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

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X 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 Cu2+

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

. định dòng của H2O2

Instrument. Bằng cách đo trực tiếp nồng độ glucose năm 1975 dựa trên sự xác

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

3-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp

vào nồng độ của glucose. Một số lượng lớn các chất trung gian như: ferrocenes

(C10H10Fe), ferricyanide ([Fe(CN)6

[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

hiện của glucose tại điện cực Pt trong các môi trường khác nhau như axit [44],

trung tính và kiềm [49]. 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.

Hình 1.5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân

thành axit gluconic

Tuy nhiên nhược điểm của điện cực Pt phụ thuộc mạnh vào điều kiện

chất điện li, đặc biệt là vào bản chất và nồng độ của các ion [14]. Điều này là

bởi sự hấp phụ glucose lên bề mặt có sẵn của Pt. Đó là sự hấp phụ cạnh tranh

của các anion, đặc biệt là các ion photphat [14], [49], mức độ hấp phụ của hiđro

và hidroxit, đặc điểm các cấu trúc đồng phần của glucose (dạng mạch hở, mạch

vòng), tất cả ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hóa học của glucose và do đó

ảnh hưởng đến khả năng oxi hóa của glucose. Bởi sự phụ thuộc quá trình oxi

hóa glucose vào độ hấp phụ của glucose tại bề mặt điện cực nên sự phụ thuộc

tuyến tính giữa dòng quá trình oxi hóa glucose vào nồng độ glucose là mất rất

nhanh khi bề mặt điện cực bão hòa.

Vàng là một kim loại hấp phụ hóa học yếu nhưng có tính hoạt động điện

hóa cao hơn platin và do đó cũng thu hút rất nhiều các nghiên cứu như cảm

biến glucose không enzim. Điện cực vàng nguyên chất có độ chọn lọc cao hơn

platin nhưng vẫn có ái lực mạnh với ion clorua trong môi trường trung tính

[49]. Cụ thể, trong môi trường đệm photphat, tốc độ quá trình oxi hóa glucose

giảm tỉ lệ với nồng độ của ion clorua, đặc biệt ảnh hưởng mạnh ở thế kém

dương hơn. Điều là này do sự hấp phụ của ion clorua mạnh hơn oxi trên bề mặt

của vàng.

11

Điện cực Niken đang được khai thác một cách rộng rãi như là chất xúc

tác cho quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường kiềm. Rất nhiều

báo cáo cho rằng, phần tử xúc tác là Ni(III) oxihidroxit bởi cặp oxi hóa khử

NiOOH/Ni(OH)2 [6].

Nguyên nhân là do sự thay đổi liên kết bề mặt của trạng thái oxi hóa của

niken có thể biểu diễn một cách đơn giản theo phương trình sau:

Ni(OH)2 NiOOH + H+ + e

Cơ chế xúc tác của điện cực Niken thể hiện trên hình 1.6 [17]

Hình 1.6. Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO

Các điện cực đồng có cơ chế tương tự như điện cực Niken trong quá trình

oxi hóa glucose. Tuy nhiên cơ chế xúc tác dựa trên cặp CuOOH/CuO tương tự

như Niken không có bằng chứng rõ ràng. Hiện nay, cảm biến glucose dựa trên

điện cực đồng đang được tập trung nghiên cứu bởi độ nhạy rất cao, giới hạn đo

nhỏ và khoảng tuyến tính rộng và có khả năng ứng dụng đo trong mẫu thực.

Như vậy hiện nay có 4 thế hệ cảm biến glucose, trong ba thế hệ đầu tiên,

cảm biến glucose dựa trên điện cực enzim, trong khi cảm biến thế hệ thứ tư

không sử dụng ezim. Cơ chế phản ứng của glucose đối với điện cực của các thế

hệ cảm biến glucose được tóm tắt trên hình 1.7.

12

Hình 1.7. Sơ đồ cơ chế của các thế hệ cảm biến sinh học glucose

1.3. Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực

1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học

Hệ ba điện cực là một hệ điện hóa gồm điện cực làm việc, điện cực so sánh

và điện cực đối, trong đó điện cực so sánh là điện cực có thế không đổi, ổn định

thường được làm từ điện cực loại hai như điện cực Ag,AgCl|KCl (bão hòa) (trong

đề tài này để đơn giản chúng tôi kí hiệu là Ag/AgCl), hoặc điện cực Calomen

Hg,Hg2Cl2|KCl; và một điện cực đối thường là điện cực trơ ví dụ như Ptatin hay

vàng. Ba điện cực trên được kết nối với một bộ nguồn cấp thế và dòng có thể thay

đổi được. Thiết bị này được kết nối với máy tính chứa phần mềm điều khiển. Sơ

đồ hệ được thể hiện trên hình 1.8.

13

Điện cực so sánh

Điện cực làm việc

Điện cực đối

Mẫu phân tích Dung dịch điện li

Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực

Trước đây khi mới ra đời hệ chỉ có 2 điện cực là điện cực làm việc và điện

cực so sánh, thế được rơi trên 2 điện cực đồng thời dòng cũng xuất hiện giữa

hai điện cực. Nhược điểm của hệ 2 điện cực là dòng giữa 2 điện cực sẽ ảnh

hưởng đến điện cực so sánh làm thay đổi thế của điện cực so sánh dẫn đến tín

hiệu đo được bị nhiễu và không còn chính xác. Hệ 3 điện cực được cải tiến dựa

trên hệ hai điện cực, trong đó điện cực so sánh được tách thành 2 điện cực là

điện cực so sánh và điện cực đối. Thế được điều khiển giữa 2 điện cực làm việc

và điện cực so sánh trong khi đó dòng điện thì chạy giữa 2 điện cực làm việc và

điện cực đối. Vì vậy, dòng không ảnh hưởng gì đến thế của điện cực so sánh,

điện cực so sánh sẽ ổn định hơn.

1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến

sinh học

Hệ 3 điện cực có rất nhiều các phương pháp và kĩ thuật đo khác nhau tùy

vào mục đích nghiên cứu. Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic

14

Voltametry Potentiostatic, Cyclic Voltametry Galvanostatic, v.v; quét tuyến

tính: Linear Sweep Voltammetry Potentiostatic, Linear Sweep Voltammetry

Galvanostatic, v.v; Phương pháp cực phổ xung vi phân: Differential Pulse

Voltametry; Phương pháp cực phổ sóng vuông: Square Wave Voltametry; các

phương pháp khác như đo tổng trở; v.v.. Ngoài các phương pháp dùng để đo

các tính chất điện hóa của hệ cần nghiên cứu, hệ 3 điện cực cũng có thể dùng

để ứng dụng để chế tạo vật liệu bằng cách kết tủa điện hóa.

Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực vừa dùng để chế tạo vật

liệu, vừa được dùng để khảo sát tính chất của vật liệu. Vật liệu được chế tạo sử

dụng kĩ thuật Chronoamperometry được đặt thế cố định. Đồng sẽ được kết tủa

trên điện cực trong quá trình điện phân dung dịch CuSO4. Để khảo sát tính chất

điện hóa của vật liệu chúng tôi dùng phương pháp quét thế vòng (hay quét thế

tuần hoàn) đồng thời cũng dùng để định lượng hay xây dựng đường chuẩn

trong việc xác định nồng độglucose. Phương pháp quét thế tuần hoàn – CV

(Cyclic Voltammetric) thường được dùng để khảo sát thế oxi hóa khử của một

hệ oxi hóa khử, xác định hệ số khuếch tán và xem xét sự biến thiên thuận

nghịch (khả năng có thể phóng và nạp) của vật liệu nghiên cứu. Điện thế ở đây

biến thiên tuyến tính theo thời gian.

Biến thiên điện thế theo thời gian có thể xác định theo các công thức sau:

φ = φđ – v.τ khi 0 <τ<λ

φ = φđ – v.λ+v(τ-λ) khi τ>λ

Trong đó: v – Tốc độ quét thế 0,000 mV/s ÷ 1000 mV/s

λ - Thời điểm đổi chiều quét thế, s

τ - Thời gian, s

φđ - điện thế ban đầu (V)

Trong phạm vi nghiên cứu, phương pháp quét thế vòng tuần hoàn sử

dụng để khảo sát tính chất điện hóa của glucose tại điện cực nghiên cứu.

15

Phương pháp quét thế vòng cho biết quá trình oxi hóa khử của chất nghiên cứu

tại điện cực phụ thuộc vào thế và tốc độ quét thế tử đó có thể cho biết tính chất

điện hóa của chất nghiên cứu tại điện cực.

