Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh
- 74 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng
tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong
phân tích dư lượng kháng sinh
PHẠM THỊ LỰU
[email protected]
Ngành Hóa học
Giảng viên hướng dẫn: TS. Cao Hồng Hà
Chữ ký của GVHD
Viện: Kỹ thuật Hóa học
HÀ NỘI, 10/2022
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng
dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
i
Lời cảm ơn
Với tất cả sự trân trọng và cảm kích, em xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới
TS. Cao Hồng Hà và TS. Nguyễn Vân Anh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, các thầy cô và cán bộ nghiên cứu
trong Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm
nghiên cứu năng lượng và nano (NEC) - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã
tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ và động viên em trong thời gian thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các cấp Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ
- Bộ Công an đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn.
Cảm ơn đề tài Nafosted mã số 104.99-2018.357 đã hỗ trợ kinh phí cho nghiên
cứu chính của luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, các bạn học viên lớp
20BHH đã giúp đỡ, động viên, chia sẻ trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn.
ii
Tóm tắt nội dung luận văn
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn đến dư
lượng cao trong chăn nuôi đang là vấn đề báo động trong xã hội và có ảnh hưởng
xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và nền kinh tế. Vì lợi nhuận và do các tác động
tiêu cực của sự biến đổi khí hậu nên các nhà sản xuất nông, thủy sản vẫn phải sự
dụng một lượng kháng sinh không theo quy định. Do đó, việc tiến hành các phân
tích dư lượng kháng sinh trong nông thủy sản là cần thiết để tầm soát và đưa ra
khuyến nghị cho người tiêu dùng và các nhà quản lý.
Gần đây, hệ vi lưu tích hợp các mô đun chức năng đã và đang được nhiều
nhóm nghiên cứu trên thế giới phát triển. Với mong muốn hệ vi lưu có thể trở thành
một xu hướng mới trong cuộc cách mạng phương pháp phân tích hóa học và y
sinh. Hệ vi lưu này hoạt động dựa trên cơ sở các phương pháp phân tích truyền
thống nhưng được tích hợp các cảm biến (điện hóa, sinh học,…) được thu nhỏ.
Chính vì vậy, hệ thống nhỏ gọn và linh động nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và
rút ngắn thời gian thao tác.
Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo các phương
pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối (MS), cộng
hưởng từ proton (NMR),… đã được sử dụng và cho kết quả tốt nhưng chi phí cao
và không cơ động. Vì vậy, sự phát triển hoàn thiện các hệ vi lưu tính hợp (buồn vi
phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa,…) và các bộ kiểm tra nhanh đang là xu thế
và được nhiều nhà khoa học quan tâm.
2. Mục đích của đề tài
- Thiết kế và chế tạo hệ vi kênh bằng vật liệu Poly(dimethylsiloxane) – PDMS tích
hợp hệ cảm biến điện hóa biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs đặc hiệu
cho phân tích kháng sinh sulfomethoxazone trong dung dịch bằng các phương pháp
điện hóa.
3. Nội dung của luận văn, các vấn đề cần giải quyết
Thiết kế và chế tạo hệ vi lưu tích hợp các mô đun chức năng (khuấy trộn,
vi buồng phản ứng, tích hợp cảm biến điện hóa,…) trong phân tích dư lượng kháng
sinh nhóm Sulfonamide.
Nghiên cứu quy trình hoàn thiện hệ thống vi lưu trên cơ sở
Polydimethylsiloxane – PDMS bằng phương pháp gắn kênh lên đế có thể tách rời
sau mỗi lần thí nghiệm (reversible bonding). Với mục đích tái sử dụng lại nhiều
iii
lần phần đế đã tích hợp các phần chức năng cho hệ thống, tái sử dụng điện cực,
thực hiện rửa và thay thế nếu cần.
Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa đặc hiệu cho các phân tích kháng
sinh bằng phương pháp điện hóa trên cơ sở vật liệu điện cực tiên tiến
rGO/PDA/CuNPs.
Xác định được dư lượng kháng sinh nhóm Sulfonamide trong các mẫu giả
định và trong các mẫu thực trong chăn nuôi gia súc đảm bảo độ nhạy cao, giải đo
rộng, độ lặp lại đạt tốt của phép đo xác định dư lượng kháng sinh
4. Phương pháp thực hiện
- Thiết kế và chế tạo hệ vi lưu bằng kỹ thuật vi chế tạo trong phòng sạch.
- Biến tính bề mặt điện cực mạch in (SPE) bằng kỹ thuật tổng hợp điện hoá
các hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs trực tiếp trên bề mặt điện cực.
- Thực hiện khảo sát vùng nồng độ tối ưu cho việc xác định khoảng nồng độ
tuyến tính của sulfomethoxazone (SMX) với cường độ dòng điện đáp ứng bằng kỹ
thuật quét sóng vuông (SWV). Từ đó xây dựng được đường chuẩn cường độ dòng
điện – Nồng độ SMX (I – C) để xác định nồng độ của SMX trong mẫu thuôc thực
T.T. S Năm Thái.
- Đánh giá độ lặp lại và xác định giá trị LOD của phép phân tích.
5. Kết quả của luận văn
- Chế tạo thành công hệ chíp vi dòng và kỹ thuật ghép vi kênh với đế chứa
định cực bằng kỹ thuật ghép cơ ký cho phép sử dụng lại hệ vi kênh và điện cực
nhiều lần.
- Bước đầu thử nghiệm trên hệ vi dòng tích hợp điện cực SPE biến tính với
giới hạn phát hiện (LOD) là 1,5 μM với hệ số hồi phục đạt 98,5%.
