Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định phenol trong nước thải công nghiệp

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan tài liệu về TYR, COS, nCTS;  Thẩm định giá trị sử dụng của phương pháp giấy CTMSH xác định phenol trong nước thải công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn ISO

NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã chuyên ngành: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS LÊ THỊ THANH HƯƠNG

Người phản biện 1: Người phản biện 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THỊ HOÀI NGUYÊN MSHV: 17112171

Ngày, tháng, năm sinh: 21/12/1995 Nơi sinh: Thoại Sơn, An Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã chuyên ngành: 60520301

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định phenol trong

nước thải công nghiệp

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tổng quan tài liệu về TYR, COS, nCTS;

 Thẩm định giá trị sử dụng của phương pháp giấy CTMSH xác định phenol trong nước thải công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2005;

 Ứng dụng giấy chỉ thị màu sinh học đã được chế tạo để xác định phenol trong nước thải công nghiệp

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 1118/QĐ-ĐHCN ngày 14 tháng 6

năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2019

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Người hướng dẫn 1: PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Người hướng dẫn 2: PGS.TS Lê Thị Thanh Hương

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

PGS.TS Nguyễn Văn Cường PGS.TS Lê Thị Thanh Hương

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, để hoàn thành được báo cáo Luận văn tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm

ơn chân thành đến trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, Khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, Viện Khoa học kỹ thuật nông nghiệp Miền Nam, đã tạo điều kiện về trang thiết bị và

cơ sở vật chất tối ưu để thực hiện đề tài

Cảm ơn quý thầy cô giáo của khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, đã dành hết tri thức và tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báo cho

em trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường vừa qua Đó thực sự là hành trang kiến thức rất cần thiết và quan trọng trong việc áp dụng vào thực tế, đặc biệt trong Luận văn này

Đồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Cường và PGS.TS Lê Thị Thanh Hương đã định hướng, chỉ đạo, tận tâm hướng dẫn và luôn giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như hoàn thành đề tài này Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân tình đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Trong quá trình làm luận văn, dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn em đã cố gắng tìm hiểu, tiếp thu kiến thức, học hỏi kinh nghiệm, rèn luyện tác phong làm việc

và đã trưởng thành hơn rất nhiều Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình làm việc nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì vậy, em rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô trong hội đồng bảo vệ để

đề tài này được hoàn thiện hơn

Nghiên cứu này đã được tài trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ của Bộ Tài nguyên và Môi trường, mã số TNMT.2018.04.13, do PGS.TS

Lê Thị Thanh Hương làm chủ nhiệm

Em xin chân thành cảm ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo thành công cảm biến màu sinh học dựa trên giấy lọc để xác định phenol trong nước thải công nghiệp Thành phần nhận biết sinh học là enzyme tyrosinase đã được cố định hiệu quả bằng hai hệ ma trận các polyme sinh học

đa điện tích là nano chitosan với aginate natri và chitosan oligosaccharide với aginate natri Giấy chỉ thị màu sinh học được chế tạo theo nguyên tắc nhỏ từng lớp lần lượt của nano chitosan hoặc chitosan oligosaccharide, tyrosinase, aginate natri Màu của giấy chỉ thị sau phản ứng được định lượng bằng camera tích hợp của smartphone và phần mềm Image J sử dụng không gian màu RGB Nghiên cứu cho thấy trong khoảng 0,010-2 (ppm), nồng độ phenol có quan hệ tuyến tính cao (99%) với cường độ các màu R, G và B (đặc biệt là R và I) của giấy chỉ thị sau khi tiếp xúc với phenol Giấy chỉ thị màu sử dụng chitosan oligosaccharide và aginate cố định tyrosinase có LOD

= 0,0042 ppm và LOQ = 0,0139 ppm, còn với nano chitosan và aginate có các giá trị LOD = 0,0040 ppm và LOQ = 0,0120 ppm hơi thấp nhưng với cường độ màu cao hơn Phương pháp xác định phenol trong nước thải công nghiệp bằng hai loại giấy chỉ thị màu sinh học này đã được kiểm định giá trị sử dụng theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2005 và phân tích thống kê bằng phần mềm Excel sử dụng chuẩn t, chuẩn F

và phân tích ANOVA Kết quả cho thấy phương pháp có độ chính xác đạt yêu cầu do

đó có thể áp dụng để xác định phenol trong nước thải công nghiệp Chitosan oligosaccharide và nano chitosan được điều chế từ chitosan thương mại được xác định các đặc trưng hình thái, cấu trúc bề mặt (SEM), cấu trúc hóa học và độ đề acetyl hóa (FT-IR), khối lượng phân tử và hệ số phân tán (GPC), pha và hình thái tinh thể (XRD), kích thước hạt và phân bố kích thước hạt (DLS) Nghiên cứu cũng đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học như nồng độ, thể tích,

số lớp của từng hóa chất phủ, nhiệt độ và thời gian ổn định cấu trúc và các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện phản ứng như thể tích phenol, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng và điều kiện lưu trữ giấy chỉ thị màu sinh học

iii

ABSTRACT

This work reported a success research the new type of paper-based colorimetric biosensor for the colorimetric determination of phenol in industrial wastewater Tyrosinase was the biological component It’s effectively immobilized by two matrix systems of bio polyelectrolyte: nano chitosan with sodium alginate and chitosan oligosaccharide with sodium alginate The sensor was based on a layer-by-layer assembly approach formed by alternately depositing layers of nano chitosan or chitosan oligosaccharide, tyrosinase and sodium alginate onto the filter paper The color change could be quantified with the camera smartphone and the Image J software uses the RGB color space The study showed that in the range of 0,010-2 (ppm), the phenol concentration was highly linear (99%) with the intensity of colors

R, G and B (especially R and I) of the indicator after exposed to phenol The sensor using chitosan oligosaccharide and sodium alginate entrapping the tyrosinase enzyme had 0,0042 ppm and LOQ = 0,0139 ppm, while nano chitosan and alginate had LOD

= 0,0040 ppm and LOQ = 0,0120 ppm slightly lower but with higher color intensity The method of determining phenol in industrial wastewater using these two types of bio-color indicator paper had been validated using ISO / IEC 17025 : 2005 and statistical analysis by Excel software using standard t, standard F and ANOVA analysis The result shows that the method had satisfactory accuracy so it can be applied to determine phenol in industrial wastewater Chitosan oligosaccharide and nano chitosan prepared from chitosan were determined the surface structure (SEM), chemical structure and deacetylation (FT-IR), molecular weight and system, dispersion number (GPC), phase and crystal morphology (XRD), particle size and particle size distribution (DLS) This study also checked out the effects of made biological color indicator paper such as concentration, volume, number of layers of each coating chemical, temperature and time of structural stability and influencing factors to reaction conditions such as phenol volume, reaction temperature, reaction time and storage conditions for biological color indicator paper

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Võ Thị Hoài Nguyên

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về phenol 3

1.1.1 Giới thiệu chung về phenol 3

1.1.2 Tính chất hóa học của phenol 4

1.1.3 Sản xuất và sử dụng phenol 6

1.1.4 Độc tính của phenol và tình hình ô nhiễm phenol 7

1.2 Giới thiệu về tyrosinase 11

1.3 Chitosan và nano chitosan 13

1.3.1 Chitosan 13

1.3.2 Nano chitosan 14

1.4 Màu sắc và phương pháp định lượng màu sắc 15

1.4.1 Ánh sáng và màu sắc 15

1.4.2 Thuộc tính màu sắc 16

1.4.3 Không gian màu 16

1.4.4 Các phương pháp định lượng màu sắc 17

1.4.5 Giới thiệu cảm biến sinh học 19

1.5 Tổng quan các phương pháp xác định phenol 22

1.5.1 Phương pháp sắc kí 22

vi

1.5.2 Phương pháp trắc quang 23

1.5.3 Phương pháp cảm biến sinh học 24

1.5.4 Phương pháp chỉ thị màu sinh học dựa trên giấy 25

1.6 Xu hướng sử dụng thiết bị IT phổ biến trong phân tích hóa học hiện đại của phương pháp so màu 26

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 28

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 28

2.2 Chuẩn bị dung dịch chuẩn 29

2.3 Pha dung dịch làm việc 30

2.4 Phương pháp nghiên cứu 32

2.4.1 Điều chế nano chitosan 32

2.4.2 Chế tạo hộp đo màu và lựa chọn phần mềm định lượng màu sắc 35

2.4.3 Chế tạo giấy CTMSH 36

2.4.4 Khảo sát màu sắc của từng lớp hóa chất trên bề mặt giấy lọc 37

2.4.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình chế tạo và điều kiện phản ứng của giấy CTMSH 38

