GIẤY ĐA LỚP ĐÁNH GIÁ ĐỘ KHÁNG OXY HÓA
Phan Thế Duy1, Ngô Duy Anh Triết2
APPLICATION OF CHITOSAN IN PAPER-BASED SENSOR FABRICATION FOR THE DETERMINATION OF ANTIOXIDANT ACTIVITY
Phan The Duy1, Ngo Duy Anh Triet2
Tóm tắt – Cảm biến giấy là một công nghệ mới để chế tạo các thiết bị phân tích đơn giản, chi phí thấp, di động và dùng một lần cho nhiều lĩnh vực ứng dụng, bao gồm chẩn đoán lâm sàng, kiểm soát chất lượng thực phẩm và giám sát môi trường. Kết quả nghiên cứu dưới đây trình bày về phương pháp chế tạo một loại cảm biến giấy đa lớp dựa trên phản ứng hiện màu giữa polyphenol và Fe3+. Cảm biến giấy này được chế tạo bằng cách kết hợp lần lượt các lớp như chitosan, phức Fe3+ và sodium alginate trên bề mặt giấy lọc đã được xử lí với TiO2. Sau năm chu kì lập lại các lớp như trên, sản phẩm cảm biến giấy đa lớp thu được có trạng thái kị nước rất tốt, kết hợp với ái lực đặc biệt của chitosan đối với polyphenol, polyphenol sẽ được tập trung trên bề mặt của cảm biến, từ đó nâng cao độ nhạy của cảm biến. Giới hạn phát hiện đối với axit galic (một loại polyphenol) là 0,012 ppm trong khoảng tuyến tính từ 0,02 ppm đến 6,1 ppm. Cảm biến giấy đa lớp này được sử dụng để đánh giá độ kháng oxy hóa của các loại rượu vang và trà xanh thông qua sự xác định hàm lượng polyphenol trong hai sản phẩm này. Với kết quả này, cảm biến giấy đa lớp với sự có mặt của chitosan đã chứng minh được tính tiện dụng, chi phí sử dụng thấp đánh giá nhanh chất lượng của các loại sản phẩm có khả năng kháng oxy hóa.
Từ khóa: chitosan, cảm biến giấy đa lớp, độ kháng oxy hóa, polyphenol.
1,2Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh
Email: [email protected]
Abstract – Paper-based sensor is an inno- vation technology for fabricating simple, low- cost, portable and disposable analytical device for many application areas including clinical diagno- sis, food quality control and environmental moni- toring. It reports a simple yet sensitive multilayer sensor based on the colorimetric reaction between polyphenols and Fe3+. The sensor was fabricated by alternative assembly of a chitosan layer, Fe3+
complexes and an alginate sodium layer on filter paper modified with a TiO2layer. After five cycles repeated assembly, the obtained sensor achieved good hydrophobicity, and together with the spe- cific affinity of chitosan, polyphenols in aqueous samples can be pre-concentrated on the surface of the sensor, leading to improvement of the sensor sensitivity. The detection limits for model polyphe- nols gallic acid was 0.012 ppm with a wide lin- ear range between 0,02 and 6.1 ppm. The col- orimetric multilayer sensor was further applied to determine the antioxidant activity of red wine and green tea samples through the polyphenols content analysis. The sensor obtained here can serve as a cheap and convenient for real-time quality analysis of the antioxidant products.
Keywords: chitosan; paper-based sensor; an- tioxidant; polyphenol.
