Nghiên cứu ứng dụng nanocomposite Au/SnS định lượng Vitamin C trong thực phẩm

Nghiên cứu ứng dụng nanocomposite ausns trong định lượng vitamin C trong thực phẩm, góp phần nâng cao chất lượng phân tích hóa học.

• Tác giả: Trương Chung Tú Nhi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Danh
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng nanocomposite Au/SnS định lượng Vitamin C trong thực phẩm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nanocomposite
• 1.1.1. Giới thiệu vật liệu nanocomposite
• 1.1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano
• 1.1.3. Ứng dụng vật liệu nanocomposite
• 1.2. Giới thiệu vật liệu Au/SnS
• 1.2.1. Nano SnS
• 1.3. Nanocomposite Au/SnS
• 1.4. Phương pháp phân tích sử dụng TMB - H2O2
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2. Dụng cụ
• 2.3. Tổng hợp nanocomposite Au/SnS
• 2.3.1. Phương pháp SEM-EDX
• 2.4. Khảo sát quy trình chế tạo cảm biến quang học TMB - H2O2
• 2.4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa H2O2 và TMB
• 2.4.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng khử ox-TMB với acid ascorbic
• 2.5. Thẩm định phương pháp
• 2.5.1. Xác định MDL và MQL của phương pháp
• 2.5.2. Độ lặp lại
• 2.5.3. Độ đặc hiệu
• 2.6. Phân tích mẫu thực
• 2.6.1. Chuẩn bị mẫu
• 2.6.2. Phân tích mẫu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Mô tả quá trình tổng hợp SnS và kết quả phân tích SEM - EDX
• 3.2. Kết quả nghiên cứu các đặc trưng hóa lý của nanocomposite Au/SnS
• 3.2.1. Kết quả Raman
• 3.2.2. Kết quả XRD
• 3.2.3. Kết quả SEM
• 3.2.4. Kết quả TEM
• 3.3. Khảo sát quy trình chế tạo cảm biến quang học TMB - H2O2
• 3.3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa H2O2 và TMB
• 3.3.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng khử ox-TMB với acid ascorbic
• 3.4. Thẩm định phương pháp
• 3.4.1. Khoảng tuyến tính và đường chuẩn
• 3.4.2. Giới hạn phát hiện (MDL) và giới hạn định lượng (MQL)
• 3.4.3. Độ đặc hiệu
• 3.4.4. Độ đúng của phương pháp
• 3.4.5. Độ lặp và độ tái lặp của phương pháp
• 3.5. Kết quả phân tích mẫu nước trái cây
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Nanocomposite Au SnS Trong Đời Sống

Enzyme tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, nông nghiệp, và công nghiệp thực phẩm do đặc hiệu và hiệu quả xúc tác cao. Peroxidase, một enzyme tự nhiên thuộc lớp oxyoreductase, xúc tác quá trình chuyển điện từ chất cho điện tử đến chất nhận điện tử. Enzyme peroxidase kích hoạt H2O2 và thực hiện vô số quá trình oxy hóa. Việc sử dụng enzyme tự nhiên vẫn còn nhiều thách thức do hoạt tính xúc tác của chúng dễ bị ức chế bởi các điều kiện môi trường như nhiệt độ và pH. Ngoài ra, việc điều chế, chế biến và bảo quản enzyme tự nhiên tốn nhiều thời gian. Vì vậy, việc phát triển các hoạt chất giống như peroxidase có hoạt tính cao trên nhiều chất nền là rất quan trọng. Sự xuất hiện của khoa học nano và công nghệ nano mở ra những cơ hội mới cho ứng dụng nano trong xúc tác. Các vật liệu nano đã được chứng minh là chất xúc tác hiệu quả cao, và một số vật liệu nano đã được phát hiện có hoạt động giống peroxidase, chẳng hạn như oxit kim loại, nano kim loại, và chấm lượng tử. Ứng dụng nanocomposite đang ngày càng được quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực định lượng chất.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Nanocomposite và Ứng Dụng

Nanocomposite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều pha khác nhau, ít nhất một pha có kích thước nanomet. Việc kết hợp các pha này mang lại những tính chất vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ. Nhờ tính chất độc đáo, nanocomposite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác, cảm biến, điện tử, và y sinh. Các nanocomposite Au/SnS đang thu hút sự chú ý lớn vì tiềm năng ứng dụng đa dạng của chúng.

1.2. Peroxidase và Các Mô Phỏng Enzyme Thay Thế

Các mô phỏng peroxidase bao gồm hemin, porphyrin, hydrogel, và DNAzyme được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, khả năng xúc tác của các enzyme này còn hạn chế. Vì vậy, việc phát triển các hoạt chất giống như peroxidase có hoạt tính cao trên nhiều chất nền là rất quan trọng. Cần những cải tiến hơn nữa để tăng cường độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp hiện tại.

