CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH HĨA HỌC XÁC ĐỊNH ĐIỆN HÓA DA
1.3.2. Các phương thức biến tính điện cực để xác định DA
DA có tính chất điện hoạt cao nhưng phân tích DA bằng phương pháp điện hóa gặp trở ngại lớn do sự đồng tồn tại nhiều chất trong thành phần mẫu sinh học. Axit ascorbic (AA), axit uric (UA) là những chất có ảnh hưởng lớn nhất khó loại trừ do có điện thế oxi hóa gần như trùng với thế oxi hóa của DA. Các điện cực thơng thường như GCE, Pt, Au khơng có khả năng cho tín hiệu chọn lọc và cũng dễ dàng bị bẩn do các sản phẩm của các phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt điện cực. Để khắc phục các hạn chế của các điện cực này, hướng nghiên cứu biến tính bề mặt điện cực bằng các loại vật liệu tiên tiến đã và đang được kỳ vọng cao.
Như đã tổng hợp ở trên, đến nay đã có hàng trăm cơng trình nghiên cứu được cơng bố trên các tạp chí khoa học uy tín về vấn đề chế tạo điện cực biến tính hóa học để xác định DA. Các phương pháp, kỹ thuật và vật liệu được quan tâm nhất trong các cơng trình nghiên cứu này bao gồm các điện cực biến tính trên cơ sở các loại cacbon, các loại hạt kích thước nano và các loại polime. Biến tính bề mặt điện cực bao gồm những giải pháp khác nhau nhằm thay đổi một hoặc đồng thời các tính chất lý hóa của bề mặt điện cực như tăng cường hoạt tính xúc tác điện hóa nhờ những vật liệu có diện tích bề mặt lớn để tăng độ nhạy; tăng cường khả năng chọn lọc nhờ các nhóm chức; tăng tính chất động học khuyếch tán của chất điện hoạt hay tập trung nồng độ chất điện hoạt tại lớp tiếp xúc giữa môi trường dung dịch đo và bề mặt điện cực... Sau đây là các ưu điểm và hạn chế của từng giải pháp.
1.3.2.1. Ứng dụng các loại vật liệu cacbon
Các loại vật liệu cacbon được ứng dụng trong chế tạo điện cực biến tính gồm cacbon dạng ống nano (CNTs), graphen, graphit, graphen oxit, hoặc dẫn xuất của các dạng cacbon trên.
Hai dạng CNTs được ứng dụng phổ biến để biến tính bề mặt điện cực là SWCNTs và MWCNTs. Do không tan trong hầu hết các dung môi thông thường nên CNTs phải được chức năng hóa để phân tán vào dung mơi.
Hình 1.8. Cấu trúc các vật liệu cacbon nano [41, 107]
CNTs gồm có hai loại MWCNTs là ống cacbon nano đa vách và SWCNTs là ống cacbon nano đơn vách. CNTs giúp tốc độ trao đổi điện tử nhanh hơn nhờ các nhóm chức trên bề mặt nên khi được sử dụng làm điện cực nhiều chất điện hoạt sẽ thể hiện tính chất oxi hóa khử thuận nghịch.
Cấu trúc của CNTs có dạng các tấm graphit cuộn thành ống đơn lớp hoặc đa lớp, chiều dài ống cỡ vài µm với đường kính khoảng 100 nm. Các cấu trúc hình ống nhiều lớp lại bó cuộn thành các mạng phức tạp ở trạng thái rắn. Tùy thuộc cách sắp xếp của các hình sáu cạnh phân tử cacbon theo trục hình ống mà CNTs dẫn điện hoặc bán dẫn [84].
Các phương pháp chức năng hóa CNTs có thể chia thành phương pháp chức năng hóa hóa học (phản ứng hình thành liên kết cộng hóa trị) và chức năng hóa vật lý (liên kết khơng hóa trị). Hình 1.9 là các hình thức chức năng hóa ống cacbon nano đơn vách.
