CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.3. ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
3.3.3. Tính chất của điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
3.3.3.1. Tính chất điện hóa
Tiến hành qt CV trong dung dịch chứa K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM và KCl 0,1 M từ -0,3–0,5 V, tốc độ quét 100 mV/s. Các điện cực làm việc lần lượt là Gr/GCE, OPPy-MIP/Gr/GCE và AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE. Tín hiệu CV thu được có hình dáng đặc trưng tùy theo bản chất điện cực làm việc mà cường độ và khoảng cách hai đỉnh píc oxi hóa và píc khử có sự khác biệt. Hình 3.52 cho thấy khi được phủ các lớp vật liệu biến tính có tính chất điện hoạt cao thì cường độ dịng đáp ứng lớn hơn. Điện cực Gr/GCE cho tín hiệu cường độ dịng lớn nhất. Khi được biến tính tiếp bằng lớp polipyrol q oxi hóa thu được điện cực OPPy-MIP/Gr/GCE, cường độ dịng tín hiệu giảm. Sự xuất hiện của các hạt nano vàng làm cho cường độ tín hiệu trên điện cực AuNPs/ OPPy- MIP/Gr/GCE được cải thiện rõ rệt. Tính chất oxi hóa khử của cặp chất oxi hóa khử thuận nghịch được đảm bảo nhờ sự có mặt của các hạt nano vàng. Như vậy, điện cực biến tính thu được AuNPs/ OPPy-MIP/Gr/GCE có tính chất điện hoạt cao để ứng dụng phân tích.
Hình 3.52. Tín hiệu CV khi quét trong dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 nồng
3.3.3.2. Tính chất oxi hóa khử thuận nghịch của DA
Tính chất oxi hóa khử điện hóa của DA trên điện cực AuNPs/OPPy- MIP/Gr/GCE được khảo sát bằng cách đo CV khoảng thế từ -0,2–0,4 V với tốc độ quét ʋ từ 20 đến 125 mV/s. Hình 3.53 cho thấy cường độ tín hiệu dịng anot và catot đều có quan hệ tuyến tính với căn bậc hai tốc độ qt thế (ʋ1/2).
Hình 3.53. Tín hiệu CV (hình A) và quan hệ tuyến tính (hình B) giữa cường
độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với tốc độ quét thế ʋ (mV/s). Môi trường đo dung dịch đệm PBS 0,1 M pH 7, DA 5×10-5M
Bảng 3.20 là cường độ tín hiệu và vị trí điện thế khi sử dụng điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE đo CV dung dịch chứa PBS 0,1 M pH 7 chứa DA 5×10-5 M với tốc độ quét thế thay đổi.
Bảng 3.20. Thế oxi hóa khử và cường độ tín hiệu của điện cực AuNPs/OPPy-
MIP/Gr/GCE trong PBS 0,1 M pH 7 chứa DA 5×10-5 M theo tốc độ quét thế
STT ʋ (mV/s) Epa (mV) Ipa (µA) Epc (mV) Ipc (µA)
1. 20 102 1,87 60 -1,57 2. 40 102 3,23 60 -3,07 3. 60 102 4,53 60 -4,37 4. 80 102 5,13 60 -5,17 5. 100 112 6,81 62 -6,77 6. 125 112 8,17 62 -8,06
Phương trình hồi quy tuyến tính lần lượt là Ipa (µA) = -2,544 + 0,925×ʋ1/2, hệ số tương quan R = 0,9886 và Ipc (àA) = 2,954-0,961ì 1/2; h s tng quan
R = 0,9933. Theo phương trình Randles-Sevcik, q trình điện hóa xảy ra trong mơi trường dung dịch đo là q trình khuyếch tán thuận nghịch.
