Tổng quan nghiên cứu

An toàn thực phẩm đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt liên quan đến dư lượng kháng sinh trong thực phẩm như thịt, sữa, cá tôm. Theo ước tính, việc sử dụng kháng sinh không kiểm soát trong chăn nuôi đã dẫn đến tồn dư kháng sinh Ofloxacin (OFL) ở nồng độ thấp trong thực phẩm, gây nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển một phương pháp cảm biến điện hóa có khả năng tăng cường tín hiệu và độ nhạy để phát hiện OFL ở nồng độ thấp, nhằm kiểm soát dư lượng kháng sinh trong thực phẩm. Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2023-2024.

Phương pháp cảm biến điện hóa được lựa chọn nhờ ưu điểm vượt trội như chi phí thấp, độ nhạy cao, quy trình xử lý mẫu đơn giản và thời gian phân tích nhanh. Luận văn tập trung vào việc biến tính điện cực làm việc bằng hạt nano Fe3O4 cấu trúc spinel, nhằm cải thiện hiệu suất cảm biến trong phát hiện OFL. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng kiểm soát an toàn thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cảm biến điện hóa và lý thuyết vật liệu nano oxit spinel. Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên cơ chế chuyển đổi phản ứng oxy hóa-khử thành tín hiệu điện, phản ánh nồng độ chất phân tích. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Diện tích hoạt hóa bề mặt (EASA): Diện tích phần điện cực tiếp xúc và phản ứng với chất phân tích, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy cảm biến.
  • Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Phân tích điện trở và tính chất dẫn điện của điện cực, giúp đánh giá hiệu suất truyền điện tử.
  • Quét thế vòng tuần hoàn (CV) và quét thế xung vi phân (DPV): Kỹ thuật đo lường dòng điện phản ứng oxy hóa-khử, xác định đặc tính điện hóa và nồng độ chất phân tích.
  • Vật liệu nano Fe3O4 cấu trúc spinel: Vật liệu có khả năng dẫn điện tốt, diện tích bề mặt lớn, tính chất từ siêu thuận từ, giúp tăng cường tín hiệu và độ nhạy của cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu điện cực carbon Metrohm 110 được biến tính bằng hạt nano Fe3O4 phân tán trong dung môi Nafion 0,5%. Hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các điều kiện: nhiệt độ 150°C, thời gian 60 phút, pH 10. Kích thước hạt nano trung bình khoảng 10,6 nm được xác định bằng phổ XRD.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Quét thế vòng tuần hoàn (CV): Đánh giá diện tích hoạt hóa bề mặt và khả năng truyền điện tử của điện cực biến tính.
  • Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Xác định điện trở chuyển điện tích (Ret) và độ ổn định của điện cực.
  • Quét thế xung vi phân (DPV): Phát hiện và định lượng OFL trong dung dịch chuẩn PBS và mẫu thực phẩm (sữa, thịt).

Cỡ mẫu gồm 4 loại điện cực carbon phổ biến được khảo sát: Metrohm 110, OpenSens, Carbon 11L, và Carbon Biology Japan. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính phổ biến và hiệu suất điện hóa của các điện cực. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ tổng hợp vật liệu đến khảo sát đặc tính và ứng dụng cảm biến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn điện cực phù hợp: Điện cực Metrohm 110 cho tín hiệu điện hóa lớn nhất với dòng điện đỉnh khử Ipc đạt 835,06 µA, diện tích hoạt hóa bề mặt EASA = 0,211 cm², mật độ dòng J = 6627,46 µA/cm², và điện trở chuyển điện tích Ret thấp nhất 142 Ω, cho thấy khả năng truyền điện tốt hơn hẳn các loại điện cực khác.

  2. Hiệu quả biến tính bằng hạt nano Fe3O4: Điện cực FO_NEH/SPE (Metrohm 110 biến tính bằng Fe3O4 + Nafion) có diện tích hoạt hóa bề mặt EASA = 0,375 cm², mật độ dòng J = 11901,03 µA/cm², và điện trở chuyển điện tích Re = 18 Ω, cải thiện đáng kể so với điện cực chưa biến tính.

  3. Giới hạn phát hiện và độ nhạy: Cảm biến phát hiện OFL trong dung dịch PBS với giới hạn phát hiện LOD = 0,059 µM, giới hạn định lượng LOQ = 0,178 µM, độ nhạy S = 7,26 µA/µM·cm². Trong mẫu sữa và thịt, cảm biến phát hiện OFL ở nồng độ lần lượt 0,05 µM và khoảng 0,1 µM, chứng minh khả năng ứng dụng thực tế.

  4. Phát hiện chọn lọc đồng thời nhiều kháng sinh: Cảm biến có khả năng phát hiện đồng thời OFL với Metronidazole (MTZ) hoặc Chloramphenicol (CAP) tại nồng độ 2,5 µM, cho kết quả nhanh chóng và chính xác, mở rộng ứng dụng trong kiểm soát đa dư lượng kháng sinh.

Thảo luận kết quả

Việc lựa chọn điện cực Metrohm 110 làm nền tảng biến tính nhờ khả năng truyền điện tích vượt trội, diện tích bề mặt lớn và điện trở thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa-khử. Biến tính bằng hạt nano Fe3O4 cấu trúc spinel giúp tăng diện tích hoạt hóa bề mặt và cải thiện khả năng truyền điện tử, nhờ đó tăng cường tín hiệu điện hóa và độ nhạy của cảm biến.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng vật liệu oxit spinel khác, kết quả này cho thấy Fe3O4 có ưu thế về tính ổn định và khả năng xúc tác điện hóa, phù hợp cho phát hiện OFL ở nồng độ thấp. Các biểu đồ CV và EIS minh họa rõ sự gia tăng dòng điện đỉnh và giảm điện trở chuyển điện tích sau biến tính, thể hiện qua đồ thị Nyquist và đồ thị quét thế tuần hoàn.

Khả năng phát hiện đồng thời nhiều kháng sinh là điểm mới, giúp cảm biến ứng dụng hiệu quả trong kiểm soát an toàn thực phẩm đa thành phần. Kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển cảm biến điện hóa đa chức năng, đáp ứng nhu cầu giám sát phức tạp trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng cảm biến trong phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm: Áp dụng cảm biến biến tính Fe3O4 để phát hiện dư lượng OFL và các kháng sinh khác, nhằm nâng cao độ nhạy và giảm thời gian phân tích. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các trung tâm kiểm nghiệm thực phẩm.

  2. Phát triển thiết bị cảm biến di động: Thiết kế cảm biến điện hóa mini tích hợp điện cực biến tính Fe3O4 để kiểm tra nhanh tại hiện trường, hỗ trợ giám sát an toàn thực phẩm trực tiếp. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ và viện nghiên cứu.

  3. Mở rộng nghiên cứu biến tính điện cực với vật liệu nano khác: Khảo sát các vật liệu oxit spinel phối hợp nhằm tăng cường độ chọn lọc và độ bền cảm biến, nâng cao khả năng phát hiện đa thành phần. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu khoa học.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật chế tạo và sử dụng cảm biến điện hóa biến tính nano cho cán bộ kỹ thuật và nhà quản lý trong lĩnh vực an toàn thực phẩm. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: trường đại học và các tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano: Nắm bắt kiến thức về vật liệu oxit spinel Fe3O4 và ứng dụng trong cảm biến điện hóa, phục vụ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Chuyên gia kiểm nghiệm thực phẩm: Áp dụng phương pháp cảm biến điện hóa biến tính nano để nâng cao hiệu quả phát hiện dư lượng kháng sinh, giảm chi phí và thời gian phân tích.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và thiết bị y tế: Tham khảo quy trình chế tạo và biến tính điện cực để phát triển sản phẩm cảm biến di động, đáp ứng nhu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý an toàn thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình giám sát và kiểm soát dư lượng kháng sinh trong thực phẩm, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến điện hóa biến tính bằng hạt nano Fe3O4 có ưu điểm gì so với cảm biến truyền thống?
    Cảm biến này có diện tích hoạt hóa bề mặt lớn hơn, điện trở chuyển điện tích thấp hơn, giúp tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện OFL xuống 0,059 µM, vượt trội so với cảm biến truyền thống.

  2. Phương pháp thủy nhiệt dùng để tổng hợp hạt nano Fe3O4 có ưu điểm gì?
    Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát kích thước hạt nano (~10,6 nm), tạo ra vật liệu tinh khiết, đồng nhất và có tính chất từ siêu thuận từ, phù hợp cho biến tính điện cực.

  3. Cảm biến có thể phát hiện đồng thời các loại kháng sinh nào?
    Cảm biến có khả năng phát hiện đồng thời Ofloxacin (OFL) với Metronidazole (MTZ) hoặc Chloramphenicol (CAP) ở nồng độ thấp, giúp giám sát đa dư lượng kháng sinh trong thực phẩm.

  4. Tại sao sử dụng Nafion trong dung môi biến tính điện cực?
    Nafion giúp tăng độ bám dính của hạt nano Fe3O4 lên bề mặt điện cực, cải thiện độ ổn định và độ bền của lớp phủ, đồng thời duy trì tính dẫn điện tốt cho cảm biến.

  5. Phương pháp DPV được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    DPV được dùng để đo tín hiệu điện hóa với độ nhạy cao, giúp xác định chính xác nồng độ OFL trong dung dịch chuẩn và mẫu thực phẩm, với khả năng phát hiện ở nồng độ rất thấp.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công cảm biến điện hóa biến tính điện cực Metrohm 110 bằng hạt nano Fe3O4 cấu trúc spinel, nâng cao đáng kể độ nhạy và tín hiệu phát hiện OFL.
  • Kích thước hạt nano Fe3O4 trung bình 10,6 nm, được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, đảm bảo tính chất vật lý và điện hóa ưu việt.
  • Cảm biến đạt giới hạn phát hiện LOD = 0,059 µM và độ nhạy S = 7,26 µA/µM·cm², có khả năng phát hiện OFL trong mẫu thực phẩm như sữa và thịt.
  • Cảm biến có khả năng phát hiện đồng thời nhiều kháng sinh, mở rộng ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm đa thành phần.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng cảm biến trong phòng thí nghiệm và phát triển thiết bị di động, đồng thời mở rộng nghiên cứu vật liệu nano để nâng cao hiệu suất cảm biến.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ tiếp nhận và phát triển công nghệ cảm biến điện hóa biến tính nano để ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.