Tổng quan nghiên cứu

Aflatoxin là độc tố vi nấm do một số loài Aspergillus sản sinh, đặc biệt là Aspergillus flavus và Aspergillus parasiticus. Đây là tác nhân gây ung thư gan mạnh và có thể gây ngộ độc cấp tính, xơ gan, đột biến gen, thậm chí tử vong. Ở Việt Nam, khí hậu nhiệt đới tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nấm mốc và aflatoxin, gây tổn thất lớn cho nông sản sau thu hoạch và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng. Theo quy chuẩn QCVN 8-1:2011/BYT, giới hạn tối đa aflatoxin B1 trong thực phẩm là 5 microgam/kg, trong khi các loại aflatoxin tổng hợp khác có giới hạn 15 microgam/kg.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng phương pháp quang phổ truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) để phát hiện độc tố aflatoxin B1 trong thực phẩm, đặc biệt là ngô, với độ nhạy cao tới mức ppm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát tính chất quang học của aflatoxin B1 và chấm lượng tử CdSe/ZnS, đồng thời thử nghiệm xác định aflatoxin trong mẫu ngô thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển phương pháp phát hiện nhanh, chính xác, chi phí thấp, 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

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) và tính chất quang học của chấm lượng tử bán dẫn CdSe/ZnS. FRET là hiện tượng truyền năng lượng không bức xạ giữa hai phân tử donor và acceptor ở khoảng cách nanomet, phụ thuộc vào sự chồng lấn phổ hấp thụ và phát xạ, hiệu suất lượng tử huỳnh quang, và định hướng lưỡng cực. Hiệu suất truyền năng lượng FRET được mô tả bằng công thức:

$$ E_{FRET} = \frac{R_0^6}{R_0^6 + r^6} $$

trong đó $R_0$ là bán kính Förster, khoảng cách mà hiệu suất truyền năng lượng đạt 50%, và $r$ là khoảng cách giữa donor và acceptor.

Chấm lượng tử CdSe/ZnS được sử dụng làm donor với đỉnh huỳnh quang tại 545 nm và phổ hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại đến 520 nm. Aflatoxin B1 đóng vai trò acceptor với đỉnh hấp thụ tại 360 nm và phát xạ huỳnh quang tại 435 nm trong dung môi methanol. Sự chồng lấn giữa phổ phát xạ của donor và phổ hấp thụ của acceptor tạo điều kiện thuận lợi cho hiệu ứng FRET.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu gồm các dung dịch aflatoxin B1 chuẩn pha loãng với chấm lượng tử CdSe/ZnS theo các tỉ lệ khác nhau. Mẫu thực tế được chiết xuất từ ngô bằng dung môi methanol-nước (70:30, v/v) và xử lý qua cột tách IAC để thu aflatoxin B1.

Phân tích phổ hấp thụ được thực hiện trên thiết bị Shimadzu UV2600, phổ huỳnh quang và phổ huỳnh quang phân giải thời gian được đo bằng máy Cary Eclipse và hệ thống đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC). Phương pháp TCSPC cho phép đo thời gian sống huỳnh quang với độ phân giải picô giây, giúp xác định hiệu ứng FRET thông qua sự thay đổi thời gian sống huỳnh quang donor khi có mặt acceptor.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019 tại Viện Vật Lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với sự hỗ trợ kỹ thuật từ Viện Vệ sinh An toàn Thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất quang của aflatoxin B1: Phổ hấp thụ của aflatoxin B1 có đỉnh mạnh tại 360 nm, phổ huỳnh quang phát xạ tại 435 nm trong dung môi methanol. Đặc tính này phù hợp để làm acceptor trong cặp FRET với chấm lượng tử CdSe/ZnS.

  2. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe/ZnS: Chấm lượng tử có đỉnh hấp thụ tại 520 nm và đỉnh phát huỳnh quang tại 545 nm, kích thước hạt trung bình khoảng 3 nm. Phổ hấp thụ và phát xạ ổn định, phù hợp làm donor trong hệ FRET.

  3. Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET): Khi trộn aflatoxin B1 với chấm lượng tử CdSe/ZnS, phổ hấp thụ thể hiện hai đỉnh đặc trưng của cả hai thành phần, trong đó cường độ đỉnh hấp thụ tại 360 nm giảm dần theo nồng độ aflatoxin B1. Phổ huỳnh quang cho thấy sự giảm cường độ phát xạ của donor tại 545 nm và tăng nhẹ phát xạ của acceptor tại 435 nm, chứng tỏ có sự truyền năng lượng từ donor sang acceptor.

  4. Thời gian sống huỳnh quang: Đường cong suy giảm huỳnh quang của hệ aflatoxin B1 – CdSe/ZnS được phân tích tại 435 nm và 545 nm. Thời gian sống huỳnh quang của donor giảm khi tăng nồng độ aflatoxin B1, trong khi thời gian sống của acceptor tăng nhẹ. Mối quan hệ giữa nồng độ aflatoxin B1 và thời gian sống huỳnh quang có thể mô hình hóa bằng đa thức bậc hai, cho phép xác định nồng độ aflatoxin trong mẫu.

  5. Xác định aflatoxin trong ngô: Mẫu ngô chiết xuất có cường độ huỳnh quang yếu, không đo trực tiếp được trên phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse, nhưng có thể phát hiện bằng hệ TCSPC. Kết quả cho thấy sự hiện diện của aflatoxin B1 trong các mẫu M1, M2, M4, trong khi mẫu M3 không phát hiện được aflatoxin.

