CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Các phương pháp nghiên cứu phản ứng và bề mặt điện cực
Để nghiên cứu phản ứng và bề mặt điện cực, các kỹ thuật đã được sử dụng trong luận án này gồm von-ampe vòng (CV), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi lực nguyên tử (AFM).
2.3.1.1. Phương pháp von-ampe vòng (CV)
CV là phương pháp được áp dụng rất phổ biến trong nghiên cứu điện hóa giúp thu được nhiều thơng tin hữu ích về các phản ứng và q trình điện hóa. Ưu điểm của phương pháp là giúp nhận định nhanh chóng bản chất nhiệt động của q trình oxi hóa khử và động học của phản ứng trao đổi điện tử giữa hai chất là chất oxi hóa và chất khử hay giữa quá trình hấp phụ. CV giúp xác định nhanh chóng vị trí điện thế mà tại đó chất điện hoạt bị oxi hóa hoặc khử hoặc ảnh hưởng của mơi trường đo đến q trình oxi hóa-khử.
Trong luận án này, phương pháp CV được thực hiện trên hệ thiết bị nghiên cứu điện hoá đa năng Autolab (AUT30.v AUTOLAB, Eco Chemie B.V., Hà Lan). Hệ đo gồm 3 điện cực là điện cực so sánh Ag/AgCl (KCl 3M), điện cực đối Pt và điện cực làm việc. Điện cực làm việc là glasy cacbon (GCE) có đường kính 2 mm (Metrohm-Thụy Sỹ), khơng biến tính hoặc biến tính.
Các khoảng quét thế được khảo sát lựa chọn để nghiên cứu các phản ứng điện hóa tùy thuộc vào đặc trưng bề mặt điện cực làm việc và bản chất điện hóa của chất điện hoạt. Ngồi ra, căn cứ mục đích nghiên cứu, số vòng quét, tốc độ quét được khảo sát và lựa chọn phù hợp.
2.3.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
SEM là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật [47]. Các lớp vật liệu biến tính bề mặt điện cực thực hiện trong luận án này được chụp ảnh hiển vi điện tử để so sánh sự khác biệt khi vật liệu hình thành hoặc biến đổi.
2.3.1.3. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Phương pháp chụp hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) ứng dụng quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải nano mét. AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt.
Trong đề tài luận án này, AFM để xác định tính chất và độ dày bề mặt các lớp vật liệu graphen biến tính điện cực.
2.3.2. Phương pháp von-ampe xung vi phân
Các kỹ thuật von-ampe áp xung được áp dụng nhằm hạ thấp giới hạn phát hiện nhờ tăng tỷ lệ dòng faraday so với dòng phi faraday. Nhờ các kỹ thuật áp thế dạng xung, các thiết bị hiện đại ngày nay có thể hạ thấp giới hạn phát hiện của phương pháp von-ampe đến 10-8 M. Kỹ thuật von-ampe xung vi phân (DPV) là kỹ thuật hiện đại thuộc nhóm các phương pháp kiểm sốt điện thế và đo dòng faraday. Bằng kỹ thuật này, dòng faraday sinh ra do q trình oxi hóa khử các chất điện hoạt được đo chính xác và tách khỏi dịng phi faraday sinh ra do lớp điện kép giữa bề mặt điện cực và dung dịch (còn gọi là dòng tụ điện). Trong phương pháp von-ampe xung vi phân, điện cực làm việc được áp thế một chiều biến thiên theo thời gian với tốc độ chậm (1–2 mV/s), các xung 10–100 mV được đặt vào trong quá trình áp thế. Dòng điện được đo tại hai thời điểm ngay trước khi áp xung và trước khi hết xung. Hiệu của cường độ dòng tại hai thời điểm là ∆𝑖 = 𝑖𝑡2˗𝑖𝑡1 được biểu diễn theo biến thiên điện thế thu được đồ thị DPV dạng píc tín hiệu. Chiều cao píc tín hiệu trên đồ thị DPV tỷ lệ trực tiếp nồng độ chất điện hoạt trong dung dịch đo [138].
Các thông số cần đặt khi thực hiện phép đo DPV gồm: Khoảng quét thế, bước thế (step potential), cường độ xung (modulation amplitude), thời gian áp xung (modulation time) và chu kỳ áp xung (interval time).
