Tổng quan nghiên cứu

Hoạt động sản xuất nông nghiệp hiện nay phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) nhằm kiểm soát sâu bệnh, cỏ dại và bảo vệ mùa màng. Theo báo cáo của ngành, lượng thuốc BVTV sử dụng tại Việt Nam đã tăng nhanh, với 100% diện tích đất canh tác có sử dụng thuốc BVTV, trong đó nhóm lân hữu cơ chiếm tỷ lệ đáng kể. Tuy nhiên, việc sử dụng không kiểm soát và sai mục đích dẫn đến tồn dư thuốc BVTV trong rau quả, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Năm 2009, các bệnh viện tiếp nhận hơn 4.500 ca nhiễm độc thuốc BVTV, trong đó có 138 trường hợp tử vong do nhiễm độc nặng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ trong rau quả, nhằm cung cấp phương pháp phân tích nhanh, chính xác và có thể thực hiện tại hiện trường. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo cảm biến dựa trên sự ức chế enzyme Acetylcholinesterase (AChE) trên nền điện cực carbon biến tính bằng polyanilin (PANi) và graphene (Gr). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2015-2017, với các mẫu rau quả phổ biến.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích dư lượng thuốc BVTV nhanh chóng, giảm thiểu thời gian và chi phí so với các phương pháp sắc ký truyền thống, đồng thời góp phần nâng cao an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

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 sinh học điện hóa và mô hình ức chế enzyme. Cảm biến sinh học điện hóa sử dụng phần tử nhận biết sinh học (enzyme AChE) gắn trên màng polyme dẫn điện (PANi/Graphene) để chuyển đổi tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu điện hóa. Mô hình ức chế enzyme dựa trên nguyên lý khi thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ tiếp xúc với enzyme AChE, hoạt tính enzyme bị ức chế, làm giảm dòng điện đo được, từ đó xác định nồng độ thuốc.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Cảm biến sinh học điện hóa: thiết bị chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện.
  • Enzyme Acetylcholinesterase (AChE): enzyme xúc tác thủy phân acetylcholine, bị ức chế bởi thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ.
  • Polyme dẫn điện (Polyanilin - PANi): vật liệu dùng để biến tính điện cực, tăng độ dẫn điện và khả năng cố định enzyme.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu rau quả được chuẩn bị theo quy trình chuẩn, sử dụng chất chuẩn Methamidophos để xây dựng đường chuẩn. Phương pháp phân tích chính là cảm biến sinh học điện hóa dựa trên điện cực carbon mạch in (SPE) biến tính bằng màng PANi/Graphene và cố định enzyme AChE. Các phép đo điện hóa được thực hiện trên máy Palmsen 3 với các kỹ thuật như quét thế vòng (CV), đo dòng amperometric.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu rau quả được xử lý và phân tích trong phòng thí nghiệm tại Đại học Thái Nguyên. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, từ khâu tổng hợp màng polyme, cố định enzyme đến thử nghiệm phân tích dư lượng thuốc BVTV.

Phương pháp phân tích đối chứng sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC/MS) để đánh giá độ chính xác của cảm biến. Các kỹ thuật đặc trưng vật liệu như phổ FT-IR, phổ Raman và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được áp dụng để khảo sát cấu trúc màng polyme và bề mặt điện cực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp màng PANi thành công trên điện cực SPE: Phổ quét thế vòng (CV) cho thấy sự tăng cường độ dòng điện sau mỗi chu kỳ quét, biểu hiện quá trình trùng hợp điện hóa hiệu quả. Màng PANi có màu sắc thay đổi từ vàng sang xanh lá cây tương ứng với trạng thái Emeraldin có tính dẫn điện cao.
  2. Đặc trưng cấu trúc màng PANi bằng phổ FT-IR: Các dao động đặc trưng tại 1594 cm$^{-1}$ và 1509 cm$^{-1}$ (liên kết C=C trong nhân thơm), 3441 cm$^{-1}$ (liên kết N-H) và 1161 cm$^{-1}$ (liên kết C-N) xác nhận cấu trúc polyme dẫn điện có nhóm amin, thuận lợi cho cố định enzyme.
  3. Hành vi điện hóa của điện cực PANi/SPE: Phổ CV trong dung dịch HCl 1M cho thấy màng PANi có khả năng trao đổi điện tử tốt, tăng độ nhạy của cảm biến.
  4. Phổ Raman của màng PANi-Graphene: Sự kết hợp với graphene làm tăng độ dẫn điện và cải thiện thời gian truyền tín hiệu điện hóa, nâng cao hiệu suất cảm biến.
  5. Ứng dụng cảm biến trong phân tích dư lượng thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ: Cảm biến AChE/PANi-Gr/SPE cho giới hạn phát hiện thấp, độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh hơn nhiều so với phương pháp HPLC và LC/MS. Độ ức chế enzyme tỷ lệ thuận với nồng độ thuốc BVTV, cho phép xây dựng đường chuẩn chính xác với khoảng tuyến tính từ 1 đến 50 ppm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy màng PANi tổng hợp bằng phương pháp điện hóa có cấu trúc ổn định, phù hợp để cố định enzyme AChE nhờ nhóm amin trên mạch polyme. Việc bổ sung graphene làm tăng đáng kể độ dẫn điện và diện tích bề mặt, giúp cải thiện hiệu suất cảm biến. So với các nghiên cứu trước đây, cảm biến này có giới hạn phát hiện tương đương hoặc tốt hơn, đồng thời có ưu điểm về chi phí và khả năng đo tại hiện trường.

Phân tích so sánh với phương pháp sắc ký truyền thống cho thấy cảm biến sinh học điện hóa rút ngắn thời gian phân tích từ 1-2 ngày xuống còn vài phút, đồng thời giảm thiểu thao tác phức tạp và yêu cầu thiết bị đắt tiền. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường chuẩn thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa độ ức chế enzyme và nồng độ thuốc BVTV, cũng như bảng so sánh giới hạn phát hiện và thời gian phân tích giữa các phương pháp.

Những hạn chế còn tồn tại là độ đặc hiệu của enzyme AChE chưa cao với một số nhóm thuốc BVTV khác, do đó cần nghiên cứu thêm các enzyme hoặc phần tử nhận biết khác để mở rộng phạm vi ứng dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển cảm biến đa chức năng: Tích hợp thêm các enzyme hoặc kháng thể đặc hiệu để nâng cao độ chọn lọc, giảm thiểu sai số do các chất gây nhiễu trong mẫu rau quả. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.
  2. Ứng dụng cảm biến trong giám sát hiện trường: Thiết kế thiết bị cầm tay nhỏ gọn, dễ sử dụng cho nông dân và cơ quan quản lý để kiểm tra nhanh dư lượng thuốc BVTV tại các vùng trồng rau quả. Mục tiêu giảm thời gian phân tích xuống dưới 10 phút. Thời gian triển khai: 6-12 tháng.
  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức người dùng: Tổ chức các khóa tập huấn cho nông dân, cán bộ kiểm nghiệm về cách sử dụng cảm biến và ý nghĩa của việc kiểm soát dư lượng thuốc BVTV nhằm nâng cao hiệu quả quản lý. Chủ thể: Sở Nông nghiệp, các tổ chức phi chính phủ.
  4. Xây dựng hệ thống dữ liệu và cảnh báo sớm: Kết nối cảm biến với hệ thống truyền dữ liệu trực tuyến để giám sát dư lượng thuốc BVTV liên tục, hỗ trợ ra quyết định kịp thời trong quản lý an toàn thực phẩm. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Hóa học ứng dụng: Nghiên cứu phương pháp phân tích mới, phát triển cảm biến sinh học điện hóa trong kiểm soát an toàn thực phẩm.
  2. Cơ quan quản lý an toàn thực phẩm và môi trường: Áp dụng công nghệ cảm biến để giám sát dư lượng thuốc BVTV nhanh chóng, hiệu quả tại các vùng sản xuất nông nghiệp.
  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị phân tích và công nghệ sinh học: Tham khảo quy trình chế tạo cảm biến, vật liệu polyme dẫn điện và ứng dụng enzyme để phát triển sản phẩm thương mại.
  4. Nông dân và tổ chức hợp tác xã nông nghiệp: Nắm bắt công nghệ kiểm tra dư lượng thuốc BVTV tại hiện trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến sinh học điện hóa có ưu điểm gì so với phương pháp sắc ký truyền thống?
    Cảm biến sinh học điện hóa cho phép phân tích nhanh, chi phí thấp, dễ sử dụng tại hiện trường, không cần thiết bị phức tạp như sắc ký khí hay sắc ký lỏng ghép khối phổ. Ví dụ, thời gian phân tích giảm từ 1-2 ngày xuống còn vài phút.

  2. Giới hạn phát hiện của cảm biến đối với thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ là bao nhiêu?
    Cảm biến AChE/PANi-Gr/SPE có thể phát hiện nồng độ thuốc BVTV trong khoảng từ 1 đến 50 ppm với độ nhạy cao, phù hợp để giám sát dư lượng trong rau quả.

  3. Tại sao lại sử dụng polyanilin và graphene trong chế tạo cảm biến?
    Polyanilin có độ dẫn điện tốt, dễ tổng hợp và cố định enzyme nhờ nhóm amin, trong khi graphene tăng cường độ dẫn điện và diện tích bề mặt, giúp cải thiện hiệu suất cảm biến.

  4. Cảm biến có thể sử dụng ngoài hiện trường không?
    Có, cảm biến được thiết kế nhỏ gọn, có thể kết nối với thiết bị cầm tay, cho phép đo nhanh tại hiện trường, hỗ trợ giám sát trực tiếp dư lượng thuốc BVTV.

  5. Những hạn chế hiện tại của cảm biến là gì?
    Độ đặc hiệu của enzyme AChE chưa cao với một số loại thuốc BVTV khác, có thể gây sai số. Ngoài ra, cảm biến cần được hiệu chuẩn thường xuyên để đảm bảo độ chính xác.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công màng polyanilin trên điện cực carbon mạch in, kết hợp với graphene để tăng cường tính dẫn điện và diện tích bề mặt.
  • Cố định enzyme Acetylcholinesterase trên màng PANi-Gr/SPE tạo thành cảm biến sinh học điện hóa có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp đối với thuốc BVTV nhóm lân hữu cơ.
  • Phương pháp phân tích dựa trên cảm biến rút ngắn thời gian phân tích, giảm chi phí và có thể thực hiện tại hiện trường, phù hợp với nhu cầu giám sát dư lượng thuốc BVTV trong nông sản.
  • Kết quả cảm biến được đối chứng với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC/MS) cho thấy độ chính xác và tin cậy cao.
  • Đề xuất phát triển cảm biến đa chức năng, ứng dụng trong giám sát hiện trường và xây dựng hệ thống cảnh báo sớm nhằm nâng cao hiệu quả quản lý an toàn thực phẩm.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng phạm vi cảm biến, hoàn thiện thiết bị cầm tay và đào tạo người sử dụng để đưa công nghệ vào thực tiễn. Mời các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý quan tâm hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ cảm biến sinh học điện hóa trong kiểm soát dư lượng thuốc BVTV.