3.3.3.3. Diện tích bề mặt điện hoạt
Bằng phương pháp biến tính điện cực GCE, diện tích bề mặt điện hoạt của cảm biến tăng lên. Để ước tính diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực, tiến hành quét CV dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM trong KCl 0,1 M với tốc độ quét thế khác nhau. Theo phương trình Randles-Sevcik, cường độ píc tín hiệu dịng tỷ lệ căn bậc hai của tốc độ quét thế [17, 138]:
𝐼𝑝 = 2,69 × 105× 𝐴 × 𝐷1/2𝑛3/2× ʋ1/2 × 𝐶 (3.1)
Trong đó, A là diện tích bề mặt điện cực (cm2), D hệ số khuyếch (cm2s-1), C nồng độ (mol/cm3), ʋ tốc độ quét thế (V/s), Ip là cường độ dòng (ampe).
Sử dụng các điện cực biến tính để đo CV dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 nồng độ 5 mM trong KCl 0,1 M với tốc độ quét thế thay đổi. Đường tuyến tính I–ʋ1/2 biểu diễn quan hệ cường độ píc anot với căn bậc hai của tốc độ quét thế. Tính diện tích bề mặt điện hoạt của điện cực làm việc thông qua hệ số góc K của đường I–ʋ1/2 theo cơng thức:
𝐾 = 2,69 × 105× 𝐴 × 𝐷1/2 × 𝑛3/2× 𝐶 (3.2)
𝐴 = 𝐾
2,69×105×𝐷1/2×𝑛3/2×𝐶 ( 3.3)
Thay các giá trị hằng số D = 7,60×10-6 cm2s-1; C= 5 mM = 5×10-6 mol/cm3; số electron n = 1 và hệ số góc K của đường I–ʋ1/2 tương ứng với mỗi điện cực (hình 3.54 và 3.55) vào phương trình (3.3) thu được kết quả diện tích bề mặt điện hoạt (A) của các điện cực OPPy-MIP/Gr/GCE, AuNPs/OPPy- MIP/Gr/GCE tương ứng là 13,5 mm2 và18,9 mm2. Nghĩa là sau khi được biến tính diện tích bề mặt điện hoạt tăng lên. Hạt vàng nano giúp tăng diện tích điện hoạt của bề mặt điện cực là cơ sở giải thích cho sự tăng độ nhạy của cảm biến. So sánh giữa điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE và điện cực OPPy-
MIP/Gr/GCE cho thấy nhờ có hạt nano vàng, q trình khuyếch tán của phân tử DA thuận lợi hơn. Hệ số khuyếch tán khi có mặt hạt nano vàng lớn hơn khi khơng có đã giúp cho q trình oxi hóa khử của DA trên bề mặt điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE thuận nghịch hơn.
Hình 3.54. Tín hiệu quét CV (A) và đường biểu diễn Ipa–ʋ1/2 (B) khi đo dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM trong KCl 0,1 M với điện cực làm việc OPPy-MIP/Gr/GCE
Bảng 3.21. Cường độ tín hiệu (Ipa) khi quét CV với tốc độ quét (ʋ) thay đổi
dung dịch K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 5 mM trong KCl 0,1 M, điện cực làm việc OPPy-MIP/Gr/GCE STT ʋ (mV/s) ʋ1/2 (V1/2/s1/2) Ipa (A) 1. 10 0,100 3,45×10-5 2. 20 0,141 6,08×10-5 3. 30 0,173 7,89×10-5 4. 50 0,224 1,05×10-4 5. 70 0,265 1,23×10-4 6. 100 0,316 1,46×10-4 7. 120 0,346 1,58×10-4 8. 150 0,387 1,77×10-4 9. 180 0,424 1,92×10-4 10. 200 0,447 2,00×10-4 11. 250 0,500 2,15×10-4
