NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU NANO LAI HÓA KẼM SPINEL OXIT – KẼM OXIT (ZnFe2O4/ZnO) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN HIỆU QUẢ DƯ LƯỢNG THUỐC KHÁNG SINH FURAZOLIDONE TRONG MẪU THỰC PHẨM (THỊT LỢN, TÔM)

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: Gs. Lê Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển vật liệu nano lai hóa kẽm spinel oxit – kẽm oxit (ZnFe2O4/ZnO) định hướng ứng dụng trong phát hiện hiệu quả dư lượng thuốc kháng sinh Furazolidone trong mẫu thực phẩm (thịt lợn, tôm)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về cảm biến điện hóa phát hiện dư lượng một số thuốc, hóa chất trong thực phẩm
• 1.2. Thực trạng sử dụng kháng sinh/hóa chất trong thực phẩm ở Việt Nam
• 1.3. Các nghiên cứu chế tạo cảm biến điện hóa trong phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh, hóa chất độc hại ở Việt Nam
• 1.4. Đánh giá chung
• 1.5. Tổng quan về vật liệu nano lai hóa kẽm spinel ferrit và kẽm oxit
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP, KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu
• 2.2. Phương pháp phân tích điện hóa
• 2.3. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn
• 2.4. Phương pháp quét thế xung vi phân
• 2.5. Phương pháp phổ tổng trở EIS
• 2.6. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.7. Quy trình chế tạo vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO
• 2.8. Thiết kê mô hình cảm biến nano điện hóa. Quy trình chế tạo cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO
• 2.9. Quy trình đo và điều kiện các phép đo của cảm biến điện hóa
• 2.10. Quy trình xử lý mẫu thực phẩm (thịt lợn, tôm)
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tổng hợp vật liệu nano lai hóa ZnO/ZnFe2O4
• 3.2. Phân tích cấu trúc ZnO/ZFO bằng giản đồ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Cơ chế hình thành vật liệu nano ZnO/ZFO
• 3.4. Phổ Raman của vật liệu nano ZnO/ZFO
• 3.5. Hình thái của vật liệu nano ZnO/ZFO
• 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ của vật liệu nano ZnO/ZFO
• 3.7. Tính chất điện hóa của điện cực trần và điện cực biến tính vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO
• 3.8. Phổ quét thế vòng tuần hoàn CV trong đầu dò [Fe(CN)6]3−/4−
• 3.9. Phổ tổng trở EIS
• 3.10. Cảm biến điện hóa phát hiện thuốc kháng sinh Furazolidone biến tính vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO
• 3.11. Phổ quét thế vòng tuần hoàn CV trong thuốc kháng sinh FZD
• 3.12. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến tín hiệu điện hóa
• 3.13. Cảm biến điện hóa phát hiện FZD biến tính vật liệu nano lai hóa ZnO/ZFO
• 3.14. Độ chọn lọc, độ lặp lại, độ ổn định và tính ứng dụng của cảm biến
• 3.15. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên Cứu Vật Liệu Nano ZnFe2O4 ZnO Tổng Quan Quan Trọng 55 Ký Tự

Hiện nay, furazolidone (FZD) là một loại thuốc kháng sinh có phổ kháng khuẩn rộng, được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản. Việc lạm dụng FZD có thể dẫn đến tình trạng dư lượng kháng sinh nghiêm trọng và gây ô nhiễm môi trường. Dư lượng này trong các sản phẩm thực phẩm có thể tích lũy sinh học, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. Các tác dụng phụ của FZD bao gồm đột biến, ung thư, kháng vi khuẩn và suy gan, suy thận. Do đó, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Liên minh Châu Âu (EU) đã cấm sử dụng FZD trong sản xuất thực phẩm từ động vật. Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Thuốc Hoa Kỳ (FDA) cũng đã thiết lập hình thức “không khoan nhượng’ đối với dư lượng FZD trong các sản phẩm từ động vật [7].

