CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về penicilline G Penicillin được phát hiện vào năm 1928 bởi Alexander Fleming, đây là một nhóm kháng sinh được điều chế từ nấm Penicillium. Đây là một loại kháng sinh được dùng để điều trị bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn. Penicillin có công thức phân tử R-C9H11N2O4S, với mỗi R là một penicillin khác nhau.
Cấu trúc chính của penicillin được thể hiện ở hình 1.1, bao gồm một vòng β-lactam 4 cạnh liên kết với một vòng thiazolidine 5 cạnh [8].1 Cấu trúc phân tử của penicillin Mỗi loại penicillin có phổ kháng khuẩn khác nhau, tức là có thể diệt được nhiều hay ít loại các loại vi khuẩn. Một số penicillin thường được sử dụng trong y học là: Penicillin G, Penicillin V, Methicillin, Oxacillin, Cloxacillin, Ampicillin, Amoxicillin, Carbenicillin, Ticarcillin,.2 Cấu trúc phân tử của PG Đối tượng nghiên cứu trong đề tài luận văn này là Penicillin G (PG) , là một trong 2 loại thuốc đầu tiên được phát hiện và sử dụng trong y tế [9].2 là cấu trúc phân tử của PG, có thể thấy nhóm benzyl đã thế vị trí của R trong cấu trúc của penicillin, do đó PG còn có tên gọi khác là benzylpenicillin [8]. PG thường được sử dụng điều trị một số bệnh như viêm phổi, viêm họng liên cầu khuẩn, giang mai, bạch hầu, uốn ván,. Tác hại của penicillin G ngoài môi trường PG là một loại kháng sinh rất phổ biến trong y tế, được sử dụng cho cả người và động vật, do đó lượng PG được sản xuất hàng năm rất nhiều.
Thực tế, mọi loại thuốc kháng sinh cuối cùng đều xuất hiện trong tự nhiên và khoảng 95% thuốc kháng sinh không bị biến đổi sau khi bài tiết [11]. Ngoài ra PG còn xuất hiện trong môi trường thông qua rác thải y tế, nước thải công nghiệp, chất thải gia súc,. Chúng xuất hiện hầu hết ở sông, hồ thậm chí ở nước ngầm [12], [13]. Khi tồn tại trong môi trường tự nhiên, PG có thể tạo ra áp lực lên các vi khuẩn, đẩy chúng tiến hóa khả năng kháng thuốc [14], [15].
Điều này làm giảm hiệu quả của penicillin và các loại kháng sinh khác trong điều trị bệnh. Theo Trung tâm phòng chống dịch bệnh Châu Âu, vào năm 2018 có khoảng 33.000 người chết mỗi năm do nhiễm vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh. Điều này cũng xảy ra tại Mỹ, nơi mỗi năm có 2,8 triệu người bị nhiễm trùng kháng kháng sinh và hơn 35.000 người tử vong [16]. Ngoài ra, penicillin cũng có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước, làm tổn thương các vi sinh vật có ích và gây ra sự mất cân bằng sinh học [11].
Đối với con người, việc tiếp xúc với penicillin thông qua nước hoặc thực phẩm ô nhiễm có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Cách phát hiện penicillin G Sự xuất hiện PG ngoài môi trường ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Do đó rất nhiều phương pháp được nghiên cứu và phát minh để phát hiện chúng một cách chính xác và hiệu quả. Từ đây, có thể đưa ra giải pháp để xử lý và loại bỏ chúng khỏi môi trường.
Một số phương pháp thường được sử dụng đó là phương pháp sắc ký, phương pháp quang phổ, phương pháp xét nghiệm hệ miễn dịch, phương pháp cảm biến sinh học. Phương pháp sắc ký Phương pháp sắc ký là một trong những phương pháp phổ biến để phát hiện penicilline, một số phương pháp thường được sử dụng như: Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký lỏng (LC), sắc ký khí (GC),. Đây là phương pháp hiệu quả để tách penicillin và các hợp chất liên quan tuy nhiên phương pháp này khá phức tạp, thời gian thực hiện dài và chi phí thực hiện cao. Phương pháp quang phổ Đây là một phương pháp phân tích dựa trên tương tác giữa ánh sáng và vật chất.
