ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN
ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM
LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

THÁI NGUYÊN – 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CuS/ITO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN
ĐIỆN HÓA GLUCOSE VÀ BƯỚC ĐẦU XÁC ĐỊNH HÀM
LƯỢNG GLUCOSE TRONG HUYẾT THANH

Hóa Phân Tích
Mã ngành: 8.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quốc Dũng

i


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành TS. Nguyễn Quốc Dũng, là thầy
giáo trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa
Hóa học, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu trường Đại học
Sư phạm - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em
trong quá trình học tập, nghiên cứu, để hoàn thành luận văn khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Hoá
lý
- Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và các bạn đã giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Đặng Văn Thành, Bộ môn Vật lý
- Lý Sinh, Trường Đại học Y - Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và trang
thiết bị trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm.
Báo cáo này được sự hỗ trợ to lớn từ nguồn kinh phí của đề tài nghiên cứu
NAFOSTED mã số 103.02-2016.63 do TS. Nguyễn Quốc Dũng chủ trì. Tôi xin trân
thành biết ơn sự giúp đỡ to lớn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của
bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và
những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2018
Tác giả

Đỗ Thị Ngọc Ánh


mục

viết

tắt

bảng

biểu

......................................................................................................v Danh mục các hình
.......................................................................................................vi

MỞ

ĐẦU

.......................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................3
1.1. Khái niệm cảm biến sinh học Glucose ........................................................... 3
1.2. Các thế hệ cảm biến glucose........................................................................... 5
1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất ..................................................5
1.2.2. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ hai ....................................................6
1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba .....................................................6
1.2.4. Cảm biến sinh học glucose không có enzym ...............................................7
1.3. Cảm biến điện hóa glucose sử dụng hệ ba điện cực .....................................
13
1.3.1. Hệ ba điện cực trong điện hóa học .............................................................13
1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến
sinh học ................................................................................................................15


40

3.5. Bước đầu ứng dụng của điện cực xác định trên mẫu thực............................ 43
KẾT LUẬN.................................................................................................................49
KIẾN NGHỊ................................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51
PHỤ LỤC

iv


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên tiếng việt

Tên tiếng Anh

Viết tắt

Indi Thiếc Oxit

Indium Tin Oxide

ITO

Hiển vi điện tử quét bề mặt
Nhiễu xạ tia X
Phổ tán sắc năng lượng tia X

Scanning Electronic

AP

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Chrono amperometry ........................40
Bảng 3.2. Bảng so sánh đối với các thế khi đo Amperometry ....................................43
Bảng 3.3. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,45V ......................................44
Bảng 3.4. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,4V ........................................45
Bảng 3.5. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp CA sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................46
Bảng 3.6. Kết quả xác định nồng độ glucose trong mẫu huyết thanh bằng phương
pháp AP sử dụng điện cực CuS/ITO ở thế 0,35V ......................................48

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học ................................................................................4
Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7....................................8
Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ được đề xuất
bởi Pletcher ...................................................................................................9
Hình 1.4. Mô hình IHOAM với M* là tâm hấp phụ kim loại dạng khử và
M[OH]ads là hidroxit hấp phụ dạng oxi hóa .............................................10
Hình 1.5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân thành
axit gluconic ...............................................................................................11
Hình 1.6. Cơ chế xúc tác của điện cực Ni, NiO ..........................................................12

giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........37
Hình 3.13. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........38
Hình 3.14. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V: a) từ 0
đến 100 µM; b) từ 0 đến 2000 µM; c) Sự phụ thuộc dòng CA sau 20
giây của điện cực đối với glucose ở nồng độ từ 10 µM đến 2 mM ..........39
Hình 3.15. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V
...................................................................................................................41
Hình 3.16. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V .....41
Hình 3.17. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,45V
...................................................................................................................42
Hình 3.18. Dòng amperometry của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,5V .....42
Hình 3.19. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,45V (* chỉ các mẫu
glucose trong nước) ..................................................................................44
Hình 3.20. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,4V (* chỉ các mẫu
glucose trong nước) ..................................................................................45
Hình 3.21. Dòng CA phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các
mẫu glucose trong nước) ..........................................................................46
Hình 3.22. Dòng AP phụ thuộc vào nồng độ mẫu thực ở thế 0,35V (* chỉ các
mẫu glucose trong nước) ..........................................................................47

vii


MỞ ĐẦU
Bệnh đái tháo đường, thường được gọi là bệnh tiểu đường, nó đã trở thành
một bệnh phổ biến. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, có khoảng 350 triệu người trên
toàn thế giới bị bệnh tiểu đường, và người ta dự báo bệnh đái tháo đường sẽ là
nguyên nhân thứ 7 gây tử vong cao vào năm 2030 [9]. Bệnh tiểu đường được

dùng để xác định nồng độ glucose. Để tăng cường khả năng tính nhạy glucose
và giảm giá thành sản phẩm đòi hỏi phải có phương pháp mới, vật liệu mới và
quy trình chế tạo đơn giản.
Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã lựa chọn vấn đề nghiên cứu của
luận văn là: “Nghiên cứu, chế tạo điện cực CuS/ITO bằng phương pháp điện
hóa ứng dụng trong cảm biến điện hóa glucose và bước đầu xác định hàm
lượng glucose trong huyết thanh”

