TS. Trần Quang Minh trình bày tại hội thảo. Ảnh: Vũ Hải
Công nghệ vi lưu là gì?
Chia sẻ tại hội thảo khoa học do Hội các Phòng thử nghiệm Việt Nam tổ chức mới đây tại Hà Nội, TS. Trần Quang Minh, Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong phát triển xanh, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội cho biết: Microfluidic (kênh dẫn vi lưu) là một lĩnh vực mới của khoa học và kỹ thuật, cho phép phân tích kiểm soát trên quy mô rất nhỏ với thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hiệu quả hơn hệ thống thông thường khác.
Kênh dẫn vi lưu có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dòng chảy và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán. Công nghệ này có thể được ứng dụng trong rất nhiều ngành: Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học… và đang từng bước trở thành công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cái tên “phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip” lab-on-chip).
Trước nhu cầu sử dụng thường xuyên, liên tục, tiện dụng và có thế mang ra khỏi các phòng thí nghiệm, xu hướng “càng nhỏ càng tốt” đang dần biến đổi “thế giới lỏng” theo một cuộc cách mạng tương tự như cuộc cách mạng về công nghiệp điện tử khi transistor ra đời.
Sự phát triển của công nghệ vi lưu đang góp phần tạo ra những phương pháp thí nghiệm mới với ưu điểm vượt trội là giúp giảm thể tích mẫu và hóa chất, tốn ít thời gian cho việc thay thế chất lỏng, truyền nhiệt và phân tích; Tự động hóa và tích hợp với nhiều hệ thống vận hành phức tạp; Kiểm soát các phản ứng hóa học tốt hơn, Tốn thời gian cho sự hòa trộn khuếch tán; Kiểm soát chất lỏng chính xác; An toàn hơn trong các phản ứng hóa học; Cần một vài sự kích thích để tăng cường các bước trộn.
Vật liệu và phương pháp chế tạo vi lưu
Thiết bị vi lưu có thể được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau: Silicon, thủy tinh, polymer, giấy. Mỗi loại vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tuy nhiên trong bối cảnh hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ vi lưu ngày càng trở nên có ý nghĩa, vì thiết bị có kích thước rất nhỏ, việc chế tạo ra tiêu tốn rất ít nhiên liệu và có thể nhanh chóng chế tạo hàng loạt. Bên cạnh đó là các kênh dẫn trong thiết bị vi lưu chỉ có thể tích vài nanolit, các mẫu thử cũng trở nên rất nhỏ, lượng thuốc thử sử dụng cũng rất ít, do đó việc phân tích cũng trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm nguyên liệu, vật tư và hóa chất hơn.
Vật liệu khác nhau thì phương pháp chế tạo cũng khác nhau, ví dụ như với vật liệu silicon/ glass có thể sử dụng phương pháp khắc ướt (Wet etching) hoặc phương pháp khắc khô (Dry etching), phương pháp quang khắc, in 2D, 3D; Vật liệu polymers (Polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polystyrene (PS), Polydimethylsiloxane (PDMS)…) sử dụng phương pháp khuôn đúc (Molding); Vật liệu giấy: Phương pháp in 2D, 3D, phương pháp SAM (self assemble monolayer);…
Ứng dụng trong phân tích thực phẩm
Đã có nhiều thiết bị vi lưu đã được phát triển tập trung vào xác định mầm bệnh trong thực phẩm (vi sinh vật), chất gây dị ứng thực phẩm, độc tố sinh học, ion kim loại nặng và các thành phần hóa học khác có thể có trong thực phẩm.
Trong phân tích nhanh thực phẩm tại hiện trường, thiết bị vi lưu chế tạo từ nguyên liệu giấy có nhiều ưu điểm: dễ chế tạo, dễ sử dụng, chi phí thấp và có khả năng tự phân hủy nên có thể thải bỏ mà không cần lo lắng về vấn đề ô nhiễm.
Ứng dụng của công nghệ vi lưu trong phân tích nhanh thực phẩm
Trên thế giới hiện đã có các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ vi lưu trong phân tích nhanh thực phẩm: Phân tích nhanh hàm lượng nitrit, Cu2+, phân tích thuốc trừ sâu (gốc phophat),…
Để phân tích nhanh đồng thời độ pH và hàm lượng nitrit, kiểm nghiệm viên sử dụng thiết bị vi lưu được chế tạo bằng vật liệu giấy với thiết kế rất nhỏ gọn, cấu tạo gồm khu vực trung tâm và 7 khu vực cảm biến, trong đó, khu vực từ 1 đến 4 là cảm biến xác định độ pH, 5, 6 và 7 là xác định nitrit, số 8 là mẫu tham khảo.
