Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Luận văn nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng th...

Tài liệu Luận văn nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật

.PDF
67
103
75

Mô tả:

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA ĐỂ PHÂN TÍCH DƯ LƯỢNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT TỪ RAU QUẢ Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số:60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Vân Anh THÁI NGUYÊN - 2017 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS. Nguyễn Vân Anh trong suốt thời gian học tập vừa qua cũng như trong thời gian thực hiện luận văn này. Xin trân trọng ghi ơn các quí Thầy Cô, nhất là các Thầy Cô trong khoa Hóa Trường Đại Học Khoa Học Thái Nguyên đã nhiệt tình dạy những kiến thức, những phương pháp nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc lực cho quá trình làm luận văn và nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai của những người đi sau chúng em. Xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, các anh chị em đồng nghiệp và thủ trưởng cơ quan đã luôn động viên giúp đỡ, làm chỗ dựa tinh thần cho tôi trong những ngày đi học và làm luận văn, cảm ơn các bạn. Cảm ơn các anh chị em trong lớp Cao học Hóa Phân tích K9B đã tương trọ cho tôi tròn quá trình học tập và nghiên cứu. Luận văn được hỗ trợ kinh phí từ đề tài Bộ Giáo dục và Đào tạo mã số B2014-01-65 Trântrọng cảm ơn Học viên Vũ Khánh Tùng a MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu viết tắt ............................................................................. a Mục lục ................................................................................................................ b Danh mục các bảng.............................................................................................. d Danh mục các hình .............................................................................................. e MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. Vấn đề dư lượng thuốc BVTV trong nông sản ............................................ 3 1.2. Nhóm chất BVTV họ lân hữu cơ.................................................................. 5 1.3. Cảm biến sinh học điện hóa.......................................................................... 6 1.3.1. Cảm biến Enzyme .................................................................................... 10 1.3.2. Cảm biến miễn dịch (immunosensors) .................................................... 14 1.4. Polyme dẫn điện ......................................................................................... 16 1.4.1. Giới thiệu tổng quát về polyme dẫn điện ................................................ 16 1.4.2. Polyanilin (PANi) .................................................................................... 19 1.4.3. Polypyrrol (PPy) ...................................................................................... 21 1.4.4. Các phương pháp tổng hợp điện hóa polyme dẫn điện ........................... 23 1.5. Tính hình nghiên cứu trong nước về cảm biến điện hóa sinh học ............. 26 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM.. 28 2.1. Thực nghiệm ............................................................................................... 28 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ ...................................................................................... 28 2.1.2. Hóa chất sử dụng ..................................................................................... 29 2.1.3. Lựa chọn hệ cảm biến và nghiên cứu các đặc trưng cơ bản .................... 