Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học của nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm Toàn, chuyên ngành Hóa phân tích (mã số 944.18), được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hải Phong và bảo vệ năm 2020. Đề tài nghiên cứu: "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".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Axit ascorbic (vitamin C – AA), paracetamol (acetaminophen – PA) và caffein (CA) là các hoạt chất thường xuyên được phối hợp trong nhiều chế phẩm dược phẩm giảm đau, hạ sốt và đồ uống giải khát. Việc xác định đồng thời ba chất này giữ vai trò quan trọng trong kiểm nghiệm chất lượng sản phẩm và phân tích y sinh. Các phương pháp phân tích tiêu chuẩn như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) đòi hỏi quy trình xử lý mẫu phức tạp, tốn dung môi hữu cơ và chi phí vận hành cao; trong khi phương pháp quang phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) có độ nhạy hạn chế và khó đo trực tiếp hỗn hợp do phổ hấp thụ chồng lấn.

Phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ (AdASV) sử dụng điện cực biến tính mở ra hướng phân tích trực tiếp với chi phí thấp, độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp. Graphen oxit (GO) là vật liệu trung gian có cấu trúc lớp mang nhiều nhóm chức chứa oxy, tuy nhiên độ dẫn điện kém (0,408 S/m). Việc khử GO thành graphen oxit dạng khử (rGO) giúp khôi phục mạng liên kết $\pi$ liên hợp và nâng cao độ dẫn điện. Các phương pháp khử hóa học truyền thống thường sử dụng chất khử độc hại (như hydrazine, $\text{NaBH}_4$) và khó kiểm soát sản phẩm bám dính trên điện cực. Do đó, quy trình khử điện hóa trực tiếp (in situ) trên bề mặt điện cực than thủy tinh (GCE) thành graphen oxit dạng khử bằng điện hóa (ERGO) là hướng tiếp cận thân thiện với môi trường, cho phép kiểm soát tốt bề mặt biến tính nhưng chưa được tối ưu hóa đa biến đầy đủ trong phân tích đồng thời hỗn hợp ba cấu tử AA, PA và CA.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 5 nội dung mục tiêu cụ thể:

  1. Tổng hợp vật liệu graphit oxit (GrO) và graphen oxit (GO) từ graphit tự nhiên bằng phương pháp Hummers cải tiến; khảo sát các điều kiện tổng hợp graphen oxit dạng khử bằng phương pháp điện hóa (ERGO) thông qua hai kỹ thuật: von-ampe vòng (CV) và dòng – thời gian ($E\text{-}t$).
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình biến tính điện cực; tối ưu hóa các điều kiện biến tính bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) kết hợp thiết kế Box-Behnken (BBD).
  3. Nghiên cứu đặc tính điện hóa và cơ chế phản ứng oxi hóa – khử của axit ascorbic, paracetamol và caffein trên bề mặt điện cực than thủy tinh biến tính ERGO.
  4. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật xung vi phân (DP) và sóng vuông (SqW) đến tín hiệu hòa tan; đánh giá độ tin cậy của hai phương pháp von-ampe hấp phụ hòa tan anot xung vi phân (DP-AdASV) và sóng vuông (SqW-AdASV).
  5. Xây dựng quy trình phân tích và áp dụng xác định đồng thời hàm lượng AA, PA và CA trong các mẫu thuốc viên nén và nước giải khát thực tế; so sánh đối chứng với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu graphit (G), graphit oxit (GrO), graphen oxit (GO), graphen oxit dạng khử bằng điện hóa (ERGO); điện cực làm việc than thủy tinh nền (GCE) và điện cực biến tính ($\text{ERGO}{\text{CV}}/\text{GCE}$, $\text{ERGO}{\text{E}}/\text{GCE}$); ba hợp chất phân tích gồm axit ascorbic ($\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_6$), paracetamol ($\text{C}_8\text{H}_9\text{NO}_2$) và caffein ($\text{C}8\text{H}{10}\text{N}_4\text{O}_2$).
  • Phạm vi không gian và đối tượng mẫu thực tế: Các mẫu thuốc viên nén thương mại (Panadol Extra, Effe Paracetamol) và mẫu nước giải khát (Number One) được thu thập trên thị trường tỉnh Thừa Thiên Huế.
  • Phạm vi thời gian: Công trình hoàn thành và bảo vệ năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm luận

