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

TỔNG QUAN

Khái quát về hệ chíp vi dòng

Vi dòng (microfluic) là việc xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micro, nano hoặc thậm chí pico lít Chất lưu có thể là chất lỏng hoặc khí trong tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc.

Trong thời gian gần đây công nghệ vi dòng (Microfluidic) là một lĩnh vực nghiên cứu phát triển rất mạnh và đang từng bước trở thành một công nghệ mũi nhọn với các ứng dụng đa dạng trong công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách ADN, phân tích hóa sinh v.v So với các phương pháp truyền thống đối với các quá trình tổng hợp hóa học, thiết bị vi dòng cho phép rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và đồng đều với các tính chất đặc biệt Ngoài ra hệ thiết bị này có độ an toàn cao khi vận hành, tiêu tốn rất ít hóa chất, có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, khả năng cải thiện đáng kể các quá trình truyền nhiệt, truyền khối cũng như hiệu suất của phản ứng Mặt khác, do thiết bị vi dòng có thể kết nối dễ dàng vào các thiết bị quang phổ, sắc ký và các thiết bị phân tích khác nên dựa trên công nghệ này, có thể phát triển các giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh từ việc kiểm soát phản ứng cho đến phân tích sản phẩm đầu ra Trong các ứng dụng y sinh, thiết bị vi dòng có thể được phát triển thành các công cụ chẩn đoán và phân tích tại chỗ (point-of-care) nhỏ gọn, dễ sử dụng, có độ nhạy, độ đặc hiệu cao và đặc biệt có giá thành thấp phù hợp với điều kiện kinh tế của những nước đang phát triển, góp phần rút ngắn thời gian chẩn đoán, phòng ngừa và điều trị các bệnh dịch nguy hiểm.

1.1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng về kỹ thuật của hệ vi dòng

Giai đoạn cuối những năm 1970s: Các hệ vi dòng được biết đến đó là hệ phân tích sắc ký khí (Gas chromatographer - GC).

Những năm 1980s: Các nghiên cứu đầu tiên về các hệ modul chức năng cho hệ vi dòng (như: hệ van, hệ bơm vi dòng, hệ in 3D,…)

Những năm 1990s: Các hệ vật việu cho chế tạo thiết bị vi dòng phát triển mạnh, và khái niệm về μTAS (Manz, Graber, Widmer, Sens.Actuator, 1991).Giai đoạn những năm 2000s: Phát triển mạnh mẽ của các loại hệ vi dòng trên các nền tảng khác nhau Đặc biệt các hệ vi dòng với các modun được tích hợp khác nhau được phát triển mạnh mẽ: micromixers, microreactors, separation systems,

Các kết quả nghiên cứu này đã tạo ra cuộc cách mạng lớn trong việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng hệ vi dòng (Lab on a Chip).

Giai đoạn từ năm 2010 đến nay: Công nghệ vi chế tạo phát triển mạnh mẽ giúp cho việc chế tạo và đẩy mạnh ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh.

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng của hệ vi dòng, [1]

Trong các nghiên cứu, hệ vi dòng được phát triển mạnh từ những năm 2000 trở lại đây Số bài báo được đăng tải trên hệ thống ISI trong năm gần đây về lĩnh vực ứng dụng microfluidic trong nghiên cứu sinh học ngày càng tăng được biểu thị theo Hình 1.2.

Hình 1.2 Số lượng bài báo được xuất bản mỗi năm về việc phát triển và sử dụng các thiết bị vi dòng cho nhiều ứng dụng khác nhau, dữ liệu trích từ Web of

Thị trường phát triển cho ứng dụng hệ vi dòng trong thực tế có sự tăng trưởng tốt Số lượng công trình nghiên cứu hàng năm, theo báo cáo thị trường của Yole Developpenment thì hệ vi dòng tăng liên tục bình quân khoảng 18-20% từ năm 2013 đến năm 2020, Hình 1.3

Hình 1.3 Tăng trưởng thị trường thiết bị sử dụng hệ vi dòng trong các lĩnh vực khác nhau, (dữ liệu của Hãng phân tích thị trường

Theo dự đoán của các chuyên gia nghiên cứu về thị trường thì giá trị từ nay đến năm 2030 thì mức độ tăng trưởng của hệ vi dòng và đặc biệt các ứng dụng của hệ vị dòng trong thực tế sẽ tăng đáng kể, Hình 1.4.

Hình 1.4 Quy mô thị trường toàn cầu về lĩnh vực Lab on chip ước tính đạt 5,75 tỷ USD vào năm 2021 và dự kiến đạt khoảng 15 tỷ USD vào năm 2030, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 11,24% trong giai đoạn dự báo 2022 đến 2030 Theo báo cáo phân tích thị trường của hãng Precedence Research.

1.1.2 Ưu điểm của hệ vi dòng

Một vài tính chất nổi bật mà các thiết bị vi dòng mang lại như: tiêu tốn ít hóa chất, thích hợp cho các mục đích phân tích do thời gian phân tích ngắn, kết quả tin cậy, giảm các chi phí về hóa chất, có thể thu nhỏ kích thước, độ nhạy cao, dễ dàng di chuyển và có khả năng tương thích sinh học (Bảng 1.1).

Bảng 1.1 Các ưu điểm nổi bật của hệ vi dòng [3] Ưu điểm Mô tả

Sử dụng lượng mẫu và Các hệ vi dòng thông thường chỉ cần sử dụng lượng mẫu tác nhân ít rất nhỏ, nhỏ hơn hàng trăm đến hàng nghìn lần so với các phép phân tích thông thường.

Phân tách dòng hạt từ Với mật độ điện trường tập trung cao làm cho các hạt từ dễ dàng dễ dàng định hướng ngay lập tức trong kênh

Chất lỏng chảy dòng Chỉ số Reynolds nhỏ làm giảm sự phân tán các chất trong kênh Điều khiển được các Các dòng điện cho phép bơm chất lỏng với vận tốc ổn hiện tượng điện động định ngay và tương ứng với điện trường áp vào hệ.

Tiêu tốn ít năng lượng Lượng chất bơm vào ít, phân tán nhiệt tốt, cho phép sử dụng ít năng lượng cấp cho hệ.

Cho phép tiến hành Các quá trình phân tích có thể đồng thời chạy cùng một đồng thời nhiều quá lúc trong một hệ thống giống như vận hành của một chip trình đa năng.

Có tính di động Hệ thống được tích hợp, tiêu thụ năng lượng rất thấp, cho cao phép tiến hành các phân tích nhanh và gọn Điều này cho phép hệ thống dễ dàng di động như thiết bị cầm tay.

1.1.3 Khái niệm thí nghiệm trong một con chíp (LoC)

Thuật ngữ “Phòng thí nghiệm trong một con chip - Lab-on-a-chip” hay còn gọi là hệ thống vi phân tích tổng (Micro Tổng số phân tích hệ thống, hoặc microTAS) đề cập đến việc tiến hành phân tích mẫu sinh học và hóa học liên quan đến các lĩnh vực như: phản ứng sinh học và hóa học, tách, phát hiện, v.v Các modul chức năng này cơ bản tích hợp trên một chip của một vài cm 2 , để thực hiện toàn bộ quá trình phân tích mẫu nào đó Trên cơ sở các hệ vi cơ điện tử (MEMS), kết hợp với kỹ thuật tổng hợp vật liệu, và các quá trình phân tích y - sinh, thì quá trình phân tích hóa học, sinh học và y sinh cơ thể nhận biết các đối tượng cần nghiên cứu trong mẫu nghiên cứu. Đồng thời, các hệ vi cơ điện tử này có thể thu nhỏ kích thước, tự động hóa, và có tính di động cao sẽ đáp ứng được mục tiêu di động hoá các hệ thiết bị phân tích hiên trường Những phát triển gần đây về kỹ

Cấu tạo của hệ chíp vi dòng

Hệ vi dòng thường được cấu tạo từ hai phần chính Hình 1.8 các vi kênh và đế Vi kênh thường gồm các phần như: kênh dẫn đầu vào và đầu ra, dòng chảy, cụm khuấy trộn, chia dòng…Đế là phần để gắn vi kênh lên và làm kín hệ thống.

Hình 1.8 Cấu tạo của hệ vi dòng

Các hệ vi dòng có thể là các hệ đơn giản chỉ bao gồm một vi kênh đơn giản được gắn trên đến thông thường không chứa các modun chức năng nào khác Tuy nhiên, hệ vi dòng cũng có thể là các hệ phức tạp hơn, chứa các modun chức năng phức tạp, (Hình 1.9).

Hình 1.9 Hệ vi dòng chứa một vi kênh đơn giản (1); Hệ vi dòng chứa đế có tích hợp các modun chức năng (modun phân tích điện hoá, chứa các điện cực dạng phẳng) (2).

1.2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo hệ vi dòng

Vật liệu sử dụng chế tạo vi kênh gồm 3 nhóm chính: nhóm vật liệu vô cơ(thủy tinh, silicon), nhóm vật liệu giấy, nhóm vật liệu polymers [6] Mỗi loại vật liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, trong khi thủy tinh và silicon cũng có những ứng dụng quan trọng thì vật liệu polyme lại là vật liệu được lựa chọn phổ biến ở trong lĩnh vực này Bên cạnh đó vật liệu tổng hợp mới có các tính năng thú vị vẫn được tạo ra để phù hợp hơn với sản xuất hàng loạt với khả năng thích ứng cao hơn và giá cả thấp hơn.

Hình 1.10 Các loại vật liệu chế tạo chip vi dòng, [6]. a Nhóm vật liệu vô cơ

Nhóm vật liệu này bao gồm: thủy tinh, silicon.

