Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HĨA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HĨA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ Chun ngành: Hóa phân tích Mã số:60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Vân Anh THÁI NGUYÊN - 2017 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình TS Nguyễn Vân Anh suốt thời gian học tập vừa qua thời gian thực luận văn Xin trân trọng ghi ơn q Thầy Cơ, Thầy Cơ khoa Hóa Trường Đại Học Khoa Học Thái Nguyên nhiệt tình dạy kiến thức, phương pháp nghiên cứu công cụ hỗ trợ đắc lực cho trình làm luận văn nghiên cứu tương lai người sau chúng em Xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, anh chị em đồng nghiệp thủ trưởng quan động viên giúp đỡ, làm chỗ dựa tinh thần cho ngày học làm luận văn, cảm ơn bạn Cảm ơn anh chị em lớp Cao học Hóa Phân tích K9B tương trọ cho tơi trịn trình học tập nghiên cứu Luận văn hỗ trợ kinh phí từ đề tài Bộ Giáo dục Đào tạo mã số B2014-01-65 Trântrọng cảm ơn Học viên Vũ Khánh Tùng a MỤC LỤC Danh mục ký hiệu viết tắt a Mục lục b Danh mục bảng d Danh mục hình e MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề dư lượng thuốc BVTV nông sản 1.2 Nhóm chất BVTV họ lân hữu 1.3 Cảm biến sinh học điện hóa 1.3.1 Cảm biến Enzyme 10 1.3.2 Cảm biến miễn dịch (immunosensors) 14 1.4 Polyme dẫn điện 16 1.4.1 Giới thiệu tổng quát polyme dẫn điện 16 1.4.2 Polyanilin (PANi) 19 1.4.3 Polypyrrol (PPy) 21 1.4.4 Các phương pháp tổng hợp điện hóa polyme dẫn điện 23 1.5 Tính hình nghiên cứu nước cảm biến điện hóa sinh học 26 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 28 2.1 Thực nghiệm 28 2.1.1 Thiết bị, dụng cụ 28 2.1.2 Hóa chất sử dụng 29 2.1.3 Lựa chọn hệ cảm biến nghiên cứu đặc trưng 30 2.2 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng cảm biến 31 2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) [61] 31 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.2.3 Phương pháp điện hóa phân tích nồng độ chất 33 2.2.4 Các phương pháp phân tích 35 a CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Tổng hợp điện hóa màng PANi đặc trưng tính chất 39 3.1.1 Biến tính kỹ thuật von-apme vịng (CV) 39 3.1.2 Đặc trưng cấu trúc màng PANi phổ FT-IR 40 3.1.3 Hành vi điện hóa điện cực PANi/SPE 41 3.1.4 Phổ Raman điện cực PANi-Gr/SPE 41 3.2 Cố định điện hóa Enzym AChE màng PANi - Gr 43 3.3 Các đặc trưng bề mặt cảm biến điện hóa trước/sau biến tính 44 3.4 Ứng du ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c điện hóa tích hơ ̣p xác đinh ̣ dư lươ ̣ng thuố c BVTV 46 3.4.1 Thử nghiệm hoạt tính enzyme cố định điện cực 46 3.4.2 Xác định điểm hoạt động tối ưu cảm biến 46 3.4.3 Thử nghiệm xác định thuốc BVTV 48 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 b DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AChE ADC Acetylcholinesterase Direct current BChE BuChE Butyrylcholinesterase Butyrylcholinesterase BVTV ChE CV Bảo vệ thực vật Cholinesterase Vôn - ampe vòng (Cyclic voltammetry) EIS ELISA Phổ tổng trở (Electrochemical Impedance Spectroscopy) enzyme-linked immunosorbent assay FE-SEM FT-IR Hiển vi điện tử quét trường phát xạ (Field Emission Scanning Electron Microscope) Fourier transform infrared spectroscopy GA GC GPRS Glutaraldehylde Điện cực than thủy tinh (Glassy carbon) General Packet Radio Service Gr HPLC ISFET LNT Graphen High Performance Liquid Chromatography Transito nhạy ion hiệu ứng trường (Ion Selective Field Effect Transistor) Phịng thí nghiệm công nghệ nano (Laboratory of Nanotechnology MEMS MOSFET MRL Hệ vi điện tử (Micro ElectroMechanical System) Transitor hiệu ứng trường kim loại-oxit (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) Mức giới hạn tối đa (Maximum Residue Limit) MS MWCNTs OP P(1,5DAN) PANi PBS Ppy PS Khối phổ (Mass spectrometry) Ống nano bon đa vách (Multi-walled carbon nanotubes) Lân hữu (organophosphate) Poly(1,5-Diaminonaphthalene) Polyaniline Phosphate Buffered Saline Polypyrrole Potential static SEM SWV TCVN Scanning electron microscope Square wave voltammetry Tiêu chuẩn Việt Nam c DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các điều kiện phân ly MS/MS: 37 Bảng 3.1 Kết phân tích nước 50 Bảng 3.2 Kết phân tích rau 51 d DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Các phương pháp sử dụng để xác định thuốc bảo vệ thực vật (giai đoạn 2005 - 2011) Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cảm biến sinh học Hình 1.3 Số cơng bố khoa học liên quan đến chủ điểm cảm biến sinh học xác định thuốc BVTV từ 1989 tới 2011 (theo thống kê Thomson Reuters Web of Science) Hình 1.4 Các mơ hình cảm biến sinh học xác định chất BVTV nghiên cứu 10 Hình 1.5 Mơ hình ức chế xúc tác enzyme thuốc BVTV Hình phía trên: khơng có chất BVTV; Hình phía dưới: có chất BVTV [13]11 Hình 1.6 Mơ hình ức chế enzyme AChE xác định chất BVTV 11 Hình 1.7 Mơ hình chế tạo cảm biến enzym xác định chất BVTV 12 Hình 1.8 Cảm biến sinh học phân tích thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) 14 Hình 1.9 Mơ hình cảm biến ATZ dựa thay đổi tín hiệu signaloff/signal- on màng poly(JUG-HATZ) [32] 16 Hình 1.10 Một số polyme dẫn điện tử điển hình 17 Hình 1.11 Polyme oxy hóa khử 17 Hình 1.12 Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridin) 18 Hình 1.13 Cơ chế hình thành PANi từ Ani phương pháp điện hóa [38] 20 Hình 1.14 Cơng thức tổng qt PANi 21 Hình 1.15 Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [38] 22 Hình 1.16 Mơ tả q trình trùng hợp điện hóa PPy hệ ba điện cực 23 Hình 2.1 Hệ đo điện hóa Palmsen thiết bị tích hợp phần mềm đo điện hóa 28 Hình 2.2 Hệ điện cực mạch in tích hợp thương mại hãng Dropsens® (http://www.dropsens.com) 28 Hình 2.3 Đồ thị qt tuyến tính đa chu kỳ 33 e Hình 2.4 Quan hệ điện dòng điện phương pháp CV 34 Hình 2.5 Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn nước 35 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn rau 35 Hình 2.7 Khối phổ (MS) mẫu Methamidophos 37 Hình 3.1 Phổ trùng hợp điện hóa PANi theo phương pháp CV 39 Hình 3.2 Phổ FT-IR PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa 40 Hình 3.3 Hành vi điện hóa điện cực PANi/SPE tổng hợp theo kỹ thuật (a) dung dịch HCl 1M 41 Hình 3.4 Phổ Raman màng Graphene, PANi PANi/Graphene 42 Hình 3.5 Ảnh FE-SEM màng PANi/Graphene cố định AChE theo phương pháp liên kết đồng hóa trị sử dụng glutaraldehyde (a) phóng đại 10.000 lần (b) phóng đại 50.000 lần 43 Hình 3.6 Phổ CV vi điện cực điện hóa dung dịch K3[Fe(CN)6] 44 Hình 3.7 Phổ SWV vi điện cực trước sau cố định 45 Hình 3.8 Ghi nhận phản ứng enzyme-cơ chất bề mặt điện cực phương pháp quét V = + 300 mV 46 Hình 3.9 Đường đáp ứng dòng điện cực AChE/PANi-Gr/SPE dung dịch PBS thêm chất ATCh 47 Hình 3.10 Đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc tín hiệu 47 Hình 3.11 Phát thuốc trừ sâu họ lân hữu sử dụng cảm biến điện hóa AChE phương pháp áp 48 Hình 3.12 Đường chuẩn xác định dư lượng thuốc BVTV họ lân hữu sử dụng cảm biến điện hóa AChE phương pháp áp 49 f MỞ ĐẦU Ngày nay, hoạt động sản xuất nông nghiệp địi hỏi lượng lớn hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) nhằm kiểm sốt trùng, vi khuẩn, cỏ dại… bảo vệ mùa màng Một điều rõ ràng rằng, với phân bón hóa học, thuốc BVTV (bao gồm thuốc trừ cỏ, thuốc trừ bệnh, thuốc kích thích sinh trưởng thuốc trừ sâu) góp phần đảm bảo an ninh lương thực phát triển ổn định kinh tế-xã hội Tuy nhiên, tình trạng sử dụng thiếu kiểm sốt sai mục đích chất BVTV gây ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường sinh thái sức khỏe người Hầu hết loại thuốc BVTV