u = Uo sint (1.7)
i = Io sin (t + ) (1.8)
Bình điện hóa
Theo định luật Ohm có thể định nghĩa tổng trở Z như sau:
Z = u/i = f () (1.9)
Tính chất của Z () là:
Z () là một vectơ có modun Z và góc lệch pha
Z () là một hàm phức: Z () = Zre + jZim (1.10)
Ta có thể biểu diễn hình học của Z () trên mặt phẳng phức như sau :
Ta có: Z Z Z sin i im Zr Zre Z cos 2 2 2 Hay Z Zr Z i (1.11) Hình 1. 28 Biểu diễn hình học các phần tử phức
Khảo sát đặc tính tần số Z = f () cho phép xác định các đại lượng Z , Zr, Zi và góc lệch pha = arctg (Zi/Zr).
Tổng trở Z của bình điện hóa bao gồm các thành phần như: tổng trở của quá trình Faraday Zf, điện dung của lớp kép coi như một tụ điện Cd và điện trở R - là điện trở dung dịch giữa điện cực nghiên cứu và điện cực so sánh. Kỹ thuật xử lý toán học cho ta tính được các giá trị Cd, R, Zf… và cho đến các thông số động học cuối cùng của hệ điện hóa (io, ko, D…). Kết quả nhận được thường được biểu diễn dưới dạng đồ thị thường gọi là phổ (Nyquits, Bode…).
b) Mạch tương đương của phổ tổng trở
Sơ đồ mạch tương đương thể hiện hành vi của bình điện hóa được thể hiện trên Hình 1.29[22].
Hình 1. 29 Mạch tương đương ứng với hệ điện hóabị khống chế bởi quá trình chuyển điện tích
R: Điện trở dung dịch
Zf: Tổng trở của quá trình Faraday Cd: Điện dung của lớp kép
Trong đồ thị, quan hệZi theo Zr sẽ nhận được cung bán nguyệt với bán kính bằng (Rp-Rdd)/2. Có thể xác định Rp, Rdd (hay R) tại điểm cắt của cung này với trục Zr. Điện dung Cd có thể xác định từ Rp và giá trị tần số fmax của cực đại tổng trở ảo Zi.
c) Tổng trở khuếch tán Warburg
Tổng trở khuếch tán hay còn gọi là tổng trở Warburg[22],kí hiệu là ZW được tính bởi:
ZW = (1-j) 1/ 2 (1.12) Trong đó: 2 0 0 RT nF .C 2D là hằng số Warburg (1.13)
Mạch tương đương của tổng trở Warburg gồm một điện trở và một tụ điện mắc nối tiếp như hình 1.30.
Hình 1. 30Mạch tương đương tổng trở khuếch tán Warburg
d) Tổng trở Randles
Trong trường hợp phản ứng điện cực bị khống chế bởi cả giai đoạn chuyển điện tích và khuếch tán ta có tổng trở Ersler – Randles[22].
o r r ct Z R 1j (1.14) Trong đó: o 2 * o 0 RT nF C 2D và R 2 * R R RT nF C 2D (1.15 và 1.16) Đặt: o R Cuối cùng ta có: Z = R + (1-j) -1/2 (1.17)
Sơ đồ tổng quát của trở Randles được mô tả trên Hình 1.31.
Hình 1. 31. Sơ đồ tương đương của bình điện phân
Điện trở chuyển điện tích Rct thường được xác định bằng cách ngoại suy tổng trở ở tần số thấp về Zi = 0.
e) Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức
Nếu hệ thống bình điện phân thoả mãn sơ đồ Randles thì tổng trở bình điện phân sẽ là[22]: dd 1/ 2 1 d ct 1 Z R j C R 1 j (1.18) Z = Zr - j Zi (1.19)
Tách phần thực và phần ảo phương trình tổng trở bình điện phân trên, ta có:
1/ 2 ct dd 2 2 1/ 2 2 2 1/ 2 d d ct R Z R C 1 C R (1.20) 2 1/ 2 2 1/ 2 d ct d i 2 2 1/ 2 2 2 1/ 2 d d ct C R C Z C 1 C R (1.21) Khi tần số -> 0 thì: Zr = Rdd + Rct + 1/ 2 và Zi = 1/ 2 - 2. 2 Cd (1.22)
Phổ nhận được tuỳ theo cách biểu diễn số liệu có hai dạng với tên gọi là phổ Nyquist hoặc phổ Bode. Đường biểu diễn Zr theo Zi(Phổ Nyquist) sẽ là đường thẳng với độ
dốc bằng 1 và ngoại suy sẽ cắt trục thực Zr tại (Rdd + Rct – 22Cdd).