Vật liệu silicon được sử dụng chủ yếu để chế tạo hệ vi dòng ở giai đoạn đầu của thiết bị này bằng kỹ thuật vi điện tử MEMS Vật liệu này sở hữu độ dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao Vì vậy nó thường được sử dụng trong các trường hợp cần nhiệt độ tương đối cao, ví dụ như trong phản ứng chuỗi sử dụng enzyme kích thích tổng hợp DNA hay RNA (gọi là PCR) hoặc trong các phản ứng sinh học Phương pháp chế tạo chủ yếu các hệ vi dòng trên vật liệu silicon là phương pháp khắc bằng axit (etching) các kênh vi dòng chế tạo từ phương pháp này có tỉ số tương quan thấp (aspect ratio), điều này gây ra những hạn chế trong ứng dụng Vấn đề này có thể được giải quyết bằng phương pháp khắc khô Tuy nhiên, phương pháp này lại khá tốn kém Hơn thế nữa silicon không phải là vật liệu truyền quang, nhưng lại có khả năng dẫn điện, do đó hạn chế cho các ứng dụng liên quan đến phát hiện quang, điện hóa và các hiện tượng vận chuyển điện động - là các vấn đề quan trọng trong xét nghiệm miễn dịch bằng thiết bị vi dòng Một điều cần quan tâm khác, vật liệu silicon thường khá đắt so với các vật liệu khác như thủy tinh, polymer và quá trình chế tạo hệ vi dòng bằng vật liệu này gồm các quá trình như làm sạch vật liệu, phủ chất cản quang, quang khắc, xử lý sau quang khắc (development), khắc ướt hoặc khô thì khá tốn kém và tiêu tốn nhiều thời gian Đây là một trong những cản trở lớn nhất của vật liệu này để có thể áp dụng vào thực tế.

Ngược lại với silicon, thủy tinh là vật liệu rẻ tiền, truyền quang trong vùng nhìn thấy và không dẫn điện Các tính chất này khắc phục một vài vấn đề của vật liệu silicon khi sử dụng chế tạo hệ vi dòng Vì vậy, vật liệu này đã được coi vật liệu lý tưởng chế tạo hệ vi dòng để ứng dụng trong xét nghiệm miễn dịch Tuy nhiên, khắc ướt là phương pháp chính để chế tạo hệ vi dòng trên thủy tinh do vậy tỷ số tương quan giữa diện tích và thể tích cũng thấp Bên cạnh đó, giống như với vật liệu silicon, quá trình khắc khô trên vật liệu thủy tinh cũng rất tốn kém dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng của vật liệu này b Nhóm vật liệu giấy

Giấy là một vật liệu linh hoạt gần đây đã trở thành một chất nền vi dòng đầy hứa hẹn bởi vì nhiều lý do, vật liệu này chi phí thấp, có thể biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần, là nguồn nguyên liệu sẵn có, có thể dễ dàng xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa Mặc dù là một vật liệu đầy hứa hẹn nhưng giấy chỉ có thể được sử dụng trong một vài ứng dụng hạn chế do tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế Ứng dụng chủ yếu của thiết bị vi dòng vật liệu giấy là phân tích sinh hóa, chẩn đoán y khoa, pháp y Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị phân tích vi dòng giấy dựa vào phát hiện so màu bởi vì giấy thông thường là nền trắng, nó cung cấp độ tương phản cho các phương pháp phát hiện dựa trên màu sắc c Nhóm vật liệu polymers

Polymers được coi là vật liệu thay thế cho silicon và thủy tinh để chế tạo hệ vi dòng do giá thành rẻ với quy trình chế tạo dễ dàng Nhiều vật liệu polymer đã được sử dụng để chế tạo hệ vi dòng như polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polystyrene (PS), và polydimethylsiloxane (PDMS) Trong số các polymer này, PDMS được sử dụng phổ biến nhất do các tính chất vượt trội của nó so với các vật liệu polymer khác như linh động, có khả năng truyền quang cao, có khả năng tương thích sinh học, dễ dàng chế tạo và liên kết với các vật liệu khác PDMS là một loại polymer được cấu tạo bởi monomer OSi(CH 3 ) 2 , tạo nên bề mặt kỵ nước, đây là một hạn chế chủ yếu của vật liệu do gây ra các hấp phụ không đặc trưng của các proteins, các phân tử khác và hình thành bọt trong kênh khi chúng được đưa vào trong kênh.

Ngoài ra trong những năm gần đây, các vật liệu dị thể được hình thành từ hai vật liệu khác nhau được khai thác để chế tạo hệ vi dòng như PDMS/thủy tinh,silicon/thủy tinh Các hệ thiết bị vi dòng được chế tạo từ vật liệu này mang lại nhiều ưu điểm như giá thành thấp, quy trình chế tạo nhanh, có khả năng tương thích sinh học, linh hoạt và độ dẫn nhiệt tốt.

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi dòng

Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm

Silicon + Chống lại dung môi hữu cơ + Độ cứng cao nên không dễ dàng

+ Dễ lắng đọng kim loại chế tạo

+ Độ dẫn nhiệt cao + Silicon là vật liệu mờ đục nên khó nhìn xuyên qua dẫn đến khó khăn khi phát hiện huỳnh quang hay hình ảnh

Thủy tinh + Tương thích với các mẫu + Độ cứng cao, chi phí chế tạo cao sinh học + Cần cơ sở bảo vệ và môi trường + Không thấm nước siêu sạch để liên kết

+ Cung cấp hiệu suất tốt hơn các vật liệu khác

Giấy + Chi phí thấp + Tính chất cơ học yếu, công nghệ

+ Biến đổi hóa học dễ dàng hạn chế bằng cách thay đổi thành phần

+ Nguồn nguyên liệu sẵn có

+ Dễ xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa

Polymers + Tính đa dạng cao mang lại + Độ hấp phụ cao với protein trên sự linh hoạt thành kênh

+ Dễ tiếp cận, ít tốn kém hơn + Bọt khí sản sinh trong quá trình so với vật liệu vô cơ sản xuất

+ Dễ dàng chế tạo + Độ dẫn nhiệt kém

+ Liên kết mạnh mẽ với thủy tinh

+ Thích hợp với các cấu trúc nhiều lớp

1.2.2 Các phần tử cơ bản trong một hệ microfluidic

Trong hệ vi dòng có thể có hệ thống cơ bản tức là các modun chức năng cơ bản có thể tích hợp vào trong đó Ví dụ có thể tích hợp hệ thống điều khiển, kích hoạt từ, detector, cảm biến…hoặc có thế tích hợp các hệ thống phụ trợ ví dụ rửa giải, phân tích…, thành hệ vi dòng tích hợp đa chức năng, Hình 1.11

Hình 1.11 a Sơ đồ của một hệ vi dòng thông thường (không tích hợp): hệ thống phụ trợ kết nối với hệ vi dòng từ bên ngoài (ký hiệu S) b Sơ đồ của hệ vi dòng chứa các modun chức năng tích hợp (đặt phía dưới kênh).

Cấu tạo hệ vi dòng gồm 4 modul chức năng chính:

-Vi kênh (micro/nano channel)

-Các cấu trúc chức năng được tích hợp trên đế (integrated modul)

-Các hệ thống phụ trợ khác (support modul)

Thường gồm các đường dẫn nhỏ bao gồm các phần như: kênh đầu vào và đầu ra, dòng chảy, cụm khuấy trộn, chia dòng… Các phần chức năng này thường phải được thiết kế chi tiết và là một phần quan trọng trong thiết kế vi kênh.

Trong hệ vi dòng, các vi kênh đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng các dòng chảy và tạo ra các vị trí tương tác của các tác nhân trong hệ thống Các hệ vi thiết bị có những vùng chất phản ứng được lưu lại ở đây nhiều hơn và tập trung để vi kênh cần tính toán kỹ các điều kiện phản ứng và thời gian lưu cũng như chế độ chảy trong vi kênh để thực hiện các quá trình một cách hoàn chỉnh nhất.

Hình 1.12 Dạng vi kênh đơn giảm chỉ bao gồm 2 đường kết hợp với modun khấy trộn đơn giản dạng zíc zắc

Ngoài ra, hệ vi kênh có thể được cấu tạo bởi tổ hợp các hệ vi kênh với nhiều chức năng khác nhau Điển hình nhất là các hệ vi kênh chứa khu vực khuấy trộn (mixing and washing zone) đa dòng chất lỏng, khu vực phản ứng (microreactor),…

Hình 1.13 Tổ hợp vi kênh phức tạp dùng cho khuấy trộn 2 dòng chất lỏng [7].

 Đế và các bộ phận chức năng tích hợp của hệ vi dòng

Giới thiệu về hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa

Trong phân tích điện hoá, các hệ phân tích điện hoá đa năng (Ví dụ như hệ AutoLab (PGSTAT302N) của Hà Lan, Hình 1.18) được sử dụng như một công cụ quan trọng Tuy nhiên, hệ máy phân tích điện hoá này sử dụng các hệ điện cực phức tạp và không phù hợp cho việc tích hợp phân tích trong hệ vi dòng.

Hình 1.18 Hệ phân tích điện hoá đa năng AutoLab (PGSTAT302N) của Hà Lan Để có thể tích hợp các hệ điện cực có chức năng tương tự như hệ phân tích được mô tả trong Hình 1.18, thì các hãng đã phát triển các hệ điện cực dạng phẳng (điện cực dạng mạch in - screen printed electrode (SPE)) được tích hợp cả ba điện cực (điện cực làm việc - working electrode; điện cực đối - counter/auxiliary electrode; điện cực so sánh - reference electrode), (Hình 1.19).

Hình 1.19 Điện cực dạng mạch in của hãng Dropsens/Metrohm

Với diện cực loại này, việc tích hợp vào các hệ vi dòng để thực hiện các phép phân tích điện hoá trở nên dễ dàng hơn.

Chính vì vậy, hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa dạng mạch in sẽ là là đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này Trong các nghiên cứu trên thế giới, việc tích hợp hệ điện cực SPE đã và đang được phát triển rất mạnh và cho những kế quả không thua kém so với các hệ điện cực dạng trụ tiêu chuẩn, Hình 1.20.

Hệ điện cực SPE có thể tự chế tạo, thực hiện các quá trình biến tính bề mặt trên nền điện cực SPE cơ bản, [11] Việc tự chế tạo hoặc biến tính bề mặt điện cực làm việc bằng các hệ vật liệu tiên tiến khác nhau nhằm mục đích dễ tích hợp vào hệ vi lưu hoặc nhằm tăng cường tính hiệu và độ đặc hiệu của điện cực Việc này rất hữu ích khi cần nâng cao giải nhận biết, độ lặp lại, hay giới hạn của phép đo.

