Nghiên cứu chế tạo các cảm biến hóa học trên cơ sở nano vàng nhằm phân tích lượng vết thuốc trừ sâu Chlopyrifos-ethyl

Luận văn chế tạo cảm biến nano vàng phân tích vết Chlopyrifos-ethyl - ĐH Khoa học Thái Nguyên

• Tác giả: Hà Phương Lan
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Thu Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo các cảm biến hóa học trên cơ sở nano vàng nhằm phân tích lượng vết thuốc trừ sâu Chlopyrifos-ethyl
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có nền kinh tế phụ thuộc lớn vào sản xuất nông nghiệp, kéo theo nhu cầu sử dụng thuốc bảo vệ thực vật ngày càng gia tăng. Trong số các hợp chất thông dụng, Chlorpyrifos-ethyl (công thức phân tử C9H11Cl3NO3PS, khối lượng phân tử 350,59 g/mol) là hoạt chất trừ sâu phospho hữu cơ thuộc nhóm độc tính cấp độ II, có khả năng ức chế mạnh mẽ enzyme acetylcholinesterase trong hệ thần kinh trung ương. Hoạt chất này có độ tan trong nước rất thấp ở mức 2 mg/L nhưng lại sở hữu thời gian bán rã kéo dài từ 10 đến 120 ngày trong đất, dẫn tới nguy cơ tích tụ sinh học nghiêm trọng qua chuỗi thực phẩm và nguồn nước sinh hoạt.

Theo quy định tại Thông tư 50/2016/TT-BYT và tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12474:2018, việc xác định dư lượng Chlorpyrifos-ethyl hiện nay chủ yếu dựa trên kỹ thuật sắc ký khí ghép đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID), sắc ký khí khối phổ (GC-MS) hoặc sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC-UV). Mặc dù các phương pháp này đạt giới hạn phát hiện dưới 0,01 µg/mL, chúng đòi hỏi quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp, thời gian xử lý kéo dài từ 2 đến 4 giờ, chi phí đầu tư thiết bị đắt đỏ và hoàn toàn không thể triển khai phân tích lưu động ngoài hiện trường.

Trước yêu cầu cấp thiết đó, nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ thuộc Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên vào năm 2022 nhằm chế tạo cảm biến hóa học trên cơ sở thanh nano vàng (AuNRs) làm đế tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS). Mục tiêu trọng tâm là kiểm soát quá trình tổng hợp cấu trúc nano dị hướng để phát hiện vết Chlorpyrifos-ethyl ở nồng độ cực thấp đạt mức 10^-6 M. Giải pháp cảm biến này mang lại thời gian phân tích rút ngắn xuống dưới 10 phút, giúp cắt giảm hơn 70% chi phí vận hành so với thiết bị sắc ký truyền thống và mở ra hướng tiếp cận mới trong giám sát an toàn nông sản tại chỗ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) và hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS). Khi hạt nano kim loại quý tương tác với bức xạ điện từ, các electron dẫn trên bề mặt dao động tập thể tạo ra sự phân cực điện mạnh mẽ. Khác với hạt nano vàng hình cầu vốn chỉ có một đỉnh cộng hưởng plasmon trong vùng 510 đến 530 nm, thanh nano vàng dị hướng xuất hiện hai mode cộng hưởng riêng biệt: mode dao động ngang (TSPR) tại vùng bước sóng 510 đến 550 nm và mode dao động dọc (LSPR) có thể điều chỉnh linh hoạt trong khoảng từ 650 đến trên 900 nm tùy thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính của thanh.

Hiệu ứng SERS tận dụng sự khuếch đại tín hiệu tán xạ không đàn hồi từ các phân tử chất phân tích bám trên bề mặt kim loại gồ ghề. Cường độ vạch phổ Raman đặc trưng có thể tăng cường từ 10^4 đến 10^6 lần, thậm chí đạt tới 14 bậc độ lớn so với Raman thông thường nhờ hai cơ chế: cơ chế điện từ học (EM) sinh ra bởi các "điểm nóng" (hot spots) tại các đỉnh nhọn, khe hẹp giữa các hạt nano và cơ chế hóa học (CM) do tương tác trao đổi điện tích. Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết Mie về quang học nano và phương trình Debye-Scherrer để tính toán kích thước tinh thể dựa trên độ bán rộng vạch phổ nhiễu xạ tia X (FWHM) tại bước sóng bức xạ Cu-Kα bằng 0,154056 nm.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm áp dụng phương pháp hóa học khử từ mầm trung gian (seed-mediated growth) gồm hai giai đoạn độc lập. Giai đoạn một tạo mầm nano vàng (AuNPs) bằng cách khử muối HAuCl4 1,25 mM bằng chất khử mạnh NaBH4 0,01 M trong môi trường chất bảo vệ Cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) 0,2 M. Giai đoạn hai nuôi mầm phát triển thành thanh nano (AuNRs) trong dung dịch tăng trưởng chứa hỗn hợp chất hoạt động bề mặt CTAB 0,1 M và Natri Oleat (NaOL), AgNO3 4 mM, HAuCl4 25 mM, HCl 37% và Axit Ascorbic (AA) 0,05 M đóng vai trò chất khử yếu. Phương pháp hóa học hai bước được lựa chọn thay thế cho phương pháp vật lý như cắt đốt laser hay chiếu xạ vì khả năng kiểm soát kích thước hạt chính xác, độ đồng đều cao và khả năng tái lập tuyệt vời.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế có hệ thống gồm 4 tỷ lệ mol NaBH4/HAuCl4 (từ 1,0 đến 2,5), 6 mức thể tích AgNO3 4 mM (từ 0,05 đến 0,8 mL) và 7 mức khối lượng NaOL (từ 0,0061 đến 0,0609 g). Mẫu dung dịch Chlorpyrifos-ethyl được khảo sát qua dãy 8 nồng độ pha loãng chính xác từ 0,1 đến 10 ppm (gồm 0,1; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8 và 10 ppm). Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật lấy mẫu thực nghiệm lặp lại phân tầng trong phòng thí nghiệm; trong đó tính đồng nhất của đế cảm biến được đánh giá qua 10 điểm đo quang phổ ngẫu nhiên độc lập. Toàn bộ tính chất quang học, hình thái, cấu trúc và hiệu năng SERS được đo đạc chính xác bằng hệ thống quang phổ UV-Vis, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và thiết bị vi phổ Raman Horiba XploRa trong khung thời gian nuôi mầm ổn định kéo dài 20 giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tổng hợp và khảo sát tính chất của vật liệu nano vàng mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, nồng độ chất khử NaBH4 quyết định chất lượng mầm ban đầu. Tỷ lệ mol NaBH4/HAuCl4 ở mức 1,5 tạo ra các mầm nano AuNPs dạng cầu phân bố đều với kích thước trung bình 5,2 nm. Sau 20 giờ nuôi, mẫu AuNR-1,5NaBH4 phát triển thành thanh nano có bước sóng hấp thụ dọc λLSPR tại 890 nm và tỷ lệ mật độ quang ODLSPR/ODTSPR đạt 4,21, vượt trội so với tỷ lệ chỉ đạt 0,86 của mẫu AuNR-1NaBH4 (λLSPR tại 716 nm).

Thứ hai, hàm lượng ion Ag+ điều khiển trực tiếp tỷ lệ khung hình của thanh nano vàng. Khi tăng thể tích AgNO3 4 mM từ 0,05 mL lên 0,8 mL, đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon dọc dịch chuyển đỏ liên tục từ 533 nm lên các giá trị 668, 831, 853, 857 và đạt cực đại tại 872 nm. Tỷ số mật độ quang ODLSPR/ODTSPR tăng vọt từ 1,55 lên 6,12 (tăng gần 395%), chứng minh chiều dài thanh nano tăng tỷ lệ thuận với lượng ion bạc được bổ sung vào hệ phản ứng.

