L ỜI CẢM Ơ N
3.3.2 Kết quả biến tính điện cực màng mỏng Platin
Màng mỏng Pt được sử dụng để khảo sát trong thực nghiệm chính là diện tích dùng để hàn dây của cảm biến glucoza dựa trên cấu trúc sợi nano Pt (hình I.4d). Từ ảnh AFM của màng Pt (hình 3.4a) có thể thấy màng được chế tạo tương đối đồng nhất, kích thước hạt khoảng 50-100 nm, độ gồ ghề bề mặt đánh giá bằng AFM là 0,911 nm.
Sau khi ngâm trong dung dịch chitosan và rửa lại lần lượt với NaOH và nước rồi để khô, có thể thấy dung dịch chitosan dạng keo đã tạo thành một lớp màng bao
phủ trên bề mặt điện cực Pt, do đó không còn phân biệt được từng hạt Pt riêng rẽ trên bề mặt điện cực (hình 3.4b).
Tiếp tục ngâm điện cực vào dung dịch glutaraldehyde và glucose oxidase ta sẽ thu được màng có dạng lỗ xốp như trong hình 3.4c. Chitosan, glutaraldehyde và enzyme kết hợp với nhau thành một lớp màng đồng nhất với nhiều lỗ xốp rải rác trên bề mặt. Sau khi biến tính với CHI/GAD/GOx, màng Pt vẫn có thể tiếp xúc với các phân tử gluconolactone do các lỗ xốp trên bề mặt màng CHI/GAD/GOx có kích thước khoảng 200-400 nm, lớn hơn rất nhiều so với kích thước của phân tử gluconolactone (~ 8 nm). Lớp màng chitosan dạng keo kết dính chắc với điện cực sẽ giữ cho enzyme không bị hòa tan trong dung dịch đệm phốt phát đồng thời hạn chế được oxi trong dung dịch đến điện cực và làm nhiễu phép đo.
Hình 3.4: Ảnh AFM của điện cực màng mỏng Pt trước và sau khi biến tính với
CHI/GAD/GOx (a) Màng mỏng Platin, (b) màng Pt/CHI, (c) màng
Pt/CHI/GAD/GOx, (d) màng Pt/GOx, diện tích quét 5x5 μm.
(c) (d)
3.2 CHỨNG MINH SỰ NGHIỆM ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH RANDLES-SEVČIK VÀ CHỌN KHOẢNG QUÉT THẾ
3.2.1 Xác định peak đặc trưng
Để xác định vị trí của peak đặc trưng, chúng tôi sẽ so sánh đồ thị quét thế vòng trong dung dịch nền và dung dịch glucoza, từ đó xác định được vị trí của peak đặc trưng và chọn được khoảng quét thế phù hợp để khảo sát peak đặc trưng.
Theo Cynthia G. Zoski thì đối với điện cực làm việc là Pt trong môi trường có độ pH khoảng 7-8 thì chỉ nên khảo sát quét thế vòng trong khoảng -1~1 V [14]. Chính vì vậy, đầu tiên chúng tôi quét thế vòng với điện thế trong khoảng này, dung dịch nền là dung dịch PBS 1/15 M pH 7,0 với vận tốc quét thế biến thiên từ 100 ~ 1000 mV/s. -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -300 -200 -100 0 100 200 I (A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.1: Đồ thị i-V của điện cực sợi nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch nền pH 7,0 nồng độ 1/15 M, vận tốc quét thế từ 100 ~ 1000 mV/s.
Từ kết quả quét thế vòng của sợi nano Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx (nw- CHI/GAD/GOx) trong dung dịch nền pH 7,0 (đồ thị 3.1) có thể thấy đối với dung dịch nền PBS, đồ thị i-V xuất hiện hai peak oxi hóa (ở các điện thế -0,8 V và -0,5 V) và ba peak khử (ở các điện thế -0,05 V; -0,55 V và -0,85 V). Khi tăng vận tốc quét thế, cường độ của các peak nền tăng tương ứng và không xuất hiện thêm peak
lạ, điều đó chứng tỏ dung dịch nền PBS rất ổn định và các phản ứng xảy ra trong dung dịch nền có vận tốc tương đối nhanh.
Đồ thị 3.2 là đồ thị i-V của điện cực sợi nano Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx trong dung dịch PBS và dung dịch glucoza nồng độ 2 mM, độ pH 7,0 và vận tốc quét thế là 300 mV/s. Trong dung dịch glucoza, ngoài các peak của nền còn xuất hiện thêm một peak oxi hóa ở khoảng điện thế -0,4~-0,2 V, đây chính là peak đặc trưng cho phản ứng oxi hóa khử glucoza tại điện cực Pt. Peak đặc trưng xuất hiện không kèm theo bất cứ peak nào khác nên có thể khẳng định là quá trình điện cực gây nên sự xuất hiện của peak này chính là một quá trình bất thuận nghịch.