Cơ chế hoạt động của thiết bị vi lưu dựa trên phản ứng của thuốc thử (Griess). Theo đó, tại 7 khu vực cảm biến của thiết bị vi lưu đã chứa sẵn các thuốc thử tương ứng tại các vùng cảm biến để tạo ra các thay đổi màu có chọn lọc khi dung dịch mẫu được đặt vào khu vực lấy mẫu.
Trong vòng 15 phút, các mao dẫn sẽ vận chuyển mẫu từ trung tâm đến vị trí các cảm biến, phản ứng với thuốc thử và xuất hiện các màu tương ứng. Căn cứ kết quả đó, kiểm nghiệm viên có thể kết luận trực tiếp hoặc có thể sử dụng phần mềm trên điện thoại thông minh để chụp hình ảnh đó. Ngay lập tức, hình ảnh sẽ được tích hợp và xử lý bằng thuật toán tùy chỉnh của ứng dụng để nhận diện đa vùng các vùng cảm nhận màu.
Quá trình xử lý hình ảnh đã được phát triển, cho phép giảm ảnh hưởng của nguồn sáng và vị trí các vùng cảm biến của thiết bị vi lỏng trong hình ảnh. Sau đó, tọa độ H (màu) và S (độ bão hòa) của không gian màu HSV liên quan đến pH và nồng độ nitrit tương ứng sẽ được trích xuất từ cơ sở dữ liệu.
Đến đây, một bản mô tả đầy đủ các yếu tố cảm biến cũng như mô tả đầy đủ về phân tích hình ảnh để phát hiện đồng thời pH và nitrit đã được thực hiện.
Với phương pháp phân tích nhanh để xác định hàm lượng đồng trong nước (Cu2+), tại Việt Nam đã công trình nghiên cứu của Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh thực hiện. Thiết bị vi lưu được thiết kế gồm bộ cảm biến sinh học, vùng tải và miếng dẫn điện để kết nối với hệ thống điện hóa, khuôn thép được sử dụng để tạo các kênh kỵ nước – ưa nước trên cảm biến.
Cơ chế phân tích phát hiện kim loại nặng trong nước
Cơ chế phân tích phát hiện kim loại nặng dựa trên phản ứng ure tạo ra amoniac (NH3) dẫn đến tăng pH của dung dịch và làm đổi màu phenol đỏ. Khi các kim loại nặng được thêm vào dung dịch, liên kết của chúng với nhóm thiol ở trung tâm hoạt động của urease làm giảm hoạt tính xúc tác của enzym. Vì lượng NH3 được tạo ra hoặc độ pH bị ảnh hưởng bởi các kim loại nặng, nồng độ của các kim loại nặng có thể được xác định từ mức độ thay đổi màu sắc.
Dựa trên bảng màu phân tích định lượng CU2+ chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng bảng hiển thị màu để tham chiếu, kết luận mẫu nước là an toàn hay không an toàn (màu đỏ là an toàn, màu vàng là nguy hiểm).
Ứng dụng công nghệ vi lưu trong phân tích thuốc trừ sâu (gốc photphat), thiết bị được làm bằng vật liệu giấy và được phủ một lớp nanoceria tại các vòng tròn nhỏ màu vàng, ở giữa có vùng ưa nước và vùng siêu kị nước.
Phương pháp phân tích rất đơn giản, chỉ cần dùng một lượng nhỏ dung dịch cho vào vùng nhận mẫu của thiết bị, sau khoảng 20 phút nếu không có sự đổi màu thì kết luận là mẫu có thuốc trừ sâu. Nếu đổi sang màu vàng thì chứng tỏ mẫu không có thuốc trừ sâu.
Phương pháp này được giải thích bằng sơ đồ dưới đây:
Phản ứng màu xác định sự có mặt của thuốc trừ sâu
Mô tả cơ chế phát hiện thuốc trừ sâu của thiết bị vi lưu
Công nghệ vi lưu tuy còn khá mới tại Việt Nam, nhưng với các tiện ích và hiệu quả mang lại, nếu được phát triển sẽ rất hữu ích cho phân tích nhanh thực phẩm ngoài hiện trường.
Minh Tâm
