Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của Luận văn là sử dụng các phương pháp điện hóa để nghiên cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực. Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực. Phương pháp chrono amperometric và phương pháp amperometry dùng để xác định nồng độ glucose. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC THÁI NGUYÊN – 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH Hóa Phân Tích Mã ngành: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 04 năm 2018 Tác giả luận văn Đỗ Thị Ngọc Ánh Xác nhận của Xác nhận Trưởng khoa chuyên môn của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan TS. Nguyễn Quốc Dũng i
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành TS. Nguyễn Quốc Dũng, là thầy giáo trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Hoá lý - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và các bạn đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Bộ môn Vật lý - Lý Sinh, Trường Đại học Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm. Báo cáo này được sự hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của đề tài nghiên cứu NAFOSTED mã số 103.02-2016.63 do TS. Nguyễn Quốc Dũng chủ trì. Tôi xin trân thành biết ơn sự giúp đỡ to lớn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 04 năm 2018 Tác giả Đỗ Thị Ngọc Ánh ii
MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ..................................................................................................................i Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt ............................................................................iv Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... v Danh mục các hình .......................................................................................................vi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3 1.1. Khái niệm cảm biến sinh học Glucose ........................................................... 3 1.2. Các thế hệ cảm biến glucose ........................................................................... 5 1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất ..................................................5 1.2.2. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai ....................................................6 1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba .....................................................6 1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzym ...............................................7 1.3. Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực ..................................... 13 1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học ............................................................. 13 1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến sinh học ................................................................................................................15 1.4. Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuS ........ 16 Chương 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................... 18 2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ............................................................................ 18 2.1.1. Dụng cụ và thiết bị .....................................................................................18 2.1.2. Hóa chất......................................................................................................18 2.1.3. Xử lý đế ITO .............................................................................................. 18 2.2. Chế tạo điện cực ........................................................................................... 19 2.2.1. Chế tạo Cu ..................................................................................................19 2.2.2. Chế tạo CuS ................................................................................................ 19 2.2.3. Tiến hành phủ CuS lên đế ITO ..................................................................19 iii