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -300 -200 -100 0 100 I (A /cm 2 ) U (V)
Đồ thị 3.2: Đồ thị i-V của điện cực sợi nano Pt trong dung dịch nền và trong dung dịch glucoza 6 mM, pH 7,0, vận tốc quét thế 300 mV/s.
3.2.2 Giải thích sự xuất hiện của peak đặc trưng
Khi oxi hóa β-D-glucoza với xúc tác là enzyme glucose oxidase sẽ xảy ra phản ứng khử hydro tại vị trí C aldehyde (C1) tạo ra sản phẩm là gluconolactone theo phương trình sau:
β-D-glucoza + O2→ Gluconolactone + H2O2
cực và ức chế phản ứng tiếp tục xảy ra [21]. Vì thế, bước giải hấp sẽ đóng vai trò quan trọng quyết định tốc độ phản ứng. Anion PO43- sử dụng chính là để hạn chế điều này. Khi có mặt anion PO43- thì quá trình giải hấp sẽ được thúc đẩy, khi đó bề mặt điện cực Pt sẽ trở nên hoạt động hơn.
Phản ứng thủy phân axit gluconic xảy ra như sau:
Pt(C6H10O6)ads + H2O ' Pt(C5H11O5COOH)ads
Axit gluconic hấp phụ trên bề mặt điện cực Pt sẽ bị phân ly thành ion gluconate và ion H+ như sau:
Pt(C5H11O5COOH)ads' Pt(C5H11O5COO -)ads + H+
Sau đó, phản ứng oxi hóa điện hóa sẽ phân hủy ion gluconate hấp phụ trên bề mặt điện cực Pt thành CO2 theo phương trình sau [18]:
Pt(C5H11O5COO -)ads + H2O → CO2 + nH+ + ne - + Pt(H2O)ads
Điện tử tạo ra trong phản ứng phân hủy ion gluconate sẽ làm xuất hiện peak cường độ trong đồ thị i-V khi quét thế vòng. Đây là quá trình không thuận nghịch, và có thể khảo sát được bằng phương pháp quét thế vòng.
Hình 3.5: Mô hình trao đổi điện tử khi xảy ra phản ứng oxi hóa gluconolactone tại điện cực Platin.
3.2.3 Chứng minh phản ứng tuân theo phương trình Randles-Sevčik
Để khẳng định phản ứng oxi hóa của glucoza mà luận văn nghiên cứu có thể khảo sát được bằng phương pháp quét thế vòng, đầu tiên phải chứng minh được phản ứng này là phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán. Điều đó có nghĩa là phải chứng minh được phản ứng oxi hóa glucoza tại điện cực Pt xúc tác bởi glucose oxidase tuân theo phương trình Randles-Sevčik hay nói cách khác là cường độ peak đặc trưng (ip) tăng tuyến tính theo căn bậc hai của vận tốc quét thế (v1/2).
3.2.3.1 Trường hợp độ pH 7,0
Sau khi xác định được peak đặc trưng của phản ứng oxi hóa glucoza, chúng tôi chứng minh phản ứng oxi hóa glucoza tại điện cực Pt là phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán. Thực hiện quét thế vòng thuận nghịch sử dụng điện cực làm việc là điện cực sợi nano Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx và dung dịch khảo sát là dung dịch glucoza 6 mM độ pH 7,0. Kết quả được biểu thị trong đồ thị 3.3. Khi quét thế rất nhanh (1000 mV/s) cũng như rất chậm (100 mV/s), peak đặc trưng đều xuất hiện. Điều này có nghĩa là vận tốc chuyển điện tích của phản ứng oxi hóa gluconolactone rất nhanh do đó không làm ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng tại điện cực làm việc trong quá trình quét thế vòng. Khi tăng vận tốc quét thế, cường độ của các peak nền và peak đặc trưng đều tăng, đồng thời khoảng cách giữa dòng khử và dòng oxi hóa cũng tăng.
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -300 -200 -100 0 100 200 I ( A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.3: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 6 Mm pH 7,0, vận tốc quét thế thay đổi từ 100 ~ 1000 mV/s.
