Tổng quan nghiên cứu

Chloramphenicol (CAP) là một loại kháng sinh có khả năng gây độc và được xếp vào nhóm 2A về nguy cơ ung thư đối với con người, do đó bị cấm sử dụng trong thực phẩm. Tuy nhiên, CAP vẫn được sử dụng trái phép trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản, dẫn đến nguy cơ tồn dư trong thực phẩm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người tiêu dùng. Các quy định của Liên minh châu Âu (EU), Canada và Hoa Kỳ nghiêm cấm sử dụng CAP trong sản xuất thức ăn chăn nuôi, đồng thời đặt ra giới hạn phát hiện rất thấp, từ 0,3 đến 5 ppb tùy quốc gia. Việc phát hiện CAP trong thực phẩm đòi hỏi phương pháp phân tích có độ nhạy cao, đặc hiệu và chi phí hợp lý.

Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu in dấu phân tử (Molecularly Imprinted Polymer - MIP) dựa trên graphene oxide (rGO) và poly(vinylimidazole) để nhận biết CAP với độ chọn lọc cao. Vật liệu này được ứng dụng trong xử lý mẫu thực phẩm như cá và mật ong, phân tích CAP bằng phương pháp sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS/MS). Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn từ tháng 10/2021 đến tháng 10/2023 tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh và Trung tâm Kiểm nghiệm Thuốc, Mỹ phẩm, Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình tổng hợp vật liệu MIP trên nền graphene, đánh giá tính chất vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại như HPLC, FTIR, Raman, XRD, TGA, SEM, đồng thời thẩm định phương pháp phân tích CAP trong mẫu thực phẩm với các chỉ tiêu về độ lặp lại, độ thu hồi, giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ). Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển phương pháp phân tích dư lượng CAP trong thực phẩm theo hướng thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: kỹ thuật in dấu phân tử (Molecular Imprinting Technology - MIT) và tính chất vật liệu graphene oxide (GO).

  1. Polymer in dấu phân tử (MIP): MIP là polymer tổng hợp có khả năng nhận biết đặc hiệu phân tử mục tiêu dựa trên hình dạng, kích thước và nhóm chức năng. Quá trình tổng hợp MIP bao gồm polymer hóa monomer chức năng xung quanh phân tử mẫu (template), sau đó loại bỏ phân tử mẫu để tạo ra các vị trí nhận biết đặc hiệu. MIP có ưu điểm về tính chọn lọc cao, độ bền hóa học và khả năng tái sử dụng, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý mẫu và cảm biến sinh học.

  2. Graphene oxide (GO): GO là vật liệu carbon hai chiều với các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl, epoxy, carboxyl trên bề mặt, giúp dễ dàng chức hóa và tổng hợp nanocomposite. GO có diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện tốt và độ bền cơ học cao, là nền tảng lý tưởng để tổng hợp MIP nhằm tăng cường khả năng hấp phụ và nhận biết phân tử.

  3. Phương pháp sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS/MS): Đây là kỹ thuật phân tích hiện đại, kết hợp sắc ký lỏng hiệu năng cao với khối phổ tứ cực chập ba, cho phép định lượng chính xác các chất phân tích ở nồng độ rất thấp trong mẫu phức tạp như thực phẩm.

Các khái niệm chính bao gồm: liên kết cộng hóa trị trong chức hóa GO, phản ứng Diels-Alder sử dụng dung môi eutectic sâu (DES), polymer hóa gốc tự do với ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), và các chỉ tiêu phân tích như độ thu hồi, độ lặp lại, LOD, LOQ theo tiêu chuẩn AOAC.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh và Trung tâm Kiểm nghiệm Thuốc, Mỹ phẩm, Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh.

