Bài viết Cảm biến điện hóa phát hiện chloramphenicol trong mẫu thịt lợn sử dụng điện cực in cacbon tích hợp (SPE) biến tính với tấm nano MoS2 phát triển một hệ thiết bị cảm biến điện hóa cầm tay dựa trên điện cực SPE biến tính với tấm nano MoS2 nhằm phát hiện nhanh CAP sử dụng phương pháp von-ampe xung vi phân. Cảm biến đã được thử nghiệm phát hiện CAP trong các mẫu thịt lợn qua phương pháp thêm chuẩn.
KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CẢM BIẾN ĐIỆN HĨA PHÁT HIỆN CHLORAMPHENICOL TRONG MẪU THỊT LỢN SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC IN CACBON TÍCH HỢP (SPE) BIẾN TÍNH VỚI TẤM NANO MoS2 A ELECTROCHEMICAL SENSOR FOR DETECTION OF CHLORAMPHENICOL IN PORK SAMPLE USING SCREEN PRINTED CARBON ELECTRODES (SPE) MODIFIED WITH MoS2 NANOSHEET Ngơ Xn Đinh1*, Hồng Văn Tuấn1, Nguyễn Văn Quy2, Vũ Đình Lãm3, Lê Anh Tuấn1* Viện Nghiên cứu nano, Trường Đại học Phenikaa Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Học viện Khoa học công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Đến Tòa soạn ngày 09/08/2021, chấp nhận đăng ngày 28/08/2021 Tóm tắt: Việc lạm dụng, sử dụng bất hợp pháp thuốc kháng sinh chăn nuôi tạo lượng tồn dư kháng sinh sản phẩm từ thịt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng Trong nghiên cứu này, phát triển thành cơng cảm biến điện hóa cầm tay sở điện cực in cacbon tích hợp (SPE) biến tính với nano MoS2 (SPE-MoS2) cho phát nhanh dư lượng thuốc kháng sinh chloramphenicol (CAP) mẫu thịt lợn Đặc tính lý hóa nano MoS2 điện cực biến tính phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X, chụp ảnh hiển vi điện tử quét, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier phổ tán xạ Raman Kết thử nghiệm cho thấy, cảm biến điện hóa sử dụng điện cực SPE-MoS2 phát CAP khoảng 0,5-50 µM với độ nhạy điện hóa 2,79 µA -1 -2 µM cm giới hạn phát 61 nM Nghiên cứu chúng tơi chứng tỏ cảm biến điện hóa cầm tay dựa vật liệu nano MoS2 có tiềm ứng dụng việc phát nhanh dư lượng chất kháng sinh khác mẫu thực phẩm với độ nhạy độ ổn định cao Từ khóa: Chloramphenicol, cảm biến điện hóa, nano MoS2 Abstract: The overuse and illegal use of antibiotics in livestock created the antibiotic residues in meat products, presents serious risks for human health In this study, we developed the portable electrochemical sensor based on screen printed carbon electrodes (SPE) modified with MoS2 nanosheet for rapid detection of antibiotic chloramphenicol residue in pork samples The physicochemical properties of MoS2 nanosheet and modified-electrodes were analyzed by X-ray diffractometer, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy The tested results showed that the SPE-MoS2 based-portable electrochemical sensor responded linearly to CAP in the range from 0.5 to -1 -2 50 µM with electrochemical sensitivity of 2.79 µA µM cm and a low detection limit of 61 nM Our work demonstrates that the portable electrochemical sensor based on MoS nanosheet has potential for application in the rapid detection of antibiotic residues in food with high sensitivity and stability Keywords: Chloramphenicol, electrochemical sensor, MoS2 nanosheet TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐẶT VẤN ĐỀ Thuốc kháng sinh sử dụng rộng rãi chăn ni