Đường thẳng này tương ứng với khống chế khuếch tán và tổng trở Warburg có độ lệch pha là /4.
Khi : ở tần số cao phản ứng chỉ bị khống chế động học và Rct>> ZW ct r dd 2 2 2 d ct R Z R 1 C R (1.23) 2 d ct i 2 2 2 d ct C R Z 1 C R (1.24) Cuối cùng ta có: (Zr – Rdd – Rct/2)2 + (Zi)2 = (Rct/2)2 (1.25)
Đó chính là biểu thức của vòng tròn bán kính Rct/2 cắt trục Zr tại Rdd khi
và tại Rdd + Rct khi 0 (hình 1.32).
Khi có sự hấp thụ còn thấy nửa vòng tròn ở dưới trục Zr khi 0 và khi có thụ động còn thấy giá trị điện trở âm.
1.6 Mục tiêu, nội dung thực hiện
1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở lý thuyết và các công trình nghiên cứu đã công bố, luận văn hướng đến sử dụng Polyaniline Leucoemeraldine Base (PANI-LB) và Polyaniline Emeraldine Base (PANI-EB) chế tạo màng mỏng để làm lớp nhạy khí trong cảm biến đo nồng độ ôxy hòa tan trong môi trường nuôi tôm và các môi trường nuôi thủy hải sản khác với mục đích giảm giá thành, giảm kích thước thiết bị nhưng vẫn đáp ứng được khả năng đo nồng độ ôxy hòatan tương đươngvới các thiết bị hiện có.
1.6.2Nội dung thực hiện
Trong khuôn khổ luận văn này, nội dung thực hiện bao gồm các vấn đề sau: - Chuẩn bị polyme PANI, pha chế dung dịch.
- Chế tạo điện cực dạng 2 bản song song.
- Phủ dung dịch PANI đã chuẩn bị lên điện cực bằng phương pháp phủ nhỏ giọt (drop - coating).
- Pha dung dịch giả lập môi trường nuôi thủy hải sản.
- Khảo sát thế vòng tuần hoàn, đánh giá độ nhạy và độ bền của chip khi đo ở các nồng độ ôxy khác nhau.
- Khảo sát sự thay đổi lớp màng phủ trên bề mặt cảm biến qua các lần đo.
- Khảo sát độ thay đổi điện trở kháng (tổng trở Z) của màng PANItrong dung dịch nước muối có các nồng độ ôxy khác nhau chuẩn với điện cực Ag/AgCl là điện cực tham chiếu.
CHƯƠNG II:THỰC NGHI
2.1 Mục đích thí nghiệm
Khảo sátsự thay đổi
Si/SiO2khi phủ PANI-LEB, PANI trong dung dịch nước muối saumột thời gian sử dụng cảm biến.
2.2Hóa chất, dụng cụ và
a) Polyaniline Emeraldine Base
PANI-EB được sử dụng có dạng bột rắn, mịn, m khối lượng trung bình Mw
PANI-EB được cung cấp bởi nh
Hình 2.
Trong nghiên cứu luận văn n EB có thể được chuyển hóa ho ES)[16]. Dung dịch HCl đư lượng axit còn dư trong quá tr chân không.