II. Vấn Đề Giới Hạn Các Phương Pháp Định Lượng Vitamin C

Vitamin C là một vitamin quan trọng, giúp tăng cường miễn dịch, chống oxy hóa, và bảo vệ sức khỏe. Việc xác định hàm lượng Vitamin C trong thực phẩm là mối quan tâm lớn của người tiêu dùng và các cơ quan chức năng. Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định hàm lượng Vitamin C, bao gồm phương pháp HPLC, phương pháp điện hóa, phương pháp quang phổ UV-Vis, và phương pháp chuẩn độ. Tuy nhiên, các phương pháp này có những hạn chế nhất định. Các phương pháp cổ điển như chuẩn độ và điện hóa có quy trình đơn giản, nhưng tốn thời gian phân tích và khó phân tích được các mẫu có hàm lượng thấp. Phương pháp sắc ký và quang phổ hiện đại có độ chính xác cao hơn, nhưng đòi hỏi trình độ chuyên môn cao và chi phí đầu tư lớn.

2.1. Các Phương Pháp Định Lượng Vitamin C Hiện Nay

Các phương pháp định lượng Vitamin C hiện nay bao gồm các phương pháp điện hóa và phương pháp chuẩn độ. Các phương pháp này có ưu điểm quy trình đơn giản, không đòi hỏi trình độ chuyên môn cao, nhưng thời gian phân tích lâu và khó phân tích được các mẫu có hàm lượng thấp. Các phương pháp hiện đại bao gồm phương pháp sắc ký và quang phổ, tuy có độ chính xác cao hơn, nhưng đòi hỏi trình độ chuyên môn cao và chi phí đầu tư lớn.

2.2. Hạn Chế và Yêu Cầu Cải Tiến Phương Pháp Định Lượng

Vì những hạn chế của các phương pháp định lượng Vitamin C hiện nay, cần thiết phải tìm ra một phương pháp mới với quy trình đơn giản, tiết kiệm chi phí, phân tích được các dạng nồng độ khác nhau, thời gian phân tích nhanh và chính xác. Sự ra đời của nanocomposite hứa hẹn giải quyết bài toán này, đặc biệt là trong việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp phân tích.

III. Giải Pháp Ứng Dụng Nanocomposite Au SnS Định Lượng Vitamin C

Nanocomposite Au/SnS được xem là một giải pháp tiềm năng cho việc định lượng Vitamin C. Au/SnS là nanocomposite hợp giữa chất bán dẫn kim loại chuyển tiếp và chất xúc tác quang học, có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng. Khi kích thích nano vàng ở trạng thái plasmonic, tương tác kích thích của chất bán dẫn giúp định vị các electron được quang hóa trung vào các hạt nano, nơi mà điện tích chuyển từ chất bán dẫn sang kim loại Au được kích thích. Phương pháp này có độ nhạy cao, dễ tổng hợp và sử dụng. Ngoài ra, chi phí thực hiện thấp hơn nhiều so với các phương pháp phân tích khác.

3.1. Tổng Hợp và Tính Chất Của Nanocomposite Au SnS

Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp nanocomposite Au/SnS và khảo sát các tính chất vật lý, hóa học của nó. Các phương pháp phân tích như XRD, SEM, TEM được sử dụng để xác định cấu trúc và kích thước của vật liệu. Việc điều chỉnh tỷ lệ Au và SnS trong quá trình tổng hợp có thể tối ưu hóa các tính chất xúc tác của nanocomposite.

3.2. Cơ Chế Hoạt Động của Nanocomposite Au SnS Trong Định Lượng

Cơ chế hoạt động của nanocomposite Au/SnS trong phản ứng oxy hóa của TMB (3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine) bởi H2O2 được nghiên cứu. Au/SnS hoạt động như một nanozyme, xúc tác phản ứng oxy hóa TMB để tạo thành sản phẩm có màu, từ đó có thể định lượng Vitamin C dựa trên sự giảm độ hấp thụ của sản phẩm sau khi có phản ứng. Hiệu ứng nanocomposite trong điện hóa được tận dụng để tăng cường độ nhạy.

IV. Quy Trình Nghiên Cứu Thực Nghiệm Định Lượng Vitamin C

Nghiên cứu này tiến hành một loạt các thí nghiệm để định lượng Vitamin C trong các mẫu thực phẩm sử dụng nanocomposite Au/SnS. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của phương pháp, như pH, nhiệt độ, nồng độ TMB và thời gian phản ứng, được tối ưu hóa. Phương pháp tham định được sử dụng để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp. Cuối cùng, phương pháp được áp dụng để phân tích các mẫu thực phẩm thực tế và so sánh với kết quả thu được từ các phương pháp phân tích khác.

4.1. Khảo Sát Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Phản Ứng

Các yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ TMB, và thời gian phản ứng được khảo sát để tối ưu hóa điều kiện định lượng Vitamin C. Việc tìm ra các điều kiện tối ưu này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ nhạy và độ chính xác của phương pháp.

4.2. Thẩm Định Phương Pháp và Phân Tích Mẫu Thực Tế

Phương pháp được thẩm định bằng cách xác định các thông số như độ lặp lại, độ chính xác, và giới hạn phát hiện (LOD). Các mẫu thực phẩm như nước ép trái cây được phân tích để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp. Việc phân tích song song bằng phương pháp HPLC được thực hiện để so sánh và đối chứng kết quả.