1.4. Cảm biến điện hóa phân tích nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO

CuO là vật liệu bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng

1,4 đến 1,8 eV, trong lĩnh vực cảm biến được xem là vật liệu rất có triển vọng

bởi độc tính thấp, thân thiện với môi trường và có quá trình chế tạo đơn giản.

CuO được nghiên cứu rộng rãi bởi có nhiều ứng dụng như trong cảm biến khí

[25], quang tách nước [11]. Hiện nay cảm biến glucose không sử dụng enzim

được coi là cảm biến thế hệ thứ tư loại cảm biến này sử dụng các điện cực kim

loại quí như Pt, Au, Pd, v.v. để phát hiện glucose ở thế thấp và đã được tập

trung nghiên cứu [30], [53], [58]. Tuy nhiên, nhược điểm của điện cực này là

tốc độ phản ứng chậm, độ chọn lọc kém và dễ bị nhiễm độc bởi ion clorua [30],

[58]. Chính vì vậy, việc chế tạo các điện cực dựa trên các cấu trúc nano của

CuO [52], [42], [2], [60] và ứng dụng trong cảm biến glucose đang được quan

tâm rất nhiều do các ưu thế như độ ổn định cao, độ nhạy cao và giới hạn đo

thấp, đặc biệt không bị độc bởi ion clorua. Tuy nhiên việc chế tạo điện cực dựa

trên CuO gặp phải vấn đề khó khăn là khả năng bám dính của vật liệu lên đế

dẫn. CuO sau khi được chế tạo được phân tán trong một dung môi thích hợp

sau đó phủ lên bề mặt đế dẫn bằng các phương pháp như nhúng kéo, nhỏ phủ

(drop casting) hay quay phủ. Phương pháp nhúng kéo và nhỏ phủ thường

không cho độ lặp lại cao cũng như tạo bề mặt đồng đều; phương pháp quay phủ

đòi hỏi đế dẫn điện có kích thước dạng vuông hoặc tròn và do đó không phủ

hợp với việc chế tạo điện cực. Các phương pháp có thể lắng đọng trực tiếp Cu

lên bề mặt của đế phương pháp PVD (Physical Vapour Deposition - Phương

pháp lắng đọng vật lý từ pha hơi), phương pháp CVD (Chemical Vapour

Deposition - phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi), và phương pháp phún

16

xạ (sputtering), tuy nhiên các phương pháp PVD, CVD cần phải thực hiện ở

nhiệt độ cao, phương pháp phún xạ thực hiện ở nhiệt độ thấp nhưng không điều

khiển được cấu trúc của vật liệu. Hơn nữa tất cả các phương pháp trên đòi hỏi

phải có quy trình và thiết bị đắt tiền và việc chế tạo phức tạp [19]. Để khắc

phục những nhược điểm trên, phương pháp điện phân trực tiếp kim loại lên đế

dẫn được chúng tôi quan tâm bởi có thể điều khiển độ dày, cấu trúc của vật liệu

thông qua kiểm soát thế, dòng và dung dịch điện li. Phương pháp này cho phép

chế tạo điện cực hàng loạt và có khả năng ứng dụng trong thực tế.

17

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM

2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất

2.1.1. Dụng cụ và thiết bị

 Thiết bị Autolab PGS 302 N

 Cân điện tử 4 số Precisa XT 120A- Switland.

 Tủ sấy DZ-2A II (Hàn Quốc).

 Lò ủ YEONG SHIN, Đài Loan.

 Bình định mức, pipet,cốc thủy tinh, và một số dụng cụ khác.

2.1.2. Hóa chất

 Các hóa chất gốc CuSO4.5H2O, Na2SO4 rắn; NaOH rắn; glucose

ngậm nước (C6H12O6.H2O); H2SO4 đặc

 Nước cất 1 lần.

 Nước cất 2 lần.

 Cồn tuyệt đối.

 Đế ITO

2.1.3. Xử lý đế ITO

Quá trình xử lý để được thực hiện theo hai giai đoạn như sau:

- Đế ITO được cắt với kích thước 2 x 0,5 (cm)

- Rung siêu âm trong nước cất 2 lần, mỗi lần với thời gian 30 phút, nhiệt

độ 50oC.

- Rung siêu âm trong dung môi C2H5OH, thời gian 45 phút, nhiệt độ 50oC.

- Rung siêu âm trong dung môi aceton, thời gian 30 phút, nhiệt độ 50oC.

- Sấy khô bằng dòng khí nitơ.

18

2.2. Điện phân tạo màng

Đế sau khi đã xử lý được kết nối thành điện cực làm việc theo cấu hình 3

điện cực. Trong quá trình điện phân tạo Cu, chất điện ly được chúng tôi sử

dụng ở đây là dung dịch CuSO4, Cu sẽ được tạo thành và bám trên bề mặt đế

ITO theo phản ứng:

Cu2+ + 2e  Cu

Ngoài CuSO4, dung dịch được cung cấp thêm chất điện li trơ để tăng độ

dẫn điện của dung dịch và đồng thời làm thay đổi cấu trúc bề mặt của vật liệu

được tạo thành. Ba dung dịch được lựa chọn để khảo sát là:

1) CuSO4 0,1M;

2) CuSO4 0,1M; H2SO4 0,1M;

3) CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M

Khảo sát quá trình điện phân tạo Cu trên đế ITO sử dụng phương pháp

quét thế vòng từ +0,6 V đến -0,9 V với tốc độ quét thế 20 mV/s, diện tích điện cực trong dung dịch là 0,5 cm2 (0,5 x 1,0).

Việc tạo màng được thực hiện bằng phương pháp thế không đổi

“Chronoamperometry”. Trong bình điện hóa ba điện cực, điện cực làm việc

(WE) là điện cực ITO trong suốt đã được làm sạch, điện cực đối (RE) là tấm

Platin (Pt) và điện cực so sánh (CE) là điện cực Ag/AgCl (SE). Đối với quá

trình lắng đọng đồng trên đế ITO thế lắng được khảo sát ở các thế từ -0,1 V đến

-0,7 V đối với điện cực so sánh Ag/AgCl. Màng Cu được lắng đọng trên đế

ITO với các thời gian khác nhau để cho các độ dày khác nhau. Điện cực Cu/ITO được tạo thành sau đó được nung ở nhiệt độ 4000C trong lò nung trong

2 tiếng để chuyển điện cực Cu/ITO thành điện cực cần nghiên cứu CuO/ITO.

19

2.3. Khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu

Chùm tia điện tử

Ống phóng tia điện tử

Anot

Thấu kính điện từ

Màn hình máy tính

Cuộn quét

Đầu thu điện tử thứ cấp

Giá đặt mẫu

Mẫu đo

2.3.1. Phƣơng pháp quét điện tử bề mặt (SEM)

Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quét điện tử (SEM)

Hình 1.9 trình bày sơ đồ cấu tạo của một kính hiển vi điện tử quét, gồm

các bộ phận chính: nguồn phát điện tử, kính vật là một hệ thống thấu kính điện

từ có tác dụng hội tụ chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu, cuộn quét điều khiển

chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu, buồng đặt mẫu, các đầu thu tín hiệu, hệ thống

hiển thị và lưu trữ số liệu. Các electron phát ra từ ống phóng electron được gia

tốc bởi điện thế của anot (thường bé hơn 30kV) qua hệ thống thấu kính điện từ,

chùm tia electron hội tụ lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Nhờ cuộn quét, chùm tia

electron sẽ quét lên bề mặt mẫu và tương tác với các nguyên tử của bề mặt mẫu

đồng thời tia electron cũng quét lên màn hình máy tính. Tín hiệu phát ra từ bề

mặt mẫu là electron thứ cấp (SE), electron tán xạ ngược (BSE), tia X…Các tia

này mang một thông tin đặc trưng của mẫu nghiên cứu và được thu nhận bởi

các đầu thu. Đầu thu biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại và đưa vào bộ

phận xử lý để hiển thị ảnh lên màn hình. Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào

độ rộng và tốc độ quét của chùm tia. Độ phóng đại ảnh của SEM được xác định

bằng tỷ số:

20

với D là kích thước ảnh trên màn hình, d là biên độ quét của electron lên

trên bề mặt mẫu.

Các phép đo ảnh SEM để khảo sát kích thước hạt và dạng thù hình của

mẫu cũng như phân tích EDS để tìm thành phần hóa học có trong mẫu được

thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét phân giải cao Hitachi S – 4800.

2.3.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một phương pháp hiệu quả dùng để xác

định đặc trưng lý hóa của vật liệu và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa

học và công nghệ. Phương pháp này dùng để phân tích pha: kiểu và lượng pha

có mặt trong mẫu, ô mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, sức căng

cũng như phân bố electron. Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ

với góc có nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình

Vulff - Bragg .

