Vi cảm biến điện hóa polyme dẫn - graphen: Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng xác định ion chì (II), thuốc trừ sâu (Luận án Tiến sĩ Hóa học)

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐĂNG THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA

TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI POLYME DẪN - GRAPHEN,

ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH ION CHÌ (II) VÀ

THUỐC TRỪ SÂU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2016

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐĂNG THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ

VẬT LIỆU LAI POLYME DẪN - GRAPHEN, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG

XÁC ĐỊNH ION CHÌ (II) VÀ THUỐC TRỪ SÂU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 62.44.01.19

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Trần Đại Lâm

2. PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

các xuất bản được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng

nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết

quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các cộng sự. Tất cả

bất cứ một luận án nào khác.

Tác giả luận án

Hà Nội, ngày tháng năm

Đăng Thị Thu Huyền

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS.

Nguyễn Tuấn Dung, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình

trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới, các cán bộ phòng

Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai công nghệ, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã ủng hộ

giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2,

Ban chủ nhiệm khoa Hóa học và các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ những khó

khăn, tạo điều kiện về thời gian và công việc cho tôi hoàn thành bản luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thành viên của nhóm cảm biến sinh học,

Viện Khoa học vật liệu và Trường Đại học USTH, Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi rất nhiệt tình để tôi hoàn thiện luận án này.

Tôi xin cảm ơn đề tài Hợp tác quốc tế cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam mã số VAST.HTQT.PHAP.02/2012-2013 và đề tài nghiên cứu khoa

học và phát triển công nghệ cấp thành phố mã số 01C-02/03-2014-2 đã hỗ trợ kinh phí

giúp tôi thực hiện luận án.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, giúp

đỡ, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Hà Nội, ngày tháng năm

Tác giả luận án

Đăng Thị Thu Huyền

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... i

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................ iii

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................... iv

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN..................................................................................................... 3

1.1. Polyme dẫn điện và ứng dụng trong chế tạo cảm biến.............................................3

1.1.1. Giới thiệu chung về polyme dẫn điện ..................................................................3

1.1.1.1. Phân lo ại polyme dẫn điện .............................................................................3

1.1.1.2. Đặc điểm dẫn điện của polyme dẫn ..............................................................5

1.1.2. Các phương pháp tổng hợp polyme dẫn..............................................................6

1.1.2.1. Phương pháp trùng hợp hóa học....................................................................6

1.1.2.2. Phương pháp trùng hợp điện hóa ..................................................................8

1.1.3. Ứng dụng của polyme dẫn trong cảm biến .........................................................9

1.1.4. Poly(1,5-diaminonaphtalen) và polyanilin....................................................... 12

1.1.4.1. Poly(1,5-diaminonaphtalen)........................................................................ 12

1.1.4.2. Polyanilin ...................................................................................................... 16

1.2. Vật liệu lai polyme dẫn - graphen ............................................................................ 19

1.2.1. Graphen ................................................................................................................ 19

1.2.1.1. Khái niệm và các tính chất đặc trưng ........................................................ 19

1.2.1.2. Các phương pháp tổng hợp graphen .......................................................... 23

1.2.2. Vật liệu lai polyme dẫn – graphen .................................................................... 25

1.2.2.1. Phương pháp chế tạo.................................................................................... 26

1.2.2.2. Ứng dụng trong cảm biến............................................................................ 28

1.3. Phân tích ion kim loại nặng trong nước .................................................................. 32

1.3.1. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng ............................................................. 32

1.3.2. Các phương pháp phân tích ion kim lo ại.......................................................... 33

1.3.2.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) ................................. 33

1.3.2.2. Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP – MS)................. 33

1.3.2.3. Phương pháp điện hóa ................................................................................. 34

1.3.3. Tình hình nghiên cứu xác định ion kim loại trên thế giới và Việt Nam....... 34

1.4. Phân tích thuốc trừ sâu .............................................................................................. 37

1.4.1. Khái niệm, phân loại và tình hình sử dụng thuốc trừ sâu............................... 37

1.4.1.1. Khái niệm ...................................................................................................... 37

1.4.1.2. Phân lo ại ........................................................................................................ 37

1.4.1.3. Tình hình sử dụng thuốc trừ sâu ................................................................. 37

1.4.2. Các phương pháp phân tích thuốc trừ sâu ........................................................ 38

1.4.3. Tình hình nghiên cứu xác định thuốc trừ sâu trên thế giới và Việt Nam ..... 39

1.4.4. Methamidophos ................................................................................................... 41

1.4.5. Giới thiệu enzym, cơ chất và phản ứng enzym – cơ chất .............................. 42

1.4.5.1. Enzym ............................................................................................................ 42

1.4.5.2. Cơ chất ........................................................................................................... 44

1.4.5.3. Phản ứng enzym – cơ chất .......................................................................... 46

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 48

2.1. Nguyên liệu, hóa chất ................................................................................................ 48

2.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................................ 48

2.2.1. Chế tạo vật liệu lai polyme dẫn – graphen ....................................................... 48

2.2.1.1. Chế tạo vật liệu lai P(1,5-DAN) – graphen............................................... 49

2.2.1.2. Chế tạo vật liệu lai PANi – graphen .......................................................... 51

2.2.2. Xác định hàm lượng chì ..................................................................................... 51

2.2.3. Cố định enzym lên bề mặt điện cực .................................................................. 52

2.2.4. Thực nghiệm phản ứng cơ chất – enzym ......................................................... 53

2.2.5. Xác định hàm lượng thuốc trừ sâu methamidophos ....................................... 53

2.3. Phương pháp nghiên c ứu........................................................................................... 55

2.3.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) ................................ 55

2.3.2. Phương pháp phổ tán xạ Raman........................................................................ 56

2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) ......................................... 56

2.3.4. Các phương pháp điện hóa................................................................................. 57

2.3.4.1. Phương pháp vôn – ampe vòng (Cyclic Voltammetry – CV) ................ 57

2.3.4.2. Phương pháp vôn - ampe sóng vuông (Square Wave Voltammetry -

SWV) ........................................................................................................................... 58

2.3.4.3. Phương pháp đo dòng (Chronoamperometry - CA) ................................ 59

2.3.5. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid

Chromatography - HPLC)............................................................................................. 60

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................... 61

3.1. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai poly(1,5-diaminonaphtalen)

P(1,5-DAN) và graphen .................................................................................................... 61

3.1.1. Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN)................................................................. 61

3.1.1.1. Tổng hợp bằng phương pháp điện hóa ...................................................... 61

3.1.1.2. Nghiên cứu đặc trưng màng Gr/P(1,5-DAN) ........................................... 64

3.1.2. Màng nanocomposit poly(1,5-diaminonaphtalen)-graphen ........................... 68

3.1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa điện hóa ........................................................... 68

3.1.2.2. Phương pháp trùng hợp in-situ ................................................................... 74

3.1.3. Khảo sát tính nhạy ion Pb(II)............................................................................. 82

3.1.3.1. Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN).......................................................... 82

3.1.3.2. Màng composit P(1,5-DAN)/RGO ............................................................ 84

3.1.4. Tối ưu hóa quá trình xác định chì và xây dựng đường chuẩn ....................... 85

3.1.4.1. Khảo sát hàm lượng graphen pha tạp ........................................................ 85

3.1.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm giàu ............................................. 86

3.1.4.3. Xây dựng đường chuẩn xác định Pb(II) .................................................... 88

3.1.4.4. Ảnh hưởng nhiễu của các ion khác ............................................................ 91

3.1.4.5. Ứng dụng phát hiện chì trong mẫu nước sinh hoạt .................................. 92

3.1.5. Nghiên cứu ứng dụng làm cảm biến enzym .................................................... 93

3.2. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai polyanilin-graphen ................ 96

3.2.1. Tổng hợp màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi ........................................................... 96

3.2.2. Nghiên cứu đặc trưng màng Gr/PANi .............................................................. 97

3.2.3. Ứng dụng xác định thuốc trừ sâu .................................................................... 102

3.2.3.1. Khảo sát phản ứng enzym – cơ chất bằng phương pháp CV................ 102

3.2.3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định thuốc trừ sâu methamidophos ......... 104

3.2.3.3. Ứng dụng phát hiện methamidophos trong mẫu rau.............................. 109

KẾT LUẬN............................................................................................................................ 114

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................................................... 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ................................... 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 118

PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 128

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1,5-DAN 1,5-diaminonaphthalene 1,5-diaminonaphtalen

ANi Aniline Anilin

AChE Enzym Acetylcholinesterase Enzym Axetylcholinsteras

ATCh Acetylthiocholine Axetylthiocholin

BFEE Boron trifluoride diethyl etherate Bo triflorua đietyl ete

CE/AE Counter/Auxilary Electrode Điện cực đối

CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng pha hơi hóa học

CV Cyclic voltammetry Vôn - ampe vòng

CNTs Carbon nanotubes Ống nano cacbon

DMF Dimethylformamide Đimetylfomamid

EDOT 3,4-ethylenedioxithiophene 3,4-etylenedioxithiophen

Fourier Transform Infrared FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Spectrocopy

GA Glutaraldehyte Glutaraldehit

GC Glassy Carbon Than thủy tinh

GO Graphene oxide Graphen oxit

Gr Graphene Graphen

Gr/P(1,5-DAN) Graphene/ Poly(1,5- Màng đa lớp Graphen/Poly(1,5-

diaminonaphthalene) diaminonaphthalen)

Gr/PANi Graphene/Polyaniline Màng đa lớp Graphen/Polyanilin

HPLC High Performance Liquid Phương pháp sắc ký lỏng hiệu

Chromatography năng cao

LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện

P(1,5-DAN) Poly(1,5-diaminonaphthalene) Poly(1,5-diaminonaphtalen)

P(1,5-DAN)/ Poly(1,5-diaminonaphthalene)/ Poly(1,5-diaminonaphthalen)/

GO Graphene oxide Graphen oxit

P(1,5- Poly(1,5-diaminonaphthalene)/ Poly(1,5-diaminonaphtalen)/

DAN)/RGO Reduced Graphene oxide Graphen oxit khử

Polyaniline Polyanilin PANi

Polypyrrole Polypyrol PPy

PEDOT Poly(3,4-ethylenedioxithiophene) Poly(3,4-etylenedioxithiophen)

Phosphate buffered solution Đệm muối photphat PBS

Platine Platin Pt

Reduced Graphene oxide Graphen oxit khử RGO

Reference Electrode Điện cực so sánh RE

Square Wave Voltammetry Von-ampe sóng vuông SWV

SWASV Square Wave Anodic Stripping Von-ampe hòa tan anot theo kỹ

Voltammetry thuật sóng vuông

Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét SEM

Saturated Calomel Electrode Điện cực calomen bão hòa SCE

Working Electrode Điện cực làm việc WE

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3. 1: Các đỉnh Raman của màng graphen, P(1,5-DAN) và Gr/P(1,5-DAN) ....... 67

Bảng 3. 2: Các đỉnh hồng ngoại của GO, P(1,5-DAN) và P(1,5-DAN)/RGO .............. 79

Bảng 3. 3: Các đỉnh Raman của GO, P(1,5-DAN) và composit P(1,5-DAN)/RGO ... 80

Bảng 3. 4: Sự phụ thuộc của cường độ đỉnh hòa tan (Ip) vào nồng độ chì của điện cực

Pt/P(1,5-DAN) ....................................................................................................................... 89

Bảng 3. 5: Sự phụ thuộc của cường độ đỉnh hòa tan (Ip) vào nồng độ chì của điện cực

Pt/P(1,5-DAN)/RGO............................................................................................................. 89

Bảng 3. 6: Xác định chì trong mẫu nước sinh hoạt sử dụng cảm biến P(1,5-DAN)RGO

................................................................................................................................................. 93

Bảng 3. 7: Độ biến thiên cường độ dòng của cảm biến theo nồng độ cơ chất ATCh 106

Bảng 3. 8: Xác định methamidophos trong mẫu chuẩn bằng máy điện hóa Autolab. 109

Bảng 3. 9: Xác định methamidophos trong mẫu rau bằng máy điện hóa Autolab ..... 110

Bảng 3. 10: Xác định methamidophos trong mẫu chuẩn bằng phương pháp HPLC .. 111

Bảng 3. 11: Xác định methamidophos trong mẫu rau bằng phương pháp HPLC ....... 112

Bảng 3. 12: So sánh kết quả phân tích methamidophos trong mẫu chuẩn ................... 112

Bảng 3. 13: So sánh kết quả phân tích methamidophos trong mẫu rau........................ 113

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1: Một số loại polyme dẫn điện tử ...........................................................................4

Hình 1. 2: Một số loại polyme oxi hóa khử ..........................................................................4

Hình 1. 3: Polyme trao đổi ion................................................................................................5

Hình 1. 4: Độ dẫn điện của một số polyme dẫn khi được pha tạp (doping) [3] ...............6

Hình 1. 5: Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [5] ....................................................................7

Hình 1. 6: Cấu trúc hóa học của 1,5-diaminonaphtalen ................................................... 13

Hình 1. 7: Phản ứng trùng hợp điện hóa 1,5-DAN [30] ................................................... 13

Hình 1. 8: Phổ CV quá trình trùng hợp điện hóa của 1,5-DAN 1,1mM ........................ 14

Hình 1. 9: Cấu trúc hóa học của Anilin .............................................................................. 16

Hình 1. 10 : Cơ chế trùng hợp oxi hóa hóa học polyanilin [39 ....................................... 17

Hình 1. 11: Sơ đồ tổng quát hình thành polyanilin bằng phương pháp điện hóa [40 . 18

Hình 1. 12: Công thức tổng quát của PANi ....................................................................... 18

Hình 1. 13: Quá trình chuyển đổi cấu trúc điện tử PANi [7]........................................... 19 Hình 1. 14: Các dạng cacbon có lai hóa sp2, (A) Graphen, (B) Fulleren, ...................... 20

Hình 1. 15: Các liên kết hóa học của nguyên tử cacbon trong mạng graphen [44] ...... 21

Hình 1. 16: Phản ứng oxi hóa khử chuyển graphen thành graphen oxit ........................ 22

Hình 1. 17: Cấu trúc của graphen oxit theo mô hình c ủa Lerf-Klinowski ..................... 22

Hình 1. 18: Ảnh chụp hệ thiết bị CVD nhiệt [49] ............................................................. 25

Hình 1. 19: Mô hình cảm biến atrazin dựa trên sự thay đổi tín hiệu signal-off/signal-on

của màng poly(JUG-HATZ) [117]...................................................................................... 41

Hình 1. 20: Cấu trúc hóa học của methamidophos ........................................................... 42

Hình 1. 21: Mô phỏng axetylcholinsteras (AChE) với cấu trúc đơn vị aminoaxit

Ser(200), His (440), Glu (327) [122] .................................................................................. 43

Hình 1. 22: Cơ chế chuyển hóa methamidophos trong cơ thể sinh vật [123]................ 44

Hình 1. 23: Cấu trúc hóa học của Axetylthiocholin.......................................................... 45

Hình 1. 24: Phản ứng thủy phân cơ chất ............................................................................ 46

Hình 2. 1: Điện cực Pt tích hợp ........................................................................................... 48

Hình 2. 2: Qui trình chuyển màng graphen từ đế Cu sang điện cực tích hợp [49] ....... 50

Hình 2. 3: Sơ đồ quá trình cố định enzym theo phương pháp liên kết chéo .................. 52

Hình 2. 4: Quy trình xác định methamidophos: (1)Trong đệm PBS; ............................. 54

Hình 2. 5: Phương pháp vôn – ampe vòng [17 ................................................................ 57

Hình 2. 6: Đường vôn – ampe vòng trong trường hợp có chất hoạt động điện hóa và

phản ứng xảy ra thuận nghịch [17] ..................................................................................... 58

Hình 2. 7: Quan hệ phụ thuộc E-t trong phương pháp SWV [129 ................................ 59

Hình 3. 1: Đường CV vòng quét đầu tiên ghi trên điện cực Pt (a) và Pt/Gr (b) trong 61

Hình 3. 2: Phổ tổng hợp màng P(1,5-DAN) trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B) 62

Hình 3. 3: Phản ứng trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN) 63

64 Hình 3. 4: Đường CV ghi trong dung dịch HClO4 0,1M của các điện cực:

Hình 3. 5: Phổ tán xạ Raman của graphen 65

Hình 3. 6: Phổ tán xạ Raman của P(1,5-DAN) thuần (a) và các màng tổ hợp Gr/P(1,5-

DAN) tổng hợp với 5 chu kì (b) và 20 chu kì quét thế (c). 66

Hình 3. 7: Ảnh SEM bề mặt Graphen (A) và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B) 68

Hình 3. 8: Phổ CV quá trình trùng hợp màng (A) P(1,5-DAN) và (B) P(1,5-DAN)/GO

trên điện cực Pt 69

Hình 3. 9: Đường CV hồi đáp của màng P(1,5-DAN) thuần (a) và màng nanocomposit

P(1,5-DAN)/GO (b) tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa điện hóa 71

Hình 3. 10: Phổ Raman của GO (A) và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/GO (B) 72

Hình 3. 11: Ảnh FE-SEM của graphen oxit (A), P(1,5-DAN) (B), 73

Hình 3. 12: Phổ CV ghi trên điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN và GO nhúng trong

74 dung dịch HClO4 0,1M, khoảng quét thế từ - 0,02V tới +0,95V

Hình 3. 13: Phổ CV ghi trên điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN và GO nhúng trong

75 dung dịch HClO4 0,1M, khoảng quét thế từ - 0,8V tới +0,95V

Hình 3. 14: Đường CV trong đệm axetat 0,1M của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO khi:

Hình 3. 15: Phổ FT- IR của GO và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp

bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ 78

Hình 3. 16: Phổ Raman của GO và nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO 80

Hình 3. 17: Ảnh FE-SEM của composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng 81

Hình 3. 18: Đường CV ghi trên các điện cực Pt, Pt/Gr (A); và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B)

trong dung dịch đệm axetat 0,1 M pH = 4,5 83

Hình 3. 19: Đường SWASV của điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) trong 84

Hình 3. 20: Đường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch

đệm axetat 0,1M không có (đường a) và có Pb(II) 1nmol/L (đường b) 85

Hình 3. 21: Đường SWASV trong dung dịch Pb(II) 10µM của điện cực 86

Hình 3. 22: Đường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch

87 Pb(II) 1 μM với tđp khác nhau

Hình 3. 23: Sự phụ thuộc của cường độ đỉnh hòa tan Pb(II) vào thời gian làm giàu 87

Hình 3. 24: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN) trong dung dịch 88

Hình 3. 25: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch chứa

Pb(II) từ 0,2 đến 1000 µg/L 89

90 Hình 3. 26: Sự phụ thuộc của tín hiệu Ip vào nồng độ Pb(II)

Hình 3. 27: Đường SWASV của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch 91

Hình 3. 28: Chiều cao dòng đỉnh hòa tan của chì trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO

trong dung dịch đệm axetat có chứa Pb(II) 300 μg/L với sự có mặt của các ion khác 92

Hình 3. 29: Đường CV ghi trên điện cực Pt/ P(1,5-DAN)/RGO/AChE trong dung dịch

PBS 0,01M (pH = 7) không có (a) và có (b) cơ chất ATCh 50 µmol/L 93

Hình 3. 30: Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/P(1,5-DAN)/RGO/AChE khi cho 94

Hình 3. 31: Đường đáp ứng dòng của điện cực Pt/P(1,5-DAN)/AChE (A) và 95

Hình 3. 32: Phổ CV tổng hợp màng PANi trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B) 97

Hình 3. 33: Đường CV ghi trong dung dịch HCl 0,1M của các điện cực: 98

Hình 3. 34: Trạng thái oxi hóa khử của PANi trong dung dịch HCl [136] 99

Hình 3. 35: Phổ FT-IR của PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa 100

Hình 3. 36: Phổ FT-IR của màng Gr/PANi tổng hợp bằng phương pháp điện hóa 100

Hình 3. 37: Phổ Raman của màng PANi và Gr/PANi 101

Hình 3. 38: Ảnh FE-SEM của màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi 102

Hình 3. 39: Đường CV ghi trên điện cực Pt/Gr/PANi/AChE trong dung dịch PBS

0,01M khi không có (a) và có (b) cơ chất ATCh 50µM 103

Hình 3. 40: Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Gr/PANi/AChE khi cho 104

Hình 3. 41: Đường đáp ứng dòng của điện cực Pt/Gr/PANi/AChE trong 105

Hình 3. 42: Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu đáp ứng 106

Hình 3. 43: Đường đáp ứng dòng của điện cực Pt/Gr/PANi/AChE khi thêm 107

Hình 3. 44: Đường chuẩn xác định methamidophos 108

Hình 3. 45: Đường chuẩn xác định methamidophos trong mẫu rau 109

Hình 3. 46: Đường chuẩn xác định methamidophos bằng phương pháp HPLC 111

Hình 3. 47: Đường chuẩn xác định methamidophos trong mẫu rau bằng 112

vii

MỞ ĐẦU

Trong số các polyme hữu cơ, polyme dẫn là vật liệu triển vọng nhất ứng dụng

làm cảm biến nhờ có các điện tử π bất định xứ dọc theo mạch polyme làm cho chúng

trở thành vật liệu bán dẫn hoặc thậm chí có tính dẫn cao. Một số polyme dẫn, ví dụ

như: polyanilin, polypyrol, polythiophen đã được chứng minh là những vật liệu cảm

biến tốt ở nhiệt độ phòng. Người ta dùng chúng làm bộ chuyển đổi để phát hiện rất

nhiều loại khí, hơi, ion. Các loại cảm biến trên cơ sở các vi điện cực sử dụng polyme

dẫn đã được ứng dụng nhiều trong vật lí, sinh học, hóa học bởi những ưu điểm đặc

trưng như cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn, độ tin cậy cao, độ ổn định lâu dài, dễ chế tạo,

đặc biệt là khả năng tương thích sinh học cao. Do vậy, các nghiên cứu ứng dụng vật

liệu polyme dẫn đang là một trong những hướng nghiên cứu được các nhà khoa học

trong và ngoài nước quan tâm. Tuy nhiên ngoài những đặc tính vượt trội, polyme dẫn

có yếu điểm là độ bền cơ học và độ ổn định của tính chất điện thấp. Để giải quyết vấn

đề này, biện pháp được sử dụng nhiều nhất là biến tính, kết hợp với các vật liệu nano,

tạo thành nanocomposit. Nhờ các kĩ thuật biến tính, người ta có thể tạo ra những cảm

biến có độ chọn lọc, độ nhạy, độ ổn định hay bền vững cao. Gần đây, hướng chế tạo

nanocomposit polyme dẫn với vật liệu nanocacbon được đặc biệt quan tâm và thu

được các kết quả khả quan. Graphen là thành viên mới mẻ nhất vừa được khám phá

năm 2004 và thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà vật lý, hóa học và khoa học

vật liệu trong và ngoài nước. Graphen đã nhanh chóng được nghiên cứu chế tạo

nanocomposit với polyme dẫn và kỳ vọng có được đặc tính vượt trội nhờ kết hợp các

ưu điểm của cả hai vật liệu thành phần.

Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới, thuận lợi cho việc phát triển cây trồng

tuy nhiên đó cũng là điều kiện thuận lợi cho việc sinh trưởng và phát triển của sâu

bệnh. Để giữ vững an ninh lương thực quốc gia, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật là

một biện pháp thiết yếu. Nhưng việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật tràn lan, sai mục

đích, không tuân thủ quy định sử dụng an toàn, đã gây ra tình trạng ô nhiễm môi

trường, gây nguy hiểm đến sức khỏe con người. Bên cạnh đó, do quá trình đô thị hóa

nhanh chóng, sự phát triển các làng nghề, các khu công nghiệp đã thải ra một lượng

lớn các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ. Trong đó các ion kim loại nặng được coi là chất

ô nhiễm rất nguy hiểm do có độc tính cao và khả năng tích tụ sinh học. Chì là một

trong số các kim loại nặng có độc tính thuộc dạng cao nhất, chì tích tụ trong cơ thể

người sẽ làm tăng huyết áp, gây ra các chứng đau thần kinh, phá hủy não, gan, thận, hệ

thống tuần hoàn,… trường hợp nặng có thể dẫn đến tử vong. Vấn đề nhiễm độc chì rất

đáng lo ngại do thực tế chì có mặt khắp nơi trên thế giới. Mặc dù một số nước đã cấm

sử dụng xăng và sơn chứa chì, nhưng tình trạng ô nhiễm chì vẫn tiếp diễn từ pin, ắc

quy, các hợp kim và lớp phủ chống ăn mòn. Do đó xác định vết chì trong các môi

trường công nghiệp, thực phẩm, chuẩn đoán lâm sàng được quan tâm đặc biệt.

Hiện nay, các phương pháp truyền thống để xác định thuốc bảo vệ thực vật và

ion kim loại đó là phương pháp sắc ký kết hợp với khối phổ, các phương pháp này có

độ nhạy, độ chọn lọc cao. Tuy nhiên, phân tích tốn nhiều thời gian, vận hành thiết bị

phức tạp và chỉ được sử dụng tại các phòng thí nghiệm, không phù hợp với quan trắc

hiện trường. Nhu cầu đặt ra cần phải phát triển một phương pháp phân tích đơn giản,

thiết bị nhỏ gọn, cho kết quả nhanh chóng, chính xác. Cảm biến là một công cụ phân

tích hiện đại đáp ứng được yêu cầu trên.

Xuất phát từ lí do đó, luận án hướng tới vấn đề: “Nghiên cứu chế tạo vi cảm

biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai polyme dẫn – graphen, định hướng ứng dụng xác

định ion chì (II) và thuốc trừ sâu” làm chủ đề nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu: Chế tạo được vi điện cực phủ vật liệu lai polyme dẫn – graphen

ứng dụng làm cảm biến điện hóa và tối ưu hóa quá trình phân tích ion Pb(II) và thuốc

trừ sâu methamidophos.

Nội dung nghiên cứu:

- Chế tạo vật liệu lai polyme dẫn-graphen: Tổng hợp màng dạng layer-by-layer và

composit giữa polyanilin, poly(diaminonaphtalen) với graphen bằng phương pháp

trùng hợp điện hóa.

- Nghiên cứu đặc trưng vật liệu: hình thái, cấu trúc hóa học, hoạt tính điện hóa.

- Khảo sát tính nhạy của cảm biến với ion kim loại, tối ưu quá trình phân tích ion

chì (II) và xây dựng đường chuẩn xác định ion chì (II).

- Khảo sát tính nhạy của cảm biến với thuốc trừ sâu, xây dựng đường chuẩn xác

định thuốc trừ sâu.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Polyme dẫn điện và ứng dụng trong chế tạo cảm biến

1.1.1. Giới thiệu chung về polyme dẫn điện

Từ những phát hiện ban đầu của H. Shirakawa, Viện Công nghệ Tokyo, Nhật

Bản về khả năng dẫn điện của polyaxetylen vào năm 1977 [1], polyme dẫn điện nhanh

chóng thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, phát

triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tầm quan trọng của nhóm vật liệu

này đã được ghi nhận bằng giải Nobel Hóa học năm 2000 giành cho những người đã

có công khám phá và phát triển polyme dẫn: A.G. MacDiarmid, A.J. Heeger và H.

Shirakawa.

Khác với polyme hữu cơ thông thường, polyme dẫn điện có cấu trúc  liên hợp,

tạo ra băng bất định xứ là cơ sở của đường dẫn điện tích. Ngoài polyaxetylen, người ta

đã tìm thêm nhiều polyme khác và các dẫn xuất của chúng có khả năng dẫn điện, điển

hình là polyanilin (PANi), polypyrol (PPy), polydiaminonaphtalen (PDAN),

polythiophen (PTh).

1.1.1.1. Phân loại polyme dẫn điện

Polyme dẫn điện được phân ra làm ba loại chính:

Polyme dẫn điện tử (electrically conducting polymer): là các polyme liên hợp,

các liên kết đôi C=C và liên kết đơn C-C xen kẽ nhau. Các polyme loại này bao gồm

các polyme liên hợp mạch thẳng (như polyaxetylen), các polyme liên hợp vòng thơm

(như polyanilin) và các polyme dị vòng (như polypyrol)... (hình 1.1). Các polyme dẫn

điện tử thể hiện tính dẫn gần giống kim loại và duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế

rộng. Vùng dẫn này bị khống chế mạnh bởi bản chất hoá học của polyme và ngoài ra

còn bởi điều kiện tổng hợp [2].

Polyaxetylen Polypyrol

Polyanilin

Hình 1. 1: Một số loại polyme dẫn điện tử

Polyme oxi hoá khử (redox polymer): là các polyme có chứa nhóm hoạt tính oxi

hoá khử liên kết với mạch polyme (hình 1.2). Trong các polyme loại này, sự vận

chuyển điện tử xảy ra thông qua quá trình tự trao đổi điện tử liên tiếp giữa các nhóm

oxi hoá khử gần kề nhau. Quá trình này gọi là chuyển điện tử theo bước nhảy. Các

polyme oxi hóa khử có một hiệu ứng là chỉ duy trì tính dẫn trên một vùng điện thế hẹp.

Độ dẫn cực đại đạt được khi nồng độ các vị trí hay các tâm oxi hóa và khử bằng nhau.

Điều này xảy ra tại điện thế tiêu chuẩn của các trung tâm oxi hóa khử trong pha

polyme [2].

Poly(2-metyl-5-vinylpyridin) Poly(vinylferoxen)

Hình 1. 2: Một số loại polyme oxi hóa khử

Các polyme oxi hóa khử và polyme dẫn điện tử đều có thể được tổng hợp bằng

phương pháp điện hóa hay hóa học tùy thuộc vào vật liệu và mục đích sử dụng.

Polyme trao đổi ion (ion exchange polymer): là loại polyme có các cấu tử hoạt

tính oxi hóa khử liên kết tĩnh điện với mạng polyme dẫn ion (hình 1.3). Các cấu tử oxi

hóa khử là các ion trái dấu với chuỗi polyme tĩnh điện. Khi đó, sự vận chuyển điện tử

có thể do sự nhảy cách điện tử giữa các vị trí oxi hóa khử cố định hoặc do sự khuếch

tán vật lý một phần các dạng oxi hóa khử kèm theo sự chuyển điện tử của các polyme

trao đổi ion [2].

Poly(vinylpyridin)

Hình 1. 3: Polyme trao đổi ion

Các polyme trao đổi ion có thể được điều chế bằng cách đặt điện cực tĩnh có

màng polyme trao đổi ion vào trong dung dịch chứa các ion hoạt tính oxi hóa khử, khi

đó các polyme trao đổi ion có thể tách ion từ trong dung dịch và liên kết với chúng

nhờ các tương tác tĩnh điện.

1.1.1.2. Đặc điểm dẫn điện của polyme dẫn

Kim loại dẫn điện được là do các điện tử tự do, dung dịch điện ly dẫn điện là do

các ion âm và ion dương chuyển động thành dòng dưới tác dụng của lực điện trường.

Trường hợp polyme không tồn tại các điện tử tự do cũng như các ion âm, ion dương

như kim loại hay dung dịch điện ly, vậy trên cơ sở nào polyme dẫn lại có thể dẫn điện.

Polyme dẫn điện có một đặc điểm là có cấu trúc cacbon liên hợp -C=C–C=C-, đồng

thời có sự hiện diện của chất kích hoạt (dopant). Cấu trúc liên hợp của mạch polyme

tạo nên những dải bất định xứ và tính linh động cho electron . Chính các electron 

này sẽ dịch chuyển khi có sự mất cân bằng về điện tích trong mạch, tạo nên độ dẫn cho

polyme, do chúng có thể hoạt động như một nguồn electron khi bị oxi hóa và nguồn lỗ

trống khi bị khử, do đó có thể tham gia mạnh mẽ các phản ứng điện hóa [2]. Chất kích

hoạt có thể là những nguyên tố như iôt, clo, hay các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ,

chúng có thể nhận điện tử tạo ra khuyết tật cho mạch polyme, khiến cho polyme trở

nên dẫn điện. Quá trình pha tạp polyme dẫn thường thực hiện bằng con đường hóa học

+ nA-

hay điện hóa và được biểu diễn tóm tắt như sau:

(Polyme)r [(Polyme)n+(A-)n]r + ne- A- = ion đối

Đây là một quá trình thuận nghịch và là tính chất đặc trưng thú vị nhất của

polyme dẫn. Quá trình pha tạp đã tác động lên cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử

của mạch polyme, hình thành điểm khuyết tật và tạo ra các phần tử mang điện trên cấu

trúc mạch polyme gọi là soliton, polaron hay bipolaron.

Khái niệm pha tạp là đặc điểm quan trọng để phân biệt polyme dẫn với tất cả

các polyme khác. Polyme dẫn có thể được pha tạp bởi phản ứng oxi hóa khử. Một số

polyme dẫn sau khi pha tạp có độ dẫn tương đối cao, gần bằng kim loại. Hình 1.4 giới

thiệu độ dẫn của một số polyme khi được pha tạp.

Hình 1. 4: ộ dẫn điện c a một số polyme dẫn khi được pha tạp (doping) [3]

1.1.2. Các phƣơng pháp tổng hợp polyme dẫn

Có nhiều phương pháp để tổng hợp polyme dẫn như trùng hợp plasma, trùng

hợp tự xúc tác, trùng hợp hóa học và trùng hợp điện hóa. Trong đó, phổ biến nhất là

trùng hợp oxi hóa hóa học (oxi hóa monome tương ứng nhờ chất oxi hóa) và trùng hợp

điện hóa (oxi hóa monome tương ứng nhờ dòng điện) [2, 4].

1.1.2.1. Ph ng ph p tr ng h p h a h c

Trùng hợp oxi hoá hoá học được thực hiện bằng cách cho monome phản ứng

với một lượng tương ứng chất oxi hoá, ví dụ amoni pesunfat (NH4)2S2O8 (trong trường

hợp trùng hợp polyanilin), sắt (III) clorua FeCl3 (trong trường hợp trùng hợp các

polyme dị vòng như polypyrol, polythiophen). Kết quả sẽ tạo thành polyme dẫn điện ở

trang thái pha tạp dạng bột. Muốn thu được polyme trung hoà cần cho sản phẩm phản

ứng với các chất khử mạnh như amoniac hay hidrazin.

Cơ chế trùng hợp oxi hoá hóa học polypyrol được giả thiết như sơ đồ trình bày

trên hình 1.5.

