Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng phân tích dư lượng kháng sinh PHẠM THỊ LỰU Luu.pt202050m@sis.hust.edu.vn Ngành Hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS Cao Hồng Hà Viện: Kỹ thuật Hóa học Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 10/2022 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dịng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng phân tích dư lượng kháng sinh Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên i Lời cảm ơn Với tất trân trọng cảm kích, em xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới TS Cao Hồng Hà TS Nguyễn Vân Anh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, thầy cô cán nghiên cứu Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu lượng nano (NEC) - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ động viên em thời gian thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn cấp Lãnh đạo Viện Khoa học Công nghệ - Bộ Công an tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Cảm ơn đề tài Nafosted mã số 104.99-2018.357 hỗ trợ kinh phí cho nghiên cứu luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn học viên lớp 20BHH giúp đỡ, động viên, chia sẻ suốt trình hồn thiện luận văn ii Tóm tắt nội dung luận văn Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn đến dư lượng cao chăn nuôi vấn đề báo động xã hội có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng kinh tế Vì lợi nhuận tác động tiêu cực biến đổi khí hậu nên nhà sản xuất nơng, thủy sản phải dụng lượng kháng sinh không theo quy định Do đó, việc tiến hành phân tích dư lượng kháng sinh nông thủy sản cần thiết để tầm soát đưa khuyến nghị cho người tiêu dùng nhà quản lý Gần đây, hệ vi lưu tích hợp mơ đun chức nhiều nhóm nghiên cứu giới phát triển Với mong muốn hệ vi lưu trở thành xu hướng cách mạng phương pháp phân tích hóa học y sinh Hệ vi lưu hoạt động dựa sở phương pháp phân tích truyền thống tích hợp cảm biến (điện hóa, sinh học,…) thu nhỏ Chính vậy, hệ thống nhỏ gọn linh động đảm bảo độ xác rút ngắn thời gian thao tác Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo phương pháp truyền thống sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), phổ khối (MS), cộng hưởng từ proton (NMR),… sử dụng cho kết tốt chi phí cao khơng động Vì vậy, phát triển hồn thiện hệ vi lưu tính hợp (buồn vi phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa,…) kiểm tra nhanh xu nhiều nhà khoa học quan tâm Mục đích đề tài - Thiết kế chế tạo hệ vi kênh vật liệu Poly(dimethylsiloxane) – PDMS tích hợp hệ cảm biến điện hóa biến tính hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs đặc hiệu cho phân tích kháng sinh sulfomethoxazone dung dịch phương pháp điện hóa Nội dung luận văn, vấn đề cần giải Thiết kế chế tạo hệ vi lưu tích hợp mô đun chức (khuấy trộn, vi buồng phản ứng, tích hợp cảm biến điện hóa,…) phân tích dư lượng kháng sinh nhóm Sulfonamide Nghiên cứu quy trình hồn thiện hệ thống vi lưu sở Polydimethylsiloxane – PDMS phương pháp gắn kênh lên đế tách rời sau lần thí nghiệm (reversible bonding) Với mục đích tái sử dụng lại nhiều iii lần phần đế tích hợp phần chức cho hệ thống, tái sử dụng điện cực, thực rửa thay cần Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa đặc hiệu cho phân tích kháng sinh phương pháp điện hóa sở vật liệu điện cực tiên tiến rGO/PDA/CuNPs Xác định dư lượng kháng sinh nhóm Sulfonamide mẫu giả định mẫu thực chăn nuôi gia súc đảm bảo độ nhạy cao, giải đo rộng, độ lặp lại đạt tốt phép đo xác định dư lượng kháng sinh Phương pháp thực - Thiết kế chế tạo hệ vi lưu kỹ thuật vi chế tạo phịng - Biến tính bề mặt điện cực mạch in (SPE) kỹ thuật tổng hợp điện hoá hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs trực tiếp bề mặt điện cực - Thực khảo sát vùng nồng độ tối ưu cho việc xác định khoảng nồng độ tuyến tính sulfomethoxazone (SMX) với cường độ dịng điện đáp ứng kỹ thuật qt sóng vng (SWV) Từ xây dựng đường chuẩn cường độ dịng điện – Nồng độ SMX (I – C) để xác định nồng độ SMX mẫu thuôc thực T.T S Năm Thái - Đánh giá độ lặp lại xác định giá trị LOD phép phân tích Kết luận văn - Chế tạo thành công hệ chíp vi dịng kỹ thuật ghép vi kênh với đế chứa định cực kỹ thuật ghép ký cho phép sử dụng lại hệ vi kênh điện cực nhiều lần - Bước đầu thử nghiệm hệ vi dịng tích hợp điện cực SPE biến tính với giới hạn phát (LOD) 1,5 μM với hệ số hồi phục đạt 98,5% - Kết phân tích hàm lượng thuốc kháng sinh Sulfamethoxazone (SMX) thương mại (T.T S) khả quan HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên iv MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái qt hệ chíp vi dịng 1.1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng kỹ thuật hệ vi dòng 1.1.2 Ưu điểm hệ vi dòng 1.1.3 Khái niệm thí nghiệm chíp (LoC) 1.1.4 Mối quan hệ Microfluidics với lĩnh vực khác 1.2 Cấu tạo hệ chíp vi dịng 1.2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo hệ vi dòng 1.2.2 Các phần tử hệ microfluidic 13 1.3 Quy trình chế tạo hệ vi dịng 15 1.4 Giới thiệu hệ vi dịng tích hợp cảm biến điện hóa 18 1.5 Giới thiệu thuốc kháng sinh dư lượng thuốc kháng sinh nhóm Sulfamid 20 1.5.1 Cấu tạo chung nhóm Sulfamid 21 1.5.2 Tính chất vật lí hóa học Sulfamid 22 1.5.3 Phân loại Sulfamid 23 1.5.4 Giới thiệu Sulfamethoxazole (SMX) 23 1.5.5 Tổng quan phương pháp phát dư lượng nhóm Sulfamid 24 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 28 2.1 Chế tạo chip vi dòng 28 2.1.1 Hóa chất dụng cụ 28 2.1.2 Thiết bị 29 2.1.3 Thiết kế chế tạo mask cho vi lưu 29 2.1.4 Các bước chế tạo khuôn phương pháp quang khắc 29 2.1.5 Các bước chế tạo hệ vi kênh PDMS 30 2.1.6 Hồn thiện chip vi dịng 31 2.2 Thiết kế hệ vật liệu cho biến tính bề mặt điện cực làm việc hệ điện cực mạch in cacbon (SPE) 32 v 2.3 Khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs điện cực glassy cacbon (GCE) 33 2.3.1 Chế tạo vật liệu GO 33 2.3.2 Chế tạo điện cực biến tính GCE/rGO/PDA/CuNPs 34 2.4 Đặc trưng điện hóa điện cực biến tính GCE biến tính hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs 35 2.4.1 Khảo sát độ ổn định khả dẫn điện hệ vật liệu điện cực GCE 35 2.4.2 Diện tích bề mặt điện hóa 35 2.5 Đặc chưng hình thái học vào cấu trúc vật liệu: 36 2.6 Thử nghiệm ứng dụng chip vi dịng tích hợp phân tích kháng sinh phương pháp điện hóa 36 2.6.1 Hóa chất 36 2.6.2 Chuẩn bị điện cực 36 2.6.3 Phương pháp điện hóa (sử dụng kỹ thuật đo sóng vng - SWV) 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 39 3.1 Thiết kế hệ vi dịng tích hợp điện cực mạch in biến tính 39 3.1.1 Thiết kế hệ vi kênh cho chip vi dòng 39 3.2 Kết chế tạo hệ chíp vi dịng tích hợp điện cực mạch in biến tính 40 3.3 Kết khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs điện cực glassy cacbon (GCE) 42 3.3.1 Kết tổng hợp rGO phương pháp điện hóa điện cực GCE 42 3.3.2 Kết tổng hợp màng polydopamin lên điện cực GCE/rGO 44 3.3.3 Kết tổng hợp CuNPs điện cực GCE/rGO/PDA 45 3.3.4 Đặc trưng điện hóa điện cực GCE biến tính hệ vật liệu rGO/PDACuNPs 47 3.4 Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE hệ vật liệu rGO/PDACuNPs 50 3.5 Ứng dụng hệ chip vi dịng tích hợp điện cực mạch in biến tính nhận biết kháng sinh sulfamethoxazole 54 vi CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 4.1 Kết luận 56 4.2 Hướng phát triển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 vii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CAGR CNC CV DNA EDX ELISA FTIR GC GO HLPC LoC Tiếng Anh Tiếng Việt Tỷ lệ tăng trưởng kép hàng Compound Annual Growth Rate năm Phương pháp cắt điều Computer numerical control khiển phần mềm máy tính Cyclic Votammetry Quét vòng Deoxyribonucleic acid Energy dispersive spectroscopy X-ray Phổ tán sắc lượng tia X Phép phân tích xét nghiệm Enzyme-linked Immunosorbent hấp thụ miễn dịch liên kết assay với enzym Fourier-transform infrared Phổ hồng ngoại spectroscopy Glassy Carbon Thủy tinh cacbon Graphene oxide High-performance chromatography Lab-on-a-Chip Graphen oxit liquid Phổ sắc ký lỏng hiệu cao Phịng thí nghiệm chip Electronic Hệ vi điện tử MS Micro/Nano Mechanic Systems Mass spectrometry NMR Nuclear magnetic resonance PABA Para amino benzoic acid PDA Polydipamin PDMS Poly(dymethyl siloxane) PDV Differential Pulse Voltammetry