Cảm biến nano phát hiện nhanh hóa chất độc hại

Các nhà nghiên cứu tại Viện Karolinska của Thụy Điển đã phát triển một cảm biến siêu nhỏ để phát hiện thuốc trừ sâu trên trái cây chỉ trong vòng vài phút.

Nhiều sản phẩm nông nghiệp chứa dư lượng thuốc trừ sâu độc hại.

Mặc dù còn ở giai đoạn đầu nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng những cảm biến nano này có thể giúp phát hiện chất cấm trước khi thực phẩm được tiêu thụ.

Vấn nạn dư lượng thuốc trừ sâu

Vừa qua, nhóm Công tác Môi trường (EWG) tại Mỹ đã công bố danh sách đồ ăn không sạch hàng năm. Danh sách này bao gồm các loại rau quả tươi bị nhiễm thuốc trừ sâu nhiều nhất dựa trên các cuộc kiểm tra của Bộ Nông nghiệp và Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm. Dâu tây, rau bina, rau lá xanh, táo, nho và quả xuân đào là những loại quả xếp đầu bảng.

Trước tình trạng thực phẩm bẩn ngày càng trở nên nghiêm trọng, Mạng lưới Hành động Thuốc trừ sâu (PAN) châu Âu đã thực hiện một nghiên cứu kéo dài 9 năm với dữ liệu của chính phủ, phân tích 100 nghìn mẫu quả phổ biến được trồng tại nhà.

Nghiên cứu cho thấy, 1/3 số táo và 1/2 số quả mâm xôi được khảo sát có dư lượng thuốc trừ sâu độc hại nhất. Một số chất trong đó có liên quan đến các bệnh như ung thư, bệnh tim và gây dị tật bẩm sinh.

Nhà nghiên cứu chính Georgios Sotiriou tại Khoa Vi sinh, Khối u và Tế bào thuộc Viện Karolinska (Thụy Điển) cho biết, có tới một nửa trái cây được bán ở EU chứa dư lượng thuốc trừ sâu.

Ông Sotiriou và đồng nghiệp tại Viện Karolinska đã phát triển một cảm biến siêu nhỏ để phát hiện thuốc trừ sâu trên trái cây chỉ trong vài phút. Được mô tả trên tạp chí Advanced Science, kỹ thuật trên sử dụng các hạt nano bạc đã được phun lửa để tăng tín hiệu của hóa chất.

Nhà nghiên cứu Georgios Sotiriou (bên trái) và Haipeng Li.

Dựa trên một khám phá từ những năm 1970

Sáng kiến trên mới ở giai đoạn đầu, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng những cảm biến nano có thể giúp phát hiện ra thuốc trừ sâu thực phẩm trước khi tiêu thụ.

“Các kỹ thuật hiện tại nhằm phát hiện thuốc trừ sâu trên các sản phẩm đơn lẻ trước khi tiêu thụ thực tế bị hạn chế vì chi phí cao và việc chế tạo ra các cảm biến khá cồng kềnh.

Để khắc phục điều này, chúng tôi đã phát triển các cảm biến nano có thể tái tạo và chi phí thấp để theo dõi dấu vết của thuốc trừ sâu trên trái cây tại cửa hàng”, tác giả Sotiriou cho biết.

Các cảm biến nano mới dựa trên một khám phá từ những năm 1970 được gọi là SERS (tán xạ Raman tăng cường bề mặt). Đây là một kỹ thuật cảm biến mạnh mẽ có thể “tăng tín hiệu chẩn đoán của các phân tử sinh học trên bề mặt kim loại lên hơn 1 triệu lần”.

Mặc dù công nghệ trên đã được sử dụng trong một số lĩnh vực nghiên cứu nhưng chi phí sản xuất cao và khả năng tái tạo sản xuất hàng loạt hạn chế đã cản trở nó được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán an toàn thực phẩm.

Sử dụng kỹ thuật phun lửa

Hiện, các nhà khoa học tạo ra được cảm biến nano SERS bằng cách sử dụng kỹ thuật phun lửa (đây là một kỹ thuật hiệu quả và tiết kiệm để tạo lớp phủ kim loại).

Cảm biến nano mạnh mẽ có thể phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trên bề mặt táo trong vòng vài phút.

Ngọn lửa được phun ra sẽ phân phối những giọt nhỏ của các hạt nano bạc lên bề mặt thủy tinh. Việc phun lửa này có thể được dùng để mau chóng tạo ra các màng SERS đồng nhất trên các khu vực rộng lớn.

Khoảng cách giữa các hạt nano bạc riêng lẻ đã được hiệu chỉnh để nâng cao độ nhạy của chúng. Để kiểm tra khả năng của các hạt này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm các cảm biến phát hiện các tín hiệu phân tử cho kết quả chính xác.

Hiệu suất làm việc của cảm biến cũng được kéo dài với thời gian gần 3 tháng. Điều này cho thấy tiềm năng về thời hạn sử dụng và tính khả thi để có thể sản xuất quy mô lớn.

Thành công trên thực tế

Ở giai đoạn tiếp theo, ứng dụng của cảm biến đã được thử nghiệm trên thực tế. Các nhà nghiên cứu đã tinh chỉnh chúng để phát hiện nồng độ thấp của parathion-ethyl – một loại thuốc trừ sâu nông nghiệp độc hại bị cấm hoặc hạn chế ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.

Một lượng nhỏ parathion-ethyl đã được nhỏ lên một phần của quả táo. Sau đó nó được thấm vào tăm bông rồi nhúng vào dung dịch hòa tan các phân tử thuốc trừ sâu. Sau đó dung dịch này được thả vào cảm biến để xác nhận sự hiện diện của thuốc trừ sâu.

Nhà khoa học Heipeng Li - đồng tác giả công trình nghiên cứu cho biết: “Các cảm biến của chúng tôi có thể phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trên bề mặt quả táo trong thời gian 5 phút mà không làm hỏng trái cây. Tuy nhiên, việc này cần được xác nhận trong các nghiên cứu lớn hơn”.

Ở bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ tìm hiểu để mở rộng ứng dụng cho cảm biến nano trong những lĩnh vực khác.

Nghiên cứu trên do Hội đồng Nghiên cứu châu Âu (ERC), Học viện Karolinska, Quỹ Nghiên cứu Chiến lược Thụy Điển (SSF) và Hội đồng Nghiên cứu Thụy Điển tài trợ.

Theo IE