CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.2. ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH NF-SWCNTs/P3MT/GCE
3.2.2. Tổng hợp compozit của Nafion với P3MT trên điện cực GCE và
khảo sát đáp ứng với DA
3.2.2.1. Tổng hợp lớp compozit NF/P3MT
Từ các kết quả đã trình bày ở phần trên về lớp P3MT trên bề mặt điện cực GCE cho thấy độ chọn lọc cần được nghiên cứu để cải thiện.
Hình 3.15. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của lớp compozit NF/P3MT
Để tăng khả năng chọn lọc của điện cực biến tính đối với DA và đồng thời tách píc tín hiệu giữa DA-AA-UA, 7 μl NF 2,5% trong cồn tuyệt đối được phủ lên bề mặt điện cực P3MT/GCE. Sau khi để khơ tự nhiên cho dung mơi giải phóng hết, hình thái bề mặt điện cực NF/P3MT/GCE khi chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) thu được như hình 3.15. Hình ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy
hai loại polime là nafion và P3MT đã tạo thành lớp vật liệu đặc biệt với hình thái phức tạp hơn so với chỉ lớp P3MT. Với cảm quan về độ xốp tốt hơn, diện tích bề mặt điện cực có thể lớn hơn kết hợp với vai trị chọn lọc của nafion có thể dự đốn tính chất chọn lọc và độ nhạy được thay đổi tích cực. Nafion là một polime đặc biệt với tính chất dẫn ion do trong phân tử có sự kết hợp các nhóm peflorovinyl ete và nhóm sulfonate ở cuối mạch trên bộ khung của tetrafloroetylen (Teflon). Proton ở các nhóm sulfonat -SO3H rất linh động di chuyển. Các hốc trống cho phép các cation di chuyển nhưng ngăn cản các anion. Vì vậy, màng nafion khơng dẫn anion hoặc điện tử. Hình ảnh SEM của lớp màng NF/P3MT được tổng hợp trên điện cực ITO (đóng vai trị thay thế điện cực GCE để thực hiện phép đo SEM) cho thấy lớp nafion hình thành trên nền lớp P3MT. Hình thái lớp P3MT ban đầu đã được nafion làm thay đổi, tính chất đặc biệt của nafion trong chọn lọc ion là cơ sở cho những hiệu quả về tính chọn lọc và độ nhạy với DA.
3.2.2.2. Khảo sát nồng độ dung dịch Nafion (NF)
Cường độ píc tín hiệu của DA phụ thuộc vào nồng độ phần trăm của NF phủ trên điện cực đã có P3MT được thể hiện trên hình 3.16.
Hình 3.16. Tín hiệu DPV và cường độ tín hiệu điện cực NF/P3MT/GCE trong
Kết quả cho thấy, ở nồng độ 0,25%, cường độ píc tín hiệu của DA đạt cao nhất và sau đó giảm dần khi tăng nồng độ của NF. Q trình này có thể được giải thích như sau: ở nồng độ NF thấp 0,25% mật độ điện tích âm của NF trên bề mặt điện cực được phân bố một cách đồng đều, khi đó DA dễ dàng khuếch tán qua màng NF, tăng lực hút DA vào bề mặt điện cực, pic tín hiệu thu được khá cao và cân đối. Với nồng độ NF cao tạo nên mật độ điện tích âm quá dày trên bề mặt điện cực làm cản trở quá trình khuếch tán DA qua màng NF, píc tín hiệu thu được thấp hơn so với NF ở nồng độ 0,25%. Tuy nhiên, NF ở nồng độ thấp, mật độ điện tích âm trên bề mặt điện cực khơng đủ lớn để loại bỏ sự ảnh hưởng của các chất như AA và UA nếu không kết hợp với các loại vật liệu khác có mật độ điện tích âm cao như SWCNTs.
3.2.2.3. Khảo sát môi trường pH
Ảnh hưởng của pH dung dịch điện li đến vị trí thế và dịng anot được thể hiện trên hình 3.17. Kết quả trên cho thấy, điện cực cho đáp ứng cao với DA ở các giá trị pH 4, 5 và 6, dòng anot của DA tăng khi pH tăng từ 2 đến 5, sau đó giảm dần khi pH tiếp tục tăng đến 8.
Hình 3.17. Ảnh hưởng của pH đến q trình oxy hố DA trên điện cực
NF/P3MT/GCE
Hình 3.18. Vị trí píc tín hiệu điện thế của DA phụ thuộc vào pH của dung dịch
đệm PBS 0,1 M
Bảng 3.7. Vị trí thế oxi hóa và cường độ tín hiệu theo pH của điện cực NF/P3MT/GCE STT pH E (mV) I (µA) 1 2 413 0,87 2 3 353 10,31 3 4 300 11,06 4 5 240 9,45 5 6 181 8,19 6 7 121 7,25 7 8 62 5,83
Thế oxy hoá của DA thay đổi tỷ lệ nghịch theo sự thay đổi của các giá trị pH khác nhau, độ dốc đạt -58 mV/pH. Vì vậy, quá trình phản ứng của DA trên điện cực biến tính có 2 electron và 2 proton được tạo ra và đây là một phản ứng thuận nghịch. Kết quả này cũng phù hợp theo lí thuyết của phương trình Nernst (-59 mV/pH) và các kết quả nghiên cứu đã từng được công bố [85, 155].
Độ pH của mơi trường phân tích cũng có ảnh hưởng lớn đến sự chọn lọc tín hiệu giữa DA và AA khi đo trong cùng hỗn hợp.
Hình 3.19. Ảnh hưởng của pH đến khả năng tách tín hiệu hỗn hợp DA-AA
trên điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M các giá trị pH khác nhau
Bảng 3.8. Khoảng tách píc tín hiệu điện thế giữa DA và AA theo pH
STT pH EpaDA (mV) EpaAA (mV) ∆E = |EpaDA - EpaAA|
1. 3 356 177 179
2. 4 332 118 214
3. 4,5 302 130 172
4. 5 255 76 179
Ở môi trường pH 4, điện cực cho đáp ứng đối DA đạt cao nhất, khoảng tách píc tín hiệu giữa DA và AA là 214 mV cao hơn so với ở pH 3; 4,5 và 5 tương ứng là 179, 172 và 179 mV. Từ kết quả thực nghiệm ở trên, pH 4 được lựa chọn cho các quá trình thực nghiệm tiếp theo.
Axit ascobic có hằng số phân ly pKa1 = 4,10 và pKa2 = 11,6. Axit uric là axit với hằng số phân ly pKa1 = 5,4 và pKa2 = 10,3. Sự khác biệt về trạng thái tồn tại của AA, DA, và UA trong dung dịch và những tính chất đặc biệt của nafion đã được nghiên cứu và thực nghiệm khảo sát. Trong khi DA (với pKa = 8,93) tồn tại ở dạng cation thì AA, UA lại tồn tại dạng anion. Nafion có bản chất là một polime chọn lọc cation, nghĩa là chỉ có ái lực với cation mà khơng có ái lực với anion. Đây là những cơ sở khoa học để ứng dụng nafion vào chế tạo điện cực biến tính chọn lọc với DA.
3.2.2.4. Tính chất điện hóa của DA trên điện cực NF/P3MT/GCE
Các kết quả đã tổng hợp ở các phần trên đã cho thấy hiệu quả thay đổi tích cực về độ nhạy và độ chọn lọc dưới tác dụng của lớp polime dẫn P3MT và lớp compozit của P3MT và nafion. Hình 3.20 là tín hiệu von-ampe vịng của điện cực NF/P3MT/GCE đo dung dịch DA nồng độ 5×10-7 M đến 4,44×10-5 M trong môi trường đo PBS 0,1 M với pH 4. Khoảng cách thế oxy hoá khử Ep,a và Ep,c của DA được thu hẹp còn khoảng 41 mV giảm 26 mV so với điện cực P3MT/GCE và giảm 130 mV so với điện cực GCE. Q trình oxi hóa dopamin thành o-quinon và quá trình khử o-quinon về dopamin đều được thể hiện rõ. Quan hệ giữa cường độ tín hiệu CV và nồng độ tuyến tính cả píc oxi hóa và píc khử cũng minh chứng cho tính chất thuận nghịch của q trình oxi hóa khử DA trong dung dịch.
Hình 3.20. Đường CV của DA nồng độ khác nhau (a→k) (hình A) và quan
hệ cường độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với nồng độ DA (hình B) trên điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M và pH 4
Bảng 3.9. Cường độ tín hiệu píc anot (Ipa) và píc catot (Ipc) với nồng độ DA
khi đo CV với điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS 0,1 M và pH 4
STT 1 2 3 4 5 6
CDA (M) 7,44×10-6 1,14×10-5 1,62×10-5 2,34×10-5 3,29×10-5 4,44×10-5
Ipa (A) 2,14×10-6 2,54×10-6 3,08×10-6 3,81×10-6 4,70×10-6 5,58×10-6
Hình 3.20 B là đường tuyến tính cường độ các píc anot và píc catot trong khoảng nổng độ DA 7,44×10-6 – 4,44×10-5 M.
Như vậy, nhờ có lớp màng trao đổi cation của nafion kết hợp với diện tích bề mặt riêng lớn của màng P3MT đã làm tăng quá trình khuếch tán DA đi vào bề mặt điện cực để thực hiện q trình oxy hố khử, giúp q trình oxy hố khử của DA trên bề mặt điện cực diễn ra thuận lợi hơn.
Hình 3.21 là tín hiệu CV khi tiến hành quét trong dung dịch DA nồng độ 50 µM với tốc độ quét thay đổi. Kết quả phân tích cho thấy dịng anot và catot tăng tuyến tính theo tốc độ quét từ 25150 mV/s.
Hình 3.21. Đường CV (hình A) của điện cực NF/P3MT/GCE trong đệm PBS
0,1 M với pH 4 chứa nồng độ DA 5×10-5 M với tốc độ quét thế thay đổi và quan hệ cường độ tín hiệu píc anot (Ipa), píc catot (Ipc) tuyến tính căn bậc hai tốc độ quét thế (hình B)
Bảng 3.10. Thế oxi hóa khử và cường độ tín hiệu của điện cực NF/P3MT/GCE
trong PBS 0,1 M với pH 4 chứa DA 5×10-5 M với tốc độ quét thế thay đổi
STT ʋ (mV/s) Epa (mV) Ipa (µA) Epc (mV) Ipc (µA)
1. 10 342 1,05 283 -0,65 2. 25 342 1,66 288 -1,09 3. 50 377 2,26 288 -1,61 4. 75 342 3,20 288 -2,34 5. 100 342 3,72 288 -2,70 6. 125 342 4,28 293 -3,16 7. 150 347 4,90 293 -3,72
Cường độ tín hiệu dịng anot và catốt phụ thuộc tuyến tính với căn bậc hai tốc độ quét thế. Nghĩa là, theo phương trình Randles-Sevcik, hệ đo là oxi hóa khử thuận nghịch. Vị trí thế anot và catot của DA hầu như không thay đổi theo tốc độ quét thế, khoảng cách thế anot và catot trung bình khoảng 52 mV. Từ kết quả thu được ở trên cho thấy DA hấp phụ và khuếch tán đồng thời trên lớp vật liệu biến tính bề mặt điện cực GCE và xảy ra phản ứng oxi hóa – khử điện hóa thuận nghịch.
Các kết quả về tính chất điện hoạt của DA trên điện cực biến tính bằng lớp compozit của nafion và P3MT cho thấy tính chất oxi hóa khử thuận nghịch đã được cải thiện rõ rệt kết hợp với tính chất điện ly trong mơi trường pH 4 thích hợp giúp điện cực biến tính có độ nhạy tốt hơn và chọn lọc hơn.
3.2.2.5. Phân tích DA bằng điện cực NF/P3MT/GCE
Hình 3.22 là biểu diễn kết quả thu được khi sử dụng điện cực NF/P3MT/GCE đo dung dịch DA trong môi trường đệm PBS 0,1 M với pH 4 bằng kỹ thuật đo xung vi phân. Kết quả cho thấy, điện cực NF/P3MT/GCE có độ nhạy tốt đối với DA (0,25 µA/ µM), cao hơn gấp gần 3 lần so với điện cực P3MT/GCE (0,0865 µA/ µM) và 6 lần so với điện cực GCE (0,0405 µA/ µM).
Hình 3.22. Tín hiệu xung vi phân (hình A) và đường chuẩn (hình B) khi xác
Bảng 3.11. Số liệu đường chuẩn xác định độ DA với điện cực NF/P3MT/GCE
trong đệm PBS 0,1 M và pH 4, phương pháp xung vi phân
STT 1 2 3 4 5 6 CDA (M) 5×10-7 1,5×10-6 2,5×10-6 4,5×10-6 7,5×10-6 1,14×10-5 I (A) 4,11×10-7 8,75×10-7 1,31×10-6 1,65×10-6 2,9×10-6 3,91×10-6 STT 7 8 9 10 11 CDA (M) 1,62×10-5 2,34×10-5 3,3×10-5 4,44×10-5 5,79×10-5 I (A) 5,35×10-6 6,99×10-6 9,08×10-6 1,2×10-5 1,48×10-5
Cường độ píc tín hiệu của DA tăng tuyến tính theo nồng độ của DA, đường chuẩn xác định nồng độ DA trên điện cực NF/P3MT/GCE có khoảng tuyến tính là 4,5×10-7–5,8×10-5 M, hệ số tương quan của phương trình hồi quy R=0,9979; giới hạn phát hiện 5×10-7 M. Như vậy, nhờ có lớp nafion đã làm tăng q trình khuếch tán DA vào bề mặt điện cực, giới hạn phát hiện và độ nhạy với DA đã được cải thiện.
Tuy nhiên, để ứng dụng phân tích mẫu thì cần khảo sát khả năng chọn lọc khi có mặt các chất ảnh hưởng axit ascobic (AA), axit uric (UA). Các hình 3.23 và 3.24 biểu diễn kết quả đo CV và DPV khi trong môi trường dung dịch đo có mặt các chất ảnh hưởng.
Hình 3.23. Tín hiệu DPV (hình A) và đường chuẩn DA (hình B) trong hỗn
hợp chứa đồng thời DA và AA trên điện cực NF/P3MT/GCE, môi trường đo pH 4, PBS 0,1 M
Bảng 3.12. Số liệu đường chuẩn DA trong hỗn hợp chứa đồng thời DA và AA
trên điện cực NF/P3MT/GCE, môi trường đo pH 4, PBS 0,1 M
STT 1 2 3 4 5 6 7
CDA
(M) 4.94×10
-6 3,01×10-5 5×10-5 8×10-5 1,11×10-4 1,45×10-4 1,77×10-4
I (A) 9,36×10-7 5×10-6 1,1×10-5 1,85×10-5 2,65×10-5 3,57×10-5 4,35×10-5 Trong mơi trường có mặt axit ascobic nồng độ cao AA 3,7 mM, DA được tăng nồng độ từ a→f tương ứng với 5; 30; 50; 80; 111, 145; 177 µM. Kết quả đo xung vi phân xác định DA khi có mặt AA trên điện cực NF/P3MT/GCE được thể hiện trên hình 3.22 cho thấy điện cực có độ chọn lọc cao đối với DA. Khi nồng độ AA cao gấp 120 lần nồng độ DA, cường độ píc tín hiệu của DA cao gấp 2 lần píc tín hiệu của AA. Quan hệ tuyến tính giữa cường độ píc tín hiệu của DA theo nồng độ DA với hệ số tương quan R = 0,999, sự ảnh hưởng của AA khơng đáng kể, vị trí chân píc tín hiệu của DA và AA được tách hồn tồn mà khơng bị xen phủ như trên điện cực P3MT/GCE và điện cực GCE, khoảng tách píc điện thế giữa DA (371 mV) và AA (139 mV) là 232 mV. Khoảng tuyến tính xác định DA khi có mặt AA là 4,94×10-6–1,77×10-4M, độ nhạy đối với DA là 0,254 μA/μM. Kết quả phân tích cho thấy hồn tồn có thể định lượng được DA trong sự có mặt của AA.
Hình 3.24. Tín hiệu DPV (hình A) và CV (hình B) trong hỗn hợp chứa đồng
Điện cực NF/P3MT/GCE đã loại bỏ được sự ảnh hưởng của AA ngay trên bề mặt điện cực khi xác định DA trong sự có mặt của AA. Tuy nhiên, dù áp dụng phương pháp đo DPV hay quét CV điện cực đều khơng có độ chọn lọc cao với DA khi xác định DA trong sự có mặt đồng thời của AA và UA (xem hình 3.24), vị trí chân píc tín hiệu của DA và UA bị xen phủ nhau. Màng NF có tác dụng loại bỏ sự ảnh hưởng của AA mà không loại bỏ được sự ảnh hưởng của UA là do mật độ điện tích âm và diện tích bề mặt điện cực NF/P3MT/GCE chưa đủ lớn. Do vậy, cần biến tính bề mặt điện cực GCE bằng cách kết hợp P3MT với SWCNTs được phân tán trong NF 0,25% như các kết quả tiếp theo.