Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại, việc sử dụng thuốc trừ sâu ngày càng phổ biến nhằm tăng năng suất và bảo vệ cây trồng khỏi sâu bệnh. Theo báo cáo của ngành, lượng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) sử dụng toàn cầu đã lên tới khoảng 2,56 tỷ kg mỗi năm, với tốc độ tăng trưởng khoảng 12% trong những thập kỷ gần đây. Acetamiprid, một loại thuốc trừ sâu thuộc nhóm neonicotinoid, được sử dụng rộng rãi để kiểm soát côn trùng trên nhiều loại cây trồng như rau, quả và hoa. Tuy nhiên, dư lượng acetamiprid tồn dư trong nông sản có thể gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, như ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, gây chóng mặt, co giật và thậm chí hôn mê. Do đó, việc phát triển các phương pháp xác định nhanh, nhạy và chính xác hàm lượng acetamiprid trong mẫu thực phẩm là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn thực phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là điều chế dung dịch hạt nano vàng (AuNPs) và ứng dụng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis sử dụng hạt nano vàng để xác định hàm lượng acetamiprid trong các mẫu thuốc trừ sâu. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2018-2019. Phương pháp này được kỳ vọng mang lại độ nhạy cao, quy trình đơn giản, chi phí thấp và không yêu cầu xử lý mẫu phức tạp như các phương pháp sắc ký hay điện hóa truyền thống. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát dư lượng thuốc trừ sâu, góp phần nâng cao chất lượng nông sản 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: hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) của hạt nano vàng và định luật hấp thụ ánh sáng của Bouguer-Lambert-Beer trong quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis. SPR là hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron tự do trên bề mặt hạt nano khi tương tác với ánh sáng, dẫn đến sự thay đổi màu sắc và phổ hấp thụ đặc trưng của dung dịch nano vàng. Khi acetamiprid hấp phụ lên bề mặt hạt nano vàng, điện tích bề mặt thay đổi làm các hạt nano kết tụ, gây biến đổi phổ hấp thụ UV-Vis, đặc biệt là sự xuất hiện đỉnh hấp thụ thứ hai ở bước sóng khoảng 690 nm bên cạnh đỉnh chính ở 520 nm. Tỷ lệ hấp thụ tại hai bước sóng này (A690/A520) tỷ lệ thuận với nồng độ acetamiprid, tạo cơ sở định lượng.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm:

  • Hạt nano vàng (AuNPs): các hạt vàng có kích thước từ 10-20 nm, có tính chất quang học đặc biệt nhờ SPR.
  • Độ hấp thụ quang (Absorbance): đại lượng đo cường độ ánh sáng bị hấp thụ bởi dung dịch, tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích theo định luật Bouguer-Lambert-Beer.
  • Thế zeta (Zeta potential): điện thế bề mặt của hạt nano, phản ánh tính ổn định của dung dịch keo, ảnh hưởng đến khả năng kết tụ của hạt nano khi có acetamiprid.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu thuốc trừ sâu chứa acetamiprid thu thập tại các tỉnh Hà Nội và Thái Nguyên. Dung dịch hạt nano vàng được điều chế theo phương pháp Turkevich, sử dụng natri citrate làm chất khử và chất ổn định. Các đặc trưng của dung dịch nano vàng được xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái hạt, phổ hấp thụ UV-Vis để xác định bước sóng hấp thụ cực đại và thiết bị đo thế zeta để đánh giá tính ổn định của dung dịch.

Phương pháp phân tích sử dụng phổ hấp thụ phân tử UV-Vis đo tỷ lệ hấp thụ A690/A520 sau khi trộn dung dịch nano vàng với mẫu chứa acetamiprid. Các yếu tố ảnh hưởng như nồng độ muối NaCl, pH, thời gian phản ứng, nồng độ dung dịch nano vàng và nồng độ acetamiprid được khảo sát để tối ưu điều kiện phân tích. Cỡ mẫu gồm 15 bình định mức với các nồng độ acetamiprid khác nhau, thực hiện lặp lại 6 lần để đánh giá độ lặp lại và độ chính xác của phương pháp. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2018-2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều chế dung dịch nano vàng tối ưu:
    Nồng độ natri citrate 38,8 mM và nồng độ HAuCl4 8,55 mM cho dung dịch nano vàng có màu đỏ tươi đặc trưng, phổ hấp thụ UV-Vis có đỉnh cực đại tại 520 nm, kích thước hạt nano khoảng 15-20 nm theo ảnh TEM. Thế zeta đo được là khoảng -40 mV, cho thấy dung dịch có tính ổn định tốt.

  2. Ảnh hưởng của acetamiprid đến phổ hấp thụ:
    Khi thêm acetamiprid vào dung dịch nano vàng, xuất hiện đỉnh hấp thụ thứ hai tại 690 nm do hiện tượng kết tụ hạt nano. Tỷ lệ A690/A520 tăng theo nồng độ acetamiprid từ 5×10⁻⁶ đến 5×10⁻⁴ M, tạo thành đường chuẩn tuyến tính với hệ số tương quan R² > 0,995.

  3. Tối ưu điều kiện phân tích:

    • Nồng độ muối NaCl 0,012 M (120 µL dung dịch 1M trong 10 mL) và pH = 5 là điều kiện tối ưu để tăng độ nhạy và ổn định tín hiệu.
    • Thời gian phản ứng 10 phút đủ để đạt tín hiệu ổn định.
    • Độ lặp lại của phương pháp có RSD < 3%, sai số trung bình dưới 5%, giới hạn phát hiện (LOD) khoảng 1,5×10⁻⁶ M và giới hạn định lượng (LOQ) khoảng 5×10⁻⁶ M.

  4. Ứng dụng thực tế:
    Phương pháp được áp dụng để xác định hàm lượng acetamiprid trong ba mẫu thuốc trừ sâu Atylo, Mopride và Goldra. Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng acetamiprid lần lượt là 111,3 ppm, 112,5 ppm và 110,8 ppm, phù hợp với nhãn mác và có độ chính xác cao so với phương pháp chuẩn.

Thảo luận kết quả

Sự thay đổi phổ hấp thụ UV-Vis khi có mặt acetamiprid được giải thích bởi sự hấp phụ của phân tử acetamiprid lên bề mặt hạt nano vàng, làm giảm điện tích âm bề mặt và gây kết tụ hạt do lực Van der Waals. Hiện tượng này làm xuất hiện đỉnh hấp thụ mới ở bước sóng dài hơn (690 nm), tương ứng với kích thước hạt nano tăng lên. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về ứng dụng hạt nano vàng trong phát hiện các chất hữu cơ và kim loại nặng.

So với các phương pháp sắc ký và điện hóa, phương pháp quang học sử dụng hạt nano vàng có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp và không cần xử lý mẫu phức tạp. Độ nhạy và độ chính xác của phương pháp đủ để ứng dụng trong kiểm soát dư lượng acetamiprid trong thực phẩm và thuốc trừ sâu. Biểu đồ đường chuẩn và phổ hấp thụ có thể được trình bày để minh họa mối quan hệ tuyến tính và sự thay đổi phổ hấp thụ khi có acetamiprid.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai phương pháp phân tích tại các phòng kiểm nghiệm nông sản:
    Áp dụng phương pháp quang học sử dụng hạt nano vàng để kiểm tra dư lượng acetamiprid trong rau quả, giúp nâng cao hiệu quả kiểm soát an toàn thực phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các cơ quan kiểm nghiệm và phòng thí nghiệm chuyên ngành.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ phân tích:
    Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật điều chế hạt nano vàng và phân tích UV-Vis nhằm nâng cao năng lực phân tích dư lượng thuốc trừ sâu. Thời gian: 3-6 tháng. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và trung tâm đào tạo.

  3. Phát triển bộ kit thử nhanh dựa trên nguyên lý hạt nano vàng:
    Nghiên cứu và sản xuất bộ kit thử nhanh tại chỗ để người nông dân và doanh nghiệp có thể kiểm tra nhanh dư lượng acetamiprid, giảm thiểu rủi ro về an toàn thực phẩm. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các doanh nghiệp công nghệ sinh học và viện nghiên cứu.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng cho các loại thuốc trừ sâu khác:
    Khảo sát khả năng phát hiện các loại thuốc trừ sâu nhóm neonicotinoid và các hợp chất độc hại khác bằng phương pháp tương tự, nhằm đa dạng hóa công cụ kiểm soát. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hóa phân tích và công nghệ nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa phân tích, công nghệ nano:
    Luận văn cung cấp kiến thức về điều chế hạt nano vàng và ứng dụng trong phân tích dư lượng thuốc trừ sâu, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Cán bộ kỹ thuật tại các phòng kiểm nghiệm nông sản và thực phẩm:
    Phương pháp đơn giản, hiệu quả giúp nâng cao năng lực phân tích và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh thuốc trừ sâu:
    Tham khảo để kiểm soát chất lượng sản phẩm, đảm bảo hàm lượng hoạt chất phù hợp với quy định, nâng cao uy tín và an toàn cho người tiêu dùng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn thực phẩm và môi trường:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các quy trình kiểm tra, giám sát dư lượng thuốc trừ sâu, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp quang học sử dụng hạt nano vàng có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp này đơn giản, nhanh, chi phí thấp và không cần xử lý mẫu phức tạp như sắc ký hay điện hóa. Độ nhạy và độ chính xác đủ để phát hiện acetamiprid trong nông sản, phù hợp với các phòng thí nghiệm có trang thiết bị hạn chế.

  2. Điều kiện tối ưu để phân tích acetamiprid bằng phương pháp này là gì?
    Nồng độ muối NaCl khoảng 0,012 M, pH môi trường là 5, thời gian phản ứng 10 phút và nồng độ dung dịch nano vàng khoảng 10⁻⁴ M. Các điều kiện này giúp tăng độ nhạy và ổn định tín hiệu hấp thụ.

  3. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp là bao nhiêu?
    LOD khoảng 1,5×10⁻⁶ M và LOQ khoảng 5×10⁻⁶ M, đủ để phát hiện dư lượng acetamiprid trong các mẫu thuốc trừ sâu và thực phẩm theo quy định hiện hành.

  4. Phương pháp có thể áp dụng cho các loại thuốc trừ sâu khác không?
    Có thể mở rộng ứng dụng cho các thuốc trừ sâu nhóm neonicotinoid khác hoặc các hợp chất có khả năng tương tác với hạt nano vàng, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu điều kiện phân tích.

  5. Làm thế nào để đảm bảo tính ổn định của dung dịch hạt nano vàng trong quá trình phân tích?
    Điện thế zeta của dung dịch khoảng -40 mV cho thấy dung dịch có tính ổn định tốt. Ngoài ra, bảo quản dung dịch ở 4°C và tránh ánh sáng trực tiếp giúp duy trì tính ổn định trong thời gian dài.

Kết luận

  • Đã điều chế thành công dung dịch hạt nano vàng ổn định với kích thước hạt khoảng 15-20 nm, có đặc trưng phổ hấp thụ UV-Vis tại 520 nm.
  • Phương pháp quang học sử dụng hạt nano vàng để xác định acetamiprid dựa trên sự thay đổi tỷ lệ hấp thụ A690/A520 có độ nhạy cao, khoảng tuyến tính rộng và độ chính xác tốt.
  • Điều kiện phân tích tối ưu gồm nồng độ muối NaCl 0,012 M, pH = 5, thời gian phản ứng 10 phút và nồng độ dung dịch nano vàng 10⁻⁴ M.
  • Phương pháp đã được áp dụng thành công để xác định hàm lượng acetamiprid trong các mẫu thuốc trừ sâu thực tế với kết quả phù hợp nhãn mác.
  • Đề xuất triển khai phương pháp tại các phòng kiểm nghiệm, đào tạo nhân lực và phát triển bộ kit thử nhanh nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát dư lượng thuốc trừ sâu.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới ứng dụng vật liệu nano trong phân tích hóa học, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển nông nghiệp bền vững. Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng phương pháp cho các hợp chất khác và phát triển công nghệ thử nhanh tại chỗ. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm từ kết quả này.