Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực

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

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm chế tạo vật liệu điện cực trực tiếp vật liệu lên đế dẫn điện ITO bằng phương pháp kết tủa điện hóa sử dụng thiết bị điện hóa Autolab 302N – thiết bị sử dụng hệ 3 điện cực. 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 Khoa học vật chất: Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN HỒNG NHUNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƢỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG GLUCOSE TRONG MẪU THỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN HỒNG NHUNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuO/ITO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC GLUCOSE VÀ BƢỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG GLUCOSE TRONG MẪU THỰC Chuyên ngành: Hóa Phân Tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng THÁI NGUYÊN - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuO/ITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực” 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 9 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Nhung Xác nhận Xác nhận của Trƣởng khoa chuyên môn của giáo viên hƣớng 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, thầy giáo trực tiếp hướng dẫn em làm 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 9 năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Nhung 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 Chƣơng 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 3 1.1. Tổng quan về 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 .................................................. 7 1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzim ............................................. 8 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 .............................................................................................................. 14 1.4. Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO ..... 16 Chƣơng 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. Điện phân tạo màng .................................................................................... 19 2.3. Khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu ......................................... 20 iii
2.3.1. Phương pháp quét điện tử bề mặt (SEM) ................................................ 20 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................ 21 2.3.3. Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) ................................. 22 2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose .... 23 2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch ................................................ 23 2.6. Nghiên cứu trên mẫu giả thực .................................................................... 23 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 25 3.1. Ảnh hưởng của dung dịch chất điện li đến quá trình điện phân tại điện cực ITO ...................................................................................................... 25 3.2. Cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu ....................................................... 28 3.3. Ảnh hưởng của chất điện li nền dùng để chế tạo điện cực đến khả năng phản ứng của glucose tại điện cực CuO/ITO............................................ 31 3.4. Ảnh hưởng của thế đến quá trình điện hóa ................................................. 36 3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình điện phân ..................................... 38 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li NaOH đến quá trình phản ứng của glucose tại điện cực ..................................................................................... 40 3.7. Phương pháp chronoamperometry phân tích nồng độ glucose trong dung dịch ........................................................................................................... 42 3.8. Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực ......................... 45 KẾT LUẬN....................................................................................................... 47 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 49 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................ 55 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 CuO được chế tạo từ dung dịch CuO-C/ITO CuSO4 0,1M CuO được chế tạo từ dung dịch CuO-H/ITO CuSO4 0,1M; H2SO4 0,1M CuO được chế tạo từ dung dịch CuO-N/ITO CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M CuO được chế tạo từ dung dịch CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M bằng CuO-N-n/ITO cách lắng đọng điện hóa ở các thế 0 đến n V iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1. So sánh kết quả mẫu thực và đo từ điện cực CuO/ITO được chế tạo ... 46 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang 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 1.9. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM)........................... 20 Hình 1.10. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể .................................. 21 Hình 2.1. Quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO ................................................ 23 Hình 3.1. Quá trình quét thế vòng của đế ITO từ +0,6 V đến -0,9 V với tốc độ quét thế là 20 mV/s trong các dung dịch khác nhau: a) CuSO4 0,1M; b) CuSO4 0,1M; H2SO40,1M; c) CuSO4 0,1M; H2SO40,1M; d) cả 3 đường trên cùng đồ thị ................................... 25 Hình 3.2. Sự phụ thuộc mật độ dòng theo thời gian của quá trình khử Cu 2+ tại điện cực từ các dung dịch chất điện li khác nhau ........................ 28 Hình 3.3. Ảnh SEM của CuO được chế tạo từ a) CuSO4 0,1M; b) CuSO4 0,1M; H2SO4 0,1M; c) CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M; d) so sánh kích thước hạt CuO trong hình a, b và c .......................................... 29 Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của điện vật liệu CuO trên đế ITO...................... 30 Hình 3.5. Phổ EDS của CuO trên đế ITO.......................................................... 31 Hình 3.6. Quá trình quét thế vòng từ 0 – 0,8V với tốc độ quét thế 20 mV/s của các điện cực a) CuO-C/ITO; b) CuO-H/ITO; c) CuO-N/ITO khi không và có mặt glucose 1 mM trong dung dịch chất điện li NaOH 0,1M....................................................................................... 32 vi
Hình 3.7. Quá trình trừ dòng nền theo chiều quét dương của quá trình quét thế vòng đối với các điện cực CuO-C/ITO, CuO-H/ITO và CuO-N/ITO .. 34 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của mật độ dòng TDN vào nồng độ glucose của các điện cực a) CuO-C/ITO, b) CuO-H/ITO, c) CuO-N/ITO trong môi trường chất điện li NaOH 0,1M; d) mật độ dòng đỉnh của quá trình oxi hóa glucose của các điện cực CuO/ITO vào nồng độ ................... 35 Hình 3.9. Dòng TDN của các điện cực CuO-N/ITO đối với các nồng độ glucose khác nhau trong dung dịch điện li NaOH 0,1M của các điện cực a) CuO-N-3/ITO, b) CuO-N-4/ITO, c) CuO-N-5/ITO, d) CuO-N-6/ITO, và d) CuO-N-7/ITO và e) Sự phụ thuộc peak vào nồng độ của các điện cực CuO-N/ITO ............................................... 37 Hình 3.10. Sự phụ thuộc thế oxi hóa vào nồng độ của các điện cực CuO- N/ITO ở các điều kiện chế tạo khác nhau ...................................... 38 Hình 3.11. Dòng TDN của các điện cực với thời gian điện phân khác nhau ........ 39 Hình 3.12. 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 và d) sự phụ thuộc dòng TDN của điện cực và nồng độ ở các nồng độ NaOH khác nhau. ............................................. 40 Hình 3.13. Sự phụ thuộc thế oxi hóa glucose vào nồng độ glucose ở 3 nồng độ chất điện li NaOH là 0,01M; 0,1M và 1M ................................ 41 Hình 3.14. Dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO trong dung dịch NaOH 0,1M khi không có và khi có mặt glucose 1 mM ....... 42 Hình 3.15. Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry của điện cực CuO/ITO khi không có và khi có glucose 1 mM............................................ 43 Hình 3.16. Dòng chronoamperometry của điện cực đối với glucose nồng độ: (a) từ 0 đến 2000 µM và (b) từ 0 đến 50 µM .................................... 44 Hình 3.17. Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry sau 20 giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 5 µM đến 8 mM ........................ 45 Hình 3.18. Dòng chronoamperometry phụ thuộc vào nồng độ các mẫu thực (*: chỉ các mẫu glucose trong nước)...................................... 45 vii
MỞ ĐẦU Đái tháo đường hay còn gọi là bệnh tiểu đường là nhóm bệnh rối loạn chuyển hóa cacbohydrat, mỡ và protein. Đây là nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng số ca tử vong do bệnh tật ở các nước phát triển, ước tính tại Mỹ có khoảng 20,4 triệu ca mắc bệnh đái tháo đường năm 2003 – 2006 [13], con số này được dự đoán có thể tăng tới 48,3 triệu người vào năm 2050[35]. Tổ chức Y tế thế giới cho biết, số người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới năm 2000 khoảng 171 triệu người và dự đoán sẽ tăng lên 366 triệu người vào năm 2030 [55]. Nguyên nhân chính của sự gia tăng nhanh chóng số ca mắc bệnh trên là do lối sống ít vẫn động kết hợp với thói quen ăn uống dẫn đến tỷ lệ béo phì cao. Đã có nhiều thí nghiệm được áp dụng trong việc chẩn đoán và theo dõi triệu chứng của bệnh đái tháo đường.Trong đó, việc xác định nồng độ glucose trong máu là một trong những công cụ hữu hiệu cung cấp các số liệu nhằm tối ưu hóa hoặc thay đổi các phương thức điều trị cho phù hợp[28]. Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị để đo nồng độ glucose đã được nghiên cứu, chế tạo[5]. 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. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng hai phương pháp đo để nghiên cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực đó là phương pháp quét thế vòng và phương pháp chronoamperometry. Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện cực trong khi phương pháp chronoamperometry 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. Chính vì vậy, chúng tôi chế tạo vật liệu điện cực trực tiếp vật liệu lên đế dẫn điện ITO 1
bằng phương pháp kết tủa điện hóa sử dụng thiết bị điện hóa Autolab 302N – thiết bị sử dụng hệ 3 điện cực. 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 CuO/ITO ứng dụng trong cảm biến sinh học glucose và bước đầu nghiên cứu, xác định hàm lượng glucose trong mẫu thực” 2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cảm biến sinh học glucose Cảm biến sinh học được định nghĩa như là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi [46]. Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: (i) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích;(ii) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được; (iii) Bộ phận xử lý, 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 [12],[48]. Đầu thu sinh học phân tử bao gồm: Đầu thu, enzim, kháng thể, phân tử axit nucleic và vi sinh vật [9], [27]. 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[36], 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 [21], [39], [45]. Mặc dù các phép phân tích điện hóa cổ điển bắt đầu vào năm 1922, khi Heyrovsky đã phát minh ra điện cực giọt thủy ngân và đã đạt giải Nobel, kể từ đó điện cực làm từ kim loại hiếm và các dạng khác nhau của cacbon là cảm biến được lựa chọn trong những năm gần đây. Sự tiến bộ ấn tượng trong lĩnh vực này, và sự ảnh hưởng lên lĩnh vực hóa học phân tích điện hóa ngày càng cao trong những năm gần đây. Thủy ngân là một vật liệu điện cực hấp dẫn trong những năm gần đây bởi nó có cửa sổ dải thế catot rộng, độ hồi phục cao và bề mặt có khả năng làm mới. Điện cực giọt thủy ngân treo và điện cực màng thủy ngân là điện cực làm việc phổ biến nhất trong phân tích tách [51]. Rất nhiều phương pháp được phát triển để xác định kim loại, ion, hợp chất cơ kim loại và hợp chất hữu cơ trong phân tích tách tại nồng độ có thể xuống đến 10-10M sử dụng bước xử lý nồng độ 3
đơn giản. Thế anot giới hạn và sự độc hại của điện cực thủy ngân là những bất lợi căn bản của phương pháp. Hơn thế nữa, điện cực giọt thủy ngân chỉ ứng dụng để định lượng các ion kim loại và một số phân tử chất hữu cơ. Việc không có khả năng định lượng trực tiếp glucose là giới hạn của loại điện cực này. Và đặc biệt điện cực giọt thủy ngân có hạn chế lớn nhất là không có khả năng được chế tạo thành thiết bị cầm tay. 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 số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [9]. Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzim 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 enzim: hexokinase, Glucose oxidase (GOx) và glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [41], [15]. Hexokinase được sử dụng chủ yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai enzim: GOx và GDH. Các enzim này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối với glucose [22]. Xúc tác bởi enzim 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 [22], [17], [4]. Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học 4
Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzim GOx cho quá trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và hidro peoxit [54]. 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 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 [20]. 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 enzim lần đâì tiên được chế tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyonstrong đó enzim GOx được đặt lên điện cực oxy thông qua màng bán thấm[12]. 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 enzim GOx. Họ cố định GOx trong tấm gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [47]. 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. 5
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. 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 enzim đến bề mặt điện cực làm việc [33]. 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 [8]. 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 enzim [10]. 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 [59],[34 ], [18]. Máy đo 6
nồng độ glucose trong máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc. Chúng sử dụng GDH-PQQ và chất trung gian ferrocene [34].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 enzim 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 [29]. 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 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 enzim trong đó có peroxidase thể hiện được đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [59][1],[24]. 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 [29], [38], GOx/polypyrole [43, [50], [37] hay kim cương biến tính boron [56], [57]. 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 [23].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 enzim. Với bản chất tự nhiên của enzim là kém bền, cần bảo quản ở nhiệt độ thấp và enzim dễ bị thoát ra khỏi điện cực trong quá trình đo. 7
1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzim Việc sử dụng điện cực không dùng enzim 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 enzim. 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 enzim, đó là cần phải có quá trình cố định enzim phức tạp, cần bảo quản và vận hành ở nhiệt độ thấp, enzim cũng dễ bị rời ra khỏi điện cực. Tuy nhiên, 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 (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 8
Trên hình 1. 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 [40]. 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 [40]. 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 glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [26] (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 đƣợc 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. 9
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 thể hiện trong nhiều bài báo đã xuất bản [31], [26], [49], [3], [32] 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 [7] 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. 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]adstạo 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 enzim là bắt đầu với kim loại quý như Pt và Au. Nhiều nhà nghiên cứu đã phám phá những biểu 10