Thứ ba, sự phối hợp của chất đồng hoạt động bề mặt NaOL tạo bước đột phá về hình thái. Mẫu AuNR-NaOL1 với lượng NaOL thấp nhất ở mức 0,0061 g mang lại thanh nano mảnh nhất với chiều dài khoảng 60 nm và đường kính chỉ khoảng 3 nm (tỷ lệ khung hình đạt tới 20:1, bước sóng λLSPR đạt 938 nm). Mẫu AuNR-NaOL3 (0,0244 g NaOL) cho độ đồng đều cao nhất với chiều dài 65 nm và đường kính 16 nm. Khi lượng NaOL tăng vượt mức 0,0487 g, phổ hấp thụ chỉ còn 1 đỉnh đơn tại 557 nm và hạt bị biến đổi thành dạng tựa cầu kích thước lớn khoảng 85 nm.

Thứ tư, đế SERS trên cơ sở AuNR-NaOL1 thể hiện độ nhạy vượt trội khi phát hiện Chlorpyrifos-ethyl. Tín hiệu Raman tăng cường mạnh mẽ tại vùng số sóng từ 300 cm^-1 đến 1000 cm^-1, trong đó vạch phổ đặc trưng sắc nét tại 683 cm^-1 xuất hiện rõ ràng ngay cả ở nồng độ cực loãng 0,1 ppm, đáp ứng mục tiêu phát hiện ở nồng độ vết 10^-6 M với hệ số biến thiên cường độ giữa 10 điểm đo ngẫu nhiên dưới 8%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hình thành thanh nano vàng được giải thích thông qua sự tương tác cạnh tranh giữa các phức chất trên bề mặt tinh thể. Khi axit ascorbic khử ion Au+ thành Au0, ion Ag+ kết hợp cùng các phân tử CTAB và NaOL hấp phụ ưu tiên lên các mặt tinh thể bên {110} và {100}, ngăn cản sự phát triển theo chiều ngang và định hướng các nguyên tử vàng tự do kết tinh dọc theo mặt phẳng {111}. Hiện tượng dịch chuyển đỏ của đỉnh LSPR từ 533 nm đến 872 nm khi tăng ion Ag+ phản ánh sự gia tăng tỷ lệ trục dài trên trục ngắn, hoàn toàn phù hợp với mô hình tính toán tán xạ plasmon.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa rõ ràng khi biểu diễn qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa thể tích AgNO3 và bước sóng hấp thụ λLSPR, cũng như biểu đồ cột so sánh tỷ số mật độ quang ODLSPR/ODTSPR tương ứng với từng khối lượng NaOL. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) khẳng định sản phẩm có độ kết tinh cao với 4 đỉnh phản xạ sắc nét tại các góc 2θ bằng 38,2°; 44,3°; 64,2° và 77,02° tương ứng với các mặt mạng (111), (200), (220) và (311) của cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC). Bảng thông số Debye-Scherrer cho thấy kích thước tinh thể tính toán đạt từ 10,38 nm đến 13,69 nm, tương thích chặt chẽ với ảnh chụp hiển vi TEM. Kết quả phổ tán sắc năng lượng EDX ghi nhận thành phần Au chiếm 26% trọng lượng mẫu (phần còn lại gồm 49,5% Cu và 24,5% C bắt nguồn từ lưới đồng mang mẫu).

So với các công trình trước đây sử dụng keo vàng hình cầu chỉ tăng cường tín hiệu Raman ở mức vừa phải, thanh nano AuNR chế tạo trong nghiên cứu này tạo ra mật độ điện trường cục bộ cực lớn tại hai đầu cực (hiệu ứng cột thu lôi), cung cấp các điểm nóng SERS dày đặc giúp nhận diện phân tử Chlorpyrifos-ethyl chính xác mà không bị nhiễu nền.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn và mở rộng khả năng kiểm soát an toàn vệ sinh thực phẩm, bốn khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất:

Một là, chuẩn hóa quy trình tổng hợp đế nano vàng quy mô phòng thí nghiệm chuẩn sang quy mô sản xuất thử nghiệm. Các viện nghiên cứu vật liệu và phòng thí nghiệm hóa phân tích trọng điểm cần phối hợp ban hành quy chuẩn kỹ thuật sản xuất đế SERS với lượng NaOL kiểm soát nghiêm ngặt ở mức 0,0061 đến 0,0244 g và nồng độ AgNO3 4 mM, đảm bảo sai số kích thước thanh nano dưới 5% trong thời gian 6 tháng tới.

Hai là, tích hợp đế cảm biến AuNR vào thiết bị quang phổ Raman cầm tay phục vụ phân tích hiện trường. Các doanh nghiệp công nghệ thiết bị đo lường phối hợp với nhóm nghiên cứu để thiết kế chip cảm biến tích hợp sẵn mẫu thử trong thời hạn 12 đến 18 tháng, hướng tới mục tiêu rút ngắn thời gian phân tích mẫu rau quả xuống dưới 5 phút với chi phí xét nghiệm dưới 50.000 VNĐ cho mỗi phép đo.

Ba là, xây dựng thư viện phổ SERS chuẩn hóa cho dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Cục Bảo vệ thực vật chủ trì liên kết với các trường đại học để thu thập và số hóa dữ liệu phổ Raman của Chlorpyrifos-ethyl cùng 15 hoạt chất phospho hữu cơ phổ biến khác trong vòng 24 tháng, hỗ trợ kiểm soát chặt chẽ ngưỡng tồn dư tối đa (MRL) theo Thông tư 50/2016/TT-BYT.

Bốn là, tổ chức chuyển giao kỹ thuật chuẩn bị mẫu đơn giản hóa cho các trung tâm kiểm nghiệm địa phương. Chi cục Trồng trọt và Bảo vệ thực vật tại các tỉnh nông nghiệp trọng điểm cần triển khai các khóa tập huấn kỹ thuật xử lý mẫu chiết nhanh cho hơn 500 kiểm nghiệm viên trong giai đoạn 2026-2028, nhằm nâng tỷ lệ giám sát thực phẩm an toàn tại các chợ đầu mối lên trên 95%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị khoa học và thực tiễn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa phân tích, Khoa học vật liệu và Vật lý quang học. Công trình cung cấp hệ thống dữ liệu toàn diện về động thái phát triển tinh thể nano dị hướng, quy trình chế tạo mầm 5,2 nm và cơ chế điều khiển bước sóng plasmon từ 533 nm đến 938 nm làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Thứ hai, kỹ thuật viên phân tích tại các trung tâm kiểm nghiệm chất lượng nông lâm thủy sản và viện vệ sinh dịch tễ. Luận văn cung cấp quy trình chi tiết để phát hiện nhanh hoạt chất Chlorpyrifos-ethyl ở nồng độ vết 10^-6 M, giúp giảm thiểu hơn 60% lượng dung môi hữu cơ độc hại và rút ngắn thời gian phân tích so với quy trình sắc ký GC-MS chuẩn.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất kit thử và cảm biến sinh học nano. Các thông số công nghệ về sự phối trộn hệ chất hoạt động bề mặt CTAB và NaOL ở mức 0,0061 g là cơ sở giá trị để thương mại hóa các đế SERS có độ bền quang học cao, phục vụ thị trường kiểm định an toàn thực phẩm.

Thứ tư, cán bộ quản lý thuộc cơ quan bảo vệ môi trường và thanh tra nông nghiệp. Tài liệu cung cấp luận cứ kỹ thuật vững chắc để ban hành các quy chuẩn kiểm tra nhanh dư lượng hóa chất độc hại tại các vùng trồng trọt tập trung, nâng cao hiệu lực giám sát với độ tin cậy đạt trên 90%.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến thanh nano vàng (AuNR) có ưu thế gì vượt trội so với hạt nano hình cầu trong kỹ thuật SERS? Thanh nano vàng sở hữu tính dị hướng quang học với hai dải cộng hưởng plasmon ngang và dọc. Khi kích thích tại bước sóng phù hợp, mật độ điện tích tập trung cực đại tại hai đỉnh nhọn của thanh tạo ra hiệu ứng cột thu lôi, hình thành các điểm nóng plasmon có cường độ điện trường cao gấp nhiều lần so với cấu trúc hình cầu cùng thể tích.

Vai trò cụ thể của ion bạc trong quá trình điều khiển chiều dài thanh nano vàng là gì? Ion Ag+ dưới dạng AgNO3 4 mM kết hợp cùng chất hoạt động bề mặt bám chọn lọc lên các mặt tinh thể bên của mầm vàng. Khi tăng thể tích AgNO3 từ 0,05 mL lên 0,8 mL, quá trình phát triển chiều ngang bị kiềm chế, thúc đẩy thanh dài ra làm đỉnh cộng hưởng LSPR dịch chuyển đỏ từ 533 nm lên 872 nm và nâng tỷ số ODLSPR/ODTSPR từ 1,55 lên 6,12.

Giới hạn phát hiện Chlorpyrifos-ethyl của đế cảm biến đạt được ở mức nào? Nghiên cứu đã thử nghiệm thành công khả năng phát hiện hoạt chất trong dải nồng độ từ 0,1 đến 10 ppm, đạt ngưỡng giới hạn phát hiện ở mức 10^-6 M (tương đương khoảng 0,35 ppm). Mức phát hiện này đáp ứng yêu cầu giám sát dư lượng theo tiêu chuẩn an toàn của Bộ Y tế và quốc tế đối với nông sản thực phẩm.

Tại sao cần bổ sung Natri Oleat (NaOL) vào dung dịch tăng trưởng thanh nano vàng? Hệ hoạt hóa bề mặt kép gồm CTAB và NaOL (ở hàm lượng tối ưu 0,0061 g) làm giảm năng lượng bề mặt và làm chậm tốc độ phản ứng khử của axit ascorbic. Điều này giúp kiểm soát động học tinh thể đồng đều, tạo ra các thanh nano có tỷ lệ khung hình cao với chiều dài 60 nm và đường kính siêu mỏng chỉ 3 nm.

Độ lặp lại và độ bền của phép đo SERS trên đế nano vàng được đánh giá như thế nào? Tính ổn định của đế cảm biến được xác nhận qua phép đo lặp lại tại 10 vị trí ngẫu nhiên trên cùng một đế với nồng độ Chlorpyrifos-ethyl 1 ppm. Cường độ vạch phổ đặc trưng tại 683 cm^-1 thể hiện tính đồng nhất cao với độ lệch chuẩn tương đối dưới 8%, khẳng định độ tin cậy của cấu trúc nano.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công mầm nano vàng AuNPs đồng đều kích thước 5,2 nm và phát triển thành thanh nano AuNRs có đỉnh cộng hưởng plasmon điều chỉnh linh hoạt từ 533 nm đến 938 nm.
• Xác định điều kiện tối ưu để chế tạo thanh nano dị hướng cao (dài 60 nm, đường kính 3 nm) với 0,0061 g NaOL và 0,7 mL AgNO3 4 mM.
• Chế tạo thành công đế cảm biến SERS có khả năng phát hiện lượng vết thuốc trừ sâu Chlorpyrifos-ethyl ở nồng độ 10^-6 M với vạch phổ đặc trưng sắc nét tại 683 cm^-1.
• Mở ra giải pháp phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật tại hiện trường trong thời gian dưới 10 phút, thay thế quy trình sắc ký tốn kém.
• Đề xuất lộ trình 12 tháng tiếp theo để tối ưu hóa việc phân tích trên các nền mẫu rau củ quả thực tế và tích hợp vào chip cảm biến thương mại.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và cơ quan chuyên môn quan tâm có thể liên hệ bộ môn Hóa phân tích hoặc tra cứu hồ sơ luận văn tại thư viện Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên để tiếp cận toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và hợp tác phát triển công nghệ cảm biến nano tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là quốc gia có tỉ lệ dân số đứng thứ hai ở khu vực Đông Nam Á và phụ thuộc hầu hết vào nông nghiệp. Do đó, ngành nông nghiệp chiếm vị trí cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế nƣớc nhà. Với vị trí địa lý của nƣớc ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới rất thuận lợi cho sự phát triển của nông nghiệp, mặt khác đây cũng là điều kiện tốt cho sự phát triển của sâu bệnh gây hại, do vậy thuốc bảo vệ thực vật đƣợc coi là thiết yếu và đƣợc ngƣời dân sử dụng làm giải pháp để ngăn chặn, kiểm soát dịch bệnh, bảo vệ mùa màng, tăng năng suất cây trồng.

Ở Việt Nam cũng nhƣ nhiều nƣớc khác trên thế giới đã đẩy mạnh việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) dẫn tới vấn nạn lạm dụng và phụ thuộc quá nhiều vào nó. Mặc dù đã đƣợc cảnh báo về tác hại nhƣng lƣợng thuốc BVTV đang sử dụng mỗi ngày vẫn tăng lên. Điều đáng lo ngại là thuốc BVTV có tác động tiêu cực đến môi trƣờng sinh thái cũng nhƣ ảnh hƣởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con ngƣời. Trong số các loại thuốc bảo vệ thực vật đƣợc sử dụng trên Thế giới và Việt Nam có nhóm thuốc trừ sâu có gốc phospho hữu cơ, đặc biệt là Chlopyrifos ethyl, thuộc nhóm độc hại thứ II đối với con ngƣời, có tính chất gây độc thần kinh ở mức độ cao [1].

Chlopyrifos có thời gian bán rã trong khoảng 10 - 120 ngày nên hoạt chất này sẽ bị phân giải chậm trong đất, đặc biệt nó có độ tan trong nƣớc 2 mg/L và có thể đi vào cơ thể bằng việc tiếp xúc qua miệng, phổi, da và đƣợc xếp loại là một chất độc đối với sức khỏe con ngƣời. Chính vì những đặc tính trên, việc xác định tồn dƣ của thuốc trừ sâu Chlopyrifos ethyl ở trong nƣớc, nông sản, cây trồng và các mẫu trong môi trƣờng đang là vấn đề đƣợc quan tâm trong nhiều năm nay [3], [4]. Tại Việt Nam để phát hiện cũng nhƣ xác định tồn dƣ của các chất cấm, chất độc hại trong thuốc BVTV thƣờng sử dụng với những phƣơng pháp khác nhau nhƣ kỹ thuật phân tích bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao, phƣơng pháp sắc ký khí ghép một số với các detector khác nhƣ MS, FID. Các phƣơng pháp này có đặc điểm là có độ nhạy và độ chính xác cao.

Tuy nhiên, thời gian phân tích và chuẩn bị mẫu mất nhiều thời gian, phức tạp, yêu cầu về kỹ thuật khi phân tích, chi phí đắt đỏ và không thể thực hiện ngoài hiện trƣờng. Chính vì vậy việc nghiên cứu để tìm ra một phƣơng pháp có độ nhạy cao, phân tích nhanh, đơn giản hơn để có thể phát hiện dƣ lƣợng thuốc BVTV là rất cần cần thiết. 1 Hiện nay trên thế giới việc sử phƣơng pháp ghi phổ tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt (SERS) là một kỹ thuật đƣợc tin dùng vì nó có độ nhạy cao, có thể phát hiện nhanh các phân tử hữu cơ và sinh học nói chung và của thuốc BVTV nói riêng khi chúng có hàm lƣợng rất nhỏ trong khoảng ppm-ppb (thƣờng gọi là vết). SERS là một phƣơng pháp trong đó cƣờng độ của các vạch phổ tán xạ Raman của các phân tử (còn gọi là “dấu vân tay phân tử”) nằm trên hoặc nằm gần các bề mặt kim loại gồ ghề ở cấp độ nano sẽ đƣợc tăng cƣờng lên rất nhiều lần khi đƣợc kích thích bởi bƣớc sóng ánh sáng thích hợp nhờ cơ chế tăng cƣờng trƣờng điện từ (EM) và cơ chế tăng cƣờng hóa học (CM).

Các bề mặt gồ kim loại ở cấp độ nano đƣợc gọi là các đế SERS - có thể tạo ra nhiều điểm nóng “hot spots” để tăng cƣờng tín hiệu Raman [5,6]. Chất nền SERS điển hình đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu và chỉ ra rằng SERS đƣợc tăng cƣờng mạnh trên các đế nano kim loại quý nhƣ Au, Ag, Pt … đã đƣợc làm nhám. Nhằm chế tạo các đế SERS có vai trò nhƣ những cảm biến hóa học để đáp ứng cho nhu cầu phát hiện nhanh các BVTV với nồng độ thấp ở mức đảm bảo an toàn cho con ngƣời theo quy định trong các thông tƣ của Bộ Y Tế (TT 50 năm 2016, Bộ Y tế), tôi lựa chọn đề tài cho luận văn là: “Nghiên cứu chế tạo các cảm biến hóa học trên cơ sở nano vàng nhằm phân tích lượng vết thuốc trừ sâu Chlopyrifos ethyl”. Mục tiêu của đề tài - Chế tạo thành công cấu trúc nano Au (dạng thanh) làm đế SERS có khả năng phát hiện Chlopyrifos ethyl ở nồng độ 10-6 M.

- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành các cấu trúc nano Au. - Phân tích, phát hiện lƣợng vết thuốc trừ sâu Chlopyrifos ethyl bằng phƣơng pháp tán xạ raman tăng cƣờng bề mặt (SERS). Nội dung của đề tài - Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề tài (các phƣơng pháp chế tạo vật liệu Au dạng thanh). - Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo các cấu trúc nano Au dạng thanh.

- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hình thành các cấu trúc nano Au dạng thanh. - Thử nghiệm phân tích Chlopiryfos ethyl bằng cách sử dụng các đế SERS trên cơ sở các cấu trúc nano đã chế tạo đƣợc.1 Giới thiệu về thuốc bảo vệ thực vật chứa Chlopyrifos ethyl Thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) đƣợc biết đến là một trong những công trình phát minh và nghiên cứu to lớn của con ngƣời. Dân số thế giới ngày càng tăng nhanh, điều đó cũng thúc đẩy song song sự phát triển nhu cầu hàng hoá về nông nghiệp. Chính vì lẽ đó, việc sản xuất nông nghiệp nhằm tăng năng suất cao đã thúc đẩy buộc ngƣời nông dân phải sử dụng thuốc BVTV.

Từ đó thuốc trừ sâu đã dần trở thành một công cụ quan trọng để kéo dài thời gian bảo quản và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Thuốc BVTV là những chất độc có sẵn trong tự nhiên hoặc đƣợc tổng hợp, nhằm phòng trừ dịch hại và bảo vệ cây trồng. Thuốc trừ dịch hại bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ và các loại thuốc trừ các dịch hại khác. Đây đều là những hợp chất hoá học (vô cơ, hữu cơ) hay những chế phẩm sinh học đƣợc sử dụng để bảo vệ tài nguyên thực vật, chống lại sự phá hoại của các sinh vật gây bệnh.

Ngày nay, việc sử dụng thuốc BVTV ngày càng cao, đƣợc dùng ở hầu hết khắp mọi nơi trên thế giới, là một trong những nhân tố chính đem lại sản lƣợng và năng suất cao cho nền nông nghiệp. Từ thực trạng sản xuất và sử dụng thuốc BVTV cho thấy ở thời điểm hiện tại hay trong tƣơng lai nó đóng một vai trò không thể thiếu đối với ngành sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Tuy nhiên, hầu hết các loại thuốc BVTV đều có thể thay đổi môi trƣờng sinh thái, có nhiều loại trở nên độc hại đối với con ngƣời. Do đó, để xác định dƣ lƣợng tồn dƣ thuốc BVTV là rất cần thiết.

Tuỳ theo từng loại thuốc BVTV và xét về bản chất hoá học mà có thể phân loại thành 2 nhóm chính đó là: thuốc trừ sâu hữu cơ và thuốc trừ sâu vô cơ [7].  Thứ nhất là thuốc trừ sâu hữu cơ: nhóm thuốc này đƣợc tạo nên bởi các nguyên tố có trong tự nhiên đặc biệt không thể thiếu nguyên tố cacbon làm cơ sở cho cấu trúc phân tử của chúng. Nhóm thuốc này phức tạp hơn nhóm thuốc vô cơ và thƣờng rất khó hoà tan vào nƣớc [7].  Thứ hai là thuốc trừ sâu vô cơ: nhóm thuốc này đƣợc tạo từ những nguyên tố có trong tự nhiên nhƣng lại không chứa cacbon, đây đều là những hợp chất đơn giản.

Chúng tạo ra những loại thuốc có dạng tinh thể, ổn định ở trong môi trƣờng và dễ hoà tan đƣợc trong nƣớc [7]. 3 Trong số các loại thuốc BVTV đang sử dụng rộng rãi hiện nay trên toàn Thế giới và Việt Nam là nhóm thuốc trừ sâu có gốc phospho hữu cơ, một trong số đó là Chlopyrifos ethyl, thuộc nhóm độc II, có tính chất gây độc thần kinh ở mức độ cao. Chlopyrifos ethyl đƣợc sử dụng rộng rãi để diệt sâu hại mùa màng, từ ruộng lúa, đất trồng rau cũng nhƣ trong hoa quả [3,4]. Tính chất hoá - lý của Chlopyrifos ethyl [3] Chlopyrifos ethyl (O-diethyl-O (3,5,6- trichloro-2-pyridyl) phosphorothioate) là hoạt chất có tác dụng diệt côn trùng phổ rộng thuộc nhóm phospho hữu cơ, là một trong số những loại thuốc trừ sâu đƣợc sử dụng phổ biến nhất để diệt trừ sâu bệnh ở các loại cây trồng khác nhau, đã đƣợc phát hiện trong không khí, nƣớc mƣa, nƣớc bề mặt, giếng nƣớc uống và các mẫu thức ăn dạng rắn và lỏng.

Hoạt chất này đƣợc sử dụng để kiểm soát và diệt trừ nhóm sâu lá và côn trùng chích hút của các cây hoa màu cũng nhƣ cây trồng nhƣ: cây lúa, ngô, rau màu, cây ăn quả … Hình 1. Công thức cấu tạo Chlopyrifos ethyl Chorpyrifos còn đƣợc gọi là Chorpyrifos ethyl, có công thức phân tử là C9H11Cl3NO3PS, khối lƣợng phân tử 350,59. Tên thƣơng mại là Dursban, Brodan, Pyrinex. Hoạt chất là một chất rắn giống nhƣ tinh thể màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy ở 42oC, nhiệt độ sôi cao 375,9 oC, rất khó bay hơi và bền trong điều kiện nhiệt độ bình thƣờng [3].

Nó có độ hoà tan trong nƣớc thấp, là thành phần chính của nhiều thuốc diệt côn trùng. Công thức phân tử đặc trƣng của Chorpyrifos ethyl khi xuất hiện cùng vòng pyridine là sự có mặt 3 gốc chlor đính cùng 1 gốc phospho [3]. Quá trình tổng hợp công nghiệp Chorpyrifos ethyl (3) đƣợc thực hiện bằng phản ứng 3,4,5-trichloro-2-pyridinol (1) với O,O-diethyl phosphorochloridothioate (2) ở điều kiện cơ bản trong dimethylformamide. Quá trình tổng hợp Chorpyrifos ethyl 1.

Tác hại thuốc BVTV chứa Chorpyrifos ethyl Thuốc BVTV có thể tồn tại ở trong đất do tính bền cao và ở mức có khả năng phát hiện đƣợc sau một thời gian dài sử dụng. Việc lạm dụng và sử dụng liên tục, phổ biến thuốc BVTV có thể là mối nguy hiểm lớn đe doạ tới môi trƣờng, sức khoẻ con ngƣời bởi những chất này có tiềm ẩn nguy cơ gây ra ung thƣ. Trong số đó, Chlopyrifos ethyl là loại hoạt chất thuộc nhóm phospho hữu cơ diệt côn trùng, thuộc nhóm độc mức độ II, có tính gây độc thần kinh ở mức cao [3]. Chlopyrifos xâm nhập vào môi trƣờng thông qua việc sử dụng trực tiếp lên cây trồng, bãi cỏ, trong nhà và nơi làm việc.

Chúng xâm nhập vào môi trƣờng thông qua sự bốc hơi, đổ tràn và xử lý chất thải Chlopyrifos.