- Kết quả phân tích hàm lượng thuốc kháng sinh Sulfamethoxazone (SMX)
thương mại (T.T. S) khả quan.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
iv
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 3
1.1 Khái quát về hệ chíp vi dòng....................................................................... 3
1.1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng về kỹ thuật của hệ vi dòng ..... 3
1.1.2 Ưu điểm của hệ vi dòng .............................................................................. 5
1.1.3 Khái niệm thí nghiệm trong một con chíp (LoC)........................................ 6
1.1.4 Mối quan hệ của Microfluidics với các lĩnh vực khác ................................ 7
1.2 Cấu tạo của hệ chíp vi dòng ........................................................................ 9
1.2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo hệ vi dòng ............................................................ 9
1.2.2 Các phần tử cơ bản trong một hệ microfluidic.......................................... 13
1.3 Quy trình chế tạo hệ vi dòng ..................................................................... 15
1.4 Giới thiệu về hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ............................... 18
1.5 Giới thiệu về thuốc kháng sinh và dư lượng thuốc kháng sinh nhóm
Sulfamid .................................................................................................... 20
1.5.1 Cấu tạo chung của nhóm Sulfamid ........................................................... 21
1.5.2 Tính chất vật lí và hóa học của Sulfamid .................................................. 22
1.5.3 Phân loại Sulfamid .................................................................................... 23
1.5.4 Giới thiệu về Sulfamethoxazole (SMX).................................................... 23
1.5.5 Tổng quan về các phương pháp phát hiện dư lượng nhóm Sulfamid ....... 24
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 28
2.1 Chế tạo chip vi dòng.................................................................................. 28
2.1.1 Hóa chất và dụng cụ .................................................................................. 28
2.1.2 Thiết bị ...................................................................................................... 29
2.1.3 Thiết kế và chế tạo mask cho vi lưu .......................................................... 29
2.1.4 Các bước chế tạo khuôn bằng phương pháp quang khắc .......................... 29
2.1.5 Các bước chế tạo hệ vi kênh bằng PDMS ................................................. 30
2.1.6 Hoàn thiện chip vi dòng ............................................................................ 31
2.2 Thiết kế hệ vật liệu cho biến tính bề mặt điện cực làm việc của hệ điện cực
mạch in cacbon (SPE). .............................................................................. 32
v
2.3 Khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện cực glassy
cacbon (GCE). ........................................................................................... 33
2.3.1 Chế tạo vật liệu GO ................................................................................... 33
2.3.2 Chế tạo điện cực biến tính GCE/rGO/PDA/CuNPs .................................. 34
2.4 Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính GCE biến tính bằng hệ vật liệu
rGO/PDA-CuNPs ...................................................................................... 35
2.4.1 Khảo sát độ ổn định và khả năng dẫn điện của hệ vật liệu trên nền điện cực
GCE ........................................................................................................... 35
2.4.2 Diện tích bề mặt điện hóa.......................................................................... 35
2.5 Đặc chưng hình thái học vào cấu trúc vật liệu: ......................................... 36
2.6 Thử nghiệm ứng dụng chip vi dòng tích hợp trong phân tích kháng sinh
bằng phương pháp điện hóa ...................................................................... 36
2.6.1 Hóa chất..................................................................................................... 36
2.6.2 Chuẩn bị điện cực ...................................................................................... 36
2.6.3 Phương pháp điện hóa (sử dụng kỹ thuật đo sóng vuông - SWV)............ 37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................... 39
3.1 Thiết kế hệ vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính .......................... 39
3.1.1 Thiết kế hệ vi kênh cho chip vi dòng ........................................................ 39
3.2 Kết quả chế tạo hệ chíp vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính ...... 40
3.3 Kết quả khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện
cực glassy cacbon (GCE). ......................................................................... 42
3.3.1 Kết quả tổng hợp rGO bằng phương pháp điện hóa trên điện cực GCE. . 42
3.3.2 Kết quả tổng hợp màng polydopamin lên điện cực GCE/rGO ................. 44
3.3.3 Kết quả tổng hợp CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA .......................... 45
3.3.4 Đặc trưng điện hóa của điện cực GCE biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs........................................................................................................ 47
3.4 Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs........................................................................................................ 50
3.5 Ứng dụng hệ chip vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính trong nhận
biết kháng sinh sulfamethoxazole. ............................................................ 54
vi
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................. 56
4.1 Kết luận .......................................................................................................... 56