Trong phương pháp chức năng hóa hóa học, các nguyên tử cacbon ở đầu ống và ở các vị trí khiếm khuyết trên thành ống là nơi có thể chức năng hóa. Các khiếm khuyết trên ống cacbon nano gồm việc ống bị bẻ cong do tại vị trí khiếm khuyết chỉ có 5 hoặc 7 thay vì 6 vịng cacbon, ngun tử C ở trạng thái lai hóa sp3 liên kết với nguyên tử hidro hoặc oxi. Do tác nhân oxi hóa mạnh mà một số vị trí trên thành ống bị đứt gãy và C được liên kết với các nhóm chức như –COOH, –NO2, –H, =O, với flo tạo liên kết C-F, với mạch alkyl florua, hoặc nguyên tử flo được thay bằng các nhóm amino, alkyl, hydroxyl. Tương tự, các hợp chất có cấu trúc vịng như cacben và nitren cũng có thể hình thành trên thành ống CNTs. Các liên kết chức năng hóa với nguyên tử clo, brom, hydro cũng đã được áp dụng [106].
Để bổ sung các vị trí khiếm khuyết trên thành ống cacbon nano, người ta sử dụng các tác nhân axit mạnh như HNO3, H2SO4, các chất oxi hóa mạnh như KMnO4, ozon để mở ống và tạo các nhóm chức chứa oxi như axit cacboxylic, xeton, hydroxyl và các nhóm este. Nhờ các nhóm chức này ở đầu ống và các vị trí khiếm khuyết trên thành ống, CNTs được silan hóa, polime hóa, este hóa, đính thêm nhóm thiol và kể cả một số phân tử sinh học. Phương pháp tạo liên kết cộng hóa trị giúp CNTs tan được trong các dung mơi khác nhau nhờ có các nhóm chức cả phân cực và khơng phân cực.
Hình 1.9 mơ phỏng các phương thức chức năng hóa các dạng ống cacbon nano bao gồm: Phương thức A chức năng hóa các nhóm khuyết tật trên ống cacbon nano; Phương thức B chức năng hóa nhờ tạo các liên kết cộng hóa trị trên thành ống CNTs; Phương thức C chức năng hóa nhờ liên kết phi hóa trị với các chất hoạt động bề mặt; Phương thức D liên kết phi hóa trị với polime; Phương thứ E chức năng hóa nhờ tạo các nhân liên kết khơng hóa trị.
Tuy nhiên, trong q trình chức năng hóa bằng liên kết cộng hóa trị, đặc biệt nếu có sử dụng siêu âm, nếu số lượng quá lớn các khiếm khuyết cấu trúc trên thành ống được tạo ra, nguyên tử C chuyển trạng thái lai hóa sp2 sang sp3, làm cho CNTs bị thay đổi tính chất vật lý, các electron π trong cấu trúc CNTs suy giảm. Vì vậy, việc tối ưu hóa phương pháp chức năng hóa khác vẫn tiếp tục được nghiên cứu.
