Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về cảm biến điện hóa phát hiện dư lượng một số thuốc, hóa chất trong thực phẩm Hiện nay, vấn đề chất lượng, an toàn thực phẩm đã trở thành mối quan tâm và thách thức toàn cầu do sự tiêu thụ thực phẩm ngày càng gia tăng, sự toàn cầu hóa nguồn cung ứng thực phẩm và thói quen ăn uống thay đổi. Theo công bố của tổ chức Y tế Thế giới WHO, gần 1 trong 10 người trên thế giới mắc bệnh sau khi sử dụng thực phẩm bẩn, thực phẩm không an toàn và 420 000 người tử vong mỗi năm [27]. Bởi vậy, các cơ quan và tổ chức y tế trên toàn thế giới đang tiến hành đưa ra các quy định và các biện pháp kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn thực phẩm.
Một trong những nguồn gốc chủ yếu của thực phẩm bẩn, thực phẩm không an toàn là việc sử dụng các loại thuốc kháng sinh, hóa chất một cách không kiểm soát trong vật nuôi và cây trồng [28]. Dư lượng của thuốc kháng sinh cũng như hóa chất trong các thực phẩm này có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng đến sức khỏe của con người với các nguy cơ như dị ứng kháng sinh, độc tính mãn tính. Bên cạnh đó, việc sử dụng thuốc kháng sinh liều cao, không tuân thủ các quy định trong chăn nuôi với mục đích kích thích tăng trưởng có thể dẫn đến vấn nạn kháng thuốc kháng sinh đang trở lên nghiêm trọng trong những năm gần đây. Để kiểm soát được vấn đề an toàn thực phẩm và giảm thiểu ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe người tiêu dùng, nhu cầu cấp bách đặt ra là phát triển các công nghệ phát hiện nhanh, đáng tin cậy, độ nhạy, khả năng chọn lọc cao, chi phí thấp nhằm phát hiện dư lượng các loại thuốc kháng sinh, hóa chất trong thực phẩm.
Trong những năm gần đây, đã xuất hiện nhiều công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín nghiên cứu ứng dụng các vật liệu có cấu trúc nano vào phát hiện dư lượng của thuốc kháng sinh cũng như hóa chất trong thực phẩm [29]. Phần lớn các cảm biến sử dụng vật liệu có cấu trúc nano này đều thuộc vào một trong hai nhóm: Cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi quang hoặc điện hóa với nhiều chủng loại khác nhau như cảm biến nano huỳnh quang; cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) đối với cảm biến quang và cảm biến dòng, cảm biến thế, cảm biến trở kháng EIS đối với cảm biến điện hóa. Dưới đây là bảng tổng hợp một số nghiên cứu công bố gần đây về ứng dụng cảm biến nano trong phát hiện thuốc kháng sinh, hóa chất ở thực phẩm.1: Tóm lược các cảm biến dựa trên vật liệu nano ứng dụng trong phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh và hóa chất Loại cảm biến Chất phân tích/Mẫu Vật liệu nano Dải tuyến tính LOD TLTK Hạt nano Fe3O4/ Chloramphenicol/ Sữa 0,01 – 1 ng mL–1 0,01 ng mL–1 [30] UCNPs Cảm biến Streptomycin/ huỳnh AuNPs 60 – 1060 nM 54,5 nM [31] Sữa và huyết thanh quang Oxytetracycline Graphene ôxit 25 – 1000 μg L–1 25 μg L–1 [32] Chloramphenicol AuNPs 1 – 120 nM 451 pM [33] Cảm biến Doxycycline Hạt nano Fe3O4 50 – 1000 nM 48 nM [34] màu Trimethylamine/ Màng nano TiO2 60 ppb – 10 ppm 60 ppb [35] Thịt lợn Cảm biến Ochratoxin A AuNPs 0,1 – 100 ng mL–1 60 pg mL–1 [36] quang Cảm biến Fluoroquinolone AuNPs - 0,07 μg L–1 [37] SPR Erythromycin MIP 6,8 – 68 μM 0,4 μM [38] Thuốc nhuộm thực phẩm: Malachite Fe3O4@SiO2/Au - 1 μM [39] green, Sunset yellow Cảm biến SERS Ciprofloxacin Đế nano bạc 20 ppb – 20 ppm 20 ppb [40] Sudan III Hạt nano bạc 0,5 – 25 μM 0,5 μM [41] /Chiết suất từ ớt 8 Chloramphenicol CdS QDs/AuNPs /thịt bò, thịt lợn, thịt 50 – 950 pg mL–1 45 pg mL–1 [42] gà Cảm biến Kanamycin/ Nano vàng xốp 0,02 – 14 ng mL–1 6,31 pg mL–1 [43] dòng Thịt lợn Carbofuran/ Fe3O4@Au/CNTs 0,1 – 100 μM 3,8 nM [44] Rau Kanamycin/ AuNPs 0,05 – 9 μM 9,4 nM [45] Sữa Cảm biến Cảm biến Tetracycline Fe3O4 NPs 0,01 pM – 1 μM 0,0038 pM [46] điện hóa trở kháng Graphene–Fe3O4– Penicillin 0,1 – 200 ng mL-1 0,057 ng mL–1 [47] AuNPs Aflatoxin B1/ Au-Fe3O4 NPs 0,5 – 5 ng mL–1 0,07 ng mL–1 [48] ngũ cốc Cảm biến Kanamycin/ MWCNTs 0,5 – 100 ng mL–1 3,7 pg mL–1 [49] điện thế Sữa Chloramphenicol Fe3O4–AuNPs 0,001 – 100 ng mL–1 0,33 pg mL–1 [50] 9 Mặc dù cảm biến dựa trên bộ chuyển đổi quang và điện hóa đều có những ưu nhược điểm riêng nhưng phần lớn các công bố gần đây về cảm biến nano trong kiểm soát thực phẩm đều được định hướng tới cảm biến dựa trên bộ chuyển đổi điện hóa [51]. Đây là loại cảm biến phổ biến nhất và thường xuyên được sử dụng trong các loại cảm biến sinh học ứng dụng trong an toàn thực phẩm bởi những đặc điểm nổi trội của nó như khả năng chế tạo thuận tiện, đơn giản và nhanh chóng, với chi phí thấp, độ chính xác cao, khả năng đáp ứng nhanh mà không qua tiền xử lý mẫu, có thể hoạt động tại mọi vị trí phân tích với các thiết bị hiển thị trực quan [52].
Việc phân loại cảm biến điện hóa thành: cảm biến dòng (Amperometric), cảm biến điện thế (Voltammetric), cảm biến trở kháng (Impedimetric)… được dựa trên các nguyên lý chuyển đổi điện hóa [29]. Các nguyên lý này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy của hệ cảm biến này. Bên cạch đó, độ nhạy của cảm biến điện hóa được tăng cường dựa trên sự thay đổi hóa học hoặc điện hóa. Trong đó chủ yếu là bề mặt điện cực có thể được biến đổi nhằm tăng cường các đặc tính điện hóa của chúng.
Trong bối cảnh đó, nhiều vật liệu có cấu trúc nano đã được nghiên cứu sử dụng nhằm tăng cường các đặc tính của cảm biến điện hóa để phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh, hóa chất độc hại trong thực phẩm. Furazolidone (FZD) là một loại thuốc kháng sinh phổ rộng tổng hợp chứa nhóm nitơ. Đây là một loại thuốc hóa trị hiệu quả cao được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm qua như là một phụ gia thức ăn kháng sinh, kháng khuẩn cho cá, gia súc, gia cầm [53]. Những năm gần đây, kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra FZD là một chất có đặc tính gây đột biến gen, độc tính và có khả năng gây ung thư [54].
Bởi vậy, FZD đã bị nhiều quốc gia liệt vào danh sách cấm sử dụng từ năm 1995 [54]. Tuy nhiên, FZD vẫn được sử dụng với quy mô lớn trên toàn thế giới, đặc biệt ở các nước đang phát triển bởi chi phí sản xuất thấp và hiệu quả kinh tế cao. Bởi vậy, việc xác định và phát hiện tồn dư FZD là rất quan trọng. Các vật liệu nano có cấu trúc 2D như CNTs, Graphene và GO được nghiên cứu trong phát triển các hệ cảm biến điện hóa nhằm xác định FZD ở nồng độ thấp với độ nhạy cao và nhanh chóng.
Fotouhi và các đồng nghiệp đã phát triển thành công hệ cảm biến điện hóa phát hiện FZD trên cơ sở điện cực phủ MWCNTs [55]. Cảm biến FZD này có giới hạn phát hiện là 2,3 ng mL–1, trong khoảng hoạt động tuyến tính 3 – 800 ng mL–1. Trong một nghiên cứu khác, Shahrokhian đã nghiên cứu các hệ cảm biến điện hóa phát hiện FZD 10 trên cơ sở các cấu trúc nano carbon như CNTs, GO, rGO và hỗn hợp CNT/GO [56]. Kết quả nghiên cứu của họ chỉ ra cảm biến FZD trên cơ sở rGO cho giới hạn phát hiện thấp nhất (0,3 nM) so với các vật liệu còn lại, tương ứng với khoảng tuyến tính là 0,001 – 2 μM và 2 – 10 μM.
Để nâng cao hiệu suất tổng hợp của các hệ cảm biến điện hóa, các hệ vật liệu nano lai giữa cấu trúc 2D (graphene, GO, CNTs) với các hạt nano kim loại, oxit kim loại đã được đề xuất. Trong một công bố vào năm 2015, Ensafi và các cộng sự đã phát triển hệ cảm biến điện hóa FZD trên cơ sở vật liệu lai TiO2/GO [56]. Cảm biến có khả năng phát hiện FZD ở nồng độ thấp tới 0,43 pM, trong khoảng tuyến tính là 1 – 150 pM. Kết quả thử nghiệm trên các mẫu thực (huyết tương, nước tiểu) cho khả năng thu hồi là 98% đối với các nồng độ FZD trong mẫu thực thấp 10 pM.
Trong một nghiên cứu mới đây, He và các cộng sự [25] đã nghiên cứu vật liệu lai Au/Graphene cho các ứng dụng trong cảm biến điện hóa phát hiện FZD (Hình 1.1) với cả hai phương pháp cảm biến dòng và cảm biến.1:Cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano Au/Graphene nhằm phát hiện FZD [25] 11 Bảng 1.2: Tóm lược các cảm biến điện hóa dựa trên vật liệu có cấu trúc nano ứng dụng trong phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh FZD trong thực phẩm. Điện cực Phương pháp Dải tuyến tính LOD TLTK MWCNTs Voltammetric 3 – 800 ng mL-1 2,3 ng mL-1 [55] TiO2-rGO Voltammetric 1 – 150 pM 0,43 pM [57] 0,001 – 2 μM RGO Voltammetric 0,3 nM [56] 2 – 10 μM Au-Graphene Amperometric 1 – 674 ng mL-1 0,64 ng mL-1 [25] 0,02 – 0,14 ng mL-1 Au-Graphene Voltammetric 0,012 ng mL-1 [25] 0,14 – 400 ng mL-1 1. Thực trạng sử dụng kháng sinh/hóa chất trong thực phẩm ở Việt Nam 1. Đặt vấn đề Ở Việt Nam, tình trạng sử dụng thuốc kháng sinh, chất cấm trong chăn nuôi ở các trang trại, khu chăn nuôi đang ở mức báo động.
Ngoài việc sử dụng thuốc kháng sinh cho mục đích phòng và chữa bệnh, các loại thuốc kháng sinh, chất cấm còn được sử dụng với mục đích kích thích sinh trưởng, tăng trọng một cách không kiểm soát, không tuân thủ các quy định về an toàn thực phẩm. Theo số liệu khảo sát của các cơ quan chức năng, mức độ tồn dư kháng sinh, chất cấm trong các sản phẩm thịt gia súc, thủy sản đều vượt mức cho phép hàng chục, hàng trăm lần thậm chí hàng nghìn lần. Thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn trong hai năm 2015 – 2016, Việt Nam có đến 32 000 tấn thủy sản khi xuất khẩu ra nước ngoài bị trả về do dư lượng kháng sinh vượt mức cho phép.