  • Quy trình tổng hợp vật liệu:

    • Tổng hợp graphene oxide (GO) từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến.
    • Chức hóa bề mặt GO bằng maleic anhydride (MA) qua phản ứng Diels-Alder trong dung môi eutectic sâu (DES).
    • Gắn 3-propyl-1-vinylimidazolium lên MA-rGO.
    • Polymer hóa gốc tự do với EGDMA trong sự hiện diện của phân tử mẫu CAP để tạo vật liệu MIP-rGO.
    • Loại bỏ phân tử mẫu CAP để tạo vị trí nhận biết đặc hiệu.

  • Phương pháp phân tích vật liệu: Sử dụng HPLC, FTIR, Raman, XRD, TGA, SEM để đánh giá cấu trúc, tính chất hóa học, nhiệt và hình thái bề mặt vật liệu.

  • Phương pháp phân tích CAP trong mẫu thực phẩm: Xử lý mẫu cá và mật ong bằng vật liệu MIP-rGO, phân tích CAP bằng LC-MS/MS với cột sắc ký C18, sử dụng ion nội chuẩn chloramphenicol-d5 để đảm bảo độ chính xác.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong 24 tháng (10/2021 - 10/2023), với nhiều lần thử nghiệm lặp lại để đánh giá độ lặp lại, độ thu hồi và khả năng tái sử dụng vật liệu.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng các chỉ tiêu thống kê như hệ số biến thiên (RSD), độ thu hồi, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) theo tiêu chuẩn AOAC và quy định của EU.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu MIP-rGO: Qua các phương pháp phân tích FTIR, Raman, XRD, TGA và SEM, vật liệu MIP-rGO được tổng hợp thành công với cấu trúc ổn định, có liên kết cộng hóa trị giữa poly(vinylimidazole) và bề mặt rGO. XRD cho thấy cấu trúc không thay đổi đáng kể sau 5 lần tái sử dụng.

  2. Ảnh hưởng tỷ lệ mol các thành phần: Khảo sát tỷ lệ mol của 3-propyl-1-vinylimidazolium, CAP và EGDMA ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng hấp phụ CAP. Tỷ lệ mol tối ưu giúp tăng khả năng hấp phụ lên đến khoảng 30-40% so với các tỷ lệ khác.

  3. Hiệu quả xử lý mẫu thực phẩm: Phương pháp xử lý mẫu cá và mật ong bằng MIP-rGO kết hợp LC-MS/MS cho kết quả độ lặp lại (RSD) dưới 30% ở bốn mức nồng độ khác nhau. Giới hạn phát hiện (LOD) lần lượt là 0,039 ppb cho cá và 0,043 ppb cho mật ong, đáp ứng yêu cầu phân tích dư lượng CAP theo tiêu chuẩn AOAC.

  4. Độ thu hồi và tái sử dụng: Độ thu hồi CAP trong mẫu cá dao động từ 49,1% đến 104,2%, trong mẫu mật ong từ 47,9% đến 98,1%, phù hợp với tiêu chuẩn AOAC. Vật liệu MIP-rGO giữ được tính chất và hiệu quả hấp phụ sau 5 lần tái sử dụng, chứng tỏ tính bền vững và kinh tế của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng dung môi eutectic sâu (DES) trong phản ứng Diels-Alder giúp biến đổi bề mặt rGO hiệu quả, thân thiện môi trường và đơn giản hóa quy trình tổng hợp. Liên kết cộng hóa trị giữa poly(vinylimidazole) và rGO tạo ra vật liệu MIP có độ chọn lọc cao đối với CAP, vượt trội so với các vật liệu MIP truyền thống chỉ dựa trên tương tác vật lý.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, vật liệu MIP-rGO trong luận văn có khả năng hấp phụ và nhận biết CAP tốt hơn nhờ diện tích bề mặt lớn và tính dẫn điện của graphene, đồng thời phương pháp LC-MS/MS cho phép phát hiện CAP ở nồng độ rất thấp, phù hợp với yêu cầu kiểm soát an toàn thực phẩm hiện nay.