Hình 1.10. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể

Trên hình 1.10 trình bày hiện tượng nhiễu xạ XRD trên họ mặt mạng tinh

thể (mặt phẳng Bragg) có khoảng cách giữa hai mặt liền kề d. Dễ nhận thấy

hiệu quang trình giữa hai tia phản xạ từ hai mặt phẳng này là 2dsin, trong đó 

là góc giữa tia tới và mặt phẳng mạng. Với các sóng phản xạ từ những mặt

phẳng Bragg thoả mãn điều kiện của sóng kết hợp: cùng tần số và có độ lệch

21

pha không đổi theo thời gian thì cường độ của chúng sẽ được nhân lên theo

định luật giao thoa. Công thức diễn tả định luật này chính là nội dung cơ bản

của phương trình Bragg:

2dsin = n

Trong đó  là bước sóng nguồn tia X sử dụng; n = 1, 2, 3, ... là bậc nhiễu

xạ. Thông thường trong thực nghiệm chỉ nhận được các nhiễu xạ ứng với n = 1.

Từ phương trình Bragg, nhận thấy đối với một họ mặt mạng tinh thể (d đã

biết) thì ứng với giá trị nhất định của bước sóng tia Rơnghen sẽ có giá trị 

tương ứng thoả mãn điều kiện nhiễu xạ. Nói cách khác, bằng thực nghiệm trên

máy nhiễu xạ tia Rơnghen chúng ta sẽ nhận được tổ hợp của các giá trị dhkl đặc

trưng cho các khoảng cách mặt mạng theo các hướng khác nhau của một cấu

trúc tinh thể. Bằng cách so sánh tổ hợp này với bảng tra cứu cấu trúc trong các

tệp dữ liệu về cấu trúc tinh thể hoặc của các mẫu chuẩn có thể cho chúng ta

thấy được thành phần pha cũng như cấu trúc tinh thể của mẫu nghiên cứu.

2.3.3. Phƣơng pháp phổ tán sác năng lƣợng tia X (EDS)

Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) là một phương pháp kĩ

thuật dùng dể phân tích thành phần hóa học của một vật rắn dựa vào việc ghi

lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ ( mà chủ yếu là

chùm electron có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử).

Khi chùm electron có mức năng lượng cao được chiếu vào vật rắn, nó sẽ

đâm xuyên vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp electron bên trong

của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc

trưng tỷ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử tuân theo định luật Mosley: Tần

số của tia X phát ra đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn.

Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho ta các thông tin về tỉ phần các

nguyên tố này.

Phổ tia X phát ra có tần số ( năng lượng photon tia X) trải trong một

vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng, do đó ghi nhận

thông tin về nguyên tố cũng như thành phần.

22

2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose

- Điện cực CuO/ITO sau khi được chế tạo được phủ một lớp epoxy trên

một phần bề mặt để lại một phần diện tích của điện cực làm việc là 0,5 x 0,5

(cm). Hình 2.1 mô tả quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO dùng làm điện cực

phát hiện glucose.

Hình 2.1. Quá trình chế tạo điện cực CuO/ITO

- Tính chất điện hóa của điện cực được chế tạo đối với glucose được

khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng từ 0 – 0,8 (V) với tốc độ quét thế là

20 mV/s trong các dụng dịch NaOH nồng độ là 0,01 M; 0,1M; 1M và với nồng

độ glucose khác nhau.

2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch

Nồng độ glucose trong dung dịch được xác định theo phương pháp

Chronoamperometry trong đó một thế oxi hóa glucose được áp vào điện cực và

đo dòng theo nồng độ glucose. Từ đó xây dựng đường chuẩn xác định phụ

thuộc mật độ dòng vào nồng độ glucose.

2.6. Nghiên cứu trên mẫu giả thực

Máu người được xử lý tách hồng cầu để thu được huyết thanh tại bệnh

viện Đa khoa huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên, sau đó được đo nồng độ

glucose trên thiết bị của bệnh viện. Huyết thanh sau đó được mang về phòng thí

23

nghiệm và pha thêm glucose hoặc nước để thu được các mẫu có nồng độ khác

nhau biểu thị nồng độ glucose trong máu của người không mắc bệnh tiểu

đường đến nồng độ cao của những người mắc bệnh tiểu đường. Kết quả đo

dòng của các dung dịch trên dựa vào đường chuẩn để xác định nồng độ và so

sánh với nồng độ được pha để từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của điện cực.

24

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hƣởng của dung dịch chất điện li đến quá trình điện phân tại

điện cực ITO

Quá trình điện phân tạo Cu lên đế ITO được khảo sát trước hết thông qua

quá trình quét thế vòng từ +0,6V đến -0,9V với tốc độ quét là 20 mV/s khi nhúng

điện cực ITO trong các dung dịch điện li khác nhau thể hiện trên hình 3.1.

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

Trên hình 3.1. cho thấy trong cả dung dịch dòng hầu như bằng không khi

quét thế từ +0,6V đến -0,019 V; -0,113 V; -0,022 V lần lượt đối với các trường

hợp trên hình 3.1.a, 3.1.b và 3.1.c. Khi tăng thế theo chiều âm dòng catot xuất

hiện và tăng nhanh đạt đến bão hòa khi thế lần lượt là -0,49 V; -0,34V

25

và -0,29V. Có thể thấy quá thế của quá trình điện phân tại điện cực trong

trường hợp từ dung dịch chỉ có CuSO4 0,1M cao hơn khi có chất điện li là H2SO4 0,1M và khi có Na2SO4 0,1M. Mặt khác, trong trường hợp chỉ có CuSO4 không thấy xuất hiện đỉnh của quá trình khử Cu2+, trong khi đó khi có chất điện

li H2SO4 có peak với thế là -0,47 V và khi có Na2SO4 là -0,41V. Một trong

những vấn đề cần lưu tâm đó là điện trở của dung dịch, tuy nhiên dung dịch

nồng độ 0,1M là đủ lớn để có thể bỏ qua, được đề cập bởi tác giả Darko

Grujicic và đồng nghiệp [19]. Như ta đã biết, khi ở thế thấp dòng tăng dần khi tăng thế, đó là do khi thế thấp, quá trình khử Cu2+ ở điện cực chậm, dòng

khuếch tán tỉ lệ với gradient nồng độ:

x là trục tọa độ vuông góc với bề mặt điện cực có chiều dương hướng ra

dung dịch và x =0 là tại bề mặt điện cực. Một cách gần đúng phương trình trên

trở thành:

với C là nồng độ Cu2+ trong dung dịch, C0 là nồng độ tại bề mặt, d là chiều dày lớp khuếch tán. Khi thế tăng quá trình Cu2+ ở bề mặt điện cực giảm dần và do đó sự chênh lệch nồng độ Cu2+ giữa dung dịch sát bề mặt và bề mặt

điện cực tăng dần và dòng tăng dần. Tiếp tục tăng thế theo chiều âm, quá trình khử càng mạnh và khi nồng độ Cu2+ trên bề mặt tiến đến 0 (C0 0) dòng đạt đến giá trị cực đại và tỉ lệ với nồng độ C, dòng đạt đến trạng thái bão hòa:

Tuy nhiên, trong trường hợp dung dịch có thêm chất điện li H2SO4 và

Na2SO4 có sự xuất hiện peak, dòng đạt đến giá trị cực đại rồi lại giảm. Điều đó có thể giải thích là quá trình khử diễn ra mạnh đến mức, không những Cu2+ ở bề mặt giảm xuống đến 0 và nồng độ ở sát bề mặt cũng bị giảm đến C’< C nên

dòng bị giảm theo phương trình:

26

Sự dịch chuyển về phía âm hơn rất nhiều so với thế cân bằng của Cu2+

(0,1M)/Cu được giải thích là do ion kim loại lắng đọng lên điện cực khác với

kim loại đó bởi sự không tương thích giữa cấu trúc tinh thể của kim loại và đế

[19]. Khi quá trình quét thế ngược trở lại theo chiều dương hơn, đầu tiên dòng

catot hầu như không giảm, sau đó giảm gần như tuyến tính tại thế dương hơn so

với chiều quét đi. Thế dương hơn so với chiều quét đi thể hiện quá trình khử Cu2+ tại điện cực dễ hơn, có thể giải thích là do lúc này trên bề mặt đế ITO đã

xuất hiện một lớp Cu, vì vậy quá trình điện phân bây giờ là trên điện cực Cu mà không phải là điện cực ITO với quá thế của quá trình khử Cu2+ trên đế ITO

cao hơn trên Cu. Điều đặc biệt, đường chiều quét về giao với đường chiều quét

đi đối với cả ba trường hợp gần như trùng một điểm, có thể đó chính là điểm tại

thế cân bằng. Chi tiết hơn 3 thế này lần lượt là +0,0883; +0,0854 và +0,0776

(V). Để khẳng định điều đó chúng ta có thể tính thế này theo phương trình Nerst với cặp oxi hóa/khử là Cu2+ (0,1M)/Cu. Một cách gần đúng bỏ qua hệ số

hoạt độ, thế cân bằng này có giá trị là:

Thế so với điện cực so sánh Ag/AgCl là: 0,3105-0,223=0,0875 (V), kết

quả này khá phù hợp với giá trị đo được ở trên.

Tiếp tục quét thế theo chiều dương hơn, lúc này dòng là dòng anot thể

hiện quá trình oxi hóa ngược trở lại Cu từ điện cực ra dung dịch với sự xuất

hiện đỉnh của quá trình oxi hóa Cu.

Để so sánh khả năng nhạy glucose của điện cực CuO/ITO được chế tạo

từ 3 dung dịch trên, tất cả các điện cực Cu/ITO được tạo thành bằng cách điện

phân ở thế khi dòng đã bão hòa là -0,6V, thời gian 120 giây. Kết quả sự phụ

thuộc mật độ dòng theo thời gian trong quá trình điện phân tạo Cu tại điện cực

từ các dung dịch khác nhau được thể hiện trên hình 3.2.

27

Hình 3.2. Sự phụ thuộc mật độ dòng theo thời gian của quá trình khử Cu2+ tại điện cực từ các dung dịch chất điện li khác nhau

Như ta thấy mật độ dòng của quá trình khử Cu2+ tại điện cực từ các dung

dịch điện li khác nhau không khác nhau nhiều, giá trị này là lớn nhất đối với

quá trình từ dung dịch CuSO4 0,1M và nhỏ nhất trong trường hợp dung dịch là

CuSO4 0,1M, Na2SO4 0,1M. Kết quả đôi chút khác nhau này khá phù hợp với

dòng của quá trình quét thế vòng như trong hình 3.1.d khi so sánh ở -0,6V. Sự

sai khác này cũng có thể được giải thích là lực ion ở các dung dịch chứa thêm

chất điện li là H2SO4 và Na2SO4 lớn hơn dung dịch khi không có thêm chất điện li rất đến hoạt độ nhỏ hơn do đó độ hoạt động thực sự của các ion Cu2+

tham gia phản ứng ở điện cực sẽ nhỏ hơn. Tuy nhiên các giá trị dòng không

chênh lệch nhau nhiều cho thấy một lượng Cu tương đương nhau được tạo

thành trên điện cực ITO từ 3 dung dịch chất điện li khác nhau.

3.2. Cấu trúc, hình thái bề mặt của vật liệu

Sau khi oxi hóa ở 400oC để chuyển Cu thành CuO, hình thái bề mặt của

CuO trên đế ITO được xác định bằng cách đo ảnh SEM. Hình 3.3. là ảnh SEM

của CuO trên đế ITO được chế tạo từ 3 dung dịch trên. Ta thấy bề mặt CuO

được chế tạo từ dung dịch CuSO4 không đồng đều, kích thước hạt to khoảng 5

đến 6 µm, trong khi CuO từ dung dịch CuSO4, H2SO4 là 2 đến 3 µm và kích

28

thước này là khoảng 300 đến 500 nm đối với CuO chế tạo từ dung dịch

CuSO4, Na2SO4. Ta kí hiệu vật liệu CuO được chế tạo từ dung dịch a) CuSO4

0,1M; b) CuSO4 0,1M; H2SO4 0,1M và c) CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M lần lượt

là: CuO-C; CuO-H và CuO-N. Các điện cực thu được tương ứng là

CuO-C/ITO; CuO-H/ITO và CuO-N/ITO. Ta thấy trên hình 3.3.c, trên thực

thế những hạt CuO kết tụ thành những đám giống như từng hạt của CuO trong

hình 3.3.a và 3.3.b. Sự khác nhau về cấu trúc của vật liệu CuO tạo thành do sự

khác nhau về các chất điện li chưa có lý thuyết nào giải thích một cách xác

đáng. Tuy nhiên về cơ chế của quá trình mọc Cu trên đế cacbon thủy tinh

(glassy carbon) cũng đã được đề cập bởi tác giả Darko Grujicic và đồng

nghiệp [19]. Kết quả chỉ ra rằng đầu tiên Cu được tạo thành những mầm kết

tinh và sau đó mỗi một mầm kết tinh này sẽ phát triển thành những hạt. Chất

điện li sẽ ảnh hưởng đến mầm kết tinh và do đó dẫn đến sự khác nhau về hình

thái bề mặt và kích thước của hạt.

Hình 3.3. Ảnh SEM của CuO đƣợc 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

Với cấu trúc xốp tăng dần và kích thước hạt nhỏ dần của CuO-C, CuO-H

và CuO-N hứa hẹn cho ta các tính chất điện hóa khác nhau của chúng với

glucose.

Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định thành phần, cấu

trúc của vật liệu được tạo thành sau khi nung. Hình 3.4. là phổ nhiễu xạ tia X

của CuO trên điện cực CuO-N/ITO.

Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của điện vật liệu CuO trên đế ITO

Hình 3.4. có thấy các đỉnh có kí hiệu (*) thuộc về phổ nhiễu xạ của đế

ITO trong khi các đỉnh còn lại thuộc về các mặt (002), (111), (-202), (112) và

(202) thể hiện cấu trúc đơn nghiêng của CuO.

Phổ EDS của CuO trên đế ITO được thể hiện trên hình 3.5.

30

Hình 3.5. Phổ EDS của CuO trên đế ITO

Hình 3.5 thể hiện kết quả phân tích EDS của vật liệu CuO được chế tạo.

Kết quả phân tích thành phần nguyên tố cho thấy rằng, tỉ lệ nguyên tử O là

55,3% và của Cu là 44,7% là khá phù hợp với tỉ lệ hợp thức của CuO. Tuy nhiên

tỉ lệ O có cao hợp một chút so với Cu. Điều này có thể lý giải là bề mặt CuO tiếp

xúc với oxi không khí nên dẫn đến khả năng thâm nhập của oxi vào bề mặt.

3.3. Ảnh hƣởng của chất điện li nền dùng để chế tạo điện cực đến khả năng

phản ứng của glucose tại điện cực CuO/ITO

Để đánh giá khả năng phản ứng của các điện cực CuO-C/ITO, CuO-

H/ITO và CuO-N/ITO, quá trình quét thế vòng của các điện cực trên trong

dung dịch điện li NaOH 0,1M từ 0 đến +0,8V, tốc độ quét thế là 20 mV/s khi

không có và khi có glucose nồng độ 1 mM được khảo sát như trên hình 3.6.

Quá trình quét thế vòng của các điện cực trong NaOH 0,1M khi không có

glucose cho thấy, dòng đối với các điện cực CuO-C/ITO và CuO-H/ITO cao

trong khi lại thấp đối với điện cực CuO-N/ITO. Như ta thấy, dòng anot theo

chiều quét dương của điện cực CuO-C/ITO và CuO-H/ITO tăng đều theo chiều

quét dương trong khi điện cực CuO-N/ITO chỉ bắt đầu tăng mạnh tại thế

31

khoảng 0,7V. Theo chiều quét âm, dòng catot của 2 điện cực CuO-C/ITO và

CuO-H/ITO cũng cao hơn hẳn so với điện cực CuO-N/ITO dẫn đến diện tích

quá trình quét thế vòng của điện cực CuO-C/ITO và CuO-H/ITO lớn hơn đối

với CuO-N/ITO.

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.

Dòng anot có thể liên quan đến quá trình điện phân nước tại điện cực

theo phản ứng:

4OH- 2H2O + 2O2 + 4e

Trong khi dòng catot liên quan đến quá trình điện phân nước theo phản ứng: 2H2O + 2e  2H2 + 2OH-

32

Như vậy có thể là phản ứng điện phân của nước tại các điện cực CuO-

C/ITO và CuO-H/ITO mạnh hơn trên CuO-N/ITO. Vấn đề là tại sao thì trong

khuôn khổ đề tài này chúng tôi chưa đưa ra được sự giải thích hợp lý.

Khi có mặt của glucose 1 mM, cả ba điện cực dòng oxi hóa tăng mạnh

trong cả hai chiều quét dương và quét âm. Cả hai chiều quét dòng tăng theo

chiều dương tức là đều xảy ra quá trình oxi hóa glucose, điều đó chứng tỏ phản

ứng glucose tại điện cực là bất thuận nghịch, điều này cũng đã được tác giả

thảo luận trong tài liệu [16]. Trong đó, đối với điện cực CuO-N/ITO khi có mặt

glucose xuất hiện đỉnh oxi hóa của glucose rất rõ ràng là +0,52 V và một đỉnh

nhỏ có giá trị lớn hơn là +0,6 V, trong khi đó 2 điện cực còn lại CuO-C/ITO và

CuO-H/ITO đỉnh oxi hóa xuất hiện không rõ ràng với các giá trị lần lượt

khoảng +0,59 V và +0,56 V. Điều đó gợi ý rằng khả năng xúc tác điện hóa của

điện cực CuO-N/ITO vượt trội so với 2 điện cực còn lại. Kết quả này khá phù

hợp với cấu trúc bề mặt của điện cực CuO-N/ITO với kích thước hạt nhỏ vài

trăm nanomet và xốp. Với kích thước hạt nhỏ, xốp dẫn đến diện tích bề mặt

riêng lớn đã làm tăng tính xúc tác đối với quá trình oxi hóa của glucose tại điện

cực. Như vậy, khả năng phản ứng của nước tại điện cực CuO-N/ITO kém 2

điện cực còn lại nhưng glucose phản ứng tại điện cực này lại mạnh hơn, điều

đó chứng tỏ CuO-N/ITO có tính chọn lọc glucose tốt hơn.

Để thấy rõ hơn khả năng phản ứng của glucose tại các điện cực thông

qua sự thay đổi mật độ dòng, phương pháp trừ dòng nền được áp dụng bằng

cách lấy dòng của quá trình quét thế khi có mặt của glucose trừ đi dòng khi

không có mặt của glucose. Tuy nhiên, quá trình trừ dòng nền theo chiều

dương cho giá trị cao hơn và có peak rõ ràng hơn nên chúng tôi chỉ quan tâm

dến giá trị trừ dòng nền theo chiều quét dương. Kết quả được thể hiện trên

hình 3.7.

33

Hình 3.7. Quá trình trừ dòng nền theo chiều quét dƣơng của quá trình quét

thế vòng đối với các điện cực CuO-C/ITO, CuO-H/ITO và CuO-N/ITO

Trên hình 3.7 cho thấy sau khi trừ dòng nền không những có thể so sánh

khả năng phản ứng của glucose tại các điện cực mà còn cho thấy các peak thể

hiện sự oxi hóa của glucose tại điện cực trở nên rõ ràng hơn. Các giá trị này

ứng với các điện cực CuO-C/ITO, CuO-H/ITO và CuO-N/ITO lần lượt là:

+0,63; 0,61 và 0,53 (V) và một peak thứ hai không rõ ràng +0,62 (V) đối với

điện cực CuO-N/ITO. Cùng với peak có thế thấp với và mật độ dòng tăng lên

lớn nhất của điện cực CuO-N/ITO cho thấy vật liệu CuO-N được chế tạo từ

dung dịch CuSO4 với chất điện li Na2SO4 cho kết quả tốt nhất.

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

Để tiện lợi cho quá trình sử dụng sau này dòng được xác định bằng cách

trừ dòng theo chiều quét dương của quá trình quét thế vòng trong dung dịch khi

có và khi không có glucose gọi tắt là “dòng TDN”; quá trình này được gọi là

“Quá trình TDN”. Quá trình TDN của 3 điện cực trên ở các nồng độ glucose

khác nhau cũng được khảo sát. Hình 3.8 biểu diễn quá trình mật độ dòng TDN

của các điện cực đối với nồng độ khác nhau của glucose.

Trên hình 3.8 chỉ ra rằng, peak của mật độ dòng TDN của các điện cực

dịch chuyển về phía dương khi tăng nồng độ glucose. Mặt khác khi tăng nồng

độ glucose, peak của mật độ dòng TDN tăng khá tuyến tính khi nồng độ nhỏ

35

và độ dốc giảm dần khi nồng độ cao. Đối với điện cực CuO-C/ITO và CuO-

H/ITO có các peak dịch chuyển về thế dương nhanh hơn so với điện cực CuO-

N/ITO do đó không quan sát được các đỉnh khi nồng độ glucose trên 3 mM

trong khi đó giá trị này là 6 mM đối với điện cực CuO-N/ITO. Sự dịch chuyển

về thế dương hơn có thể là do các sản phẩm của phản ứng oxi hóa glucose là

axit đã tích tụ nhiều ở bề mặt điện cực ngăn cản sự tiếp xúc glucose với điện

cực, do đó cần thế dương hơn để glucose bị oxi hóa hoàn toàn ở bề mặt điện

cực (C0 0). Sự dịch chuyển nhỏ nhất đối với điện cực CuO-N/ITO. Hơn thế

nữa trên hình 3.8.d cho thấy độ dốc của mật độ dòng oxi hóa glucose theo nồng

độ là lớn nhất và có khoảng tuyến tính lớn nhất. Các kết quả trên có thể là do

kích hạt CuO trên điện cực nhỏ, độ xốp cao và do đó diện tích, năng lượng bề

mặt lớn đã tăng hoạt tính xúc tác của điện cực.

3.4. Ảnh hƣởng của thế đến quá trình điện hóa

Trên hình 3.1.c ta thấy thế của quá trình điện hóa bắt đầu bão hòa tại thế

-0,3V. Do đó, để khảo sát tính chất của điện cực CuO, điện cực Cu/ITO được

tạo thành bằng cách đặt thế của quá trình điện hóa ở lần lượt: -0,3; -0,4; -0,5;

-0,6; -0,7 (V) với thời gian là 120 giây từ dung dịch CuSO4 0,1M với chất điện

li nền Na2SO4 0,1M và sau đó Cu được chuyển thành CuO bằng cách nung điện cực ở 400oC thu được các điện cực được kí hiệu lần lượt là CuO-N-3/ITO,

CuO-N-4/ITO, CuO-N-5/ITO, CuO-N-6/ITO, và CuO-N-3/ITO. Kết quả TDN

của các điện cực CuO-N/ITO đối với glucose được chế tạo dựa trên điện phân

tạo Cu lên đế ITO ở các thế khác nhau được thể hiện trên hình 3.9.

36

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

Hình 3.9.(a – e) cho thấy khi nồng độ glucose tăng dần thì dòng tăng

dần, peak càng dịch chuyển về phía dương hơn như đã được giải thích ở trên.

Sự phụ thuộc peak của quá trình oxi hóa glucose vào nồng độ ở các điều kiện

chế tạo vật liệu khác nhau trên hình 3.9.e cho thấy điện cực mà Cu được lắng

đọng ở thế càng cao thì đường cong có độ dốc càng giảm chậm. Điều đó có thể

do sự nhiễm độc điện cực bởi sản phẩm quá trình phản ứng tại điện cực giảm.

37

Hình 3.10 biểu diễn sự phụ thuộc của thế oxi hóa vào nồng độ glucose của các

điện cực CuO-N/ITO. Kết quả cho thấy, điện cực được chế tạo ở thế điện phân

càng cao thì thế oxi hóa glucose tại điện cực càng giảm và dường như là hầu

như không đối với các điện cực CuO-N-n/ITO (n=5, 6,7). Hình 3.10. thể hiện

sự dịch chuyển của peak quá trình oxi hóa glucose của các điện cực.

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

Trên hình 3.10. ta thấy điện cực CuO-N-3/ITO và CuO-N-4/ITO có thế

của peak quá trình oxi hóa glucose cao và vượt quá +0,8 V khi nồng độ glucose

lớn hơn 4 mM đối với trường hợp CuO-N-3/ITO và trên 5 mM đối với trường

hợp CuO-N-4/ITO.

3.5. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình điện phân

Tiến hành điện phân tạo màng Cu trên đế ITO từ dung dịch CuSO4 0,1M

với chất điện li nền Na2SO4 0,1M tại thế -0,6 V với các thời gian là 120s, 180s,

240s, 360s, 480s. Khi tiến hành thời gian lâu thì với độ dày lớn của Cu trên đế ITO màng có thể bị bong ra một phần. Nung ở nhiệt độ 400oC để được các điện

38

cực CuO/ITO tương ứng. Kết quả dòng TDN của các điện cực trên đối với

phản ứng oxi hóa glucose tại điện cực trong môi trường NaOH 0,1M được thể

hiện trên hình 3.11.

Hình 3.11. Dòng TDN của các điện cực với thời gian điện phân khác nhau

Trên hình 3.11. ta thấy độ dốc tăng dần khi thời gian điện phân tăng từ

120 giây đến 360 giây và giảm khi thời gian điện phân là 480 giây. Điều đó có

thể do khi thời gian là 360 giây, diện tích bề mặt với các tâm xúc tác CuO đã

đạt đến giá trị tối ưu. Khi tiếp tục tăng thời gian điện phân, lượng CuO trên bề

mặt điện cực CuO/ITO tăng nhưng với sự tăng bề dày của lớp CuO cũng làm

giảm độ dẫn điện của điện cực và do đó khả năng phản ứng của glucose tại điện

cực giảm. Do đó điện cực CuO/ITO trong đó Cu được tạo thành ở thế -0,6V từ

dung dịch CuSO4 0,1M với chất điện li nền Na2SO4 0,1M trong thời gian là 360

giây được chọn là điều kiện tối ưu.

39

3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ chất điện li NaOH đến quá trình phản ứng

của glucose tại điện cực

Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li NaOH đến quá trình phản ứng của

glucose tại điện cực CuO/ITO ở trên tại các nồng độ NaOH 0,01M; 0,1M và

1M được nghiên cứu.

Hình 3.12. Ảnh hƣởng 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.

Trên hình 3.12.a ta thấy, trong dung dịch chất điện li NaOH 0,01M phản

ứng của glucose tại điện cực, dòng TDN nhanh chóng đạt bão hòa khi nồng độ

của glucose là 2 mM, trong khi đó trên hình 3.12.b và c, đối với môi trường

chất điện li NaOH 0,1 M và 1 M, dòng TDN tăng khi tăng nồng độ glucose. Sự

phụ thuộc của dòng TDN của phản ứng glucose trong các dung dịch chất điện

40

li NaOH khác nhau được thể hiện trên hình 3.12d cho thấy độ dốc của dòng

TDN đối với phản ứng trong NaOH 0,1M lớn hơn một chút so với trường hợp

NaOH 1M.

Biểu diễn sự phụ thuộc peak của thế oxi hóa glucose vào nồng độ

glucose lấy từ hình 3.12 a, b, và c ta được hình 3.14.

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

Trên hình 3.13 cho thấy độ dốc đối với đường phụ thuộc thế oxi vào nồng

độ trong trường hợp NaOH 1M và nhỏ nhất và lớn nhất đối với trường hợp

NaOH 0,01M chứng tỏ nồng dung dịch chất điện li NaOH càng cao, thế oxi hóa

càng nhỏ hơn, tức là khả năng oxi hóa glucose càng tăng. Tuy nhiên, như ở trên

ta thấy, dòng oxi hóa glucose trong trường hợp chất điện li NaOH 0,1M lại lớn

hơn trong trường hợp chất điện li NaOH 1M. Có thể là khi nồng độ NaOH quá cao, ion OH- phản ứng tại điện cực tạo oxi càng mạnh theo phản ứng:

2OH-  H2O + O2 + 2e

O2 thoát ra ở bề mặt điện cực đã ngăn cản sự tiếp xúc glucose đối với

điện cực. Kết hợp các yếu tố trên, dung dịch chất điện li NaOH 0,1M được

chọn là điều kiện tối ưu.

41

3.7. Phƣơng pháp chronoamperometry phân tích nồng độ glucose trong

dung dịch

Từ hình 3.12.c ta thấy, thế bắt đầu cho quá trình oxi hóa glucose vào

khoảng +0,2 V và tăng dần và đạt cực đại tùy thuộc vào nồng độ. Vì vậy, để

chọn thế oxi glucose trong phương pháp chronoamperometry, chúng tôi tiến

hành khảo sát tại các thế từ +0,2 (V) đối với phản ứng glucose tại điện cực

CuO/ITO tối ưu đã chọn ở trên. Hình 3.14 là mật độ dòng chronoamperometry

của điện cực CuO/ITO đối trong dung dịch NaOH 0,1M khi không có glucose

và khi có mặt glucose 1 mM trong thời gian 20 giây. Dòng phụ thuộc vào nồng

độ sẽ được lấy sau 20 giây.

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

Sự suy giảm mật độ dòng điện tuân theo phương trình Cottrell:

Trong đó, i là cường độ dòng điện trên đơn vị tiết diện A, F là hằng số Faraday, C0 là nồng độ ban đầu của chất phân tích, D là hệ số khuếch tán. Dòng

này tỉ lệ với nồng độ của chất phân tích và giảm dần theo thời gian. Kết quả

cho thấy, khi có glucose dòng tăng mạnh, do đó phương pháp này có thể dùng

42

để xác định nồng độ glucose trong dung dịch. Để xác định thế tối ưu cho quá

trình oxi hóa glucose trong phương pháp Chronoamperometry , chúng tôi tiến

hành khảo sát quá trình oxi hóa của glucose tại điện cực CuO/ITO với các thế

khác nhau. Kết quả sự phụ thuộc mật độ dòng oxi hóa glucose trong phương

pháp CA sau 20 giây, vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ dòng khi không có mặt và khi

có mặt glucose 1 mM được thể hiện trên hình 3.15.

Hình 3.15. Sự phụ thuộc dòng chronoamperometry của điện cực

CuO/ITO khi không có và khi có glucose 1 mM

Trên hình 3.15 ta thấy, khi thế tăng thì mật độ dòng oxi hóa glucose tăng,

điều này giải thích là do quá trình oxi hóa glucose tăng khi thế dương hơn. Tuy

nhiên, dòng đạt giá trị cực đại tại thế 0,55V và giảm khi tiếp tục tăng thế. Mặt

khác bắt đầu thì thế là 0,65 V thì dòng khi chưa có glucose tăng mạnh, điều đó

cũng đã được giải thích là do dòng quá trình tách nước xảy ra như thể hiện

trong quá trình quét thế vòng. Vì ảnh hưởng của quá trình tách nước, oxi sinh

ra ở điện cực đã ngăn cản sự tiếp xúc của glucose đối với điện cực nên ở thế

43

cao dòng oxi hóa glucose bị giảm. Ta thấy thế ở 0,5V tuy không cho dòng đạt

giá trị cực đại (ở thế 0,55V) nhưng được chọn làm giá trị tối ưu bởi ở thế cao

có thể sự ảnh hưởng của chất nhiễu mạnh rất đến sai số trong quá trình đo mẫu

thực.

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

Hình 3.16 (a) biểu diễn dòng Chronoamperometry của điện cực đối với

các nồng độ glucose khác nhau từ 200 µM đến 2000 µM cho thấy sự tăng dần

của mật độ dòng theo nồng độ glucose. Ta thấy trong khoảng này, dòng tăng

khá tuyến tính sau 20 giây, tuy nhiên, nồng độ càng cao thì độ suy giảm dòng

điện theo thời gian càng lớn. Do đó, nếu lấy dòng ở thời gian càng ngắn thì

khoảng tuyến tính thu được càng hẹp. Chúng tôi đã thực hiện đo dòng

Chronoamperometry sau thời gian 20 giây. Nồng độ glucose nhỏ nhất có thể

phát hiện có thể đạt đến nồng độ 5µM như được thể hiện trên hình 3.16 (b).

Tiến hành đo ở các nồng độ khác nhau và vẽ sự phụ thuộc của dòng sau 20 giây

vào nồng độ ta được kết quả thể hiện trên hình 3.17. Trên hình ta thấy khoảng

tuyến tính thu được là từ 5 đến 3200 µM. Độ nhạy của điện cực đối với glucose

được xác định dựa vào hệ số góc của đường thẳng, kết quả cho thấy độ nhạy là 391,2 (µAcm-1mM-1).

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

3.8. Bƣớc đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực

Từ huyết thanh người chúng tôi pha thành các nồng độ glucose khác nhau

gồm 4,25 mM; 5,0 mM; 6,8 mM; 10 mM và 13.3 mM. Tiến hành đo dòng

chronoamperometry của điện cực CuO/ITO đối với các nồng độ glucose ở trên.

Đo dòng chronoamperometry khi thêm lần lượt 100 µL các dung dịch trên vào

25 mL dung dịch chất điện li NaOH 0,1M sau theo thời gian đến 20 giây. Mỗi

lần thêm đo dòng một lần. Kết quả được thể hiện trên hình 3.18.

Hình 3.18. Dòng chronoamperometry phụ thuộc vào nồng độ

các mẫu thực (*: chỉ các mẫu glucose trong nước)

45

Dựa vào đường chuẩn để xác định nồng độ các mẫu thật ta được kết quả

trên bảng 3.1. Kết quả cho thấy, sai số dương là khá lớn, điều đó có thể là ở thế

+0,5V vẫn còn cao dẫn đến ảnh hưởng của các chất nhiễu có tính khử trong

máu. Đặc biệt với mẫu 2, mẫu lấy từ kết quả gốc của huyết thanh (chưa được

pha trộn) có sai số lớn nhất. Nguyên nhân là khi pha trộn thì nồng độ của chất

nhiễu giảm đi. Tuy nhiên, ở mẫu thứ 5 thì kết quả lại là sai số âm. Điều này thì

chúng tôi cũng chưa có căn cứ để giải thích rõ ràng. Có thể là do các sai số thực

nghiệm nào đó gây ra. Tuy vậy với sai có thể chấp nhận được, điện cực

CuO/ITO được chế tạo với mục đích thăm dò đã bước đầu thành công.

Bảng 3.1. So sánh kết quả mẫu thực và đo từ điện cực CuO/ITO đƣợc chế tạo

TT

Sai số (%)

Nồng độ mẫu thật (mM)

Nồng độ đo từ điện cực CuO/ITO (mM)

1 4,25 5,06 19.1

2 5,0 6,35 27.0

3 6,8 7,53 10.7

4 10,0 10,77 7.7

5 13.3 12,78 -3.9

46

KẾT LUẬN

- Phương pháp quét thế vòng được sử dụng để tạo màng Cu lên đế ITO

từ dung dịch CuSO4 0,1M với các chất điện li nền khác nhau và sau đó được oxi hóa trong không khí ở 4000C để tạo thành điện cực CuO/ITO.

- Các chất điện li được lựa chọn bao gồm 1) CuSO4 0,1M; 2) CuSO4

0,1M; H2SO4 0,1M; 3) CuSO4 0,1M; Na2SO4 0,1M. Sử dụng phương pháp quét

thế vòng để khảo sát thế điện phân tạo Cu trên điện cực. Cu được lắng đọng lên

điện cực được khảo sát ở các thế từ -0,3V đến -0,7V với bước thế là 0,1V với thời gian khác nhau, sau đó ủ ở 4000C để tạo điện cực CuO.

- Để khảo sát tính chất điện hóa của điện cực CuO/ITO đối với glucose

trong môi trường NaOH với các nồng độ khác nhau, phương pháp quét thế

vòng được sử dụng với thế quét từ 0 đến +0,8V, tốc độ quét thế 20 mV/s.

Phương pháp trừ dòng nền được sử dụng để thu được dòng Faraday cho quá

trình oxi hóa glucose xảy ra tại điện cực làm cơ sở để xác định khả năng phản

ứng của glucose tại điện cực. Kết quả khảo sát cho thấy điều kiện tối ưu để chế

tạo điện cực bao gồm: dung dịch để điện phân là (CuSO4 0,1M; NaOH 0,1M);

thế điện phân là -0,6V; thời gian là 360 giây; môi trường để đo nồng độ glucose

là dung dịch NaOH 0,1M.

- Phương pháp chronoamperometry được sử dụng để xây dựng đường

chuẩn sự phụ thuộc mật độ dòng điện và nồng độ glucose trong dung dịch

NaOH 0,1M. Kết quả cho thấy độ thấy khoảng tuyến tính thu được là từ 5 đến 3200 µM độ nhạy là 391,2 (µAcm-1mM-1) và giới hạn đo là 5 µM.

- Các mẫu thực được chuẩn bị từ huyết thanh người bằng cách tách hồng

cầu và được đo trước tại bệnh viện. Huyết thanh sau đó được pha trộn để tạo

các dung dịch có nồng độ khác nhau và được đo trên điện cực CuO/ITO được

chế tạo. Kết quả, tuy có sai số nhưng hứa hẹn khả năng cải tiến và ứng dụng

của điện cực trong việc đo nồng độ glucose trong mẫu thật.

47

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Điện cực CuO/ITO được chế tạo mới bước đầu thăm do đo mẫu thực, tuy

nhiên sai số của phép đo cần được cải thiện. Để làm được điều đó cần chế tạo

vật liệu có giới hạn đo thấp hơn, độ nhạy cao hơn và đặc biệt cần khảo sát sự

phụ thuộc của thế đo nồng độ glucose đối với ảnh hưởng của chất nhiễu. Các

chất nhiễu cần được khảo sát trước khi đo mẫu thực như axit ascorbic, axit uric,

saccarose, v.v. Trong hướng nghiên cứu tới chúng tôi sẽ tiếp tục chế tạo vật

liệu trên cơ sở đồng oxit nhưng cải tiến cấu trúc của vật liệu và phương pháp

khảo sát mẫu thực.

48

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Azevedo, A.M., Martins, V.C., Prazeres, D.M., Vojinovic, V., Cabral, J.M.,

Fonseca, L.P.(2003), Horseradish peroxidase: a valuable tool in

biotechnology, Biotechnol. Annu. Rev 9, pp.199-247.

2. Babu, T.G.S., Ramachandran, T. (2010), Development of highly sensitive

non-enzymatic sensor for the selective determination of glucose and

fabrication of a working model, Electrochim. Acta 55, pp. 1612–1618.

3. Bagotskii,V. S. and Vasil'ev, Y. B. (1967), Mechanism of Electrooxidation

of Methanol on the Platinum Electrode,, Electrochim. Acta 12, pp. 1323.

4. Bankar, S.B., Bule, M.V., Singhal, R.S., Ananthanarayan. (2009), L.

Glucose oxidase-an overview, Biotechnol. Adv 27, pp.489-501.

5. Bartlett, P.V., Whitaker, R.G. (1987), Strategies for the development of

amperometric enzyme electrodes, Biosensors 3, pp. 359-379.

6. Bode, K. Dehmelt, and J. Witte, 11 (1966) 1079.

7. Burke, L. D. (1994), Premonolayer oxidation and its role in

electrocatalysis., Electrochim, Electrochim. Acta 39, pp. 1841.

8. Cass. A.E., Davis, G., Francis, G.D., Hill, H.A., Aston, W.J., Higgins, I.J.,

Plotkin, E.V., Scott, L.D., Turner, A.P.(1984), Ferrocene-mediated enzyme

electrode for amperometric determination of glucose, Anal.Chem.56,

pp.667-671.

9. Chambers, J.P., Arulanandam, B.P., Matta, L.L., Weis, A., Valdes, J.J.

(2008), Biosensor recognition elements, Issues Mol.Biol 10, pp. 1-12.

10. Chaubey, A., Malhotra, B.D.(2002), Mediated biosensors,

Biosens.Biolectron 17, pp. 441-456.

11. Chiang, C.Y., Shin, Y., Aroh, K., Ehrman, S. (2012), Copper Oxide

Photocathodes Prepared by a Solution Based Process, Int J Hydrogen

Energ 37 pp. 8232-8239.

49

12. Clark J. G., Lyons C. (1962), Electrode systems for continuos monitoring in

cardiovacular surgery,Ann. NY Acad. Sci. 102,pp. 29-45

13. Cowie, C.C., Rust, K.F., Byrd-Holt, D.D., Gregg, E.W., Ford, E.S., Geiss,

L.S., Bainbridge, K.E., Fradkin, J.E. (2010), Prevalence of diabetes and

high risk for diabetes using hemoglobin A1c in the U.S.population in1988-

2006, Diabetes Care 33, pp. 562-568.

14. De Mele, M. F. L., Videla, H. A. and Arvia, A. J. (1982, Potentiodynamic

study of glucosw electrochemical-behavior of glucose and other

compounds of biological interest, J. Electrochem. Soc. 129, pp. 2207

15. D'Costa, E.J., Higgins, I.J., Turner, A.P. (1986), Quinoprotein glucose

dehygenase and its applications in an amperometric glucose sensor,

Biosensors 2, pp. 71-87.

16. Dung N. Q., Patil D.W., Jung H., Kim D.J. (2012), A high-performance

nonenzymatic glucose sensormade of CuO–SWCNT nanocomposites,

Biosens. Bioelectron. 42, pp. 280-286.

17. Fleischmann, M., Korinek, K. and Pletcher, D. (1971), Journal of

Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 31, pp. 39.

18. Frew, J.E., Hill, H.A.(1987), Electrochemical biosensors,Anal. Chem,

59,pp. 933A-944A.

19. Grujicic, D., Pesic, B. (2002), Electrodeposition of copper: the nucleation

mechanisms, Electrochimica Acta 47, pp. 2901-2912

20. Guilbault, G.G., Lubrano, G.J.(1973), An enzyme electrode for the

amperometric determination of glucose, Anal.Chem.Acta 64,pp.439-455.