Thảo luận kết quả

Hiệu ứng FRET giữa aflatoxin B1 và chấm lượng tử CdSe/ZnS được xác nhận qua sự thay đổi cường độ và thời gian sống huỳnh quang, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tương tác donor-acceptor trong hệ nano. Việc sử dụng phương pháp TCSPC giúp tăng độ nhạy và chính xác trong phát hiện aflatoxin, vượt trội hơn so với các phương pháp kit thử nhanh hay sắc ký truyền thống về thời gian và chi phí.

Kết quả cho thấy phương pháp quang phổ FRET có thể phát hiện aflatoxin B1 với ngưỡng ppm, đáp ứng yêu cầu kiểm soát an toàn thực phẩm theo quy chuẩn quốc gia. Phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực phẩm tại các phòng thí nghiệm quy mô vừa và nhỏ, góp phần giảm thiểu rủi ro sức khỏe do aflatoxin gây ra.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ và huỳnh quang, cùng bảng thời gian sống huỳnh quang theo nồng độ aflatoxin, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ tương tác và hiệu quả phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai phương pháp FRET trong kiểm nghiệm thực phẩm: Khuyến nghị các cơ sở kiểm nghiệm áp dụng phương pháp quang phổ FRET kết hợp chấm lượng tử CdSe/ZnS để phát hiện aflatoxin B1, nhằm nâng cao độ nhạy và giảm chi phí phân tích trong vòng 6-12 tháng.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và nâng cấp thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật về phổ huỳnh quang phân giải thời gian và TCSPC cho cán bộ phòng thí nghiệm, đồng thời đầu tư trang thiết bị phù hợp để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác của phương pháp.

  3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng phương pháp phát hiện các độc tố vi nấm khác trong thực phẩm và thức ăn chăn nuôi, nhằm đa dạng hóa công cụ kiểm soát an toàn thực phẩm trong 2-3 năm tới.

  4. Tăng cường quản lý và giám sát an toàn thực phẩm: Cơ quan quản lý nhà nước cần phối hợp với các viện nghiên cứu và doanh nghiệp để xây dựng quy trình kiểm tra định kỳ aflatoxin trong nông sản, đặc biệt là ngô và các loại hạt dễ nhiễm, nhằm giảm thiểu nguy cơ ngộ độc và ung thư gan trong cộng đồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà khoa học và nghiên cứu viên trong lĩnh vực vật lý chất rắn và quang học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng hiệu ứng FRET và chấm lượng tử trong phát hiện độc tố, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu liên quan.

  2. Chuyên gia an toàn thực phẩm và kiểm nghiệm: Phương pháp mới giúp nâng cao hiệu quả phát hiện aflatoxin, giảm thời gian và chi phí, phù hợp cho các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến nông sản: Tham khảo để áp dụng công nghệ phát hiện nhanh aflatoxin, đảm bảo chất lượng sản phẩm và tuân thủ quy định an toàn thực phẩm.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn thực phẩm: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và chương trình giám sát độc tố vi nấm trong thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp FRET có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    Phương pháp FRET cho phép phát hiện aflatoxin với độ nhạy cao tới ppm, thao tác đơn giản, không cần hóa chất phức tạp và thiết bị đắt tiền như sắc ký lỏng hay phổ khối. Ví dụ, thời gian phân tích nhanh hơn và chi phí thấp hơn đáng kể.

  2. Chấm lượng tử CdSe/ZnS đóng vai trò gì trong phương pháp này?
    Chấm lượng tử CdSe/ZnS làm donor trong cặp FRET, phát huỳnh quang mạnh và ổn định, giúp truyền năng lượng hiệu quả cho aflatoxin B1 (acceptor), từ đó phát hiện sự hiện diện của độc tố qua sự thay đổi huỳnh quang.

  3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại thực phẩm khác ngoài ngô không?
    Có thể áp dụng cho nhiều loại nông sản và thực phẩm dễ bị nhiễm aflatoxin như lạc, đậu tương, gia vị, nhờ khả năng phát hiện nhạy và linh hoạt của phương pháp quang phổ FRET.

  4. Độ chính xác của phương pháp FRET so với sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) như thế nào?
    Phương pháp FRET có độ chính xác cao, tương đương với HPLC trong việc xác định nồng độ aflatoxin B1, đồng thời có ưu điểm về thời gian phân tích và chi phí vận hành thấp hơn.

  5. Có những hạn chế nào khi sử dụng phương pháp này?
    Phương pháp yêu cầu thiết bị phổ huỳnh quang phân giải thời gian và kỹ thuật viên có trình độ, đồng thời cần chuẩn bị mẫu kỹ lưỡng để tránh nhiễu tín hiệu. Tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ, các hạn chế này đang được khắc phục dần.

Kết luận

  • Phương pháp quang phổ truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) kết hợp chấm lượng tử CdSe/ZnS là công cụ hiệu quả để phát hiện aflatoxin B1 trong thực phẩm với độ nhạy cao tới ppm.
  • Tính chất quang học của aflatoxin B1 và chấm lượng tử được khảo sát chi tiết, xác nhận điều kiện thuận lợi cho hiệu ứng FRET.
  • Thời gian sống huỳnh quang thay đổi theo nồng độ aflatoxin, cho phép xây dựng đường chuẩn định lượng chính xác.
  • Phương pháp đã được thử nghiệm thành công trên mẫu ngô thực tế, phù hợp ứng dụng trong kiểm nghiệm an toàn thực phẩm.
  • Đề xuất triển khai phương pháp trong các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm, đồng thời mở rộng nghiên cứu và nâng cao năng lực kỹ thuật trong lĩnh vực phát hiện độc tố vi nấm.

Hành động tiếp theo là tổ chức đào tạo kỹ thuật và đầu tư thiết bị phổ huỳnh quang phân giải thời gian để ứng dụng rộng rãi phương pháp này trong kiểm soát an toàn thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển ngành nông nghiệp bền vững.