2.4.6 Khảo sát các tính chất đặc trưng của giấy nguyên liệu và giấy CTMSH 43

2.4.7 Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp 44

2.4.8 Phân tích mẫu 46

2.4.9 Phương pháp lấy mẫu 46

2.4.10 Xử lý mẫu 47

2.4.11 Tính toán nồng độ phenol bằng phương pháp giấy CTMSH 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ 48

3.1 Kết quả phân tích đặc trưng của COS và nCTS đã được điều chế 48

3.1.1 Phân tích sắc kí gel thấm qua (GPC) 48

3.1.2 Phân tích kích thước hạt (DLS) 49

3.1.3 Phân tích hình thái và cấu trúc bề mặt (FE-SEM) 49

3.1.4 Phân tích cấu trúc hóa học (FT-IR) 51

3.1.5 Phân tích trạng thái pha và tinh thể (XRD) 52

3.2 Kết quả khảo sát màu của đơn lớp hóa chất trên bề mặt giấy 52

vii

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và điều kiện

phản ứng của giấy CTMSH 54

3.3.1 Kết quả ảnh hưởng của chất mang COS và nCTS 54

3.3.2 Kết quả ảnh hưởng của TYR 56

3.3.3 Kết quả ảnh hưởng của ALG 57

3.3.4 Kết quả ảnh hưởng của COS và nCTS phủ bề mặt 58

3.3.5 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo và điều kiện phản ứng của giấy CTMSH 60

3.3.6 Kết quả khảo sát thời gian và nhiệt độ lưu trữ của giấy CTMSH 63

3.4 Các tính chất đặc trưng của giấy lọc nguyên liệu và giấy CTMSH 64

3.4.1 Hàm lượng tro của giấy lọc 64

3.4.2 Phân tích cấu trúc hóa học (FT-IR) 64

3.4.3 Hình thái và cấu trúc bề mặt (SEM) 65

3.5 Thẩm định phương pháp xác định phenol bằng giấy CTMSH 67

3.5.1 LOD và LOQ 67

3.5.2 Khoảng tuyến tính và phương trình đường chuẩn 68

3.5.3 Độ lặp 74

3.5.4 Độ đúng 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 124

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quy trình tạo nCTS bằng phương pháp tạo gel ion 15

Hình 1.2 Trái: Tiết diện mắt người Phải: Tiết diện võng mạc 16

Hình 1.3 Mô hình màu RGB và CMYK 17

Hình 1.4 Mô phỏng thiết bị máy đo kích thích 3 thành phần 18

Hình 1.5 Các thành phần cấu tạo của cảm biến sinh học 19

Hình 1.6 Các phương pháp cố định enzyme lên chất mang 20

Hình 1.7 Một số cảm biến sinh học đã được thương mại hóa 22

Hình 1.8 Chế tạo giấy chỉ thị màu chứa các hợp chất sắt xác định BPA 27

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu 32

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình điều chế COS 33

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình điều chế nCTS 34

Hình 2.4 Hộp đo màu và phần mềm ImageJ 36

Hình 2.5 Tạo ranh giới kỵ nước cho vùng phản ứng 36

Hình 3.1 Kết quả phân tích GPC 48

Hình 3.2 Kết quả phân tích DLS của nCTS 49

Hình 3.3 FE-SEM của CTS ở độ phóng đại 500μm (A) và 50μm (B) 50

Hình 3.4 FE-SEM của COS ở độ phóng đại 500μm (A) và 50μm (B) 50

Hình 3.5 FE-SEM của nCTS ở độ phóng đại 1μm (A) và 400nm (B) 50

Hình 3.6 Phổ FT-IR của CTS, COS và nCTS 51

Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của CTS, COS và nCTS 52

Hình 3.8 Sự thay đổi màu R của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A) và Cell_nCTS (B) 53

Hình 3.9 Sự thay đổi màu G của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A) và Cell_nCTS (B) 53

Hình 3.10 Sự thay đổi màu B của đơn lớp hóa chất với giấy CTMSH Cell_COS (A) và Cell_nCTS (B) 54

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thể tích chất mang 55

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ chất mang 55

Hình 3.13 Ảnh hưởng của số lớp chất mang 55

ix

Hình 3.14 Ảnh hưởng của thể tích TYR 56

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nồng độ TYR 56

Hình 3.16 Ảnh hưởng của số lớp TYR 57

Hình 3.17 Ảnh hưởng của thể tích ALG 57

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nồng độ ALG 58

Hình 3.19 Ảnh hưởng của số lớp ALG 58

Hình 3.20 Ảnh hưởng của thể tích chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc 59

Hình 3.21 Ảnh hưởng của nồng độ chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc 59

Hình 3.22 Ảnh hưởng của số lớp chất phủ bề mặt trên bề mặt giấy lọc 59

Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo và nhiệt độ phản ứng của Cell_COS 60

Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo và nhiệt độ phản ứng của Cell_nCTS 60

Hình 3.25 Ảnh hưởng của thời gian chế tạo 61

Hình 3.26 Ảnh hưởng của thể tích Phenol 62

Hình 3.27 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 62

Hình 3.28 Thời gian lưu mẫu giấy CTMSH ở 25°C 63

Hình 3.29 Thời gian lưu mẫu giấy CTMSH ở 4°C 63

Hình 3.30 Phổ FT-IR của giấy lọc Whatman No.1, giấy sắc ký, Cell_COS và Cell_nCTS 64

Hình 3.31 FE-SEM của giấy lọc Whatman No.1 (A) và Cell_COS (B) 66

Hình 3.32 FE-SEM của giấy sắc ký (A) và Cell_nCTS (B) 66

Hình 3.33 Khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy của Cell_COS 71

Hình 3.34 Khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy của Cell_nCTS 73

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của COS và nCTS 39

Bảng 2.2 Khảo sát ảnh hưởng của TYR 40

Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của ALG 41

Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của COS và nCTS phủ bề mặt 42

Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ổn định và nhiệt độ phản ứng 43

Bảng 3.1 Giá trị phân tử lượng trung bình của CTS, COS và nCTS 48

Bảng 3.2 Các nhóm chức đặc trưng trên phổ FT-IR của Cell_COS và Cell_nCTS 65 Bảng 3.3 Kết quả xác định LOD và LOQ của phương pháp Cell_COS và Cell_nCTS 67

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính và phương trình hồi quy tuyến tính 69

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát độ lặp của phương pháp Cell_COS và Cell_nCTS 74

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát hiệu suất thu hồi của phương pháp Cell_COS và Cell_nCTS 75

Bảng 3.7 Kết quả phân tích nồng độ phenol trong mẫu đối chứng bằng phương pháp Cell_COS, Cell_nCTS và Prussian blue 76

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn một thành viên

và sức khỏe của con người Vì vậy, việc chế tạo ra giấy chỉ thị màu sinh học để xác định nhanh phenol nhằm bảo vệ sức khỏe cho cộng đồng là rất cần thiết Việc chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học xác định phenol trong nước thải công nghiệp sử dụng đầu

dò enzyme tyrosinase để tìm ra một giải pháp xác định phenol đơn giản, nhanh chóng, không tốn kém, thân thiện với môi trường và có thể áp dụng trong chẩn đoán, nước thải công nghiệp và các lĩnh vực khác đang được quan tâm nghiên cứu Gần đây cảm biến sinh học trên giấy để xác định một số chất trong môi trường đã chứng tỏ là một phương pháp nhanh, hiệu quả rẻ tiền, thao tác đơn giản, sử dụng các công cụ IT như Smartphone được ứng dụng và nghiên cứu rất mạnh mẽ Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới việc chế tạo chỉ thị màu sinh học để xác định phenol trong nước thải

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu giấy chỉ thị sinh học xác định phenol trong nước thải công nghiệp

Nhiệm vụ của đề tài gồm có:

