Tài liệu Chế tạo và bước đầu ứng dụng cảm biến điện hóa phân tích acetaminophen trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide và poly(3,4 ethylenedioxythiophene)

BỘ Y TẾ TRƢỜNG ĐẠI HỌC DƢỢC HÀ NỘI PHAN CHIẾN THẮNG CHẾ TẠO VÀ BƢỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA PHÂN TÍCH ACETAMINOPHEN TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIDE VÀ POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƢỢC SĨ HÀ NỘI - 2018 BỘ Y TẾ TRƢỜNG ĐẠI HỌC DƢỢC HÀ NỘI PHAN CHIẾN THẮNG MSV: 1301389 CHẾ TẠO VÀ BƢỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA PHÂN TÍCH ACETAMINOPHEN TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE OXIDE VÀ POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƢỢC SĨ Người hướng dẫn: ThS. Lý Công Thành Nơi thực hiện: 1. Bộ môn Vật lý – Hóa lý 2. Khoa KH Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ Nano – Trƣờng Đại học KH&CN Hà Nội HÀ NỘI - 2018 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đến ThS. Lý Công Thành - Giảng viên Bộ môn Vật lý - Hóa lý, là người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Vũ Thị Thu - Giảng viên trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, các anh chị kỹ thuật viên trong Bộ môn Vật lý – Hóa lý trường Đại học Dược Hà Nội; Khoa Khoa học Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ Nano trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình để tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Cũng nhân đây, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáo và cán bộ công nhân viên Trường Đại học Dược Hà Nội, những người đã dạy bảo và giúp đỡ tôi trong suốt năm năm học tập tại trường. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn ở bên động viên, cổ vũ và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành khóa học này. Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2018 Sinh viên Phan Chiến Thắng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 2 1.1. Tổng quan về acetaminophen .................................................................................... 2 1.1.1. Công thức hóa học ........................................................................................... 2 1.1.2. Các tính chất đặc trưng .................................................................................... 2 1.1.2.1. Tính chất vật lý....................................................................................... 2 1.1.2.3. Độ ổn định .............................................................................................. 3 1.1.3. Tác dụng dược lý và dược động học................................................................ 3 1.1.3.1. Tác dụng dược lý.................................................................................... 3 1.1.3.2. Dược động học ....................................................................................... 3 1.1.4. Tác dụng không mong muốn ........................................................................... 3 1.1.5. Các phương pháp xác định acetaminophen ..................................................... 3 1.2. Cảm biến điện hóa ..................................................................................................... 5 1.2.1. Giới thiệu chung .............................................................................................. 5 1.2.2. Các kĩ thuật chế tạo cảm biến điện hóa ........................................................... 6 1.2.2.1. Điện cực ................................................................................................. 6 1.2.2.2. Vật liệu điện cực .................................................................................... 6 1.2.3. Ứng dụng của cảm biến điện hóa trong y dược ............................................... 6 1.3. Graphene oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) ............................................. 