V. Kết Quả Đánh Giá Khả Năng Ứng Dụng Định Lượng Vitamin C

Kết quả nghiên cứu cho thấy nanocomposite Au/SnS có tiềm năng lớn trong việc định lượng Vitamin C trong các mẫu thực phẩm. Phương pháp có độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, và quy trình thực hiện đơn giản. Kết quả phân tích mẫu thực tế cho thấy sự tương đồng với kết quả thu được từ phương pháp HPLC. Phương pháp này có thể được sử dụng như một công cụ hiệu quả để kiểm tra chất lượng thực phẩm và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

5.1. Độ Nhạy và Độ Chính Xác Của Phương Pháp

Kết quả cho thấy phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao trong việc định lượng Vitamin C. Các thông số như LOD và LOQ được xác định để đánh giá khả năng phát hiện và định lượng Vitamin C ở nồng độ thấp. Các thử nghiệm về độ lặp lại và độ tái lập được thực hiện để đảm bảo tính ổn định của phương pháp.

5.2. So Sánh Với Các Phương Pháp Phân Tích Khác

Kết quả phân tích mẫu thực tế bằng phương pháp sử dụng nanocomposite Au/SnS được so sánh với kết quả thu được từ phương pháp HPLC. Sự tương đồng giữa hai phương pháp chứng minh tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp mới.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Ứng Dụng Nanocomposite Au SnS

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của nanocomposite Au/SnS trong việc định lượng Vitamin C. Phương pháp này có thể được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm và các ngành công nghiệp liên quan. Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp, cũng như mở rộng ứng dụng cho việc phân tích các chất dinh dưỡng khác.

6.1. Tổng Kết Về Ưu Điểm Của Phương Pháp Mới

Phương pháp sử dụng nanocomposite Au/SnS để định lượng Vitamin C có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, bao gồm độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, quy trình đơn giản, và chi phí thấp. Phương pháp này có tiềm năng lớn để thay thế các phương pháp phân tích phức tạp và tốn kém.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp bằng cách tối ưu hóa quá trình tổng hợp nanocomposite Au/SnS và điều chỉnh các điều kiện phản ứng. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng ứng dụng cho việc phân tích các chất dinh dưỡng khác và phát triển các cảm biến di động để kiểm tra chất lượng thực phẩm tại chỗ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ thực phẩm và đồ uống bổ sung dinh dưỡng ngày càng tăng cao, trong đó hơn 70% các sản phẩm nước ép trái cây thương mại trên thị trường hiện nay yêu cầu công bố chính xác hàm lượng acid ascorbic để bảo đảm quyền lợi người tiêu dùng. Vitamin C đóng vai trò thiết yếu đối với sức khỏe con người, tham gia vào ít nhất 8 phản ứng enzyme quan trọng, giúp tăng cường hệ miễn dịch, sản sinh collagen và chống oxy hóa mạnh mẽ. Tuy nhiên, acid ascorbic là hợp chất kém bền, rất dễ bị phân hủy dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng và oxy không khí. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm đặt ra là các phương pháp phân tích truyền thống như chuẩn độ hóa học thường có độ nhạy hạn chế, trong khi kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị lên tới hàng tỷ đồng cùng quy trình vận hành phức tạp kéo dài hơn 60 phút mỗi lượt đo.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite Au/SnS nhằm thay thế enzyme peroxidase tự nhiên, từ đó xây dựng quy trình định lượng Vitamin C trong nước ép trái cây bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 650 nm. Đề tài được triển khai thực nghiệm toàn diện từ tháng 4 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023 tại Khoa Công nghệ Hóa học thuộc Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, phối hợp cùng Viện Công nghệ Hóa học trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình được chứng minh qua các thông số định lượng vượt trội. Cảm biến quang học phát triển từ vật liệu Au/SnS giúp rút ngắn thời gian phân tích, đạt hiệu suất thu hồi ấn tượng 99,3%, giới hạn phát hiện đạt 1,92 µM và dải đo tuyến tính rộng từ 0,0 đến 0,4 mM, mở ra giải pháp kiểm nghiệm thực phẩm kinh tế, tin cậy và chuẩn xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa 3 nền tảng lý thuyết tiên tiến trong hóa học phân tích và khoa học vật liệu. Thứ nhất là lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại quý, giải thích hiện tượng dao động tập thể của các electron tự do khi tương tác với bức xạ điện từ, giúp tăng cường khả năng hấp thụ quang học trong vùng khả kiến. Thứ hai là lý thuyết chất bán dẫn chalcogenide nhóm IV-VI đối với thiếc monosulphide, vật liệu có độ rộng vùng cấm quang học 1,1 eV, hệ số hấp thụ quang lớn hơn 10.000 cm⁻¹ cùng diện tích bề mặt tiếp xúc rộng. Thứ ba là mô hình xúc tác phỏng sinh học nanozyme, mô phỏng hoạt tính của enzyme tự nhiên oxidoreductase trong việc thúc đẩy quá trình chuyển dời điện tử.

Khung khái niệm cốt lõi của nghiên cứu bao gồm:

• Dị cấu trúc nano kim loại kết hợp bán dẫn: Hệ vật liệu lai tạo thuận lợi cho việc phân tách hạt mang điện và ngăn ngừa tái hợp electron-lỗ trống.
• Cơ chế xúc tác giả enzyme peroxidase: Khả năng kích hoạt hydro peroxide để oxy hóa chất nền không màu 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine thành hợp chất có màu xanh lam đặc trưng.
• Phản ứng oxy hóa khử phân tích Vitamin C: Cơ chế acid ascorbic khử dẫn xuất ox-TMB trở lại dạng ban đầu, làm suy giảm độ hấp thụ quang học tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích.
• Hiệu ứng giam giữ lượng tử: Sự thay đổi cấu trúc năng lượng điện tử khi kích thước tinh thể nano giảm xuống dưới 100 nm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình chế tạo vật liệu và phân tích mẫu thực tế trong suốt 14 tháng triển khai. Cỡ mẫu khảo sát gồm 3 mẫu nước ép trái cây thương mại đại diện (nước cam và nước táo) của 2 thương hiệu phổ biến trên thị trường là Vfresh và Twister. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá độ tương thích của cảm biến trên các nền mẫu thực phẩm có độ đục, màu sắc tự nhiên và thành phần đường phức tạp.

Phương pháp tổng hợp SnS được thực hiện bằng kỹ thuật kết tủa hóa học ở nhiệt độ phòng giữa thiếc(II) clorua và thioacetamide, tạo ra các phiến nano tinh thể có kích thước từ 20 đến 100 nm. Tiếp đó, các hạt nano Au kích thước 18,7 nm được cố định đồng đều lên chất nền SnS qua quy trình phản ứng hai pha. Lý do lựa chọn phương pháp quang phổ UV-Vis kết hợp xúc tác nanozyme là nhờ thao tác đơn giản, chi phí hóa chất thấp hơn 60% so với phương pháp enzyme truyền thống, độ nhạy cao và không yêu cầu điều kiện bảo quản khắt khe. Song song đó, phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC pha đảo được sử dụng làm công cụ đối chứng độc lập để thẩm định độ tin cậy của phương pháp mới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích cấu trúc hóa lý và thực nghiệm đo quang đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

• Thứ nhất, phổ tán sắc năng lượng tia X EDX xác nhận tỷ lệ nguyên tử giữa Sn đạt 46,74% và S đạt 53,26%, xấp xỉ tỷ lệ hợp thức 1:1. Ảnh kính hiển vi điện tử SEM và TEM chứng minh các hạt nano vàng kích thước 18,7 nm phân bố đơn lớp, đồng đều trên bề mặt phiến tinh thể SnS hình thoi 20 đến 100 nm.
• Thứ hai, tỷ lệ phối trộn Au và SnS tối ưu được xác định chính xác là 2:1. Phổ Raman tại tỷ lệ này làm tăng cường độ tín hiệu tại các vị trí 90 cm⁻¹ và 222 cm⁻¹, khẳng định sự chuyển dịch cấu trúc sang trạng thái đơn tinh thể chiếm ưu thế. Giản đồ XRD ghi nhận đầy đủ các mặt phản xạ tinh thể đặc trưng của Au ở góc 2-theta lần lượt là 38, 44, 64 và 77 độ.
• Thứ ba, hệ xúc tác dị thể Au/SnS cho hiệu quả xúc tác vượt trội so với các hạt nano Au đơn lẻ hay nano SnS riêng biệt, giúp phản ứng oxy hóa TMB bởi H2O2 diễn ra nhanh chóng tại nhiệt độ phòng.
• Thứ tư, phương pháp thẩm định đạt giới hạn phát hiện MDL là 1,92 µM và giới hạn định lượng MQL là 6,35 µM. Đường chuẩn nồng độ acid ascorbic thể hiện tính tuyến tính cao trong dải từ 0,0 đến 0,4 mM với hệ số tương quan R² vượt 0,995. Hiệu suất thu hồi đạt mức lý tưởng 99,3%, và độ lệch chuẩn tương đối RSD duy trì ổn định dưới 3,0%.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác vượt bậc của nanocomposite Au/SnS bắt nguồn từ sự tương tác hiệp đồng giữa plasmon bề mặt của nano vàng và cấu trúc exciton của chất bán dẫn SnS. Điện tích bề mặt lớn của SnS giúp ổn định các hạt nano vàng, ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt vốn là nhược điểm thường gặp ở các hệ keo kim loại đơn lẻ. Khi bị kích thích quang học, các electron quang hóa được định vị và truyền dẫn nhanh chóng từ chất bán dẫn sang kim loại, tạo ra các tâm hoạt tính mạnh mẽ thúc đẩy phản ứng oxy hóa chất nền TMB.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng nano bạc đơn thuần hoặc phức hợp nano vàng với graphene oxide vốn đòi hỏi nhiệt độ phản ứng lên tới 70 độ C và thời gian tổng hợp kéo dài, hệ vật liệu Au/SnS hoạt động ổn định ngay tại điều kiện môi trường bình thường. Trong thực tế phân tích, toàn bộ dữ liệu phản ứng được thể hiện trực quan qua đồ thị phổ hấp thụ UV-Vis với đỉnh suy giảm độ hấp thụ rõ nét tại bước sóng 650 nm khi tăng dần nồng độ acid ascorbic. Bảng so sánh kết quả định lượng Vitamin C trên 3 mẫu nước ép thực tế giữa phương pháp quang phổ Au/SnS và phương pháp HPLC đối chứng cho thấy sự tương đồng cao với sai số chênh lệch dưới 2,5%, khẳng định tính chính xác tuyệt đối của phương pháp mới.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và thúc đẩy ứng dụng công nghệ nanozyme vào thực tiễn kiểm nghiệm thực phẩm, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

• Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu ở quy mô công nghiệp: Cần mở rộng quy mô phản ứng từ phòng thí nghiệm lên hệ thống pilot 5 đến 10 lít, giảm thiểu 40% chi phí dung môi và nguyên liệu trong thời gian 6 tháng tới, do các kỹ sư hóa học thuộc các viện nghiên cứu đảm trách.
• Chuẩn hóa quy trình vận hành tiêu chuẩn SOP: Ban hành hướng dẫn chi tiết về quy trình phân tích quang phổ xác định Vitamin C theo tiêu chuẩn TCVN và AOAC trong vòng 12 tháng, với mục tiêu đạt độ chính xác tương đương sắc ký nhưng giảm 50% thời gian thực hiện tại các trung tâm kiểm nghiệm chất lượng.
• Chế tạo bộ kit thử nghiệm nhanh dạng que đo so màu: Tích hợp nanocomposite Au/SnS lên đế giấy hoặc màng polymer để phát triển bộ thử nhanh tại hiện trường, hướng tới mục tiêu cho kết quả định lượng dưới 5 phút, do các doanh nghiệp công nghệ sinh học phối hợp với trường đại học triển khai trong giai đoạn 2024 đến 2025.
• Mở rộng phạm vi phân tích trên các ma trận phức tạp: Tiến hành khảo sát định lượng Vitamin C trên các nền mẫu dược phẩm, sữa bột, thực phẩm chức năng và huyết thanh với dải đo mở rộng từ 0,01 mM đến 1,0 mM, do các phòng kiểm nghiệm độc lập thực hiện trong lộ trình 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa phân tích và Khoa học vật liệu: Tiếp cận nguồn tài liệu tham khảo chất lượng về kỹ thuật chế tạo vật liệu nano kim loại lai bán dẫn, phương pháp khảo sát XRD, Raman, SEM-EDX và quy trình thẩm định phương pháp phân tích quang học theo tiêu chuẩn quốc tế.
• Bộ phận Nghiên cứu và Phát triển R&D cùng phòng Quản lý chất lượng QA/QC tại các doanh nghiệp thực phẩm, đồ uống: Ứng dụng quy trình định lượng Vitamin C với chi phí đầu tư thiết bị thấp, giúp giám sát chặt chẽ hàm lượng vi chất dinh dưỡng trong dây chuyền sản xuất nước giải khát.
• Kiểm nghiệm viên tại các trung tâm đo lường, kiểm định an toàn vệ sinh thực phẩm: Sử dụng phương pháp đo quang nanozyme để sàng lọc nhanh khối lượng mẫu lớn hàng ngày, giảm áp lực vận hành và chi phí bảo trì cho hệ thống máy móc sắc ký đắt tiền.
• Kỹ sư công nghệ cảm biến và y sinh: Khai thác cơ chế xúc tác chuyển dời điện tử của cấu trúc Au/SnS để thiết kế các thế hệ cảm biến sinh học quang học mới dùng trong chẩn đoán lâm sàng và phân tích môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào khiến nanocomposite Au/SnS có hoạt tính xúc tác cao hơn hạt nano Au đơn lẻ? Sự kết hợp giữa nano vàng và chất bán dẫn SnS tạo ra dị cấu trúc với diện tích bề mặt lớn. SnS đóng vai trò chất mang phân tán đều các hạt Au kích thước 18,7 nm, ngăn ngừa kết tụ và gia tăng tốc độ truyền dẫn electron từ chất bán dẫn sang kim loại, tối ưu hóa khả năng kích hoạt phản ứng oxy hóa.

Vì sao nghiên cứu lại chọn bước sóng 650 nm để đo quang phổ xác định Vitamin C? Khi TMB bị oxy hóa bởi H2O2 dưới xúc tác Au/SnS, sản phẩm ox-TMB tạo thành dung dịch màu xanh lam có độ hấp thụ quang học cực đại tại bước sóng 650 nm. Acid ascorbic khử ox-TMB làm dung dịch nhạt màu dần, giúp độ giảm mật độ quang tại 650 nm tỷ lệ tuyến tính hoàn hảo với hàm lượng Vitamin C.

