Nghiên cứu tổng hợp thuốc thử ATP phát quang trong kiểm tra vệ sinh thực phẩm

Luận văn trình bày nghiên cứu tổng hợp thuốc thử phát quang để xác định ATP, một phương pháp mới giúp kiểm tra nhanh vệ sinh an toàn thực phẩm.

• Tác giả: Phạm Quang Khải
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Trường
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang làm thuốc thử xác định Adenosine-5’-triphosphate (ATP) ứng dụng trong kiểm tra vệ sinh an toàn thực phẩm.
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Thuốc thử ATP phát quang là gì và tầm quan trọng trong kiểm tra an toàn thực phẩm

Thuốc thử ATP phát quang là một công nghệ tiên tiến được sử dụng để xác định nồng độ Adenosine-5'-triphosphate (ATP) trong mẫu thực phẩm. ATP là một chỉ số sinh học quan trọng, đại diện cho sự hiện diện của vi sinh vật, bao gồm cả các vi khuẩn gây bệnh. Công nghệ này dựa trên tính chất phát quang của các hợp chất đặc biệt, giúp phát hiện nhanh chóng sự nhiễm bẩn vi sinh vật mà không cần thời gian nuôi cấy dài. Với sự gia tăng các vụ ngộ độc thực phẩm trên toàn thế giới, việc áp dụng thuốc thử ATP trở thành một phần không thể thiếu trong hệ thống quản lý chất lượng HACCP của các nhà sản xuất, chế biến thực phẩm. Phương pháp này không chỉ bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng mà còn nâng cao uy tín và chất lượng sản phẩm.

1.1. Khái niệm ATP và vai trò trong phát hiện vi sinh vật

ATP (Adenosine-5'-triphosphate) là một phân tử năng lượng tự nhiên có mặt trong tất cả các tế bào sống. Các vi sinh vật, vi khuẩn, và nấm mốc đều chứa ATP, do đó nồng độ ATP cao trong thực phẩm là dấu hiệu của sự nhiễm bẩn vi sinh vật. Thuốc thử ATP phát quang giúp đo lường lượng ATP này, từ đó xác định mức độ vệ sinh và an toàn vi sinh vật của thực phẩm một cách nhanh chóng và chính xác.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống HACCP

Hệ thống HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point) yêu cầu các nhà sản xuất thực phẩm phải giám sát và kiểm soát các điểm tới hạn trong quá trình sản xuất. Thuốc thử ATP phát quang là công cụ lý tưởng cho mục đích này, cho phép phát hiện nhanh chóng các điểm nhiễm bẩn tiềm ẩn, giúp các nhà sản xuất đảm bảo cung cấp thực phẩm vệ sinh và an toàn cho người tiêu dùng.

II. Cơ chế hoạt động của chất phát quang trong xác định ATP

Chất phát quang sử dụng trong thuốc thử ATP hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận biết có chọn lọc với ATP thông qua một phản ứng hóa học đặc biệt. Khi ATP tương tác với chất phát quang, nó kích thích các điện tử của chất này chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Khi các điện tử này trở về trạng thái cơ bản, chúng phát ra ánh sáng (photon) có bước sóng cụ thể, được gọi là phát quang. Cường độ của ánh sáng phát ra tỷ lệ thuận với nồng độ ATP trong mẫu. Công nghệ MOF-Eu (Metal-Organic Framework với Europium) đã được nghiên cứu thành công để tạo ra các thuốc thử ATP hiệu quả, với khả năng nhận biết ATP ở các nồng độ khác nhau. Phương pháp này cung cấp kết quả chính xác, nhanh chóng và có độ chọn lọc cao, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

2.1. Nguyên tắc phát quang và kích thích ánh sáng

Chất phát quang có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng hoặc điện từ, kích thích các electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi electron trở về mức cơ bản, chúng phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Trong thuốc thử ATP phát quang, cường độ ánh sáng phát ra được đo bằng các thiết bị quang phổ, giúp định lượng chính xác nồng độ ATP trong mẫu thực phẩm.

2.2. Vật liệu MOF Eu trong nhận biết ATP

MOF-Eu (Metal-Organic Framework chứa Europium) là một vật liệu hiện đại được tổng hợp để phục vụ mục đích nhận biết chọn lọc ATP. Vật liệu này sở hữu cấu trúc khung có lỗ xốp, cho phép ATP xâm nhập và tương tác trực tiếp với Europium. Kết quả là thuốc thử ATP dựa trên MOF-Eu có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, và khả năng phân biệt ATP với các hợp chất khác tốt.

III. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng hóa thuốc thử ATP phát quang

Quá trình tổng hợp thuốc thử ATP phát quang dựa trên nguyên liệu là vật liệu khung hữu cơ – kim loại (MOFs), đặc biệt là MOF-Eu. Phương pháp tổng hợp thường sử dụng các hóa chất hữu cơ làm cầu nối (linker) và các muối kim loại chứa europium làm trung tâm kim loại. Các nguyên liệu được hòa tan trong dung môi thích hợp, sau đó tiến hành phản ứng dưới các điều kiện cụ thể (nhiệt độ, thời gian, pH). Sản phẩm MOF-Eu thu được được đặc trưng hóa bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm: Phổ nhiễu xạ tia X xác định cấu trúc tinh thể, Phổ hồng ngoại xác định các nhóm chức năng, Phổ phát quang đánh giá tính chất phát sáng. Các kết quả đặc trưng hóa này giúp xác minh chất lượng, độ tinh khiết, và hiệu suất của thuốc thử ATP trước khi ứng dụng.

3.1. Nguyên liệu và quy trình tổng hợp MOF Eu

MOF-Eu được tổng hợp từ các muối europium (như Eu(NO₃)₃) và các cầu nối hữu cơ trong dung môi DMF hoặc tương tự. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ cao (100-200°C) trong một thời gian xác định. Sau phản ứng, sản phẩm được lọc, rửa, và sấy khô. Quy trình này cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt nhất.

3.2. Các phương pháp đặc trưng hóa vật liệu

Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể của MOF-Eu. Phổ hồng ngoại (FTIR) phát hiện các nhóm chức năng. Phổ kích thích và phát quang đánh giá hiệu suất phát quang. Hình thái bề mặt được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các dữ liệu này cùng xác nhận rằng thuốc thử ATP đã được tổng hợp thành công với chất lượng mong muốn.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng của thuốc thử ATP phát quang

Thuốc thử ATP phát quang có những ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống. Nó được sử dụng để kiểm tra vệ sinh các bề mặt thiết bị, dụng cụ, tay nhân viên, và các nguyên liệu đầu vào. Các công ty sản xuất thực phẩm sử dụng thuốc thử ATP để giám sát hiệu quả của quy trình vệ sinh và khử trùng, giúp đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn HACCP. Việc phát hiện nhanh chóng sự nhiễm bẩn cho phép các nhà sản xuất can thiệp kịp thời, giảm thiểu rủi ro ngộ độc thực phẩm. Triển vọng tương lai của thuốc thử ATP phát quang rất lớn, với tiềm năng phát triển các loại thuốc thử với độ nhạy cao hơn, chi phí thấp hơn, và dễ sử dụng hơn. Công nghệ này có thể mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác như y tế, dược phẩm, và vệ sinh công cộng.

4.1. Ứng dụng trong kiểm tra vệ sinh thực phẩm

Thuốc thử ATP phát quang được sử dụng rộng rãi để kiểm tra vệ sinh các bề mặt trong nhà máy sản xuất thực phẩm. Nó giúp đánh giá hiệu quả của quá trình vệ sinh và khử trùng, xác định các khu vực có mức độ nhiễm bẩn cao. Kết quả nhanh chóng (chỉ vài phút) cho phép đội quản lý chất lượng đưa ra quyết định nhanh chóng, đảm bảo sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh cao nhất.