Tác giả hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến vật liệu nền cacbon và phân tích điện hóa:

  • Về cấu trúc và tổng hợp vật liệu dẫn xuất graphen: Kể từ công trình bóc tách graphen của Geim A. và Novoselov K. S. (2004, đạt giải Nobel năm 2010), các mô hình cấu trúc của GrO/GO được đề xuất bởi Hofmann, Ruess, Scholz-Boehm, Nakajima-Matsuo, Szabo-Dékány và phổ biến nhất là Lerf-Klinowski (1998). Nghiên cứu của Gao và cộng sự (2012) chỉ ra độ dẫn điện của GO đạt $0,408\text{ S/m}$, sau khi khử bằng $\text{NaBH}_4$ kết hợp thủy nhiệt trong $\text{H}_2\text{SO}_4$ và nung ở $1100^\circ\text{C}$ độ dẫn điện tăng lên $2,02 \times 10^4\text{ S/m}$. Eda và cộng sự nghiên cứu khử GO qua ủ nhiệt ở $200^\circ\text{C}$ trước khi khử bằng hydrazine.
  • Về cảm biến điện hóa biến tính graphen và dẫn xuất: Cuốn sách chuyên khảo "Graphene-based electrochemical sensors for biomolecules" của Pandikumar A. và Rameskumar P. (2019, 13 chương) đã tổng kết vai trò của graphen trong cảm biến y sinh. Bas S. và cộng sự kết hợp nano vàng với GO để xác định $\text{H}_2\text{O}_2$, glucose và sulfamethazine; Wang và cộng sự biến tính GCE bằng nano vàng và graphen với LOD của AA đạt $10^{-9}\text{ M}$; Guo và cộng sự phát hiện dopamine bằng màng GO-Ag/P(L-lysine) với LOD $0,03\ \mu\text{M}$. Tại Việt Nam, Nguyễn Hải Bình và cộng sự chế tạo biosensor từ màng graphen để phân tích glucose với độ nhạy $47\ \mu\text{A}$.
  • Về kỹ thuật khử GO bằng điện hóa: Giai đoạn 2017–2019 ghi nhận nhiều công trình chế tạo ERGO trên GCE hoặc SPE: sử dụng CV quét thế catot từ $0\text{ V}$ đến $-1,5\text{ V}$ hoặc $-1,7\text{ V}$ (điển hình như P(PAN)/ERGO/GCE để đo $\text{NO}_2^-$; Cu-BTC/ERGO/GCE để đo 2,4,6-trinitrophenol; ERGO/CB/SPCE để đo DA, EP và PA); sử dụng phương pháp điện thế – thời gian ($E\text{-}t$) áp thế âm từ $-0,9\text{ V}$ đến $-2,0\text{ V}$ trong thời gian từ $30\text{ s}$ đến $2000\text{ s}$ ($\text{NH}_2\text{-Fe}_3\text{O}_4/\text{ERGO/GCE}$ đo dopamine; $\text{Cu}_2\text{O-ERGO/GCE}$ đo Sunset Yellow).
  • Về phân tích AA, PA và CA: Ruiz-Medina A. và cộng sự (quang phổ UV-Vis kết hợp chiết pha rắn xác định AA và PA với LOD $0,02\ \mu\text{g/mL}$); Trần Thúc Bình và cộng sự (kết hợp UV-Vis với chemometrics xác định PA đạt LOD $0,139\ \mu\text{g/mL}$, AA đạt $0,230\ \mu\text{g/mL}$, và lọc Kalman xác định đồng thời PA, CA cho độ thu hồi $101,5%$ và $98,9%$); Sarakbi A. và cộng sự, Franeta và cộng sự (phân tích HPLC cột pha đảo C18 bước sóng $210\text{ nm}$ và $235\text{ nm}$).
Hướng nghiên cứu Tác giả & Công trình tiêu biểu Kỹ thuật / Vật liệu Giới hạn phát hiện (LOD) / Hiệu năng
Khử hóa học / nhiệt GO Gao và cs (2012); Eda và cs Khử nhiều bước ($\text{NaBH}_4$, thủy nhiệt, nung) Độ dẫn điện tăng từ $0,408$ lên $2,02 \times 10^4\text{ S/m}$
Điện cực biến tính nano Bas S. (2017); Guo và cs $\text{AuNPs/GO/GCE}$; $\text{GO-Ag/P(L-lysine)}$ LOD AA: $10^{-9}\text{ M}$; LOD DA: $0,03\ \mu\text{M}$
Khử điện hóa in situ Zhang và cs; Li và cs (2017–2019) $\text{ERGO/GCE}$ (quét CV $0 \rightarrow -1,5\text{ V}$) Xác định trực tiếp $\text{NO}_2^-$, DA, PA, Phenol
Phân tích quang học Trần Thúc Bình và cs UV-Vis kết hợp lọc Kalman / Chemometrics LOD PA: $0,139\ \mu\text{g/mL}$; LOD AA: $0,230\ \mu\text{g/mL}$
Sắc ký tiêu chuẩn Sarakbi và cs; Franeta và cs RP-HPLC cột $\text{C}_{18}$ ($210\text{ nm}$, $235\text{ nm}$) Độ thu hồi $98,67% - 101,87%$

