Quy trình 1: Biến tính điện cực bằng phương pháp liên kết chéo
- Ngâm điện cực trong dung dịch chitosan (pha trong axit acetic) trong 15 phút. Sau đó lấy ra để khô và rửa bằng dung dịch NaOH để trung hòa hết axit acetic còn dư, tiếp tục rửa lại bằng nước cất cho thật sạch và để khô.
- Ngâm điện cực trong dung dịch glutaraldehyde (GAD) nồng độ 25%wt trong 30 phút rồi lấy ra để khô.
- Tiếp tục ngâm điện cực vào dung dịch enzyme glucose oxidase (GOx) ở nhiệt độ 4oC trong vòng 15 giờ. GAD với cấu trúc phân tử gồm hai nhóm aldehyde
Piranha PBS (4oC) Chitosan (15 phút) Điện cực NaOH + H2O Glutaraldehyde (30 phút) GOx (4oC) (15 giờ) PBS (4oC) GOx (4oC) (15 giờ) Quy trình 1 Quy trình 2
sẽ làm nhiệm vụ liên kết hai nhóm -NH2 của chitosan và GOx lại với nhau, vì thế lớp enzyme sẽ được cố định trên bề mặt điện cực.
- Ngâm điện cực đã được biến tính vào dung dịch PBS ở 4oC khi chưa sử dụng.
Quy trình 2: Biến tính điện cực bằng phương pháp hấp phụ.
- Sau khi rửa điện cực, ngâm vào dung dịch enzyme glucose oxidase ở nhiệt độ 4oC trong vòng 15 giờ.
- Ngâm điện cực đã được biến tính vào dung dịch PBS ở 4oC khi chưa sử dụng.
2.3.1.2 Khảo sát điện cực sau khi biến tính
Để đánh giá kết quả biến tính điện cực bằng chitosan, glutaraldehyde và enzyme, sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử và kính hiển vi điện tử quét để khảo sát bề mặt điện cực. Sau đó so sánh với kết quả khảo sát trước khi biến tính.
2.3.1.2a Khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Nguyên tắc hoạt động của máy SEM
Chùm điện tử tới Điện tử truyền qua Tia X Điện tử thứ cấp Phát xạ catod Điện tử tán xạ ngược Điện tử Auger Điện tử hấp thụ Lực điện động Hình 2.9: Tương tác giữa chùm điện tử và mẫu.
Khi một chùm điện tử chiếu lên bề mặt mẫu, tương tác giữa chùm điện tử và các nguyên tử trong mẫu sẽ cho biết rất nhiều thông tin về mẫu. Hình 2.9 minh họa một số dạng thông tin thu được [19], trong đó có tia X, phát quang catod, điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, điện tử hấp thụ... và hình 2.10 là vùng mà ở đó những thông tin trên được tạo ra [19].
R Huỳnh quang thứ cấp Tia X liên tục Tia X đặc trưng, ~ µm Điện tử tán xạ ngược, 10-100 nm Điện tử thứ cấp, 50-500Å Điện tử Auger, 10Å Chùm điện tử tới Hình 2.10: Phân bố vùng của các tín hiệu tán xạ.
Nguyên lý phóng đại của máy SEM
Khi một chùm điện tử hội tụ (kích thước khoảng một hoặc một vài nano mét) quét trên bề mặt mẫu thì ngay tại vị trí quét, các tín hiệu bức xạ sẽ phát ra khỏi mẫu từ những vùng như đã chỉ ra trong hình 2.10. Các tín hiệu bức xạ được biến đổi thành tín hiệu điện, được khuếch đại và sau đó được dẫn vào một ống tia catod (Catod Ray Tube – CRT) để quan sát mẫu. Những hình ảnh quan sát trên CRT được hiển thị cùng lúc với chùm điện tử quét trên mẫu và thông qua CRT, người ta có thể điều chỉnh độ sáng của các vị trí quét tương ứng. Độ phóng đại của mẫu được xác định bằng tỷ lệ giữa kích thước của ảnh hiển thị trên CRT và kích thước của chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu. Có thể tùy chọn các dạng tín hiệu bức xạ khác nhau để phân tích từng tính chất đặc trưng riêng lẻ của bề mặt mẫu.
Súng điện tử của kính hiển vi điện tử quét bao gồm một filament, Wehnelt và một anod sẽ tạo ra chùm điện tử khi đốt nóng filament. Sau khi đi qua hệ thấu kính,
tia đến đúng vị trí cần quét trên bề mặt mẫu. Bức xạ từ mẫu sẽ phát ra theo mọi hướng, detector sẽ thu nhận các bức xạ này và truyền qua bộ khuếch đại trước khi đến CRT để hiển thị hình ảnh bề mặt của mẫu. Khi điều chỉnh lỗ hổng vật kính thì kích thước chùm điện tử hội tụ trên mẫu sẽ thay đổi, từ đó có thể thay đổi độ phóng đại của ảnh [19].
Hình 2.11: Cấu tạo và cơ chế hoạt động của SEM 2.3.1.2b Khảo sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử - AFM
Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM) là một dạng kính hiển vi đầu dò có độ phân giải rất cao, có thể đạt đến dưới mức Angstrom. Máy AFM được Binnig, Quate và Gerber phát minh năm 1986, và đã trở thành công cụ hàng đầu để phân tích, chụp ảnh, đo đạc vật liệu ở kích thước nano.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Kính hiển vi lực nguyên tử bao gồm [6]:
- Một cantilever kích thước micro mét với một đầu nhọn (tip - đầu dò) được dùng để quét trên bề mặt mẫu.
Súng điện tử Thấu kính hội tụ Lỗ hổng vật kính Vật kính Mẫu Detector Cuộn quét Cuộn quét Mạch quét Bộ khuếch đại Ống catod (CRT) Cuộn lệch
- Tùy từng trường hợp, máy AFM sẽ đo lực tiếp xúc cơ học, lực liên kết hóa học, lực tĩnh điện, lực từ, lực Van der Waals, ...
- Độ lệch được đo bằng cách chiếu chùm tia laser lên cantilever và hội tụ ánh sáng phản xạ vào một photodiode dạng mảng. Photodiode này sẽ xác định độ lệch của cantilever trong quá trình quét trên bề mặt mẫu so với vị trí ban đầu và chuyển tín hiệu qua bộ xử lý để biến đổi thông tin về lực thành hình ảnh bề mặt mẫu.
- Cơ chế hồi tiếp (feedback) thường được sử dụng để điều chỉnh khoảng cách từ tip đến mẫu để duy trì lực giữa tip và mẫu không đổi.
- Mẫu được đặt trên một ống làm bằng vật liệu áp điện (piezoelectric) có thể dịch chuyển mẫu theo phương z để duy trì lực không đổi và dịch chuyển mẫu theo phương x và y để quét mẫu.
Hình 2.12: Cơ chế hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử.
Các chếđộ chụp ảnh
Kính hiển vi lực nguyên tử có thể hoạt động ở một vài mode khác nhau, tùy theo ứng dụng. Nói chung có hai chế độ chụp ảnh cơ bản đó là chế độ tĩnh (Static
mode hay còn gọi là Contact mode) và chế độ động (Dynamic mode).
- Trong chế độ tĩnh, độ dịch của tip được dùng làm tín hiệu hồi tiếp. Trong chế độ này, lực tương tác giữa tip và bề mặt mẫu được duy trì không đổi trong quá trình quét để đạt được độ dịch chuyển ổn định.
số dao động bị ảnh hưởng bởi lực giữa tip và mẫu; những thay đổi do ảnh hưởng bởi ngoại lực như trên sẽ cung cấp thông tin về đặc tính của mẫu. Chế độ động bao gồm biến điệu tần số (frequency modulation) và biến điệu biên độ (amplitude modulation).
+ Trong biến điệu tần số, sự thay đổi tần số dao động sẽ cung cấp thông tin về tương tác giữa tip và mẫu. Tần số được đo rất chính xác, với độ nhạy cao do đó trong biến điệu tần số có thể dùng cantilever rất cứng. Cantilever cứng sẽ rất ổn định khi tiếp xúc sát với bề mặt mẫu, do đó có thể cho hình ảnh có độ phân giải cỡ nguyên tử trong điều kiện chân không siêu cao (Ultra
High Vacuum - UHV).
+ Trong biến điệu biên độ, sự thay đổi biên độ hoặc pha dao động sẽ cung cấp tín hiệu hồi tiếp để tạo ảnh. Những thay đổi về pha dao động sẽ giúp phân biệt các loại vật liệu khác nhau trên bề mặt mẫu. Biến điệu tần số có thể hoạt động trong chế độ không tiếp xúc lẫn chế độ tiếp xúc không liên tục.
2.3.2 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza
2.3.2.1 Lập hệđo điện hóa và thao tác đo
Tế bào điện hóa gồm một bessel chứa 25 mL dung dịch cần khảo sát. Điện cực CE là sợi dây Pt nguyên chất dài 15 cm, điện cực cần khảo sát (trong luận văn này là điện cực sợi nano Pt và điện cực màng mỏng Pt) làm điện cực WE, điện cực RE là điện cực calomel bão hòa. Các điện cực nhúng trong dung dịch và được giữ cố định bằng miếng xốp cao su, điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các điện cực là như nhau trong toàn bộ thực nghiệm. Điện cực RE và WE được ghép sao cho đối xứng và thật gần nhau để giảm tối thiểu ảnh hưởng của điện trở dung dịch. Đầu còn lại của các điện cực được nối với nguồn phân thế.
Các bước tiến hành đo như sau:
- Bật nguồn phân thế và chỉnh bộ điều khiển sang chế độ Potentiostat, các nút
Potential ở mức 2 V, Potarity ở chế độ OFF, Ext Set ở chế độ ON, Function
ở chế độ REST.
- Mở phần mềm Pgsdynamics HA151 và nhập các thông số về khoảng quét
thế, độ nhạy, vận tốc quét thế và diện tích điện cực.
- Vặn nút Function của nguồn phân thế sang chế độ OPERATION để bắt đầu quét thế, đồng thời nhấp chuột vào nút Start all trên phần mềm để ghi lại giá
trị của dòng điện tương ứng với mỗi giá trị điện thế. Một cửa sổ biểu thị quá trình quét thế sẽ hiện ra và tự động tắt khi quá trình đo hoàn tất. Khi đó, vặn nút Function trở về chế độ REST để nguồn phân thế hồi tiếp về giá trị cân bằng của hệ. Khi giá trị điện thế trên màn hình hiển thị của nguồn phân thế không còn thay đổi nữa thì hệ đã sẵn sàng cho phép đo kế tiếp.
Hình 2.13: Hệđo CV dùng trong thực nghiệm.
2.3.2.2 Khẳng định phản ứng xảy ra tại điện cực cần khảo sát tuân theo phương trình Randles-Sevčik và chọn khoảng quét thế phù hợp
Nguyên tắc
Để có thể khảo sát khả năng phát hiện glucoza bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn, cần phải chứng minh phản ứng oxi hóa/khử glucoza tại điện cực Pt là một phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán. Có nghĩa là cường độ peak đặc trưng của phản ứng phải tuân theo phương trình Randles-Sevčik.
Xét hệ phản ứng có diện tích điện cực làm việc là A, dung dịch khảo sát có hệ số khuếch tán D và nồng độ C.