I. GIỚI THIỆU
Với các kết quả nghiên cứu thu được, các chất chống oxy hóa và gốc tự do đã được khẳng định có vai trò ảnh hưởng quan trọng trong sức khỏe
và sự lão hóa của con người. Điều này đã thu hút sự quan tâm ngày càng tăng về các hợp chất này trong nghiên cứu và ứng dụng (Musini et al., 2003). Chất chống oxy hóa tự nhiên, đặc biệt là các polyphenol, tham gia vào phản ứng trao đổi chất của cơ thể con người và từ đó bảo vệ sức khoẻ con người bằng cách chống lại sự phá hủy oxy hóa gây ra bởi các gốc tự do (Nalewajko-Sieliwoniuk và Tarasewicz, 2010). Chức năng này chủ yếu được thực hiện bởi đặc tính chống oxy hóa của chúng. Đặc tính này cho phép chúng hoạt động như chất khử để ức chế và/hoặc trì hoãn quá trình oxy hóa các phân tử sinh học, chủ yếu là chất béo, trong môi trường tế bào vi mô (Fontana và Bottini, 2014). Theo một nghiên cứu trước đây, polyphenol là chất chống oxy hóa nhiều nhất trong chế độ ăn uống của chúng ta và với lượng tiêu thụ trung bình hằng ngày khoảng 1g, khả năng kháng oxy hóa lớn gấp 10 lần vitamin C, gấp 100 lần vitamin E và 500 lần carotenoid (George et al., 2005). Nghiên cứu cũng cho thấy, việc tiêu thụ các sản phẩm có nguồn gốc từ thực vật giàu polyphenol có liên quan chặt chẽ đến nhiều lợi ích sức khỏe, bao gồm phòng ngừa các bệnh thoái hóa mãn tính phổ biến như bệnh viêm (Akiyama el al., 2001), bệnh tim mạch và tiểu đường (Kuroda and Hara, 1999) và thậm chí là một số bệnh ung thư (Hanif et al., 2008; Shamim et al. 2008). Những dữ liệu dịch tễ học này chỉ đến sự giảm tỉ lệ mắc bệnh hiểm nghèo do tác dụng của polyphenol, kích thích sự mong muốn và tiêu thụ trái cây, rau và các thực phẩm - đồ uống có nguồn gốc thực vật khác nhau – ngày càng tăng.
Trong khi đó, việc xác định chính xác hoạt tính chống oxy hóa và thành phần polyphenol cũng trở thành chủ đề phổ biến trong các lĩnh vực nghiên cứu liên quan. Việc thực hiện đánh giá khách quan về hoạt tính chống oxy hóa và thành phần polyphenol của các loại thực phẩm và đồ uống có nguồn gốc thực vật khác nhau là một trong những chủ đề quan trọng nhất. Phương pháp đo màu bằng phản ứng Folin - Ciocalteu là một phương pháp cổ điển để xác định hàm lượng tổng polyphenol. Tuy nhiên, độ chính xác kém chủ yếu là do sự có mặt của các chất khử như axit amin, axit ascobic và các loại đường khác cản trở rất nhiều đến quá trình hình thành phức màu (George et al., 2005). Theo
quan điểm về hiệu suất phân tích, phương pháp phân tích hiệu quả nhất chắc chắn là các phương pháp phụ thuộc vào thiết bị lớn và đắt tiền, chẳng hạn HPLC, điện di mao quản (Kallithraka et al.
2009; Franquet-Griell et al., 2012)... Nhưng việc thiếu các phương pháp tiền xử lí mẫu và quy trình phân tích đã gây nên sự đánh giá không chính xác tổng hàm lượng polyphenol, từ đó, chúng ta không đánh giá được khách quan độ kháng oxy hóa của các sản phẩm trên.
Do hầu hết các polyphenol là các hợp chất hoạt động hóa học, công nghệ cảm biến đã được đề xuất như là công cụ phân tích hiệu quả để phát hiện các thành phần này, thể hiện các ưu điểm như chuẩn bị mẫu dễ dàng (Gamella et al., 2006), độ nhạy và hiệu suất thu hồi cao, chi phí tương đối thấp và phản ứng nhanh (Arciuli et al., 2013; Sanz et al., 2005), giới hạn phát hiện thấp hơn và cũng dễ dàng phân tích liên tục tại chỗ (Sharpe et al., 2014; Souza et al., 2011). Đặc biệt, các cảm biến đo màu đã được báo cáo trong những năm gần đây là công cụ phát hiện đơn giản và nhanh chóng để phân tích hiện trường (Vaher và Kaljurand, 2012).
Đa số, thiết bị này sử dụng các thuốc thử so màu thông thường bao gồm các enzyme cố định (Wang et al., 2012), thuốc nhuộm oxy hóa khử hòa tan, hạt nano bạc và/hoặc vàng (Apak et al., 2007;
Chen et al., 2013) và hạt nano oxit oxy hóa khử hoạt tính (Ornatska et al., 2011). Tuy nhiên, chi phí tương đối cao và tính ổn định sinh học thấp của protein khiến cho việc sử dụng các cảm biến đo màu dựa vào hoạt động enzyme để phân tích là không khả thi. Thuốc nhuộm oxy hóa khử, hạt nano vàng và bạc thường dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng hoặc các điều kiện môi trường hoạt động khác, điều này hạn chế rất nhiều khả năng tái tạo của các cảm biến tổng hợp. Đối với những ứng dụng dựa trên phản ứng so màu của các hạt nano oxit, sự thay đổi màu do phân tán không đồng nhất của các hạt nano vẫn là một thách thức lớn.