7 1.3.1. Graphene oxide – dẫn xuất của graphene ........................................................ 7 1.3.1.1. Cấu trúc của Graphene oxide và dẫn xuất của graphene ....................... 7 1.3.1.2. Các tính chất đặc trưng của GO ............................................................. 8 1.3.2. Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) ................................................. 8 1.3.2.1. Cấu trúc vật liệu PEDOT ....................................................................... 8 1.3.2.2. Các tính chất đặc trưng của PEDOT ...................................................... 9 1.3.3. Ứng dụng Graphene oxide và PEDOT trong cảm biến điện hóa .................... 9 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 10 2.1. Nguyên vật liệu, thiết bị và đối tượng nghiên cứu ................................................... 10 2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu ............................................................................... 10 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị .......................................................................................... 10 2.1.3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 11 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 11 2.3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 13 2.3.1. Chế tạo màng PEDOT, rGO và rGO-PEDOT sử dụng kĩ thuật quét thế vòng13 2.3.2. Phân tích hình thái và cấu trúc ........................................................................ 13 2.3.3. Phân tích đặc trưng điện hóa ........................................................................... 13 2.3.3.1. Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử ...................................................... 13 2.3.3.2. Phổ tổng trở (EIS) ................................................................................. 13 2.4. Thẩm định phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 14 2.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định acetaminophen ........................................... 14 2.4.2. Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược ....................... 14 2.4.2.1. Thử trên mẫu Độc hoạt tang kí sinh ...................................................... 14 2.4.2.2. Thử trên mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh ............................................... 14 2.5. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................................ 15 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ................................. 16 3.1. Tổng hợp màng composite kết hợp vật liệu Graphene oxide và PEDOT ................ 16 3.1.1. Tổng hợp màng PEDOT ................................................................................. 16 3.1.2. Tổng hợp màng rGO ....................................................................................... 19 3.1.3. Tổng hợp màng rGO-PEDOT ......................................................................... 19 3.2. Khảo sát đặc trưng màng composite đã tổng hợp .................................................... 20 3.2.1. Phân tích hình thái .......................................................................................... 20 3.2.2. Phân tích cấu trúc ............................................................................................ 21 3.2.3. Hằng số tốc độ dịch chuyển điện tử ks ............................................................ 22 3.2.4. Phổ tổng trở (EIS) ........................................................................................... 23 3.3. Thẩm định phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 25 3.3.1. Xây dựng đường chuẩn của cảm biến xác định acetaminophen ..................... 25 3.3.2. Thử nghiệm xác định acetaminophen trong đông dược ................................. 28 3.3.2.1. Mẫu độc hoạt tang kí sinh ..................................................................... 