Quét xung vi phân rGO Reduced graphene Oxide Graphen oxit dạng khử SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SMX Sulfamethoxazole SPE Screen printed electrode MEMS/NEMS Phổ khối lượng Phổ cộng hưởng từ hạt nhân SWV Điện cực cacbon dạng mạch in Epoxy based negative Chất cảm quang âm họ photoresist epoxy Square Wave Voltammetry Quét song vuông UV Ultra violet µTAS Micro Total Analysis System Su-8 viii Tia cực tím Tổng số vi phân tích hệ thống DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các ưu điểm bật hệ vi dòng [3] Bảng 1.2 Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi dòng 12 Bảng 3.1 Cường độ pic tín hiệu dòng quét CV với tốc độ quét (v) thay đổi dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 mM KNO3 1M 49 Bảng 3.2 Giá trị diện tích bề mặt điện hoạt điện cực GCE 50 Bảng 3.3 Kết đo EDX hệ điện cực SPE/rGO; SPE/rGO/PDA SPE/rGO/PDA-CuNPs 51 ix phương pháp SWV để đánh giá hiệu điện cực ứng với số vòng quét tổng hợp PDA khác (Hình 3.12) 10 vịng vịng vịng GCE/rGO/PDA PB Ι(µΑ) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 E(V) Hình 3.12 Tín hiệu SWV điện cực GCE/rGO/PDA với SMX 40 µM +PB đệm PB có số vịng tổng hợp màng PDA 3; 6; vòng Nhận thấy tổng hợp polyme vịng tín hiệu điện hóa cao mà đảm bảo tính dẫn điện độ ổn định điện cực GCE/rGO/PDA Với số vòng quét lớn hơn, chiều dày lớp PDA lớn làm giảm tính dẫn điện lớp màng vật liệu Do vậy, điện phân PDA vòng sử dụng thí nghiệm 3.3.3 Kết tổng hợp CuNPs điện cực GCE/rGO/PDA Kết tổng hợp CuNPs điện cực GCE/rGO/PDA thể Hình 3.13 1500 1000 Ι(µΑ) 500 vịng vịng vịng vịng vòng -500 -1000 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 E(V) Hình 3.13 Các đường CV trình tổng hợp CuNPs lên điện cực GCE/rGO/PDA dung dịch CuSO4 3mM + H3BO3 0,1M khoảng -1,2 V đến + 1,0 V; vòng quét, tốc độ qt 30mV/s Đường qt vịng tuần hồn CV cho thấy trình tổng hợp CuNPs lên bề mặt điện cực GCE/rGO/PDA có xuất cặp peak oxi hóa khử vị trí 45 +0,5V/-0,4V đồng bề mặt điện cực Vai trò lớp rGO, PDA hạt CuNPs khẳng định thông qua việc so sánh hiệu nhận biết SMX điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs với điện cực tham chiếu khác (Hình 3.14) Hình 3.14 Tín hiệu dịng điện theo phương pháp xung sóng vng (SWV) điện cực (a) GCE/rGO/PDA-CuNPs, (b) GCE/CuNPs (c) điện cực trần GCE với SMX 40µM, (d) đệm PB 0,2 M Tín hiệu dịng điện xác định SMX điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs, cao gấp lần so với điện cực trần GCE gấp lần tín hiệu điện cực GCE/CuNPs Sự dịch chuyển đỉnh pic cho thấy có thay đổi bề mặt điện cực, thấy đặc tính dẫn điện tốt CuNPs Bên cạnh tín hiệu điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs tốt cho thấy cải thiện tốt khả dẫn điện tương tác tốt với lớp PDA biến tính bề mặt điện cực, mang đến hội phát triển hệ vật liệu Các điều kiện tổng hợp hạt nano đồng (CuNPs) số vòng quét tốc độ quét CV tổng hợp, từ tìm điều kiện phù hợp cho q trình tổng hợp vật liệu rGO/PDA-CuNPs phục vụ cho mục đích biến tính bề mặt điện cực Như vậy, qua khảo sát q trình biến tính bề mặt điện cực GCE hệ vật liệu gồm rGO/PDA-CuNPs ta thu điều kiện tổng hợp vật liệu sau: - Đối với rGO: Khoảng từ -0,7 đến 0,5 V; tốc độ quét 50mV/s, vòng - Đối với PDA: Khoảng từ -0,9 V đến + 0,9 V, tốc độ quét 50mV/s, vòng - Đối với hạt nano Cu (CuNPs): khoảng -1,2 V đến +1,0 V; tốc độ quét 30mV/s; vòng quét 46 Các điều kiện tổng hợp áp dụng cho phần sau để thực cho việc biến tính bề mặt điện cực SPE 3.3.4 Đặc trưng điện hóa điện cực GCE biến tính hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs a Khảo sát độ ổn đinh khả dẫn điện hệ vật liệu điện cực GCE Tín hiệu CV thu có hình dáng đặc trưng tùy theo chất điện cực làm việc mà cường độ khoảng cách hai đỉnh pic oxi hóa pic khử có khác biệt Hình 3.15 cho thấy phủ vật liệu biến tính có tính điện hoạt cao cường độ dịng đáp ứng lớn Điện cực GCE/rGO cho tín hiệu cường độ dịng lớn Khi biến tính tiếp vật liệu PDA thu điện cực GCE/rGO/PDA, cường độ tín hiệu giảm Sự xuất hạt nano đồng làm cho cường độ tín hiệu điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs cải thiện rõ rệt