Trong nghiên cứu này, một cảm biến đa lớp đã được chế tạo và ứng dụng nhằm xác định hoạt tính chống oxy hóa dựa trên phản ứng oxy hóa khử màu giữa polyphenol và Fe3+. Cơ chế hoạt động có thể được mô tả bằng áp lực của lớp chitosan với polyphenol và tính kị nước của màng TiO2sẽ dẫn đến polyphenol trong các mẫu nước được tập
trung trên bề mặt cảm biến, do đó tăng cường được độ nhạy của cảm biến. Bên cạnh đó, đánh giá tính khả thi của cảm biến thu được thông qua sự phân tích hàm lượng polyphenol của các mẫu rượu vang có chất lượng khác nhau hiện đang có mặt trên thị trường.
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
A. Vật liệu
Axit galic (GA), titanium butoxide (TBT, 99,0%), chitosan (CHI, MW = 140.000-220.000) và sodium alginate (ALG) được đặt mua từ Sigma Aldrich (Singapore). Sắt chloride (FeCl3), ammo- nium thiocyanate (NH4SCN) được cung cấp bởi ChenLong (Trung Quốc). Chất chuẩn polyphenol được sử dụng là dung dịch axit galic, dung dịch chuẩn được chuẩn ở dạng dung dịch gốc ở nồng độ 1 g/L, sau đó, nó sẽ được pha loãng theo dãy nồng độ chuẩn theo yêu cầu. Các mẫu rượu vang và trà xanh đều được mua loại có sẵn trên thị trường hiện nay và được liệt kê chi tiết ở phần kết quả.
B. Phương pháp tạo cảm biến giấy đa lớp Dung dịch nhuộm (DYE) giấy được pha chế bằng cách pha loãng hỗn hợp dung dịch gồm 5 mL FeCl3 (0,5 mol/L) và 5 mL NH4SCN (1,5 mol/L) đến 25 mL. Sau đó, chúng ta dùng C2H5OH pha loãng dung dịch đến 10% (về thể tích). Dung dịch CHI (2,5 g/L) và dung dịch ALG (2,0 g/L) được chuẩn bị lần lượt bằng hòa tan CHI và ALN với dung môi axit axetic và nước cất. Dung dịch TBT được chuẩn bị bằng cách hòa tan 1 mL TBT với 9 mL C2H5OH và 100µL axit axetic.
Quá trình chế tạo cảm biến giấy đa lớp được thực hiện theo các bước lặp lại và được mô tả qua Hình 1. Quá trình có thể được mô tả như sau, giấy lọc được cắt theo hình vuông với kích thước 2,0 x 2,0 cm và được ngâm trong C2H5OH ít nhất 24 giờ, sau đó được làm khô tại nhiệt độ phòng.
Micropipette được sử dụng để lấy 10 µL dung dịch TBT và đưa vào tâm của mẫu giấy. Dung dịch TBT phân tán đều, nhanh trên toàn bộ bề mặt mẫu giấy và tự làm khô tại nhiệt độ phòng. Sau đó là một chu kì lần lượt bắt đầu từ dung dịch nhuộm (DYE) được đưa vào bề mặt giấy, đợi cho khô; tiếp
theo là dung dịch CHI và dung dịch ALG, thể tích được sử dụng là 10 µL. Cuối cùng, để kết thúc một chu kì, 10 µL dung dịch TBT được đưa lên trên các lớp dung dịch trên. Từ đây, muốn khảo sát sự ảnh hưởng của lượng tác chất đến khả năng phát hiện polyphenol, chúng ta chỉ cần thay đổi số chu kì tạo lớp như trên.