28 3.3.2.2. Mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh ............................................................. 29 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1: Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện lên quá trình hình thành màng PEDOT Phụ lục 2: Dữ liệu tính K DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt RE Reference Electrode Điện cực so sánh WE Working Electrode Điện cực làm viêc CE Counter Electrode Điện cực đối CV Cyclic voltammetry Quét thế vòng PEDOT Poly(3,4-ethylendioxythiophene) GO Graphene oxide rGO Reduced Graphene oxide SWV Square Wave Voltammetry Quét thế xung vuông FTIR IR-Infrared Spectrocopy Phổ hấp thụ hồng ngoại SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét rGO-PEDOT PBS NSAIDs LOD EIS AOAC Reduced Graphene oxide Poly(3,4-ethylendioxythiophene) Phosphate buffered solution Nonsteroidal anti-inflammatory drugs Limit of detection Electrochemical impedance spectroscopy Muối đệm photphat thuốc chống viêm không steroid Giới hạn phát hiện Đo phổ tổng trở điện hóa Association of Official Hiệp hội các nhà hóa phân tích Analytical Chemists chính thức DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Giá trị ks của các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE tại vận tốc v=50mV/s..........................................................................................................23 Bảng 3.2 So sánh Rct giữa các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE ............................................................................................................................... 25 Bảng 3.3. Bảng giá trị giữa nồng độ C và ∆I của dãy dung dịch từ 10 μM đến 60μM.27 Bảng 3.4. Kết quả đánh giá độ thu hồi và độ lặp lại của Acetaminophen ....................29 Bảng PL 2.1 Giá trị Epa và Epc của màng rGO và điện cực trần GCE tại vận tốc v=10mV/s đến 500mV/s Bảng PL 2.2 Giá trị Epa và Epc của màng PEDOT và rGO-PEDOT tại vận tốc v=10mV/s đến 500mV/s DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Công thức hóa học của acetaminophen ........................................................... 2 Hình 1.2. Phản ứng thủy phân của nhóm amid ............................................................... 2 Hình 1.3. Các loại điện cực trong cảm biến điện hóa......................................................6 Hình 1.4. Cấu trúc của graphene oxide theo mô hình của Lerf-Klinowski [18] .............8 Hình 1.5. Cấu trúc của PEDOT .......................................................................................9 Hình 2.1. Máy AUTOLAP/PGSTAT302 ......................................................................10 Hình 2.2. Hệ 3 điện cực .................................................................................................11 Hình 2.3. Hệ điện cực in ................................................................................................ 11 Hình 3.1. Phổ tổng hợp màng PEDOT trên điện cực GCE ...........................................16 Hình 3.2. Phản ứng polymer hóa EDOT diễn ra trên điện cực tạo thành PEDOT .......18 Hình 3.3. Đặc trưng điện hóa màng PEDOT trong dung dịch PBS 1X ........................ 18 Hình 3.4. Phổ tổng hợp màng rGO ................................................................................19 Hình 3.5. Phổ tổng hợp màng rGO-PEDOT .................................................................20 Hình 3.6. Hình ảnh FE-SEM của màng PEDOT, rGO và rGO-PEDOT ......................20 Hình 3.7. Phổ ATR-FTIR của các màng rGO, rGO-PEDOT, PEDOT ......................... 21 Hình 3.8. Phổ Raman của các màng rGO, rGO-PEDOT, PEDOT ............................... 