4.2 Hướng phát triển ............................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 57
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Tỷ lệ tăng trưởng kép hàng
CAGR Compound Annual Growth Rate
năm
Phương pháp cắt được điều
CNC Computer numerical control khiển bằng phần mềm máy
tính
CV Cyclic Votammetry Quét thế vòng
DNA Deoxyribonucleic acid
Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia
EDX
spectroscopy X
Phép phân tích xét nghiệm
Enzyme-linked Immunosorbent
ELISA hấp thụ miễn dịch liên kết
assay
với enzym
Fourier-transform infrared
FTIR Phổ hồng ngoại
spectroscopy
GC Glassy Carbon Thủy tinh cacbon
GO Graphene oxide Graphen oxit
High-performance liquid Phổ sắc ký lỏng hiệu năng
HLPC
chromatography cao
Phòng thí nghiệm trên một
LoC Lab-on-a-Chip
con chip
Micro/Nano Electronic
MEMS/NEMS Hệ vi cơ điện tử
Mechanic Systems
MS Mass spectrometry Phổ khối lượng
NMR Nuclear magnetic resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
PABA Para amino benzoic acid
PDA Polydipamin
PDMS Poly(dymethyl siloxane)
PDV Differential Pulse Voltammetry Quét thế xung vi phân
rGO Reduced graphene Oxide Graphen oxit dạng khử
SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét
SMX Sulfamethoxazole
Điện cực cacbon dạng
SPE Screen printed electrode
mạch in
Epoxy based negative Chất cảm quang âm họ
Su-8
photoresist epoxy
SWV Square Wave Voltammetry Quét thế song vuông
UV Ultra violet Tia cực tím
Tổng số vi phân tích hệ
µTAS Micro Total Analysis System
thống
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các ưu điểm nổi bật của hệ vi dòng [3] ................................................. 6
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi dòng
............................................................................................................... 12
Bảng 3.1. Cường độ pic tín hiệu dòng khi quét CV với tốc độ quét (v) thay đổi
trong dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5 mM trong KNO3 1M .................. 49
Bảng 3.2. Giá trị diện tích bề mặt điện hoạt của các điện cực trên nền GCE ...... 50
Bảng 3.3. Kết quả đo EDX của các hệ điện cực SPE/rGO; SPE/rGO/PDA và
SPE/rGO/PDA-CuNPs.......................................................................... 51
ix
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng của hệ vi dòng, [1] ............ 4
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 Science vào tháng 10 năm 2019 [2]. .................................................. 4
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 Yole
Developpenment). ................................................................................... 5
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. ................................................................................................. 5
Hình 1.5. Phòng thí nghiệm Lab on a chip (Nguồn: https://www.gene-
quantification.de/lab-on-chip-index.html) .............................................. 7
Hình 1.6 Hệ thống microfluidic sử dụng trong phân tích DNA của hãng Agilent 7
Hình 1.7. Mối quan hệ giữa hệ vi dòng và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
[5]. ........................................................................................................... 8
Hình 1.8. Cấu tạo của hệ vi dòng ........................................................................... 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). ...................................................................................... 9
Hình 1.10. Các loại vật liệu chế tạo chip vi dòng, [6]. ........................................ 10
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). ..... 13
Hình 1.12. Một dạng vi kênh đơn giảm chỉ bao gồm 2 đường kết hợp với modun
khấy trộn đơn giản dạng zíc zắc ........................................................... 14
x
Hình 1.13. Một tổ hợp vi kênh phức tạp dùng cho khuấy trộn 2 dòng chất lỏng [7].
............................................................................................................... 14
Hình 1.14. Hệ vi dòng sử dụng đế vừa để gắn vi kênh vừa chứa các bộ phận chức
năng là các điện cực cho phân tích điện hóa (Nguồn:
https://med.stanford.edu/) .................................................................... 15
Hình 1.15 Hệ vi dòng SiGe/Microfluidic tích hợp hệ thống điều khiển các nam
châm điện được bố trí dạng ma trận trên đế, [8]................................... 15
Hình 1.16. Các hệ thống phụ trợ cho một hệ vi dòng sử dụng trong phân tích DNA,
[9]. ......................................................................................................... 15
Hình 1.17. Sơ đồ mô tả quy trình chế tạo khuôn ................................................. 17
Hình 1.18. Hệ phân tích điện hoá đa năng AutoLab (PGSTAT302N) của Hà Lan
............................................................................................................... 18
Hình 1.19. Điện cực dạng mạch in của hãng Dropsens/Metrohm ....................... 18
Hình 1.20. (A) Sơ đồ cấu hình phổ biến nhất của điện cực mạch in. (B) Ví dụ về
điện cực in màn hình thương mại với các cấu hình và thiết kế khác nhau,
[10]. (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....................................................................................................... 19
Hình 1.21. Hệ microfluidic đơn giản tích hợp điện cực mạch in SPE trong phân
tích prostate-specific antigen (PSA), [11]. ........................................... 19
Hình 1.22. Hình ảnh thiết bị DEP vi dòng và hình ảnh kính hiển vi quang học của
các điện cực. Mỗi điện cực hình vòng được bao quanh bởi điện cực so
sánh và kết nối với đế kim loại và mạch điện để cấp tín hiệu [12]. ..... 19
Hình 1.23. (A) Một sơ đồ đại diện của một cảm biến sinh học với quá trình truyền
điện hóa, [13]. (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), [14]. (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) [14].
