Chế tạo thiết bị vi dòng và cảm biến điện hóa phân tích dư lượng kháng sinh

Luận văn trình bày phương pháp chế tạo thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa để phân tích nhanh dư lượng kháng sinh, đảm bảo độ nhạy và chính xác.

• Tác giả: Phạm Thị Lựu
• Người hướng dẫn: TS. Cao Hồng Hà
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Cảm biến vi dòng và ứng dụng trong phân tích kháng sinh

Cảm biến vi dòng là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực phân tích hóa học hiện đại. Đây là hệ thống nhỏ gọn, tích hợp các mô đun chức năng và cảm biến điện hóa để thực hiện các phép đo nhanh chóng và chính xác. Trong bối cảnh lạm dụng kháng sinh dẫn đến dư lượng kháng sinh cao trong chăn nuôi, công nghệ này trở thành giải pháp quan trọng để phân tích dư lượng kháng sinh trong thực phẩm. Hệ vi lưu tích hợp hoạt động dựa trên cơ sở các phương pháp phân tích truyền thống nhưng được thu nhỏ, giảm chi phí và rút ngắn thời gian thao tác. Ưu điểm của cảm biến vi dòng là linh động, chính xác cao, tiết kiệm mẫu và đạo cụ, phù hợp cho kiểm nghiệm nhanh tại chỗ.

1.1. Khái niệm và cấu trúc hệ vi dòng

Hệ vi dòng tích hợp bao gồm các thành phần chính: vi kênh được chế tạo từ PDMS (Poly(dimethylsiloxane)), cảm biến điện hóa được biến tính bằng vật liệu rGO/PDA/CuNPs, vi buồng phản ứng và hệ thống khuấy trộn. Công nghệ này cho phép tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí phân tích và bảo vệ môi trường.

1.2. Ưu điểm so với phương pháp truyền thống

Các phương pháp truyền thống như HPLC, MS, NMR có chi phí cao và không cơ động. Cảm biến vi dòng khắc phục những hạn chế này bằng cách cung cấp kết quả nhanh, độ chính xác tương đương, chi phí thấp hơn đáng kể và có khả năng kiểm tra tại chỗ.

II. Vấn đề dư lượng kháng sinh trong chăn nuôi

Dư lượng kháng sinh là một vấn đề báo động trong ngành chăn nuôi hiện nay. Lạm dụng kháng sinh, đặc biệt nhóm sulfonamide, do yêu cầu lợi nhuận và tác động của biến đổi khí hậu dẫn đến tồn dư cao trong sản phẩm chăn nuôi. Sự hiện diện của dư lượng kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) và các chất tương tự trong thực phẩm gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng, tạo ra các vi khuẩn kháng thuốc nguy hiểm. Do đó, phân tích nhanh dư lượng kháng sinh là cần thiết để tầm soát, kiểm soát chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.1. Nguyên nhân lạm dụng kháng sinh

Các nhà sản xuất nông, thủy sản sử dụng kháng sinh không theo quy định để tăng sản lượng và sinh lợi kinh tế. Biến đổi khí hậu cũng làm tăng tỷ lệ bệnh ở vật nuôi, buộc phải sử dụng thêm kháng sinh để phòng chữa bệnh.

2.2. Tác hại của dư lượng kháng sinh

Dư lượng kháng sinh tích tụ trong cơ thể người gây ra các phản ứng dị ứng, rối loạn tiêu hóa và tạo ra vi khuẩn kháng thuốc. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả điều trị bệnh trong tương lai và là mối đe dọa sức khỏe công cộng.

III. Công nghệ chế tạo cảm biến điện hóa tiên tiến

Công nghệ cảm biến điện hóa sử dụng vật liệu tiên tiến rGO/PDA/CuNPs (Reduced Graphene Oxide/Polydopamine/Copper Nanoparticles) được tích hợp trên điện cực SPE (Screen Printed Electrode). Vật liệu này có khả năng phát hiện dư lượng kháng sinh với độ nhạy cực cao và độ chọn lọc đặc hiệu. Kỹ thuật tổng hợp điện hoá cho phép biến tính bề mặt điện cực trực tiếp, tạo ra lớp phủ có tính chất điện hóa tuyệt vời. Phương pháp quét sóng vuông (SWV) được sử dụng để đo cường độ dòng điện và thiết lập đường chuẩn cho phân tích định lượng. Giới hạn phát hiện (LOD) đạt 1,5 μM với hệ số hồi phục 98,5%, cho thấy độ chính xác và lặp lại tuyệt vời.