hợp chất hữu khó phân hủy, có khả tích lũy sinh học, tham gia vào chuỗi thức ăn Do đó, vấn đề kiểm soát sử dụng thuốc BVTV đặc biệt sản phẩm nông sản trở thành vấn đề có tính tồn cầu khơng nước Việc kiểm soát dư lượng thuốc BVTV phương pháp dụng cụ thích hợp khơng góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe người mà góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý Về bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn sử dụng để xác định dư lượng chất BVTV sản phẩm nông sản phương pháp phân tích sắc ký khí sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS HPLC/MS-MS) sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis Tuy nhiên, phương pháp có đặc điểm thời gian phân tích lâu, phức tạp, địi hỏi nhiều kỹ phân tích, khơng thể thực trường Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) ứng dụng để xác định dư lượng chất BVTV dựa nguyên lý kháng nguyên - kháng thể Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh nhược điểm xác phức tạp, linh hoạt phải phụ thuộc vào hóa chất nhà sản xuất Do vậy, việc tìm phương pháp phân tích thuận tiện mục tiêu nhiều nghiên cứu giới Các 3.3 Đặc trưng điện hóa cảm biến điện hóa trước/sau biến tính Tính chất điện hóa bề mặt điện cực điện hóaTính chất điện hóa vi điện cực tích hợp nghiên cứu - đánh giá phương pháp quét tuần hoàn môi trường điện ly mạnh (dung dịch K 3[Fe(CN)6] 0,1M (Hình 3.6) 15 CV of integrated electrochemical microelectrode 10 I /A -5 -10 -15 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 E /V Hình 3.6 Phổ CV vi điện cực điện hóa dung dịch K3[Fe(CN)6] Phổ CV vi điện cực thể cặp peak ơxi hóa-khử đối xứng vị trí 0,1-0,2V, cường độ dòng đạt khoảng 12 A Các đường CV có độ lặp lại tốt sau lần đo Như vậy, vi điện cực tích hợp chế tạo có bề mặt điện hóa ổn định, tín hiệu tốt, có khả ứng dụng tốt cảm biến sinh học điện hóa Tính chất điện hóa bề mặt vi điện cực tích hợp quy trình tổng hợp - chức hóa cố định vật liệu để tạo thành cảm biến sinh học nghiên cứu phổ xung sóng vng nhằm hạn chế ảnh hưởng điện áp đặt vào vật liệu sinh học, tăng độ nhạy tín hiệu Đáp ứng dịng vi điện cực điện hóa thể Hình 3.7 44 600 500 (1) PANi/Gr (2) PANi/Gr + Glutaraldehyde (3) PANi/Gr-Glu + Enzyme AChE (4) PANi/Gr-Glu-AChE + 0.1mM AChCl (1) 400 I /A (2) 300 200 (4) 100 (3) -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 E /V vs Ag/AgCl Hình 3.7.Phổ SWV vi điện cực trước sau cố định chức hóa bề mặt vật liệu khác Đường (1): Màng PANi gắn Graphene Đường (2): Màng PANi gắn Graphene ủ glutaradehit Đường (3): Màng PANi gắn Graphene ủ glutaradehit sau gắn enzyme AChE Đường (4): Màng PAN gắn Graphene ủ glutaradehit sau gắn enzyme AChE, có chất AChCl 0,1mM Nhận thấy quét SWV màng PANi gắn graphene màng hoạt động điện hóa bình thường Khi ủ glutaraldehyde có tạo liên kết màng polyme glutaraldehyde, glutaraldehyde khơng có tính chất hoạt động điện hóa hiệu ứng che lấp bề mặt màng nên tín hiệu SWV đường giảm, thể tính chất điện hóa bề mặt cảm biến giảm tương ứng Khi tiếp tục gắn tiếp enzyme lên màng tổ hợp có thêm lớp che chắn bề mặt đường hoạt động điện giảm tiếp tục quét SWV Nhưng cho chất AChCl vào phản ứng chất enzyme sinh điện tử ion H + nên tính chất điện hóa bề mặt cảm biến thay đổi, tín hiệu hoạt động điện hóa tăng lên 45 3.4 Ứng du ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c điện hóa tích hơ ̣p xác đinh ̣ dư lươ ̣ng th́ c BVTV Cảm biến lựa chọn (SPE biến tính PANi tổ hợp với Graphen, PANi-Gr/SPE) ứng dụng phát đo nồng độ thuốc trừ sâu họ lân hữn -(bằng phương pháp chất ức chế enzyme) dung dịch phân tích Để nghiên cứu hướng ứng dụng cảm biến, tiến hành: (1) Thử nghiệm hoạt tính enzyme cố định điện cực; (2) Xác định điểm hoạt động tối ưu cảm biến đường chuẩn chất; (3) Thử nghiệm ức chế thuốc BVTV lên enzyme (4) Xây dựng đường chuẩn xác định thuốc BVTV 3.4.1 Thử nghiệm hoạt tính enzyme cố định điện cực Hoạt tính enzyme gắn cố định điện cực thử nghiệm với nồng độ chất (ATCh) 50 µM môi trường đệm PBS Sự thủy phân chất vị trí hoạt động enzyme bề mặt cảm biến ghi nhận hai phương pháp áp (+0,3 V) quét Điều khẳng định enzyme gắn cố định điện cực giữ hoạt tính Hình 3.8 Ghi nhận phản ứng enzyme-cơ chất bề mặt điện cực phương pháp quét V = + 300 mV 3.4.2 Xác định điểm hoạt động tối ưu cảm biến Việc xác định dư lượng thuốc BVTV (nhóm lân hữu – methamidophos) sử dụng cảm biến enzyme dựa ức chế thuốc BVTV tới hoạt tính enzyme Tín hiệu liên quan đến hoạt hóa enzyme 46 mạnh thuận tiện cho việc theo dõi độ giảm độ hoạt hóa có mặt thuốc BVTV Điểm hoạt động tối ưu Hình 3.9 Đường đáp ứng dịng điện cực AChE/PANi-Gr/SPE dung dịch PBS thêm chất ATCh Do đó, việc xác định nồng độ chất bão hịa, nồng độ chất mà tín hiệu thu nhận giữ giá trị không đổi màng enzyme phản ứng hồn tồn với chất, đóng vai trò quan trọng hoạt động cảm biến enzyme Do vậy, tiến hành xây dựng đường chuẩn chất cảm biến trước tiến hành phép đo ức chế enzyme Trên sở đường chuẩn chất, ta xác định vùng điểm hoạt động tối ưu cảm biến (nồng độ chất mà cảm biến hoạt động tốt nhất) I (nA) Đường chuẩn chất Điểm hoạt động tối ưu CATCh (M) Hình 3.10 Đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc tín hiệu đáp ứng vào nồng độ chất 47 Hình 3.10 mơ tả đường chuẩn chất ATCh từ mẫu chuẩn cảm biến enzyme Sự đáp ứng dòng điện đối điện áp + 300 mV quan sát khoảng nồng độ chất tăng từ tới 900 µM Đồng thời ta thấy nồng độ cảu chất tiến đến giá trị khoảng mMthì tín hiệu dịng thu đạt giá trị bão hịa tín hiệu đáp ứng ổn định Cảm biến hoạt động tốt khoảng nồng độ khoảng 50 - 100 µM, khoảng nồng độ tín hiệu máy đo tuyến tính Ngoài thử nghiệm khảo sát hoạt động cảm biến điểm xa (trên 100 µM) nhận thấy dấu hiệu chậm hoạt động cảm biến có chất ức chế Và hiển nhiên, vùng nồng độ thấp (< 50 µM) cho tín hiệu ban đầu thấp, khơng thuận tiện cho phép đo xác định nồng độ TTS sau 3.4.3 Thử nghiệm xác định thuốc BVTV Trong nghiên cứu này, tiến hành thử nghiệm khả phát thuốc BVTV cảm biến chế tạo với số thuốc thử nghiệm thuộc dòng lân hữu (Methamidophos) Thử nghiệm tiến hành phương pháp áp thế + 300 mV(Hình 3.11) Sự có mặt thuốc trừ sâu dung dịch thử biểu thông qua ức chế phản ứng enzyme với chất, nói cách khác sụt dịng đường áp Độ dốc đường suy giảm cường độ dịng điện đường áp có mặt thuốc trừ sâu tỉ lệ với nồng độ thuốc trừ sâu Hình 3.11 Phát thuốc trừ sâu họ lân hữu sử dụng cảm biến điện hóa AChE phương pháp áp 48 3.4.3.1 Xây dựng đường chuẩn xác định dư lượng thuốc BVTV Các lưu ý sử dụng cảm biến, Cảm biến chế tạo (đã biến tính) phải tuân thủ bước sử dụng - Mỗi loại thuốc BVTV xây dựng số liệu đường chuẩn riêng ứng với cảm biến Giá trị lưu sẵn máy đo - Cảm biến chế tạo biến tính trước bảo quản tủ lạnh (nhiệt độ ~ 4oC, Khơng để bị đóng đá) Và kéo dài vịng tháng Sử dụng ngày sau lấy khỏi tủ bảo quản Các kết xây dựng đường chuẩn thuốc BVTV họ lân hữu (Methamidophos) xác định sau: Hình 3.12 Đường chuẩn xác định dư lượng thuốc BVTV họ lân hữu sử dụng cảm biến điện hóa AChE phương pháp áp Mỗi điện cực sử dụng, đường chuẩn xây dựng nạp vào máy đo Trong phép đo, độ ức chế tương đối thuốc bảo vệ thực vật lên enzyme xác định từ cho phép xác định nồng độ thuốc bảo vệ thực vật có mẫu đo 49 3.4.3.2 So sánh kết đo thiết bị chế tạo với kết đo phương pháp HPLC Để đánh giá độ xác tin cậy phép đo dư lượng thuốc bảo vệ thực vật thiết bị chế tạo, tiến hành so sánh đối chiếu phép đo hai phương pháp Quy trình chuẩn bị mẫu chuẩn rau nên nước điều kiện phân tích methamidophos sử dụng sắc khí- khối phổ sử dụng hệ thiết bị chế tạo mô tả chi tiết mục 2.2.4 Mẫu cần đo chuẩn bị đồng thời đưa vào hai thiết bị đo (HPLC thiết bị chế tạo) Kết phân tích cho thấy, phép đo tiến hành cảm biến chế tạo có sai số lớn so với phương pháp HPLC nằm giới hạn cho phép (sai số 15%) Nói cách khác, kết phân tích thiết bị mà nhóm đề tài chế tạo đáng tin cậy Sai số lớn phép đo với cảm biến enzyme khó tránh khỏi thay đổi định hoạt tính enzyme theo điều kiện đo Trong phương pháp HPLC-MS, phép đo tiến hành dựa cường độ fragment 94 methamidophos Trong phương pháp này, hệ số hồi qui đạt tới 0.9998 Nói cách khác, kết đo đạc phân tích máy HPLC có độ xác cao đạt tiêu chuẩn Trong phương pháp thử nhanh, phép đo tiến hành dựa độ ức chế tương đối methamidophos lên enzyme Các kết phân tích methamidophos mẫu nước mẫu rau hai phương pháp HPLC thiết bị chế tạo trình bày bảng bên Bảng 3.1 Kết phân tích nước Nồng độ thực (ppm) 10 20 50 Nồng độ đo HPLC (ppm) 1.18 (±2.7%) 5.11 (±1.2%) 9.74 (±0.7%) 19.65 (±0.4%) 50.18 (±0.9%) Nồng độ đo từ cảm biến (ppm) 0.7 (±5.5%) 4.9 (±9.3%) 12.1 21.4 (±12.3%) (±14.2%) 49.1 (±5.9%) 50 Bảng 3.2 Kết phân tích rau Nồng độ thực (ppm) Nồng độ đo HPLC (ppm) Nồng độ đo thiết bị chế tạo (ppm) 10 20 50 1.29 5.09 10.08 19.01 50.36 (±2.9%) (±1.1%) (±0.5%) (±0.4%) (±0.3%) 0.8 4.8 12.5 21.4 49.5 (±5.9%) (±9.6%) (±12.1%) (±14.3%) (±6.3%) Như vậy, khả sử dụng cảm biến để xác định dư lượng methamidophos kiểm nghiệm So sánh kết phân tích mẫu chuẩn sử dụng phương pháp HPLC hệ cảm biến chế tạo chứng tỏ độ tin cậy hệ đo Thiết bị chế tạo cho phép xác định dư lượng methamidophos dải nồng độ từ tới 50 ppm với giới hạn đo 0.5 ppm So với phương pháp HPLC, thiết bị tự chế tạo có sai số cao Tuy nhiên, khía cạnh sang lọc nhanh đo đạc, định lượng trực tiếp trường thiết bị cảm biến điện hố chế tạo có ưu điểm trội so với phương pháp sắc ký HPLC thông thường (do không yêu cầu trang thiết bị cồng kềnh đắt tiền phép đo HPLC phịng thí nghiệm) 51 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG - Trên sở điện cực mạch in tích hợp carbon (SPE) thương mại biến tính bề mặt polymer dẫn Polyanilin tổ hợp với graphen Các đặc trưng bề mặt điện cực xác định để từ tìm điều kiện tối ưu cho ứng dụng phân tích độc tố thuốc bảo vệ thực vật họ lân hữu rau - Để tăng hiệu cho trình cố định thành phần sinh học enzym AChE thơng qua liên kết đồng hóa trị với tác nhân glutaraldehyt, Graphen chọn vật liệu lai ghép với màng Polyanilin để tăng độ dẫn tăng độ nhạy cảm biến - Trên sở phương pháp ức chế enzym, cố định thành công Enzym AchE lên bề mặt màng PANi-Gr, từ ứng dụng làm cảm biến sinh học phân tích dư lượng thuốc trừ sâu methmidophos theo nguyên tắc ức chế enzym Các kỹ thuật điện hóa vơn-ampe vịng dịng-thời gian áp dụng để đo phân trăm ức chế enzym AChE Methamidophos - Giới hạn phân tích dư lượng thuốc BVTV cảm biến thấp (từ - 50 ppm, giới hạn đo đến 0,5 ppm) có độ tin cậy cao thơng qua so sánh với phương pháp đại khác (HPLC) Định hướng luận văn:tiếp tục tối ưu hóa điệu kiện lựa chọn cảm biến (về loại polyme dẫn, điều kiện biến tính khác sử dụng vật liệu lai ghép có tính đột phá) để đa dạng hóa khả phân tích nhiều họ thuốc BVTV khác nhau, hướng đến tăng độ nhạy cảm biến Bên cạnh đó, cần có nghiên cứu kết hợp với phương pháp làm giàu chất phân tích để tăng độ nhạy cảm biến 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Hùng Việt, T T L., Hoàng Thị Tuệ Minh Dư lượng thuốc trừ sâu số hồ điển hình miền Bắc Việt Nam, Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học2003, T 8, 45-50 [2] Hàm, Đ., Hóa chất dùng nơng nghiệp sức khỏe cộng đồng,, NXB Lao động Xã hội, Hà Nội, 2007 [3] Eaton, A D., Franson, M A H., Association, A P H., Association, A W W., and Federation, W E., Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, American Public Health Association, 2005 [4] Hernández, F., Sancho, J V., and Pozo, O J.,Critical review of the application of liquid chromatography/mass spectrometry to the determination of pesticide residues in biological samples, Analytical and Bioanalytical Chemistry2005, 382, 934-946 [5] Buonasera, K., D’Orazio, G., Fanali, S., Dugo, P., and Mondello, L.,Separation of organophosphorus pesticides by using nano-liquid chromatography, J Chromatogr A2009, 1216, 3970-3976 [6] Gui, W J., Jin, R Y., Chen, Z L., Cheng, J L., and Zhu, G N.,Hapten synthesis for enzyme-linked immunoassay of the insecticide triazophos, Analytical Biochemistry2006, 357, 9-14 [7] Skerritt, J H 1998, In Seeking agricultural produce free of pesticide residues: proceedings of an international workshop held in Yogyakarta, Indonesia, 17-19 February 1998, pp 37-45 Australian Centre for International Agricultural Research [8] Lâm, T Đ., Cảm biến sinh học điện hóa-Nguyên lý, vật liệu ứng dụng, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2014 [9] Nguyễn Hải Bình, N L H., Nguyễn Văn Chúc, Ngô Thị Thanh Tâm, Nguyễn Văn Tú, Mai Thị Thu Trang, Nguyễn Tuấn Dung, Nguyễn Vân Anh, Đỗ Phuc Quân, Vũ Đình Lãm, Trần Đại Lâm Cảm biến sinh học: Một số kết nghiên cứu bước đầu Viện Khoa học vật liệu, Tạp chí Khoa học Công nghệ2013, T.51, 128-148 [10] Clark, L C., and Lyons, C.,Electrode Systems for Continuous Monitoring in Cardiovascular Surgery, Annals of the New York Academy of Sciences1962, 102, 29-45 53 [11] Kirsch, J., Siltanen, C., Zhou, Q., Revzin, A., and Simonian, A.,Biosensor technology: recent advances in threat agent detection and medicine, Chemical Society Reviews2013, 42, 8733-8768 [12] Liu, S., Zheng, Z., and Li, X.,Advances in pesticide biosensors: current status, challenges, and future perspectives, Anal Bioanal Chem2013, 405, 63-90 [13] Vargas-Bernal, R., Herrera-Pérez, G., and Rodríguez-Miranda, E., Evolution and Expectations of Enzymatic Biosensors for Pesticides, 2012 [14] Pundir, C S., and Chauhan, N.,Acetylcholinesterase inhibition-based biosensors for pesticide determination: A review, Analytical Biochemistry2012, 429, 19-31 [15] Song, Y., Zhang, M., Wang, L., Wan, L., Xiao, X., Ye, S., and Wang, J.,A novel biosensor based on acetylecholinesterase/prussian blue– chitosan modified electrode for detection of carbaryl pesticides, Electrochimica Acta2011, 56, 7267-7271 [16] Dong, J., Fan, X., Qiao, F., Ai, S., and Xin, H.,A novel protocol for ultratrace detection of pesticides: Combined electrochemical reduction of Ellman's reagent with acetylcholinesterase inhibition, Analytica Chimica Acta2013, 761, 78-83 [17] Ivanov, A N., Evtugyn, G A., Gyurcsányi, R E., Tóth, K., and Budnikov, H C.,Comparative investigation of electrochemical cholinesterase biosensors for pesticide determination, Analytica Chimica Acta2000, 404, 55-65 [18] Du, D., Wang, J., Wang, L., Lu, D., Smith, J N., Timchalk, C., and Lin, Y.,Magnetic Electrochemical Sensing Platform for Biomonitoring of Exposure to Organophosphorus Pesticides and Nerve Agents Based on Simultaneous Measurement of Total Enzyme Amount and Enzyme Activity, Analytical Chemistry2011, 83, 3770-3777 [19] Campanella, L., Eremin, S., Lelo, D., Martini, E., and Tomassetti, M.,Reliable new immunosensor for atrazine pesticide analysis, Sensors and Actuators B: Chemical2011, 156, 50-62 54 [20] Tanimoto de Albuquerque, Y D., and Ferreira, L F.,Amperometric biosensing of carbamate and organophosphate pesticides utilizing screenprinted tyrosinase-modified electrodes, Analytica Chimica Acta2007, 596, 210-221 [21] Anh, T M., Dzyadevych, S V., Van, M C., Renault, N J., Duc, C N., and Chovelon, J.-M.,Conductometric tyrosinase biosensor for the detection of diuron, atrazine and its main metabolites, Talanta2004, 63, 365-370 [22] Deo, R P., Wang, J., Block, I., Mulchandani, A., Joshi, K A., Trojanowicz, M., Scholz, F., Chen, W., and Lin, Y.,Determination of organophosphate pesticides at a carbon nanotube/organophosphorus hydrolase electrochemical biosensor, Analytica Chimica Acta2005, 530, 185-189 [23] Lee, J H., Park, J Y., Min, K., Cha, H J., Choi, S S., and Yoo, Y J.,A novel organophosphorus hydrolase-based biosensor using mesoporous carbons and carbon black for the detection of organophosphate nerve agents, Biosensors and Bioelectronics2010, 25, 1566-1570 [24] Wei, Y., Li, Y., Qu, Y., Xiao, F., Shi, G., and Jin, L.,A novel biosensor based on photoelectro-synergistic catalysis for flow-injection analysis system/amperometric detection of organophosphorous pesticides, Analytica Chimica Acta2009, 643, 13-18 [25] Somerset, V S., Klink, M J., Baker, P G L., and Iwuoha, E I.,Acetylcholinesterase-polyaniline biosensor investigation of organophosphate pesticides in selected organic solvents, Journal of Environmental Science and Health, Part B2007, 42, 297-304 [26] Weinbroum, A A.,Pathophysiological and clinical aspects of combat anticholinesterase poisoning, British Medical Bulletin2004, 72, 119-133 [27] Zhaoxin Geng, L Z., Yanrui Ju, Wei Wang, Zhihong Li 2011, In Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 6th IEEE International, Kaohsiung, Taiwan [28] de Lima, F., Lucca, B G., Barbosa, A M J., Ferreira, V S., Moccelini, S K., Franzoi, A C., and Vieira, I C.,Biosensor based on pequi polyphenol oxidase immobilized on chitosan crosslinked with cyanuric chloride for thiodicarb determination, Enzyme Microb Technol2010, 47, 153-158 55 [29] Campanella, L., Lelo, D., Martini, E., and Tomassetti, M.,Organophosphorus and carbamate pesticide analysis using an inhibition tyrosinase organic phase enzyme sensor; comparison by butyrylcholinesterase + choline oxidase opee and application to natural waters, Anal Chim Acta2007, 587, 22-32 [30] Wang, X., Chen, L., Xia, S., Zhu, Z., Zhao, J., Chovelon, J.-M., and Renaul, N J.,Tyrosinase Biosensor Based on Interdigitated Electrodes for Herbicides Determination, Int J Electrochem Sci.2006, 1, 55-61 [31] Kuusk, E., and Rinken, T.,Transient phase calibration of tyrosinasebased carbaryl biosensor, Enzyme and Microbial Technology2004, 34, 657-661 [32] Tran, H V., Yougnia, R., Reisberg, S., Piro, B., Serradji, N., Nguyen, T D., Tran, L D., Dong, C Z., and Pham, M C.,A label-free electrochemical immunosensor for direct, signal-on and sensitive pesticide detection, Biosensors and Bioelectronics2012, 31, 62-68 [33] Tran, H V., Reisberg, S., Piro, B., Nguyen, T D., and Pham, M C.,Label-Free Electrochemical Immunoaffinity Sensor Based on Impedimetric Method for Pesticide Detection, Electroanalysis2013, 25, 664-670 [34] Plekhanova, Y V., Reshetilov, A N., Yazynina, E V., Zherdev, A V., and Dzantiev, B B.,A new assay format for electrochemical immunosensors: polyelectrolyte-based separation on membrane carriers combined with detection of peroxidase activity by pH-sensitive fieldeffect transistor, Biosensors and Bioelectronics2003, 19, 109-114 [35] Liu, G., Song, D., and Chen, F.,Towards the fabrication of a label-free amperometric immunosensor using SWNTs for direct detection of paraoxon, Talanta2013, 104, 103-108 [36] Mauriz, E., Calle, A., Lechuga, L M., Quintana, J., Montoya, A., and Manclús, J J.,Real-time detection of chlorpyrifos at part per trillion levels in ground, surface and drinking water samples by a portable surface plasmon resonance immunosensor, Analytica Chimica Acta2006, 561, 40-47 [37] Mauriz, E., Calle, A., Abad, A., Montoya, A., Hildebrandt, A., Barceló, D., and Lechuga, L M.,Determination of carbaryl in natural water 56 samples by a surface plasmon resonance flow-through immunosensor, Biosensors and Bioelectronics2006, 21, 2129-2136 [38] Wallace, G G., Teasdale, P R., Spinks, G M., and Kane-Maguire, L A P., Conductive Electroactive Polymers: Intelligent Materials Systems, Second Edition, Taylor & Francis, 2002 [39] Xia, L., Wei, Z., and Wan, M.,Conducting polymer nanostructures and their application in biosensors, J Colloid Interface Sci2010, 341, 1-11 [40] Tian, H C., Liu, J Q., Wei, D X., Kang, X Y., Zhang, C., Du, J C., Yang, B., Chen, X., Zhu, H Y., Nuli, Y N., and Yang, C S.,Graphene oxide doped conducting polymer nanocomposite film for electrode-tissue interface, Biomaterials2014, 35, 2120-2129 [41] Skotheim T.A, Handbook of Conducting Polymers, Second Edition, Taylor & Francis, 1997 [42] Saoudi, B., Jammul, N., Abel, M.-L., Chehimi, M M., and Dodin, G.,DNA adsorption onto conducting polypyrrole, Synthetic Metals1997, 87, 97-103 [43] Livache, T., Roget, A., Dejean, E., Barthet, C., Bidan, G., and Téoule, R.,Biosensing effects in functionalized electroconducting conjugated polymer layers: addressable DNA matrix for the detection of gene mutations, Synthetic Metals1995, 71, 2143-2146 [44] Ricci, F., Zari, N., Caprio, F., Recine, S., Amine, A., Moscone, D., Palleschi, G., and Plaxco, K W.,Surface chemistry effects on the performance of an electrochemical DNA sensor, Bioelectrochemistry2009, 76, 208-213 [45] Dai, Y., Li, X., Lu, X., and Kan, X.,Voltammetric determination of paracetamol using a glassy carbon electrode modified with Prussian Blue and a molecularly imprinted polymer, and ratiometric read-out of two signals, Microchimica Acta2016, 183, 2771-2778 [46] Li, Y., Liu, J., Liu, M., Yu, F., Zhang, L., Tang, H., Ye, B.-C., and Lai, L.,Fabrication of ultra-sensitive and selective dopamine electrochemical sensor based on molecularly imprinted polymer modified graphene@carbon nanotube foam, Electrochemistry Communications2016, 64, 42-45 57 [47] Park, S., Kwon, O., Lee, J., Jang, J., and Yoon, H.,Conducting PolymerBased Nanohybrid Transducers: A Potential Route to High Sensitivity and Selectivity Sensors, Sensors2014, 14, 3604 [48] Meer, S., Kausar, A., and Iqbal, T.,Trends in Conducting Polymer and Hybrids of Conducting Polymer/Carbon Nanotube: A Review, PolymerPlastics Technology and Engineering2016, 55, 1416-1440 [49] Lu, X., Zhang, W., Wang, C., Wen, T.-C., and Wei, Y.,One-dimensional conducting polymer nanocomposites: Synthesis, properties and applications, Progress in Polymer Science2011, 36, 671-712 [50] Nguyen Tuan Dung, Tran Dai Lam, Nguyen Le Huy, Nguyen Hai Binh, and Nguyen Van Hieu.Modified interdigitated arrays by novel poly(1,8diaminonaphthalene)/carbon nanotubes composite for selective detection of mercury (II), Talanta2011, 46(13), 1727-1735 [51] Novoselov K S., Geim A K., Morozov S V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S V., Grigorieva I V., and Firsov A A.,Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science2004, 306, 666-669 [52] Lei, W., Si, W., Xu, Y., Gu, Z., and Hao, Q.,Conducting polymer composites with graphene for use in chemical sensors and biosensors, Microchimica Acta2014, 181, 707-722 58 ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HĨA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ Chun ngành: Hóa phân tích Mã... điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả? ?? Nội dung luận văn tập trung vào việc ứng dụng cảm biến có sở biến tính hệ điện cực sở để thực phép phân tích hóa học sinh học - Nội... cao ứng dụng phân tích Hóa học Sinh học kỳ vọng thay phần hay hồn tồn phương pháp phân tích truyền thống Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài lựa chọn: ? ?Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa