Luận văn Sử dụng phương pháp quang phổ phát hiện aflatoxin trong thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đỗ Thị Lan SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT HIỆN ĐỘC TỐ AFLATOXIN TRONG THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đỗ Thị Lan SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT HIỆN ĐỘC TỐ AFLATOXIN TRONG THỰC PHẨM Chuyên ngành: Vật Lý chất rắn Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS: Nguyễn Thanh Bình Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “sử dụng phương pháp quang phổ phát độc tố aflatoxin thực phẩm” PGS.TS Nguyễn Thanh Bình hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tơi Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực khơng chép cơng trình người khác Nếu có sai sót tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng 09 năm 2019 Học viên Đỗ Thị Lan i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thanh Bình – người thầy tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tơi q trình thực luận văn! Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy cơ, cán phịng Viện Vật Lý – Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực hồn thiện luận văn! Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình tơi, bạn bè đồng nghiệp – người bên cạnh động viên giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn này! Trong q trình thực luận văn, kiến thức cịn hạn chế khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy Cơ để tơi hồn thiện luận văn này! ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1: TỔNG QUAN VỀ AFLATOXIN 1.1.1: Khái niệm loại aflatoxin 1.1.1.1: Khái niệm aflatoxin 1.1.1.2: Lịch sử phát aflatoxin 1.1.1.3: Điều kiện gây nhiễm bẩn aflatoxin 10 1.1.1.4: Các dạng aflatoxin chuyển hóa chúng 12 1.1.2: Cấu tạo hóa học tính chất aflatoxin B1 13 1.1.2.1: Cấu tạo hóa học aflatoxin B1 13 1.1.2.2: Tính chất aflatoxin B1 14 1.1.3: Độc tính chế gây bệnh aflatoxin B1 15 1.1.3.1: Độc tính aflatoxinB1 15 1.1.3.2: Cơ chế gây bệnh aflatoxin B1 15 1.2: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN AFLATOXIN 17 1.2.1: Phương pháp sử dụng kít thử nhanh độc tố nấm mốc aflatoxin 17 1.2.2: Phương pháp sử dụng sắc ký kết hợp phổ khối 17 1.2.2.1: Phương pháp sắc ký lớp mỏng (Thin layer chromatography – TLC) 17 1.2.2.2: Phương pháp sắc ký lớp mỏng hiệu cao (high ferformane thin layer chromatography – HPTLC) 18 1.2.2.3: Phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao (high ferformane liquid chromatography – HPLC) 19 1.3: PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ PHÁT HIỆN AFLATOXIN 19 1.3.1: Khái niệm tượng truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) 20 1.3.2 Cơ sở lý thuyết hiệu ứng FRET [8], [27] 22 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 27 2.1: CHUẨN BỊ MẪU 27 2.1.1: Aflatoxin B1 27 2.1.2: Chấm lượng tử bán dẫn CdSe/ ZnS 27 2.2 PHỔ HẤP THỤ UV – VIS 28 2.3: PHỔ HUỲNH QUANG 31 2.4: PHỔ HUỲNH QUANG PHÂN GIẢI THỜI GIAN SỐNG 32 2.4.1 Quang phổ phân giải thời gian thời gian sống phát quang 32 2.4.2 Cấu tạo nguyên lý kỹ thuật hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1: TÍNH CHẤT QUANG CỦA AFLATOXIN B1 39 3.2: TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe/ZnS 40 3.3: TRUYỀN NĂNG LƯỢNG HUỲNH QUANG CỘNG HƯỞNG CỦA AFLATOXIN VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe/ZnS 41 3.4: THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH AFLATOXIN TRONG NGÔ 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT *: Trạng thái kích thích A: Acceptor AFB1: Aflatoxin B1 D: Donor ELISA: Enzyme – linked Immunosorbent Assay FDA: Cục Dược Phẩm Thực Phẩm Hoa Kỳ FRET: Truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang HPLC: Phương pháp sắc ký lỏng cao áp HPTLC: Phương pháp sắc ký lớp mỏng hiệu cao IAC: Vincam Aflatest P ml Ml: Microgam/ kg PBS: Phosphate buffer solution TCSPC: Đếm đơn photon tương quan thời gian TLC: Phương pháp sắc ký lớp mỏng SILAR: Successive ionic layer adsorption and reaction UV – Vis: Phổ hấp thụ vùng tử ngoại- khả kiến DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các giới hạn tối đa hàm lượng aflatoxin thực phẩm Bảng 1.2: Các giới hạn tối đa (ML) theo quy định y tế Việt Nam Bảng 2.1: Chuẩn bị mẫu aflatoxin B1 – CdSe/ZnS Bảng 3.1: Thời gian sống huỳnh quang mẫu aflatoxin B1-CdSe/ZnS bước sóng 435 nm 545 nm DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Aspergillus flavus Hình 1.2: Aspergillus parasiticus Hình 1.3: Một số loại nơng sản bị nhiễm aflatoxin Hình 1.4: Cấu tạo hóa học số loại aflatoxin Hình 1.5: Cấu tạo hóa học aflatoxin B1 Hình 1.6: Mơ hình hiệu ứng FRET Hình 1.7: Giản đồ Jablonski mơ tả hiệu ứng FRET Hình 1.8: Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang cặp chất donor accepter Hình 1.9: Hiệu suất truyền lượng FRET vẽ hàm khoảng cách cặp donor – acceptor, khoảng cách R0 khoảng cách mà hiệu suất truyền 50% Hình 1.10: Quang phổ huỳnh quang donor accepter dung dịch hỗn hợp donor – accepter Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí hệ đo hấp thụ quang học UV – VIS Hình 2.2: Máy đo quang phổ UV – VIS Hình 2.3: Sơ đồ ngun lí máy quang phổ kế huỳnh quang Cary Hình 2.4: Máy đo phổ huỳnh quang Cary Hình 2.5: Ngun lí tổng qt kỹ thuật TCSPC Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát hệ TCSPC Hình 3.1: Phổ hấp thụ huỳnh quang Aflatoxin B1 Hình 3.2: Phổ hấp thụ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/ZnS Hình 3.3: Phổ hấp thụ (a); phổ huỳnh quang (b) mẫu aflatoxin B1 với tỉ lệ hàm lượng khác Hình 3.4: Đường cong suy giảm huỳnh quang aflatoxin B1 – CdSe/ZnS với tỉ lệ khác đo bước sóng 435 nm (a) 545 nm (b) kích thích bước sóng 405 nm Hình 3.5: Xác định nồng độ aflatoxin B1 theo thời gian sống huỳnh quang Hình 3.6: Phổ huỳnh quang trạng thái dừng aflatoxin B1 chiết suất từ ngơ STOP Modul nhận tín hiệu từ đầu thu MCP , xử lý đưa vào máy tính thơng qua giao tiếp USB - Phần mền thu nhận điều khiển xủa lý số liệu điều khiển, đặt thông số đo của hệ đo bước sóng, thời gian tích phân … Ex Sample Monochrom -ator or PD or PMT Ultra short pulse laser Stop pulse CFD PMT TDC TTL Em Amp CFD Computer Reader and communication card Start pulse Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát hệ TCSPC Hệ TCSPC hoạt động sau: Xung laser qua gương chia, phần dùng kích thích mẫu, phần dùng làm xung trigger so sánh Tín hiệu ánh sáng từ mẫu phát quang hội tụ qua filter qua máy đơn sắc để thu ánh sáng đơn sắc Hệ quang học điều chỉnh phù hợp để tín hiệu ánh sáng tới đầu thu photon đơn lẻ Tín hiệu