3.1. Vật liệu rGO PDA CuNPs và tính chất

Vật liệu rGO/PDA/CuNPs kết hợp tính dẫn điện của graphene, khả năng bám dính của polydopamine và hoạt tính xúc tác của copper nanoparticles. Kombinasi này tạo ra cảm biến điện hóa có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và khả năng phân biệt các chất tương tự.

3.2. Phương pháp đo lường điện hóa

Kỹ thuật quét sóng vuông (SWV) và các phương pháp điện hóa khác giúp xác định nồng độ kháng sinh thông qua cường độ dòng điện đáp ứng. Đường chuẩn I-C được thiết lập để phân tích định lượng với độ lặp lại cao và sai số nhỏ.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa đã được chế tạo thành công với khả năng phân tích nhanh dư lượng kháng sinh trong mẫu thực tế. Kỹ thuật ghép cơ ký (reversible bonding) cho phép sử dụng lại hệ vi kênh và điện cực nhiều lần, giảm chi phí và rác thải. Kết quả phân tích sulfamethoxazole (SMX) trong mẫu chăn nuôi gia súc cho thấy độ nhạy cao, khoảng nồng độ tuyến tính rộng, độ lặp lại tốt (98,5%) và giới hạn phát hiện chỉ 1,5 μM. Công nghệ này đáp ứng yêu cầu kiểm soát chất lượng thực phẩm, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và hỗ trợ nhà quản lý đưa ra các khuyến nghị phù hợp.

4.1. Kết quả chế tạo thiết bị

Hệ chíp vi dòng được chế tạo thành công bằng kỹ thuật mi chế tạo với độ chính xác cao. Kỹ thuật ghép vi kênh với đế chứa điện cực bằng cách ghép cơ ký cho phép tách rời dễ dàng sau mỗi lần thí nghiệm, tái sử dụng nhiều lần và tiết kiệm chi phí.

4.2. Hiệu suất và ứng dụng thực tiễn

Giới hạn phát hiện của phương pháp đạt 1,5 μM, hệ số hồi phục 98,5% chứng minh độ chính xác cao. Hệ thống có thể phân tích dư lượng kháng sinh trong mẫu thực từ chăn nuôi, giúp tầm soát nhanh, kiểm soát chất lượng và bảo vệ sức khỏe công cộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn đến dư lượng cao trong chăn nuôi đang là vấn đề báo động trong xã hội và có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và nền kinh tế. Vì lợi nhuận và do các tác động tiêu cực của sự biến đổi khí hậu nên các nhà sản xuất nông, thủy sản vẫn phải sự dụng một lượng kháng sinh không theo quy định. Do đó, việc tiến hành các phân tích dư lượng kháng sinh trong nông thủy sản là cần thiết để tầm soát và đưa ra khuyến nghị cho người tiêu dùng và các nhà quản lý. Gần đây, hệ vi dòng tích hợp các mô đun chức năng đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới phát triển.

Với mong muốn hệ vi dòng có thể trở thành một xu hướng mới trong cuộc cách mạng phương pháp phân tích hóa học và y sinh. Hệ vi dòng này hoạt động dựa trên cơ sở các phương pháp phân tích truyền thống nhưng được tích hợp các cảm biến (điện hóa, sinh học, …) được thu nhỏ. Chính vì vậy, hệ thống nhỏ gọn và linh động nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và rút ngắn thời gian thao tác. Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo các phương pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối (MS), cộng hưởng từ proton (NMR), … đã được sử dụng và cho kết quả tốt nhưng không có tính cơ động.

Vì vậy, sự phát triển hoàn thiện các hệ vi dòng tính hợp (buồng vi phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa, …) và các bộ kiểm tra nhanh đang là xu thế và được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đây chính là lý do em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh” Nội dung luận văn bao gồm: - Thiết kế và chế tạo hệ vi kênh bằng vật liệu Poly(dimethylsiloxane) - PDMS. Nội dung cụ thể: Sử dụng phần mềm thiết kế dạng vi kênh; chế tạo các khuôn đúc bằng kỹ thuật quang khắc; chế tạo vi kênh bằng kỹ thuật đúc nguyên khối. - Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hoá dạng phẳng trên cơ sở điện cực carbon mạch in.

- Phát triển kỹ thuật chế tạo hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hoá sử dụng được nhiều lần trên cơ sở kỹ thuật ghép vi kênh bằng kết cấu cơ khí. 1 - Chế tạo các hệ cảm biến điện hóa bằng các vật liệu composit tiên tiến đặc hiệu cho phân tích kháng sinh trong dung dịch bằng các phương pháp tổng hợp điện hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực.1 Khái quát về hệ chíp vi dòng Vi dòng (microfluic) là việc xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micro, nano hoặc thậm chí pico lít. Chất lưu có thể là chất lỏng hoặc khí trong tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc. Trong thời gian gần đây công nghệ vi dòng (Microfluidic) là một lĩnh vực nghiên cứu phát triển rất mạnh và đang từng bước trở thành một công nghệ mũi nhọn với các ứng dụng đa dạng trong công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách ADN, phân tích hóa sinh v.So với các phương pháp truyền thống đối với các quá trình tổng hợp hóa học, thiết bị vi dòng cho phép rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và đồng đều với các tính chất đặc biệt.

Ngoài ra hệ thiết bị này có độ an toàn cao khi vận hành, tiêu tốn rất ít hóa chất, có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, khả năng cải thiện đáng kể các quá trình truyền nhiệt, truyền khối cũng như hiệu suất của phản ứng. Mặt khác, do thiết bị vi dòng có thể kết nối dễ dàng vào các thiết bị quang phổ, sắc ký và các thiết bị phân tích khác nên dựa trên công nghệ này, có thể phát triển các giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh từ việc kiểm soát phản ứng cho đến phân tích sản phẩm đầu ra. Trong các ứng dụng y sinh, thiết bị vi dòng có thể được phát triển thành các công cụ chẩn đoán và phân tích tại chỗ (point-of-care) nhỏ gọn, dễ sử dụng, có độ nhạy, độ đặc hiệu cao và đặc biệt có giá thành thấp phù hợp với điều kiện kinh tế của những nước đang phát triển, góp phần rút ngắn thời gian chẩn đoán, phòng ngừa và điều trị các bệnh dịch nguy hiểm.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng về kỹ thuật của hệ vi dòng Giai đoạn cuối những năm 1970s: Các hệ vi dòng được biết đến đó là hệ phân tích sắc ký khí (Gas chromatographer - GC). Những năm 1980s: Các nghiên cứu đầu tiên về các hệ modul chức năng cho hệ vi dòng (như: hệ van, hệ bơm vi dòng, hệ in 3D,…) Những năm 1990s: Các hệ vật việu cho chế tạo thiết bị vi dòng phát triển mạnh, và khái niệm về μTAS (Manz, Graber, Widmer, Sens.

Giai đoạn những năm 2000s: Phát triển mạnh mẽ của các loại hệ vi dòng trên các nền tảng khác nhau. Đặc biệt các hệ vi dòng với các modun được tích hợp khác nhau được phát triển mạnh mẽ: micromixers, microreactors, separation systems,. 3 Các kết quả nghiên cứu này đã tạo ra cuộc cách mạng lớn trong việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng hệ vi dòng (Lab on a Chip). Giai đoạn từ năm 2010 đến nay: Công nghệ vi chế tạo phát triển mạnh mẽ giúp cho việc chế tạo và đẩy mạnh ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh.

Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng của hệ vi dòng, [1] Trong các nghiên cứu, hệ vi dòng được phát triển mạnh từ những năm 2000 trở lại đây. Số bài báo được đăng tải trên hệ thống ISI trong năm gần đây về lĩnh vực ứng dụng microfluidic trong nghiên cứu sinh học ngày càng tăng được biểu thị theo Hình 1. Số lượng bài báo được xuất bản mỗi năm về việc phát triển và sử dụng các thiết bị vi dòng cho nhiều ứng dụng khác nhau, dữ liệu trích từ Web of Science vào tháng 10 năm 2019 [2]. Thị trường phát triển cho ứng dụng hệ vi dòng trong thực tế có sự tăng trưởng tốt.

Số lượng công trình nghiên cứu hàng năm, theo báo cáo thị trường của Yole Developpenment thì hệ vi dòng tăng liên tục bình quân khoảng 18-20% từ năm 2013 đến năm 2020, Hình 1. Tăng trưởng thị trường thiết bị sử dụng hệ vi dòng trong các lĩnh vực khác nhau, (dữ liệu của Hãng phân tích thị trường Yole Developpenment). Theo dự đoán của các chuyên gia nghiên cứu về thị trường thì giá trị từ nay đến năm 2030 thì mức độ tăng trưởng của hệ vi dòng và đặc biệt các ứng dụng của hệ vị dòng trong thực tế sẽ tăng đáng kể, Hình 1. Quy mô thị trường toàn cầu về lĩnh vực Lab on chip ước tính đạt 5,75 tỷ USD vào năm 2021 và dự kiến đạt khoảng 15 tỷ USD vào năm 2030, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 11,24% trong giai đoạn dự báo 2022 đến 2030.