Hình 1: Quá trình chế tạo cảm biến đa lớp, bao gồm: TBT (dung dịch Titanium Butoxide), DYE (dung dịch nhuộm – Fe(SCN)3), CHI (dung dịch chitosan), ALG (dung dịch Natri Alginate)
C. Các phương pháp đánh giá
Các mẫu dung dịch polyphenol chuẩn được điều chế bằng cách pha loãng từ dung dịch gốc đến nồng độ cần thiết. Phân tích các mẫu này được thực hiện bằng cách lấy 10µL dung dịch mẫu vào cảm biến giấy đa lớp và giữ trong một khoảng thời gian để phản ứng hoàn toàn và phải đảm bảo dung dịch mẫu được bay hơi triệt để. Các cảm biến giấy được chụp ảnh bằng máy ảnh kĩ thuật số trước và sau khi phản ứng với mẫu polyphenol. Các kết quả hình ảnh của cảm biến giấy được phân tích để định lượng cường độ màu bằng cách sử dụng phần mềm ImageJ. Cụ thể, một vòng tròn được sử dụng để đo tín hiệu từ mỗi cảm biến để có được vùng quan tâm thống nhất, bao phủ khoảng hơn 90% bề mặt cảm biến giấy. Cường độ màu cho từng loại cảm biến giấy được tính là giá trị trung bình của các lần đo trên bề mặt cảm biến giấy tương ứng. Sự thay đổi cường độ màu sắc được tính bằng cách trừ giá trị cường độ ban đầu của từng cảm biến.
Bên cạnh đó, mẫu giấy ban đầu và cảm biến giấy đa lớp được quan sát đánh giá bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Các mẫu rượu vang đỏ khó có thể bị phân biệt bởi màu sắc và các mẫu trà khô thuộc các loại chất
lượng khác nhau có mặt trên thị trường đã được phân tích. Các mẫu rượu được phân tích trực tiếp mà không cần xử lí thêm. Các mẫu trà được chuẩn bị theo quy trình để pha một tách trà. Cụ thể, 1 g mỗi loại trà xanh được thử nghiệm được ủ với 100 mL nước nóng (80oC) trong 10 phút. Sau khi làm mát ở nhiệt độ phòng, dịch nước trà được lọc qua giấy lọc. Tất cả các mẫu rượu và mẫu dịch chiết trà được phân tích bằng phương pháp đánh giá đã nêu ở trên. Dữ liệu thu được sau đó được sử dụng để định lượng và phân tích thống kê.
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN A. Vai trò của chitosan trong cảm biến đa lớp
Quy trình chế tạo cảm biến giấy đa lớp được thể hiện trong Hình 1. Mặc dù các cảm biến đo màu để phát hiện polyphenol đã được báo cáo trong một số nghiên cứu trước đây, nghiên cứu này nhằm chế tạo một loại cảm biến giấy mới với hiệu suất tốt hơn và chi phí tối thiểu. Giấy lọc thương mại, bao gồm các vi sợi cellulose, được chọn làm vật liệu nền do tính linh hoạt hóa học của cellulose (Zhang and Huang, 2011). Quan sát các kết quả SEM cho thấy rằng, giấy lọc thông thường được làm bằng các sợi micro-cellulose liên kết chéo ngẫu nhiên (Hình 2A). Sau khi ngâm nhúng với cồn trong 24 giờ, bề mặt của giấy cellulose thể hiện hình thái rõ ràng của các sợi nano được bó lại (Hình 2B), điều này làm cho giấy lọc có tỉ lệ bề mặt thể tích lớn hơn. Sau đó, một màng TiO2 được phủ đồng đều trên các bề mặt nano bằng cách sử dụng phương pháp sol-gel bề mặt dễ dàng để kích hoạt bề mặt cellulose trơ trở nên có tính linh động hơn (Huang et al., 2006). Sự hình thành màng TiO2siêu mỏng đã được quan sát (Hình 2C) như một lớp trung gian hoạt động hóa học để liên kết cộng hóa trị với cả hai nhóm hydroxyl trên ma trận chitosan.