đơn photon chuyển thành xung tín hiệu điện từ đầu thu, sau khuếch đại qua khối tiền khuếch đại đến CFD Toàn hệ quang đầu thu phải đặt buồng tối để tránh nhiễu ánh sáng bên Bộ CFD cho phép trigger lấy mẫu nhanh với độ xác ổn định cao Xung tín hiệu từ CFD chuyển thành xung TTL đến khối TDC với vai trị xung start (nếu sử dụng TAC phải có thêm chuyển đổi tương tự sỐ - ADC) Phần laser sử dụng để tạo xung so sánh thu đầu thu nhanh (như PIN photodiode) Xung so sánh sau qua tách xung (discriminator theo phương pháp leading-edge CFD) chuyển đổi thành xung TTL đến TDC với vai trò xung stop Khối TDC đo thời gian 37 từ xung start đến xung stop, liệu thời gian chuyển sang dạng tín hiệu số ghi vào nhớ Card đọc ghi liệu, chuyển sang máy tính để máy tính dựng lại biểu đồ theo thời gian cường độ Hệ huỳnh quang phân giải thời gian sử dụng hệ đo Viện vật lý sử dụng laser kích thích bước sóng 505 nm, độ rộng xung 100 ps, tần số lặp lại 4MHz, modun đếm đơn photon Picoharp có độ phân giải tới 2ps, sử dụng đầu thu ống nhân quang điện đa vi kênh Hamamatsu R3890 Độ phân giải chung hệ 35 ps 38 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1: TÍNH CHẤT QUANG CỦA AFLATOXIN B1 Phổ hấp thụ huỳnh quang Aflatoxin B1 trình bày hình 3.1 Phổ hấp thụ trạng thái aflatoxin B1 cho thấy diện dải hấp thụ mạnh bước sóng 360 nm, ngồi số cơng bố khác cịn có đỉnh hấp thụ yếu vùng bước sóng 254 nm Tuy nhiên, gới hạn nghiên cứu nghiên cứu vùng khả kiến nên phổ bước sóng 300 nm Phổ phát xạ huỳnh quang aflatoxin B1 phụ thuộc vào môi trường dung môi, nghiên cứu cho thấy đỉnh phổ huỳnh quang aflatoxin thay đổi từ 393 nm môi trường benzen tới 440 nm môi trường PBS (Phosphate buffer solution) Trong trường hợp sử dụng dung môi methanol đỉnh huỳnh quang aflatoxin B1 quan sát thấy 435 nm, phổ huỳnh quang đối xứng gương với phổ hấp thụ trạng thái có cực đại 360 nm 60 0.3 0.2 20 PL Intensity Absorption 40 0.1 0.0 300 350 400 450 500 550 600 650 Wavelength (nm) Hình 3.1 Phổ hấp thụ huỳnh quang Aflatoxin B1 39 3.2: TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe/ZnS Sau chế tạo hai chấm lượng tử CdSe/ZnS cấu trúc lõi/vỏ khảo sát tính chất hệ đo huỳnh quang hấp thụ hồng ngoại khả kiến, phổ hấp thụ phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/ZnS cho thấy hình 3.2 Phổ hấp thụ CdSe/Zn có đỉnh hấp thụ 520 nm (2.37 eV) dải hấp thụ mạnh 490 nm (2.51 eV) Giá trị lượng vùng cấm quang tương ứng với đỉnh hấp thụ thứ phổ hấp thụ Đỉnh phát huỳnh quang 545 nm (2.26 eV) E g  1.74  0.89  0.36 * D  0.22 * D (3.1) Khi nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử, Zeger Hens [27] đưa công thức xác định độ rộng vùng cấm quang chấm lượng tử CdSe với cấu trúc tinh thể dạng lập phương giả kẽm từ kết thực nghiệm (công thức 3.1) Sử dụng cơng thức 3.1 để xác định kích thước hạt D trung bình chấm lượng tử dựa vào lượng vùng cấm E g tính từ kết phổ hấp thụ chấm lượng tử Kết thu chấm lượng tử CdSe/ZnS sử dụng có kích thước trung bình 3.5 nm 0.25 120 100 0.20 60 0.10 40 0.05 0.00 300 PL Intensity Absorption 80 0.15 20 350 400 450 500 550 600 650 Wavelength (nm) Hình 3.2 Phổ hấp thụ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/ZnS 40 3.3: TRUYỀN NĂNG LƯỢNG HUỲNH QUANG CỘNG HƯỞNG CỦA AFLATOXIN VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe/ZnS