Hình 3.55. Tín hiệu qt CV (A) và đường biểu diễn I–ʋ1/2 (B) khi đo dung dịch Fe(CN)64-/3- 5 mM trong KCl 0,1 M với điện cực làm việc AuNPs/OPPy- MIP/Gr/GCE
Bảng 3.22. Cường độ tín hiệu (Ipa) khi quét CV với tốc độ quét (ʋ) thay đổi
dung dịch Fe(CN)64-/3- 5 mM trong KCl 0,1 M sử dụng điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE STT ʋ (mV/s) ʋ1/2 (V1/2/s1/2) Ipa (A) 1. 10 0,100 1,85×10-5 2. 20 0,141 3,55×10-5 3. 30 0,173 5,65×10-5 4. 50 0,224 8,02×10-5 5. 70 0,265 1,12×10-4 6. 100 0,316 1,39×10-4 7. 120 0,346 1,59×10-4 8. 150 0,387 2,01×10-4 9. 180 0,424 2,15×10-4 10. 200 0,447 2,45×10-4 11. 250 0,500 2,71×10-4 3.3.3.4. Hằng số khuyếch tán
Phương pháp đo dòng theo thời gian (chronoamperometry) ở điện thế không đổi với nồng độ khác nhau của DA được áp dụng để khảo sát quá trình
khuyếch tán trên bề mặt điện cực. Hình 3.56 là tín hiệu chronoampe khi sử dụng điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE để đo dung dịch DA nồng độ lần lượt 5,93×10-9 mol/cm3; 3,36×10-8 mol/cm3; 6,60×10-8 mol/cm3; 1,07×10-7 mol/cm3
mơi trường đo là đệm PBS 0,1 M pH 7. Khi chuyển đồ thị sang dạng đồ thị quan hệ I – t-1/2 thu được đồ thị Cottrell như hình 3.57.
Hình 3.56. Đường chronoampe ở thế 100 mV nồng độ DA thay đổi , điện cực
AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE nồng độ khác nhau trong đệm PBS 0,1 M, pH 7
Hình 3.57. Đường I-t-1/2 (đường Cottrell) khi đo dung dịch DA với điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE nồng độ khác nhau trong đệm PBS 0,1 M, pH 7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 -2.0x10-7 0.0 2.0x10-7 4.0x10-7 6.0x10-7 8.0x10-7 1.0x10-6 1.2x10-6 1.4x10-6 1.6x10-6 1.8x10-6 I / A t-1/2 / s-1/2 B I = 5.699*10-9 + 1.41*10-7*t1/2; R = 0.825 C I = 9.973*10-8 + 8.0*10-7*t1/2; R = 0.780 D I = 1.905*10-7 + 1.13*10-6*t1/2; R = 0.844 E I = 2.635*10-7 + 2.35*10-7*t1/2; R = 0.958
Với chất điện hoạt là DA, hệ số khuyếch tán ký hiệu là D, trong điều kiện thực nghiệm xác định, cường độ dịng đo được tn theo phương trình Cottrell như sau [6]:
𝑖 = 𝑛𝐹𝐴𝐶𝐷1/2𝜋−1/2𝑡−1/2 (3.4)
Trong đó, n là số electron trao đổi của phản ứng điện cực; F là hằng số Faraday (96500 C/mol); A là diện tích bề mặt điện cực (cm2); D là hệ số khuyếch tán (cm2s-1); C là nồng độ (mol/cm3).
Bảng 3.23 là hệ số góc k của các đường I–t-1/2 tương ứng với từng nồng độ C của DA. Đồ thị quan hệ k theo C như hình 3.58.
Bảng 3.23. Hệ số góc k tương ứng nồng độ DA
C (mol/cm3) 5,93×10-9 3,36×10-8 6,60×10-8 1,07×10-7 k 0,14×10-7 0,8×10-6 1,13×10-6 2,35×10-6
Hình 3.58. Đường biểu diễn tuyến tính giữa độ dốc (k) của đường I-t1/2 với nồng độ DA, điện cực làm việc là AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
Từ phương trình Cotrell (3.4) rút ra phương trình mối quan hệ k theo C:
𝑘 = 𝑛𝐹𝐴𝐶𝐷1/2𝜋−1/2 (3.5)
Nghĩa là k tuyến tính theo C với hệ số góc a = nFAD1/2π-1/2. Từ cơng thức này tính D như sau:
0.0 2.0x10-8 4.0x10-86.0x10-88.0x10-8 1.0x10-71.2x10-7 0.0 5.0x10-7 1.0x10-6 1.5x10-6 2.0x10-6 2.5x10-6 k=-7,097*10-9+20,935*C R = 0.9833 k C (mol/cm3)
𝐷 = 𝑎2
(𝑛𝐹𝐴)2𝜋 (3.6)
Thay số, đường k–C (hình 3.58) có hệ số góc a = 20,935; Điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE diện tích bề mặt điện hoạt là A= 0,189 cm2; n = 2; F = 96500 C/mol. Hằng số khuyếch tán tính được là D = 1,03×10-6 cm2/s. Giá trị này là hợp lý vì trong mơi trường dung dịch nước D thường trong khoảng giữa 10−5 và 10−6 cm2/s [6, 138].
3.3.4. Các đặc trưng phân tích của điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE 3.3.4.1. Khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện và độ nhạy
Hình 3.59 và bảng 3.24 là tín hiệu và số liệu thu được khi tiến hành đo dung dịch DA nồng độ khác nhau bằng điện cực AuNP/OPPy/Gr/GCE và đường chuẩn tương ứng.
Hình 3.59. Tín hiệu DPV (hình A) dung dịch DA trong mơi trường đệm PBS
0,1 M với pH 7 điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE và đường chuẩn tương ứng (hình B)
Bảng 3.24. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 7 điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
STT 1 2 3 4 5 6
CDA (µM) 0,54 1,08 1,61 2,66 4,7 8
Phương trình hồi quy tuyến tính I (µA) = -0,16 + 1,76ìCDA (àM), hng s tng quan R = 0,990, khoảng tuyến tính từ 0,5–8 µM.
Giới hạn phát hiện của phương pháp được tiến hành bằng cách đo lặp lại 8 lần (k-1 = 7) dung dịch DA nồng độ 0,5 μM. Độ lệch chuẩn của cường độ tín hiệu S = 0,025. Độ nhạy r = 1,76 µA/µM. Giới hạn phát hiện (LOD) tính theo công thức 2.1 được LOD = 0,1 μM, LOQ = 3×LOD = 0,3 μM.
3.3.4.2. Độ chọn lọc
Trong môi trường đo pH 7 đệm PBS 0,1 M và có mặt đồng thời axit ascobic và axit uric ở nồng độ cao, điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE chọn lọc cao đối với DA. Trong khi sự có mặt của AA khơng cho pic tín hiệu thì tín hiệu của UA khơng thay đổi mặc dù nồng độ cao gấp nhiều lần so với nồng độ DA. Hình 3.60 là tín hiệu đo DA khi có sự có mặt AA, UA. Như vậy, AA hồn tồn khơng đáp ứng, tín hiệu UA tách khỏi tín hiệu của DA và khơng ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu DA. Nghĩa là, điện cực biến tính AuNPs/OPPy- MIP/Gr/GCE đã loại bỏ được ảnh hưởng của cả AA và UA.
Hình 3.60. Tín hiệu DPV (hình A) và đường chuẩn tuyến tính cường độ tín
hiệu với nồng độ DA (hình B) khi đo dung dịch đệm PBS 0,1 M, pH 7, chứa DA, AA và UA với điện cực làm việc AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
3.3.4.3. Độ ổn định và lặp lại của tín hiệu
Độ ổn định và lặp lại của tín hiệu điện cực sau q trình sử dụng phân tích DA được khảo sát bằng cách đo DA lặp lại ở nhiều nồng độ khác nhau.