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chế tạo giấy chỉ thị sinh học xác định phenol trong nước thải công nghiệp sử dụng đầu dò sinh học tyrosinase (TYR) được cố định trên bề mặt giấy bằng nano chitosan (nCTS), hệ phức hợp tripolyphotphat sodium (STTP) và chitosan oligosaccharide (COS);

 Sử dụng các phương pháp hóa lý hiện đại như FT-IR, SEM, DLS, GPC, XRD Xác định cấu tạo của giấy chỉ thị sinh học đã được chế tạo;

2

 Áp dụng chế tạo giấy chỉ thị sinh học đã được chế tạo xác định phenol trong nước thải công nghiệp có tham chiếu với kết quả phân tích của một cơ sở phân tích uy tín như Quatest 3 và phương pháp Prussian blue sử dụng quang phổ UV-VIS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: phenol trong nước thải công nghiệp như nước thải của nhà máy giấy

Phạm vi nghiên cứu: giấy CTMSH được chế tạo từ giấy lọc và đầu dò sinh học TYR được cố định trên bề mặt giấy bằng hệ nCTS/ALG, hệ phức hợp STTP/COS/ALG

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: thông qua tài liệu sách, báo, tạp chí trong và ngoài nước

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học theo trật tự sau:

 Tổng quan tài liệu về TYR, COS, nCTS;

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Giấy CTMSH xác định phenol trong nước thải công nghiệp dựa trên việc sử dụng các công cụ IT hàng ngày như smartphone là một phương pháp hiệu quả nhanh, rẻ tiền, thân thiện với môi trường, có thể mang xách, chế tạo và vận hành nhanh chóng, đơn giản sẽ góp phần quan trắc, phát hiện xử lý kịp thời phenol có trong nước thải công nghiệp bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái

3

1.1 Tổng quan về phenol

1.1.1 Giới thiệu chung về phenol

Phenol có công thức C6H5OH và có các tên gọi như phenol, acid phenylic, carbolic

Phenol là một chất rắn, không màu ở nhiệt độ phòng và áp suất thường Phenol có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 43°C và sôi ở 182°C Khi tiếp xúc với không khí và ánh sáng, phenol chuyển nhanh sang màu hồng hoặc đỏ do phenol rất dễ phản ứng oxy hóa với một số tạp chất còn lại trong quá trình sản xuất hoặc lưu trữ như sắt, đồng và oxy trong không khí Mặc dù có khả năng tạo liên kết hydro với nước nhưng phenol tan ít trong nước lạnh (9,5g/100g nước ở 25°C) vì gốc phenyl (C6H5-) khá kỵ nước Tuy nhiên, phenol tan vô hạn trong nước nóng ở nhiệt độ ≥ 70°C Phenol có thể bị phân hủy trong không khí khoảng 1-2 ngày nhưng có thể tồn tại trong nước một tuần hoặc lâu hơn Trong đất, phenol bị phân hủy bởi vi khuẩn hoặc các vi sinh vật khác Phenol được sản xuất trong công nghiệp chủ yếu bằng các phương pháp oxy hóa cumen Ngoài ra một số phương pháp khác cũng được sử dụng để sản xuất phenol như thủy phân chlorobenzene, phương pháp kiềm chảy và chưng cất than đá

Thủy phân chlorobenzene là phương pháp điều chế phenol qua hai giai đoạn: chlor hóa benzene thành chlorobenzene sau đó thủy phân chlorobenzene bằng dung dịch NaOH đậm đặc ở nhiệt độ và áp suất cao

4

Phương pháp chưng cất nhựa than đá sử dụng phân đoạn có nhiệt độ sôi khoảng

170-240 (°C) để tách phenol ra khỏi hỗn hợp các hydrocacbon bằng dung dịch NaOH tạo

ra muối phenolat tan trong nước Sau đó sục khí CO2 vào để hoàn nguyên phenol

Điều chế phenol trong phòng thí nghiệm bằng phản ứng thủy phân dung dịch muối diazonium trong môi trường acid ở nhiệt độ 40-50 (°C)

1.1.2 Tính chất hóa học của phenol

Các phản ứng hóa học của phenol chủ yếu xảy ra trên nhóm chức hydroxyl (cắt đứt nối Ar-OH hay ArO-H) và trên nhân hương phương dưới ảnh hưởng của nhóm hydroxyl [1] [2]

Phenol có tính acid mạnh hơn nước nên được gọi là acid phenic vì nó có thể cho proton H+ để tạo thành ion phenolat bền do có hiệu ứng điện tử liên hợp trên vòng benzen Tuy nhiên tính acid của phenol yếu (Ka = 10-10) mặc dù mạnh hơn alcol nhưng lại nhỏ hơn so với acid acetic Phenol tác dụng với kim loại kiềm như Na, K hay dung dịch NaOH loãng tạo ra muối phenolat tan trong nước Phenol không tác dụng với NaHCO3

Liên kết C−O rất bền nên phenol không phản ứng ester hóa trực tiếp với acid hữu cơ

5

Để điều chế ester của phenol người ta phải dùng dẫn xuất của acid cacboxylic như chlorua acid RCOCl, anhydride acid RCOOCOR vì khả năng phản ứng của các dẫn xuất này cao hơn acid

Phenol và các hợp chất phenol phản ứng với dung dịch FeCl3 tạo ra phức có màu đặc trưng do đó phản ứng này thường được dùng để nhận biết hoặc loại bỏ phenol và các hợp chất phenol trong nước thải [3], [4], [5]

Phản ứng thế vào nhân benzen của phenol được định hướng ở vị trí o- và p- do đó phenol phản ứng với dung dịch brom xảy ra ngay ở nhiệt độ thường tạo ra 2,4,6-tribromo phenol kết tủa trắng

Phản ứng cộng của phenol với aldehid hoặc ketone xảy ra dễ dàng trong môi trường baz Sản phẩm là hỗn hợp o- và p- với aldehid

Ở nhiệt độ cao và môi trường baz, phenol đồng trùng ngưng với fomadehit tạo ra polyphenolfomandehit là một polyme được sử dụng làm keo dán:

6

Phenol và các hợp chất phenol dễ dàng tham gia phản ứng oxy hóa với nhiều tác chất oxy hóa khác nhau như K2Cr2O7, Na2Cr2O7, Ag2O/C2H5OH, … để tạo thành benzoquinon

Ngoài ra các hợp chất này còn tham gia phản ứng oxy hóa với enzyme TYR tạo các quinone có màu đặc trưng do đó phản ứng này được sử dụng nhiều để nhận biết và định lượng các hợp chất polyphenol hay các phenolic bằng phương pháp trắc quang

1.1.3 Sản xuất và sử dụng phenol

Phenol là một trong những chất được sử dụng rộng rãi nhất trong các hợp chất hữu

cơ và là nguyên liệu cơ bản cho tổng hợp hữu cơ của các ngành sản xuất nông nghiệp, hóa dầu, dược phẩm (aspirin), thuốc trừ sâu (chất diệt cỏ dại và kích thích tố thực vật (2,4-D là muối natri của 2,4-dichlorophenoxyacetic acid), nhựa phenolic, phenol formaldehide, epoxy, polycarbonate, bisphenol A, caprolactam, các sản phẩm khác

là alkylphenols, xylenol, cresol và acid adipic, sản xuất vải (polyamide), thuốc nhuộm, chất nổ (acid picric), chất hoạt động bề mặt, chất kết dính, chất bọt, chất nhũ hoá, cao su, … và các ứng dụng khác như sản xuất sơn, dược phẩm, thuốc nhuộm, thuốc thử trong phòng thí nghiệm, thuốc trừ sâu và thuốc khử trùng thông thường Hai công dụng chính của phenol là làm nguyên liệu sản xuất bisphenol A (35%) và sản xuất nhựa phenolic (34%) [6] Các công dụng khác bao gồm sản xuất caprolactam

