CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Ứng dụng điện cực trong cảm biến điện hóa
Hiện nay, ơ nhiễm môi trường đang là một vấn đề cấp bách của tồn cầu. Trong đó, các hoạt động cơng nghiệp, nơng nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải, hoạt động khai khống… là ngun nhân làm ơ nhiễm mơi trường. Trong các tác nhân gây ô nhiễm môi trường, kim loại nặng là yếu tố ngày càng được quan tâm nghiên cứu vì đây là chất độc, khơng phân hủy và có thể gây rủi ro sinh thái. Trong đó, chì được biết đến là kim loại nặng có độc tính cao, nếu tiếp xúc lâu dài thậm chí ở nồng độ thấp cũng có thể gây tổn thương hệ thần kinh, thận và các cơ quan khác [53-54]. Do đó, việc phát hiện và xác định nồng độ ion Pb(II) là vô cùng cấp bách và thực sự cần thiết.
16 Để phát hiện ion Pb(II), có thể kể đến một số phương pháp, chẳng hạn như: phương pháp đo phổ huỳnh quang nguyên tử (AFS), phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS), phương pháp phổ hấp thu nguyên tử(AAS), phương pháp điện hóa... [55-58]. Trong đó, phương pháp điện hóa đã được áp dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm như đơn giản, chi phí tương đối thấp, độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt [59]. Trong số các phương pháp điện hóa, phương pháp Von-Ampe hòa tan anot đã được sử dụng rộng rãi để xác định các ion kim loại nặng. Trong phương pháp này, q trình phân tích gồm hai giai đoạn:
• Giai đoạn làm giàu: chất phân tích được tập trung tích lũy lên trên bề mặt của điện cực làm việc.
• Giai đoạn hịa tan: hịa tan chất phân tích khỏi bề mặt điện cực làm việc đồng thời ghi tín hiệu hịa tan bằng một kỹ thuật Von-Ampe.
Trong nghiên cứu này, kỹ thuật đo vơn ampe hịa tan sóng vng (SWASV) được sử dụng để xác định các ion Pb(II). Trong hệ thống cảm biến điện hóa, điện cực làm việc giữ vai trị quan trọng trong việc xác định chất phân tích. Nhìn chung, các vật liệu điện cực được nghiên cứu là vật liệu tổ hợp của nhiều vật liệu với các đặc tính khác nhau, bao gồm vật liệu có độ dẫn tốt để tăng cường quá trình vận chuyển điện tử, những chất có các nhóm chức bề mặt để tăng cường khả năng liên kết với kim loại hoặc khả năng chọn lọc đối với một số kim loại cụ thể.
1.3.1. Vật liệu cacbon
Điện cực dựa trên cacbon như: cacbon thủy tinh (GC), cacbon in lưới (SP), graphen, graphen oxit, ống nano cacbon… đã được sử dụng rộng rãi để phát hiện kim loại nặng. Trong đó, các vật liệu cacbon như GC, SP thường được sử dụng là điện cực nền khi phân tích kim loại nặng. Còn các vật liệu graphen, GO, CNTs thường được kết hợp với các vật loại khác như kim loại hay polyme. Các dạng thù hình của cacbon có cấu trúc nano hình trụ như ống nano cacbon (CNTs) là một thành viên của họ cấu trúc fullerene. Việc sử dụng CNTs trong cảm biến điện hóa có nhiều ưu điểm như: diện tích bề mặt lớn, tốc độ truyền điện tử nhanh và hoạt tính xúc tác điện cao. Bên cạnh đó, graphene oxit được biết đến là vật liệu có độ bền cơ học cao, bề mặt riêng lớn và khả năng vận chuyển điện tử tốt. Sự trao đổi electron giữa GO và phân tử trong dung dịch nước xảy ra ở rìa các tấm GO. GO với diện tích bề mặt lớn đã tạo ra nhiều vị trí hoạt động điện hơn trên bề mặt, mang lại tiềm năng lớn trong việc phát triển các vật liệu cảm biến. Bên cạnh đó, GO có nhiều nhóm chức chứa oxi là hydroxyl và epoxy trên mặt phẳng cùng với cacboxyl và cacbonyl ở các cạnh, các nhóm chức này rất hiệu quả trong việc cố định các ion kim loại nặng [60-61].
17
1.3.2. Oxit kim loại và vật liệu nano kim loại
Điện cực dựa trên oxit kim loại và vật liệu nano kim loại đang thu hút được nhiều sự quan tâm bởi các tính chất: tăng cường khả năng khuếch tán giữa chất phân tích và bề mặt điện cực, hoạt tính xúc tác cao và có thể cải thiện độ chọn lọc của cảm biến. Trong đó, các oxit và vật liệu nano của các kim loại: sắt, vàng, bạc, platin… đã được sử dụng phổ biến. Vật liệu nano dựa trên kim loại vàng đã được sử dụng rộng rãi để nhận biết ion kim loại nặng bằng phương pháp điện hóa. Cụ thể, các hạt nano vàng (AuNPs) được ứng dụng để biến tính điện cực GC làm cảm biến phát hiện ion thủy ngân (II) [62]. Cảm biến điện hóa dựa trên AuNPs/GC có thể xác định ion Hg(II) với giới hạn phát hiện rất thấp là 80 pM và dải tuyến tính rộng từ 0,4 đến 4 nM. Bên cạnh vật liệu dựa trên kim loại vàng, vật liệu nano kim loại bạc cũng đang thu hút được nhiều sự quan tâm. Renedo và cộng sự đã nghiên cứu biến tính điện cực cacbon in lưới (SP) bằng các hạt nano bạc (AgNPs) để phát hiện Cr(IV) [63]. Kết quả chỉ ra rằng cảm biến điện hóa có thể phát hiện ion Cr(IV) với dải tuyến tính rộng 0,5–38,0 μM với giới hạn phát hiện thấp là 0,85 μM. Tuy nhiên, cảm biến này có độ lặp lại tương đối thấp với độ lệch chuẩn tương đối được tính tốn (RSD) là 6,7%.
Hình 1.10. Hệ thống thí nghiệm phát hiện ion Pb (II) sử dụng điện cực
AgNW/GO Điện cực so sánh: AgCl/Ag Điện cực đối: Pt wire Nguồn Dung dịch Pb2+ Điện cực làm việc: AgNW/GO
18 Trong các vật liệu nano kim loại, AgNWs được biết đến là vật liệu có độ dẫn điện tốt và có tính linh hoạt cao. Bên cạnh đó, graphene oxide là một vật liệu có nhiều tính chất độc đáo như độ bền cơ học cao, trao đổi điện tích tốt và diện tích bề mặt lớn, có hiệu quả trong việc cố định các ion kim loại nặng. GO thường được kết hợp với AgNWs để tận dụng ưu điểm của AgNWs (độ dẫn điện cao và tính linh hoạt cao) với GO (độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt lớn). Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu sử dụng điện cực AgNW/GO để phát hiện ion kim loại nặng. Vì vậy, việc ứng dụng điện cực AgNW/GO làm cảm biến phát hiện ion Pb(II) là một hướng đi mới và đầy hứa hẹn. Trong hệ thống cảm biến phát hiện ion Pb(II), điện cực tổ hợp AgNW/GO đóng vai trị là điện cực làm việc. Sơ đồ hệ thống cảm biến điện hóa sử dụng điện cực AgNW/GO được minh họa qua Hình 1.10.