zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện hóa sinh học chế tạo điện cực Polyanilin/Graphen/Urease xác định nồng độ ion asen trong dung dịch

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

10
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày kết quả phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở tổ hợp vật liệu cấu trúc lớp Polyanilin-Graphen được cố định enzyme Urease để xác định nồng độ ion Asen trong dung dịch.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện hóa sinh học chế tạo điện cực Polyanilin/Graphen/Urease xác định nồng độ ion asen trong dung dịch

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA SINH HỌC CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC POLYANILIN/GRAPHEN/UREASE XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ ION ASEN TRONG DUNG DỊCH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Bùi Thị Phương Thảo*, Quản Cẩm Thúy FABRICATION APPLICATION OF BIO-ELECTRONIC TECHNOLOGY PRODUCING POLYANILINE/GRAPHENE/UREASE MEMBRANCE FOR Khoa Kỹ thuật Phân tích, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì DETERMINATION OF THE ARSENIC ION’S CONCENTRATION Bài báo trình bày kết quả phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở tổ hợp vật liệu cấu trúc lớp Polyanilin-Graphen được cố định enzyme Urease để xác định nồng độ ion Asen trong dung dịch. Vật liệu Graphen được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi nhiệt (CVD) và được chuyển lên bề mặt điện cực làm việc (được phủ màng polyanilin bằng phương pháp điện hóa). Enzyme urease được cố định trên màng Polyanilin/Graphen bằng kỹ thuật liên kết chéo sử dụng glutaraldehyde. Cảm biến có đáp ứng dòng tốt và tuyến tính trong dải nồng độ 50-1000 µg/l. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến là 2,52 x 10-3 µg/l, giới hạn định lượng (LOQ) của cảm biến là 8,4x10-3 µg/l . Kết quả này hứa hẹn khả năng sử dụng cảm biến sinh học điện hóa Polyanilin/Graphen/Urease để phát hiện các ion kim loại khác trong quan trắc ô nhiễm môi trường. Từ khóa: Cảm biến sinh học điện hóa, Graphen, Polyanilin, Enzym Urease, ion asen. Tóm tắt: Keywords: Electrochemical biosensor, Graphene, Polyaniline, Urease enzyme, arsenic ion. Asen và nhiều hợp chất của nó là những tạp – hiện đại, quy trình lấy và xử lý mẫu chất độc cực kỳ nguy hiểm [1]. Nhiễm độc phân tích phức tạp, dung lượng phân tích asen mãn tính do sử dụng nguồn nước bị lớn, khó thực hiện đo nhanh tại hiện trường. nhiễm asen sẽ gây các bệnh về máu, tim Do đó, nghiên cứu phát triển các thiết bị xác mạch, xơ gan, nhiễm độc thai nghén và ung định nhanh hàm lượng Asen trong nước tại Abstract: thư [2]. Do tình trạng ô nhiễm asen trong hiện trường, tại các vùng dân cư xa xôi là nước ngầm khá lớn hiện nay, nhiều phương một yêu cầu cấp thiết tại Việt Nam cũng như pháp xác định hàm lượng Asen trong nước trên thế giới. đã được nghiên cứu và phát triển. Các Cảm biến sinh học điện hóa có các tính phương pháp này đều trên nguyên lý xác chất như là có khả năng phân tích nhanh theo định chọn lọc hàm lượng ion kim loại nặng thời gian thực, có độ nhạy, độ chọn lọc và trong nước [3]. Tuy nhiên, Các phương pháp chính xác cao; kích thước thiết bị nhỏ gọn, *Email: buiphuongthao84@gmail.com này đều có hạn chế là yêu cầu thiết bị phức yêu cầu sử dụng đơn giản và có khả năng ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 2 NĂM 2021 25 1. GIỚI THIỆU Here we present a development of