4.2. Triển vọng phát triển và cải tiến công nghệ

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tính toán MOF-Eu để cải thiện độ nhạy, chọn lọc, và ổn định của thuốc thử ATP. Các nhà khoa học đang phát triển các hệ thống tích hợp sử dụng thuốc thử ATP với công nghệ thông minh, cho phép giám sát thời gian thực. Triển vọng này hứa hẹn sẽ cách mạng hóa cách thức kiểm tra vệ sinh thực phẩm toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TỔNG QUAN 1. Khái niệm MOFs (Metal-organic frameworks) là các hợp chất bao gồm các ion hoặc cụm kim loại phối hợp với các phối tử hữu cơ để tạo thành các cấu trúc một, hai, hoặc ba chiều. Chúng là một lớp con của polyme phối trí, với tính năng đặc biệt là chúng thường xốp. Các phối tử hữu cơ bao gồm đôi khi được gọi là "thanh chống", một ví dụ là axit 1,4-benzenedicarboxylic (BDC).

Chính thức hơn, một khung hữu cơ kim loại là một mạng lưới phối hợp với các phối tử hữu cơ chứa các khoảng trống tiềm năng. Mạng phối hợp là một hợp chất phối hợp mở rộng, thông qua việc lặp lại các thực thể phối hợp, trong một chiều, nhưng có liên kết chéo giữa hai hoặc nhiều chuỗi riêng lẻ, các vòng lặp hoặc liên kết spiro hoặc một hợp chất phối hợp mở rộng thông qua lặp lại các thực thể phối hợp trong hai hoặc ba kích thước; và cuối cùng là polyme phối trí là một hợp chất phối hợp với các thực thể phối hợp lặp lại kéo dài theo một, hai hoặc ba chiều [7]. Cấu trúc các IRMOF (a) và MOF-177 (b) 1 MOFs có diện tích bề mặt lớn, vượt qua tất cả những vật liệu khác. Hơn thế nữa, MOFs có lợi thế hơn những chất hấp phụ truyền thống như là alumino silicat, zeolit, than hoạt tính.

Cấu trúc cơ bản của vật liệu MOFs là thuộc loại vật liệu tinh thể, được cấu tạo từ những cation kim loại hay nhóm cation kim loại liên kết với các phân tử hữu cơ để hình thành cấu trúc không gian ba chiều xốp và có bề mặt riêng lớn. MOFs đã được nghiên cứu đầu tiên bởi giáo sư O.Yaghi và các cộng sự ở trường đại học UCLA (USA) vào những năm 1997. MOFs được cấu tạo từ hai thành phần chính: oxit kim loại và linkers hữu cơ. Những tính chất của linker đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành cấu trúc khung của MOFs.

Đồng thời, hình dạng của ion kim loại lại đóng vai trò quyết định đến kết cấu của MOFs sau khi tổng hợp. Ion kim loại và các oxit kim loại thường gặp là: Zn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Cd2+, Fe2+, Mg2+, Al3+, Mn2+,…và oxit kim loại thường dùng là ZnO 4. Ion kim loại trung tâm hay oxit kim loại đóng vai trò như trục bánh xe. Các linker hữu cơ trong vật liệu MOFs là các cầu nối hữu cơ, đóng vai trò như là những chân chống.

Một số hợp chất hữu cơ là dẫn xuất của axit cacboxylic thường dùng làm linker trong tổng hợp vật liệu MOFs như: 1,4-benzendicacboxylic axit (BDC); 2,6- naphthalendicacboxylic axit (2,6-NDC); 1,4-naphthalendicacboxylic axit (1,4- NDC); 1,3,5-benzentricacboxylic axit (BTC); 2-aminoterephthalic axit (NH 2 - BDC); 4,4- Bipyridin (4,4’ -BPY),…. Tổng quan vật liệu khung hữu cơ – kim loại (MOFs) 1. Lịch sử phát triển MOFs là vật liệu có độ xốp cao được tạo thành khi các ligand carboxylat hữu cơ gắn kết với các cluster kim loại để tạo ra cấu trúc khung không gian ba chiều với những lỗ xốp có kích thước ổn định. Cấu trúc khung của vật liệu có độ ổn định cao nhờ độ bền của liên kết kim loại – oxy.

Các khung này giữ nguyên cấu trúc ngay cả khi các phân tử dung môi nằm trong các lỗ xốp bị giải hấp ra ngoài. Kết quả là vật liệu có dạng khung tinh thể với tỉ trọng thấp và diện tích bề mặt cao. 2 Bằng cách thay đổi các cầu nối hữu cơ hoặc ion kim loại ta có thể thay đổi được kích thước lỗ xốp của vật liệu thông qua đó điều chế được các vật liệu xốp có khả năng hấp thụ chọn lọc. MOFs được nghiên cứu thành công nhất bởi nhóm của GS Omar Yaghi tại Trường Đại học California tại thành phố Los Angeles, Mỹ (UCLA).

Những năm trước đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu và sử dụng những loại vật liệu có cấu trúc xốp như zeolite, bentonite…để ứng dụng trong công nghiệp xúc tác, hấp phụ khí… Tuy nhiên, những vật liệu này có cấu trúc mao quản nhỏ và diện tích bề mặt còn thấp. Vì vậy các nhà khoa học đã cố gắng nghiên cứu ra những vật liệu mới có cấu trúc mao quản lớn hơn và diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều. Trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, nhóm nghiên cứu của tác giả Yaghi tại trường đại học UCLA – Mỹ, đã tìm phương pháp kiến tạo có kiểm soát các lỗ xốp một cách chính xác trên cơ sở bộ khung hữu cơ – kim loại. Năm 1995, tác giả Yaghi [8] công bố tổng hợp thành công vật liệu có không gian bên trong lớn hình chữ nhật bằng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) từ Cu(NO 3 ) 2 với 4,4-Bipyridine và 1,3,5-Trazine.

Năm 1997, nhóm nghiên cứu của GS.Yaghi [9] đã tìm ra vật liệu có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn đó gọi là vật liệu được xây dựng trên cơ sở bộ khung hữu cơ – kim loại (Metal – Organic Frameworks) viết tắt là MOFs, nhóm của ông đã có nhiều công trình nghiên cứu được đăng trên các tạp chí uy tín như: Nature, Science, Journal of American… Năm 2005, Yaghi và các đồng nghiệp [10] tổng hợp MOF-69A-C, MOF-70- 80 dựa trên cầu nối carboxylic axit và các kim loại như Co, Zn, Pb. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Yaghi đã có thể thay đổi thành phần các nhóm kim loại – hữu cơ tùy ý, nhẳm tạo ra những cấu trúc vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn những vật liệu đã nghiên cứu trước đó: như độ bền nhiệt, diện tích bề mặt riêng 3 tăng…nhằm đáp ứng nhiều ứng dụng rộng rãi đầy hứa hẹn của những loại vật liệu xốp này trong các lĩnh vực như: xúc tác, lưu trữ khí, phân tách hỗn hợp… Ngoài nhóm nghiên cứu của giáo sư Omar Yaghi, còn có các nhóm thuộc top đầu trong lĩnh vực này là nhóm của giáo sư Gérard Férey (Pháp) và giáo sư Susumu Kitagawa (Nhật) [11]. Nhóm nghiên cứu năng lượng bền vững tại PTN Hóa lý Ứng dụng cùng với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa TP HCM là hai nhóm hạt nhân trong việc triển khai chương trình tiến sĩ MANAR, chương trình hợp tác nghiên cứu đào tạo giữa ĐHQG-HCM với UCLA về nghiên cứu chế tạo vật liệu MOFs. Hiện nhóm đang phối hợp với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa TP HCM thực hiện 02 đề tài NCKH trọng điểm cấp ĐHQG, 01 đề tài hợp tác quốc tế theo nghị định thư trong lĩnh vực vật liệu MOF với tổng kinh phí khoảng 4 tỷ đồng.

Kết quả bước đầu nhóm đạt được rất khả quan như: đã tổng hợp được vật liệu MOF-5 với diện tích bề mặt 2600 m2/g tương đương với kết quả của nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yaghi; bước đầu thành công trong việc tổng hợp ra vật liệu MOF mới chưa từng được công bố với điện tích bề mặt 3400 m2/g. Việc nghiên cứu về cơ chế hình thành MOFs do có nhiều tham số liên quan chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều; bên cạnh những tham số đơn giản như nhiệt độ, thời gian đã được quan tâm nhưng rất ít. Ngoài ra, cũng có một số nghiên cứu về sự cạnh tranh giữa yếu tố nhiệt động và động lực học, kết quả yếu tố nhiệt động quan trọng hơn yếu tố động học. Cheetham và các cộng sự đã trình bày ảnh hưởng nhiệt độ trong quá trình hình thành cobalt succinate.

