CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.3. ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE
3.3.2. Tổng hợp và khảo sát các lớp vật liệu biến tính
Sau khi điện cực GCE được phủ một lớp graphen, lớp màng polipyrrol in dấu phân tử dopamin (PPy-MIP) được tổng hợp lên bề mặt Gr/GCE bằng cách quét CV 5 vòng với tốc độ quét 10 mV/s từ 0 đến 0,8 V trong dung dịch nước chứa dopamin 10 mM, pyrol 10 mM và KCl 0,1 M đóng vai trị chất điện ly. Hình 3.40 so sánh tín hiệu điện hóa von-ampe vịng trong q trình tổng hợp lớp polipyrol từ dung dịch chứa dopamin và không chứa dopamin.
Hình 3.40. Tín hiệu điện hóa q trình tổng hợp lớp polipyrol khơng chứa phân tử dopamin (A) và polipyrol có chứa phân tử dopamin (B)
Hình 3.41. Hình minh họa tương tác giữa phân tử dopamin trong polipyrol in
dấu phân tử dopamin
Hình 3.40 A là tín hiệu CV khi dung dịch tổng hợp chỉ chứa pyrol 10 mM và KCl 0,1 M, khơng có DA. Hình 3.40 B là tín hiệu CV khi dung dịch chứa
N H H N n n O O N H N H H N H N H HN H n
DA 10 mM, pyrol 10 mM và KCl 0,1 M. Tín hiệu như hình 3.40 A là tín hiệu đặc trưng của q trình tổng hợp điện hóa polipyrol từ dung dịch nước chứa monome pyrol và chất điện ly KCl bằng phương pháp CV. Q trình tổng hợp polipyrol với píc oxi hóa ở thế cao tương ứng với q trình oxi hóa pyrol thành gốc cation để các gốc này ghép cặp tạo thành lớp polime dẫn điện trên bề mặt điện cực làm việc. Hình 3.40 B là tín hiệu CV khi dung dịch tổng hợp có chứa DA, vịng qt CV đầu tiên có xuất hiện píc oxi hóa ở thế 330 mV tương ứng với sự oxi hóa của DA. Tính chất của DA là dễ dàng bị oxi hóa cho đi 2 electron và 2 proton do chuyển đổi bán thuận nghịch giữa dopamin và dopamin-o- quinon, quá trình này đã xảy ra trước cả q trình oxi hóa pyrol. Tuy nhiên, do có sự tương tác bởi các liên kết hidro giữa phân tử DA và cấu trúc polipyrol (như hình 3.41) nên phân tử DA đã bị “khóa” vào cấu trúc polipyrol trong quá trình tổng hợp. Từ vịng qt CV thứ hai trở đi píc oxi hóa khử của DA khơng cịn xuất hiện nữa chứng tỏ khi lớp màng polipyrol hình thành đã giữ phân tử DA trong cấu trúc và ngăn cản q trình oxi hóa khử của DA. Kết quả của q trình tổng hợp là thu được lớp màng polipyrol chứa phân tử DA trong cấu trúc (PPy(DA)). Trong đó, phân tử DA tương tác với cấu trúc polipyrol bởi các liên kết hidro. Sau khi được tổng hợp trên bề mặt điện cực Gr/GCE, lớp màng PPy(DA) có chứa phân tử DA trong cấu trúc mạng được luyện trong cồn 95 % nhằm loại bỏ DA để trở thành lớp màng PPy-MIP in dấu phân tử có tính ái lực chọn lọc với DA.
Để đánh giá tác dụng của chiều dày lớp màng PPy(DA), tiến hành tổng hợp PPy(DA) từ dung dịch DA 10 mM, pyrol 10 mM và KCl 0,1 M với số vòng quét CV khác nhau từ 2 đến 5 vòng. Sau khi luyện trong cồn 95 % trong 1 giờ để loại DA, tiến hành đo đáp ứng DPV dung dịch DA trong đệm PBS 0,1 M pH 7. Kết quả cho thấy điện cực phủ màng PPy-MIP có độ nhạy phụ thuộc vào số vịng qt, chính là phụ thuộc độ dày lớp màng (xem hình 3.42 và hình 3.43).
Nếu số vịng qt CV nhỏ, chiều dày lớp màng quá mỏng sẽ không bền vững, số lượng phân tử DA được gắn vào ít dẫn đến khả năng chọn lọc kém sau này. Nhưng nếu tăng số vòng quét CV, màng PPy quá dày số lượng phân tử DA in dấu khó kiểm sốt và khó khăn trong việc chiết loại DA do phân tử DA được lưu giữ sâu trong cấu trúc mạng polipyrol.
Hình 3.42. Ảnh hưởng của số vòng quét CV (n) trong quá trình tổng hợp PPy(DA) đến độ nhạy với DA
Kết quả khảo sát như biểu diễn trên các hình 3.42 và 3.43 cho thấy độ nhạy S (µA/µM) giảm khi tăng số vòng quét CV để tổng hợp lớp màng PPy-MIP. Vì vậy, để tối ưu về độ ổn định cấu trúc với độ nhạy, trong quy trình chế tạo điện cực số vòng quét CV tổng hợp PPy (DA) được lựa chọn là 3 vịng.
Q trình q oxi hóa PPy-MIP thành OPPy-MIP được thực hiện bằng phương pháp quét CV 10 vòng, khoảng điện thế 0–1 V, trong dung dịch KOH 0,5 M và tốc độ quét 10 mV/s. Hình 3.44 là tín hiệu CV và cơ chế phản ứng của q trình q oxi hóa. Vịng qt CV đầu tiên xuất hiện píc tín hiệu oxi hóa có chân rất rộng tương ứng với q trình oxi hóa của lớp poliprol khi cịn nhiều các trung tâm điện hoạt. Từ vịng qt thứ hai trở đi tín hiệu dịng giảm tương ứng với q trình oxi hóa đã hồn tồn.
Hình 3.43. Đường chuẩn xác định DA bằng điện cực PPy-MIP/Gr/GCE với
số vòng quét CV (n) tổng hợp PPy-MIP khác nhau
Trong quá trình bị q oxi hóa, polipyrol bị giảm tính điện hoạt do OPPy là cấu trúc trung hịa điện tích để hình thành các nhóm chức cacbonyl hoặc
cacboxyl. Các nhóm chức chứa oxi này trong mạng cấu trúc nên lớp màng polipyrol có tính chất ái lực với cation. Vì vậy, lớp màng polipyrol q oxi hóa có khả năng chọn lọc cation [59, 145]. Tính chất ái lực với cation kết hợp với tính chất chọn lọc do trong cấu trúc mạng polime có các “dấu phân tử” DA đã hình thành từ trước làm cho lớp màng OPPy-MIP chọn lọc đặc biệt với DA.
Hình 3.44. Tín hiệu CV và cơ chế phản ứng của q trình q oxi hóa PPy-
MIP thành OPPy-MIP
Polipyrol khi bị quá oxi hóa ở điện thế dương trở thành lớp màng có những tính chất chọn lọc phân tử nhưng cũng đồng thời bị giảm độ dẫn và giảm tính chất điện hoạt [97]. Hình 3.45 là hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) so sánh lớp màng polipyrol trước và sau khi bị quá oxi hóa (giữa PPy-MIP và OPPy- MIP). Do phép đo SEM có bản chất phụ thuộc tương tác giữa chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu nên tính chất dẫn điện của mẫu quyết định hình ảnh thu được. Khi độ dẫn và tính chất điện hoạt bị giảm, hình ảnh hiển vi điện tử khơng cịn sắc nét so với trạng thái khơng bị q oxi hóa.
Hình 3.45. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của bề mặt điện cực ITO phủ lớp
màng polipyrol chưa quá oxi hóa (PPy-MIP) và đã bị quá oxi hóa (OPPy-MIP) Như vậy, lớp màng polipyrol in dấu phân tử được quá oxi hóa (OPPy- MIP) có ưu thế về khả năng chọn lọc phân tử DA nhưng lại hạn chế về độ dẫn. Để khắc phục điều này, tiến hành tổng hợp điện hóa hạt nano vàng (AuNPs)
lên bề mặt điện cực OPPy-MIP/Gr/GCE để thành AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE. Các hạt nano vàng được tổng hợp lên trên bề mặt điện cực làm việc từ dung dịch chứa HAuCl4 2,5 mM và KNO3 0,1 M bằng phương pháp CV trong khoảng thế từ -0,5–1,2 V với tốc độ quét 50 mV/s. Tín hiệu q trình tổng hợp hạt nano vàng lên lớp OPPy như hình 3.46.
Hình 3.46. Píc tín hiệu điện hóa của q trình khử tổng hợp AuNPs
Píc tín hiệu tại vị trí Epa ~0,3 V tương ứng phản ứng hình thành AuNPs từ các ion vàng trên bề mặt điện cực. Lượng AuNPs được tổng hợp phụ thuộc số vòng quét CV trong dung dịch HAuCl4. Số lượng AuNPs lớn có khả năng giúp tăng độ nhạy của điện cực. Để khảo sát số vòng quét CV tổng hợp AuNPs, tiến hành tăng dần số vòng quét từ 5 vịng (tín hiệu bắt đầu ổn định) đến 12 vịng. Sau khi chế tạo, tiến hành đo đáp ứng của DA với điện cực AuNPs/OPPy- MIP/Gr/GCE.
Hình 3.47 là các đường chuẩn xác định DA với điện cực được chế tạo bởi số vòng quét CV tổng hợp AuNPs khác nhau. Kết quả cho thấy độ nhạy đạt được tối đa khi số vòng quét trên 10 vòng. Khi quét trên 10 vòng độ nhạy đi ngang như biểu diễn ở hình 3.48. Vì vậy, 10 vịng qt CV là lựa chọn để chế tạo các điện cực AuNPs/OPPy-MIP/Gr/GCE.
Hình 3.47. Đường chuẩn xác định DA bằng điện cực AuNPs/PPy- MIP/Gr/GCE với số vòng quét CV (n) tổng hợp AuNPs khác nhau
Hình 3.48. Ảnh hưởng của số vòng quét CV (n) trong quá trình tổng hợp
AuNPs đến độ nhạy với DA
Để so sánh AuNPs được tổng hợp cùng điều kiện lên bề mặt hai điện cực là điện cực ITO và OPPy-MIP/ITO. Kết quả thu được điện cực AuNPs/ITO có bề mặt phủ các hạt nano vàng với hình thái hiển vi điện tử quét (SEM) như hình 3.49. Điện cực AuNPs/OPPy-MIP/ITO có hình thái ảnh hiển vi điện tử quét như hình 3.50. AuNPs trên trực tiếp điện cực ITO có dạng những hạt nằm rải rác bề mặt điện cực với hình dáng khá “trịn trịa” với kích thước 120 – 150 nm trong khi trên điện cực phủ OPPy-MIP lại có hình hoa nhiều cánh kích thước khá đồng đều khoảng 250 nm (như hình 3.50) và gắn kết với cấu trúc polime. So sánh hình thái của hai loại điện cực có thể thấy rằng AuNPs và OPPy-MIP đã tạo lớp nanocompozit AuNPs/OPPy-MIP.
Nano compozit AuNPs/OPPy-MIP/Gr được phân tích phổ tán sắc năng lượng XPS tại các vị trí khác nhau trên bề mặt lớp màng. Tín hiệu thu được như hình 3.51 và phụ lục 1 cho thấy trên bề mặt lớp màng compozit biến tính các hạt AuNPs đã được tổng hợp và phân bố đồng đều.
Hình 3.49. Hình ảnh hiển vi điện tử của bề mặt điện cực ITO khi được tổng
Hình 3.50. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của bề mặt điện cực ITO phủ lớp
compozit OPPy-MIP/AuNPs