Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu phát triển điện cực biến tính với graphen oxit để phân tích axit ascorbic, paracetamol và caffein bằng phương pháp von-ampe hòa tan" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm Toàn, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hải Phong, chuyên ngành Hóa phân tích (mã số: 944.18) tại Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế vào năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu graphen và các dẫn xuất như graphit oxit (GrO), graphen oxit (GO) sở hữu cấu trúc mạng carbon hai chiều với độ bền cơ học và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Tuy nhiên, GO có độ dẫn điện rất thấp (khoảng 0,408 S/m theo công bố của Gao và cộng sự) do sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy phá vỡ hệ liên hợp điện tử $\pi$. Khi ứng dụng làm vật liệu cảm biến điện hóa, GO cản trở quá trình truyền điện tử, dẫn đến tín hiệu dòng đo rất nhỏ hoặc không xuất hiện pic hòa tan. Do đó, việc loại bỏ bớt các nhóm chức chứa oxy để chuyển dạng GO thành graphen oxit dạng khử (rGO) là yêu cầu kỹ thuật tất yếu.

Các phương pháp khử truyền thống (hóa học, nhiệt phân, thủy nhiệt, vi sóng) thường đòi hỏi nhiều giai đoạn phức tạp, tiêu tốn năng lượng và sử dụng các tác nhân khử độc hại, đồng thời khó kiểm soát chất lượng màng phủ trên bề mặt cảm biến. Ngược lại, phương pháp khử điện hóa (ERGO) được thực hiện trực tiếp (in situ) trên bề mặt điện cực than thủy tinh (GCE), không sử dụng hóa chất độc hại, tiết kiệm thời gian, chi phí và cho phép kiểm soát tốt bề mặt vật liệu.

Bên cạnh đó, axit ascorbic (AA), paracetamol (PA) và caffein (CA) là các hoạt chất thường xuyên được phối hợp trong nhiều dạng bào chế dược phẩm hạ sốt, giảm đau và các loại đồ uống tăng lực. Các phương pháp phân tích tiêu chuẩn hiện hành như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) đòi hỏi quy trình tách chiết phức tạp, tốn kém dung môi và thiết bị; trong khi phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng chồng lấn phổ hấp thụ giữa các chất. Việc phát triển phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot (AdASV) sử dụng điện cực biến tính ERGO/GCE giải quyết được khoảng trống về một quy trình phân tích đồng thời cả ba chất với độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và chi phí phân tích thấp. Mặt khác, luận án áp dụng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm đa biến (RSM - BBD) thay thế cho phương pháp khảo sát đơn biến truyền thống nhằm tối ưu hóa các điều kiện biến tính màng điện cực.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Tổng hợp vật liệu graphit oxit và graphen oxit bằng phương pháp Hummers cải tiến. Khảo sát các điều kiện thí nghiệm thích hợp đến quá trình tổng hợp ERGO bằng phương pháp von-ampe vòng và dòng - thời gian (E-t);
  2. Khảo sát ảnh hưởng một số yếu tố đến quá trình biến tính điện cực. Nghiên cứu quá trình phản ứng của ascorbic acid, paracetamol và caffein trên bề mặt điện cực biến tính. Khảo sát ảnh hưởng một số thông số trong kỹ thuật xung vi phân và sóng vuông đến tín hiệu hòa tan;
  3. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot xung vi phân (DP-AdASV) và von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV);
  4. Xây dựng quy trình phân tích đồng thời ascorbic acid, paracetamol và caffein và đánh giá quy trình. Xác định đồng thời ascorbic acid, paracetamol và caffein trong các mẫu dược phẩm và mẫu nước giải khát.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu graphit bột, graphit oxit (GrO), graphen oxit (GO) và graphen oxit khử điện hóa (ERGO); điện cực than thủy tinh (GCE) biến tính; ba chất phân tích gồm axit ascorbic ($C_6H_8O_6$), paracetamol ($C_8H_9NO_2$) và caffein ($C_8H_{10}N_4O_2$).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại Khoa Hóa học (Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế), Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Viện Nghiên cứu Phát triển (Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng). Đối tượng kiểm nghiệm thực tế là các mẫu thuốc viên nén (Panadol Extra, Effe Paracetamol) và mẫu nước giải khát (Number One) lưu hành trên thị trường tỉnh Thừa Thiên Huế.
  • Phạm vi thời gian: Công trình hoàn thành vào tháng 10 năm 2020; các tài liệu tổng quan khảo sát sâu các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế giai đoạn 2017–2019 và các công trình liên quan trước đó.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm luận

Luận án đã hệ thống hóa lịch sử phát triển của vật liệu carbon từ khi Abraham Gottlob Werner đặt tên cho graphit (1789) đến khi Andrei Geim và Konstantin Novoselov bóc tách màng đơn lớp graphen (2004, đạt giải Nobel Vật lý 2010). Tác giả phân tích chi tiết các quy trình tổng hợp GrO từ phương pháp kinh điển của B. Brodie (1859), L. Staudenmaier (1898), W. Hummers (1958) đến các nghiên cứu cải tiến như Marcano (2010) sử dụng hỗn hợp $H_2SO_4/H_3PO_4$ loại bỏ $NaNO_3$, hay Xu (2014) sử dụng $K_2S_2O_8$ và $P_2O_5$.

Về cấu trúc mạng GrO/GO, tác giả điểm lại các mô hình cấu trúc phân tử của Hofmann, Ruess, Scholz-Boehm, Nakajima-Matsuo, Szabo-Dékány, Lerf-Klinowski, cùng các nghiên cứu cấu trúc bổ sung của Gao (2012), Dreyer (2010), Bagri (2010) và Compton (2010).

Đối với các phương pháp khử GO thành rGO, luận án tổng hợp các hướng tiếp cận:

  • Khử hóa học và nhiệt phân nhiều giai đoạn: Eda (2008), Gao (2012) kết hợp $NaBH_4$, thủy nhiệt trong $H_2SO_4$ và nung ở 1100 °C dưới dòng khí $Ar/H_2$ đạt độ dẫn điện $2,02 \times 10^4$ S/m.
  • Khử bằng dịch chiết thực vật (Green synthesis): Dịch chiết Aloe vera (Ali, 2016), Lycium (Li, 2014).
  • Khử bằng phương pháp điện hóa giai đoạn 2017–2019:
    • Phương pháp von-ampe vòng (CV): Deng (2017) tổng hợp P(PAN)/ERGO/GCE xác định $NO_2^-$; Xiao (2017) với Cu-BTC/ERGO/GCE xác định 2,4,6-trinitrophenol; Wang (2017) xác định 3,4-dihydroxyphenylalanine; Fard (2018) với AuNPs/ERGO-pEBT/GCE xác định đồng thời AA, DA và UA; Arvand (2019) với ERGO/CB/SPCE xác định DA, EP và PA.
    • Phương pháp điện thế – thời gian (E-t): Zhang (2017) xác định hydrazine; Song (2017) xác định Sunset Yellow; Filik (2017) xác định 1-hydroxypyrene; Liu (2018) xác định glutathione và $H_2O_2$.
Hướng nghiên cứu Nhóm tác giả tiêu biểu Đối tượng phân tích / Hệ vật liệu Nhược điểm / Giới hạn ghi nhận
Quang phổ UV-Vis Ruiz-Medina (2000), Dinç (2002), Trần Thúc Bình (2014, 2015) AA, PA, CA trong dược phẩm Giới hạn phát hiện cao; cần thuật toán chemometric hoặc lọc Kalman để giải chập phổ
Sắc ký lỏng HPLC Franeta (2001), Sarakbi (2012), Lau (2003) AA, PA, CA, Phenylephrine (Cột RP-C18) Chi phí vận hành cao, quy trình xử lý mẫu tốn thời gian
Cảm biến điện hóa Bas (2011), Cao (2011), Sun (2011), Nguyễn Hải Bình (2012) $H_2O_2$, Glucose, Dopamine, AA Chủ yếu nghiên cứu đơn chất hoặc hệ hai chất; biến tính phức tạp

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

  1. Chưa có nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời các thông số chế tạo màng ERGO trên điện cực GCE bằng quy hoạch hóa thực nghiệm đa biến ứng dụng riêng cho việc phân tích đồng thời hệ ba chất AA, PA và CA.
  2. Thiếu quy trình phân tích điện hóa hòa tan sử dụng sóng vuông (SqW-AdASV) có khả năng định lượng trực tiếp đồng thời AA, PA và CA trong mẫu dược phẩm và nước giải khát mà không cần bước tách loại hóa học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Mô hình cấu trúc GrO/GO của Lerf – Klinowski và cộng sự: Mặt phẳng đáy chứa các liên kết hydroxyl (-OH), epoxy (-O-), trong khi mép tấm carbon chứa các nhóm carboxylic (-COOH), carbonyl (-C=O), lactol, phenol và quinone với tỷ lệ C/O dao động từ 1,5 đến 3,0.
  • Lý thuyết nhiễu xạ tia X (XRD): Dựa trên phương trình Vulf-Bragg xác định khoảng cách giữa các mặt phẳng song song mạng tinh thể: $$2d_{hkl}\sin\theta = n\lambda$$ (trong đó $\lambda = 1,5406$ Å của bức xạ $CuK\alpha$, $n = 1$).
  • Lý thuyết phổ quang điện tử tia X (XPS): Dựa trên hệ thức Rutherford: $$E_k = h\nu - (E_b + \phi)$$ để định danh trạng thái liên kết hóa học và tỷ lệ nguyên tố trên bề mặt.
  • Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis (UV-Vis DRS): Xác định năng lượng vùng cấm ($E_g$) thông qua phương trình Tauc: $$(\alpha h\nu)^{1/n} = A(h\nu - E_g)$$
  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) theo mô hình Box-Behnken (BBD): Sử dụng phương trình hồi quy đa thức bậc hai mô tả hàm đáp ứng cường độ dòng đỉnh $Y (%)$: $$Y = \beta_0 + \sum_{i=1}^n \beta_i X_i + \sum_{i=1}^n \beta_{ii} X_i^2 + \sum_{i=1}^n \sum_{j>i}^n \beta_{ij} X_i X_j$$ Số lượng thí nghiệm tuân theo công thức $N = 2k(k-1) + C_0$ (với $k=3$ yếu tố, $C_0=3$ điểm tâm, tổng cộng $N=15$ thí nghiệm).

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Tổng hợp GrO: Áp dụng phương pháp Hummers cải tiến: hỗn hợp axit $H_2SO_4 : H_3PO_4$ (tỷ lệ thể tích 360:40 mL), khuấy 3,0 g bột Graphit và 18,0 g $KMnO_4$ ở 30 °C liên tục trong 72 giờ (3 ngày). Sau đó nhỏ từ từ 17 mL $H_2O_2$ 30%, ly tâm 6000 vòng/phút trong 60 phút ở 30 °C. Rửa chất rắn bằng dung dịch HCl 1,0 M (kiểm tra hết ion $SO_4^{2-}$ bằng dung dịch $BaCl_2$) và rửa bằng nước cất 2 lần (kiểm tra hết ion $Cl^-$ bằng dung dịch $AgNO_3$). Sấy khô sản phẩm ở 60 °C trong 48 giờ.
  • Tạo màng GO và khử điện hóa (ERGO): Phân tán GrO trong nước cất hai lần bằng siêu âm thu dung dịch GO 1,0 mg/mL. Làm sạch bề mặt GCE (đường kính $2,8 \pm 0,1$ mm) bằng bột $Al_2O_3$ 0,05 $\mu$m, ngâm trong $HNO_3$ 2 M trong 15 phút, rửa sạch và để khô. Nhỏ phủ dung dịch GO lên bề mặt GCE (kỹ thuật drop-casting). Khử điện hóa GO trên GCE bằng hai kỹ thuật:
    • Von-ampe vòng (CV): quét thế từ -1,5 V đến 0,0 V trong dung dịch đệm Britton-Robinson (B-RBS) pH 3,0 hoặc pH 7,0.
    • Dòng – thời gian (E-t): giữ ở thế không đổi $E = -3,7$ V hoặc -1,2 V đến -1,5 V.
  • Đo điện hóa phân tích: Sử dụng máy CPA-HH5 đo von-ampe hấp phụ hòa tan anot xung vi phân (DP-AdASV) và sóng vuông (SqW-AdASV). Quá trình đo gồm giai đoạn làm giàu hấp phụ (thế $E_{acc}$, thời gian $t_{acc}$, khuấy/quay điện cực, nghỉ 10 giây) và giai đoạn hòa tan quét anot từ -0,2 V đến +1,6 V với tốc độ quét 20 mV/s trong môi trường đệm B-RBS 0,1 M – 0,2 M. Định lượng theo phương pháp thêm chuẩn.
  • Quy trình xử lý mẫu thuốc viên nén: Cân 5 viên thuốc để xác định khối lượng trung bình ($m_0$), nghiền mịn trong cối mã não thành mẫu phân tích. Cân chính xác lượng mẫu $m_1$, hòa tan trong nước cất hai lần có hỗ trợ siêu âm trong 60 phút, lọc loại bỏ tá dược không tan và định mức đến thể tích $V_0$.

Thiết bị và hóa chất

Nhóm Tên thiết bị / Hóa chất Nhà sản xuất / Xuất xứ
Thiết bị đo đạc Máy phân tích điện hóa đa năng CPA-HH5 Viện Hóa học – VAST (Việt Nam)
Máy nhiễu xạ tia X D8-Advance (tia $CuK\alpha, \lambda = 1,5406$ Å, 40 kV, 40 mA) Bruker (Đức)
Máy quang phổ hồng ngoại IR-Prestige-21 (400–4000 cm$^{-1}$, ép viên KBr) Shimadzu (Nhật Bản)
Máy quang phổ Raman XPLORA (laser 785 nm, 50–2000 cm$^{-1}$) HORIBA (Pháp / đo tại ĐH Duy Tân)
Máy quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis JASCO-V670 (200–800 nm) JASCO (Nhật Bản)
Cân phân tích Precisa; Máy đo pH EcoSense; Máy ly tâm Hettich Thụy Sĩ; Mỹ; Đức
Hóa chất chính Graphit bột; Axit ascorbic; Paracetamol; Caffein Sigma-Aldrich (Mỹ)
$H_2SO_4$ 98%, $H_3PO_4$ 85%, $CH_3COOH$ 99%, $H_3BO_3$, $HCl$ 36%, $NaOH$, $H_2O_2$ 30% Merck (Đức)
$KMnO_4$ tinh thể Scharlau (Tây Ban Nha)
Phần mềm xử lý Excel 2010, Origin 8.1, Minitab 19, SPSS Phân tích số liệu, ANOVA, hồi quy BBD

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng tinh thể carbon, phân tích sự biến đổi lai hóa từ $sp^2$ phẳng trong graphit sang $sp^3$ có nhóm chức trong GrO/GO và quá trình tái lập mạng liên hợp trong rGO. Chương này tổng kết các công thức cấu trúc GrO qua các thời kỳ, nhấn mạnh mô hình của Lerf – Klinowski. Tác giả phân tích tính chất lý hóa và dược lý học của 3 chất:

  • Axit ascorbic ($C_6H_8O_6$, $M = 176,14$ g/mol, $pK_a = 4,10$, nhiệt độ nóng chảy 193 °C).
  • Paracetamol ($C_8H_9NO_2$, $M = 151,17$ g/mol, $pK_a = 9,51$, nhiệt độ nóng chảy 169 °C).
  • Caffein ($C_8H_{10}N_4O_2$, $M = 194,19$ g/mol, $pK_a = 10,4$, nhiệt độ nóng chảy 236 °C).

Chương 1 cũng tổng quan các công trình đo quang phổ, sắc ký HPLC và cảm biến điện hóa từ năm 2017 đến 2019, đồng thời giới thiệu cơ sở toán học của phương pháp tối ưu hóa đáp ứng bề mặt RSM với mô hình thiết kế Box-Behnken (BBD).

Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết 4 nội dung nghiên cứu lớn và toàn bộ quy trình thực nghiệm. Trọng tâm gồm có:

  • Quy trình tổng hợp GrO từ graphit bằng phương pháp Hummers cải tiến sử dụng tỷ lệ $H_2SO_4 : H_3PO_4 = 9:1$ (thể tích) và tác nhân oxy hóa $KMnO_4$.
  • Kỹ thuật phân tán GrO trong nước bằng siêu âm và quy trình chế tạo màng $ERGO_{CV}$ và $ERGO_E$ trên điện cực than thủy tinh GCE.
  • Các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu: XRD, XPS, UV-Vis DRS, FT-IR và Raman.
  • Các thông số quy chuẩn của phương pháp CV, DP-AdASV, SqW-AdASV trên máy CPA-HH5.
  • Quy trình xử lý các mẫu thuốc viên nén và nước giải khát thực tế, cùng phương pháp lập ma trận BBD trên phần mềm Minitab 19.

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Đặc trưng vật liệu GrO, GO và ERGO: Giản đồ XRD của Graphit cho pic sắc nhọn tại $2\theta \approx 26,5^\circ$ ($d = 3,35$ Å), trong khi GrO dịch chuyển về góc $2\theta \approx 10^\circ$ ($d \approx 8,8$ Å) do sự xen phủ của các nhóm chức chứa oxy và phân tử nước. Phổ FT-IR của GrO xuất hiện các pic đặc trưng của liên kết -OH (3400 cm$^{-1}$), C=O (1720 cm$^{-1}$), C=C vòng thơm (1620 cm$^{-1}$), C-OH (1220 cm$^{-1}$) và C-O epoxy (1050 cm$^{-1}$). Sau khi khử điện hóa thành $ERGO_{CV}$, cường độ các pic chứa oxy giảm mạnh, chứng minh quá trình khử điện hóa thành công.
  • Tối ưu hóa điều kiện biến tính điện cực bằng mô hình Box-Behnken: Khảo sát 3 yếu tố: thể tích dung dịch GO ($Z_1$, $\mu$L), số vòng quét CV khử ($Z_2$, vòng) và tốc độ quét CV ($Z_3$, mV/s). Mô hình hồi quy bậc 2 và phân tích phương sai ANOVA từ Minitab xác định được vùng điều kiện tối ưu giúp cường độ dòng đỉnh hòa tan ($I_p$) của cả 3 chất đạt giá trị cực đại.
  • Đặc tính điện hóa của AA, PA và CA: Khảo sát hệ chỉ thị $K_3[Fe(CN)_6]/K_4[Fe(CN)6]$ cho thấy điện cực $ERGO{CV}/GCE$ có diện tích bề mặt điện hóa hiệu dụng và tốc độ truyền điện tử vượt trội so với GCE trần và $ERGO_E/GCE$. Khảo sát ảnh hưởng của pH (từ pH 2 đến pH 9 trong đệm B-RBS) và tốc độ quét thế ($\nu$) khẳng định quá trình oxy hóa điện hóa của AA, PA và CA trên màng điện cực biến tính là quá trình truyền electron kèm theo proton, bị kiểm soát bởi hiện tượng hấp phụ/khuếch tán trên bề mặt.
  • Khảo sát thông số máy và độ tin cậy của DP-AdASV và SqW-AdASV: Tối ưu hóa các thông số thế làm giàu ($E_{acc}$), thời gian làm giàu ($t_{acc}$), biên độ xung vi phân ($\Delta E$) và biên độ sóng vuông ($E_{sw}$). Cả hai phương pháp đều cho sự phụ thuộc tuyến tính chặt chẽ giữa cường độ dòng đỉnh $I_p$ và nồng độ chất trong các khoảng nồng độ xác định, với hệ số tương quan $R^2 > 0,99$. Phương pháp SqW-AdASV cho độ nhạy, độ lặp lại và giới hạn phát hiện tốt hơn so với DP-AdASV.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các chất cản trở: Các chất cản trở phổ biến như D-glucose, axit benzoic, axit glutamic, axit uric, dopamin cùng các ion vô cơ ($K^+, Na^+, Ca^{2+}, NH_4^+, CO_3^{2-}, NO_3^-, Cl^-, SO_4^{2-}$) ở nồng độ cho phép không gây ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu dòng đỉnh của AA, PA và CA.
  • Ứng dụng phân tích mẫu thực tế: Phương pháp SqW-AdASV với điện cực $ERGO_{CV}/GCE$ được áp dụng để xác định đồng thời hàm lượng AA, PA và CA trong mẫu thuốc Panadol Extra, Effe Paracetamol và nước giải khát Number One. Kết quả phân tích đạt độ thu hồi ($Rev$) nằm trong khoảng 95–105%, độ lệch chuẩn tương đối $RSD < 5%$. Khi so sánh đối chứng với phương pháp HPLC tiêu chuẩn bằng kiểm chuẩn thống kê Student ($t$-test) và Snedecor ($F$-test), kết quả cho thấy không có sự sai khác có ý nghĩa thống kê giữa hai phương pháp.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp

  1. Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế khử điện hóa trực tiếp (in situ) của màng graphen oxit trên bề mặt điện cực than thủy tinh bằng phương pháp von-ampe vòng ($ERGO_{CV}/GCE$), chứng minh cấu trúc sau khử có khả năng xúc tác điện hóa đối với phản ứng oxy hóa đồng thời của axit ascorbic, paracetamol và caffein.
  2. Ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm theo mô hình đáp ứng bề mặt Box-Behnken (BBD) để tối ưu hóa đồng thời 3 thông số công nghệ chế tạo điện cực biến tính, giảm thiểu số lượng thí nghiệm và chi phí hóa chất so với khảo sát đơn biến.
  3. Xây dựng và chuẩn hóa thành công quy trình phân tích điện hóa von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV) cho phép xác định đồng thời hàm lượng vết của AA, PA và CA với khoảng tuyến tính rộng, độ lặp lại cao và giới hạn phát hiện thấp.

Đóng góp thực tiễn và kiến nghị

  • Đóng góp thực tiễn: Cung cấp một quy trình phân tích điện hóa tin cậy, thao tác nhanh, thiết bị nội địa hóa (máy CPA-HH5 của Viện Hóa học chế tạo), có thể chuyển giao cho các phòng kiểm nghiệm dược phẩm, thực phẩm để kiểm soát chất lượng thuốc và nước giải khát mà không cần đầu tư hệ thống HPLC đắt tiền.
  • Kiến nghị: Tiếp tục mở rộng nghiên cứu độ bền làm việc lâu dài của màng $ERGO_{CV}/GCE$, khảo sát khả năng biến tính phối hợp ERGO với các hạt nano kim loại hoặc polyme dẫn điện để nâng cao hơn nữa độ nhạy đối với các nền mẫu sinh học phức tạp như huyết thanh hoặc nước tiểu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận: Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát màng biến tính ERGO đơn cấu tử trên nền điện cực GCE truyền thống; đối tượng mẫu thực tế mới dừng lại ở nền mẫu dược phẩm dạng viên nén và nước giải khát thương mại trên thị trường Thừa Thiên Huế. Luận án chưa khảo sát sự phân hủy của màng điện cực trong môi trường lưu trữ dài ngày trên 2 tháng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Thử nghiệm chế tạo cảm biến trên nền điện cực in màng carbon (SPCE) hoặc điện cực dán màng dùng một lần để phát triển thiết bị phân tích hiện trường.
    2. Nghiên cứu sâu hơn về sản phẩm phụ của quá trình khử vật liệu thải ra môi trường trong quá trình chế tạo.
    3. Mở rộng đối tượng phân tích sang các mẫu dịch sinh học (máu, huyết tương, nước tiểu) có ma trận nền phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa lý thuyết và Hóa lý: Tài liệu tham khảo về quy trình tổng hợp vật liệu carbon nano dạng tấm (GrO, GO, rGO), kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu (XRD, XPS, Raman, FT-IR, UV-Vis DRS) và cơ sở lý thuyết của các kỹ thuật điện hóa hòa tan hiện đại.
  • Đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến (Sensor) và Hóa học tính toán: Phương pháp ứng dụng quy hoạch hóa thực nghiệm Box-Behnken (BBD) kết hợp phần mềm Minitab để tối ưu hóa đa biến quy trình chế tạo vật liệu biến tính điện cực.
  • Đối với cán bộ kiểm nghiệm dược phẩm, thực phẩm và các cơ quan quản lý chất lượng: Quy trình phân tích định lượng đồng thời AA, PA, CA bằng phương pháp SqW-AdASV trên máy CPA-HH5 với đầy đủ các thông số thẩm định (LOD, LOQ, độ lặp lại, độ thu hồi) đối chiếu tương đương với HPLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn phương pháp khử điện hóa (ERGO) thay vì phương pháp khử hóa học truyền thống?

Phương pháp khử hóa học (sử dụng $NaBH_4$ hay hydrazine) tiêu tốn năng lượng, sử dụng các hóa chất độc hại gây ô nhiễm môi trường và khó kiểm soát chất lượng màng trên điện cực. Phương pháp khử điện hóa ($ERGO$) là phương pháp xanh, không sử dụng hóa chất độc hại, cho phép khử trực tiếp in situ màng GO ngay trên bề mặt GCE, giúp kiểm soát tốt độ dày và cấu trúc màng biến tính, đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm.

2. Ưu điểm nổi bật của mô hình thiết kế Box-Behnken (BBD) trong tối ưu hóa biến tính điện cực là gì?

Mô hình BBD thuộc phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) cho phép khảo sát đồng thời các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá tương tác giữa chúng với số lượng thí nghiệm ít hơn so với thiết kế giai thừa toàn phần ($N = 15$ thí nghiệm cho 3 yếu tố). BBD tránh các tổ hợp thí nghiệm ở các điều kiện biên quá khắc nghiệt, giúp tìm ra điểm tối ưu thực nghiệm chính xác cho thể tích GO, số vòng quét CV và tốc độ quét thế.

3. Sự khác nhau giữa phản ứng điện hóa trên điện cực than thủy tinh trần (GCE) và điện cực biến tính $ERGO_{CV}/GCE$ đối với hệ ba chất AA, PA và CA là gì?

Trên điện cực GCE trần, pic oxy hóa của các chất bị chồng lấn hoặc có cường độ dòng đỉnh ($I_p$) rất nhỏ do tốc độ truyền điện tử chậm. Khi biến tính bằng $ERGO_{CV}$, diện tích bề mặt điện hóa hiệu dụng tăng lên, các liên kết $\pi$ liên hợp được phục hồi tạo thuận lợi cho quá trình chuyển điện tử, giúp tách rời hoàn toàn 3 pic hòa tan của AA, PA và CA với cường độ dòng đỉnh tăng vọt.

4. Kết quả phân tích hàm lượng AA, PA và CA trong mẫu thực tế bằng phương pháp SqW-AdASV có tương thích với phương pháp chuẩn HPLC không?

Kết quả kiểm nghiệm trên các mẫu thuốc viên nén (Panadol Extra, Effe Paracetamol) và nước giải khát Number One cho thấy phương pháp SqW-AdASV đạt độ thu hồi từ 95% đến 105%, độ lệch chuẩn tương đối $RSD < 5%$. Khi so sánh kết quả định lượng giữa SqW-AdASV và HPLC bằng kiểm định chuẩn Student ($t$-test) và kiểm định Fisher ($F$-test), các giá trị thực nghiệm đều nhỏ hơn giá trị lý thuyết, khẳng định không có sự sai khác có ý nghĩa thống kê giữa hai phương pháp.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm Toàn đã tổng hợp thành công vật liệu graphen oxit (GO) theo phương pháp Hummers cải tiến và phát triển quy trình khử điện hóa trực tiếp trên điện cực than thủy tinh ($ERGO_{CV}/GCE$). Công trình đã ứng dụng hiệu quả mô hình quy hoạch hóa thực nghiệm Box-Behnken để xác định các điều kiện biến tính tối ưu nhằm tối đa hóa tín hiệu dòng hòa tan. Phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV) được xây dựng đã định lượng đồng thời axit ascorbic, paracetamol và caffein trong các mẫu dược phẩm và nước giải khát với độ chính xác và độ tin cậy tương đương phương pháp HPLC tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp phân tích điện hóa có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho lĩnh vực hóa học phân tích và kiểm nghiệm tại Việt Nam.