30 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của cảm biến............................... 31 2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) [61].................. 31 2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................ 32 2.2.3. Phương pháp điện hóa trong phân tích nồng độ chất .............................. 33 2.2.4. Các phương pháp phân tích ..................................................................... 35 a CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 39 3.1. Tổng hợp điện hóa màng PANi và đặc trưng tính chất .............................. 39 3.1.1. Biến tính bằng kỹ thuật von-apme vòng (CV) ........................................ 39 3.1.2. Đặc trưng cấu trúc màng PANi bằng phổ FT-IR .................................... 40 3.1.3. Hành vi điện hóa của điện cực PANi/SPE .............................................. 41 3.1.4. Phổ Raman của điện cực PANi-Gr/SPE.................................................. 41 3.2. Cố định điện hóa Enzym AChE trên màng PANi - Gr .............................. 43 3.3. Các đặc trưng bề mặt của cảm biến điện hóa trước/sau biến tính .............. 44 3.4. Ứng du ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c điện hóa tích hơ ̣p xác đinh ̣ dư lươ ̣ng thuố c BVTV ................................................................................................................ 46 3.4.1. Thử nghiệm hoạt tính của enzyme cố định trên điện cực ....................... 46 3.4.2. Xác định điểm hoạt động tối ưu của cảm biến ........................................ 46 3.4.3. Thử nghiệm xác định thuốc BVTV ......................................................... 48 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG .................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 53 b DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AChE ADC Acetylcholinesterase Direct current BChE BuChE Butyrylcholinesterase Butyrylcholinesterase BVTV ChE CV Bảo vệ thực vật Cholinesterase Vôn - ampe vòng (Cyclic voltammetry) EIS ELISA Phổ tổng trở (Electrochemical Impedance Spectroscopy) enzyme-linked immunosorbent assay FE-SEM FT-IR Hiển vi điện tử quét trường phát xạ (Field Emission Scanning Electron Microscope) Fourier transform infrared spectroscopy GA GC GPRS Glutaraldehylde Điện cực than thủy tinh (Glassy carbon) General Packet Radio Service Gr HPLC ISFET LNT Graphen High Performance Liquid Chromatography Transito nhạy ion hiệu ứng trường (Ion Selective Field Effect Transistor) Phòng thí nghiệm công nghệ nano (Laboratory of Nanotechnology MEMS MOSFET MRL Hệ vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical System) Transitor hiệu ứng trường kim loại-oxit (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) Mức giới hạn tối đa (Maximum Residue Limit) MS MWCNTs OP P(1,5DAN) PANi PBS Ppy PS Khối phổ (Mass spectrometry) Ống nano các bon đa vách (Multi-walled carbon nanotubes) Lân hữu cơ (organophosphate) Poly(1,5-Diaminonaphthalene) Polyaniline Phosphate Buffered Saline Polypyrrole Potential static SEM SWV TCVN Scanning electron microscope Square wave voltammetry Tiêu chuẩn Việt Nam c DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các điều kiện phân ly MS/MS: ........................................................ 37 Bảng 3.1. Kết quả phân tích trên nền nước. ..................................................... 50 Bảng 3.2. Kết quả phân tích trên nền rau. ........................................................ 51 d DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các phương pháp hiện được sử dụng để xác định thuốc bảo vệ thực vật (giai đoạn 2005 - 2011) ....................................................... 