Giới hạn phát hiện 1,92 µM của phương pháp có đáp ứng được yêu cầu kiểm nghiệm thực tế không? Giới hạn phát hiện 1,92 µM và giới hạn định lượng 6,35 µM hoàn toàn đáp ứng tốt các tiêu chuẩn phân tích thực phẩm. Hàm lượng Vitamin C tự nhiên hoặc bổ sung trong nước ép trái cây thương mại thường dao động từ 0,1 đến vài chục mM, nằm trong khoảng đo tối ưu của phương pháp sau khi pha loãng mẫu thích hợp.

Phương pháp quang phổ sử dụng Au/SnS có độ chính xác so với HPLC như thế nào? Phương pháp đạt độ thu hồi 99,3% và độ lặp lại RSD dưới 3,0%. Khi kiểm nghiệm song song trên 3 mẫu nước ép thực tế từ Vfresh và Twister, kết quả đo quang phổ Au/SnS và sắc ký lỏng HPLC không có sự khác biệt mang ý nghĩa thống kê, chứng minh độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp mới.

Vật liệu nanozyme Au/SnS có ưu điểm gì vượt trội so với enzyme tự nhiên peroxidase? Vật liệu nanozyme vô cơ Au/SnS có độ bền nhiệt và hóa học vượt trội, không bị biến tính hay mất hoạt tính trong môi trường biến đổi pH và nhiệt độ. Chi phí sản xuất vật liệu thấp hơn nhiều lần so với việc tách chiết, tinh chế và bảo quản enzyme tự nhiên trong điều kiện lạnh khắt khe.

Kết luận

• Tổng hợp thành công nanocomposite dị thể Au/SnS với hạt nano Au kích thước 18,7 nm gắn kết đồng đều trên nền phiến tinh thể SnS kích thước từ 20 đến 100 nm.
• Xác định tỷ lệ tối ưu giữa Au và SnS là 2:1, mang lại hoạt tính xúc tác mô phỏng enzyme peroxidase vượt trội so với từng thành phần đơn lẻ.
• Xây dựng hoàn chỉnh quy trình phân tích Vitamin C bằng quang phổ UV-Vis tại bước sóng 650 nm, đạt giới hạn phát hiện 1,92 µM, dải tuyến tính từ 0,0 đến 0,4 mM và độ thu hồi 99,3%.
• Thẩm định thành công phương pháp trên 3 mẫu nước ép trái cây thương mại với độ chính xác và độ lặp lại tương đương phương pháp tiêu chuẩn HPLC.
• Mở ra hướng nghiên cứu mới về vật liệu nanozyme trong phân tích thực phẩm với lộ trình thương mại hóa bộ kit thử nghiệm nhanh trong vòng 12 đến 24 tháng tới.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp phân tích đột phá, kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ nano tiên tiến và hóa học phân tích hiện đại, giải quyết triệt để bài toán chi phí và thời gian kiểm nghiệm. Các viện nghiên cứu, trung tâm đo lường và doanh nghiệp chế biến thực phẩm được khuyến khích tiếp cận, ứng dụng quy trình công nghệ này vào thực tiễn kiểm soát an toàn và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nanocomposite 1.11 Giới thiệu vật iéu nanocomposite Khái niệm công nghệ nano lần đầu được nhắc đến vào năm 1959, do nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập đến khả năng chế tạo một vật liệu ở kích thước siêu nhỏ từ quá trình tập hợp các nguyên tử hay phân tử. Trong những năm 1980, sự ra đời của các thiết bị phân tích như kính hiển vi đầu dò quét, kính hiển vi điện tử (SEM hay TEM) với khả năng quan sát kích thước vài nguyên tử hay phân tử, nhờ đó có thể quan sát, nghiên cứu và tìm hiệu rõ hơn về câu trúc của của vật liệu trong lĩnh vực nano. Vật liệu nanocomposite là vật liệu răn đa chiều gồm một hoặc hai hay ba chiều có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet (nm) hoặc các cấu trúc lập lại quy mô nano giữa các chiều khác nhau tạo nên vật liệu. Các đặc tính cơ, điện, nhiệt, quang hóa, xúc tác, điện hóa của vật liệu nanocomposite phụ thuộc vào thành phan của vật liệu với kích thước khác nhau sẽ có hiệu ứng khác nhau.

Mỗi nanocomposite phải có hai giá trị tới hạn, giới hạn trên và giới hạn dưới, từ kích thước của cấu trúc có thể phân biệt được thuộc tính nanocomposite. Các giá trị tới hạn phụ thuộc vào thuộc tính dự kiến cho nanocomposite [38]: - Hoạt động xúc tác kích thước nhỏ hơn 5 nm - Để tạo ra vật liệu từ kích thước nhỏ hơn 20 nm - Dé thay déi chỉ số khúc xạ kích thước nhỏ hơn 50 nm -_ Để tăng cường cơ học hoặc hạn chế chuyên động trong khung mạng kích thước nhỏ hơn 100 nm. Nanocomposite một hoặc nhiều pha với kích thước nano được gắn vào một nền polymer. Nanocomposite thể hiện các tính chất cơ học và điện hóa được phân loại tùy thuộc vào loại chất làm đầy có cấu trúc nano.