22 Hình 3.9. Phổ đặc trưng của các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE tại vận tốc v=50mV/s............................................................................................ 23 Hình 3.10. Phổ tổng trở của các màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và điện cực trần GCE quét bằng phương pháp FRA impedance potentiostatic từ 0,01Hz đến 100000 Hz .......................................................................................................................................24 Hình 3.11 Mạch Randles cho GCE và các màng rGO, PEDOT và rGO-PEDOT ........24 Hình 3.12. Phản ứng oxy hóa nhóm hydroxyl của Acetaminophen.............................. 25 Hình 3.13. Phổ phát hiện Acetaminophen nồng độ 10µM sử dụng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s 26 Hình 3.14. Phổ phát hiện Acetaminophen nồng độ 10µM đến 60µM sử dụng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s........................................................................................................................ 26 Hình 3.15. Đường tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa cường độ dòng điện theo nồng độ của màng rGO-PEDOT ...................................................................................27 Hình 3.16. Phổ phát hiện Acetaminophen trong mẫu trắng và mẫu thử bằng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s........................................................................................................................ 28 Hình 3.17. Phổ phát hiện Acetaminophen trong mẫu thuốc bột Cây Bách Bệnh bằng phương pháp SWV trong khoảng thế từ 0,2V đến 0,8V ở tần số 10Hz, biên độ 10mV, vận tốc 100 mV/s ...........................................................................................................30 Hình PL 1.1 Khảo sát màng PEDOT với số vòng quét khác nhau Hình PL 1.2 Khảo sát màng PEDOT với tốc độ quét khác nhau Hình PL 2.1 Phổ của màng PEDOT, rGO, rGO-PEDOT và GCE trong dung dịch K3Fe(CN)6 10mM + K4Fe(CN)6 10mM + KCl 100mM ở các vận tốc khác nhau ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay các phương pháp phân tích hóa lý truyền thống cho kết quả với độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, hóa chất có độ tinh khiết cao, xử lý mất nhiều thời gian (lên đến vài ngày), kĩ thuật phân tích phức tạp, người vận hành đòi hỏi phải có trình độ cao. Phương pháp phân tích sử dụng cảm biến với các ưu điểm: phân tích nhanh, chính xác, ngay tại chỗ và tương đối rẻ đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Với sự phát triển của công nghệ Nano, các vật liệu Nano đặc biệt là Nano kim loại, Nano carbon và các polymer dẫn đã được đưa vào sử dụng làm điện cực trong cảm biến nhằm tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện. Cảm biến điện hóa là cảm biến nhận biết các yếu tố cần phân tích dựa trên các quá trình điện hóa và được sử dụng trong nhiều phân tích. Việc sử dụng cảm biến điện hóa để phân tích thuốc trong mẫu là một phương pháp mới và đầy tiềm năng. Acetaminophen (Paracetamol) là một thuốc có tác dụng giảm đau, hạ nhiệt được dùng khá phổ biến. Đặc biệt, acetaminophen thường được trộn trái phép trong đông dược nhằm mục đích tăng tác dụng tức thời cho thuốc nhưng gây ra những tác hại trên người sử dụng. Việc phát hiện acetaminophen trong đông dược thường gặp khó khăn trong việc xử lý mẫu và phải vận chuyển về phòng thí nghiệm để thực hiện. Phương pháp xác định acetaminophen bằng cảm biến điện hóa có thể khắc phục được các nhược điểm trên. Chính vì thế, nhóm nghiên cứu của chúng tôi thực hiện đề tài “Chế tạo và bước đầu ứng dụng cảm biến điện hóa phân tích Acetaminophen trên cơ sở kết hợp vật liệu Graphene Oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)” với các mục tiêu: 1. Chế tạo màng vật liệu composite trên cơ sở kết hợp vật liệu graphene oxide và vật liệu polime dẫn PEDOT (màng rGO-PEDOT). 2. Phát triển cảm biến acetaminophen trên cơ sở màng vật liệu composite rGOPEDOT. 3. Thử nghiệm xác định acetaminophen trong thuốc đông dược sử dụng cảm biến đã chế tạo. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về acetaminophen 1.1.1. Công thức hóa học Acetaminophen (tên gọi khác là paracetamol, tên khoa học N- (4-hydoxylphenyl) acetamid, MW 151.2 Da, công thức hóa học C8H9NO2) [4]. Hình 1.1. Công thức hóa học của acetaminophen 1.1.2. Các tính chất đặc trưng 1.1.2.1. Tính chất vật lý Acetaminophen tồn tại dưới dạng bột kết tinh màu trắng, không mùi, vị đắng nhẹ, nóng chảy ở khoảng 170ºC. Dung dịch bão hòa của acetaminophen trong nước có pH khoảng 5,3 đến 5,6 và pKa = 9,51. Acetaminophen tan ít trong nước, tan nhiều trong nước sôi, dễ tan trong methanol và trong dung dịch kiềm, ít tan trong ether và chloroform [4]. 1.1.2.2. Tính chất hóa học Acetaminophen thể hiện tính chất hóa học của nhân thơm và nhóm hydroxylphenol. Acetaminophen còn thể hiện tính chất đặc trưng của nhóm amid là phản ứng thủy phân khi có mặt xúc tác acid hay base tạo ra 4-aminophenol (4-AP) [4]. Hình 1.2. Phản ứng thủy phân của nhóm amid 2 1.1.2.3. Độ ổn định Độ ổn định của acetaminophen trong nước chủ yếu liên quan đến phản ứng thủy phân khi có mặt xúc tác acid hay base. Ánh sáng nhiệt độ và các chất oxy hóa cũng là tác nhân thúc đẩy phản ứng thủy phân acetaminophen [4]. 1.1.3. Tác dụng dược lý và dược động học 1.1.3.1. Tác dụng dược lý Acetaminophen là thuốc hạ sốt giảm đau hữu hiệu, nhưng không có tác dụng chống viêm như các thuốc giảm đau chống viêm không steroid khác. Acetaminophen có tác dụng hạ sốt khi cơ thể bị sốt do bất kì nguyên nhân nào. Thuốc không làm giảm thân nhiệt ở người bình thường [3]. 1.1.3.2. Dược động học - Hấp thu: Acetaminophen được hấp thu nhanh chóng và hầu như hoàn toàn qua đường tiêu hóa. Sau khi uống 30 - 60 phút, thuốc đạt nồng độ tối đa trong máu [3]. - Phân bố: Acetaminophen phân bố nhanh và đồng đều tới hầu hết các mô trong cơ thể, thể tích phân bố khoảng 0,94L/kg. Liên kết với protein huyết tương 25% [3]. - Chuyển hóa: Acetaminophen chuyển hóa ở cytocrom P450 ở gan tạo N-acetylbenzoquinonimin (NAPQI) là chất trung gian, chất này tiếp tục liên hợp với nhóm sulfydryl của glutathion để tạo ra chất không có hoạt tính [3]. - Thải trừ: Thuốc thải trừ qua nước tiểu chủ yếu ở dạng đã chuyển hóa, độ thanh thải là 19,3 L/h. Thời gian bán thải là 2,5 giờ [3]. 1.1.4. Tác dụng không mong muốn Khi dùng acetaminophen liều cao (>10 g/ngày), sẽ tạo ra nhiều N-acetylbenzoquinimine làm cạn kiệt glutathion gan, khi đó N-acetyl-benzoquinoniminesẽ phản ứng với nhóm sulfydrid của protein gan gây tổn thương gan, hoại tử gan, có thể gây chết người nếu không cấp cứu kịp thời [3]. Xử trí khi dùng quá liều acetaminophen: ngoài các biện pháp giải độc chung thì cần phải cho bệnh nhân uống tiền chất của glutathione là acetylcystein hoặc methionin càng sớm càng tốt. Nếu xử trí chậm (sau khi uống quá 36 giờ), gan đã bị tổn thương sẽ khó hồi phục [3]. 1.1.5. Các phương pháp xác định acetaminophen Hiện nay có nhiều phương pháp xác định acetaminophen như phương pháp sắc ký, phương pháp quang phổ UV-VIS [2], phương pháp sắc ký lớp mỏng [2],… Các phương pháp phổ biến dùng để định lượng acetaminophen như phép đo nitrit, đo độ 3 hấp phụ tử ngoại trong môi trường methanol hoặc môi trường kiềm [4] và phương pháp định lượng bằng HPLC [2]. - Phương pháp sắc ký lớp mỏng Sắc ký lớp mỏng về bản chất là hệ sắc ký lỏng - rắn, trong đó pha tĩnh rắn (là chất hấp phụ được chọn phù hợp theo yêu cầu phân tích) được trải thành lớp mỏng đồng đều trên bản kính, nhựa hay kim loại. Sau đó đưa hỗn hợp chất cần tách lên pha tĩnh bằng cách chấm dung dịch mẫu nghiên cứu lên bản mỏng (cách rìa bản mỏng 2 - 3 cm). Pha động là một hệ dung môi đơn hoặc đa thành phần được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định. Cho dung môi pha động chạy bằng cách đặt bản mỏng vào hệ dung môi này theo hướng phần có vết chấm ở dưới. Dưới tác dụng của lực mao quản, dung môi sẽ chuyển động qua lớp hấp phụ, các cấu tử sẽ di chuyển theo hướng pha động nhưng với vận tốc khác nhau dẫn