6 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một cảm biến sinh học ............................... 7 Hình 1.3. Số các công bố khoa học liên quan đến chủ điểm cảm biến sinh học xác định thuốc BVTV từ 1989 tới 2011 (theo thống kê của Thomson Reuters Web of Science) .................................................. 8 Hình 1.4. Các mô hình cảm biến sinh học xác định chất BVTV đang được nghiên cứu ............................................................................ 10 Hình 1.5. Mô hình ức chế xúc tác enzyme của thuốc BVTV. Hình phía trên: khi không có chất BVTV; Hình phía dưới: khi có chất BVTV [13]11 Hình 1.6. Mô hình ức chế enzyme AChE trong xác định chất BVTV ........... 11 Hình 1.7. Mô hình chế tạo cảm biến enzym xác định chất BVTV ..................... 12 Hình 1.8. Cảm biến sinh học phân tích thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) ......... 14 Hình 1.9. Mô hình cảm biến ATZ dựa trên sự thay đổi tín hiệu signaloff/signal- on của màng poly(JUG-HATZ) [32] ............................. 16 Hình 1.10. Một số polyme dẫn điện tử điển hình.............................................. 17 Hình 1.11. Polyme oxy hóa khử ........................................................................ 17 Hình 1.12. Polyme trao đổi ion poly(vinylpyridin)........................................... 18 Hình 1.13. Cơ chế hình thành PANi từ Ani bằng phương pháp điện hóa [38]. 20 Hình 1.14. Công thức tổng quát của PANi ....................................................... 21 Hình 1.15. Cơ chế phản ứng trùng hợp PPy [38] .............................................. 22 Hình 1.16. Mô tả quá trình trùng hợp điện hóa PPy trong hệ ba điện cực........ 23 Hình 2.1. Hệ đo điện hóa Palmsen 3 và thiết bị tích hợp phần mềm đo điện hóa ........................................................................................... 28 Hình 2.2. Hệ điện cực mạch in tích hợp thương mại của hãng Dropsens® (http://www.dropsens.com) ............................................................. 28 Hình 2.3. Đồ thị quét thế tuyến tính đa chu kỳ ............................................... 33 e Hình 2.4. Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong phương pháp CV.......... 34 Hình 2.5. Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn trên nền nước. ....................... 35 Hình 2.6. Sơ đồ quy trình chuẩn bị chất chuẩn trên nền rau. .......................... 35 Hình 2.7. Khối phổ (MS) của mẫu Methamidophos ....................................... 37 Hình 3.1. Phổ trùng hợp điện hóa PANi theo phương pháp CV..................... 39 Hình 3.2. Phổ FT-IR của PANi tổng hợp theo phương pháp điện hóa ........... 40 Hình 3.3. Hành vi điện hóa của điện cực PANi/SPE tổng hợp theo kỹ thuật (a) trong dung dịch HCl 1M ............................................................ 41 Hình 3.4. Phổ Raman của màng Graphene, PANi và PANi/Graphene .......... 42 Hình 3.5. Ảnh FE-SEM màng PANi/Graphene đã cố định AChE theo phương pháp liên kết đồng hóa trị sử dụng glutaraldehyde (a) phóng đại 10.000 lần và (b) phóng đại 50.000 lần .......................... 43 Hình 3.6. Phổ CV của vi điện cực điện hóa trong dung dịch K3[Fe(CN)6] .... 44 Hình 3.7. Phổ SWV của vi điện cực trước và sau khi cố định........................ 45 Hình 3.8. Ghi nhận phản ứng enzyme-cơ chất trên bề mặt điện cực bằng phương pháp quét thế tại V = + 300 mV. ....................................... 46 Hình 3.9. Đường đáp ứng dòng của điện cực AChE/PANi-Gr/SPE trong dung dịch PBS khi thêm cơ chất ATCh .......................................... 47 Hình 3.10. Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu .......................... 47 Hình 3.11. Phát hiện thuốc trừ sâu họ lân hữu cơ sử dụng cảm biến điện hóa AChE bằng phương pháp áp thế. .................................................... 48 Hình 3.12. Đường chuẩn xác định dư lượng thuốc BVTV họ lân hữu cơ sử dụng cảm biến điện hóa AChE bằng phương pháp áp thế .............. 49 f MỞ ĐẦU Ngày nay, hoạt động sản xuất nông nghiệp đòi hỏi một lượng lớn hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) nhằm kiểm soát côn trùng, vi khuẩn, cỏ dại… bảo vệ mùa màng. Một điều rõ ràng rằng, cùng với phân bón hóa học, thuốc BVTV (bao gồm thuốc trừ cỏ, thuốc trừ bệnh, thuốc kích thích sinh trưởng và thuốc trừ sâu) góp phần đảm bảo an ninh lương thực và sự phát triển ổn định của kinh tế-xã hội. Tuy nhiên, tình trạng sử dụng thiếu kiểm soát và sai mục đích các chất BVTV gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường sinh thái và sức khỏe của con người. Hầu hết các loại thuốc BVTV đều là những hợp chất hữu cơ khó phân hủy, có khả năng tích lũy sinh học, tham gia vào chuỗi thức ăn. Do đó, vấn đề kiểm soát sử dụng thuốc BVTV đặc biệt trong các sản phẩm nông sản đã trở thành một vấn đề có tính toàn cầu không chỉ ở trong nước. Việc kiểm soát dư lượng thuốc BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn. Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản là phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis. Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài hiện trường. Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được ứng dụng để xác định dư lượng các chất BVTV dựa trên nguyên lý kháng nguyên - kháng thể. Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích nhanh nhưng nhược điểm đó là kém chính xác trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới. Các 1 thiết bị cảm biến nói chung và cảm biến sinh học nói riêng với kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định cao ứng dụng trong phân tích Hóa học và Sinh học đã và đang được kỳ vọng có thể thay thế một phần hay hoàn toàn các phương pháp phân tích truyền thống. Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài được lựa chọn: “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa để phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật từ rau quả„ Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào việc ứng dụng các cảm biến hiện có trên cơ sở biến tính các hệ điện cực cơ sở để thực hiện các phép phân tích hóa học và sinh học. - Nội dung 1: lựa chọn cảm biến. Loại cảm biến được lựa chọn là cảm biến điện hóa sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Acetylcholinesterase được chế tạo và biến tính. - Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của hệ cảm biến này (đặc trưng bề mặt, hình thái học, các đặc trưng điện hóa/đáp ứng điện hóa) - Ứng dụng hệ cảm biến trong xác định các độc chất gây ức chế thần kinh như các loại thuốc bảo vệ thực vật nhóm lân hữu cơ. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vấn đề dư lượng thuốc BVTV trong nông sản Là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều, Việt Nam có nhiều điều kiện khí hậu thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng nông nghiệp và công nghiệp. Bên cạnh đó, các điều kiện khía hậu này cũng rất thuận lợi cho sự phát sinh, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại gây hại mùa màng. Do vậy việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV) để phòng trừ sâu hại, dịch bệnh bảo vệ mùa màng, giữ vững an ninh lương thực quốc gia là một biện pháp quan trọng. Tuy nhiên, có một thực tế rằng việc sử dụng thuốc BVTV tràn lan, sai mục