Hình 3.3 Phổ hấp thụ (a) phổ huỳnh quang (b) mẫu aflatoxin B1 với tỉ lệ hàm lượng khác Mẫu aflatoxin B1 chuẩn bị theo nồng độ khác mơi trường có chấm lượng tử CdSe/ZnS nhằm xác định đường chuẩn theo nồng độ sở truyền lượng Aflatoxin B1 chấm lượng tử CdSe/ZnS Để xác định tương tác truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang Aflatoxin B1 chấm lưởng tử CdSe/ZnS, hình 3.3 trình bày phổ hấp thụ 41 phổ huỳnh quang mẫu aflatoxin B1 – CdSe/ZnS với tỉ lệ hàm lượng khác bảng 2.1 Phổ hấp thụ mẫu aflatoxin B1 – CdSe/ZnS đặc trưng đỉnh hấp thụ aflatoxin B1 360 nm CdSe/ZnS 520 nm dải hấp thụ mạnh từ tử ngoại tới 500 nm với CdSe/ZnS từ tử ngoại tới 450 nm với mẫu có aflatoxin B1 Các mẫu có chứa aflatoxin B1 CdSe/ZnS xuất đỉnh 360 nm 520 nm với cường độ đỉnh 520 nm không đổi, cường độ đỉnh 360 nm giảm dần theo hàm lượng aflatoxin B1 mẫu Mẫu có aflatoxin B1 (M6) có đỉnh hấp thụ 360nm; mẫu có CdSe/ZnS (M0) có đỉnh 520 nm Tương tự vậy, phổ huỳnh quang đặc trưng đỉnh phát xạ 435 nm aflatoxin B1 535 – 545 nm CdSe/ZnS Với mẫu không chứa aflatoxin B1 đỉnh phát xạ huỳnh quang 535 nm, có aflatoxin B1 đỉnh phát xạ dịch tới 545 nm Sự dịch đỉnh thay đổi trạng thái bề mặt chấm lượng tử có mặt aflatoxin B1, đồng thời cường độ huỳnh quang mẫu giảm cường độ huỳnh quang 435 nm aflatoxin B1 mẫu tăng Phổ phát xạ aflatoxin B1 (hình 3.3b) chồng chập lên vùng hấp thụ chấm lượng tử (hình 3.3a) Đây điều kiện để xảy tượng truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang Theo nghiên cứu aflatoxin B1, đỉnh phổ hấp thụ phát xạ aflatoxin B1 phụ thuộc vào môi trường dung môi, đỉnh phổ phát xạ thay đổi từ 398 nm, 418 nm, 438nm… tùy thuộc môi trường dung môi benzene, lipid… hay phosphate buffer solution (PBS) Hiệu suất truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang hồn tồn tính từ thay đổi cường độ huỳnh quang (hình 3.3b) Tuy nhiên hình vẽ thấy cường độ huỳnh quang tương đối yếu có thăng giáng đáng kể vị trí đỉnh Hơn để khẳng định có tương tác trao đổi truyền lượng cộng hưởng huỳnh quang, phải có thay đổi thời gian sống huỳnh quang, chúng tơi đo đường cong suy giảm huỳnh quang để phân tích đánh giá FRET thông qua thời gian sống huỳnh quang 42 Hình 3.4 Đường cong suy giảm huỳnh quang aflatoxin B1 – CdSe/ZnS với tỉ lệ khác đo bước sóng 435 nm (a) 545nm (b), kích thích bước sóng 405 nm Hình 3.4 cho thấy đồ thị đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu aflatoxin B1 – CdSe/ZnS với tỉ lệ khác đo bước sóng phát xạ flatoxin B1 435nm (hình 3.4a) bước sóng phát xạ CdSe/ZnS 545nm (hình 3.4b) Thời gian sống huỳnh quang hạt tải trạng thái kích thích tính cách làm khớp (fit) đường cong suy giảm huỳnh quang theo hàm exponent Trường hợp mẫu có q trình tái hợp (trường hợp đơn phân tử) fit đường suy giảm huỳnh quang theo hàm exponent đơn 43 Trường hợp có nhiều q trình tái hợp xảy mẫu cần phải fit đường cong theo hàm bi-exponent, trip-exponent…hoặc hàm trung bình stretch – exponent Nhìn vào đồ thị hình 3.4 a, 435 nm – bước sóng phát xạ aflatoxin B1, mẫu có nồng độ aflatoxin B1 lớn (M6, M1, M2) đường cong suy giảm huỳnh quang giảm theo hàm exponent đơn, đó, mẫu có nồng độ aflatoxin B1 nhỏ, cường độ huỳnh quang yếu, đường cong suy giảm huỳnh quang có đóng góp đáp ứng hệ đo (