Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Chấm Lượng Tử Carbon Pha Tạp Nitơ Kết Hợp Nano Vàng Để Phân Tích Kháng Sinh

• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Vật Liệu Chấm Lượng Tử Carbon Pha Tạp Nitơ Kết Hợp Nano Vàng Trong Phân Tích Kháng Sinh

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về kháng sinh và kháng sinh nhóm meropenem
• 1.2. Giới thiệu về meropenem
• 1.2.1. Meropenem là gì?
• 1.2.2. Tác dụng của meropenem
• 1.2.3. Tác dụng không mong muốn
• 1.3. Các phương pháp xác định meropenem
• 1.3.1. Phương pháp điện hóa
• 1.3.2. Phương pháp điện di mao quản
• 1.3.3. Phương pháp huỳnh quang
• 1.3.4. Phương pháp sắc ký lỏng
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phổ phát xạ huỳnh quang (FL)
• 2.3.2. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• 2.3.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.4. Quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.4. Tổng hợp chấm lượng tử carbon pha tạp Nitơ (N-CQDs)
• 2.5. Tổng hợp vật liệu nanocomposite N-CQDs/AuNPs
• 2.6. Quy trình xác định hiệu suất lượng tử
• 2.7. Xác định meropenem bằng phương pháp huỳnh quang sử dụng tổ hợp N-CQDs/AuNPs
• 2.7.1. Nguyên tắc xác định meropenem
• 2.7.2. Quy trình xác định meropenem trong mẫu huyết tương
• 2.7.3. Quy trình xác định meropenem trong mẫu dược phẩm
• 2.8. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp
• 2.8.1. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp phân tích
• 2.8.2. Độ chụm (độ lặp lại) của phương pháp
• 2.8.3. Độ đúng của phương pháp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu CQDs pha tạp dị tố bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng
• 3.2. So sánh sự ảnh hưởng của nguyên tố Nitơ và các nguyên tố pha tạp khác
• 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ urea: citric acid đối với cường độ huỳnh quang của N-CQDs
• 3.4. Khảo sát các tính chất quang học của N-CQDs
• 3.5. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của N-CQDs, N-CQDs/AuNPs
• 3.6. Khảo sát cấu trúc tinh thể vật liệu bằng phổ nhiễu xạ tia X
• 3.7. Khảo sát cấu trúc tinh thể vật liệu bằng quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 3.8. Phổ hấp thụ phân tử của dung dịch N-CQDs và N-CQDs/AuNPs
• 3.9. Hiệu ứng “tắt - bật” huỳnh quang của N-CQDs/Au khi có mặt Meropenem
• 3.10. Tối ưu điều kiện tổng hợp N-CQDs/AuNPs
• 3.10.1. Tối ưu thể tích HAuCl4
• 3.10.2. Tối ưu thời gian khử HAuCl4
• 3.11. Tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân tích meropenem
• 3.11.1. Ảnh hưởng của pH
• 3.11.2. Ảnh hưởng của thời gian
• 3.11.3. Ảnh hưởng của dung dịch muối điện ly
• 3.12. Xác định khoảng tuyến tính của phương pháp
• 3.13. Xây dựng đường chuẩn
• 3.14. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ)
• 3.15. Độ đúng và độ lặp lại của phương pháp
• 3.16. Độ chọn lọc của phương pháp
• 3.17. Ứng dụng xác định mẫu thực tế
• 3.17.1. Ứng dụng đo mẫu huyết tương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Tổng quan nghiên cứu

Kháng sinh là một trong những phát minh quan trọng nhất trong y học hiện đại, giúp kiểm soát hiệu quả các bệnh nhiễm khuẩn nguy hiểm. Tuy nhiên, tình trạng kháng thuốc kháng sinh ngày càng gia tăng, đặc biệt tại Việt Nam, nơi tỷ lệ kháng thuốc được ước tính thuộc nhóm cao nhất thế giới. Meropenem, một kháng sinh nhóm carbapenem phổ rộng, được xem là "vũ khí cuối cùng" trong điều trị các nhiễm khuẩn đa kháng thuốc. Việc xác định chính xác hàm lượng meropenem trong mẫu dược phẩm và mẫu sinh học như huyết tương là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả điều trị và tránh hiện tượng làm giả thuốc.

Nghiên cứu này tập trung phát triển phương pháp phân tích meropenem bằng kỹ thuật huỳnh quang sử dụng vật liệu chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ kết hợp với hạt nano vàng (N-CQDs/AuNPs). Phương pháp này hứa hẹn đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp và có độ nhạy cao so với các kỹ thuật sắc ký hay điện hóa truyền thống. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2023-2025 tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, với mục tiêu tổng hợp vật liệu N-CQDs bằng phương pháp nhiệt phân hỗ trợ vi sóng và ứng dụng trong phân tích meropenem trong mẫu dược phẩm và huyết tương người.

Phương pháp huỳnh quang dựa trên hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang của tổ hợp N-CQDs/AuNPs khi có mặt meropenem, giúp phát hiện nhanh và định lượng chính xác kháng sinh này. Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng thuốc và hỗ trợ điều trị lâm sàng, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu nano trong hóa phân tích y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Chấm lượng tử carbon (CQDs): Là các hạt nano carbon kích thước dưới 10 nm, có khả năng phát huỳnh quang mạnh, thân thiện môi trường và dễ tổng hợp từ nguồn nguyên liệu sinh học. CQDs pha tạp nitơ (N-CQDs) tăng cường hiệu suất huỳnh quang nhờ sự bổ sung electron tự do và tạo vị trí khuyết tật trong cấu trúc.

• Hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang (Fluorescence Quenching and Recovery): Khi kết hợp N-CQDs với hạt nano vàng (AuNPs), huỳnh quang của N-CQDs bị tắt do hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET). Sự có mặt của meropenem làm phân tán AuNPs, phục hồi huỳnh quang, tạo tín hiệu định lượng.

• Tính chất plasmon bề mặt của hạt nano vàng: AuNPs có khả năng hấp thụ ánh sáng đặc trưng tại bước sóng 520 nm do cộng hưởng plasmon bề mặt, ảnh hưởng đến hiệu ứng huỳnh quang của hệ thống.

• Phương pháp huỳnh quang phân tử: Đo cường độ phát xạ huỳnh quang khi kích thích bằng bước sóng thích hợp, dùng để định lượng chất phân tích dựa trên sự thay đổi cường độ huỳnh quang.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu dược phẩm meropenem mua tại thị trường Hà Nội và mẫu huyết tương lấy từ bệnh nhân tại Bệnh viện Bạch Mai.

• Tổng hợp vật liệu: N-CQDs được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt phân hỗ trợ vi sóng từ acid citric và urea, công suất 600 W trong 5 phút. Tổ hợp N-CQDs/AuNPs được tạo thành bằng cách thêm dung dịch HAuCl4 vào dung dịch N-CQDs, ủ 50 phút để Au3+ được khử thành Au0.

• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng phổ huỳnh quang (FL), phổ hấp thụ UV-Vis, nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và đo thế Zeta để khảo sát cấu trúc, tính chất quang học và độ ổn định của vật liệu.

• Phương pháp phân tích meropenem: Dựa trên hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang của tổ hợp N-CQDs/AuNPs khi có meropenem. Đo cường độ huỳnh quang tại bước sóng phát xạ 445 nm với bước sóng kích thích 360 nm. Xây dựng đường chuẩn và xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ).

• Xử lý mẫu: Mẫu huyết tương được xử lý bằng phương pháp tủa protein với acetonitril, chiết bằng chloroform, cô khô và hòa tan lại trong nước. Mẫu dược phẩm được hòa tan, pha loãng và xử lý tương tự.

• Đánh giá độ tin cậy: Xác định độ lặp lại, độ đúng (độ thu hồi), độ chọn lọc của phương pháp bằng các phép đo lặp lại và so sánh với phương pháp chuẩn.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và khảo sát đặc trưng (6 tháng), tối ưu điều kiện phân tích (4 tháng), xây dựng phương pháp và đánh giá (6 tháng), ứng dụng phân tích mẫu thực (4 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nguyên tố pha tạp đến cường độ huỳnh quang: N-CQDs pha tạp nitơ cho cường độ huỳnh quang cao nhất (6466 đơn vị), vượt trội so với CQDs pha tạp lưu huỳnh (1252) và phốt pho (1618), chứng tỏ nitơ là nguyên tố hiệu quả nhất trong việc tăng cường phát quang.

2. Tối ưu tỉ lệ urea:citric acid: Tỉ lệ mol 0,16:4 cho cường độ huỳnh quang cực đại 5531, cao hơn so với tỉ lệ thấp hoặc cao hơn. Tỉ lệ quá cao làm giảm độ ổn định và phân tán của N-CQDs.

3. Đặc trưng quang học của N-CQDs: Phổ hấp thụ UV-Vis có đỉnh tại 215 nm (π-π* C=C) và 320 nm (n-π* nhóm -COOH/-NH2). Phổ huỳnh quang cho đỉnh phát xạ tại 450 nm khi kích thích 360 nm, độ bền huỳnh quang ổn định trong 60 phút chiếu đèn UV.

4. Hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang của N-CQDs/AuNPs với meropenem: Khi thêm HAuCl4, huỳnh quang của N-CQDs giảm do hiệu ứng FRET với AuNPs. Thêm meropenem làm phục hồi huỳnh quang do phân tán AuNPs và giảm tương tác tĩnh điện. Đường chuẩn tuyến tính trong khoảng 4-500 nM meropenem, LOD đạt khoảng 1.2 nM, LOQ khoảng 4 nM.

5. Độ chính xác và độ lặp lại: Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) dưới 3% cho các phép đo lặp lại, độ thu hồi trong mẫu huyết tương đạt 98-102%, chứng tỏ phương pháp có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc pha tạp nitơ vào CQDs làm tăng đáng kể hiệu suất huỳnh quang nhờ sự bổ sung electron tự do và tạo vị trí khuyết tật trong cấu trúc, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang của tổ hợp N-CQDs/AuNPs khi có meropenem dựa trên cơ chế FRET và tương tác tĩnh điện được minh chứng rõ ràng qua phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang.

So sánh với các phương pháp sắc ký và điện hóa, phương pháp huỳnh quang sử dụng N-CQDs/AuNPs có ưu điểm về chi phí thiết bị thấp, thao tác đơn giản và thời gian phân tích nhanh. Độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp đủ để ứng dụng trong phân tích mẫu dược phẩm và sinh học. Biểu đồ đường chuẩn và bảng so sánh độ thu hồi, RSD minh họa tính ổn định và độ chính xác của phương pháp.

Phương pháp này cũng hạn chế được nhược điểm của các kỹ thuật huỳnh quang truyền thống khi meropenem không phát huỳnh quang tự nhiên, nhờ sử dụng vật liệu nano phát huỳnh quang có khả năng tương tác đặc hiệu với meropenem.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng phương pháp huỳnh quang N-CQDs/AuNPs trong kiểm soát chất lượng thuốc: Đề xuất các cơ sở sản xuất và kiểm nghiệm thuốc áp dụng phương pháp này để kiểm tra hàm lượng meropenem, giúp phát hiện thuốc giả và kém chất lượng nhanh chóng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

2. Phát triển cảm biến huỳnh quang di động dựa trên N-CQDs/AuNPs: Thiết kế thiết bị cảm biến cầm tay để phân tích meropenem tại điểm sử dụng, hỗ trợ bác sĩ điều chỉnh liều lượng thuốc kịp thời. Thời gian nghiên cứu và phát triển: 1-2 năm.

3. Mở rộng ứng dụng vật liệu N-CQDs/AuNPs cho phân tích các kháng sinh khác: Nghiên cứu khả năng phát hiện các kháng sinh nhóm beta-lactam khác bằng phương pháp tương tự, tăng tính đa dụng của vật liệu. Thời gian nghiên cứu: 12 tháng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ phòng thí nghiệm về kỹ thuật tổng hợp vật liệu và phân tích huỳnh quang, đảm bảo nhân lực vận hành hiệu quả. Thời gian: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Hóa học vật liệu: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về tổng hợp vật liệu nano phát huỳnh quang và ứng dụng trong phân tích hóa học, hỗ trợ phát triển đề tài mới.

2. Cán bộ kiểm nghiệm chất lượng thuốc tại các cơ sở sản xuất và phòng thí nghiệm: Phương pháp phân tích meropenem đơn giản, hiệu quả giúp nâng cao năng lực kiểm soát chất lượng thuốc.

3. Bác sĩ và chuyên gia y tế trong lĩnh vực điều trị nhiễm khuẩn: Thông tin về kỹ thuật phân tích meropenem trong mẫu sinh học hỗ trợ theo dõi liều dùng và hiệu quả điều trị.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị phân tích: Cơ sở để phát triển sản phẩm cảm biến huỳnh quang mới, mở rộng thị trường ứng dụng trong y sinh và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp huỳnh quang N-CQDs/AuNPs có ưu điểm gì so với các phương pháp sắc ký?
   Phương pháp huỳnh quang sử dụng vật liệu N-CQDs/AuNPs có chi phí thiết bị thấp, thao tác đơn giản, thời gian phân tích nhanh và độ nhạy cao, phù hợp cho phân tích nhanh tại phòng thí nghiệm cơ bản.

2. Giới hạn phát hiện (LOD) của phương pháp này là bao nhiêu?
   Phương pháp đạt LOD khoảng 1.2 nM meropenem, đủ nhạy để phát hiện trong mẫu huyết tương và dược phẩm, tương đương hoặc tốt hơn nhiều phương pháp truyền thống.

3. Phương pháp có thể áp dụng cho các loại kháng sinh khác không?
   Có thể mở rộng ứng dụng cho các kháng sinh nhóm beta-lactam khác nhờ cơ chế tương tác tương tự, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa điều kiện.

4. Tại sao phải pha tạp nitơ vào CQDs?
   Pha tạp nitơ làm tăng hiệu suất huỳnh quang nhờ bổ sung electron tự do và tạo vị trí khuyết tật, giúp tăng cường tín hiệu phát quang và độ nhạy của vật liệu.

5. Phương pháp xử lý mẫu huyết tương như thế nào?
   Mẫu huyết tương được tủa protein bằng acetonitril, chiết bằng chloroform, cô khô và hòa tan lại trong nước, giúp loại bỏ tạp chất và tăng độ chính xác phân tích.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ (N-CQDs) bằng phương pháp nhiệt phân hỗ trợ vi sóng với hiệu suất huỳnh quang cao.
• Tổ hợp N-CQDs/AuNPs thể hiện hiệu ứng tắt-bật huỳnh quang đặc trưng khi có mặt meropenem, làm cơ sở cho phương pháp phân tích huỳnh quang.
• Phương pháp phân tích meropenem đạt độ nhạy cao với LOD khoảng 1.2 nM, độ lặp lại và độ đúng tốt, phù hợp phân tích mẫu dược phẩm và huyết tương.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến huỳnh quang chi phí thấp, nhanh chóng cho ứng dụng y sinh và kiểm soát chất lượng thuốc.
• Đề xuất tiếp tục phát triển ứng dụng phương pháp cho các kháng sinh khác và chuyển giao công nghệ cho các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở y tế và phòng thí nghiệm áp dụng phương pháp, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong phân tích y sinh.