Hình 1. 5: Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [5]

Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy được thực hiện theo các giai đoạn sau: một

monome pyrol bị oxi hóa tạo thành một cation gốc, sau đó 2 cation gốc này kết hợp

với nhau tạo ra một đime. Oxi hóa đime để tạo cation gốc, các cation gốc kết hợp với

nhau để tạo thành trime. Như vậy, phản ứng tiếp tục xảy ra và tạo thành chuỗi

oligome. Khi mạch oligome PPy tăng, độ tan giảm, nó sẽ kết tủa tạo nên các hạt, các

hạt này lớn dần lên. Theo thời gian phản ứng, màng tạo thành lớn dần lên theo hướng

đồng dạng với oligome ban đầu.

Phương pháp tổng hợp hóa học có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, phản ứng

cho hiệu suất cao, có thể chế tạo polyme ở quy mô lớn, giá thành rẻ; tuy nhiên bị hạn

chế do chỉ có rất ít chất oxi hóa vừa có khả năng oxi hóa monome vừa là chất kích

hoạt thích hợp hay khả năng điều khiển tốc độ phản ứng polyme hóa. Polyme thu được

thường có độ dẫn, độ tinh khiết không cao và khi sử dụng chất oxi hóa mạnh có thể

gây ra sự quá oxi hóa polyme. Mặt khác, sản phẩm tồn tại dưới dạng bột rất khó tan

trong các dung môi thông thường hạn chế khả năng gia công. Nhược điểm này có thể

được giải quyết dễ dàng nếu sử dụng phương pháp điện hóa với khả năng điều khiển

tốt hơn.

1.1.2.2. Ph ng ph p tr ng h p điện h a

Phương pháp trùng hợp điện hóa được thực hiện nhờ sự lưu thông của dòng

điện trong một bình điện hóa đơn giản có chứa monome và chất điện ly, được hòa tan

trong nước hoặc dung môi hữu cơ. Nguyên tắc của phương pháp điện hóa là áp dòng

điện thích hợp trên bề mặt điện cực, tạo nên sự phân cực, để có thể oxi hóa monome

thành các cation gốc, các phần tử này nhanh chóng tham gia vào phản ứng polyme hóa

tạo màng dẫn điện phủ lên trên bề mặt điện cực.

Có 3 kỹ thuật điện hóa được sử dụng để thực hiện phản ứng trùng hợp là phân

cực thế động (potentiondynamic); phân cực thế tĩnh (potentiostatic); phân cực dòng

tĩnh (galvanostatic).

Về cơ chế phản ứng trùng hợp điện hóa, cho đến nay người ta vẫn chấp nhận

một cơ chế trùng hợp điện hóa theo 4 bước sau:

Bước 1: Phân tử monome (M) oxi hóa trên bề mặt điện cực, tạo thành cation

gốc:

HMH → HM+●H + e-

Bước 2: Hai cation gốc cặp đôi thành một đime trung hòa và giải phóng 2

proton:

2 HM+●H →HM+HHM+H →HMMH + 2H+

Bước 3: Đime trung hòa dễ dàng bị oxi hóa tiếp tục thành một cation gốc và nối

với một cation gốc monome khác, dẫn đến sự phát triển mạch, tạo thành polyme kết

tủa trên bề mặt điện cực. Phương trình tổng quát quá trình trùng hợp được biểu diễn

như sau:

xHMH →HMxH + (2x-2)H+ + (2x-2)e-

Trong đó x là số mắt xích của polyme.

Bước 4: Polyme oxi hóa, giải phóng điện tử:

HMxH →H(Mx)+yH + ye-

Đây là phương pháp rất hữu hiệu để tổng hợp polyme dẫn điện, tại điện cực làm

việc (thường là Pt, Au, Inox, kính ITO), monome bị oxi hóa lắng đọng lên bề mặt điện

cực cùng với chất kích hoạt và trùng hợp tạo màng polyme phủ lên bề mặt điện cực.

Phương pháp trùng hợp điện hóa diễn ra nhanh chóng và cho phép tạo ra polyme có độ

tinh khiết và độ dẫn điện cao, các tính chất polyme cũng như hình thái, chiều dầy... có

thể điều chỉnh tương đối dễ dàng thông qua các thông số điện hóa. Khả năng tổng hợp

dễ dàng bằng con đường điện hóa đã tạo cho polyme dẫn những lợi thế đặc biệt so với

các polyme thông thường khác: đó là tính đa dạng, linh hoạt của vật liệu, khả năng

khống chế dễ dàng các tính chất cũng như hình dáng, cấu trúc của vật liệu.

1.1.3. Ứng dụng của polyme dẫn trong cảm biến

Cảm biến là một linh kiện vật lý hay một tổ chức sinh học có khả năng phát

hiện và phân tích định lượng một tín hiệu, một điều kiện vật lý hay một thành phần

hóa học, sau đó chuyển tín hiệu đó thành một tín hiệu mà con người có thể đọc được

[6]. Polyme dẫn đặc biệt hấp dẫn các nhà nghiên cứu vật liệu nhờ kết hợp được tính

dẫn điện của kim loại với các tính chất của polyme hữu cơ, chúng đang ngày càng

được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ cao ví dụ trong vật liệu chống

tĩnh điện, vật liệu phủ hấp thụ sóng điện từ, tụ điện, các linh kiện điện tử, linh kiện phát

quang, các dây thần kinh nhân tạo, bảo vệ chống ăn mòn, bộ cảm biến, ... [7].

Polyme dẫn có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực cảm biến hóa học và

sinh học, một lĩnh vực đòi hỏi độ nhạy, độ chọn lọc cao. Polyme dẫn dễ dàng được

tổng hợp bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa, và cấu trúc mạch đại phân tử của

chúng có thể biến tính khá dễ dàng bởi quá trình đồng trùng hợp hay sử dụng các dẫn

xuất. Hơn nữa, các polyme dẫn có cơ tính tốt cho phép gia công cảm biến khá dễ dàng.

Vì vậy mà việc chế tạo cảm biến từ polyme dẫn ngày càng được quan tâm nghiên cứu

và các bài báo liên quan được công bố ngày càng nhiều.

Tính nhạy khí của polyme dẫn được nghiên cứu từ đầu những năm 1980 và tỏ

ra có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cảm biến các loại khí khác nhau. Màng mỏng

polyme dẫn, khi tiếp xúc với khí và hơi hóa chất, sẽ nhanh chóng thay đổi độ dẫn điện

một cách thuận nghịch, đặc biệt sự thay đổi này dễ dàng quan sát ở nhiệt độ phòng.

Một số loại khí độc có khả năng tương tác mạnh với polyme dẫn và làm thay đổi tính

chất của vật liệu nên có thể dùng polyme dẫn để chế tạo cảm biến nhạy khí [8, 9 . So

với hầu hết các cảm biến có trên thị trường, thường sử dụng các oxit kim loại và vận

hành ở nhiệt độ cao, các cảm biến làm bằng polyme dẫn có nhiều ưu điểm hơn hẳn.

Chúng có độ nhạy cao và thời gian phản hồi ngắn, đặc biệt, các đặc tính này vẫn thể

hiện ở nhiệt độ phòng. Hua Bai và cộng sự cho rằng khí NO2 đã làm tăng lượng điện

tích trong mạch polyanilin ở trạng thái khử thông qua doping oxi hóa, do đó làm giảm

điện trở [10]. Ngược lại, PANi ở dạng muối emeraldin khi bị khí NO2 oxi hóa sẽ trở

thành penigranilin không dẫn điện, điện trở màng sẽ tăng. SO2 cũng làm tăng các trung

tâm tích điện trong mạch polypyrol, do đó làm giảm điện trở.

Một số polyme dẫn có chứa các nhóm có tính axit và/hoặc bazơ, có thể proton

hoặc deproton hóa tùy theo pH môi trường. Đặc điểm này được tận dụng để phát triển

cảm biến pH sử dụng polyme dẫn hoạt động theo nguyên lí đo thế, đo độ dẫn hay đo

quang [11]. Polyanilin được cho là polyme duy nhất có thể doping bằng proton, do đó

là vật liệu hữu cơ phù hợp nhất làm cảm biến pH trong môi trường nước. Jin và cộng

sự đã công bố kết quả chế tạo một cảm biến quang xác định pH sử dụng màng PANi

tổng hợp bằng trùng hợp hóa học tại nhiệt độ phòng [12]. Màng mỏng PANi chế tạo

được có đặc tính thay đổi màu sắc theo pH dung dịch rất nhanh và thuận nghịch. pH

của dung dịch có thể được xác định bằng cách kiểm soát sự hấp thụ ở bước sóng cố

định hoặc bước sóng hấp thụ tối đa của màng. Các tác giả đã giải thích mối liên quan

giữa pH và phổ điện tử của PANi dựa trên mức độ proton hóa khác nhau của nguyên

tử nitơ trong mạch polyme. Các bộ cảm biến quang học đo pH có thể được giữ tiếp

xúc trong không khí trong hơn một tháng mà hiệu suất cảm biến không suy giảm.

Lĩnh vực cảm biến ion đã được nghiên cứu từ vài thập kỉ gần đây, việc sử dụng

polyme dẫn làm vật liệu cảm biến ion bắt đầu được công bố từ những năm 1990.

Trong cấu hình cảm biến, polyme dẫn có thể đóng vai trò là thành phần dẫn điện hoặc

là mạng lưới để gắn kết thành phần dẫn điện. Khi tiếp xúc với chất đích (các ion), quá

trình trao đổi ion xảy ra, cảm biến sẽ cảm nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Cảm

biến chọn lọc ion có thể ứng dụng làm công cụ phân tích trong các lĩnh vực y tế, môi

trường, công nghiệp. Năm 2008, Ji và cộng sự đã công bố màng mỏng hữu cơ poly(3-

hexylthiophen) (P3HT) có thể phát hiện ion K+ ở nồng độ dưới 33mM và ion H+ trong

khoảng pH từ 6,68 đến 9,5 [13]. Tính nhạy ion kim loại nặng của polyme dẫn điện

cũng được khai thác nhằm phát triển ứng dụng trong phân tích môi trường. Nhiều polyme dẫn thuần có tính nhạy chọn lọc với các ion kim loại nặng như Pb2+, Hg2+, Cd2+, Ag+, ... Song và cộng sự [14] đã chứng minh sự tạo phức giữa PPy và ion Ag+

bằng cách nhúng điện cực cacbon thủy tinh (GC) trong dung dịch bạc nitrat nồng độ

0,1mM trong 10 phút, sau đó rửa sạch và đo phân cực trong dung dịch KNO3, pH = 2.

Gần đây, người ta đặc biệt chú ý đến polyme dẫn tổng hợp từ các hợp chất diamin

thơm, do nhóm chức amin tự do có ái lực mạnh mẽ với các cation kim loại [15, 16].

Majid và cộng sự đã biến tính điện cực cacbon nhão bằng poly(1,8-diaminonaphtalen), đem ngâm trong dung dịch có chứa cation Pb2+. Sự hấp phụ Pb2+ trên P(1,8-DAN)

được xác định bằng phép đo vôn – ampe hòa tan anot (ASV) trong dung dịch HCl

0,1M. Dòng đỉnh hòa tan bạc tại -0,56V (theo điện cực Ag/AgCl) tỉ lệ tuyến tính với nồng độ Pb2+ trong khoảng 0,2-10µmol/L.

Trong lĩnh vực chế tạo cảm biến sinh học điện hóa, polyme dẫn điện đã và đang

thu hút được nhiều sự chú ý trong nghiên cứu và ứng dụng vì có các nhóm chức năng

trong mạch polyme, tương đối bền, không có các phản ứng gây nhiễu hoặc làm mất

hoạt tính của phần tử sinh học. Polyme được sử dụng như một tác nhân cố định các

loại enzym như glucozơ axydaza (GOx), cholesterol oxidaza (ChOx) và cholesterol

esteraza, acetylcholinesteraza, galactosidaza, … trong chế tạo cảm biến enzym. Để cố

định kháng thể trong cảm biến miễn dịch phân tích các phần tử nhỏ như thuốc bảo vệ

thực vật (atrazin, axit 2,4-diclorophenoxi axetic) và một số hợp chất độc hại (aflatoxin,

bisphenol A, …); kháng nguyên ung thư biểu mô phôi, ung thư vú, ung thư tiền liệt

tuyến, ung thư cổ tử cung, …[17 . Bélanger và cộng sự đã cố định enzyme GOx đồng

thời với quá trình trùng hợp pyrol trên điện cực Pt trong dung dịch KCl. Kết quả khảo

sát tính chất điện hóa của màng PPy/GOx tương tự như trường hợp PPy không ghép

GOx. Khi cảm biến nhúng trong dung dịch có glucozơ, phản ứng với GOx sẽ sinh ra

H2O2, H2O2 oxi hóa điện hóa và sinh ra đáp ứng dòng, tương ứng với nồng độ glucozơ

[18 .

Một số loại polyme dẫn điện cũng được ứng dụng trong chế tạo cảm biến ADN

vì việc chuyển hóa tín hiệu tương tác sinh hóa thành tín hiệu điện trở nên dễ dàng hơn

nhiều khi sử dụng polyme dẫn. Saoudi và cộng sự đã khảo sát điều kiện hấp phụ ADN

trên bề mặt polypyrol tổng hợp bằng phương pháp hóa học: pH, loại nền đệm, lực ion

và bản chất bề mặt [19 . Các kết quả đã chỉ ra rằng quá trình hấp phụ diễn ra thuận lợi

ở pH thấp, lực ion cao, khả năng hấp phụ giảm theo thứ tự ion đối như sau: nitrat >

clorit > sunfat. Lượng ADN hấp phụ cao nhất có thể đạt trong khoảng 0,13- 0,55mg/m2. Tuy nhiên kỹ thuật cố định AND đồng thời với quá trình trùng hợp điện

hóa Ppy tỏ ra hấp dẫn hơn nhiều. Livache và cộng sự [20 đã nghiên cứu chức hóa

monome Pyrol bằng cách tạo liên kết hóa trị với oligonucleotit sau đó kết tủa điện hóa

trên điện cực. Đơn chuỗi (single-stranded) AND kể cả ở trong màng vẫn có thể lai hóa,

tham gia vào quá trình phân tích.

Tuy nhiên vì các chuỗi ADN tích điện âm nên các polyme dẫn có nhóm amin

thường phải sử dụng một số kĩ thuật để tránh các tín hiệu giả trong quá trình đo [21 .

Gần đây, các nhà khoa học còn sử dụng kỹ thuật tạo khuôn phân tử trong phân tích với

độ chọn lọc rất cao một số chất như paracetamol, dopamin bằng phương pháp điện hóa

[22, 23 .

Trong số các polyme dẫn, polyanilin (PANi), polypyrol (PPy) và polythiophen

(PTh) được sử dụng rộng rãi nhất. Các loại polyme này có nhiều đặc tính như độ dẫn

cao, tổng hợp dễ dàng, độ ổn định cao, tính bền nhiệt lớn, có thời gian sử dụng dài.

Việc đưa polyme dẫn vào ứng dụng để chế tạo cảm biến sẽ tạo ra bước tiến bộ vượt

bậc cho lĩnh vực này nhờ các ưu thế: tính đa dạng, linh hoạt của vật liệu, khả năng gia

công dễ dàng hơn. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến điểm yếu đặc trưng của polyme dẫn

cần phải khắc phục, đó là độ dẫn điện kém hơn và kém ổn định hơn so với các vật liệu

vô cơ truyền thống. Để khắc phục điểm yếu này, gần đây đông đảo các nhà khoa học

thế giới đã nghiên cứu chế tạo composit của polyme dẫn với các vật liệu vô cơ và hữu

cơ khác nhau [24, 25]. Trong số đó hướng chế tạo composit polyme dẫn với vật liệu

nanocacbon được đặc biệt quan tâm như ống nanocacbon (CNTs) [26, 27] và mới đây

là graphen [28, 29].

1.1.4. Poly(1,5-diaminonaphtalen) và polyanilin

1.1.4.1. Poly(1,5-diaminonaphtalen)

Monome 1,5-diaminonaphtlen có công thức phân tử C10H10N2, là một trong các

dẫn xuất của naphtalen có hai nhóm chức amin trong phân tử ở vị trí 1 và 5 (hình 1.6).

Hình 1. 6: Cấu trúc hóa học c a 1,5-diaminonaphtalen

Poly(1,5-diaminonaphtalen) [P(1,5-DAN) là sản phẩm trùng hợp oxi hóa 1,5-

diaminonaphtalen theo sơ đồ tổng quát trên hình 1.7.

Hình 1. 7: Phản ứng trùng hợp điện hóa 1,5-DAN [30]

Quá trình trùng hợp điện hóa polydiaminonaphtalen bắt đầu được nghiên cứu từ

năm 1994 [30]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng trùng hợp diễn ra ở một nhóm

amin, nhóm amin còn lại ở trạng thái tự do tạo cho polyme khả năng phản ứng mạnh mẽ

với các hợp chất “nhận điện tử” (electron acceptor).

Tương tự như các polyme dẫn khác, P(1,5-DAN) được trùng hợp cả bằng

phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa. Trong trùng hợp điện hóa, monome

1,5-DAN bị oxi hóa kết hợp với chất pha tạp tạo thành màng polyme phủ lên bề mặt

điện cực làm việc (WE). Quá trình oxi hóa các monome hòa tan trong dung dịch điện

phân (dung môi nước hay dung môi hữu cơ) được thực hiện dưới tác dụng của dòng

điện hình thành các cation gốc. Sau đó có thể có hai con đường hình thành polyme:

(i) con đường thứ nhất, các cation gốc kết hợp với một monome trung hòa, sau

khi oxi hóa lần thứ hai và giải phóng proton sẽ tạo ra một đime trung hòa;

(ii) con đường thứ hai, hai cation gốc cặp đôi giải phóng hai proton và hình

thành đime trung hòa. Sau đó đime trung hòa bị oxi hóa và qui trình lặp lại cho đến khi

màng polyme lắng đọng trên bề mặt điện cực.

Hiệu quả của quá trình trùng hợp điện hóa phụ thuộc vào việc monome có thể

dễ dàng giải phóng electron hay không, đồng thời phụ thuộc vào tính ổn định của

cation gốc. So với các polyme dẫn khác, P(1,5-DAN) được coi là polyme dẫn còn khá

mới mẻ, các nghiên cứu chuyên sâu vào cơ chế hình thành và bản chất dẫn điện vẫn ở

những giai đoạn ban đầu. Mặc dù khả năng dẫn điện của P(1,5-DAN) thua kém so với

PANi nhưng nhờ có nhóm NH2 tự do trong phân tử P(1,5-DAN) nên được coi là vật

liệu polyme chức năng có nhiều đặc tính hấp dẫn. Các nghiên cứu về quá trình tổng

hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) thuần trên điện cực vàng trong dung môi axetonitril,

tính chất điện hóa và cấu trúc phân tử của nó đã được Jackowska và cộng sự công bố

năm 1995 trong đó đề xuất một số cấu trúc của P(1,5-DAN) [31]. Cùng thời gian này,

Jin và cộng sự cũng công bố quá trình tổng hợp điện hóa màng P(1,5-DAN) trong môi

trường nước (hình 1.8) [32]. Từ hình 1.8 có thể thấy, monome 1,5-DAN bị oxi hóa

trên điện cực GC. Vòng đầu tiên xuất hiện pic oxi hóa monome ở +0,68V. Trong các

chu kì quét tiếp theo, pic oxi hóa của monome giảm dần, đồng thời xuất hiện các pic

oxi hóa khử mới và chiều cao các pic này tăng khi số vòng quét tăng.

Hình 1. 8: Phổ CV quá trình trùng hợp điện hóa c a 1,5-DAN 1,1mM

trong HCl 0,1M [32]

Sau đó, năm 1997, M.C. Pham và cộng sự đã dùng phương pháp đo phổ hồng

ngoại phản xạ in-situ để nghiên cứu quá trình trùng hợp màng P(1,5-DAN). Các tác giả đã chỉ ra rằng P(1,5-DAN) có tính nhạy với ion Cu2+ [33]. Gần đây, Li và cộng sự

đã công bố quá trình chế tạo màng nannocomposit P(1,5-DAN) bằng cách phân tán

các hạt nano P(1,5-DAN) trong dung dịch nước có chứa 0,1% poly(vinylancol). Kết

quả cho thấy màng nanocomposit thể hiện hoạt động điện ổn định, cấu trúc màng dày

đặc, thời gian sống lâu, độ bám dính vào điện cực tốt, các tính chất này khác so với

điện cực biến tính bởi màng P(1,5-DAN) thuần [34].

Một số ứng dụng khác của màng P(1,5-DAN) có thể kể đến như làm cảm biến

đo độ ẩm cũng được triển khai nghiên cứu [35]. Shim và cộng sự đã tổng hợp P(1,5-

DAN) bằng phương pháp hóa học, sau đó pha tạp với cacbon bằng cách trộn với tỉ lệ

khác nhau và ứng dụng làm cảm biến độ ẩm. Tác giả đã so sánh về thời gian đáp ứng,

kích thước cảm biến, tín hiệu cảm biến và rải độ ẩm tương đối của cảm biến polyme

composit với các cảm biến trên cơ sở các polyme khác đã được nghiên cứu trước đó.

Ưu điểm là khả năng hồi phục tốt và đáp ứng tuyến tính theo sự thay đổi % của độ ẩm

tương đối.

Do tính chất đẫn điện của P(1,5-DAN) chỉ tốt trong môi trường axit nên khả

năng ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo cảm biến sinh học là khá hạn chế dù nhóm amin

của chúng có khả năng tạo các liên kết thuận lợi với các phần tử dò (sinh học).

Hathoot và cộng sự đã công bố tổng hợp hạt nano niken (Ni) phân tán trong P(1,5-

DAN) bằng cách tổng hợp màng P(1,5-DAN) trên bề mặt điện cực cacbon thủy tinh

sau đó ngâm trong dung dịch NiCl2 1M. Điện cực GC/P(1,5-DAN)/Ni có hoạt động

điện hóa cao hơn nhằm cải thiện quá trình oxi hóa glucozơ, axit ascobic, dopamin và

tránh sự chồng chéo giữa các pic anot. Điện cực được biến tính bởi NiNPs@P(1,5-

DAN) có thể được sử dụng để phân tích riêng rẽ hay đồng thời glucozơ, axit ascobic

và dopamin với độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và giới hạn phát hiện thấp [36].

Yadav và cộng sự sử dụng ống nanocacbon đơn vách (SWCNT) gắn vào màng

poly(1,5-diaminonaphtalen) để xác định sulfacetamin [37]. Sulfacetamin được định

lượng bằng phương pháp vôn – ampe sóng vuông trong đệm photphat pH = 7,2.

Cường độ dòng tuyến tính trong khoảng nồng độ 0,005 đến 1,5mM; giới hạn phát hiện

0,11µM và độ nhạy 23,997µA/µM. Cảm biến có độ ổn định tốt, đơn giản, nhanh

chóng, đáng tin cậy và hữu ích cho việc phát hiện sulfacetamin trong phòng thí nghiệm

dược phẩm.

Yadav và cộng sự cũng đã phát triển một phương pháp điện hóa có tính chọn

lọc và nhạy để xác định cefpodoxime proxetil [38]. Tác giả nhận thấy việc kết hợp hạt

nano vàng lên lớp P(1,5-DAN) làm cho quá trình oxi hóa cefpodoxime proxetil hiệu

quả hơn, độ ổn định và tái sản xuất tốt. Khoảng tuyến tính của cảm biến là 0,1-12mM;

giới hạn phát hiện là 39nM. Cảm biến này cũng đã được áp dụng thành công cho việc

phát hiện cefpodoxime proxetil trong các mẫu dược phẩm và mẫu nước tiểu của con

người. Các chất có trong nước tiểu như axit uric, axit ascobic, ... không ảnh hưởng đến

việc xác định cefpodoxime proxetil.

Thời gian gần đây, cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ các nghiên cứu về

vật liệu nhạy hóa học ứng dụng trong linh kiện cảm biến, polydiaminonaphtalen với

nhóm chức amin tự do trong phân tử được kì vọng có thể liên kết với các phần tử sinh

học đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.

1.1.4.2. Polyanilin

Trong số các polyme dẫn thì polyanilin (PANi) có những ưu điểm vượt trội như

có độ bền cao trong môi trường axit, độ dẫn điện tốt, dễ tổng hợp và đặc biệt dễ liên

kết và tích hợp với các linh kiện điện tử.

Anilin là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C6H5NH2 (hình 1.9), M=

93,13g/mol. Anilin là chất hữu cơ lỏng không màu nhưng sẽ chuyển thành màu nâu

khi gặp không khí và/hoặc ánh sáng [2].

Hình 1. 9: Cấu trúc hóa học c a Anilin

Có hai phương pháp tổng hợp PANi đó là phương pháp điện hóa và phương

pháp hóa học. Phương pháp hóa học: có ưu điểm là có thể sản xuất lượng lớn PANi một

cách dễ dàng tuy nhiên có nhược điểm độ tinh khiết không cao, thời gian tiến hành phản ứng

lâu, khó tạo màng và khống chế chiều dày màng trên bề mặt điện cực sử dụng làm cảm biến

điện hóa. Hình 1.10 giới thiệu cơ chế trùng hợp hóa học polyanilin.

Hình 1. 10: Cơ chế trùng hợp oxi hóa hóa học polyanilin [39]

Với mục tiêu tạo màng PANi trên bề mặt điện cực ứng dụng làm thành phần

chuyển đổi trong chế tạo cảm biến thì phương pháp điện hóa tỏ ra hiệu quả hơn nhiều.

PANi tổng hợp bằng phương pháp điện hóa tương đối dễ dàng, có độ dẫn điện cao,

bền nhiệt, bền môi trường và có thể điều chỉnh hoạt tính điện hóa bằng phản ứng axit -

bazơ.

Quá trình trùng hợp điện hóa có thể được mô tả theo các bước như sau:

+ Khuếch tán và hấp thụ anilin lên bề mặt điện cực.

+ Oxy hóa anilin.

+ Hình thành polyme trên bề mặt điện cực

+ Ổn định màng PANi trên bề mặt điện cực.

Sơ đồ tổng quát của quá trình trùng hợp màng PANi bằng phương pháp điện hóa

được đưa ra tại hình 1.11 dưới đây.

Hình 1. 11: Sơ đồ tổng quát hình thành polyanilin bằng phương pháp điện hóa [40]

Trong quá trình tổng hợp PANi người ta còn quan sát được các màu sắc khác

nhau tương ứng với cấu trúc khác nhau của PANi. Trạng thái tổng quát của polyanilin

được mô tả ở hình 1.12.

Hình 1. 12: Công thức tổng quát c a PANi

Khi y = 1 được gọi là leucoemeraldin (màu vàng nhạt), y = 0,5 là dạng

emeraldin (màu xanh lá cây) và khi y = 0 là dạng pernigranilin (màu xanh thẫm).

Vì độ hoạt hoá cao nên PANi có thể bị oxi hoá ngay trong không khí. PANi có

độ bám dính trên điện cực khá cao và có độ dẫn điện tốt gần bằng kim loại, màng

PANi mới tạo thành chính là bề mặt điện cực nơi diễn ra các phản ứng điện hoá tiếp

theo. Quá trình khử ngược lại cũng có thể xảy ra từng phần hoặc toàn phần. Các phản

ứng oxi hoá khử diễn ra thuận nghịch, các dạng có thể dễ dàng chuyển đổi cho nhau

(hình 1.13) [7]. PANi thường phản ứng với các axit thành dạng muối emeraldin có tính

chất dẫn điện tốt.

Hình 1. 13: Quá trình chuyển đổi cấu trúc điện tử PANi [7]

Nhờ có nhóm amin trong mạch polyme nên PANi có thể cố định các phân tử

sinh học thông qua liên kết hóa học với các tác nhân như glutaraldehit. Tuy nhiên,

nhược điểm của PANi là khả năng dẫn điện giảm đáng kể trong môi trường trung tính,

điều này hạn chế phần nào khả năng ứng dụng PANi thuần trong chế tạo cảm biến sinh

học. Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp pha tạp (doping) chọn lọc các vật

liệu nano (nano cacbon, nano kim loại) vào màng nhằm tăng cường độ dẫn của PANi

thuần thường được sử dụng.

1.2. Vật liệu lai polyme dẫn - graphen

1.2.1. Graphen

1.2.1.1. Kh i niệm và c c tính chất đặc tr ng

Graphen được phát hiện đầu tiên năm 2004 bởi Geim và Novoselov [41]. Graphen là một tấm phẳng có chiều dày bằng một lớp nguyên tử cacbon lai hóa sp2 tạo

thành dàn tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D) [42]. Tên gọi của nó được ghép từ 19

“graphit” (than chì) và hậu tố “en”, trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen

ghép lại. Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số dạng thù hình bao gồm than

chì, ống nano cacbon, và fulleren. Chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) là

graphen đã bổ sung đầy đủ hơn về các dạng thù hình tồn tại trước đó của cacbon là

graphit (3D), ống nano cacbon (1D) và fulleren (0D). Graphen cuộn lại sẽ tạo nên

dạng thù hình fulleren, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình ống nano cacbon CNTs

hay được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphit (hình 1.14) [43].

Hình 1. 14: Các dạng cacbon có lai hóa sp2, (A) Graphen, (B) Fulleren,

Về mặt cấu trúc màng graphen được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp xếp

theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng. Obitan 2s và 2 obitan 2p của nguyên tử cacbon lai hóa với nhau tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 định hướng trong một mặt phẳng hướng ra ba phương tạo với nhau một góc 120o. Mỗi obitan lai hóa sp2 của nguyên tử cacbon này xen phủ với một obitan lai hóa sp2 của nguyên tử cacbon khác

hình thành một liên kết cộng hóa trị dạng σ bền vững. Chính các liên kết σ này quy

định cấu trúc mạng tinh thể graphen dưới dạng hình tổ ong và lý giải tại sao graphen

rất bền vững và trơ về mặt hóa học. Ngoài các liên kết σ, giữa hai nguyên tử cacbon

lân cận còn tồn tại một liên kết π khác kém bền vững hơn được hình thành do sự xen

phủ bên của các obitan pz nguyên chất thuần khiết còn lại. Do liên kết π này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các obitan sp2 nên các điện tử tham gia liên kết

này rất linh động và quyết định tính chất điện và quang của graphen [44]. Hình 1.15

mô tả các liên kết của một nguyên tử cacbon trong mạng graphen.

Hình 1. 15: Các liên kết hóa học c a nguyên tử cacbon trong mạng graphen [44]

Cấu trúc hoàn hảo của graphen đã tạo nên những tính chất đặc thù riêng. Tính

dẫn điện của graphen có thể nói tương đương đồng, nhưng tính dẫn nhiệt của nó thì có

nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với những vật liệu khác. Nhờ có sự linh động của các

liên kết cacbon-cacbon mà vật liệu này có thể kéo dãn thêm 20% kích thước, đồng thời

cho phép các electron di chuyển trong cấu trúc mạng dễ dàng hơn, không giống như

trong các vật liệu thông thường. Graphen gần như trong suốt (chỉ hấp thụ 2,3% cường

độ ánh sáng truyền qua) nhưng lại không cho phép các nguyên tử khí (dù là nguyên tử heli) có thể đi qua. Graphen đơn lớp có diện tích bề mặt 2630 m2/g, độ linh động electron 200000 cm2/V.s ở nhiệt độ thường, độ dẫn nhiệt k = 5.103 W/mK, độ dẫn điện

σ = 64 mS/cm [45].

Graphen thương mại thông thường ở dạng graphen oxit (GO), là dạng không

dẫn điện. Để ứng dụng trong cảm biến điện hóa, người ta phải tiến hành khử (bằng

phương pháp điện hóa hoặc hóa học) graphen oxit thành graphen dạng khử (Reduced

graphene oxide - RGO). Trong phương pháp khử hóa học các tác nhân như hydrazin,

axit ascobic, .. là các tác nhân khử mang lại hiệu quả cao thường được sử dụng [46].

Phương pháp khử điện hóa GO dù ít phổ biến hơn, tuy nhiên đây là phương pháp có

thể thực hiện trực tiếp (in-situ) trong chế tạo vi cảm biến graphen với độ đồng nhất cao

do kỹ thuật áp thế được kiểm soát một cách dễ dàng. Sự chuyển hóa qua lại giữa

graphen và graphen oxit được mô tả ở hình 1.16.

Hình 1. 16: Phản ứng oxi hóa khử chuyển graphen thành graphen oxit

và ngược lại [46]

Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra

bởi nhiều nhà nghiên cứu [47]. Trong đó, mô hình của Lerf-Klinowski (hình 1.17) phổ

biến hơn cả, graphit sau khi bị oxi hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các

nhóm hidroxyl, epoxy và trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các

nhóm chức cacbonyl hoặc cacboxylic. GO với nhiều nhóm chức trong cấu trúc làm

cho vật liệu này có xu hướng ưa nước vì vậy GO phân tán tốt trong nước. Sự hiện diện

của của các nhóm chức hoạt động như cacbonyl, epoxy, hidroxyl trên bề mặt của GO

cho phép nó tương tác với rất nhiều các phân tử trải dài trên bề mặt biến tính.

Hình 1. 17: Cấu trúc c a graphen oxit theo mô hình c a Lerf-Klinowski

A: nhóm epoxy, B: nhóm hidroxyl, C: nhóm cacboxylic [47]

1.2.1.2. C c ph ng ph p tổng h p graphen

Sự thành công hay thất bại trong việc phát triển ứng dụng một vật liệu tùy vào

khả năng tổng hợp để sản xuất số lượng lớn ở quy mô công nhiệp và giá cả hợp lý.

Cho đến nay đã có nhiều phương pháp vật lý, hóa học được sử dụng để chế tạo ra vật

liệu graphen như phương pháp tách cơ học, phương pháp epitaxy hình thành màng đơn

tinh thể, phương pháp tách hóa học, phương pháp tách mở ống nanocacbon, phương

pháp phân tách pha lỏng, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) [44].

a. Phương pháp tách cơ học

Nguyên tắc của phương pháp là phá hủy lực liên kết Van Der Waals tương đối

yếu giữa các lớp graphit để chia nhỏ thành các lớp mỏng hơn tới một mức độ rất mỏng

một vài đơn lớp cacbon ta sẽ thu được graphen. Đầu tiên graphit sẽ được nghiền nát và

những mảng nhỏ rồi được gắn lên một băng dính “scotch”, việc này được lặp đi lặp lại

nhiều lần nhằm mục đích chia mỏng những lớp graphit còn lại chỉ vài lớp chính là cấu

trúc graphen. Sau đó những lớp này được chuyển lên bề mặt SiO2 để có thể tiến hành

một số phương pháp quang xác định độ dày các mảng graphen thông qua độ tương

phản của hình ảnh quang học.