Việt Nam nhằm mục đích chữa trị số loại bệnh kích thích tăng trưởng vật nuôi Tuy nhiên, việc lạm dụng sử dụng bất hợp pháp thuốc kháng sinh gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng lượng tồn dư kháng sinh sản phẩm từ thịt Chloramphenicol (CAP) loại thuốc kháng sinh dịng phenol phổ rộng điều trị nhiều loại bệnh vật nuôi Dư lượng CAP thịt, sữa trứng tích tụ thể người dùng gây bệnh thiếu máu bất sản, hội chứng xám trẻ sơ sinh ức chế tủy xương… [1] Do đó, CAP bị cấm sử dụng chăn nuôi nhiều quốc gia giới Đặc biệt Việt Nam, theo thông tư số 10/2016/TT-BNNPTNT ngày 01/6/2016 Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, CAP thuốc kháng sinh bị cấm sử dụng lưu hành Việt Nam Nhìn chung, việc phát định lượng CAP mẫu thịt thường dựa phương pháp phân tích truyền thống HPLC, LC-MS, xét nghiệm miễn dịch Các phương pháp có độ nhạy ổn định cao thường yêu cầu trang bị thiết bị đắt tiền, kỹ thuật viên chuyên nghiệp, tốn thời gian Bởi vậy, nhu cầu việc phát triển phương pháp đơn giản phát nhanh CAP cần thiết Cảm biến điện hóa kỹ thuật đơn giản đáp ứng nhanh sử dụng rộng rãi phân tích định lượng hợp chất hóa học Bên cạnh đó, việc ứng dụng vật liệu nano vào cảm biến điện hóa nhằm tăng cường tín hiệu phát mở bước phát triển lĩnh vực cảm biến điện hóa [2] Trong đó, vật liệu có cấu trúc 2D với diện tích bề mặt riêng lớn, khả xúc tác điện hóa tốt ứng cử viên sáng giá cho ứng dụng cảm biến điện hóa tiên tiến Trong nghiên cứu này, phát triển hệ thiết bị cảm biến điện hóa cầm tay dựa điện cực SPE biến tính với nano MoS2 nhằm phát nhanh CAP sử dụng phương pháp von-ampe xung vi phân Cảm biến thử nghiệm phát CAP mẫu thịt lợn qua phương pháp thêm chuẩn VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu hóa chất Bột MoS2 (98%, < µm, Sigma-Aldrich), K3[Fe(CN6)], K4[Fe(CN6)], 98,5% KCl (Sigma-Aldrich) Dung dịch đệm PBS (0.1 M, pH 7.2) pha từ muối NaCl, KCl, Na2HPO4•12H2O, KH2PO4 (>99%, Merck) Độ pH dung dịch đệm điều chỉnh dùng dung dịch NaOH (2M) dung dịch H3PO4 (0,1 M) Điện cực cacbon in lưới (SPEs-DS110) với diện tích bề mặt điện cực làm việc 4,0 mm2, kích thước L33×W10×H0,5 mm mua hãng DS Dropsens, Tây Ban Nha 2.2 Bóc tách MoS2 phương pháp rung siêu âm Tấm nano MoS2 bóc tách phương pháp rung siêu âm Đầu tiên, 0,5 g bột MoS2 phân tán vào 250 ml dung mơi N,N-Dimethylformamide (DMF), sau hỗn hợp rung siêu âm đầu dị với cơng suất 560 W 2.3 Phương pháp điều kiện đo điện hóa xác định chloramphenicol Các phép đo điện hóa thực hệ điện hóa Palmsens4, PS Trace, PalmSens, The Netherlands nhiệt độ phòng Phương pháp quét vịng tuần hồn (CV) phương pháp TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Von-ampe xung vi phân sử dụng để đánh giá hiệu suất nhạy điện hóa cảm biến Phương pháp qt vịng tuần hồn (CV) thực theo thông số sau: thời gian tích lũy 120 s, lấy vịng đầu tiên, tốc độ quét 50 mV s-1 khoảng đo từ 1 V đến V Phương pháp Von-ampe xung vi phân thực theo thông số: tốc độ quét mV s-1, thời gian tích lũy 120s, Epluse = 0.075V, Tpulse = 0.2s khoảng từ 0.3 đến 0.75 V Ảnh SEM điện cực SPE biến tính với MoS2 cho thấy nano MoS2 với kích thước vào khoảng 100-200 nm phủ lên bề mặt điện cực cacbon (hình chèn 1A) Việc biến tính điện cực SPE với nano MoS2 cải thiện khả chuyển dịch