Phương pháp chức năng hóa khơng liên kết cộng hóa trị (non-covalent functionalization) không phá hủy cấu trúc của CNTs do đó khơng làm giảm các tính chất của vật liệu. CNTs được chức năng hóa bằng các hợp chất hydrocacbon thơm, các chất hoạt động bề mặt và các polime nhờ các liên hợp π-π hoặc các liên kết hydro. Các phương pháp chức năng hóa liên kết khơng hóa trị gồm: các hợp chất hydrocacbon thơm được hấp thụ vào CNTs, các polime có thể bọc các ống CNTs, các chất hoạt động bề mặt được đính vào cấu
trúc CNTs nhờ lực liên kết Van-De-Van hoặc các polime sinh học như polisaccarit thâm nhập vào cấu trúc của CNTs. Các phương pháp này giúp CNTs phân tán tốt mà vẫn giữ nguyên các tính chất lý hóa của CNTs để ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau bao gồm chế tạo các cảm biến sinh hóa. Năm 2004, Novoselov và Geim đã tách các lớp (dưới 10 lớp) để tạo thành một loại vật liệu mà ngày nay gọi là graphen [94]. Graphen là dạng thù hình cacbon đơn lớp vật liệu nano với cấu trúc hai chiều. Graphen đơn lớp có diện tích bề mặt 2630 m2/ g (lớn gấp đơi SWCNTs), độ linh động electron 200×103
cm2/ V.s ở nhiệt độ thường (CNTs khoảng 100×103 cm2/V.s), độ dẫn nhiệt k = 5×103 W/mK, độ dẫn điện σ = 64 mS cm-1 [92] và có nhiều tính chất xúc tác điện hóa quan trọng được ứng dụng chế tạo cảm biến sinh hóa xác định DNA, protein, chất truyền dẫn thần kinh, hooc-mon, chất ô nhiễm và ion kim loại...[103]. So với CNTs, graphen có nhiều ưu điểm vượt trội về tính chất lý hóa cũng như graphen rẻ hơn, dễ tổng hợp và xử lý hơn. Đặc biệt, khi tổng hợp graphen từ graphit, graphen thu được sạch hơn CNTs do không bị nhiễm tạp kim loại (trong khi tạp chất kim loại là một trong những trở ngại khi tổng hợp CNTs). Graphen là vật liệu mới và là trọng tâm nghiên cứu ứng dụng trong số các loại vật liệu nano. Trong lĩnh vực điện hóa, ứng dụng quan trọng nhất của graphen là mở ra nhiều hướng mới trong chế tạo cảm biến [41]. Graphen được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau. Năm 2004, nhóm nghiên cứu Geim sử dụng băng dính tách lớp graphen từ graphit một cách đơn giản. Tuy nhiên, phương pháp đầu tiên tổng hợp graphen là ngưng hơi hóa học (CVD) lên bề mặt niken khi phân hủy etylen. Những năm gần đây graphen còn được tổng hợp bằng một số phương pháp khác như tổng hợp hóa học từ graphit, CVD lên tấm đồng từ hơi hidro và metan (phương pháp sử dụng trong luận án này) [92]. Compozit của graphen với polime được ứng dụng chế tạo cảm biến xác định rất nhiều các chất sinh học khác nhau [41, 81, 109, 159, 160, 174].
1.3.2.2. Ứng dụng hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại
Các kim loại quý dạng hạt nano (NPs) đóng vai trị quan trọng trong nghiên cứu chế tạo các cảm biến sinh học mới cũng như nghiên cứu phát triển các cảm biến chọn lọc và nhạy hơn để xác định các phân tử sinh học. Các kim loại quý với kích thước nano dễ chức năng hóa và diện tích bề mặt lớn nên tính chất quang điện đặc biệt phù hợp để chế tạo các loại cảm biến. NPs cũng được sử dụng để gia tăng tính chất ứng dụng cho các lớp phủ. Những hướng ứng dụng chính của NPs gồm: cảm biến sinh học nano để chẩn đoán bệnh trực tiếp trên bệnh nhân (Point-of-care); vi đầu dị (nanoprobe) trên sinh vật sống về hình ảnh hoặc cảm biến để theo dõi diễn biến bệnh tật; chế tạo các công cụ phục vụ nghiên cứu công nghệ nano. Thực tế, NPs là một trong những vật liệu công nghệ nano được ứng dụng nhiều nhất để chế tạo cảm biến sinh học. NPs có kích thước 1 đến 100 nm, tính chất của NPs do hiệu ứng kích thước khác biệt hồn tồn khi chúng ở kích thước thơng thường [148].