7

(15%), anilin, (5%), alkylphenol (5%), xylenols (5%) và các hợp chất khác (1%) Từ phenol có thể điều chế ra các hợp chất chống oxy hóa dùng bảo quản các sản phẩm thực phẩm, mỹ phẩm Phenol còn thường được sử dụng làm chất bảo quản, chất tẩy

uế, trong công nghệ sản xuất bột giấy, sản xuất thuốc trừ sâu và các chất trung gian khác Phenol còn nhiều sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô và xây dựng bao gồm phanh lót, chất kết dính đúc, bọt cách nhiệt và vật liệu tổng hợp Trước đây, phenol được sử dụng trong mỹ phẩm trong các sản phẩm chăm sóc tóc và da, trong các chất khử loãng (các hóa chất tiêu diệt vi khuẩn và nấm trong chất nhờn) Phenol cũng được sử dụng trong sơn ngâm tẩm và chất bảo quản trong các chế phẩm dược phẩm như insulin, vắc-xin lao, huyết thanh dị ứng, tiêm và thuốc thú y [7]

1.1.4 Độc tính của phenol và tình hình ô nhiễm phenol

Phenol được hấp thụ, phân bố nhanh khắp cơ thể khi tiếp xúc với miệng, da hoặc qua đường hô hấp và bài tiết nhanh trong nước tiểu Phenol không tích lũy trong cơ thể Phenol ăn mòn da, màng nhầy, gây kích ứng đường hô hấp, đau đầu, cay mắt và gây bỏng da nghiêm trọng và tổn thương mắt Liều lượng thấp nhất gây tử vong bằng đường tiêu hóa là khoảng 4,8g và trong thời gian không quá 19 phút Các mức độc hại đối với con người thường nằm trong khoảng từ 10-24 mg/L và mức đối với cá từ 9-25 mg/L Nồng độ trong máu có thể gây chết người của phenol là khoảng 150mg/100mL

Phenol có tính sát trùng, khi tiếp xúc với da ở nồng độ cao có thể làm da nổi hồng đến bỏng hoặc hoại tử da, gây rối loạn nhịp tim, suy nhược hô hấp, suy thận, tác động mạnh đến thần kinh, hôn mê và có thể dẫn đến tử vong Các triệu chứng hít phải phenol bao gồm chán ăn, sụt kí, nhức đầu, chóng mặt, chảy nước bọt, nước tiểu sẫm màu Ngưỡng mùi an toàn với phenol trong nước là 0,3 mg/L và trong không khí dao động từ 0,021-20 (mg/m3) Tình trạng bị kích ứng và ảnh hưởng cũng xảy ra tương

tự đối với các loài động vật khi tiếp xúc với phenol Phenol có LC50 (nồng độ gây chết 50 % số cơ thể người hay động vật khi cơ thể đó được đưa vào một lượng nhất định chất độc) và EC50 (nồng độ gây hại 50% quần thể trong điều kiện thực nghiệm quan sát rõ ràng) đối với giáp xác và cá khoảng 3-7 (mg/L) [8] Phenol ở nồng độ 5

8

mg/L có mùi đặc trưng giống như mùi clo Tổ chức Y tế thế giới (WHO) quy định nồng độ tối đa của phenol trong nước uống là 1 mg/L [9] Phơi nhiễm phenol có thể xảy ra thông qua ăn uống (thực phẩm, thuốc men) và tiếp xúc với da và hít phải hơi hay khí phát sinh từ việc sử dụng các sản phẩm tiêu dùng

Phenol là chất thải của nhiều hoạt động công nghiệp và ô nhiễm phenol trong không khí, nước thải và trong đất có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái; đặc biệt nếu ô nhiễm phenol ở hàm lượng cao có thể hủy diệt toàn bộ hệ sinh thái Phenol được sản xuất thương mại là một nguy hiểm hóa học nghề nghiệp tiềm năng Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng phenol có tác dụng phụ đến hệ sinh thái thủy sinh, làm giảm sự trao đổi chất, chỉ số tăng trưởng, ức chế hoàn toàn sinh sản ấu trùng của cá khi phơi nhiễm mãn tính ngay cả ở nồng độ nhỏ (1,26 mg/L) EC50 thấp nhất đối với sinh vật nước được ước tính là 3,1 mg/L Do đó để xác định nồng độ phenol an toàn cho một loài cá và môi trường sống của nó phải kiểm tra độc tính trong thời gian ít nhất 90 ngày với nồng độ có khả năng gây chết cá [10], [11] Tại Hoa Kỳ, phenol được EPA liệt kê là chất gây ô nhiễm ưu tiên và được quy định

là chất gây ô nhiễm độc hại theo Đạo luật Không khí sạch (Clean Air Act) Phenol được quy định bởi các hướng dẫn về nước thải sạch (Clean Water Effluent Guidelines) cho các nguồn công nghiệp sau: mạ điện, hóa chất hữu cơ, hơi nước, amiăng, chế biến gỗ, hoàn thiện kim loại, lát và lợp, sơn công thức, mực in, kẹo cao

su và gỗ, carbon đen, đúc kim loại và đúc tạo hình nhôm, các linh kiện điện và điện

tử EPA điều chỉnh phenol theo Đạo luật Nước thải sạch (Clean Air Act - CWA) và Đạo luật Không khí sạch (Clean Air Act - CAA) đã chỉ định phenol là một chất độc hại và chất ô nhiễm không khí nguy hiểm (HAP) (EPA 2006b, 2006c) Phenol nằm trong danh sách các hóa chất xuất hiện trong “Hóa chất độc hại theo Mục 313 của Kế hoạch khẩn cấp và Đạo luật cộng đồng cần biết năm 1986” (EPA 2006)

Ủy ban An toàn và sức khỏe nghề nghiệp và Ủy ban Quốc gia về An toàn và sức khỏe nghề nghiệp của Mỹ (NIOSH và OSHA) đã thiết lập một tiêu chuẩn an toàn nghề nghiệp đối với phenol Vì có độc tính cao, bền khó phân hủy nên Cơ quan Bảo vệ

9

Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và Liên minh Châu Âu (EU) đã đưa phenol và 10 hợp chất phenol khác vào danh sách 45 chất độc hại có nguy cơ ô nhiễm cao cần phải được xử lý ngay trước khi thải bỏ trong môi trường [12], [13] Tổ chức nghiên cứu

về ung thư thế giới IARC (International Agency for Research on Cancer) không xếp phenol thuộc loại gây ra ung thư đối với con người [9]

Phenol không tồn tại lâu trong không khí, đất, nước thải, nước biển hoặc nước mặt

Nó dễ dàng tham gia phản ứng quang hóa, nhanh chóng phân hủy bằng các vi sinh học hiếu khí và kỵ khí với tốc độ chậm hơn tạo thành khí cacbonic Tỷ lệ phenol bị loại bỏ trong nước ngầm và đất tuy thấp vẫn có thể xảy ra vì bị phân hủy bởi các vi khuẩn hoặc vi sinh vật Mặc dù có rất nhiều ứng dụng nhưng các phenol quan trọng hiện nay lại là các chất gây ô nhiễm môi trường phổ biến có trong nước thải công nghiệp, đất, trầm tích và không khí Phenol có trong môi trường do sự thoái hóa tự nhiên của chất thải hữu cơ như benzen Ngoài ra, phenol còn sinh ra do cháy rừng và trong số các thành phần dễ bay hơi từ phân lỏng Thảm thực vật bị mục nát và đặc biệt là gỗ cũng tạo ra nhiều phenol vì lignin - một trong những thành phần chính của cây khi phân hủy tạo ra nhiều chất trong đó có phenol và các hợp chất phenol Tuy nhiên phenol được phát thải vào môi trường không khí, nước và đất chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và quá trình sử dụng các sản phẩm có chứa hoặc sinh

ra phenol Tính tan trong nước cao của phenol nên nó có thể bị phát tán vào môi trường qua nước mưa Phenol có trong không khí từ khí thải ô tô, khói thuốc lá và quá trình đốt cháy gỗ [14]

Phenol đã được phát hiện trong nước mặt, nước mưa, trầm tích, nước uống, nước ngầm, nước thải công nghiệp, dòng chảy đô thị và tại các khu vực chất thải nguy hại

Ở các vùng còn tương đối nguyên sơ, mức độ phenol có thể tới 1 ppb đối với nước ngầm không ô nhiễm và có khoảng từ 0,01 ppb đến 1 ppb ở các con sông không bị ô nhiễm Các ngành công nghiệp phát thải phenol như công nghiệp dầu mỏ, sản xuất nylon, nhựa epoxy, nhựa polycarbonate, thuốc diệt cỏ, chất bảo quản gỗ, chất lỏng thủy lực, chất hoạt động bề mặt nặng, phụ gia dầu bôi trơn, lớp lót và lớp phủ, và các quá trình sản xuất trung gian cho chất hóa dẻo và các hóa chất đặc biệt khác

