CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.5.4. Phương pháp đo phổ tổng trở điện hóa
Phương pháp phân tích phổ tổng trở điện hóa (EIS) là một công cụ mạnh trong nghiên cứu các hiện tượng hóa lý xảy ra ở bề mặt rắn-lỏng. EIS nhanh chóng trở thành phương pháp phổ biến cho nhiều nghiên cứu ứng dụng như pin điện hóa, pin
48
nhiên liệu, lớp phủ hữu cơ, vật liệu gốm sứ, bán dẫn, sensor, polyme dẫn điện… Bản chất của phương pháp phân tích phổ tổng trở điện hóa là xác định sự phụ thuộc của tổng trở theo tần số. Thông thường các quá trình này được khảo sát trong vùng tần số từvài trăm mHz đến hàng chục MHz, thậm chí GHz tùy vào đối tượng và mục đích nghiên cứu. Đối với các vật liệu có tính dẫn ion và các quá trình điện hóa, quá trình dẫn điện do sự tham gia của các ion có độ linh động nhỏ hơn rất nhiều so với độ linh động của điện tử, vì vậy phép đo chỉ phù hợp với dải tần số thấp để các ion có thểđáp ứng kịp sự biến đổi của điện trường.
Vềcơ bản phương pháp phân tích EIS là phương pháp nghiên cứu liên quan đến việc so sánh các đặc tính điện xoay chiều của hệđã có với các mạch tương đương. Chính vì vậy, để xác định các tham số như độ dẫn điện, các tham số về quá trình dịch chuyển điện tích hay hệ số khuếch tán của các ion trong các vật liệu bằng phương pháp phân tích phổ tổng trở, chúng ta phải dựa vào mối liên hệ giữa chúng với các thành phần điện trở hay tụđiện trong sơ đồ mạch điện tương đương. Các thành phần tương đương trong mạch có thể kể đến như điện trở dung dịch (electrolyte resistance), điện dung lớp kép (Double Layer Capacitance), trở kháng Warburg (Warburg Resistance), điện trở truyền điện tích (Charge Transfer Resistance) [160].
Hình 2.17. Sơ đồ mạch điện tương đương Randles của hệ điện hóa.
Bất kỳ một hệđiện hóa nào cũng có thể biểu diễn được bằng một sơ đồ mạch điện tương đương gồm các điện trở và tụđiện. Mạch điện thường được sử dụng để mô tả một hệđiện hóa 3 điện cực là mạch tương đương Randles được trình bày như trên hình 2.17. Các đại lượng này có thểđược xác định thông qua khớp phổ EIS. Trong đó, hai đại lượng RS và ZWđặc trưng cho các tính chất của dung dịch điện phân và sự khuếch tán của cặp chất dò. Trong khi Cdl và RCT phụ thuộc vào tính chất cách điện và dẫn điện tại bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và chất điện phân. Giá trị của hai thành phần này phụ thuộc vào sựthay đổi trên bề mặt của điện cực. Vì vậy, chúng thường được lựa chọn làm tín hiệu phát hiện của cảm biến. Phổ EIS bao gồm một bán cung tại vùng tần sốcao tương ứng với quá trình truyền (vận chuyển) điện tích diễn ra trên bề mặt điện cực làm việc và phần tuyến tính tại vùng tần số thấp liên quan tới quá trình khuếch tán của chất điện ly tới bề mặt điện cực. Giao điểm của phần bán cung với trục Zre chính là giá trị của RS và đường kính của bán cung chính là giá trị điện
49
trở RCT của mạch tương đương Randles.Trên hình 2.18 trình bày đường cong Nyquist của đặc trưng phổ EIS của cảm biến faradaic (sử dụng cặp chất dò ferro/ferrit).
Hình 2.18. Đường cong Nyquist của đặc trưng phổ EIS của cảm biến faradaic.
Kết luận chương
Trong chương này, tác giảđã trình bày được quy trình công nghệ chế tạo cảm biến MIP/EIS, quy trình thực nghiệm phân tích dư lượng kháng sinh trong mẫu thực và các phương pháp nghiên cứu. Trong phần quy trình công nghệ chế tạo cảm biến, tác giả đã phân tích được lý do chọn đối tượng nghiên cứu là các phân tử nhỏ dạng protein, dạng kháng nguyên và kháng sinh. Các kỹ thuật được sử dụng kết hợp để làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc và giới hạn phát hiện của từng loại cảm biến MIP/EIS cụ thể cũng đã được tác giả trình bày chi tiết với các luận giải cụ thể. Các phương pháp sử dụng nghiên cứu bao gồm phương pháp phân tích phổ Raman, UV-vis, HPLC và phương pháp đo phổ tổng trởEIS cũng đã được trình bày ngắn ngọn trong chương.
