Nghiên Cứu Chế Tạo Polymer In Dấu Phân Tử Sử Dụng Polydopamine Để Phát Hiện Melamine

Nghiên cứu polymer in dấu phân tử (MIP) mở ra hướng tiếp cận đầy hứa hẹn trong việc… 66 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Đoàn Thị Phương Giang
• Người hướng dẫn: TS. Lý Tấn Nhiệm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Chế Tạo Polymer In Dấu Phân Tử Sử Dụng Polydopamine Để Phát Hiện Melamine
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cấu trúc và tính chất của melamine
• 1.2. Độc tính của Melamine
• 1.3. Các cách để phát hiện melamine
• 1.4. Polymer in dấu phân tử (Molecularly imprinted polymer)
• 1.5. Polymer in dấu phân tử từ tính (Magnetic molecularly imprinted polymer)
• 1.6. Polymer in dấu phân tử từ tính-MMIP
• 1.7. Cách điều chế MMIP
• 1.8. Lý do lựa chọn Fe3O4@COOH làm vật liệu từ tính
• 1.9. Cảm biến đo màu
• 1.10. Cơ chế cảm biến đo màu dựa trên xúc tác và mô phỏng peroxidase
• 1.11. Nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.11.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.11.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hoá chất và thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Quy trình nghiên cứu
• 2.4. Chế tạo Fe3O4@COOH
• 2.5. Chế tạo Fe3O4@MIP
• 2.6. Phương pháp đánh giá
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Hình thái và cấu trúc
• 3.2. Phổ FT-IR
• 3.3. Phương pháp VSM
• 3.4. Kết quả SEM
• 3.5. Kết quả DLS
• 3.6. Nguyên lý chế tạo Fe3O4@MIP và cơ chế cảm biến
• 3.7. Đánh giá khả năng xúc tác mô phỏng peroxidase
• 3.8. Khả năng phát hiện melamine ở các nồng độ khác nhau của Fe3O4@MIP
• 3.9. Khả năng chọn lọc của Fe3O4@MIP
• 3.10. Khảo sát độ tin cậy của Fe3O4@MIP
• 3.11. Khả năng tái sử dụng của Fe3O4@MIP
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4. KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Polymer In Dấu Phân Tử Giới Thiệu

Nghiên cứu polymer in dấu phân tử (MIP) mở ra hướng tiếp cận đầy hứa hẹn trong việc phát hiện và loại bỏ các chất ô nhiễm, chất độc hại trong môi trường và thực phẩm. Kỹ thuật in dấu phân tử tạo ra các thụ thể nhân tạo có độ chọn lọc cao đối với một chất phân tích cụ thể. MIP hoạt động tương tự hệ thống kháng nguyên - kháng thể, theo cơ chế "ổ khóa và chìa khóa". Thành phần chính của MIP gồm khuôn mẫu (template), monomer chức năng, chất liên kết chéo và chất khơi mào. Ưu điểm nổi bật của MIP là tính chọn lọc cao, độ bền vật lý và hóa học tốt, khả năng tái sử dụng, và chi phí sản xuất hợp lý. Tuy nhiên, quá trình thiết kế và tổng hợp MIP phù hợp với từng phân tử mục tiêu đòi hỏi thời gian và công sức. Bài viết này đi sâu vào nghiên cứu chế tạo MIP sử dụng Polydopamine để phát hiện Melamine.

1.1. Tổng Quan Về Công Nghệ In Dấu Phân Tử MIT

Công nghệ in dấu phân tử (MIT) là một kỹ thuật tiên tiến trong việc thiết kế các thụ thể nhân tạo. Nó có độ chọn lọc cao và độ đặc hiệu được xác định trước đối với một chất phân tích nhất định [21]. Các polymer in dấu phân tử (MIP) là thụ thể nhân tạo của các phân tử mục tiêu và hoạt động tương tự như hệ thống kháng nguyên − kháng thể tự nhiên. Nói cách khác, cơ chế của chúng giống như “ổ khoá và chìa khoá”[22]. Các thành phần chính để tạo nên các MIP là khuôn mẫu (template), monomer chức năng, chất liên kết chéo và chất khơi mào.

1.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Polymer In Dấu Phân Tử

Ưu điểm chính của MIP là tính chọn lọc và ái lực cao của chúng đối với phân tử mục tiêu được sử dụng trong quá trình in ấn; độ bền vật lý cao và khả năng chống lại nhiệt độ và áp suất cao cũng như tính trơ đối với acid, bazo, ion kim loại và dung môi hữu cơ; giá thành sản xuất ra các MIP cũng ít tốn kém và thời gian lưu trữ của các MIP lại cao [21, 25-28]. Bên cạnh những ưu điểm của MIP thì cũng cần chú ý một số những nhược điểm. Việc thiết kế hệ thống MIP mới phù hợp với phân tử mục tiêu đòi hỏi cần nhiều thời gian và công sức để tổng hợp và thử nghiệm; khả năng xúc tác thấp hơn so với hợp chất sinh học.

II. Melamine Độc Tính và Thách Thức Phát Hiện Hiệu Quả

Melamine là một hợp chất hữu cơ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, việc sử dụng melamine làm giả protein trong thực phẩm, đặc biệt là sữa và thức ăn chăn nuôi, đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng về sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp phát hiện melamine hiện tại như sắc ký lỏng (LC), sắc ký khí (GC) kết hợp với khối phổ (MS) có độ chính xác cao, nhưng lại đòi hỏi thiết bị đắt tiền và kỹ thuật viên chuyên môn. Do đó, việc phát triển các phương pháp phát hiện melamine nhanh chóng, đơn giản, chi phí thấp và có độ nhạy cao là một thách thức lớn.

2.1. Cấu Trúc Và Tính Chất Hóa Học Của Melamine C3H6N6

Melamine (1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) còn được gọi là cyanuaramide hay triaminotriazine, là hợp chất hữu cơ bazo được cấu thành từ ba phân tử CN2H2, trong đó nguyên tố N chiếm 66% khối lượng. Melamine kết tinh dưới dạng lăng trụ đơn nghiêng không màu, độ hoà tan trong nước và dung môi hữu cơ thấp. Một dung dịch nước bão hoà ở 20 ºC chứa ít hơn 1% melamine và một dung dịch ở 90–100 ºC chứa ít hơn 5% [1] . Melamine có thể thủy phân trong kiềm thành ammeline, ammelide và cyanuric acid [2].

2.2. Tác Hại Của Melamine Đối Với Sức Khỏe Con Người

Thành phần melamine chứa 66% nitơ, do đó nó đã được các nhà sản xuất thức ăn gia súc thêm vào như một nguồn nitơ phi protein vào năm 1958. Nhưng việc sử dụng hoá chất này đã bị ngừng lại vào năm 1978, vì nó bị thủy phân không hoàn toàn trong động vật nhai lại [4]. Lợi dụng điều này, những nhà sản xuất thực phẩm (sữa công thức cho trẻ sơ sinh, sữa chua, kẹo, bánh quy, thức ăn vật nuôi) đã sử dụng một lượng melamine nhằm mục đích làm giả hàm lượng protein, giảm chi phí sản xuất và tăng mức lợi nhuận [5]. Khi thêm 1 g melamine vào 1 L sữa, hàm lượng protein sẽ tăng lên 0,4%.

2.3. Các Phương Pháp Phát Hiện Melamine Phổ Biến Hiện Nay

Ngày nay, có rất nhiều cách để phát hiện ra melamine và các hợp chất liên quan như phương pháp sắc ký lỏng (LC), phương pháp sắc ký khí (GC), xét nghiệm miễn dịch hấp phụ liên kết với Enzyme (ELISA), polymer in dấu phân tử (MIP), điện di mao quản [19], phương pháp phát hiện điện hoá, đo quang phổ… Bảng 1.1: So sánh các phương pháp phát hiện melamine hiện nay.