- Nếu phản ứng oxi hóa/khử tại điện cực là thuận nghịch thì biểu thức Randles-Sevčik đối với cường độ peak đặc trưng sẽ là:
C v D ) RT nF ( nFA 4463 . 0 i 1/2 1/2 1/2 p =
- Nếu phản ứng oxi hóa/khử tại điện cực là bất thuận nghịch thì biểu thức Randles-Sevčik đối với cường độ peak đặc trưng sẽ là:
WE CE Potentiostat
C v D ] RT F )n - 1 [( nFA 4958 . 0 i 1/2 1/2 1/2 a p = α
Trong cả hai trường hợp hệ thuận nghịch và bất thuận nghịch thì cường độ peak đặc trưng đều tăng tuyến tính theo căn bậc hai của vận tốc quét thế. Do đó chỉ cần chứng minh ip phụ thuộc v1/2 thì có thể khẳng định phản ứng oxi hóa/khử mà luận văn quan tâm là phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán.
Cách tiến hành
- Đầu tiên tiến hành quét thế trong khoảng -1~1 V với dung dịch nền để xác định các peak oxi hóa/khử của các chất trong dung dịch nền.
- Sau đó quét thế trong khoảng -1~1 V với dung dịch glucoza để xác định các peak oxi hóa/khử của dung dịch glucoza.
- So sánh đồ thị CV của dung dịch nền và dung dịch glucoza để xác định vị trí của peak đặc trưng cho phản ứng oxi hóa của glucoza tại điện cực Pt.
- Tiếp tục quét thế trong khoảng -1~1 V với dung dịch glucoza và thay đổi nhiều vận tốc quét khác nhau. Nếu cường độ peak đặc trưng tăng tuyến tính theo căn bậc hai của vận tốc quét thế thì phản ứng oxi hóa của glucoza trên điện cực Pt có thể khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn.
- So sánh đồ thị CV của dung dịch nền và dung dịch glucoza, từ đó sẽ xác định được khoảng điện thế xuất hiện peak đặc trưng và giới hạn khoảng quét thế phù hợp để khảo sát.
2.3.2.3 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của sợi nano Pt
Trong trường hợp khảo sát sợi Pt, chúng tôi dùng chip được phủ cách điện cả ba điện cực bên dưới, khi đó chỉ có các sợi nano Pt thực sự tiếp xúc với dung dịch của tế bào điện hóa. Chính vì vậy đồ thị i-V thu được sẽ là kết quả khảo sát của sợi nano Pt. Diện tích điện cực trong trường hợp này là
S1 = 10 x 50 nm x [10 μm + 50 μm + 100 μm] = 8.10-11 m2 = 8 x 10-7 cm2
Đối với các cách biến tính và độ pH khác nhau, lần lượt tiến hành khảo sát như sau:
- Quét thế vòng tuần hoàn với dung dịch nền và các dung dịch glucoza có nồng độ khác nhau.
glucoza khác nhau.
- Lập đường chuẩn nồng độ glucoza theo cường độ peak đặc trưng. - Xác định độ nhạy của phép đo.
2.3.2.4 Khảo sát khả năng phát hiện glucoza của màng mỏng Pt
Trong trường hợp không phủ cách điện ba điện cực bên dưới thì khi đó diện tích của các sợi nano Pt là không đáng kể so với diện tích của các điện cực, vì thế trong trường hợp này ta coi như đang khảo sát khả năng phát hiện glucoza của màng mỏng Platin. Diện tích điện cực làm việc lúc đó sẽ là tổng diện tích của ba điện cực
S2 = 3 x 1.2 mm x 1 mm = 0,036 cm2
Các bước tiến hành khảo sát cũng thực hiện tương tự như trong trường hợp sợi nano Pt.
CHƯƠNG 3
3.1 KẾT QUẢ BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt VÀ MÀNG MỎNG Pt
3.3.1 Kết quả biến tính điện cực sợi nano Pt
Hình 3.1 là ảnh SEM và AFM của các bậc SiO2 được tạo trên nền Si. Các bậc này được sử dụng để định hướng cho sợi Pt trong quá trình chế tạo tiếp theo. Hình 3.1a là các bậc nổi kích thước 5 μm được ăn mòn trên nền Si. Từ ảnh AFM và đường profile trong hình 3.1b có thể thấy các cấu trúc bậc này tương đối đồng đều (rộng 5 μm, cách nhau 5 μm) và cao khoảng 80 nm.