đích, không tuân thủ các quy trình sử dụng an toàn đã gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và trầm tích đáy với thời gian tồn dư lâu dài, ảnh hưởng đến hệ sinh thái nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng. Thuốc BVTV tồn dư, thậm chí được sử dụng như một loại chất bảo quản trên các sản phẩm nông sản trong nước cũng như nhập khẩu đang là vấn đề nhận được sự quan tâm của toàn xã hội. Nhiều thuốc BVTV được cho là có khả năng gây ung thư, thậm chí gây đột biến gen, ảnh hưởng đến chất lượng tăng trưởng và sức khỏe[1]. Theo thống kê của Cục Bảo vệ thực vật, lượng thuốc BVTV được sử dụng ở nước ta tăng nhanh trong những năm gần đây đặc bệt về cả số lượng và chủng loại. Trong đó, nhiều loại thuốc nhóm lân hữu cơ thuộc danh mục những loại thuốc cấm sử dụng trên rau vẫn được sử dụng tràn lan như: Monitor, Azodrin, Endosulfan, Monocrotophos, Methamidophos, Methyl parathion. Đây là những loại thuốc có độ độc rất cao thời gian phân hủy kéo dài nếu tồn lưu trong rau thì cần phải trải qua thời gian dài mới phân hủy hết được. Những sản phẩm này khi bán ra thị trường sẽ ảnh hưởng trược tiếp đến sức khỏe của cộng đồng. Cũng theo một báo cáo tổng hợp của Tổng cục Môi trường (Bộ Tài nguyên & Môi trường), nếu như những năm 1960, chỉ có 0,48% diện tích đất canh tác sử dụng thuốc BVTV thì nay là 100% diện tích đất canh tác đều có sử dụng thuốc BVTV. Theo cục Y tế dự phòng và Môi trường (Bộ Y tế), năm 3 2009, các bệnh viện đã tiếp nhận 4.515 người bị nhiễm độc thuốc BVTV, trong đó 138 người đã tử vong do nhiễm độc quá nặng. Ba vấn đề nổi cộm nhất liên quan đến sự ô nhiễm môi trường và gây nhiễm độc thuốc BVTV gồm: Hệ thống xử lý chất thải tại các cơ sở sản xuất, chế biến thuốc BVTV không được quan tâm thích đáng. Nhiều cơ sở vì lợi nhuận đã không thực hiện khâu xử lý chất thải mà xả thẳng vào môi trường. Hiện tượng lạm dụng và sử dụng sai quy trình, quy cách thuốc BVTV trong nông dân như sử dụng thuốc trừ sâu vượt ngưỡng cho phép, hoặc không thực hiện thời gian cách ly đến lúc thu hoạch như quy định. Bên cạnh đó, người nông dân hầu như chưa có kiến thức trong xử lý dụng cụ, bao gói thuốc BVTV. Việc sử dụng sai mục đích các thuốc BVTV làm chất bảo quản, chất kích thích tăng trưởng và phát triển cây trồng, vật nuôi. Bên cạnh việc quản lý chặt chẽ các loại thuốc BVTV thì công tác phân tích, kiểm nghiệm thuốc BVTV trong nông sản và môi trường là một giải pháp quan trọng giúp có một cái nhìn tổng quan về hiện trạng sử dụng thốc BVTV. Đồng thời hỗ trợ các cơ quan nhà nước đưa ra các giải pháp ứng phó phù hợp, đồng thời cảnh báo sớm nguy cơ góp phần đảm bảo an toàn thực phẩm và sức khỏe cộng đồng[2]. Như trên đã nói, phương pháp thông thường đang được áp dụng để phân tích hàm lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản và trong môi trường nước đó là phương pháp sắc ký kết hợp với khối phổ. Phương pháp có độ nhạy và độ chọn lọc cao tuy nhiên thời gian phân tích thường trải qua nhiều giai đoạn và tốn nhiều thời gian, vận hành thiết bị phức tạp, phân tích phải được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Thông thường, kể từ khi lấy mẫu đến khi có kết quả phân tích thời gian thường mất từ 1 tới 2 ngày. Đối với xuất-nhập khẩu nông sản: việc kéo dài thời gian phân tích đối với các sản phẩm nông sản tươi dẫn đến những phản ứng của doanh nghiệp xuất nhập khẩu do những thiệt hại về kinh tế gây ra. 4 Trước tình hình thời sự về vấn đề sử dụng tràn lan, thiếu kiểm soát các loại thuốc BVTV trong trồng trọt và bảo quản nông sản việc tìm ra các phương pháp khác bổ sung/thay thế phương pháp truyền thống là tất yếu. Yêu cầu của phương pháp thay thế là có thể