Tổng quan nghiên cứu

Xyanua là một chất độc cực mạnh, có khả năng gây tử vong nhanh chóng khi tiếp xúc với cơ thể con người. Theo ước tính, nồng độ gây tử vong trung bình của khí hydro xyanua là khoảng 546 ppm sau 10 phút tiếp xúc, trong khi liều gây tử vong trung bình qua đường miệng là 1.52 mg/kg. Xyanua tồn tại trong tự nhiên dưới dạng cyanogenic glycoside trong nhiều loại thực vật như củ sắn, măng tươi, hạt mơ, khoai mì với hàm lượng từ vài trăm đến vài nghìn mg/kg. Ngoài ra, hoạt động công nghiệp và nông nghiệp cũng thải ra lượng lớn xyanua, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do tính độc hại cao và sự phổ biến của xyanua, việc phát triển các cảm biến nhanh, chính xác và dễ sử dụng để phát hiện xyanua trong môi trường nước và thực phẩm là rất cần thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp copolyme chứa nhóm hoạt quang bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do chuyển đổi nguyên tử (ATRP) nhằm phát triển cảm biến xyanua có khả năng hoạt động trong môi trường nước và quan sát được sự thay đổi màu sắc bằng mắt thường mà không cần đèn UV hỗ trợ. Mục tiêu cụ thể là tổng hợp và phân tích các monome PBI và 4-FPMA-EMBI, sau đó phát triển copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) có tính chọn lọc cao với xyanua. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng cảm biến hóa học để giám sát nhanh xyanua trong môi trường và thuốc bảo vệ thực vật, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phản ứng trùng hợp gốc tự do chuyển đổi nguyên tử (ATRP) và hiệu ứng trao đổi điện tích nội phân tử (ICT). ATRP là phương pháp trùng hợp gốc tự do có kiểm soát, cho phép tổng hợp polyme với trọng lượng phân tử xác định và độ đa phân tán thấp. Phương pháp này sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp, thường là đồng (Cu), phối tử dựa trên nitơ và chất khơi mào alkyl halogenua để kiểm soát quá trình trùng hợp. ATRP cho phép tạo ra các polyme có cấu trúc phức tạp như block copolyme với nhóm chức năng đặc biệt.

Hiệu ứng ICT liên quan đến sự truyền điện tích từ nhóm cho điện tử (donor) sang nhóm nhận điện tử (acceptor) trong cùng một phân tử khi được kích thích bằng ánh sáng. Sự thay đổi này làm biến đổi phổ hấp thụ và phát xạ huỳnh quang, từ đó cảm biến dựa trên ICT có thể nhận biết sự hiện diện của các anion như xyanua thông qua sự thay đổi màu sắc hoặc cường độ phát quang. Các yếu tố ảnh hưởng đến ICT bao gồm độ phân cực và liên kết hydro của dung môi, cũng như cấu trúc hóa học của cảm biến.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là:

  • Monome và copolyme: các đơn vị cấu tạo polyme, trong đó copolyme được tổng hợp từ nhiều loại monome khác nhau để tạo tính năng đặc biệt.
  • Phản ứng ATRP: quá trình trùng hợp gốc tự do có kiểm soát để tạo ra polyme với cấu trúc và nhóm chức mong muốn.
  • Hiệu ứng ICT: cơ chế quang học giúp cảm biến nhận biết xyanua thông qua sự thay đổi điện tích nội phân tử.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu monome và copolyme được tổng hợp trong phòng thí nghiệm Vật Liệu Polyme và Compozit, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM. Cỡ mẫu gồm các hợp chất PBI, 4-FPMA-EMBI và copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) được tổng hợp theo quy trình phản ứng hóa học chuẩn. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các monome có nhóm chức hoạt quang và khả năng tương tác với xyanua để tổng hợp copolyme.

Phân tích cấu trúc và đặc tính vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật:

  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR, 13C NMR) để xác định cấu trúc hóa học.
  • Phổ hồng ngoại chuyển đổi (FT-IR) để khảo sát nhóm chức.
  • Phổ sắc ký thẩm thấu gel (GPC) để xác định trọng lượng phân tử và độ đa phân tán.
  • Phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV-Vis) và phổ quang phát quang (PL) để đánh giá tính chất quang học và khả năng nhận biết xyanua.