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây khảo sát quá trình biến tính màng nano cacbon theo phương pháp đơn biến (thay đổi từng yếu tố riêng lẻ, giữ cố định các yếu tố khác), bỏ qua các tương tác đồng thời giữa thể tích màng biến tính, số vòng quét khử và tốc độ quét thế. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách:

  • Thiết lập quy trình tối ưu hóa đa biến thực nghiệm dựa trên mô hình Box-Behnken Design để xác lập thông số chế tạo điện cực $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$.
  • Xây dựng phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV) có độ nhạy cao để tách biệt hoàn toàn ba đỉnh oxi hóa của AA, PA và CA trong cùng một dung dịch mà không cần chất trợ phân tích hay bước tách chiết sắc ký.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cấu trúc tinh thể và mạng nhiễu xạ tia X: Dựa trên phương trình Vulf-Bragg để xác định khoảng cách giữa các mặt mạng tinh thể ($d_{hkl}$): $$2d_{hkl}\sin\theta = n\lambda$$ trong đó $\lambda = 1,5406\text{ \AA}$ (bước sóng tia bức xạ $\text{CuK}\alpha$).
  • Hiệu ứng quang điện tử tia X (XPS): Dựa trên hệ thức Rutherford để xác định trạng thái liên kết và thành phần nguyên tố: $$E_k = h\nu - (E_b + \Phi)$$ trong đó $E_k$ là động năng quang electron, $E_b$ là năng lượng liên kết, $\Phi$ là công thoát electron của thiết bị.
  • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis DRS): Áp dụng định luật Lambert-Beer ($I = I_0 e^{-\alpha l}$) kết hợp phương trình Tauc để xác định năng lượng vùng cấm ($E_g$): $$\alpha h\nu = A(h\nu - E_g)^{1/2}$$
  • Phổ tán xạ không đàn hồi Raman: Phân tích dao động mạng cacbon qua sự chuyển dịch tần số sóng tán xạ so với photon kích thích bước sóng $785\text{ nm}$.
  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) theo thiết kế Box-Behnken (BBD): Sử dụng hàm đa thức bậc hai biểu diễn hàm mục tiêu (cường độ dòng đỉnh $I_p$): $$Y = \beta_0 + \sum_{i=1}^n \beta_i X_i + \sum_{i=1}^n \beta_{ii} X_i^2 + \sum_{i=1}^{n-1}\sum_{j>i}^n \beta_{ij} X_i X_j$$ Số lượng thí nghiệm được tính theo công thức $N = 2k(k-1) + C_0$ (với $k=3$ yếu tố, số điểm tâm $C_0=3 \rightarrow N=15$ thí nghiệm).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  1. Tổng hợp vật liệu: Graphit oxit (GrO) được tổng hợp từ $3,0\text{ g}$ bột graphit bằng phương pháp Hummers cải tiến với hỗn hợp axit $\text{H}_2\text{SO}_4 : \text{H}_3\text{PO}_4$ ($360 : 40\text{ mL/mL}$), $18\text{ g } \text{KMnO}_4$ và $17\text{ mL } \text{H}_2\text{O}_2\ 30%$, khuấy ở $30^\circ\text{C}$ trong 72 giờ. Rửa sạch bằng dung dịch $\text{HCl } 1,0\text{ M}$ và nước cất hai lần; sấy ở $60^\circ\text{C}$ trong 48 giờ. Phân tán GrO trong nước cất bằng bể siêu âm để tạo huyền phù graphen oxit (GO) $1,0\text{ mg/mL}$.
  2. Biến tính bề mặt điện cực: Điện cực GCE (đường kính $2,8 \pm 0,1\text{ mm}$) được mài bóng bằng bột nhũ tương $\text{Al}_2\text{O}3\ 0,05\ \mu\text{m}$, ngâm trong $\text{HNO}3\ 2\text{ M}$ trong 15 phút, rửa sạch bằng ethanol và nước cất. Nhỏ giọt màng GO ($1,0\text{ mg/mL}$) lên bề mặt GCE, để khô tự nhiên. Khử điện hóa GO thành ERGO trực tiếp trong dung dịch đệm bằng kỹ thuật von-ampe vòng ($\text{ERGO}{\text{CV}}$, quét thế catot từ $0\text{ V}$ đến $-1,5\text{ V}$) hoặc kỹ thuật điện áp không đổi ($\text{ERGO}{\text{E}}$, giữ thế $-3,7\text{ V}$).
  3. Phân tích điện hóa:
    • Kỹ thuật von-ampe vòng (CV): Quét từ $-0,2\text{ V}$ đến $+1,4\text{ V}$ trong đệm Britton-Robinson (B-RBS) $0,1\text{ M}$ ($\text{pH } 3,0$) để khảo sát quá trình chuyển điện tử và cơ chế phản ứng của AA, PA, CA.
    • Kỹ thuật hòa tan anot xung vi phân (DP-AdASV) và sóng vuông (SqW-AdASV): Giai đoạn tích lũy (làm giàu) áp thế $E_{\text{acc}}$ trong thời gian $t_{\text{acc}}$ khi quay điện cực; giai đoạn nghỉ $10\text{ s}$; giai đoạn hòa tan quét anot từ $-0,2\text{ V}$ đến $+1,6\text{ V}$ để ghi nhận dòng đỉnh hòa tan ($I_p$) và thế đỉnh ($E_p$). Định lượng bằng phương pháp thêm chuẩn.
  4. Quy trình xử lý mẫu thực phẩm, dược phẩm: Nghiền mịn 5 viên nén ngẫu nhiên, cân chính xác lượng bột mẫu, hòa tan trong nước cất hai lần có hỗ trợ siêu âm trong 60 phút, lọc loại bỏ tá dược không tan, định mức thành dung dịch phân tích.