21. Habermuller, K., Mosbach, M., Schuhmann, W. (2000), Electron-transfer

mechanisms in amperometric biosensors, Fresenius J.Anal.Chem 366, pp.

560-568.

22. Heller, A., Fedman, B. (2008), Electrochemical glucose sensors and their

applications in diabetes management, Chem.Rev.108, pp.117.

50

23. Henry C. (1998), Getting under the skin: implantable glucose sensors, Anal.

Chem. 70, pp. 594A-596A

24. Hiratsiuka, A., Fujisawa, K., Muguruma, H. (2008), Amperometric

biosensor based glucose dehydrogenase and plasma-polymerized thin films,

Anal.Sci 24, pp. 483-486.

25. Hoa, N.D., An, S.Y., Dung, N.Q., Quy, N.V., Kim, D.J. (2010), Synthesis

of p-type semiconducting cupric oxide thin films and their application to

hydrogen detection, Sens. Actuators B 146, pp. 239–244.

26. Hsiao, M. W., Adzic, R. R. and Yeager, E. G. (1996), Electrochemical

oxidation of glucose on single crystal and polycrystalline gold surfaces in

phosphate buffer, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 759.

27. Iqbal, S.S., Mayo, M.W., Bruno, J.G., Bronk, B.V., Batt, C.A., Chambers,

J.P. (2000), A review of molecular recognition technologies for detection of

biological threat agents, Biosens. Bioelectron 15, pp. 549-578.

28. Jovanovic, L.G. (2008), Using metal-based self-monitoring of blood

glucose as a tool to improve outcomes in pregnancy complicated by

diabetes, Endocr.Pract,14, pp.239-247.

29. Khan, G.F., Ohwa, M., Wernet, W.(1996), Design of a stable charge

transfer complex eclectrode for a third generation amperometric glucose

sensor, Anal. Chem 68, pp.2939-2945.

30. Khatib, K.M.E., Hameed, R.M.A. (2011), Development of Cu2O/Carbon

Vulcan XC-72 as non-enzymatic sensor for glucose determination, Biosens.

Bioelectron 26, pp. 3542-3548.

31. Kokkinadis, G., Leger, J.M. and C. Lamy, C. (1988), Structure effects in

electrocatalysis: Oxidation of D – glucose on Pt (100),(110) and (111)

single crystal electrodes and the effect of up layers of Pb, TI and Bi, J.

Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 242 (1988) 221.

51

32. Larew, A. and Johnson, D.C. (1989), Concentration dependence of the

mechanism of glucose oxidation at gold electrodes in alkaline media, J.

Electroanal. Chem. InterfacialElectrochem. 262, pp. 167

33. Liu, J., Wang J.(2001), Improved design for the glucose biosensors, Food

technology and biotechnology 39, pp.55-58.

34. Matthews, D.R., Holman, R.R., Bown, E., Steemson, J., Watson, A.,

Hughes,S., Scott, D.(1987), Pen-sized digital 30-second blood glucose

meter, Lancet 1, pp.778-779

35. Narayan, K.M., Boyle, J.P., Geiss, L.S., Saaddine, J.B., Thompson. (2006),

Impact of recent increase in incidence on future diabetes burden:US., 2005-

2050, Diabetes Care 29, pp.2114-2116.

36. Newman, J.D., Turner, A.P.F.(2005), Home blood glucose biosensor: a

commercial perspective,Biosensors and bioelectronics 20, pp. 2435 – 2453.

37. Oros C., Wisitsoraat A., Phokharatkul D., Limsuwan P., Tuantranont A.

(2011), Carbon Nanotubes Dispersed Molybdenum Oxide Nanocomposite

Thin Film Gas Sensor Prepared by Electron Beam Evaporation , Sens. Lett.

9, pp. 348-352.

38. Palmisano, F., Zambonin, P.G., Centonze, D., Quito, M.(2002), A

disposable, reagentless, third generation glucose biosensor based on

overoxidized poly(pyrrole)/tetrathiafulvalene-tetracuanoquinodimethane

composite, Anal.Chem 74, pp.5913-5918.

39. Pearson, J.E., Gill, A., Vadgama, P. (2000), Analytical aspects of

biosensors, Biosens.Bioelectron 16, pp. 121-131.

40. Pletcher, D. (1984), ), Electrocatalysis: present and future, J. Appl.

Electrochem. 14, pp. 403-415

41. Price, C.P. (2003), Point-of-care testing in diabetes mellitus, Clin. Chem.

Lab.Med 41, pp.1213-1219.

52

42. Reitz, E., Jia, W., Gentile, M., Ming, Y., Lei, Y. (2008), CuO Nanospheres

Based Nonenzymatic Glucose Sensor, Electroanalysis 20, pp. 2482-2486.

43. Rubio Retama, J., Lopez Cabarcos, E., Mecerretes, D., Lopez-Ruiz, B.

(2004), Design of an amperometric biosensor using polypyrrole-microgel

composites containing glucose oxidase, Biosens. Bioelectron 20, pp. 1111-

1117.

44. Skou, E. (1977), The electrochermical oxidation of glucose on platium The

oxidation in 1M H2SO4 , Electrochim. Acta 22, pp. 313.

45. Thevenot, D.R., Toth, K., Durst, R.A., Wilson, G.S. (2001),

Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification,

Biosens.Bioelectron 16, pp.121-131.

46. Turner, A.P.(2000), Biosensors-sense and sensitivity, Science 290, pp.

1315-1317.

47. Uplike, S.J., Hicks, G.P. (1967), Reagentless substrate analusis with

immobilized enzymes, Science 158, pp 270- 272.

48. Uplike, S.J., Hicks, G.P. (1967), The enzyme electrode, Nature 214, pp

986- 988.

49. Vasil'ev, Y. B.,Khazova, O. A. and Nikolaeva, N. N. (1985), J. Electroanal.

Chem. Interfacial Electrochem. 196,pp. 105

50. Vidal, J.C., Garcia, E., Castillo, J.R. (1998), Electropolymerization of

pyrrole and immobilization of glucose oxidase in a flow system: influence

of the operating conditions on analytical performance, Biosens.Biolectron

13, pp. 371-382.

51. Wang, J. (1994 , Analytical Electrochemistry, VCH: New York.

52. Wang X., Hu, C., Liu, H., G., Du, G., He, X., Xi, Y. (2010),Synthesis of

CuO nanostructures and their application for nonenzymatic glucose

sensing, Sens. Actuators. B 144, pp. 220-225.

53

53. Wei, Y., Li, Y., Liu, X., Xian, Y., Shi, G., Jin, L. (2010), ZnO

nanorods/Au hybrid nanocomposites for glucose biosensor, Biosens.

Bioelectron. 26, pp. 275–278.

54. Weibel, M.K., Bright, H.J.(1971), The glucose oxidase mechanism.

Interpretation of the pH dependence, J.Biol.Chem 246, pp. 2734-2744.

55. Wild, S., Roglic, G.,Green, A., Sicree, R., King, H. (2004), Global

prevalence of diabetes: estimates for the year 2000 and projections for

2030, Diabetes Care 27, pp. 1047-1053.

56. Wolf, J. F. Yeh, L. S. R. and Damjanovic, A. (1981), Mediator-free

amperometric determination of glucose based on direct electron transfer

between glucose oxidase and an boron-doped diamond electrode,

Electrochim. Acta 26, pp. 409.

57. Wu, J., Qu, Y. (2006), Mediator-free amperometric determination of

glucose based on direct electron transfer between glucose oxidase and an

boron-doped diamond electrode, Anal.Bioanal 385, pp. 1330-1335.

58. Yuan, B., Wang, C., Li, L., Chen, S. (2009),Real time observation of the

anodic dissolution of copper in NaCl solution with the digital holography,

Electrochem. Commun. 11, pp. 1373-1376.

59. Zhang, W., Li, G. (2004), Third-generation biosensors based on the direct

electron transfer of proteins, Anal.Sci 20, pp. 603-609.

60. Zhuang, Z., Su, X., Yuan, H., Sun, Q., Xiao, D., Choi, M.M.F. (2008),An

improved sensitivity non-enzymatic glucose sensor based on a CuO

nanowire modified Cu electrode, Analyst 133, pp. 126–132.

54

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. Nguyễn Quốc Dũng, Đỗ Trà Hương, Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Hồng Nhung, “Phương pháp quét thế vòng xác định nồng độ glucose dựa trên điện cực CuO/ITO”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 22, Số 3/2017.

55

PHỤ LỤC