Phân tích dữ liệu được thực hiện theo timeline nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023, với các bước tổng hợp, tinh chế, phân tích và đánh giá tính năng cảm biến. Phương pháp phân tích bao gồm so sánh phổ quang trước và sau khi tiếp xúc với xyanua, đánh giá giới hạn phát hiện và khả năng chọn lọc so với các anion cạnh tranh khác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công monome PBI và 4-FPMA-EMBI: PBI được tổng hợp với hiệu suất 42%, 4-FPMA-EMBI cũng được tổng hợp thành công với cấu trúc xác định qua phổ 1H NMR và FT-IR. Cả hai monome đều thể hiện sự thay đổi màu sắc rõ rệt khi tiếp xúc với xyanua trong dung dịch hỗn hợp DMSO/H2O hoặc EtOH/H2O.

  2. Phát triển copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) hoạt động trong môi trường nước: Copolyme này được tổng hợp bằng ATRP với trọng lượng phân tử kiểm soát và độ đa phân tán thấp (được xác định qua GPC). Copolyme cho sự thay đổi màu sắc từ cam nhạt sang hồng khi thử nghiệm trên giấy nhờ hiệu ứng ICT, đồng thời hoạt động hiệu quả trong môi trường nước, khắc phục hạn chế của các cảm biến trước đây chỉ hoạt động trong dung môi hữu cơ.

  3. Giới hạn phát hiện xyanua thấp và tính chọn lọc cao: Giới hạn phát hiện của PBI và 4-FPMA-EMBI lần lượt khoảng 50 µM và 270 µM, trong khi copolyme có khả năng phát hiện xyanua trong khoảng 50 – 350 µM với tín hiệu quang học rõ ràng. Cả ba vật liệu đều thể hiện tính chọn lọc tốt với xyanua so với các anion cạnh tranh như Cl−, Br−, F−, I−, AcO−, SO42−, NO3−.

  4. Khả năng ứng dụng thực tế trên que thử: Que thử phủ copolyme cho phép nhận biết xyanua bằng mắt thường mà không cần đèn UV, thuận tiện cho việc giám định tại chỗ. Sự thay đổi màu sắc trên que thử được ghi nhận rõ ràng dưới ánh sáng thường, tăng tính ứng dụng trong thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi màu sắc và tín hiệu quang học là do hiệu ứng ICT bị phá vỡ khi xyanua liên kết với nhóm nhận điện tử trong monome và copolyme, làm thay đổi cấu trúc điện tử và phổ hấp thụ/phát xạ. So với các nghiên cứu trước đây, copolyme tổng hợp trong luận văn có ưu điểm hoạt động trong môi trường nước và không cần thiết bị hỗ trợ quan sát, nâng cao tính tiện lợi và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả phổ UV-Vis và PL được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự dịch chuyển bước sóng hấp thụ và phát xạ theo nồng độ xyanua, minh họa rõ ràng mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu quang học và nồng độ xyanua. So sánh với các cảm biến dựa trên phân tử nhỏ, copolyme có cấu trúc ổn định hơn, khả năng tương thích sinh học cao và dễ dàng biến tính để nâng cao hiệu suất cảm biến.

Những phát hiện này góp phần mở rộng ứng dụng của ATRP trong tổng hợp vật liệu cảm biến và khẳng định hiệu quả của hiệu ứng ICT trong thiết kế cảm biến hóa học nhận biết xyanua.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển cảm biến dạng que thử thương mại: Tăng cường nghiên cứu để hoàn thiện quy trình phủ copolyme lên que thử, đảm bảo độ bền và độ nhạy trong điều kiện thực tế. Mục tiêu đạt độ nhạy phát hiện xyanua dưới 50 µM trong vòng 6 tháng, do các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp công nghệ sinh học thực hiện.

  2. Mở rộng ứng dụng cảm biến cho thuốc bảo vệ thực vật chứa nhóm nitrile: Nghiên cứu khả năng nhận biết các hợp chất nitrile trong thuốc bảo vệ thực vật, nhằm giám sát an toàn thực phẩm và môi trường. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu nông nghiệp.

  3. Tối ưu hóa cấu trúc copolyme để nâng cao độ chọn lọc và độ bền: Thay đổi tỷ lệ monome và nhóm chức trong copolyme để cải thiện khả năng nhận biết và ổn định cảm biến trong môi trường phức tạp. Thời gian nghiên cứu 9 tháng, do nhóm nghiên cứu hóa học polymer đảm nhiệm.

  4. Phát triển hệ thống cảm biến tích hợp với thiết bị điện tử: Kết hợp cảm biến copolyme với thiết bị đo quang học mini để tự động hóa quá trình phát hiện xyanua, nâng cao độ chính xác và tiện lợi. Dự kiến thực hiện trong 18 tháng, hợp tác với các chuyên gia công nghệ điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Hóa học Polymer: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về ATRP, hiệu ứng ICT và kỹ thuật tổng hợp copolyme, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu cảm biến.

  2. Chuyên gia phát triển cảm biến hóa học và thiết bị phân tích môi trường: Thông tin về cấu trúc copolyme và phương pháp tổng hợp giúp thiết kế cảm biến nhạy, chọn lọc và ứng dụng trong giám sát môi trường nước và thực phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật và thiết bị giám sát an toàn thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp giải pháp phát hiện nhanh xyanua và các hợp chất nitrile, hỗ trợ kiểm soát chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các công cụ giám sát ô nhiễm xyanua, nâng cao hiệu quả kiểm tra và xử lý sự cố ô nhiễm trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng ATRP có ưu điểm gì so với các phương pháp trùng hợp khác?
    ATRP cho phép kiểm soát trọng lượng phân tử và độ đa phân tán polyme, tạo ra cấu trúc polyme phức tạp với nhóm chức năng đa dạng. Điều này giúp tổng hợp cảm biến có tính ổn định và hiệu suất cao hơn.

  2. Hiệu ứng ICT giúp cảm biến nhận biết xyanua như thế nào?
    ICT liên quan đến sự truyền điện tích nội phân tử giữa nhóm cho và nhận điện tử. Khi xyanua liên kết với nhóm nhận, sự truyền điện tích bị phá vỡ, làm thay đổi phổ hấp thụ và phát xạ, từ đó cảm biến thay đổi màu sắc hoặc cường độ huỳnh quang.

  3. Giới hạn phát hiện xyanua của copolyme trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) có khả năng phát hiện xyanua trong khoảng 50 – 350 µM với tín hiệu quang học rõ ràng, phù hợp cho ứng dụng giám sát nhanh tại hiện trường.

  4. Cảm biến có thể hoạt động trong môi trường nước không?
    Có, copolyme tổng hợp trong nghiên cứu được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường nước, khắc phục hạn chế của nhiều cảm biến trước đây chỉ hoạt động trong dung môi hữu cơ.

  5. Làm thế nào để quan sát sự thay đổi của cảm biến mà không cần đèn UV?
    Sự thay đổi màu sắc của copolyme khi tiếp xúc với xyanua có thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường dưới ánh sáng thường, nhờ hiệu ứng ICT làm biến đổi màu sắc phát xạ.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công monome PBI và 4-FPMA-EMBI cùng copolyme EBiB-b-P(DMAEMA-r-4-FPMA-EMBI) bằng phương pháp ATRP với cấu trúc xác định và trọng lượng phân tử kiểm soát.
  • Các vật liệu cảm biến này thể hiện khả năng nhận biết xyanua nhanh chóng, có giới hạn phát hiện thấp và tính chọn lọc cao so với các anion cạnh tranh.
  • Copolyme phát triển có thể hoạt động trong môi trường nước và cho phép quan sát sự thay đổi màu sắc bằng mắt thường mà không cần đèn UV, tăng tính ứng dụng thực tế.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của ATRP trong tổng hợp vật liệu cảm biến và khẳng định hiệu quả của hiệu ứng ICT trong thiết kế cảm biến hóa học.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm hoàn thiện que thử thương mại, mở rộng ứng dụng trong thuốc bảo vệ thực vật và tích hợp với thiết bị điện tử để nâng cao hiệu quả phát hiện.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, chuyên gia phát triển cảm biến và các tổ chức quản lý môi trường trong việc phát triển và ứng dụng cảm biến xyanua nhanh, chính xác và tiện lợi.