Biểu đồ hấp phụ CAP theo tỷ lệ mol các thành phần và đồ thị XRD trước và sau tái sử dụng vật liệu minh họa rõ ràng tính ổn định và hiệu quả của vật liệu. Bảng số liệu độ thu hồi và RSD thể hiện tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi vật liệu MIP-rGO trong kiểm soát dư lượng CAP: Khuyến nghị các cơ quan kiểm nghiệm thực phẩm áp dụng vật liệu MIP-rGO để xử lý mẫu, nâng cao độ chính xác và giảm chi phí phân tích CAP trong các nền mẫu phức tạp như thủy sản và mật ong trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Phát triển vật liệu MIP dựa trên graphene cho các chất độc hại khác: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng tổng hợp MIP-rGO cho các hoạt chất khác có nguy cơ tồn dư trong thực phẩm như kháng sinh nhóm sulfonamide, tetracycline, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng cường an toàn thực phẩm.

  3. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp và tái sử dụng vật liệu: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về các điều kiện phản ứng, tỷ lệ mol và điều kiện tái sử dụng để nâng cao tuổi thọ vật liệu, giảm thiểu chi phí sản xuất và xử lý môi trường trong vòng 3 năm tới.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu MIP-rGO cho các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm và doanh nghiệp trong ngành thực phẩm, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu MIP dựa trên graphene và ứng dụng phân tích dư lượng CAP, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm: Cung cấp phương pháp xử lý mẫu và phân tích CAP hiệu quả, giúp nâng cao chất lượng kiểm soát an toàn thực phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm: Giúp hiểu rõ về công nghệ phát hiện dư lượng kháng sinh, từ đó cải thiện quy trình sản xuất và đảm bảo tuân thủ quy định an toàn.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn thực phẩm: Hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra và giám sát dư lượng kháng sinh trong thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu MIP-rGO có ưu điểm gì so với các vật liệu MIP truyền thống?
    MIP-rGO có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và liên kết cộng hóa trị bền vững, giúp tăng khả năng hấp phụ và chọn lọc CAP, đồng thời vật liệu có thể tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu quả.

  2. Phương pháp LC-MS/MS có thể phát hiện CAP ở mức độ nào?
    Phương pháp LC-MS/MS kết hợp xử lý mẫu bằng MIP-rGO có thể phát hiện CAP với giới hạn phát hiện khoảng 0,039 ppb trong mẫu cá và 0,043 ppb trong mẫu mật ong, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế về an toàn thực phẩm.

  3. Vật liệu MIP-rGO có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được cấu trúc và hiệu quả hấp phụ sau ít nhất 5 lần tái sử dụng, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

  4. Phản ứng Diels-Alder trong dung môi eutectic sâu (DES) có lợi ích gì?
    Sử dụng DES làm dung môi giúp phản ứng diễn ra ở điều kiện thân thiện môi trường, không dùng dung môi độc hại, đồng thời tăng hiệu quả chức hóa bề mặt rGO, đơn giản hóa quy trình tổng hợp.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các mẫu thực phẩm khác không?
    Vật liệu MIP-rGO có tính chọn lọc cao và khả năng tùy biến, do đó có thể được điều chỉnh để xử lý và phân tích các mẫu thực phẩm khác nhau, mở rộng ứng dụng trong kiểm soát dư lượng các chất độc hại.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu in dấu phân tử MIP-rGO nhận biết chloramphenicol với liên kết cộng hóa trị bền vững trên nền graphene oxide.
  • Vật liệu có khả năng hấp phụ CAP cao, ổn định về cấu trúc và hiệu quả sau nhiều lần tái sử dụng.
  • Phương pháp xử lý mẫu kết hợp LC-MS/MS đạt giới hạn phát hiện thấp, độ lặp lại và độ thu hồi phù hợp tiêu chuẩn AOAC.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu MIP thân thiện môi trường, hiệu quả kinh tế cho phân tích dư lượng kháng sinh trong thực phẩm.
  • Đề xuất ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực phẩm và phát triển các vật liệu MIP cho các chất độc hại khác trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô lớn tại các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm và nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu MIP-rGO cho các phân tử mục tiêu khác nhằm nâng cao an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.