Ngoài ra, nó cũng thay đổi tính ưa nước của chất nền (giấy lọc). Do đó, nó tạo điều kiện cho sự khuếch tán đồng đều của dung dịch DYE đến một lượng nhất định. Sau đó, 10 µL dung dịch CHI đã được thêm vào, tạo thành màng CHI để tạo điều kiện hấp thụ mạnh các polyphenol. Chitosan trước đây đã được sử dụng làm vật liệu phủ cho vật liệu cellulose. Vì nó có thể cải thiện độ bền của giấy, hình thái, chống ẩm và các tính chất cơ học và quang học (Alkasir et al., 2012; Chen et al.,
2013). Mặc dù cellulose và chitosan có thể tương tác mạnh bằng cách hấp phụ tĩnh điện thông qua điện tích bề mặt và sự tương đồng về cấu trúc, chức năng của màng TiO2cung cấp liên kết hóa học ổn định hơn thông qua tương tác cộng hóa trị. Bên cạnh đó, màu đỏ ban đầu của dung dịch nhuộm (DYE) mờ dần sang màu hồng nhạt có lẽ là do sự khuếch tán của các phân tử thuốc nhuộm vào ma trận chitosan. Và sau khi gắn kết thêm lớp ALG, nó chuyển sang màu trắng, thích hợp hơn cho cảm biến đo màu vì màu sáng hơn sẽ làm giảm nhiễu nền. Theo đó, tính chất tĩnh điện của chitosan thúc đẩy sự hình thành các lớp thay thế kết hợp với alginate bổ sung, có chứa các nhóm chức carboxyl có thể dễ dàng tạo thành màng đa lớp với chitosan thông qua kết hợp lớp (Zhang and Huang, 2011).
Chu kì chế tạo được kết thúc bằng màng TiO2 phủ lên, cho phép bề mặt cảm biến trở nên kị nước hơn.
Hình 2: Kết quả phân tích SEM của bề mặt cảm biến đa lớp: (A) giấy lọc cellulose, (B) bề mặt được xử lí ngâm ethanol 24 giờ; (C) bề mặt xử lí được phủ lớp TiO2; (D) bề mặt cuối cùng sau một chu kì chế tạo
B. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp
Để tối ưu hóa việc chế tạo cảm biến đa lớp, ảnh hưởng của số lớp của cảm biến đến cường độ màu khi thử mẫu polyphenol được khảo sát. Dung dịch
chuẩn axit galic 10 ppm được sử dụng để đánh giá cảm biến đa lớp và sai số chuẩn tương đối (RSD) đã được phân tích để đánh giá hiệu suất của cảm biến sau một số lớp nhất định. Như được hiển thị trong Hình 3, phản ứng của cảm biến tăng lên với số lớp chế tạo tăng lên đến năm và sau đó bắt đầu giảm khi tăng các lớp cảm biến lên 10. Không giống như sự thay đổi của phản ứng cảm biến, giá trị RSD cho thấy xu hướng biến đổi ngược đã giảm từ 1 xuống 5 chu kì và tăng từ 5 xuống 10 chu kì. Những kết quả này có thể được giải thích như sau: nồng độ thuốc nhuộm trong chất nền cảm biến tăng khi tăng các lớp và đạt mức tối đa sau năm lớp. Sự tương tác của thuốc nhuộm với nồng độ axit galic cố định tăng cường dần khi có nhiều thuốc nhuộm tham gia vào quá trình này. Trong khi đó, sự hấp thụ thuốc nhuộm vào các lớp cũng đạt được trạng thái cân bằng và cho phép khuếch tán đồng đều các phân tử thuốc nhuộm vào ma trận cảm biến. Do đó, cảm biến thể hiện phản hồi cao nhất với giá trị RSD thấp nhất khi thực hiện năm lớp chế tạo. Khi vượt quá năm lớp, nồng độ thuốc nhuộm trở nên quá bão hòa và sự hấp thụ cân bằng của thuốc nhuộm bị phá vỡ dẫn đến sự khuếch tán không đồng nhất của các phân tử thuốc nhuộm vào ma trận. Mặc dù sự tương tác của thuốc nhuộm với axit galic được thêm vào cũng có thể đạt đến mức tối đa khi các phân tử thuốc nhuộm quá liều được hấp thụ, màu sắc vốn có của dung dịch thuốc nhuộm làm tăng nhiễu nền nên vẫn thể hiện cường độ màu cao. Việc tăng số lớp hơn năm dẫn đến phản ứng thấp hơn và giá trị RSD cao hơn thay thế. Do đó, năm chu kì đã được chọn nhằm tối ưu hóa quá trình xây dựng cảm biến giấy đa lớp. Sau khi được tối ưu hóa, cảm biến giấy đa lớp được chế tạo ở các lô khác nhau đều cho thấy sự phân bố màu đồng nhất và biến đổi màu tương tự khi cho tương tác với cùng một loại polyphenol ở cùng nồng độ.