Tính chất oxi hóa khử cặp chất oxi hóa khử thuận nghịch đảm bảo nhờ có mặt hạt nano kim loại đồng 100 Ι(µΑ) 50 GCE/rGO/PDA/CuNPs GCE/rGO/CuNPs GCE/PDA/CuNPs GCE/rGO/PDA GCE/CuNPs GCE/rGO GCE/PDA GCE -50 -100 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 E(V) Hình 3.15 CV dung dịch chứa K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5mM, KNO3 1M từ -0.15V đến 0.65V, với tốc độ 50mV/s với điện cực GCE, GCE/rGO, GCE/PDA, GCE/CuNPs, GCE/rGO/PDA, GCE/PDA-CuNPs, GCE/PDA/CuNPs, GCE/rGO/PDA-CuNPs Cũng theo Hình 3.15 ta thấy việc tổng hợp hạt nano đồng trực tiếp lên bề mặt điện cực GCE hay lên bề mặt điện cực GCE/rGO cho kết giảm cường độ tín hiệu rõ rệt hai điện cực GCE GCE/rGO điều giải thích hạt nano đồng khơng tổng hợp trực tiếp lên bề mặt glassy carbon lên bề mặt graphen oxit khử bề mặt khơng có nhiều nhóm chức để tương tác với hạt nano đồng, cần lớp vật liệu bề 47 mặt làm hạt nano đồng dễ dàng tổng hợp lên, việc tổng hợp hạt nano đồng bề mặt PDA cho thấy khả bám dính hình thành bề mặt PDA, bên cạnh đảm bảo tính ổn định bền vững điện cực Như điện cực biến tính thu GCE/rGO/PDA-CuNPs có tính chất điện hoạt cao để ứng dụng phân tích b Diện tích bề mặt điện hoạt Bằng phương pháp biến tính điện cực GCE, diện tích bề mặt điện hoạt hệ vật liệu dùng làm cảm biến tăng lên Để ước tính diện tích bề mặt điện hoạt điện cực, tiến hành quét CV dung dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 mM KNO3 1M từ -0,15 V đến +0,65 V với tốc độ quét khác từ 10 đến 120mV/s thị Hình 3.16 Theo phương trình Randles-Sevcik, cường độ pic tín hiệu dịng tỷ lệ bậc tốc độ quét [27] Ipa = (2,69.105) n3/2 A D1/2 C.v1/2 (3.1) Trong Ipa cường độ dịng vị trí pic; n số điện tích trao đổi phản ứng oxi hóa khử (n=1); v tốc độ quét vịng (V/s); A diện tích bề mặt hiệu dụng (cm2); C nồng độ mol K4[Fe(CN)6] pha dung dịch ( D = 6,5.10-6 cm2/s) Khảo sát tốc độ quét khác điện cực GCE/rGO/PDA/CuNPs kỹ thuật CV dung dịch dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 mM pha KNO3 1M, kết thu Hình 3.16 100 Ι(µΑ) 50 10mV/s 25mV/s 50mV/s 75mV/s 100mV/s 120mV/s -50 -100 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 E(V) Hình 3.16 Đường phân cực CV điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs dung dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5Mm pha KNO3 1M tốc độ quét (10-120mV/s) 48 Bảng 3.1 Cường độ pic tín hiệu dịng qt CV với tốc độ quét (v) thay đổi dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 mM KNO3 1M v (mV/s) 10 25 50 75 100 120 v1/2 (V1/2/s1/2) 0.1 0.158 0.224 0.274 0.316 0.346 Ipa(A) 0.0000422 0.0000598 0.0000783 0.0000848 0.0000941 0.0000999 Ipc(A) -0.0000458 -0.0000677 -0.00008594 -0.0000967 -0.000109 -0.000115 -0.00004 0.00010 Ipa= (2,293.10-4)v1/2+ 2,232.10-5 Pic= (-2,761.10-4)v1/2- 2,145 -0.00005 R2= 0,9895 R =0,9812 -0.00006 0.00009 -0.00007 I(A) I(A) 0.00008 0.00007 0.00006 -0.00008 -0.00009 -0.00010 -0.00011 0.00005 -0.00012 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.1 v1/2(V/s) 0.2 0.3 v1/2(V/s) Hình 3.17 Đường hồi quy phụ thuộc cường độ pic anot Ipa pic catot vào tốc độ quét v1/2 Đường tuyến tính I - v1/2 Hình 3.17 mơ tả mối quan hệ tuyến tính giũa đường cường độ dịng pic anot (Ipa), pic catot (Ipc) bậc hai tốc độ quét Tính diện tích bề mặt điện hoạt điện cực làm việc thơng qua hệ số góc đường tuyến tính I - v1/2 qua cơng thức: A = k/((2,69.105).n3/2.D1/2.C) Trong k = 2,293×10-4 ; n số điện tử trao đổi phản ứng OXH-K n = 1; nồng độ mol/cm3 K3[Fe(CN)6] (C = × 10-6 mol/cm3); D hệ số khuếch tán chất K3[Fe(CN)6], dung dịch D = 7,6×10-6 cm2/s Thay số vào phương trình ta kết quả: A = (2,761×10-4)/((2,69×105) ×13/2× (7,6×10-6)1/2×5) A = 7,45 mm2 Diện tích bề mặt điện hoạt điện cực biến tính GCE/rGO/PDA-CuNPs tính 7,45 mm2 cao so với điện cực GCE chưa biến tính 7,06 Số liệu khẳng định điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs phương tiện để chuyển điện tử điện cực làm việc (Fe(CN)6-3)4- tốt Kết cho tác 49 động tổng hợp rGO tính chất CuNPs, diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, cạnh lớn, thành phần hoạt động xúc tác So sánh diện tích bề mặt điện hoạt điện cực biến đổi với vật liệu khác cho thấy diện tích bề mặt điện hoạt GCE/rGO/PDA-CuNPs thể cao so với điện cực GCE, GCE/PDA, GCE/rGO/PDA, GCE/CuNPs, GCE/PDA/CuNPs Tương tự ta tính diện tích bề mặt điện hoạt điện cực biến tính khác Kết trình bày bảng Bảng 3.2 Bảng 3.2 Giá trị diện tích bề mặt điện hoạt điện cực GCE Điện cực Diện tích bề mặt điện hoạt (mm2) GCE 7,06 GCE/rGO 9,69 GCE/CuNPs 5,61 GCE/rGO/PDA 5,44 GCE/rGO/CuNPs 8,48 GCE/rGO/PDA-CuNPs 7,45 So sánh diện tích bề mặt điện hoạt điện cực biến đổi với vật liệu khác cho thấy có mặt PDA làm giảm tính dẫn điện hệ vật liệu có mặt rGO làm tăng hiệu vật liệu Các nghiên cứu sở điện cực GCE sở để thực biến tính xác định thơng số đặc trưng hệ điện cực SPE 3.4 Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs Với điều kiện tìm hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs, thực q trình biến tính điện cực SPE với ý tạo điện cực giả so sánh bạc sulphat cách đưa vào hệ dung dịch Na2SO4 để tạo môi trường chất điện ly anion SO42- cho điện cực Kết cho thấy thay đổi không ảnh hưởng nhiều đến biến tính điện cực SPE hệ vật liệu chọn, sở kết từ nghiên cứu hệ điện cực GCE Một số yếu tố khảo sát để kiểm tra lại điều kiện phù hợp cho q trình biến tính, cho thấy hệ điện cực đạt hiệu tốt điều kiện tổng hợp sơ đồ Hình 2.3 Đồng thời, hệ điện cực SPE, SPE/rGO, SPE/CuNPs, SPE/rGO/PDA SPE/PDA-CuNPs chế tạo để so sánh để làm rõ vai trò thành phần hệ vật liệu 50 Khi khảo sát đặc trưng điện hóa vật liệu xác định diện tích bề mặt điện hoạt theo phương trình Randles-Sevcik (Phương trình 3.1) Trong đó, điều kiện thơng sơ phù hợp để tính tốn phương trình với điều kiện thực điện cực SPE: - Ipa cường độ dòng vị trí pic; - n số điện tích trao đổi phản ứng oxi hóa khử (n = 1); - v tốc độ quét vòng (V/s); - A diện tích bề mặt hiệu dụng (cm2); - C nồng độ mol K4[Fe(CN)6] pha dung dịch (D = 6,5.10-6 cm2/s) Kết thí nghiệm tính tốn cho thấy bề mặt điện hoạt điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs; SPE/CuNPs; SPE/rGO/CuNPs SPE/PDA-CuNPs có giá trị 19,1 mm2; 18,8 mm2; 16,1 mm2; 11,8 mm2 so với diện tích hình học điện cực SPE 12,5 mm2 Như vậy, có mặt PDA làm giảm tính dẫn điện hệ vật liệu có mặt rGO làm tăng hiệu vật liệu Ngồi ra, diện tích bề mặt vật liệu SPE có giá trị lớn so với điện cực GCE Điều giải thích bề mặt điện cực SPE chế tạo kỹ thuật in lưới nên có độ xốp lớn so với điện cực GCE (có độ ép nén cao) Sự có mặt CuNPs hệ vật liệu khẳng định thông qua kết EDX (Bảng 3.3), ảnh SEM phổ EDX vật liệu hệ điện cực SPE (Hình 3.18) Bảng 3.3 Kết đo EDX hệ điện cực SPE/rGO; SPE/rGO/PDA SPE/rGO/PDA-CuNPs Hệ điện cực SPE/rGO Nguyên tố C SPE/rGO/PDA Khối Nguyên Khối lượng, % tử, % lượng, % 84,34 90,22 84,06 SPE/rGO/PDACuNPs Nguyên Khối Nguyên tử, % lượng, % tử, % 89,82 45,11 59,52 O 9,32 7,48 10,01 8,03 33,83 33,51 Cu N/A N/A N/A N/A 12,37 3,88 Cl 6,34 2,03 5,39 2,15 8,69 3,08 51 Hình 3.18 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) hệ điện cực SPE/rGO/PDACuNPs Từ Bảng 3.3 Hình 3.18 ta thấy, điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs, hàm lượng Cu chiếm 3.88 % (nguyên tử), đồng nghĩa với việc khẳng định có mặt Cu bề mặt điện cực Tuy nhiên, với hai hệ điện cực SPE/rGO/PDA SPE/rGO/PDA-CuNPs, ta không thấy xuất nguyên tố N, màng polydopamin hai điện cực mỏng, tỉ lệ N hệ vật liệu nhỏ, không xuất thành phần nguyên tố hệ Hình 3.19 Ảnh SEM bề mặt điện cực (A) SPE/rGO/PDA-CuNPs; (B) SPE/rGO/PDA; (C)SPE/rGO; (D) SPE Ảnh SEM (Hình 3.19) hệ điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs, SPE/rGO/PDA, SPE/rGO; SPE cho thấy hạt nano đồng CuNPs (các cụm màu sáng), kích thước 400 - 600 nm bám bề mặt lớp rGO (Hình 3.19 A), có mặt lớp PDA gần khơng quan sát lớp q mỏng (Hình 3.19.B so với Hình 3.19.C khơng khác biệt nhiều) Lớp rGO mỏng dẫn điện tốt phủ lên bề mặt vật liệu cacbon điện cực SPE Hình 3.20 biểu diễn phổ hồng ngoại hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs hệ vật liệu đối chiếu rGO/CuNPs, rGO/PDA GO 52 140 Transmittance (%) 120 rGO/PDA-CuNPs rGO/CuNPs rGO/PDA GO 1643 943 100 80 60 3410 3185 1623 1396 1051 603 40 4000 3000 2000 1000 Waveleng (cm-1) Hình 3.20 Phổ hồng ngoại FTIR hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs, rGO/CuNPs, rGO/PDA GO Quan sát phổ FTIR GO cho thấy có tồn nhóm cacbonyl – C = O 1623 cm-1 [28] Pic 1396 cm-1 đặc trưng cho tồn liên kết C–O Pic 1051 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-O-C [29] Ngoài pic 3410 cm-1 đặc trưng cho có mặt nhóm -OH [29] Quá trình tổng hợp PDA thành cơng thể pic đặc trưng liên kết - NH 1643 cm-1 [28] Trong đó, pic vị trí 603 cm-1, gán cho liên kết Cu-O [30], tương tác CuNPs với nhóm OH polydopamin với nhóm – COOH cịn rGO Điều cho thấy vai trị PDA q trình điện phân kết tủa CuNPs lên bề mặt điện cực Khi nghiên cứu tính thấm ướt hệ vật liệu phủ lớp khác lên bề mặt điện cực, ta thấy rõ thay đổi gây hệ vật liệu này, Hình 3.21 Hình 3.21 Góc tiếp xúc θ (góc thấm ướt) bề mặt điện cực (a)SPE trần, (b) SPE/rGO, (c) SPE/rGO/PDA, (d) SPE/rGO/PDA-CuNPs Hình 3.21 cho thấy góc thấm ướt giảm dần từ 116,8 đến 72,0; 36,5 14,2 tương ứng với điện cực SPE trần, điện cực phủ lớp rGO, PDA CuNPs Điều tổng hợp lợp vật liệu lên thay đổi bề mặt vật liệu, nhóm chức vật liệu khác làm tăng khả tương tác nước 53 với vật liệu Như vậy, vật liệu rGO chứa nhóm chức chứa oxi chưa bị khử hết PDA chứa nhóm chức OH NH2 có khả tương tác với nước, khiến góc thấm ướt giảm, đồng nghĩa với tính thấm ướt bề mặt điện cực tăng Lớp CuNPs có tính thấm ướt nước tốt tương tác kim loại nước tốt 3.5 Ứng dụng hệ chip vi dịng tích hợp điện cực mạch in biến tính nhận biết kháng sinh sulfamethoxazole Thực nghiệm xác định sulfamethoxazole (SMX) có dung dịch đệm PB hệ vi dịng tích hợp điện cực mạch in biến tính biểu diễn sơ đồ thí nghiệm Hình 3.7 Trên điện cực SPE biến tính với vật liệu rGO/PDA-CuNPs, để xác định hàm lượng/dư lượng kháng sinh SMX thực sở thông số thực nghiệm sau: - Đường chuẩn với nồng độ SMX từ - 200 µM - Mẫu thử nghiệm: mẫu thuốc kháng sinh thương mại Năm Thái (T.T.S), có thành phần (trong 100 mL): Sulfamethoxazole (20,0 g); trimethoprim (4,0 g) - Phương pháp xung sóng vng (SWV) - Khoảng qt từ 0,2 - V, tốc độ quét 50 mV/s - Hệ vi dịng tích hợp điện cực SPE biến tính - Tốc độ bơm mẫu 100 µL/phút Kết cho thấy tín hiệu điện hóa theo phương pháp SWV tăng dần theo tăng nồng độ dung dịch SMX chuẩn, Hình 3.22 Hình 3.22 (A) Tín hiệu SWV sử dụng hệ vi dịng tích hợp điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs với nồng độ SMX khác (B) đường chuẩn cường độ dòng điện theo nồng độ SMX (4 µM - 200 µM), tín hiệu mẫu SMX thuốc 54 Kết Hình 3.22 cho thấy tín hiệu đáp ứng tuyến tính khoảng nồng độ từ - 200 µM Trên sở Hình 3.22 A, cho phép xây dựng đường chuẩn nồng độ (C) - cường độ dòng điện (I) Từ xác định giới hạn phát (LOD) SMX 1,5 µM Ngồi ra, thử nghiệm ban đầu với mẫu thuốc chứa SMX thực tế (thuốc kháng sinh đường tiêm T.T.S Năm Thái, công ty thú y Năm Thái) lựa chọn mẫu hai giá trị nồng độ SMX 20 50 µM Thuốc hồ tan đệm PB, sau bơm vào hệ vi dịng tích hợp cảm biến điện hố với lưu lượng 10 µL/phút Kết hình Hình 3.23 cho thấy xuất pick giá trị điện E = 0,66 V, I = 11,14 µA tương tự xây dựng đường chuẩn (Hình 3.22) Kết đo hàm lượng SMX mẫu thuốc thương mại (T.T.S) với hệ số hồi phục 98,5 % Hình 3.23 Tín hiệu SWV sử dụng hệ vi dịng tích hợp điện cực SPE/rGO/PDACuNPs với nồng độ SMX mẫu thực T.T.S Năm Thái với hàm lượng giả định 20 50 µM Sau lần đo, hệ bơm dung dịch đệm PB vào rửa quét điện cực phương pháp SWV để loại bỏ SMX dư sau phân tích 55 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận - Đã thiết kế chế tạo thành cơng hệ vi dịng hồn chỉnh từ PDMS hệ vi lưu tích hợp hệ điện cực SPE - Đã tích hợp hệ vi dịng điện cực SPE biến tính hệ vật liệu rGO-PDACuNPs - Đã đặc trưng điện hố vật liệu biến tính điện cực, cho thấy sử dụng vật liệu điện cực GCE SPE làm tăng tín hiệu đo - Đã xây dựng đường chuẩn cho thấy thay đổi tuyến tính cường độ dịng đỉnh theo nồng độ cho thấy khoảng tuyến tính cho xác định SMX từ đến 200 μM - Bước đầu thử nghiệm hệ vi dịng tích hợp điện cực SPE biến tính với giới hạn phát (LOD) 1,5 μM với hệ số hồi phục đạt 98,5% - Kết phân tích hàm lượng thuốc kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX) thương mại (T.T S) khả quan 4.2 Hướng phát triển - Các kết ban đầu cho thấy tiềm để thực tiếp nghiên cứu để hồn thiện hệ vi dịng phép đo mẫu thực - Phát triển hệ vi dòng tích hợp thêm nhiều hệ điện cực đồng thời 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S O Catarino, R O Rodrigues, D Pinho, J M Miranda, G Minas, and R Lima, "Blood Cells Separation and Sorting Techniques of Passive Microfluidic Devices: From Fabrication to Applications," Micromachines, vol 10, no 9, p 593, 2019 [Online] Available: https://www.mdpi.com/2072-666X/10/9/593 [2] F A Vicente, I Plazl, S Ventura, and P Žnidaršič-Plazl, "Separation and purification of biomacromolecules based on microfluidics," Green Chemistry, vol 22, pp 4391-4410, 03/19 2020, doi: 10.1039/C9GC04362D [3] J B Edel, R Fortt, J C deMello, and A J deMello, "Microfluidic routes to the controlled production of nanoparticles," Chemical Communications, 10.1039/B202998G no 10, pp 1136-1137, 2002, doi: 10.1039/B202998G [4] A Manz, N Graber, and H M Widmer, "Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing," Sensors and Actuators B: Chemical, vol 1, no 1, pp 244-248, 1990/01/01/ 1990, doi: https://doi.org/10.1016/0925-4005(90)80209-I [5] P Pattanayak et al., "Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives," Microfluidics and Nanofluidics, vol 25, no 12, p 99, 2021/10/26 2021, doi: 10.1007/s10404021-02502-2 [6] K Ren, J Zhou, and H Wu, "Materials for Microfluidic Chip Fabrication," Accounts of Chemical Research, vol 46, no 11, pp 2396-2406, 2013/11/19 2013, doi: 10.1021/ar300314s [7] C.-H Wang et al., "Circulating polymerase chain reaction chips utilizing multiple-membrane activation," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 17, no 2, pp 367-375, 2007/01/19 2007, doi: 10.1088/0960-1317/17/2/024 [8] H Lee, Y Liu, R M Westervelt, and D Ham, "IC/Microfluidic Hybrid System for Magnetic Manipulation of Biological Cells," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol 41, no 6, pp 1471-1480, 2006, doi: 10.1109/jssc.2006.874331 [9] S Gómez-de Pedro, M Berenguel-Alonso, P Couceiro, J AlonsoChamarro, and M Puyol, "Automatic microfluidic system to perform multistep magneto-biochemical assays," Sensors and Actuators B: Chemical, vol 245, pp 477-483, 2017/06/01/ 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.01.158 [10] K L Berkowski, K N Plunkett, Q Yu, and J S Moore, "Introduction to Photolithography: Preparation of Microscale Polymer Silhouettes," Journal of Chemical Education, vol 82, no 9, p 1365, 2005/09/01 2005, doi: 10.1021/ed082p1365 57 [11] S Chen et al., "Microfluidic Device Directly Fabricated on Screen-Printed Electrodes for Ultrasensitive Electrochemical Sensing of PSA," Nanoscale Research Letters, vol 14, no 1, p 71, 2019/02/28 2019, doi: 10.1186/s11671-019-2857-6 [12] E C Rama and A Costa-García, "Screen-printed Electrochemical Immunosensors for the Detection of Cancer and Cardiovascular Biomarkers," Electroanalysis, vol 28, no 8, pp 1700-1715, 2016, doi: https://doi.org/10.1002/elan.201600126 [13] H Kim et al., "Single-neuronal cell culture and monitoring platform using a fully transparent microfluidic DEP device," Scientific Reports, vol 8, no 1, p 13194, 2018/09/04 2018, doi: 10.1038/s41598-018-31576-2 [14] N J Ronkainen, H B Halsall, and W R Heineman, "Electrochemical biosensors," Chemical Society Reviews, 10.1039/B714449K vol 39, no 5, pp 1747-1763, 2010, doi: 10.1039/B714449K [15] A Sanati et al., "A review on recent advancements in electrochemical biosensing using carbonaceous nanomaterials," Microchimica Acta, vol 186, no 12, p 773, 2019/11/13 2019, doi: 10.1007/s00604-019-3854-2 [16] S Patel, M Patel, and N Patel, "Flowability testing of directly compressible excipients according to british pharmacopoeia," Journal of Pharmaceutical Research, vol 8, no 2, pp 66-69, 2009 [17] Y Ni, Z Qi, and S Kokot, "Simultaneous ultraviolet–spectrophotometric determination of sulfonamides by multivariate calibration approaches," Chemometrics and intelligent laboratory systems, vol 82, no 1-2, pp 241247, 2006 [18] H Enomoto et al., "Egg residue and depletion in Rhode Island Red hens (Gallus gallus domesticus) following multiple oral doses of trimethoprimsulfamethoxazole," Regulatory Toxicology and Pharmacology, vol 123, p 104941, 2021/07/01/ 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2021.104941 [19] V Goetting, K Lee, and L A Tell, "Pharmacokinetics of veterinary drugs in laying hens and residues in eggs: a review of the literature," Journal of veterinary pharmacology and therapeutics, vol 34, no 6, pp 521-556, 2011 [20] A Ait Lahcen, S Ait Errayess, and A Amine, "Voltammetric determination of sulfonamides using paste electrodes based on various carbon nanomaterials," Microchimica Acta, vol 183, no 7, pp 2169-2176, 2016 [21] C D Souza, O C Braga, I C Vieira, and A Spinelli, "Electroanalytical determination of sulfadiazine and sulfamethoxazole in pharmaceuticals using a boron-doped diamond electrode," Sensors and Actuators B: Chemical, vol 135, no 1, pp 66-73, 2008/12/10/ 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.07.020 [22] A Preechaworapun, S Chuanuwatanakul, Y Einaga, K Grudpan, S Motomizu, and O Chailapakul, "Electroanalysis of sulfonamides by flow 58 injection system/high-performance liquid chromatography coupled with amperometric detection using boron-doped diamond electrode," Talanta, vol 68, no 5, pp 1726-1731, 2006 [23] L Fotouhi, A B Hashkavayi, and M M Heravi, "Electrochemical behaviour and voltammetric determination of sulphadiazine using a multiwalled carbon nanotube composite film-glassy carbon electrode," Journal of Experimental Nanoscience, vol 8, no 7-8, pp 947-956, 2013/10/01 2013, doi: 10.1080/17458080.2011.624554 [24] B.-s He and W.-b Chen, "Voltammetric determination of sulfonamides with a modified glassy carbon electrode using carboxyl multiwalled carbon nanotubes," Journal of the Brazilian Chemical Society, vol 27, pp 22162225, 2016 [25] L F Sgobbi, C A Razzino, and S A S Machado, "A disposable electrochemical sensor for simultaneous detection of sulfamethoxazole and trimethoprim antibiotics in urine based on multiwalled nanotubes decorated with Prussian blue nanocubes modified screen-printed electrode," Electrochimica Acta, vol 191, pp 1010-1017, 2016/02/10/ 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.11.151 [26] W S Hummers and R E Offeman, "Preparation of Graphitic Oxide," Journal of the American Chemical Society, vol 80, no 6, pp 1339-1339, 1958/03/01 1958, doi: 10.1021/ja01539a017 [27] A J Bard, L R Faulkner, R Rosset, J L Brisset, and D Bauer, Electrochimie: principes, méthodes et applications Masson, 1983 [28] N Sreeju, A Rufus, and D Philip, "Microwave-assisted rapid synthesis of copper nanoparticles with exceptional stability and their multifaceted applications," Journal of Molecular Liquids, vol 221, pp 1008-1021, 2016 [29] A M Dimiev, L B Alemany, and J M Tour, "Graphene Oxide Origin of Acidity, Its Instability in Water, and a New Dynamic Structural Model," ACS Nano, vol 7, no 1, pp 576-588, 2013/01/22 2013, doi: 10.1021/nn3047378 [30] J Wang, S Zhou, J Huang, G Zhao, and Y Liu, "Interfacial modification of basalt fiber filling composites with graphene oxide and polydopamine for enhanced mechanical and tribological properties," RSC advances, vol 8, no 22, pp 12222-12231, 2018 59 ... LUẬN VĂN Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dịng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng phân tích dư lượng kháng sinh Giáo vi? ?n hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên i Lời cảm ơn Với tất trân trọng cảm kích,... tính hợp (buồng vi phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa, …) kiểm tra nhanh xu nhiều nhà khoa học quan tâm Đây lý em chọn đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa. .. nhiên, hệ máy phân tích điện hoá sử dụng hệ điện cực phức tạp khơng phù hợp cho vi? ??c tích hợp phân tích hệ vi dịng Hình 1.18 Hệ phân tích điện hoá đa AutoLab (PGSTAT302N) Hà Lan Để tích hợp hệ điện