50
CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN MIP/EIS PHÁT HIỆN PROTEIN PHÂN TỬ
NHỎ SARCOSINE VÀ 17β-ESTRADIOL
Nội dung nghiên cứu của chương trình bày các kết quả khảo sát hoạt động của cảm biến phổ tổng trở điện hóa (EIS) xác định protein sarcosine và 17β-estradiol (E2) sử dụng đầu thu sinh học nhân tạo MIP. Công nghệMIP đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu thông qua số lượng các bài báo tăng hàng năm. MIP được xem như lựa chọn thay thếđầy hứa hẹn cho các đối tác sinh học của chúng để phát triển các hướng mới trong các lĩnh vực nghiên cứu đa ngành như sắc ký, công nghệ sinh học, khoa học môi trường, an toàn thực phẩm và đặc biệt trong cảm biến sinh học. Tuy nhiên, việc ứng dụng MIP trong cảm biến sinh học vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần khắc phục trước khi đưa ra sản phẩm thương mại. Trước hết, tính không đồng nhất của các vị trí liên kết có thểgây ra tương tác không đặc hiệu và do đó làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, một số nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tổ hợp và tính toán để lựa chọn tỷ lệ monome và phân tử chất phân tích. Thứ hai, tính chất ngẫu nhiên của quá trình polyme hóa cũng có thểảnh hưởng đến tính đồng nhất trong việc phân bố các khuôn in trong mạng polyme, gây ra sự biến thiên không mong muốn trong khuếch tán. Để khắc phục nhược điểm này, một số phương pháp đã được áp dụng để cải thiện MIP như chuyển đổi chuỗi phân mảnh bổ sung đảo ngược (Reversible addition-fragmentation chain transfer), phản ứng trùng hợp chuyển hóa gốc nguyên tử (atom transfer radical polymeisation), khởi tạo lắng đọng hơi hóa học (Initiated chemical vapour deposition) và gắn hóa học (click-chemistry). Ngoài ra, một số phương pháp mới cũng đã được phát triển như cấu trúc lõi-vỏ, vật liệu composit lai giữa hữu cơ và vô cơ, kỹ thuật màng mỏng và quang khắc “mềm” (soft-photolithography) để tạo khuôn. Đểtăng cường tín hiệu của cảm biến và mở rộng phạm vi ứng dụng, một số hình mẫu của cảm biến ứng dụng MIP đã được phát triển bao gồm đơn chất phân tích trên nhiều đế, đa chất phân tích trên mảng đếđơn, chíp vi dòng và các hệ thống lab - on - valve. Tuy nhiên, cảm biến MIP vẫn cần các giải pháp thỏa đáng về cách thức chúng có thểđược sản xuất và tích hợp một cách kinh tế vào các thiết bị hiện tại. Điểm nổi bật trong nghiên cứu là tác giảđã đề chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP trên nền điện cực mực in các bon (SPCE) được phủ một lớp AuNPs phân tán đều trên bề mặt, khác công nghệ MIP hiện tại là tiến hành trên các điện cực kim loại. Cấu trúc MIP được tạo ra trên điện cực kim loại thường có dạng đa lớp của đa phân tử phức hợp, gây cản trở quá trình tách phân tử chất phân tích ra khỏi mạng polyme, do đó làm giảm hiệu suất tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP. Với lớp AuNPs trên điện cực SPCE không những làm tăng diện tích hiệu dụng bề mặt điện cực dẫn đến làm tăng sốlượng các phân tử chất phân tích in được vào màng polyme mà còn giúp tạo ra được một đơn lớp màng SAMmonome định hướng trên điện cực, giúp quá trình hình thành màng polyme có độđồng nhất bề mặt cao, mỏng nên dễ dàng tách các phân tử chất phân tích đã in vào
51
màng trong quá trình polyme hóa để hình thành các khuôn nhận dạng sinh học đặc hiệu, làm tăng hiệu suất chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP. Do màng polyme MIP thường có độ dẫn thấp nên thông thường tín hiệu điện của cảm biến sẽ không cao dẫn tới độ nhạy của cảm biến thấp (tín hiệu cảm biến trên nồng độ chất phân tích). Do đó, tác giảcũng đã khắc phục được nhược điểm này bằng cách đưa hạt nano vàng vào màng polyme ngay trong quá trình polyme tạo MIP bằng cách thêm vào hợp chất của Au (HAuCl4) vào dung dịch polyme và quét điện áp tạo màng đi qua đỉnh khử Au ra khỏi hợp chất tại -450 mV vs.Ag/AgCl.