xác định nhanh, dễ dàng dư lượng các thuốc BVTV nhằm phát hiện và ngăn chặn kịp thời các chất BVTV độc hại trong nông phẩm phù hợp với việc đo đạc ở hiện trường cũng như giám sát tại chỗ và trực tuyến các chất độc hại. Đây là một nhu cầu thực tế có ý nghĩa kinh tế-xã hội cao. Do vậy, nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học (biosensor) quan trắc các chất gây ô nhiễm môi trường (hợp chất hữu cơ, kim loại nặng và vi sinh vật gây bệnh) là một trong các nhiệm vụ ưu tiên triển khai. Với việc tận dụng các nguồn lực về con người và cơ sở vật chất đã được nhà nước đầu tư tại các đơn vị phối hợp cho thấy việc chế tạo hệ cảm biến sinh học đo tại thực địa nhằm kiểm soát dư lượng một số thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản và môi trường nước là nội dung có tính cấp thiết cho định hướng nghiên cứu này. 1.2. Nhóm chất BVTV họ lân hữu cơ Nhóm lân hữu cơ (organophosphorus) đều là các este, là các dẫn xuất hữu cơ của acid photphoric. Nhóm này có thời gian bán phân huỷ ngắn hơn so với nhóm Clo hữu cơ và được sử dụng rộng rãi hơn. Nhóm này tác động vào thần kinh của côn trùng bằng cách ngăn cản sự tạo thành men Cholinestaza làm cho thần kinh hoạt động kém, làm yếu cơ, gây choáng váng và chết. Có thể coi việc sử dụng hóa chất BVTV trong sản xuất nông nghiệp là một thành tựu khoa học giúp đảm bảo an ninh lương thực, an sinh xã hội. Tuy nhiên ngày nay việc sử dụng tràn lan chất BVTV và không tuân thủ quy trình sản xuất an toàn khiến tồn dư các chất BVTV trong các sản phẩm nông sản gây nguy hại cho sức khỏe người tiêu dùng. Việc kiểm soát dư lượng chất BVTV bằng các phương pháp và dụng cụ thích hợp không những góp phần đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người mà cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng thuốc hợp lý hơn. Về cơ bản, phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được sử dụng hiện nay để xác định dư lượng chất BVTV trong các sản phẩm nông sản 5 là phương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (GC/MS, LC/MS hoặc HPLC/MS-MS) [3, 4] sắc ký lỏng kết hợp UV-Vis [5]. Tuy nhiên, các phương pháp này có đặc điểm là thời gian phân tích lâu, phức tạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích, không thể thực hiện được ngoài hiện trường. Hình 1.1.Các phương pháp hiện được sử dụng để xác định thuốc bảo vệ thực vật (giai đoạn 2005 – 2011) Gần đây, xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme - ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) đã được ứng dụng để xác định dư lượng các chất BVTV dựa trên nguyên lý kháng nguyên – kháng thể [6, 7]. Kỹ thuật ELISA có độ nhạy cao, thao tác tương đối đơn giản, thời gian phân tích tương đối nhanh nhưng nhược điểm đó là kém chính xác trong các nền phức tạp, kém linh hoạt vì phải phụ thuộc vào hóa chất của nhà sản xuất. Do vậy, việc tìm ra các phương pháp phân tích mới thuận tiện hơn là mục tiêu của nhiều nghiên cứu trên thế giới. Thêm vào đó, để gia tăng tiện ích các nhà khoa học liên ngành đã và đang hướng tới chế tạo một bộ thiết bị phân tích hoàn chỉnh có khả năng đo trực tiếp tại hiện trường đồng thời truyền dẫn dữ liệu về trung tâm tạo lập hệ thống quan trắc tức thời tại mọi thời điểm. 1.3. Cảm biến sinh học điện hóa Cảm biến được coi là kỹ thuật nền tảng cho sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, được đánh giá là một trong mười công nghệ làm thay đổi cuộc sống[8]. Bên cạnh sự có mặt của các loại cảm biến trong các ngành công nghiệp, cảm biến ứng dụng trong đời sống như một thiết bị dân dụng, đã và đang hiện diện ngày một nhiều hơn trong cuộc sống. Đó có thể là các cảm biến 6 gia tốc, cảm biến ánh sáng, cảm