2.3.3. Phương pháp điện hóa tổng hợp polime
Màng polime dẫn có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như trùng hợp plasma, trùng hợp tự xúc tác, trùng hợp thể nhũ tương, trùng hợp hố học và trùng hợp điện hố. Trong đó, tổng hợp màng polime bằng phương pháp điện hóa phổ biến nhất nhờ có qui trình đơn giản (thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thường). Tùy theo u cầu ứng dụng trong phân tích điện hóa mà hình thành màng polime trên các điện cực có độ dày khác nhau, có thể pha tạp với các thành phần vô cơ và hữu cơ khác nhau [62]. Trong phương pháp
điện hoá, để tổng hợp màng polime dẫn lên điện cực có thể sử dụng phương pháp quét thế vịng, điện phân dịng khơng đổi hoặc thế khơng đổi. Bằng phương pháp polime hóa điện hóa có thể tổng hợp được polime in dấu phân tử (molecularly imprinted polymers-MIPs) [138].
2.3.4. Phương pháp phổ Raman
Phương pháp phổ Raman sử dụng chùm laze đơn sắc kích thích các dao động phân tử, tùy theo loại dao động mà năng lượng laze tăng (vạch Stokes) hoặc giảm (vạch antiStokes). Áp dụng phương pháp phổ Raman để khảo sát graphen với bước sóng kích thích laze 532 nm, tín hiệu có hai vạch chính là G (1580 cm-1) tương ứng dao động ngang, các vạch 2D (2690 cm-1) và vạch D (1350 cm-1) xuất hiện khi cấu trúc graphen có khuyết điểm. Tỷ lệ cường độ của vạch phổ 2D và G ký hiệu là I2D/IG phụ thuộc vào số lớp graphen. I2D/IG trong
khoảng 2–3 với đơn lớp graphen, 2 > I2D/IG > 1 graphen hai lớp và I2D/IG < 1
graphen đa lớp [36, 99].
2.3.5. Phương pháp xác định các thông số đặc trưng của điện cực
Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ): LOD và LOQ được xác định bằng phương pháp sử dụng đường chuẩn tại khoảng nồng độ thấp [88]. Chuẩn bị mẫu có nồng độ DA cao gấp 1–5 lần LOD ước lượng và đo lặp lại k lần để xác định cường độ tín hiệu trung bình ILOD và độ lệch chuẩn Sy. Tính giới hạn phát hiện là nồng độ DA thấp nhất mà phương pháp có thể phát hiện được theo công thức:
𝐿𝑂𝐷 = 𝑡𝛼,𝑘−1𝑆𝑦
𝑟 (2.1)
Trong đó, r là độ nhạy (độ dốc của đường chuẩn), 𝑡𝛼,𝑘−1 là hệ số tra bảng Student’s với k-1 bậc tự do và 1-α giới hạn tin cậy.
Ví dụ, với α = 0,02 (1-α = 0,98) và thực hiện đo lặp lại 10 lần (k = 10) thì t0,02, 9 = 2,821; Tương tự, t0,02, 7 = 2,998 với k = 8.
Giới hạn phát hiện của phương pháp cũng được ước lượng bằng tỷ lệ giữa cường độ tín hiệu và nhiễu (S/N). Khi đó LOD là nồng độ chất điện hoạt tại S/N = 3, và LOQ tại S/N = 10.
Khoảng tuyến tính được xác định là khoảng nồng độ DA từ giá trị LOQ đến nồng độ cao nhất và đường chuẩn tuyến tính phải có hệ số hồi quy R ≥ 0,9.
Độ chọn lọc của phương pháp đối với DA được tập trung nghiên cứu khi mơi trường đo có mặt các chất ảnh hưởng quan trọng và quyết định là axit ascobic và axit uric. Ngồi ra, ảnh hưởng của các chất thường có nồng độ cao trong các đối tượng mẫu sinh học cũng được nghiên cứu và khảo sát.
2.3.6. Ứng dụng phân tích mẫu và đánh giá kết quả
Sau khi chế tạo, các điện cực biến tính được ứng dụng phân tích mẫu. Kỹ thuật đo được áp dụng là DPV, định lượng nồng độ DA theo phương pháp thêm chuẩn.
Độ chính xác gồm độ chụm và độ đúng của kết quả thử nghiệm được đánh giá thông qua độ lặp lại và so sánh kết quả thử nghiệm với kết quả từ phương pháp đang được ứng dụng phổ biến thực tế trong các cơ sở xét nghiệm chuyên nghiệp.