›

Khóa luận Nghiên cứu chế tạo dây nano polypyrrole bằng phương pháp điện hóa

pdf 57 trang thiennha21 15/04/2022 2530
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Nghiên cứu chế tạo dây nano polypyrrole bằng phương pháp điện hóa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_nghien_cuu_che_tao_day_nano_polypyrrole_bang_phuon.pdf

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu chế tạo dây nano polypyrrole bằng phương pháp điện hóa

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  TRẦN THỊ ÚT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO POLYPYRROLE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ Người hướng dẫn khoa học ThS. PHẠM VĂN HÀO HÀ NỘI - 2018
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC  TRẦN THỊ ÚT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NANO POLYPYRROLE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ Người hướng dẫn khoa học ThS. PHẠM VĂN HÀO HÀ NỘI - 2018
  3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới ThS. Phạm Văn Hào, thầy đã định hƣớng cho em có đƣợc những tƣ duy khoa học đúng đắn, chỉ bảo tận tình đồng thời tạo rất nhiều thuận lợi cho em trong suốt quá trình xây dựng và hoàn thiện đề tài này. Em xin đƣợc cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học - Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2, các thầy cô trong khoa đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình, giúp em có những bài học bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu để hoàn thành khóa luận và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Vật lý, Viện Nghiên cứu Khoa học và Ứng dụng, Đại Học Sƣ phạm Hà Nội 2 và Viện đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em thực hiện khóa luận này. Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 5 năm 2017 SINH VIÊN Trần Thị Út
  4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của ThS. Phạm Văn Hào. Các số liệu và kết quả trong khóa luận là chính xác, trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng 5 năm 2017 SINH VIÊN Trần Thị Út
  5. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Từ tiếng anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt BG bare gold điện cực răng lƣợc vàng CCD charge coupled device thiết bị cảm biến điện tích kép CE counter electrode điện cực counter CPE paste cacbon electrode phần tử pha không đổi(điện cực CV cyclic voltammetry phƣơng pháp Vol-Ampe vòng DI de - ionize nƣớc khử ion DNA deoxyribonucleic acid axit deoxyribonucleic mức năng lƣợng nhỏ nhất trong vùng Ec engener conduction dẫn Eg engener gap năng lƣợng vùng cấm electrochemical EIS impedance spectroscopy phổ tổng trở điện hóa mức năng lƣợng lớn nhất trong vùng hóa Ev engener valence trị Fourier transform infrared FTIR spectroscopy phổ hông ngoại biến đối Fourier highest occupied HOMO molecular orbital quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm international Union of Pure and Applied hiệp hội Hóa Tinh khiết và Ứng dụng IUPAC Chemistry Quốc tế lowest unoccupied quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị LUMO molecular orbital chiếm MO molecule orbital orbital phân tử PBS phosphate buffer saline Ppy polypyrrole polypyrrole
  6. Ppy-NWs polypyrrole nanowires dây nano polypyrrole RE Reference electrode điện cực so sánh scanning electron SEM microscopy hiển vi điện tử quét WE working electrode điện cực làm việc
  7. MỤC LỤC NỘI DUNG 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Nội dung nghiên cứu 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 2 5. Điểm mới của đề tài 2 PHẦN 2: NỘI DUNG 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Polyme dẫn 3 1.1.1. Sự tạo thành polyme dẫn 4 1.1.2.Cơ chế dẫn điện của polyme 4 1.1.2.1. Thuyết vùng năng lƣợng 5 1.1.2.2. Sự hình thành trạng thái oxi hóa khử 8 1.1.3. Một số ứng dụng của polyme dẫn 11 1.2. Polypyrolle 12 1.2.1. Đặc điểm của Polypyrrole 12 1.2.2. Hoạt tính điện hóa của polypyrrole 13 1.2.3. Tổng hợp Polypyrrole 14 1.2.3.1. Tổng hợp hóa học 14 1.2.3.2. Tổng hợp điện hóa 15 1.2.3.3. Cơ chế polyme hóa 16 1.2.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự polyme hóa điện hóa 19 1.3. Cảm biến ADN 19 1.3.1. Một số khái niệm 19 1.3.2. Cảm biến sinh học trên cơ sở ADN 20 1.3.3. Ứng dụng dây nano PPy trong cảm biến DNA 21 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 22
  8. 2.1. Tổng hợp PPY bằng phƣơng pháp điện hóa 22 2.1.1. Hóa chất, thiết bị 22 2.1.2. Qui trình chế tạo 22 2.1.2.1. Chuẩn bị 22 2.1.2.2. Quá trình chế tạo 23 2.2. Các phƣơng pháp phân tích 25 2.2.1. Phƣơng pháp quét thế tuần hoàn vòng (CV) 25 2.2.2. Phƣơng pháp đo tổng trở (EIS). 26 2.2.3. Kính hiển vi điện tử quét ( SEM) 29 2.2.4. FTIR, Raman 30 2.2.4.1. Phổ hồng ngoại FTIR 30 2.2.4.2. Phổ Raman 30 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực răng lƣợc vàng 32 3.2. Ảnh hƣởng của gelatin trong tổng hợp PPy-NWs 33 3.3. Hình thái học của PPy-NWs 35 3.4. Phổ FT-IR và Raman của PPy-NWs 37 3.5. Phổ tổng trở 38 PHẦN 3. KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
  9. DANH MỤC HÌNH, BẢNG Hình 1.1. Cấu trúc của các polyme dẫn điển hình 4 Hình 1.2. Dải năng lƣợng điện tử: (a) kim loại, (b) chất bán dẫn, (c)chất cách điện (Dải màu đen tƣợng trƣng cho dải hóa trị và dải màu trắng cho dải dẫn điện) 6 Hình 1.3. Sự hình thành vùng năng lƣợng trong polyme (n là số mắt xích trong mạch polyme) 7 Hình 1.4. Giản đồ mô tả năng lƣợng vùng cấm của polyme 7 Hình 1.5. Polaron, bipolaron và sự hình thành của các dải năng lƣợng tƣơng ứng. 9 Hình 1.6. Cấu tạo một đoạn mạch polypyrrole ở trạng thái 13 Hình 1.7. Trạng thái khử (a) và trạng thái oxi hóa (b) của PPy với sự pha tạp - anion (A ) 13 Hình 1.8. Cơ chế polyme hóa điện hóa 16 Hình 1.9. Sự ghép mạch β hình thành cấu trúc PPy mạch nhánh 17 Hình 1.10. Phản ứng tổng hợp PPy bằng phƣơng pháp điện hóa 18 Bảng 2.1. Trình tự chuỗi ADN dò, ADN đích đặc hiệu 22 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình sửa đổi bề mặt của bộ cảm biến răng lƣợc. Từ trái sang phải: Điện cực răng lƣợc vàng, BG/PPy- NWs, BG/PPy-PPy/ADN dò và BG/PPy-PPy/lai hóa ADN. 23 Hình 2.2. (a) Sơ đồ mặt trƣớc của cảm biến đƣợc gồm 4 điện cực (ký hiệu là 1– 4). (b) Sơ đồ của quá trình trùng hợp polypyrrole và thiết lập đo lƣờng EIS. (c) Ba cấu hình kết nối của bốn nhánh điện cực: (i) và (ii) cho trùng hợp polypyrrole, (iii) cho phép đo EIS. 24 Hình 2.3. Quan hệ của dòng điện và điện thế trong quét thế tuần hoàn 25 Hình 2.4: Sơ đồ khối mô phỏng nguyên lý đo tổng trở 26 Hình 2.5. Biểu diễn hình học các phần tử phức 27
  10. Hình 2.6. Mạch tƣơng đƣơng ứng với hệ điện hóa bị khống chế bởi quá trình chuyển điện tích 27 Hình 2.7. Mạch tƣơng đƣơng tổng trở khuếch tán Warburg 28 Hình 2.8. Sơ đồ tƣơng đƣơng của bình điện phân 29 Hình 2.9. Sơ đồ quang của máy quang phổ Raman 31 Hình 3.1. Đƣờng CV khảo sát đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực răng lƣợc trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 50 mV/s 32 Hình 3.2. Đƣờng chronoamperometric tổng hợp PPy trong Py 0,1 M, 34 Hình 3.3. Ảnh SEM của PPy đƣợc tổng hợp trong pyrrole 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS và:(a) 0 % gelatin; (b): 0,08 % gelatin. Thời gian tổng hợp PPy là 200 s. . 35 Hình 3.4. Ảnh SEM của dây nano PPy phủ trên điện cực BG. 36 Hình 3.5. Phổ FTIR và Raman của PPy-NWs trên bề mặt điện cực vàng. 37 Hình 3.6. Phổ EIS của điện cực BG (hình vuông đen), BG/PPy-NWs (hình tròn đỏ), điện cực GNP-PPy (tam giác rắn) trƣớc (a) và sau (b) cố định ADN. Mạch tƣơng đƣơng Randles đƣợc ghép trong hình (a). 39 Bảng 3.1. Các thông số trở kháng thu đƣợc từ sự phù hợp với mô hình Randles. (Các điện cực sau khi cố định với ADN đầu dò đƣợc ký hiệu là /ADN). 40 Hình 3.7. Đƣờng quét thế tuần hoàn (CV) của các điện cực BG (hình vuông đen), BG/PPy-NWs (vòng tròn đỏ) trƣớc (a) và sau (b) cố định ADN dò. 41
  11. NỘI DUNG PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, trƣớc thực trạng nguồn tài nguyên tự nhiên ngày càng cạn kiệt thì nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu hữu cơ ngày càng thể hiện vai trò quan trọng trong sự phát triển ổn định, bền vững của con ngƣời trong tƣơng lai. Polyme dẫn là một trong những loại vật liệu hữu cơ đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi, phổ biến trong các ngành công nghiệp hiện đại ngày nay. Đối với khoa học hiện đại, các vật liệu có cấu trúc nano đƣợc xem nhƣ là vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn cho ứng dụng trong khoa học công nghệ nhƣ điện tử, y sinh Và một trong số chúng thì Polypyrrole đang là polyme có nhiều ƣu điểm cho việc nghiên cứu và ứng dụng. Polyprrole là một polyme có cấu trúc nối đôi liên hợp đƣợc tổng hợp từ các monomer pyrrole, một hợp chất hữu cơ dị vòng thơm năm cạnh chứa nitơ. Polypyrrole tổng hợp bằng phƣơng pháp hóa học hay điện hóa và với nhiều dạng hình thái học khác nhau nhƣ màng, que, dây, bột Dây nano polypyrrole có diện tích bề mặt lớn, có tính dẫn điện ổn định nên đây là vật liệu tiềm năng sử dụng làm lớp tiếp giáp ứng dụng trong công nghệ cao. Cấu trúc mạng của PPy có tính tƣơng thích sinh học cao, thích hợp với những ứng dụng cảm biến sinh học. Hiện nay, trên thế giới các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu chế tạo PPy và ứng dụng nó trong nhiều lĩnh vực. Ở Việt Nam cũng có nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm đến dạng vật liệu polyme dẫn này, nhƣ nhóm nghiên cứu BIOMAT ở Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội; nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nano và Năng lƣợng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Xuất phát từ những lý do trên tôi đã lựa chọn nội dung nghiên cứu: “Nghiên cứu chế tạo dây nano Polypyrrole bằng phƣơng pháp điện hóa”. 1