biến khoảng cách, cảm biến lực và con quay hồi chuyển… trong các thiết bị di động thông minh; cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ… trong ôtô; cảm biến báo cháy, cảm biến chuyển động, cảm biến quang học trong văn phòng và gia đình v.v… Có thể thấy rằng, cảm biến đo lường các đại lượng vật lý đã có những bước phát triển mạnh mẽ với độ tin cậy cao, nhỏ gọn và giá thành ngày càng giảm. Trong khi đó, cảm biến sinh học vẫn còn ở những bước nghiên cứu khởi đầu, đòi hỏi sự đầu tư, nghiên cứu để biến các ý tưởng thành các sản phẩm ứng dụng, phục vụ đời sống[8, 9]. Năm 1962, lần đầu tiên khái niệm về cảm biến sinh học đã được L.C. Clark và C. Lyons đề cập đến trong báo cáo về chế tạo điện cực dùng enzym glucozơ oxidaza để định lượng glucozơ [10]. Từ đó tới nay, lĩnh vực cảm biến sinh học đã và đang tiếp tục thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học liên ngành (hóa học, vật lý, sinh học, khoa học vật liệu, cơ học, điện tử...) trên toàn thế giới. Cảm biến sinh học đã cho thấy tiềm năng có thể trở thành phương pháp phân tích mới, có triển vọng thay thế một phần hay toàn bộ cho các thiết bị và phương pháp phân tích truyền thống vốn có giá thành cao, tốn nhiều thời gian, vận hành phức tạp, sử dụng nhiều dung môi, hóa chất. Lĩnh vực ứng dụng của cảm biến sinh học đa dạng, nổi bật là trong chẩn đoán y-sinh học, kiểm soát môi trường, an toàn thực phẩm, an ninh, quốc phòng. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một cảm biến sinh học 7 Cảm biến sinh học ứng dụng trong xác định dư lượng chất BVTV là một nội dung đang nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp phát triển công nghệ. Mặc dù còn là chủ đề còn nhiều mới mẻ, nhưng các nghiên cứu gần đây đều cho thấy cảm biến sinh học ứng dụng trong dư lượng chất BVTV có độ nhạy rất cao cỡ picomol thậm chí là femtomol, thời gian phân tích nhanh, về mặt nguyên lý có thể tạo được các thiết bị phân tích nhỏ gọn, thao tác và hoạt động đơn giản. Với những bước phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học như sinh học phân tử, hiện nay đã có thể chế tạo được các đầu do sinh học như các kháng thể đơn dòng đặc hiệu với từng loại hoạt chất cho phép phân tích rất chọn lọc trong các nền mẫu phức tạp, đặc biệt là các loại hoạt chất có độc tính cao và bị cấm sử dụng. Số lượng công bố khoa học liên quan đến cảm biến sinh học xác định thuốc bảo vệ thực vật (pesticide biosensors) tăng rất nhanh qua các năm (Hình 1.3). Hình 1.3. Số các công bố khoa học liên quan đến chủ điểmcảm biến sinhhọc xác định thuốc BVTV từ 1989 tới 2011(theo thống kê của Thomson Reuters Web of Science) [11] Từ các nghiên cứu cơ bản đến một sản phẩm công nghệ cụ thể đòi hỏi những đầu tư một cách bài bản và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực. Nếu theo dõi các công bố trong vòng vài năm trở lại đây chúng ta sẽ tìm được trên 10.000 công 8 trình thuộc hệ thống ISI, có nội dung liên quan đến cảm biến sinh học. Các nghiên cứu này phát triển theo hai xu hướng tạm gọi là “phần cứng” (hardware) và “phần mềm” (software): (1) Chiến lược phát triển “phần mềm” tập trung chủ yếu vào quá trình cô lập (isolation), nhận biết (recognition) và khuếch đại cả về độ chọn lọc và cường độ của các tín hiệu (do các phản ứng sinh hóa đặc trưng giữa enzymcơ chất; kháng nguyên-kháng thể… gây nên). (2) Sự phát triển “phần cứng” bao gồm việc thiết kế các vi thiết bị hiệu quả hơn, đồng thời tối ưu hóa quá trình chế tạo và tích hợp các thiết bị này trên các vật liệu tương sinh. Song song với quá trình này là việc cải tiến phương pháp đóng gói (packaging) các hệ này cũng như giao thức tương tác với thiết bị bên ngoài. Từ những