Hình 1.20 (A) Cấu hình phổ biến của điện cực mạch in (B) Điện cực mạch in thương mại với các cấu hình và thiết kế khác nhau, [12] (C) Số lượng công bố hằng năm đối với từ khoá điện cực mạch in và cảm biến điện cực mạch in, (từ dữ liệu Scopus trong giai đoạn 1990-2019).

Hình 1.21 Hệ microfluidic đơn giản tích hợp điện cực mạch in SPE trong phân tích prostate-specific antigen (PSA), [11].

Thiết bị điện di (dielectrophoresis - DEP) vi dòng trong suốt được thiết kế và chế tạo mới nhóm Kim, H và cộng sự (2018), [13], sử dụng hệ đa điện cực (electrode array) để theo dõi không xâm lấn các tế bào sinh học trong khoảng thời gian dài các thông số điện sinh lý cũng như một kỹ thuật khó quan sát và không phá hủy trong quá trình kiểm soát tế bào thần kinh.

Hình 1.22 Hình ảnh thiết bị DEP vi dòng và hình ảnh các điện cực Mỗi điện cực hình vòng được bao quanh bởi điện cực so sánh và kết nối với đế kim loại và

Như đã đề cập, việc sử dụng điện cực SPE và hệ vi dòng trong chế tạo cảm biến sinh học và chip vi dòng phân tích sinh học đã và đang có những thành tựu rất khả quan Trong thực tế, có rất nhiều các dạng cảm biến/cảm biến sinh học khác nhau dựa trên nền điện cực SPE với các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Đối với cảm biến sinh học, khi thực hiện các phép đo xác định nồng độ của một chất trong một chất nền khác thường rất phức tạp Việc nhận biết thường dựa trên hai thành phần chủ đạo trong mẫu đo bao gồm hai phần chính: phần tử nhận biết sinh học xác định có chọn lọc chất phân tích quan tâm và đầu dò ghi nhận và chuyển đổi thành một tín hiệu có thể đo được, Hình 1.23 [14].

Hình 1.23 (A) Sơ đồ đại diện của một cảm biến sinh học điện hóa, [14] (B) Các loại kỹ thuật truyền tín hiệu khác nhau bằng cảm biến sinh học (cơ sở dữ liệu Scopus từ năm 2017 đến 2019), [15] (C) Sơ đồ minh họa phản ứng enzym trên cảm biến sinh học dựa trên xúc tác (trên) và ba loại cảm biến sinh học dựa trên ái lực khác nhau (dưới) [15]. Đối với đối tượng nhận biết là kháng sinh, các nghiên cứu cho thấy: ngoài các phương pháp truyền thống như GC; GC-MS; HPLC,… thì phân tích bằng điện hoá là một trong những kỹ thuật cho kết quả đáng khích lệ và có thể tiến tới những kỹ thuật chuẩn có thể cho các kết quả đáng tin cậy Phần sau đây sẽ trình bày kỹ hơn về kháng sinh và các phương pháp phân tích kháng sinh hiện nay.

Giới thiệu về thuốc kháng sinh và dư lượng thuốc kháng sinh nhóm Sulfamid

Nhóm Sulfamid ra đời từ rất sớm, so với các nhóm kháng sinh khác thì nhóm sulfamid được tổng hợp hoàn toàn, không có trong tự nhiên Ngay từ những năm đầu thế kỷ 20 các nhà khoa học đã nhận thấy rằng các sản phẩm nhuộm có tác dụng kháng khuẩn, tuy nhiên các sản phẩm nhuộm thường rất độc Năm 1913, người ta đã tìm thấy phẩm azoic cryzoidin có tác dụng diệt khuẩn và tương đối ít độc Khi có thêm nhóm -SO 2 NH 2 trong công thức các phẩm nhuộm thường rất bền vì gắn chặt vào protein Người ta thử gắn thêm vào phân tử cryzoidin nhóm sulfamido, và đã thu được một chất có tác dụng chống tụ cầu và liên cầu đó là prontosil Đến năm 1935 Bovet và Trefuel phát hiện ra rằng protosil không có tác dụng trên in vitro mà chỉ có tác dụng tren in vivo Vào cơ thể prontosil đã chuyển hóa thành chất khác có tác dụng kháng khuẩn Nguyên liệu đầu để tổng hợp protosil là p-amino benzene sulfonamide (sulfanilamid) ngưng tụ với m-phenylendiamin. Khi thay thế sulfanilamid bằng amin khác cho sản phẩm không có tác dụng kháng khuẩn Khi thay thế m-phenylendiamin bằng chất khác cho sản phẩm có tác dụng kháng khuẩn Như vậy, có thể các sulfanilamide là phần có tác dụng kháng khuẩn. Thật vậy, khi thử tác dụng của sulfanilamide cho thấy tác dụng kháng khuẩn tốt Khi kiểm tra nước tiểu của người uống prontosil thấy có mặt sulfanilamide dưới dạng acetyl hóa Sulfanilamid đã trở thành sulfamid đầu tiên trong lịch sử Việc phát hiện ra prontosil và sulfanilamid mở ra một kỷ nguyên mới cho việc hóa trị liệu các bẹnh nhiễm khuẩn Dựa trên cấu trúc sulfanilamid người ta đã tổng hợp rất nhiều sulfamid trong đó khoảng 40 loại được sử dụng làm thuốc.

1.5.1 Cấu tạo chung của nhóm Sulfamid

Các sulfamid kháng khuẩn là dẫn chất của p- aminobenzensulfonamid (sulfonamid gọi tắt là sulfamid), có công thức cấu tạo chung là:

Hình 1.24 Công thức cấu tạo chung của nhóm sulfamid

Trong đó thường gặp R 2 là H, và cũng chỉ khi R 2 là H thì sulfamid mới có hoạt tính kháng khuẩn, khi R 2 ≠H, thì chất đó là tiền thuốc R 1 có thể là mạch thẳng, dị vòng Tuy nhiên, nếu R 1 là dị vòng thì hiệu lực kháng khuẩn mạnh hơn, thông thường là các dị vòng 2 - 3 dị tố Khi R1 và R2 đều là gốc hidro thì thu được sulfamid là có cấu tạo đơn giản nhất (sulfanilamid) [16].

Sulfamid có công thức cấu tạo gần giống với PABA (para amino benzoic acid) là nguồn nguyên liệu cần thiết cho vi khuẩn tổng hợp acid folic để phát triển Do đó sulfamid tranh chấp với PABA ngăn cản quá trình tổng hợp acid folic của vi khuẩn.Ngoài ra, sulfamid còn ức chế dihydrofolat synthetase, một enzym tham gia tổng hợp acid folic Về mặt lý thuyết, phổ kháng khuẩn của sulfamid rất rộng, gồm hầu hết các cầu khuẩn, trực khuẩn gram (+) và (-) Hiện nay, tỷ lệ kháng thuốc và kháng chéo giữa các sulfamid đang rất cao nên đã hạn chế việc sử dụng sulfamid rất nhiều.Mặt khác do có nhiều độc tính và đã có kháng sinh thay thế, sulfamid ngày càng ít dùng một mình, thường dùng dạng phối hợp sulfamethoxazole với trimethoprim để tăng khả năng điều trị của thuốc Dưới đây là công thức cấu tạo của một số sulfamid phổ biến

Bảng 1.3 Công thức cấu tạo của một số sulfamid phổ biến

1.5.2 Tính chất vật lí và hóa học của Sulfamid a Tính chất vật lí

Sulfamid ở dạng tinh thể màu trắng hoặc màu vàng nhạt trừ prontosil, không mùi, thường ít tan trong nước, benzen, chloroform Sulfamid tan trong dung dịch acid vô cơ loãng và hydroxyd kiềm (trừ sulfaguanidin) [17] Các sulfamid có các thông số xác định về: độ chảy, phổ IR, phổ UV (do có chứa nhân thơm). b Tính chất hóa học

Các Sulfamid đều có tính chất lưỡng tính: [17].

- Tính acid (trừ sulfaguanidin): do có H ở N- amid linh động: tạo muối tan trong các dung dịch hydroxyd kim loại kiềm (muối natri dùng pha loãng dung dịch)

- Tạo muối kết tủa với các kim loại nặng như Ag, tạo phức màu với CuSO 4 , CO(NO3)2; tạo muối diolamin (như với diethannolamin) tan; tạo dẫn xuất N 1 - acetyl không đắng và giữ nguyên hoạt tính

-Tính bazơ do nhóm amin thơm tự do, cho kết tủa muối picrat trong dung dịch HCl loãng

Các sulfamid có thể tham gia phản ứng diazo hoá do có nhóm amin thơm tự do (có thể tham gia phản ứng ghép đôi với 2-naphtol/kiềm để cho sản phẩm màu đỏ da cam).

Tác dụng với một số muối kim loại (CuSO4, CoCl2) tạo thành phức màu tủa với Cu 2+ , Co 2+ đặc trưng cho từng sulfamid, nên thường được dùng để phân biệt các sulfamid với nhau Đốt khô trong ống nghiệm, sulfamid bị phân huỷ, để lại cặn có màu điển hình cho từng sulfamid, ví dụ, đốt sunfanilamid sẽ giải phóng ammoniac và cho cặn màu xanh tím.

Khi phân loại kháng sinh theo tác dụng, nhóm sulfamid được xếp vào nhóm có tác dụng kìm khuẩn Vì tác dụng của sulfamid đều giống nhau, việc điều trị dựa vào dược động học của thuốc cho nên người ta chia các sulfamid làm 4 loại:

- Loại hấp thu nhanh, thải trừ nhanh: nồng độ tối đa trong máu sau uống là 2

-4h t/2=6-8h, thải trừ 95% trong 24h Gồm sulfadiazin, sulfisoxazol (Gantrisin), sulfamethoxazole (Gantazol) Dùng điều trị nhiễm khuẩn theo đường máu.

- Loại hấp thu rất ít: dùng chữa viêm ruột, viêm loét đại tràng Gồm sufaguanidin (Ganidan), salazosulfapyridin (Salazopyrin).

-Loại thải trừ chậm: duy trì được nồng độ điều trị trong máu lâu, t/2 có thể tới 7

- 9 ngày nên chỉ cần uống 1 lần ngày Hiện dùng sulfadoxin (Fanasil), phối hợp với pyrimethamin trong Fansidar để dự phòng và điều trị sốt rét kháng cloroquin.

