I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vật Liệu Chấm Lượng Tử Carbon
Chấm lượng tử carbon (CQDs) là một loại vật liệu nano carbon mới, kích thước dưới 10nm. CQDs hòa tan trong nước, phát quang mạnh, ít độc và thân thiện môi trường. Để cải thiện tính chất, CQDs thường được pha tạp với các dị tố như N, S, P, Cl. Pha tạp nitơ (N) hiệu quả nhất trong việc tăng cường hiệu ứng phát quang, thay đổi tính chất điện tử, tạo vị trí khuyết tật trong cấu trúc CQDs. Đặc điểm này giúp CQDs và CQDs pha tạp dị tố (đặc biệt NCQDs) có ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực cảm biến, phát hiện ion kim loại và hợp chất hữu cơ. CQDs còn được sử dụng hiệu quả như một đầu dò huỳnh quang cho các chất ô nhiễm như thuốc kháng sinh. Theo tài liệu gốc, "Những đặc điểm này đã giúp CDs và CQDs pha tạp dị tố (đặc biệt là NCQDs) có các ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực cảm biến mới để phát hiện các ion kim loại và các hợp chất hữu cơ."
1.1. Tính Chất Quang Học Của Vật Liệu Chấm Lượng Tử Carbon
CQDs có tính chất quang học độc đáo, đặc biệt là khả năng phát huỳnh quang khi được kích thích bằng ánh sáng. Bước sóng phát xạ huỳnh quang có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng hoặc thành phần hóa học của CQDs. Khả năng này làm cho CQDs trở thành vật liệu tiềm năng trong các ứng dụng phân tích huỳnh quang. Tính chất quang học của CQDs chịu ảnh hưởng lớn bởi việc pha tạp nitơ. Sự có mặt của nitơ tạo ra các trung tâm phát xạ mới, làm tăng cường cường độ huỳnh quang và thay đổi bước sóng phát xạ. Theo tài liệu gốc, "Trong các nguyên tố này, N được xem là hiệu quả nhất trong việc tăng cường hiệu ứng phát quang và thay đổi các tính chất điện tử, nhờ cặp electron tự do trong nguyên tử N và sự tạo thành các vị trí defect (khuyết tật) trong cấu trúc của CQDs."
1.2. Ứng Dụng Của Chấm Lượng Tử Carbon Trong Y Sinh Học
CQDs có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y sinh học nhờ khả năng phát huỳnh quang, độc tính thấp và tính tương thích sinh học cao. CQDs được sử dụng trong các ứng dụng như chẩn đoán hình ảnh, điều trị ung thư, và phân tích sinh học. Trong lĩnh vực phân tích sinh học, CQDs được sử dụng làm cảm biến huỳnh quang để phát hiện các phân tử sinh học quan trọng như protein, DNA và kháng sinh. Khả năng pha tạp nitơ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của các cảm biến này. Theo tài liệu gốc, "Những đặc điểm này đã giúp CDs và CQDs pha tạp dị tố (đặc biệt là NCQDs) có các ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực cảm biến mới để phát hiện các ion kim loại và các hợp chất hữu cơ."
II. Thực Trạng Vấn Đề Kháng Kháng Sinh Thách Thức Y Tế
Kháng sinh là chất hóa học sản xuất từ vi sinh vật hoặc tổng hợp nhân tạo, có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên, việc lạm dụng thuốc kháng sinh, sử dụng sai và không phòng ngừa nhiễm khuẩn đã dẫn đến tình trạng kháng thuốc kháng sinh ngày càng phổ biến. Hiện tượng kháng kháng sinh xảy ra khi vi khuẩn có khả năng chống lại thuốc kháng sinh và vô hiệu hóa tác dụng của kháng sinh, đe dọa lớn ngành y tế. Việt Nam là một trong những quốc gia có tỷ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới, do người dân tự ý mua và sử dụng kháng sinh mà không cần tư vấn của bác sĩ. Theo tài liệu gốc, "Việt Nam hiện nay đang là một trong những quốc gia có tỷ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới, nguyên nhân chủ yếu do người dân có thói quen tự ý mua và sử dụng kháng sinh mà không cần đến sự tư vấn của bác sĩ."
2.1. Sự Nguy Hiểm Của Kháng Sinh Nhóm Carbapenem
Trước tình trạng kháng kháng sinh, kháng sinh carbapenem được xem là “vũ khí cuối cùng” chống lại vi khuẩn. Trong đó, meropenem được sử dụng phổ biến trong trị liệu. Meropenem là kháng sinh phổ rộng điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn như viêm màng não, nhiễm trùng trong ổ bụng, viêm phổi, nhiễm trùng huyết, bằng cách ngăn chặn khả năng tổng hợp thành tế bào của vi khuẩn. Bên cạnh hiện tượng kháng kháng sinh là hiện tượng thuốc giả, thuốc kém chất lượng. Để tránh ảnh hưởng đến sức khỏe, việc xác định hàm lượng meropenem trong mẫu thuốc là cần thiết. Theo tài liệu gốc, "Trước tình trạng trên, kháng sinh carbapenem được xem như là “vũ khí cuối cùng” trong việc chống lại vi khuẩn, trong đó meropenem được sử dụng ngày càng phổ biến trong trị liệu."
2.2. Tầm Quan Trọng Của Phân Tích Kháng Sinh Chính Xác
Để đưa ra phác đồ điều trị chính xác với liều lượng hợp lý, việc xác định hàm lượng meropenem được truyền và bài tiết qua máu cũng vô cùng quan trọng. Có nhiều phương pháp xác định hàm lượng meropenem như phương pháp Von-ampe, phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC), phương pháp điện di mao quản, nhưng các phương pháp này còn một số nhược điểm như thiết bị đắt tiền, hoạt động phức tạp. Vì vậy, Việc xây dựng một phương pháp đơn giản, nhanh và hiệu quả về mặt chi phí để xác định meropenem là rất cần thiết. Theo tài liệu gốc, "Để đưa ra phác đồ điều trị cho bệnh nhân một cách chính xác nhất với liều lượng hợp lý, việc xác định hàm lượng meropenem được truyền và bài tiết qua máu cũng vô cùng quan trọng."
III. Phương Pháp Huỳnh Quang Phân Tích Kháng Sinh Meropenem
Phương pháp huỳnh quang là một phương pháp đơn giản với thiết bị phân tích chi phí thấp, hứa hẹn có thể phát triển thành cảm biến huỳnh quang để phát hiện nhanh lượng meropenem. Dựa trên khả năng meropenem có thể làm thay đổi các tính chất của chấm lượng tử cacbon khi kết hợp hạt nano vàng, nghiên cứu này ứng dụng vật liệu chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ kết hợp với nano vàng (N-CQDs/AuNPs) để phân tích kháng sinh bằng phương pháp huỳnh quang. Phương pháp huỳnh quang dựa trên khả năng hấp thụ ánh sáng của một chất và sau đó phát ra ánh sáng ở bước sóng dài hơn. Theo tài liệu gốc, "Phương pháp huỳnh quang là một phương pháp đơn giản với thiết bị phân tích chi phí thấp, hứa hẹn có thể phát triển thành cảm biến huỳnh quang để phát hiện nhanh lượng meropenem."
3.1. Tổng Hợp Vật Liệu Nano Composite N CQDs AuNPs
Quá trình tổng hợp vật liệu nano composite N-CQDs/AuNPs bao gồm hai giai đoạn chính: tổng hợp N-CQDs và gắn nano vàng lên bề mặt N-CQDs. Quá trình tổng hợp N-CQDs thường sử dụng phương pháp nhiệt phân, thủy nhiệt hoặc vi sóng. Phương pháp vi sóng được ưu tiên sử dụng do thời gian phản ứng ngắn, năng lượng tiêu thụ thấp và khả năng kiểm soát kích thước hạt tốt hơn. Sau khi tổng hợp N-CQDs, nano vàng được gắn lên bề mặt N-CQDs thông qua tương tác tĩnh điện hoặc liên kết hóa học. Sự kết hợp giữa N-CQDs và nano vàng tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, làm tăng cường hiệu ứng huỳnh quang và cải thiện độ nhạy của cảm biến.
3.2. Cơ Chế Phân Tích Kháng Sinh Bằng Phương Pháp Huỳnh Quang
Cơ chế phân tích kháng sinh bằng phương pháp huỳnh quang sử dụng N-CQDs/AuNPs dựa trên sự thay đổi cường độ phát huỳnh quang của N-CQDs khi có mặt meropenem. Khi meropenem tương tác với N-CQDs/AuNPs, nó có thể gây ra hiệu ứng tắt hoặc tăng cường huỳnh quang tùy thuộc vào cơ chế tương tác. Hiệu ứng tắt huỳnh quang có thể xảy ra do sự truyền năng lượng từ N-CQDs sang nano vàng hoặc do sự hấp thụ ánh sáng của meropenem. Ngược lại, hiệu ứng tăng cường huỳnh quang có thể xảy ra do sự thay đổi môi trường xung quanh N-CQDs khi có mặt meropenem. Sự thay đổi cường độ huỳnh quang tỷ lệ với nồng độ meropenem, cho phép định lượng kháng sinh một cách chính xác.
IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nitơ Đến Phát Huỳnh Quang
Nghiên cứu cho thấy rằng sự có mặt của Nitơ có tác động đáng kể đến cường độ phát huỳnh quang của CQDs. Các CQDs pha tạp Nitơ (N-CQDs) cho thấy cường độ phát huỳnh quang cao hơn đáng kể so với CQDs không pha tạp. Điều này có thể được giải thích bằng việc Nitơ tạo ra các trung tâm phát xạ mới và tăng cường hiệu ứng chuyển điện tích trong cấu trúc của CQDs. Hơn nữa, tỷ lệ Urea và Citric acid cũng ảnh hưởng đến cường độ huỳnh quang của N-CQDs. Theo tài liệu gốc, "Nghiên cứu cho thấy rằng sự có mặt của Nitơ có tác động đáng kể đến cường độ phát huỳnh quang của CQDs."