10

Hai nguồn phenol tự nhiên trong môi trường thủy sinh là chất thải của động vật và phân hủy chất thải hữu cơ Là một chất chuyển hóa của benzen, phenol có thể được thải ra từ các công trình xử lý công cộng (POTWs) và nước thải rỉ từ các bãi chứa rác thải Phenol có thể xảy ra trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp, nước tự nhiên và cả tại nguồn cung cấp nước sạch Việc clo hóa nước sinh hoạt có thể tạo ra các chất chlorophenol có mùi khó chịu Phenol trong nước uống có thể là kết quả của việc sử dụng nước mặt nhiễm bẩn hoặc nước ngầm Nước ngầm và đất có phenol có thể do kết quả của việc phát tán từ nước thải công nghiệp hoặc nước rỉ rác từ các bãi chứa rác thải hay bãi chôn lấp rác thải Sử dụng rộng rãi phenol trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn dẫn đến sự xuất hiện của các hợp chất này trong các nguồn thải ra môi trường [15] Phenol được tạo ra từ sự phân hủy lignin trong ngành sản xuất bột giấy đang là một ngành công nghiệp có tốc độ tăng trưởng cao trong những năm gần đây Độ hòa tan cao của phenol trong nước làm cho nó dễ dàng khuếch tán và di chuyển trong các môi trường nước gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và cả nước mặt Nguy hiểm hơn, sự xuất hiện của phenol trong nước mặt hoặc nước ngầm sẽ dẫn đến sự hình thành các phenol bị clo hóa độc hại nhiều hơn trong quá trình khử trùng nước

Ở Việt Nam, phương pháp dập cốc ướt được lựa chọn do giá thành rẻ nhưng đây cũng chính là nguồn phát sinh nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm như CN-, phenol, PAHs… Nồng độ phenol trong nước thải cốc thường dao động trong khoảng từ 300-

1500 (mg/L) tùy thuộc vào công nghệ của từng nhà máy cũng như nguồn than sử dụng [16] Sản xuất công nghiệp ngày càng phát triển do đó làm tăng lượng nước thải

có phenol và các hợp chất của nó từ các ngành công nghiệp như các nhà máy lọc dầu, hóa dầu và các nhà máy gốm sứ, các hoạt động khai thác than đá, thuốc trừ sâu, dược phẩm, thuốc nhuộm, chất dẻo, thuốc nở, thuốc diệt cỏ và các sản phẩm nhựa phenolic Ngoài ra phenol có thể còn trong cặn bã sau những thảm họa tràn dầu gây nguy hại cho môi trường và hệ sinh thái biển [2] Hầu hết phenol sau khi được thải rửa từ các nhà máy đều đi vào môi trường nước

Hiện nay Việt Nam đã có các khu công nghiệp, khu chế xuất và khu công nghệ cao ở hầu hết các tỉnh thành, thu hút hàng chục ngàn dự án sản xuất công nghiệp trên mọi

11

lĩnh vực Bên cạnh việc sản xuất ra một khối lượng lớn sản phẩm phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu, các cơ sở công nghiệp còn thải vào môi trường một khối lượng tương ứng các loại chất thải lỏng, khí, rắn và bùn Đẩy mạnh sản xuất công nghiệp, mở rộng quy mô và các ngành hàng sản xuất nhưng hiện nay mức đầu tư cho

hệ thống phòng thí nghiệm để phát hiện, xác định và xử lý nước thải, đặc biệt là phenol trong nước thải vẫn chưa theo kịp tốc độ phát triển về quy mô các ngành công nghiệp trong cả nước

Mặt khác, chất lượng kênh rạch nội thành có mức độ ô nhiễm hữu cơ, mức độ ô nhiễm dinh dưỡng, vi sinh vẫn còn cao Nguyên nhân gây ô nhiễm là tuyến kênh rạch ở khu vực nội thành chịu ảnh hưởng của nguồn nước thải đô thị và nước thải của các cơ sở sản xuất chưa được xử lý hoặc xử lý không đạt chuẩn xả ra các tuyến kênh nội thành Tổng lượng nước thải chưa được xử lý xả thẳng vào hệ thống, lượng nước còn lại chỉ được xử lý sơ bộ trong các bể tự hoại, bể lắng trong tuyến thoát nước Bên cạnh đó, nước thải nông nghiệp cũng là vấn đề đáng quan tâm hiện nay Nước thải nông nghiệp thường chứa các hóa chất bảo vệ thực vật, hay thuốc trừ sâu có thể chứa các dẫn xuất phenol gây hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái nước mặt Phenol có trong nước tưới nông nghiệp cũng nguy hiểm đến sức khỏe con người, động vật, thực vật

và vi sinh vật [17]

1.2 Giới thiệu về tyrosinase

Tyrosinase là enzyme hai chức năng (bifunctional enzyme), xúc tác phản ứng hydroxyl hóa các monophenol như tyrosine, p-cresol và axít p-coumaric thành o-diphenol (thể hiện họat tính cresolase hoặc monophenolase) và oxi hóa o-diphenol thành dopaquinone (thể hiện hoạt tính catacholase hoặc diphenolase) Phản ứng chuyển hóa dưới sự xúc tác của tyrosinase như sau:

12

Tyrosinase được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên, trong tất cả các cơ quan, các mô của thực vật, động vật cũng như trong vi sinh vật: vi khuẩn và nấm mốc Đây là những nguồn thu enzyme vô cùng phong phú Cấu trúc của tyrosinase như sau:

Tyrosinase có ý nghĩa quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp thực phẩm, y học, dược phẩm, trong lĩnh vực hóa mỹ phẩm và trong lĩnh vực môi trường Tyrosinase được ứng dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm như hợp chất polyphenol bị oxy hóa bởi tyrosinase có sẵn trong lá chè, tạo nên màu sắc, độ đậm và hương vị, đảm bảo chất lượng của sản phẩm chè đen, ảnh hưởng tới màu sắc,

vị của thuốc lá và một số sản phẩm khác như cacao, café [18] Trong công nghiệp dược phẩm tyrosinase được dùng để phân biệt Mocphine từ Codeine bằng cách cố định trên điện cực Trong ngành y học, tyrosinase được sử dụng để nghiên cứu sự ngăn ngừa xâm nhập của vi khuẩn, điều trị bệnh Parkinson, chữa trị bệnh bạch tạng như chuyển gen mã hoá tyrosinase hoặc bổ sung trực tiếp tyrosinase vào cơ thể bệnh nhân [19], bệnh Pneylketonurea như phơi nắng khi bôi tyrosinse lên da Ngoài ra hiện nay tyrosinase còn được nghiên cứu trong chữa bệnh lang ben là một bệnh do rối loại hắc tố da Sự chuyển hoá không kiểm soát của melanin là nguyên nhân gây ra những vết tàn nhang, sạm da hay nguy hiểm hơn nữa là khối u ác tính Vì vậy việc nghiên cứu các chất ức chế tyrosinase để sản xuất các chế phẩm thương mại như kem làm trắng da là một hướng hiện nay rất được quan tâm trên thế giới Điện cực sinh học

và thiết bị cảm ứng sinh học sử dụng đầu dò tyrosinase thường được sử dụng để xác định và loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải và sự có mặt của các hợp chất phenol trong thực phẩm [20]

C (2) Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D-glucosamine (cấu trúc III) [21]

CTS là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có tính kiềm nhẹ, có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH=6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt [47] Nhiệt độ nóng chảy 309-311(°C) Khi hoà tan trong dung dịch acid acetic loãng sẽ tạo thành dung dịch keo dương, nhờ đó mà keo chitosan không bị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như: Pb2+, Hg+… là một polycationic mang điện tích dương (pH<6,5) nên chitosan có khả năng bám dính trên các bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2) CTS có tính chất cơ học tốt, không độc, có thể tự phân huỷ sinh học [8]