1.1. Tình Hình Sử Dụng Kháng Sinh và Furazolidone Hiện Nay

Mặc dù bị cấm, FZD vẫn được sử dụng bất hợp pháp làm hoóc môn tăng trưởng do giá trị kinh tế cao. Theo Hệ thống cảnh báo nhanh về thực phẩm và thức ăn (RASFF), có tới 74 cảnh báo liên quan đến dư lượng nitrofuran (FZD là một dẫn xuất) từ năm 1993 đến năm 2013 [8]. Để giảm thiểu rủi ro, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp phân tích đơn giản, có độ chọn lọc cao để phát hiện nhanh dư lượng FZD trong thực phẩm là rất quan trọng. Liên minh Châu Âu (EU) ban hành giới hạn phát hiện (LOD) tối thiểu để phát hiện FZD trong thực phẩm có nguồn gốc từ động vật là 1 µg kg-1 [9].

1.2. Vai Trò Của Cảm Biến Điện Hóa Trong An Toàn Thực Phẩm

Trước nhu cầu phân tích chất lượng và an toàn thực phẩm nhanh chóng, chính xác, nhiều kỹ thuật phân tích mới đã được thiết kế để phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh. Trong số đó, cảm biến điện hóa thu hút sự chú ý nhờ độ đặc hiệu, độ nhạy cao, chi phí thấp, dễ vận hành và độ ổn định tốt [10], [11]. Với sự phát triển của công nghệ nano, việc thiết kế các cảm biến điện hóa tiên tiến dựa trên các điện cực biến tính bằng vật liệu nano đã thu hút sự chú ý [12], [13]. Việc tích hợp các vật liệu nano chức năng đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện hóa [14], [15].

II. Thách Thức Phát Hiện Furazolidone Cần Giải Pháp Mới 58 Ký Tự

Để phát hiện Furazolidone một cách hiệu quả và đáng tin cậy, các nhà nghiên cứu cần phải vượt qua nhiều thách thức. Việc tìm kiếm một phương pháp phát hiện đơn giản, nhanh chóng và chi phí thấp vẫn là một ưu tiên hàng đầu. Các phương pháp truyền thống thường đòi hỏi thiết bị phức tạp và quy trình xử lý mẫu tốn thời gian. Hơn nữa, độ nhạy và độ chọn lọc của các phương pháp hiện tại đôi khi không đáp ứng được yêu cầu, đặc biệt là khi nồng độ Furazolidone trong mẫu thực phẩm rất thấp. Cần phải phát triển các vật liệu và công nghệ mới có khả năng tăng cường tín hiệu phát hiện và giảm thiểu ảnh hưởng của các chất gây nhiễu trong mẫu.

2.1. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Phát Hiện Furazolidone Truyền Thống

Các phương pháp truyền thống như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký khí khối phổ (GC-MS) có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền và nhân lực có trình độ chuyên môn. Thời gian phân tích cũng kéo dài, không phù hợp cho việc kiểm tra nhanh chóng tại hiện trường. Ngoài ra, việc chuẩn bị mẫu phức tạp và sử dụng các dung môi độc hại cũng là những hạn chế của các phương pháp này.

2.2. Yêu Cầu Về Độ Nhạy và Độ Chọn Lọc Trong Phát Hiện Furazolidone

Do tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, việc phát hiện Furazolidone cần đạt độ nhạy cao, có thể phát hiện nồng độ rất thấp (dưới mức cho phép của các tổ chức quốc tế). Đồng thời, phương pháp phải có độ chọn lọc cao, chỉ phát hiện Furazolidone mà không bị ảnh hưởng bởi các chất khác có trong mẫu thực phẩm. Điều này đòi hỏi các vật liệu và kỹ thuật cảm biến tiên tiến.

III. Vật Liệu Nano Lai Hóa ZnFe2O4 ZnO Phương Pháp Tiềm Năng 59 Ký Tự

Trong số các vật liệu nano, cấu trúc nano oxit spinel là ứng cử viên thích hợp cho việc thiết kế cảm biến điện hóa do tính ổn định hóa học, dễ chế tạo, kích thước có thể kiểm soát, tính chất xúc tác tốt và động học chuyển điện tử thuận lợi [16], [17]. Đặc biệt hơn, những tiến bộ đáng kể trong việc thiết kế các cấu trúc nano spinel chức năng đã mở ra những khả năng mới cho sự phát triển của các cảm biến điện hóa [18]. Kẽm spinel ferrit ZnFe2O4 (ZFO), một trong những cấu trúc spinel lập phương với ion Zn ở vị trí tứ diện và ion Fe ở vị trí bát diện, đã được nghiên cứu rộng rãi ứng dụng trong cảm biến nano điện hóa [19]. Dựa trên vật liệu nano ZnFe2O4, các nền tảng cảm biến nano điện hóa đã được phát triển để phát hiện các chất phân tích khác nhau [20], [21], [22], [23].

3.1. Ưu Điểm Của Vật Liệu Nano Spinel ZnFe2O4 Trong Cảm Biến

Vật liệu nano Spinel ZnFe2O4 (ZFO) sở hữu những ưu điểm vượt trội trong ứng dụng cảm biến điện hóa, bao gồm: tính ổn định hóa học cao, quy trình chế tạo đơn giản, khả năng kiểm soát kích thước và hình thái, hoạt tính xúc tác tốt và động học chuyển điện tích hiệu quả. Những đặc tính này giúp ZFO trở thành nền tảng lý tưởng để phát triển các cảm biến điện hóa có độ nhạy và độ ổn định cao.

3.2. Vai Trò Của Lai Hóa Vật Liệu Nano Trong Nâng Cao Hiệu Suất

Vật liệu nanocompozit hoặc vật liệu nano lai hóa (nanohybrid) không chỉ kết hợp các ưu điểm của các thành phần đơn lẻ mà còn tạo ra các tính chất hóa lý mới để tăng cường phẩm chất của cảm biến nano điện hóa [24]. Trong các nghiên cứu trước đây, nhiều cảm biến điện hóa đã được phát triển để phát hiện thuốc kháng sinh FZD sử dụng vật liệu nanocompozit/nano lai hóa. He và các cộng sự [25] đã phát triển một cảm biến mới sử dụng điện cực carbon thủy tinh (Glassy Carbon Electrode – GCE) được biến tính bằng graphene và hạt nano vàng (AuNPs) để khảo sát hiệu suất phát hiện điện hóa FZD.

IV. Tổng Hợp và Đặc Tính Vật Liệu Nano ZnFe2O4 ZnO 53 Ký Tự

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo các hệ vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO có cấu trúc dị thể, với tỉ lệ giữa hai loại vật liệu nano ZFO và ZnO khác nhau. Các mẫu được xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau để tạo ra các cấu trúc dị thể ZFO/ZnO khác nhau, từ đó ứng dụng vào cảm biến nano điện hóa. Mục tiêu là giải thích cơ chế hình thành hệ vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO và khảo sát tính chất điện hóa của cảm biến nano điện hóa biến tính bằng hệ vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO sử dụng đầu dò oxy hóa khử kali ferricyanide/kali ferrocyanide ([K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6]).

4.1. Quy Trình Chế Tạo Vật Liệu Nano Lai Hóa ZnFe2O4 ZnO

Quy trình chế tạo vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO bao gồm phương pháp thủy nhiệt và xử lý nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tạo ra các hạt nano ban đầu, sau đó xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau để điều chỉnh cấu trúc và tính chất của vật liệu. Quá trình này cho phép kiểm soát tỉ lệ pha và sự phân bố của ZnFe2O4 và ZnO trong vật liệu lai hóa.

4.2. Các Phương Pháp Đặc Trưng Hóa Vật Liệu Nano

Để khảo sát vi cấu trúc, hình thái và tính chất bề mặt của vật liệu, các phương pháp như hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ Raman, và phương pháp đo diện tích bề mặt riêng Brunauer–Emmett–Teller (BET) đã được sử dụng. Các phép đo này được thực hiện tại các phòng thí nghiệm uy tín để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả.

V. Ứng Dụng Cảm Biến ZnFe2O4 ZnO Phát Hiện Furazolidone 57 Ký Tự

Nghiên cứu đánh giá khả năng phát hiện thuốc kháng sinh FZD của các cảm biến nano điện hóa biến tính vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO. Cơ chế phát hiện điện hóa được giải thích, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như độ kết tinh, tỷ lệ thành phần pha, sự hình thành tiếp xúc dị thể trong hệ vật liệu ZFO/ZnO đến hiệu suất phát hiện FZD. Khả năng ứng dụng của nền tảng cảm biến đã được nghiên cứu phát triển trong các mẫu thực phẩm như thịt lợn và mẫu tôm.

5.1. Đánh Giá Khả Năng Phát Hiện Furazolidone Của Cảm Biến

Khả năng phát hiện thuốc kháng sinh FZD của các cảm biến nano điện hóa biến tính vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO được đánh giá thông qua các phép đo điện hóa như quét thế vòng tuần hoàn (CV) và quét thế xung vi phân (DPV). Các thông số như độ nhạy, giới hạn phát hiện và dải tuyến tính được xác định để đánh giá hiệu suất của cảm biến.

5.2. Thử Nghiệm Trên Mẫu Thực Tế Thịt Lợn và Tôm

Khả năng ứng dụng của nền tảng cảm biến trong thực tế được kiểm chứng bằng cách thử nghiệm trên các mẫu thực phẩm như thịt lợn và tôm. Các mẫu này được chuẩn bị theo quy trình tiêu chuẩn và đo bằng cảm biến nano điện hóa để xác định nồng độ FZD có trong mẫu. Kết quả thu được so sánh với các phương pháp phân tích truyền thống để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến.

VI. Vật Liệu Nano ZnFe2O4 ZnO Triển Vọng và Nghiên Cứu Tiếp Theo 59 Ký Tự

Các công bố gần đây đã cho thấy các hệ vật liệu nano lai hóa đã được chú ý quan tâm ứng dụng trong cảm biến nano điện hóa phát hiện thuốc kháng sinh FZD. Tuy vậy, tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano lai hóa trên cơ sở vật liệu kẽm spinel ferrit vẫn còn rất lớn và đòi hỏi các nghiên cứu cần làm rõ hơn để hiểu cũng như đánh giá được tính ứng dụng của loại vật liệu này vào cảm biến nano điện hóa. Do đó, cần tập trung vào nghiên cứu và phát triển các vật liệu nano lai hóa mới để nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của cảm biến điện hóa.

6.1. Hướng Phát Triển Vật Liệu Nano Lai Hóa Trong Tương Lai

Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO để đạt được hiệu suất phát hiện FZD cao nhất. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc phát triển các quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường để có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

6.2. Nghiên Cứu Mở Rộng Phát Hiện Các Chất Kháng Sinh Khác

Nghiên cứu mở rộng có thể tập trung vào việc phát triển cảm biến nano điện hóa dựa trên vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO để phát hiện các chất kháng sinh khác trong thực phẩm. Điều này sẽ góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn thực phẩm.

Tổng quan nghiên cứu

Furazolidone (FZD) là một loại thuốc kháng sinh phổ rộng được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi gia súc, gia cầm và nuôi trồng thủy sản nhằm phòng trị bệnh và kích thích tăng trưởng. Tuy nhiên, việc lạm dụng FZD dẫn đến tồn dư kháng sinh trong thực phẩm như thịt lợn, tôm, gây nguy cơ nghiêm trọng cho sức khỏe con người như đột biến gen, ung thư, kháng thuốc và suy gan thận. Theo báo cáo của các tổ chức y tế quốc tế như WHO và EU, FZD bị cấm sử dụng trong sản xuất thực phẩm có nguồn gốc động vật do tính độc hại và không có giới hạn dư lượng tối đa cho phép (MRL). Tại Việt Nam, tình trạng sử dụng kháng sinh, trong đó có FZD, trong chăn nuôi vẫn còn phổ biến và không kiểm soát, dẫn đến dư lượng vượt mức cho phép trong nhiều mẫu thực phẩm.

Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO (ZFO/ZnO) để ứng dụng trong cảm biến điện hóa phát hiện dư lượng FZD trong mẫu thực phẩm thịt lợn và tôm. Nghiên cứu tập trung vào chế tạo vật liệu nano lai hóa với các tỷ lệ pha và điều kiện xử lý nhiệt khác nhau, khảo sát tính chất hóa lý và điện hóa của vật liệu, đồng thời đánh giá hiệu suất phát hiện FZD trong mẫu thực phẩm thực tế. Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo vật liệu nano, xây dựng cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano, và thử nghiệm phát hiện FZD trong mẫu thực phẩm mua tại siêu thị địa phương.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp nền tảng vật liệu mới có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ ổn định và khả năng tái sử dụng tốt cho cảm biến điện hóa phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh, góp phần nâng cao an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về vật liệu nano spinel oxit và cảm biến điện hóa. Vật liệu ZnFe2O4 (ZFO) thuộc nhóm spinel ferrit có cấu trúc tinh thể lập phương với ion Zn2+ ở vị trí tứ diện và Fe3+ ở vị trí bát diện, mang tính chất bán dẫn loại p với vùng cấm hẹp (~1.9 eV). Vật liệu ZnO là bán dẫn loại n với cấu trúc lục giác wurtzite. Sự lai hóa ZFO và ZnO tạo thành cấu trúc dị thể loại II, hình thành điện trường nội tại thúc đẩy sự chuyển động của electron từ vùng dẫn của ZFO sang ZnO, tăng cường động học truyền điện tích trong phản ứng điện hóa. Các khái niệm chính bao gồm:

• Cấu trúc spinel oxit: AB2O4 với A, B là các cation kim loại, ảnh hưởng đến tính chất điện tử và xúc tác.
• Cấu trúc dị thể loại II: Sự phân bố năng lượng vùng dẫn và hóa trị giữa hai bán dẫn khác loại tạo điện trường nội tại.
• Phương pháp điện hóa: Quét thế vòng tuần hoàn (CV), quét thế xung vi phân (DPV), phổ tổng trở điện hóa (EIS) dùng để khảo sát tính chất điện hóa và hiệu suất cảm biến.
• Hiệu ứng kích thước nano và diện tích bề mặt: Vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác điện hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với các bước chính:

• Chế tạo vật liệu nano lai hóa ZFO/ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp ủ nhiệt, điều chỉnh tỷ lệ pha và nhiệt độ xử lý để tạo các mẫu vật liệu khác nhau.
• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ Raman để khảo sát dao động mạng tinh thể, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để quan sát hình thái, và phương pháp Brunauer–Emmett–Teller (BET) để đo diện tích bề mặt riêng.
• Chế tạo cảm biến điện hóa: Biến tính điện cực in lưới các-bon (SPE) bằng phương pháp nhỏ phủ vật liệu nano ZFO/ZnO.
• Phân tích điện hóa: Đo quét thế vòng tuần hoàn (CV), quét thế xung vi phân (DPV) và phổ tổng trở điện hóa (EIS) trên hệ thống PalmSens 4 để đánh giá tính chất điện hóa và hiệu suất phát hiện FZD.
• Xử lý mẫu thực phẩm: Mẫu thịt lợn và tôm được xay nhuyễn, trộn với dung dịch đệm PBS, rung siêu âm, ly tâm và lọc để thu dung dịch phân tích, sau đó bổ sung FZD với các nồng độ khác nhau để thử nghiệm cảm biến.
• Cỡ mẫu và timeline: Ba mẫu vật liệu nano được chế tạo với các điều kiện nhiệt độ và ủ nhiệt khác nhau; các phép đo điện hóa được thực hiện nhiều lần để đảm bảo độ lặp lại và ổn định; nghiên cứu hoàn thành trong khoảng thời gian phù hợp với tiến độ luận văn thạc sĩ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc và thành phần pha vật liệu nano ZFO/ZnO: Ba mẫu ZnO/ZFO-1, ZnO/ZFO-2 và ZnO/ZFO-3 được chế tạo với các điều kiện khác nhau. Mẫu ZnO/ZFO-1 không xử lý ủ nhiệt có cấu trúc vô định hình, trong khi ZnO/ZFO-2 và ZnO/ZFO-3 được xử lý ủ nhiệt ở 500 °C có cấu trúc tinh thể rõ ràng với pha chính là ZFO (chiếm 88,4% và 92,3% khối lượng tương ứng) và pha phụ ZnO (11,6% và 7,7%). Kích thước tinh thể ZnO giảm từ 37,6 nm (ZnO/ZFO-2) xuống 16,8 nm (ZnO/ZFO-3), kích thước tinh thể ZFO giảm nhẹ từ 17 nm xuống 15 nm.

2. Tính chất điện hóa của cảm biến biến tính vật liệu nano ZFO/ZnO: Phổ quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phổ tổng trở điện hóa (EIS) cho thấy điện cực biến tính có khả năng truyền điện tích tốt hơn so với điện cực trần. Cường độ dòng điện cực đại tăng lên đến 2-3 lần trên điện cực biến tính, điện trở truyền điện tích (Rct) giảm đáng kể, chứng tỏ sự cải thiện về động học truyền điện tích.

3. Hiệu suất phát hiện FZD: Cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano ZFO/ZnO có giới hạn phát hiện (LOD) thấp đến khoảng 0,5 µM, với dải tuyến tính rộng từ 1 đến 100 µM. Độ chọn lọc cao, không bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu phổ biến trong mẫu thực phẩm. Độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến đạt RSD dưới 5% sau nhiều lần đo.

4. Ứng dụng thực tế trong mẫu thịt lợn và tôm: Cảm biến phát hiện được dư lượng FZD trong các mẫu thực phẩm mua tại siêu thị với độ chính xác cao, kết quả thu hồi đạt trên 95%, phù hợp với các phương pháp chuẩn hiện hành. Thời gian phân tích nhanh, dưới 30 phút cho một mẫu.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về độ kết tinh và tỷ lệ pha giữa các mẫu vật liệu nano ZFO/ZnO ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất cảm biến. Mẫu ZnO/ZFO-2 với độ kết tinh cao hơn và tỷ lệ ZnO lớn hơn cho hiệu suất phát hiện FZD tốt hơn so với ZnO/ZFO-3. Điều này được giải thích bởi điện trường nội tại mạnh hơn trong cấu trúc dị thể loại II, thúc đẩy sự chuyển điện tử nhanh chóng và tăng cường tín hiệu điện hóa.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng vật liệu nano khác như Au/Graphene hay TiO2/GO, vật liệu ZFO/ZnO cho thấy khả năng phát hiện FZD tương đương hoặc vượt trội với chi phí chế tạo thấp hơn và quy trình đơn giản hơn. Các biểu đồ CV và EIS minh họa rõ sự cải thiện về dòng điện cực đại và giảm điện trở truyền điện tích trên điện cực biến tính, thể hiện qua giản đồ Nyquist với bán kính vòng cung nhỏ hơn.

Việc áp dụng cảm biến vào mẫu thực phẩm thực tế chứng minh tính khả thi và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát an toàn thực phẩm, góp phần giảm thiểu rủi ro sức khỏe do tồn dư kháng sinh FZD.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ pha và điều kiện xử lý nhiệt để nâng cao độ nhạy và độ ổn định của vật liệu nano ZFO/ZnO, nhằm cải thiện hiệu suất cảm biến phát hiện FZD trong các mẫu thực phẩm đa dạng hơn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Phát triển thiết bị cảm biến điện hóa cầm tay tích hợp vật liệu nano ZFO/ZnO để ứng dụng trực tiếp tại hiện trường, giúp kiểm tra nhanh dư lượng FZD trong thực phẩm tươi sống và thủy sản. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ cảm biến và đối tác công nghiệp.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cảm biến cho các loại thuốc kháng sinh khác và mẫu thực phẩm đa dạng như sữa, trứng, hải sản nhằm tăng phạm vi kiểm soát an toàn thực phẩm. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu hóa phân tích.

4. Xây dựng quy trình chuẩn và đào tạo kỹ thuật viên sử dụng cảm biến điện hóa trong các cơ quan quản lý chất lượng thực phẩm và doanh nghiệp chế biến thực phẩm để nâng cao năng lực giám sát dư lượng kháng sinh. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học vật liệu, hóa phân tích: Nghiên cứu về vật liệu nano lai hóa và ứng dụng cảm biến điện hóa trong phát hiện dư lượng thuốc kháng sinh.

2. Chuyên gia kiểm soát chất lượng thực phẩm và an toàn vệ sinh thực phẩm: Áp dụng công nghệ cảm biến điện hóa để giám sát nhanh dư lượng kháng sinh trong thực phẩm tươi sống và chế biến.

3. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm: Nâng cao năng lực kiểm tra chất lượng nguyên liệu đầu vào và sản phẩm cuối cùng nhằm đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn thực phẩm và y tế công cộng: Xây dựng chính sách, quy định và triển khai các chương trình giám sát dư lượng thuốc kháng sinh dựa trên công nghệ cảm biến hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano ZFO/ZnO có ưu điểm gì so với các cảm biến khác?
   Cảm biến này có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp khoảng 0,5 µM, chi phí chế tạo thấp và quy trình đơn giản. Vật liệu nano lai hóa tạo cấu trúc dị thể giúp tăng cường truyền điện tích, cải thiện tín hiệu điện hóa so với vật liệu đơn lẻ.

2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZFO/ZnO được thực hiện như thế nào?
   Sử dụng phương pháp thủy nhiệt kết hợp ủ nhiệt, điều chỉnh tỷ lệ pha và nhiệt độ để tạo vật liệu với cấu trúc tinh thể và kích thước hạt phù hợp, đảm bảo tính chất điện hóa tối ưu cho cảm biến.

3. Giới hạn phát hiện (LOD) của cảm biến đối với Furazolidone là bao nhiêu?
   Giới hạn phát hiện của cảm biến đạt khoảng 0,5 µM, phù hợp với yêu cầu phát hiện dư lượng FZD trong thực phẩm theo các tiêu chuẩn an toàn hiện hành.

4. Cảm biến có thể ứng dụng trong những loại mẫu thực phẩm nào?
   Nghiên cứu đã thử nghiệm thành công trên mẫu thịt lợn và tôm mua tại siêu thị, có thể mở rộng ứng dụng cho các loại thực phẩm khác như sữa, trứng, hải sản.

5. Độ ổn định và khả năng tái sử dụng của cảm biến như thế nào?
   Cảm biến có độ ổn định cao với sai số chuẩn tương đối (RSD) dưới 5% sau nhiều lần đo, có khả năng tái sử dụng trong khoảng thời gian phù hợp nếu bảo quản đúng cách.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công vật liệu nano lai hóa ZnFe2O4/ZnO với cấu trúc dị thể, kiểm soát được tỷ lệ pha và độ kết tinh qua điều kiện xử lý nhiệt.
• Cảm biến điện hóa biến tính vật liệu nano ZFO/ZnO có hiệu suất phát hiện Furazolidone cao, giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc và độ ổn định tốt.
• Ứng dụng cảm biến trong mẫu thực phẩm thịt lợn và tôm cho kết quả chính xác, nhanh chóng, phù hợp với yêu cầu kiểm soát an toàn thực phẩm.
• Nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về mối quan hệ cấu trúc – tính chất – hiệu suất của vật liệu nano lai hóa trong cảm biến điện hóa.
• Đề xuất phát triển thiết bị cảm biến cầm tay và mở rộng ứng dụng cho các loại thuốc kháng sinh khác nhằm nâng cao hiệu quả giám sát dư lượng kháng sinh trong thực phẩm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ cảm biến điện hóa dựa trên vật liệu nano lai hóa để ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát an toàn thực phẩm, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.