Cảm biến phát hiện thuốc diệt cỏ độc hại

Các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vừa phát triển thành công thiết bị cảm biến điện hóa tiên tiến có khả năng phát hiện dư lượng thuốc diệt cỏ glyphosate ở nồng độ rất thấp.

Thuốc diệt cỏ nếu không được quản lý, sử dụng đúng quy định sẽ gây ô nhiễm môi trường.

Kết quả này không chỉ bắt kịp xu hướng nghiên cứu quốc tế mà còn mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong giám sát môi trường và bảo đảm an toàn sản xuất.

Glyphosate là một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới kể từ năm 1974. Do trong phân tử tồn tại liên kết carbon-phospho rất bền, hợp chất này khó bị phân hủy trong tự nhiên, vì vậy có thể tồn lưu lâu dài trong đất và nước. Nhiều nghiên cứu cho thấy, việc tiếp xúc kéo dài với glyphosate có thể gây ra những rủi ro đối với sức khỏe con người như sẩy thai, dị tật bẩm sinh hoặc biến đổi gene. Bên cạnh đó, khi nồng độ vượt ngưỡng cho phép, glyphosate còn gây độc cho sinh vật thủy sinh, làm ô nhiễm nguồn nước và tác động tiêu cực tới đa dạng sinh học. Trong bối cảnh đó, việc phát hiện và giám sát dư lượng glyphosate trong môi trường trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm phục vụ quản lý nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Tuy nhiên, các phương pháp phân tích hiện nay như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay điện di mao quản tuy cho độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, quy trình xử lý mẫu phức tạp, khó triển khai trên diện rộng.

Xuất phát từ thực tế này, nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư, Tiến sĩ Vũ Thị Thu Hà chủ trì đã phát triển một giải pháp mới: Sensor điện hóa sử dụng vật liệu khung cơ kim (MOF) cải tiến, cho phép phát hiện lượng vết glyphosate nhanh chóng, chính xác và với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Kết quả này được hiện thực ở đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: “Chế tạo vật liệu khung cơ kim (MOF) có khả năng hấp phụ glyphosate hiệu quả và ứng dụng phát triển sensor điện hóa nhằm phát hiện lượng vết glyphosate trong môi trường”.

Cảm biến điện hóa được chế tạo từ hai loại vật liệu chính là CuBTC và Zr-CuBTC. Trong đó, Zr-CuBTC là vật liệu lai kim loại được lựa chọn nhờ khả năng “bắt giữ” glyphosate vượt trội. Việc thay thế một phần đồng (Cu) bằng zirconi (Zr) giúp mở rộng cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu, tạo điều kiện để các phân tử glyphosate dễ dàng thâm nhập và hấp phụ trên bề mặt cảm biến. Đồng thời, vật liệu mới còn cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện, thể hiện qua việc điện trở truyền điện giảm mạnh từ 2.464 Ω (đối với CuBTC) xuống còn 703,3 Ω, cho thấy hiệu suất dẫn điện được nâng lên rõ rệt.

Nhờ những cải tiến này, cảm biến Zr-CuBTC trên điện cực GCE đạt giới hạn phát hiện chỉ 9,0 × 10- 13 M, đủ nhạy để nhận biết glyphosate ở nồng độ cực thấp trong nước. Dù một số nghiên cứu quốc tế có ngưỡng phát hiện thấp hơn, sensor của nhóm vẫn nổi bật nhờ hiệu suất tổng thể cao, độ ổn định tốt và khả năng ứng dụng trong điều kiện môi trường thực tế. Các thử nghiệm cho thấy thiết bị có thời gian đáp ứng nhanh (chỉ khoảng 4,8 giây), độ lặp lại tốt, khả năng chọn lọc cao và hầu như không bị nhiễu bởi các hợp chất thường gặp trong mẫu nước.

Từ nền tảng đó, các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm cách khắc phục hạn chế về khả năng dẫn điện vốn có của vật liệu MOF bằng cách kết hợp CuBTC với các hạt nano vàng (AuPs). Việc tích hợp các hạt vàng không chỉ giúp tăng cường khả năng dẫn điện mà còn cải thiện hoạt tính xúc tác điện hóa của cảm biến. Nhờ vậy, nhóm đã phát triển thành công phiên bản thứ hai - cảm biến CuBTC/AuPs cho tín hiệu dòng đo mạnh hơn rõ rệt, cho phép phát hiện glyphosate ở nồng độ rất thấp (4,4 × 10-11 M). Thiết bị cũng cho thấy độ nhạy cao, khả năng hoạt động ổn định và kết quả lặp lại tốt trong điều kiện đo thực tế.

Đáng chú ý, nghiên cứu không dừng lại ở thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mà còn được kiểm chứng trên mẫu nước sông Hồng. Kết quả phân tích từ hai loại sensor cho độ tương đồng cao với phương pháp LCMS/MS - một kỹ thuật hiện đại có độ chính xác cao. Điều này cho thấy cảm biến điện hóa hoàn toàn có tiềm năng trở thành công cụ phân tích đáng tin cậy, với ưu thế rõ rệt về chi phí, tính cơ động và khả năng triển khai trong giám sát môi trường.

Theo Phó Giáo sư, Tiến sĩ Vũ Thị Thu Hà, nhóm nghiên cứu đã cải tiến vật liệu MOF bằng cách tích hợp các hạt nano vàng nhằm tăng cường khả năng dẫn điện, từ đó phát triển cảm biến điện hóa siêu nhạy có thể phát hiện glyphosate với độ chính xác cao và giới hạn phát hiện rất thấp. Cảm biến sau khi chế tạo có thể được bảo quản tối đa 24 giờ trong điều kiện hút ẩm trước khi sử dụng mà vẫn duy trì hiệu suất đo ổn định. Nhờ vậy, thiết bị phù hợp cho việc khảo sát trực tiếp tại hiện trường, không đòi hỏi máy móc cồng kềnh hay kỹ thuật viên chuyên môn cao.

Với chi phí thấp, thao tác đơn giản và khả năng sử dụng ngay tại nơi lấy mẫu, cảm biến này giúp cán bộ môi trường địa phương dễ dàng áp dụng, đồng thời góp phần giảm tải cho các phòng thí nghiệm môi trường và cơ quan kiểm soát nông nghiệp. Việc triển khai thiết bị cảm biến phát hiện tồn dư glyphosate trong môi trường sẽ trở thành công cụ hỗ trợ hữu hiệu, cung cấp bằng chứng khoa học rõ ràng để cơ quan quản lý tăng cường kiểm soát và thực thi nghiêm các quy định pháp luật. Phát huy kết quả tích cực ban đầu, nhóm nghiên cứu mong muốn sẽ tiếp tục tối ưu hóa cảm biến để tăng độ bền, kéo dài thời gian bảo quản và phù hợp hơn với điều kiện thực địa.

Theo các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, kết quả nghiên cứu của đề tài đã được công bố trên nhiều tạp chí khoa học quốc tế uy tín; không chỉ góp phần giải quyết bài toán giám sát dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường, thiết bị cảm biến điện hóa phát hiện glyphosate còn cho thấy năng lực làm chủ và phát triển công nghệ tiên tiến của các nhà khoa học thuộc Viện.

Theo nhandan.vn