Chitosan oligosaccharit (COS) là chitosan phân tử lượng thấp, cấu tạo từ 3 đến 11 đơn vị glucozamin liên kết với nhau thông qua cầu nối β-(1-4)-D-glucozite COS có khả năng hòa tan tốt hơn các chitosan phân tử lượng thấp (LMWC-low molecular

14

weight chitosan) Nói chung phân tử lượng của COS có thể lên đến 10 kDa COS được chế tạo bằng biến tính cắt mạch CTS sử dụng các tác nhân cắt mạch như enzyme [22], hóa học [23] và bức xạ [24], [25]

Công thức cấu tạo COS:

1.3.2 Nano chitosan

Nano chitosan do có kích thước siêu nhỏ từ (10 đến 1000nm) nên dễ dàng di chuyển

đi qua màng tế bào, có thể đưa vào cơ thể qua nhiều đường khác nhau như dùng ngoài

da, dùng qua đường miệng, qua mũi, … Nano chitosan có diện tích và điện tích bề mặt cực lớn nên được ứng dụng nhiều trong y học, như làm chất mang thuốc, vaccine, kháng khuẩn, thuốc điều trị ung thư, …

Chitosan được sử dụng làm nguyên liệu điều chế hạt nano chitosan trong những năm gần đây Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để chuẩn bị hạt nano chitosan (nCTS) Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào các yêu cầu như kích thước hạt, độ ổn định nhiệt và mức độ hoạt động hóa học, khả năng tái tạo, tính ổn định và độc tính còn lại sau khi liên kết với sản phẩm cuối cùng của nCTS Nhìn chung có 5 phương pháp chủ yếu để tạo hạt nano chitosan là phương pháp nối mạch nhũ tương (emulsion cross-linking), phương pháp tụ giọt/kết tủa (coacervation/precipitation), phương pháp kết hợp các giọt nhũ tương (emulsion-droplet coalescence), phương pháp tạo gel ion (ionic gelation) và phương pháp mixen đảo (reverse micellar)

Phương pháp được sử dụng nhiều nhất là tạo gel ion vì quá trình chuẩn bị đơn giản

và không cần phải sử dụng dung môi hữu cơ hay sử dụng lực nén lớn Do đó, phương pháp này được nghiên cứu rộng rãi trong tổng hợp chất dẫn thuốc và thực phẩm chức

15

năng Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất hạt nano chitosan là kích thước hạt, sự tích điện bề mặt, khối lượng phân tử và độ deacetyl hoá của chitosan Cơ chế của phương pháp này dựa trên tương tác tĩnh điện giữa chitosan tích điện dương và một polyanion như tripolyphosphate Kỹ thuật này có ưu điểm là giai đoạn chuẩn bị đơn giản và thực hiện trong môi trường nước Đầu tiên chitosan được hoà tan vào dung dịch acid acetic Sau đó chitosan được trộn lẫn với polyanion

để tạo hạt nano chitosan dưới điều kiện khuấy trộn liên tục tại nhiệt độ phòng Kích thước và điện tích bề mặt có thể kiểm soát bằng cách sử dụng những tỷ lệ chitosan và polyanion khác nhau (Hình 1.1)

Hình 1.1 Quy trình tạo nCTS bằng phương pháp tạo gel ion

1.4 Màu sắc và phương pháp định lượng màu sắc

1.4.1 Ánh sáng và màu sắc

Ánh sáng là một dạng năng lượng có tính nhị nguyên: vừa là hạt lại vừa là sóng điện

từ với các bước sóng khác nhau Ánh sáng tự nó không có màu sắc Màu sắc là cảm giác mang đến cho hệ thần kinh của người do tín hiệu của tế bào cảm thụ màu ở mắt người Ánh sáng từ mặt trời hay nguồn sáng khác chiếu vào các vật thể xung quanh

ta được phản chiếu hay bổ sung bởi các vật thể rồi đi tới các thành phần thu nhận tín hiệu trong mắt ta, sau đó các tín hiệu này hội tụ trên võng mạc và sẽ được não bộ diễn dịch thành màu Võng mạc gồm hàng triệu tế bào nhạy quang làm nhiệm vụ truyền tín hiệu nhận được lên não qua thần kinh thị giác Các tế bào nhạy quang gồm 2 loại

là các tế bào que (hay tế bào gậy, hình cái que, rod cells) và các tế bào nón (hình nón, cone cells) Các tế bào que làm nhiệm vụ ghi nhận thông tin về độ sáng tối,

16

chuyển động Các tế bào nón có 3 loại phản ứng với 3 vùng ánh sáng có bước sóng dài, trung bình, và ngắn, lần lượt được gọi là các tế bào nón dài (long cone cells), trung bình (medium cone cells), và ngắn (short cone cells) (Hình 1.2)

Hình 1.2 Trái: Tiết diện mắt người Phải: Tiết diện võng mạc

1.4.2 Thuộc tính màu sắc

Các thuộc tính của màu sắc gồm có: tông màu (Hue), độ bảo hòa (saturation), cường độ (Intensity) Tông màu của một màu chính là tên cơ bản của màu đó như màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím, hồng, … Độ bão hòa của một màu chính là độ thuần khiết của nó, một màu càng thuần khiết bao nhiêu thì nó càng rực rỡ bấy nhiêu Ví dụ màu xanh xám có độ bão hòa thấp, trong khi màu xanh ngọc bích lại có độ bão hòa màu cao hơn Một màu sẽ trở nên thuần khiết hơn hay độ bão hòa cao hơn khi nó có

ít màu xám Cường độ màu là mức độ tinh khiết của màu thuần sắc Các màu cơ bản

có mức độ "tinh khiết" cao nhất Cường độ màu mạnh tức là màu càng gần về màu tinh khiết/thuần sắc Cường độ màu càng giảm khi màu thuần sắc được pha trộn với lượng màu xám tăng dần

1.4.3 Không gian màu

Không gian màu là những phương pháp định lượng màu sắc được thiết lập công thức một cách khoa học Hệ thống không gian màu cho phép mỗi màu được xác định theo

số học, bằng cách đó ta có thể chọn và lặp lại những màu nào đó thật chính xác Một

số không gian màu chính là HLS (sắc thái, quang độ và độ bão hòa), HSB (sắc thái, độ bão hòa và độ đậm nhạt), RGB (đỏ, lục, lam) và CYMK (xanh hóa học, vàng, tím

17

sen, đen) CMYK là không gian màu được sử dụng trong công nghiệp in ấn và bị giới hạn bởi mức độ thể hiện của mực in và chất màu Không gian RGB là hệ thống màu thường gặp nhất trong nghệ thuật nhiếp ảnh số - sử dụng ánh sáng vì cho phổ màu rộng hơn các chất màu CYMK (Hình 1.3)

Chuyển đổi từ không gian RGB sang không gian CMYK:

Hình 1.3 Mô hình màu RGB và CMYK

1.4.4 Các phương pháp định lượng màu sắc

1.4.4.1 Phương pháp đo kích thích ba thành phần

Phương pháp đo kích thích ba thành phần màu là phương pháp đo ánh sáng phản xạ

từ vật thể bằng cách sử dụng bộ thu nhận như là bộ lọc màu có phổ đáp ứng tưng tự như mắt người, do vậy nó đo được các giá trị kích thích R, G, B ( màu Red lọc bởi kính lọc Cyan, màu Green lọc bởi kính Magenta và màu Blue lọc bởi kính màu vàng) Thiết bị đo màu kích thích ba thành phần được thiết kế để có thể “nhìn” màu tương

18

tự như mắt người Đó là ánh sánh phát ra từ nguồn sáng, chiếu tới bề mặt vật thể, sau

đó ánh sáng sẽ bị phản xạ lại và đi qua bộ phận thu tín hiệu, cuối cùng tín hiệu sẽ được mã hóa và đưa ra các giá trị tương ứng Các bộ phận chính của thiết bị gồm có: nguồn sáng cung cấp ánh sáng chiếu vào vật thể cần xác định, bộ phận cảm nhận tín hiệu ổn định: gồm ba bộ cảm biến quang điện phù hợp, bộ phận điều chỉnh góc chiếu

và góc quan sát ổn định đảm bảo điều kiện đo và thời gian đo được đồng nhất, bộ phận ghi nhận, xử lý và hiển thị số liệu: bao gồm bộ nhớ dữ liệu, giao tiếp dữ liệu, màn hình hiển thị …