  12. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu đƣợc thực hiện với 2 mục tiêu chính: - Tổng hợp dây nano Polypyrrole bằng phƣơng pháp điện hóa - Định hƣớng bƣớc đầu ứng dụng trong chế tạo cảm biến điện hóa ADN 3. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tài liệu: Phƣơng pháp tổng hợp điện hóa tổng hợp Ppy. - Tổng hợp Polypyrrole bằng phƣơng pháp điện hóa. - Đặc trƣng cấu trúc điện tử của PPy, thu đƣợc bằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại FT-IR, Raman. - Đặc trƣng hình thái cấu trúc của PPy, thu đƣợc bằng phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM). - Các tham số vật liệu, thu đƣợc bằng phƣơng pháp phổ tổng trở (EIS). 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tổng quan tài liệu - Thực nghiệm 5. Điểm mới của đề tài - Chế tạo thành công dây nano polypyrrole trên nền điện cực răng lƣợc vàng bằng phƣơng pháp điện hóa. Tối ƣu hóa các hóa chất và kỹ thuật điện hóa để có thể chế tạo polypyrrole dạng dây nano. - Chỉ ra đƣợc sự thay đổi độ dẫn và diện tích hiệu dụng của các điện cực răng lƣợc vàng sau khi đƣợc sửa đổi bằng PPy-NWs. - Việc sửa đổi bề mặt điện cực răng lƣợc vàng bởi PPy-NWs đã bƣớc đầu hứa hẹn những cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến điện hóa ADN. 2
  13. PHẦN 2: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Polyme dẫn Không giống với thuật ngữ polyme thông thƣờng, polyme dẫn dùng để chỉ một loại polyme có đặc tính dẫn điện tự nhiên [3]. Sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này đƣợc đánh dấu bởi sự kiện ba nhà khoa học A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid và H. Shirakawa đƣợc vinh danh tại giải thƣởng Nobel Hóa học năm 2000 với công trình nghiên cứu về một số polyme dẫn, đặc biệt là polyacetylene. Tuy nhiên, polyme dẫn đã xuất hiện sớm hơn từ những năm 1900 trong những báo cáo về “aniline đen” và “pyrrole đen”. Những phƣơng pháp tổng hợp tại thời điểm đó chỉ tạo ra dạng bột màu đen và độ dẫn thấp nên những tính chất của chúng không nổi bật [4]. Sự polyme hóa acetylene đƣợc thực hiện lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Natta và cộng sự [5], tuy nhiên vật liệu polyacetylene này có độ dẫn rất thấp nên nhận đƣợc ít sự quan tâm. Cho đến khi công trình của MacDiarmid công bố độ dẫn của polyacetylene pha tạp iot tăng lên 106 lần [6] so với polyacetylene của Natta, các công trình nghiên cứu về vật liệu polyme dẫn mới bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Tuy có độ dẫn điện cao, gần với tính chất dẫn điện của kim loại, nhƣng polyacetylene lại kém bền với nhiệt nên những nghiên cứu sau đó tập trung vào những vật liệu polyme dẫn ổn định hơn. Vật liệu polyme dựa trên monomer là các hợp chất hữu cơ dị vòng thơm có chứa dị tố nitơ hoặc lƣu huỳnh bắt đầu phát triển mạnh. Tất cả polyme dẫn này đều có hệ điện tử π liên hợp dọc theo mạch carbon (nối đôi liên hợp); những polyme tiêu biểu bao gồm polyaniline (PANi), polypyrrole (PPy) và polythiophene (hình 1.1). 3
  14. H N N N n H H n polyacetylene polyaniline N S H n n polypyrrole polythiophene Hình 1.1. Cấu trúc của các polyme dẫn điển hình 1.1.1. Sự tạo thành polyme dẫn Tổng hợp polyme dẫn có thể đƣợc thực hiện theo hai hƣớng tiếp cận, đó là tổng hợp hóa học và tổng hợp điện hóa [7,8]. Cơ chế tổng hợp của cả hai phƣơng pháp có thể đƣợc chia thành ba giai đoạn, bắt đầu bằng giai đoạn khơi mào khi quá trình oxi hóa monomer để tạo thành cation gốc. Sau đó, bởi vì có hoạt tính hóa học cao, cation gốc sẽ phản ứng với monomer hoặc cation gốc khác để tạo thành dạng dimer (dạng hai phân tử có thể ở trạng thái trung hòa hoặc cation gốc). Dạng dimer sẽ tiếp tục phản ứng tƣơng tự để tạo thành trimer (ba phân tử) và oligomer (nhiều phân tử). Giai đoạn này đƣợc gọi là giai đoạn phát triển mạch polyme. Khi mạch polyme đủ lớn, có sự xuất hiện của tác nhân dập tắt mạch hoặc nồng độ monomer còn lại rất nhỏ, quá trình phát triển mạch kết thúc bởi sự chuyển trạng thái cation gốc thành dạng trung hòa điện tích. Giai đoạn kết thúc sự polyme hóa đƣợc gọi là giai đoạn dập tắt mạch. 1.1.2.Cơ chế dẫn điện của polyme Khi tính chất dẫn điện trong polyme dẫn đƣợc khám phá, những hƣớng tiếp cận khác nhau để giải thích tính chất này đã đƣợc đề xuất. Trong đó, hƣớng tiếp cận sử dụng lý thuyết vùng năng lƣợng trong chất rắn đƣợc đƣa ra bƣớc đầu 4
  15. phân loại các “polyme dẫn đen” [9]. Sau đó, cơ chế dẫn điện đƣợc giải thích rõ hơn dựa vào sự hình thành các trạng thái oxi hóa khử trong phân tử polyme. 1.1.2.1. Thuyết vùng năng lượng Lý thuyết vùng năng lƣợng dựa trên mô hình năng lƣợng vùng cấm để giải thích và phân loại chất rắn theo tính chất dẫn điện thành ba loại: vật liệu cách điện, bán dẫn và dẫn. Điện tử tồn tại trong nguyên tử ở những mức năng lƣợng gián đoạn (trạng thái dừng). Nhƣng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau trong mạng tinh thể, sự tƣơng tác giữa các nguyên tử làm các mức năng lƣợng gián đoạn che phủ lên nhau và hình thành các vùng năng lƣợng. Có ba vùng năng lƣợng chính: + Vùng hóa trị: có mức năng lƣợng thấp, điện tử trong vùng này liên kết mạnh với hạt nhân và không linh động. + Vùng dẫn: có mức năng lƣợng cao, điện tử có độ linh động cao và là điện tử dẫn. + Vùng cấm: nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lƣợng nào do đó điện tử không tồn tại trên vùng cấm. Năng lƣợng vùng cấm (Eg) là năng lƣợng chênh lệch giữa mức năng lƣợng lớn nhất trong vùng hóa trị (Ev) và mức năng lƣợng nhỏ nhất trong vùng dẫn (Ec). Theo lý thuyết vùng năng lƣợng, vật liệu dẫn điện khi có sự chuyển mức của điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (hình 1.2). Trong vật liệu dẫn, điển hình là kim loại, do có sự chồng chập của vùng hóa trị lên vùng dẫn hoặc vùng hóa trị liền kề với vùng dẫn, nên Eg của loại vật liệu này xấp xỉ 0, điện tử từ vùng hóa trị dễ dàng chuyển lên vùng dẫn dƣới tác dụng của điện trƣờng. Ngƣợc lại, vật liệu cách điện có Eg rất lớn, khoảng 10 eV, nên sự kích thích điện tử chuyển mức rất khó xảy ra. Vật liệu bán dẫn có đặc trƣng năng lƣợng vùng cấm trung gian giữa vật liệu dẫn và vật liệu cách điện nên có sự chuyển mức điện tử khi đƣợc kích thích bởi năng lƣợng thích hợp nhiệt, quang Vì vậy, bán dẫn có 5
  16. thể cách điện hoặc dẫn điện phụ thuộc vào điều kiện năng lƣợng kích thích xác định. Hình 1.2. Dải năng lƣợng điện tử: (a) kim loại, (b) chất bán dẫn, (c)chất cách điện (Dải màu đen tƣợng trƣng cho dải hóa trị và dải màu trắng cho dải dẫn điện) Trong cấu trúc polyme, mỗi một mắt xích (một cấu trúc monomer) đƣợc coi là một đơn vị trong mạng polyme tƣơng tự nhƣ nguyên tử trong mạng tinh thể chất rắn. Khi phân tử monomer ở trạng thái cơ bản, điện tử tồn tại ở các mức năng lƣợng gián đoạn (năng lƣợng orbital phân tử - MO), mức năng lƣợng cao nhất bị chiếm bởi điện tử đƣợc gọi là HOMO và mức năng lƣợng thấp nhất bị chiếm bởi điện tử đƣợc gọi là mức LUMO. Khi hình thành cấu trúc polyme, tƣơng tự nhƣ trong tinh thể chất rắn, sự tƣơng tác giữa các mắt xích gần nhau dẫn đến sự hình thành các vùng năng lƣợng từ các mức năng lƣợng gián đoạn. Trong đó, HOMO tạo nên vùng hóa trị, LUMO tạo nên vùng dẫn của polyme (hình 1.3). Vùng cấm hình thành giữa mức HOMO và LUMO, nơi không có mức năng lƣợng cho phép tồn tại điện tử. Nhƣ vậy năng lƣợng vùng cấm của polyme (Eg) cũng cho phép xác định tính chất dẫn điện của của loại vật liệu này. Bredas và Street đã chứng minh Eg của polyme dẫn trong khoảng 1.0 eV và phân loại chúng vào loại vật liệu bán dẫn. 6
  17. Hình 1.3. Sự hình thành vùng năng lƣợng trong polyme (n là số mắt xích trong mạch polyme) Lý thuyết vùng năng lƣợng cũng giải thích cho tính bán dẫn chỉ xuất hiện ở một số polyme có hệ điện tử π liên hợp dọc theo mạch carbon, ví dụ nhƣ polyacetylene (hình 1.4). Bởi vì HOMO và LUMO của những polyme này lần lƣợt là các orbital phân tử MO-π và MO-π* [1] nên mức chênh lệch năng lƣợng HOMO-LUMO (Eg) thấp. Trong khi đó, HOMO và LUMO của những polyme không có hệ điện tử π liên hợp mở rộng, ví dụ nhƣ polyethylene, lần lƣợt là MO- σ và MO- σ* nên Eg rất lớn, và là một vật liệu cách điện. Hình 1.4. Giản đồ mô tả năng lƣợng vùng cấm của polyme 7