III. Chế Tạo MIP Polydopamine Giải Pháp Phát Hiện Melamine

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo polymer in dấu phân tử (MIP) sử dụng Polydopamine để phát hiện Melamine. Polydopamine được lựa chọn vì khả năng tạo lớp phủ đồng đều, bám dính tốt trên nhiều bề mặt, và dễ dàng điều chỉnh tính chất. Quá trình chế tạo MIP bao gồm tạo hạt nano từ tính Fe3O4@COOH, phủ lớp Polydopamine, in dấu Melamine, và loại bỏ Melamine để tạo khoang liên kết. Hạt nano từ tính Fe3O4@COOH giúp dễ dàng thu hồi và tái sử dụng MIP. Cơ chế phát hiện dựa trên khả năng xúc tác mô phỏng Peroxidase của Fe3O4@COOH, với sự thay đổi màu sắc tỷ lệ với nồng độ Melamine.

3.1. Vai Trò Của Polydopamine Trong Chế Tạo Polymer In Dấu

Dopamine được dùng để làm lớp polymer bao quanh lõi sắt (Fe3O4@MIP). Polymer in dấu phân tử phát hiện melamine được phát triển dựa trên xúc tác mô phỏng enzyme peroxidase của các hạt nano từ tính Fe3O4@COOH và khả năng hấp phụ của màng polymer. Trong nghiên cứu này, polymer in dấu phân tử sẽ sử dụng Fe3O4@COOH làm lõi và dopamine được dùng để làm lớp polymer bao quanh lõi sắt (Fe3O4@MIP).

3.2. Quy Trình Chế Tạo Hạt Nano Từ Tính Fe3O4 COOH

Một số kỹ thuật đã được sử dụng như nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), từ kế mẫu rung (VSM) kính hiển vi điện tử quét (SEM) và tán xạ ánh sáng động (DLS) để mô tả hình thái và cấu trúc của Fe3O4@MIP. Với sự có mặt của chất nền 3,3′,5,5′-tetrametylbenzidin (TMB) và H2O2, Fe3O4@COOH được dùng làm chất xúc tác cho phản ứng tạo màu với cường độ hấp thụ tương ứng.

3.3. Cơ Chế Phát Hiện Melamine Dựa Trên Xúc Tác Peroxidase

Khi có mặt melamine, Fe3O4@MIP sẽ bắt giữ phân tử này và lấp đầy các khoang liên kết khiến cho H2O2 và TMB không thể tiếp xúc với lõi sắt làm cản trở quá trình tạo hỗn hợp màu. Khi nồng độ melamine càng cao thì độ hấp thụ UV-Vis càng thấp, nằm từ 5 µmol/L đến 10000 µmol/L. Không những thế, Fe3O4@MIP còn có độ tin cậy cao với RSD bằng 0,669% giữa các lần tổng hợp khác nhau. Nhờ tính chất từ của Fe3O4 mà Fe3O4@MIP có thể bị thu hồi nhanh chóng và dễ dàng.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Của MIP Kết Quả Nghiên Cứu và Thảo Luận

Nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiệu quả của MIP Polydopamine trong việc phát hiện Melamine. Các kết quả cho thấy MIP có khả năng phát hiện Melamine trong khoảng nồng độ rộng, với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Phổ FT-IR và kết quả SEM xác nhận sự hình thành lớp phủ Polydopamine trên bề mặt hạt nano Fe3O4@COOH. Khả năng xúc tác mô phỏng Peroxidase của MIP được chứng minh thông qua sự thay đổi màu sắc khi có mặt Melamine. Nghiên cứu cũng khảo sát độ tin cậy và khả năng tái sử dụng của MIP, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

4.1. Phân Tích Hình Thái Và Cấu Trúc Của Fe3O4 MIP XRD SEM DLS

Một số kỹ thuật đã được sử dụng như nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), từ kế mẫu rung (VSM) kính hiển vi điện tử quét (SEM) và tán xạ ánh sáng động (DLS) để mô tả hình thái và cấu trúc của Fe3O4@MIP. Nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiệu quả của MIP Polydopamine trong việc phát hiện Melamine. Các kết quả cho thấy MIP có khả năng phát hiện Melamine trong khoảng nồng độ rộng, với độ nhạy và độ chọn lọc cao.

4.2. Khảo Sát Khả Năng Xúc Tác Mô Phỏng Peroxidase Của MIP

Đánh giá khả năng xúc tác mô phỏng peroxidase. Với sự có mặt của chất nền 3,3′,5,5′-tetrametylbenzidin (TMB) và H2O2, Fe3O4@COOH được dùng làm chất xúc tác cho phản ứng tạo màu với cường độ hấp thụ tương ứng. Khi có mặt melamine, Fe3O4@MIP sẽ bắt giữ phân tử này và lấp đầy các khoang liên kết khiến cho H2O2 và TMB không thể tiếp xúc với lõi sắt làm cản trở quá trình tạo hỗn hợp màu. Khi nồng độ melamine càng cao thì độ hấp thụ UV-Vis càng thấp, nằm từ 5 µmol/L đến 10000 µmol/L.

4.3. Đánh Giá Độ Tin Cậy Và Khả Năng Tái Sử Dụng Của MIP

Không những thế, Fe3O4@MIP còn có độ tin cậy cao với RSD bằng 0,669% giữa các lần tổng hợp khác nhau. Nhờ tính chất từ của Fe3O4 mà Fe3O4@MIP có thể bị thu hồi nhanh chóng và dễ dàng. Nghiên cứu cũng khảo sát độ tin cậy và khả năng tái sử dụng của MIP, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế. Kết quả khả năng tái sử dụng của Fe3O4@MIP.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Phát Triển Cảm Biến Melamine Tiện Lợi

Kết quả nghiên cứu này mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các cảm biến Melamine nhanh chóng, tiện lợi và chi phí thấp. Cảm biến có thể được ứng dụng trong kiểm tra chất lượng thực phẩm, giám sát môi trường, và các lĩnh vực khác. Việc tích hợp MIP Polydopamine với các thiết bị di động và công nghệ IoT có thể tạo ra các hệ thống giám sát Melamine theo thời gian thực, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và an toàn thực phẩm.

5.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Kiểm Soát Chất Lượng Thực Phẩm

Cảm biến có thể được ứng dụng trong kiểm tra chất lượng thực phẩm, giám sát môi trường, và các lĩnh vực khác. Việc tích hợp MIP Polydopamine với các thiết bị di động và công nghệ IoT có thể tạo ra các hệ thống giám sát Melamine theo thời gian thực, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và an toàn thực phẩm. Việc phát triển các cảm biến melamine nhanh chóng, tiện lợi và chi phí thấp.

5.2. Hướng Phát Triển Cảm Biến Melamine Mini Hóa Và Di Động

Nghiên cứu này mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các cảm biến Melamine nhanh chóng, tiện lợi và chi phí thấp. Cảm biến có thể được ứng dụng trong kiểm tra chất lượng thực phẩm, giám sát môi trường, và các lĩnh vực khác. Hướng phát triển cảm biến melamine mini hóa và di động.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển MIP Polydopamine Tương Lai

Nghiên cứu chế tạo MIP Polydopamine để phát hiện Melamine đã đạt được những kết quả khả quan. Phương pháp này có tiềm năng thay thế các phương pháp phát hiện Melamine truyền thống, nhờ tính chọn lọc cao, độ nhạy tốt, khả năng tái sử dụng và chi phí hợp lý. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo, tăng cường độ nhạy và độ ổn định của MIP, và phát triển các ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau. MIP ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học khác nhau.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về MIP Polydopamine

Phương pháp này có tiềm năng thay thế các phương pháp phát hiện Melamine truyền thống, nhờ tính chọn lọc cao, độ nhạy tốt, khả năng tái sử dụng và chi phí hợp lý. Nghiên cứu chế tạo MIP Polydopamine để phát hiện Melamine đã đạt được những kết quả khả quan. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính về MIP Polydopamine.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển MIP Polydopamine Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo, tăng cường độ nhạy và độ ổn định của MIP, và phát triển các ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau. MIP ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học khác nhau. Hướng nghiên cứu và phát triển MIP Polydopamine trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Melamine (tên hóa học: 1,3,5-triazine-2,4,6-triamine hay cyanuaramide, triaminotriazine) là một hợp chất hữu cơ dị vòng bazơ có công thức phân tử $C_3H_6N_6$. Phân tử được cấu thành từ ba đơn vị $CN_2H_2$, trong đó hàm lượng nguyên tố nitơ chiếm tới 66% tổng khối lượng phân tử. Trong thực tế công nghiệp, melamine được ứng dụng rộng rãi để sản xuất keo dán gỗ, vật dụng gia dụng (chén, bát, đĩa), nhựa tổng hợp và các tấm phủ bề mặt.