C. Hiệu suất của cảm biến giấy đa lớp
Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc được khảo sát để có được thời gian tối ưu cho sự tương tác giữa cảm biến đa lớp và mẫu thử. Kết quả cho thấy cường độ màu tăng lên khi tăng thời gian phản ứng trong khoảng 10 phút và sau đó đạt đến mức tối đa (Hình 4). Do đó, chúng ta có thể coi 10 phút là đủ
Hình 3: Cường độ màu và sai số chuẩn tương đối của cảm biến đa lớp, phụ thuộc vào số lớp chế tạo
dài để cảm biến đạt được cường độ màu ổn định và chọn mốc thời gian này làm thời gian phản hồi được tối ưu hóa để đảm bảo tương tác hoàn toàn trong các thử nghiệm tiếp theo.
Hình 4: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc mẫu trên bề mặt cảm biến giấy đa lớp
Kết quả ở Hình 5 cho thấy các đáp ứng cường độ màu với nồng độ khác nhau của các dung dịch axit galic dao động từ 0,02 đến 6,0 ppm. Sau khi tăng nồng độ polyphenol, màu sắc của cảm biến thay đổi đáng kể. Để có được mô hình định lượng của cảm biến cho polyphenol, phương trình mô phỏng mối quan hệ giữa cường độ màu và nồng độ polyphenol (axit galic) được xây dựng. Kết quả cho thấy cường độ màu là tuyến tính theo cấp số nhân với nồng độ axit galic và mối quan hệ tuyến tính này có hệ số tương quan vượt quá 0,99. Phương trình tuyến tính được xác định như sau: Y = 164,45+40,62.log X. Phạm vi tuyến tính được đo là từ 0,02 đến 6,1 ppm với giới hạn phát hiện lí thuyết xuống tới 0,012 ppm. Cảm biến phát hiện tối thiểu có thể nhận ra bằng mắt thường so
với mẫu trắng là khoảng 5 ppm đối với axit galic.
Những giá trị này tương đối thấp hơn so với những nghiên cứu trước đây (Arciuli et al., 2013; Sanz et al., 2005; Souza et al., 2011) có sử dụng các vật liệu đắt tiền hơn bao gồm enzyme. Hiệu suất phân tích được cải thiện của cảm biến đa lớp có thể được giải thích như sau. Do việc từng bước bổ sung các dung dịch thuốc thử (DYE, CHI, TBT) khác nhau trong quy trình chế tạo nên đã tối ưu hóa sự khuếch tán đồng nhất của thuốc thử; từ đó đã phủ được chính xác các lớp riêng lẻ, đảm bảo cả tương tác đo màu hoàn chỉnh và phân bố màu đồng nhất trên bề mặt cảm biến. Ngoài ra, lớp cuối cùng của cảm biến đa lớp với màng TiO2 làm cho bề mặt của cảm biến trở nên kị nước. Nó hạn chế sự khuếch tán của các dung dịch mẫu và kéo dài thời gian tương tác giữa polyphenol và thuốc nhuộm. Kết quả là, phản ứng hiện màu cuối cùng xảy ra ở một khu vực tập trung hơn so với không có biến đổi kị nước. Do đó, một sự thay đổi màu sắc rõ hơn được quan sát thấy đối với các mẫu có cùng nồng độ polyphenol.
Hình 5: Sự phù hợp tuyến tính giữa kết quả đáp ứng của cảm biến giấy đa lớp với các nồng độ khác nhau của axit galic
D. Thử nghiệm cảm biến giấy đa lớp trên mẫu thực tế
Cảm biến giấy đa lớp được sử dụng để xác định sự hiện diện của polyphenol trong cả mẫu rượu vang đỏ và trà xanh mua từ các siêu thị. Đối với cả hai loại mẫu, cảm biến cho thấy sự thay đổi màu sắc rõ ràng khi các mẫu nước được đưa vào.
Điều này cho thấy sự có mặt của các hợp chất
polyphenol trong các mẫu này. Để chứng minh ứng dụng tiềm năng của cảm biến này trong phân tích mẫu đồ uống, các mẫu này đã được đánh giá thêm bằng cách sử dụng phương pháp thêm chuẩn, chất chuẩn được dùng là axit galic 0,2 và 2,0 ppm. Bảng 1 trình bày kết quả phân tích bằng cả cảm biến giấy đa lớp và phương pháp Folin- Ciocalteu. Kết quả cho thấy, nồng độ polyphenol (axit galic) được phát hiện bằng cách sử dụng cảm biến giấy đa lớp cao hơn so với phương pháp Folin-Ciocalteu. Hiệu suất thu hồi cho hai phương pháp này là gần nhau cho cả hai mẫu sản phẩm.