-Loại để dùng tại chỗ: ít hoặc khó tan trong nước Dùng điều trị các vết thương tại chỗ (mắt, vết bỏng) dưới dạng dung dịch hoặc kem Có sulfacetamid, silver sulfadiazin, mafenid.

Hiện nay hầu hết các vi khuẩn dều kháng với sulfamid nên thuốc này rất ít được sử dụng Để khắc phục nhược điểm này người ta thường dùng sulfamid ở dạng phối hợp Dạng phổ biến nhất là kết hợp giữa sulfamethoxazole và trimethoprim với tỉ lệ 1 trimethoprim và 5 sulfamthoxazol nhằm tạo kháng sinh có khả năng kháng khuẩn, tăng hiệu quả điều trị và giảm tỉ lệ kháng thuốc của vi khuẩn, thuốc hấp thu tốt qua đường tiêu hóa.

1.5.4 Giới thiệu về Sulfamethoxazole (SMX)

Trong số những kháng sinh nhóm sulfamid đã được tổng hợp, Sulfamethoxazole là một trong những hoạt chất được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

SMX tồn tại ở dạng bột kết tinh màu trắng hoặc gần như trắng Thực tế không tan trong nước, dễ tan trong aceton, hơi tan trong ethanol 96 %, tan trong dung dịch natri hydroxyd loãng và dung dịch acid loãng, [16].

Sulfamethoxazole là sulfamid có tác động trung gian dùng trị nhiễm trùng đường tiểu, sinh dục, nhiễm trùng da.

Ngày nay, kháng sinh được sử dụng rất phổ biến, rộng rãi trong chăn nuôi để đảm bảo hiệu quả kinh tế cao nhất Với liều lượng thuốc kháng sinh cao có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người Chính vì vậy, WHO và các nước phát triển ở Châu Âu và Châu Mỹ từ lâu đã có những quy định chặt chẽ về việc dùng các loại kháng sinh trong chăn nuôi khác với các loại kháng sinh dùng cho người Ngoài ra, cơ quan quản lí an toàn thực phẩm cũng quy định rất chặt chẽ về việc bán các loại thịt và hải sản đã có sử dụng kháng sinh trước đó trên thị trường để đảm bảo không có dư lượng vượt mức cho phép có thể ảnh hưởng đến người tiêu dùng Theo Cục quản lí Thực phẩm và Dược phẩm (FDA), 80% tổng số sử dụng kháng sinh ở Hoa Kỳ là trong nông nghiệp, với lợn và gia cầm nhận được từ 5 - 10 lần thuốc kháng sinh nhiều hơn bò và cừu Một số nông dân Mỹ đã sử dụng thuốc kháng sinh làm chất kích thích tăng trưởng, nhưng thực tế đã bị cấm.

Mặc dù không có trường hợp nào được báo cáo về tác dụng phụ ở người khi tiêu thụ thực phẩm có chứa dư lượng sulfonamide, dư lượng sulfonamide trong thực phẩm vẫn là một loại thuốc được cơ quan quản lý trên toàn thế giới quan tâm vì nhiều lý do Các cơ quan quản lý ở hầu hết các quốc gia đã đánh giá dữ liệu độc chất có sẵn cho sulfonamid và xác định mức dung sai hoặc giới hạn dư lượng tối đa (maximum residue limits - MRL) là 0,1 μg/g (0,1 ppm) đối với dư lượng sulfonamide trong các mô ăn được Ở người, các tác dụng phụ đã biết liên quan đến sulfonamid bao gồm buồn nôn, nôn, tiêu chảy, chán ăn, rối loạn đường tiết niệu, rối loạn chuyển hóa porphyrin và phản ứng quá mẫn cảm, [18] Những tác dụng phụ này đã được báo cáo là tác dụng phụ của sulfamethoxazole- trimethoprim (SMX-TMP), (Smilack, 1999) SMX-TMP dùng đường uống được hấp thu tốt qua đường tiêu hóa và phân phối đến mô qua máu và thải trừ chủ yếu qua thận và một số qua phân, [19].

1.5.5 Tổng quan về các phương pháp phát hiện dư lượng nhóm Sulfamid a Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao là phương pháp phổ biến có khả năng tách và định hướng đồng thời các chất có độ phân cực gần nhau, có độ chính xác, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện được áp dụng rộng rãi để xác định các hoạt chất kháng sinh trong các sản phẩm dược phẩm Tuy nhiên có nhược điểm thiết bị đắt tiền, tốn dung môi, thời gian làm sạch và ổn định sau mỗi lần chạy lâu.

Theo dược điển Việt Nam và dược điển Mỹ các hoạt chất kháng sinh trog nhóm sulfamid được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng với pha động là hỗn hợp của 700 ml nước, 200 ml acetonitril và 1 ml triethylamin Điều kiện sắc ký gồm cột thộp khụng gỉ (30 cm x 3,9 mm) được nhồi pha tĩnh B (5 àm) với detector quang phổ tử ngoại đặt ở bước sóng 230 nm, tốc độ dòng là 2,0 ml/phút, thể tớch tiờm mẫu 20 àl (dược điển Việt Nam) và cột C18 (250 x 4,6 mm; 5àm), detector UV 254 nm, tốc độ dũng là 1,8 ml/phỳt, thể tớch tiờm 20 àl (dược điển Mỹ) Nhóm tác giả Cemal Akay, Sibel A Ozkan đã tiến hành nghiên cứu thành công quy trình định lượng sulfamethoxazole (trong hỗn hợp chứa sulfamethoxazole và trimethoprim) theo phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với pha động là hỗn hợp của methanol và nước (60:40) điều chỉnh đến pH = 3,0 bằng acid phosphoric 10% Điều kiện sắc ký gồm cột C 18 detector quang phổ tử ngoại đặt ở bước súng 213 nm, tốc độ dũng 1,8 ml/min, thể tớch tiờm 10 àl. Khoảng tuyến tớnh của phương phỏp là từ 2,0 - 10,0 àg/ml đối với trimethoprim và từ 10,0 - 50,0 àg/ml đối với sulfamethoxazole Giới hạn phỏt hiện tương ứng với trimethoprim và sulfamethoxazole lần lượt là 0,45 và 1,21 àg/ml. b Phương pháp quang hoá.

THỰC NGHIỆM

Chế tạo chip vi dòng

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ

-Poly(dimethylsiloxane) - PDMS Sylgard 184 từ hãng Dow Corning

-Chất cảm quang SU - 8 3025 từ hãng MicroChem Corp

-Đế silicon (loại P-100) và thủy tinh (loại BK-7), của hãng UniversityWafer Inc US.

- Acetone, ethanol, isopropanol (IPA) Trung Quốc

- Mask (được in trên máy in bằng công nghệ in phin có mật độ cao).

- Axit boric (H 3 BO 3 ), Trung Quốc

-Kali ferricyanat (K 3 [Fe(CN) 6 ]), Trung Quốc

-Kali ferrocyanat (K 4 [Fe(CN) 6 ]), Trung Quốc

-Đồng (II) sunfat (CuSO 4 ) 3mM, Trung Quốc

-Graphit vẩy loại tinh khiết >99%, Lào Cai

-Natri nitrat (NaNO3), Trung Quốc

-Axit sunfuric (H 2 SO 4 ) 98%, Việt Nam

-Kali pemanganat (KMnO 4 ), Trung Quốc

-Graphen oxit (GO) được điều chế theo phương pháp Hummers sử dụng hỗn hợp H 2 SO 4 , NaNO 3 , KMnO 4 và H 2 O 2

-Dung dịch đệm photphat 0,2 M (PB 0,2 M), được điều chế từ

Na2HPO4.H2O và NaH2PO4.H2O

-Sulfamethoxazole (SMX) C10H11N3O3S, CAS No 723-46-6, Trung Quốc

- Thuốc kháng sinh T.T.S Năm Thái (Sulfamethoxazol: 20,0g; Trimethoprim: 4,0 g; Dung môi vừa đủ: 100ml), CÔng ty thú y Năm Thái, Việt Nam.

Hóa chất sử dụng trong thí nghiệm đều là hóa chất tinh khiết phân tích.

-Kính hiển vi điện tử Labomed Luxeo 4D

-Tủ sấy Memmert Model UN110

-Hệ Lithography OAI (Model 200 Mask Aligners), Trung NEC, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

- Máy Spin Coating Model WS - 650 MZ - 23 NPPB, Trung NEC, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

-Bơm lưu lượng Model R99 - FM.

-Máy AutoLab của Metrohm (PGSTAT302N), Hà Lan, Bộ môn Hoá lý, Viện Kỹ thuật Hoá học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

-Máy AutoLab cầm tay, Palsens3, của hãng DropSens, Hà Lan.

- Các hệ điện cực đi kèm: Điện cực Glassy Carbon; Điện cực Pt, Điện cực Calomel, Điện cực Bạc clorua.

2.1.3 Thiết kế và chế tạo mask cho vi lưu

Mặt nạ (Mask) cho vi kênh được thiết kế bằng phần mềm Inskape Mask được thiết kế với độ phân giải cao 6000 dpi Với độ phân giải này, các đường cong của kênh rất trơn và không tạo gờ khi chế tạo bằng phương pháp quang khắc Sau khi thiết kế kênh được in bằng công nghệ in phin.

2.1.4 Các bước chế tạo khuôn bằng phương pháp quang khắc

Quá trình quang khắc được thực hiện trong phòng sạch tại Trung tâm Ứng dụng Nano và Năng lượng (NEC) của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội qua các bước được tóm tắt như sau:

Bước 1: Phủ quay (Spin Coating)

Chất cảm quang âm SU - 8 3025 được phủ lên đế Silic (loại 2 inch) bằng kỹ thuật phủ quay (Spin Coating) trong máy phủ quay. Độ dày của lớp phủ là 50 - 100 m, SU - 8 3025 được phủ quay qua hai bước:

(1) Tốc độ quay 500 vòng/phút trong 5 - 10 giây (2) Tốc độ vòng quay được tăng lên 3000 vòng/phút trong 30 giây.

Bước 2: Sấy lần 1 (Soft Bake)

Lớp chất cảm quang SU - 8 3025 được sấy khô trên bếp điện ở 65°C trong vòng 3 phút và ở 95°C trong vòng 7 phút.