điện tích tăng diện tích hoạt hóa bề mặt điện cực SPE, qua tăng cường hiệu suất phát cảm biến [4] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các nano MoS2 bóc tách phương pháp rung siêu âm dung môi N,N-Dimethylformamide Cấu trúc tinh thể khoảng cách hai mặt phẳng mạng liền kề MoS2 phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X Từ hình 1A, ta thấy giản đồ XRD MoS2 xuất đỉnh đặc trưng 13,9°, 32,7°, 39,5°, 44,1°, 49,8°, 58,3° 60,4° tương ứng với mặt tinh thể (002), (100), (103), (006), (105), (110) (112) MoS2 khối (JCPDS Card no 77-1716) Tính tốn từ đỉnh nhiễu xạ (002) theo định luật Bragg (nλ=2d.sinθ) ta khoảng cách hai mặt phẳng mạng liền kề MoS2 0.64 nm Từ phương trình Debye-Scherrer, ta tính kích thước tinh thể 7,7 nm Do đó, số lớp MoS2 mẫu xác định vào khoảng 12 lớp Kết cho thấy nano MoS2 bóc tách thành cơng phương pháp rung siêu âm Kết phân tích Raman mẫu MoS2 sau rung siêu âm xác nhận điều Hình 1(B) cho thấy phổ Raman nano MoS2 với dải tán xạ đặc trưng E12g A1g 382,1 407,2 cm1 Sự khác biệt tần số hai dải tán xạ vào khoảng 25,1 cm1 cho thấy số lớp mẫu vào khoảng 12 lớp [3] Hình thái bề mặt cảm biến SPE biến tính với nano MoS2 quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 Hình (A) Giản đồ nhiễu xạ tia X; (B) phổ tán xạ Raman nano MoS2; hình nhỏ (A) ảnh SEM điện cực SPE biến tính với nano MoS2 Điện cực SPE-MoS2 sau biến tính đánh giá khả đáp ứng điện hóa với CAP so sánh với điện cực SPE trần phương pháp quét CV (như hình 2.A) Kết cho thấy đường cong CV KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ điện cực SPE SPE-MoS2 xuất đỉnh oxi-hóa khử đặc trưng CAP, đặc biệt đỉnh khử có cường độ lớn khoảng 0.6 đến 0.7 V tương ứng với khử trực tiếp nhóm nitro thành phenylhydroxylamine với việc nhận thêm điện tử [5] Vị trí đỉnh khử đặc biệt dịch phía dương điện cực SPE-MoS2 so với điện cực trần khả xúc tác điện hóa tốt CAP MoS2 [6] Tính tốn cường độ dịng điện đỉnh (Ip) cho điện cực SPE trần SPE-MoS2 cho thấy điện cực SPE-MoS2 thể khả đáp ứng điện hóa (Ip) cao gấp 4,6 lần so với điện cực trần Kết tiết lộ nano MoS2 tăng cường đáng kể diện tích bề mặt hoạt hóa khả xúc tác điện hóa q trình khử điện hóa trực tiếp CAP điện SPE Nhằm tối ưu điều kiện thực nghiệm, khảo sát ảnh hưởng pH đến đáp ứng điện hóa điện cực SPE-MoS2 (hình 2B) sử dụng phương pháp quét CV khoảng từ pH=3 đến pH=11 Kết tính tốn Ip khử CAP cho thấy pH dung dịch có ảnh hưởng đến đáp ứng dịng điện điện cực CAP pH xác định điều kiện pH phù hợp cho thử nghiệm Hình (A) Đường cong CV điện cực SPE biến tính với nồng độ MoS2 khác nhau; (B) dòng điện đỉnh điện cực SPE biến tính với nồng độ MoS2 khác Hình (A) Đường cong CV điện cực SPE, SPE-MoS2 PBS PBS chứa 50 µM CAP; (B) phụ thuộc dòng điện đỉnh theo pH dung dịch 10 Để đánh giá ảnh hưởng nồng độ MoS2 đến khả đáp ứng điện hóa cảm biến, sử dụng phương pháp quét CV nhằm đánh giá khả đáp ứng điện hóa CAP điện cực SPE biến tính với nồng độ MoS2 khác TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ khoảng từ 0,1 đến mg/ml Kết trình bày hình 3(A) Kết phân tích cho thấy nồng độ MoS2 tăng từ 0,1-1,5 mg/ml đáp ứng dịng điện tăng dần vị trí đỉnh khử dịch phía dương (xem hình 3(A)) Điều lượng nano MoS2 tăng nồng độ phủ bề mặt SPE tăng làm tăng diện