Bảng 3.25. Độ lặp lại khi đo DA bằng điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
STT Thơng số I (µA) I (µA) I (µA) I (µA) I (µA) I (µA)
1. Lần đo 1 0,68 0,96 4,20 8,70 9,85 14,65 2. Lần đo 2 0,62 0,79 3,56 8,70 10,25 13,15 3. Lần đo 3 0,54 0,92 3,76 8,52 10,75 13,50 4. Lần đo 4 0,57 1,00 3,59 8,70 10,50 13,35 5. Lần đo 5 0,59 0,85 3,71 8,76 10,05 13,10 6. Lần đo 6 0,60 0,92 4,31 8,28 10,05 13,35 7. Lần đo 7 0,62 0,87 4,16 8,52 10,85 13,10 8. Trung bình 0,60 0,90 3,90 8,60 10,33 13,46 9. Độ lệch chuẩn (SD) 0,04 0,07 0,29 0,16 0,35 0,51 10. Độ lệch chuẩn tương đối (%) 6,8 7,5 7,5 1,8 3,4 3,8 11. DA (µM) 0,54 1,07 2,62 4,77 6,85 9,38
Trong quá trình đo áp dụng biện pháp làm sạch và hoạt hóa (mục 3.2.4.5) vị trí điện thế píc tín hiệu khơng thay đổi và cường độ tín hiệu thay đổi không quá 15 % khi đo DA trong cùng điều kiện phân tích.
Hình 3.61. Độ ổn định tín hiệu sau nhiều lần đo ở nhiều nồng độ DA của điện
cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 I ( ) DA ()
3.3.4.4. Các chất ảnh hưởng
Các chất gây ảnh hưởng với nồng cao được thêm vào dung dịch DA nồng độ 10 µM trong mơi trường đo với dung dịch đệm PBS 0,1 M pH 7.
Bảng 3.26. Số liệu về sự thay đổi cường độ tín hiệu DPV của DA 10 µM khi
trong dung dịch đo xuất hiện các chất khác với nồng độ cao gấp n lần
STT DA và chất ảnh hưởng E (mV) I (µA) n (lần) Sai khác tuyệt đối (µA) Sai khác tương đối (%) 1 DA 68 8,06 - 0,000 0,00 2 DA+CaCl2 68 7,56 400 0,500 6,20 3 DA+Citric 68 8,56 400 0,500 6,20 4 DA+NaCl 68 8,16 400 0,100 1,24 5 DA+NH4NO3 68 7,82 400 0,240 2,98 6 DA+MgCl2 68 8,11 400 0,050 0,62 7 DA+NaNO3 68 8,00 400 0,060 0,74 8 DA+Tinh bột (Starch) 68 8,46 400 0,400 4,96 9 DA+Gluco 68 7,96 400 0,100 1,24 10 DA+Axit ascobic 68 8,66 1000 0,600 7,44 11 DA+Axit Uric 68 8,86 500 0,800 9,93 12 DA+Ure 68 8,06 400 0,000 0,00 13 DA+Metabisulfit 68 8,46 400 0,400 4,96
Hình 3.62. Cường độ tín hiệu DPV của dopamin trong sự có mặt của các chất
ảnh hưởng với nồng độ cao
DA DA+CaCl2 DA+Citric DA+NaCl DA+NH4NO3 DA+MgCl2 DA+NaNO3 DA+Starch DA+Gluco DA+Axit ascobic DA+Axit Uric DA+Ure DA+metabisulfit 0 2 4 I / A 6 8 10
Vị trí píc điện thế oxi hóa DA và cường độ dịng tín hiệu được xác định và so sánh với tín hiệu của riêng DA. Kết quả, vị trí píc và cường độ tín hiệu có sự thay đổi khơng q 10 % mặc dù các chất ảnh hưởng có nồng độ cao gấp n = 400 đến 1000 lần so với DA = 10 µM. Hình 3.62 biểu diễn cường độ píc tín hiệu DA khi trong dung dịch đổng thời tồn tại chất tương ứng với nồng độ cao gấp hàng trăm lần.