the electrochemical biosensor based on layer-by-layer hybrid material Polyaniline-Graphene which have been immobilized urease enzyme for detection of Arsenic ion concentration. Graphene films were synthesized by thermal CVD method and transferred onto working electrode’s surface (has been coated Polyaniline membrane by using electrochemical method). The urease enzyme was immobilized on Polyaniline/Graphene membrane by cross-linkage method via glutaraldehyde. The developed biosensor indicated a good and linear response to arsenic ion within the concentration range from 50 to 1000 µg/l. The limit of detection (LOD) of sensor was 2.52 x 10-3 µg/l, the limit of quantitative (LOQ) of sensor was 8,4x10-3 µg/l. This result promises the ability to use electrochemical biosensors based on Polyaniline/Graphene/Urease hybrid materials for the detection of other ion metal in environmental monitoring.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ chế tạo số lượng lớn nên giảm giá thành sản 2.2. Hóa Chất phẩm phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Các dung dịch urê (Sigma-Aldrich) được Nam [4, 5]. chuẩn bị từ hóa chất tinh khiết phân tích Vật liệu graphen (Gr) được quan tâm trong nước khử ion với dải nồng độ từ 5- 50 nghiên cứu rộng rãi bởi vì chúng có cấu trúc mM. Dung dịch Asen được chuẩn bị từ hóa tinh thể đặc biệtcùng có những tính chất cơ, chất tinh khiết trong nước khử ion với dải nhiệt, điện và quang nổi trội như độ dẫn nồng độ từ 50 – 1000 µg/l. Các hóa chất điện tử cao (đạt 200000 cm2 (V.s)-1) [6], khác có độ tinh khiết phân tích. diện tích bề mặt lớn (có thể đạt 2630 m2/g) 2.3. Phương pháp xác định đặc tính của vật liệu [7], modul đàn hồi cao (đạt 1000 GPa) [8]. Vật liệu graphen đã được ứng dụng nhằm Hình thái học và các đặc tính của vật liệu phát triển và chế tạo trong các thiết bị quang Graphen (Gr) được khảo sát thông qua các điện tử [9], cảm biến khí [10], cảm biến điện phép đo như: hiển vi điện tử quét phát xạ hóa và sinh học [11-12]. trường-FESEM (Hitachi S4800, Nhật Bản) và hiển vi điện tử truyền qua (Jeol JEM- Trong bài báo này, vi cảm biến sinh học 1010). Tính chất điện hóa của vật liệu được điện hóa trên cơ sở sử dụng vật liệu cấu trúc nghiên cứu bằng phương pháp Vôn-Ampe lớp PANi/Graphen cố định enzym Urease sẽ tuần hoàn đa chu kỳ (CV – Cylic được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nhằm Volampemetry) trên thiết bị xác định nồng độ ion Asen trong dung dịch. Minipotentiostat DY2013 (Digi-Ivy Inc, 2. THỰC NGHIỆM USA). 2.1. Chế tạo điện cực 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Vi điện cực điện hóa tích hợp được chế 3.1 Tính chất của vật liệu màng graphene tạo bằng công nghệ Vi cơ điện tử trong đó Hình 1 là ảnh FE-SEM của màng Graphen điện cực làm việc (WE) và điện cực đối sau khi được tổng hợp bằng phương pháp (CE) được làm bằng Platin, điện cực so sánh CVD nhiệt trên đế đồng (Cu). Ta quan sát (RE) là điện cực Ag/AgCl. Điện cực làm thấy sự xuất hiện các vết gấp của màng việc có đường kính là 500 m [12]. Graphen (đường màu trắng) trên bề mặt của Màng mỏng Polyanilin (PANi) được tổng đế Cu; do sự chênh lệch về hệ số giãn nở nhiệt hợp trên bề mặt điện cực làm việc bằng giữa màng graphen (αgraphene = -6 x 10-6/K) và phương pháp điện hóa [12]. đế Cu (αCu = 24 x 10-6/K) đã tạo ra các vết gấp như trong hình [13]. Màng Gr được tổng hợp bằng phương pháp CVD nhiệt với điều kiện: nhiệt độ Số lớp Gr còn được xác định thông qua CVD (1000 oC), thời gian CVD (30 phút) kết quả đo HRTEM. Kết quả đo HRTEM với tỷ lệ hỗn hợp khí Ar:H2:CH4 = cho thấy màng Gr thu được có số lớp dao 1000/300/30 sccm [10]. Sau đó, màng Gr động khoảng 5 lớp. Khoảng cách giữa hai được tách chuyển từ đế Cu lên bề mặt điện lớp là 0,34 nm [14]. cực làm việc có phủ màng PANi bằng quá trình ăn mòn sử dụng muối FeCl3 0,5M. [12]. Enzym Urease (E.C.3.5.1.5, hoạt độ 42 units/mg Sigma - Aldrich) được pha trong dung dịch PBS 1x với tỷ lệ 1mg enzym: 10µl PBS. Phương pháp liên kết chéo được sử dụng để cố định enzym urease trên bề mặt điện cực Au/Gr/CNTs trong môi trường hơi glutaraldehít bão hòa tại nhiệt độ phòng Hình 1: Ảnh FESEM bề mặt của màng graphen trong 1 giờ. Cảm biến sinh học điện hóa được bảo quản trong môi trường khô tại 4oC. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 2 NĂM 2021 26 trên đế Cu được tổng hợp bằng phương pháp CVD nhiệt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 3.2 Xác định nồng độ ion Asen bằng cảm tăng nồng độ cơ chất urê từ 30 mM đến 60 biến sinh học điện hóa mM (như thể hiện trong Hình 3).. 3.2.1 Xác định tính chất của cảm biến sinh Sử dụng cảm biến sinh học đã chế tạo, do học điện hóa trong môi trường cơ chất urê. hoạt độ của enzyme thấp nên ngưỡng nồng độ bão hòa của cảm biến thấp tương ứng. Đặc trưng đầu tiên của cảm biến sinh học Ngưỡng nồng độ bão hòa thấp nên tín hiệu điện hóa sử dụng enzyme là khả năng hoạt nền của cảm biến thấp; rất thuận lợi trong động điện hóa trong môi trường chứa cơ phát hiện hàm lượng Asen nồng độ nhỏ chất và xác định nồng độ cơ chất bão hòa. trong dung dịch do dựa trên mô hình Tại nồng độ cơ chất bão hòa, tín hiệu đáp SIGNAL-OFF của sự ức chế enzyme. Từ ứng của cảm biến đạt ổn định và lớn nhất kết quả thu được, chúng tôi đã lựa chọn theo nồng độ. Quét CV của cảm biến nồng độ cơ chất là 30 mM cho các thí PANi/Gr/Urease trong dung dịch chứa cơ nghiệm tiếp theo. chất urê với các nồng độ khác nhau trong dải từ 5 – 50 mM, ta thu được kết quả trong hình 2 dưới đây. Từ kết quả Hình 4, ta thấy cường độ dòng giảm dần khi ta tăng pH lên từ 3 tới 7, từ pH =7 trở đi ta thấy cường độ dòng tăng rất chậm và gần như đạt giá trị bão hòa khi tiếp tục tăng giá trị pH. Từ đó chúng tôi chọn pH = 7 làm môi trường cho các phép Do sản phẩm cuối cùng của phản ứng đo tiếp theo, tại môi trường đó, enzyme thủy phân cơ chất urê (dưới tác dụng xúc tác urease ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi của enzyme Urease) là tạo ra H+, nên khi trường. tăng nồng độ ure từ 5 mM lên tới 60 mM thì nồng độ sản phẩm ion H+ trong dung dịch Do nguyên lý xác định nồng độ ion Asen cũng tăng lên, do đó cường độ dòng đáp ứng trong dung dịch bằng cảm biến sinh học của cảm biến cũng tăng tương ứng. điện hóa PANi/Gr/Urease dựa trên sự ức chế hoạt tính enzyme của ion Asen, ta cần xác định thời gian ức chế enzym phù hợp để đảm bảo độ tin cậy của phân tích. Nếu thời gian ức chế không đủ thì sẽ có một số phân tử của chất ức chế chưa kịp làm thay đổi hoạt tính của enzym và như vậy làm giảm Hình 4: Ảnh hưởng của pH tới đáp ứng dòng ra khả năng hoạt động của cảm biến cũng như của cảm biến sinh học điện hóa hoạt tính của enzym. Ngược lại nếu thời gian ức chế quá dài thì có thể làm hỏng cấu trúc và tính chất của màng enzym gây ảnh Hình 2: Phổ CV của cảm biến PANi/Gr/Urease hưởng đến độ nhạy và giới hạn phân tích trong dung dịch cơ chất urê với các nồng độ của cảm biến. Vì vậy