Một số phương pháp quang phổ thường được sử dụng để phát hiện penicillin như quang phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-Vis) , quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourrier (FT- IR), quang phổ Raman,. Ưu điểm của phương pháp này là nhanh chóng, độ chính xác cao và không cần tách penicillin ra khỏi mẫu. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần sử dụng các thiết bị phân tích chuyên dụng và đòi hỏi kiến thức và kỹ năng chuyên môn trong việc xử lý dữ liệu quang phổ. Phương pháp xét nghiệm miễn dịch Bao gồm các kỹ thuật như Bao gồm các kỹ thuật như xét nghiệm miễn dịch hấp phụ liên kết với Enzyme (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay-ELISA) hoặc xét nghiệm miễn dịch phóng xạ (Radioimmunoassay-RIA).
Trong đó ELISA là phương pháp phổ biến nhất, dựa trên sự tương tác giữa kháng thể và kháng nguyên. Phương pháp xét nghiệm miễn dịch có độ nhạy cao và có thể định lượng chính xác hàm lượng chất, tuy nhiên phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi các chất khác có trong mẫu. Do đó để chính xác hơn cần kiểm tra lại với một phương pháp khác 1. Phương pháp cảm biến sinh học Phương pháp này thường sử dụng các enzyme hoặc tế bào làm cảm biến để phát hiện penicillin.
Đây là phương pháp nổi bật với độ đặc hiệu cao và thời gian đáp ứng nhanh, cho phép phát hiện penicillin trong khoảng thời gian ngắn nhanh [17]. Tuy nhiên, việc sử dụng enzyme hoặc tế bào trong các cảm biến thường dẫn đến chi phí sản xuất cao do cần các quy trình nuôi cấy và tinh chế phức tạp. Hơn nữa, các thành phần sinh học này yêu cầu điều kiện bảo quản nghiêm ngặt, thường là nhiệt độ thấp và môi trường không có chất gây ô nhiễm, để duy trì hoạt tính và độ ổn định của chúng. Điều này làm tăng thêm chi phí và phức tạp cho việc sản xuất và sử dụng cảm biến sinh học.
Những phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm. Tuy nhiên, nhược điểm chung đó là đều phải sử dụng những máy móc phức tạp, chi phí vận hành cao. Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu để tìm ra những phương pháp để phát hiện penicillin trong nước một cách đơn giản, giá thành rẻ nhưng vẫn đạt hiệu quả cao. 3 Để khắc phục những hạn chế trên, bài nghiên cứu này đề xuất sử dụng hạt nano Fe3O4 để mô phỏng enzyme peroxidase.
Hạt nano Fe3O4 có khả năng xúc tác các phản ứng tương tự như enzyme peroxidase, giúp phát hiện penicillin một cách hiệu quả. Việc sử dụng hạt nano thay thế cho enzyme có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất và đơn giản hóa quá trình bảo quản, do hạt nano thường ổn định hơn và không yêu cầu các điều kiện bảo quản nghiêm ngặt như enzyme hoặc tế bào sống. Sự bền vững và khả năng bảo quản dễ dàng của hạt nano Fe3O4 không chỉ làm giảm chi phí mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của các cảm biến sinh học trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y học đến môi trường và công nghiệp thực phẩm. Polymer in dấu phân tử ( Molecularly imprinted polymer-MIP) 1.
Khái quát về MIP Polyme in dấu phân tử (MIP) là một thụ thể nhân tạo của các phân tử mục tiêu và hoạt động như một cách mô phỏng sinh học của hệ thống kháng thể-kháng thể tự nhiên. Cơ chế của chúng có thể được hiểu từ cơ chế khóa và chìa khóa [18]. MIP có một số ưu điểm so với các đối tác sinh học của chúng bao gồm chi phí thấp, dễ chuẩn bị, ổn định khi bảo quản, hoạt động lặp đi lặp lại mà không mất hoạt tính, độ bền cơ học cao, độ bền nhiệt và áp suất cũng như khả năng ứng dụng trong môi trường hóa học khắc nghiệt [19]. Hiện nay, MIP đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và có tiềm năng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: khoa học phân tách và tinh chế [20], cảm biến hóa học [21], xúc tác [22], phân phối thuốc [23],.
Polymer in dấu phân tử là một loại vật liệu với nền là polymer, chứa khoang liên kết có hình dạng, kích thước và nhóm chức tương thích, tạo ái lực cao với phân tử mục tiêu [24]. Polymer in dấu phân tử được tổng hợp bằng kỹ thuật in dấu phân tử. In dấu phân tử là quá trình thực hiện trùng hợp các monomer chức năng thích hợp với phân tử khuôn mẫu, sau đó là sự loại bỏ phân tử khuôn mẫu ra khỏi cấu trúc polymer tạo thành một khuôn mẫu có khả năng nhận dạng chọn lọc phân tử [19] Có hai tương tác thông dụng trong tổng hợp MIP đó là tưởng tác cộng hoá trị và tương tác không cộng hoá trị được thể hiên trong hình 1. Trong phương pháp cộng hóa trị, các monomer và các phân tử mẫu tương tác với nhau bằng liên kết cộng hóa trị tạo ra polymer có độ ổn định cao và vị trí xác định chính xác hơn, từ đó cung cấp mạng polymer 4 có tính chất đáng tin cậy.
Tuy nhiên, phương pháp cộng hóa trị cũng làm việc loại bỏ các phân tử khuôn trở nên khó khăn hơn. Trái lại, phương pháp không cộng hóa trị mang đến sự đơn giản và tốc độ nhanh hơn trong quá trình tổng hợp. Tương tác không cộng hóa trị tạo ra các liên kết yếu như liên kết hydro, tương tác ion, lưỡng cực-lưỡng cực và lực Van der Waals giữa các monomer chức năng và khuôn mẫu. Phương pháp này linh hoạt trong thiết kế mạng polymer và không đòi hỏi các quy trình phức tạp.3 Quy trình in dấu phân tử cộng hóa trị và không cộng hóa trị [19] 1.
Cơ sở lý thuyết về tổng hợp MIP Về cơ bản, quy trình tổng hợp vật liệu MIP được diễn ra như trong hình 1. Đầu tiên, phân tử mục tiêu được kết hợp với các monomer chức năng bằng liên kết bằng liên kết hydro, cộng hoá trị, van der waal… Sau đó, các tác nhân như chất liên kết chéo và chất khơi mào được thêm vào để bắt đầu quá trình polymer hoá. Sau khi tổng hợp, vật liệu được rửa trôi các phân tử mục tiêu để tạo các khoang liên kết đặc thù với phân tử mục tiêu đó. Những thành phần chính để tạo nên các MIP là khuôn mẫu (template), monomer chức năng, chất liên kết chéo và chất khơi mào.
Khuôn mẫu là chất mục tiêu hoặc phân tử tương tự chất mục tiêu mà MIP được thiết kế để nhận dạng và hấp phụ. Vai trò của phân tử khuôn là tạo ra các khu vực nhận dạng trong cấu trúc MIP bằng cách tương tác với các monomer và hình thành cấu trúc tương tự như chất mục tiêu. Monomer chức năng là các monomer có khả năng tương tác với phân tử khuôn và tạo ra các khu vực nhận dạng cho chất mục tiêu. Các monomer chức năng thường được thiết kế để tạo ra các tương tác hóa học với phân tử khuôn như tương tác van der Waals, tương tác ion hoặc tương tác hydro.