TÓM TẮT:
Điện hóa là một công cụ hữu hiệu trong việc phân tích thành phần hóa học, phản ứng hóa học trong lĩnh vực môi trường, công nghiệp, thực phẩm và theo dõi sức khỏe con người. Tuy nhiên, các thiết bị đang được sử dụng hiện nay thường có kích thước lớn với quy mô phòng thí nghiệm nên chưa đáp ứng được tính linh động trong việc đo đạc, gây ra rất nhiều hạn chế trong việc ứng dụng triển khai và đo đạc thực tế.
Để giải quyết vấn đề trên, nghiên cứu tiến hành thiết kế và chế tạo thiết bị với phần cứng áp dụng nguyên lý chung của phương pháp điện hóa, cùng với việc sử dụng các linh kiện điện tử dán và vi điều khiển có thể giao tiếp được với điện thoại di động qua công nghệ Bluetooth. Thiết bị tự thiết kế cho kết quả tương đồng với thiết bị DY2100B của công ty Digi-Ivy, với sai số 0,12 μA khi đo với dung dịch glucose và 0,15 μA khi thêm enzyme glucose oxidase vào dung dịch glucose.
Từ khóa: Thiết bị điện hóa cầm tay, quét thế vòng, nồng độ glucose.
1. Đặt vấn đề
Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học, nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa. Các hiện tượng vật lý lẫn hóa học đều được định tính và định lượng thông qua việc xác định các điện tích dịch chuyển giữa các điện cực và chất điện phân (hoặc các loại ion trong dung dịch) [1]. Khi một phản ứng hóa học được tạo ra bởi một dòng điện bên ngoài (như phản ứng điện phân), hoặc nếu một dòng điện được tạo ra bởi một phản ứng hóa học tự phát như trong pin, được gọi là phản ứng điện hóa. Phản ứng hóa học mà trong đó các electron được chuyển trực tiếp giữa các phân tử và/hoặc nguyên tử được gọi là phản ứng oxy hóa - khử. Do đó, việc thu được tín hiệu điện từ các phản ứng sẽ giúp việc định tính cũng như định lượng các thành phần hóa học trong phản ứng trở nên chính xác và hiệu quả hơn các phương pháp truyền thống.
Với các kỹ thuật điện hóa khác nhau cho phép phân tích nồng độ glucose trong máu (theo dõi sức khỏe), thành phần kim loại nặng như chì, kẽm, sắt,… trong nước (kiểm soát chất lượng môi trường) và nhiều lĩnh vực lâm sàng khác [2].
Tuy nhiên, các thiết bị kiểm tra điện hóa hiện nay thường có kích thước lớn với quy mô phòng thí nghiệm, do đó việc thực hiện đo đạc kiểm tra thường được tiến hành tại đây chứ không được thực hiện ngoài hiện trường. Vì vậy, yêu cầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị kiểm tra điện hóa cầm tay nhỏ gọn, thuận tiện cho việc kiểm tra tại chỗ là vô cùng cấp thiết cho nhu cầu theo dõi sức khỏe cũng như kiểm soát chất lượng môi trường sống theo thời gian thực.
Để giải quyết nhu cầu trên, nghiên cứu tiến hành thiết kế và chế tạo thiết bị với phần cứng áp dụng nguyên lý chung của phương pháp điện hóa, cùng với việc sử dụng các linh kiện điện tử dán và vi điều khiển có thể giao tiếp được với điện thoại di động qua công nghệ Bluetooth. Thiết bị sau khi được thiết kế và chế tạo sẽ được quét thế vòng với dung dịch chuẩn K4Fe(CN)6 nhằm xác định độ nhạy, và sẽ được so sánh với thiết bị đã được thương mại là DY2100B của công ty Digi-Ivy [3] nhằm kiểm tra khả năng ứng dụng và độ tin cậy của thiết bị với việc quét thế vòng với dung dịch glucose trước và sau khi thêm enzyme glucose oxidase.
2. Phương pháp
2.1. Thiết kế phần cứng
Để dễ dàng cho việc đo điện hóa di động (mang bên người, đo tại chỗ), thiết bị được thiết kế sử dụng nguồn là pin Li-po (Lithium Polymer) và giao tiếp không dây (Bluetooth) với điện thoại di động.
Có rất nhiều phương pháp đo điện hóa khác nhau, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phương pháp đo thế vòng (Cyclic Voltammetry - CV).