Trang thiết bị, hóa chất và phần mềm

  • Thiết bị phân tích: Máy phân tích điện hóa đa năng CPA-HH5 (Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam); máy đo phổ XRD D8-Advance (Bruker, Đức); máy quang phổ UV-Vis DRS JASCO-V670; máy quang phổ Raman XPLORA (Horiba); máy quang phổ hồng ngoại IR-Prestige-21 (Shimadzu); cân phân tích Precisa (Thụy Sĩ); máy đo pH EcoSense (Mỹ); máy ly tâm Hettich (Đức); máy rung siêu âm Power Sonic 420 (Hàn Quốc).
  • Hóa chất: Graphit bột, axit ascorbic, paracetamol, caffein từ Sigma-Aldrich (Mỹ); $\text{H}_2\text{SO}_4\ 98%$, $\text{H}_3\text{PO}_4\ 85%$, $\text{CH}_3\text{COOH}\ 99%$, $\text{H}_3\text{BO}_3$, $\text{HCl}\ 36%$, $\text{NaOH}$, $\text{H}_2\text{O}_2\ 30%$ từ Merck (Đức); $\text{KMnO}_4$ từ Scharlau (Tây Ban Nha).
  • Phần mềm xử lý dữ liệu: Minitab 19 (tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm và hồi quy Box-Behnken), Origin 8.1 (vẽ và xử lý đồ thị von-ampe), Microsoft Excel 2010 (thống kê mô tả).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu nêu rõ bối cảnh phát triển của vật liệu graphen từ năm 2004, các hạn chế về độc hại và khó làm sạch của phương pháp khử hóa học truyền thống, đồng thời khẳng định tính ưu việt của phương pháp khử điện hóa in situ ERGO kết hợp kỹ thuật von-ampe hòa tan trong phân tích vết hợp chất sinh dược học tại Việt Nam.

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 gồm 5 tiểu mục chính hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và tài liệu chuyên ngành:

  • Giới thiệu graphit, graphen, GrO và GO: Phân tích sự chuyển đổi trạng thái lai hóa từ $\text{sp}^2$ của graphit sang $\text{sp}^3$ mang các nhóm chứa oxy (hydroxyl, epoxy trên mặt phẳng đáy; carboxyl, carbonyl, lactol ở biên cạnh) trong GrO/GO theo mô hình Lerf-Klinowski; tỷ lệ $\text{C/O}$ dao động từ $1,5$ đến $3,0$.
  • Graphen oxit dạng khử (rGO): Tổng thuật các kỹ thuật khử hóa học, nhiệt, vi sóng, quang hóa, sinh học và điện hóa (ERGO). Tổng hợp chi tiết 43 công trình khử GO bằng CV (Bảng 1.1) và 16 công trình khử GO bằng điện thế – thời gian (Bảng 1.2) trong giai đoạn 2017–2019.
  • Đặc tính hóa lý của chất phân tích: Axit ascorbic ($M = 176,14\text{ g/mol}$, $\text{p}K_a = 4,10$, nhiệt độ nóng chảy $193^\circ\text{C}$); Paracetamol ($M = 151,17\text{ g/mol}$, $\text{p}K_a = 9,51$, khối lượng riêng $1,263\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ nóng chảy $169^\circ\text{C}$); Caffein ($M = 194,19\text{ g/mol}$, $\text{p}K_a = 10,4$, nhiệt độ nóng chảy $236^\circ\text{C}$).
  • Các phương pháp phân tích AA, PA, CA: Điểm luận các phương pháp quang phổ UV-Vis, HPLC pha đảo cột $\text{C}_{18}$ và các kỹ thuật điện hóa hòa tan.
  • Phương pháp thiết kế tối ưu hóa: Trình bày nguyên lý phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM), so sánh hiệu quả số lượng thí nghiệm của thiết kế Box-Behnken (BBD) với thiết kế giai thừa bậc ba đầy đủ và thiết kế tâm xoay phức hợp (CCD).

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết 5 nội dung nghiên cứu thực nghiệm, quy trình tổng hợp GrO theo Hummers cải tiến (sơ đồ khối Hình 2.1), nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo đặc trưng cấu trúc (XRD, XPS, UV-Vis DRS, Raman, FT-IR), quy trình chuẩn bị bề mặt điện cực GCE và biến tính nhỏ giọt, sơ đồ tiến trình đo CV (Hình 2.3), DP-AdASV và SqW-AdASV (Hình 2.4), cùng quy trình phân hủy mẫu thuốc viên nén (Hình 2.6).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