Từ đồ thị quét thế vòng của điện cực sợi nano nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza với vận tốc tăng dần, vẽ đồ thị cường độ peak đặc trưng theo căn bậc hai của vận tốc quét thế tương ứng như trong đồ thị 3.4. Giá trị cường độ của peak đặc trưng được xác định bằng phần mềm PGSdynamics HA151 và được so sánh với giá trị 0, các số liệu được trình bày trong bảng 3.1. Từ đồ thị I-v1/2 ta thấy Ipeak
tăng tuyến tính theo v1/2, với hệ số hồi quy R2 rất gần bằng 1 (~ 0,9955) nghĩa là mô hình hồi quy tuyến tính là rất phù hợp. Từ đó có thể khẳng định phản ứng oxi hóa gluconolactone trong môi trường pH 7,0 là phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán và có thể khảo sát định tính cũng như định lượng bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn.
Bảng 3.1: Cường độ peak oxi hóa tương ứng với v=100~1000 mV/s của điện cực
nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 6 mM, độ pH 7,0.
v (V/s) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 v1/2 (V/s) 0,316 0,447 0,548 0,632 0,707 1 Ipeak(A/cm2) 42,5 76,4 105 124 138 229 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 50 100 150 200 250 I peak (A /c m 2 ) v1/2 (mV/s) ipeak = 0.0037v1/2 + 0.1685 R2 = 0.9955
Đồ thị 3.4: Đồ thị I-v1/2 của peak đặc trưng đối với dung dịch glucoza 6 mM
độ pH 7,0. I tăng tuyến tính theo v1/2 chứng tỏ sự nghiệm đúng phương trình Randles- Sevčik.
3.2.3.2 Trường hợp độ pH 7,4
Trong môi trường pH 7,4, tiến hành quét thế vòng thuận nghịch trong khoảng -1~1 V tương tự như trong trường hợp độ pH 7,0. Đồ thị CV của điện cực
sợi nano Pt biến tính bằng CHI/GAD/GOx trong dung dịch nền PBS và dung dịch glucoza nồng độ 6, 10, 14 mM được minh họa trên đồ thị 3.5. Vận tốc quét thế là 100 mV/s. -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -300 -200 -100 0 100 200 I (A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.5: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch PBS và dung dịch glucoza 6, 10, 14 mM pH 7,4, vận tốc quét thế 100 mV/s.
Đồ thị CV của dung dịch nền PBS pH 7,4 có hình dạng tương tự như trường hợp pH 7,0 với hai peak oxi hóa (ở các điện thế -0,8 V và -0,5 V) và 03 peak khử (ở các điện thế -0,05 V, -0,55 V và -0,85 V). Tuy nhiên, peak oxi hóa ở thế -0,8 V trong trường hợp này có cường độ thấp hơn còn peak oxi hóa ở thế -0,6 V thì lại cao hơn trong môi trường pH 7,0 do nồng độ của KH2PO4 và Na2HPO4 trong hai môi trường này khác nhau.
Khi quét thế trong dung dịch glucoza, ta thấy đồ thị CV xuất hiện thêm một peak oxi hóa ở điện thế -0,4~-0,2 V, tương tự như trong trường hợp pH 7,0. Khi tăng nồng độ glucoza thì cường độ peak này tăng tương ứng. Đây chính là peak đặc trưng cho phản ứng oxi hóa glucoza tại điện cực Pt khi có xúc tác của glucose oxidase. Do peak đặc trưng trong hai trường hợp độ pH 7,0 và 7,4 đều xuất hiện trong khoảng -0,4~-0,2 V nên trong các phần sau chúng tôi thu nhỏ khoảng quét thế lại từ -0,6~0,8 V.
So với đồ thị CV của nền thì peak oxi hóa ở -0,8 V trong dung dịch glucoza có cường độ cao hơn, và cường độ peak này tiếp tục tăng khi tăng nồng độ glucoza.
Nhưng đây là peak đã xuất hiện ngay khi quét thế trong dung dịch nền nên peak oxi hóa ở điện thế -0,8 V không đặc trưng cho phản ứng.
Đồ thị 3.6 là đồ thị quét thế vòng của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 10 mM với vận tốc quét thế từ 100~1000 mV/s. Khi tăng vận tốc quét thế, cường độ peak đặc trưng tăng và khoảng cách giữa dòng oxi hóa và dòng khử cũng tăng, điều này phù hợp với biểu thức Randles-Sevčik đã chứng minh. Khi tăng vận tốc quét thế lên đến 1 V/s, đồ thị CV không xuất hiện thêm peak oxi hóa/khử nào, tuy nhiên peak đặc trưng bị tù đi, do đó sẽ khó xác định chính xác cường độ và điện thế của peak đặc trưng. Vì vậy không cần thiết phải khảo sát peak oxi hóa này với vận tốc quét thế quá nhanh.
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -300 -200 -100 0 100 200 300 I (A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.6: Đồ thị CV của điện cực nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 10 mM độ pH 7,4, khoảng quét thế từ -1~1 V, v=100~1000 mV/s.