Hình 2. 2Cơ chế pha tạp chuyển hóa PANI
C NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO N ĐỘ ÔXY
m
ự thay đổi theo các nồng độ ôxy khác nhau và độ bền
, PANI-EB tại các môi trường có nồng độ ôxy khác nhau ớc muối bằng phương pháp quét thế vòng tuần ho
ột thời gian sử dụng cảm biến.
và thiết bị dùng trong quá trình thí nghiệ
Polyaniline Emeraldine Base (PANI-EB)
ợc sử dụng có dạng bột rắn, mịn, màu đen, độ tinh khiết 99
w ≈ 20.000 đvC, đóng gói trong chai thủy tinh loại 25g. ợc cung cấp bởi nhà cung cấp Sigma Aldrich, xuất xứ Hoa K
Hình 2. 1Polyaniline Emeraldine Base
ứu luận văn này PANI-EB được pha tạp với HCl 0
ợc chuyển hóa hoàn toàn thành Polyaniline emeraldine salt ( ược dùng để pha tạp PANI-EBvì HCl là một axit bay h ư trong quá trình thí nghiệm sẽ dễ dàng được loại bỏ bằng cách sấy
ế pha tạp chuyển hóa PANI-EB thành PANI-
N ĐO NỒNG ộ bền của chip ờng có nồng độ ôxy khác nhau ần hoàn và tổng trở ệm ộ tinh khiết 99,7%, ủy tinh loại 25g. ấp Sigma Aldrich, xuất xứ Hoa Kì.
ợc pha tạp với HCl 0,1M để PANI- Polyaniline emeraldine salt (PANI-
ột axit bay hơi và ợc loại bỏ bằng cách sấy
PANI-ESsau khi được sấy khô ở 60oC trong 24 giờ trong môi trường chân không sẽ tiếp tục được ngâm và khuấy trong phenylhydrazine (PNH) khoảng 10 phút để chuyển hóa hoàn toàn thành PANI-LB.Sau đó hỗn hợp PANI-LB được rửa bằng thật nhiều nước khử ion và tiếp đó là acetone loại bỏ nước khử ion,tiếp đó sấy chân không ở 60oC trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn acetone chỉ còn giữ lại PANI-LB[17].
Hình 2. 3Tác dụng với phenyl hydrazine chuyển hóa PANI-ES thành PANI-LB
b) Axit Clohydric (HCl)
Axit Clohydric là loại axit Clohydric đậm đặc, nồng độ 37%, khối lượng riêng D ≈ 1,19g/ml. Axit HClđược đóng gói trong chai thủy tinh 1 lít và được cung cấp bởi Prolabo, xuất xứ Đức.Dung dịch HCl được pha loãng đến nồng độ 0,1M sau đó dùng để pha tạp PANI-EB tạo PANI-ES.
Hình 2. 4Axit clohydric
c) Dung môi Dimethylsulfoxide (DMSO)
Dung môi DMSO là một hợp chất hữu cơ với công thức (CH3)2SO. Chất lỏng không màu này là một dung môi phân cực hòa tan được với cả các hợp chất phân cực lẫn không phân cực và có thể trộn lẫn trong một loạt các dung môi hữu cơ cũng như nước. DMSO có độ tinh khiết 99,7% và khối lượng riêng là 1,1g/ml và được đóng gói trong chai thủy tinh 1 lít.DMSO được cung cấp bởi nhà cung cấp Sigma Aldrich, xuất xứ Hoa Kì.DMSO là dung môi để hòa tan các dạng PANI-EB và PANI-LB để tạo màng điện cực.
d) Phenylhydrazine (PNH) Phenylhydrazine (PNH) là ch 1,1g/ml, độ tinh khiết 97%.
và được cung cấp bởi nhà cung c để chuyển PANI-ES sang PA
Hình 2.
e) Cân điện tử
Hãng sản xuất: Sartorius - Mức cân: 210 g. - Độ chia: 0,1 mg.
- Trọng lượng của cân: 6 kg. - Nguồn điện: 220 V, 50/60 Hz.
Hình 2. 5Dung môi DMSO
Phenylhydrazine (PNH)
Phenylhydrazine (PNH) là chất lỏng màu vàng rơm, khối lượng ri ộ tinh khiết 97%.PNH được đóng gói trong chai thủy tinh khối l
à cung cấp Sigma Aldrich, xuất xứ Hoa Kì. PNH ES sang PANI-LB.
Hình 2. 6Dung dịch phenylhydrazine
Sartorius, xuất xứ: Thụy Sĩ.
cân: 6 kg. ồn điện: 220 V, 50/60 Hz.