Tuy nhiên phương pháp này tồn tại một hạn chế đó là chất lượng màng không

đồng đều nên ảnh hưởng đến tính chất điện tử của màng, đồng thời không phù hợp cho

yêu cầu tạo những màng graphen cỡ lớn.

b. Phương pháp epitaxy hình thành màng đơn tinh thể

Trước tiên người ta phải sử dụng một vật liệu nguồn, một cấu trúc mọc ghép

giữa Silic và cacbon là silicon carbide (SiC). Quá trình này thực hiện ở một nhiệt độ cao 1250oC và trong điều kiện chân không siêu cao (UHV) hoặc trong môi trường khí

Argon. Do nhiệt độ cao Silicon bốc hơi khỏi bề mặt kéo theo sự phá vỡ cấu trúc SiC ở

hai bên, kết quả còn lại đơn lớp graphen bên trong (cấu trúc lục giác còn lại của những

nguyên tử cácbon mầu đen chính là cấu trúc của graphen).

Khó khăn của phương pháp này là chi phí cơ sở vật chất cao và sự tương tác

mạnh mẽ giữa graphen và SiC làm cho nó khó trong việc chuyển lên bề mặt khác và

do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau cũng ảnh hưởng đến chính xác phép đo về điện.

c. Phương pháp tách hóa học

Nguyên tắc của phương pháp này là oxi hóa những tấm lớn graphit bằng cách

sử dụng các axit mạnh oxi hóa chèn các phân tử oxi vào khoảng giữa của các lớp 23

graphit tạo thành nhiều lớp graphit oxit xen kẽ nhau, sau đó đem rung siêu âm tách rời

các tấm graphit oxit ta sẽ thu được các tấm graphen oxit riêng biệt. Kết thúc quá trình

đem ủ nhiệt hoặc sử dụng phương pháp hóa học loại bỏ oxi đi và kết quả thu được các

tấm graphen.

Phương pháp này không thể tạo ra những tấm graphen có kích thước lớn, và cấu

trúc của graphen tạo ra có chất lượng không cao do bị ảnh hưởng bởi sự oxi hóa của

axit mạnh.

d. Phương pháp tách mở ống nanocacbon

Phương pháp này được thực hiện bằng cách mở ống nano cacbon đa vách theo

hướng dọc tạo thành băng nano graphen. Nguyên tắc của phương pháp là cho ống

nano cacbon tiếp xúc với môi trường “plasma etchant” mở trên dọc thân ống nano

cacbon tạo thành nanoribbons graphen hay các băng graphen.

Phương pháp này có một số ưu điểm như độ tinh khiết của graphen rất cao do

không lẫn bất kỳ dư lượng dung môi hay chất nào khác. Nguồn ống nano cacbon nhiều

và tương đối rẻ, quy trình thực hiện nhanh và tạo ra một lượng sản phẩm các băng

nano graphen lớn trên một lần thực hiện.

e. Phương pháp phân tách pha lỏng

Do sự tương tác về năng lượng giữa bề mặt graphen và dung môi thích hợp,

năng lượng này đủ lớn để thắng được lực liên kết Van Der Waals từ đó phân tách

graphit thành các tấm mỏng graphen và tạo ra một dung dịch, các tấm graphen sẽ phân

tán trong dung môi. Sau đó dung dịch sẽ được đem ly tâm để lắng đọng những mảng

lớn graphitic mà không bị phân tán sẽ được loại bỏ và ta được dung dịch có chứa

những tấm graphen.

Tuy nhiên phương pháp này tồn tại hạn chế cơ bản là kích thước và vị trí của

các tấm graphen không kiểm soát được và việc đưa các tấm graphen này lên một chất

nền khác là rất khó.

f. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)

Phương pháp CVD được tiến hành lần đầu tiên vào năm 1975 bởi Morgan và

Somorjai, hai ông đã sử dụng nhiễu xạ electron với năng lượng thấp (LEED) để khảo

sát sự hấp thụ các khí khác nhau như CO, C2H2, C2H4 lên bề mặt platin ở nhiệt độ cao

[48]. Những năm sau đó người ta đã suy luận kết quả từ thực nghiệm và thấy rằng có

tồn tại một lớp vật liệu có cấu trúc kiểu graphit, và lớp này đã làm giảm năng lượng

hấp thụ trên bề mặt platin. Những nghiên cứu tiếp theo đã chứng minh lớp vật liệu

bám trên bề mặt Pt chính là các đơn lớp graphen.

Mô hình hệ thiết bị CVD nhiệt được giới thiệu trong hình 1.18.

Lò nhiệt

Ống thạch anh

GMC

CH H

4

2

Hình 1. 18: Ảnh chụp hệ thiết bị CVD nhiệt [49]

Cho đến ngày nay phương pháp CVD đang trở thành phương pháp gần như tối

ưu nhất để có thể chế tạo ra màng graphen phục vụ cho nghiên cứu cũng như các ứng

dụng của graphen trong nhiều lĩnh vực. Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm có thể

tạo ra những lớp mỏng graphen với diện tích lớn, độ đồng đều của màng cao, và đặc

biệt có thể khống chế được chiều dày hay số lớp graphen [50-52].

1.2.2. Vật liệu lai polyme dẫn – graphen

Vật liệu lai polyme dẫn - graphen là vật liệu tổ hợp gồm có polyme dẫn và

graphen. Ngoài vật liệu lai polyme dẫn – graphen, hệ vật liệu lai composit polyme dẫn

– graphen oxit (GO) và graphen oxit khử (RGO) có hoạt tính điện hóa cao hơn so với

graphen, do trung tâm phản ứng chứa oxi tại các cạnh và trong mặt phẳng đáy, cũng

được sử dụng trong cảm biến điện hóa [53]. Hơn nữa, điện cực trên cơ sở RGO cho độ

nhạy cao hơn và hoạt động xúc tác điện tử hơn tất cả các điện cực trên cơ sở GO, do

độ dẫn của nó cao hơn [54, 55]. Việc kết hợp các tính chất quang học, điện, nhiệt, cơ

khí, hóa học hoặc điện hóa của mỗi thành phần có thể giúp tăng cường tính năng cho

cảm biến hóa học và sinh học [56, 57]. Ngoài ra, các hạt nano kim loại [58] hay phân

tử sinh học [59] cũng được chế tạo trên vật liệu lai polyme dẫn – graphen để mở rộng

khả năng ứng dụng của hệ cảm biến này. Polyme dẫn đóng vai trò như chất mang để

kết nối với graphen và chất phân tích hoặc đóng vai trò của tác nhân nhạy cảm để nâng

cao độ nhạy, giảm giới hạn phát hiện thấp hơn, tăng thời gian đáp ứng hay chọn lọc

các chất tương đối trơ, và làm tăng hiệu suất cảm biến [60].

1.2.2.1. Ph ng ph p chế tạo

Vật liệu lai polyme dẫn - graphen có thể được chế tạo bằng cách trộn hợp trong

dung dịch [61], nhưng phương pháp này khá khó khăn do tính khó phân tán của

polyme dẫn trong dung dịch. Giải pháp tổng hợp nhờ phản ứng trùng hợp in-situ bằng

phương pháp hóa học hay điện hóa tỏ ra thích hợp hơn nhiều. Theo phương pháp hóa

học, GO được phân tán đều trong dung môi, sau đó cho thêm monome (ví dụ anilin) và

chất oxi hóa, kết thúc quá trình trùng hợp sẽ thu được vật liệu lai polyme dẫn –

graphen [62]. GO có ưu điểm phân tán dễ dàng tuy nhiên độ dẫn điện rất hạn chế. Để

khắc phục điều này có thể khử GO bằng hợp chất hydrazin. K.Zhang và cộng sự đã

tổng hợp vật liệu lai graphen/polyanilin bằng quá trình trùng hợp in-situ trong dung

dịch monome anilin với sự có mặt của GO trong môi trường axit [63]. Vật liệu lai

PANi/GO thu được sau đó được khử về PANi/RGO bằng dung dịch hydrazin. Tuy

nhiên PANi cũng đồng thời bị khử và đề proton dẫn đến giảm độ dẫn. Mặc dù vật liệu

này tiếp tục được oxi hóa và proton hóa PANi trong môi trường axit nhưng độ dẫn điện của vật liệu composit PANi/RGO (168,7Sm-1) vẫn hơi thấp hơn so với composit PANi/GO (231,2Sm-1). Ngoài PANi, PEDOT cũng được nghiên cứu chế tạo composit

với graphen theo phương pháp trùng hợp hóa học in-situ . Vật liệu lai trong suốt thu

được có độ dẫn điện cao và ổn định nhiệt tốt.

Nếu phương pháp hóa học cho phép tổng hợp các sản phẩm composit dạng bột

thì phương pháp điện hóa sẽ thuận lợi hơn để chế tạo vật liệu composit dạng màng.

Theo phương pháp này Shi và cộng sự đã công bố chế tạo thành công màng composit

polypyrol/graphen bằng cách oxy hóa điện hóa pyrol trong dung dịch điện ly có chứa

graphen sulfonat hóa [64]. Các tấm graphen sunfonat hóa tích điện âm nên dễ dàng

gắn vào màng PPy như một chất kích hoạt. Ngoài ra, cũng có thể trùng hợp điện hóa

polyanilin trực tiếp trên màng graphen như công bố của Cheng và cộng sự [65]. Đầu

tiên, tấm giấy graphen (graphene paper - GrP) được chế tạo bằng cách sắp xếp, thấm

tẩm định hướng trong chân không. Sau đó, giấy graphen được sử dụng như điện cực

làm việc và phân cực anot tại 0,75V (theo calomen) trong dung dịch điện ly H2SO4

0,5M có chứa 0,05M anilin. Các kết quả nghiện cứu đặc trưng chứng tỏ vật liệu

composit GrP/PANi chế tạo thành công có cấu trúc đa lớp (layer-by-layer).

Tổng hợp điện hóa là một phương pháp dễ dàng kiểm soát để chế tạo các điện

cực biến tính dùng cho cảm biến điện hóa. Các kỹ thuật điện hóa được sử dụng thông

thường bao gồm quét thế vôn – ampe vòng, áp thế không đổi, áp dòng không đổi. Một

cách trùng hợp khác của polyme dẫn - graphen có thể được thực hiện bằng cách trùng

hợp monome trong dung dịch có chứa graphen oxit hay graphen phân tán [57].

Vật liệu GO phủ PEDOT (PEDOT/GO) đã được chế tạo bằng phương pháp

điện hóa để xác định đồng thời hydroquinon (HQ) và catechol (CT) [57]. Điện trùng

hợp của EDOT được thực hiện trên điện cực cacbon thủy tinh với sự có mặt của GO (1

mg/mL) và EDOT (0,01 M) bằng phương pháp vôn – ampe tuần hoàn với khoảng thế

giữa -0,2 và 1,2V; tốc độ 100mV/s. PEDOT phân bố với các tấm GO tạo thành nhiều

lỗ nhỏ hoặc to tạo thuận lợi cho việc vận chuyển của các phân tử và ion trong dung

dịch. Tương tự như vậy, các polyme dẫn – graphen khác cũng đã được tổng hợp bằng

cách trùng hợp điện hóa tại điện thế không đổi trong dung dịch chứa GO và monome

tạo các composit, như PPy/GO và PEDOT/GO, PEDOT/Gr.

Phương pháp điện hóa in-situ đã được nhiều nhóm nghiên cứu, trong đó tiêu

biểu là nhóm của Ameen và Huang [66, 67]. Điện cực được phủ bởi PANi/Graphen

được chế tạo trực tiếp sử dụng điện cực biến tính anilin-GO bằng sự khử điện hóa in-

situ GO và xảy ra đồng thời với điện trùng hợp in-situ của anilin trong chất điện phân

có tính axit. Điểm mấu chốt của quá trình là biến tính điện cực trước với một chất lỏng

có những hạt chất rắn nhỏ li ti lơ lửng trong đó chứa GO/anilin đồng nhất được ổn

định bằng một tương tác điện mạnh giữa nhóm amino và nhóm chức oxi GO, sau đó

quét qua một khoảng thế rộng cho việc khử đồng thời của GO và trùng hợp anilin.

Màng composit PANi/Graphen ứng dụng làm cảm biến sinh học H2O2 được tổng hợp

bằng cách quét thế giữa -1,3V và 1,0V với tốc độ 50mV/s trong H2SO4 1M, cho bề

mặt riêng lớn, dẫn điện cao, tương hợp sinh học tốt và tính oxi hóa khử nhanh [67].

Các nghiên cứu tương tự trên màng composit PANi/Graphen đã được báo cáo bởi

Ameen và các đồng tác giả [66]. Việc tổng hợp điện hóa in-situ màng mỏng composit

PANi/Gr trong HCl 0,5M được thực hiện với thế áp là -1,0 đến +1,0V và tốc độ quét 0,02V/s. Sự kết hợp tốt của PANi và graphen, là do tương tác giữa C-N+ của PANi và

cacboxylat của graphen, cho phép thu được cảm biến có độ nhạy, độ tin cậy và độ lặp

lại cao trong phát hiện hydrazin.

Một phương pháp tổng hợp điện hóa khác được thực hiện thông qua trùng hợp

điện hóa các polyme dẫn với sự có mặt của graphen hoặc graphen oxit. Một lớp

graphen oxit hay graphen thu được bằng cách nhỏ dung dịch chứa các hạt nhỏ li ti của

nó trong dung môi (ví dụ, được sử dụng rộng rãi là DMF) lên trên bề mặt của chất nền

điện cực, sau đó polyme dẫn có thể được điện trùng hợp trên điện cực biến tính với

màng GO hay graphen [68, 69]. Ở đây, các lớp cacbon lỏng hoạt động như một nền

điện tử quan trọng để mang polyme dẫn cấu trúc nano. Ví dụ, điện cực GC biến tính

bởi polycacbazol/GO khử hóa học (PCz/CRGO) được chế tạo bằng phương pháp vôn

– ampe vòng để xác định thuốc trừ sâu imidacloprid [68]. Các điện cực biến tính đã

được thực hiện bằng cách trùng hợp điện hóa cacbazol trong dung dịch BFEE trên bề

mặt CRGO/GC. Sợi nano PCz phát triển/mọc một cách rời rạc trên bề mặt của

CRGO/GC với kích thước nhỏ hơn đường kính của các hạt nhỏ PCz trên GC, điều này

có thể dẫn đến tốc độ chuyển điện tử nhanh chóng. Sự hình thành của sợi nano PCz có

lẽ là do sự hiện diện của các nhóm cacboxyl của GO. Lượng hoặc độ dày của polyme

được qui định bởi số vòng quét CV tại tốc độ quét 100mV/s. Gần đây, Yang Bo và

các cộng sự đã đưa ra một quá trình lắng đọng điện hóa gồm ba bước với mật độ dòng

không đổi liên tục để phủ sợi nano PANi trên điện cực GC biến tính GO để chế tạo

cảm biến điện hóa ADN thế hệ mới [69].

Tùy thuộc vào các điều kiện thí nghiệm và quá trình tổng hợp, sự phát triển của

các polyme dẫn có thể định vị trên bề mặt của điện cực [68, 69]. Trong trường hợp,

GO là tiền chất, quá trình khử polyme dẫn/GO thành polyme dẫn/Graphen là cần thiết

cho mục đích nhất định. Nó có thể được thực hiện tại một điện thế âm không đổi [66]

hoặc điện thế quét [70]. Ví dụ, PPy/RGO đã thu được sau quá trình khử điện hóa

PPy/GO tại thế -0,1 đến -1,0V (so với SCE) và tốc độ quét 50 mV/s trong 5 vòng [70].

1.2.2.2. Ứng dụng trong cảm biến

Vấn đề gia tăng ô nhiễm môi trường thời gian gần đây là động lực mạnh mẽ

thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng các cảm biến phân tích chất độc trong

không khí và trong nước, kiểm soát các chất thải công nghiệp cũng như chất lượng an

toàn thực phẩm. Xu hướng hiện nay là nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy hơn, hoạt

động trong phạm vi rộng hơn và nhu cầu bảo dưỡng đơn giản hơn. Hướng nghiên cứu

chế tạo vật liệu mới, ứng dụng chất dẻo dẫn điện với các đặc tính hấp dẫn kết hợp kim

loại với polyme đang hứa hẹn một thế hệ cảm biến mới đầy triển vọng [71].

Quan trắc môi trường là một quá trình đo đạc thường xuyên một hoặc nhiều chỉ

tiêu về tính chất vật lý, hoá học và sinh học của các thành phần môi trường, theo một

kế hoạch lập s n về thời gian, không gian, phương pháp và quy trình đo lường, để

cung cấp các thông tin cơ bản có độ tin cậy, độ chính xác cao và có thể đánh giá được

diễn biến chất lượng môi trường. Trong nhiều năm gần đây việc đánh giá ảnh hưởng

của môi trường, kiểm soát môi trường là vấn để được quan tâm hàng đầu trên toàn thế

giới. Hàng ngày các hoạt động của tự nhiên và của con người không ngừng tác động

đến môi trường. Ví dụ các hoạt động của tự nhiên: phun trào núi lửa có thể tăng nồng

-, NO2

độ Hg ở khu vực khí quyển xung quanh từ 4-6 lần… Việc phân tích nồng độ các ion -, Cl-…, các khí như kim loại nặng như Cu2+, Zn2+, Pb2+… các anion như NO3

NOx, NH3, CO2, CO… để xác định dư lượng cho phép trong không khí, đất, nước,

trong thực phẩm… luôn là những vấn đề cấp bách được đặt lên hàng đầu để bảo vệ sức

khỏe con người và môi trường sống của chúng ta. Những đòi hỏi ngày càng cao của

quá trình quan trắc môi trường, với nhu cầu phân tích các cấu tử có nồng độ rất nhỏ

thậm chí ở dạng vết, mà không mất nhiều thời gian, tiền bạc mà vẫn cho kết quả

nhanh, chính xác, chính là động lực thúc đẩy sự phát triển các cảm biến hiện đại.

Trong số đó, cảm biến hoạt động theo nguyên lý điện hóa tỏ ra hấp dẫn hơn cả. Mặc

dù cảm biến điện hóa có tiềm năng lớn nhưng cho đến nay việc ứng dụng nó trong

quan trắc môi trường vẫn còn ở trong giai đoạn bước đầu. Trong thực tế mới chỉ có

một số thiết bị như điện cực pH, điện cực oxi hòa tan, máy đo độ muối, đo độ cứng

của nước được sử dụng rộng rãi. Hiện nay hướng nghiên cứu chế tạo cảm biến điện

hóa đang được quan tâm và đầu tư rất mạnh mẽ, đặc biệt trong vấn đề chế tạo vật liệu

cảm biến tiên tiến như các vi điện cực, cảm biến array… Các vật liệu thường dùng làm

lớp nhạy hóa chất là chất bán dẫn vô cơ như Si, SnO2, TiO2, … Vật liệu polyme dẫn

kết hợp graphen bắt đầu được nghiên cứu gần đây, nhưng hứa hẹn nhiều tiềm năng

ứng dụng to lớn với kỳ vọng có được đặc tính vượt trội nhờ kết hợp các ưu điểm của cả

hai vật liệu thành phần, quan trọng nhất là độ dẫn, độ bền cơ học, độ ổn định, khả năng

gia công và hoạt tính điện hóa. Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của vật liệu

trên cơ sở graphen cho cảm biến điện hóa là cảm biến nhạy khí và cảm biến sinh học

nhằm nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định [72].

Với cảm biến nhạy khí thì hai vấn đề quan trọng nhất là độ nhạy và độ chọn lọc.

Bởi cấu trúc linh hoạt cho việc dịch chuyển điện tử trên màng graphen, do đó nó có

khả năng hấp phụ các phân tử khí và làm tăng độ nhạy của cảm biến. Tới nay, đã có

nhiều báo cáo sử dụng cảm biến trên cơ sở graphen để xác định các phân tử khí như

NO2, NO, NH3, Cl2 và một số chất độc hóa học [73]. Gần đây, nhóm nghiên cứu Geim

và Novoselov công bố bộ cảm biến graphen đầu tiên có thể nhận biết được một phân

tử thể khí [74]. Trong một nghiên cứu khác, Laith Al-Mashat và cộng sự [75] đã tổng

hợp GO bằng phương pháp hóa học (oxi hóa graphit bằng hỗn hợp axit sunfuric và

kali pemanganat). Bột GO được khử về Graphen sử dụng dung dịch hydrazin trong N,

N-dimetylfomamid (DMF), sau đó đem phân tán bằng máy rung siêu âm trong thời

gian 1 giờ trong dung dịch etylen glicol có chứa 1mmol anilin và 0,05mmol N-phenyl

1,4-phenylenediamin. Cho thêm 0,25mmol amoni pesunphat và HCl, quá trình trùng

hợp anilin xảy ra trên bề mặt graphen. Các kết quả nghiên cứu đặc trưng đã chứng tỏ

composit Gr/PANi tạo thành có dạng sợi nano, có độ nhạy với khí hidro, lớn hơn nhiều

so với graphen và PANi sử dụng riêng rẽ.

Một trong những ứng dụng quan trọng khác của cảm biến trên cơ sở graphen đó

là sử dụng graphen như vật liệu cho cảm biến sinh học điện hóa. Đầu tiên có thể kể

đến là cảm biến enzym xác định glucozơ nhờ sự liên kết giữa nhóm cacboxylic của

GO với nhóm amin của gluco oxidase (GOx). Liu và cộng sự đã chỉ ra một dải tuyến

tính rộng, độ nhạy cao, độ lặp lại tốt và khả năng bảo quản lâu dài của cảm biến này

[76]. Khi kết hợp với các polyme chức năng như chitosan cảm biến

GOx/RGO/chitosan chỉ ra dải tuyến tính của glucozơ từ 0,08-12mM, giới hạn phát hiện 0,02mM và độ nhạy cao (37,93µA/mM.cm2) [77]. Bên cạnh đó, một số loại

enzym khác như horseradish peroxidase (HRP), alcohol dehydrogenase (ADH),

organophosphorus hydrolase (OPH), tyrosinase, acetylcholinesterase, … cũng cho

thấy sự cải thiện độ nhạy đáng kể khi có GO [73]. Với cảm biến miễn dịch điện hóa

trên cơ sở graphen, Liu và cộng sự đã sử dụng graphen để khuếch đại tín hiệu dòng

điện nhằm xác định HIgG với khoảng tuyến tính chỉ từ 0,1 tới 200ng/ml với giới hạn

phát hiện là 0,05ng/ml [78]. Sự kết hợp với các hạt nano vàng của graphen cũng đã

được báo cáo cho thấy cải thiện mạnh mẽ tín hiệu điện hóa trong xác định một số chỉ

dấu ung thư ở người (CEA) theo nguyên lí miễn dịch. Ngoài ra, cảm biến cho việc

phát hiện các hóa chất, khí độc, độc tố hay phân tử sinh học sử dụng graphen cũng đã

được nghiên cứu và phát triển [73].

Shi và cộng sự [63 đã phân tán composit PANi/Gr chế tạo được bằng phương

pháp hóa học trong dung dịch, sau đó nhỏ giọt lên bề mặt điện cực cacbon thủy tinh,

sấy khô và khảo sát tính chất điện hóa. Kết quả cho thấy mật độ dòng của phổ vôn -

ampe vòng (CV) thu được đối với composit lớn hơn rất nhiều so với PANi thuần. Mặt

khác, lớp màng PANi thuần rất nhanh chóng bị bong ra khỏi điện cực, trong khi màng

composit thì không. Như vậy, graphen đã cải thiện đáng kể khả năng tạo màng và độ

bền, chịu nước của màng PANi, điều này đặc biệt quan trọng trong việc chế tạo cảm

biến. Kết quả thử nghiệm tính nhạy với axit ascobic cũng chứng tỏ tác dụng tăng tốc

độ trao đổi điện tử cũng như cải thiện độ lặp lại, độ ổn định của graphen.

Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu graphen do Phan Hồng Khôi, Phan Ngọc Minh,

Nguyễn Văn Chúc kết hợp cùng với nhóm cảm biến của Trần Đại Lâm, Nguyễn Tuấn

Dung, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho một số kết quả khả quan.

Cảm biến cho việc phát hiện các hóa chất, khí độc, độc tố hay phân tử sinh học sử

dụng graphen cũng được nghiên cứu và phát triển chế tạo màng graphen bằng phương

pháp lắng đọng pha hơi và gắn graphen lên bề mặt màng polyanilin ứng dụng trong y –

sinh học [79, 80]. Vật liệu layer-by-layer PANi/Fe3O4/Gr đã được thử nghiệm xác định

hàm lượng glucozơ trong dung dịch. Kết quả bước đầu rất khả quan, cho thấy cảm

biến có khoảng tuyến tính trong khoảng nồng độ glucozơ từ 2,9-23mM; độ nhạy lớn (khoảng 92μAmM-1cm-2) và hoạt động tốt hơn nhiều so với trường hợp không phủ

màng graphen [81]. Cảm biến lactozơ cũng được nghiên cứu phát triển trên cơ sở hệ

vật liệu Gr/P(1,5-DAN) [82]. Màng đơn lớp graphen được tổng hợp bằng phương pháp

CVD và đóng vai trò như lớp vật liệu điện cực, polyme dẫn P(1,5-DAN) được trùng

hợp điện hóa trên bề mặt màng graphen, sau đó gắn enzym và đánh giá khả năng xác

định hàm lượng lactozơ bằng phương pháp vôn – ampe vòng. Với hàm lượng

8,5µg/ml của cơ chất lactozơ, dòng đáp ứng của cảm biến có sự tăng rõ rệt với cường

độ dòng lớn hơn 50µA. Màng polyme dẫn đa chức năng poly(5-hydroxy-1,4-

naphthoquinone-co-5-hydroxy-2-carboxyethyl-1,4- naphthoquinone) (P(JUG)-co-

(JUGA)) cũng được tổng hợp trên nền điện cực cacbon thủy tinh phủ graphen [79].

Polyme này vừa có tác dụng cố định AND dò, vừa có hoạt tính oxy hóa khử, sử dụng

để cung cấp tín hiệu nhận biết. Cảm biến được nghiên cứu ứng dụng nhận biết vi

khuẩn lao Mycobacterium teberculosis và đạt được kết quả khả quan. Ngoài ra, 2

nhóm cũng đã phát triển cảm biến đo nồng độ cholesterol [80], glucozơ [81], thuốc

diệt cỏ atrazin [83], hàm lượng kim loại nặng [84], dopamin [85]. Nhóm của Nguyễn

Văn Hiếu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã phát triển các cảm biến nhạy khí xác

định NO2, NH3 [86]. Nhóm của Ngô Trịnh Tùng, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu chế tạo nanocomposit giữa tấm graphen

với polyanilin bằng phương pháp hóa học [87].

1.3. Phân tích ion kim loại nặng trong nƣớc

1.3.1. Giới thiệu chung về ion kim loại nặng

Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Trong cơ thể

con người có chứa một lượng nhỏ các chất này. Chúng được đưa vào các cơ thể sống

qua thức ăn, nước uống và không khí. Nếu nồng độ kim loại nặng trong môi trường

(dẫn đến nồng độ trong cơ thể) lớn hơn một lượng nào đó chúng sẽ trở nên rất độc hại.

Trong số các chất ô nhiễm môi trường, kim loại nặng được coi là nguy hiểm nhất do

có độc tính cao và khả năng tích tụ sinh học. Chì có độc tính cao và được sử dụng khá

phổ biến trong sản xuất và tiêu dùng. Trong công nghiệp chì được sử dụng trong ắc

quy, dây cáp điện, đầu đạn và ống dẫn trong công nghiệp hóa học. Lượng lớn chì được

sử dụng để điều chế hợp kim quan trọng, ngoài ra chì hấp thụ tốt các tia phóng xạ và

tia Rơnghen nên được sử dụng làm tấm bảo vệ khi làm việc với các tia này. Theo quy

định của tổ chức y tế thế giới, nồng độ tối đa cho phép của Pb (II) trong nước uống là

0,01mg/l.

Tác hại c a chì tới sức khỏe con người

Chì gây độc hại đến cơ thể, tác động lên thần kinh, tổng hợp hemoglobin và sự

chuyển hóa vitamin D. Theo tính toán liều lượng chì tối đa có thể chấp nhận hàng

ngày cho người do thức ăn tạm thời quy định là 0,005mg/kg thể trọng. Bình thường

con người tiếp nhận hàng ngày từ 0,05 đến 0,1mg Pb không hại từ các nguồn như:

không khí, nước và thực phẩm nhiễm nhẹ chì, nhưng tiếp nhận lâu dài 1mg/ngày sẽ bị

nhiễm độc mãn tính, nếu như hấp thụ 1mg Pb trong một lần có thể sẽ gây tử vong.

Các hợp chất của Pb đều độc đối với động vật. Khi xâm nhập vào cơ thể chì tập

trung ở xương và tại đây chì tác dụng với photphat trong xương rồi truyền vào các mô

mềm của cơ thể và thể hiện độc tính của nó. Ngoài ra chì còn ngưng đọng ở gan, lá

lách, thận ... chì phá hủy quá trình tổng hợp hemoglobin và các sắc tố cần thiết khác

trong máu như cytochrom, cản trở sự tổng hợp nhân hemo và tích trong các tế bào

hồng cầu, làm giảm thời gian sống của hồng cầu.

1.3.2. Các phƣơng pháp phân tích ion kim loại

Kim loại nặng là một trong các chất ô nhiễm nguồn nước nguy hiểm nhất do có

độc tính cao và khả năng tích tụ sinh học, việc nhận biết và định lượng vết kim loại

nặng được quan tâm đặc biệt. Từ nhiều năm nay, kim loại nặng được phân tích chủ

yếu bằng phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hay khối phổ cảm ứng kết nối

plasma (ICP-MS), tuy các phương pháp này có độ nhạy và chính xác cao nhưng rất đắt

tiền, thiết bị cồng kềnh và quy trình phức tạp [88, 89]. Các phương pháp phân tích điện

hóa có ưu điểm hơn nhiều do thiết bị điện hóa nhỏ gọn, rẻ tiền, có khả năng phân tích

hiệu quả, dễ thực hiện tại chỗ và dễ tự động hóa. Kỹ thuật sử dụng phổ biến hiện nay

là kỹ thuật hòa tan vôn - ampe và điện cực chọn lọc ion [90, 91].

1.3.2.1. Ph ng ph p quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có những ưu việt: độ nhạy, chính xác cao,

lượng mẫu tiêu thụ ít và đây được coi là phương pháp tiêu chuẩn để xác định lượng

nhỏ và lượng vết các kim loại trong nhiều đối tượng khác nhau như y học, sinh học và

kiểm tra các hóa chất có độ tinh khiết cao.

Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng kĩ thuật GF –

AAS xác định các kim loại nặng trong nhiều đối tượng khác nhau. I-Chuan Chuang,

Yeou-Lih Huang [92] đã ứng dụng phương pháp GF –AAS để xác định Pb trong 5

mẫu thuốc cổ truyền Trung Quốc sử dụng (NH4)H2PO4 làm chất cải biến hóa học và

đưa ra giới hạn định lượng của Pb là 11,6pg. Áp dụng phương pháp GF-AAS, các tác

giả S.L. Jeng, S.J. Lee xác định Pb trong mẫu sữa nguyên liệu và đưa ra kết quả hàm

lượng trung bình của Pb trong 107 mẫu sữa là 2,03ng/g [93].

1.3.2.2. Ph ng ph p phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP – MS)

Kĩ thuật phân tích ICP-MS là một trong những kĩ thuật hiện đại, được nghiên

cứu và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Với những ưu điểm nổi bật, kĩ

thuật ICP –MS được ứng dụng rất rộng rãi trong phân tích rất nhiều các đối tượng

khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực phân tích vết và siêu vết phục vụ nghiên cứu

trong sản xuất vật liệu bán dẫn, vật liệu hạt nhân, nghiên cứu địa chất và môi trường.

Tuy nhiên phương pháp này mất nhiều thời gian, thiết bị cồng kềnh, phức tạp, đắt tiền,

chỉ được thực hiện ở phòng thí nghiệm bởi những nhân viên kĩ thuật cao.

D.Lariviere và cộng sự [93] đã nghiên cứu xác định siêu vết 210Pb trong nước bằng phương pháp ICP – MS và đưa ra giới hạn phát hiện của 210Pb là 10pg/L. Tác

giả Peter Heitland và Helmut D.Koster [94] ứng dụng phương pháp ICP-MS để xác

định lương vết nguyên tố Pb trong mẫu nước tiểu của trẻ em và người trưởng thành.

1.3.2.3. Ph ng ph p điện h a

Phương pháp vôn - ampe hòa tan là một trong những phương pháp phân tích

điện hóa quan trọng nhất. Phương pháp này dựa trên lý thuyết về quá trình điện cực,

phụ thuộc chủ yếu vào việc đưa chất điện hoạt từ trong lòng dung dịch đến bề mặt điện

cực làm việc và ghi đường vôn - ampe (đường biểu diễn sự phụ thuộc cường độ dòng

Faraday vào giá trị thế của điện cưc làm việc so với điện cực so sánh).

Zhiwei Zou và cộng sự [95] đã chế tạo điện cực bitmut ứng dụng phân tích ion

Pb(II) trong dung dịch đệm phôtphat (pH = 7,43). Với thế làm giàu -1V trong thời gian 60s, giới hạn phát hiện Pb2+ là 8 ppb và độ nhạy là 2,2 nA/ppb. Litong Jin và cộng sự

[96] đã biến tính điện cực bằng màng bitmut phủ Nafion. Vật liệu sau đó dùng để phát

hiện ion Pb(II) trong dung dịch với giới hạn phát hiện là 0,17µg/l khi làm giàu 180s tại

-1,4V. Chang-Kyu Rhee và cộng sự [97] đã biến tính điện cực bằng bitmut để phân

tích lượng vết ion Pb(II) sử dụng phương pháp von - ampe hòa tan anot. Với thế làm

giàu -1,2V trong thời gian 3 phút, giới hạn phát hiện Pb(II) là 0,07 µg/l. Zhaomeng

Wang, Erjia Liu, Xing Zhao [98] đã biến tính điện cực thủy tinh bằng màng polyanilin

ứng dụng phân tích lượng vết chì trong dung dịch đệm axetat 0,1M (pH = 5,3). Với thế

làm giàu –1V trong thời gian làm giàu 120s và thời gian cân bằng 30 giây, đã tìm được đường chuẩn phát hiện Pb2+ với giới hạn phát hiện là 0,1µM.