Tuy nhiên, cảm biến đã chứng minh độ ổn định tốt hơn so với phương pháp Folin-Ciocalteu thông qua chỉ số sai số chuẩn tương đối (RSD). Ngoài ra, phương pháp cảm biến hiện tại có thể thu được kết quả trong vòng 10 phút chỉ bằng cách thêm các mẫu đơn giản, cho thấy phản ứng nhanh và dễ vận hành của cảm biến so với phương pháp Folin- Ciocalteu. Kết quả của thí nghiệm chứng minh rằng cảm biến giấy đa lớp này có tiềm năng cho các ứng dụng trong thực tế.
Bảng 1. Xác định tổng polyphenol trong các mẫu thêm chuẩn của rượu vang đỏ và trà xanh bằng cách sử dụng cảm biến đa lớp và phương pháp
Folin-Ciocalteu
IV. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã chế tạo được một loại cảm biến giấy đa lớp đơn giản, rẻ tiền, phản ứng nhanh và nhạy dựa trên phản ứng oxi hóa khử màu giữa polyphenol và Fe3+. Sau khi tối ưu hóa việc chế tạo từng bước kết hợp một lớp chitosan, phức Fe3+
và lớp natri alginate trên giấy lọc và được phủ lớp cuối cùng bằng màng TiO2, cảm biến giấy đa lớp hứa hẹn đáp ứng được sự cải thiện và phân bố màu đồng đều trên bề mặt cảm biến. Do sự khuếch tán của các phân tử thuốc nhuộm vào ma trận chitosan và tính kị nước tốt của bề mặt cảm biến do chức năng TiO2, sự nhiễu của nền bị giảm đi rất nhiều
và polyphenol trong các mẫu nước được làm đậm đặc trên bề mặt cảm biến. Do đó, nó giúp cải thiện đáng kể độ nhạy cảm biến. Giới hạn phát hiện của polyphenol mẫu (axit galic) là 0,012 ppm với phạm vi tuyến tính rộng từ 0,02 đến 6,1 ppm. Khi được áp dụng để phân tích các mẫu thực, cảm biến đã cho thấy phản ứng nhanh và dễ vận hành so với phương pháp Folin-Ciocalteu. Cảm biến được trình bày ở đây có thể đóng vai trò là một “lưỡi điện tử - electronic tongue” rẻ tiền, tiện lợi và đơn giản cho sự phân biệt thực tế đối với đồ uống có nguồn gốc thực vật có độ kháng oxy hóa.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này do Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh bảo trợ và cấp kinh phí theo Hợp đồng số 64/HĐ-DCT.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Akiyama H., Fujii K., Yamasaki O., Oono T., Iwatsuki K., “Antibacterial action of several tan- nins against Staphylococcus aureus”, J. Antimicrob.
Chemother., 2001, 48, 487–491.
[2] Alkasir R.S.J., Ornatska M., Andreescu S., “Colori- metric paper bioassay for the detection of phenolic compounds”, Anal. Chem., 2012, 84, 9729–9737.
[3] Apak, K. Guc¸lu, B. Demirata, M. Ozyurek, S. E.
C¸ elik, B. Bektasoglu, K. I. Berker, D. Ozyurt, “Com- parative evaluation of various total antioxidant capac- ity assays applied to phenolic compounds with the CUPRAC assay”, Molecules, 2007, 12, 1496–1547.
[4] Arciuli M., Palazzo G., Gallone A., Mallardi A.,
“Bioactive paper platform for colorimetric phenols detection”, Sens. Actuators B, 2013, 186, 557–562.
[5] Chen Z., Zhang X., Cao H., Huang Y., “Chitosan- capped silver nanoparticles as a highly selective colorimetric probe for visual detection of aro- matic ortho-trihydroxy phenols”, Analyst, 2013, 138, 2343–2349.
[6] Fontana A. R., Bottini R., “High-throughput method based on quick, easy, cheap, effective, rugged and safe followed by liquid chromatography-multi- wavelength detection for the quantification of multi- class polyphenols in wines”, J. Chromatogr. A, 2014, 1342, 44–53.