Nhờ sự đa dạng về bế cục sắp xếp cũng như hình dạng của hạt nano (Hình 1.1) và sự thay đổi kích thước hạt để lắp đầy khoảng trống của các hạt lớn để ngăn chặn sự khuếch tán của các dung dịch ăn mòn mà vật liệu nanocomposife đã trở thành lớp phú hữu hiệu bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn [39].1 Bé cuc nanocomposite: (a) Hat nano; (b) Ống nano; (c) Các lớp nano (Chất nên = màu xanh) [39] Vật liệu nano được tổng hợp từ các kim loại chuyển tiếp hoặc hợp chất của các kim loại chuyên tiếp có tính chất từ tính. Nhờ sự kiêm soát kích thước, sự phân bố và mức độ kết †ụ của các hạt nano sẽ lam tăng hay giảm từ tính của vật liệu nhờ đó có thể kiểm soát được tính chất của vật liệu. Điều nảy được ứng dung trong các thiết bị công nghệ thông tin va truyền thông (ICT)[39]. Các hạt nano được phân loại thành các loại khác nhau như hạt nano vô cơ, hạt nano hữu cơ, hạt nano gốm và hạt nano gốc carbon: -_ Vật liệu nano vô cơ bao gồm các nguyên tố thuộc nhóm vô cơ bao gồm kim loại và oxit kim loại.

Đây có thể là chất bán dẫn, chất dẫn điện, các thành phần đơn nguyên tố hoặc đa nguyên tố. Trong số các chất bán dẫn, QDs, vang va bac, oxit kim loai, NP oxit sat tir va éng nano cacbon (CNT) la phé bién nhất. - Vat ligu nano httu cơ được sứ dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực y tế là những vật liệu nano có bản chất hữu cơ. Chúng bao gồm liposome, mixen, dendrimers, bao gồm cả protein va peptit.

jposome Micelle Hình 1.2 Vat ligu nano httu co: (a) Dendrimers; (b) Liposomes and Micelles; (c) Ferritin [42] - Các hat nano gốc cacbon được phân loại thanh Fullerene, ống nano cacbon, Graphene, soi nano cacbon và các hạt nano cacbon cũng được phân loại trên cơ sở kích thước một chiều, hai chiều hoặc ba chiều. - Hat nano gốm còn được gọi là chất rắn phi kim loại. Các hạt nano gốm sứ được tổng hợp thông qua quá trình nung nóng hoặc làm lạnh liên tục. Các hạt nano gốm có thể & dang da tinh thé, vô định hình, xốp, đặc hoặc rỗng [40].

Các dạng vật liệu mới và các chế phẩm khác nhau của vật liệu nano thể hiện các đặc tính độc đáo đã được phát triển trong hai đến ba thập kỷ qua, liên quan đến nhiều cách điều chế tổng hợp khác nhau. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới để tổng hợp vật liệu nano đòi hỏi phải kiểm tra các thông số thí nghiệm để kiểm soát các tác động khác nhau của chúng đối với quá trình tổng hợp. Khi ngày càng nhiều vật liệu nano mới xuất hiện bằng các con đường tổng hợp khác nhau thì các công cụ nhau được sử dụng để kiểm soát kích thước, hình dang va cấu trúc của vật liệu đã được đề xuất và chứng minh. Các cơ chế này đóng vai trò như một hướng dẫn cho việc thiết kế các vật liệu nano khác nhau mang lại nhiều tính ứng dụng cho vật liệu nano.2 Các phương pháp tông hợp vật liệu nano Các hạt nano được tổng hợp bằng các phương pháp cơ học (nghiền vật liệu rắn hoặc phân tán chất lồng hay các phương pháp hóa lý (lắng tụ chân không, nhiệt phân các chất, khử hóa học hay điện phân v.

Phương pháp chế tạo vật liệu nano được phân loại theo hai nhóm: phương pháp “từ trên xuống” (top-down) sử dụng tiền chất là vật liệu khối và phương pháp “từ đưới lên” (bottom-up) tién chất là nguyên tử hoặc phân tử.3 Sơ đồ biểu diễn các phương pháp tổng hợp nano [42] 7 1.121 Công nghệ chế tạo “từ trên xuống ” Trong cách tổng hợp này, phương pháp phá hủy được sứ dụng. Phân tử lớn hơn (vật liệu khối) bị phân hủy thành một phân tứ nhỏ hơn và sau đó các phân tử nhỏ hơn này biến đổi thành các hạt nano. Nghiên, lắng đọng hơi vật lý và các phương pháp phá hủy khác là ví dụ về tổng hợp từ trên xuống [41]. - Phương pháp nghiền cơ học hoặc phân tán chất lóng, đây là hai phương pháp điển hình của công nghệ nano “từ trên xuống” (fop-down).