Tuy nhiên, do hàm lượng nitơ chiếm tỷ lệ rất cao, nhiều đơn vị sản xuất thức ăn chăn nuôi và chế biến sữa đã lợi dụng đặc điểm này để đưa melamine vào sản phẩm nhằm làm giả hàm lượng protein thực tế. Phương pháp tiêu chuẩn kiểm tra hàm lượng protein trong thực phẩm truyền thống là phương pháp Kjeldahl, vốn chỉ định lượng tổng hàm lượng nitơ hữu cơ mà không phân biệt được nguồn gốc nitơ từ protein thật hay từ các hợp chất nitơ phi protein. Cứ bổ sung 1 g melamine vào 1 L sữa tươi, chỉ số protein biểu kiến sẽ tăng giả tạo thêm 0,4%.

Hệ quả của hành vi gian lận thương mại này đã dẫn tới những sự cố y tế nghiêm trọng:

• Năm 2007, thức ăn cho thú cưng bị nhiễm melamine và acid cyanuric đã gây ra suy thận cấp và tử vong hàng loạt ở chó, mèo tại Bắc Mỹ; các nghiên cứu độc học xác nhận sự kết hợp giữa melamine và acid cyanuric ở liều lượng 32 mg/kg thể trọng dẫn đến hình thành các tinh thể không tan gây sỏi tắc nghẽn đường tiết niệu.
• Năm 2008, vụ bê bối sữa công thức nhiễm melamine tại Trung Quốc đã khiến khoảng 294.000 trẻ sơ sinh mắc bệnh đường tiết niệu, hơn 51.900 trẻ phải nhập viện điều trị và ít nhất 6 ca tử vong; sỏi thận trích xuất từ các bệnh nhi là phức hợp tinh thể melamine-urate hình thành do tỷ lệ bài tiết acid uric ở trẻ sơ sinh cao gấp 5 đến 8 lần so với người lớn.

Trước các nguy cơ độc tính đối với sức khỏe cộng đồng, các cơ quan an toàn thực phẩm trên thế giới và tại Việt Nam đã ban hành các quy định nghiêm ngặt về ngưỡng giới hạn melamine cho phép:

• Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) thiết lập ngưỡng phát hiện an toàn là 50 ppb và nghiêm cấm việc chủ động bổ sung hóa chất này vào thực phẩm.
• Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) áp dụng mức dung nạp hàng ngày chấp nhận được (TDI) là 0,5 mg/kg thể trọng.
• Cơ quan An toàn Thực phẩm New Zealand (NZFSA) áp dụng giới hạn 1 ppm đối với sữa công thức cho trẻ sơ sinh và 2,5 ppm đối với các sản phẩm từ sữa khác.
• Tại Việt Nam, theo quyết định của Bộ Y tế ban hành ngày 11/12/2008 dựa trên khuyến nghị của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), hàm lượng melamine trong thực phẩm dành cho trẻ em dưới 36 tháng tuổi không được vượt quá 1 mg/kg (≤ 1 ppm) và trong các loại thực phẩm khác không vượt quá 2,5 mg/kg (≤ 2,5 ppm).

Để kiểm soát dư lượng melamine, các phương pháp phân tích tiêu chuẩn hiện hành như sắc ký lỏng (LC) hoặc sắc ký khí (GC) ghép khối phổ (MS), xét nghiệm miễn dịch hấp phụ liên kết enzyme (ELISA) và điện di mao quản đã được áp dụng. Dù có độ nhạy cao, các kỹ thuật này đòi hỏi thiết bị đắt tiền, quy trình vận hành phức tạp, tốn thời gian và chi phí phân tích lớn. Do đó, việc nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu mới có khả năng sàng lọc nhanh, chọn lọc cao và giá thành thấp đang là hướng đi cấp thiết.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đoàn Thị Phương Giang tập trung vào việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu polymer in dấu phân tử từ tính cấu trúc lõi-vỏ ($Fe_3O_4@MIP$) ứng dụng làm cảm biến đo màu phát hiện melamine.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 3 nhiệm vụ:

1. Chế tạo các hạt nano từ tính $Fe_3O_4@COOH$ có kích thước nằm trong khoảng 10–50 nm bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp chức năng hóa bề mặt bằng acid citric.
2. Kiểm soát lớp màng polymer (polydopamine) bao quanh lõi $Fe_3O_4@COOH$ đạt bề dày tối ưu để phân tử khuôn melamine dễ dàng bị loại bỏ, màng có độ tái hấp phụ cao và khoang liên kết có độ sâu chạm đến nền hạt sắt từ.
3. Khảo sát độ tin cậy của vật liệu $Fe_3O_4@MIP$, độ chọn lọc đối với các chất gây nhiễu phổ biến và khả năng tái sử dụng của vật liệu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu nano lai hóa từ tính $Fe_3O_4@COOH$ bọc màng polydopamine in dấu phân tử melamine ($Fe_3O_4@MIP$).
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa hữu cơ, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; kết hợp phân tích cấu trúc tại Trung tâm Phân tích, Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến (AIST), Trung tâm R&D Khu Công nghệ cao Sài Gòn và Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM.
• Phạm vi thời gian: Đề tài hoàn thành vào tháng 7 năm 2023.
• Phạm vi nồng độ khảo sát: Khảo sát khả năng phát hiện melamine trong khoảng nồng độ từ 5 µmol/L đến 10.000 µmol/L và thử nghiệm độ chọn lọc đối với 8 tác nhân gây nhiễu ở nồng độ 0,002 M.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa công nghệ in dấu ấn phân tử (Molecularly Imprinted Technology - MIT), vật liệu nano từ tính ($Fe_3O_4$) và hoạt tính xúc tác mô phỏng enzyme (nanozyme).

Khung lý thuyết và cơ chế hoạt động:

• Polymer in dấu phân tử (MIP): MIP hoạt động theo nguyên lý "ổ khóa và chìa khóa" tương tự như cơ chế nhận diện kháng nguyên - kháng thể sinh học. Quá trình tổng hợp bao gồm việc đồng trùng hợp monomer chức năng quanh phân tử khuôn (template), sau đó chiết tách phân tử khuôn để để lại các khoang liên kết rỗng có kích thước, hình dạng và sự sắp xếp nhóm chức bổ khuyết chính xác với phân tử mục tiêu. Giữa monomer chức năng dopamine và phân tử melamine hình thành hai loại tương tác không cộng hóa trị: liên kết xếp chồng $\pi-\pi$ giữa vòng triazine của melamine và vòng thơm catechol của dopamine; và liên kết hydro giữa nhóm amin ($-NH_2$, $-NH$) của melamine với nhóm hydroxyl ($-OH$) của dopamine.
• Polymer in dấu phân tử từ tính (MMIP): Việc kết hợp lõi oxit sắt từ tính ($Fe_3O_4$) giúp vật liệu thu nhận thêm đặc tính siêu thuận từ, cho phép thu hồi và phân tách vật liệu ra khỏi pha lỏng bằng nam châm ngoài trong vài giây mà không cần trải qua các bước ly tâm hay lọc màng phức tạp.
• Hoạt tính xúc tác mô phỏng peroxidase (nanozyme): Các hạt nano $Fe_3O_4@COOH$ chứa đồng thời ion $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$, thể hiện hoạt tính nội tại giống enzyme peroxidase tự nhiên thông qua phản ứng Fenton phân hủy hydro peroxide ($H_2O_2$) tạo thành gốc tự do hydroxyl ($\bullet OH$): $$Fe^{3+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{2+} + HO_2\bullet + H^+$$ $$Fe^{2+} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+} + \bullet OH + OH^-$$ $$\bullet OH + TMB + H^+ \rightarrow TMB^+ + H_2O$$ Gốc tự do $\bullet OH$ sinh ra sẽ oxy hóa cơ chất không màu 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB) thành dạng cation oxy hóa $TMB^+$ có màu xanh lam đặc trưng, xuất hiện cực đại hấp thụ quang học tại bước sóng $\lambda = 652$ nm.
• Cơ chế cảm biến đo màu: Khi không có melamine, các phân tử $H_2O_2$ dễ dàng khuếch tán qua các khoang in dấu rỗng trên màng polydopamine để tiếp xúc với bề mặt lõi $Fe_3O_4@COOH$, tạo ra $\bullet OH$ và làm dung dịch chuyển sang màu xanh lam đậm. Khi có mặt melamine trong mẫu, các phân tử này tái hấp phụ vào các khoang in dấu, lấp đầy các lỗ xốp và che chắn bề mặt xúc tác của lõi $Fe_3O_4@COOH$. Sự cản trở không gian này ngăn $H_2O_2$ tiếp xúc với tâm xúc tác, ức chế phản ứng sinh gốc $\bullet OH$, dẫn đến cường độ màu xanh lam của hệ giảm tương ứng với nồng độ melamine hiện diện.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

• Phương pháp đồng kết tủa (co-precipitation): Điều chế các hạt nano oxit sắt từ $Fe_3O_4$ từ muối $FeCl_2\cdot4H_2O$ và $FeCl_3\cdot6H_2O$ trong môi trường kiềm $NH_4OH$ ở nhiệt độ 70 °C, sau đó biến tính trực tiếp với acid citric để tạo lớp đơn lớp carboxyl hóa bề mặt ($Fe_3O_4@COOH$).
• Phương pháp tự trùng hợp (self-polymerization): Thực hiện quá trình polymer hóa dopamine hydrochloride tạo màng polydopamine bao bọc hạt $Fe_3O_4@COOH$ trong dung dịch đệm Tris (pH 8,5) với chất oxy hóa ammonium persulfate (APS) ở nhiệt độ phòng trong thời gian 5 giờ. Mẫu polymer không chứa phân tử khuôn ($Fe_3O_4@NIP$) được tổng hợp theo quy trình giống hệt nhưng không đưa melamine vào hệ phản ứng.
• Phương pháp chiết Soxhlet: Sử dụng hệ dung môi acid acetic/methanol với tỷ lệ thể tích 1:9 để rửa giải và loại bỏ phân tử khuôn melamine ra khỏi màng polymer liên tục trong 6 giờ, thu được vật liệu $Fe_3O_4@MIP$ hoàn chỉnh.
• Phương pháp đo quang phổ UV-Vis: Ghi nhận độ hấp thụ quang học tại bước sóng 652 nm nhằm định lượng hoạt tính xúc tác và thiết lập đường chuẩn nồng độ melamine.

Hóa chất và thiết bị phân tích:

• Hóa chất chính: $FeCl_2\cdot4H_2O$, $FeCl_3\cdot6H_2O$, acid citric, $NH_4OH$ 25%, ammonium persulfate, dung dịch đệm Tris-HCl, dopamine hydrochloride, melamine tinh khiết, 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (TMB), hydro peroxide ($H_2O_2$ 5%), cùng các tác nhân gây nhiễu (lysine monohydrochloride, vanillin, glucose, muối ion $Cu^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Zn^{2+}$).
• Thiết bị phân tích cấu trúc và hình thái: Máy nhiễu xạ tia X (XRD Bruker D8 Advance), máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR Jasco / PerkinElmer Spectrum 10.2), từ kế mẫu rung (VSM Micro Sense easy VSM 20130321-02), kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM Hitachi S-4800), máy đo tán xạ ánh sáng động (DLS Malvern Zetasizer Pro) và máy quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis Hitachi).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu lý thuyết và thực tiễn liên quan đến đối tượng nghiên cứu:

• Tính chất vật lý, hóa học và độc học của melamine: Tác giả phân tích cấu trúc đối xứng $D_{3h}$ của melamine, tính tan thấp trong dung môi phân cực (dưới 1% trong nước ở 20 °C), các con đường thủy phân tạo thành ammeline, ammelide và acid cyanuric. Chương này cũng phân tích chi tiết cơ chế tương tác liên kết hydro giữa melamine và acid cyanuric hoặc urate tạo phức mạng lưới tinh thể hình thành sỏi thận.
• Giới hạn an toàn và khung pháp lý: Tổng hợp các mốc quy định của FDA Hoa Kỳ (ngưỡng 50 ppb), EFSA Châu Âu (TDI 0,5 mg/kg), NZFSA New Zealand (1–5 ppm) và Quyết định của Bộ Y tế Việt Nam ngày 11/12/2008 (≤ 1 ppm đối với thực phẩm cho trẻ dưới 36 tháng tuổi và ≤ 2,5 ppm đối với thực phẩm khác).
• Đánh giá so sánh các phương pháp phân tích melamine hiện đại:

Phương pháp	Ưu điểm	Nhược điểm	Yêu cầu xử lý mẫu
LC-MS và GC-MS	Độ nhạy cao, là phương pháp xác nhận tiêu chuẩn chính xác nhất	Chi phí thiết bị rất đắt, thời gian phân tích kéo dài	Tiền xử lý mẫu phức tạp
ELISA	Thao tác đơn giản, chi phí thấp, cho kết quả nhanh	Dễ xuất hiện dương tính giả, cần xét nghiệm khẳng định lại	Tiền xử lý mẫu cơ bản
Điện di mao quản	Tốc độ tách nhanh, tiết kiệm hóa chất và dung môi	Chỉ áp dụng hiệu quả cho các chất có khả năng điện ly	Các bước chuẩn bị mẫu không quá phức tạp
Cảm biến MIP	Độ nhạy cao, độ chọn lọc đặc hiệu, thời gian nhanh	Đòi hỏi tối ưu hóa cấu trúc và hàm lượng monomer cẩn thận	Không đòi hỏi tiền xử lý mẫu phức tạp

• Nguyên lý công nghệ in dấu phân tử (MIP) và hạt từ tính ($MMIP$): Trình bày lịch sử phát triển từ các công trình ban đầu của Mosbach và Wulff (1973, 1984, 1985) đến thuật ngữ cảm biến MIP của Piletsky (1992); phân loại 5 tương tác liên kết trong MIP (phối trí, ion, cộng hóa trị, liên kết hydro và tương tác $\pi-\pi$).
• Cơ sở lựa chọn vật liệu: Tác giả làm rõ lý do sử dụng hạt nano $Fe_3O_4$ phủ acid citric ($Fe_3O_4@COOH$) làm lõi từ tính và xúc tác nanozyme, giúp tăng độ bền huyền phù, chống kết tụ và cung cấp các nhóm carboxyl liên kết tốt với lớp màng mỏng polydopamine.
• Điểm luận các công trình nghiên cứu: Tổng kết các nghiên cứu trong nước của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trọng, Văn Thanh Khuê (chiết tách Quercetin, Rhodamine B bằng MIP) và Thạch Út Đồng (MIP chiết pha rắn Ciprofloxacin); đồng thời phân tích các nghiên cứu quốc tế như cảm biến so màu aptamer-$Fe_3O_4$ phát hiện thrombin của Shen (LOD 27,8 pmol/L), màng $ZnFe_2O_4@MIP$ phát hiện bisphenol A của Kong (LOD 6,18 nM) và nanozyme $Fe_3O_4@MIP$ dùng polydopamine phát hiện tetracycline của Bangxiang (LOD 0,4 µM).

