Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao, vấn đề an toàn thực phẩm và sức khỏe con người trở thành mối quan tâm hàng đầu. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng phẩm màu tổng hợp trong thực phẩm, đặc biệt là các loại phẩm màu cấm như Auramine O (AO), gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng cho sức khỏe như tổn thương gan, thận và nguy cơ phá hủy ADN tế bào. Do đó, việc phát triển các phương pháp phân tích nhanh, nhạy và chính xác để phát hiện các chất này trong thực phẩm là rất cần thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nano composite dựa trên vật liệu ZIF-67/g-C3N4 và ứng dụng trong biến tính điện cực than thủy tinh (GCE) nhằm xác định phẩm màu Auramine O bằng phương pháp Volt-Ampere hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn trong năm 2019, với mục tiêu phát triển vật liệu biến tính điện cực có độ nhạy và độ chọn lọc cao, đồng thời đơn giản hóa quy trình xử lý mẫu. Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả phân tích điện hóa trong kiểm soát an toàn thực phẩm, mở rộng ứng dụng của vật liệu nano composite trong cảm biến điện hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) và graphit cacbon nitrua (g-C3N4). MOFs là vật liệu cấu trúc tinh thể ba chiều, được tạo thành từ các tâm kim loại chuyển tiếp phối trí với cầu nối hữu cơ, có diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao. ZIF-67 là một loại MOFs thuộc nhóm Zeolite Imidazole Frameworks (ZIFs), có cấu trúc sodalite ổn định về mặt hóa học và nhiệt độ, với diện tích bề mặt lên đến 1388 m²/g. g-C3N4 là vật liệu bán dẫn polyme hữu cơ không kim loại, có cấu trúc lớp và khả năng truyền electron tốt, được tổng hợp từ melamin qua quá trình nung ở 500°C. Sự kết hợp ZIF-67 với Fe2O3/g-C3N4 tạo thành nano composite ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4, tận dụng ưu điểm của từng thành phần để nâng cao hiệu suất biến tính điện cực. Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc tinh thể MOFs, phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi, nguyên lý phương pháp Volt-Ampere hòa tan anot (ASV) và kỹ thuật xung vi phân (DP-ASV) trong phân tích điện hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm và mẫu thực phẩm thu thập tại các chợ tỉnh Thừa Thiên Huế. Cỡ mẫu vật liệu gồm 0,036 g Fe2O3/g-C3N4 và 0,296 g ZIF-67 để tổng hợp nano composite. Phương pháp chọn mẫu vật liệu dựa trên kỹ thuật tổng hợp nhiệt dung môi và siêu âm nhằm đảm bảo phân tán đồng nhất. Phân tích vật liệu sử dụng các kỹ thuật đặc trưng: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố, và đo đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET) để đánh giá diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp. Phân tích phẩm màu Auramine O trong mẫu thực phẩm sử dụng phương pháp Volt-Ampere hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV) trên điện cực GCE biến tính nano composite. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, với các bước tổng hợp, biến tính điện cực, khảo sát điều kiện phân tích và thử nghiệm trên mẫu thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu nano composite: Giản đồ XRD cho thấy vật liệu ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của ZIF-67 tại các góc 2θ = 7,4°; 10,4°; 12,7°; 14,8°; 16,5°; 18,0°; 22,1°; 24,5°; 26,7°, cùng với các đỉnh của g-C3N4 và Fe2O3, chứng tỏ sự kết hợp thành công các pha (Hình 3.1c).
  2. Thành phần nguyên tố: Phổ EDX xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố C (30,12% khối lượng), N (46,03%), O (12,91%), Co (8,75%) và Fe (2,19%), đảm bảo tính tinh khiết của vật liệu composite (Bảng 3).
  3. Hình thái bề mặt: Ảnh SEM cho thấy các tinh thể ZIF-67 có kích thước khoảng 1 µm, kết tinh rõ ràng, khi biến tính với Fe2O3/g-C3N4 bề mặt trở nên xù xì và có sự kết dính nhẹ do lớp phủ Fe2O3/g-C3N4 (Hình 3.3).
  4. Diện tích bề mặt: Đo BET cho thấy diện tích bề mặt của ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 đạt khoảng 1037,6 m²/g, hơi thấp hơn so với ZIF-67 nguyên bản (1388 m²/g) do sự có mặt của Fe2O3/g-C3N4 nhưng vẫn rất cao, phù hợp cho ứng dụng biến tính điện cực.
  5. Hiệu suất biến tính điện cực: So sánh các điện cực GCE, GCE biến tính ZIF-67, Fe2O3/g-C3N4 và ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 cho tín hiệu dòng đỉnh Ip lần lượt là 0,00116 mA, 0,00285 mA, 0,00217 mA và 0,00410 mA, cho thấy điện cực biến tính nano composite có độ nhạy cao nhất với RSD khoảng 3,4% (Hình 3.2, Bảng 3).

Thảo luận kết quả

Sự kết hợp ZIF-67 với Fe2O3/g-C3N4 tạo ra vật liệu composite có cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn và khả năng truyền electron tốt, góp phần nâng cao hiệu quả biến tính điện cực GCE. Kết quả XRD và EDX chứng minh sự hiện diện đồng thời của các pha, đảm bảo tính đồng nhất và tinh khiết của vật liệu. Hình thái bề mặt qua SEM cho thấy sự bao phủ của Fe2O3/g-C3N4 làm tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp phụ chất phân tích. Diện tích bề mặt cao theo BET hỗ trợ cho việc tăng cường hấp phụ và truyền electron trên bề mặt điện cực. So với các nghiên cứu trước đây về biến tính điện cực bằng MOFs hoặc g-C3N4 riêng lẻ, việc sử dụng nano composite ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 đã cải thiện đáng kể tín hiệu phân tích Auramine O, thể hiện qua tăng gấp gần 3,5 lần cường độ dòng đỉnh so với điện cực GCE nguyên bản. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh cường độ dòng đỉnh Ip giữa các loại điện cực, minh họa rõ hiệu quả biến tính. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng MOFs và vật liệu composite trong cảm biến điện hóa, đồng thời mở rộng ứng dụng cho phân tích phẩm màu độc hại trong thực phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình tổng hợp nano composite ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4: Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp như thời gian siêu âm, tỷ lệ pha để nâng cao độ đồng nhất và diện tích bề mặt, nhằm cải thiện hiệu suất biến tính điện cực. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do phòng thí nghiệm hóa học vật liệu chủ trì.
  2. Ứng dụng điện cực biến tính trong phân tích thực phẩm: Triển khai thử nghiệm trên các mẫu thực phẩm đa dạng như nước măng chua, cải chua, dưa chua tại các địa phương trong vòng 12 tháng, nhằm đánh giá độ nhạy và độ chính xác trong điều kiện thực tế. Chủ thể thực hiện là các trung tâm kiểm nghiệm an toàn thực phẩm.
  3. Nâng cao độ bền và tái sử dụng điện cực: Nghiên cứu các phương pháp bảo vệ bề mặt điện cực và tái sinh vật liệu biến tính để kéo dài tuổi thọ, giảm chi phí phân tích. Thời gian nghiên cứu 9 tháng, do nhóm nghiên cứu điện hóa đảm nhiệm.
  4. Phát triển thiết bị phân tích điện hóa mini: Thiết kế và chế tạo thiết bị phân tích cầm tay sử dụng điện cực biến tính nano composite, phục vụ kiểm tra nhanh tại hiện trường, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, phối hợp với đơn vị công nghệ thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và điện hóa: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và đặc trưng vật liệu ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4, hỗ trợ phát triển các vật liệu biến tính điện cực mới.
  2. Chuyên gia an toàn thực phẩm và phân tích hóa học: Phương pháp phân tích Auramine O bằng DP-ASV trên điện cực biến tính giúp nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc trong phát hiện phẩm màu độc hại.
  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến điện hóa: Thông tin về vật liệu và quy trình biến tính điện cực có thể ứng dụng trong thiết kế cảm biến điện hóa hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí.
  4. Cơ quan quản lý và kiểm nghiệm thực phẩm: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng phương pháp kiểm tra nhanh, chính xác các chất cấm trong thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Volt-Ampere hòa tan anot (ASV) là gì?
    ASV là kỹ thuật phân tích điện hóa gồm hai giai đoạn: làm giàu chất phân tích trên điện cực và hòa tan chất đó bằng quét thế anot, ghi nhận tín hiệu dòng điện. Phương pháp này có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, phù hợp phân tích kim loại và hợp chất hữu cơ trong mẫu phức tạp.

  2. Tại sao chọn vật liệu ZIF-67/g-C3N4 để biến tính điện cực?
    ZIF-67 có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và ổn định hóa học, trong khi g-C3N4 có khả năng truyền electron tốt. Sự kết hợp tạo ra vật liệu composite có tính chất điện hóa ưu việt, tăng cường hấp phụ và truyền tải electron, nâng cao hiệu quả phân tích.

  3. Giới hạn phát hiện (LOD) của phương pháp này đối với Auramine O là bao nhiêu?
    Theo kết quả nghiên cứu, phương pháp DP-ASV trên điện cực biến tính ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 có giới hạn phát hiện thấp, đủ để phát hiện Auramine O ở nồng độ vết trong thực phẩm, đáp ứng yêu cầu kiểm soát an toàn.

  4. Phương pháp này có thể áp dụng cho các phẩm màu khác không?
    Có thể. Với tính linh hoạt của phương pháp ASV và khả năng biến tính điện cực bằng các vật liệu khác nhau, kỹ thuật này có thể được điều chỉnh để phân tích nhiều loại phẩm màu và hợp chất hữu cơ khác trong thực phẩm.

  5. Điện cực biến tính có thể tái sử dụng được không?
    Điện cực biến tính có thể tái sử dụng nhiều lần nếu được bảo quản và tái sinh đúng cách. Nghiên cứu đề xuất phát triển các phương pháp bảo vệ bề mặt để nâng cao độ bền và khả năng tái sử dụng, giảm chi phí phân tích.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công nano composite ZIF-67/Fe2O3/g-C3N4 với cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn (khoảng 1037,6 m²/g).
  • Vật liệu composite biến tính điện cực GCE cho tín hiệu phân tích Auramine O cao gấp gần 3,5 lần so với điện cực nguyên bản, với độ lặp lại tốt (RSD ~3,4%).
  • Phương pháp Volt-Ampere hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV) trên điện cực biến tính cho phép phát hiện nhanh, nhạy và chính xác Auramine O trong mẫu thực phẩm.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu biến tính điện cực mới cho cảm biến điện hóa trong kiểm soát an toàn thực phẩm.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, nâng cao độ bền điện cực và phát triển thiết bị phân tích cầm tay trong các bước nghiên cứu tiếp theo.

Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu nano, điện hóa và an toàn thực phẩm tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phân tích và kiểm soát chất lượng sản phẩm.