Compozit giữa kim loại nano và polime dẫn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác [33, 147], chế tạo thiết bị quang điện [118], chế tạo cảm biến [1, 25, 175], chế tạo thiết bị chống tĩnh điện [90]. Trong ứng dụng chế tạo điện cực biến tính, nhiều kết quả nghiên cứu quan trọng được công bố trên cơ sở kết hợp cấu trúc vô cơ của các kim loại nano với cấu trúc hữu cơ của polime dẫn. Ví dụ, hạt nano vàng được tổng hợp lên mạng polianilin bằng phương pháp điện hóa trực tiếp hình thành lớp compozit ký hiệu là GNPs-PANI giữa hai loại vật liệu nano và được ứng dụng xác định dopamin trong khoảng 3–115 µM với giới hạn phát hiện 0,8 µM [3]. Hạt nano vàng (AuNPs) cũng được tổng hợp bằng phương pháp von-ampe vòng lên bề mặt điện cực graphit [31], AuNPs được tổng hợp điện hóa tạo thành compozit với polipyrol hoặc polithiophen [5], AuNPs được tổng hợp và hấp phụ lên màng đơn lớp tự sắp (SAMs) để chế tạo cảm biến nhạy với H2O2 và cholesterol [1], cảm biến sinh học xác định
dopamin được chế tạo dựa trên cơ sở kết hợp nano cacbon và nano vàng được liên kết thionin có độ nhạy với dopamin tới 10 nM [135] và nhiều cơng trình nghiên cứu khác [35, 60, 85, 111, 136, 156, 172].
Hạt nano vàng (AuNPs) có nhiều tính chất đặc biệt như tỷ lệ giữa diện tích bề mặt trên thể tích lớn, tích chất điện tốt, hoạt độ bề mặt cao, kích thước hạt nhỏ. AuNPs cịn có thể tạo liên kết cộng hóa trị với các chất chứa nhóm CN, NH3, SH [142]. Kết hợp các loại vật liệu gồm chất điện môi hữu cơ, polime dẫn điện, hạt nano kim loại, các đơn lớp tự sắp và graphen để chế tạo cảm biến xác định DA là mục tiêu nghiên cứu của luận án. Hạt vàng nano được tổng hợp bằng một số phương pháp bao gồm phương pháp cả phương pháp vật lý và hóa học [56]. Trong đó, phương pháp tổng hợp điện hóa có nhiều ưu điểm như nhanh chóng, điều kiện thực nghiệm dễ dàng, chi phí thấp [32].
1.3.2.3. Ứng dụng polime dẫn, polime in dấu phân tử
a) Polime dẫn
Các polime dẫn (CPs) mang những tính chất quang và tính chất điện đặc biệt như các chất bán dẫn vô cơ hoặc kim loại nhưng lại vẫn có những tính chất của vật liệu hữu cơ. Ngay từ khi công bố khoa học bởi Shirakawa năm 1977, CPs được nghiên cứu ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó ứng dụng chế tạo cảm biến là một hướng nghiên cứu rất quan trọng. Ứng dụng polime dẫn điện để biến tính bề mặt điện cực được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ do lớp màng polime dẫn điện phủ lên bề mặt các điện cực thường có độ ổn định và độ tái lập cao [12]. Như đã tổng quan ở trên, để xác định DA đã có rất nhiều loại polime dẫn điện đã được sử dụng như poli hippuric [170], poli (2-picolinic) [171], poli (acridin red) [167], poli (p-aminobenzenesulfonic acid) [68], poli (amidosulfonic acid) [168], poli (vinyl alcol) [83], poli (Evans blue) [85], poli (p-nitrobenzenazo resorciol) [86] và nhiều polime khác.
nhiều ưu điểm trong chế tạo cảm biến do thuận lợi trong việc tạo thành các màng mỏng có hình thái ổn định và chính xác trên bề mặt điện cực. Tổng hợp màng polime bằng phương pháp điện hóa cũng được ứng dụng phổ biến nhờ có qui trình đơn giản ở nhiệt độ và áp suất thường. Tùy theo yêu 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. Trong phương pháp điện hoá, người ta thường sử dụng ba kỹ thuật sau để tổng hợp màng polime dẫn lên điện cực: phương pháp quét thế vòng, phân cực dòng tĩnh và phân cực thế tĩnh. Phương pháp tổng hợp hóa học thường được áp dụng khi muốn tổng hợp lượng lớn polime [62]. Ngồi ra, lớp polime cũng có thể được hình thành có thể bằng một số cách khác như nhỏ dung dịch polime lên điện cực rồi làm bay hơi dung môi, nhúng hoặc quay trong polime.