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

  • Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Phổ FT-IR của GrO xuất hiện các đỉnh hấp thụ đặc trưng của nhóm chứa oxy ($\text{C=O}$, $\text{C-OH}$, $\text{C-O-C}$). Giản đồ XRD của Graphit có đỉnh nhọn phản xạ tại $2\theta \approx 26,5^\circ$ ($d_{002} = 3,35\text{ \AA}$), trong khi GrO xuất hiện đỉnh dịch chuyển về góc nhỏ $2\theta \approx 10,5^\circ$ phản ánh sự gia tăng khoảng cách giữa các lớp cacbon do xen phủ nhóm chức oxy và phân tử nước.
  • So sánh phương pháp khử điện hóa: Vật liệu $\text{ERGO}{\text{CV}}$ (khử bằng von-ampe vòng) cho diện tích bề mặt điện hóa hiệu dụng và cường độ dòng đáp ứng oxi hóa của AA, PA, CA cao hơn rõ rệt so với $\text{ERGO}{\text{E}}$ (khử bằng dòng – thời gian) và điện cực GCE chưa biến tính.
So sánh cường độ dòng đáp ứng oxi hóa (Ip):
GCE chưa biến tính  <  ERGO_E/GCE  <  ERGO_CV/GCE
  • Tối ưu hóa điều kiện biến tính bằng mô hình Box-Behnken: Khảo sát 3 biến độc lập gồm thể tích huyền phù GO nhỏ giọt ($Z_1$), số chu kỳ quét vòng CV ($Z_2$) và tốc độ quét khử thế CV ($Z_3$). Phân tích phương sai (ANOVA) từ phần mềm Minitab 19 cho thấy mô hình hồi quy bậc hai có độ tương thích cao.
  • Nghiên cứu cơ chế điện hóa của AA, PA và CA:
    • Khảo sát ảnh hưởng của pH (từ pH 2 đến pH 8): Thế đỉnh oxi hóa ($E_p$) của cả 3 chất đều dịch chuyển tuyến tính về phía thế âm khi pH tăng, chứng minh quá trình chuyển điện tử có sự tham gia của proton ($\text{H}^+$).
    • Khảo sát tốc độ quét thế ($v$ từ $10$ đến $100\text{ mV/s}$): Mối tương quan giữa dòng đỉnh $I_p$ và tốc độ quét $v$ cho thấy quá trình oxi hóa của AA, PA và CA trên màng biến tính $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$ bị kiểm soát bởi quá trình hấp phụ.
    • Trên điện cực $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$, đỉnh oxi hóa của 3 chất tách biệt rõ ràng tại các giá trị thế anot khác nhau (AA bị oxi hóa ở thế thấp nhất $\sim +0,2\text{ V} \rightarrow +0,3\text{ V}$, PA ở $\sim +0,5\text{ V} \rightarrow +0,6\text{ V}$, và CA ở thế cao nhất $\sim +1,1\text{ V} \rightarrow +1,3\text{ V}$).
Thế oxi hóa anot (Ep) phân tách trên ERGO_CV/GCE:
AA (~ +0,2 V đến +0,3 V)  <  PA (~ +0,5 V đến +0,6 V)  <  CA (~ +1,1 V đến +1,3 V)
  • Tối ưu hóa các thông số máy AdASV và đánh giá phương pháp:
    • Khảo sát thế làm giàu ($E_{\text{acc}}$), thời gian làm giàu ($t_{\text{acc}}$), biên độ xung vi phân ($\Delta E$) và biên độ sóng vuông ($E_{\text{sw}}$).
    • Kỹ thuật sóng vuông (SqW-AdASV) thể hiện độ nhạy cao hơn và giới hạn phát hiện (LOD) thấp hơn so với kỹ thuật xung vi phân (DP-AdASV).
    • Khảo sát độ chọn lọc: Các hợp chất và ion vô cơ thường gặp (D-glucose, axit benzoic, axit glutamic, axit uric, dopamine, $\text{K}^+$, $\text{Na}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{NH}_4^+$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{NO}_3^-$, $\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$) ở nồng độ khảo sát không gây cản trở đáng kể đến tín hiệu dòng đỉnh của AA, PA và CA.
  • Phân tích mẫu thực tế và đối chứng HPLC: Áp dụng quy trình SqW-AdASV phân tích hàm lượng AA, PA và CA trong thuốc viên nén Panadol Extra, Effe Paracetamol và nước giải khát Number One. Kết quả cho độ lặp lại cao (RSD thấp), độ thu hồi tốt (Recovery nằm trong khoảng chấp nhận được của phân tích vết). Phép kiểm định thống kê so sánh kết quả giữa phương pháp SqW-AdASV và phương pháp chuẩn HPLC không cho thấy sai khác có ý nghĩa thống kê.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Đã chứng minh được việc khử graphen oxit trực tiếp trên bề mặt điện cực than thủy tinh bằng phương pháp von-ampe vòng ($\text{ERGO}{\text{CV}}$) tạo ra màng vật liệu có độ dẫn điện và khả năng xúc tác điện hóa vượt trội so với phương pháp khử điện thế không đổi ($\text{ERGO}{\text{E}}$) và điện cực nền GCE trần.
  2. Ứng dụng thành công phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm đa biến theo mô hình Box-Behnken (BBD) kết hợp phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) để tối ưu hóa đồng thời các yếu tố công nghệ chế tạo điện cực biến tính $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$ phục vụ đo tín hiệu đa cấu tử.
  3. Làm sáng tỏ bản chất cơ chế phản ứng điện hóa và động học chuyển điện tử – proton của axit ascorbic, paracetamol và caffein trên bề mặt điện cực $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$, chứng minh quá trình oxi hóa của cả ba chất diễn ra có sự kiểm soát của hiện tượng hấp phụ và có sự tham gia của proton $\text{H}^+$.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình phân tích đồng thời hỗn hợp ba hoạt chất AA, PA và CA bằng phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV) trên điện cực $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$. Quy trình có độ nhạy cao, độ lặp lại tốt, giới hạn phát hiện thấp và không đòi hỏi chất biến tính đắt tiền.
  2. Áp dụng phân tích thành công hàm lượng ba hoạt chất trong các mẫu dược phẩm thương mại (Panadol Extra, Effe Paracetamol) và nước giải khát (Number One) với độ đúng và độ thu hồi tương đương phương pháp tiêu chuẩn HPLC, mở ra khả năng ứng dụng phương pháp điện hóa giá thành thấp trong kiểm tra chất lượng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu tập trung vào đối tượng điện cực than thủy tinh dạng thanh đơn lẻ (GCE đường kính $2,8\text{ mm}$), chưa mở rộng chế tạo trên các hệ cảm biến in dải màng mỏng (screen printed electrodes – SPE) phục vụ phân tích hiện trường.
  • Mẫu thực tế mới khảo sát trên nền mẫu thuốc viên nén và nước giải khát thương mại, chưa mở rộng sang các đối tượng nền mẫu sinh học phức tạp như huyết thanh hoặc nước tiểu chứa nhiều hợp chất khử nội sinh cạnh tranh.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp

  • Mở rộng ứng dụng màng $\text{ERGO}_{\text{CV}}$ trên các hệ điện cực in màng mỏng tích hợp ba điện cực để chế tạo cảm biến điện hóa cầm tay.
  • Nghiên cứu kết hợp màng ERGO với các hạt nano kim loại quý hoặc polyme dẫn điện để nâng cao độ bền cơ học và tính chọn lọc trong phân tích mẫu dịch sinh học.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa lý thuyết và Hóa lý: Luận án cung cấp tài liệu chi tiết về kỹ thuật tổng hợp, đặc trưng hóa vật liệu graphen oxit (XRD, XPS, Raman, UV-Vis DRS, FT-IR) và phương pháp luận thiết kế tối ưu hóa đa biến thực nghiệm Box-Behnken bằng phần mềm Minitab.
  • Đối với giảng viên và cán bộ nghiên cứu điện hóa: Cung cấp thông số thực nghiệm đầy đủ về quá trình khử điện hóa in situ ERGO, kỹ thuật đo von-ampe vòng (CV) và von-ampe hòa tan hấp phụ anot (DP-AdASV, SqW-AdASV).
  • Đối với các phòng kiểm nghiệm dược phẩm và thực phẩm: Cung cấp quy trình phân tích thay thế khả thi cho HPLC trong xác định nhanh hàm lượng paracetamol, caffein và vitamin C với trang thiết bị CPA-HH5 sản xuất trong nước, giúp giảm chi phí hóa chất và thời gian phân tích.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp khử điện hóa in situ thay vì phương pháp khử hóa học truyền thống để tạo graphen oxit dạng khử?