ợng riêng D ≈ ợc đóng gói trong chai thủy tinh khối lượng 50 g PNH được dùng
f) Máy khuấy từ
Cung cấp bởi VELP Scientifica xuất xứ từ Italy, đ trộn PANI trong các dung môi
- Tốc độ điều khiển tối đa - Thể tích khuấy tối đa ( - Công suất: 15W.
- Nguồn điện sử dụng: 220
g) Tủ sấy chân không
Hãng sản xuất: Taisite (Trung Quốc) - Thể tích buồng sấy: 24 lít
- Nhiệt độ sấy: từ nhiệt độ ph - Áp suất chân không: <133
Hình 2. 7 Cân điện tử
ấp bởi VELP Scientifica xuất xứ từ Italy, được dùng trong quá trình khu các dung môi. Các thông số máy được cho ở bên dưới:
ốc độ điều khiển tối đa: 1.200vòng/phút. ấy tối đa (đối với nước): 25 lít. ồn điện sử dụng: 220-240V/50 Hz.
Hình 2. 8 Máy khuấy từ
ủ sấy chân không
ản xuất: Taisite (Trung Quốc) 24 lít
ệt độ phòng đến 3000C ất chân không: <133 Pa
ùng trong quá trình khuấy ới:
h) Micropipette
Trong quá trình phủ m
micropipettes với độ chính xác rất cao v
μl.Micropipettes được sản xuất bởi Hirschmann Laborgerate, xuất xứ Đức.
Hình 2.
i) Bộ lọc Bộ lọc gồm:
- Phễu lọc: kích thước lỗ 16 - Bình đựng dung dịch lọc, - Bơm hút chân không.
Hình 2. 11B
j) Hệ sục khí Ôxy Hệ sục khí ôxy bao gồm:
- Nhà sản xuất: Air Liquide, xuất xứ Singapore.
a)
Hình 2. 9Tủ sấy chân không
ủ màng các điện cực dụng cụ thí nghiệm cần sử dụng l ới độ chính xác rất cao và thể tích của nó là từ 1-10 μl ho
ợc sản xuất bởi Hirschmann Laborgerate, xuất xứ Đức.
Hình 2. 10Micropipettes loại 10 μl và 1.000 μl
ớc lỗ 16 μm.
ựng dung dịch lọc, có thể thay đổi tùy thể tích của dung dịch lọc. Bơm hút chân không.
Bộ lọc: a) Dụng cụ lọc, b) Bơm chân không
ệ sục khí ôxy bao gồm: bình khí ôxy với độ tinh khiết 99,99%. ất: Air Liquide, xuất xứ Singapore.
a) b)
ụ thí nghiệm cần sử dụng là l hoặc 100-1000 ợc sản xuất bởi Hirschmann Laborgerate, xuất xứ Đức.
- Áp suất thử thủy lực 250 bar, áp suất sử dụng 150 bar. - Valve QF-2C có kèm nắp chụp bảo vệ van.
- Thể tích khí: 6m3.
- Đồng hồ điều áp: điều chỉnh áp suất khi sục khí vào dung dịch.
Hình 2. 12 Hệ sục khí ôxy
2.3 Quy trình thí nghiệm
Quy trình thực hiện các thí nghiệm được mô tả trong Hình 2.13.
Hình 2. 13Quy trình thực nghiệmchế tạo cảm biến đo nồng độ ôxy hòa tan
2.3.1Chế tạo điện cực
con chip với kích thước chip 3mm x 9 mm và 2 bản điện cực cách nhau 3 mm. Quy trình chế tạo điện cực như hình 2.14.
Bảng 2. 1Bảng thông số của wafer thương mạiOkmetic, Phần Lan sử dụng chế tạo điện cực
Các thông số của wafer
Đường kính 100 ± 0,5 mm
Loại wafer N/Silic (100)
Bề dày wafer 525± 10µm
Điện trở bề mặt 5-10 cm
Hình 2. 14Quy trình chế tạo điện cực
Các bước chế tạo điện cực:
Bước 1: Làm sạch và khô bề mặt đế Si/SiO2[23].