Từ đồ thị CV trong hình trên, xác định cường độ các peak đặc trưng bằng phần mềm PGSdynamics HA151 sẽ thu được số liệu như trong bảng 3.2. Kết quả
hồi quy tuyến tính thực hiện bằng phần mềm Origin cho thấy đồ thị i-v1/2 có dạng đường thẳng Ipeak=240,3v1/2-27,029 với hệ số hồi quy là R2=0,9949. Do đó có thể khẳng định phản ứng oxi hóa glucoza tại điện cực Pt trong môi trường pH 7,4 là phản ứng khống chế bởi quá trình khuếch tán và có thể khảo sát được bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn.
Bảng 3.2: Cường độ peak oxi hóa tương ứng với v=100~1000 mV/s của điện cực
nw-CHI/GAD/GOx trong dung dịch glucoza 10 mM, độ pH 7,4.
v (V/s) 0,1 0,2 0,3 0,4 1 v1/2 (V/s) 0,316 0,447 0,548 0,632 1 Ipeak(A/cm2) 55,15 76,64 100,32 124,18 215,76 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 50 100 150 200 Ipeak=240.3v1/2-27.029 R2=0.9949 I pea k ( A /c m 2 ) v1/2(V/s)
Đồ thị 3.7: Đồ thị i-v1/2 của điện cực nw-CHI/GAD/GOx đối với dung dịch glucoza 10 mM độ pH 7,4.
3.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỆN CỰC SỢI NANO Pt
3.3.1 Kết quả khảo sát sợi nano Pt biến tính bằng GOx (nw-GOx)
3.3.1.1 Trường hợp độ pH 7,0
Enzyme GOx được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng oxi hóa glucoza trong thực nghiệm này có hoạt tính xúc tác cao nhất trong môi trường có độ pH là 7,0, do đó đầu tiên chúng tôi sẽ khảo sát với dung dịch glucoza có độ pH 7,0.
Sợi nano Pt biến tính bằng GOx được dùng làm điện cực làm việc trong hệ đo điện hóa và được khảo sát lần lượt với dung dịch nền PBS và dung dịch glucoza
nồng độ từ 2-20 mM. Khoảng quét thế từ -0,6~0,8 V và vận tốc quét thế là 100 mV/s. Kết quả khảo sát được minh họa trong đồ thị 3.8 (Phụ lục 2).
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 I ( A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.8: Đồ thị CV của điện cực nw-GOx trong dung dịch nền PBS và dung dịch glucoza 2-16 mM pH 7,0, vận tốc quét thế 100 mV/s.
Từ đồ thị CV trong hình trên, chúng tôi có một số nhận xét sau:
- Trong dung dịch nền, đồ thị CV chỉ xuất hiện một peak khử duy nhất ở điện thế -0,1~0,1 V. Đây là peak khử của oxi [7] và peak này luôn luôn xuất hiện trong hệ đo không loại bỏ hoàn toàn oxi. Trong dung dịch nền PBS, đồ thị CV không xuất hiện peak đặc trưng.
- Trong dung dịch glucoza, ngay khi nồng độ glucoza là 2 mM thì peak đặc trưng đã xuất hiện ở điện thế -0,4~-0,2 V với cường độ lên đến 4,47 A/cm2. Tiếp tục tăng nồng độ glucoza, cường độ peak đặc trưng tăng tương ứng và đạt cực đại 18,77 A/cm2 ở nồng độ 16 mM. Khi tăng nồng độ lên đến 20 mM thì cường độ peak đặc trưng không tăng nữa.
Xác định cường độ các peak ứng với các nồng độ glucoza khác nhau của đồ thị CV trong hình trên bằng phần mềm PSGdynamics HA151, giá trị cường độ được so với trục hoành (i=0). Số liệu được trình bày trong bảng 3.3. Từ đó vẽ đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza như trong đồ thị 3.9.
Bảng 3.3: Cường độ peak oxi hóa của điện cực nw-GOx trong dung dịch glucoza pH 7,0 nồng độ 2-16 mM, v=100 mV/s, khoảng quét thế -0,6~0,8 V. Cglc (mM) 2 4 6 8 10 12 14 16 Ipeak (A/cm2) 4,47 7,18 9,89 11,74 13,62 15,63 17,21 18,77 2 4 6 8 10 12 14 16 4 6 8 10 12 14 16 18 20 I p=1.008*C glc+3.2414 R2=0.99 I peak (A /c m 2 ) U (V)
Đồ thị 3.9: Đường chuẩn cường độ peak đặc trưng theo nồng độ glucoza của
điện cực nw-GOx trong môi trường pH 7,0, vận tốc quét thế 100 mV/s.
Từ đồ thị Ipeak-Cglc của điện cực nw-GOx trong môi trường pH 7,0, chúng