Phương pháp khử điện hóa in situ trực tiếp trên điện cực GCE có ưu điểm không sử dụng hóa chất khử độc hại (như hydrazine, $\text{NaBH}_4$), không để lại dư lượng hóa chất gây ô nhiễm môi trường, quy trình thực hiện nhanh và cho phép kiểm soát trực tiếp hình thái màng biến tính trên bề mặt điện cực làm việc.

2. Mô hình tối ưu hóa nào được sử dụng để xác định điều kiện chế tạo điện cực biến tính?

Tác giả sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) dựa trên mô hình thiết kế Box-Behnken (BBD) với 3 biến độc lập: lượng thể tích vật liệu GO nhỏ giọt ($Z_1$), số chu kỳ quét thế khử CV ($Z_2$) và tốc độ quét khử thế ($Z_3$). Dữ liệu được xử lý hồi quy đa thức bậc hai trên phần mềm Minitab 19.

3. Đỉnh hòa tan của ba chất AA, PA và CA trên điện cực $\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$ phân tách như thế nào?

Trên đường von-ampe hòa tan quét thế anot, ba chất xuất hiện ba đỉnh oxi hóa tách biệt rõ ràng theo thứ tự thế tăng dần: axit ascorbic (AA) xuất hiện ở vùng thế thấp nhất ($\sim +0,2\text{ V} \rightarrow +0,3\text{ V}$), tiếp theo là paracetamol (PA) ở vùng thế trung gian ($\sim +0,5\text{ V} \rightarrow +0,6\text{ V}$), và caffein (CA) xuất hiện ở vùng thế dương cao nhất ($\sim +1,1\text{ V} \rightarrow +1,3\text{ V}$).

4. Kỹ thuật hòa tan nào cho hiệu năng phân tích tốt hơn giữa DP-AdASV và SqW-AdASV?

Kỹ thuật von-ampe hấp phụ hòa tan anot sóng vuông (SqW-AdASV) cho cường độ dòng đỉnh oxi hóa cao hơn, tín hiệu nền phẳng hơn, độ nhạy cao hơn và giới hạn phát hiện (LOD) thấp hơn so với kỹ thuật xung vi phân (DP-AdASV).

5. Phương pháp điện hóa đề xuất được kiểm chứng độ đúng bằng phương pháp đối chứng nào?

Độ đúng của quy trình phân tích SqW-AdASV trên các mẫu thuốc viên nén và nước giải khát được so sánh đối chứng trực tiếp với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Kết quả phân tích giữa hai phương pháp không có sai khác có ý nghĩa thống kê.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thanh Tâm Toàn đã nghiên cứu và phát triển thành công quy trình chế tạo điện cực than thủy tinh biến tính graphen oxit dạng khử bằng phương pháp điện hóa ($\text{ERGO}_{\text{CV}}/\text{GCE}$). Bằng việc áp dụng mô hình tối ưu hóa đa biến Box-Behnken, công trình đã xác lập các điều kiện chế tạo điện cực và thông số phân tích tối ưu cho phương pháp von-ampe hòa tan hấp phụ anot sóng vuông (SqW-AdASV). Phương pháp xây dựng cho phép phân tích đồng thời axit ascorbic, paracetamol và caffein với độ nhạy cao, độ lặp lại tốt, giới hạn phát hiện thấp và đã được ứng dụng kiểm nghiệm chính xác trên các mẫu dược phẩm và nước giải khát thực tế.