............................................................................................................... 20
xi
Hình 1.24. Công thức cấu tạo chung của nhóm sulfamid .................................... 21
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. ................................. 31
Hình 2.2 Hoàn thiện chip vi dòng tích hợp điện cực SPE ................................... 32
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình biến tính bề mặt điện cực SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs ................................................................................................... 33
Hình 2.4. Hình ảnh các sản phẩm thu được từ quá trình tổng hợp GO theo phương
pháp của Hummer. (a) Nguyên liệu Graphite dạng vảy; (b) GO dạng tấm
sau khi tổng hợp và sấy khô; (c) GO phân tán trong môi trường nước
bằng rung siêu âm. ................................................................................ 34
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) ...... 39
Hình 3.2. Mask cho chip vi dòng với kết cấu phức tạp với các kích thước vi kênh
khác nhau: 250 µm (Phải); 500 µm (Trái). ........................................... 39
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. ........................................................ 40
Hình 3.4. Mô tả thiết kế vi kênh khi ghép với điện cực SPE ............................... 40
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. ........................................................................... 41
Hình 3.6.. Sơ đồ ghép vi kênh bằng cơ cấu ghép cơ khí ...................................... 41
Hình 3.7. Chip vi dòng tích hợp điện cực SPE và hệ thống hoàn chỉnh để phân tích
SMX ...................................................................................................... 42
xii
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 42
Hình 3.9. Mô tả quá trình khử GO thành rGO ..................................................... 43
Hình 3.10. Tín hiệu SWV của điện cực (a) GCE/rGO, (b) GCE/GO, và (c) điện
cực trần GCE với SMX 40 µM, (d) điện cực GCE/rGO trong đệm PB
0,2M. ..................................................................................................... 43
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. .............................................................................. 44
Hình 3.12. Tín hiệu SWV của điện cực GCE/rGO/PDA với SMX 40 µM +PB và
đệm PB có số vòng tổng hợp màng PDA là 3; 6; 9 vòng. .................... 45
Hình 3.13. Các đường CV của quá trình tổng hợp CuNPs lên điện cực
GCE/rGO/PDA trong dung dịch CuSO4 3mM + H3BO3 0,1M ở khoảng
thế -1,2 V đến + 1,0 V; 5 vòng quét, tốc độ quét 30mV/s .................... 45
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 40µM, (d) đệm PB 0,2 M ..................................... 46
Hình 3.15. CV trong dung dịch chứa K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5mM, KNO3 1M ở
thế từ -0.15V đến 0.65V, với tốc độ 50mV/s với các điện cực GCE,
GCE/rGO, GCE/PDA, GCE/CuNPs, GCE/rGO/PDA, GCE/PDA-
CuNPs, GCE/PDA/CuNPs, GCE/rGO/PDA-CuNPs. .......................... 47
Hình 3.16. Đường phân cực CV của điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs trong dung
dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5Mm pha trong KNO3 1M tại các tốc độ
quét thế (10-120mV/s) .......................................................................... 48
Hình 3.17. Đường hồi quy sự phụ thuộc cường độ pic anot Ipa và pic catot vào tốc
độ quét thế v1/2 ...................................................................................... 49
Hình 3.18. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của hệ điện cực SPE/rGO/PDA-
CuNPs. .................................................................................................. 52
Hình 3.19. Ảnh SEM của bề mặt các điện cực (A) SPE/rGO/PDA-CuNPs;....... 52
xiii
Hình 3.20. Phổ hồng ngoại FTIR của các hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs,
rGO/CuNPs, rGO/PDA và GO ............................................................. 53
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. .................. 53
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 dòng điện theo nồng độ SMX (4 µM - 200 µM), và tín
hiệu của mẫu SMX trong thuốc ............................................................ 54
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 µM. ............................................................... 55
xiv
MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn
đến dư lượng cao trong chăn nuôi đang là vấn đề báo động trong xã hội và
có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và nền kinh tế. Vì lợi nhuận
và do các tác động tiêu cực của sự biến đổi khí hậu nên các nhà sản xuất
nông, thủy sản vẫn phải sự dụng một lượng kháng sinh không theo quy định.
Do đó, việc tiến hành các phân tích dư lượng kháng sinh trong nông thủy sản
là cần thiết để tầm soát và đưa ra khuyến nghị cho người tiêu dùng và các
nhà quản lý.
Gần đây, hệ vi dòng tích hợp các mô đun chức năng đã và đang được
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới phát triển. Với mong muốn hệ vi dòng
có thể trở thành một xu hướng mới trong cuộc cách mạng phương pháp phân
tích hóa học và y sinh. Hệ vi dòng này hoạt động dựa trên cơ sở các phương
pháp phân tích truyền thống nhưng được tích hợp các cảm biến (điện hóa,
sinh học, …) được thu nhỏ. Chính vì vậy, hệ thống nhỏ gọn và linh động
nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và rút ngắn thời gian thao tác.
Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo các
phương pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối
(MS), cộng hưởng từ proton (NMR), … đã được sử dụng và cho kết quả tốt
nhưng không có tính cơ động. Vì vậy, sự phát triển hoàn thiện các hệ vi dòng
tính hợp (buồng vi phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa, …) và các bộ
kiểm tra nhanh đang là xu thế và được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đây
chính là lý do em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích
hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh”
Nội dung luận văn bao gồm:
- Thiết kế và chế tạo hệ vi kênh bằng vật liệu Poly(dimethylsiloxane) -
PDMS. Nội dung cụ thể: Sử dụng phần mềm thiết kế dạng vi kênh; chế tạo các
khuôn đúc bằng kỹ thuật quang khắc; chế tạo vi kênh bằng kỹ thuật đúc nguyên
khối.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện
hoá dạng phẳng trên cơ sở điện cực carbon mạch in.
- Phát triển kỹ thuật chế tạo hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hoá sử dụng
được nhiều lần trên cơ sở kỹ thuật ghép vi kênh bằng kết cấu cơ khí.
1
- Chế tạo các hệ cảm biến điện hóa bằng các vật liệu composit tiên tiến đặc
hiệu cho phân tích kháng sinh trong dung dịch bằng các phương pháp tổng hợp
điện hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 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,...
3
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
Science vào tháng 10 năm 2019 [2].
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
4
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 Yole Developpenment).
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).
5
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng
tích hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong
phân tích dư lượng kháng sinh
PHẠM THỊ LỰU
[email protected]
Ngành Hóa học
Giảng viên hướng dẫn: TS. Cao Hồng Hà
Chữ ký của GVHD
Viện: Kỹ thuật Hóa học
HÀ NỘI, 10/2022
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ứng
dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
i
Lời cảm ơn
Với tất cả sự trân trọng và cảm kích, em xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới
TS. Cao Hồng Hà và TS. Nguyễn Vân Anh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành luận văn.