  18. So sánh độ rộng vùng cấm quang thu đƣợc từ thực nghiệm cho thấy polyacetylene không pha tạp có giá trị 1.7 eV [11], trong khi polyethylene có giá trị 7.0 eV [12]. Nhƣ vậy, dựa trên mô hình lý thuyết vùng năng lƣợng, polyme dẫn đƣợc phân loại là vật liệu bán dẫn và tính chất bán dẫn có sự liên hệ chặt chẽ đến hệ điện tử π liên hợp. Tuy nhiên mô hình lý thuyết này không giải thích đƣợc đầy đủ về tính chất dẫn điện của polyme dẫn, đặc biệt là ảnh hƣởng của sự pha tạp đến độ dẫn. 1.1.2.2. Sự hình thành trạng thái oxi hóa khử Một hƣớng tiếp cận khác để giải thích rõ bản chất dẫn điện của polyme đó là sự hình thành của các trạng thái oxi hóa khử nhờ vào sự oxi hóa khử cấu trúc nối đôi liên hợp của polyme. Sự oxi hóa này tạo ra các “hạt” tải điện linh động trong cấu trúc polyme đƣợc gọi bằng thuật ngữ polaron và bipolaron [9,13,14]. Trong trƣờng hợp của polypyrrole, quá trình oxi hóa làm mất một điện tử π ở HOMO tạo ra lỗ trống mang điện tích dƣơng (+) và một cation gốc (.) do một điện tử π đơn lẻ còn lại. Lỗ trống điện tích dƣơng và cation gốc kết hợp với nhau thông qua sự cộng hƣởng vị trí điện tích trong mạch liên hợp π, sự kết hợp này tạo ra một cặp đƣợc gọi là polaron trong vật lý. Cặp lỗ trống và cation gốc tạo polaron thƣờng cách nhau từ 3 đến 4 đơn vị pyrrole trong polyme. Sự xuất hiện của tạp chất là phần tử mang điện tích âm trong polypyrrole tạo ra tƣơng tác tĩnh điện làm bền và định vị cặp lỗ trống và cation gốc trong mạch. Nhƣ vậy, sự oxi hóa polyme có thể đƣợc xem là quá trình pha tạp loại p cho bán dẫn, tạo ra lỗ trống-cation gốc và phần tử tạp điện tích âm. Khi tăng nồng độ của tạp chất, số lƣợng của polaron trong polyme sẽ gia tăng. Nếu hai polaron trong mạng polyme đủ gần nhau, hai điện tử π của cation gốc sẽ ghép cặp trở thành liên kết đôi, còn hai lỗ trống sẽ ghép cặp với nhau tạo bipolaron [7]. Sự hình thành bipolaron đạt đƣợc trạng thái năng lƣợng thấp hơn hai polaron riêng rẽ, bởi vì lợi ích về mặt năng lƣợng làm bền vững mạng polyme lớn hơn tƣơng tác đẩy Coulomb giữa hai polaron [14]. Cả hai polaron và 8
  19. bipolaron có tính linh động và có thể di chuyển trong mạch polyme bởi sự sắp xếp lại các liên kết đôi và đơn trong hệ liên hợp dƣới tác dụng của điện trƣờng. Nhƣ vậy, polaron và bipolaron là những “hạt” tải điện trong polyme dẫn tƣơng tự nhƣ “hạt” tải điện là lỗ trống và điện tử trong bán dẫn vô cơ. Trong trƣờng hợp polyme pha tạp nồng độ thấp, polaron đóng vai trò là phần tử tải điện. Khi nồng độ tạp cao, mật độ bipolaron chiếm ƣu thế và là phần tử tải điện. Sự di chuyển của polaron và bipolaron trong một mạch (chuỗi) polyme dƣới tác dụng của trƣờng tĩnh điện đƣợc gọi là chuyển nội mạch. Sự chuyển liên mạch khi hạt tải điện truyền giữa các mạch gần nhau cũng góp phần hình thành dòng điện trong polyme dẫn [15]. Hình 1.5. Polaron, bipolaron và sự hình thành của các dải năng lƣợng tƣơng ứng. 9
  20. Phát triển lý thuyết vùng năng lƣợng với polyme dẫn, cấu trúc vùng năng lƣợng và mối liên hệ với cơ chế dẫn điện bởi polaron và bipolaron của polyme đã đƣợc nghiên cứu lý thuyết dựa trên nhiều phƣơng pháp khác nhau, từ các phƣơng pháp lƣợng tử phức tạp cho đến lý thuyết Huckel đơn giản. Sự hình thành polaron và bipolaron tƣơng ứng với sự hình thành của các trạng thái năng lƣợng cho phép điện tử tồn tại trong vùng cấm. Sự hình thành một polaron, cặp lỗ trống và cation gốc, tƣơng ứng với hai mức năng lƣợng hình thành trong vùng cấm lần lƣợt cách đáy vùng dẫn (LUMO) và đỉnh vùng hóa trị (HOMO) khoảng 0,53 eV [9]. Trong đó, điện tử đơn lẻ của polaron sẽ chiếm mức năng lƣợng thấp hơn gần vùng hóa trị. Tƣơng tự nhƣ vậy, sự hình thành bipolaron cũng tƣơng ứng với hai mức năng lƣợng xuất hiện trong vùng cấm lần lƣợt cách các đỉnh 0,79 eV (hình 1.5). Khi polyme dẫn đƣợc pha tạp ở nồng độ cao tạo ra mật độ bipolaron lớn, các mức năng lƣợng gián đoạn của các bipolaron sẽ chồng chập lên nhau tạo thành vùng năng lƣợng trong vùng cấm đƣợc gọi là vùng bipolaron có độ rộng khoảng 0,4 eV. Nhƣ vậy, các bậc năng lƣợng mới hình thành trong vùng cấm tồn tại nhƣ các bậc thang giúp điện tử dễ dàng chuyển mức từ vùng hóa trị lên các vùng năng lƣợng cao hơn và sự dẫn điện trong polyme dẫn hình thành. Để duy trì trạng thái dẫn điện, trạng thái oxi hóa hoặc khử của polyme phải đƣợc duy trì bởi sự kết hợp với các phần tử anion hoặc cation trong mạng polyme, nhƣ mô tả bởi phƣơng trình 1.1 và 1.2. Ở đây, P kí hiệu cho polyme ở trạng thái trung hóa, Pn+ là polyme ở trạng thái oxi hóa kết hợp với aninon A-, Pn- là polyme ở trạng thái khử kết hợp với cation C+, n là số mol muối pha tạp. Pha tạp anion – polyme dẫn loại p P + nCA → Pn+nA- + nC+ (1.1) Pha tạp cation - polyme dẫn loại n P + nCA → Pn-nC+ + nA- (1.2) 10
  21. Tùy vào từng loại polyme bán dẫn loại n hoặc p, tăng nồng độ tạp cation hoặc anion tƣơng ứng làm tăng cƣờng độ dẫn của polyme. Tuy nhiên, tồn tại giá trị nồng độ tạp lớn nhất để độ dẫn của polyme đạt tối đa và giá trị này khác nhau với từng loại polyme khác nhau. Nhƣ vậy, tính chất dẫn điện của polyme phụ thuộc vào hai yếu tố chính đó là trạng thái oxi hóa của hệ liên hợp điện tử π trong cấu trúc polyme và mức độ pha tạp ion. 1.1.3. Một số ứng dụng của polyme dẫn Hiện nay nay, vật liệu này đã phát triển mạnh mẽ trong các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Trên phƣơng diện nghiên cứu cơ bản, polyme dẫn điện nhƣ một cầu nối giữa hóa học và vật lý, góp phần phát triển những vấn đề cơ bản trong vật lý chất rắn nhƣ lý thuyết vùng năng lƣợng, chuyển hóa giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Trên phƣơng diện ứng dụng vật liệu học, polyme dẫn mang những đặc tính điện học và quang học của một chất bán dẫn nhƣng vẫn giữ đƣợc đặc tính vốn có của một polyme về cơ tính. Ngoài ra, khả năng chuyển hóa từ trạng thái cách điện sang dẫn điện và ngƣợc lại, khả năng hấp thụ năng lƣợng ở dải bức xạ rộng từ hồng ngoại đến tử ngoại cho thấy những tiềm năng ứng dụng đa dạng hấp dẫn của vật liệu này. a. Tích trữ năng lượng Nhận thấy nếu polyme tồn tại bền vững ở trạng thái oxy hóa cao nhất thì có thể đƣợc chọn làm vật liệu catot cho pin. b. Làm đi ốt Ta biết rằng thiết bị chỉnh lƣu là thành phần chính của mạch điện tử. Vì có khoảng cấm hẹp nên polyme dẫn đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhờ đặc tính bán dẫn. Để thay đổi độ dẫn điện của bán dẫn, phƣơng pháp cơ bản là lựa chọn tính chất vƣợt trội chiếm ƣu thế đƣợc khống chế về phụ gia và nó cho phép tạo ra bán dẫn loại n hoặc p, sự phụ thuộc về không gian, mức năng lƣợng đƣợc giữ cân bằng mặc dù tồn tại trƣờng điện từ cao. 11
  22. c. Thiết bị điều khiển logic Một số loại polyme dẫn có tính chất dẫn điện rất đặc biệt nó có độ dẫn điện tăng rất nhanh khi áp thế vào do đó nó có thể đƣợc ứng dụng trong điều khiển logic và tạo ra tín hiệu ở dạng số. d. Đi ốt phát quang Polyme dẫn biết đến nhƣ vật liệu phát quang điện thế, nó đƣợc sử dụng để thay thế cho vật liệu phát quang vô cơ, nó cho phép sử dụng trên bề mặt rộng, nó rất nhẹ và dẻo e. Thiết bị đổi màu điện tử Trong quá trình nghiên cứu về polyme dẫn, có một số polyme có sự thay đổi màu sắc khi chuyển từ dạng oxi hóa này sang dạng oxi hóa khác hoặc dạng khử. Do đó ta có thể thay đổi trạng thái oxi hóa của màng polyme từ đó thay đổi màu sắc của màng bằng cách thay đổi điện áp 1.2. Polypyrolle 1.2.1. Đặc điểm của Polypyrrole Polypyrrole là một polyme có cấu trúc nối đôi liên hợp (cấu trúc điện tử π dọc theo mạch polyme) đƣợc tổng hợp từ monomer pyrrole, một hợp chất hữu cơ dị vòng thơm năm cạnh chứa dị tố nitơ (N). Polypyrrole đƣợc tổng hợp hóa học lần đầu tiên vào năm 1916 bởi sự oxi hóa monomer pyrrole bằng hydrogen peroxide PPy tạo thành dƣới dạng bột vô định hình có màu đen nên còn đƣợc gọi là “pyrrole đen”. Nhiều năm sau đó, phƣơng pháp điện hóa tổng hợp PPy mới đƣợc báo cáo bởi Dall’Ollio và cộng sự PPy của Dall’Ollio [16] đƣợc tạo thành bởi sự điện phân dung dịch monomer pyrrole trong H2SO4 tạo lớp phủ PPy trên điện cực platin. Những công bố sau đó sử dụng các thành phần dung dịch khác thay thế cho H2SO4, PPy có thể đƣợc tổng hợp trên nhiều loại đế bằng phƣơng pháp điện hóa. 12
  23. Hình 1.6. Cấu tạo một đoạn mạch polypyrrole ở trạng thái trung hòa điện tích PPy là polyme dạng sợi nên có thể tổng hợp dƣới dạng vật liệu có nhiều dạng hình thái học khác nhau có cấu trúc có diện tích bề mặt lớn. Hơn nữa, PPy có tính dẫn điện ổn định trong môi trƣờng dung dịch cũng nhƣ trong không khí nên PPy là vật liệu tiềm năng sử dụng làm lớp tiếp giáp ứng dụng trong công nghệ cao. Cấu trúc mạng của PPy có tính tƣơng thích sinh học cao, thích hợp với những ứng dụng cảm biến sinh học, 1.2.2. Hoạt tính điện hóa của polypyrrole Bản chất dẫn điện trong polyme đã đƣợc trình bày trong mục trƣớc cho thấy tính chất quan trọng nhất cho phép những polyme có cấu trúc nối đôi liên hợp chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện là tính chất oxi hóa khử. Trong dạng không pha tạp, PPy duy trì trạng thái trung hòa điện tích, có độ rộng vùng cấm 3.2 eV và là vật liệu cách điện [9]. Trạng thái trung hòa về điện tích đƣợc gọi là trạng thái khử của PPy. Polypyrrole có hệ điện tử π liên hợp dọc theo chuỗi polyme. Điện tử π liên hợp tƣơng đối linh động nên dễ dàng bị tách ra khỏi chuỗi nền bởi sự oxi hóa, khi đó hình thành trạng thái oxi hóa của PPy. H H H a) N N N N N H H - e- + A- H H H b) N N N N N A- H H Hình 1.7. Trạng thái khử (a) và trạng thái oxi hóa (b) của PPy với sự pha tạp anion (A-) 13