Nguyên lý hoạt động: Thiết bị sẽ quét thế giữa 2 điện cực - điện cực tham chiếu (reference electrode - RE), điện cực làm việc (working electrode - WE) - một cách tuyến tính giữa E1 đến E2 (sau đó quét ngược lại). Đồng thời, đo dòng được tạo ra trong phản ứng điện hóa (phản ứng oxy hóa khử). Trong quá trình quét, thế giữa 2 điện cực, thế tại WE sẽ được tăng một lượng bằng Estep trong khoảng thời gian tstep được biểu thị ở Hình 1.
Với dòng thu được hàng microampere (μA), nên rất khó để có thể đo trực tiếp chính xác. Do đó, mạch chuyển dòng thành áp được sử dụng nhằm đo được chính xác giá trị dòng điện được tạo ra (Hình 2) [4].
Trong đó, Vo là Vout được xác định với kênh ADC 10 bit trong vi điều khiển.
Vw là thế quét được tạo ra bởi chip DAC 16 bit AD5667.
I là dòng cần xác định.
Rf theo sơ đồ trên = 8 kΩ.
Nhằm phục vụ cho mục đích đo điện hóa di động, thiết bị được thiết kế nhỏ gọn với kích thước chỉ 6 x 6 cm2. Theo đó, các linh kiện trên board mạch được sử dụng đều là linh kiện dán (Hình 3).
2.2. Thiết kế phần mềm
Với thiết kế phần cứng như trên, thiết bị có thể được lập trình để kiểm tra điện hóa với nhiều chức năng. Trong nghiên cứu này, thiết bị sẽ được lập trình với chức năng quét thế vòng (Cyclic Voltammetry - CV). Và việc thiết lập thông số đo, thu và hiển thị kết quả sẽ được hiển thị trên điện thoại di động, thông qua phần mềm được viết riêng cho thiết bị (Hình 4).
2.3. Dung dịch chuẩn: K4Fe(CN)6
Dung dịch K4Fe(CN)6 cho tín hiệu oxy hóa - khử cao khi được quét thế vòng, do vậy K4Fe(CN)6 thường được sử dụng làm dung dịch chuẩn nhằm xác định độ nhạy của thiết bị điện hóa với phương pháp quét thế vòng.
Trong nghiên cứu, dung dịch chuẩn được sử dụng với nồng độ 10mM, với dung dịch đệm KCl 100mM.
2.4. Kiểm tra nồng độ glucose
Enzyme glucose oxidase được sử dụng rất nhiều trong việc xác định nồng độ glucose tự do trong dung dịch thông qua phản ứng oxy hóa glucose thành gluconolactone [5].
Nồng độ glucose có thể được xác định thông qua đo dòng electron được tạo ra, thông qua phương pháp điện hóa.
Trong nghiên cứu này, thiết bị được thiết kế sẽ được dùng để quét thế vòng phản ứng oxy hóa glucose với enzyme glucose oxidase, đồng thời sử dụng thiết bị đã được thương mại hiện nay là DY2100B nhằm mục đích so sánh.
Chuẩn bị dung dịch đo: Dung dịch đệm chứa 50mM Sodium Citrate và 100mM Sodium Chloride ở pH = 7 và Ferrocene Carboxylic 10μM.
Sử dụng D-glucose pha với dung dịch đệm để được dung dịch glucose 100mM, sau đó để ngoài môi trường 4 giờ để dung dịch glucose chuyển hóa hoàn toàn từ dạng alpha sang dạng beta.
Thêm 1mg enzyme glucose oxidase vào 1mL dung dịch đệm để thu được dung dịch enzyme có nồng độ 1mg/mL
Thế vòng được quét ở 2 thiết bị và quét 2 lần. Lần 1 với dung dịch glucose 100mM, lần 2 thêm10 μL enzyme glucose oxidase 1mg/mL và dung dịch Glucose.
3. Kết quả và thảo luận
Thiết bị tự thiết kế cho tín hiệu cao khi được quét thế vòng với dung dịch chuẩn K4Fe(CN)6 (Hình 5); với đỉnh khử có giá trị Ep,anodic = 33,8μA ở 0,24V.
Từ kết quả trên cho thấy, thiết bị tự thiết kế có khả năng quét thế vòng với độ chính xác đến hàng micro ampere. Do đó, có thể sử dụng thiết bị với các thí nghiệm điện hóa với độ nhạy đến hàng micro ampere.
Kết quả đo với dung dịch glucose cho thấy, đồ thị thế vòng với dung dịch glucose có đỉnh khử Ep,anodic = 0,83μA(thiết bị tự thiết kế) và 0,71μA(DY2100B), chênh lệch giữa 2 thiết bị là 0,12μA. Bên cạnh đó, đỉnh khử Ep,anodic = 0,94μA (thiết bị tự thiết kế) và 0,79μA (DY2100B) khi cho enzyme glucose oxidase vào dung dịch glucose, sai số giữa 2 thiết bị là 0,15μA.
Có sự thay đổi thế vòng thu được khi xuất hiện enzyme glucose gxidase 1mg/mL trong dung dịch glucose nồng độ 100mM, tuy nhiên độ dịch đỉnh rất nhỏ (0,11μA với thiết bị tự thiết kế và 0,08μA với DY2100B) (Hình 6).
Việc tín hiệu thu được có giá trị rất nhỏ do việc chuyển electron từ nhân của enzyme glucose oxidase ra bề mặt điện cực khó khăn. Có thể khắc phục bằng cách sử dụng chitosan cố định enzyme lên bề mặt điện cực, đồng thời sử dụng graphene hoặc carbon nanotube nhằm tăng diện tích tiếp xúc và dễ dàng dẫn truyền electron từ nhân enzyme ra ngoài điện cực.
4. Kết luận
Nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo điện hóa nhỏ gọn, linh động, có tính năng giao tiếp với điện thoại di động. Thiết bị tự thiết kế cho kết quả tương đồng với thiết bị DY2100B của công ty Digi-Ivy với sai số 0,12μA khi tiến hành thực nghiệm với dung dịch glucose và 0,15μA khi thêm enzyme glucose oxidase vào dung dịch glucose.
Mặc dù phương pháp quét thế vòng trong điện hóa được giới hạn ứng dụng trong nghiên cứu này, tuy nhiên, với phần cứng được thiết kế theo nguyên lý chung của các phương pháp điện hóa khác như potentiometry (POT), chronoamperometry (CA)… hứa hẹn có thể được tích hợp vào thiết bị thông qua việc lập trình vi điều khiển với nguyên lý đo của các phương pháp trên. Cùng với sự phát triển công nghệ nano của vi mạch điện tử, thiết bị có thể được thiết kế với độ nhạy tiệm cận nano ampere cho các phép đo cần độ chính xác cao hơn, hứa hẹn tiềm năng mở rộng phạm vi ứng dụng thực tế của nghiên cứu này.
LỜI CẢM ƠN:
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2018.352 và Quỹ Phát triển khoa học và Công nghệ NTTU trong đề tài mã số 2019.01.09.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Keith James Laidler. (1995). The world of physical chemistry.Oxford University Press.Oxford, UK
2. Maxwell EJ, Mazzeo AD, Whitesides GM. (2013). Paper-based electroanalytical devicesfor accessible diagnostic testing. MRS Bull, 38(4), 309-314.
3. Digi-Ivy (2020). Available online: http://www.digi-ivy.com/dy_pdfs/DY2100_en.pdf (accessed on 20 April 2020).
4. Horowitz and Hill. (1989). The Art of Electronics. Cambridge University Press,Cambridge, UK
5. JWang. (2001). Glucose Biosensors: 40 Years of Advances and Challenges. Electroanalysis, 13(12), 983-988.
Designing and producing the wearable potentiostat device for detecting the glucose concentration ABSTRACT: Electrochemistry is a useful approach in analyzing the chemical composition and chemical reactions in the environmental science, industries, food science and human health monitoring activities. However, the size of the potentiostat equipment and systems is normally in lab-scale. Thus, they are inappropriate for real-time analysis at the point-of-use or field settings. To solve these problems, a wearable potentiostat device which is able to communicate with a mobile phone was fabricated. To realize a practical application, the device was designed to detect glucose concentration through the Cyclic Voltammetry (CV) method. The measured data from this device moderately differ from a commercialized device (Digi-Ivy's DY2100B). It is approximately about 0.12 μA in the glucose test and 0.15 μA when the glucose oxidase enzyme is added to the glucose solution. Keywords: Potentiostat wearable, cyclic voltammetry, glucose concentration. |
THS. TRẦN TRUNG TÍN1 - TS. NGUYỄN VĂN KHIÊM2- THS. PHAN NGỌC HÂN2 -THS. NGUYỄN LƯƠNG HIẾU HÒA2 - TS. VŨ VĂN VÂN2 - TS. TRẦN VIỆT CƯỜNG2
(1Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa - ĐH Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) (2Trung tâm VKTECH, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành)
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 28, tháng 11 năm 2020]
