CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.2. ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH NF-SWCNTs/P3MT/GCE
3.2.1. Tổng hợp poli-(3-metylthiophen) (P3MT) trên điện cực GCE và khảo
khảo sát đáp ứng với DA
3.2.1.1. Tổng hợp điện hóa P3MT
Như đã mơ tả ở phần thực nghiệm, sau khi điện cực GCE được đánh bóng, hoạt hóa, một lớp polime dẫn là poli-(3-metylthiophen) (ký hiệu là P3MT) được tổng hợp lên bề mặt điện cực. Trong đề tài luận án này lớp màng P3MT đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp điện phân ở thế không
đổi 1,75 V từ dung dịch trong axetonitril chứa 3-metylthiophen với tetrabutyl amoni peclorat (TBAP) đóng vai trị chất điện ly.
Hình 3.8. Tín hiệu điện phân và cơ chế tổng hợp điện hóa lớp màng poli-(3-
metylthiophen)
Hình 3.9. Hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của lớp màng P3MT
Hình 3.8 là tín hiệu và cơ chế của q trình tổng hợp điện hóa poli-(3- metylthiophen) [117]. Sau thời gian điện phân khoảng 20 s cường độ dòng điện
đi ngang chứng tỏ lớp polime đã hình thành và có độ dày cũng như hình thái ổn định. Hình 3.9 là hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) của lớp màng P3MT. Điện cực GCE sau khi được phủ lớp P3MT được ký hiệu là P3MT/GCE.
Mục tiêu tổng hợp lớp màng P3MT lên bề mặt điện cực glasy cacbon là xác định dopamin. Vì vậy, chiều dày lớp màng này được kiểm sốt thơng qua thời gian điện phân tổng hợp. Thời gian điện phân tổng hợp được lựa chọn thơng qua cường độ tín hiệu von-ampe khi áp dụng điện cực P3MT/GCE để đo dopamin. Hình 3.10 A là tín hiệu DPV trong PBS 0,1 M, pH 4, nồng độ DA 5×10-5 M với điện cực P3MT/GCE tương ứng thời gian điện phân tổng hợp P3MT là 10, 20, 30, và 40 giây (hình A); Hình 3.10 B biểu diễn chiều cao pic tín hiệu DPV phụ thuộc thời gian điện phân tổng hợp P3MT.
Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian điện phân tổng hợp màng P3MT nên khả
năng đáp ứng với DA
Kết quả thể hiện trên hình 3.10 cho thấy khi tăng thời gian điện phân P3MT, khả năng đáp ứng của điện cực đối với DA tăng lên. Ban đầu, với thời gian điện phân 10 giây, cường độ píc tín hiệu của DA rất thấp. Tăng thời gian điện phân 20 giây, điện cực cho đáp ứng cao với DA. Với thời gian điện phân P3MT 30, 40 giây, cường độ píc tín hiệu của DA giảm dần. Như vậy, với độ dày màng P3MT bám trên bề mặt điện cực khác nhau sẽ cho cường độ tín hiệu của DA khác nhau, nếu màng quá dày làm cho quá trình hấp phụ và giải hấp
phụ với DA sẽ khó khăn, làm cản trở cho quá trình khuếch tán DA đi vào bề mặt điện cực dẫn đến cường độ tín hiệu giảm khi độ dày màng tăng. Tuy nhiên, nếu độ dày màng P3MT quá mỏng sẽ làm cho diện tích bề mặt biến tính điện cực giảm, lượng chất DA hấp phụ vào bề mặt điện cực giảm, quá trình trao đổi electron giữa bề mặt điện cực với lớp vật liệu biến tính giảm. Do đó, cường độ tín hiệu của DA bị giảm khi thời gian điện phân quá ngắn. Qua khảo sát ảnh hưởng độ dày của màng P3MT/GCE đến khả năng đáp ứng DA, 20 giây là thời gian điện phân được lựa chọn để tổng hợp P3MT lên bề mặt điện cực và tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.1.2. Tính chất điện hóa của DA trên điện cực P3MT/GCE
Tính chất oxi hóa khử điện hóa của phân tử chất điện hoạt trên bề mặt điện cực quyết định các đặc tính cơ bản của cảm biến điện hóa. Từ phần tổng quan đã nêu và kết quả thực nghiệm trình bày ở trên, điện cực GCE có nhiều hạn chế về độ nhạy, độ chọn lọc. Nguyên nhân của những hạn chế này là do diện tích bề mặt điện cực GCE khơng lớn, sự trao đổi điện tích giữa phân tử DA cũng như các chất sinh học nói chung xảy ra chậm, phản ứng oxi hóa khử xảy ra kém thuận nghịch.
Hình 3.11. Tín hiệu CV -0,3–0,7 V tốc độ quét 100 mV/s của điện cực GCE
Trên điện cực GCE phân tử DA oxi hóa–khử với píc anot và píc catot cách nhau khoảng thế ∆E=|Epa - Epc|= |411 - 240| = 171 mV. Sau khi được tổng hợp thành công, điện cực glasy cacbon phủ mảng P3MT được khảo sát đáp ứng với DA bằng phương pháp CV. Điện cực P3MT/GCE có ∆E = |Epa - Epc| = |349 - 280| = 69 mV. Nghĩa là trong môi trường đo là dung dịch đệm PBS 0,1 M pH 4, píc anot dịch theo chiều giảm và píc catot dịch theo chiều tăng làm cho khoảng cách hai đỉnh píc gần nhau hơn (hình 3.11). Điều này có nghĩa tốc độ trao đổi điện tích giữa phân tử DA trong dung dịch và bề mặt điện cực đã xảy ra nhanh hơn, phản ứng oxi hóa khử điện hóa thuận nghịch hơn.
3.2.1.3. Phân tích DA bằng điện cực P3MT/GCE
Hình 3.12 là tín hiệu CV khi qt -0,3–0,7 V tốc độ quét 100 mV/s mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ píc tín hiệu q trình oxi hóa DA với nồng độ DA tương ứng.
Hình 3.12. Tín hiệu CV (hình A) và đường chuẩn theo píc anot (hình B) của
điện cực P3MT/GCE dung dịch DA, PBS 0,1 M, pH 4
Bảng 3.4. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc P3MT/GCE, kỹ thuật đo von-ampe vòng
STT 1 2 3 4 5 6
CDA (M) 3,29×10-5 4,45×10-5 5,79×10-5 7,32×10-5 9,01×10-5 1,08×10-4
Bảng 3.5. Vị trí điện thế của píc anot (Epa) và píc catot (Epc) khi xác định DA
bằng điện cực P3MT/GCE trong môi trường PBS 0,1 M với pH 4
STT DA (µM) Epa (mV) Epc (mV) ∆E (mV)
1. 45 347 278 69 2. 58 347 288 59 3. 73 347 278 69 4. 90 352 278 74 5. 108 352 278 74 Giá trị trung bình 349 280 69
Khi áp dụng kỹ thuật đo CV, kết quả trên cho thấy rằng do tác dụng của lớp polime dẫn P3MT, điện cực có độ nhạy 0,0357 µA/ µM tốt hơn so với điện cực GCE, khoảng tuyến tính 33–100 µM, giới hạn phát hiện 30 µM. Đồng thời, qua tín hiệu CV cũng thấy rằng vị trí các píc tín hiệu cũng có độ ổn định cao với píc anot Epa 349 mV và píc catot Epc 280 mV (xem bảng 3.5). Khoảng cách giữa hai píc tín hiệu anot và píc catot đã được rút ngắn. Trung bình ∆E = 69 mV so với điện cực GCE có ∆E = 171 mV. Như vậy, q trình oxi hóa–khử DA diễn ra thuận nghịch hơn trên điện cực P3MT/GCE.
Hình 3.13 và bảng 3.6 là kết quả áp dụng kỹ thuật đo DPV với thế -0,2– 0,7 V, bước thế 5 mV, cường độ xung 25 mV, thời gian áp xung 50 ms và chu kỳ áp xung 500 ms.
Hình 3.13. Tín hiệu xung vi phân (hình A) và đường chuẩn (hình B) khi xác
Bảng 3.6. Số liệu đường chuẩn xác định DA trong môi trường đệm PBS nồng
độ 0,1 M với pH 4, điện cực làm việc P3MT/GCE, đo xung vi phân
STT 1 2 3 4 5 CDA (M) 7,44×10-6 1,14×10-5 1,62×10-5 2,34×10-5 3,29×10-5 I (A) 5,27×10-7 1,09×10-6 1,64×10-6 2,31×10-6 3,11×10-6 STT 6 7 8 9 10 CDA (M) 4,45×10-5 5,79×10-5 7,32×10-5 9,01×10-5 1,08×10-4 I (A) 4,15×10-6 5,21×10-6 6,34×10-6 7,54×10-6 8,64×10-6
Khi áp dụng kỹ thuật đo DPV, điện cực P3MT/GCE đạt nhạy 0,0802 µA/ µM với DA, khoảng tuyến tính 16–90 µM, giới hạn phát hiện 10 µM (S/N =3).
Về khả năng chọn lọc, hình 3.14 là kết quả thực nghiệm khảo sát điện cực P3MT/GCE khi đo trong dung dịch đo có mặt đồng thời AA, DA, UA.
Hình 3.14. Tín hiệu DPV (hình A) và CV (hình B) khi sử dụng điện cực P3MT/GCE để xác định AA, DA, UA, hỗn hợp AA-DA-UA trong môi trường PBS 0,1 M với pH 4
Kết quả nghiên cứu trên cho thấy dù áp dụng kỹ thuật đo CV hay DPV tín hiệu của AA và DA xen phủ lên nhau, tín hiệu DA và UA cũng khơng có sự tách biệt đủ để định lượng từng chất. Với nồng độ AA gấp 5, 10, 20 lần nồng độ DA trong hỗn hợp (các mẫu sinh học thường có nồng độ AA cao gấp hàng trăm lần DA), khi sử dụng điện cực P3MT/GCE tín hiệu chỉ cịn quan sát thấy hai píc với chân chồng lấn.
Như vậy nhờ lớp màng polime dẫn P3MT độ nhạy với DA đã tăng đáng kể khi so sánh với điện cực GCE thông thường. Điện cực GCE thơng thường có độ nhạy chỉ 0,028 µA/µM trong khi với P3MT/GCE độ nhạy đạt 0,080 µA/µM. Nghĩa là với lớp P3MT điện cực có độ nhạy tăng gấp gần 4 lần. Khi so sánh với điện cực GCE với khoảng tuyến tính 7,44–36,1 µM, giới hạn phát hiện 10 µM (S/N = 3) rõ ràng điện cực P3MT/GCE có các thơng số ưu việt hơn.