải điện thế quét từ - 0,2 tới 0,9V. Kết quả chứng tỏ màng PPy đã được tổng hợp thành công trên điện cực SPE và cũng chỉ ra khả năng dẫn điện của PPy trong môi trường PBS (pH = 7,4) là rất tốt. Đây là môi trường tương thích sinh học nên PPy ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa là một trong không nhiều các loại vật liệu phù hợp nhất trong lĩnh vực này.
Hình thái học của điện cực SPE/PPy được thể hiện tại hình III.19 qua đặc trưng ảnh SEM.
Hình III.19. Ảnh SEM điện cực SPE/PPy ở các độ phóng đại khác nhau
Nghiên cứu hình thái học bề mặt qua ảnh SEM cho thấy một cấu trúc đồng nhất dạng hoa súp lơ phủ trên bề mặt điện cực. Đây cũng là hình thái học của PPy thường thu được khi tổng hợp bằng kỹ thuật CV trong đệm PBS.
Để tăng hiệu quả cố định thành phần sinh học và tăng khả năng dẫn truyền điện tử, chế tạo PPy cấu trúc dây nano là một trong nhiều giải pháp được hướng tới. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng kỹ thuật thế tĩnh trong môi trường
NaH2PO4 0,2 M (pH = 10,7) để chế tạo PPy NWs mà không dùng khuôn, đây là tiền
đề cho một tác nhân hiệu quả để cố định thành phần sinh học.
Về nguyên tắc chỉ cần áp một thế đủ oxy hóa monome Py vào hệ điện phân là có thể tạo thành PPy bám trên điện cực. Việc áp ở điện áp không đủ lớn (nhỏ hơn 0,7 V) sẽ không tạo thành màng PPy đồng nhất, hay áp thế quá cao (lớn hơn 8,85 V) sẽ gây ra hiện tượng quá oxy hóa làm giảm tính dẫn điện của PPy.
Trong nội dung nghiên cứu này chúng tôi chỉ khảo sát ảnh hưởng của nồng
độ LiClO4 (1,0 mM; 5,0 mM; 10 mM và 15 mM) trong dung dịch monome Py 0,15
M + Na2HPO4 0,2 M tới sự hình thành dây nano PPy. Thế áp được giữ cố định tại
0,75 V với thời gian áp là 500 giây. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình III.20 đưa ra đường đo dòng trong quá trình trùng hợp PPy NWs trên
điện cực SPE ở các nồng độ LiClO4 khác nhau.
Kết quả được đưa ra cho thấy ở nồng độ 1mM LiClO4 (đường a), thế oxy hoá
giảm nhanh trong khoảng 20 giây đầu tiên và duy trì xu hướng giảm về giá trị 0mA trong khoảng thời gian về sau. Kết quả đo ảnh SEM của điện cực này (hình III.21) cho thấy chưa có sự hình thành màng PPy trên bề mặt điện cực hoặc lớp màng PPy quá mỏng không thể quan sát qua ảnh SEM thông thường.
Hình III.20. Đường đo dòng theo thời gian ở thế áp 0,75V khi tổng hợp PPy NWs trong dung dịch Py 0,15M + NaH2PO4 0,2M + LiClO4 : (a) 1mM; (b) 5mM; (c)
Hình 3.21. Ảnh SEM của điện cực SPE/PPy NWs khi tổng hợp trong dung dịch Py 0,15M + NaH2PO4 0,2M + LiClO4 1mM
Khi tăng nồng độ trong dung dịch trùng hợp lên 5 mM LiClO4 (đường b) có thể
thấy ban đầu thế oxy hoá tăng cao trong khoảng 5 giây đầu và sau đó giảm nhanh ở khoảng 20 giây tiếp theo, và có xu hướng giảm chậm tại khoảng 0,12mA. Kết quả chụp ảnh SEM (hình III.22) của điện cực khi này đã thấy rõ sự thay đổi về hình thái học, các cấu trúc dạng dây ngắn của PPy đã hình thành trên bề mặt SPE.
Hình III.21. Ảnh SEM của điện cực SPE/PPy NWs khi tổng hợp trong dung dịch Py 0,15M + NaH2PO4 0,2M + LiClO4 5mM
Khi tăng nồng độ 10 mM LiClO4 (đường c) trong khoảng 30 giây ban đầu
xu hướng tăng nhẹ. Quan sát ảnh SEM của điện cực này (hình III.22) cho thấy cấu trúc dây nano của PPy đã hình thành với độ xốp cao.
Hình III.22. Ảnh SEM của điện cực SPE/PPy NWs khi tổng hợp trong dung dịch Py 0,15M + NaH2PO4 0,2M + LiClO4 10mM
Hình ảnh đường phân cực (d) tương ứng với nồng độ 15 mM LiClO4 cho
thấy dòng tăng mạnh trong khoảng 150 giây đầu và sau đó duy trì dòng ổn định ở cường độ cao (khoảng 0,3 mA). Ảnh SEM (hình III.23) tương ứng thể hiện rõ màng PPy đã khít chặt hơn và có hình ảnh giống dạng hoa súp lơ.
Hình III.23. Ảnh SEM của điện cực SPE/PPyNWs khi tổng hợp trong dung dịch Py 0,15M + NaH2PO4 0,2M + LiClO4 15mM
0,2M có chứa LiClO4 15mM thực hiện điện trùng hợp trên điện cực SPE tại thế 0,75 V trong 500 giây sẽ thu được màng PPy NWs. Đặc điểm quan trọng nhất của PPy NWs chế tạo được là có bề mặt riêng lớn và khả năng dẫn điện tốt trong môi
trường trung tính đệm PBS. Tuy nhiên, sự vắng mặt các nhóm chức năng như -NH2,
-COOH trong mạch polyme khiến khả năng cố định đồng hóa trị của PPy với các phần tử sinh học thông qua tác nhân như GA bị hạn chế. Để giải quyết cho bài toán này, chúng tôi đề xuất tạo một lớp màng thứ hai cũng là một polyme dẫn điện là
P(1,5DAN) có nhiều nhóm NH2 lên trên bề mặt PPy NWs.
III.2.2. Điện trùng hợp màng polyme PPyNWs/P(1,5DAN)
Hình III.24 dưới đây đưa ra phổ CV quá trình trùng hợp màng P(1,5DAN) trên điện cực SPE/PPy NWs. Kỹ thuật CV được lựa chọn là do mục tiêu tạo thành lớp phủ bám đều trên bề mặt các dây nano PPy do quá trình trùng hợp xảy ra tuần tự qua các giá trình điện thế tương ứng với sự oxy hóa monome tạo gốc, phát triển mạch và ngắt mạch. Quá trình trùng hợp màng P(1,5DAN) này được thực hiện
trong dung dịch 1,5DAN 5 mM + HClO4 0,1M + LiClO4 0,1M trong 10 vòng từ
0,02V tới +0,75V với tốc độ quét thế 50mV/s.
Hình III.24. Phổ CV quá trình trùng hợp màng P(1,5DAN) lên điện cực SPE/PpyNWs
Kết quả cho thấy cũng có sự xuất hiện hai pic oxy hóa tại +0,28V, +0.47V và một pic khử tại +0.36V khá giống với đặc trưng quá trình tổng hợp màng P(1,5DAN) trên điện cực SPE (đã trình bày tại mục 3.1.1). Cường độ dòng sau mỗi vòng quét đều tăng chứng tỏ màng P(1,5DAN) hình thành và phát triển khá tốt trên điện cực SPE/PPy NWs.
III.2.3. Đặc trưng màng PPy NWs/P(1,5DAN)