Theo đó, khi tăng nhiệt độ làm cho phân tử tăng kích thước hơn do kéo dài liên kết -M-O-M- và phân tử có độ bền nhiệt cao. Tác giả nghiên cứu năm giai đoạn hình thành cobalt succinate với tỉ lệ phản ứng giữa cobalt (II) hydroxide và acid succinic là 1:1, khảo sát năm nhiệt độ khác nhau trong khoảng từ 60oC - 250oC. Khi đến 100oC, các trung tâm kim loại bị hydrate hóa tạo cấu trúc một chiều, đến 150oC các trung tâm kim loại tạo cấu trúc hai chiều và đạt cấu trúc ba chiều ở nhiệt độ cao. Điều đáng lưu ý là 4 khi nhiệt độ tăng thì H 2 O phối trí với các nguyên tử Co giảm, làm tăng entropy, các nguyên tử Co gần hơn, tạo liên kết –M-O-M- và gia tăng tỷ trọng tổng của hệ thống.

Nghiên cứu này mở đường cho các hướng nghiên cứu khác như thời gian, pH, nồng độ. Nguyên liệu tổng hợp MOFs Vật liệu MOFs gồm những tâm ion kim loại liên kết với các cầu nối hữu cơ tạo nên bộ khung hữu cơ – kim loại vững chắc như những giàn giáo xây dựng, bên trong bộ khung là những lỗ trống tạo nên một hệ thống xốp với những vách ngăn chỉ là những phân tử hoặc nguyên tử. a/ Các tâm ion kim loại Kim loại chuyển tiếp có nhiều obitan hóa trị, trong đó có nhiều obitan trống và có độ âm điện lớn hơn kim loại kiềm và kiềm thổ nên có khả năng nhận cặp electron. Vì vậy khả năng tạo phức của các nguyên tố chuyển tiếp (nhóm B) rất rộng và đa dạng.

Nhiều ion kim loại chuyển tiếp có thể tạo phức hoặc tạo mạng lưới với các ligand hữu cơ khác nhau. Nguyên tử của nguyên tố có thể có hai loại hóa trị: hóa trị chính và hóa trị phụ. Các tâm ion kim loại thường là các cation Zn2+, Cu2+, Pb2+, Fe3+…các muối kim loại thường dùng để tổng hợp là loại ngậm nước như Zn(NO 3 ) 2. Cấu trúc của ZIF-8 5 b/ Ligand tạo MOFs Những ligand dùng cho tổng hợp MOFs là những hợp chất hữu cơ đa chức phổ biến là cacboxylat, photphoric, sulfonic và các dẫn xuất của nitơ như pyridine.

Chúng đóng vai trò là cầu nối liên kết các SBU với nhau hình thành nên vật liệu MOFs với lượng lớn lỗ xốp bên trong. Cấu trúc của ligand như loại nhóm chức, chiều dài liên kết, góc liên kết góp phần quan trọng quyết định hình thái và tính chất của vật liệu MOFs được tạo thành [12]. Chính vì vậy, việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc để tổng hợp nên vật liệu MOFs phải được lựa chọn một cách cẩn thận để các tính chất của các đơn vị cấu trúc này phải được bảo toàn và sản phẩm MOFs phải có được những tính chất đó. Một số cầu nối hữu cơ cacboxylat trong MOFs.

Một số cầu nối hữu cơ chứa N, S, P trong MOFs. c/ Đơn vị cấu trúc SBUs (Second Building Units) Bằng cách khác, cấu trúc MOFs được mô tả là sự kết nối giữa các đơn vị thứ cấp của ion kim loại và các nguyên tử O, N,… (gọi là đơn vị SBUs) với các cầu nối hữu cơ (ligand) tạo nên cấu trúc không gian ba chiều. cluster Ion kim loại Ligan hữu cơ SBUs Hình 1. Sự tạo thành cluster từ ion kim loại và ligan hữu cơ.