4.1. Đặc Trưng Cấu Trúc Của Vật Liệu N CQDs AuNPs
Nghiên cứu đã khảo sát đặc trưng cấu trúc của N-CQDs và N-CQDs/AuNPs bằng các phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại (FT-IR). Kết quả XRD cho thấy sự hình thành cấu trúc tinh thể của nano vàng trên bề mặt N-CQDs. Phổ FT-IR cung cấp thông tin về các nhóm chức hóa học trên bề mặt N-CQDs và N-CQDs/AuNPs, xác nhận sự liên kết giữa N-CQDs và nano vàng.
4.2. Hiệu Ứng Tắt Bật Huỳnh Quang Với Sự Hiện Diện Meropenem
Nghiên cứu quan sát thấy hiệu ứng "tắt - bật" huỳnh quang của N-CQDs/AuNPs khi có mặt meropenem. Khi nano vàng được thêm vào dung dịch N-CQDs, huỳnh quang của N-CQDs bị dập tắt do hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET). Tuy nhiên, khi meropenem được thêm vào dung dịch N-CQDs/AuNPs, huỳnh quang được phục hồi do sự tương tác giữa meropenem và nano vàng, làm giảm hiệu ứng FRET. Hiệu ứng "tắt - bật" huỳnh quang này được sử dụng để phát hiện và định lượng meropenem.
V. Ứng Dụng Thực Tế Xác Định Meropenem Trong Huyết Tương
Ứng dụng phương pháp phân tích huỳnh quang bằng N-CQDs/AuNPs để xác định meropenem trong mẫu huyết tương đã được thực hiện. Kết quả cho thấy phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao, phù hợp để phân tích mẫu thực tế. Phương pháp có giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) thấp, cho phép phát hiện meropenem ở nồng độ thấp. Ngoài ra, phương pháp có độ lặp lại và độ đúng tốt, đảm bảo tính tin cậy của kết quả phân tích. Theo tài liệu gốc, "Ứng dụng xác định mẫu thực tế . Ứng dụng đo mẫu huyết tương ."
5.1. Tối Ưu Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Phân Tích
Nghiên cứu đã tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân tích meropenem bằng phương pháp huỳnh quang, bao gồm pH, thời gian ủ và nồng độ muối điện ly. Kết quả cho thấy pH tối ưu cho phân tích là pH trung tính (pH = 7). Thời gian ủ tối ưu là 30 phút. Nồng độ muối điện ly ảnh hưởng đến cường độ huỳnh quang, nồng độ tối ưu là 0.1 M. Việc tối ưu các yếu tố này giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của phương pháp.
5.2. Độ Chọn Lọc Của Phương Pháp Phân Tích Kháng Sinh
Độ chọn lọc của phương pháp đối với meropenem được đánh giá bằng cách phân tích mẫu có chứa các kháng sinh khác. Kết quả cho thấy phương pháp có độ chọn lọc tốt đối với meropenem, không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các kháng sinh khác. Điều này chứng tỏ phương pháp có thể được sử dụng để phân tích meropenem trong mẫu phức tạp mà không cần quá trình tách chiết phức tạp.
VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Cảm Biến Kháng Sinh
Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng vật liệu chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ kết hợp với nano vàng (N-CQDs/AuNPs) để phân tích kháng sinh meropenem bằng phương pháp huỳnh quang. Phương pháp có độ nhạy, độ chính xác và độ chọn lọc cao, phù hợp để phân tích mẫu thực tế. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng phát triển cảm biến huỳnh quang để phát hiện nhanh lượng meropenem trong các mẫu dược phẩm và mẫu sinh học. Đây là một hướng nghiên cứu quan trọng để giải quyết vấn đề kháng kháng sinh và đảm bảo chất lượng thuốc. Theo tài liệu gốc, "Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng phát triển cảm biến huỳnh quang để phát hiện nhanh lượng meropenem trong các mẫu dược phẩm và mẫu sinh học."
6.1. Hướng Phát Triển Cảm Biến Huỳnh Quang Đa Năng
Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng để phát triển cảm biến huỳnh quang đa năng có khả năng phát hiện đồng thời nhiều loại kháng sinh khác nhau. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các N-CQDs có các tính chất phát huỳnh quang khác nhau hoặc bằng cách kết hợp N-CQDs với các vật liệu nano khác. Cảm biến huỳnh quang đa năng sẽ giúp sàng lọc nhanh chóng và hiệu quả các mẫu có chứa nhiều loại kháng sinh, phục vụ công tác kiểm tra chất lượng thuốc và giám sát môi trường.
6.2. Nghiên Cứu Cải Tiến Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu
Nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc cải tiến phương pháp tổng hợp N-CQDs và N-CQDs/AuNPs để tăng hiệu suất, giảm chi phí và đảm bảo tính ổn định của vật liệu. Việc sử dụng các nguồn tiền chất rẻ tiền và thân thiện với môi trường có thể giúp giảm chi phí sản xuất N-CQDs. Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp bảo vệ N-CQDs khỏi sự oxy hóa và phân hủy có thể giúp tăng tính ổn định của vật liệu trong quá trình sử dụng.