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo, tinh chế và các phương pháp kiểm tra tính chất vật liệu:

• Danh mục hóa chất và thiết bị: Thống kê đầy đủ 15 loại hóa chất có nguồn gốc từ Merck (Mỹ, Đức) và Xilong (Trung Quốc), cùng hệ thống máy đo phân tích hình thái, từ tính và quang phổ.
• Quy trình tổng hợp $Fe_3O_4@COOH$: Hòa tan 1,988 g $FeCl_2\cdot4H_2O$ (0,125 mol) và 5,406 g $FeCl_3\cdot6H_2O$ trong 80 mL nước cất hai lần. Chuyển hỗn hợp lên máy khuấy từ gia nhiệt đến 70 °C và duy trì khuấy trong 30 phút. Bổ sung nhỏ giọt 20 mL dung dịch $NH_4OH$ 25% để tạo kết tủa đen oxit sắt. Sau 1 phút, nạp tiếp 1,2 g acid citric vào hệ phản ứng và tiếp tục khuấy đẳng nhiệt ở 70 °C trong 30 phút. Chất rắn sau phản ứng được phân tách từ tính và rửa ly tâm nhiều lần bằng nước cất và ethanol.
• Quy trình chế tạo $Fe_3O_4@MIP$ (chưa rửa - ký hiệu $Fe_3O_4@MIP\ CR$): Phân tán 0,1 g $Fe_3O_4@COOH$ trong 40 mL dung dịch đệm Tris (pH 8,5) bằng bể siêu âm trong 30 phút. Thêm tiếp 0,02 g melamine vào hỗn hợp và khuấy từ liên tục trong 15–30 phút để tạo phức tiếp xúc. Sau đó, nạp 0,05 g dopamine hydrochloride cùng 0,15 g ammonium persulfate (APS) đóng vai trò chất oxy hóa khơi mào phản ứng tự polymer hóa trong điều kiện nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển suốt 5 giờ. Sản phẩm rắn được rửa ly tâm bằng cồn và acetone, phơi khô ở nhiệt độ phòng. Mẫu polymer đối chứng không khuôn ($Fe_3O_4@NIP$) được chế tạo theo công thức và điều kiện tương đương nhưng không đưa melamine vào.
• Quy trình loại bỏ phân tử khuôn melamine: Chuyển mẫu $Fe_3O_4@MIP\ CR$ vào túi giấy lọc đặt trong thiết bị chiết Soxhlet. Sử dụng 100 mL hệ dung môi acid acetic/methanol (tỷ lệ thể tích 1:9) đun hoàn lưu liên tục trong 6 giờ để hòa tan và lôi cuốn toàn bộ melamine ra khỏi mạng lưới polymer, thu được sản phẩm $Fe_3O_4@MIP$ đã rửa ($Fe_3O_4@MIP\ DR$).
• Giao thức thử nghiệm cảm biến và khảo sát đặc tính:
  • Kiểm tra khả năng xúc tác peroxidase: Nạp 0,001 g mẫu ($Fe_3O_4$, $Fe_3O_4@COOH$, $Fe_3O_4@NIP$, $Fe_3O_4@MIP\ CR$, $Fe_3O_4@MIP\ DR$) vào ống eppendorf 1,5 mL chứa 1 mL nước, 300 µL $H_2O_2$ 5% và 30 µL dung dịch TMB 20 nM. Lắc đều trong 3 phút và đo độ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng $\lambda = 652$ nm.
  • Khảo sát nồng độ melamine: Ủ 0,001 g $Fe_3O_4@MIP$ với 1 mL dung dịch melamine ở các nồng độ khác nhau trong 1 giờ để đạt cân bằng hấp phụ; sau đó thêm $H_2O_2$ 5% và TMB 20 nM, phản ứng 3 phút và đo quang phổ UV-Vis.
  • Khảo sát độ chọn lọc: Tiến hành tương tự ở nồng độ chất phân tích 0,002 M đối với melamine và 8 chất gây nhiễu (lysine monohydrochloride, vanillin, glucose, ion $Cu^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Zn^{2+}$).
  • Khảo sát độ tin cậy và tái sử dụng: Thực hiện tổng hợp 3 mẻ vật liệu độc lập ở các ngày khác nhau, mỗi mẫu thử nghiệm lặp lại 3 lần tại nồng độ melamine 0,0001 M để tính độ lệch chuẩn tương đối (RSD). Thử nghiệm tái sử dụng được tiến hành qua 3 chu kỳ hấp phụ melamine 0,002 M - rửa Soxhlet - kiểm tra quang học.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm thu được từ phân tích hình thái cấu trúc và thử nghiệm cảm biến:

• Cấu trúc pha tinh thể (XRD): Giản đồ XRD của cả 4 mẫu ($Fe_3O_4$, $Fe_3O_4@COOH$, $Fe_3O_4@NIP$, $Fe_3O_4@MIP$) đều xuất hiện 6 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các góc $2\theta = 30,3^\circ$; $35,3^\circ$; $42,9^\circ$; $53,5^\circ$; $57,2^\circ$ và $62,5^\circ$, tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (220), (311), (400), (422), (511) và (440) của cấu trúc mạng tinh thể spinel nghịch của $Fe_3O_4$. Vị trí các đỉnh không bị dịch chuyển, chứng minh quá trình biến tính acid citric và bọc màng polymer không làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể oxit sắt.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR):
  • Cả 4 mẫu đều có đỉnh hấp thụ tại số sóng 590 cm⁻¹, đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết kim loại - oxy ($Fe-O$) trong mạng tinh thể oxit sắt.
  • Mẫu $Fe_3O_4$ xuất hiện các đỉnh của nhóm hydroxyl bề mặt tại 3416 cm⁻¹ và 1628 cm⁻¹.
  • Mẫu $Fe_3O_4@COOH$ xuất hiện thêm dải hấp thụ tại 1620 cm⁻¹ (dao động $C=O$) và 1401 cm⁻¹ (dao động của nhóm $-COO^-$), khẳng định các gốc carboxyl của acid citric đã gắn thành công lên bề mặt hạt sắt từ.
  • Mẫu $Fe_3O_4@NIP$ và $Fe_3O_4@MIP$ thể hiện rõ các tín hiệu đặc trưng của polydopamine: dải hấp thụ rộng tại 3390–3367 cm⁻¹ (dao động kéo giãn của $-OH$ và $-NH$), dải 1619–1615 cm⁻¹ (biến dạng liên kết $-NH$ kết hợp $C=O$), đỉnh 1402 cm⁻¹ (dao động liên kết $C=C$ vòng thơm và $-COO^-$), và đỉnh 1288–1291 cm⁻¹ (dao động kéo giãn liên kết $C-O$ nhóm phenolic).
  • Trên phổ của $Fe_3O_4@MIP$, dao động của vòng triazine được ghi nhận tại hai số sóng 1615 cm⁻¹ và 1402 cm⁻¹; đồng thời đỉnh 590 cm⁻¹ có cường độ mạnh hơn rõ rệt do có sự đóng góp của liên kết uốn ngoài mặt phẳng của nhóm $-NH_2$ trong melamine.
• Tính chất từ (VSM): Đường cong từ hóa của $Fe_3O_4$ và $Fe_3O_4@MIP$ đều đi qua gốc tọa độ, không có chu trình từ trễ, chứng minh tính siêu thuận từ của vật liệu. Độ từ hóa bão hòa ($M_s$) của hạt nano $Fe_3O_4$ ban đầu đạt 52,6 emu/g; sau khi phủ màng polydopamine, giá trị $M_s$ của $Fe_3O_4@MIP$ giảm xuống còn 48,6 emu/g do lớp vỏ polymer không có từ tính che chắn từ trường. Mặc dù suy giảm nhẹ, mức từ hóa 48,6 emu/g vẫn đủ mạnh để hút và tách hoàn toàn vật liệu bằng nam châm trong vài giây, làm dung dịch phân tán trở nên trong suốt.
• Hình thái bề mặt và phân bố kích thước (SEM và DLS):
  • Ảnh SEM xác nhận các hạt $Fe_3O_4@COOH$ có dạng hình cầu với kích thước hạt dao động trong khoảng 10–30 nm. Khi được bọc màng polydopamine, kích thước hạt của $Fe_3O_4@NIP$ và $Fe_3O_4@MIP$ tăng lên rõ rệt. Hạt $Fe_3O_4@NIP$ có dạng hình cầu đồng đều và bề mặt nhẵn hơn, trong khi $Fe_3O_4@MIP$ có bề mặt gồ ghề chứa các lỗ khoang liên kết.
  • Phân tích DLS cho thấy mức độ kết tụ hạt giảm dần theo thứ tự: $Fe_3O_4@COOH > Fe_3O_4@MIP > Fe_3O_4@NIP$. Mẫu $Fe_3O_4@COOH$ xuất hiện 2 đỉnh phân bố kích thước do lực hút tĩnh điện và tương tác từ giữa các hạt nano trần không có vỏ bọc gây kết tụ mạnh. Lớp vỏ polymer trên $Fe_3O_4@NIP$ làm giảm tương tác giữa các lõi từ, giúp các hạt phân tán bền vững nhất. Với $Fe_3O_4@MIP$, do tồn tại các khoang in dấu làm lộ một phần bề mặt lõi sắt, lực hút từ tính vẫn mạnh hơn so với mẫu NIP, dẫn đến độ kết tụ trung gian.
• Hoạt tính xúc tác mô phỏng peroxidase:
  • Hệ dung dịch cơ chất TMB + $H_2O_2$ hoàn toàn không có độ hấp thụ tại bước sóng 652 nm (không tự oxy hóa).
  • Khi có mặt $Fe_3O_4$ hoặc $Fe_3O_4@COOH$, phản ứng tạo màu xảy ra mãnh liệt làm dung dịch chuyển sang màu xanh lam đậm; độ hấp thụ tại bước sóng 652 nm của mẫu $Fe_3O_4@COOH$ đạt 1,094.
  • Mẫu $Fe_3O_4@MIP$ đã rửa khuôn ($Fe_3O_4@MIP\ DR$) xúc tác tạo màu xanh lam nhạt hơn với độ hấp thụ đạt 0,3031, chứng minh các khoang rỗng cho phép $H_2O_2$ thâm nhập tiếp xúc với lõi $Fe_3O_4@COOH$.
  • Mẫu polymer không khuôn $Fe_3O_4@NIP$ và mẫu polymer chưa rửa khuôn $Fe_3O_4@MIP\ CR$ gần như không làm đổi màu dung dịch (độ hấp thụ xấp xỉ nền), do bề mặt lõi xúc tác đã bị bọc kín hoàn toàn bởi polymer hoặc bị lấp đầy bởi phân tử melamine. Hoạt tính xúc tác giảm dần theo dãy: $Fe_3O_4 > Fe_3O_4@COOH > Fe_3O_4@MIP\ DR > Fe_3O_4@MIP\ CR \geq Fe_3O_4@NIP > TMB + H_2O_2$.
• Khả năng phát hiện melamine và phương trình hồi quy: Khi tăng nồng độ melamine đưa vào ủ với $Fe_3O_4@MIP$, độ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 652 nm giảm dần đều. Mối quan hệ giữa sự thay đổi độ hấp thụ quang học và nồng độ melamine tuân theo hàm logarit trong dải nồng độ từ 5 µmol/L đến 10.000 µmol/L, biểu diễn qua phương trình hồi quy tuyến tính: $$A_0 - A_M = 0,0819 \cdot \lg(C_{\text{melamine}}) + 0,0036$$ (trong đó $A_0$ và $A_M$ lần lượt là độ hấp thụ của hệ khi không có và có mặt melamine; $C_{\text{melamine}}$ tính bằng đơn vị µmol/L).
• Độ chọn lọc, độ tin cậy và khả năng tái sử dụng:
  • Thử nghiệm với 8 chất gây nhiễu bao gồm các hợp chất hữu cơ (lysine monohydrochloride, vanillin, glucose) và các ion kim loại ($Cu^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Zn^{2+}$) ở cùng nồng độ 0,002 M cho thấy độ hấp thụ của dung dịch tại bước sóng 652 nm vẫn duy trì ở mức cao và không có sự suy giảm đáng kể như khi có mặt melamine.
  • Thử nghiệm độ lặp lại trên 3 mẻ tổng hợp độc lập ở các thời điểm khác nhau (mỗi mẫu đo lặp lại 3 lần ở nồng độ melamine 0,0001 M) cho giá trị độ lệch chuẩn tương đối $RSD = 0,669%$.
  • Vật liệu duy trì được tín hiệu hấp thụ ổn định qua 3 chu kỳ hấp phụ và rửa giải liên tiếp.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tổng hợp và kiểm chứng thực nghiệm đầy đủ các thông số kỹ thuật của hệ cảm biến nanozyme đo màu:

Thông số / Đặc tính	Giá trị định lượng thực nghiệm	Phương pháp / Thiết bị đo
Kích thước hạt nano $Fe_3O_4@COOH$	10 – 30 nm	Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Cấu trúc tinh thể	Spinel nghịch, 6 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng	Nhiễu xạ tia X (XRD)
Độ từ hóa bão hòa ($M_s$) của $Fe_3O_4$	52,6 emu/g (tính siêu thuận từ)	Từ kế mẫu rung (VSM)
Độ từ hóa bão hòa ($M_s$) của $Fe_3O_4@MIP$	48,6 emu/g (thu hồi nhanh bằng nam châm)	Từ kế mẫu rung (VSM)
Độ hấp thụ tại 652 nm của $Fe_3O_4@COOH$	1,094	Quang phổ hấp thụ UV-Vis
Độ hấp thụ tại 652 nm của $Fe_3O_4@MIP\ DR$	0,3031	Quang phổ hấp thụ UV-Vis
Khoảng nồng độ melamine tuyến tính	5 µmol/L đến 10.000 µmol/L	Quang phổ hấp thụ UV-Vis
Phương trình tương quan tuyến tính	$A_0 - A_M = 0,0819 \cdot \lg(C_{\text{melamine}}) + 0,0036$	Hồi quy tuyến tính logarit
Độ lặp lại giữa các mẻ tổng hợp	$RSD = 0,669%$ ($n=3$, nồng độ $10^{-4}$ M)	Quang phổ hấp thụ UV-Vis
Khả năng tái sử dụng	Ổn định qua 3 chu kỳ hấp phụ - giải hấp	Thử nghiệm chu kỳ bằng Soxhlet

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả:

• Sử dụng hạt nano $Fe_3O_4@COOH$ làm vật liệu nanozyme thay thế enzyme peroxidase tự nhiên, giải quyết triệt để nhược điểm về độ kém bền với nhiệt độ, pH và giá thành đắt đỏ của enzyme sinh học.
• Khai thác tính siêu thuận từ của lõi $Fe_3O_4$ giúp quá trình thu gom, tinh chế và tái sinh vật liệu được thực hiện nhanh gọn bằng từ trường ngoài, loại bỏ hoàn toàn các bước ly tâm hoặc lọc tốn kém.
• Ứng dụng quá trình tự trùng hợp của dopamine trong dung dịch đệm kiềm nhẹ (Tris pH 8,5) ở nhiệt độ phòng, tạo lớp phủ polydopamine bám dính chắc chắn mà không cần sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại hay điều kiện gia nhiệt phức tạp.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước:

• Tác giả đã tích hợp thành công hoạt tính xúc tác fenton nội tại của hạt nano từ tính vào cấu trúc màng polymer in dấu mỏng, thiết lập cơ chế chuyển đổi tín hiệu quang học đo màu trực tiếp mà không cần gắn thêm chất chỉ thị huỳnh quang hay sử dụng điện cực phức tạp.
• Khắc phục hiện tượng kết tụ thường gặp ở các hạt nano sắt từ nhờ lớp biến tính acid citric đóng vai trò trung gian cố định và kiểm soát bề dày màng polydopamine ở quy mô nanomet, giúp khoang liên kết có độ sâu tối ưu tiếp cận được lõi xúc tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Giản đồ XRD của oxit sắt từ $Fe_3O_4$ có vị trí các đỉnh nhiễu xạ trùng khớp với dạng pha $\gamma-Fe_2O_3$ (maghemite); trong quá trình tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa ở môi trường hở, một phần $Fe_3O_4$ có khả năng đã bị oxy hóa thành $\gamma-Fe_2O_3$. Mặc dù tác giả lập luận cả hai pha đều có từ tính và phản ứng được với TMB khi có $H_2O_2$, sự tồn tại đồng thời của pha oxy hóa chưa được định lượng cụ thể.
• Quy trình loại bỏ phân tử khuôn melamine sử dụng thiết bị chiết Soxhlet với hệ dung môi acid acetic/methanol (tỷ lệ 1:9) đòi hỏi thời gian đun hoàn lưu kéo dài liên tục 6 giờ, làm tăng thời gian chuẩn bị vật liệu.
• Các khảo sát cảm biến mới chỉ được thực hiện trên hệ dung dịch nước chuẩn trong phòng thí nghiệm; khóa luận chưa tiến hành thử nghiệm kiểm chứng độ thu hồi trên các nền mẫu thực phẩm phức tạp thực tế như sữa bột trẻ em, sữa tươi thương phẩm hay thức ăn gia súc (vốn chứa nhiều protein, chất béo, đường và các vi chất gây cản trở nền).
• Giới hạn phát hiện dưới của đường chuẩn là 5 µmol/L (tương đương khoảng 0,63 mg/L hay 0,63 ppm). Mức nồng độ này đáp ứng tốt quy chuẩn đối với thực phẩm nói chung (≤ 2,5 ppm theo Bộ Y tế), nhưng chưa bao phủ được ngưỡng vết cực thấp đối với thực phẩm trẻ em dưới 36 tháng tuổi (≤ 1 ppm) hay ngưỡng kiểm soát khắt khe của FDA Hoa Kỳ (50 ppb).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình rửa tách khuôn melamine nhằm rút ngắn thời gian chiết Soxhlet hoặc thay thế bằng các phương pháp rửa giải siêu âm hỗ trợ dung môi phù hợp.
• Mở rộng thử nghiệm phát hiện melamine trên các mẫu thực tế (sữa công thức, sữa chua, thức ăn chăn nuôi) và đánh giá độ thu hồi (recovery) của phương pháp trên nền mẫu thực.
• Cải tiến quy trình tổng hợp nhằm hạ thấp giới hạn phát hiện (LOD) đạt mức dưới 1 ppm và hướng tới mức ppb, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kiểm nghiệm an toàn thực phẩm khắt khe nhất.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các đối tượng:

• Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa phân tích, Công nghệ Vật liệu và Công nghệ Thực phẩm đang nghiên cứu về vật liệu nano lai vô cơ - hữu cơ, công nghệ in dấu phân tử (MIP/MMIP) hoặc vật liệu nanozyme xúc tác.
• Cán bộ kỹ thuật và nghiên cứu viên tại các phòng kiểm nghiệm an toàn thực phẩm, phân tích môi trường đang tìm kiếm giải pháp phát triển cảm biến đo màu nhanh, chi phí thấp thay thế các phương pháp sắc ký đắt tiền.

Các phần nội dung đáng tham khảo trong văn bản:

• Quy trình thực nghiệm tổng hợp hạt nano từ tính $Fe_3O_4@COOH$ bằng phương pháp đồng kết tủa và chức năng hóa bề mặt bằng acid citric tại Chương 2 (mục 2.2.2).
• Quy trình tự polymer hóa dopamine bọc lõi từ tính trong môi trường đệm Tris-HCl ở nhiệt độ phòng và kỹ thuật chiết tách khuôn bằng Soxhlet tại Chương 2 (mục 2.2.3).
• Phương pháp luận phân tích đối sánh đa kỹ thuật (XRD, FT-IR, VSM, SEM, DLS) để chứng minh sự hình thành lớp màng polymer và bảo toàn cấu trúc mạng tinh thể tại Chương 3 (mục 3.1).
• Thiết kế thử nghiệm đánh giá hoạt tính mô phỏng peroxidase và quy trình xây dựng đường chuẩn ức chế quang phổ UV-Vis dạng logarit tại Chương 3 (mục 3.2 và 3.3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả phải biến tính bề mặt hạt nano $Fe_3O_4$ bằng acid citric trước khi thực hiện quá trình bọc màng polydopamine?

Các hạt nano $Fe_3O_4$ kích thước nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn và lực hút từ tính mạnh, rất dễ bị kết tụ thành các cụm lớn và dễ bị oxy hóa trong không khí. Việc biến tính bề mặt bằng acid citric gắn các nhóm chức carboxyl ($-COOH$) lên bề mặt hạt tạo thành $Fe_3O_4@COOH$, giúp tăng điện tích âm bề mặt, cải thiện độ phân tán và độ bền trong môi trường huyền phù. Bên cạnh đó, lớp đơn lớp carboxylate đóng vai trò như một pha trung gian giúp các phân tử monomer dopamine dễ dàng bám dính, định hướng và kiểm soát bề dày màng polymer ở kích thước nano, đảm bảo các khoang in dấu sau khi tạo thành có thể tiếp xúc trực tiếp đến nền lõi sắt từ.

2. Cơ chế nào giúp hệ vật liệu $Fe_3O_4@MIP$ phát hiện và định lượng được melamine thông qua sự thay đổi màu sắc?

Hệ cảm biến hoạt động dựa trên hoạt tính xúc tác mô phỏng peroxidase của lõi $Fe_3O_4@COOH$. Khi không có melamine, các phân tử $H_2O_2$ đi qua các khoang in dấu rỗng trên màng polydopamine tiếp xúc với lõi sắt, bị phân hủy tạo gốc tự do $\bullet OH$; gốc $\bullet OH$ oxy hóa cơ chất TMB không màu thành sản phẩm $TMB^+$ có màu xanh lam với độ hấp thụ cực đại tại 652 nm. Khi có mặt melamine, các phân tử melamine tái liên kết đặc hiệu vào các khoang in dấu trên màng polymer, lấp đầy các lỗ xốp và che chắn bề mặt xúc tác của lõi $Fe_3O_4@COOH$, ngăn cản phản ứng tạo gốc $\bullet OH$. Nồng độ melamine càng cao thì mức độ che chắn càng lớn, dung dịch màu xanh lam càng nhạt dần và độ hấp thụ UV-Vis tại 652 nm suy giảm tương ứng theo hàm logarit.

3. Sự khác biệt về tính chất từ giữa hạt nano $Fe_3O_4$ ban đầu và vật liệu $Fe_3O_4@MIP$ sau khi phủ polymer là gì?

Theo kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM), cả hai mẫu đều thể hiện tính chất siêu thuận từ với đường cong từ hóa đối xứng qua gốc tọa độ và không có độ từ trễ. Hạt $Fe_3O_4$ ban đầu có độ từ hóa bão hòa ($M_s$) đạt 52,6 emu/g; sau khi được bọc màng polydopamine, giá trị $M_s$ của $Fe_3O_4@MIP$ giảm nhẹ xuống 48,6 emu/g do lớp vỏ polymer phi từ che chắn từ trường. Mặc dù suy giảm, giá trị 48,6 emu/g vẫn đủ lớn để các hạt $Fe_3O_4@MIP$ bị hút nhanh chóng về phía nam châm ngoài chỉ trong vài giây, làm dung dịch trở nên trong suốt và hỗ trợ quá trình thu hồi vật liệu dễ dàng.

4. Những liên kết hóa học nào giúp màng polydopamine nhận diện và bắt giữ chọn lọc phân tử melamine?

Khả năng nhận diện chọn lọc của $Fe_3O_4@MIP$ đối với melamine dựa trên hai yếu tố: kích thước, hình học không gian bổ khuyết của khoang in dấu sau khi loại bỏ khuôn; và các tương tác hóa học không cộng hóa trị giữa monomer dopamine với melamine. Cụ thể bao gồm: tương tác xếp chồng electron $\pi-\pi$ giữa vòng thơm benzen của polydopamine và hệ vòng dị vòng triazine giàu electron của melamine; cùng với các liên kết hydro hình thành giữa các nhóm amin ($-NH_2$, $-NH$) trên phân tử melamine với các nguyên tử oxy thuộc nhóm hydroxyl phenolic ($-OH$) trên chuỗi polydopamine.

5. Vật liệu $Fe_3O_4@MIP$ đạt độ lặp lại và khả năng kháng các chất gây nhiễu như thế nào trong thực nghiệm?

Thực nghiệm đánh giá độ tin cậy giữa 3 mẻ tổng hợp vật liệu độc lập ở các thời điểm khác nhau (mỗi mẻ thử nghiệm 3 lần tại nồng độ melamine $10^{-4}$ M) cho thấy độ lệch chuẩn tương đối rất thấp, đạt $RSD = 0,669%$. Khi cho vật liệu tiếp xúc với 8 chất gây nhiễu phổ biến có khả năng xuất hiện trong sữa và thức ăn chăn nuôi (lysine monohydrochloride, vanillin, glucose, ion $Cu^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mn^{2+}$, $Zn^{2+}$) ở cùng nồng độ 0,002 M, tín hiệu độ hấp thụ quang học tại bước sóng 652 nm không bị suy giảm đáng kể, chứng minh cảm biến có tính đặc hiệu cao với melamine nhờ cấu trúc khoang nhận biết tương thích chính xác.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đoàn Thị Phương Giang đã chế tạo thành công vật liệu polymer in dấu phân tử từ tính cấu trúc lõi-vỏ $Fe_3O_4@MIP$ sử dụng màng polydopamine để phát hiện melamine. Nghiên cứu đã kết hợp hoạt tính xúc tác mô phỏng enzyme peroxidase nội tại của lõi nano $Fe_3O_4@COOH$ với khả năng nhận diện chọn lọc của màng in dấu phân tử, xây dựng thành công phương pháp cảm biến đo màu trong dải nồng độ từ 5 µmol/L đến 10.000 µmol/L. Vật liệu có độ từ hóa bão hòa cao (48,6 emu/g) giúp thu hồi phân tách dễ dàng bằng nam châm ngoài, đạt độ lặp lại tốt giữa các mẻ tổng hợp ($RSD = 0,669%$) và có khả năng kháng nhiễu hiệu quả trước nhiều loại đường, acid amin và ion kim loại. Công trình cung cấp quy trình chế tạo chi tiết và dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh, mở ra hướng nghiên cứu tiềm năng trong việc phát triển các bộ kit thử nhanh dư lượng melamine trong phân tích an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cấu trúc và tính chất của melamine Melamine (1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) còn được gọi là cyanuaramide hay triaminotriazine, là hợp chất hữu cơ bazo được cấu thành từ ba phân tử CN2H2, trong đó nguyên tố N chiếm 66% khối lượng. Cấu trúc của phân tử melamine được thể hiện trên hình 1.1: Cấu trúc của phân tử melamine Melamine kết tinh dưới dạng lăng trụ đơn nghiêng không màu, độ hoà tan trong nước và dung môi hữu cơ thấp. Một dung dịch nước bão hoà ở 20 ºC chứa ít hơn 1% melamine và một dung dịch ở 90–100 ºC chứa ít hơn 5% [1].

Melamine có thể thủy phân trong kiềm thành ammeline, ammelide và cyanuric acid [2]. Vào năm 1834, Liebig đã điều chế melamine lần đầu tiên bằng cách đun nóng potassium thiocyanate với ammonium chloride. Melamine có thể được tạo ra từ guanidine carbonate, thiourea, cyanamide, hoặc dicyandiamide [3]. Ngày nay, quy trình sản xuất melamine thường sử dụng urê để điều chế.

Độc tính của Melamine Thành phần melamine chứa 66% nitơ, do đó nó đã được các nhà sản xuất thức ăn gia súc thêm vào như một nguồn nitơ phi protein vào năm 1958. Nhưng việc sử dụng hoá 1 chất này đã bị ngừng lại vào năm 1978, vì nó bị thủy phân không hoàn toàn trong động vật nhai lại [4]. Phương pháp Kjeldahl là phương pháp được sử dụng để đo tổng hàm lượng nitơ có trong mẫu. Lợi dụng điều này, những nhà sản xuất thực phẩm (sữa công thức cho trẻ sơ sinh, sữa chua, kẹo, bánh quy, thức ăn vật nuôi) đã sử dụng một lượng melamine nhằm mục đích làm giả hàm lượng protein, giảm chi phí sản xuất và tăng mức lợi nhuận [5].

Khi thêm 1 g melamine vào 1 L sữa, hàm lượng protein sẽ tăng lên 0,4%. Đối với sữa bột, lượng melamine có thể hoà tan nhiều hơn khi sử dụng nước ấm để pha sữa [6]. Vào năm 2007, melamine đã trở thành chủ đề đáng chú ý khi nó được các nhà khoa học thú y xác định thức ăn cho vật nuôi nhiễm melamine là nguyên nhân khiến hàng trăm vật nuôi tử vong. Thức ăn cho vật nuôi được thử nghiệm từ đợt bùng phát này có chứa melamine và cyanuric acid [7, 8].

Hàm lượng melamine tìm thấy trong một số thực phẩm được kiểm tra dao động từ 10 đến 3,200 ppm (1 ppm tương đương 1 mg/kg nguồn thực phẩm). Ước tính mỗi ngày, vật nuôi ăn khoảng 360 đến 430 mg/kg [8]. Một số nghiên cứu trên động vật đã được thực hiện để xác định độ an toàn của melamine và cyanuric acid. Trong một nghiên cứu, mèo được cho ăn melamine, cyanuric acid hoặc cả hai với liều lượng tăng dần.

Những con mèo chỉ được cho ăn một hợp chất không bị suy thận hoặc tinh thể nước tiểu chứa 181 mg/kg trọng lượng cơ thể đối với melamine hoặc ở liều 243 mg/kg trọng lượng cơ thể đối với cyanuric acid. Tuy nhiên, những con mèo được cho ăn cả hai hợp chất này lại mắc bệnh sỏi tiết niệu với liều 32 mg/kg trọng lượng cơ thể của melamine và cyanuric acid [9]. Cấu trúc liên kết hydro của melamine và cyanuric acid có thể dẫn đến sự hình thành tinh thể và sỏi trong thận như thể hiện ở hình 1.2: Cấu trúc liên kết hydro của melamine và cyanuric acid có thể dẫn đến sự hình thành tinh thể và sỏi trong thận 2 Tuy nhiên, vào năm 2008 đã có một sự kiện chấn động, thu hút rất nhiều sự chú ý của người dân trên toàn thế giới. Đó là việc phát hiện ra trong sữa công thức dành cho trẻ sơ sinh có chứa hàm lượng melamine rất cao.

Điều này đã khiến cho khoảng 294000 trẻ sơ sinh ở Trung Quốc bị ảnh hưởng, với hơn 51900 ca nhập viện và 6 ca tử vong [12].