MỞ ĐẦU Ngày nay, hoạt động sản xuất nông nghiệp đòi hỏi một lượng lớn hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) nhằm kiểm soát côn trùng, vi khuẩn, cỏ dại… bảo vệ mùa màng. Một điều rõ ràng rằng, cùng với phân bón hóa học, thuốc BVTV (bao gồm thuốc trừ cỏ, thuốc trừ bệnh, thuốc kích thích sinh trưởng và thuốc trừ sâu) góp phần đảm bảo an ninh lương thực và sự phát triển ổn định của kinh tế-xã hội. Tuy nhiên, tình trạng sử dụng thiếu kiểm soát và sai mục đích các chất BVTV gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường sinh thái và sức khỏe của con người. Hầu hết các loại thuốc BVTV đều là những hợp chất hữu cơ khó phân hủy, có khả năng tích lũy sinh học, tham gia vào chuỗi thức ăn.
Do đó, vấn đề kiểm soát sử dụng thuốc BVTV đặc biệt trong các sản phẩm nông sản đã trở thành một vấn đề có tính toàn cầu không chỉ ở trong nước. Việc kiểm soát dư lượng thuốc BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn. Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản là phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis. Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài hiện trường.
Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được ứng dụng để xác định dư lượng các chất BVTV dựa trên nguyên lý kháng nguyên - kháng thể. Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh nhưng nhược điểm đó là kém chính xác trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới. Các 1 thiết bị cảm biến nói chung và cảm biến sinh học nói riêng với kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định cao ứng dụng trong phân tích Hóa học và Sinh học đã và đang được kỳ vọng có thể thay thế một phần hay hoàn toàn các phương pháp phân tích truyền thống.
Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài được lựa chọn: “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả„ Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào việc ứng dụng các cảm biến hiện có trên cơ sở biến tính các hệ điện cực cơ sở để thực hiện các phép phân tích hóa học và sinh học. - Nội dung 1: lựa chọn cảm biến. Loại cảm biến được lựa chọn là cảm biến điện hóa sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Acetylcholinesterase được chế tạo và biến tính. - Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của hệ cảm biến này (đặc trưng bề mặt, hình thái học, các đặc trưng điện hóa/đáp ứng điện hóa) - Ứng dụng hệ cảm biến trong xác định các độc chất gây ức chế thần kinh như các loại thuốc bảo vệ thực vật nhóm lân hữu cơ.
Vấn đề dư lượng thuốc BVTV trong nông sản Là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều, Việt Nam có nhiều điều kiện khí hậu thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng nông nghiệp và công nghiệp. Bên cạnh đó, các điều kiện khía hậu này cũng rất thuận lợi cho sự phát sinh, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại gây hại mùa màng. Do vậy việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) để phòng trừ sâu hại, dịch bệnh bảo vệ mùa màng, giữ vững an ninh lương thực quốc gia là một biện pháp quan trọng. Tuy nhiên, có một thực tế rằng việc sử dụng thuốc BVTV tràn lan, sai mục đích, không tuân thủ các quy trình sử dụng an toàn đã gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và trầm tích đáy với thời gian tồn dư lâu dài, ảnh hưởng đến hệ sinh thái nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng.
Thuốc BVTV tồn dư, thậm chí được sử dụng như một loại chất bảo quản trên các sản phẩm nông sản trong nước cũng như nhập khẩu đang là vấn đề nhận được sự quan tâm của toàn xã hội. Nhiều thuốc BVTV được cho là có khả năng gây ung thư, thậm chí gây đột biến gen, ảnh hưởng đến chất lượng tăng trưởng và sức khỏe[1]. Theo thống kê của Cục Bảo vệ thực vật, lượng thuốc BVTV được sử dụng ở nước ta tăng nhanh trong những năm gần đây đặc bệt về cả số lượng và chủng loại. Trong đó, nhiều loại thuốc nhóm lân hữu cơ thuộc danh mục những loại thuốc cấm sử dụng trên rau vẫn được sử dụng tràn lan như: Monitor, Azodrin, Endosulfan, Monocrotophos, Methamidophos, Methyl parathion.
Đây là những loại thuốc có độ độc rất cao thời gian phân hủy kéo dài nếu tồn lưu trong rau thì cần phải trải qua thời gian dài mới phân hủy hết được. Những sản phẩm này khi bán ra thị trường sẽ ảnh hưởng trược tiếp đến sức khỏe của cộng đồng. Cũng theo một báo cáo tổng hợp của Tổng cục Môi trường (Bộ Tài nguyên & Môi trường), nếu như những năm 1960, chỉ có 0,48% diện tích đất canh tác sử dụng thuốc BVTV thì nay là 100% diện tích đất canh tác đều có sử dụng thuốc BVTV. Theo cục Y tế dự phòng và Môi trường (Bộ Y tế), năm 3 2009, các bệnh viện đã tiếp nhận 4.515 người bị nhiễm độc thuốc BVTV, trong đó 138 người đã tử vong do nhiễm độc quá nặng.