Em xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, các thầy cô và cán bộ nghiên cứu
trong Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm
nghiên cứu năng lượng và nano (NEC) - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã
tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ và động viên em trong thời gian thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các cấp Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ
- Bộ Công an đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn.
Cảm ơn đề tài Nafosted mã số 104.99-2018.357 đã hỗ trợ kinh phí cho nghiên
cứu chính của luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, các bạn học viên lớp
20BHH đã giúp đỡ, động viên, chia sẻ trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn.
ii
Tóm tắt nội dung luận văn
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn đến dư
lượng cao trong chăn nuôi đang là vấn đề báo động trong xã hội và có ảnh hưởng
xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và nền kinh tế. Vì lợi nhuận và do các tác động
tiêu cực của sự biến đổi khí hậu nên các nhà sản xuất nông, thủy sản vẫn phải sự
dụng một lượng kháng sinh không theo quy định. Do đó, việc tiến hành các phân
tích dư lượng kháng sinh trong nông thủy sản là cần thiết để tầm soát và đưa ra
khuyến nghị cho người tiêu dùng và các nhà quản lý.
Gần đây, hệ vi lưu tích hợp các mô đun chức năng đã và đang được nhiều
nhóm nghiên cứu trên thế giới phát triển. Với mong muốn hệ vi lưu có thể trở thành
một xu hướng mới trong cuộc cách mạng phương pháp phân tích hóa học và y
sinh. Hệ vi lưu này hoạt động dựa trên cơ sở các phương pháp phân tích truyền
thống nhưng được tích hợp các cảm biến (điện hóa, sinh học,…) được thu nhỏ.
Chính vì vậy, hệ thống nhỏ gọn và linh động nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và
rút ngắn thời gian thao tác.
Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo các phương
pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối (MS), cộng
hưởng từ proton (NMR),… đã được sử dụng và cho kết quả tốt nhưng chi phí cao
và không cơ động. Vì vậy, sự phát triển hoàn thiện các hệ vi lưu tính hợp (buồn vi
phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa,…) và các bộ kiểm tra nhanh đang là xu thế
và được nhiều nhà khoa học quan tâm.
2. Mục đích của đề tài
- Thiết kế và chế tạo hệ vi kênh bằng vật liệu Poly(dimethylsiloxane) – PDMS tích
hợp hệ cảm biến điện hóa biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs đặc hiệu
cho phân tích kháng sinh sulfomethoxazone trong dung dịch bằng các phương pháp
điện hóa.
3. Nội dung của luận văn, các vấn đề cần giải quyết
Thiết kế và chế tạo hệ vi lưu tích hợp các mô đun chức năng (khuấy trộn,
vi buồng phản ứng, tích hợp cảm biến điện hóa,…) trong phân tích dư lượng kháng
sinh nhóm Sulfonamide.
Nghiên cứu quy trình hoàn thiện hệ thống vi lưu trên cơ sở
Polydimethylsiloxane – PDMS bằng phương pháp gắn kênh lên đế có thể tách rời
sau mỗi lần thí nghiệm (reversible bonding). Với mục đích tái sử dụng lại nhiều
iii
lần phần đế đã tích hợp các phần chức năng cho hệ thống, tái sử dụng điện cực,
thực hiện rửa và thay thế nếu cần.
Nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa đặc hiệu cho các phân tích kháng
sinh bằng phương pháp điện hóa trên cơ sở vật liệu điện cực tiên tiến
rGO/PDA/CuNPs.
Xác định được dư lượng kháng sinh nhóm Sulfonamide trong các mẫu giả
định và trong các mẫu thực trong chăn nuôi gia súc đảm bảo độ nhạy cao, giải đo
rộng, độ lặp lại đạt tốt của phép đo xác định dư lượng kháng sinh
4. Phương pháp thực hiện
- Thiết kế và chế tạo hệ vi lưu bằng kỹ thuật vi chế tạo trong phòng sạch.
- Biến tính bề mặt điện cực mạch in (SPE) bằng kỹ thuật tổng hợp điện hoá
các hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs trực tiếp trên bề mặt điện cực.
- Thực hiện khảo sát vùng nồng độ tối ưu cho việc xác định khoảng nồng độ
tuyến tính của sulfomethoxazone (SMX) với cường độ dòng điện đáp ứng bằng kỹ
thuật quét sóng vuông (SWV). Từ đó xây dựng được đường chuẩn cường độ dòng
điện – Nồng độ SMX (I – C) để xác định nồng độ của SMX trong mẫu thuôc thực
T.T. S Năm Thái.
- Đánh giá độ lặp lại và xác định giá trị LOD của phép phân tích.
5. Kết quả của luận văn
- Chế tạo thành công hệ chíp vi dòng và kỹ thuật ghép vi kênh với đế chứa
định cực bằng kỹ thuật ghép cơ ký cho phép sử dụng lại hệ vi kênh và điện cực
nhiều lần.
- Bước đầu thử nghiệm trên hệ vi dòng tích hợp điện cực SPE biến tính với
giới hạn phát hiện (LOD) là 1,5 μM với hệ số hồi phục đạt 98,5%.