[7] Franquet-Griell H., Checa A., Nunez O., Saurina J., Hernandez-Cassou S., Puignou L., “Determination of polyphenols in Spanish Wines by capillary zone electrophoresis. Application to wine characterization by using chemometrics”, J. Agric. Food Chem., 2012, 60, 8340–8349.
[8] Gamella M., Campuzano S., Reviejo A.J., Pingarron J.M., “Electrochemical estimation of the polyphenol index in wines using a laccase biosensor”, J. Agric.
Food Chem., 2006, 54, 7960–7967.
[9] George S., Brat P., Alter P., Amiot M. J., “Rapid determination of polyphenols and vitamin C in plant- derived products”, J. Agric. Food Chem., 2005, 53, 1370–1373.
[10] Hanif S., Shamim U., Ullah M.F., Azmi A. S., Bhat S.H., Hadi S.M., “The anthocyanidin delphinidin mo- bilizes endogenous copper ions from human lym- phocytes leading to oxidative degradation of cellular DNA”, Toxicology, 2008, 249, 19–25.
[11] Huang J., Ichinose I., Kunitake T., “Biomolecular modification of hierarchical cellulose fibers through Titania nanocoating”, Angew. Chem., Int. Ed., 2006, 45, 2883–2886.
[12] Kallithraka S., M. I. Salacha, I. Tzourou, “Changes in phenolic composition and antioxidant activity of white wine during bottle storage: accelerated browing test versus bottle storage”, Food Chem., 2009, 113, 500–505.
[13] Kuroda Y., Hara Y., “Antimutagenic and anticarcino- genic activity of tea polyphenols”, Rev. Mutat. Res., 1999, 436, 69–97.
[14] Minussi R.C., Rossi M., Bologna L., Cordi L., Rotilio D., Pastore G.M., Durán N., “Phenolic compounds and total antioxidant potential of commercial wines”, Food Chem., 2003, 82, 409–416.
[15] Nalewajko-Sieliwoniuk E., Tarasewicz I., Kojło A.,
“Flow injection chemiluminescence determination of the total phenolics levels in plant-derived beverages using soluble manganese (IV)”, Anal. Chim. Acta., 2010, 668, 19–25.
[16] Ornatska M., Sharpe E., Andreescu D., Andreescu S.,
“Paper bioassay based on ceria nanoparticle as colori- metric probes”, Anal. Chem., 2011, 83, 4273–4280.
[17] Sanz V.C., Mena M. L., Gonzalez-Cortes A., Yanez- Sedeno P., Pingarron J.M., “Development of a tyrosi- nase biosensor based on gold nanoparticles-modified glassy carbon electrodes: application to the measure- ment of a bioelectrochemical polyphenols index in wines”, Anal. Chim. Acta, 2005, 528, 1–8
[18] Shamim U., Hanif S., Ullah M.F., Azmi A.S., Bhat S.H., Hadi S.M., “Plant polyphenols mobilize nuclear copper in human peripheral lymphocytes leading to oxidatively generated DNA breakage: Implications for an anticancer mechanism”, Free Radic. Res., 2008, 42, 764–772.
[19] Sharpe E., Bradley R., Frasco T., Jayathilaka D., Marsh A., Andreescu S., “Metal oxide based multi- sensory array and portable database for field anal-
ysis of antioxidants”, Sens. Actuators B, 2014, 193, 552–562.
[20] Souza L.P., Calegari F., Zarbin A.J.G., Marcolino- Junior L.H., Bergamini M.F., “Voltammetric deter- mination of the antioxidant capacity in wine sam- ples using a carbon nanotube modified electrode”, J.
Agric. Food Chem., 2011, 59, 7620–7625.
[21] Vaher M., Kaljurand M., “The development of paper microzone-based green analytical chemistry meth- ods for determining the quanlity of wines”, Anal.
Bioanal. Chem., 2012, 404, 627–633.
[22] Wang S., Ge L., Song X., Yu J., Ge S., Huang J., Zeng F., “Paper-based chemiluminescence ELISA: lab-on- paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing”, Biosens. Bioelectron., 2012, 31, 212–218.
[23] Zhang Y., Huang J., “Hierarchical nanofibrous sil- icon as replica of natural cellulose substance”, J.
Mater. Chem., 2011, 21, 7161–7165.