Ba vấn đề nổi cộm nhất liên quan đến sự ô nhiễm môi trường và gây nhiễm độc thuốc BVTV gồm: Hệ thống xử lý chất thải tại các cơ sở sản xuất, chế biến thuốc BVTV không được quan tâm thích đáng. Nhiều cơ sở vì lợi nhuận đã không thực hiện khâu xử lý chất thải mà xả thẳng vào môi trường. Hiện tượng lạm dụng và sử dụng sai quy trình, quy cách thuốc BVTV trong nông dân như sử dụng thuốc trừ sâu vượt ngưỡng cho phép, hoặc không thực hiện thời gian cách ly đến lúc thu hoạch như quy định. Bên cạnh đó, người nông dân hầu như chưa có kiến thức trong xử lý dụng cụ, bao gói thuốc BVTV.
Việc sử dụng sai mục đích các thuốc BVTV làm chất bảo quản, chất kích thích tăng trưởng và phát triển cây trồng, vật nuôi. Bên cạnh việc quản lý chặt chẽ các loại thuốc BVTV thì công tác phân tích, kiểm nghiệm thuốc BVTV trong nông sản và môi trường là một giải pháp quan trọng giúp có một cái nhìn tổng quan về hiện trạng sử dụng thốc BVTV. Đồng thời hỗ trợ các cơ quan nhà nước đưa ra các giải pháp ứng phó phù hợp, đồng thời cảnh báo sớm nguy cơ góp phần đảm bảo an toàn thực phẩm và sức khỏe cộng đồng[2]. Như trên đã nói, phương pháp thông thường đang được áp dụng để phân tích hàm lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản và trong môi trường nước đó là phương pháp sắc ký kết hợp với khối phổ.
Phương pháp có độ nhạy và độ chọn lọc cao tuy nhiên thời gian phân tích thường trải qua nhiều giai đoạn và tốn nhiều thời gian, vận hành thiết bị phức tạp, phân tích phải được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Thông thường, kể từ khi lấy mẫu đến khi có kết quả phân tích thời gian thường mất từ 1 tới 2 ngày. Đối với xuất-nhập khẩu nông sản: việc kéo dài thời gian phân tích đối với các sản phẩm nông sản tươi dẫn đến những phản ứng của doanh nghiệp xuất nhập khẩu do những thiệt hại về kinh tế gây ra. 4 Trước tình hình thời sự về vấn đề sử dụng tràn lan, thiếu kiểm soát các loại thuốc BVTV trong trồng trọt và bảo quản nông sản việc tìm ra các phương pháp khác bổ sung/thay thế phương pháp truyền thống là tất yếu.
Yêu cầu của phương pháp thay thế là có thể xác định nhanh, dễ dàng dư lượng các thuốc BVTV nhằm phát hiện và ngăn chặn kịp thời các chất BVTV độc hại trong nông phẩm phù hợp với việc đo đạc ở hiện trường cũng như giám sát tại chỗ và trực tuyến các chất độc hại. Đây là một nhu cầu thực tế có ý nghĩa kinh tế-xã hội cao. Do vậy, nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học (biosensor) quan trắc các chất gây ô nhiễm môi trường (hợp chất hữu cơ, kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh) là một trong các nhiệm vụ ưu tiên triển khai. Với việc tận dụng các nguồn lực về con người và cơ sở vật chất đã được nhà nước đầu tư tại các đơn vị phối hợp cho thấy việc chế tạo hệ cảm biến sinh học đo tại thực địa nhằm kiểm soát dư lượng một số thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản và môi trường nước là nội dung có tính cấp thiết cho định hướng nghiên cứu này.
Nhóm chất BVTV họ lân hữu cơ Nhóm lân hữu cơ (organophosphorus) đều là các este, là các dẫn xuất hữu cơ của acid photphoric. Nhóm này có thời gian bán phân huỷ ngắn hơn so với nhóm Clo hữu cơ và được sử dụng rộng rãi hơn. Nhóm này tác động vào thần kinh của côn trùng bằng cách ngăn cản sự tạo thành men Cholinestaza làm cho thần kinh hoạt động kém, làm yếu cơ, gây choáng váng và chết. Có thể coi việc sử dụng hóa chất BVTV trong sản xuất nông nghiệp là một thành tựu khoa học giúp đảm bảo an ninh lương thực, an sinh xã hội.
Tuy nhiên ngày nay việc sử dụng tràn lan chất BVTV và không tuân thủ quy trình sản xuất an toàn khiến tồn dư các chất BVTV trong các sản phẩm nông sản gây nguy hại cho sức khỏe người tiêu dùng. Việc kiểm soát dư lượng chất BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn. Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản 5 là phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) [3, 4] sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis [5].