thời gian ức chế phải Ta thấy rằng, khi tăng nồng độ cơ chất khác nhau được chọn sao cho phù hợp giữa cả độ nhạy urê từ 5 đến 30 mM, cường độ dòng cũng của cảm biến và thời gian phân tích nói tăng tương ứng. Cường độ dòng tăng chậm chung. Kết quả xác định ảnh hưởng của thời và gần như đạt giá trị bão hòa khi tiếp tục ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 2 NĂM 2021 27 Hình 3: Sự phụ thuộc của cường độ dòng của cảm biến sinh học điện hóa vào nồng độ cơ chất ure I( I( pH Cure(mM) 50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 10 12 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 20 30 40 50 60
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ gian ức chế Asen tới cường độ dòng ra của phân cơ chất urê dẫn đến giảm nồng độ ion cảm biến được thể hiện trong Hình 5 dưới sản phẩm sinh ra và giảm cường độ dòng đây. đáp ứng. Từ phổ Vôn-Ampe tuần hoàn, ta xây dựng được đường chuẩn của cảm biến sinh học điện hóa PANi/Gr/Urease đối với nồng độ ion Asen trong dung dịch (hình 7). Từ kết quả Hình 7, ta thấy cường độ dòng đáp ứng của cảm biến giảm khi nồng độ ion Asen trong dung dịch tăng lên. Khoảng cường độ dòng đáp ứng tuyến tính ứng với nồng độ ion Asen thay đổi từ 50 µg/l tới 1000 µg/l. Phương trình đường chuẩn của cảm biến thu được là : I (mA) = 1066,55 – 0,5044xCAsen với hệ số tương quan R = 0,9979. Ta thấy khi tăng thời gian ức chế từ 5 phút lên tới 15 phút thì cường độ dòng giảm mạnh. Nhưng sau 15 phút ta thấy cường độ dòng giảm rất nhỏ, gần như đạt giá trị bão hòa khi ta tiếp tục tăng thời gian ức chế lên. Từ đó, chúng tôi chọn thời gian ức chế là 20 phút cho thực nghiệm xác định nồng độ ion Asen trong dung dịch. 3.2.2 Xác định nồng độ ion Asen trong dung dịch bằng cảm biến sinh học điện hóa Từ những kết quả trên cho thấy: cảm biến điện hóa sinh học PANi/Gr/Urease có thể Hình 5: Ảnh hưởng của thời gian ức chế Asen xác định As. Kết quả thu được LOD của tới cường độ dòng ra của cảm biến sinh học cảm biến đã chế tạo là 2,52x10-3 µg/l (nhỏ điện hóa hơn so với yêu cầu phân tích ion Asen trong dung dich là 10 µg/l), LOQ = 8,4x10-3 µg/l 4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thành công cảm biến sinh Quét phổ CV của cảm biến sinh học điện học điện hóa PANi/Gr/Urease nhằm ứng hóa trong các dung dịch chứa nồng độ ion dụng xác định nồng độ ion Asen trong dung Asen khác nhau trong dải nồng độ từ 50- dịch. Các tính chất của vật liệu đã được đánh 1000 µg/l với thông số: dải thế quét từ - 0,6 giá và khảo sát: FE-SEM, ảnh hưởng của tới +0,6V, tốc độ quét 50 mV/s và bước thế pH, thời gian ức chế Asen tới cường độ dòng là 10mV, ta thu được kết quả như hình 6. Ta thấy cường độ dòng tại phổ điện hóa giảm dần khi nồng độ ion Asen tăng lên, nguyên độ cơ chất ure cho thấy vật liệu cấu trúc lớp Hình 7: Đường chuẩn biểu thị sự phụ thuộc của nhân là ion Asen đã làm ức chế hoạt tính PANi/Gr có tính chất điện hóa tốt, khả năng cường độ dòng đáp ứng vào nồng độ ion Asen của enzym urease, từ đó làm giảm khả năng trong dung dịch của cảm biến PANi/Gr/Urease gắn kết với thành phần đầu dò sinh học lớn. xúc tác của enzym đối với phản ứng thủy ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 2 NĂM 2021 28 Hình 6: Phổ CV của cảm biến PANi/Gr/Urease trong dung dịch ion Asen ở các nồng độ khác nhau ra của cảm biến, sự phụ thuộc của cường độ dòng của cảm biến sinh học điện hóa vào nồng Nång ® Asen (ppb) é I (A) = 1066,55 - 0,5044*CAsen R2 = 0,9979 LOD = 2,52 *10-3 (ppb) t (phút) 2800 1100 2600 2400 1000 2200 2000 900 1800 800 1600 1400 700 1200 5 10 15 20 25 600 500 0 200 400 600 800 1000 U (mV) 1000 500 0 -500 -1000 -600 -400 -200 0 200 400 600 50ppb (a) 100ppb(b) 200ppb(c) 400ppb(d) 600ppb(e) 800ppb(g) 1ppm(h) a b c d e g h I (nA) C- êng ® dßng (A) é I (nA)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Cảm biến có đáp ứng dòng tốt và tuyến tính 7. C. N. R. Rao, A. K. Sood, K. S. trong dải nồng độ 50-1000 µg/l. Phương Subrahmanyam, A. Govindaraj (2009), trình đường chuẩn của cảm biến thu được là Graphene: The new two-dimensional : I (mA) = 1066,55 – 0,5044xCAsen với hệ số nanomaterial, Angew Chem Int Ed, 48, tương quan R = 0,9979 Giới hạn phát hiện 7752. (LOD) của cảm biến là 2,52x10-3 µg/l, giới 8. C. Lee, X Wei, J W Kysar and J Hone hạn định lượng (LOQ) của cảm biến là (2008), Measurement of the elastic 8,4x10-3 µg/l . properties and intrinsic strength of monolayer graphene, Science 321, 385-8. Lời cảm ơn 9. Christopher T P, Yoon-Ho D L, Jaime Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Phòng C and Michal L (2015), Graphene electro- thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh optic modulator with 30 GHz bandwidth, kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu. Nature Photonics 9, 511. Tài liệu tham khảo 10. Lam V N, Nguyen D H, Cao V P, Chu T Q, P V T, Nguyen V D and Nguyen V H 1. H.J. Sun, B. Rathinasabapathi, B. Wu, (2015), Scalale preparation of graphene: J. Luo, L.P. Pu, L. Q. Ma (2014), Arsenic effect of synthesis methods on the material and selenium toxicity and their interactive characteristics, Science Advanced Materials effects in humans, Environment 7, 1013-1020. International, 69, 148-158 11. Yang S, Yanan L, Chengzhou Z, He L, 2. T. Agusa, P.T.K. Trang, V.M. Lan, Dan D and Yuehe L (2016), Recent D.H. Anh, S. Tanabe, P.H. Viet, M. Berg advances in electrochemical biosensors (2014), Human exposure to arsenic from based on graphene two-dimensional drinking water in Vietnam, Science of The nanomaterials, Biosensors and Total Environment, 488–489, 562-569 . Bioelectronics 76, 195-212. 12. Nguyen Van Chuc, Nguyen Hai Binh, 3. D.Q. Hung, O. Nekrassova, R. G. Cao Thi Thanh, Nguyen Van Tu, Nguyen Compton (2004), Analytical methods for Le Huy, Nguyen Tuan Dzung, Phan Ngoc inorganic arsenic in water: a review, Minh, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam (2016), Talanta, 64(2), 269-277 Electrochemical immunosensor for 4. Y. Huang, J. Tan, L. Cui, Z. Zhou, S. detection of atrazine based on Zhou, Z. Zhang, R. Zheng, Y. Xue, M. polyaniline/graphene, Journal of Materials Zhang, S. Li, N. Zhu, J. Liang, G. Li, L. Science & Technology 32, 539-544. Zhong, Y. Zhao (2018), Graphene and Au NPs co-mediated enzymatic silver deposition for the ultrasensitive electrochemical detection of cholesterol, Biosensors and Bioelectronics, 102, 560- 567. 5. J. Xu, Y. Wang, S. Hu (2017), Nanocomposites of graphene and graphene oxides: Synthesis, molecular functionalization and application in electrochemical sensors and biosensors. A review, Microchimica Acta, 184(1), 1-44. 6. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov (2004), Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306, 666. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 2 NĂM 2021 29

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2428 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.