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 19 2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................19 2.3.2. Phương pháp phổ Raman ...........................................................................21 2.3.3. Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) ....................................21 2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuS/ITO đối với glucose........ 22 2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch .................................................. 22 2.6. Nghiên cứu trên mẫu thực............................................................................. 22 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 22 3.1 Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu và CuS ............................................. 23 3.2 Tính điện hóa của điện cực CuS/ITO xác định nồng độ glucose trong nước 27 3.3. Phương pháp chronoamperometry (CA) phân tích nồng độ glucose trong dung dịch.............................................................................................................. 33 3.4. Phương pháp amperometry (AP) phân tích nồng độ glucose trong dung dịch 40 3.5. Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực............................ 43 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 49 KIẾN NGHỊ................................................................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51 PHỤ LỤC iv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên tiếng việt Tên tiếng Anh Viết tắt Indi Thiếc Oxit Indium Tin Oxide ITO Scanning Electronic Hiển vi điện tử quét bề mặt SEM Microscope Nhiễu xạ tia X X-ray Diffraction XRD Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia X EDS spectroscopy Trừ dòng nền TDN Quá trình điện di Electrophoresis EDP deposition process Chronoamperometry Chronoamperometry CA Amperometry Amperometry AP iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Chrono amperometry ........................40 Bảng 3.2. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Amperometry ....................................43 Bảng 3.3. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,45V ......................................44 Bảng 3.4. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,4V ........................................45 Bảng 3.5. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................46 Bảng 3.6. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương pháp AP sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................48 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học ................................................................................4 Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7 ....................................8 Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ được đề xuất bởi Pletcher ...................................................................................................9 Hình 1.4. Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử và M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa .............................................10 Hình 1.5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân thành axit gluconic ............................................................................................... 11 Hình 1.6. Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO .......................................................... 12 Hình 1.7. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose .............................. 13 Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực...................................................................14 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM) .....................................20 Hình 3.1. Ảnh SEM của Cu & CuS dạng bột: (a) Cu; (b) CuS ...................................23 Hình 3.2. Ảnh SEM của CuS trên đế ITO ...................................................................24 Hình 3.3. Phổ EDS của CuS trên đế ITO ....................................................................25 Hình 3.4. Phổ Raman của CuS: (a) CuS ở dạng bột; (b) CuS màng trên đế ITO .......26 Hình 3.5. Quá trình quét thế vòng với tốc độ quét thế 20 mV/s của điện cực (a) ITO và (b) CuS/ITO trong NaOH 0,1M ................................................28 Hình 3.6. Sơ đồ oxi hóa glucose trên điện cực CuS ....................................................29 Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li nền đối với quá trình phản ứng glucose tại điện cực: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M ......30 Hình 3.8. Dòng TDN của điện cực CuS/ITO đối với các nồng độ chất điện li NaOH khác nhau: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M ..........32 Hình 3.9. Dòng CA của điện cực CuS/ITO trong dung dịch NaOH 0,1M khi không có và khi có mặt glucose 1 mM .......................................................34 Hình 3.10. Sự phụ thuộc mật độ dòng của điện cực CuS/ITO khi không có mặt và khi có mặt glucose 1 mM ở các thế: a) 0,35V; b) 0,4V; c) 0,45V; d) 0,5V;e) 0,55V; f) 0,6V; g) 0,65V; h) sự phụ thuộc dòng TDN của điện cực vào các thế khác nhau .......................................................................35 Hình 3.11. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V: a) từ 0 đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........36 vi
Hình 3.12. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V: a) từ 0 đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........37 Hình 3.13. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V: a) từ 0 đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........38 Hình 3.14. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V: a) từ 0 đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........39 Hình 3.15. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V ...................................................................................................................41 Hình 3.16. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V .....41 Hình 3.17. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V ...................................................................................................................42 Hình 3.18. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V .....42 Hình 3.19. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,45V (* chỉ các mẫu glucose trong nước) ..................................................................................44 Hình 3.20. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,4V (* chỉ các mẫu glucose trong nước) ..................................................................................45 Hình 3.21. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các mẫu glucose trong nước) ..........................................................................46 Hình 3.22. Dòng AP phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các mẫu glucose trong nước) ..........................................................................47 vii
MỞ ĐẦU Bệnh đái tháo đường, thường được gọi là bệnh tiểu đường, nó đã trở thành một bệnh phổ biến. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, có khoảng 350 triệu người trên toàn thế giới bị bệnh tiểu đường, và người ta dự báo bệnh đái tháo đường sẽ là nguyên nhân thứ 7 gây tử vong cao vào năm 2030 [9]. Bệnh tiểu đường được đặc trưng bởi tăng lượng glucose (đường) trong máu, có thể là do sản xuất insulin không đủ trong cơ thể (bệnh tiểu đường loại 1) hoặc do bản thân cơ thể không có khả năng sử dụng insulin tự sản xuất (tiểu đường loại 2) [22]. Insulin là một hooc môn giúp các tế bào của cơ thể được hấp thụ được glucose trong máu. Cả hai loại bệnh tiểu đường loại 1 và loại 2 có thể được điều trị bằng cách cung cấp cho cơ thể lượng insulin cần thiết. Tuy nhiên, nếu insulin không được cung cấp, mức đường trong máu có thể tăng đến mức mà mắt, thận, tim và các dây thần kinh có thể bị tổn thương [22]. Cả việc giám sát chính xác và kiểm soát chặt chẽ mức glucose trong máu là cần thiết để chẩn đoán và điều trị bệnh tiểu đường. Do đó, thường xuyên kiểm tra nồng độ glucose sinh lý là rất quan trọng để tránh nguy cơ tiểu đường như hạ đường huyết trong máu (nồng độ đường trong máu rất thấp) cũng như ngăn ngừa các biến chứng lâu dài phát sinh bao gồm nhồi máu cơ tim, đột quỵ, cao huyết áp, suy thận, mù lòa và cắt bỏ chi [32]. Người ta khuyên bệnh nhân mắc bệnh đái tháo đường phải kiểm tra lượng đường trong máu hàng ngày để đảm bảo chúng nằm trong phạm vi an toàn. Do đó, để chăm sóc và quản lý bệnh đái tháo đường đúng cách, đo lượng đường trong máu chính xác là rất quan trọng. Các phép đo này thường được thực hiện bằng xét nghiệm máu. Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị dùng để đo nồng độ glucose đã được nghiên cứu và chế tạo [1]. Công nghệ cảm biến đã phát triển rất nhanh và trở thành công cụ phân tích rất hữu dụng với ứng dụng chính chủ yếu trong y học. Ngày nay, cảm biến sinh học glucose đóng vai trò quan trọng, là thiết bị tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. 1
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng các phương pháp điện hóa để nghiên cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực. Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực. Phương pháp chrono amperometric và phương pháp amperometry dùng để xác định nồng độ glucose. Để tăng cường khả năng tính nhạy glucose và giảm giá thành sản phẩm đòi hỏi phải có phương pháp mới, vật liệu mới và quy trình chế tạo đơn giản. Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã lựa chọn vấn đề nghiên cứu của luận văn là: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm lượng glucose trong huyết thanh” 2
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm cảm biến sinh học Glucose Ngày nay, việc xác định glucose càng đòi hỏi độ nhạy, độ chọn lọc cao, ổn định, dễ chế tạo và không độc. Cảm biến glucose là thiết bị dùng để xác định nồng độ glucose trong dung dịch. Glucose được xác định bằng cách chuyển thành tín hiệu đo được. Để đáp ứng được những nhu cầu này, một bước tiến tới cảm biến glucose không dùng enzym đã được phát triển. Những cảm biến mới này đã thu được sự quan tâm đáng kể do khả năng của chúng đạt được để theo dõi lượng glucose một cách liên tục, có độ ổn định cao so với cảm biến glucose truyền thống và dễ chế tạo. Nghiên cứu đã được mở rộng hướng tới việc cảm biến glucose không dùng enzym từ các vật liệu mới, thường có cấu trúc micro hoặc nano, có các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cảm biến sinh hóa điện hóa. Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu bao gồm các kim loại quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme, v.v được nghiên cứu như là chất xúc tác điện hóa đối với quá trình oxy hóa glucose. Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: Đầu thu sinh học: có tác dụng xác định sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo được; Bộ phận thiết bị xử lý và đọc tín hiệu ra: có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý [8]. Đầu thu sinh học phân tử có thể là: enzym, kháng thể, phân tử axit nucleic và vi sinh vật, v.v [5]. Bộ phận chuyển đổi bao gồm: chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ [26], trong đó chuyển đổi điện hóa đóng vai trò chủ yếu do chúng có tính chọn lọc, độ nhạy cao, duy trì ổn định và giá thành rẻ. Cảm biến điện hóa được chia thành nhiều loại khác nhau như: Cảm biến thế, cảm biến dòng [15], [29]. Cảm biến sinh học được ứng dụng chủ yếu trong quân đội thử nghiệm, phân tích nhanh nhằm xác định vũ khí sinh học. Cảm biến sinh học còn được ứng dụng trọng 1 3
số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [5]. Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzym được ứng dụng rộng rãi nhất và đã được đưa vào nghiên cứu từ nhiều thế kỉ trước. Nhìn chung, việc xác định nồng độ glucose dựa vào phản ứng với một trong ba enzym: Hexokinase, Glucose oxidase (GOx) và Glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [11]. Hexokinase được sử dụng chủ yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai enzym: GOx và GDH. Các enzym này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối với glucose [17]. Xúc tác bởi enzym GOx có nhiều ưu điểm như: sự chọn lọc cao với glucose, thích ứng với sự thay đổi pH, lực ion, nhiệt độ, do đó các nhà khoa học có thể linh hoạt trong quá trình áp dụng chúng trong thực nghiệm [13], [17]. Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzym GOx cho quá trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và hidro peoxit [38]. Để có thể hoạt động với vai trò như một chất xúc tác, GOx cần một cơ chất gắn thêm vào có đặc tính khử (cofactor) – Flavin ađênin nucleotit (FAD). FAD hoạt động như một chất nhận electon chuyển thành FADH2 Glucose + GOx – FAD+ Axit gluconic + GOx – FADH2 4
Cofactor ban đầu được tái tạo lại bằng phản ứng: GOx – FADH2 + O2GOx – FAD + H2O2 H2O2 sinh ra bị oxi hóa tại điện cực Pt, mật độ dòng tỉ lệ với lượng H2O2 sinh ra và do đó tỉ lệ với lượng glucose cần đo [14]. H2O2 2H+ + O2 + 2e Ba phương pháp đo phổ biến được sử dụng cho cảm biến điện hóa glucose đó là: đo sự tiêu thụ oxi, đo lượng H2O2 sinh ra hoặc sử dụng chất trung gian để chuyển electron từ GOx đến điện cực. 1.2. Các thế hệ cảm biến glucose 1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzym lần đầu tiên được chế tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyons, trong đó enzim GOx được đặt lên điện cực oxy thông qua màng bán thấm [8]. Sự giảm nồng độ oxi tỉ lệ với nồng độ glucose. Hai nhà khoa học Updike và Hicks đã đơn giản hóa sự phân tích điện hóa glucose bằng cách duy trì ổn định enzym GOx. Họ cố định GOx trong tấm gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [36]. Cảm biến sinh học glucose sử dụng công nghệ của Clark có tính chất thương mại mang lại thành công đầu tiên cho công ty Yellow Springs Instrument. Bằng cách đo trực tiếp nồng độ glucose năm 1975 dựa trên sự xác định dòng của H2O2. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất được dựa trên việc sử dụng chất nền oxy tự nhiên và đo nồng độ H2O2 tạo ra. Nguyên tắc của phương pháp là H2O2 sinh ra bị oxi hóa hoặc khử tại điện cực theo các phương trình sau: H2O2 + 2e  2OH- (dòng catot) H2O2+2H+ +2e  2H2O (dòng anot) Phương pháp trên khá đơn giản, tuy nhiên có nhược điểm do ảnh hưởng của oxi hòa tan trong dung dịch và H2O2 sinh ra bị oxi hóa ở thế rất dương hoặc bị khử ở thế rất âm nên ảnh hưởng của chất nhiễu là rất đáng kể. Do đó để có độ chọn lọc cao thì phải chọn thế thấp, tuy nhiên khi đó độ nhạy là rất thấp. 5
1.2.2. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai Do sự phụ thuộc vào oxi trong cảm biến thế hệ thứ nhất nên cần phải có chất đi cùng khác thay thế cho oxi, chúng được gọi là chất khử trung gian, thuận lợi cho quá trình chuyển electron từ enzym đến bề mặt điện cực làm việc [24]. Kết quả là thế áp vào phụ thuộc vào thế của cặp oxi hóa khử của chất trung gian: Glucose + GOx (Ox) axit gluconic + GOx (Khử) GOx (Khử) + 2 M(Ox)  GOx (Ox) + 2M(Khử) + 2H+ 2M (Khử) 2M (Ox) + 2e Vòng chuyển đổi chất trung gian như vậy sẽ sinh ra một dòng phụ thuộc vào nồng độ của glucose. Một số lượng lớn các chất trung gian như: ferrocenes (C10H10Fe), ferricyanide ([Fe(CN)63-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp [4]. Trong số đó, ferrocenes đáp ứng được tất cả các tiêu chí của một chất trung gian như không phản ứng với oxi, duy trì ổn định cả ở dạng khử hay dạng oxi hóa, không phụ thuộc vào pH, phản ứng nhanh với enzym [6]. Trong những năm 80, việc ứng dụng các chất trung gian trong cảm biến sinh học glucose và đưa các sản phẩm thương mại để đo nồng độ glucose trong máu được đẩy mạnh và đã mang lại nhiều dấu ấn đáng kể [25], [43]. Máy đo nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc. Dựa trên enzym Glucose dehydrodenase Pyrroloquinolinen Quinone (GDH-PQQ) và chất trung gian ferrocene [25]. Thành công này đã dẫn tới cuộc cách mạng trong y học cho các bệnh nhân bị tiểu đường. 1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba dựa trên sự truyền electron trực tiếp giữa enzym và điện cực mà không cần có mặt của chất trung gian. Với sự thay thế các các chất trung gian có độc tính cao, điện cực có thể trao đổi electron trực tiếp bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn điện hữu cơ [23]. Bởi vậy, thế hệ cảm biến glucose thế hệ thứ ba đã dẫn đến sự ra đời của các thiết bị cấy ghép cải tiến trong việc xác định nồng độ glucose trong máu. Các muối hữu cơ dẫn điện như tetrathiafulvalence-tetracuanoquinodimethane (TTF-TCNQ) được biết đến 6
là chất trung gian điện hóa của GDH-PQQ hay GOx. Sự có mặt của chất trung gian dẫn đến sự chọn lọc tương đối cao. Glucose + GOx(Ox) Axit gluconic + GOx (Khử) GOx (Khử) GOx (Ox) + e Tuy nhiên, chỉ có một số vài enzym trong đó có peroxidase thể hiện được đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [18], [43]. Ngoài ra, còn có nhiều cách tiếp cận khác trong việc khảo sát sự truyền electron trực tiếp ở cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba như sử dụng: TTF-TCNQ có cấu trúc tinh thể hình que [23], GOx/polypyrole [28], [33]. Một số bán dẫn của oxit kim loại cũng được sử dụng như là vật liệu cho cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba. Mặc dù có độ nhạy, độ chọn lọc cao nhưng cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba vẫn phải đối diện với vấn đề cố hữu của nó, đó là việc sử dụng enzym. Với bản chất tự nhiên của enzym là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt độ thấp và enzym dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo. 1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzym Việc sử dụng điện cực không dùng enzym đối với cảm biến glucose được xem như là cảm biến glucose thế hệ thứ tư trong đó glucose bị oxi hóa trực tiếp tại điện cực. Nó được khảo sát lần đầu tiên cách đây hàng thế kỉ bởi Walther Loeb dựa trên sự oxi hóa điện hóa của glucose trong axit sunfuric tại điện cực anot bằng chì. Điện cực này xuất hiện trước cả điện cực oxy của Clark và sau đó được nghiên cứu và phát triển song song với điện cực enzym. Mặc dù, cảm biến glucose thế hệ thứ tư đã khắc phục được nhiều những vấn đề gặp phải đối với cảm biến glucose sử dụng enzym. Tuy nhiên bị giới hạn bởi độ chọn lọc kém và động học của quá trình oxi hóa glucose chậm tại nhiều điện cực “trần”, sự gây nhiễu đối với điện cực của những phần tử trong mẫu thật. Do đó các vật liệu khác nhau dùng để biến tính điện cực đã được nghiên cứu bao gồm các kim loại chuyển tiếp (Pt, Au, Ni, Cu), kim loại oxit, chất bán dẫn (CuO, NiO, CuS), hợp kim 7
(Pt,Pb, Pt,Ru), phức chất (Coban phthalocyanine) và cacbon (dựa trên carbon nanotube, kim cương biến tính boron). Như ta đã biết glucose trong nước tồn tại ở 3 dạng giữa dạng mạch hở và 2 dạng  và  được gọi là sự quay hỗ biến được mô ta như hình 1.2. Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7 Trên hình 1.2 ta thấy dạng  mạch thẳng có nhóm andehit tự do nằm trung gian giữa 2 dạng  và  ở dạng mạch vòng. Khi ở trạng thái cân bằng trong nước tỉ lệ các dạng :: lần lượt là 37:0,003:63 cho thấy hầu hết chúng tồn tại ở dạng mạch vòng. Cơ chế của quá trình xúc tác của điện cực phụ thuộc vào tâm của kim loại chuyển tiếp. Chất phân tích được hấp phụ lên bề mặt điện cực thông qua liên kết gây bởi electron d và obitan d của kim loại trên bề mặt điện cực [30]. Quá trình xúc tác điện hóa thường được thấy xảy ra thông qua sự hấp phụ của chất cần phân tích lên bề mặt điện cực, một quá trình có thể liên quan đến electron d và obitan d trên bề mặt kim loại tạo một liên kết với chất bị hấp phụ [30]. Pletcher gợi ý rằng quá trình xúc tác có thể diễn ra thông qua một bước kết hợp, tức là quá trình tách hiđro diễn ra đồng thời với quá trình hấp phụ các phần tử hữu cơ. Quả thực, bước xác định tỉ lệ trong hầu hết các thực nghiệm oxi hóa điện hóa 8
glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [20] (hình 1.2) và sự hấp phụ hóa học của các chất phân tích được coi là xảy ra đồng thời. Điều này có nghĩa là các tâm hoạt động của kim loại có thể sẽ bị chiếm bởi chất hấp phụ đơn lẻ bất cứ lúc nào như sơ đồ hình 1.3. Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ được đề xuất bởi Pletcher Như vậy trong quá trình chế tạo và nghiên cứu chất xúc tác điện hóa, cả yếu tố electron và hình học cần phải được chú ý để khai thác triệt để sự tăng cường động học phản ứng bằng cách cung cấp các tâm hấp phụ và gia tăng diện tích bề mặt. Tuy nhiên, đề xuất trung tâm kim loại chuyển tiếp hoạt động trên điện cực chỉ giải thích quá trình hấp phụ trên bề mặt mà không xem xét đến vai trò của oxi hóa của các gốc hidroxyl được đưa ra trong nhiều bài báo đã xuất bản [20], [37] rằng quá trình oxi hóa điện hóa glucose và nhiều phân tử hữu cơ khác xảy ra với sự bắt đầu là sự nhóm OHhp hấp phụ. Burke [3] đã thảo luận tầm quan trọng của lớp hidroxit kim loại trong quá trình xúc tác điện hóa và đã đề xuất mô hình IHOAM (Incipient Hydrous Oxide Adatom Mediators). Theo mô hình này những nguyên tử bề mặt hoạt động trải qua một bước oxi hóa và hình thành lên lớp OHhp. Cơ chế xúc tác theo mô hình này được thể hiện trên hình 1.4. 9
Hình 1.4. Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử và M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa Trên hình 1.4 ta thấy vai trò xúc tác của cặp oxi hóa/khử M[OH]ads/M*, trong đó glucose nhận electron từ dạng oxi hóa M[OH]ads tạo thành sản phẩm gluconolacton và dạng khử M*, M*sau đó sẽ cho electron với điện cực. Mô hình này thích hợp với kim loại nhóm platin và vàng. Nhóm hydroxyl cũng đóng vai trò quan trong quá trình điện phân glucose tại điện cực niken và điện cực đồng. Một lượng lớn các nghiên cứu cảm biến glucose không enzym là bắt đầu với kim loại quý như Pt và Au. Nhiều nhà nghiên cứu đã phám phá những biểu hiện của glucose tại điện cực Pt trong các môi trường khác nhau như axit [34], trung tính và kiềm [37]. Một lượng lớn các tác giả đã chỉ ra rằng sản phẩm duy nhất của quá trình oxi hóa glucose là gluco--lacton sau đó thủy phân thành axit gluconic trong bất kỳ điều kiện pH nào. 10