1.3.3. Tình hình nghiên cứu xác định ion kim loại trên thế giới và Việt Nam

Việc tổng hợp composit giữa graphen với các hạt nano kim loại và các polyme

ứng dụng làm cảm biến sinh học, cảm biến nhận biết kim loại nặng cũng được đông

đảo các nhà khoa học nghiên cứu và công bố những kết quả rất đáng quan tâm. Các

ion kim loại như chì, cadimi, thủy ngân là những chất có độc tính cao, rất nguy hiểm

cho môi trường và sức khỏe con người nên cần phải được kiểm soát hết sức cẩn thận.

Việc phát triển các phương pháp nhận biết siêu nhạy và chọn lọc là nhu cầu cấp thiết

của các nhà hóa học môi trường cũng như hóa học thực phẩm.

Polyme dẫn được nghiên cứu làm cảm biến Cd(II) và Pb(II) nhiều nhất là

polyanilin. Đầu tiên phải kể đến công trình của J.H. Santos và cộng sự năm 1998, các

tác giả đã tổng hợp polyanilin (PANi) doping bằng poly(vinylsulfonat) (PVS) trên điện

cực cacbon thủy tinh (GC). Các kết quả phân tích ion Pb(II) theo kỹ thuật vôn - ampe

xung vi sai (DPV- differential pulse voltammetry) của điện cực lai GC/PANi-PVS

cho thấy vật liệu cho tín hiệu khá ổn định, tuy nhiên độ nhạy còn hạn chế, giới hạn nhận biết mới đạt khoảng 10-6 mol/L [99].

Năm 2003, A.A. Khan và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp màng chọn lọc ion

kim loại nặng trên cơ sở polyme dẫn (polyanilin, polypyrol, polythiophen, v.v.) lai hóa

muối kim loại đa hóa trị, tạo ra một loại vật liệu trao đổi ion mới dạng lai hóa “vô cơ –

hữu cơ” với các tính chất cơ, dung lượng hấp phụ, độ ổn định, lặp lại và chọn lọc cao

hơn hẳn vật liệu riêng rẽ. Các tác giả đã chỉ ra rằng màng trao đổi ion “polyanilin-

Sn(IV) tungstoarsenat” chế tạo bằng cách phối trộn polyanilin với bột vô cơ Sn(IV)

tungstoarsenat đặc biệt chọn lọc ion Cd(II) [100].

Thời gian gần đây các nhà khoa học công bố khá nhiều các kết quả nghiên cứu

chế tạo điện cực lai polyme dẫn thay thế điện cực thủy ngân trong phép phân tích von-

ampe hòa tan. E. Liu và cộng sự vào năm 2011 đã tìm ra điều kiện tối ưu để phân tích

đồng thời Pb(II) và Cd(II) bằng điện cực lai GC/PANi [98]. Các kết quả đã chỉ ra rằng

trong môi trường đệm axetat với pH = 5,3, sử dụng kỹ thuật vôn - ampe hòa tan anot

sóng vuông (SWASV) với tần số 50 Hz và biên độ 50 mV/s, có thể xác định đồng thời

Pb(II) và Cd(II) trong khoảng nồng độ từ 0 đến 2 µM, độ nhạy đối với Pb(II) cao hơn

nhiều so với Cd(II).

Sau đó, năm 2012, Kwang-Pill Lee và cộng sự đã công bố các kết quả tổng hợp

vật liệu polyme dẫn xuất từ polyanilin: poly(diphenylamin-co-2-aminobenzonitril)

(P(DPA-co-2ABN)). Điện cực lai GC/P(DPA-co-2ABN) được xử lý trước bằng cách

cho hấp phụ nhóm xiano rồi ứng dụng phân tích đồng thời các ion Cd(II) và Pb(II)

trong nước [101]. Kết quả phân tích DPASV thu được biểu thị các đỉnh hòa tan cadimi

và chì rất đặc trưng và thay đổi tuyến tính theo nồng độ ion kim loại: Cd(II) từ 1,26

đến 907,8ppm và Pb(II) từ 0,26 đến 58,73ppm, giới hạn phát hiện Cd(II) là 0,255ppm

và Pb(II) là 0,165ppm.

Một công bố rất đáng chú ý của N.G. Yasri và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp

điện cực lai cực nhạy Pb(II) trên cơ sở dẫn xuất của polythiophen (PEDOT) sử dụng

chất pha tạp poly(styrensulfanat) (PSS) trên nền graphit. Chì được làm giàu trên điện

cực lai màng PEDOT: PSS tại điện thế -650mV theo Ag/AgCl trong 30 giây, môi

trường phân tích là dung dịch HCl với pH = 2,2. Cường độ dòng đỉnh hòa tan anot thu

được tuyến tính trong khoảng nồng độ Pb(II) từ 2nmol/L tới 0,1µmol/L [102].

Khả năng ứng dụng composit graphen để nhận biết ion kim loại nặng như

cadimi và chì đã được Wang và các cộng sự công bố năm 2009 [103], giới hạn nhận

biết có thể đạt 0,02g/l.

Ở Việt Nam, trong khoảng gần 10 năm trở lại đây những nghiên cứu bước đầu

sử dụng vật liệu polyme dẫn điện như một loại điện cực lai trong phân tích kim loại

nặng đã được chú ý. Như đã biết, phương pháp phân tích điện hóa truyền thống sử

dụng điện cực giọt thủy ngân cho phép phân tích nhanh với độ nhạy cao đã từng bước

không còn được phép sử dụng do thủy ngân kim loại có độc tính cao với hệ sinh thái.

Chính vì thế việc nghiên cứu tìm ra các loại điện cực thay thế điện cực Hg kim loại có

tính thực tiễn cao. Một số nhóm hướng tới sử dụng điện cực rắn như điện cực màng

Bimut [104, 105], màng vàng [106] … để xác định lượng vết kim loại nặng và hiện

nay việc nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu polyme dẫn điện làm vật liệu điện cực

trong phân tích là vấn đề có tính khoa học lý thú.

Nhóm Nguyễn Tuấn Dung, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam là nhóm tiên phong sử dụng điện cực polyme dẫn trong xác

định ion kim loại nặng [27, 107, 108]. Trong một công bố mới đây, tác giả đã chế tạo

nanocomposit P(1,8-DAN)/CNT bằng cách đồng kết tủa điện hóa. Màng P(1,8-

DAN)/CNT có thể tạo phức với thủy ngân khi ngâm 15 phút (tại thế mạch hở) trong dung dịch có chứa ion Hg(II) [27]. Hoặc tác giả đã tổng hợp P(1,5-DAN) trên màng

mỏng ống nanocacbon làm cảm biến phân tích đồng thời cation Cd (II) và Pb(II) bằng

phương pháp vôn – ampe hòa tan anot [108]. Trong điều kiện phân tích tối ưu, cảm

biến thể hiện đường chuẩn tuyến tính trong khoảng nồng độ từ 4 đến 150µg/L, giới hạn nhận biết của Cd2+ là 3,2 µg/L và của Pb2+ là 2,1 µg/L.

1.4. Phân tích thuốc trừ sâu

1.4.1. Khái niệm, phân loại và tình hình sử dụng thuốc trừ sâu

1.4.1.1. Kh i niệm

Thuốc trừ sâu, theo định nghĩa của của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, là bất kì

một loại chất hay hỗn hợp chất nào đó được dùng để ngăn chặn, phá hủy, diệt trừ hoặc

làm giảm đi bất kì một loài gây hại nào.

Thuốc trừ sâu là một loại chất được sử dụng để chống côn trùng, bao gồm các

thuốc diệt trứng và thuốc diệt ấu trùng để diệt trứng và ấu trùng của côn trùng. Các

loại thuốc trừ sâu được sử dụng trong nông nghiệp, y tế, công nghiệp và gia đình.

1.4.1.2. Phân loại

Hiện nay, thuốc trừ sâu rất đa dạng và phong phú về cả chủng loại và số lượng.

Theo nhóm chất hóa học chúng được chia thành 3 nhóm chính là: gốc clo hữu cơ, gốc

lân hữu cơ, cacbamat.

- Gốc clo hữu cơ: gồm một số loại chính như Polychlorinated biphenyls (PCBs),

polychlorinated dibenzofurans (PCDF), DDT…

- Gốc lân hữu cơ: gồm một số loại chính như Methamidophos, Parathion,

malathion, methyl parathion, chlorpyrifos, diazinon, dichlorvos...

- Cacbamat: gồm các loại chính như Carbofuran, carbanyl, methomyl,

Pyrethrin…

1.4.1.3. Tình hình sử dụng thuốc trừ sâu

Việt Nam là một nước nông nghiệp, khí hậu nhiệt đới ẩm rất thuận lợi cho sự

phát triển của cây trồng. Tuy nhiên khí hậu của nước ta cũng rất thuận lợi cho sâu

bệnh gây hại phát triển. Do đó để phòng trừ dịch bệnh, bảo vệ cây trồng người nông

dân đã sử dụng rất nhiều loại thuốc trừ sâu. Do các loại thuốc trừ sâu thường là các

chất hoá học có độc tính cao nên mặt trái của nó là rất độc hại với sức khoẻ cộng đồng

và là một đối tượng có nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường sinh thái nếu không được

quản lý chặt chẽ và sử dụng đúng cách. Dư lượng thuốc trừ sâu quá giới hạn cho phép

trong nông sản, thực phẩm là mối đe dọa đối với sức khoẻ con người. Thực tế những

năm gần đây cho thấy nông nghiệp nước ta đã có những bước phát triển tích cực, sản

lượng lương thực được tăng lên đáng kể. Tuy nhiên do nhu cầu thâm canh tăng vụ và

thay đổi cơ cấu cây trồng khiến cho tình hình sâu bệnh lại diễn ra phức tạp hơn. Để

bảo vệ cây trồng thì người nông dân sử dụng thuốc trừ sâu với số lượng và chủng loại

ngày một nhiều hơn. Hàng năm nông dân cả nước đã sử dụng hàng trăm tấn thuốc trừ

sâu các loại. Việc sử dụng các loại thuốc trừ sâu của người nông dân cũng diễn ra một

cách tùy tiện, không tuân theo bất cứ nguyên tắc nào. Chính điều này đã dẫn đến

những hậu quả xấu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Vì thế, nếu không sử

dụng đúng liều lượng, nồng độ, những chất độc trong thuốc hoàn toàn có thể giết hại

những sinh vật khác không phải là sinh vật gây bệnh. Ngoài ra, việc không tuân thủ

thời gian cách ly sau khi phun thuốc, tình trạng vứt bao bì hóa chất bừa bãi sau sử

dụng khá phổ biến. Với lượng hóa chất khổng lồ được sử dụng thì lượng bao bì, vỏ

đựng những loại hóa chất này cũng có khối lượng khổng lồ, ảnh hưởng rất lớn đến môi

trường bởi chúng đa phần là những loại vật liệu không tự phân hủy, gây hại đến xung

quanh. Thói quen rửa bình bơm và dụng cụ pha chế hóa chất không đúng nơi quy định

gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước, gây ngộ độc cho động vật thủy sinh. Cùng với

hóa chất tồn lưu, các loại thuốc và bao bì, đồ đựng hóa chất bảo vệ thực vật đang cũng

là những mối nguy hại đe dọa tới sức khỏe cộng đồng và gây ô nhiễm tại các vùng

nông thôn. Vì vậy, để bảo vệ môi trường sống và sức khỏe của cộng đồng cần nâng

cao hơn nữa ý thức trách nhiệm của người nông dân trong việc sử dụng các loại thuốc

trừ sâu và vấn đề kiểm soát sử dụng thuốc trừ sâu đặc biệt trong các sản phẩm nông

sản đã trở thành một vấn đề có tính toàn cầu [109].

1.4.2. Các phƣơng pháp phân tích thuốc trừ sâu

Việc sử dụng thuốc trừ sâu với lượng lớn trong nông nghiệp đã và đang gây

những ảnh hưởng nghiêm trọng tới cân bằng sinh thái. Vốn dĩ các thuốc trừ sâu được

sử dụng với mục đích chống lại sự xâm hại của các sinh vật như côn trùng, vi khuẩn,

cỏ dại… để góp phần tăng cao năng suất cây trồng. Tuy nhiên, với độ tan cao trong

nước, các thuốc trừ sâu này có thể xâm nhập vào các hệ thống nước ngầm, nước sinh

hoạt, nước mặt. Sự có mặt của chúng trong các nguồn nước trở thành một nguy cơ gây

ra mất cân bằng sinh thái, gây tổn hại đến sức khỏe của động vật và kể cả con người.

Theo đánh giá của Cục bảo vệ Môi trường châu Âu (EPA), dư lượng trừ sâu có mặt trong nguồn nước ở nồng độ cỡ 10-9M được coi là ngưỡng an toàn. Có thể thấy rằng

việc phát triển các phương pháp xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong các nguồn nước

với độ chính xác cao ở dải nồng độ thấp như vậy là vô cùng quan trọng.

Các phương pháp truyền thống để phân tích thuốc trừ sâu đều dựa trên sự kết

hợp giữa các phương pháp sắc kí – khối phổ với một số loại đầu đọc chọn lọc. Các

phép đo này cho phép xác định khối lượng cũng như công thức cấu tạo chính xác của

các phân tử cần phân tích. Những phương pháp có độ tin cậy, hiệu quả và độ nhạy cao,

nhưng lại tiêu tốn thời gian và công sức, yêu cầu các trang thiết bị đắt tiền, và đòi hỏi

người sử dụng có trình độ cao. Ngoài ra, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với

enzym - ELISA (Enzym-linked immunosorbent assay) đã được ứng dụng để xác định

dư lượng các thuốc trừ sâu dựa trên nguyên lí kháng nguyên – kháng thể. Kĩ thuật

ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh nhưng

có nhược điểm là kém chính xác trên các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ

thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Một phương pháp khác là áp dụng cảm biến miễn

dịch hay kit thử miễn dịch, sử dụng kháng thể để nhận biết và liên kết đặc hiệu với

từng nhóm thuốc trừ sâu. Các cảm biến hóa học và sinh học với kích thước nhỏ gọn,

có thể phân tích trực tiếp ngoài hiện trường có độ nhạy cao (cỡ ppb), độ đặc hiệu và độ

ổn định cao ứng dụng trong phân tích Hóa học và Sinh học đã và đang được kỳ vọng

có thể thay thế một phần hay hoàn toàn các phương pháp phân tích truyền thống.

1.4.3. Tình hình nghiên cứu xác định thuốc trừ sâu trên thế giới và Việt Nam

Y. Lin và cộng sự đã chế tạo thành công thế hệ cảm biến acetylcholinesteras

dùng trong xác định các thuốc dòng lân hữu cơ. Vật liệu hạt nano vàng lai hóa được

mọc trên các phiến Gr góp phần tăng độ nhạy của cảm biến [110].

Dan Du và cộng sự thiết kế cảm biến sử dụng composit của hạt nano vàng lõi

sắt từ để xác định dư lượng methyl parathion [111]. Việc sử dụng vật liệu composit

này cho phép dễ dàng tái sử dụng các cảm biến bằng cách loại bắt/loại bỏ các phức

hợp sinh học với sự hỗ trợ của từ trường bên ngoài. Đồng thời hạt nano vàng có vai trò

tăng diện tích bề mặt, khả năng tải và chuyển hóa electron nhanh trên bề mặt điện cực,

và ổn định các enzym thông qua các tương tác tĩnh điện. Những cảm biến này cho

phép xác định metyl parathion trong khoảng 0,5 tới 1000ng/mL với giới hạn đo xuống

đến 0,1ng/mL.

Năm 2011, các tác giả J. Susan Van Dyk, Brett Pletschke (Nam Phi) đã sử dụng

cảm biến enzym AChE với điện cực in lưới sử dụng tetracyano quinodimethane

(TCNQ) làm chất điều hòa quá trình trao đổi electron và đã xác định được dư lượng

của nhiều loại thuốc trừ sâu khác nhau trong mẫu rau trong đó có Methamidophos với

giới hạn phát hiện là 1ppb [112]

Năm 2013, các nhà khoa học Vikas Dhull, Anjum Gahlaut (Ấn Độ) đã sử dụng

cảm biến enzym AChE với điện cực GC (glassy carbon) pha tạp các hạt nano vàng xác

định được dư lượng thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ trong các mẫu rau, trong đó có

Methamidophos với giới hạn phát hiện là 1ppb [113].

Từ đó có thể thấy cảm biến enzym AChE có độ nhạy rất cao (cỡ ppb) đáp ứng

được yêu cầu phân tích lượng vết thuốc trừ sâu mặt khác chi phí phân tích thấp với

trang thiết bị gọn nhẹ hơn hứa hẹn có thể thay thế một phần các phương pháp phân

tích truyền thống.

Ở Việt Nam, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã triển khai nghiên cứu những

cảm biến thể rắn từ những năm 1990. Cảm biến có cấu trúc phức tạp nhất được phát

triển là loại cảm biến nhạy ion hiệu ứng trường (ISFET) do nhóm nghiên cứu hệ thống

sinh học và khoa học sự sống thuộc viện ITIMS triển khai. Các nghiên cứu sau đó

được triển khai nhằm xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong môi trường nước (dựa trên

sự ức chế hoạt tính xúc tác của enzym họ cholinesteras hoặc tyrosinas) sử dụng loại

cảm biến này. Nhóm Cảm biến sinh học thuộc Phòng Vật liệu Nano Y sinh, Viện

Khoa học Vật liệu tập trung phát triển các cảm biến điện hóa ứng dụng trong y sinh,

kiểm soát an toàn thực phẩm, xác định dư lượng thuốc trừ sâu và hàm lượng kim loại

nặng. Nhóm đã chế tạo cảm biến điện hóa tích hợp sử dụng công nghệ chế tạo vi cơ

điện tử (MEMS). Trong đó, hệ vi điện cực gồm 3 điện cực (điện cực làm việc, điện

cực đối và điện cực so sánh) được tích hợp trên cùng 1 chíp và sử dụng chuẩn giao tiếp

USB 2.0 [114]. Cảm biến điện hóa sử dụng phản ứng enzym hoặc sự bắt cặp đặc hiệu

kháng nguyên – kháng thể cũng đã được nghiên cứu, chế tạo. Các kết quả ban đầu cho

thấy khả năng chế tạo - ứng dụng cảm biến điện hóa tích hợp trong lĩnh vực kiểm soát

ô nhiễm môi trường (xác định dư lượng thuốc trừ sâu) [115, 116]. Nhóm của Trần

Vĩnh Hoàng, Trần Đại Lâm, Nguyễn Tuấn Dung đã công bố chế tạo cảm biến miễn

dịch điện hóa xác định thuốc trừ cỏ atrazin dựa trên sự tái phục hồi hoạt tính điện hóa

polyme dẫn polyJuglon sau khi kháng thể kéo kháng nguyên atrazin ra khỏi bề mặt

điện cực và xác định bằng phương pháp vôn - ampe sóng vuông (hình 1.19) [117].

Hình 1. 19: Mô hình cảm biến atrazin dựa trên sự thay đổi tín hiệu signal-off/signal-

on c a màng poly(JUG-HATZ) [117]

Gần đây, Nguyễn Văn Chúc và cộng sự đã sử dụng graphen để làm tăng độ

nhạy cho cảm biến miễn dịch xác định atrazin [83]. Nguyễn Vân Anh và cộng sự đã sử

dụng điện cực enzym AChE trên màng P(1,5-DAN) và PPy để xác định thuốc trừ sâu

họ lân hữu cơ là trichlorfon [118].

Methamidophos là hoạt chất bảo vệ thực vật họ lân hữu cơ có độc tính cao và

đã bị cấm sử dụng trong các hoạt động nông nghiệp tại Việt Nam. Tuy nhiên, theo báo

cáo của Cục bảo vệ thực vệ, methamidophos vẫn được sử dụng một cách tràn lan gây

ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng. Do vậy, luận án đã lựa chọn

methamidophos là đối tượng phân tích bằng cảm biến sinh học điện hóa.

1.4.4. Methamidophos

Methamidophos (O,S-Dimethyl phosphoramidothioate) là một loại thuốc trừ

sâu thuộc nhóm chất độc lân hữu cơ, có công thức phân tử C2H8O2NPS

(M=141,13g/mol), khối lượng riêng là 1,31g/cm³, nhiệt độ nóng chảy khá thấp là

44,5°C. Ít tan trong nước, dễ tan trong dung môi hữu cơ, dễ phân hủy bởi axit và kiềm,

không tồn tại lâu trong môi trường, có hiệu lực diệt sâu nhanh, ức chế enzym

Acetylcholinesteras (AChE) bằng phản ứng photphoryl hoá, làm ứ đọng

Axetylthiocholin gây rối loạn dẫn truyền Cholinergic dẫn đến chết. Cấu trúc hóa học

của methamidophos được biểu diễn trong hình 1.20.

Hình 1. 20: Cấu trúc hóa học c a methamidophos

Methamidophos là một hoạt chất trong nhóm lân hữu cơ và được tổ chức y tế

thế giới xếp vào loại độc tính cấp 1 có khả năng gây nguy hại cho sức khỏe con người

và cấm dùng trong nông nghiệp [119]. Methamidophos được hấp thu nhanh qua dạ

dày, phổi và da ở người, được thải trừ chủ yếu qua nước tiểu. Nó là một chất ức chế

cholinesterase. Methamidophos phân hủy trong đất, trong cát là 6,1 ngày, trong nước

tại pH = 5,0 là 309 ngày, tại pH = 7,0 là 27 ngày và tại pH = 9,0 là 3 ngày. Ánh sáng

mặt trời làm tăng tốc độ phân hủy của methamidophos. Nó được hấp thu thông qua rễ

và lá cây. Ngộ độc methamidophos có thể gây mất trí nhớ, lo lắng, rối loạn tâm thần

và theo các nhà khoa học, nó có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh Alzheimer. Theo quy

định giới hạn tối đa ô nhiễm sinh học và hóa học trong thực phẩm của Bộ y tế thì

lượng methamidophos được đưa vào cơ thể hàng ngày mà không gây ảnh hưởng có hại

tới sức khỏe con người là 0,004mg/kg thể trọng.

1.4.5. Giới thiệu enzym, cơ chất và phản ứng enzym – cơ chất

1.4.5.1. Enzym

Enzym là chất xúc tác sinh học (biocatalysators) có bản chất là protein hoặc axit

nucleic, có trong mọi tế bào sinh vật. Enzym có thể xúc tác đặc hiệu cho mọi phản ứng

sinh hóa bên trong và bên ngoài cơ thể sinh vật. Enzym có hiệu suất xúc tác lớn hơn

tất cả các chất xúc tác hóa học hữu cơ và vô cơ khác. Enzym có tính đặc hiệu cao vì

mỗi enzym chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định tạo thành một hay một số sản

phẩm nhất định [40, 120]. Trong các phản ứng này, nhờ sự tạo thành phức hợp trung

gian enzym – cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa và do đó tham gia phản ứng dễ dàng

hơn. Mục đích của các nghiên cứu chế tạo cảm biến enzym là lợi dụng tính nhạy cao

và đặc hiệu của tương tác enzym – cơ chất cho mục đích phát hiện và định lượng. Đối

với cảm biến điện hóa, tương tác giữa enzym và cơ chất phải sinh ra hoặc tiêu thụ các

phần tử hoạt động điện. Như vậy, sự phát hiện chất đích được thực hiện theo phản ứng

oxi hóa khử các phần tử này ngay trên bề mặt điện cực, tín hiệu điện đo được phải tỉ lệ

thuận với nồng độ cơ chất [121].

Enzym là sản phẩm sinh học có giá thành tương đối cao, điều kiện phản ứng

thường tối ưu trong dung dịch do vậy enzym bị hòa tan trong dung dịch gây khó thu

hồi và giảm độ nhạy của phép đo. Do đó, việc cố định enzym ngày càng được chú

trọng nhằm tăng tính ổn định của enzym trong các phản ứng như nhiệt độ, pH... enzym

cố định có thể thu hồi sau phản ứng giúp phản ứng thực hiện được liên tục. Một trong

những bước tiến quan trọng hiện nay là cố định enzym trên bề mặt màng polyme tạo

thành mạng lưới có khả năng phản ứng thuận lợi với cơ chất. Ngày nay, những nghiên

cứu về ứng dụng enzym trong sản xuất công nghiệp phát triển rất mạnh. Các hướng

nghiên cứu nhằm mục đích tăng khả năng sử dụng enzym, kéo dài thời gian, số lần sử

dụng enzym, giảm giá thành enzym.

Enzym AChE là một loại enzym xúc tác cho phản ứng thủy phân

axetylthiocholin và một số cholin este khác có chức năng dẫn truyền thần kinh. Được

tạo thành từ 12 lớp xoáy beta kết chặt được bao bọc bởi 14 vòng xoắn ốc anpha. Tâm

hoạt động là phần rãnh sâu, kéo dãn ở khoảng giữa của protein. Enzym AChE rất cần

thiết trong hoạt động bình thường của hệ thần kinh. Nếu thiếu hoạt động của enzym

AChE, axetylthicholin sẽ tích tụ và ngăn sự truyền dẫn đồng bộ của các dây thần kinh,

từ đó làm mất sự phối hợp của cơ bắp, gây co giật và dẫn đến tử vong. Hình 1.21 giới

thiệu cấu trúc mô phỏng của enzyme AChE.

Hình 1. 21: Mô phỏng axetylcholinsteras (AChE) với cấu trúc đơn vị aminoaxit

Ser(200), His (440), Glu (327) [122]

Enzym AChE bị ức chế, mất hoạt tính bởi thuốc trừ sâu họ lân hữu cơ và

cacbamat. Hình 1.22 trình bày cơ chế chuyển hóa methamidophos trong cơ thể sinh

vật.

Hình 1. 22: Cơ chế chuyển hóa methamidophos trong cơ thể sinh vật [123]

Đơn vị đo hoạt độ chế phẩm enzym: Đơn vị IU (International Unit): Một đơn vị

IU là hoạt độ của 1 enzym ở điều kiện tiêu chuẩn thích hợp, xúc tác cho phản ứng chuyển hóa một μmol cơ chất trong một phút. 1IU = 1 cơ chất/phút = 10-6mol/60 giây.

1.4.5.2. C chất

Các chất tham gia trong phản ứng do enzym xúc tác gọi là cơ chất. Khi tiếp xúc

với cơ chất, các nhóm chức năng ở trong phần trung tâm hoạt động của phân tử enzym

thay đổi vị trí không gian, tạo thành hình thể khớp với hình thể của cơ chất.

Cơ chất Axetylthiocholin (ATCh) là một trong những tác nhân dẫn truyền thần

kinh quan trọng trong hệ thần kinh của động vật có vú. Nó đã được tìm thấy ở tất cả

các mối nối thần kinh, ở tất cả các khớp thần kinh trung ương và các cơ quan ngoại vi.

ATCh có nhiệm vụ mang tín hiệu từ các tế bào thần kinh tới tế bào cơ. Cấu trúc của

ATCh được mô tả qua hình 1.23.

Hình 1. 23: Cấu trúc hóa học c a Axetylthiocholin

Quá trình thủy phân ATCh [124]: Khi một tế bào thần kinh vận động nhận được

tín hiệu từ trung khu thần kinh, nó sẽ tiết ra ATCh đi vào các khớp thần kinh (synap)

giữa các tế bào thần kinh vận động và tế bào cơ. Tại đây ATCh kích hoạt các thụ quan

trong tế bào cơ, phát động quá trình co cơ. Khi tín hiệu đã được truyền đi thì ATCh

cần phải bị phá hủy, nếu không nó sẽ tiếp tục tác động đến các thụ quản của tế bào cơ

và tín hiệu sẽ bị chồng lấn lên nhau. AChE có mặt tại các khớp thần kinh (synap) giữa

tế bào thần kinh và tế bào cơ, đảm nhận chức năng phá hủy ATCh ngay sau khi tín

hiệu được truyền đi. Dưới tác dụng của AChE, ATCh bị thủy phân thành axit axetic và

thiocholin. Sau đó thiocholin sẽ được quay vòng để chuyển lại thành ATCh. Như vậy,

việc điều tiết AChE đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra nhịp nhàng, chính xác

[125].

Đối với AChE, kết quả thực nghiệm đã xác nhận sự tạo phức giữa nó và cơ

chất. Tâm hoạt động là nhóm bộ ba Ser (200)-His (440)-Glu (327). Phản ứng xảy ra tại

một hốc sâu bên trong phân tử AChE. Phân tử cơ chất trước tiên phản ứng với tâm xúc

tác (nhóm OH trên Ser (200)) để tách ra cholin, sau đó tâm xúc tác đã bị axetyl hóa sẽ

tái tạo lại bằng cách phản ứng với phân tử nước.

Nếu quá trình thủy phân ATCh xảy ra mà AChE bị ức chế, ATCh sẽ không

được thủy phân và ứ đọng lại trong cơ thể. Kết quả là sự dẫn truyền thần kinh sẽ bị tắc

nghẽn dẫn tới việc không ngắt truyền xung tín hiệu. Điều này có thể tạo ra co thắt, tê

liệt các hệ cơ trong cơ thể.

1.4.5.3. Phản ứng enzym – c chất

Acetylcholinesteras (AChE) là enzym có tính đặc hiệu tương đối, AChE có thể

xúc tác cho phản ứng thủy phân của axetylthiocholin (ATCh) tạo ra thiocholin và axit

axetic như được mô tả ở hình 1.24 [126].

Hình 1. 24: Phản ứng th y phân cơ chất

Phản ứng này sẽ sinh ra dòng điện, gây ra sự thay đổi các tín hiệu hoá-sinh,

được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và sau đó được hiển thị bằng tín hiệu điện

ở đầu ra của cảm biến. Tiến hành thí nghiệm với các nồng độ ATCh khác nhau, nồng

độ ATCh càng lớn thì tín hiệu điện càng lớn, dòng sinh ra càng cao tỉ lệ tuyến tính với

nồng độ cơ chất ATCh.

1.4.5.4. Sự ức chế phản ứng enzym - cơ chất bởi thuốc trừ sâu

Các loại thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ nói chung và methamidophos nói riêng

có hoạt tính tiêu diệt các loại sâu bệnh hại cây dựa trên sự ức chế enzym AChE hoạt

động với chất dẫn truyền xung thần kinh acetylthiocholin (ATCh). Khi tiếp xúc với

phân tử methamidophos, hoạt động của enzym AChE bị ức chế khiến nó sản sinh ra ít

proton hơn so với bình thường. Sự chênh lệch về lượng proton sẽ được thể hiện qua độ

sụt giảm dòng hiển thị trên máy điện hóa, từ đó cho biết hàm lượng của thuốc trừ sâu.

Tiến hành thí nghiệm với các nồng độ thuốc trừ sâu khác nhau, nồng độ thuốc

trừ sâu càng lớn thì sự chênh lệch về lượng proton càng lớn, dẫn tới sự chênh lệch tín

hiệu điện càng lớn, tỉ lệ tuyến tính với nồng độ thuốc trừ sâu. Khi không có mặt của

thuốc trừ sâu, AChE gắn s n trên điện cực s n sàng làm xúc tác cho phản ứng thủy

phân cơ chất ATCh. Khi có mặt thuốc trừ sâu, các vị trí liên kết trên cảm biến bị vô

hiệu hóa một phần và làm giảm khả năng thủy phân cơ chất ATCh trên bề mặt điện

cực, do đó làm giảm tín hiệu điện hóa.

Kết luận: Như vậy, có thể thấy rằng polyme dẫn điện và graphen là những vật

liệu tiên tiến có hiệu quả cao trong ứng dụng chế tạo cảm biến điện hóa. Việc nghiên

cứu, phát triển và hoàn thiện các kỹ thuật phân tích nhanh chóng với độ chính xác cao

độc chất trong môi trường và thực phẩm là một yêu cầu có tính khoa học và thực tiễn

cao. Trong nội dung của luận án này đặt mục tiêu phát triển phương pháp điện hóa xác

định nhanh ion Pb(II) và dư lượng thuốc trừ sâu methamidophos trên cơ sở vật liệu lai

giữa polyme dẫn điện [polyanilin và poly(1,5-diaminonaphtalen) và graphen. Luận án

tập trung giải quyết các vấn đề về kỹ thuật chế tạo màng mỏng trên bề mặt điện cực

bằng phương pháp điện hóa hướng tới chế tạo cảm biến hóa học và sinh học trong

phân tích ion Pb(II) và methamidophos. Ngoài ra, nghiên cứu cung cấp những hiểu

biết về các tính chất điện hóa và tương thích sinh học nổi bật của vật liệu lai hướng

đến một hệ cảm biến đa năng trong phân tích nhiều đối tượng khác nhau trong môi

trường và thực phẩm. Các nội dung nghiên cứu và thảo luận chi tiết sẽ được trình bày

dưới đây.

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên liệu, hóa chất

- Graphen oxit (đường kính 1-5μm, chiều dày 0,8-1,2nm) của ACS Material

(Medford, MA, USA).

- Monome 1,5-diaminonaphtalen (1,5-DAN) và anilin (ANi) của Merck (Đức).

- Axetylthiocholin chloride (ATCh), Acetylcholine esterase (AChE, 1000IU),

Methamidophos (O,S-Dimethyl phosphoramidothioate), Glutaraldehit 25% (GA) là

sản phẩm thương mại của Sigma-Aldrich.

- Tinh thể Pb(NO3)2, axit HClO4 nồng độ 70-72%, CH3COOH, HCl,

CH3COONa, H2SO4, KCl đều là hợp chất tinh khiết phân tích của Merck (Đức).

- Các hóa chất LiClO4, muối đệm phosphat (PBS) là hợp chất tinh khiết của

Sigma Aldrich.

2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm

2.2.1. Chế tạo vật liệu lai polyme dẫn – graphen

Vật liệu lai polyme dẫn – graphen được chế tạo phủ trên vi điện cực platin (Pt)

tích hợp (hình 2.1) chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam, lớp mỏng Pt được phủ trên phiến Si/SiO2 có sử dụng lớp lót

crom để tăng độ bám dính.