tích bề mặt hoạt hóa khả xúc tác điện hóa điện cực Tuy nhiên, nồng độ MoS2 vượt qua 1,5 mg/ml đáp ứng dịng giảm xuống đáng kể Điều kết tụ xếp chồng nano MoS2 nồng độ cao dẫn đến giảm diện tích bề mặt riêng điện cực biến tính Thêm vào đó, việc tạo lớp vật liệu nano MoS2 dày bề mặt điện cực SPE làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử từ chất phân tích lên bề mặt điện cực [4] Nồng độ 1,5 mg/ml MoS2 chọn làm điều kiện biến tính điện cực SPE cho cảm biến điện hóa Kết nghiên cứu cho thấy nồng độ MoS2 phủ bề mặt SPE có ảnh hưởng mạnh đến đáp ứng điện hóa cảm biến CAP DPV biết đến kỹ thuật có độ nhạy độ xác cao phân tích định lượng chất nhiễm thực phẩm Ở đây, sử dụng kỹ thuật DPV để đánh giá hiệu suất nhạy CAP cảm biến thông qua việc dựng đường chuẩn theo nồng độ CAP, hình 4(A) Từ hình 4(A) ta thấy nồng độ CAP tăng từ 0,5 đến 50 µM cường độ dịng đỉnh khử CAP 0,52 V tăng Kết tính tốn dựng đường chuẩn cường độ dòng điện đỉnh khử theo nồng độ CAP biểu diễn hình chèn 4(A) Phương trình đường chuẩn cường độ dòng Ip nồng độ CAP thu Ip (µA) =0,35 CCAP (µM) + 0,5 với Ip cường độ dòng điện đỉnh khử CAP xác định từ đường cong DPV, CCAP nồng độ chất chuẩn CAP dung dịch đo Kết phân tích TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 cho thấy cảm biến điện hóa có độ nhạy điện hóa đạt 2,79 µA µM1 cm2 giới hạn phát xuống đến 61 nM khoảng tuyến tính 0,5-50 µM thời gian phân tích phút Hình (A) Đường DPV CAP với nồng độ từ 0,5 đến 50 µM sử dụng điện cực SPE-MoS2; (B) Đồ thị hình cột biểu diễn so sánh cường độ dòng + + đỉnh CAP (30 µM) 100 µM ion (K , Na , 2+ 2+ 2+ 2+ 2Ca , Ni , Fe , Cu , Cl , NO3 , SO4 ), chất hữu khác (100 µM- glucose, axit ascorbic, 4-nitrophenol, axit uric); hình nhỏ (A): đường chuẩn phụ thuộc dịng điện theo nồng độ CAP; hình nhỏ (B) cường độ dịng đỉnh 15 lần đo 30 µM CAP sử dụng điện cực SPE-MoS2 Để đánh giá khả phân tích cảm biến mơi trường mẫu phức tạp, nghiên cứu ảnh hưởng số ion chất hữu lên khả đáp ứng với CAP cảm biến Cảm biến thể khă chọn lọc tốt với CAP (30 µM) với cường độ tín 11 KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ KẾT LUẬN hiệu lớn gấp 10 lần so với ion (K+, Na+, Ca2+, Ni2+, Fe2+, Cu2+, Cl-, NO3, SO42) chất hữu (glucose, axit ascorbic, 4-nitrophenol, axit uric) khác nồng độ cao gấp lần (100 µM) hình 4(B) Độ tái lặp cảm biến vào khoảng 2,27% cho 15 phép đo lặp lại (hình nhỏ 4(B)) Cơng trình nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa cầm tay sở điện cực in cacbon tích hợp (SPE) biến tính với nano MoS2 ứng dụng phát nhanh thuốc kháng sinh chloramphenicol Để đánh giá khả ứng dụng thực tế cảm biến, thực xác định nồng độ CAP mẫu thịt lợn phương pháp thêm chuẩn Mẫu thực chuẩn bị theo quy trình chuẩn bị mẫu thực phân tích tiêu chuẩn TCVN 8140-2009 Các nồng độ CAP sử dụng phân tích µM, 10 µM, 20 µM Các kết thử nghiệm trình bày bảng Kết tính tốn cho thấy cảm biến có độ xác ổn định tốt với độ thu hồi trung bình đạt 94% độ lệch chuẩn RSD 2,2% (bảng 1) Các kết chứng tỏ cảm biến điện hóa dựa điện cực SPE-MoS2 có khả áp dụng để xác định nồng độ CAP mẫu thịt lợn thực tế Bảng Kết thử nghiệm cảm biến điện hóa SPE-MoS2 phân tích mẫu thịt lợn RSD (%)n (n=3) Nồng độ CAP thêm vào (μM) Nồng độ CAP tìm (μM) 4,7 94 2,2 10 9,1 91 1,6 20 18,6 93 1,4 Độ thu hồi (%) Điện cực biến tính SPE-MoS2 cho thấy khả tăng cường đáp ứng điện hóa với CAP cao 4,6 lần so với điện cực SPE trần Cảm biến điện hóa SPE-MoS2 thể khả phát CAP với độ nhạy cao 2,79 µA µM1 cm2, thời gian đáp ứng phút giới hạn phát xuống đến 61 nM khoảng tuyến tính 0,5-50 µM Kết thử nghiệm cảm biến mẫu thịt lợn cho thấy cảm biến có độ thu hồi đạt 94% với độ lệch chuẩn 2,2%, khả ứng dụng cảm biến phát nhanh CAP mẫu thực Nghiên cứu cho thấy vật liệu nano MoS2 vật liệu tiềm cho ứng dụng cảm biến điện hóa nhằm phát nhanh hóa chất tồn dư mẫu thực phẩm LỜI CẢM ƠN Cơng trình tài trợ Bộ Khoa học Công nghệ thông qua Đề tài độc lập cấp quốc gia thuộc Chương trình phát triển Vật lý Việt Nam giai đoạn 2015-2020 (mã số ĐTĐLCN.17/19) Đề tài NCCB tài trợ Quỹ Nafosted (mã số 103.02-2019.01) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Shukla, F W Bansode, and R K Singh, “Chloramphenicol Toxicity : A Review,” J Med Med Sci., vol 2, no 13, pp 1313–1316, 2011 [2] [2] A Joshi and K.-H Kim, “Recent advances in nanomaterial-based electrochemical detection of antibiotics: Challenges and future perspectives,” Biosens Bioelectron., vol 153, p 112046, Apr 2020, doi: 10.1016/j.bios.2020.112046 12 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ [3] G.S Papanai, I Sharma, G Kedawat, and B.K Gupta, “Qualitative Analysis of Mechanically Exfoliated MoS2 Nanosheets Using Spectroscopic Probes,” J Phys Chem C, vol 123, no 44, pp 27264–27271, 2019, doi: 10.1021/acs.jpcc.9b09191 [4] A.M Parra-Alfambra, E Casero, L Vázquez, C Quintana, M del Pozo, and M D Petit-Domínguez, “MoS2 nanosheets for improving analytical performance of lactate biosensors,” Sensors Actuators B Chem., vol 274, pp 310–317, Nov 2018, doi: 10.1016/j.snb.2018.07.124 [5] F.Y Kong, T.T Chen, J.Y Wang, H.L Fang, D.H Fan, and W Wang, “UV-assisted synthesis of tetrapods-like titanium nitride-reduced graphene oxide nanohybrids for electrochemical determination of chloramphenicol,” Sensors Actuators, B Chem., vol 225, pp 298–304, 2016, doi: 10.1016/j.snb.2015.11.041 [6] R Zribi et al., “Exfoliated 2D-MoS2 nanosheets on carbon and gold screen printed electrodes for enzyme-free electrochemical sensing of tyrosine,” Sensors Actuators B Chem., vol 303, p 127229, Jan 2020, doi: 10.1016/j.snb.2019.127229 Thông tin liên hệ: Lê Anh Tuấn Điện thoại: 0916366088 - Email: tuan.leanh@phenikaa-uni.edu.vn Viện Nghiên cứu nano,Trường Đại học Phenikaa Ngô Xuân Đinh Điện thoại: 0989936619 - Email: dinh.ngoxuan@phenikaa-uni.edu.vn Viện Nghiên cứu nano,Trường Đại học Phenikaa TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 30 - 2022 13 ... giá cho ứng dụng cảm biến điện hóa tiên tiến Trong nghiên cứu này, phát triển hệ thiết bị cảm biến điện hóa cầm tay dựa điện cực SPE biến tính với nano MoS2 nhằm phát nhanh CAP sử dụng phương... phổ tán xạ Raman nano MoS2; hình nhỏ (A) ảnh SEM điện cực SPE biến tính với nano MoS2 Điện cực SPE -MoS2 sau biến tính đánh giá khả đáp ứng điện hóa với CAP so sánh với điện cực SPE trần phương... lặp cảm biến vào khoảng 2,27% cho 15 phép đo lặp lại (hình nhỏ 4(B)) Cơng trình nghiên cứu phát triển cảm biến điện hóa cầm tay sở điện cực in cacbon tích hợp (SPE) biến tính với nano MoS2 ứng dụng