- Kết quả phân tích hàm lượng thuốc kháng sinh Sulfamethoxazone (SMX)
thương mại (T.T. S) khả quan.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
iv
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 3
1.1 Khái quát về hệ chíp vi dòng....................................................................... 3
1.1.1 Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng về kỹ thuật của hệ vi dòng ..... 3
1.1.2 Ưu điểm của hệ vi dòng .............................................................................. 5
1.1.3 Khái niệm thí nghiệm trong một con chíp (LoC)........................................ 6
1.1.4 Mối quan hệ của Microfluidics với các lĩnh vực khác ................................ 7
1.2 Cấu tạo của hệ chíp vi dòng ........................................................................ 9
1.2.1 Vật liệu sử dụng chế tạo hệ vi dòng ............................................................ 9
1.2.2 Các phần tử cơ bản trong một hệ microfluidic.......................................... 13
1.3 Quy trình chế tạo hệ vi dòng ..................................................................... 15
1.4 Giới thiệu về hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hóa ............................... 18
1.5 Giới thiệu về thuốc kháng sinh và dư lượng thuốc kháng sinh nhóm
Sulfamid .................................................................................................... 20
1.5.1 Cấu tạo chung của nhóm Sulfamid ........................................................... 21
1.5.2 Tính chất vật lí và hóa học của Sulfamid .................................................. 22
1.5.3 Phân loại Sulfamid .................................................................................... 23
1.5.4 Giới thiệu về Sulfamethoxazole (SMX).................................................... 23
1.5.5 Tổng quan về các phương pháp phát hiện dư lượng nhóm Sulfamid ....... 24
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 28
2.1 Chế tạo chip vi dòng.................................................................................. 28
2.1.1 Hóa chất và dụng cụ .................................................................................. 28
2.1.2 Thiết bị ...................................................................................................... 29
2.1.3 Thiết kế và chế tạo mask cho vi lưu .......................................................... 29
2.1.4 Các bước chế tạo khuôn bằng phương pháp quang khắc .......................... 29
2.1.5 Các bước chế tạo hệ vi kênh bằng PDMS ................................................. 30
2.1.6 Hoàn thiện chip vi dòng ............................................................................ 31
2.2 Thiết kế hệ vật liệu cho biến tính bề mặt điện cực làm việc của hệ điện cực
mạch in cacbon (SPE). .............................................................................. 32
v
2.3 Khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện cực glassy
cacbon (GCE). ........................................................................................... 33
2.3.1 Chế tạo vật liệu GO ................................................................................... 33
2.3.2 Chế tạo điện cực biến tính GCE/rGO/PDA/CuNPs .................................. 34
2.4 Đặc trưng điện hóa của điện cực biến tính GCE biến tính bằng hệ vật liệu
rGO/PDA-CuNPs ...................................................................................... 35
2.4.1 Khảo sát độ ổn định và khả năng dẫn điện của hệ vật liệu trên nền điện cực
GCE ........................................................................................................... 35
2.4.2 Diện tích bề mặt điện hóa.......................................................................... 35
2.5 Đặc chưng hình thái học vào cấu trúc vật liệu: ......................................... 36
2.6 Thử nghiệm ứng dụng chip vi dòng tích hợp trong phân tích kháng sinh
bằng phương pháp điện hóa ...................................................................... 36
2.6.1 Hóa chất..................................................................................................... 36
2.6.2 Chuẩn bị điện cực ...................................................................................... 36
2.6.3 Phương pháp điện hóa (sử dụng kỹ thuật đo sóng vuông - SWV)............ 37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................... 39
3.1 Thiết kế hệ vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính .......................... 39
3.1.1 Thiết kế hệ vi kênh cho chip vi dòng ........................................................ 39
3.2 Kết quả chế tạo hệ chíp vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính ...... 40
3.3 Kết quả khảo sát điều kiện chế tạo hệ vật liệu rGO/PDA-CuNPs trên điện
cực glassy cacbon (GCE). ......................................................................... 42
3.3.1 Kết quả tổng hợp rGO bằng phương pháp điện hóa trên điện cực GCE. . 42
3.3.2 Kết quả tổng hợp màng polydopamin lên điện cực GCE/rGO ................. 44
3.3.3 Kết quả tổng hợp CuNPs trên điện cực GCE/rGO/PDA .......................... 45
3.3.4 Đặc trưng điện hóa của điện cực GCE biến tính bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs........................................................................................................ 47
3.4 Biến tính bề mặt điện cực mạch in cacbon SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs........................................................................................................ 50
3.5 Ứng dụng hệ chip vi dòng tích hợp điện cực mạch in biến tính trong nhận
biết kháng sinh sulfamethoxazole. ............................................................ 54
vi
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................. 56
4.1 Kết luận .......................................................................................................... 56
4.2 Hướng phát triển ............................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 57
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Tỷ lệ tăng trưởng kép hàng
CAGR Compound Annual Growth Rate
năm
Phương pháp cắt được điều
CNC Computer numerical control khiển bằng phần mềm máy
tính
CV Cyclic Votammetry Quét thế vòng
DNA Deoxyribonucleic acid
Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia
EDX
spectroscopy X
Phép phân tích xét nghiệm
Enzyme-linked Immunosorbent
ELISA hấp thụ miễn dịch liên kết
assay
với enzym
Fourier-transform infrared
FTIR Phổ hồng ngoại
spectroscopy
GC Glassy Carbon Thủy tinh cacbon
GO Graphene oxide Graphen oxit
High-performance liquid Phổ sắc ký lỏng hiệu năng
HLPC
chromatography cao
Phòng thí nghiệm trên một
LoC Lab-on-a-Chip
con chip
Micro/Nano Electronic
MEMS/NEMS Hệ vi cơ điện tử
Mechanic Systems
MS Mass spectrometry Phổ khối lượng
NMR Nuclear magnetic resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
PABA Para amino benzoic acid
PDA Polydipamin
PDMS Poly(dymethyl siloxane)
PDV Differential Pulse Voltammetry Quét thế xung vi phân
rGO Reduced graphene Oxide Graphen oxit dạng khử
SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét
SMX Sulfamethoxazole
Điện cực cacbon dạng
SPE Screen printed electrode
mạch in
Epoxy based negative Chất cảm quang âm họ
Su-8
photoresist epoxy
SWV Square Wave Voltammetry Quét thế song vuông
UV Ultra violet Tia cực tím
Tổng số vi phân tích hệ
µTAS Micro Total Analysis System
thống
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các ưu điểm nổi bật của hệ vi dòng [3] ................................................. 6
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi dòng
............................................................................................................... 12
Bảng 3.1. Cường độ pic tín hiệu dòng khi quét CV với tốc độ quét (v) thay đổi
trong dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5 mM trong KNO3 1M .................. 49
Bảng 3.2. Giá trị diện tích bề mặt điện hoạt của các điện cực trên nền GCE ...... 50
Bảng 3.3. Kết quả đo EDX của các hệ điện cực SPE/rGO; SPE/rGO/PDA và
SPE/rGO/PDA-CuNPs.......................................................................... 51
ix
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng của hệ vi dòng, [1] ............ 4
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 Science vào tháng 10 năm 2019 [2]. .................................................. 4
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 Yole
Developpenment). ................................................................................... 5
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. ................................................................................................. 5
Hình 1.5. Phòng thí nghiệm Lab on a chip (Nguồn: https://www.gene-
quantification.de/lab-on-chip-index.html) .............................................. 7
Hình 1.6 Hệ thống microfluidic sử dụng trong phân tích DNA của hãng Agilent 7
Hình 1.7. Mối quan hệ giữa hệ vi dòng và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
[5]. ........................................................................................................... 8
Hình 1.8. Cấu tạo của hệ vi dòng ........................................................................... 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). ...................................................................................... 9
Hình 1.10. Các loại vật liệu chế tạo chip vi dòng, [6]. ........................................ 10
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). ..... 13
Hình 1.12. Một dạng vi kênh đơn giảm chỉ bao gồm 2 đường kết hợp với modun
khấy trộn đơn giản dạng zíc zắc ........................................................... 14
x
Hình 1.13. Một tổ hợp vi kênh phức tạp dùng cho khuấy trộn 2 dòng chất lỏng [7].
............................................................................................................... 14
Hình 1.14. Hệ vi dòng sử dụng đế vừa để gắn vi kênh vừa chứa các bộ phận chức
năng là các điện cực cho phân tích điện hóa (Nguồn:
https://med.stanford.edu/) .................................................................... 15
Hình 1.15 Hệ vi dòng SiGe/Microfluidic tích hợp hệ thống điều khiển các nam
châm điện được bố trí dạng ma trận trên đế, [8]................................... 15
Hình 1.16. Các hệ thống phụ trợ cho một hệ vi dòng sử dụng trong phân tích DNA,
[9]. ......................................................................................................... 15
Hình 1.17. Sơ đồ mô tả quy trình chế tạo khuôn ................................................. 17
Hình 1.18. Hệ phân tích điện hoá đa năng AutoLab (PGSTAT302N) của Hà Lan
............................................................................................................... 18
Hình 1.19. Điện cực dạng mạch in của hãng Dropsens/Metrohm ....................... 18
Hình 1.20. (A) Sơ đồ cấu hình phổ biến nhất của điện cực mạch in. (B) Ví dụ về
điện cực in màn hình thương mại với các cấu hình và thiết kế khác nhau,
[10]. (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....................................................................................................... 19
Hình 1.21. Hệ microfluidic đơn giản tích hợp điện cực mạch in SPE trong phân
tích prostate-specific antigen (PSA), [11]. ........................................... 19
Hình 1.22. Hình ảnh thiết bị DEP vi dòng và hình ảnh kính hiển vi quang học của
các điện cực. Mỗi điện cực hình vòng được bao quanh bởi điện cực so
sánh và kết nối với đế kim loại và mạch điện để cấp tín hiệu [12]. ..... 19
Hình 1.23. (A) Một sơ đồ đại diện của một cảm biến sinh học với quá trình truyền
điện hóa, [13]. (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), [14]. (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) [14].
............................................................................................................... 20
xi
Hình 1.24. Công thức cấu tạo chung của nhóm sulfamid .................................... 21
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. ................................. 31
Hình 2.2 Hoàn thiện chip vi dòng tích hợp điện cực SPE ................................... 32
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình biến tính bề mặt điện cực SPE bằng hệ vật liệu rGO/PDA-
CuNPs ................................................................................................... 33
Hình 2.4. Hình ảnh các sản phẩm thu được từ quá trình tổng hợp GO theo phương
pháp của Hummer. (a) Nguyên liệu Graphite dạng vảy; (b) GO dạng tấm
sau khi tổng hợp và sấy khô; (c) GO phân tán trong môi trường nước
bằng rung siêu âm. ................................................................................ 34
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) ...... 39
Hình 3.2. Mask cho chip vi dòng với kết cấu phức tạp với các kích thước vi kênh
khác nhau: 250 µm (Phải); 500 µm (Trái). ........................................... 39
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. ........................................................ 40
Hình 3.4. Mô tả thiết kế vi kênh khi ghép với điện cực SPE ............................... 40
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. ........................................................................... 41
Hình 3.6.. Sơ đồ ghép vi kênh bằng cơ cấu ghép cơ khí ...................................... 41
Hình 3.7. Chip vi dòng tích hợp điện cực SPE và hệ thống hoàn chỉnh để phân tích
SMX ...................................................................................................... 42
xii
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 42
Hình 3.9. Mô tả quá trình khử GO thành rGO ..................................................... 43
Hình 3.10. Tín hiệu SWV của điện cực (a) GCE/rGO, (b) GCE/GO, và (c) điện
cực trần GCE với SMX 40 µM, (d) điện cực GCE/rGO trong đệm PB
0,2M. ..................................................................................................... 43
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. .............................................................................. 44
Hình 3.12. Tín hiệu SWV của điện cực GCE/rGO/PDA với SMX 40 µM +PB và
đệm PB có số vòng tổng hợp màng PDA là 3; 6; 9 vòng. .................... 45
Hình 3.13. Các đường CV của quá trình tổng hợp CuNPs lên điện cực
GCE/rGO/PDA trong dung dịch CuSO4 3mM + H3BO3 0,1M ở khoảng
thế -1,2 V đến + 1,0 V; 5 vòng quét, tốc độ quét 30mV/s .................... 45
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 40µM, (d) đệm PB 0,2 M ..................................... 46
Hình 3.15. CV trong dung dịch chứa K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5mM, KNO3 1M ở
thế từ -0.15V đến 0.65V, với tốc độ 50mV/s với các điện cực GCE,
GCE/rGO, GCE/PDA, GCE/CuNPs, GCE/rGO/PDA, GCE/PDA-
CuNPs, GCE/PDA/CuNPs, GCE/rGO/PDA-CuNPs. .......................... 47
Hình 3.16. Đường phân cực CV của điện cực GCE/rGO/PDA-CuNPs trong dung
dịch K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6 5Mm pha trong KNO3 1M tại các tốc độ
quét thế (10-120mV/s) .......................................................................... 48
Hình 3.17. Đường hồi quy sự phụ thuộc cường độ pic anot Ipa và pic catot vào tốc
độ quét thế v1/2 ...................................................................................... 49
Hình 3.18. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của hệ điện cực SPE/rGO/PDA-
CuNPs. .................................................................................................. 52
Hình 3.19. Ảnh SEM của bề mặt các điện cực (A) SPE/rGO/PDA-CuNPs;....... 52
xiii
Hình 3.20. Phổ hồng ngoại FTIR của các hệ vật liệu rGO/PDA/CuNPs,
rGO/CuNPs, rGO/PDA và GO ............................................................. 53
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. .................. 53
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 dòng điện theo nồng độ SMX (4 µM - 200 µM), và tín
hiệu của mẫu SMX trong thuốc ............................................................ 54
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 µM. ............................................................... 55
xiv
MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc lạm dụng kháng sinh (ví dụ: nhóm sulfonamide) dẫn
đến dư lượng cao trong chăn nuôi đang là vấn đề báo động trong xã hội và
có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và nền kinh tế. Vì lợi nhuận
và do các tác động tiêu cực của sự biến đổi khí hậu nên các nhà sản xuất
nông, thủy sản vẫn phải sự dụng một lượng kháng sinh không theo quy định.
Do đó, việc tiến hành các phân tích dư lượng kháng sinh trong nông thủy sản
là cần thiết để tầm soát và đưa ra khuyến nghị cho người tiêu dùng và các
nhà quản lý.
Gần đây, hệ vi dòng tích hợp các mô đun chức năng đã và đang được
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới phát triển. Với mong muốn hệ vi dòng
có thể trở thành một xu hướng mới trong cuộc cách mạng phương pháp phân
tích hóa học và y sinh. Hệ vi dòng này hoạt động dựa trên cơ sở các phương
pháp phân tích truyền thống nhưng được tích hợp các cảm biến (điện hóa,
sinh học, …) được thu nhỏ. Chính vì vậy, hệ thống nhỏ gọn và linh động
nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và rút ngắn thời gian thao tác.
Trong công tác kiểm nghiệm chất lượng, việc phân tích theo các
phương pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối
(MS), cộng hưởng từ proton (NMR), … đã được sử dụng và cho kết quả tốt
nhưng không có tính cơ động. Vì vậy, sự phát triển hoàn thiện các hệ vi dòng
tính hợp (buồng vi phản ứng, cảm biến sinh học, điện hóa, …) và các bộ
kiểm tra nhanh đang là xu thế và được nhiều nhà khoa học quan tâm. Đây
chính là lý do em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị vi dòng tích
hợp cảm biến điện hóa ứng dụng trong phân tích dư lượng kháng sinh”
Nội dung luận văn bao gồm:
- Thiết kế và chế tạo hệ vi kênh bằng vật liệu Poly(dimethylsiloxane) -
PDMS. Nội dung cụ thể: Sử dụng phần mềm thiết kế dạng vi kênh; chế tạo các
khuôn đúc bằng kỹ thuật quang khắc; chế tạo vi kênh bằng kỹ thuật đúc nguyên
khối.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thiết bị vi dòng tích hợp cảm biến điện
hoá dạng phẳng trên cơ sở điện cực carbon mạch in.
- Phát triển kỹ thuật chế tạo hệ vi dòng tích hợp cảm biến điện hoá sử dụng
được nhiều lần trên cơ sở kỹ thuật ghép vi kênh bằng kết cấu cơ khí.
1
- Chế tạo các hệ cảm biến điện hóa bằng các vật liệu composit tiên tiến đặc
hiệu cho phân tích kháng sinh trong dung dịch bằng các phương pháp tổng hợp
điện hóa trực tiếp trên bề mặt điện cực.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 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,...
3
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
Science vào tháng 10 năm 2019 [2].
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
4
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 Yole Developpenment).
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).
5