Hình 2. 1: iện cực Pt tích hợp

Điện cực tích hợp gồm điện cực làm việc (Working Electrode - WE) và điện

cực đối (Counter Electrode - CE) là màng Pt. Điện cực so sánh (Refrence Electrode -

RE) là điện cực Ag, sau đó được clo hóa bằng FeCl3 để tạo thành điện cực giả so sánh

Ag/AgCl. Các điện cực có chiều dày khoảng 100nm, đường kính của điện cực làm

việc là 1mm, chiều ngang của điện cực đối và điện cực so sánh là 200nm.

Quá trình tạo chế tạo màng polyme dẫn – graphen được sơ đồ hóa như sau:

Quá trình tổng hợp màng polyme dẫn được thực hiện trên thiết bị đo điện hóa

đa năng PGSTAT30 Autolab (Hà Lan) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới.

2.2.1.1. Chế tạo vật liệu lai P(1,5-DAN) – graphen

Vật liệu lai P(1,5-DAN) – graphen được chế tạo theo 2 dạng: màng tổ hợp đa

lớp (layer-by-layer) và màng nanocomposit.

Màng tổ hợp đa lớp (layer-by-layer)

Màng mỏng graphen được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi trên

thiết bị CVD của Viện Khoa học vật liệu trên đế Cu với độ dày trên dưới 5nm (khoảng

10 lớp). Sau đó, màng graphen được chuyển lên điện cực Pt như được chỉ ra trong hình

2.2 theo các bước sau:

i) Nhỏ một lớp mỏng polyme (PMMA) lên bề mặt Gr/Cu, ủ ở nhiệt độ 180oC

trong 2 phút:

ii) Ngâm mẫu PMMA/Gr/Cu trong dung dịch Fe(NO3)3 để ăn mòn hết đế Cu;

iii) Chuyển màng PMMA/Gr phủ lên điện cực Pt, xử lí điện cực PMMA/Gr/Pt

trong axeton để làm sạch lớp PMMA phủ bên ngoài.

Hình 2. 2: Qui trình chuyển màng graphen từ đế Cu sang điện cực tích hợp [49]

Điện cực Pt/Gr sau đó được tiếp tục phủ màng polyme dẫn bằng phương pháp

trùng hợp điện hóa theo kỹ thuật vôn – ampe vòng trong dung dịch chứa monome 1,5-

DAN 5mM, axit pecloric HClO4 1M. Khoảng thế quét từ -0,02V tới +0,95V, tốc độ

quét 50 mV/s. Kết quả thu được màng tổ hợp đa lớp Pt/Gr/P(1,5-DAN).

Màng P(1,5-DAN) cũng được tổng hợp đồng thời với cùng điều kiện nhưng

trên điện cực Pt để đối chứng.

Màng nanocomposit

Màng nanocomposit được chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa điện hóa và

trùng hợp điện hóa in-situ.

Ph ng ph p đồng kết tủa điện h a:

Phân tán bột graphen oxit (GO) với tỉ lệ 20μg/mL trong dung dịch nước có

chứa axit pecloric HClO4 1M bằng máy rung siêu âm trong 30 phút. Thêm monome

1,5-diaminonaphtalen với nồng độ 5mM, rung siêu âm để hòa tan monome trong 30

phút.

Tiến hành phân cực điện cực Pt trong hỗn hợp trên theo phương pháp vôn –

ampe vòng trong khoảng thế từ -0,02V đến +0,95V, tốc độ quét thế 50mV/s.

Màng P(1,5-DAN) thuần, không pha tạp graphen cũng được tổng hợp đồng thời

với cùng điều kiện để đối chứng.

Ph ng ph p tr ng h p điện h a in-situ:

Hòa tan monome 1,5-diamoninaphtalen nồng độ 0,1M trong etanol có HClO4

0,1M. Thêm bột graphen oxit (GO) vào, phân tán bằng máy rung siêu âm trong 30

phút, thu được huyền phù đồng nhất.

Nhỏ chính xác 10,0µl dung dịch huyền phù này lên bề mặt điện cực làm việc

(điện cực tích hợp Pt), để khô ở 50oC trong vòng 2 giờ.

Nhúng điện cực có phủ lớp hỗn hợp GO-monome vào dung dịch điện li HClO4

0,1M, phân cực theo phương pháp vôn – ampe vòng để tiến hành trùng hợp điện hóa.

2.2.1.2. Chế tạo vật liệu lai PANi – graphen

Màng tổ hợp đa lớp (layer-by-layer)

Màng mỏng graphen được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi trên

thiết bị CVD của Viện Khoa học vật liệu trên đế Cu với độ dày trên dưới 5nm (khoảng

10 lớp). Sau đó, màng graphen được chuyển lên điện cực Pt như mục 2.2.1.1.

Điện cực Pt/Gr sau đó được tiếp tục phủ màng polyme dẫn bằng phương pháp

trùng hợp điện hóa theo kỹ thuật vôn – ampe vòng trong dung dịch chứa monome

ANi 0,05M trong dung dịch H2SO4 0,5M. Khoảng thế quét từ -0,2V tới +0,9V, tốc độ

quét 50mV/s. Kết quả thu được màng tổ hợp đa lớp Pt/Gr/PANi.

Màng PANi cũng được tổng hợp đồng thời với cùng điều kiện nhưng trên điện

cực Pt để đối chứng.

2.2.2. Xác định hàm lƣợng chì

Trong luận án này, phương pháp vôn - ampe hòa tan anot theo kỹ thuật sóng

vuông (SWASV - square wave anodic stripping voltammetry) được sử dụng trên

máy điện hóa đa năng Autolab PGSTAT30 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới để xác định

hàm lượng ion Pb(II) trong nước, dung dịch nền là đệm axetat 0,1M pH = 4,5.

Các giai đoạn xác định hàm lượng chì trong dung dịch theo phương pháp vôn –

ampe hòa tan gồm các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: điện phân làm giàu

Quá trình làm giàu được thực hiện tại thế Eđp = -1,0V, dung dịch được khuấy

với tốc độ 300 vòng/phút. Ion chì được làm giàu trên bề mặt điện cực làm việc dưới

dạng kết tủa kim loại theo phản ứng sau:

Pb2+ + 2e → Pb

Giai đoạn 2 : giai đoạn nghỉ

Giai đoạn này rất ngắn, khoảng 10 giây. Trong giai đoạn này ngừng khuấy, thế

điện phân giữ nguyên. Mục đích để lượng kim loại đã được điện phân sẽ phân bố đều

trên toàn bộ bề mặt điện cực, khi hòa tan sẽ cho dòng hòa tan đều và ổn định.

Giai đoạn 3: giai đoạn hòa tan anôt

Quá trình hoà tan được bắt đầu khi kết thúc thời gian nghỉ, đây là quá trình hoà

tan kết tủa đã được làm giàu trên điện cực làm việc tức xảy ra phản ứng: Pb - 2e → Pb2+

Ghi đường hòa tan anot theo kĩ thuật sóng vuông, thế được quét từ -1,0V tới -

0,2V, tần số 50Hz, biên độ xung 50mV, bước nhảy thế 5mV.

2.2.3. Cố định enzym lên bề mặt điện cực

Trong luận án này, enzyme Acetylcholinesteras (AChE) được cố định trên điện cực

lai thông qua tác nhân glutarandehit CHO-(CH2)3-CHO (Pentan-1,5-dial) để cố định

enzym AChE. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc liên kết chéo đồng hóa trị, kết hợp

các phân tử enzym thành cấu trúc đại phân tử không tan nhờ các tác nhân lưỡng cực hoặc

đa chức mà không cần chất mang. Quy trình cố định enzym được chỉ ra ở hình 2.3.

Hình 2. 3: Sơ đồ quá trình cố định enzym theo phương pháp liên kết chéo

Cách tiến hành: Lấy 2μl dung dịch enzym AChE 10IU/μl được pha trong đệm

PBS (pH = 7) tiến hành nhỏ phủ lên bề mặt màng cảm biến, ủ trong hơi glutarandehit

bão hòa trong 90 phút. Điện cực sau khi cố định AChE được rửa bằng dung dịch đệm

PBS 10mM (pH = 7) để loại bỏ glutarandehit dư và các enzym không được cố định. Bảo quản điện cực ở 4oC.

2.2.4. Thực nghiệm phản ứng cơ chất – enzym

Phân tích cơ chất Acetylthiocholine (ATCh) trên điện cực Pt phủ màng lai

polyme dẫn – graphen đã cố định enzym AChE, điện áp được đặt vào hệ điện hóa là

+0,3V, bình điện phân là 5ml dung dịch PBS (pH = 7), từng lượng dung dịch ATCh

được thêm liên tiếp vào bình điện phân sau khi cường độ dòng đạt được giá trị cân

bằng.

Đồ thị mô tả mối tương quan giữa đáp ứng dòng và thời gian được ghi lại liên

tục trên máy. Từ giá trị chênh lệch cường độ dòng với tín hiệu nền (ΔI) ứng với tổng

nồng độ cơ chất ATCh được thêm vào hệ điện hóa sẽ xây dựng được đường chuẩn cơ

chất.

2.2.5. Xác định hàm lƣợng thuốc trừ sâu methamidophos

Quá trình xác định thuốc trừ sâu methamidophos được xác định dựa trên sự ức

chế của thuốc trừ sâu lên enzym AChE đã gắn cố định trên bề mặt điện cực. Phản ứng

enzym – cơ chất khi có mặt và không có mặt thuốc trừ sâu được khảo sát bằng phương

pháp áp thế tại +0,3V. Nồng độ methamidophos được xác định dựa theo độ ức chế

tương đối của thuốc trừ sâu (RI) lên enzym [127, 128]. Độ ức chế tương đối (RI) được

xác định theo công thức:

(*)

Trong đó, I1: cường độ dòng điện khi chưa nhỏ dung dịch cơ chất,

I2: cường độ dòng điện sinh ra sau khi đã nhỏ dung dịch cơ chất,

I3:cường độ dòng điện khi có thuốc trừ sâu trong khoảng thời gian quan

sát Δt,

ΔI là độ sụt dòng khi có sự ức chế của thuốc trừ sâu đối với enzym.

Từ đó lập đường chuẩn xác định hàm lượng thuốc trừ sâu.

Phương pháp nhận biết thuốc trừ sâu methamidophos được thực hiện bằng phép

đo đáp ứng dòng tại thế áp đặt +0,3V. Để thử nghiệm sự ức chế của methamidophos

lên enzym AChE trên điện cực, khi cường độ dòng tăng và ổn định sau khi cho cơ chất

ATCh, tiến hành thêm methamidophos vào dung dịch và theo dõi sự thay đổi của

cường độ dòng theo thời gian. Từ sự thay đổi của cường độ dòng theo thời gian khi

thêm cơ chất ATCh và thuốc trừ sâu methamidophos, chúng ta có thể đánh giá được

khả năng ứng dụng làm cảm biến thuốc trừ sâu của điện cực chế tạo được. Hình 2.4

giới thiệu qui trình xác định thuốc trừ sâu methamidophos.

Hình 2. 4: Quy trình xác định methamidophos: (1)Trong đệm PBS;

(2) Thêm cơ chất ATCh; (3) Thêm methamidophos

Chi tiết quy trình đo như sau:

+ Bước 1: Đặt cảm biến vào 5ml dung dịch đệm PBS (pH = 7) và khởi động

quá trình đo.

+ Bước 2: Khi dòng ổn định, đọc cường độ dòng I1, nhỏ 10µl cơ chất ATCh

25mM.

+ Bước 3: Khi dòng ổn định, đọc cường độ dòng I2, nhỏ dung dịch cần đo.

+ Bước 4: Khi dòng ổn định, đọc cường độ dòng I3, dừng phép đo.

Độ ức chế tương đối được xác định theo công thức (*). Căn cứ vào đường chuẩn của

methamidophos, ta sẽ xác định được hàm lượng methamidophos có trong mẫu.

Xác định methamidophos trong mẫu rau

Cách chuẩn bị mẫu rau: Các mẫu rau không có dư lượng chất methamidophos

được mua tại siêu thị. Rau được rửa sạch, cắt nhỏ, để khô và được làm đồng nhất bằng

thiết bị đồng nhất mẫu. Sau đó, thêm nước, lắc đều và đem li tâm trong 10 phút với tốc

độ 4000 vòng/phút. Sau 10 phút, lấy ra khỏi máy li tâm và chiết phần dung dịch phía

trên sang ống mới.

Các mẫu chuẩn methamidophos được chuẩn bị với nồng độ xác định trước (1,

5, 10, 20, 50 ppm) trong mẫu rau. Các mẫu này sẽ được phân tích song song bằng máy

điện hóa và bằng kỹ thuật sắc ký – khối phổ. Kết quả phân tích sẽ được so sánh để

đánh giá độ hoạt động của cảm biến được chế tạo.

2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

2.3.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared

Spectrocopy, viết tắt là FT-IR) là phương pháp cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử

nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Phương pháp này dựa trên

nguyên lý : các hợp chất hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại

(2.500 – 16.000nm). Sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất

hoá học dao động (làm thay đổi momen lưỡng cực của phân tử) với nhiều tần số dao

động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ

khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và

các liên kết có trong phân tử. Các thiết phổ hồng ngoại hiện nay được chế tạo theo

kiểu biến đổi Fourier, trong đó bộ đơn sắc được thay bằng bộ giao thoa (giao thoa kế)

gồm bộ gương cố định, bộ gương di động và bộ phân chia chùm bức xạ. Vì vậy, thiết

bị FT-IR có ưu điểm độ nhạy cao, độ chính xác cao, tốc độ đo đạc và xử lí số liệu

nhanh chóng. Dựa vào phổ IR có thể nhận biết được các chất, các thành phần hóa học

của vật liệu bằng cách xác định nhóm định chức, các liên kết hóa học. Thông thường,

người ta đem so sánh phổ IR hấp thụ thu được của vật liệu với các phổ chuẩn trong thư

viện phổ hay với phổ của các hợp chất đã biết để giải phổ nhanh chóng và thuyết phục.

Trong luận án, các phân tích được thực hiện phổ FT-IR trên thiết bị Nicolet

NEXUX 670 tại Viện Kĩ thuật nhiệt đới.

2.3.2. Phƣơng pháp phổ tán xạ Raman

Phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên hiện tượng tán xạ ánh sáng đơn

sắc, thường là laser trong vùng nhìn thấy, hồng ngoại gần và cực tím gần. Ánh sáng

laser đơn sắc với năng lượng hνo kích thích phân tử và biến đổi dao động lưỡng cực

của chúng. Trong chùm tia tán xạ, ngoài các tia có tần số νo bằng tần số của tia kích

thích còn có các tia có tần số nhỏ hơn (νo – νd) hay lớn hơn (νo + νd) tần số νo. Các tia

tán xạ có tần số νo ± νd được gọi là tia tán xạ Raman. Vạch (νo – νd) được gọi là vạch

Stockes và vạch (νo + νd) gọi là vạch phản Stockes. Nguyên nhân xuất hiện tia Raman

là do tương tác của các tia sáng kích thích với các phân tử làm biến dạng tuần hoàn lớp

vỏ electron của các nguyên tử trong phân tử và dẫn đến làm dao động các hạt nhân

nguyên tử với tần số νo. Do đó phổ Raman có thể cung cấp các thông tin về thành

phần, hàm lượng và cấu trúc phân tử.

Trong luận án, các phân tích phổ tán xạ Raman được thực hiện trên thiết bị

Labram-HR 800 tại Viện Interfaces Traitements Organisation et Dynamique des

Systèmes ITODYS, Đại học Paris Diderot, Pháp với nguồn kích thích là laser He-Ne

bước sóng 514nm, công suất 0,16mW.

2.3.3. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM)

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, viết tắt

là SEM) được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu.

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo ảnh của

mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại rất lớn từ

hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần. Chùm điện tử được tạo ra từ catốt qua hai tụ

quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện

tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến

đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ

sáng trên màn hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ

sáng tối trên màn hình tuỳ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời

còn phụ thuộc sự khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do sự hội tụ các

chùm tia nên có thể nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất. Ưu điểm của phương

pháp SEM là có thể cung cấp thông tin về hình thái, cấu trúc của vật liệu, không đòi

hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu, không phá hủy mẫu, thao tác đơn giản.

Trong luận án này, ảnh hiển vi điện tử quét FE-SEM được ghi trên máy Hitachi

S4800 tại Viện Khoa học vật liệu.

2.3.4. Các phƣơng pháp điện hóa

Các phương pháp phân tích điện hóa được sử dụng bao gồm phương pháp vôn –

ampe vòng, vôn – ampe sóng vuông, ... là nhóm phương pháp phân tích điện hóa chỉ

mối quan hệ giữa dòng điện và điện thế. Nguyên tắc chung của phương pháp là áp đặt

điện thế vào điện cực làm việc của bình điện phân (quá trình oxi hóa khử xảy ra trên

bề mặt điện cực làm việc) và theo dõi dòng điện sinh ra do phản ứng oxi hóa khử của

chất điện hoạt. Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi với độ nhạy, độ chọn

lọc, độ tin cậy và độ chính xác cao, có khả năng phân tích đồng thời nhiều chất khác

nhau trong cùng hỗn hợp và phân tích sự thay đổi tính chất điện hóa trên bề mặt vật

liệu và linh kiện. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện và điện thế có hình

dạng phụ thuộc vào quá trình phản ứng của các chất trên điện cực làm việc. Tất cả các

phép đo điện hóa được thực hiện trên trên máy Autolab/PGSTAT30 tại Viện Kỹ thuật

nhiệt đới.

2.3.4.1. Ph ng ph p vôn – ampe vòng (Cyclic Voltammetry – CV)

Nguyên lí cơ bản của phương pháp CV là áp đặt một điện thế thay đổi tuyến tính

vào điện cực làm việc. Điện thế được quét tuyến tính theo thời gian với tốc độ không

đổi v = dE/dt, từ V1 đến V2 và ngược lại tạo thành chu kỳ khép kín. Dòng điện phản

hồi đo được các đặc trưng của hệ đo và được ghi lại như một hàm của điện thế, qua đó

thiết lập phổ E(V) – I(A).

Hình 2. 5: Phương pháp vôn – ampe vòng [17]

Theo hướng anot hay catot có thể quan sát được các pic tương ứng với quá trình

oxy hóa hay khử của chất ban đầu và chất trung gian được tạo thành. Phương pháp vôn

- ampe vòng cho phép áp đặt trên điện cực nghiên cứu khoảng điện thế xác định, được

quét theo hướng anot hay catot để quan sát dòng pic tương ứng với quá trình oxy hóa

hay khử của chất ban đầu và chất trung gian được tạo thành. Điện thế ở đây biến thiên

tuyến tính theo thời gian. Với hệ thuận nghịch, khi quét thế trên bề mặt điện cực

nghiên cứu, đồ thị sự phụ thuộc của điện thế và dòng điện có dạng như hình 2.6.

Hình 2. 6: ường vôn – ampe vòng trong trường hợp có chất hoạt động điện hóa và

phản ứng xảy ra thuận nghịch [17]

Trong nghiên cứu này, phương pháp CV được sử dụng để thực hiện phản ứng

trùng hợp polyanilin, poly(1,5-diaminonaphtalen) và nghiên cứu tính chất điện hóa của

màng polyme tạo thành. Phương pháp CV thực hiện trên máy Autolab/PGSTAT30.

2.3.4.2. Ph ng ph p vôn - ampe s ng vuông (Square Wave Voltammetry - SWV)

Phương pháp vôn - ampe sóng vuông (SWV) là phương pháp cải tiến từ

phương pháp vôn – ampe vòng để tăng độ nhậy của phép đo. Phương pháp phân tích

này có thời gian phân tích nhanh, ít gây ảnh hưởng – sai hỏng đối với vật liệu polyme,

có độ nhạy cao.

Nguyên tắc của phương pháp là những xung sóng vuông đối xứng có biên độ

nhỏ và không đổi (khoảng 50mV) được đặt chồng lên mỗi bước thế. Trong mỗi chu kì

xung sóng vuông, dòng điện được đo tại hai thời điểm: dòng dương I1 và dòng âm I2.

Dòng thu được là hiệu của 2 giá trị đó (I = I1 - I2) và I được ghi là hàm của thế đặt lên

điện cực làm việc. Chiều cao pic tín hiệu được sử dụng để phân tích định lượng chất

cần phân tích [129].

Hình 2. 7: Quan hệ phụ thuộc E-t trong phương pháp SWV [129]

Trong nghiên cứu, phương pháp SW được sử dụng để làm giàu, hòa tan anot

xác định ion Pb(II) với dung dịch nền là đệm axetat 0,1M (pH = 4,5); điều kiện đo: tần

số 50Hz, biên độ xung 50mV, bước thế 5mV và được thực hiện trên máy Autolab/

PGSTAT30.

2.3.4.3. Ph ng ph p đo dòng (Chronoamperometry - CA)

Phương pháp đo dòng là một phương pháp của phân tích điện hoá, trong đó tín

hiệu phân tích nhận được ở đầu ra là dòng hiện thời. Dòng hiện thời này phụ thuộc

tuyến tính vào nồng độ nhất định của chất cần phân tích. Trong quá trình hoạt động

của cảm biến các phản ứng oxi hoá khử sẽ xảy ra trên bề mặt điện cực, các điện tử di

chuyển từ dung dịch tới điện cực làm việc hoặc ngược lại. Hướng di chuyển của các

điện tử phụ thuộc vào bản chất của chất phân tích và được kiểm soát bởi điện thế áp

đặt vào hệ. Phương pháp này dựa trên sự thay đổi dòng điện gây ra do sự oxi hóa - khử

điện hóa của chất cần phát hiện. Phương pháp này được thực hiện bằng cách áp một

điện thế giữa điện cực làm việc (WE) và điện cực so sánh (RE), tín hiệu dòng sẽ được

đo giữa điện cực làm việc (WE) và điện cực phụ trợ (CE). Khi điện thế đạt đến một giá

trị nào đó (thường là điện thế oxi hoá), thì hiện tượng oxi hoá xuất hiện và các electron

được sinh ra. Dòng điện thu được liên quan trực tiếp đến nồng độ chất cần phân tích.

Tín hiệu ghi được dưới dạng đồ thị I-t.

Trong nghiên cứu này, phương pháp đo dòng được sử dụng để xác định điểm

hoạt động của cảm biến trên đường chuẩn của cơ chất và xác định nồng độ thuốc trừ

sâu của mẫu. Các phép đo áp thế được thực hiện tại điện áp +0,3V. Phương pháp CA

thực hiện trên máy Autolab/PGSTAT30.

2.3.5. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid

Chromatography - HPLC)

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao là một phương pháp chia tách trong đó

pha động là chất lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã được phân chia dưới

dạng tiểu phân hoặc một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn hay một chất mang đã

được biến tính bằng liên kết hóa học với các nhóm chức hữu cơ. Phương pháp này

ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến vì nhiều lí do: có độ nhạy cao, khả năng

định lượng tốt, thích hợp tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ phân hủy nhiệt.

Trong nghiên cứu này, các mẫu có chứa methamidophos được phân tích bằng

phương pháp HPLC với hệ thống máy sắc ký lỏng khối phổ LC/MS/MS; detector

MS/MS; cột sắc ký PR C18; đường kính trong là 2,1cm; kích thước hạt nhồi là 1,7µm

và độ dài của cột là 50mm tại Viện đo lường Việt Nam, Tổng cục tiêu chuẩn đo lường

chất lượng.

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai poly(1,5-

diaminonaphtalen) P(1,5-DAN) và graphen

Màng cảm biến trên cơ sở vật liệu lai poly(1,5-diaminonaphtalen) - graphen

(P(1,5-DAN)-Gr) được tổng hợp theo hai dạng: màng tổ hợp đa lớp và màng

nanocomposit như đã mô tả ở phần 2.2.1.1

3.1.1. Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN)

3.1.1.1. Tổng h p bằng ph ng ph p điện h a

Điện cực tích hợp Pt phủ màng graphen (chế tạo bằng phương pháp CVD) được

sử dụng làm điện cực làm việc, tiếp tục trùng hợp tạo màng P(1,5-DAN) bằng phương

pháp điện hóa trong dung dịch nước có chứa HClO4 1M và monome 1,5-DAN 5mM.

Kỹ thuật sử dụng là quét thế vòng đa chu kỳ trong khoảng từ -0,02V đến +0,95V, tốc

độ quét 50mV/s. P(1,5-DAN) cũng được tổng hợp trên điện cực Pt trần (không phủ

graphen) với cùng điều kiện để đối chứng. Kết quả đo đường CV vòng quét thế đầu

tiên được trình bày trên hình 3.1.

Hình 3. 1: ường CV vòng quét đầu tiên ghi trên điện cực Pt (a) và Pt/Gr (b) trong

dung dịch HClO4 1M và 1,5-DAN 5mM

Từ kết quả trên cho thấy trong cả hai trường hợp đều thu được đường CV đặc

trưng của quá trình trùng hợp 1,5-DAN [33]. Cường độ dòng điện ghi trên điện cực có

phủ graphen lớn hơn gấp gần 20 lần so với điện cực Pt trần. Như vậy, với sự có mặt

của graphen, quá trình trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN) diễn ra mạnh mẽ hơn nhiều.

Tiếp tục quét thế tới 20 chu kỳ, kết quả đo CV trình bày trên hình 3.2.

Hình 3. 2: Phổ tổng hợp màng P(1,5-DAN) trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B)

Quan sát hình 3.2 ta thấy ở vòng quét đầu tiên, dòng bắt đầu tăng mạnh từ

+0,5V liên quan đến quá trình oxi hóa monome. Pic oxi hóa 1,5-DAN xuất hiện tại

+0,66V trên nền Pt và +0,72V trên nền Pt/Gr. Ở vòng quét thứ 2, cường độ pic oxi hóa

của monome giảm mạnh, xuất hiện hai pic oxi hóa và hai pic khử của polyme [33].

Trong các vòng quét tiếp theo, cường độ 2 cặp pic oxi hóa - khử của polyme liên tục

tăng chứng tỏ sự phát triển màng poly(1,5-DAN). Như vậy monome 1,5-DAN đã tham

gia phản ứng trùng hợp điện hóa theo sơ đồ tổng quát trên hình 3.3, màng P(1,5-DAN)

hình thành và phát triển dầy dần lên theo số lượng vòng quét.

Hình 3. 3: Phản ứng trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN)

So sánh hai trường hợp tổng hợp P(1,5-DAN), trên Pt và trên Pt/Gr, dạng phổ

CV thu được tương tự nhau, nhưng cường độ dòng điện tăng gần gấp 20 lần trong

trường hợp phủ graphen (ở vòng quét thứ 20 cường độ dòng oxi hóa là 11μA trên nền

Pt và 178μA trên nền Pt/Gr). Như vậy, graphen với độ linh động điện tử cao giúp tăng

độ dẫn điện và diện tích bề mặt riêng của màng P(1,5-DAN) đã làm tăng tín hiệu điện

hóa. Sự tương tác giữa graphen và polyme, làm tăng quá trình chuyển điện tích đã

được các nhà khoa học chỉ ra gần đây, tuy nhiên vẫn chưa được giải thích thực sự rõ

ràng. Đã có một vài nghiên cứu cố gắng xây dựng cơ chế của việc tăng cường chuyển

điện tích cho sự kết hợp giữa graphen và polyme, ví dụ Gupta và cộng sự cho rằng sự

tăng dòng là do tăng diện tích bề mặt riêng, độ dẫn điện và tương tác π-π giữa graphen

và màng polyme tại bề mặt điện cực [130]. Trong nghiên cứu này, kết quả gia tăng

mạnh mẽ quá trình tổng hợp điện hóa P(1,5-DAN) là rất có giá trị, với mục đích phát

triển vật liệu làm cảm biến điện hóa có độ nhạy cao.

3.1.1.2. Nghiên cứu đặc tr ng màng Gr/P(1,5-DAN)

a. Đặc trưng điện hóa

Tính chất điện hóa của màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) được khảo sát bằng

phương pháp vôn – ampe vòng trong dung dịch HClO4 0,1M. Hình 3.4 trình bày kết

quả đo CV trên điện cực Pt/P(1,5-DAN) và Pt/Gr/P(1,5-DAN).

Hình 3. 4: ường CV ghi trong dung dịch HClO4 0,1M c a các điện cực:

Pt/P(1,5-DAN) (A) và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B)

Kết quả khảo sát cho thấy màng P(1,5-DAN) tổng hợp trên graphen có hoạt tính

điện hóa lớn hơn gấp nhiều lần so với trường hợp không có graphen. Mặt khác, nếu

trường hợp P(1,5-DAN) phủ trực tiếp lên nền Pt, cường độ dòng oxi hóa khử suy giảm

liên tục ngay từ vòng quét đầu tiên (hình 3.4A), với trường hợp P(1,5-DAN) phủ trên

Pt/Gr, dòng ổn định hơn nhiều, sau khi quét 20 chu kì dòng oxi hóa khử giảm rất ít,

hầu như không đáng kể (hình 3.4B).

b. Đặc trưng phổ tán xạ Raman

Hình 3.5 trình bày phổ tán xạ Raman của graphen tổng hợp bằng phương pháp CVD, với đỉnh D ở 1353 cm-1, đỉnh G ở 1582 cm-1 và đỉnh 2D ở 2699,8 cm-1, chính là

các đỉnh Raman đặc trưng của graphen [131]. Đỉnh D (đặc trưng cho mức độ sai hỏng

của lớp màng graphen) có cường độ thấp so với đỉnh G (đặc trưng cho cấu trúc

graphit) và đỉnh 2D (đặc trưng cho cấu trúc graphen) có cường độ khá cao, chứng tỏ

màng graphen chế tạo được có chất lượng tốt [49].

Hình 3. 5: Phổ tán xạ Raman c a graphen

Điện cực Pt phủ graphen sau khi tiếp tục trùng hợp P(1,5-DAN) với số chu kỳ

quét thế khác nhau (nghĩa là chiều dày màng polyme khác nhau), 5 và 20 chu kỳ, được

phân tích phổ Raman và trình bày trên hình 3.6. Màng P(1,5-DAN) thuần cũng được

phân tích đồng thời để đối chứng.

Hình 3. 6: Phổ tán xạ Raman c a P(1,5-DAN) thuần (a) và các màng tổ hợp

Gr/P(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kì (b) và 20 chu kì quét thế (c).

Vị trí các đỉnh tán xạ Raman trên hình 3.5 và 3.6 tương ứng với các dao động

của liên kết được trình bày trên bảng 3.1.

Ta thấy, phổ Raman của màng P(1,5-DAN) thuần (đường a) xuất hiện các đỉnh

đặc trưng của P(1,5-DAN) phù hợp với các tài liệu đã công bố [31]. Trong đó, các đỉnh có cường độ mạnh tại số sóng 1579; 1515,6; 1454,5 cm-1 đặc trưng cho các dao động khung của nhân naphtalen và đỉnh có cường độ yếu hơn ở số sóng 1335,4 cm-1

đặc trưng cho dao động của liên kết C-N.

Bảng 3. 1: Các đỉnh Raman c a màng graphen, P(1,5-DAN) và Gr/P(1,5-DAN)

Graphen Gr/P(1,5-DAN) Gr/P(1,5-DAN) P(1,5-DAN)

5 chu kì 20 chu kì

1335,5 cm-1 1331,5 cm-1 1335,4 cm-1 1353cm-1

Liên kết C-N Đỉnh D

1448,5 cm-1 1449 cm-1 1454,5 cm-1 -

1522 cm-1 1519 cm-1 Dao động khung 1515,6 cm-1 -

Dao động khung

1582 cm-1 1580,6 cm-1 1577 cm-1 1579 cm-1

Dao động khung

2697 cm-1 - - Đỉnh G 2699,8 cm-1

Đỉnh 2D

Phổ tán xạ Raman của màng tổ hợp Gr/P(1,5-DAN) tổng hợp với 5 chu kì quét

thế (đường b) thể hiện rõ rệt cấu trúc của cả 2 thành phần: ngoài các đỉnh tại 1335,5; 1448,5 và 1522 cm-1 đặc trưng cho các liên kết hóa học của P(1,5-DAN) còn xuất hiện thêm đỉnh 2D của graphen tại 2697 cm-1. Do đỉnh D và đỉnh G của graphen ở số sóng 1353 và 1582 cm-1 gần vùng đặc trưng của naphtalen nên có sự chồng lấn đỉnh và không xuất hiện trên đường b. Tuy nhiên, đỉnh tại 1580,6 cm-1 đặc trưng cho dao động

khung của nhân naphtalen có cường độ tương đối cao hơn nhiều so với trường hợp

P(1,5-DAN) thuần, chứng tỏ có sự kết hợp với đỉnh G cường độ mạnh của graphen tại 1582 cm-1.

Trường hợp màng tổ hợp Gr/P(1,5-DAN) được tổng hợp với 20 chu kì quét thế,

màng P(1,5-DAN) dày hơn, che lớp graphen ở phía dưới nên chỉ quan sát thấy cấu trúc

của P(1,5-DAN) thuần trên phổ Raman (đường c).

c. Đặc trưng hình thái học

Điện cực Pt/Gr trước và sau khi tổng hợp P(1,5-DAN) được phân tích ảnh hiển vi

điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và trình bày trên hình 3.7.

(B)

(A)

Hình 3. 7: Ảnh SEM bề mặt Graphen (A) và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B)

Kết quả phân tích FE-SEM cho phép ta quan sát được các vết gấp của màng Gr

(hình 3.7A, các đường màu trắng, được chỉ bởi các mũi tên màu vàng). Hình 3.7B

chứng tỏ rõ rằng sau khi trùng hợp điện hóa, màng P(1,5-DAN) được lắng đọng trên

lớp graphen.

Nhận xét: Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) có tính chất điện hóa tăng mạnh

so với màng polyme thuần, quá trình trùng hợp điện hóa P(1,5-DAN) được thực hiện

dễ dàng, thuận lợi lên trên bề mặt tấm graphen. Tuy nhiên, quy trình chế tạo tấm

graphen bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) phức tạp, đòi hỏi thực hiện trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ trên 1000oC trong môi trường khí hiếm). Phần

tiếp theo của luận án chúng tôi thử nghiệm tổng hợp màng nanocomposit P(1,5-DAN)

với graphen dạng bột.