  24. Trong trạng thái oxi hóa, sự xuất hiện polaron và bipolaron mang điện tích dƣơng, độ linh động cao làm PPy trở thành vật liệu dẫn điện. Để cân bằng điện tích dƣơng này, anion trong dung dịch sẽ đi vào PPy trong quá trình tổng hợp. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình pha tạp (doping) anion giúp duy trì trạng thái oxi hóa cũng nhƣ tính dẫn điện của PPy. Ở trạng thái pha tạp độ rộng vùng cấm của PPy giảm xuống còn khoảng 1.2 eV [9]. Sơ đồ hình 1.7 thể hiện sự oxi hóa/pha tạp anion của PPy. Theo chiều ngƣợc lại, khi anion tạp tách ra khỏi chuỗi PPy, sự cân bằng điện tích không còn, PPy ở dạng oxi hóa (a) dễ dàng chuyển thành dạng khử (b) trung hòa điện tích. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình khử và giải pha tạp (dedoping), PPy chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái cách điện. Sự chuyển hóa qua lại giữa hai dạng này không những liên quan đến việc thay đổi tính dẫn điện mà còn làm thay đổi hình dạng, kích thƣớc, tính chất quang, từ của vật liệu. Nhƣ vậy, PPy và một số polyme dẫn khác nhƣ polyaniline, polythiophene [17] có tính thuận nghịch pha tạp/ giải pha tạp đƣợc gọi là những polyme hoạt tính điện hóa. 1.2.3. Tổng hợp Polypyrrole 1.2.3.1. Tổng hợp hóa học Giống nhƣ tất cả các loại polyme dẫn điện khác, polypyrrole có thể đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp hóa học hoặc điện hóa. Trong phƣơng pháp tổng hợp hóa học, giai đoạn khơi mào là sự oxi hóa monomer bởi tác nhân oxi hóa mạnh nhƣ ammonium peroxydisulphate; các ion permanganate, dichromate, ferric; hoặc hydrogen peroxide [18]. Đặc trƣng của tổng hợp polyme hóa học đa phần xảy ra trong dung dịch. Tuy nhiên sự polyme hóa cũng có thể đƣợc thực hiện trực tiếp trên bề mặt bằng kỹ thuật polyme hóa pha hơi [19], khi tác nhân oxi hóa đƣợc phủ lên bề mặt và monomer ở pha hơi. Polyme đƣợc tổng hợp hóa học trong dung dịch cho cấu trúc dạng khối kết tủa. 14
  25. Tốc độ polyme hóa có thể đƣợc điều khiển bởi sự thay đổi các điều kiện phản ứng nhƣ nồng độ chất oxi hóa và monomer, nhiệt độ [20]. Những tác nhân oxi hóa đƣợc sử dụng phổ biến bao gồm FeCl3, các muối Fe(III) khác, muối Cu(II), halogen, hợp chất hữu cơ [21]. Trong báo cáo của Machida và cộng sự [22], PPy đƣợc tổng hợp bởi sự oxi hóa pyrrole bằng FeCl3 trong dung môi methanol có độ dẫn lên tới 328 Scm-1. Trong đó sự pha tạp anion Cl- đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình: y+ - nC4H5 + (2+y)nFeCl3 → [(C4H3N)n nyCl ] + (2+y)nFeCl3 + 2nHCl với y là mức độ pha tạp trong PPy. Để xác định y, Machida đã sử dụng phƣơng pháp phân tích nguyên tố để đƣa ra tỉ lệ y giữa nguyên tử Cl/N trong PPy sau khi tổng hợp. Kết quả cho thấy y thay đổi mạnh ở các điều kiện tổng hợp khác nhau và kết quả độ dẫn của PPy là 328 Scm-1 tƣơng ứng với mức độ pha tạp 0.34. Sự polyme hóa hóa học có thể đƣợc thực hiện ở pha hơi lắng đọng trực tiếp PPy trên bề mặt đế vật liệu. Kỹ thuật này dựa vào sự oxi hóa monomer pyrrole ở pha hơi bởi tác nhân xúc tác (FeCl3 hoặc H2O2) đã đƣợc phủ trên bề mặt đế [23]. 1.2.3.2. Tổng hợp điện hóa Tổng hợp polyme bằng điện hóa đƣợc thực hiện bởi sự áp thế hoặc dòng điện thích hợp vào điện cực dẫn nhúng trong dung dịch đệm chứa monomer. Nhiều kỹ thuật điện hóa có thể đƣợc sử dụng cho sự polyme hóa, tuy nhiên galvanostatic, potentiostatic và quét thế vòng là các kỹ thuật điện hóa đƣợc sử dụng phổ biến nhất [24]. Tùy thuộc vào kỹ thuật điện hóa sử dụng, có thể tạo thành nhiều loại hình thái học vật liệu khác nhau của polyme trên bề mặt điện cực. Ƣu điểm chính của sự polyme hóa dựa trên các kỹ thuật điện hóa so với hóa học là dễ dàng tổng hợp trên bề mặt vật liệu dẫn điện. Tốc độ polyme hóa đƣợc điều khiển bởi các thông số điện hóa, polyme đƣợc tạo thành ít tạp chất hơn bởi không phải sử dụng tác nhân oxi hóa mạnh. Hơn nữa, đặc tính của polyme có thể đƣợc khảo sát trực tiếp trong quá trình tổng hợp điện hóa [25], đặc biệt là cơ chế phản ứng polyme hóa. Tuy nhiên, phƣơng pháp polyme hóa điện hóa chỉ 15
  26. đƣợc áp dụng cho một số lƣợng giới hạn các loại monomer có thể bị oxi hóa tạo thành cation gốc khi áp thế hoặc dòng phù hợp. Trong khi đó, hầu hết các polyme có thể đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp hóa học. 1.2.3.3. Cơ chế polyme hóa Sự poymer hóa pyrrole bằng phƣơng pháp điện hóa xảy ra khi có sự áp thế hoặc dòng vào một điện cực dẫn đƣợc nhúng trong dung dịch đệm chứa monomer pyrrole. Phƣơng pháp điện hóa thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ potentiostactic và galvanostatic [26,27]. Ngoài pyrrole và dung môi, dung dịch đệm còn chứa muối ion thích hợp nhằm tạo môi trƣờng điện ly cho quá trình điện ly và cung cấp anion cho sự pha tạp PPy. Vẫn còn tồn tại tính không thống nhất trong các cơ chế đƣợc đƣa ra nhằm giải thích quá trình polyme hóa điện hóa pyrrole. Tuy nhiên, cơ chế đƣợc đƣa ra bởi Diaz và Castillo [28] vào năm 1980 và đƣợc phát triển bởi Henry [29] năm 2001 là cơ chế polyme hóa điện hóa đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các công bố về PPy. Cơ chế này đƣợc trình bày nhƣ sơ đồ trong hình 1.8. Hình 1.8. Cơ chế polyme hóa điện hóa 16
  27. Khi áp thế điện hóa E1 vào điện cực dẫn, quá trình oxi hóa pyrrole (1a) xảy ra tại bề mặt điện cực để tạo thành cation gốc. Tốc độ phản ứng oxi hóa nhanh hơn tốc độ của quá trình khuếch tán pyrrole từ khối dung dịch vào lớp tiếp giáp, vì vậy, cation gốc là thành phần chủ yếu trong lớp tiếp giáp. Cation gốc monomer pyrrole ở nồng độ cao sẽ phản ứng ghép mạch với nhau để tạo dạng dimer. Sự ghép mạch tạo dimer trung hòa điện bao gồm quá trình tạo dication gốc (1b) và quá trình tách hai proton (1c). Dimer pyrrole hình thành tiếp tục bị oxi hóa bởi thế điện hóa E2 (2a) để tạo thành cation gốc dimer, sau đó ghép mạch với cation gốc monomer khác sinh ra dạng trimer của pyrrole (quá trình 2b và 2c). Phản ứng polyme hóa tiếp tục lan truyền theo chuỗi (ia, ib và ic) cho đến khi sản phẩm PPy cuối cùng đƣợc hình thành. Giai đoạn dập tắt mạch của phản ứng polyme hóa có thể xảy ra theo hai hƣớng. Một là phản ứng của cation gốc với nƣớc hoặc anion OH-. Hai là sự giải tỏa điện tích trên toàn chuỗi PPy làm mất hoạt tính của cation gốc. Liên kết đƣợc tạo thành giữa các vòng thơm pyrrole chủ yếu xảy ra ở vị trí α (vị trí carbon cạnh nitơ) hay còn gọi là ghép mạch α, tuy nhiên sự ghép mạch β (vị trí carbon cách nitrơ) cũng đƣợc phát hiện trong một số nghiên cứu [30,31]. Khi xảy ra sự ghép mạch β sẽ hình thành cấu trúc mạch nhánh làm mất tính phẳng và xáo trộn cấu trúc nối đôi liên hợp của chuỗi PPy, dẫn đến tăng độ rộng vùng cấm và giảm độ dẫn của Ppy (hình 1.9). NH HN  H N N N H H n Hình 1.9. Sự ghép mạch β hình thành cấu trúc PPy mạch nhánh 17
  28. Nhƣ đã đề cập trong mục trƣớc, bản chất sự dẫn điện trong polyme là do sự hình thành các phần tử tải điện do sự oxi hóa hệ nối đôi liên hợp. Thực tế, sau quá trình polyme hóa, chuỗi PPy hình thành ở trạng thái oxi hóa và dạng pha tạp. Sự có mặt của các ion tạp giúp duy trì sự cân bằng điện tích với trạng thái oxi hóa của Ppy [33]. Phƣơng trình mô tả sự polyme hóa điện hóa pyrrole đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.10. Hình 1.10. Phản ứng tổng hợp PPy bằng phƣơng pháp điện hóa Theo phƣơng trình này, số điện tử bị mất ở mỗi monomer là 2+p, 2 điện tử cho sự polyme hóa và p điện tử cho sự oxi hóa chuỗi polyme. Với PPy giá trị p thƣờng trong khoảng 0.22 hoặc 0.33 tƣơng ứng với một điện tích dƣơng trên 3-4 đơn vị monomer. Do đó, một anion tạp tƣơng ứng với 3-4 đơn vị monomer [34]. Nhận thấy lợi thế của phƣơng pháp hóa học là dễ dàng tổng hợp một lƣợng lớn PPy trong dung dịch, trong đó monomer pyrrole tác dụng với một tác nhân oxi hóa mạnh và PPy thu đƣợc dƣới dạng kết tủa màu đen. Bên cạnh đó, một ƣu điểm đáng chú ý trong phƣơng pháp điện hóa là dễ dàng tạo ra các sợi polyme có cấu trúc nano (vật liệu tiềm năng trong khoa học hiện đại). Và hơn nữa so với phƣơng pháp hóa học, điện hóa là phƣơng pháp có rất nhiều ƣu điểm khác: sản phẩm tạo ra rất sạch (do không phải chiết tách từ hốn hợp monomer – dung môi – chất oxy hóa), quá trình pha tạp và độ dày màng có thể điều khiển đƣợc bằng điện áp, các phản ứng xay ra đồng thời và polyme dẫn kết tủa thành dạng lớp mỏng. Vì vậy nhờ khả năng điều khiển đƣợc quá trình hình thành, tốc độ phát triển của vật liệu nhờ điện áp. Sản phẩm thu 18
  29. đƣợc ở dạng bột và màng, thƣờng có độ dẫn điện cao hơn sản phẩm từ phƣơng pháp hóa học. Chính vì các lý do trên đây mà tôi chọn phƣơng pháp điện hóa để tổng hợp màng nano Polypyrrole. 1.2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự polyme hóa điện hóa Quá trình polyme hóa điện hóa pyrrole chịu ảnh hƣởng của nhiều điều kiện đƣợc sử dụng trong quá trình tổng hợp. Một số điều kiện đã đƣợc nghiên cứu thực nghiệm bao gồm bản chất của điện cực, nồng độ và bản chất của chất điện ly, dung môi, thế điện hóa hoặc mật độ dòng điện áp dụng, nhiệt độ phản ứng [27,33,35-38], giá trị pH và kỹ thuật điện hóa sử dụng. Tất cả các điều kiện này sẽ ảnh hƣởng mạnh đến tốc độ và tính chất của polyme tạo thành. 1.3. Cảm biến ADN 1.3.1. Một số khái niệm a. ADN Deoxiribonucleic acid (ADN) là nhân tố cơ bản để xây dựng lên bản đồ gen, có ở tất cả các vi sinh vật sống, có ảnh hƣởng đến tất cả các loài vi sinh vật. Vì vậy, việc xác định trình tự chuỗi ADN có ý nghĩa rất quan trọng. Nó có thể giúp chúng ta chuẩn đoán và điều trị bệnh một các dễ dàng hơn, nghiên cứu và bào chế thuốc, kiểm tra chất lƣợng thức ăn hoặc xác định sự biến đổi gen trong động, thực vật. b. 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 lƣợng 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 ngƣời có thể đọc đƣợc [2]. c. Cảm biến sinh học Theo hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng 19
  30. cung cấp những thông tin phân tích định lƣợng hoặc bán định lƣợng, sử dụng một yếu tố nhận biết sinh học (thụ thể sinh hóa) duy trì sự tiếp xúc không gian trực tiếp với một phần tử chuyển đổi [40]. Cảm biến sinh học đƣợc dùng để phát hiện sự biến đổi hóa sinh của các chất dựa trên các phản ứng sinh hóa. 1.3.2. Cảm biến sinh học trên cơ sở ADN Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các axít nucleotit có vai trò nhƣ là một công cụ tin cậy để nhận biết và kiểm tra thông tin di truyền liên quan đến con ngƣời cũng nhƣ các loài động, thực vật. Phát hiện nhanh các chuỗi ADN sẽ cung cấp những số liệu cơ bản cho việc khám chữa và điều trị bệnh. Việc tìm kiếm một phƣơng pháp đơn giản, chính xác, không tốn kém, dễ dàng sử dụng là rất quan trọng. Nó giúp cho quá trình nhận biết các tác nhân gây bệnh nhanh hơn thông qua chuỗi ADN. Từ đó, có thể đƣa ra các biện pháp kịp thời, hiệu quả, để ngăn ngừa các loại bệnh có thể trở thành đại dịch, gây tổn thất về ngƣời và thiệt hại về kinh tế. Một trong những thiết bị có thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu này là cảm biến sinh học ADN. Cảm biến ADN là một loại thuộc họ cảm biến sinh học đặc biệt, thay vì sử dụng phần cảm nhận sinh học thông thƣờng là enzym, kháng thể v.v thì cảm biến sinh học ADN sử dụng phần cảm nhận sinh học là đoạn ADN. Quá trình nhận biết trình tự ADN cần phân tích dựa trên sự lai hóa của đoạn ADN dò đƣợc gắn trên bề mặt bộ chuyển đổi và ADN đích (ADN cần phát hiện). Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của các loại cảm biến sinh học nói chung, cảm biến ADN đã có tốc độ phát triển rất mạnh mẽ, đã có nhiều công trình công bố những nghiên cứu mới về loại cảm biến này. Trong đó, đã có một số sản phẩm đƣợc ứng dụng và thƣơng mại hóa [41,42]. Với những ƣu điểm nhƣ cấu trúc đơn giản, các bộ chuyển đổi có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, có khả năng sản xuất hàng loạt, do đó có thể làm hạ giá thành sản phẩm, sử dụng thân thiện, không đòi hỏi kỹ năng của ngƣời sử dụng, nên cảm biến ADN đã đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ phát hiện vi rút, vi khuẩn gây bệnh, phân tích và bào chế dƣợc phẩm trong 20
  31. ngành y dƣợc, phát hiện đột biến gen và sự chuyển gen trong công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm, xác định các ion kim loại nặng trong lĩnh vực bảo vệ môi trƣờng. 1.3.3. Ứng dụng dây nano PPy trong cảm biến DNA Polyme dẫn đặc biệt hấp dẫn các nhà nghiên cứu vật liệu nhờ kết hợp đƣợc tính dẫn điện của kim loại với các tính chất của polyme hữu cơ, chúng đang ngày càng đƣợc 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, [43]. 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 đƣợc tổng hợp bằng phƣơng 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 đƣợc quan tâm nghiên cứu và các bài báo liên quan đƣợc công bố ngày càng nhiều. Với vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa cảm biến và bộ chuyển đổi, vật liệu polime dẫn góp phần làm tăng độ nhạy, độ chính xác, độ ổn định của cảm biến sinh học [44]. Trong các vật liệu polime dẫn, PPy đƣợc nhận định là thích hợp ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa nhờ khả năng tạo ra cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, khả năng tạo liên kết tốt với đối tƣợng sinh học, khả năng biến tính để điều khiển độ dẫn [45], do đó góp phần cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định của cảm biến sinh học. Đối với việc phát hiện các phần tử sinh học tại môi trƣờng pH tự nhiên của cơ thể động vật, PPy có ƣu điểm hơn so với một số polyme dẫn khác do đƣợc tổng hợp từ monome tại môi trƣờng pH trung tính [46]. Bên cạnh đó, PPy cũng thể hiện những đặc tính nhƣ độ bền cao, dễ tổng hợp và độ dẫn tốt. 21
  32. CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Tổng hợp PPY bằng phƣơng pháp điện hóa 2.1.1. Hóa chất, thiết bị Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng: - Pyrrole monomer, Gelatin, KCl, K2Cr2O7 99%, H2SO4 98%, N2 99.9%, LiClO4.3H2O, đệm PBS (Phosphate buffer saline), tất cả đƣợc cung cấp bởi Sigma-Aldrich. Mẫu ADN đƣợc cung cấp bởi công ty Invitrogen Life Technologies. Trình tự ADN dò, ADN đích đặc hiệu đƣợc thể hiện trong bảng 2.1. Bảng 2.1. Trình tự chuỗi ADN dò, ADN đích đặc hiệu Chuỗi dò Thiol-C6-5’- AGACCTCCAGTCTCCATGGTACGTC-3’ Chuỗi bổ sung đặc hiệu 5’–GACGTACCATGGAGACTGGAGGTCT–3’ 2.1.2. Qui trình chế tạo 2.1.2.1. Chuẩn bị Chúng tôi sử dụng kỹ thuật chronoamperometry (potentiostatic) để tổng hợp PPy-NWs trên nền điện cực răng lƣợc vàng, kỹ thuật này còn gọi là kỹ thuật dòng - thời gian. Điện thế 0.75 v đƣợc áp lên điện cực làm việc BG, sự biến đổi của dòng điện trên điện cực này đƣợc ghi theo thời gianTrƣớc khi tổng hợp dây nano PPy, điện cực làm việc đƣợc xử lý bề mặt trong dung dịch K2Cr2O7/H2SO4 (bão hòa), rồi đƣợc hoạt hóa trong dung dịch H2SO4 0,5 M bằng kỹ thuật điện hóa quét thế tuần hoàn (CV- Cyclic Voltammetry) ở điện áp từ 0 V đến 1,4 V, tốc độ quét 50 mV/s cho đến khi đặc trƣng CV ổn định. Dây nano PPy đƣợc tổng hợp trong môi trƣờng trung tính, pH = 7,4 của PBS. Dung dịch điện li đƣợc pha chế gồm: monome pyrrole, 0,08% về khối lƣợng gelatin, LiClO4 0,1 M và đệm PBS. Trƣớc khi thêm monome pyrrole, dung dịch điện li đƣợc sục khí N2 trong 15 phút để đuổi oxi hòa tan, là tác nhân gây ra phản ứng phụ oxi hóa không mong muốn đối với pyrrole. 22
  33. 2.1.2.2. Quá trình chế tạo Các điện cực răng lƣợc vàng nền silic đƣợc sử dụng để tổng hợp PPy- NWs. Sau khi cố định ADN dò, các điện cực đƣợc sử dụng để phát hiện nồng độ ADN thông qua quá trình lai hóa giữa các ADN dò và ADN đích. Hình 2.1. Sơ đồ quá trình sửa đổi bề mặt của bộ cảm biến răng lƣợc. Từ trái sang phải: Điện cực răng lƣợc vàng, BG/PPy- NWs, BG/PPy-PPy/ADN dò và BG/PPy-PPy/lai hóa ADN. Sơ đồ kết nối các các điện cực đƣợc trình bày trong hình 2.2. Quá trình tổng hợp dây nano PPy đƣợc thực hiện trên hệ điện hóa AutoLab PGSTAT12, Eco Chemie, Hà Lan. Bình điện hóa sử dụng điện cực BG là điện cực làm việc, điện cực đối Platin và điện cực so sánh Ag/AgCl trong dung dịch KCl bão hòa, hình 2.2. Hai thí nghiệm trùng hợp đƣợc thực hiện theo các cấu hình kết nối nhƣ trong hình 2.2c: (i) điện cực 1 và 2 đƣợc nối với nhau nhƣ là điện cực làm việc; (ii) tất cả 4 điện cực đƣợc nối với nhau làm điện cực làm việc. Sự trùng hợp PPy trên bề mặt điện cực với thời gian là 200 s. Bề mặt điện cực vàng (ký hiệu là điện cực BG) đƣợc biến đổi với các dây nano Polypyrrole (ký hiệu là điện cực PPy-NWs). Sau khi ủ trong môi trƣờng thƣờng trong một ngày, bề mặt đƣợc rửa sạch bằng nƣớc khử ion (DI) năm lần. Cố định ADN đƣợc thực hiện bằng cách tiêm lên bề mặt điện cực3 μl dung dịch chứa ADN dò 2 μM trong PBS trên điện cực BG, PPy-NWs. 23
  34. Các điện cực đƣợc để khô trong môi trƣờng thƣờng trong một ngày, sau đó rửa sạch bằng nƣớc DI năm lần để loại bỏ các phân tử ADN dò liên kết yếu hoặc không liên kết với PPy-NWs. Quá trình lai hóa DNA đƣợc nghiên cứu bằng cách tiến hành đo phổ tổng trở (EIS) của các cảm biến đƣợc kết nối với cấu hình kết nối (iii) trong hình 2.2c. Các phân tích EIS đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng Autolab PGSTAT302N (Metrohm Autolab B.V., Utrecht, Hà Lan) với hệ ba điện cực thông thƣờng. Một điện thế với mô đun 250 mV DC và ± 10 mV AC với tần số 0,1 Hz – 10 kHz đƣợc áp lên điện cực làm việc. Tất cả các phép 3−/4− đo BIS thực hiện trong 10 mM [Fe(CN)6] ; 0,1 M KCl làm chỉ thị hoạt động oxy hóa. Các kết quả EIS sau đó đƣợc xem xét tƣơng ứng với một mạch tƣơng đƣơng (trong trƣờng hợp của chúng tôi, đó là mạch Randle) bằng cách sử dụng phần mềm ZsimpWin 3.10. Thiết lập EIS giống nhƣ thiết lập tổng hợp dây nano PPy nhƣ trong hình 2.2b. Hình thái học của bề mặt vật liệu và điện cực đã đƣợc nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử quét của Hitachi S4800 (SEM). Hình 2.2. (a) Sơ đồ mặt trƣớc của cảm biến đƣợc gồm 4 điện cực (ký hiệu là 1– 4). (b) Sơ đồ của quá trình trùng hợp polypyrrole và thiết lập đo lƣờng EIS. (c) Ba cấu hình kết nối của bốn nhánh điện cực: (i) và (ii) cho trùng hợp polypyrrole, (iii) cho phép đo EIS. 24
  35. Trong hình 2.2, các cảm biến đƣợc mô tả trong 2.2a đóng vai trò là điện cực làm việc (WE). WE với điện cực counter (CE) và điện cực so sánh (RE) hình thành một hệ thống ba điện cực thông thƣờng. Ảnh hƣởng của nồng độ monome pyrrole, thời gian ttổng hợp đến sự hình thành vật liệu polyme dẫn PPy đƣợc nghiên cứu nhằm tìm ra những thông số tối ƣu cho quá trình tổng hợp dây nano PPy định hƣớng ứng dụng trong cảm biến sinh học. 2.2. Các phƣơng pháp phân tích 2.2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn vòng (CV) Voltammetry cyclic là phƣơng pháp điện hóa thực hiện phép đo dòng điện sinh ra trong một pin điện hóa trong điều kiện điện áp vƣợt quá giới hạn theo phƣơng trình Nernst. Nguyên lí của phƣơng pháp CV là áp đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn vào điện cực làm việc (WE) và ghi lại dòng tƣơng ứng. Đối với phƣơng pháp này, điện thế biến thiên tuyến tính theo thời gian, dòng đƣợc ghi nhƣ hàm số của điện thế. Trong phƣơng pháp đo này, bề mặt điện cực phải đƣợc phục hồi trƣớc khi đo, dung dịch không có sự khuấy trộn và chuyển khối theo sự khuếch tán. Đƣờng cong phân cực biểu diễn mối quan hệ giữa mật độ dòng I và thế E, phụ thuộc vào dung môi, chất điện li nền và bản chất điện cực [47]. Hình 2.3. Quan hệ của dòng điện và điện thế trong quét thế tuần hoàn 25
  36. Trog đó: ipa và ipc là dòng điện tại anot và catot Epa và Epc là điện thế tại anot và catot 2.2.2. Phương pháp đo tổng trở (EIS). a. Nguyên lý của phổ tổng trở điện hóa Khi ta cho một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin U0, tần số góc  2f đi qua một hệ điều hòa (hình 2.2), trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện đáp ứng hình sin có biên độ I0 cùng tần số góc  nhƣng lệch pha một góc so với điện thế đƣa vào. Bình điện hóa Hình 2.4: Sơ đồ khối mô phỏng nguyên lý đo tổng trở u = Uo sin t i = Io sin ( t + ) Theo định luật Ohm có thể định nghĩa tổng trở Z nhƣ sau: Z = / = f ( ) Tính chất của Z ( ) là: Z ( ) là một vectơ có modun Z và góc lệch pha Z ( ) là một hàm phức: Z ( ) = Zre + jZim Ta có thể biểu diễn hình học của Z ( ) trên mặt phẳng phức nhƣ sau : Z Z Z sin i im Ta có: Zr Z re Z cos 2 2 2 Hay Z Z Z r i 26
  37. 1 o, Z ả n n ầ Ph Phần thực, Z r Hình 2.5. Biểu diễn hình học các phần tử phức Khảo sát đặc tính tần số Z = f () cho phép xác định các đại lƣợng Z , Zr, Zi và góc lệch pha = arctg (Zi/Zr). Tổng trở Z của bình điện hóa bao gồm các thành phần nhƣ: tổng trở của quá trình Faraday Zf, điện dung của lớp kép coi nhƣ một tụ điện Cd và điện trở R  - là điện trở dung dịch giữa điện cực nghiên cứu và điện cực so sánh. Kỹ thuật xử lý toán học cho ta tính đƣợc các giá trị Cd, , Zf và cho đến các thông số động học cuối cùng của hệ điện hóa (io, ko, D ). Kết quả nhận đƣợc thƣờng đƣợc biểu diễn dƣới dạng đồ thị thƣờng gọi là phổ (Nyquits, Bode ). b. Mạch tương đương trong phổ tổng trở Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng thể hiện hành vi của bình điện hóa đƣợc thể hiện trên hình 1.14 Cd Zf Hình 2.6. Mạch tƣơng đƣơng ứng với hệ điện hóa bị khống chế bởi quá trình chuyển điện tích : Điện trở dung dịch 27
  38. Zf: Tổng trở của quá trình Faraday Cd: Điện dung của lớp kép Trong đồ thị, quan hệ – Zi theo Zr sẽ nhận đƣợc cung bán nguyệt với bán kính bằng (Rp-Rdd)/2. Có thể xác định Rp, Rdd (hay R  ) tại điểm cắt của cung này với trục Zr. Điện dung Cd có thể xác định từ Rp và giá trị tần số fmax của cực đại tổng trở ảo – Zi. c. Tổng trở khuếch tán Warburg Tổng trở khuếch tán hay còn gọi là tổng trở Warburg, kí hiệu là ZW đƣợc tính bởi: 1/ 2 ZW = (1-j)  Trong đó: RT  2 là hằng số Warburg nF .C00 2D Mạch tƣơng đƣơng của tổng trở Warburg gồm một điện trở và một tụ điện mắc nối tiếp nhƣ hình 2.7. RW CW Hình 2.7. Mạch tƣơng đƣơng tổng trở khuếch tán Warburg d. Tổng trở Randles Trong trƣờng hợp phản ứng điện cực bị khống chế bởi cả giai đoạn chuyển điện tích và khuếch tán ta có tổng trở Ersler – Randles   Z R 1 j or r ct  Trong đó: 28
  39. RT RT  và  o 2 * R 2 * nF Co0 2D nF CRR 2D Đặt  oR  -1/2 Cuối cùng ta có: ZR = Rct + (1-j)   Sơ đồ tổng quát của trở Randles đƣợc mô tả trên hình 1.16: Clk Rdd Rp W Hình 2.8. Sơ đồ tƣơng đƣơng của bình điện phân Điện trở chuyển điện tích Rct thƣờng đƣợc xác định bằng cách ngoại suy tổng trở ở tần số thấp về Zi = 0 2.2.3. Kính hiển vi điện tử quét ( SEM) Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thƣờng viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tƣơng tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống nhƣ việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử đƣợc phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trƣờng ), sau đó đƣợc tăng tốc. Điện tử đƣợc phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Kính hiển vi điện tử quét đƣợc sử dụng để kiểm tra sơ bộ sự thay đổi hình thái bề mặt điện cực: trƣớc và sau khi xốp hóa điện cực. 29
  40. 2.2.4. FTIR, Raman Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại FTIR và Raman cho ta xác định đƣợc đặc trƣng cấu trúc điện tử của phân tử polyme. 2.2.4.1. Phổ hồng ngoại FTIR Phổ hồng ngoại đƣợc sử dụng rộng rãi trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả và đã trải qua ba thập kỷ qua. Một trong những ƣu điểm quan trọng nhất của phƣơng pháp phổ hồng ngoại vƣợt hơn những phƣơng pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hƣởng từ điện tử, phƣơng pháp quang ) là phƣơng pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phƣơng pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Mục tiêu của các quang phổ nói chung là để đo mức mẫu hấp thụ ánh sáng ở mỗi bƣớc sóng nhƣ thế nào. Phép phân tích đƣợc thực hiện trong vùng bức xạ hồng ngoại có số sóng 4000 - 400 cm-1. 2.2.4.2. Phổ Raman Quang phổ Raman là một kỹ thuật quang phổ dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng đơn sắc thƣờng đƣợc phát từ một nguồn laser. Tán xạ không đàn hồi là hiện tƣợng tần số của các Photon trong ánh sáng đơn sắc bị thay đổi khi tƣơng tác với mẫu. Các photon của ánh sáng laser đƣợc mẫu hấp thụ rồi sau đó lại đƣợc phát xạ lại. Tần số của các photon phát xạ lại bị thay đổi tăng hoặc giảm so với tần số ánh sáng đơn sắc ban đầu, đƣợc gọi là hiệu ứng Raman. Sự thay đổi này cho biết thông tin về sự dao động, xoay vòng và các thay đổi tần số thấp khác trong phân tử. Quang phổ Raman có thể đƣợc sử dụng để nghiên cứu các mẫu khí, lỏng và rắn. Để quan sát quang phổ Raman, cần phân tách các ánh sáng tán xạ Raman tới bƣớc sóng tổ hợp của nó. 30
  41. Hình 2.9. Sơ đồ quang của máy quang phổ Raman Trong thiết bị quang phổ tán xạ Raman, nguyên lý trên áp dụng bằng việc tập trung ánh sáng tán xạ raman lên cách tử nhiễu xạ, cách tử này phân tách chùm sáng thành các bƣớc sóng thành phần. Các tia sáng này đƣợc đƣa đến một thiết bị cảm biến điện tích kép CCD hoặc ống tích điện silicon. Thƣờng hoạt động ở vùng nhìn thấy. Các bƣớc sóng hay dùng: 780 nm, 633 nm, 532 nm, and 473 nm Các sóng laze kích thích ngắn hơn lại cho tín hiệu phổ Raman mạnh hơn. Tuy nhiên ở bƣớc sóng ngắn lại hay gặp hiện tƣợng phổ huỳnh quang. Có thể sử dụng phần mềm và một số biện pháp khác để khắc phục loại bỏ nhiễu huỳnh quang này, nhƣng nếu phổ huỳnh quang đủ lớn có thể bão hòa CCD và không thể đo đƣợc phổ Raman. 31
  42. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực răng lƣợc vàng Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực tích hợp Pt đƣợc khảo sát sử dụng phƣơng pháp CV, dung dịch điện li gồm K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M trong KCl 0,1 M, tốc độ quét 50 mV/s, khoảng thế quét -0,2 – 0,6 V, thực hiện 5 vòng quét, hình 3.1. Trên đƣờng CV xuất hiện một cặp pic tại 0,30 V/0,12 V tƣơng 4- 3- ứng với sự oxi hóa [Fe(CN)6] và sự khử [Fe(CN)6] . Sau 5 vòng quét, sự sai khác của các giá trị dòng điện trong đặc tuyến I-V là rất nhỏ. Đặc tuyến điện hóa ổn định sau nhiều vòng quét cho thấy khả năng sử dụng hệ điện cực Pt tích hợp trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa. Hình 3.1. Đƣờng CV khảo sát đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực răng lƣợc trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 50 mV/s 32
  43. Do phản ứng polyme hóa đƣợc tiến hành dƣới tác dụng của dòng điện nên polyme dẫn PPy đƣợc hình thành trực tiếp trên bề mặt điện cực. Việc dây PPy có cấu trúc nano đƣợc tổng hợp trực tiếp lên trên bề mặt điện cực là rất thuận lợi cho những bƣớc công nghệ tiếp theo nhƣ chức năng hóa bề mặt, cố định các thành phần cảm nhận sinh học, phù hợp với định hƣớng phát triển cảm biến sinh học điện hóa. 3.2. Ảnh hƣởng của gelatin trong tổng hợp PPy-NWs Hình 3.2 là đƣờng chronoamperometric của quá trình tổng hợp PPy trên điện cực BG bằng kỹ thuật điện hóa phân cực thế tĩnh trong Py 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS khi không có gelatin và khi có 0,08 %wt gelatin, giá trị điện thế áp đặt là 0,75 V trong 300 giây ở nhiệt độ phòng. Từ hình 3.2 có thể nhận thấy, khi thời gian thực hiện phản ứng là 150 giây, dòng điện tƣơng ứng với phản ứng polyme hóa có sử dụng gelatin (I = 84.59 µA), hình 3.2b, cao hơn khoảng 44.03 % so với trƣờng hợp không sử dụng gelatin (I = 58.73 µA), hình 3.2a, khi đó cƣờng độ dòng trong phản ứng polyme hóa không sử dụng gelatin đạt tới giá trị của dòng tới hạn. Khi gelatin đƣợc sử dụng trong quá trình tổng hợp điện hóa PPy, cƣờng độ dòng lớn hơn cho thấy hiệu quả của quá trình polyme hóa là cao hơn so với trƣờng hợp không sử dụng gelatin. 33
  44. Hình 3.2. Đƣờng chronoamperometric tổng hợp PPy trong Py 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS và: (a) 0 % gelatin; (b): 0,08 % gelatin Hình 3.3 là ảnh hiển vi điện tử quét của PPy đƣợc tổng hợp bằng kỹ thuật điện hóa phân cực thế tĩnh trong pyrrole 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS khi không có gelatin, hình 3.3a, và khi có 0,08 % gelatin, hình 3.3b. Khi không sử dụng gelatin, PPy đƣợc hình thành trên bề mặt điện cực BG với cấu trúc hoa súp lơ. Để khắc phục hiện tƣợng này, gelatin đƣợc sử dụng với vai trò nhƣ khuôn mềm trong quá trình polyme hóa, kết quả là PPy xuất hiện trên bề mặt điện cực BG với cấu trúc dây nano, đƣờng kính dây khoảng 80 nm đến 150 nm, chiều dài dây cỡ micromet. Kích thƣớc dây nano PPy tổng hợp đƣợc là đồng đều, đƣờng kính đồng đều dọc theo chiều dài của dây và dây nano phân bố tƣơng đối đều trên bề mặt điện cực. 34
  45. Hình 3.3. Ảnh SEM của PPy đƣợc tổng hợp trong pyrrole 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS và:(a) 0 % gelatin; (b): 0,08 % gelatin. Thời gian tổng hợp PPy là 200 s. So sánh với vật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vật liệu PPy cấu trúc dây nano với đặc tính diện tích bề mặt riêng lớn đƣợc cho là sẽ thuận lợi hơn cho quá trình cố định trực tiếp ADN dò lên cảm biến ADN nhờ sự tạo thành liên kết giữa gốc amin trên dây nano PPy và gốc phốt phát của ADN. Mối liên kết trực tiếp này cùng với khả năng truyền dẫn điện tử tốt của dây nano PPy đƣợc cho là góp phần cải thiện độ nhạy của cảm biến ADN. 3.3. Hình thái học của PPy-NWs Hình 3.4 trình bày hình ảnh SEM của PPy-NWs đƣợc trùng hợp trên bề mặt điện cực răng lƣợc vàng. Có thể thấy PPy-NWs đƣợc tạo thành dạng các các dây với kích thƣớc trung bình khoảng 200 nm và chiều dài khoảng 5 μm. Những dây nano này đƣợc phân bố hoàn toàn trên bề mặt điện cực vàng. Một số dây nano có các nhánh với kích thƣớc khoảng 80 nm. Để nghiên cứu thực tế các phân tử pyrrole đƣợc polyme hóa trên các điện cực đƣợc áp một điện thế, với thiết lập thí nghiệm (cấu hình (i) trong hình 2.2c), điện cực 1 và 2 đƣợc áp một điện thế 0,75 V trong khi điện cực 3 và 4 thì không. Hình 3.4a cho thấy các dây nano PPy-NWs có mặt trên các vi điện cực của điện cực 1 (đã đƣợc áp thế). 35
  46. Không có dây nano trên các vi điện cực của điện cực 3 (không đƣợc áp thế). Điều này xác nhận rằng các phân tử pyrrole đã đƣợc polyme hóa tại điện cực làm việc để tạo thành các dây nano PPy. Trong một thiết lập trùng hợp khác (cấu hình (ii) trong hình 2.2c), tất cả bốn điện cực đều đƣợc nối với nhau nhƣ một điện cực làm việc duy nhất. Hình 3.4b, c và d cho thấy hình ảnh SEM của PPy- NWs trên bề mặt các điện cực này. Hình 3.4. Ảnh SEM của dây nano PPy phủ trên điện cực BG. (a) Kết quả SEM tƣơng ứng với cấu hình kết nối (i) trong Hình 2.2a. (b) Kết quả SEM tƣơng ứng với cấu hình kết nối (ii) trong hình 2.2b. (c) và (d) Độ phóng đại cao hơn của (b). Các dây nano polypyrrole xuất hiện hoàn toàn và đồng nhất trên điện cực vàng. Nhiều dây nano nối giữa các vi điện cực với nhau. Trên những khoảng 36
  47. trống này, dây nano PPy kết nối ngẫu nhiên hai vi điện cực, khác với sự tách biệt hoàn toàn của hai vi điện cực trên hình 3.4a. 3.4. Phổ FT-IR và Raman của PPy-NWs Phổ FTIR và Raman của PPy-NWs đã tổng hợp đƣợc thể hiện trong hình 3.5. Trong phổ FT-IR, tất cả các đỉnh hấp thụ đều có mặt trong hai cấu trúc PPy điển hình, đó là quinoid và thơm. Các đỉnh ở 1730 cm-1 đƣợc gán cho gelatin kéo dài. Các đỉnh ở 1450 cm-1, 1535 cm-1 đại diện cho các dao động cơ bản của vòng pyrrole. Các dao động của liên kết C-N và C=C trong cấu trúc thơm đƣợc gán ở 1379 cm-1 và 1062 cm-1 (tƣơng ứng với độ rung kéo dài C-H trong cấu trúc quinoid). Hình 3.5. Phổ FTIR và Raman của PPy-NWs trên bề mặt điện cực vàng. Có thể tìm thấy dao động C-N ở 813 cm-1. Trong phổ Raman, một đỉnh mạnh ở 1600 cm-1 đại diện cho chế độ kéo dài của các liên kết C=C. Các đỉnh 37
  48. xuất hiện trong khoảng 1100 - 1150 cm-1 và 1300 - 1450 cm-1 tƣơng ứng thuộc về biến dạng mặt phẳng C-H và vòng kéo dài của các vòng PPy bị oxy hóa (pha tạp) [48]. Phƣơng pháp tổng hợp điện hóa tổng hợp PPy có dạng hóa súp lơ. Trong công trình này, gelatin đóng vai trò là khuôn cấu trúc nano mà trên đó các dây nano PPy phát triển. Các khối gelatin đƣợc hình thành, các nhóm chức năng - COOH của gelatin đóng vai trò là các vị trí hoạt động mà nhóm pyrrole -NH có thể liên kết thông qua liên kết hydro. Kết quả là, chuỗi PPy có thể kéo dài [49]. 3.5. Phổ tổng trở Hình 3.6 cho thấy các phổ tổng trở (dạng Nyquist) của bề mặt điện cực trƣớc và sau khi đƣợc sửa đổi. Tất cả các kết quả cho thấy một hình bán nguyệt ở tần số cao và một đƣờng thẳng ở tần số thấp. Đặc điểm này là điển hình cho một mạch Randle đơn giản (hình ảnh thu nhỏ trong hình 3.6). Do đó, mạch tƣơng đƣơng Randle đƣợc áp dụng để nghiên cứu hệ thí nghiệm này. Một mạch Randle điển hình chứa điện trở RS, kết hợp song song với điện dung hai lớp (thƣờng đƣợc gọi là phần tử pha không đổi, CPE) và trở kháng của phản ứng faraday (do đó bao gồm trở kháng chuyển điện tích, RCT, cùng với yếu tố khuếch tán Warburg, W). Trong một tế bào Randle, phổ EIS hình bán nguyệt kết thúc tần số cao, bên trái của trục thực. Thực tế là tất cả các ô trong hình 3.6 là một hình bán nguyệt ở tần số cao và một đƣờng thẳng ở vùng tần số thấp cho thấy trở kháng Warburg tồn tại trong hệ thống. Trở kháng Warburg là do quá trình khuếch tán của các phân tử trong chất điện li dƣới sự biến thiên nồng độ. Trở kháng này phụ thuộc vào tần số của điện thế áp vào. Ở tần số cao, khi điện thế áp vào thay đổi quá nhanh, các chất phản ứng khuếch tán không có thời gian di chuyển xa, trở kháng nhỏ. Ở tần số thấp, các chất phản ứng có thể di chuyển xa dẫn đến trở kháng lớn. Trên một phổ EIS, trở kháng Warburg bán vô hạn xuất hiện nhƣ một đƣờng chéo. Nếu có bất kỳ thay đổi nào trên bề mặt điện cực, CPE và RCT là những yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Nghiên cứu sự thay đổi của các 38
  49. yếu tố cho chúng ta biết các quá trình xảy ra trên bề mặt điện cực. Trong các báo cáo trƣớc, RCT đƣợc sử dụng thƣờng xuyên hơn CPE [50-55] mặc dù cả hai yếu tố RCT và QCPE đều phụ thuộc vào nồng độ ADN. Hình 3.6. Phổ EIS của điện cực BG (hình vuông đen), BG/PPy-NWs (hình tròn đỏ), trƣớc (a) và sau (b) cố định ADN. Mạch tƣơng đƣơng Randles đƣợc ghép trong hình (a). Các tham số tổng trở từ phổ tổng trở của hình 3.6 đƣợc thể hiện trên bảng 3.1. RCT tăng từ 3982 Ω đối với điện cực BG đến 5120 Ω đối với điện cực BG/PPy-NWs, RCT trình bày động học chuyển điện tích trong trƣờng hợp không có giới hạn chuyển khối. Nó tỷ lệ nghịch với dòng trao đổi giữa bề mặt điện cực và dung dịch. Với sự hiện diện của các dây dẫn nano PPy, sự gia tăng bề mặt điện cực có thể tạo ra sự gia tăng dòng trao đổi. Độ dẫn kém của dây nano PPy, so với lớp vàng, dẫn đến sự gia tăng của RCT. DNA là một polyme của bốn loại nucleotide liên kết với nhau bằng một xƣơng sống. Các liên kết phosphodiester trong xƣơng sống giữ lại một hoặc hai điện tích âm từ các nguyên tử oxy, do đó tạo ra các phân tử ADN mang điện tích âm. Các phân tử ADN không dẫn điện, do đó, việc cố định chúng trên bề mặt tạo các điện cực tạo nên sự cản trở các 3−/4− hoạt động oxi hóa khử, là [Fe(CN)6] , do đó làm giảm các phản ứng oxi hoá khử và tăng cƣờng tổng trở. Trong bảng 3.1, tham số n là hệ số CPE không thứ nguyên, có liên quan trực tiếp đến mức độ không đồng nhất và độ nhám của bề 39
  50. mặt điện cực. Giá trị nằm trong khoảng 0 (đối với bề mặt nhẵn lý tƣởng) và 1 (đối với bề mặt cực kỳ nhám). Trong nghiên cứu này, dao động từ 0,73 đến 0,94, cho thấy tính không đồng nhất cao của CPE (xuất phát từ độ nhám của Ppy - NWs). Giá trị là giá trị điển hình thu đƣợc từ các nghiên cứu khác [56] Tham số cho biết độ lệch từ mô hình Randles và dữ liệu thực nghiệm. Giá trị nhỏ của cho thấy mô hình Randles phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Bảng 3.1. Các thông số trở kháng thu đƣợc từ sự phù hợp với mô hình Randles. (Các điện cực sau khi cố định với ADN đầu dò đƣợc ký hiệu là /ADN). Điện cực ( ) ( ) (µF) ( ) ( ) BG 37.94 3.10 0.75 3982 33.16 2.33 BG/ ADN dò 51.64 1.97 0.75 4397 20.77 9.21 BG/PPy-NWs 80.16 6.67 0.94 5120 31.88 8.46 PPy /ADN dò 90.43 0.59 0.94 5780 28.23 8.66 Vai trò của PPy-NWs là cải thiện bề mặt của các điện cực. Để tìm hiểu điều này, chúng tôi đã tiến hành các phép đo CV đối với các điện cực BG, BG/PPy-NWs. Sử dụng phƣơng trình Randles Sevcik [55] trong đó mô tả ảnh hƣởng của tốc độ quét lên dòng ip, chúng ta có thể tính toán diện tích hiệu dụng của điện cực A. Với là hệ số thực nghiệm; là số electron đƣợc chuyển trong quá trình oxi hóa khử (1); là hệ số khuếch tán của K3[Fe(CN)6] ( 2 m /s); C là nồng độ K3[Fe(CN)6] (0.03 M/l); v là tốc độ quét (25 mV/s). Từ đƣờng CV nhƣ trong hình 3.7, diện tích hiệu dụng 207 mm2 đối với điện cực BG giảm xuống còn 143 mm2 đối với điện cực BG/PPy. Diện tích hiệu dụng đã bị giảm đáng kể. Điều này có thể đƣợc giải thích dù diện tích bề mặt điện cực 40