Bước 3: Chiếu UV (UV expose)

Khuôn được định hình bằng cách chiếu tia UV với năng lượng 15,5 mW/cm 2 trên máy photolithography sử dụng mask đã được chế tạo trong phần trước.

Bước 4: Sấy lần 2 (Post Bake)

Lớp chất cảm quang SU - 8 sau khi được chiếu UV được sấy thêm lần 2 trên bếp điện ở 65°C trong 2 phút và ở 95°C trong 6 phút.

Lớp chất cảm quang sau khi sấy lần 2 được định hình trong SU - 8 developer trong khoảng 4 - 6 phút.

Bước 6: Rửa sạch và làm khô (Rinse and Dry)

Qua trình được thực hiện trong phòng sạch tại Trung tâm Ứng dụng Nano và Năng lượng của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Sau khi định hình, khuôn được rửa lại bằng dung môi isopropanol (IPA) và sấy khô bằng khí Nitơ.

2.1.5 Các bước chế tạo hệ vi kênh bằng PDMS

Chip vi dòng được chế tạo từ vật liệu Poly demethylsiloxane (PDMS). PDMS đã được sử dụng rộng rãi trong vi dòng để tạo mẫu nhanh vì dễ chế tạo, nó liên kết mạnh với chất nền thủy tinh, có tính chất quang học và độ đàn hồi tốt. PDMS là vật liệu vi dòng phổ biến nhất được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu do chi phí hợp lí, chế tạo nhanh và dễ thực hiện Khuôn thiết bị được hình thành thông qua các phương pháp gia công hoặc quang khắc thông thường và các cấu trúc PDMS được đúc và xử lí trên các khuôn này.

PDMS có mô đun đàn hồi thấp, làm cho nó phù hợp với chế tạo van và bơm. Tính thấm khí của nó có thể thuận lợi cho việc vận chuyển oxy và carbon dioxide trong các nghiên cứu tế bào PDMS dễ bị hấp phụ và thẩm thấu không đặc hiệu bởi các phân tử kỵ nước do bản chất kỵ nước của nó gây ra.

Quy trình chế tạo kênh được mô tả trên Hình 2.1, PDMS được tạo ra từ hai thành phần là chất đàn hồi (Elastomer) và chất đóng rắn (Curing agent).

Bước 1 Elastomer và Curing agent được lấy theo tỉ lệ 10:1 (cân 15g

Elastomer và 1.5g Curing agent), sau đó khuấy trộn để cho hỗn hợp đều nhau.

Bước 2 Sau khi trộn, hỗn hợp được loại bỏ bọt bằng cách hút chân không

Bước 3 Sau đó, đổ hỗn hợp thu được lên khuôn (Hình 2.1 a).

Bước 4 Đem đi sấy ở 70°C trong khoảng 1 giờ để đóng rắn (Hình 2.1 b).

Bước 5 Tách PDMS ra khỏi kênh (Hình 2.1 c) và cắt định hình, đục lỗ các đường vào và đường ra của kênh (Hình 2.1 d) Kênh sau khi hoàn thiện được gắn lên đế thủy tinh (Hình 2.1 e).

Hình 2.1 Chế tạo và kênh PDMS bằng kỹ thuật đúc;(a) Tạo khuôn bằng vật liệu cảm quang SU - 8; (b) Tiến hành đổ PDMS lên khuôn và thực hiện đóng rắn; (c) Tách kênh PDMS ra khỏi khuôn; (d) Đục lỗ tạo đường vào và ra cho kênh; (e)

Kênh sau khi gắn lên đế thủy tinh.

2.1.6 Hoàn thiện chip vi dòng

Sau khi hoàn thiện vi kênh tiến hành gắn kênh lên đế thủy tinh (Hình 2.2 b) Sau đó tiến hành tích hợp chip vi dòng và điện cực SPE ta được chip vi dòng tích hợp điện cực SPE (Hình 2.2 c) Điện cực SPE trước khi đưa vào tích hợp được tạo lớp bảo vệ bề mặt điện cực và phần nối điện bằng một lớp PDMS để cố định (Hình 2.2 a) Quá trình đổ PDMS lên điện cực SPE được tiến hành tương tự như quá trình chế tạo hệ vi kênh (mục 2.1.5).

Hình 2.2 Hoàn thiện chip vi dòng tích hợp điện cực SPE

Kết cấu cơ khí gồm hai tấm Plexiglas được cắt CNC kích thước 6x8 cm. Điện cực SPE được đổ một lớp PDMS để bảo vệ điện cực và phần nối điện (Hình 2.2 a) Vi kênh sau khi đổ bằng PDMS được gắn lên đế thủy tinh (Hình 2.2 b). Cuối cùng ghép vi kênh và điện cực để tạo thành chip vi dòng tích hợp điện cực SPE bằng kết cấu cơ khí với hai tấm Plexiglas.

2.2 Thiết kế hệ vật liệu cho biến tính bề mặt điện cực làm việc của hệ điện cực mạch in cacbon (SPE).

Vật liệu carbon của điện cực làm việc của điện cực SPE DS 110 (hãng Dropsen) khi sử dụng để phân tích cho kết quả có độ nhạy không cao Để làm tăng khả năng làm việc của điện cực chúng ta biến tính điện cực bằng các hệ vật liệu khác nhau tùy thuộc vào đối tượng phân tích Mỗi loại vật liệu được sử dụng đều có một chức năng riêng và khi kết hợp các lớp vật liệu thì sẽ cải tiến khả năng làm việc của điện cực một cách đáng kể Trong nghiên cứu này, hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs được lựa chọn đối với đối tượng phân tích là thuốc kháng sinh họ sulfonamide Trong đó, vai trò của hạt nano đồng (CuNPs) làm xúc tác điện hóa cho phản ứng oxy hóa sulfamethoxazole (SMX) trên bề mặt điện cực, màng polydopamine (PDA) sẽ giúp gắn kết vật liệu cacbon của điện cực làm việc SPE với các hạt CuNPs nhờ các nhóm chức -OH hoặc -NH Polydopamine không dẫn điện sẽ làm giảm sự hoạt động của điện cực Để tăng độ hoạt động điện hóa của điện cực, các vật liệu dẫn điện tốt và tương tác tốt với bề mặt điện cực SPE như graphen Thực tế cho thấy graphen có nhiều đặc tính tuyệt vời như khả năng dẫn điện tốt, diện tích bề mặt riêng lớn, có thể cải thiện đáng kể hoạt tính điện hóa của bề mặt điện cực Vật liệu graphen (rGO) sử dụng trong nghiên cứu này được chế tạo bằng phương pháp điện hóa từ quá trình khử graphen oxit điều chế theo phương pháp Hummer biến tính [26] Hình 2.3 là sơ đồ quá trình biến tính điện cực SPE bởi màng rGO/PDA-CuNPs Hình đầu tiên là bề mặt điện cực làm việc của hệ điện cực SPE ban đầu Bề mặt này được biến tính bởi quá trình tổng hợp các lớp màng vật liệu lần lượt gồm rGO, PDA và CuNPs.

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình biến tính bề mặt điện cực SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs

2.3 Khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện cực glassy cacbon (GCE).

Trước khi đưa hệ vật liệu lên bề mặt điện cực SPE, cần khảo sát các điều kiện phù hợp để thu được kết quả phân tích SMX tốt nhất, giảm bớt giai đoạn khảo sát hệ vật liệu trên hệ điện cực SPE Điều này do chi phí của điện cực SPE đắt, điện cực SPE chỉ làm việc được trên một số lần hữu hạn (do bản chất điện cực SPE là điện cực chỉ nên dùng 1 lần) Tuy nhiên, với việc khảo sát và tối ưu quá trình chế tạo vật liệu để phủ/biến tính bề mặt trên điện cực carbon thuỷ tinh (Glassy Carbon

- GCE), cho phép việc chế tạo ra vật liệu trên bề mặt điện cực SPE nhanh và trải qua ít công đoạn khảo sát hơn Các kết quả dưới đây sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu khảo sát chế tạo các hệ vật liệu trên nền điện cực GCE rồi sau đó áp dụng các kết quả tối ưu nhất trên điện cực SPE Mặc dù, về bản chất điện cực làm việc trên nên GCE và SPE có khác nhau (do điện cực GCE được tạo ra từ vật liệu carbon ép với mật độ rất cao, còn điện cực làm việc của SPE là điện cực carbon dạng bột được in lưới trên bề mặt đế) Độ xốp/diện tích bề mặt, độ dẫn điện/điện trở của điện cực SPE thường lớn hơn so với điện cực GCE.

2.3.1 Chế tạo vật liệu GO

Vật liệu GO sử dụng trong nghiên cứu của luận văn này đã được tối ưu hoá bởi các điều kiện nghiên cứu trong nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Hoá lý, Trường ĐH văn dựa trên nghiên cứu tối ưu hoá quá trình tổng hợp GO mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công trên cơ sở nguyên liệu là graphite dạng vảy Việt Nam đã qua tinh chế cú kớch thước là khoảng 100 mesh (~ 149 àm) và hàm lượng tớnh theo C > 99,5 % khối lượng Trong nghiên cứu này, GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummer biến tính [26] Quy trình chế tạo GO được thực hiện với điều kiện tối ưu và được tóm tắt như sau:

Trộn đều 1,0 gam graphit bột với 0,5 gam NaNO 3 trong cốc thủy tinh chịu nhiệt và làm lạnh bằng nước đá Cho vào cốc 23 mL H 2 SO 4 đặc và khuấy đều. Thêm từ từ 3,0 gam KMnO 4 vào cốc và tiếp tục khuấy trong hai giờ, duy trì nhiệt độ dưới 15 0 C Thêm tiếp vào hỗn hợp 100 mL nước cất, đồng thời nâng nhiệt độ lên 98 0 C và khuấy thêm hai giờ Sau đó thêm 10 mL dung dịch H 2 O 2 30 % và tiếp tục khuấy trong hai giờ Hỗn hợp chuyển sang màu nâu Chất rắn được tách ra bằng phương pháp ly tâm, sau đó được rửa bằng dung dịch HCl 5 % để loại bỏ ion kim loại dư, và tiếp tục được rửa bằng nước cất để loại bỏ axit, ta thu được GrO Để thu được GO, GrO được tách lớp bằng kỹ thuật rung siêu âm trong nước Sản phẩm được sấy ở 60 o C trong 12 giờ thu được GO có màu nâu đen GO thu được sau đó được nghiền nhỏ bằng cối mã não sau đó phân tán bằng siêu âm để thu được GO dạng hạt mịn, như mô tả trong Hình 2.4.

Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính GCE biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs

Trong nghiên cứu này, các kết quả khảo sát tính chất điện hóa của điện cực GCE được biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs được thực hiện Các kế quả này sẽ cung cấp thông tin về đặc trưng điện hoá của hệ vật liệu trên, đồng thời cac thông tin này sẽ được so sánh khi áp dụng hệ vật liệu này trên nền điện cực SPE.

2.4.1 Khảo sát độ ổn định và khả năng dẫn điện của hệ vật liệu trên nền điện cực GCE

Tiến hành quét CV trong dung dịch chứa K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5 mM và KNO 3 1M từ -0,15V đến +0,65V, tốc độ quét 50mV/s các điện cực lần lượt là GCE, GCE/rGO, GCE/PDA, GCE/CuNPs, GCE/rGO/PDA, GCE/PDA/CuNPs, GCE/PDA/CuNPs, GCE/rGO/PDA-CuNPs Tín hiệu CV thu được có hình dáng đặc trưng tùy theo bản chất điện cực làm việc mà cường độ và khoảng cách hai đỉnh pic oxi hóa và pic khử có sự khác biệt

2.4.2 Diện tích bề mặt điện hóa

Tiến hành quét CV trong dung dịch chứa K 3 Fe(CN) 6 / K 4 Fe(CN) 6 5 mM vàKNO 3 1M từ -0,15V đến +0,65V, tốc độ quét 50mV/s các điện cực lần lượt là

GCE, GCE/rGO, GCE/PDA, GCE/CuNPs, GCE/rGO/PDA, GCE/PDA/CuNPs, GCE/PDA/CuNPs, GCE/rGO/PDA-CuNPs

Khảo sát tốc độ quét thế khác nhau trên điện cực GCE/rGO/PDA/CuNPs bằng kỹ thuật CV trong dung dịch dịch K 3 Fe(CN) 6 / K 4 Fe(CN) 6 5 mM pha trongKNO3 1M

Đặc chưng hình thái học vào cấu trúc vật liệu

Đăch trưng hình thái học hệ vật liệu sử dụng phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định sự hình thành các màng polyme (DPA) trên điện cực, sự hình thành hạt nano Cu trên màng PDA. Đặc trưng cấu trúc màng PDA và liên kết Cu bằng kỹ thuật đo phổ hồng ngoại FT-IR Từ đó nhận biết các nhóm chức đặc trưng cho monome, polyme và polyme – Cu.

Phân tích phổ EDX để xác định hàm lượng các nguyên tố trong hệ vật liệu

Phân tích sự biến đổi bề mặt ưu nước – kỹ nước của hệ vật liệu bằng kỹ thuật đo góc tiếp xúc để xác định khả năng thấm ướt của hệ vật liệu trong quá trình thực hiện đo

Thử nghiệm ứng dụng chip vi dòng tích hợp trong phân tích kháng sinh bằng phương pháp điện hóa

- Dung dịch đệm Phosphate (PBS) có pH = 7 (nồng độ muối Na 2 HPO 4 0.0819M và NaH2PO4 0.0181M);

-Kali ferricyanat (K 3 [Fe(CN) 6 ]; Kali ferrocyanat (K 4 [Fe(CN) 6 ]).

- Methanol có xuất xứ từ Trung Quốc.

- Mẫu thuốc kháng sinh thương mại Năm Thái (T.T.S), có thành phần chính (trong 100 mL): Sulfamethoxazole (20,0 g); trimethoprim (4,0 g).

2.6.2 Chuẩn bị điện cực Điện cực làm việc là điện cực Glassy Carbon (GC) có đường kính 3mm được mài bóng bằng bột nhôm oxit trước khi sử dụng, điện cực so sánh Ag/AgCl và điện cực phụ trợ Platin. Điện cực mạch in (SPE) được mua từ hãng Dropsens, Code: DS 110 Được sử dụng để tích hợp vào trong hệ vi lưu bằng công nghệ ghép theo module.

2.6.3 Phương pháp điện hóa (sử dụng kỹ thuật đo sóng vuông - SWV)

Các phương pháp tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng điện hóa được thực hiện với hệ gồm ba điện cực gồm điện cực làm việc (GCE), điện cực so sánh Ag/AgCl và điện cực đối là điện cực Platin với hệ đo bằng máy Autolab Còn với hệ đo bằng máy Palm Sen 3 , Hình 2.5, sử dụng điện cực SPE Các thí nghiệm điện hóa đều được thực hiện tại nhiệt độ 25 0 C.

Hình 2.5.Máy đo điện hoá đa năng cầm tay PalmSens3.

Các bước tiến hành đo SWV được mô tả như sau:

Bước 1: Chuẩn bị hóa chất

Pha dung dịch đệm phosphate (PBS) có pH = 7: chuẩn bị NaH 2 PO 4 4,851g và Na2HPO4 11,302g, sau đó thêm vào 800 mL nước, khuấy đều rồi định mức tới

Cân 0,0126 g SMX dạng bột, thêm vào 2 mL methanol để hòa tan SMX (nếu không tan hết thì cho vào máy siêu âm), sau đó định mức tới 100 mL.

Bước 2: Chuẩn bị điện cực

Mài điện cực, điện cực GC phải được mài sạch trước khi đo để đảm bảo không có các thành phần khác bám vào bề mặt điện cực, làm cho kết quả không chính xác.

Lấy 25ml dung dịch PBS, sau đó quét SWV để ổn định dòng với các thông số như sau: khoảng điện thế 0,3-1,2 V; bước nhảy 0,001; tốc độ quét 50 mV/s.

Bước 4: Quét DPV với dung dịch SMX

Chuẩn bị 12 mẫu SMX với các nồng độ lần lượt là (4; 8; 20; 40; 60; 80; 100; 120; 140; 160; 180; 200) μM tương ứng với các thể tích (0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5) mL Sau khi lấy SMX tiếp tục thêm PBS sao cho tổng mỗi mẫu lấy là 25 mL Sau đó tiến hành quét SWV theo thứ tự nồng độ từ thấp đến cao với các thông số như quét với PBS ở Bước 3

Bước 5 Lập đường chuẩn I - C (nồng độ SMX)

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Thiết kế hệ vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính

3.1.1 Thiết kế hệ vi kênh cho chip vi dòng

Hình 3.1 là thiết kế Mask cho chip vi dòng với kết cấu đơn giản, gồm dòng vào, dòng ra và vùng tích hợp điện cực SPE.

Hình 3.1 Mask cho chip vi dòng có kết cấu đơn giản: Vi kênh với 1 đường vào và

1 đường ra (Trái); Vi kênh với 3 đường vào và 1 đường ra (Phải) Đây là kết quả ban đầu cho thiết kế chip vi dòng ở các kết cấu phức tạp khác.

Hình 3.2 Mask cho chip vi dòng với kết cấu phức tạp với các kích thước vi kênh khỏc nhau: 250 àm (Phải); 500 àm (Trỏi).

Hình 3.2 là kết quả của thiết kế mask cho chip vi dòng có kết cấu phức tạp, gồm ba dòng vào, dòng ra, vùng khuấy trộn và vùng tích hợp điện cực SPE với kích thước kênh chính là 250 μm và 500 μm.

Vi kênh gồm: khu vực bơm các chất lỏng bao gồm ba đường vào, phần tiếp xúc giữa các pha lỏng trong kênh hình thành dòng chảy, phần chứa những hạt lỏng sau khi chúng được tạo ra Mask được thiết kế với độ phân giải cao 6000 dpi Với độ phân giải cao như vậy, các điểm uốn của kênh sẽ rất trơn, không có gờ khi chế tạo bằng quang khắc Sau khi được thiết kế, kênh được in bằng công nghệ in phun.

Kết quả chế tạo hệ chíp vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính

Hình 3.3 mô tả sơ đồ chế tạo kênh PDMS bằng kỹ thuật đúc và ảnh chụp của hệ kênh sau khi gắn đế thỷ tinh Hệ điện cực SPE có bề mặt biến tính, sau khi được đổ một lớp PDMS có chiều dày đúng bằng chiều dày của điện cực, sẽ được gắn vào hệ kênh vi dòng bằng kết cấu cơ khí như được biểu diễn trên Hình 3.6.

Hình 3.3 Chế tạo kênh PDMS bằng kỹ thuật đúc;(a) Tạo khuôn bằng vật liệu cảm quang SU - 8; (b) Tiến hành đổ PDMS lê khuôn và thực hiện đóng rắn; (c) Tách kênh PDMS ra khỏi khuôn; (d) Đục lỗ tạo đường vào và ra cho kênh; (e) Vi kênh sau khi chế tạo.

Hình 3.4 Mô tả thiết kế hệ vi kênh bằng PDMS bao gồm hai phần chính: Phần vi kênh bằng vật liệu PDMS được chế tạo gồm 2 phần; Phần chứa vi kênh (phần phía trên) và phần đế chứa vị trí đặt điện cực SPE (phần phía trên).

Hình 3.4 Mô tả thiết kế vi kênh khi ghép với điện cực SPE Điện cực SPE trước khi đưa vào tích hợp được tạo lớp bảo vệ bề mặt điện cực và phần nối điện bằng một lớp PDMS để cố định lên đế thuỷ tinh Quá trình đổPDMS lên điện cực SPE được tiến hành tương tự như quá trình chế tạo hệ vi kênh đã được trình bày trong mục 2.1.5 của Chương 2 Kết quả chế tạo vi kênh được trình bày trong Hình 3.5.

Hình 3.5 Mô tả các thành phần cấu thành lên hệ chip vi dòng tích hợp điện cực SPE (a) Phần đế phía dưới chứa điện cực; (b) Phần vi kênh phía trên chứa các vi kênh dẫn dòng chất lỏng; (c) Hệ chíp vi dòng hoàn thiện với 3 đầu vào và 1 đầu ra.