Polime dẫn điện được chia thành nhiều nhóm dựa trên bản chất chuyển điện tích, phụ thuộc cấu trúc hóa học của phân tử polime. Có hai nhóm chính polime dẫn điện gồm polime dẫn điện tử và polime dẫn ion. Polime dẫn điện tử lại được chia thành polime oxi hóa khử và polime dẫn điện tử trực tiếp [62]. Ngồi ra cịn có các loại compozit của nhiều vật liệu khác nhau được kết hợp và có bản chất hữu cơ nhưng có tính chất dẫn điện. Các polime oxi hóa khử (Redox polymers) có chứa các nhóm chức tĩnh điện trong khơng gian phân tử và có thể chuyển đổi giữa trạng thái oxi hóa và trạng thái khử, dẫn tới sự trao đổi và vận động của các điện tử. Ví dụ, phân tử poli (tetracyanoquinodimetan), poli (viologens) là những polime có các nhóm chức oxi hóa khử trực tiếp từ cấu trúc khung phân tử polime; Các polime như poli(tetrathiafulvalen), poli(vinyl- p-benzoquinon), poli(acryloyldopamin), poli(vinylferroxen) có các nhóm chức oxi hóa khử được “đính” vào nhờ dẫn xuất hóa; Các polime như peflorinat sulfonic axit (Nafion), poli (styren sulfonat), poli (4-vinylpyridin) là polime dẫn điện trên cơ sở trao đổi ion nhờ các trung tâm tĩnh điện.
Các polime dẫn điện compozit (còn gọi là vật liệu “lai” hay “hybrid”) là các vật liệu hình thành từ hệ chứa đồng thời các monome và các hợp chất hoặc ion khác. Khi được polime hóa trong thành phần vật liệu chứa và thể hiện tính chất bởi đồng thời các thành phần có mặt ban đầu. Ví dụ, sự hình thành compozit của 3,4- etylendioxythiophen (PEDOT) với hạt nano vàng [93], sự hình thành các compozit khi q trình tổng hợp hóa học hoặc điện hóa polime với các vật liệu cacbon nano [102]. Sự kết hợp các thành phần như các kim loại có hoạt tính xúc tác cao [53, 69, 76], các enzym [121], trong quá trình polime hóa tạo thành các compozit với nhiều tính chất ưu việt. Trong nhiều nghiên cứu, hoạt tính xúc tác hoặc điện dung được tăng cường do diện tích bề mặt được mở rộng. Các vật liệu này chứa đựng những khả năng ứng dụng rất lớn trong chế tạo cảm biến, siêu tụ điện, hoặc các mục đích xúc tác điện hóa khác.
Poli-3-metylthiophen (P3MT) là một trong những polime dẫn điện đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu để ứng dụng chế tạo cảm biến điện hóa. P3MT có thể được tổng hợp bằng phương pháp oxi hóa điện hóa từ dung dịch monome 3-metylthiophen (3MT). Do có khả năng xúc tác điện hóa nên một số chất đã được xác định bằng phương pháp điện hóa trên cơ sở biến tính điện cực bằng P3MT [98] hoặc compozit của P3MT [80, 162].
Nafion là polime có thể hình thành dễ dàng bằng cách nhỏ dung dịch lên bề mặt điện cực rồi cho bay hơi dung mơi. Do có tính chất đặc biệt chỉ dẫn cation mà không dẫn anion hoặc điện tử nên Nafion được ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu biến tính điện cực để cải thiện độ chọn lọc ion và làm chất dẫn