2


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm cảm biến sinh học Glucose
Ngày nay, việc xác định glucose càng đòi hỏi độ nhạy, độ chọn lọc cao, ổn
định, dễ chế tạo và không độc. Cảm biến glucose là thiết bị dùng để xác định
nồng độ glucose trong dung dịch. Glucose được xác định bằng cách chuyển
thành tín hiệu đo được. Để đáp ứng được những nhu cầu này, một bước tiến tới
cảm biến glucose không dùng enzym đã được phát triển. Những cảm biến mới
này đã thu được sự quan tâm đáng kể do khả năng của chúng đạt được để theo
dõi lượng glucose một cách liên tục, có độ ổn định cao so với cảm biến glucose
truyền thống và dễ chế tạo. Nghiên cứu đã được mở rộng hướng tới việc cảm
biến glucose không dùng enzym từ các vật liệu mới, thường có cấu trúc micro
hoặc nano, có các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cảm biến sinh hóa điện
hóa. Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu bao gồm các kim loại quý,
oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme, v.v được nghiên cứu như là
chất xúc tác điện hóa đối với quá trình oxy hóa glucose.
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm: Đầu thu sinh học: có
tác dụng xác định sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; Bộ phận
chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể
đo được; Bộ phận thiết bị xử lý và đọc tín hiệu ra: có tác dụng chuyển thành

nucleotit (FAD). FAD hoạt động như một chất nhận electon chuyển thành
FADH2
4


Glucose + GOx – FAD+ Axit gluconic + GOx – FADH2

5


Cofactor ban đầu được tái tạo lại bằng phản ứng:
GOx – FADH2 + O2GOx – FAD + H2O2
H2O2 sinh ra bị oxi hóa tại điện cực Pt, mật độ dòng tỉ lệ với lượng H2O2 sinh ra
và do đó tỉ lệ với lượng glucose cần đo [14].
H2O2 2H+ + O2 + 2e
Ba phương pháp đo phổ biến được sử dụng cho cảm biến điện hóa glucose
đó là: đo sự tiêu thụ oxi, đo lượng H2O2 sinh ra hoặc sử dụng chất trung gian để
chuyển electron từ GOx đến điện cực.
1.2. Các thế hệ cảm biến glucose
1.2.1. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ nhất
Cảm biến sinh học glucose dựa trên điện cực enzym lần đầu tiên được chế
tạo vào năm 1962 bởi Clark và Lyons, trong đó enzim GOx được đặt lên điện
cực oxy thông qua màng bán thấm [8]. Sự giảm nồng độ oxi tỉ lệ với nồng độ
glucose. Hai nhà khoa học Updike và Hicks đã đơn giản hóa sự phân tích điện
hóa glucose bằng cách duy trì ổn định enzym GOx. Họ cố định GOx trong tấm
gel polyacryamide trên điện cực oxy và sau đó đo nồng độ glucose [36].
Cảm biến sinh học glucose sử dụng công nghệ của Clark có tính chất
thương mại mang lại thành công đầu tiên cho công ty Yellow Springs
Instrument. Bằng cách đo trực tiếp nồng độ glucose năm 1975 dựa trên sự xác
định dòng của H2O2.

đã mang lại nhiều dấu ấn đáng kể [25], [43]. Máy đo nồng độ glucose trong
máu đầu tiên được giới thiệu năm 1987 bởi Medisense Inc. Dựa trên enzym
Glucose dehydrodenase Pyrroloquinolinen Quinone (GDH-PQQ) và chất trung
gian ferrocene [25]. Thành công này đã dẫn tới cuộc cách mạng trong y học
cho các bệnh nhân bị tiểu đường.
1.2.3. Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba
Cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba dựa trên sự truyền electron trực
tiếp giữa enzym và điện cực mà không cần có mặt của chất trung gian. Với sự
thay thế các các chất trung gian có độc tính cao, điện cực có thể trao đổi
electron trực tiếp bằng cách sử dụng các vật liệu dẫn điện hữu cơ [23]. Bởi vậy,
thế hệ cảm biến glucose thế hệ thứ ba đã dẫn đến sự ra đời của các thiết bị cấy
7


ghép cải tiến trong việc xác định nồng độ glucose trong máu. Các muối hữu cơ
dẫn điện như tetrathiafulvalence-tetracuanoquinodimethane (TTF-TCNQ) được
biết đến