Hình 1.4 Mô phỏng thiết bị máy đo kích thích 3 thành phần

1.4.4.2 Đo màu bằng phương pháp quang phổ

Phương pháp quang phổ là phương pháp phân tích định lượng dựa vào hiệu ứng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ Vùng bức xạ được sử dụng trong phương pháp này là vùng tử ngoại gần hay khả kiến ứng với bước sóng khoảng từ 200-800 (nm) Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật Bouger-Lam bert-Beer Thiết bị đo quang phổ: trong máy quang phổ, ánh sáng thường được chia bằng một lăng kính hay là cách tử nhiễu xạ trước khi các bước sóng được lựa chọn để đo Mỗi dải là vùng hẹp của phổ khả kiến Tín hiệu được ghi nhận

và được biểu diễn bằng đường cong phổ phản xạ Đối với các dải hẹp, người ta thường dùng bộ lọc màu Độ phân giải phụ thuộc vào khoảng nhỏ nhất của dải màu mà nó có thể đo được Các bộ phận chính của máy đo quang phổ gồm nguồn sáng dùng để cung cấp ánh sáng chiếu tới vật thể cần xác định, vật chứa mẫu cần xác định, bộ phận tán sắc phân tách chùm tia sáng thành một tia đơn sắc đặc trưng phù hợp, bộ phận detector thu nhận tín hiệu, bộ phận xử lý số liệu, ghi lại và cho ra kết quả số liệu

19

1.4.5 Giới thiệu cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là thiết bị có khả năng phát hiện các chất phân tích bằng phản ứng

sinh học và chuyển sự hiện diện và nồng độ của chúng sang một tín hiệu khác có thể

được phân tích dễ dàng như là cường độ dòng điện, nhiệt độ, màu sắc, … Theo

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì “Cảm biến sinh học

(biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định

lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học

(bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi” [26], [27]

Cảm biến bao gồm ba bộ phận chính là đầu thu sinh học (biological receptor), chuyển

đổi tín hiệu sinh học (transducer) và xử lý đọc tín hiệu (signal processing/measurable

signals) (Hình 1.5) Đầu thu sinh học có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của

các tác nhân cần phân tích Đầu thu sinh học phản ứng trực tiếp với các tác nhân và

có nguồn gốc từ các thành phần sinh học như enzyme phổ biến là các enzyme urease,

glucose oxidase, hoặc các kháng thể/kháng nguyên, các protein, các acid nucleic

như ADN, ARN Tác nhân cố định hay gắn kết đầu thu sinh học là một phần rất quan

trọng trong cảm biến sinh học Đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết đầu thu

sinh học với các thành phần vô cơ của đế cảm biến sinh học Những tác nhân này vừa

phải đảm bảo độ bền cơ học, vừa phải đảm bảo khả năng truyền tải tín hiệu giữa bộ

phận đầu thu sinh học và bộ phận chuyển đổi

Hình 1.5 Các thành phần cấu tạo của cảm biến sinh học

Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các

hệ vi cơ Bộ phận xử lý và đọc tín hiệu: bộ phận này có tác dụng chuyển, khuếch đại thành các tín hiệu để máy tính hoặc các thiết bị hiển thị khác đưa ra kết quả cho người cần phân tích

Hình 1.6 Các phương pháp cố định enzyme lên chất mang A: hấp phụ vật lý, B: liên kết cộng hóa trị, C: bẫy vật lý, D: liên kết ngang Cảm biến sinh học có những đặc trưng sau:

 Khoảng tuyến tính (Linearity): giá trị hàm lượng lớn nhất của chất phân tích mà tín hiệu phân tích còn tuân theo phương trình tuyến tính bậc nhất

21

 Độ nhạy (Sensitivity): là tính đáp ứng của cảm biến khi thay đổi nồng độ chất phân tích hay khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ nhất

về nồng độ chất phân tích

 Độ chọn lọc (Selectivity): chỉ mức độ ảnh hưởng của các chất nền tới phép xác định chất phân tích

 Thời gian đáp ứng (Response time): là khoảng thời gian cần thiết để dòng của hệ

đo đạt được 90% giá trị dòng cân bằng, khi có sự tiếp xúc của điện cực nghiên cứu với dung dịch đo hoặc khi có sự thay đổi nồng độ chất trong dung dịch tiếp xúc với điện cực Đây là một trong những tiêu chuẩn của cảm biến mà các nghiên cứu đang tập trung cải tiến

Bên cạnh đó là các tiêu chuẩn khác khi thực hiện các phép phân tích định lượng như độ lặp lại (repeatability), độ nhiễu, độ chụm (precision), độ phân giải, độ chính xác (accuracy) Cảm biến sinh học có những ưu điểm sau:

 Có tính đặc hiệu cao

 Không phụ thuộc vào các yếu tố như khuấy, pH, …

 Có mối tương quan tuyến tính

và sinh học, cảm biến sinh học đã phát hiện các protein ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn Nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxy, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp, … những cảm biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo

22

dõi, tình hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế Ngày nay, các cảm biến dạng này không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng Cảm biến sinh học xác định glucose đã được thương mại hóa trên thị trường, bất cứ ai đều

có thể mua và sử dụng dễ dàng với giá thành ngày một hạ thì cảm biến xác định nhanh cholesterol toàn phần vẫn còn khá mới mẻ (Hình 1.7)

Hình 1.7 Một số cảm biến sinh học đã được thương mại hóa

Trong lĩnh vực kiểm soát môi trường và an toàn thực phẩm, cảm biến sinh học được nghiên cứu phát triển thành các kit thử nhanh chỉ thị màu để xác định các sản phẩm biến đổi gen, các chất hữu cơ độc hại và khó phân hủy, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nước, đất, thực phẩm, … Một số các hợp chất khi tham gia phản ứng sinh học sẽ cho sản phẩm có màu thay đổi tùy thuộc vào nồng độ của chất đó Màu sắc của cảm biến được ghi nhận nhờ các camera có trên điện thoại di động và phân tích các kết quả thu được bằng các ứng dụng cài đặt trong máy

1.5 Tổng quan các phương pháp xác định phenol

Có nhiều phương pháp phân tích hóa lý hiện đại đang được sử dụng để định lượng phenol và các dẫn xuất như phương pháp sắc kí, cực phổ, quang phổ

1.5.1 Phương pháp sắc kí

Có 15 hợp chất phenol đã được xác định bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao theo cơ chế sắc kí khí phân bố pha đảo Phương pháp sắc kí lỏng với đầu dò UV đã được sử dụng để xác định đồng thời các o-cresol, m-cresol, phenol, resorcinol,

23

cathechol và hydroquinon trong nước khi cho các hợp chất này tham gia phản ứng tạo dẫn xuất với benzoyl chlorua trong vòng 15 phút Phương pháp sắc kí lỏng với đầu dò điện hóa là phương pháp đang được phát triển để xác định phenol và các hợp chất của nó vì độ chọn lọc cao khả năng oxy hóa hoặc khử của mỗi chất ở mỗi thế khác nhau Phương pháp này đơn giản, không đắt tiền nhưng khó sử dụng, thời gian cân bằng rất dài, nhạy đối với tốc độ dòng và pH Bề mặt điện cực dễ bị nhiễm bẩn nên cần hoạt hóa lại điện cực sau một thời gian ngắn sử dụng

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7874:2008 về Nước - Xác định phenol và dẫn xuất của phenol - Phương pháp sắc kí khi chiết lỏng-lỏng quy định phương pháp xác định hàm lượng phenol và dẫn xuất của phenol trong nước bằng phương pháp sắc kí khí chiết lỏng-lỏng Nguyên tắc của phương pháp là acid hóa một thể tích mẫu xác định

và chiết bằng metylen chlorua [29]

Tiêu chuẩn ngành 64 TCN 102:1997 áp dụng để xác định hàm lượng phenol, các dẫn xuất và đồng đẳng của phenol trong nước thải của các xí nghiệp sản xuất hoá chất, chế biến gỗ (chế tạo ván dăm, ván sợi ép, gỗ dán ) và các xí nghiệp sản xuất có nước thải chứa phenol và các dẫn xuất của phenol bằng phương pháp đo màu sử dụng thuốc thử p-nitroanilin có hàm lượng phenol nhỏ (≤ 3 mg/L)

Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 6216:1996 xác định phenol có trong nước uống, nước mặt và nước thải Nguyên tắc của phương pháp là phenol hoặc các hợp chất phenol sau khi tách khỏi tạp bằng phương pháp chưng cất được cho phản ứng với 4-

24

aminoantipyrin ở pH 10,0 ± 0,2 có mặt kali hexaxyanoferat K4Fe(CN)6 để tạo phức antipyrin màu vàng và được ly trích trong dịch CHCl3 sau đó đo độ hấp thụ màu ở bước sóng 510 nm sử dụng chất chuẩn là phenol

Phương pháp Folin-Ciocalteu: Trong phương pháp này các polyphenol phản ứng oxy hóa với thuốc thử Folin-Ciocalteu là hỗn hợp acid photphotungstic (H3PW12O40) và phosphomolybdic (H3PMo12O40) trong môi trường kiềm (Na2CO3) tạo thành các oxid màu xanh của tungstene (W8O23) và molybden (Mo8O23) có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 765 nm Acid gallic được sử dụng làm chất chuẩn Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để xác định tổng số phenol của các polyphenol trong ngành dược, thực phẩm hoặc trong các sản phẩm chiết xuất từ thảo dược [33], [34], [35], [36]

Phương pháp Prussian Blue: Năm 1977, Price và Butler đề xuất sử dụng hỗn hợp

K3Fe(CN)6 và FeCl3 trong dung dịch HCl 0,1 N để đo màu xác định hàm lượng tổng polyphenol trong nguyên liệu thực vật Curtman (1931) và Brown (1987) đã đề nghị

cơ chế phản ứng oxy hóa khử ghép đôi [37], [38], [39]

1.5.3 Phương pháp cảm biến sinh học

Bên cạnh các phương pháp phân tích truyền thống, các cảm biến sinh học theo mô hình của D Clark bao gồm các điện cực oxy hóa và các tác nhân sinh học như enzyme ứng dụng trong quan trắc phenol cũng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhờ vào độ nhạy và độ chọn lọc cao Tương tác giữa thành phần sinh học và tác nhân cần phát hiện sẽ gây ra sự thay đổi các tín hiệu hoá-sinh, các tín hiệu này sẽ được truyền tải đến bề mặt điện cực thông qua các vật liệu bán dẫn như polymer (polypyrrole, polyethylene), chitosan, alginate, hay các vật liệu nano mới như ống nano carbon, nanographene oxide, hạt nano vàng Cụ thể hơn, trong trường hợp phenol và các dẫn xuất đặc biệt là polyphenol, phản ứng oxy hóa nhóm hydroxyl (OH) của hợp chất phenol thành quinone được thực hiện trên bề mặt vật liệu nhờ xúc tác enzyme và được nhận biết bằng các kỹ thuật vật lý khác nhau như quang học, điện hóa, khối lượng, từ trường Tuy nhiên các thiết bị phân tích này có hạn chế là đòi hỏi nhiều kỹ năng, cần các chuyên viên có kinh nghiệm, không thể phân tích ngoài hiện trường do

25

đó không được ứng dụng phổ biến trong hệ thống quan trắc môi trường [40], [41] Tác giả Nông Minh Tuấn với đề tài nghiên cứu thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải Pin nhiên liệu vi sinh vật là một dạng thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên hoạt tính điện hóa của vi sinh vật Phương pháp này có ưu điểm nhờ có khả năng chỉ dẫn BOD nước thải, có thời gian phản ứng nhanh, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp [42]

1.5.4 Phương pháp chỉ thị màu sinh học dựa trên giấy

Phenol là nguyên liệu sản xuất chính của nhiều ngành công nghiệp quan trọng như dệt nhuộm, phẩm màu, dược phẩm, nhựa, bột giấy và giấy, sản xuất thép bằng phương pháp luyện cốc, Nhu cầu sản xuất phenol hằng năm trên thế giới vẫn tăng do đó nguồn nước thải từ các ngành công nghiệp có liên quan đến phenol cần phải được kiểm tra, giám sát và xử lý trước khi thải ra môi trường vì những độc tính của nó có thể gây hại cho người, động thực vật và cả hệ sinh thái Nhiều nghiên cứu đang tập trung tìm kiếm phương pháp xác định phenol trong nước thải công nghiệp sử dụng giấy chỉ thị màu sinh học (CTMSH) Một số các chất thử đóng vai trò oxy hóa phenol thành quinon có màu đặc trưng đã được nghiên cứu để chế tạo giấy chỉ thị màu sinh học như enzyme tyrosinase, các chất hóa học như hỗn hợp Fe3+/K+ [43], 3-methyl-2-benzothiazolinone hydrazone (MBTH) [44] Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền, dùng một lần, có thể mang xách nhưng vẫn đáp ứng độ tin cậy trong chuẩn đoán y khoa, kiểm tra quan trắc môi trường mà không đòi hỏi kỹ thuật viên có trình độ tay nghề cao

Giấy CTMSH xác định phenol trong nước thải đang cần được nghiên cứu thêm các vấn đề như chất thử sinh học và hóa học, sử dụng hạt nano để tăng hiệu quả phân tích

và phát triển thương mại hóa thành loại kit thử nhanh tương tự với các loại kit đang

có hiện nay như thử tiểu đường, thử ure trong máu, hay thử thai, …

Các xu hướng nghiên cứu giấy CTMSH hiện nay là tạo ra một ma trận các điện tích trái dấu của các polyme sinh học như cellulose của giấy, CTS và ALG để cố định TYR Bản chất của quá trình cố định này là tạo ra các tương tác tĩnh điện trái dấu

26

giữa các thành phần của giấy CTMSH với nhau và với TYR như bề mặt tích điện âm của cellulose, điện tích dương do các nhóm -NH3+ của nCTS trong môi trường acid, điện tích âm do các nhóm -COO- của ALG và Cu2+ của TYR Ngoài ra ma trận điện tích cố định TYR còn được hỗ trợ bởi liên kết hydro liên phân tử được hình thành giữa các nhóm -CH2OH, -COO-, -OH, -NH3+ và -O2- của cellulose, nCTS, TYR, ALG

1.6 Xu hướng sử dụng thiết bị IT phổ biến trong phân tích hóa học hiện đại của phương pháp so màu

Những năm gần đây, các thiết bị công nghệ thông tin và liên lạc có kết nối internet như điện thoại di động, máy quét, … đã có những bước phát triển nhanh chóng về chủng loại, hiệu quả và tính năng sử dụng, đặc biệt ngay cả ở những nước kém phát triển Một số những thiết bị này đã được quan tâm nghiên cứu sử dụng làm công cụ trong hóa phân tích hiện đại như điện thoại di động, webcam, máy quét hình phẳng

và máy quét cầm tay, … [45]

Trong những năm gần đây, điện thoại thông minh (smartphone) đã trở thành một công

cụ giao tiếp thiết yếu, phát triển mạnh mẽ với nhiều tính năng tương đồng với máy tính cá nhân khi thay đổi từ một công cụ giao tiếp, giải trí, chụp hình đến lưu trữ, giám sát sức khỏe, định vị, đo trực tiếp các đại lượng vật lý bằng cách sử dụng các cảm biến tích hợp, kết nối không dây dễ dàng với các thiết bị khác Gọn, nhẹ, hoạt động đơn giản, dung lượng bộ nhớ ngoài lớn, kết nối giao tiếp không dây, đặc biệt là giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các thiết bị phân tích khác như quang phổ, GC, HPLC, … là những ưu điểm nổi trội của điện thoại thông minh đã dẫn đến việc rất nhiều nghiên cứu gần đây đã sử dụng điện thoại thông minh như là đầu dò và thiết bị kết nối để thiết kế các thiết bị phân tích di động thay thế cho máy quang phổ hay kính hiển vi [46], [47]

Nhóm nghiên cứu của Park đã chế tạo giấy chỉ thị dòng vi lượng (paper-based microfluid devices) để xác định bisphenol A sử dụng hai hỗn hợp sắt là hỗn hợp I gồm ferric chloride/ferricyanide và hỗn hợp II là ferric nitrate/ferricyanide Thiết bị

vi lỏng dựa trên giấy được thiết kế bằng phần mềm Adobe Illustrator CS5 và máy in