qua thử nhanh đơn giản có tính định tính hoặc bán định lượng, việc phát triển các bộ công cụ hiệu quả có khả năng phân tích định lượng chính xác với độ chính xác, đặc hiệu cao là nhu cầu tất yếu. Việc kết hợp sử dụng các kỹ thuật khác nhau nhằm tạo ra một bộ thiết bị hoàn chỉnh có khả năng định lượng chất BVTV trong môi trường và thực phẩm là một yêu cầu vừa có tính khoa học và thực tiễn. Những thành công của bộ đo đường huyết theo nguyên lý điện hóa đang được bán rộng rãi trên thị trường là một kết quả vô cùng khích lệ cho các nhà nghiên cứu cũng như phát triển công nghệ hướng tới một thị trường tiềm năng, gia tăng tiện ích, góp phần cho cuộc sống ngày một bền vững hơn. Nếu dựa trên sự phân loại phần tử nhận biết sinh học (bio-recognition elements) thì cảm biến sinh học gồm[8]: cảm biến với đầu dò enzyme, cảm biến với đầu dò tế bào, cảm biến với đầu dò kháng thể (cảm biến miễn dịch) và cảm biến với đầu dò ADN (Hình 1.4). Trong đó, cảm biến với đầu dò enzyme và cảm biến miễn dịch được quan tâm nhiều hơn cả, với khoảng 40-50% số nghiên cứu dựa trên cơ chế ức chế enzyme [12]. Đây là các dạng đầu dò có khả năng tiến tới các sản phẩm thương mại trong thời gian gần. Một số các kỹ thuật mới gần đây như kỹ thuật tạo khuân phân tử MIP, cảm biến aptame cũng đã được báo cáo. 9 Hình 1.4. Các mô hình cảm biến sinh học xác định chất BVTVđang được nghiên cứu [12] Có nhiều nguyên lý đo các tín hiệu được tạo ra do sự tương tác giữa thành phần sinh học và hoạt chất BVTV như nguyên lý quang học với các kỹ thuật có độ nhạy cao như cộng hưởng plasmon bề mặt SPR, phổ raman tăng cường bề mặt SERS; hay nguyên lý điện hóa với các kỹ thuật đo phổ tổng trở, con-ampe xung vi phân, sóng vuông, hay ứng dụng nguyên lý transito hiệu ứng trường... Hiện nay, phần tử chuyển đổi tín hiệu theo nguyên lý quang học và điện hóa được sử dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng cảm biến sinh học. Lợi thế của nguyên lý quang học trong chế tạo cảm biến đó là độ nhạy cao và có khả năng nghiên cứu sâu về các quá trình sinh học phân tử. Tuy nhiên giá thành kỹ thuật quang học còn khá đắt do kỹ thuật chế tạo còn phức tạp, việc thu gọn kích thước gặp nhiều trở ngại; thêm vào đó, việc bảo quản các hệ quang học trong điều kiện thời tiết nhiệt đới như ở Việt Nam có nhiều khó khăn. Do đó sử dụng phần tử chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa đã được chúng tôi lựa chọn để chế tạo cảm biến sinh học. 1.3.1. Cảm biến Enzyme Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự ức chế mạnh một số loại enzyme khi có mặt một số loại thuốc BVTV, trên cơ sở sự giảm hoạt tính của enzyme, xác định được hàm lượng chất BVTV trong đối tượng phân tích (Hình 1.5). 10 Hình 1.5. Mô hình ức chế xúc tác enzyme của thuốc BVTV. Hình phía trên: khi không có chất BVTV; Hình phía dưới: khi có chất BVTV [13] Tiêu biểu có thể kể đến nhóm lân hữu cơ (organophosphorus), carbamate gây ức chế mạnh men Cholinesterase (ChE), Acetylcholinesterase (AChE) [1416], Butyrylcholinesterase (BChE) [17, 18], Enzyme Tyrosinase bị ức chế bởi các chất BVTV như Carbamate và Atrazine [19-21]. Một loại enzyme khác là organophosphorus hydrolase có khả năng thủy phân một số hoạt chất thuộc nhóm lân hữu cơ như paraoxon, parathion, methyl parathion cũng đã được nghiên cứu [22, 23]. a. Cảm biến sinh học dựa trên sự ức chế enzyme Cholinesterase và Acetylcholinesterase Mặc dùđộđặc hiệu của cảm biến enzyme này còn hạn chế, nhưng đây đượccho là công cụ mạnh mẽkhi phát hiện nhanh và nhạy nhóm lân hữu cơ (OP) và carbamate (CM). Hình 1.6. Mô hình ức chế enzyme AChE trong xác định chất BVTV 11
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan