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

• 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

• 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

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.