đến việc tách cấu tử ra khỏi nhau, ta thu được một sắc ký đồ trên lớp mỏng. Phương pháp sắc ký lớp mỏng có ưu điểm là thiết bị đơn giản, thời gian phân tích nhanh và khá chọn lọc, chủ yếu được dùng để định tính [1]. - Phương pháp quang phổ UV-VIS Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên việc đo phổ hấp phụ tử ngoại và khả kiến của chất phân tích. Phổ hấp thụ là đồ thị biểu diễn giữa mật độ quang (độ hấp thụ) của dung dịch chất phân tích vào bước sóng của tia sáng đơn sắc. Thiết lập phổ hấp thụ bằng cách đo mật độ quang của một dung dịch có nồng độ xác định với các bức xạ có độ dài sóng giảm hoặc tăng dần, sau đó vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của D – λ ta sẽ có một phổ hấp thụ của dung dịch chất phân tích. Trên phổ hấp thụ sẽ nhận thấy các cực đại hấp thụ (ứng với bước sóng, ở đó sự hấp thụ là cực đại) và các cực tiểu nếu có. Các chất khác nhau thường có phổ hấp thụ khác nhau. Do vậy thường dùng phổ hấp thụ để định tính các chất hoặc để thử tinh khiết các chất căn cứ vào dạng phổ, các cực đại và các cực tiểu hấp thụ, tỷ lệ cường độ hấp thụ của các cực đại hoặc các cực tiểu hấp thụ [1]. Phương pháp này khá đơn giản, cho kết quả tương đối chính xác. - Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là kĩ thuật sắc kí trong đó các chất phân tích hòa tan trong pha động là chất lỏng và di chuyển qua cột chứa các hạt pha tĩnh. Tùy thuộc vào ái lực của chất phân tích với pha động và pha tĩnh mà các chất phân tích di 4 chuyển với tốc độ khác nhau, do đó thứ tự rửa giải khác nhau. Thành phần pha động đưa chất phân tích ra khỏi cột được thay đổi để rửa giải các chất với thời gian hợp lý. Phương pháp này có độ nhạy độ chính xác cao tuy nhiên thiết bị đắt tiền và cồng kềnh, không dùng được tại chỗ [5]. 1.2. Cảm biến điện hóa 1.2.1. Giới thiệu chung Cảm biến điện hóa là các cảm biến nhận biết yếu tố cần phân tích (điều kiện vật lí, phân tử hóa học hoặc sinh học) dựa trên các quá trình điện hóa [6]. Dựa theo cơ chế nhận biết, cảm biến điện hóa có thể được chia thành các dòng cảm biến hóa điện hóa, cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến quang điện hóa… Các kĩ thuật điện hóa khác nhau có thể được sử dụng để ghi nhận tín hiệu trong cảm biến bao gồm quét thế vòng (CV), quét đẳng áp (CA), quét thế xung vuông (SWV), quét thế xung vi phân (DPV), hay tổng trở (EIS)… Cảm biến xây dựng trong đề tài này là cảm biến hóa điện hóa hoạt động trên cơ sở nhận biết acetaminophen qua phản ứng oxy hóa của chất này trên điện cực và ghi nhận lại sự nhận biết bằng tín hiệu dòng trong kĩ thuật quét thế xung vuông (SWV). * Các thông số kĩ thuật của cảm biến điện hóa - Giới hạn phát hiện (Limit of detection – LOD): được xem là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác, có nghĩa so với tín hiệu mẫu trắng hay nền [6]. Giới hạn phát hiện được tính dựa vào đường hồi quy tuyến tính: [9] trong đó: δ là độ lệch chuẩn của đáp ứng (the standard deviation of the response) b là độ dốc của đường chuẩn - Độ nhạy (Sensitivity): Độ nhạy là tính đáp ứng của hệ thống phân tích khi thay đổi nồng độ chất phân tích hay khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ nhất về nồng độ chất phân tích [6]. Công thức tính: S = trong đó b: độ dốc của đường chuẩn A: diện tích điện cực làm việc ( 0,071 cm2) 5 1.2.2. Các kĩ thuật chế tạo cảm biến điện hóa 1.2.2.1. Điện cực Hiện có một số dòng điện cực chủ yếu được sử dụng trong điện hóa như hình bên dưới: a) Hệ vi điện cực in b) Hệ vi điện cực trên đế gốm khắc trên đế Silic c) Điện cực trụ Hình 1.3. Các loại điện cực trong cảm biến điện hóa 1.2.2.2. Vật liệu điện cực Các yêu cầu về đặc tính của vật liệu sử dụng trên điện cực điện hóa bao gồm: độ dẫn điện tốt, độ bền cơ học và hóa học cao trong điều kiện phân tích, có tính tương thích sinh học cao (trong trường hợp cảm biến sinh học điện hóa), có đặc tính hóa/ lí/ sinh học/ điện hóa mong muốn [6]. Các loại vật liệu