Chế tạo hệ ghép nối vi kênh, hệ điện cực SPE bằng cơ cấu cơ khí Kết cấu này được chế tạo bằng vật liệu Plexiglass, gồm 2 tấm được cắt CNC kích thước 6x8 cm tạo hình vừa với cấu trúc của hệ vi dòng Kết cấu này được mô tả như trong Hình 3.6 với kết cấu này hệ điện cực SPE và vi kênh bằng PDMS được giữ chặt giữa hai tấm Plexiglass Điện cực SPE được đổ một lớp PDMS để bảo vệ điện cực và phần nối điện

Hình 3.6 Sơ đồ ghép vi kênh bằng cơ cấu ghép cơ khí

Sau khi tích hợp chip vi dòng và điện cực SPE, tiến hành nối dòng vào và dòng ra của hệ vi kênh để dẫn chất lỏng với hệ van điều khiển đa dòng sau đó kết nối với bơm vi lượng, Hình 3.7.

Hình 3.7 Chip vi dòng tích hợp điện cực SPE và hệ thống hoàn chỉnh để phân tích SMX

Kết quả khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện cực glassy cacbon (GCE)

3.3.1 Kết quả tổng hợp rGO bằng phương pháp điện hóa trên điện cực GCE.

Kết quả tổng hợp rGO bằng phương pháp điện hóa trên điện cực GCE được thể hiện trên Hình 3.8.

Hình 3.8 Phổ CV quá trình khử GO của điện cực GC/GO trong dung dịch đệm

PB 0,2M, khoảng quét thế từ -0,7 đến 0,5 V; tốc độ quét 50mV/s, 5 vòng

Ta có thể quan sát thấy peak xuất hiện ở giá trị - 0,25 V Chứng tỏ có quá trình khử rGO làm mất đi một số nhóm chức có chứa oxi như hydroxyl (- OH),epoxy (-O-), cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) ở trên bề mặt điện cực GCE đã được phủ rGO.

Từ vòng quét thứ hai trở đi cường độ các peak khử của rGO giảm dần và cường độ dòng điện I tăng lên cho thấy khả năng dẫn điện của điện cực tăng lên. Ởcác vòng quét thứ 4 và thứ 5 thể hiện sự ổn định của bề mặt điện cực, điều này là rất cần thiết cho quá trình tổng hợp vật liệu trên bề mặt điện cực, có thể thấy rGO đã được khử thành công và còn ít các nhóm chức chứa oxi, mục tiêu của khử rGO là loại bỏ các nhóm chức trên bề mặt của rGO, chuyển các C-sp 3 thành C-sp 2

Hình 3.9 Mô tả quá trình khử GO thành rGO

Sau quá trình khử GO bằng phương pháp CV như mô tả trên Hình 3.10, phần lớn các nhóm chức đã bị khử tạo thành graphen dạng rGO, làm cho điện cực được bền và ổn định hơn, bên cạnh đó tính dẫn điện của hệ điện cực đã tăng lên.

Khi so sỏnh tớn hiệu đối với chất được nhận biết SMX nồng độ 40 àM giữa điện cực GCE và điện cực GCE/rGO, có thể thấy tín hiệu nhận biết đã tăng lên đáng kể từ đỉnh peak tại đường (c) so với (a) trên Hình 3.10.

Hình 3.10 Tín hiệu SWV của điện cực (a) GCE/rGO, (b) GCE/GO, và (c) điện cực trần GCE với SMX 40 àM, (d) điện cực GCE/rGO trong đệm PB 0,2M.

Cường độ tín hiệu nhận biết SMX tại tại điểm thế 0,9 V của điện cực GCE/rGO cao hơn GCE trần, điều này cho thấy khả năng dẫn điện của điện cực GCE/rGO này cho thấy sự có mặt của rGO ảnh hưởng mạnh tới khả năng phân tích SMX. Đó là do rGO với khả năng linh động điện tử và độ dẫn điện cao đã tăng hoạt tính điện hóa của bề mặt điện cực, giúp tăng khả năng trao đổi điện tử, do đó tín hiệu điện hóa của SMX trên điện cực GCE/rGO có thể nhận biết rõ ràng Bên cạnh đó ta cũng thấy điện cực phủ rGO đã được khử cho tín hiệu detect SMX tốt hơn so với graphen oxit (GO) chưa được khử Điều này cũng cho thấy GO đã được khử thành công, phần lớn các nhóm chức có chứa oxy đã được loại bỏ.

3.3.2 Kết quả tổng hợp màng polydopamin lên điện cực GCE/rGO

Quá trình trùng hợp polydopamin được thể hiện trong Hình 3.11. Ởvòng quét thế đầu tiên, cường độ dòng điện tăng từ khoảng thế +0,12 V và có đỉnh tại + 0,27 V cho thấy quá trình oxy hóa monome DA hình thành nên các gốc tự do có hoạt tính là tiền đề cho sự phát triển mạch Tại các đường cong CV tiếp theo, xuất hiện cặp peak tại -0,17/-0,23 là đặc trưng cho hoạt tính điện hóa của DA trong đệm PB, chứng tỏ màng polyme DA đã hình thành trên điện cực Sự tăng mật độ dòng sau mỗi vòng quét của quá trình trùng hợp là chứng tỏ quá trình phát triển màng polyme ngày một hoàn thiện và dày hơn trên bề mặt điện cực.

Hình 3.11 Đường cong CV quá trình trùng hợp màng PDA trên điện cực GCE/rGO với 9 vòng quét, tốc độ quét 50 mV/s, nồng độ DA 10 mM trong dung dịch đệm PB 2,0 M.

Tuy nhiên, với số vòng quét bằng 9, độ dẫn điện của hệ điện cực giảm, kéo theo tốc độ quá trình giảm do màng PDA không dẫn điện Do vậy, thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của số vòng PDA đến hiệu quả làm việc của điện cực chỉ dừng lại ở 9 vòng Trong đó, màng PDA được trùng hợp lên các điện cực với số vòng quét 3, 6 và 9 vòng với cùng điều kiện Kết quả đều cho thấy màng polyme đã được hình thành và phát triển trên bề mặt điện cực SPE/rGO Sau đó, tiến hành tổng hợpCuNPs lên các điện cực và xác định SMX trong dung dịch đệm PB bằng phương pháp SWV để đánh giá hiệu quả của các điện cực ứng với số vòng quét tổng hợp PDA khác nhau (Hình 3.12).

GCE/rGO/PDA trong PB Ι(à Α )

Hình 3.12 Tín hiệu SWV của điện cực GCE/rGO/PDA với SMX

40 àM +PB và đệm PB cú số vũng tổng hợp màng PDA là 3; 6; 9 vòng.

Nhận thấy khi tổng hợp polyme ở 3 vòng thì tín hiệu điện hóa là cao nhất mà vẫn đảm bảo được tính dẫn điện và độ ổn định của điện cực GCE/rGO/PDA Với số vòng quét lớn hơn, chiều dày của lớp PDA lớn hơn làm giảm tính dẫn điện của lớp màng vật liệu Do vậy, điện phân PDA 3 vòng được sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo.

3.3.3 Kết quả tổng hợp CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA

Kết quả tổng hợp CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA được thể hiện trên Hình 3.13. Ι(àΑ)

Hình 3.13 Các đường CV của quá trình tổng hợp CuNPs lên điện cực GCE/rGO/PDA trong dung dịch CuSO 4 3mM + H 3 BO 3 0,1M ở khoảng thế -1,2 V đến + 1,0 V; 5 vòng quét, tốc độ quét 30mV/s Đường quét thế vòng tuần hoàn CV cho thấy quá trình tổng hợp CuNPs lên

+0,5V/-0,4V của đồng trên bề mặt điện cực Vai trò của các lớp rGO, PDA và của hạt CuNPs cũng được khẳng định thông qua việc so sánh hiệu quả nhận biết SMX của điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs với các điện cực tham chiếu khác (Hình 3.14).

Hình 3.14 Tín hiệu dòng điện theo phương pháp xung sóng vuông (SWV) của điện cực (a) GCE/rGO/PDA-CuNPs, (b) GCE/CuNPs và (c) điện cực trần GCE với SMX 40àM, (d) đệm PB 0,2 M

Tín hiệu dòng điện khi xác định SMX của điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs, cao hơn gấp hơn 4 lần so với điện cực trần GCE và gấp 2 lần tín hiệu của điện cực GCE/CuNPs Sự dịch chuyển của đỉnh pic cho thấy có sự thay đổi trên bề mặt điện cực, cũng như thấy được đặc tính dẫn điện tốt của CuNPs Bên cạnh đó tín hiệu của điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs là tốt nhất cho thấy sự cải thiện tốt khả năng dẫn điện và sự tương tác tốt với lớp PDA trong biến tính bề mặt điện cực, mang đến cơ hội phát triển các hệ vật liệu này.

Các điều kiện về tổng hợp hạt nano đồng (CuNPs) như số vòng quét và tốc độ quét thế CV khi tổng hợp, từ đó tìm được các điều kiện phù hợp cho quá trình tổng hợp vật liệu rGO/PDA-CuNPs phục vụ cho mục đích biến tính bề mặt điện cực. Như vậy, qua khảo sát quá trình biến tính bề mặt điện cực GCE bằng hệ vật liệu gồm rGO/PDA-CuNPs ta thu được các điều kiện tổng hợp vật liệu cơ bản như sau:

-Đối với rGO: Khoảng thế từ -0,7 đến 0,5 V; tốc độ quét 50mV/s, 5 vòng

-Đối với PDA: Khoảng thế từ -0,9 V đến + 0,9 V, tốc độ quét 50mV/s, 3 vòng

- Đối với hạt nano Cu (CuNPs): khoảng thế -1,2 V đến +1,0 V; tốc độ quét 30mV/s; 5 vòng quét.

Các điều kiện tổng hợp này sẽ được áp dụng cho phần sau để thực hiện cho việc biến tính bề mặt điện cực SPE.

3.3.4 Đặc trưng điện hóa của điện cực GCE biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs. a Khảo sát độ ổn đinh và khả năng dẫn điện của hệ vật liệu trên nền điện cực GCE.

Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA- CuNPs

Với các điều kiện tìm được đối với hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs, thực hiện quá trình biến tính điện cực SPE với chú ý về tạo điện cực giả so sánh bạc sulphat bằng cách đưa vào hệ dung dịch Na 2 SO 4 để tạo môi trường chất điện ly và anion

SO4 2- cho điện cực Kết quả cho thấy sự thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến sự biến tính điện cực SPE bằng hệ vật liệu đã chọn, trên cơ sở các kết quả từ nghiên cứu trên hệ điện cực GCE Một số yếu tố cũng được khảo sát để kiểm tra lại điều kiện phù hợp cho quá trình biến tính, cho thấy hệ điện cực đạt hiệu quả tốt tại điều kiện tổng hợp như trên sơ đồ Hình 2.3. Đồng thời, các hệ điện cực SPE, SPE/rGO, SPE/CuNPs, SPE/rGO/PDA và SPE/PDA-CuNPs cũng được chế tạo để so sánh để làm rõ vai trò của các thành phần trong hệ vật liệu.

Khi khảo sát đặc trưng điện hóa của các vật liệu này và xác định diện tích bề mặt điện hoạt theo phương trình Randles-Sevcik (Phương trình 3.1) Trong đó, điều kiện và thông sô phù hợp để tính toán trong phương trình này với điều kiện khi thực hiện trên nền điện cực SPE:

- I pa là cường độ dòng tại vị trí pic;

- n là số điện tích trao đổi trong phản ứng oxi hóa khử (n = 1);

- v là tốc độ quét thế vòng (V/s);

- A là diện tích bề mặt hiệu dụng (cm 2 );

- C là nồng độ mol của K4[Fe(CN)6] pha trong dung dịch (D = 6,5.10 -6 cm 2 /s).

Kết quả thí nghiệm và tính toán cho thấy bề mặt điện hoạt của các điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs; SPE/CuNPs; SPE/rGO/CuNPs và SPE/PDA-CuNPs có giá trị lần lượt là 19,1 mm 2 ; 18,8 mm 2 ; 16,1 mm 2 ; 11,8 mm 2 so với diện tích hình học của điện cực SPE là 12,5 mm 2 Như vậy, sự có mặt của PDA làm giảm tính dẫn điện của hệ vật liệu trong khi sự có mặt rGO làm tăng hiệu quả của vật liệu Ngoài ra, diện tích bề mặt của vật liệu trên nền SPE đều có giá trị lớn hơn so với trên nền điện cực GCE Điều này có thể giải thích là do bề mặt của điện cực SPE được chế tạo bằng kỹ thuật in lưới nên có độ xốp lớn hơn so với điện cực GCE (có độ ép và nén cao).

Sự có mặt của CuNPs trong hệ vật liệu được khẳng định thông qua kết quả EDX (Bảng 3.3), ảnh SEM và phổ EDX của vật liệu trên hệ điện cực SPE (Hình 3.18).

Bảng 3.3 Kết quả đo EDX của các hệ điện cực SPE/rGO; SPE/rGO/PDA và

Hệ điện cực SPE/rGO SPE/rGO/PDA SPE/rGO/PDA-

Nguyên tố Khối Nguyên Khối Nguyên Khối Nguyên lượng, % tử, % lượng, %tử, % lượng, % tử, %

Hình 3.18 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của hệ điện cực SPE/rGO/PDA-

Từ Bảng 3.3 và Hình 3.18 ta thấy, trên điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs, hàm lượng Cu chiếm 3.88 % (nguyên tử), đồng nghĩa với việc khẳng định sự có mặt của

Cu trên bề mặt điện cực Tuy nhiên, với hai hệ điện cực SPE/rGO/PDA và SPE/rGO/PDA-CuNPs, ta không thấy sự xuất hiện của nguyên tố N, đó là do màng polydopamin trong cả hai điện cực quá mỏng, do vậy tỉ lệ của N trong các hệ vật liệu này rất nhỏ, không xuất hiện trong thành phần các nguyên tố của các hệ này.

Hình 3.19 Ảnh SEM của bề mặt các điện cực (A) SPE/rGO/PDA-CuNPs; (B)

SPE/rGO/PDA; (C)SPE/rGO; và (D) SPE Ảnh SEM (Hình 3.19) của các hệ điện cực SPE/rGO/PDA-CuNPs, SPE/rGO/PDA, SPE/rGO; và SPE cho thấy các hạt nano đồng CuNPs (các cụm màu sáng), kích thước 400 - 600 nm bám trên bề mặt của lớp rGO (Hình 3.19 A), trong khi sự có mặt của lớp PDA gần như không quan sát được do lớp này quá mỏng (Hình 3.19.B so với Hình 3.19.C không khác biệt nhiều) Lớp rGO rất mỏng và dẫn điện tốt được phủ lên bề mặt vật liệu cacbon của điện cực SPE. Hình 3.20 biểu diễn phổ hồng ngoại của hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs và các hệ vật liệu đối chiếu rGO/CuNPs, rGO/PDA và GO.

140 rGO/PDA-CuNPs rGO/CuNPs rGO/PDA

Tr an sm itt an ce 100

Hình 3.20 Phổ hồng ngoại FTIR của các hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs, rGO/CuNPs, rGO/PDA và GO

Quan sát phổ FTIR của GO cho thấy có sự tồn tại của nhóm cacbonyl – C O tại 1623 cm -1 [28] Pic tại 1396 cm -1 đặc trưng cho sự tồn tại của liên kết C–O. Pic tại 1051 cm -1 đặc trưng cho liên kết C-O-C [29].

Ngoài ra pic 3410 cm -1 đặc trưng cho sự có mặt của các nhóm -OH [29]. Quá trình tổng hợp PDA là thành công thể hiện bởi pic đặc trưng của liên kết -

NH tại 1643 cm -1 [28] Trong khi đó, pic ở vị trí 603 cm -1 , được gán cho liên kết Cu-O [30], do tương tác giữa CuNPs với nhóm OH của polydopamin hoặc với nhóm – COOH vẫn còn trong rGO Điều này cho thấy vai trò của PDA trong quá trình điện phân kết tủa CuNPs lên bề mặt điện cực.

Khi nghiên cứu tính thấm ướt của hệ vật liệu khi phủ các lớp khác nhau lên bề mặt điện cực, ta thấy rõ sự thay đổi gây ra bởi các hệ vật liệu này, Hình 3.21.

Hình 3.21 Góc tiếp xúc θ (góc thấm ướt) của các 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 lần lượt giảm dần từ 116,8 đến 72,0; 36,5 và14,2 tương ứng với điện cực SPE trần, điện cực phủ lần lượt các lớp rGO, PDA vàCuNPs Điều này là do khi tổng hợp các lợp vật liệu lên sẽ thay đổi bề mặt vật liệu, với vật liệu Như vậy, vật liệu rGO chứa các nhóm chức chứa oxi chưa bị khử hết và PDA chứa các nhóm chức OH và NH 2 có khả năng tương tác với nước, khiến góc thấm ướt giảm, đồng nghĩa với tính thấm ướt của bề mặt điện cực tăng LớpCuNPs có tính thấm ướt nước tốt nhất do tương tác giữa kim loại và nước rất tốt.

Ứng dụng hệ chip vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính trong nhận biết kháng sinh sulfamethoxazole

Thực nghiệm xác định sulfamethoxazole (SMX) có trong dung dịch đệm PB bằng hệ vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính được biểu diễn trên sơ đồ thí nghiệm Hình 3.7.

Trên nền điện cực SPE đã biến tính với vật liệu rGO/PDA-CuNPs, để xác định hàm lượng/dư lượng kháng sinh SMX được thực hiện trên cơ sở các thông số thực nghiệm như sau:

- Đường chuẩn với cỏc nồng độ SMX từ 4 - 200 àM

-Mẫu thử nghiệm: mẫu thuốc kháng sinh thương mại Năm Thái (T.T.S), có thành phần chính (trong 100 mL): Sulfamethoxazole (20,0 g); trimethoprim (4,0 g).

- Phương pháp xung sóng vuông (SWV).

- Khoảng quét thế từ 0,2 - 1 V, tốc độ quét thế 50 mV/s

- Hệ vi dòng tích hợp điện cực SPE đã biến tính

-Tốc độ bơm mẫu 100 àL/phỳt

Kết quả cho thấy tín hiệu điện hóa theo phương pháp SWV tăng dần theo sự tăng của nồng độ của dung dịch SMX chuẩn, Hình 3.22.

Hình 3.22 (A) Tín hiệu SWV sử dụng hệ vi dòng tích hợp điện cực

SPE/rGO/PDA-CuNPs với các nồng độ SMX khác nhau và (B) đường chuẩn cường độ dũng điện theo nồng độ SMX (4 àM - 200 àM), và tớn hiệu của mẫu

Kết quả trên Hình 3.22 cho thấy tín hiệu đáp ứng tuyến tính trong khoảng nồng độ từ 4 - 200 àM Trờn cơ sở Hỡnh 3.22 A, cho phộp xõy dựng đường chuẩn nồng độ (C) - cường độ dòng điện (I) Từ đó xác định được giới hạn phát hiện (LOD) đối với SMX là 1,5 àM.

Ngoài ra, khi thử nghiệm ban đầu với mẫu thuốc chứa SMX thực tế (thuốc kháng sinh đường tiêm T.T.S Năm Thái, của công ty thú y Năm Thái) được lựa chọn mẫu ở hai giỏ trị nồng độ của SMX là 20 và 50 àM Thuốc được hoà tan trong đệm PB, sau đó được bơm vào hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hoá với lưu lượng 10 àL/phỳt Kết quả trờn hỡnh Hỡnh 3.23 cho thấy xuất hiện pick ở giỏ trị điện thế E = 0,66 V, I = 11,14 àA tương tự khi xõy dựng đường chuẩn (Hỡnh 3.22).

Kết quả đo hàm lượng SMX trong mẫu thuốc thương mại (T.T.S) với hệ số hồi phục 98,5 %.

Hình 3.23 Tín hiệu SWV sử dụng hệ vi dòng tích hợp điện cực SPE/rGO/PDA- CuNPs với các nồng độ SMX trong mẫu thực T.T.S Năm Thái với hàm lượng giả định 20 và 50 àM.

Sau mỗi lần đo, hệ được bơm dung dịch đệm PB vào rửa và quét điện cực bằng phương pháp SWV để loại bỏ SMX dư sau phân tích.