8


là chất trung gian điện hóa của GDH-PQQ hay GOx. Sự có mặt của chất trung
gian dẫn đến sự chọn lọc tương đối cao.
Glucose + GOx(Ox) Axit gluconic + GOx (Khử)
GOx (Khử) GOx (Ox) + e
Tuy nhiên, chỉ có một số vài enzym trong đó có peroxidase thể hiện được
đặc tính truyền electron trực tiếp trên bề mặt điện cực thông thường [18], [43].
Ngoài ra, còn có nhiều cách tiếp cận khác trong việc khảo sát sự truyền electron
trực tiếp ở cảm biến sinh học glucose thế hệ thứ ba như sử dụng: TTF-TCNQ có
cấu trúc tinh thể hình que [23], GOx/polypyrole [28], [33]. Một số bán dẫn của

nước tỉ lệ các dạng :: lần lượt là 37:0,003:63 cho thấy hầu hết chúng tồn tại
ở dạng mạch vòng.
Cơ chế của quá trình xúc tác của điện cực phụ thuộc vào tâm của kim loại
chuyển tiếp. Chất phân tích được hấp phụ lên bề mặt điện cực thông qua liên
kết gây bởi electron d và obitan d của kim loại trên bề mặt điện cực [30]. Quá
trình xúc tác điện hóa thường được thấy xảy ra thông qua sự hấp phụ của chất
cần phân tích lên bề mặt điện cực, một quá trình có thể liên quan đến electron d
và obitan d trên bề mặt kim loại tạo một liên kết với chất bị hấp phụ [30].
Pletcher gợi ý rằng quá trình xúc tác có thể diễn ra thông qua một bước kết hợp,
tức là quá trình tách hiđro diễn ra đồng thời với quá trình hấp phụ các phần tử
hữu cơ. Quả thực, bước xác định tỉ lệ trong hầu hết các thực nghiệm oxi hóa
điện hóa
10


glucose được coi là sự loại bỏ nguyên tử hiđro ở vị trí hemiaxetal [20] (hình
1.2) và sự hấp phụ hóa học của các chất phân tích được coi là xảy ra đồng thời.
Điều này có nghĩa là các tâm hoạt động của kim loại có thể sẽ bị chiếm bởi
chất hấp phụ đơn lẻ bất cứ lúc nào như sơ đồ hình 1.3.

Hình 1.3. Minh họa thuyết hấp phụ đồng tâm với các điểm hấp phụ
được đề xuất bởi Pletcher

Như vậy trong quá trình chế tạo và nghiên cứu chất xúc tác điện hóa, cả
yếu tố electron và hình học cần phải được chú ý để khai thác triệt để sự tăng
cường động học phản ứng bằng cách cung cấp các tâm hấp phụ và gia tăng diện
tích bề mặt.
Tuy nhiên, đề xuất trung tâm kim loại chuyển tiếp hoạt động trên điện
cực chỉ giải thích quá trình hấp phụ trên bề mặt mà không xem xét đến vai trò
của oxi hóa của các gốc hidroxyl được đưa ra trong nhiều bài báo đã xuất bản

Tuy nhiên nhược điểm của điện cực Pt phụ thuộc mạnh vào điều kiện chất
điện li, đặc biệt là vào bản chất và nồng độ của các ion [10]. Điều này là bởi sự
hấp phụ glucose lên bề mặt có sẵn của Pt. Đó là sự hấp phụ cạnh tranh của các
anion, đặc biệt là các ion photphat [10], [37], mức độ hấp phụ của hiđro và
hidroxit, đặc điểm các cấu trúc đồng phân của glucose (dạng mạch hở, mạch
vòng), tất cả ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hóa học của glucose và do đó
ảnh hưởng đến khả năng oxi hóa của glucose. Bởi sự phụ thuộc quá trình oxi
hóa glucose vào độ hấp phụ của glucose tại bề mặt điện cực nên sự phụ thuộc
tuyến tính giữa dòng quá trình oxi hóa glucose vào nồng độ glucose là giảm rất
nhanh khi bề mặt điện cực bão hòa.
Vàng là một kim loại hấp phụ hóa học yếu nhưng có tính hoạt động điện
hóa cao hơn platin và do đó cũng thu hút rất nhiều các nghiên cứu như cảm biến
glucose không enzym. Điện cực vàng nguyên chất có độ chọn lọc cao hơn
platin nhưng vẫn có ái lực mạnh với ion clorua trong môi trường trung tính
[37]. Cụ thể, trong môi trường đệm photphat, tốc độ quá trình oxi hóa glucose
giảm tỉ lệ với nồng độ của ion clorua, đặc biệt ảnh hưởng mạnh ở thế kém
dương hơn. Điều là này do sự hấp phụ của ion clorua mạnh hơn oxi trên bề mặt
của vàng.
Điện cực Niken đang được khai thác một cách rộng rãi như là chất xúc tác
cho quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong môi trường kiềm. Rất nhiều
báo
13