thường được sử dụng trong cảm biến điện hóa là: - Polymer dẫn: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), Polyaniline (PANi), Polypyrrole (PPy)… - Kim loại và hạt nano kim loại: thường sử dụng hạt nano vàng (AuNPs), nano bạc (AgNPs) và nano oxit kim loại ( Fe3O4, ZnO, TiO2,…) - Vật liệu nano carbon: ống carbon (CNTs), carbon đơn lớp (graphene) [6]… 1.2.3. Ứng dụng của cảm biến điện hóa trong y dược Trong y dược, cảm biến điện hóa được sử dụng chủ yếu trong phân tích các chỉ số hóa sinh hoặc chẩn đoán bệnh, và phân tích dược phẩm. Các chỉ số hóa sinh được phân tích bao gồm hàm lượng glucose, cholesterol, urea trong các dịch cơ thể như máu, nước tiểu, nước bọt… Jeotikanta Mohapatraa và cộng sự đã sử dụng carbon nano-onions ứng dụng vào cảm biến để phát hiện glucose. Trong nghiên cứu của Jeotikanta, cảm biến có độ nhạy là 26,5μA/mM.cm2 trong dải tuyến tính từ 1-10 mM [20]. Một số chỉ dấu sinh học trong chẩn đoán bệnh như CEA (ung thư) cũng đã được phân tích sử dụng cảm biến sinh học điện hóa. Theo nghiên cứu của Joshiane P. Lafleur và cộng sự (2016), cảm biến sinh học điện hóa được ứng dụng trong hệ kênh 6 vi lưu để phát hiện các thành phần sinh học như ADN, virus, ARN… có trong cơ thể [21]. Bên cạnh đó, việc sử dụng cảm biến điện hóa trong phân tích các dược phẩm, đặc biệt là các dược phẩm có tính oxy hóa khử như acetaminophen, cũng thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong nghiên cứu của Abbas Afkhami và cộng sự, việc kết hợp NiFe2O4 với hạt Nano carbon lên điện cực đã phát hiện acetaminophen với giới hạn phát hiện 0,003 μM [7]. Cũng sử dụng graphene kết hợp với hạt nano vàng để phát hiện acetaminophen, Sangmin Yu và cộng sự đã phát hiện được acetaminophen ở nồng độ 0,005 μM [23]. Việc sử dụng các cảm biến điện hóa với kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp cao với các thiết bị điện tử sẽ cho phép xây dựng các giải pháp sàng lọc trong chẩn đoán bệnh cũng như kiểm nghiệm dược phẩm [22], [21]. 1.3. Graphene oxide và Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 1.3.1. Graphene oxide – dẫn xuất của graphene 1.3.1.1. Cấu trúc của Graphene oxide và dẫn xuất của graphene Graphene là một vật liệu nano carbon được phát minh vào năm 2004 (Noslov, 2004). Vật liệu này có cấu trúc xếp lớp đặc trưng của các nguyên tử carbon liên kết với nhau chủ yếu thông qua lai hóa sp2. Với cấu trúc này, vật liệu graphene có những đặc tính ưu việt phù hợp làm vật liệu điện cực trong cảm biến điện hóa như độ dẫn điện cao, tốc độ dịch chuyển điện tử lớn, độ dẫn nhiệt tốt, và có độ linh hoạt cơ học cao… Tuy nhiên, việc chế tạo vật liệu này đòi hỏi các kĩ thuật cao với chi phí tốn kém (ví dụ như kĩ thuật lắng đọng vật lí pha hơi – Chemical Vapor Deposition – CVD) [14], [13]. Để khắc phục vấn đề này, vật liệu graphene oxide (GO) – một dẫn xuất của graphene – đã được sử dụng gần đây. Đây là một dạng oxi hóa của cấu trúc graphene với các nguyên tử carbon được liên kết với nhau chủ yếu dựa trên lai hóa sp3. Bên cạnh đó, các nhóm chức như carboxylic, hydroxyl hay epoxy cũng được hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu này. So với graphene, GO có độ dẫn điện rất kém. Tuy nhiên, vật liệu này có thể được chuyển hóa dễ dàng thành dạng khử (rGO) có các đặc trưng tương tự graphene. Ưu điểm của việc sử dụng rGO so với graphene bao gồm sự đơn giản trong chế tạo vật liệu, dễ thao tác với vật liệu do khả năng phân tán tốt của GO trong môi trường nước (dung môi thường gặp trong điện hóa), và giá thành thấp [15]. Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu. Trong đó, mô hình của Lerf-Klinowski [17] phổ biến hơn 7 cả, graphit sau khi bị oxy hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các nhóm hydroxyl, epoxy và trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các nhóm chức cacbonyl hoặc cacboxylic. C B A Hình 1.4. Cấu trúc của graphene oxide theo mô hình của Lerf-Klinowski [17] A: nhóm epoxy, B: nhóm hydroxyl, C: nhóm cacboxylic 1.3.1.2. Các tính chất đặc trưng của GO Cấu trúc và đặc tính của GO phụ thuộc vào từng phương pháp tổng hợp và mức độ oxy hóa. Các sản phẩm oxy hóa với tỉ lệ C:O trong khoảng từ 2,1 đến 2,9. GO chứa các nhóm chức có chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: Hydroxyl (-OH), epoxy (-O-) đính ở trên bề mặt, và cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) đính ở rìa của các đơn lớp, nhưng GO vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu của graphit [13]. Các nhóm chức này đóng vai trò như vật chèn thêm vào khoảng cách giữa hai lớp graphene và khi khoảng cách lớp được nới rộng thì lực hút giữa hai lớp sẽ bị giảm đi nhanh chóng. Những động tác cơ học như siêu âm sẽ dễ dàng tách than chì thành các mảng GO dưới dạng huyền phù. Sự có mặt của các nhóm chức trên, làm cho bề mặt của GO có mật độ điện tích âm lớn, do đó GO là vật liệu ưa nước, rất dễ phân tán trong nước mà không bị kết lắng [17]. 1.3.2. Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 1.3.2.1. Cấu trúc vật liệu PEDOT PEDOT là polymer dẫn bao gồm nhiều monomer 3,4-ethylenedioxythiphene (EDOT) liên hợp có cấu trúc như sau [8], [26]: 8 Hình 1.5. Cấu trúc của PEDOT 1.3.2.2. Các tính chất đặc trưng của PEDOT Do trong cấu trúc có hệ Л liên hợp nằm dọc theo chuỗi polymer nên PEDOT có độ dẫn điện rất tốt. Bên cạnh đó, PEDOT cũng rất bền và độ ổn định cao [6]. Dựa vào tính chất này PEDOT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như pin năng lượng, điốt phát quang, linh kiện điện tử và quan trọng nhất là trong cảm biến điện hóa [11], [16]. 1.3.3. Ứng dụng Graphene oxide và PEDOT trong cảm biến điện hóa Graphene oxide sau khi được khử sẽ chuyển hóa thành rGO (reduced graphene oxide) với những đặc tính tương tự như graphene như dẫn điện tốt (sp2 chuyển hóa thành sp3), độ bền cơ học và tính linh hoạt cao, dẫn nhiệt tốt, tính tương thích sinh học cao… Do đó, rGO đã được lựa chọn là vật liệu tiềm năng để cải tiến hoạt động của cảm biến điện hóa nói riêng và cảm biến điện hóa ứng dụng trong y dược nói riêng [15]. Cùng với đó, polymer dẫn cũng được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến điện hóa. Các loại polymer dẫn 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 [6]. Việc đưa polymer 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. Gần đây, để tăng tính khả dụng của polymer dẫn, các nhà khoa học thế giới đã nghiên cứu chế tạo composite của polymer dẫn với các vật liệu vô cơ và hữu cơ khác nhau, tiêu biểu là graphene oxide [25], [27]. Theo một nghiên cứu mới nhất của Fariba Saadati, graphene oxide đã được kết hợp với hạt nano polyaniline để chế tạo cảm biến phát hiện p-nitrophenol với giới hạn phát hiện là 20μM [18]. Để xác định đồng thời acid uric và tyrosin, Weihua Zheng và cộng sự đã kết hợp rGO trên nền polymer dẫn và giới hạn phát hiện của acid uric là 0,3232 μM, của tyrosine là 0,046 μM [28]. Việc kết hợp giữa vật liệu graphen và vật liệu polymer dẫn để chế tạo cảm biến đã và đang mang đến những kết quả tốt, mở ra những triển vọng trong tương lai [21]. 9 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên vật liệu, thiết bị và đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu STT Tên Xuất xứ Ghi chú Dạng viên nén. 1 Phosphate Buffer Saline Sigma, (PBS) Mĩ Hòa tan 1 viên trong 200 mL nước để thu được NaCl 137 mM; 2,7 mM KCl và dung dịch đệm phosphat 10 mM (pH 7,4 ở 25 ° C) 2 3,4 ethylenedioxythiophene Sigma, (EDOT) Mĩ 3 Acetaminophene 4 Graphene oxide (GO) Merck, MW 142,18 g.mol-1, d = 1,33 g.L-1 MW = 151,163 g.mol-1, d = 1,263 Đức g.cm-3 Việt Chế tạo bằng phương pháp Hummer Nam biến đổi 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị - Hệ thiết bị điện hóa potentiostat Autolab Model AUTOLAB/PGSTAT302N (hãng Metrohm, Hà Lan). Hệ được kết nối với tế bào điện hóa trong dung dịch điện hóa và các điện cực. Hình 2.1. Máy AUTOLAP/PGSTAT302 10