3.1.2. Màng nanocomposit poly(1,5-diaminonaphtalen)-graphen

Trong phần này, nanocomposit giữa P(1,5-DAN) và graphen dạng bột được

tổng hợp theo hai phương pháp: đồng kết tủa điện hóa (electrodeposition) và trùng hợp

điện hóa tại chỗ (electropolymerisation in-situ).

3.1.2.1. Ph ng ph p đồng kết tủa điện h a

a. Tổng hợp điện hóa

Theo phương pháp này, thành phần pha tạp (bột graphen) được phân tán trong

dung dịch thường được sử dụng để tạo màng điện hóa P(1,5-DAN): HClO4 1M +

monome 1,5-DAN 5mM. Do graphen dạng bột rất khó phân tán nên chúng tôi sử dụng

dạng graphen oxit (GO), với hàm lượng 20µg/mL. Tiến hành phân cực điện cực Pt

theo phương pháp vôn – ampe vòng trong khoảng thế giữa -0,02V và +0,95V với tốc

độ 50mV/s. Màng P(1,5-DAN) thuần cũng được tổng hợp với cùng điều kiện trong

dung dịch không có GO để đối chứng. Phổ CV thu được trình bày trên hình 3.8.

Hình 3. 8: Phổ CV quá trình trùng hợp màng (A) P(1,5-DAN) và (B) P(1,5-DAN)/GO

trên điện cực Pt

Quan sát hình 3.8 ta thấy trong cả hai trường hợp, không có và có GO, đều thu

được phổ CV tổng hợp đặc trưng của P(1,5-DAN). Ở vòng quét đầu tiên, dòng bắt đầu

tăng mạnh từ +0,5V, xuất hiện pic oxi hóa của monome tại khoảng +0,67V. Đây chính

là quá trình oxy hóa monome trong dung dịch dưới tác dụng của dòng điện. Ở vòng

quét thứ 2, cường độ pic oxi hóa của monome giảm đi nhanh chóng là do màng

polyme phủ trên điện cực cản trở sự trao đổi điện tích giữa điện cực và dung dịch, xuất

hiện hai pic oxi hóa (tại khoảng +0,24V và +0,45V) và hai pic khử (tại khoảng +0,23V

và +0,42V), đây là vị trí các pic đặc trưng của P(1,5-DAN) trong môi trường axit.

Trong các vòng quét tiếp theo, cường độ dòng liên tục tăng chứng tỏ tính chất dẫn điện

và sự phát triển màng P(1,5-DAN) trên điện cực. Như vậy, có thể nói dưới tác dụng

của dòng điện, monome 1,5-DAN bị oxi hóa tạo gốc đồng thời phát triển mạch và lắng

đọng trên bề mặt điện cực. Sau mỗi vòng quét, màng P(1,5-DAN) dầy dần lên và sự

dịch chuyển pic tại khoảng 0,24V cho thấy sự thay đổi bề mặt của điện cực.

Khi so sánh cường độ dòng quá trình tạo màng P(1,5-DAN) thuần và P(1,5-

DAN)/GO thì trong trường hợp có GO, cường độ dòng trên phổ CV thu được nhỏ hơn

(hình 3.8B). Điều này là do GO với các nhóm -OH và –COOH trên bề mặt đã tương

tác với 1,5-DAN bị proton hóa trong môi trường axit hình thành các hạt lơ lửng ngày

càng to và lắng xuống. Sự suy giảm nồng độ monome đã làm giảm hiệu quả quá trình

trùng hợp và khiến cho giá trị dòng tổng hợp nhỏ hơn trường hợp P(1,5-DAN) thuần.

b. Nghiên cứu đặc trưng

Đặc tr ng điện h a

Các điện cực Pt sau khi biến tính bằng trùng hợp điện hóa trong dung dịch

(HClO4 1M + 1,5-DAN 5mM) có và không có GO được khảo sát hoạt tính điện hóa

trong dung dịch đệm axetat 0,1M (pH = 4,5) bằng phương pháp CV, với tốc độ quét

thế 50mV/s. Đường CV hồi đáp trình bày trên hình 3.9 cho thấy rõ trường hợp trùng

hợp có GO, màng tổng hợp được có hoạt tính điện hóa kém hơn so với màng P(1,5-

DAN) thuần.

Hình 3. 9: ường CV hồi đáp c a màng P(1,5-DAN) thuần (a) và màng nanocomposit

P(1,5-DAN)/GO (b) tổng hợp bằng phương pháp đồng kết t a điện hóa

Đặc tr ng phổ Raman

Màng nanocomposit P(1,5-DAN)/GO và bột graphen oxit cũng được phân tích

cấu trúc hóa học bằng phổ tán xạ Raman và trình bày trên hình 3.10.

Hình 3. 10: Phổ Raman c a GO (A) và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/GO (B)

tổng hợp bằng phương pháp đồng kết t a điện hóa

Ta thấy phổ Raman trên hình 3.10A chính là phổ đặc trưng của GO, với các đỉnh D tại 1348 cm-1 và đỉnh G tại 1594cm-1, tương ứng với vị trí sp2 của cấu trúc

cacbon như các tài liệu đã công bố [131]. Trên hình 3.10B chỉ quan sát thấy các đỉnh

đặc trưng của polyme P(1,5-DAN) mà không thấy đỉnh đặc trưng của graphen oxit. Có

thể trong trường hợp này không thu được màng vật liệu nanocomposit, hoặc có thể

lượng graphen oxit pha tạp trong polyme quá ít. Điều này cũng phù hợp với các kết

quả CV thu được ở phần trên.

Đặc tr ng hình th i h c

Hình 3.11 trình bày các ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) của

graphen oxit, màng P(1,5-DAN) thuần, màng composit P(1,5-DAN)/GO tổng hợp

bằng phương pháp đồng kết tủa điện hóa.

C

Hình 3. 11: Ảnh FE-SEM c a graphen oxit (A), P(1,5-DAN) (B),

composit P(1,5-DAN)/GO tổng hợp bằng phương pháp đồng kết t a điện hóa (C)

Trên hình 3.11C. ta hầu như không quan sát thấy sự có mặt của graphen phân

tán trong màng P(1,5-DAN), chỉ xuất hiện ít đốm trắng nhỏ rất thưa thớt của graphen

oxit chứng tỏ việc tổng hợp màng composit không thành công.

Nhận xét: Như vậy, từ phổ CV tổng hợp, đặc trưng điện hóa CV, đặc trưng

hình thái học SEM, đặc trưng Raman chúng tôi đi đến kết luận là phương pháp đồng

kết tủa điện hóa không cho phép tạo màng nanocomposit lai giữa P(1,5-DAN) và

graphen.

3.1.2.2. Ph ng ph p tr ng h p in-situ

Chúng tôi thử nghiệm tổng hợp màng lai P(1,5-DAN) và graphen bằng phương

pháp trùng hợp điện hóa in-situ, nghĩa là thực hiện đồng thời hai quá trình: vừa khử

graphen oxit, vừa trùng hợp điện hóa polyme dẫn. Khử graphen oxit tức là khử các

nhóm chức chứa oxi trên bề mặt GO.

a. Tổng hợp điện hóa

Điện cực tích hợp Pt được phủ lớp hỗn hợp monome 1,5-DAN và GO (tỉ lệ

20μg/mL) như mô tả trong phần 2.2.1.1. Tiến hành trùng hợp polyme bằng cách phân

cực điện cực này trong dung dịch HClO4 0,1M, sử dụng phương pháp vôn – ampe

vòng trong khoảng giữa Ei = -0,02V và Ef = +0,95V, tốc độ quét thế là 50mV/s. Đây là

khoảng thế thường được sử dụng để tổng hợp màng điện hóa P(1,5-DAN). Phổ CV thu

được trình bày trên hình 3.12.

Hình 3. 12: Phổ CV ghi trên điện cực Pt ph hỗn hợp 1,5-DAN và GO nhúng trong

dung dịch HClO4 0,1M, khoảng quét thế từ - 0,02V tới +0,95V

Vòng quét thế đầu tiên trên hình 3.12 cho thấy dòng bắt đầu tăng mạnh từ

+0,48V và xuất hiện pic oxi hóa tại +0,6V, chứng tỏ monome bị oxi hóa. Cùng với chu

kì quét thế vòng, cường độ pic này giảm mạnh, hai cặp pic oxi hóa khử (tại

+0,42V/+0,35V và +0,13V/+0,04V) có cường độ rất yếu và không tăng theo thời gian.

Như vậy, tuy ban đầu monome có bị oxi hóa nhưng sau đó không quan sát thấy sự phát

triển polyme, lí do có thể do sự có mặt của GO dẫn điện kém đã ngăn cách sự tiếp xúc

giữa các phân tử monome với nhau. Để khắc phục điều này cần khử GO bằng phương

pháp điện hóa. Đầu tiên, điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN/GO quét từ thế cân bằng

về -0,8V, GO sẽ bị khử về RGO (reduced graphene oxide), sau đó oxi hóa từ -0,8V tới

+0,95V, tốc độ quét thế vẫn giữ nguyên 50mV/s. Tiếp tục quét các vòng tiếp theo và

thu được phổ CV trình bày trên hình 3.13.

Hình 3. 13: Phổ CV ghi trên điện cực Pt ph hỗn hợp 1,5-DAN và GO nhúng trong

dung dịch HClO4 0,1M, khoảng quét thế từ - 0,8V tới +0,95V

Tương tự như hình 3.12, hình 3.13 cũng thể hiện pic oxi hóa của monome xuất

hiện tại +0,6V ở vòng quét thế đầu tiên và cường độ giảm mạnh ở những chu kì sau.

Tuy nhiên, trong trường hợp này, từ vòng quét thế thứ 2 xuất hiện rõ nét 2 cặp pic oxi

hóa-khử của polyme (+0,45V/+0,4V và +0,15V/+0,04V) có cường độ tăng mạnh theo

chu kì quét thế. Ngoài ra, ta còn quan sát thấy pic khử tại -0,48V có thể liên quan đến

quá trình khử GO, cường độ của pic này giảm dần theo số vòng quét. Như vậy, nếu

tiến hành trùng hợp P(1,5-DAN) trong khoảng rộng hơn, giữa -0,8V và +0,95V, GO bị

khử đã tăng độ dẫn điện của màng hỗn hợp và tạo điều kiện để quá trình trùng hợp

điện hóa P(1,5-DAN) diễn ra thuận lợi.

b. Nghiên cứu đặc trưng

Đặc tr ng điện h a

Điện cực Pt biến tính bằng màng composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng

phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ trong khoảng thế Ei = -0,8V đến Ef = +0,95V

được khảo sát hoạt tính điện hóa bằng phương pháp CV trong dung dịch đệm axetat

0,1M (pH = 4,5). Các điện cực Pt phủ hỗn hợp 1,5-DAN/GO trước khi trùng hợp và

trùng hợp với thế Ei = -0,02V cũng được khảo sát đồng thời để đối chứng. Các đường

CV hồi đáp được trình bày trên hình 3.14.

Hình 3. 14: ường CV trong đệm axetat 0,1M c a điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO khi:

chưa trùng hợp (a); trùng hợp với Ei = -0,02V (b) và trùng hợp với Ei = -0,8V (c)

Rõ ràng màng hỗn hợp monome/GO hầu như không có hoạt tính điện hóa

(đường a). Tương tự, đường b thể hiện pic oxi hóa - khử rất yếu và không đặc trưng.

Trong khi đó màng composit chế tạo bằng trùng hợp điện hóa in-situ trong khoảng từ -

0,8V đến +0,95V thể hiện hoạt tính điện hóa khá mạnh với hai cặp pic oxi hóa - khử rõ

nét: Ea=+0,28V/Ec=+0,24V và Ea=+0,03V/Ec= -0,12V, đặc trưng cho P(1,5-DAN).

Như vậy việc tiến hành đồng thời khử GO với quá trình trùng hợp điện hóa 1,5-DAN

cho phép phát triển màng composit P(1,5-DAN)/RGO có hoạt tính điện hóa tốt.

Đặc tr ng phổ IR

Cấu trúc hóa học của màng composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng phương

pháp trùng hợp điện hóa in-situ được phân tích bằng phổ FT-IR. Bột GO cũng được

phân tích đồng thời để đối chứng. Kết quả được trình bày trên hình 3.15.

Hình 3. 15: Phổ FT- IR c a GO và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp

bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ

Từ các phổ FT-IR thu được ta có thể phân tích các liên kết hóa học của vật liệu

và trình bày trong bảng 3.2, so sánh với phổ FT-IR của P(1,5-DAN) thuần đã được

nghiên cứu trước đây [33].

Bảng 3. 2: Các đỉnh hồng ngoại c a GO, P(1,5-DAN) và P(1,5-DAN)/RGO

P(1,5-DAN) P(1,5-DAN)/RGO GO

3443cm-1 3436 cm-1 3434 cm-1

-OH 1631,5 cm-1 N-H 1655 cm-1 1635,5 cm-1

C-C C=N

1579 cm-1 1574,4 cm-1

1401 cm-1 C-O trong nhóm C=Caren 1400 cm-1 1403 cm-1

COH/COC (epoxi) Dao động khung

1145 cm-1 1141,5 cm-1

C-C (nhân thơm)

1110 cm-1 1115 cm-1

C-H trên mặt phẳng 1084 cm-1 1087 cm-1

1052 cm-1 C-O trong

COH/COC (epoxi)

Các kết quả cho thấy phổ hồng ngoại của màng nanocomposit thể hiện chủ yếu

các đỉnh hấp thụ đặc trưng của P(1,5-DAN): vân phổ rộng và có cường độ trung bình tại 3434 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị liên kết N-H của nhóm amin; đỉnh hấp thụ yếu tại 1574,4 cm-1 đặc trưng cho dao động C=Car, đỉnh hấp thụ hẹp với cường độ trung bình tại 1403 cm-1 đặc trưng cho dao động khung của nhân naphtalen và đỉnh yếu tại 1141,5 cm-1 quy cho dao động hóa trị C-C trong nhân thơm; đỉnh hấp thụ có cường độ mạnh tại 1115 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết C-H trên

mặt phẳng; đỉnh hấp thụ tại 1087 cm-1 chứng tỏ sự có mặt của ion đối . Trên phổ

FT-IR của nanocomposit không quan sát thấy các đỉnh hấp thụ tại 3443 cm-1 đặc trưng cho liên kết O-H (vân phổ hẹp với cường độ mạnh trên phổ của GO) và tại 1052 cm-1

đặc trưng cho liên kết COH/COC (nhóm chức epoxi) của GO, điều này chứng tỏ các

nhóm chức này đã bị khử (GO bị khử về RGO). Ngoài ra, các vân phổ đặc trưng của

graphen: đỉnh hấp thụ tại 1631,5 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-C có thể trùng với đỉnh

hấp thụ của dao động của liên kết C=N của polyme [132].

Đặc tr ng phổ Raman

Cấu trúc hóa học của màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO được phân tích

bằng phổ tán xạ Raman, so sánh với phổ Raman của graphen oxit. Kết quả trình bày

trên hình 3.16.

Hình 3. 16: Phổ Raman c a GO và nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO

Các liên kết hóa học được phân tích từ phổ Raman và trình bày trong bảng 3.3.

Bảng 3. 3: Các đỉnh Raman c a GO, P(1,5-DAN) và composit P(1,5-DAN)/RGO

GO P(1,5-DAN) P(1,5-DAN)/RGO

1324cm-1 1327cm-1

C-N

1348cm-1 1359cm-1

Đỉnh D

1447cm-1 1517cm-1 1451cm-1 1526cm-1

1594cm-1 Dao động khung 1567cm-1 1582cm-1

Đỉnh G Dao động khung

Phổ Raman thu được trên màng composit P(1,5-DAN)/RGO thể hiện rõ rệt cấu

trúc hóa học của cả 2 thành phần: graphen và P(1,5-DAN). Các đỉnh đặc trưng của P(1,5-DAN) quan sát thấy tại 1327cm-1 (liên kết C-N), 1451cm-1 và 1526cm-1 (dao

động khung của nhân naphtalen), các đỉnh đặc trưng của graphen quan sát thấy tại 1350cm-1 (đỉnh D) và 1594cm-1 (đỉnh G). Ngoài ra, đỉnh Raman tại 1582cm-1 tương ứng với sự kết hợp của 2 đỉnh tại 1594cm-1 của graphen (đỉnh G) và tại 1567cm-1 của

polyme (dao động khung naphtalen). Các kết quả này chứng tỏ composit P(1,5-

DAN)/RGO bao gồm hai thành phần là poly(1,5-diaminonaphtalen) và graphen đã

được tổng hợp thành công trên điện cực Pt.

Đặc tr ng hình th i h c

Hình 3.17 trình bày ảnh FE-SEM của màng P(1,5-DAN)/RGO.

Hình 3. 17: Ảnh FE-SEM c a composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng

phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ

Trên hình 3.17, ta có thể quan sát một cách rõ ràng cấu trúc tổ hợp của hai

thành phần: P(1,5-DAN) và các tấm graphen phân tán trong màng composit P(1,5-

DAN)/RGO.

Nhận xét: Từ các kết quả trên, chúng tôi chọn màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-

DAN) và màng nanocomposit tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ

P(1,5-DAN)/RGO để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.

3.1.3. Khảo sát tính nhạy ion Pb(II)

Vi điện cực Pt phủ các màng lai P(1,5-DAN) và graphen được khảo sát khả

năng nhận biết ion Pb(II) bằng phương pháp vôn - ampe hòa tan anot (ASV), dung

dịch nền sử dụng là đệm axetat 0,1M; pH = 4,5; đây là môi trường thích hợp nhất để

thực hiện phép đo ASV nhận biết chì [98]. Quá trình này được tiến hành theo 2 giai

đoạn:

- Giai đoạn làm giàu: ion Pb(II) được khử - làm giàu trên điện cực tại điện thế áp

đặt Eđp = -1,0V, thời gian làm giàu tđp = 240 giây, dung dịch được khuấy nhẹ (tốc độ

300 vòng/phút).

- Giai đoạn hòa tan anot: quét thế từ -1V tới -0,2V theo kĩ thuật sóng vuông, tần số

50Hz, biên độ xung 50mV, bước thế 5mV.

3.1.3.1. Màng tổ h p đa lớp Gr/P(1,5-DAN)

Trước tiên, cần khảo sát đặc trưng điện hóa của màng cảm biến trong môi

trường đệm axetat 0,1M, pH = 4,5. Hình 3.18 trình bày các đường vôn – ampe vòng

thu được trong khoảng giữa -1,2V và +1,4V trên các điện cực Pt trần, Pt phủ graphen

(CVD) và Pt phủ màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN), tốc độ quét thế là 50mV/s.

Hình 3. 18: ường CV ghi trên các điện cực Pt, Pt/Gr (A); và Pt/Gr/P(1,5-DAN) (B)

trong dung dịch đệm axetat 0,1 M pH = 4,5

Ta thấy trường hợp điện cực Pt và Pt/Gr không phủ polyme dẫn, đường CV thu

được đều thể hiện pic khử dung dịch với cường độ khá lớn tại khoảng điện thế -0,6V,

và một đợt khử mạnh từ khoảng điện thế -0,9V đến -1,2V (hình 3.18A). Quá trình khử

này sẽ gây cản trở quá trình khử làm giàu chì trên bề mặt điện cực. Trong trường hợp

điện cực phủ P(1,5-DAN) hoàn toàn không quan sát thấy quá trình khử dung dịch

(hình 3.18B). Nói cách khác, màng P(1,5-DAN) đã có tác dụng thay đổi cửa sổ điện

thế của điện cực Pt và Pt/Gr, điều này rất có ý nghĩa với việc áp dụng trong phân tích

Pb(II) bằng phương pháp ASV.

Để tăng độ nhạy của tín hiệu nhận biết chì, phép đo ASV được thực hiện theo kĩ

thuật sóng vuông. Kết quả đo SWASV trên điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) trong dung

dịch đệm axetat có và không có ion Pb(II) được trình bày trên hình 3.19. Điều kiện

làm giàu chì: Eđp = -1,0V, tđp = 240 giây. Điện cực không phủ graphen Pt/P(1,5-DAN)

cũng được khảo sát đồng thời để đối chứng.

Hình 3. 19: ường SWASV c a điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) trong

dung dịch đệm axetat 0,1M không có (đường a) và có (đường b) Pb(II) 0,1nmol/L;

ghi trên điện cực đối chứng Pt/P(1,5-DAN) (đường c)

Đường hồi đáp SWASV trên điện cực Pt/Gr/P(1,5-DAN) thể hiện đỉnh hòa tan

chì rất rõ nét tại -0,54 V (đường b). Trong điều kiện nồng độ chì thấp (0,1nmol/L),

màng P(1,5-DAN) thuần không có tín hiệu. Như vậy màng graphen có tác dụng tăng

hoạt tính điện hoá cho màng P(1,5-DAN) và tăng độ nhạy trong phép xác định chì(II).

3.1.3.2. Màng composit P(1,5-DAN)/RGO

Tương tự như vậy, màng composit P(1,5-DAN)/RGO tổng hợp bằng phương

pháp trùng hợp điện hóa in-situ cũng được khảo sát tính nhạy với ion Pb(II) trong

dung dịch đệm axetat nồng độ 0,1M (pH = 4,5) bằng phương pháp vôn - ampe hòa tan

anot theo kĩ thuật sóng vuông. Hình 3.20 trình bày kết quả đo SWASV trong dung

dịch đệm axetat 0,1M không có và có Pb(II) nồng độ 1nmol/L, điều kiện làm giàu: Eđp

= -1,0V, tđp = 240 giây. Điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO cũng thể hiện đỉnh hòa tan chì

rất rõ nét tại -0,52 V (đường b).

Hình 3. 20: ường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch

đệm axetat 0,1M không có (đường a) và có Pb(II) 1nmol/L (đường b)

Nhận xét: Như vậy, cả hai màng lai P(1,5-DAN)-graphen, dạng màng tổ hợp

và dạng màng nanocomposit, đều có độ nhạy với ion Pb(II) tốt hơn nhiều so với màng

P(1,5-DAN) thuần. Điều này có thể giải thích do graphen có tác dụng gia tăng quá

trình chuyển hóa điện tử trong màng polyme, hoạt tính điện hóa tăng và độ nhạy tăng.

Trường hợp màng tổ hợp đa lớp tuy cho tín hiệu dòng đỉnh hòa tan (Ip) tốt, nhưng

màng graphen chế tạo bằng phương pháp CVD kém bám dính lên bề mặt Pt, nhất là

trong điều kiện làm giàu, áp thế Eđp = -1V trong thời gian khá lâu, màng Gr dễ bong

dẫn đến kết quả phân tích chì không ổn định. Do đó màng nanocomposit P(1,5-

DAN)/RGO được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.

3.1.4. Tối ƣu hóa quá trình xác định chì và xây dựng đƣờng chuẩn

3.1.4.1. Khảo s t hàm l ng graphen pha tạp

Màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO được chế tạo với hàm lượng GO ban

đầu khác nhau: 20, 40 và 60μg/mL. Hình 3.21 trình bày kết quả SWASV thu được

trong dung dịch Pb(II) nồng độ 10μmol/L, điều kiện làm giàu Eđp = -1,0V, tđp = 240

giây.

Hình 3. 21: ường SWASV trong dung dịch Pb(II) 10µM c a điện cực

Pt/P(1,5-DAN)/RGO với tỷ lệ GO khác nhau: a) 20µg/mL; b) 40µg/mL; c) 60µg/mL

Kết quả cho thấy trong 3 tỉ lệ graphen oxit nghiên cứu, tỉ lệ 40 μg/mL là thích

hợp nhất. Khi lượng graphen oxit càng nhiều, lượng graphen oxit khử pha tạp (doping)

vào màng polyme càng lớn, làm gia tăng diện tích bề mặt riêng và khả năng truyền

điện tử, do vậy tăng tín hiệu nhận biết ion Pb(II). Tuy nhiên, nếu graphen oxit quá

nhiều, 60 μg/mL, có thể GO không được khử hết toàn bộ, phần GO còn lại do dẫn điện

kém sẽ cản trở sự tiếp xúc giữa các phân tử monome, cản trở quá trình polyme hóa

P(1,5-DAN), dẫn đến giảm hoạt tính điện của màng nanocomposit, tín hiệu phân tích

chì giảm mạnh.

3.1.4.2. Khảo s t ảnh h ởng của điều kiện làm giàu

Trong phương pháp ASV, quá trình điện phân làm giàu là quá trình khử cation

kim loại thành các nguyên tử kim loại kết tủa lên bề mặt điện cực. Trong trường hợp

Pb(II), điện thế áp đặt làm giàu Eđp thường sử dụng trong khoảng -1,0 đến -1,2V. Tuy

nhiên, với vi điện cực Pt có cửa sổ điện thế hẹp, không nên áp giá trị điện thế quá âm

để tránh phản ứng khử dung dịch tạo khí H2, chúng tôi chọn Eđp là -1,0V.

Thời gian áp thế làm giàu tđp đã được khảo sát từ 60 giây đến 300 giây, kết quả

SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch Pb(II) nồng độ 1 μM

được trình bày trên hình 3.22.

Hình 3. 22: ường SWASV ghi trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch

Pb(II) 1 μM với tđp khác nhau

Hình 3.23 trình bày sự phụ thuộc của giá trị dòng đỉnh hoà tan chì (Ip) vào thời

300; 38,2

240; 35,5

180; 26,7

gian áp thế làm giàu tđp.

)

120; 18,9

A µ ( p I

60; 11,8

100

150

200

250

300

350

tđp (s)

Hình 3. 23: Sự phụ thuộc c a cường độ đỉnh hòa tan Pb(II) vào thời gian làm giàu

Kết quả cho thấy, tđp càng tăng thì lượng kim loại cần phân tích sẽ tích lũy được

càng nhiều trên bề mặt điện cực, dẫn đến dòng hòa tan sẽ có cường độ lớn hơn, Ip tăng.

Tuy nhiên, dưới góc độ sử dụng năng lượng (tỉ lệ thuận với thời gian điện phân) và để

đảm bảo chất lượng màng P(1,5-DAN)/RGO, thời gian làm giàu tối ưu là 240 giây

được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.

3.1.4.3. Xây dựng đ ờng chuẩn x c định Pb(II)

Muốn đánh giá khả năng ứng dụng điện cực để xác định hàm lượng ion Pb(II)

trong nước, cần khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu nhận biết (Ip) vào nồng độ Pb(II). Ở

đây quá trình SWASV được tiến hành với điều kiện điện phân làm giàu là Eđp = -1V,

tđp = 240 giây. Kết quả thu được trên điện cực Pt/P(1,5-DAN) trình bày trên hình 3.24.

Hình 3. 24: ường SWASV c a điện cực Pt/P(1,5-DAN) trong dung dịch

chứa Pb(II) từ 200 đến 1200 µg/L

Từ các đường SWASV xác định chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) của điện

cực và trình bày trên bảng 3.4.

Bảng 3. 4: Sự phụ thuộc c a cường độ đỉnh hòa tan (Ip) vào nồng độ chì c a điện cực

Pt/P(1,5-DAN)

[Pb2+] 200 250 300 350 400 500 700 900 1200 (g/L)

Ip 5,1 10,7 13,7 15,6 19,5 27,4 37,2 50,1 65,9 (A)

Kết quả khảo sát trên điện cực phủ nanocomposit Pt/P(1,5-DAN)/RGO tổng

hợp với lượng graphen pha tạp là 40μg/mL được trình bày trên hình 3.25 và bảng 3.5.

Hình 3. 25: ường SWASV c a điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch chứa

Pb(II) từ 0,2 đến 1000 µg/L

Bảng 3. 5: Sự phụ thuộc c a cường độ đỉnh hòa tan (Ip) vào nồng độ chì c a điện cực

Pt/P(1,5-DAN)/RGO

[Pb2+] 0,2 30 100 200 300 400 500 700 1000 (g/l)

Ip 2,55 8,93 19,3 33,05 45,39 66,55 89,16 125,1 139,4 (A)

Kết quả thu được cho thấy trong cả hai trường hợp, màng polyme P(1,5-DAN)

thuần và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO, tín hiệu Ip tăng theo chiều tăng của

nồng độ Pb(II). Đối với màng P(1,5-DAN) giới hạn nhận biết là 200μg/L và độ nhạy là 59nA.L.mg-1. Còn đối với màng P(1,5-DAN)/RGO giới hạn nhận biết là 200ng/L và độ nhạy 173nA.L.mg-1. Sự khác biệt lớn trong giới hạn nhận biết và độ nhạy của hai

loại điện cực này là do sự gia tăng hoạt tính điện hóa và diện tích bề mặt bởi sự có mặt

của RGO.

Hình 3.26 trình bày đường chuẩn được thiết lập bởi sự phụ thuộc của Ip vào

của điện cực Pt/P(1,5-DAN) là một

nồng độ Pb(II) trong dung dịch đệm axetat. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa chiều cao dòng đỉnh hòa tan Pb (Ip) với nồng độ ion Pb2+

hàm hồi quy tuyến tính bậc nhất có dạng Ip (A) = 0,0593 × CPb – 4,498 với bình phương hệ số tương quan R2 = 0,9911. Trường hợp điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO

cũng là một hàm hồi quy tuyến tính bậc nhất có dạng Ip (A) = 0,173 × CPb + 0,56 với bình phương hệ số tương quan R2 = 0,9923.

Hình 3. 26: Sự phụ thuộc c a tín hiệu Ip vào nồng độ Pb(II)

Với cố gắng hạ thấp giới hạn nhận biết, việc tăng thời gian điện phân làm giàu

đã được thử nghiệm. Trường hợp tđp là 480 giây có thể thu được tín hiệu nhận biết ion

Pb(II) ở nồng độ 20ng/L (hình 3.27). Kết quả khả quan này mở ra triển vọng ứng dụng

cảm biến P(1,5-DAN)/RGO trong xác định vết ion Pb(II).

Hình 3. 27: ường SWASV c a điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO trong dung dịch

chứa Pb(II) nồng độ 20 ng/L

3.1.4.4. Ảnh h ởng nhiễu của c c ion kh c

Nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu của các ion khác trong phân tích Pb(II) được thực

hiện bằng cách thêm những lượng ion cần đánh giá vào dung dịch đệm axetat 0,1M có

chứa Pb(II) 300 μg/L. Kết quả được chỉ ra trên hình 3.28 cho thấy các cation như

Ca(II), Mn(II), Co(II), Cr(VI), Fe(II), Al(III) có nồng độ cao hơn 20 lần, và Zn(II),

Cd(II) có nồng độ cao hơn 10 lần so với Pb(II), sẽ ảnh hưởng tới phép phân tích trong

phạm vi cho phép (với độ lệch chuẩn đều nhỏ hơn 4%). Bên cạnh đó, thực nghiệm

cũng chỉ ra nếu nồng độ ion Cu(II) cao hơn 5 lần so với Pb(II) sẽ gây ảnh hưởng tới

phép phân tích Pb, do có sự hình thành hợp chất liên kim loại (intermetallic) Cu-Pb

trên bề mặt điện cực [133, 134].

Hình 3. 28: Chiều cao dòng đỉnh hòa tan c a chì trên điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO

trong dung dịch đệm axetat có chứa Pb(II) 300 μg/L với sự có mặt c a các ion khác

(làm giàu trong 240 giây tại -1,0V)

3.1.4.5. Ứng dụng ph t hiện chì trong mẫu n ớc sinh hoạt

Để đánh giá ảnh hưởng của nền mẫu thật tới phép phân tích chì trong môi

trường nước trên vi điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO, phép đo SWASV được thực hiện

trên mẫu nước sinh hoạt tại khu vực quận Cầu Giấy, Hà Nội, có bổ sung đệm axetat

0,1M để đạt pH = 4,5, điều kiện điện phân làm giàu Eđp = -1V, tđp = 240 giây. Kết quả

đo SWASV không cho tín hiệu dòng hòa tan chì (KXĐ), lý do có thể hệ vi điện cực

không phát hiện được chì, hoặc có thể hàm lượng chì nhỏ hơn giới hạn phát hiện.

Tiến hành cho thêm những lượng Pb(II) với nồng độ chính xác vào dung dịch

phân tích, đo đường SWASV và xác định chiều cao dòng đỉnh hòa tan chì. Sử dụng

đường chuẩn ở hình 3.26 có thể ngoại suy nồng độ Pb(II) trong mẫu, kết quả được đưa

ra tại bảng 3.6. Kết quả cho thấy phần trăm thu hồi đạt từ 95 tới 105%, nằm trong giới

hạn cho phép của phép phân tích ở nồng độ cỡ μg/l.

Bảng 3. 6: Xác định chì trong mẫu nước sinh hoạt sử dụng cảm biến P(1,5-DAN)RGO

[Pb(II) xác định [Pb(II)] [Pb(II) xác định Mẫu nước trước khi thêm thêm vào bằng SWASV % thu hồi máy (μg/l) (μg/l) (μg/l)

1 KXĐ 40 38,2 95,5%

2 KXĐ 70 73,5 105%

3 KXĐ 100 98,5 98,5%

KXĐ: không xác định

3.1.5. Nghiên cứu ứng dụng làm cảm biến enzym

Trong nội dung nghiên cứu này, enzym axetylcholinsteras (AChE) được cố

định trên màng Pt/P(1,5-DAN)/RGO thông qua tác nhân tạo liên kết chéo glutaraldehit

(GA) như mô tả ở mục 2.2.3. Điện cực phủ nanocomposit sau khi ghép enzym ký hiệu

là Pt/P(1,5-DAN)/RGO/AChE được khảo sát hoạt tính với phản ứng enzym – cơ chất

trong dung dịch đệm PBS 0,01M (pH = 7) bằng phương pháp vôn – ampe vòng. Hình

3.29 trình bày đường CV hồi đáp của điện cực thu được trong khoảng điện thế từ -

0,2V đến +0,9V, trong trường hợp không có và có cơ chất axetylthiocholin (ATCh) 50

µmol/L.

Hình 3. 29: ường CV ghi trên điện cực Pt/ P(1,5-DAN)/RGO/AChE trong dung dịch

PBS 0,01M (pH = 7) không có (a) và có (b) cơ chất ATCh 50 µmol/L

Khi cho cơ chất ATCh vào dung dịch, dưới tác dụng xúc tác của enzym AChE,

ATCh sẽ bị thủy phân trên bề mặt điện cực theo phương trình:

Phản ứng thủy phân ATCh sinh ra các điện tử và proton sẽ gây nên sự thay đổi

tín hiệu điện hóa. Quan sát hình 3.29, nhận thấy khi cho cơ chất ATCh vào dung dịch,

cường độ dòng tăng trong khoảng điện thế từ +0,2V đến +0,9V, chứng tỏ có sự thủy

phân cơ chất ATCh tại các vị trí hoạt động của enzym trên bề mặt điện cực. Giá trị

điện thế +0,3V được lựa chọn để thực hiện phép đo đáp ứng dòng, đây là giá trị

thường được sử dụng theo các tài liệu tham khảo [127].

Hoạt tính của enzyme gắn cố định trên điện cực cũng được thử nghiệm với

nồng độ cơ chất ATCh 50µM (Cho 50μl ATCh 5mM vào 5ml dung dịch PBS). Kết

quả được chỉ ra trên hình 3.30.

Hình 3. 30: áp ứng dòng c a cảm biến Pt/P(1,5-DAN)/RGO/AChE khi cho

ATCh vào hệ điện hóa

Sự thủy phân của cơ chất tại các vị trí hoạt động của enzym trên bề mặt cảm

biến được ghi nhận bằng phương pháp áp thế đo dòng. Sự tăng cường độ dòng lên

khoảng 5nA khẳng định enzym đã được gắn cố định trên điện cực và vẫn giữ được

hoạt tính.

Tiếp tục thử nghiệm đo dòng đáp ứng theo nồng độ ATCh. Điện cực Pt/P(1,5-

DAN)/RGO/AChE được áp thế E = +0,3V và đo dòng theo thời gian, khi giá trị dòng

ổn định thì từng lượng 50µl cơ chất ATCh 5mM được thêm vào dung dịch đệm PBS.

Điện cực polyme thuần Pt/P(1,5-DAN)/AChE cũng được thử nghiệm cùng điều kiện

để đối chứng. Kết quả thu được trình bày trên hình 3.31.

Hình 3. 31: ường đáp ứng dòng c a điện cực Pt/P(1,5-DAN)/AChE (A) và

Pt/P(1,5-DAN)/RGO/AChE (B) trong dung dịch PBS khi thêm cơ chất ATCh

Kết quả cho thấy, trường hợp điện cực Pt/P(1,5-DAN)/AChE không quan sát

thấy tín hiệu đáp ứng dòng (hình 3.31A), trong khi đó điện cực Pt/P(1,5-

DAN)/RGO/AChE có cho tín hiệu (hình 3.31B). Tuy nhiên điện cực này rất nhanh bão

hòa, chỉ sau 4 lần thêm ATCh, sau khoảng 1800 giây (30 phút) đã không còn tín hiệu.

Như vậy, tuy màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO có hoạt tính điện hóa tốt hơn

P(1,5-DAN) thuần, nhưng không giữ được hoạt tính lâu trong môi trường thử nghiệm

với pH trung tính.

3.2. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở vật liệu lai polyanilin-graphen

3.2.1. Tổng hợp màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi

Màng polyanilin (PANi) được trùng hợp trong dung dịch H2SO4 0,5M có chứa

monome anilin 0,05M bằng phương pháp vôn – ampe vòng trong khoảng thế từ -0,2V

đến +0,9V, tốc độ quét thế 50mV/s, đây là điều kiện thường được sử dụng để tổng hợp

polyanilin, trên cả hai điện cực Pt và Pt/Gr để so sánh. Phổ CV quá trình tổng hợp

màng PANi được trình bày tại hình 3.32.

Hình 3. 32: Phổ CV tổng hợp màng PANi trên điện cực Pt (A) và Pt/Gr (B)

Đây là phổ tổng hợp đặc trưng của PANi [135], xuất hiện 3 cặp oxi hóa khử tại

điện thế +0,15V/+0,01V; +0,43V/+0,39V; +0,75V/+0,67V với cường độ dòng điện

tăng liên tục theo chiều tăng của các chu kì quét thế, chứng tỏ sự phát triển của màng

PANi dẫn điện trên bề mặt điện cực làm việc.

Trường hợp trùng hợp trên lớp graphen, phổ CV tổng hợp màng PANi có

cường độ dòng lớn hơn, chứng tỏ quá trình trùng hợp diễn ra mạnh mẽ hơn. Nhận thấy

vị trí xuất hiện các đỉnh oxi hóa và khử trong 2 trường hợp đế Pt và đế Pt/Gr không

thay đổi nhưng tín hiệu điện hóa tức cường độ dòng I tăng cao hơn (khoảng 6 lần).

Điều này được giải thích do tính dẫn tốt của graphen đã làm tăng tín hiệu điện hóa hay

tăng độ dẫn điện của màng polyme.

Điện cực phủ màng PANi sau khi tổng hợp được rửa bằng nước cất và sấy khô,

bảo quản trong bình hút ẩm trước khi sử dụng.

3.2.2. Nghiên cứu đặc trƣng màng Gr/PANi

a. Đặc trưng điện hóa

Sau khi tổng hợp màng PANi trên điện cực Pt và Pt/Gr, chúng tôi tiến hành

kiểm tra tính chất điện hóa đặc trưng của màng trong dung dịch HCl 0,1M bằng

phương pháp vôn – ampe vòng. Kết quả được trình bày trên hình 3.33.

Hình 3. 33: ường CV ghi trong dung dịch HCl 0,1M c a các điện cực:

Pt/PANi (A) và Pt/Gr/PANi (B)

Đường CV thu được có dạng đặc trưng của PANi đã được công bố trong các tài

liệu [135, 136]. Màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi có hoạt tính điện hóa tốt hơn so với

PANi thuần (dòng oxi hóa khử lớn hơn gần 5 lần). Trên cả hai phổ xuất hiện rõ rệt 2

cặp oxi hóa khử: cặp đầu tiên tại khoảng thế -0,05V tới 0,25V do sự chuyển đổi trạng

thái từ dạng leucoemeraldin sang dạng emeraldin; và cặp thứ hai tại khoảng thế 0,55V

đến +0,7V là sự chuyển đổi của dạng emeraldin sang dạng pernigranilin (hình 3.34)

[136].

Hình 3. 34: Trạng thái oxi hóa khử c a PANi trong dung dịch HCl [136]

b. Đặc trưng phổ IR

Cấu trúc hóa học của màng PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa được

phân tích bằng phổ FT-IR, kết quả được trình bày trên hình 3.35.

Hình 3. 35: Phổ FT-IR c a PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa

Phổ FT-IR thu được thể hiện các pic hấp thụ đặc trưng của màng PANi: pic tại số sóng 1569cm-1 và 1492cm-1 đặc trưng cho dao động khung nhân thơm ở trạng thái

oxi hóa (quinoid - Q) và khử (benzoid - B). Sự có mặt của pic hấp thụ tại số sóng 1313cm-1 được qui cho dao động của nhóm B-N+=Q, pic tại số sóng 1064cm-1 đặc

trưng cho dao động hóa trị của liên kết CH ngoài mặt phẳng, phù hợp với các tài liệu

đã công bố [137, 138], chứng tỏ màng PANi đã được tổng hợp điện hóa thành công.

Hình 3.36 trình bày phổ FT-IR của màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi.

Hình 3. 36: Phổ FT-IR c a màng Gr/PANi tổng hợp bằng phương pháp điện hóa

Từ hình 3.36 có thể quan sát thấy các vân phổ hấp thụ hồng ngoại của cả PANi và graphen: Đỉnh ở số sóng 1490cm-1 và 1537cm-1 là vùng đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C – C trong nhân thơm. Đỉnh ở số sóng 1296cm-1 với cường độ mạnh là đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C-N. Đỉnh ở số sóng 1120cm-1 là đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết =C-H. Đỉnh ở số sóng 2923cm-1 là

những dao động hóa trị của liên kết =C-H trong mạch vòng, các vân này là đặc trưng cho các nhân thơm loại 6 cạnh. Ở số sóng 3452cm-1 có một vân phổ tương ứng với

dao động hóa trị của liên kết N-H. Pic hấp thụ hồng ngoại đặc trưng cho cấu trúc của graphen tại số sóng 1630cm-1 (dao động của liên kết C=C) có thể đã kết hợp với pic tại 100

số sóng 1569cm-1 (dao động của liên kết N=Q=N) chuyển thành pic tại số sóng 1537cm-1 trên phổ FT-IR của Gr/PANi.

c. Đặc trưng phổ tán xạ Raman

Điện cực Pt phủ graphen sau khi tiếp tục trùng hợp PANi được phân tích phổ

Raman và trình bày trên hình 3.37. Màng PANi thuần cũng được phân tích đồng thời

để đối chứng.

Hình 3. 37: Phổ Raman c a màng PANi và Gr/PANi

Phổ Raman của PANi thể hiện rõ rệt các pic đặc trưng: 1180cm-1 (dao động liên kết C-H của vòng quinoid), 1237cm-1 (dao động liên kết C-N), 1338cm-1 (dao động liên kết C-N kéo dài), 1507cm-1 (dao động liên kết N-H), 1612cm-1 (dao động liên kết C-C trong vòng benzoid), 1405cm-1 (dao động liên kết C-C trong vòng quinoid).

Phổ Raman của Gr/PANi xác nhận sự xuất hiện của cả hai thành phần trong

màng. Trong trường hợp trước đây, các dải phổ có liên quan đến vòng benzoid bị thay

đổi mạnh. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi này đã được quan sát thấy: dải phổ nằm ở 1507cm-1 (dao động của liên kết N-H) đã bị phá hủy, và dải phổ nằm ở vị trí 1612cm-1 (dao động của liên kết C-C của cấu trúc benzoid) đã dịch sang vị trí 1597cm- 1. Những kết quả này chứng minh rõ ràng sự gia tăng nồng độ của các vòng benzoid; 101

hay là các liên kết hóa học giữa PANi và Gr xảy ra. Người ta tin rằng những liên kết là

liên kết π-π giữa các vòng dạng quinoid của PANi và Gr. Các liên kết như vậy có thể

tạo điều kiện truyền điện tử giữa Gr và PANi; do đó tăng cường khả năng truyền dẫn

điện tử trong hệ vật liệu composit Gr/PANi.

d. Đặc trưng hình thái học

Kết quả phân tích FE-SEM màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi tổng hợp theo phương

pháp vôn - ampe vòng được trình bày trong hình 3.38. Ta thấy PANi tổng hợp được có

dạng sợi đường kính khoảng 50nm.

Hình 3. 38: Ảnh FE-SEM c a màng tổ hợp đa lớp Gr/PANi

3.2.3. Ứng dụng xác định thuốc trừ sâu

3.2.3.1. Khảo s t phản ứng enzym – c chất bằng ph ng ph p CV

Để chọn thế quét cho phản ứng enzym - cơ chất bằng phương pháp áp thế đo

dòng (CA), trước hết tiến hành thí nghiệm khảo sát phản ứng bằng phương pháp vôn –

ampe vòng trong dung dịch PBS 0,01M (pH = 7) không có và có cơ chất ATCh 50µM,

kết quả trình bày trên hình 3.39.

102

Hình 3. 39: ường CV ghi trên điện cực Pt/Gr/PANi/AChE trong dung dịch PBS

0,01M khi không có (a) và có (b) cơ chất ATCh 50µM

Quan sát hình 3.39 ta thấy khi cho cơ chất vào dung dịch, cường độ dòng tăng

lên trong khoảng điện thế từ +0,05V đến +0,9V, chứng tỏ có sự thủy phân của cơ chất

ATCh tại các vị trí hoạt động của enzym trên bề mặt điện cực.

Khi cho cơ chất axetylthiocholin vào thì dưới tác dụng xúc tác của enzym

AChE, cơ chất ATCh bị thủy phân trên bề mặt điện cực theo phương trình:

Phản ứng thủy phân ATCh sinh ra các điện tử và proton nên tính chất điện hóa

trên bề mặt cảm biến thay đổi, tín hiệu hoạt động điện hóa tăng lên. Từ hình 3.39,

nhận thấy tín hiệu điện hóa tăng cao nhất tại vị trí +0,3V, vì vậy, điện áp E = +0,3V

được chọn để thực hiện phép đo đáp ứng dòng, đây cũng là giá trị thường được sử

dụng theo các tài liệu tham khảo [127].

103

3.2.3.2. Xây dựng đ ờng chuẩn x c định thuốc trừ sâu methamidophos

Trong nghiên cứu này, cảm biến đã thiết kế, chế tạo ở trên sẽ được ứng dụng

trong phát hiện và đo nồng độ thuốc trừ sâu (chất ức chế enzym) trong dung dịch phân

tích. Để nghiên cứu hướng ứng dụng này của cảm biến, các thí nghiệm sau đã lần lượt

tiến hành:

(a) Thử nghiệm hoạt tính của enzym cố định trên điện cực;

(b) Xác định điểm hoạt động tối ưu của cảm biến trên đường chuẩn cơ chất;

(d) Xây dựng đường chuẩn xác định methamidophos.

a. Thử nghiệm hoạt tính của enzym cố định trên điện cực

Hoạt tính của enzym gắn cố định trên điện cực được thử nghiệm với nồng độ cơ

chất 50µM (Cho 50μl ATCh 5mM vào 5ml dung dịch PBS). Sự thủy phân của cơ chất

tại các vị trí hoạt động của enzym trên bề mặt cảm biến được ghi nhận bằng phương

pháp áp thế đo dòng. Kết quả đo đáp ứng dòng tại điện thế áp đặt +0,3V trên điện cực

Pt/Gr/PANi được trình bày trên hình 3.40.

Hình 3. 40: áp ứng dòng c a cảm biến Pt/Gr/PANi/AChE khi cho

ATCh 50µM vào hệ điện hóa

104

Sự thay đổi cường độ dòng đột ngột khi thêm cơ chất ATCh 50µM từ 15nA lên

43nA chứng tỏ enzym AChE đã cố định thành công trên điện cực và có khả năng đáp

ứng tốt với cơ chất ATCh.

b. Xác định điểm hoạt động tối ƣu của cảm biến

Việc xác định dư lượng methamidophos sử dụng cảm biến enzym là dựa trên sự

ức chế của methamidophos tới hoạt tính của enzym đó. Hoạt độ của enzym càng mạnh

thì càng thuận tiện cho việc theo dõi độ giảm của hoạt độ này khi có mặt

methamidophos. Do đó, việc xác định nồng độ cơ chất bão hòa, nồng độ của cơ chất

mà tại đó tín hiệu thu nhận giữ giá trị không đổi và màng enzym đã phản ứng hoàn

toàn với cơ chất, đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động của các cảm biến enzym.

Vì vậy cần tiến hành xây dựng đường chuẩn cơ chất của cảm biến trước khi tiến hành

các phép đo ức chế enzym. Trên cơ sở đường chuẩn cơ chất, ta sẽ xác định vùng điểm

hoạt động tối ưu của cảm biến (nồng độ cơ chất mà tại đó cảm biến hoạt động tốt

nhất).

Hình 3. 41: ường đáp ứng dòng c a điện cực Pt/Gr/PANi/AChE trong

dung dịch PBS khi thêm cơ chất ATCh

105

Hình 3.41 trình bày kết quả đo đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Gr/PANi/AChE

trong dung dịch PBS tại thế áp đặt là +0,3V. Với lượng ATCh thêm vào nhỏ, dòng

không tăng. Với lượng ATCh thêm vào nhỏ hơn 8µM, giá trị dòng tăng ít (dưới

10nA). Khi lượng ATCh đủ lớn (khoảng 30µM), dòng hồi đáp tăng nhiều và thời gian

ổn định nhanh. Dòng hồi đáp liên tục tăng lên nếu thêm ATCh vào dung dịch, tuy

nhiên khi nồng độ ATCh vượt ngưỡng 469µM dòng tăng ít. Bảng 3.7 thống kê sự tăng

cường độ dòng theo nồng độ cơ chất.

Bảng 3. 7: ộ biến thiên cường độ dòng c a cảm biến theo nồng độ cơ chất ATCh

2,0 6,0 7,9 27,5 46,9 4,0 CATCh (μM)

∆I (nA) 0 8 10 32 47 5

66,2 278,0 469,2 659,0 847,3 85,3 CATCh (μM)

∆I (nA) 62 132 158 175 186 73

Trên cơ sở đó lập đường chuẩn của cơ chất, được trình bày trên hình 3.42.

Hình 3. 42: ường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc c a tín hiệu đáp ứng

vào nồng độ cơ chất ATCh

106

Đường chuẩn cơ chất của cảm biến enzym được thể hiện trong hình 3.42. Đáp

ứng dòng điện đối với điện áp +0,3V được ghi nhận với nồng độ cơ chất tăng từ 2 tới

900µM. Dựa vào kết quả thu được, ta thấy khi cơ chất đạt nồng độ trong khoảng

900µM thì tín hiệu thu được đạt giá trị bão hòa và đáp ứng ra là không đổi. Vùng hoạt

động tối ưu của cảm biến được xác định là nằm trong khoảng 50-100µM. Các thí

nghiệm để thử nghiệm hoạt động của cảm biến ở các điểm xa hơn (trên 100µM) cũng

đã được tiến hành và nhận thấy dấu hiệu chậm hoạt động của các cảm biến này khi có

chất ức chế. Ở vùng nồng độ thấp hơn (< 50µM) sẽ cho tín hiệu ban đầu thấp, không

thuận tiện cho phép đo xác định nồng độ thuốc trừ sâu sau này.

c. Thử nghiệm sự ức chế của methamidophos lên enzym

Enzym AChE khi tiếp xúc với phân tử thuốc trừ sâu, hoạt động của enzym

AChE sẽ bị ức chế khiến nó sản sinh ra ít proton hơn so với bình thường. Dựa vào

nguyên tắc này, cảm biến sinh học điện hóa định lượng thuốc trừ sâu đã và đang được

tập trung nghiên cứu và phát triển. Thử nghiệm khả năng phát hiện thuốc trừ sâu của

cảm biến đã chế tạo được với một thuốc thử thuộc dòng lân hữu cơ (methamidophos)

được tiến hành bằng phương pháp áp thế tại thế +0,3V. Kết quả được trình bày trên

hình 3.43.

Hình 3. 43: ường đáp ứng dòng c a điện cực Pt/Gr/PANi/AChE khi thêm

cơ chất ATCh 50µM và methamidophos 20ppm

107

Kết quả đo trên hình 3.43 cho thấy, khi thêm cơ chất ATCh 50µM vào hệ điện

hóa thì cường độ dòng tăng do phản ứng thủy phân cơ chất đã xảy ra. Khi dòng đã ổn

định, thêm 20µl methamidophos 5000ppm vào, dòng hồi đáp giảm. Như vậy,

methamidophos đã ức chế hoạt động của enzym AChE làm giảm tốc độ thủy phân cơ

chất ATCh. Sự có mặt của thuốc trừ sâu trong dung dịch được biểu hiện thông qua sự

ức chế phản ứng enzym với cơ chất, nói cách khác sự sụt dòng trên đường áp thế. Độ

dốc của đường suy giảm cường độ dòng điện trên đường áp thế khi có mặt thuốc trừ

sâu tỉ lệ với nồng độ thuốc trừ sâu.

d. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định methamidophos

Việc tiến hành xây dựng đường chuẩn để xác định methamidophos được thực hiện cho từng cảm biến. Các cảm biến sau khi chế tạo được bảo quản ở 4oC và có thể

sử dụng được trong vòng 30 ngày. Thời hạn sử dụng tối đa của mỗi cảm biến sau khi

lấy ra khỏi nơi bảo quản là 24 giờ. Dưới đây là đường chuẩn xác định methamidophos.

Hình 3. 44: ường chuẩn xác định methamidophos

Mỗi khi điện cực mới được sử dụng, đường chuẩn như trên sẽ được xây dựng.

Trong mỗi phép đo, độ ức chế tương đối của thuốc trừ sâu lên enzym sẽ được xác định

và từ đó cho phép xác định nồng độ thuốc trừ sâu methamidophos có trong mẫu đo.

108

Để đánh giá độ chính xác của phương trình đường chuẩn vừa lập được, các

phép đo xác định ngược nồng độ của methamidophos trong các mẫu chuẩn trên máy

điện hóa đã được tiến hành. Các mẫu chứa methamidophos có nồng độ chính xác được

chuẩn bị để tiến hành đo. Căn cứ vào độ ức chế tương đối của methamidophos lên

enzym và phương trình đường chuẩn được đưa ra trong hình 3.44, sẽ tính được nồng

độ của methamidophos.

Bảng 3. 8: Xác định methamidophos trong mẫu chuẩn bằng máy điện hóa Autolab

Nồng độ thêm vào 1 5 10 20 50 (ppm)

0,72 2,25 4,86 8,24 18,29 Độ ức chế tương đối RI (10-4.s-1)

Nồng độ đo được 0,7 4,9 12,1 21,4 49,1 (ppm)

Nhận thấy, cảm biến hoạt động tương đối tốt. Ở vùng nồng độ thấp, sai số của

phép đo khá lớn. Còn ở nồng độ cao hơn thì sai số của cảm biến sẽ ít hơn.

3.2.3.3. Ứng dụng ph t hiện methamidophos trong mẫu rau

Để tiến đến phân tích trên mẫu thật, chúng tôi cũng thử nghiệm xây dựng

đường chuẩn phân tích methamidophos trong mẫu rau. Kết quả được trình bày trong

hình 3.45.

Hình 3. 45: ường chuẩn xác định methamidophos trong mẫu rau

109

Tương tự, các phép đo xác định ngược nồng độ của methamidophos trong các

mẫu rau trên máy điện hóa Autolab cũng đã được tiến hành. Các mẫu rau chứa

methamidophos có nồng độ chính xác cũng được chuẩn bị để tiến hành đo. Căn cứ vào

phương trình đường chuẩn được đưa ra trong hình 3.45, tính được nồng độ của

methamidophos trong các mẫu rau đó. Kết quả phân tích mẫu rau chuẩn được trình

bày trong bảng 3.9.

Bảng 3. 9: Xác định methamidophos trong mẫu rau bằng máy điện hóa Autolab

Nồng độ thêm vào 1 5 10 20 50 (ppm)

1,07 2,51 5,28 8,49 18,60 Độ ức chế tương đối RI (10-4.s-1)

Nồng độ đo được 0,8 4,8 12,5 21,4 49,5 (ppm)

Để đánh giá độ chính xác và tin cậy của cảm biến chế tạo được, các mẫu xác

định methamidophos trong nước và trong mẫu rau ở trên đều được phân tích đối chiếu

lại bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC). Đường chuẩn được xây

dựng thông qua việc tiến hành đo cường độ của fragment 94 của methamidophos trong

các mẫu chuẩn ở các nồng độ khác nhau. Kết quả được trình bày trong hình 3.46,

phương trình đường chuẩn có hệ số hồi qui đạt đến 0,9998.

110

6000,0

5000,0

y = 105.33Cmetha - 14.968 R² = 0.9998

4000,0

ổ h p

3000,0

ỉ

h n đ

2000,0

h c í t n ệ i D

1000,0

0,0

-1000,0

Nồng độ methamidophos (ppm)

Hình 3. 46: ường chuẩn xác định methamidophos bằng phương pháp HPLC

Tương tự, để kiểm tra độ chính xác của phương trình đường chuẩn vừa lập

được, các phép đo xác định ngược nồng độ của methamidophos trong các mẫu chuẩn

cũng được tiến hành. Các mẫu chứa methamidophos có nồng độ chính xác được chuẩn

bị để tiến hành đo HPLC. Căn cứ vào cường độ đo được và phương trình đường chuẩn

được đưa ra trong hình 3.46, tính được nồng độ của methamidophos. Kết quả phân tích

methamidophos ở các nồng độ khác nhau được trình bày trong bảng 3.10. Chi tiết kết

quả các phép đo được trình bày trong phụ lục 1.

Bảng 3. 10: Xác định methamidophos trong mẫu chuẩn bằng phương pháp HPLC

Nồng độ thêm vào 1 5 10 20 50 (ppm)

Cường độ 109,4 523,0 1011,2 2055,0 5270,4

Nồng độ đo được 1,18 5,11 9,74 19,65 50,18 (ppm)

Ảnh hưởng của mẫu rau đến các phép đo cũng được tiến hành kiểm tra. Tương

tự, một đường chuẩn được xây dựng với các mẫu rau chứa methamidophos.

111

Mẫu rau

6000,0

5000,0

y = 113.64.Cmetha - 74.24 R² = 0.999

4000,0

ổ h p

ỉ

3000,0

h n đ

2000,0

1000,0

h c í t n ệ i D

0,0

-1000,0

Nồng độ methamidophos (ppm)

Hình 3. 47: ường chuẩn xác định methamidophos trong mẫu rau bằng

phương pháp HPLC

Đường chuẩn của methamidophos trong mẫu rau theo phương pháp HPLC được

trình bày trong hình 3.47. Tiếp theo các mẫu rau chứa methamidophos với nồng độ xác

định được chuẩn bị đo HPLC để xác định ngược cường độ.

Kết quả các phép phân tích methamidophos trong mẫu rau được trình bày trong

bảng 3.11. Chi tiết kết quả phép phân tích được trình bày trong phụ lục 2.

Bảng 3. 11: Xác định methamidophos trong mẫu rau bằng phương pháp HPLC

Nồng độ thêm vào (ppm) 1 5 10 20 50

Cường độ 117,8 511,4 1029,4 1955,6 5206,6

Nồng độ đo được (ppm) 1,29 5,15 9,71 17,86 46,47

So sánh kết quả phân tích methamidophos bằng phƣơng pháp HPLC và

máy điện hóa

Các kết quả phân tích methamidophos trong mẫu chuẩn và mẫu rau được trình

bày trong bảng 3.12 và 3.13.

Bảng 3. 12: So sánh kết quả phân tích methamidophos trong mẫu chuẩn

112

Nồng độ thêm vào (ppm) 1 5 10 20 50

Nồng độ đo được bằng 1,18 5,11 9,74 19,65 50,18 HPLC (ppm)

Nồng độ đo được bằng 0,7 4,9 12,1 21,4 49,1 máy điện hóa (ppm)

Bảng 3. 13: So sánh kết quả phân tích methamidophos trong mẫu rau

Nồng độ thêm vào (ppm) 1 5 10 20 50

Nồng độ đo được bằng 1,29 5,15 9,71 17,86 46,47 HPLC (ppm)

Nồng độ đo được bằng 0,8 4,8 12,5 21,4 49,5 máy điện hóa (ppm)

So sánh kết quả phân tích mẫu sử dụng phương pháp HPLC và máy đo điện hóa

đã chứng tỏ độ tin cậy của cảm biến được chế tạo. So với phương pháp HPLC, cảm

biến có sai số cao hơn nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Sai số lớn trong các

phép đo với cảm biến enzym là khó tránh khỏi do sự thay đổi nhất định trong hoạt tính

của enzym theo điều kiện đo. Tuy nhiên, mục đích cảm biến được chế tạo cho việc đo

đạc tại hiện trường, không yêu cầu các trang thiết bị cồng kềnh, đắt tiền như các phép

đo trong phòng thí nghiệm, với thời gian đo ngắn nhất và sai số nằm trong giới hạn

cho phép.

113

KẾT LUẬN

1. Đã tổng hợp được vật liệu lai poly(1,5-diaminonaphtalen)-graphen [P(1,5-DAN) –

Gr] dạng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) và màng nanocomposit trên vi điện cực Pt

bằng phương pháp điện hóa và phương pháp trùng hợp điện hóa in-situ:

- Trùng hợp P(1,5-DAN) lên bề mặt graphen (chế tạo bằng phương pháp CVD) trong

dung dịch HClO4 1M và 1,5-DAN 5mM sử dụng phương pháp vôn – ampe vòng (CV)

từ thế -0,02V đến +0,95V.

- Tạo lớp mỏng hỗn hợp 1,5-DAN và graphen oxit (GO) trên điện cực Pt, sau đó trùng

hợp trong môi trường HClO4 0,1M bằng phương pháp CV từ -0,8V đến +0,95V.

Các kết quả phân tích phổ FT-IR, phổ tán xạ Raman đã chứng tỏ vật liệu lai

được tổng hợp thành công. Kết quả khảo sát hoạt tính điện hóa bằng phương pháp CV

chứng tỏ graphen có tác dụng gia tăng tính chất điện hóa của P(1,5-DAN).

2. Màng tổ hợp đa lớp Gr/P(1,5-DAN) và màng nanocomposit P(1,5-DAN)/RGO đều

có tính nhạy với ion Pb(II). Tuy nhiên, màng P(1,5-DAN)/RGO ổn định hơn do tính

bám dính tốt hơn. Điện cực Pt/P(1,5-DAN)/RGO có tín hiệu hòa tan chì tuyến tính với

nồng độ Pb(II) trong khoảng 0,2 đến 700µg/L, giới hạn phát hiện 200ng/L và độ nhạy 173nA.L.mg-1.

3. Đã đánh giá ảnh hưởng của các ion khác tới phép xác định chì trên điện cực

Pt/P(1,5-DAN)/RGO và bước đầu thử nghiệm phân tích với các mẫu nước sinh hoạt.

Kết quả cho thấy dòng đỉnh hòa tan chì khác nhau không có ý nghĩa thống kê khi trong

mẫu có nồng độ ion khác cao hơn so với ion chì. Khi thực nghiệm trên mẫu thật, bằng

cách chủ động thêm những lượng mẫu chuẩn Pb(II) vào nền mẫu nước sinh hoạt, kết

quả chỉ ra phương pháp có độ thu hồi đạt 99,5 tới 105% .

4. Đã tổng hợp màng tổ hợp đa lớp polyanilin-graphen (Gr/PANi) bằng phương pháp

điện hóa. Trùng hợp PANi lên bề mặt graphen (chế tạo bằng phương pháp CVD) trong

dung dịch H2SO4 0,5M và ANi 0,05M sử dụng phương pháp CV từ thế -0,2V đến

+0,95V.

Các kết quả phân tích phổ FT-IR, phổ tán xạ Raman đã chứng tỏ vật liệu lai được tổng

hợp thành công. Kết quả khảo sát hoạt tính điện hóa bằng phương pháp CV chứng tỏ

graphen có tác dụng gia tăng tính chất điện hóa của PANi.

114

5. Điện cực Pt phủ màng Gr/PANi đã được cố định enzym Acetylcholinesteras

(AChE) và khảo sát hoạt tính với cơ chất Axetylthiocholin (ATCh). Kết quả đo dòng

hồi đáp của điện cực Pt/Gr/PANi/AChE tại +0,3V đã tìm được khoảng nồng độ cơ

chất tốt nhất và có thể xác định thuốc trừ sâu methamidophos trong khoảng nồng độ từ

1 đến 50ppm.

6. Đã thử nghiệm phân tích hàm lượng thuốc trừ sâu methamidophos bằng phương

pháp thêm chuẩn trên một số mẫu sản phẩm nông sản và thực nghiệm kiểm tra đối

chứng với phương pháp sắc kí khối phổ HPLC. Kết quả cho thấy cảm biến tuy có sai

số cao hơn so với phương pháp HPLC nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, đáp

ứng được yêu cầu phân tích nhanh tại hiện trường.

115

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

1. Đã tổng hợp được màng cảm biến chì trên cơ sở vật liệu lai poly(1,5-

diaminonaphtalen)-oxit graphen khử hóa [P(1,5-DAN)/RGO] bằng phương pháp trùng

hợp điện hóa in-situ: khử hóa GO và trùng hợp 1,5-DAN đồng thời trong dung dịch

HClO4, khoảng quét thế đa chu kỳ từ -0,8 đến +0,95V. Vi điện cực tích hợp Pt phủ

màng P(1,5-DAN)/RGO có khả năng phân tích ion chì với khoảng tuyến tính từ

200ng/L đến 700µg/L, giới hạn phát hiện 200ng/L, cảm biến có độ lặp lại cao và ít

chịu ảnh hưởng của các ion khác.

2. Đã tổng hợp màng tổ hợp đa lớp graphen-polyanilin (Gr/PANi): graphen chế

tạo bằng phương pháp CVD sau đó trùng hợp PANi bằng phương pháp vôn-ampe

vòng trong dung dịch H2SO4 0,5M và ANi 0,05M trong khoảng thế từ -0,2V đến

+0,95V. Vi điện cực Pt phủ màng Gr/PANi có thể ghép enzym Acetylcholinesteras

(AChE) và ứng dụng xác định hàm lượng thuốc trừ sâu methamidophos trong khoảng

nồng độ từ 1 đến 50ppm. Kết quả thử nghiệm trên các mẫu rau có kết quả tương

đương với phương pháp sắc ký-khối phổ.

116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Tuan Dung Nguyen, Thi Thu Huyen Dang, Hoang Thai, Le Huy Nguyen, Dai Lam

Tran, B.Piro, Minh Chau Pham, One-step Electrosynthesis of Poly(1,5-

diaminonaphtalen)/ Graphen Nanocomposite as Platform for Lead detection in

water, Electroanalysis, 2016, 28, p1907-1913 (SCI, IF2015 = 2,417).

2. Nguyễn Tuấn Dung, Vũ Hoàng Duy, Đăng Thị Thu Huyền, Nguyễn Văn Tú,

Nguyễn Văn Chúc, Nguyễn Hải Bình, Trần Đại Lâm, Nguyễn Xuân Phúc, Thái

Hoàng, Chế tạo và nghiên cứu tính chất màng tổ hợp dạng đa lớp

graphen/poly(1,5-diamoniphtalen), Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 52 – Số 1

(2014), trang 115-123.

3. Nguyễn Văn Chúc, Nguyễn Tuấn Dung, Cao Thị Thanh, Đăng Thị Thu Huyền,

Trần Đại Lâm, Phan Ngọc Minh, Tổng hợp và khảo sát tính nhạy với ion chì (II)

của màng tổ hợp graphen/Poly(1,5-diaminonaphtalen), Tạp chí Hóa học, tháng 6

năm 2015, trang 427-432.

4. Đăng Thị Thu Huyền, Phan Văn Khả, Nguyễn Thị Thơm, Nguyễn Văn Quỳnh, Vũ

Thị Thu, Nguyễn Tuấn Dung, Phạm Thị Ngọc Mai, Trần Đại Lâm, Nghiên cứu chế

tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định methamidophos sử dụng màng

polyanilin pha tạp nano vàng, Tạp chí Hóa học tháng 9 năm 2016, trang 201-206.

5. Le Huy Nguyen, Tuan Dung Nguyen, Vinh Hoang Tran, Thi Thu Huyen Dang,

Tran Dai Lam, Functionalization of reduced graphen oxide by electroactive

polymer for biosensing applications, IOP Publishing, Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology, 5 (2014), (ISI, IF2015 = 1,25).

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN

1. Dang Van Thanh, Nguyen Van Thien, Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Nguyen

Manh Hong, Bui Thi Trang, Tran Dai Lam, Dang Thi Thu Huyen, Phan Ngoc Hong

and Phan Ngoc Minh, A highly efficient and facile approach for fabricating

graphite nanoplatelets, Journal of Electronic Materials. Journal of Electronic

Materials, 2016, 45 (5).

117

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3. C.P. Wong, Electrical Conductive Adhesives with

Shirakawa Hideki, Louis Edwin J, MacDiarmid Alan G, Chiang Chwan K, Heeger Alan J, Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH). Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1977(16): p. 578-580. Skotheim T.A, Handbook of Conducting Polymers, Second Edition . 1997: Taylor & Francis. Y. Li, D. Lu, Nanotechnologies. 2009: Springer US. Shi Gaoquan, Jin Shi, Xue Gi, Li Cun, A Conducting Polymer Film Stronger Than Aluminum. Science, 1995. 267(5200): p. 994-996. Genies E. M, Bidan G, Diaz A. F, Spectroelectrochemical study of polypyrrole films. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1983. 149(1): p. 101-113. P.Q. Phô;, N.Đ. Chiến, Giáo trình cảm biến. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001. G.G. Wallace, P.R. Teasdale, G.M. Spinks, L.A.P. Kane-Maguire, Conductive Electroactive Polymers: Intelligent Polymer Systems, Third Edition . 2008: CRC Press. Nguyen Tuan Dung, Nguyen Thanh My, Ho Truong Giang, Nguyen Ngoc Toan, Reisberg S., Piro B., Pham Minh Chau, Design of interpenetrated network MWCNT/poly(1,5-DAN) on interdigital electrode: Toward NO2 gas sensing. Talanta, 2013. 115: p. 713-717. Chu Van Tuan, Mai Anh Tuan, Nguyen Van Hieu, Tran Trung, Electrochemical synthesis of polyaniline nanowires on Pt interdigitated microelectrode for room temperature NH3 gas sensor application. Current Applied Physics, 2012. 12(4): p. 1011-1016.

10. H. Bai, G. Shi, Gas Sensors Based on Conducting Polymers. Sensors (Basel, Switzerland), 2007. 7(3): p. 267-307.

11. U. Lange, N.V. Roznyatovskaya, V.M. Mirsky, Conducting polymers in

12.

13.

14.

chemical sensors and arrays. Analytica Chimica Acta, 2008. 614(1): p. 1-26. Z. Jin, Y. Su, Y. Duan, An improved optical pH sensor based on polyaniline. Sensors and Actuators B: Chemical, 2000. 71(1–2): p. 118-122. T. Ji, P. Rai, S. Jung, V.K. Varadan, In vitro evaluation of flexible pH and potassium ion-sensitive organic field effect transistor sensors. Applied Physics Letters, 2008. 92(23): p. 233304. F.-Y. Song, K.-K. Shiu, Preconcentration and electroanalysis of silver species at polypyrrole film modified glassy carbon electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2001. 498(1–2): p. 161-170.

16.

15. M.-C. Pham, M. Oulahyne, M. Mostefai, M.M. Chehimi, Multiple internal reflection FT-IR spectroscopy (MIRFTIRS) study of the electrochemical synthesis and redox process of poly (1,5-diaminonaphthalene). Synthetic Metals, 1998. 93(2): p. 89-96. S. Majid, M.E. Rhazi, A. Amine, A. Curulli, G. Palleschi, Carbon Paste the Conducting Polymer Poly(1,8- Electrode Bulk-Modified with

118

17. Diaminonaphthalene): Application to Lead Determination. Microchimica Acta, 2003. 143(2): p. 195-204. Trần Đại Lâm, Cảm biến sinh học điện hóa: Nguyên lý, vật liệu và ứng dụng. Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ, 2014.

18. D. Bélanger, J. Nadreau, G. Fortier, Electrochemistry of the polypyrrole glucose oxidase electrode. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1989. 274(1): p. 143-155.

20.

21.

19. B. Saoudi, N. Jammul, M.-L. Abel, M.M. Chehimi, G. Dodin, DNA adsorption onto conducting polypyrrole. Synthetic Metals, 1997. 87(2): p. 97-103. T. Livache, A. Roget, E. Dejean, C. Barthet, G. Bidan, R. Téoule, Biosensing effects functionalized electroconducting conjugated polymer layers: addressable DNA matrix for the detection of gene mutations. Synthetic Metals, 1995. 71(1): p. 2143-2146. F. Ricci, N. Zari, F. Caprio, S. Recine, A. Amine, D. Moscone, G. Palleschi, the performance of an K.W. Plaxco, Surface chemistry effects on electrochemical DNA sensor. Bioelectrochemistry, 2009. 76(1–2): p. 208-213. 22. Y. Dai, X. Li, X. Lu, X. Kan, Voltammetric determination of paracetamol using a glassy carbon electrode modified with Prussian Blue and a molecularly imprinted polymer, and ratiometric read-out of two signals. Microchimica Acta, 2016. 183(10): p. 2771-2778.

24.

25.

23. Y. Li, J. Liu, M. Liu, F. Yu, L. Zhang, H. Tang, B.-C. Ye, L. Lai, Fabrication of ultra-sensitive and selective dopamine electrochemical sensor based on molecularly imprinted polymer modified graphene@carbon nanotube foam. Electrochemistry Communications, 2016. 64: p. 42-45. S. Park, O. Kwon, J. Lee, J. Jang, H. Yoon, Conducting Polymer-Based Nanohybrid Transducers: A Potential Route to High Sensitivity and Selectivity Sensors. Sensors, 2014. 14(2): p. 3604. S. Meer, A. Kausar, T. Iqbal, Trends in Conducting Polymer and Hybrids of Conducting Polymer/Carbon Nanotube: A Review. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2016. 55(13): p. 1416-1440.

26. X. Lu, W. Zhang, C. Wang, T.-C. Wen, Y. Wei, One-dimensional conducting polymer nanocomposites: Synthesis, properties and applications. Progress in Polymer Science, 2011. 36(5): p. 671-712.

27. Nguyen Tuan Dung, Tran Dai Lam, Nguyen Le Huy, Nguyen Hai Binh, interdigitated arrays by novel poly(1,8- Nguyen Van Hieu, Modified diaminonaphthalene)/carbon nanotubes composite for selective detection of mercury (II). Talanta, 2011. 46(13): p. 1727-1735.

28. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 2004. 306(5696): p. 666-669.

30.

29. W. Lei, W. Si, Y. Xu, Z. Gu, Q. Hao, Conducting polymer composites with graphene for use in chemical sensors and biosensors. Microchimica Acta, 2014. 181(7): p. 707-722. Pham Minh-Chau, Mostefai Malik, Simon Monique, Lacaze Pierre-Camille, Electrochemical synthesis and study of poly(5-amino 1-naphthol) film in aqueous and organic media. Synthetic Metals, 1994. 63(1): p. 7-15.

119

31.

structure poly(1,5-diaminonaphthalene). Journal

32.

33.

redox process of poly synthesis and electrochemical Jackowska K, Bukowska J, Jamkowski M, Synthesis, electroactivity and of of molecular Electroanalytical Chemistry, 1995. 388(1): p. 101-108. Jin C.-S, Y.-B. Shim, S.-M. Park, Electropolymerization and spectroelectrochemical characterization of poly(1,5-diaminonaphthalene). Synthetic Metals, 1995. 69(1)(561-562). Pham Minh Chau, Oulahyne Mohamed, Mostefai Malik, Chehimi Mohamed Mehdi, Multiple internal reflection FT-IR spectroscopy (MIRFTIRS) study of (1,5 - the diaminonaphthalene). Synthetic Metals, 1998. 93(2): p. 89-96.

35.

34. X.-G. Li, J.-L. Zhang, M.-R. Huang, Chemical Response of Nanocomposite Membranes of Electroactive Polydiaminonaphthalen e Nanoparticles to Heavy Metal Ions. The Journal of Physical Chemistry C, 2014. 118(22): p. 11990- 11999. Shim Y.-B, J.-H. Park, Humidity Sensor Using Chemically Synthesized Poly(1,5-diaminonaphthalene) Doped with Carbon. Journal of The Electrochemical Society, 2000. 147(1): p. 381-385.

byNiNPs@poly

37.

38.

36. A.A. Hathoot, U.S. Yousef, A.S. Shatla, M. Abdel-Azzem, Voltammetric simultaneous determination of glucose, ascorbic acid and dopamine on glassy carbon 1,5-diaminonaphthalene. electrode modified Electrochimica Acta, 2012. 85: p. 531-537. S.K. Yadav, P.K. Choubey, B. Agrawal, R.N. Goyal, Carbon nanotube embedded poly 1,5-diaminonapthalene modified pyrolytic graphite sensor for the determination of sulfacetamide in pharmaceutical formulations. Talanta, 2014. 118: p. 96-103. S.K. Yadav, B. Agrawal, R.N. Goyal, AuNPs-poly-DAN modified pyrolytic graphite sensor for the determination of Cefpodoxime Proxetil in biological fluids. Talanta, 2013. 108: p. 30-37.

39. Gospodinova N, Terlemezyan L, Conducting polymers prepared by oxidative polymerization: polyaniline. Progress in Polymer Science, 1998. 23(8): p. 1443- 1484. 40. Hussain A. M. Pharhad, Kumar

A, Electrochemical synthesis and characterization of chloride doped polyaniline. Bulletin of Materials Science, 2003. 26(3): p. 329-334.

41. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 2004. 306(5696): p. 666-669.

42. V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S.I. Khondaker, S. Seal, Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science, 2011. 56(8): p. 1178-1271.

43. Geim A. K., Novoselov K. S., The rise of graphene. Nat Mater, 2007. 6(3): p.

44.

183-191. Phan Ngọc Minh, Vật liệu cacbon cấu trúc nano và các ứng dụng tiềm năng. NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ, 2014.

45. A. Martín, A. Escarpa, Graphene: The cutting–edge interaction between chemistry and electrochemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2014. 56: p. 13-26.

120

46. D. Chen, H. Feng, J. Li, Graphene Oxide: Preparation, Functionalization, and Electrochemical Applications. Chemical Reviews, 2012. 112(11): p. 6027- 6053.

47. D.R. Dreyer, A.D. Todd, C.W. Bielawski, Harnessing the chemistry of graphene oxide. Chemical Society Reviews, 2014. 43(15): p. 5288-5301. 48. A.E. Morgan, G.A. Somorjai, Low energy electron diffraction studies of gas adsorption on the platinum (100) single crystal surface. Surface Science, 1968. 12(3): p. 405-425.

50.

51.

49. Nguyễn Văn Chúc, Nguyễn Tuấn Dung, Cao Thị Thanh, Đăng Thị Thu Huyền, Trần Đại Lâm, Phan Ngọc Minh, Tổng hợp và khảo sát tính nhạy với ion chì (II) c a màng tổ hợp graphen/Poly(1,5-diaminonaphtalen). Tạp chí Hóa học, 2015. 3e12 53: p. 427-432. L.A. David, Synthesis of large-area few layer graphene films by rapid heating and cooling in a modified apcvd furnace in Department of Mechanical and Nuclear Engineering. 2011, Kansas State University. S. Bhaviripudi, X. Jia, M.S. Dresselhaus, J. Kong, Role of Kinetic Factors in Chemical Vapor Deposition Synthesis of Uniform Large Area Graphene Using Copper Catalyst. Nano Letters, 2010. 10(10): p. 4128-4133.

52. X. Li, W. Cai, L. Colombo, R.S. Ruoff, Evolution of Graphene Growth on Ni and Cu by Carbon Isotope Labeling. Nano Letters, 2009. 9(12): p. 4268-4272. 53. Y. Liu, X. Dong, P. Chen, Biological and chemical sensors based on graphene

54.

materials. Chemical Society Reviews, 2012. 41(6): p. 2283-2307. S. Wu, Q. He, C. Tan, Y. Wang, H. Zhang, Graphene-Based Electrochemical Sensors. Small, 2013. 9(8): p. 1160-1172.

55. Y. Fan, J.-H. Liu, C.-P. Yang, M. Yu, P. Liu, Graphene–polyaniline composite film modified electrode for voltammetric determination of 4 -aminophenol. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011. 157(2): p. 669-674.

56. H. Wang, Q. Hao, X. Yang, L. Lu, X. Wang, Graphene oxide doped polyaniline for supercapacitors. Electrochemistry Communications, 2009. 11(6): p. 1158-1161.

film and

58.

57. W. Si, W. Lei, Y. Zhang, M. Xia, F. Wang, Q. Hao, Electrodeposition of its graphene oxide doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene) electrochemical sensing of catechol and hydroquinone. Electrochimica Acta, 2012. 85: p. 295-301. Z. Zheng, Y. Du, Q. Feng, Z. Wang, C. Wang, Facile method to prepare Pd/graphene–polyaniline nanocomposite and used as new electrode material for electrochemical sensing. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2012. 353–354: p. 80-86.

59. R. Devi, S. Relhan, Construction Pundir, C.S. of

a chitosan/polyaniline/graphene oxide nanoparticles/polypyrrole/Au electrode for amperometric determination of urinary/plasma oxalate. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013. 186: p. 17-26.

60. C.M. Hangarter, N. Chartuprayoon, S.C. Hernández, Y. Choa, N.V. Myung, Hybridized conducting polymer chemiresistive nano-sensors. Nano Today, 2013. 8(1): p. 39-55.

61. Q. Wu, Y. Xu, Z. Yao, A. Liu, G. Shi, Supercapacitors Based on Flexible Graphene/Polyaniline Nanofiber Composite Films. ACS Nano, 2010. 4(4): p. 1963-1970.

121

62. H. Wang, Q. Hao, X. Yang, L. Lu,

X. Wang, A nanostructured graphene/polyaniline hybrid material for supercapacitors. Nanoscale, 2010. 2(10): p. 2164-2170.

63. K. Zhang, L.L. Zhang, X.S. Zhao, J. Wu, Graphene/Polyaniline Nanofiber Composites as Supercapacitor Electrodes. Chemistry of Materials, 2010. 22(4): p. 1392-1401.

64. A. Liu, C. Li, H. Bai,

G. Shi, Electrochemical Deposition of Polypyrrole/Sulfonated Graphene Composite Films. The Journal of Physical Chemistry C, 2010. 114(51): p. 22783-22789.

via Paper Composite Situ In

66.

65. Wang Da-Wei, Li Feng, Zhao Jinping, Ren Wencai, Chen Zhi-Gang, Tan Jun, Wu Zhong-Shuai, Gentle Ian, Lu Gao Qing, Cheng Hui-Ming, Fabrication of Anodic Graphene/Polyaniline Electropolymerization for High-Performance Flexible Electrode. ACS Nano, 2009. 3(7): p. 1745-1752. S. Ameen, M.S. Akhtar, H.S. Shin, Hydrazine chemical sensing by modified electrode based on in situ electrochemically synthesized polyaniline/graphene composite thin film. Sensors and Actuators B: Chemical, 2012. 173: p. 177-183. 67. X.-M. Feng, R.-M. Li, Y.-W. Ma, R.-F. Chen, N.-E. Shi, Q.-L. Fan, W. Huang, One-Step Electrochemical Synthesis of Graphene/Polyaniline Composite Film and Its Applications. Advanced Functional Materials, 2011. 21(15): p. 2989- 2996.

68. W. Lei, Q. Wu, W. Si, Z. Gu, Y. Zhang, J. Deng, Q. Hao, Electrochemical determination of imidacloprid using poly(carbazole)/chemically reduced graphene oxide modified glassy carbon electrode. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013. 183: p. 102-109.

70.

69. Y. Bo, H. Yang, Y. Hu, T. Yao, S. Huang, A novel electrochemical DNA biosensor based on graphene and polyaniline nanowires. Electrochimica Acta, 2011. 56(6): p. 2676-2681. P. Si, H. Chen, P. Kannan, D.-H. Kim, Selective and sensitive determination of dopamine by composites of polypyrrole and graphene modified electrodes. Analyst, 2011. 136(24): p. 5134-5138.

72.

73.

74.

75.

71. Clifford K. Ho, Alex Rolsnson, David R. Miller , Mary J. David, Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005. 5: p. 4-37. T. Gan, S. Hu, Electrochemical sensors based on graphene materials. Microchimica Acta, 2011. 175(1): p. 1-19. F. Xiao, J. Song, H. Gao, X. Zan, R. Xu, H. Duan, Coating Graphene Paper with 2D-Assembly of Electrocatalytic Nanoparticles: A Modular Approach toward High-Performance Flexible Electrodes. ACS Nano, 2012. 6(1): p. 100- 110. Schedin F., Geim A. K., Morozov S. V., Hill E. W., Blake P., M.I. Katsnelso, Novoselov K. S., Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nat Mater, 2007. 6(9): p. 652-655. L. Al-Mashat, K. Shin, K. Kalantar-zadeh, J.D. Plessis, S.H. Han, R.W. W. Wlodarski, Kojima, R.B. Kaner, D. Li, X. Gou, S.J. Ippolito, Graphene/Polyaniline Nanocomposite for Hydrogen Se nsing. The Journal of Physical Chemistry C, 2010. 114(39): p. 16168-16173.

122

76. Y. Liu, D. Yu, C. Zeng, Z. Miao, L. Dai, Biocompatible Graphene Oxide-

Based Glucose Biosensors. Langmuir, 2010. 26(9): p. 6158-6160.

77. X. Kang, J. Wang, H. Wu, I.A. Aksay, J. Liu, Y. Lin, Glucose Oxidase– graphene–chitosan modified electrode for direct electrochemistry and glucose sensing. Biosensors and Bioelectronics, 2009. 25(4): p. 901-905.

78. K. Liu, J.-J. Zhang, C. Wang, J.-J. Zhu, Graphene-assisted dual amplification fabrication of sensitive amperometric immunosensor. the for strategy Biosensors and Bioelectronics, 2011. 26(8): p. 3627-3632.

for biosensing applications. Advances 79. Nguyen Le Huy, Nguyen Tuan Dung, Tran Vinh Hoang, Dang Thi Thu Huyen, Tran Dai Lam, Functionalization of reduced graphene oxide by electroactive polymer in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2014. 5(3): p. 035005.

80. Nguyen Hai Binh, Nguyen Van Chuc, Nguyen Van Tu, Le Huu Doan, Nguyen Van Quynh, Ngo Thi Thanh Tam, Do Quan Phuc, Nguyen Xuan Nghia, Phan Ngoc Minh, Tran Dai Lam, Development of the layer-by-layer biosensor using graphene films: application for cholesterol determination. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2013. 4(1): p. 015013.

81. Nguyen Hai Binh, Nguyen Van Chuc, Nguyen Van Tu, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Ngoc Thinh, Dang Thi Thu Huyen, Tran Dai Lam, Do Phuc Quan, Nguyen Xuan Nghia, Nguyen Xuan Phuc, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, Graphene patterned polyaniline-based biosensor for glucose detection. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2012. 3(2): p. 025011.

82. Nguyen Hai Binh, Nguyen Thanh Binh, Vu Van Hanh, Nguyen Van Chuc, Loc, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam, Nguyen Tuan Dung, Nguyen Thai Development of label-free electrochemical lactose biosensor based on graphene/poly(1,5-diaminonaphthalene) film. Current Applied Physics, 2016. 16(2): p. 135-140.

83. Nguyen Van Chuc, Nguyen Hai Binh, Cao Thi Thanh, Nguyen Van Tu, Nguyen Le Huy, Nguyen Tuan Dung, Phan Ngoc Minh, Vu Thi Thu, Tran Dai Lam, Electrochemical Immunosensor for Detection of Atrazine Based on Polyaniline/Graphene. Journal of Materials Science & Technology, 2016. 32(6): p. 539-544.

84. Nguyen Tuan Dung, Dang T. T. Huyen, Thai Hoang, Nguyen L. Huy, Tran D. Lam, Piro B., Pham Minh Chau, One-step Electrosynthesis of Poly(1,5- diaminonaphthalene)/Graphene Nanocomposite as Platform for Lead Detecti on in Water. Electroanalysis, 2016. 28(8): p. 1907-1913.

85. A. Pandikumar, G.T. Soon How, T.P. See, F.S. Omar, S. Jayabal, K.Z. Kamali, N. Yusoff, A. Jamil, R. Ramaraj, S.A. John, H.N. Lim, N.M. Huang, Graphene and its nanocomposite material based electrochemical sensor platform for dopamine. RSC Advances, 2014. 4(108): p. 63296-63323.

86. Vu Van Quang, Ngo Si Trong, Nguyen Ngoc Trung, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu, Full-Layer Controlled Synthesis and Transfer of Large-Scale Monolayer Graphene for Nitrogen Dioxide and Ammonia Sensing. Analytical Letters, 2014. 47(2): p. 280-294.

87. Ngo Trinh Tung, Tran Van Khai, Jeon Minhee, Lee Yeo Jin, Chung Hoeil, Bang Jeong-Hwan, Sohn Daewon, Preparation and characterization of

123

polyaniline based on and graphene nanosheets.

nanocomposite Macromolecular Research, 2011. 19(2): p. 203-208.

89.

88. Rose Martin, Knaggs Michael, Owen Linda, Baxter Malcolm, A review of analytical methods for lead, cadmium, mercury, arsenic and tin determination used in proficiency testing. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2001. 16(9): p. 1101-1106. Pereira Luciano Almeida, Amorim Ilmair, da Silva José Bento Borba, Determination of cadmium, chromium and lead in marine sediment slurry samples by electrothermal atomic absorption spectrometry using permanent modifiers. Talanta, 2006. 68(3): p. 771-775.

91.

90. Achterberg Eric P, Braungardt Charlotte, Stripping voltammetry for the determination of trace metal speciation and in-situ measurements of trace metal distributions in marine waters. Analytica Chimica Acta, 1999. 400(1–3): p. 381-397. Stefan Raluca-Ioana, Baiulescu George Emil, Aboul-enien Hassan Y, Ion- Selective Membrane Electrodes in Pharmaceutical Analysis. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 1997. 27(4): p. 307-321.

93.

92. Chuang I. Chuan, Huang Yeou-Lih, Lin Te-Hsien, Determination of Lead and Cadmium in Chinese Crude Drugs by Graphite-Furnace Atomic Absorption Spectrometry. Analytical Sciences, 1999. 15(11): p. 1133-1136. Jeng S. L, Lee S. J, Lin S. Y, Determination of Cadmium and Lead in Raw Milk by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrophotometer. Journal of Dairy Science, 1994. 77(4): p. 945-949.

95.

94. Heitland Peter, Köster Helmut D., Biomonitoring of 30 trace elements in urine of children and adults by ICP-MS. Clinica Chimica Acta, 2006. 365(1–2): p. 310-318. Z. Zou, A. Jang, E. MacKnight, P.-M. Wu, J. Do, P.L. Bishop, C.H. Ahn, Environmentally friendly disposable sensors with microfabricated on -chip planar bismuth electrode for in situ heavy metal ions measurement. Sensors and Actuators B: Chemical, 2008. 134(1): p. 18-24.

97. Rhee Chang-Kyu, Bismuth nano-powder trace analysis of heavy metals using anodic stripping for

98.

96. H. Xu, L. Zeng, D. Huang, Y. Xian, L. Jin, A Nafion-coated bismuth film electrode for the determination of heavy metals in vegetable using differential pulse anodic stripping voltammetry: An alternative to mercury -based electrodes. Food Chemistry, 2008. 109(4): p. 834-839. Lee Gyoung-Ja, Lee Hi-Min, electrode voltammetry. Electrochemistry Communications, 2007. 9(10): p. 2514-2518. Z. Wang, E. Liu, X. Zhao, Glassy carbon electrode modified by conductive polyaniline coating for determination of trace lead and cadmium ions in acetate buffer solution. Thin Solid Films, 2011. 519(15): p. 5285-5289.

99. H. Santos Jose, R. Smyth Malcolm, Blanc Rosario, Mercury-free anodic stripping voltammetry of lead ions using a PVS -doped polyaniline modified glassy carbon electrode. Analytical Communications, 1998. 35(10): p. 345-348. 100. Khan Asif Ali, Alam M. Mezbaul, Synthesis, characterization and analytical applications of a new and novel ‘organic–inorganic’ composite material as a cation exchanger and Cd(II) ion-selective membrane electrode: polyaniline Sn(IV) tungstoarsenate. Reactive and Functional Polymers, 2003. 55(3): p. 277- 290.

124

film

101. M.F. Philips, A.I. Gopalan, K.-P. Lee, Development of a novel cyano group for ultrasensitive containing electrochemically deposited polymer simultaneous detection of trace level cadmium and lead. Journal of Hazardous Materials, 2012. 237–238: p. 46-54.

102. N.G. Yasri, A.J. Halabi, G. Istamboulie, T. Noguer, Chronoamperometric determination of lead ions using PEDOT:PSS modified carbon electrodes. Talanta, 2011. 85(5): p. 2528-2533. 103. Li Jing, Guo Shaojun, Zhai Yueming,

Wang Erkang, High-sensitivity determination of lead and cadmium based on the Nafion -graphene composite film. Analytica Chimica Acta, 2009. 649(2): p. 196-201.

104. Trần Chương Huyến, Lê Thị Hương Giang, iện cực Bi và khả năng ứng dụng trong phân tích lượng vết bằng phương pháp von-ampe hòa tan. Tạp chí Phân tích Lý - Hóa - SInh học,, 2010. 15(4): p. p. 265-269.

105. Cao Văn Hoàng, Trịnh Xuân Giản, Trịnh Anh Đức, Từ Vọng Nghi, Cao Thế Hà, Nguyễn Văn Hợp, Nguyễn Thị Liễu, Dương Thị Tú An, Nghiên cứu xác đỊnh đồng thời lượng vết indi (In), Cadimi (Cd) và chì (Pb) bằng phương pháp von - ampe hòa tan anôt với lớp màng bitmút trên điện cực paste nano cacbon. Tạp chí Hóa học, 2010. 48(4C).

106. Phan Thị Ngọc Thư, Nguyễn Bá Hoài Anh, Xác định hàm lượng vết chì sử dụng vi điện cực vàng màng th y ngân và vi điện cực vàng màng bismuth. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 2009. 12(10): p. 5-13.

107. Nguyen Le Huy, Duong Thi Hanh, Vu Hoang Duy, Nguyen Tuan Dung

Electrosynthesis of poly(1,8-diaminonaphthalene) thin film for silver(I) ion determination. Journal of Science and Technology (Technical University), 2012. 87: p. 23-26.

108. Vu Hoang Duy, Nguyen Lê-Huy, Nguyen Tuan Dung, Nguyen Hai Binh, Nguyen Thai Loc, Tran Dai Lam, Anodic stripping voltammetric determination of Cd2+ and Pb2+ using interpenetrated MWCNT/P1,5 -DAN as an enhanced sensing interface. Ionics, 2015. 21(2): p. 571-578. 109. E.D. Ongley, Control Of Water Pollution From Agriculture-FAO Irrigation and

Drainage. Food and Agriculture Organization of the United Nations., 1996.

110. Y. Wang, S. Zhang, D. Du, Y. Shao, Z. Li, J. Wang, M.H. Engelhard, J. Li, Y. Lin, Self assembly of acetylcholinesterase on a gold nanoparticles -graphene nanosheet hybrid for organophosphate pesticide detection using polyelectrolyte as a linker. Journal of Materials Chemistry, 2011. 21(14): p. 5319-5325. 111. Y. Zhao, W. Zhang, Y. Lin, D. Du, The vital function of Fe3O4@Au nanocomposites for hydrolase biosensor design and its application in detection of methyl parathion. Nanoscale, 2013. 5(3): p. 1121-1126.

112. J.S. Van Dyk, B. Pletschke, Review on the use of enzymes for the detection of the in

organochlorine, organophosphate and carbamate pesticides environment. Chemosphere, 2011. 82(3): p. 291-307.

113. A.G. Vikas Dhull, Neeraj D and Vikas H Acetylcholinesterase Biosensors for Electrochemical Detection of organophosphorus compounds. Review Article, 2013. Article ID 7315 01.

114. Sang Kyung Kim, Peter J.Hesketh, Changming Li, Jennifer H. Thomas, H. Brian Halsall, William R. Heineman, Fabrication of comb interdigitated electrodes array (IDA) for a microbead-based electrochemical assay system. Biosensors and Bioelectronics, 2004. 20: p. 887-894.

125

115. Wang Chengyin, Hu Xiaoya, Fabrication of nanometre-sized platinum electrodes by controllable electrochemical deposition. Talanta, 2006. 68(4): p. 1322-1328.

116. Kurita Ryoji, Tabei Hisao, Liu Zhiming, Horiuchi Tsutomu, Niwa Osamu, Fabrication and electrochemical properties of an interdigitated array electrode in a microfabricated wall-jet cell. Sensors and Actuators B: Chemical, 2000. 71(1–2): p. 82-89.

Pham Minh Chau, A

117. Tran Vinh Hoang, Yougnia R., Reisberg S., Piro B., Serradji N., Nguyen Tuan label-free Dung, Tran Dai Lam, C.Z. Dong, electrochemical immunosensor for direct, signal-on and sensitive pesticide detection. Biosensors and Bioelectronics, 2012. 31(1): p. 62-68.

118. Nguyen Van Anh, Nguyen Le Huy, Do Phuc Quan, Vuong Thi Bich Hien, T.D. Lam, Electrosynthesis of a poly(1,5- Nguyen Tuan Dung, diaminonaphthalene) polypyrrole nanowire bilayer for trichlorfon insecticide biosensing. Vietnam Journal of Chemistry, 2016. 54(4): p. 491-495. 119. F. Garner, K. Jones, Biological monitoring for exposure to methamidophos: A human oral dosing study. Toxicology Letters, 2014. 231(2): p. 277-281. 120. Tahir Zarini Muhammad, Alocilja Evangelyn C., Grooms Daniel L., its biosensor application. Biosensors and

Polyaniline synthesis and Bioelectronics, 2005. 20(8): p. 1690-1695.

121. Nguyễn Tuấn Dung, Polyme dẫn điện. Giáo trình đào tạo sau đại học, 2014. 122. Nguyễn Ngọc Hải, Nghiên cứu chế tạo và tính chất c a các nano tinh thể bán dẫn cấu trúc nhiều lớp CdSe/ZnSe/ZnS được chức năng hóa bề mặt nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến huỳnh quang xác định một số loại thuốc trừ sâu. Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Hà Nội, 2015.

123. Pesticide residues in food. Joint FAO/WHO Meeting on Pesticide Residues, 2002.

125.

124. Xia Sun, Xiangyou Wang, Zhe Liu Study on Immobilization Methods of Acetylcholinesterase. International Journal of Food Engineering, 2008. 4(8): p. Article 4. I. Marinov, Y. Ivanov, K. Gabrovska, T. Godjevargova, Amperometric acetylthiocholine sensor based on acetylcholinesterase immobilized on nanostructured polymer membrane containing gold nanoparticles. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2010. 62(1): p. 66-74.

Reactivators Pierre-Yves, Ludovic Jean,

126. G.V. Mercey, Tristan Renou, Julien Kliachyna, Maria Baati, Rachid Nachon, Florian of Renard, Acetylcholinesterase Inhibited by Organophosphorus Nerve Agents. Accounts of Chemical Research, American Chemical Society, 2012. 45(5): p. 756-766.

127. Solná R., Dock E., Christenson A., Winther-Nielsen M., Carlsson C., Emnéus J., Ruzgas T., Skládal P., Amperometric screen-printed biosensor arrays with co-immobilised oxidoreductases and cholinesterases. Analytica Chimica Acta, 2005. 528(1): p. 9-19.

128. Zuzana Grosmanova, Jan krejci, Jaroslav Tynek, Petr Cuhra, Sona Barsova, Comparison of biosensoric and chromatographic methods for detetion of pesticides. Intern. J. Environ. Anal. Chem, 2005. 85: p. 885 – 893.

129. J. Wang, Analytical Electrochemistry. Wiley-VCH 2006. 130. P. Gupta, S.K. Yadav, B. Agrawal, R.N. Goyal, A novel graphene and conductive polymer modified pyrolytic graphite sensor for determination of

126

propranolol in biological fluids. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014. 204: p. 791-798.

131. Ferrari A. C., Meyer J. C., Scardaci V., Casiraghi C., Lazzeri M., Mauri F., Piscanec S., Jiang D . , Novoselov K. S., Roth S., Geim A. K., Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers. Physical Review Letters, 2006. 97(18): p. 187401.

132. Nguyễn Hữu Đính, Trần Thị Đà, Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử. Nhà xuất bản Giáo dục, 1999.

133. D. Demetriades, A. Economou, A. Voulgaropoulos, A study of pencil-lead bismuth-film electrodes for the determination of trace metals by ano dic stripping voltammetry. Analytica Chimica Acta, 2004. 519(2): p. 167-172. 134. Kadara Rashid O., Tothill

Ibtisam E., Stripping chronopotentiometric measurements of lead(II) and cadmium(II) in soils extracts and wastewaters using a bismuth film screen-printed electrode assembly. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2004. 378(3): p. 770-775.

135. A. Meneguzzi, M.C. Pham, J-C. Lacroix, B.Piro, A. Adenier, C.F. Ferreira, P- C. Lacaze, Electroactive poly (aromatic amine) films for iron protection in sulfate medium. Journal of Electrochemical Society, 2001. 148: p. B121-B126. 136. E. Song, J.-W. Choi, Conducting Polyaniline Nanowire and Its Applications in

Chemiresistive Sensing. Nanomaterials, 2013. 3(3): p. 498.

137. J.L. Camalet, J.C. Lacroix, T.D. Nguyen, S. Aeiyach, M.C. Pham, J. Petitjean, P.C. Lacaze, Aniline electropolymerization on platinum and mild steel from neutral aqueous media. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2000. 485(1): p. 13-20.

138. M. Trchová, J. Stejskal, J. Prokeš, Infrared spectroscopic study of solid-state protonation and oxidation of polyaniline. Synthetic Metals, 1999. 101(1): p. 840-841.

127