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 HÀ NỘI, 10/2022 Chữ ký GVHD 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 .3 1.1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng kỹ thuật hệ vi dòng .3 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 .7 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 dòng 15 1.4 Giới thiệu hệ vi dòng 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 Hoàn thiện chip vi dòng 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/PDA- CuNPs 47 3.4 Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE hệ vật liệu rGO/PDA- CuNPs 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 Compound Annual Growth Rate Tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm Phương pháp cắt điều Computer numerical control khiển phần mềm máy tính Cyclic Votammetry Qt vịng Deoxyribonucleic acid Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia spectroscopy X Enzyme-linked Immunosorbent Phép phân tích xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết assay với enzym Fourier-transform infrared Phổ hồng ngoại spectroscopy Glassy Carbon Graphene oxide High-performance chromatography Lab-on-a-Chip Thủy tinh cacbon Graphen oxit liquid Phổ sắc ký lỏng hiệu cao Phịng thí nghiệm chip Electronic Hệ vi điện tử MEMS/NEMS Micro/Nano Mechanic Systems MS Mass spectrometry NMR Nuclear magnetic resonance PABA Para amino benzoic acid PDA Polydipamin PDMS Poly(dymethyl siloxane) PDV Differential Pulse Voltammetry rGO Reduced graphene Oxide SEM Scanning Electron Microscope SMX Sulfamethoxazole SPE Screen printed electrode Su-8 SWV UV µTAS Phổ khối lượng Phổ cộng hưởng từ hạt nhân Quét xung vi phân Graphen oxit dạng khử Kính hiển vi điện tử quét Điện cực cacbon dạng mạch in Epoxy based negative Chất cảm quang âm họ photoresist epoxy Square Wave Voltammetry Qt song vng Ultra violet Tia cực tím Tổng số vi phân tích hệ Micro Total Analysis System thống viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các ưu điểm bật hệ vi dòng [3] .6 Bảng 1.2 Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi dịng 12 Bảng 3.1 Cường độ pic tín hiệu dịng 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