Theo báo cáo phân tích thị trường của hãng Precedence Research.2 Ưu điểm của hệ vi dòng Một vài tính chất nổi bật mà các thiết bị vi dòng mang lại như: tiêu tốn ít hóa chất, thích hợp cho các mục đích phân tích do thời gian phân tích ngắn, kết quả tin cậy, giảm các chi phí về hóa chất, có thể thu nhỏ kích thước, độ nhạy cao, dễ dàng di chuyển và có khả năng tương thích sinh học (Bảng 1. Các ưu điểm nổi bật của hệ vi dòng [3] Ưu điểm Mô tả Sử dụng lượng mẫu và Các hệ vi dòng thông thường chỉ cần sử dụng lượng mẫu tác nhân ít rất nhỏ, nhỏ hơn hàng trăm đến hàng nghìn lần so với các phép phân tích thông thường. Phân tách dòng hạt từ Với mật độ điện trường tập trung cao làm cho các hạt từ dễ dàng dễ dàng định hướng ngay lập tức trong kênh Chất lỏng chảy dòng Chỉ số Reynolds nhỏ làm giảm sự phân tán các chất trong kênh Điều khiển được các Các dòng điện cho phép bơm chất lỏng với vận tốc ổn hiện tượng điện động định ngay và tương ứng với điện trường áp vào hệ. Tiêu tốn ít năng lượng Lượng chất bơm vào ít, phân tán nhiệt tốt, cho phép sử dụng ít năng lượng cấp cho hệ.

Cho phép tiến hành Các quá trình phân tích có thể đồng thời chạy cùng một đồng thời nhiều quá lúc trong một hệ thống giống như vận hành của một chip trình đa năng. Có tính di động Hệ thống được tích hợp, tiêu thụ năng lượng rất thấp, cho cao phép tiến hành các phân tích nhanh và gọn. Điều này cho phép hệ thống dễ dàng di động như thiết bị cầm tay.3 Khái niệm thí nghiệm trong một con chíp (LoC) Thuật ngữ “Phòng thí nghiệm trong một con chip - Lab-on-a-chip” hay còn gọi là hệ thống vi phân tích tổng (Micro Tổng số phân tích hệ thống, hoặc microTAS) đề cập đến việc tiến hành phân tích mẫu sinh học và hóa học liên quan đến các lĩnh vực như: phản ứng sinh học và hóa học, tách, phát hiện, v. Các modul chức năng này cơ bản tích hợp trên một chip của một vài cm2, để thực hiện toàn bộ quá trình phân tích mẫu nào đó.

Trên cơ sở các hệ vi cơ điện tử (MEMS), kết hợp với kỹ thuật tổng hợp vật liệu, và các quá trình phân tích y - sinh, thì quá trình phân tích hóa học, sinh học và y sinh cơ thể nhận biết các đối tượng cần nghiên cứu trong mẫu nghiên cứu. Đồng thời, các hệ vi cơ điện tử này có thể thu nhỏ kích thước, tự động hóa, và có tính di động cao sẽ đáp ứng được mục tiêu di động hoá các hệ thiết bị phân tích hiên trường. Những phát triển gần đây về kỹ 6 thuật vi chế tạo (từ đầu những năm 1990 bởi Manz, [4]), thì công nghệ xử lý vi điện tử sẽ là cơ sở cho sự phát triển việc thu nhỏ phòng thí nghiệm trên một con chip. Từ đó, đã tạo ra một cuộc cách mạng trong phát triển công nghệ vi cơ điện tử trong phòng thí nghiệm trên một con chip.

Công nghệ này đang từng bước trở thành công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng. Phòng thí nghiệm Lab on a chip (Nguồn: https://www.de/lab-on-chip-index.6 mô tả hệ thống microfluidic sử dụng trong phân tích DNA của hãng Agilent Caliper. Hệ thống cho phép phân tích DNA độ phân giải cao trong thời gian ngắn hơn các phương pháp truyền thống.