Gần đây, nhóm nghiên cứu Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phát triển thành công thiết bị cảm biến điện hóa (sensor điện hóa) tiên tiến có khả năng phát hiện dư lượng thuốc diệt cỏ phổ biến như glyphosate (Gly) với độ nhạy cao. Công nghệ mới đã bắt kịp xu hướng quốc tế, mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong giám sát môi trường và an toàn nông nghiệp.
Glyphosate là một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới từ năm 1974 đến nay. Với liên kết trực tiếp giữa carbon và phospho rất bền trong phân tử, chất này khó bị phân hủy trong tự nhiên, khiến nó có thể tồn dư lâu dài trong đất và nước. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra glyphosate có thể gây hại cho sức khỏe con người, như sẩy thai, dị tật bẩm sinh và biến đổi gen nếu tiếp xúc lâu dài. Ngoài ra, khi nồng độ vượt ngưỡng cho phép, glyphosate còn có thể gây độc cho động vật thủy sinh, làm ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến đa dạng sinh học.
Việc phát hiện và giám sát dư lượng glyphosate trong môi trường đã trở thành ưu tiên cấp thiết trong quản lý nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, các phương pháp xác định hiện nay như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay điện di mao quản dù có độ chính xác cao nhưng lại yêu cầu về thiết bị và quy trình xử lý mẫu phức tạp, khó triển khai đại trà.
Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Vũ Thị Thu Hà chủ trì, đã phát triển thành công giải pháp mới: sensor điện hóa sử dụng vật liệu khung cơ kim (MOF) cải tiến, có khả năng phát hiện lượng vết glyphosate nhanh chóng, chính xác và chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Đây là kết quả của đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam về: “Chế tạo vật liệu khung cơ kim (MOF) có khả năng hấp phụ Gly hiệu quả và sử dụng chúng để phát triển sensor điện hóa nhằm phát hiện lượng vết Gly trong môi trường” (mã số: VAST07.05/23-24).
Cải tiến vật liệu - nâng tầm hiệu quả
Cảm biến điện hóa này được chế tạo từ 2 loại vật liệu chính: CuBTC và Zr-CuBTC. Trong đó, Zr-CuBTC là loại vật liệu kết hợp giữa 2 kim loại được lựa chọn nhờ khả năng “bắt giữ” glyphosate vượt trội. Việc thay thế một phần đồng (Cu) bằng zirconi (Zr) đã giúp mở rộng cấu trúc lỗ rỗng, tạo điều kiện cho phân tử glyphosate dễ dàng thâm nhập và bám vào bề mặt cảm biến. Đặc biệt, vật liệu mới còn cải thiện rõ rệt khả năng dẫn điện, khi chỉ số điện trở truyền điện giảm mạnh từ 2464 Ω (với CuBTC) xuống còn 703,3 Ω, cho thấy khả năng dẫn điện được cải thiện rõ rệt.
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 mới của nhóm nổi bật ở hiệu suất tổng thể, độ ổn định và khả năng ứng dụng trong môi trường thực tế. Các thử nghiệm cho thấy, thời gian đáp ứng nhanh (chỉ 4,8 giây), độ lặp lại tốt, khả năng chọn lọc cao và không bị nhiễu bởi các hợp chất khác thường gặp trong mẫu nước.
Glyphosate là một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới từ năm 1974 đến nay. Với liên kết trực tiếp giữa carbon và phospho rất bền trong phân tử, chất này khó bị phân hủy trong tự nhiên, khiến nó có thể tồn dư lâu dài trong đất và nước. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra glyphosate có thể gây hại cho sức khỏe con người, như sẩy thai, dị tật bẩm sinh và biến đổi gen nếu tiếp xúc lâu dài. Ngoài ra, khi nồng độ vượt ngưỡng cho phép, glyphosate còn có thể gây độc cho động vật thủy sinh, làm ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến đa dạng sinh học.
Việc phát hiện và giám sát dư lượng glyphosate trong môi trường đã trở thành ưu tiên cấp thiết trong quản lý nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, các phương pháp xác định hiện nay như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay điện di mao quản dù có độ chính xác cao nhưng lại yêu cầu về thiết bị và quy trình xử lý mẫu phức tạp, khó triển khai đại trà.
Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Vũ Thị Thu Hà chủ trì, đã phát triển thành công giải pháp mới: sensor điện hóa sử dụng vật liệu khung cơ kim (MOF) cải tiến, có khả năng phát hiện lượng vết glyphosate nhanh chóng, chính xác và chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Đây là kết quả của đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam về: “Chế tạo vật liệu khung cơ kim (MOF) có khả năng hấp phụ Gly hiệu quả và sử dụng chúng để phát triển sensor điện hóa nhằm phát hiện lượng vết Gly trong môi trường” (mã số: VAST07.05/23-24).
Cải tiến vật liệu - nâng tầm hiệu quả
Cảm biến điện hóa này được chế tạo từ 2 loại vật liệu chính: CuBTC và Zr-CuBTC. Trong đó, Zr-CuBTC là loại vật liệu kết hợp giữa 2 kim loại được lựa chọn nhờ khả năng “bắt giữ” glyphosate vượt trội. Việc thay thế một phần đồng (Cu) bằng zirconi (Zr) đã giúp mở rộng cấu trúc lỗ rỗng, tạo điều kiện cho phân tử glyphosate dễ dàng thâm nhập và bám vào bề mặt cảm biến. Đặc biệt, vật liệu mới còn cải thiện rõ rệt khả năng dẫn điện, khi chỉ số điện trở truyền điện giảm mạnh từ 2464 Ω (với CuBTC) xuống còn 703,3 Ω, cho thấy khả năng dẫn điện được cải thiện rõ rệt.
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 mới của nhóm nổi bật ở hiệu suất tổng thể, độ ổn định và khả năng ứng dụng trong môi trường thực tế. Các thử nghiệm cho thấy, thời gian đáp ứng nhanh (chỉ 4,8 giây), độ lặp lại tốt, khả năng chọn lọc cao và không bị nhiễu bởi các hợp chất khác thường gặp trong mẫu nước.
Sơ đồ quá trình biến tính và nguyên lý làm việc của sensor khi cài thêm hạt vàng
Các nhà nghiên cứu đã tìm cách khắc phục nhược điểm về khả năng dẫn điện thấp của vật liệu MOF bằng cách kết hợp MOF CuBTC với các hạt nano vàng (AuPs) (sơ đồ như trên) Việc tích hợp hạt vàng không chỉ giúp tăng khả năng dẫn điện mà còn cải thiện hoạt tính xúc tác điện hóa của cảm biến. Nhờ đó, nhóm đã phát triển thành công phiên bản thứ 2 là cảm biến CuBTC/AuPs có tín hiệu dòng đo mạnh hơn rõ rệt, giúp phát hiện glyphosate ở nồng độ rất thấp (chỉ 4,4 × 10⁻¹¹ M).