  51. tăng lên rất nhiều nhƣng thực tế là các dây PPy-NWs dẫn điện kém hơn. Điều này làm giảm quá trình chuyển điện tích và giảm diện tích hiệu dụng của điện cực, dòng điện giảm và tổng trở tang, phù hợp với các kết quả đo đƣợc từ phổ tổng trở, hình 3.7. Hình 3.7. Đƣờng quét thế tuần hoàn (CV) của các điện cực BG (hình vuông đen), BG/PPy-NWs (vòng tròn đỏ) trƣớc (a) và sau (b) cố định ADN dò. Các cảm biến sau khi đƣợc cố định ADN dò, ủ trong điều kiện thƣờng sau đó rửa sạch bằng DI để loại bỏ các ADN liên kết yếu hoặc không liên kết với bề mặt điện cực. Các ADN bổ sung đặc hiệu và không đặc hiệu đƣợc tiêm vào bề mặt cảm biến với các nồng độ khác nhau trong dải . Chúng tôi đang khảo sát quá trình lai hóa ADN này bằng hai kỹ thuật đó là xác định phổ tổng trở và vi sai điện thế. Bƣớc đầu chúng tôi đã thu đƣợc những kết quả khả quan, tuy nhiên để có những kết luận khoa học nghiêm túc, chúng tôi cần phải tiến hành thêm các phân tích khác. Chúng tôi sẽ báo cáo những kết quả này trong thời gian sớm nhất. 41
  52. PHẦN 3. KẾT LUẬN 1. Chế tạo thành công dây nano polypyrrole trên nền điện cực răng lƣợc vàng bằng phƣơng pháp điện hóa. Tối ƣu hóa các hóa chất và kỹ thuật điện hóa để có thể chế tạo polypyrrole dạng dây nano. 2. Chỉ ra đƣợc sự thay đổi độ dẫn và diện tích hiệu dụng của các điện cực răng lƣợc vàng sau khi đƣợc sửa đổi bằng PPy-NWs. 3. Việc sửa đổi bề mặt điện cực răng lƣợc vàng bởi PPy-NWs đã bƣớc đầu hứa hẹn những cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến điện hóa ADN. 42
  53. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Giáo trình Hóa học Lượng tử cơ sở Tập 1, Lâm Ngọc Thiềm - Phan Quang Thái NXB KHKT 1999. 2. P.Q. Phô;, N.Đ. Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001. Tiếng Anh 3. Hyeonseok Yoon, Current Trends in Sensors Based on Conducting Polymer Nanomaterials, Nanomaterials 2013, 3, 524. 4. P. Chandrasekhar, Conducting Polymers, Fundamentals and Applications: A Practical Approach, Kluwer Academic Publishers, 718, (1999). 5. G. Natta, G. Mazzanti and P. Corradini, Atti della Accademia Nazionale dei Lincei, Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali, Rendicont Lincei, 25, 3, (1958). 6. A. G. MacDiarmid and A. J. Heeger, Synthetic Metals, 1, (2), 101 (1980) 7. N. K. Guimard, N. Gomez and C. E. Schmidt, Progress in Polymer Science, 32, 876, (2007) 8. J. M. Pringlea, O. Ngamnac, J. Chenc, G. G. Wallace, M. Forsyth and D. R. MacFarlane, Synthetic Metals, 156, (14-15), 979, (2006). 9. J. L. Bredas and G. B. Street, Accounts of Chemical Research, 18, 309 (1985). 10. Advanced Information the Nobel Prize in Chemistry, 2000: Conductive polymers. 11. Yoshimichi Ohki, Norikazu Fuse, and Tomoyuki Arai, Band Gap Energies and Localized States in Several Insulating Polymers Estimated by Optical Measurements, 2010 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. 12. B. Scrosati, Applications of Electroactive Polymers, Springer, 354, (1993). 43
  54. 13. J. van Haare, E. E. Havinga, J. L. J. van Dongen, R. A. J. Janssen, J. Cornil and J. L. Bredas, Chemistry-a European Journal, 4, 1509, (1998). 14. D. Beljonne, G. Pourtois, C. Silva, E. Hennebicq, L. M. Herz, R. H. Friend, G. D. Scholes, S. Setayesh, K. Müllen, and J. L. Brédas, Interchain vs. intrachain energy transfer in acceptor capped conjugated polymers, National Academy of Sciences, 99, 17 (2002), pp. 10982-10987 15. A. Dall’Ollio, G. Dascola, V, Varacca and V. Bocchi, Comptes rendus hebdomadaires Des Seances De L Academie des Sciences Serie C, 267, 433, (1968) 16. Richard Balinta, Nigel J. Cassidy, Sarah H. Cartmel, Conductive polymers: Towards a smart biomaterial for tissue engineering, Acta Biomaterialia, 2014, 10, 6, 2341–2353. 17. H. S. Nalwa, Advanced Functional Molecules and Polymers: Volume 3: Electronic and Photonic Properties, Taylor and Francis, 386, (2001). 18. B. Winther-Jensen and K. West, Macromolecules, 37, (12), 4538, (2004). 19. A. Malinauskas, Polymer, 42, 3957, (2001). 20. T V Vernitskaya, O N Efimov, Polypyrrole: a conducting polymer; its synthesis, properties and Applications, Russian Chemical Reviews 66 (5) 443 ± 457 (1997). 21. S. Machida, S. Miata, A. Techagumpuch Synth. Met. 31 311 (1989) 22. A. Mohammadi, M. A. Hasan, B. Liedberg, I. Lundstrom and W. R. Salaneck, Synthetic Metals, 14, 189, (1986). 23. W. Schuhmann, C. Kranz, H. Wohlschlager and J. Strohmeier, Biosensors and Bioelectronics, 12, 1157, (1997). 24. M. Nunez, Progress in Electrochemistry Research, Nova Publishers, 190, (2005). 25. W. Prissanaroon-Ouajai, P. J. Pigram, R. Jones and A. Sirivat, Sensors and Actuators B: Chemical, 135, 366, (2008). 44
  55. 26. J. Tietje-Girault, C. Ponce de León and F. C. Walsh, Surface and Coatings Technology, 201, 6025, (2007). 27. A. F. Diaz and J. I. Castillo, Journal of the Chemical Society-Chemical Communications, 397, (1980) 28. M. C. Henry, C. C. Hsueh, B. P. Timko and M. S. Freund, Journal of the Electrochemical Society, 148, D155, (2001) 29. S. A. Shaffer, J. K. Wolken and F. Tureček, Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 8, (11), 1111-1123, (1997) 30. V.Q. Nguyen and F. Turecek, Journal of Mass Spectrometry, 31, (10), 1173, (1996). 31. J. Jang, J. Hak Oh and X. Li Li, Journal of Materials Chemistry, 14, 2872, (2004). 32. S. Sadki, P. Schottland, N. Brodie and G. Sabouraud, Chemical Society Reviews, 29, 283, (2000). 33. I. Dodouche and F. Epron, Applied Catalysis B: Environmental, 76, 291, (2007). 34. C. M. Li, C. Q. Sun, W. Chen and L. Pan, Surface and Coatings Technology, 198, 474, (2005). 35. R. Cervini, R. J. Fleming, B. J. Kennedy and K. S. Murray, Journal of Materials Chemistry, 4, 87, (1994). 36. D. S. Maddison and J. Unsworth, Synthetic Metals, 52, 227, (1992). 37. W. B. Liang, J. T. Lei and C. R. Martin, Synthetic Metals, 30, 47, (1989). 38. Dainel R. Thesvenot, Klara Toth, Richard A. Durst, George S. Wilson (2001), Electrochemical biosensor: recommended definitions and classification, Biosensors and Bioslectronics, 16, pp. 121 -131. 39. A. Angeli, L. Alessandri, The electrochemistry of conducting polymers, Gazz Chim Ital. (1916) 279–285. 40. D. A, D. G, V. V, B. V, No Title, Comptes Rendus Hebd. Des Seances L Acad. Des Sci. Ser. C. (1968) 433 45
  56. 41. 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. 42. M. Yousef Elahi, S. Z. Bathaie, S. H. Kazemi, M. F. Mousavi (2011) DNA immobilization on a polypyrrole nanofiber modified electrode and its interaction with salicylic acid/aspirin. Analytical Biochemistry, vol. 411, pp. 176–84. 43. H. Q. A. Lê, S. Chebil, B. Makrouf, H. Sauriat-Dorizon, B. Mandrand, H. KorriYoussoufi (2010) Effect of the size of electrode on electrochemical properties of ferrocene-functionalized polypyrrole towards DNA sensing. Talanta, vol. 81, pp. 1250-1257. 44. A. Ramanavičius, A. Ramanavičienė, A. Malinauskas (2006) Electrochemical sensors based on conducting polymer-polypyrrole. Electrochimica Acta, vol. 51, pp. 6025–6037. 45. Trƣơng Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 46. T. Dai, X. Yang, Y. Lu, Controlled growth of polypyrrole nanotubule/wire in the presence of a cationic surfactant, Nanotechnology. 17 (2006) 3028– 3034. doi:10.1088/0957-4484/17/12/036. 47. T.L. Tran, T.X. Chu, P.Q. Do, D.T. Pham, V.V.Q. Trieu, D.C. Huynh, A.T. Mai, In-Channel-Grown Polypyrrole Nanowire for the Detection of DNA Hybridization in an Electrochemical Microfluidic Biosensor, J. Nanomater. 2015 (2015). doi:10.1155/2015/458629. 48. B. Rezaei, M.K. Boroujeni, A.A. Ensafi, Fabrication of DNA, o- phenylenediamine, and gold nanoparticle bioimprinted polymer electrochemical sensor for the determination of dopamine, Biosens. Bioelectron. 66 (2015) 490–496. doi:10.1016/j.bios.2014.12.009 49. L. Truong, T. Nguyen, A. Luu, Y. Ukita, Y. Takamura, Sensitive Labelles Impedance Immunosensor Using Gold Nanoparticles-Modified of Screen- 46
  57. Printed Carbon Ink Electrode for, Rsc.Org. (2012) 1912–1914. 50. A. Bonanni, M.I. Pividori, S. Campoy, J. Barbé, M. del Valle, Impedimetric detection of double-tagged PCR products using novel amplification procedures based on gold nanoparticles and Protein G., Analyst. 134 (2009) 602–608. doi:10.1039/b815502j. 51. T.T.N. Lien, Y. Takamura, E. Tamiya, M.C. Vestergaard, Modified screen printed electrode for development of a highly sensitive label-free impedimetric immunosensor to detect amyloid beta peptides, Anal. Chim. Acta. 892 (2015) 69–76. doi:10.1016/j.aca.2015.08.036. 52. T.T.N. Lien, T.D. Lam, V.T.H. An, T.V. Hoang, D.T. Quang, D.Q. Khieu, T. Tsukahara, Y.H. Lee, J.S. Kim, Multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs)-doped polypyrrole DNA biosensor for label-free detection of genetically modified organisms by QCM and EIS, Talanta. 80 (2010) 1164– 1169. doi:10.1016/j.talanta.2009.09.002. 53. M. Kaplan, T. Kilic, G. Guler, M. Jihane, A. Amine, M. Ozsoz, A novel method for sensitive microRNA detection: electro polymerization based doping, Biosens. Bioelectron. (2016). doi: 54. T.L. Tran, T.X. Chu, D.C. Huynh, D.T. Pham, T.H.T. Luu and A.T. Mai, Effective immobilization of DNA for development of polypyrrole nanowires based biosensor, Appl. Surf. Sci. 314, 2014, 260–265, 55. A.J. Bard and Faulkner, Electrochemical Methods, 2000 47