Các công nghệ này được áp dụng để thu nhận bột kim loại với kích thước hạt cỡ nano mét, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền qua. Phương pháp cơ học với ưu điểm quy trình đơn giản, dụng cụ ít tốn kém và chế tạo được lượng lớn vật liệu. Hạn chế của phương pháp được đề cấp đến là kích thước hạt không đồng nhất, bị ảnh hưởng bởi thời gian nghiền, xay xát, hạt nano bị kết tụ lại với nhau và dễ bị nhiễm bẩn từ dụng cụ thiết bị. Phương pháp thường dùng để chế tao vật liệu nano kim loại.

- Phuong phap ling déng chan khéng vat ly (physical vapor depositio — PVD) gém ba giai đoạn liên tục: Hóa hơi vật liệu, vận chuyển vật liệu hóa hơi đến đề và ngưng tụ. Nhiệt độ hóa hơi vật liệu tại 500 đến 1200°C trong môi trường khí trơ He hoặc Ar, áp suất 103 Pa và được ngưng tụ trên để lạnh ở dang bột kích thước nano. Quá trình này giúp làm giảm động năng của các nguyên tử được hóa hơi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ngưng tụ. - Phong phap ling déng chan khéng héa hoc (chemical vapor desposition — CVD) thi tiền chất được hóa hơi, sau đó được khuếch tán lên bề mặt đế đã được gia nhiệt dé phản ứng với các nguyên tử hóa hơi của chất thứ hai, tạo ra chắt rắn đạng nano.

Phương pháp này sử dụng để chế tạo màng mỏng hoặc lớp phủ bề mặt, có thể thu được hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tắm dé. - Phuong phap laze bóc lớp (laser ablation) là phương pháp mà vật liệu được hóa hơi bằng xung laze rồi được ngưng tụ đưới dạng hạt nano. Quá trình bóc lớp laze sử đụng để rắn ngâm trong dung địch nên các hạt nano thu được ở dạng dung dịch keo nhờ vậy có thể tạo ra các hạt có kích thước nhỏ hơn khi chiếu laze nhiều lần. Phương pháp này có thể chế tạo được nhiều loại vật liệu nhưng vì hiệu suất thấp nên chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm.122 Công nghệ tổng họp “từ dưới lên” Công nghệ “từ dưới lên” (bottoem-up) dựa trên sự hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion riêng biệt, sản phẩm tạo thành có tính linh hoạt và chất lượng tốt nên được quan tâm hơn phương pháp “từ trên xuống” (top-down).

Phương pháp vật lý, hóa học hay kết hợp của hai phương pháp trên được gọi là phương pháp “từ đưới lên” [42]. -_ Phương pháp vật lý “từ dưới lên” là phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ nguyên tử hoặc bằng phương pháp chuyển pha. Các phương pháp vật lý làm bốc hơi bằng đốt, phún xạ hay phóng điện hồ quang tạo ra nguyên tử để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp chuyền pha là phương pháp mà vật liệu nóng chây được làm lạnh nhanh để thu được trạng thái vô định hình; xử lý nhiệt để chuyển pha vô định hình thành tinh thé, - Phuong phap hóa học “từ dưới lên” tạo vật liệu nano từ các ion, tùy từng loại vật liệu cụ thế sẽ có kỹ thuật chế tạo phù hợp làm tăng tính đa dạng của phương pháp.

Phân loại sự hình thành vật liệu nano theo hai dạng: vật liệu nano được hình thành từ pha lỏng (khử hóa học, kết tủa, sol-gel.) và từ pha khí (nhiệt phân, khử hóa hoc. Phương pháp hóa học có thể tạo ra hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano. -_ Phương pháp kết hợp hóa — lý “từ dưới lên” dựa trên nguyên tắc vật lý và hóa học kết hợp để tạo vật liệu nano như điện phân, ngưng tụ từ pha khí, kết tủa có hỗ trợ sóng siêu âm. Vật liệu nano được tạo ra có cấu trúc đa đạng như dạng hạt, dạng ống, dạng dây, mạng mảng.3 Một số các phương pháp hóa học “từ dưới lên ” để chế tạo vật liệu nano a) Phương pháp sol — gel là phương pháp từ đưới lên được ưa chuộng nhất để tổng hợp các hạt nano.

Các tiền chất điển hình là oxit kim loại và clorua được sử dụng trong phương pháp sol — gel. Bằng cách sử đụng các phương pháp khác nhau như khuấy, siêu âm và lắc, tiền chất được phân tán trong chất lỏng. Dung địch thu được bao gồm pha rắn và lỏng được tách ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau như lọc, lắng và ly tâm để thu hồi các hạt nano. Polyme vô cơ được hình thành đưới dạng kết tủa với độ phân tán được kiểm soát bởi thành phần dung dịch, pH và nhiệt độ.

Sản phẩm được sấy khô để loại bỏ tiền chất hữu cơ. > Primary octahedra @ Residual solvent A” Anatase 2; av. acters $ ©sư Rutile Sol a — Brookite Hình 1.