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

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

ii


MỤC LỤC


iii


2.3. Các phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 19
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................19
2.3.2. Phương pháp phổ Raman ...........................................................................21
2.3.3. Phương pháp phổ tán sác năng lượng tia X (EDS) ....................................21
2.4. Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực CuS/ITO đối với glucose........ 22
2.5. Xác định nồng độ glucose trong dung dịch .................................................. 22
2.6. Nghiên cứu trên mẫu thực............................................................................. 22
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 22
3.1 Các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Cu và CuS ............................................. 23
3.2 Tính điện hóa của điện cực CuS/ITO xác định nồng độ glucose trong nước 27
3.3. Phương pháp chronoamperometry (CA) phân tích nồng độ glucose trong
dung dịch.............................................................................................................. 33
3.4. Phương pháp amperometry (AP) phân tích nồng độ glucose trong dung
dịch

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



EDS
TDN

Quá trình điện di

Electrophoresis
deposition process

EDP

Chronoamperometry

Chronoamperometry

CA

Amperometry

Amperometry

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

Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li nền đối với quá trình phản ứng
glucose tại điện cực: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M ......30
Hình 3.8. Dòng TDN của điện cực CuS/ITO đối với các nồng độ chất điện li
NaOH khác nhau: a) NaOH 0,01M; b) NaOH 0,1M; c) NaOH 1M ..........32
Hình 3.9. Dòng CA của điện cực CuS/ITO trong dung dịch NaOH 0,1M khi
không có và khi có mặt glucose 1 mM .......................................................34
Hình 3.10. Sự phụ thuộc mật độ dòng của điện cực CuS/ITO khi không có mặt và
khi có mặt glucose 1 mM ở các thế: a) 0,35V; b) 0,4V; c) 0,45V; d)
0,5V;e) 0,55V; f) 0,6V; g) 0,65V; h) sự phụ thuộc dòng TDN của điện
cực vào các thế khác nhau .......................................................................35
Hình 3.11. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,35V: 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 ..........36

vi


Hình 3.12. Dòng CA của điện cực đối với nồng độ glucose ở thế 0,4V: 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 ..........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

rất thấp) cũng như ngăn ngừa các biến chứng lâu dài phát sinh bao gồm nhồi máu
cơ tim, đột quỵ, cao huyết áp, suy thận, mù lòa và cắt bỏ chi [32]. Người ta
khuyên bệnh nhân mắc bệnh đái tháo đường phải kiểm tra lượng đường trong
máu hàng ngày để đảm bảo chúng nằm trong phạm vi an toàn. Do đó, để chăm
sóc và quản lý bệnh đái tháo đường đúng cách, đo lượng đường trong máu chính
xác là rất quan trọng. Các phép đo này thường được thực hiện bằng xét nghiệm
máu. Để đáp ứng yêu cầu đó, hàng loạt các thiết bị dùng để đo nồng độ glucose
đã được nghiên cứu và chế tạo [1]. Công nghệ cảm biến đã phát triển rất nhanh
và trở thành công cụ phân tích rất hữu dụng với ứng dụng chính chủ yếu trong y
học. Ngày nay, cảm biến sinh học glucose đóng vai trò quan trọng, là thiết bị
tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.

1


Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng các phương pháp điện hóa để nghiên
cứu và khảo sát tính chất điện hóa của glucose đối với điện cực. Phương pháp
quét thế vòng được sử dụng để đo đặc trưng oxi hóa khử của glucose đối với điện
cực. Phương pháp chrono amperometric và phương pháp amperometry 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





số các lĩnh vực khác như: môi trường, công nghiệp thực phẩm [5]. Cảm biến sinh
học glucose dựa trên điện cực enzym được ứng dụng rộng rãi nhất và đã được
đưa vào nghiên cứu từ nhiều thế kỉ trước. Nhìn chung, việc xác định nồng độ
glucose dựa vào phản ứng với một trong ba enzym: Hexokinase, Glucose oxidase
(GOx) và Glucose-1-dedhidrogenase (GDH) [11]. Hexokinase được sử dụng chủ
yếu trong phương pháp quang phổ, trong khi đó cảm biến sinh học dựa trên hai
enzym: GOx và GDH. Các enzym này khác nhau ở điện cực khử, độ nhạy đối
với glucose [17]. Xúc tác bởi enzym GOx có nhiều ưu điểm như: sự chọn lọc cao
với glucose, thích ứng với sự thay đổi pH, lực ion, nhiệt độ, do đó các nhà khoa
học có thể linh hoạt trong quá trình áp dụng chúng trong thực nghiệm [13], [17].

Hình 1.1. Sơ đồ cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học glucose dựa trên sự xúc tác của enzym GOx cho quá
trình oxi hóa β-D-glucose bằng việc sử dụng oxi có sẵn tạo ra axit gluconic và
hidro peoxit [38]. Để có thể hoạt động với vai trò như một chất xúc tác, GOx cần
một cơ chất gắn thêm vào có đặc tính khử (cofactor) – Flavin ađênin nucleotit
(FAD). FAD hoạt động như một chất nhận electon chuyển thành FADH2
Glucose + GOx – FAD+ Axit gluconic + GOx – FADH2
4


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

Glucose + GOx (Ox) axit gluconic + GOx (Khử)
GOx (Khử) + 2 M(Ox)  GOx (Ox) + 2M(Khử) + 2H+
2M (Khử) 2M (Ox) + 2e
Vòng chuyển đổi chất trung gian như vậy sẽ sinh ra một dòng phụ thuộc
vào nồng độ của glucose. Một số lượng lớn các chất trung gian như: ferrocenes
(C10H10Fe), ferricyanide ([Fe(CN)63-]), quinines và phức kim loại chuyển tiếp
[4]. Trong số đó, ferrocenes đáp ứng được tất cả các tiêu chí của một chất trung
gian như không phản ứng với oxi, duy trì ổn định cả ở dạng khử hay dạng oxi
hóa, không phụ thuộc vào pH, phản ứng nhanh với enzym [6]. Trong những năm
80, việc ứng dụng các chất trung gian trong cảm biến sinh học glucose và đưa
các sản phẩm thương mại để đo nồng độ glucose trong máu được đẩy mạnh và
đã mang lại nhiều dấu ấn đáng kể [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 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
6


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)

Như ta đã biết glucose trong nước tồn tại ở 3 dạng giữa dạng mạch hở và 2
dạng  và  được gọi là sự quay hỗ biến được mô ta như hình 1.2.

Hình 1.2. Sự chuyển hóa các dạng glucose và tỉ lệ trong pH=7
Trên hình 1.2 ta thấy dạng  mạch thẳng có nhóm andehit tự do nằm trung gian
giữa 2 dạng  và  ở dạng mạch vòng. Khi ở trạng thái cân bằng trong nước tỉ lệ
các dạng :: lần lượt là 37:0,003:63 cho thấy hầu hết chúng tồn tại ở dạng
mạch vòng.
Cơ chế của quá trình xúc tác của điện cực phụ thuộc vào tâm của kim loại
chuyển tiếp. Chất phân tích được hấp phụ lên bề mặt điện cực thông qua liên kết
gây bởi electron d và obitan d của kim loại trên bề mặt điện cực [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

8


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


10


Hình 1. 5. Quá trình oxi hóa glucose thành glucolactone sau đó thủy phân
thành axit gluconic
Tuy nhiên nhược điểm của điện cực Pt phụ thuộc mạnh vào điều kiện chất
điện li, đặc biệt là vào bản chất và nồng độ của các ion [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

11


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

đổi được. Thiết bị này được kết nối với máy tính chứa phần mềm điều khiển. Sơ đồ
hệ được thể hiện trên hình 1.8.

13


Hình 1.8. Sơ đồ cấu tạo của hệ 3 điện cực
Trước đây khi mới ra đời hệ chỉ có 2 điện cực là điện cực làm việc và điện
cực so sánh, thế được rơi trên 2 điện cực đồng thời dòng cũng xuất hiện giữa hai
điện cực. Nhược điểm của hệ 2 điện cực là dòng giữa 2 điện cực sẽ ảnh hưởng
đến điện cực so sánh làm thay đổi thế của điện cực so sánh dẫn đến tín hiệu đo
được bị nhiễu và không còn chính xác. Hệ 3 điện cực được cải tiến dựa trên hệ
hai điện cực, trong đó điện cực so sánh được tách thành 2 điện cực là điện cực
so sánh và điện cực đối. Thế được điều khiển giữa 2 điện cực làm việc và điện
cực so sánh trong khi đó dòng điện thì chạy giữa 2 điện cực làm việc và điện cực
đối. Vì vậy, dòng không ảnh hưởng gì đến thế của điện cực so sánh, điện cực so
sánh sẽ ổn định hơn.
14


1.3.2. Các kĩ thuật đo sử dụng hệ ba điện cực ứng dụng trong cảm biến sinh học
Hệ 3 điện cực có rất nhiều các phương pháp và các kỹ thuật đo khác nhau
tùy vào mục đích nghiên cứu. Các kĩ thuật đo chính như quét vòng: Cyclic
Voltametry Potentiostatic, Cyclic Voltametry Galvanostatic, v.v; quét tuyến tính:
Linear Sweep Voltammetry Potentiostatic, Linear Sweep Voltammetry
Galvanostatic, v.v; Phương pháp cực phổ xung vi phân: Differential Pulse
Voltametry; Phương pháp cực phổ sóng vuông: Square Wave Voltametry; các
phương pháp khác như đo tổng trở; v.v..
Trong nghiên cứu của chúng tôi, hệ 3 điện cực được dùng để khảo sát tính
chất của vật liệu. Để khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu chúng tôi dùng phương