Bảng 2. 2Các hóa chất sử dụng làm sạch đế
Hóa chất Công thức Khối lượng
phân tử (g/mol)
Khối lượng riêng (kg/l) Ethanol C2H5OH 46,07 0,789 Isopropanol (CH3)2CHOH 60,10 0,786 Acetone (CH3)2CO 50,08 0,792 Axit sunfuric H2SO4 98,08 1,840 Hydrogen peroxide H2O2 34,01 1,463
- Ngâm đế vào dung dịch Piranha là hỗn hợp của acid sulfuric H2SO4 (98%) và peroxide H2O2 (30%) với tỷ lệ thể tích 3:1. Đế Si được ngâm trong dung dịch piranha trong 15 phút để loại bỏ các chất hữu cơ bám trên bề mặt wafer.
- Rửa bằng rung với acetone trong vòng 15 phút để đảm bảo không còn chất hữu cơ nào bám trên bề mặt đế.
- Acetone có tốc độ bay hơi trong không khí rất nhanh và để lại những vết dơ của các chất hữu cơ trên bề mặt. Do đó, sau khi đánh siêu âm với acetone phải tráng mẫu với IPA (Isopropanol) ngay lập tức và thổi khô bằng súng thổi Nitơ cao áp.
- Sau đó, đế được đem quay khô để loại bỏ lượng IPA còn lại trên bề mặt. Với việc sử dụng các máy quay ly tâm với tốc độ từ 800-1.000 vòng/phút hoặc lớn hơn, đây là cách nhanh nhất để làm khô các wafer.
- Rung siêu âm bằng dung môi ethanol trong vòng 10 phút ở 40°C để loại bỏ lớp bụi trên bề mặt.
- Rửa sạch lại bằng nước khử ion và sấy khô.
Bước 2: Phủ lớp tăng cường độ bám dính (primer).
Trong bước này nhỏ khoảng 8 đến 10 giọt chất bám dính hexamethyldisilazane (HMDS) lên bề mặt đế, đế được quay trên máy quay li tâm trong môi trường chân
không.
Bảng 2. 3 Thông số kĩ thuật quay phủ HMDS
Bước Tốc độ quay phủ (vòng/phút) Số lần gia tốc Thời gian(s)
1 500 5 10
2 3.000 5 30
Bước 3: Phủ lớp cảm quang bằng phương pháp quay li tâm.
Chất cảm quang sử dụng trong bước này là loại cảm quang dương “ma –P 1210”
Bảng 2. 4 Thông số kĩ thuật trong quay phủ chất cảm quang
Bước Tốc độ quay phủ (vòng/phút) Số lần gia tốc Thời gian (s)
1 500 5 10
2 3.000 5 30
Bước 4: Sấy sơ bộ (solf bake).
Nung mẫu trong lò nung ở 100°C trong 60s để làm bay hơi một phần dung môi trong chất cảm quang, khi đó độ dày lớp photoresist sẽ giảm và ổn định hơn, độ kết dính của photoresist với đế cũng tăng, đồng thời lớp cảm quang không còn dính ướt như vậy sẽ hạn chế được tạp chất bám lên lớp photoresist trong các quá trình sau đó.
Bước 5: Quá trình phơi sáng (exposure).
Sử dụng thiết bị Mask Aligner Karl Suss MJB-4 để chuyển hình ảnh trên mặt nạ sang đế. Chế độ phơi sáng là hard contact, mật độ phơi sáng là 36 mJ/cm2, thời gian chiếu sáng là 0,8 s.Nung mẫu trên bếp nung với nhiệt độ 100°C trong khoảng thời gian 15 đến 30 phút. Để nguội hoàn toàn trước khi tráng rửa.
Hình 2. 15Thiết bị Mask Aligner. Bước 6: Quá trình tráng rửa. Bước 6: Quá trình tráng rửa.
Sau khi phơi sáng, đế được ngâm rửa trong dung dịch thuốc hiện ảnh ma-D331, thời gian ngâm đế trong thuốc hiện là khoảng 30 giây. Sau đó rửa sạch đế bằng nước