Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại ngày càng phụ thuộc vào hóa chất bảo vệ thực vật, việc kiểm soát dư lượng các hợp chất độc hại trong môi trường đang trở thành một yêu cầu cấp thiết. Một trong những hợp chất gây tranh cãi nhiều nhất hiện nay chính là glyphosate – loại thuốc diệt cỏ phổ biến hàng đầu thế giới. Trước những lo ngại về tác động lâu dài của chất này đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái, các nhà khoa học Việt Nam đã có bước tiến đáng chú ý khi phát triển thành công cảm biến điện hóa có khả năng phát hiện glyphosate ở nồng độ cực thấp.

Công trình nghiên cứu do nhóm chuyên gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực hiện không chỉ góp phần nâng cao năng lực giám sát môi trường trong nước mà còn cho thấy Việt Nam đang dần bắt kịp xu hướng nghiên cứu tiên tiến trên thế giới trong lĩnh vực cảm biến hóa học.

Glyphosate – “con dao hai lưỡi” của nền nông nghiệp hiện đại

Glyphosate được đưa vào sử dụng từ những năm 1970 và nhanh chóng trở thành một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi nhất toàn cầu. Nhờ hiệu quả cao trong việc tiêu diệt cỏ dại, đặc biệt là các loài kháng thuốc, glyphosate đã góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp ở nhiều quốc gia.

Tuy nhiên, chính đặc tính hóa học của hợp chất này lại là nguyên nhân khiến nó trở thành mối lo ngại lớn. Trong cấu trúc phân tử của glyphosate tồn tại liên kết carbon–phospho rất bền vững, khiến hợp chất này khó bị phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Điều này dẫn đến hiện tượng tích tụ lâu dài trong đất, nước và thậm chí cả trong chuỗi thực phẩm.

Nhiều nghiên cứu khoa học quốc tế đã chỉ ra rằng việc tiếp xúc kéo dài với glyphosate có thể gây ra những rủi ro nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. Các nguy cơ được ghi nhận bao gồm ảnh hưởng đến hệ sinh sản, gia tăng khả năng dị tật bẩm sinh, và thậm chí có thể liên quan đến biến đổi gene. Không chỉ dừng lại ở đó, glyphosate còn gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, đặc biệt là sinh vật thủy sinh khi nồng độ vượt ngưỡng cho phép.

Trong bối cảnh đó, việc theo dõi và phát hiện dư lượng glyphosate trong môi trường nước và đất không chỉ là yêu cầu khoa học mà còn là nhiệm vụ cấp thiết trong quản lý nông nghiệp và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Thách thức trong các phương pháp phân tích truyền thống

Hiện nay, việc phát hiện glyphosate chủ yếu dựa vào các phương pháp phân tích hiện đại như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), sắc ký khí (GC) hay các kỹ thuật kết hợp khối phổ như LC-MS/MS. Đây đều là những phương pháp có độ chính xác cao và được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại nhiều hạn chế. Trước hết, hệ thống thiết bị đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp và yêu cầu kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn cao. Ngoài ra, quy trình xử lý mẫu thường kéo dài, khiến việc triển khai rộng rãi trong thực tế – đặc biệt là ở các địa phương – gặp nhiều khó khăn.

Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về một giải pháp thay thế có thể vừa đảm bảo độ chính xác, vừa đơn giản, tiết kiệm và phù hợp với điều kiện thực địa.

Cảm biến điện hóa – hướng tiếp cận mới đầy tiềm năng

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư, Tiến sĩ Vũ Thị Thu Hà chủ trì đã phát triển một loại cảm biến điện hóa dựa trên vật liệu khung cơ kim (MOF – Metal-Organic Framework). Đây là loại vật liệu tiên tiến với cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao, rất phù hợp cho các ứng dụng trong phân tích hóa học.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng hai loại vật liệu chính là CuBTC và Zr-CuBTC. Đặc biệt, vật liệu Zr-CuBTC được đánh giá cao nhờ khả năng “bắt giữ” phân tử glyphosate vượt trội.

Việc thay thế một phần nguyên tử đồng (Cu) bằng zirconi (Zr) giúp mở rộng cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho glyphosate thâm nhập và bám trên bề mặt cảm biến. Không chỉ vậy, sự thay đổi này còn cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện – yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của cảm biến điện hóa.

Kết quả đo cho thấy điện trở truyền điện của vật liệu giảm mạnh, từ hơn 2.400 ohm xuống còn khoảng 700 ohm. Điều này đồng nghĩa với việc tín hiệu điện hóa được truyền tải hiệu quả hơn, giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác của thiết bị.

Phát hiện siêu nhạy ở nồng độ cực thấp

Một trong những điểm nổi bật của cảm biến Zr-CuBTC là khả năng phát hiện glyphosate ở nồng độ cực thấp – chỉ khoảng 9,0 × 10⁻¹³ mol/lít. Đây là mức độ nhạy rất cao, cho phép phát hiện các dấu vết nhỏ nhất của hợp chất trong môi trường nước.

Không chỉ có độ nhạy ấn tượng, cảm biến còn thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội khác như thời gian phản hồi nhanh (chỉ khoảng vài giây), độ lặp lại tốt và khả năng chọn lọc cao. Đặc biệt, thiết bị hầu như không bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu thường có trong mẫu nước tự nhiên.

Điều này cho thấy cảm biến hoàn toàn có thể được sử dụng trong các điều kiện môi trường thực tế mà không cần xử lý mẫu quá phức tạp.

Tăng cường hiệu suất bằng công nghệ nano

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục cải tiến vật liệu bằng cách kết hợp với các hạt nano vàng (AuNPs). Đây là bước tiến quan trọng nhằm khắc phục hạn chế về khả năng dẫn điện của vật liệu MOF truyền thống.

Việc tích hợp nano vàng giúp tăng cường đáng kể khả năng dẫn điện và hoạt tính xúc tác điện hóa của cảm biến. Nhờ đó, tín hiệu đo được trở nên mạnh hơn và ổn định hơn.

Phiên bản cảm biến mới – CuBTC/AuNPs – đạt giới hạn phát hiện khoảng 4,4 × 10⁻¹¹ mol/lít. Dù ngưỡng này cao hơn một chút so với phiên bản trước, nhưng bù lại, thiết bị có độ ổn định và độ bền cao hơn, phù hợp với các ứng dụng thực tế dài hạn.

Kiểm chứng thực tế: Từ phòng thí nghiệm đến môi trường tự nhiên

Một điểm đáng chú ý của nghiên cứu là việc không chỉ dừng lại ở thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mà còn được kiểm chứng trên mẫu nước thực tế, cụ thể là tại sông Hồng.

Kết quả phân tích từ cảm biến điện hóa cho thấy sự tương đồng cao với phương pháp LC-MS/MS – một trong những kỹ thuật phân tích hiện đại và chính xác nhất hiện nay. Điều này khẳng định độ tin cậy của thiết bị và mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Việc có thể thực hiện phân tích trực tiếp tại hiện trường mà không cần mang mẫu về phòng thí nghiệm là một lợi thế lớn, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí đáng kể.

Giải pháp phù hợp cho giám sát môi trường tại Việt Nam

Theo nhóm nghiên cứu, cảm biến sau khi chế tạo có thể được bảo quản trong điều kiện hút ẩm trong khoảng 24 giờ mà vẫn giữ được hiệu suất ổn định. Điều này cho phép thiết bị dễ dàng được vận chuyển và sử dụng tại hiện trường.

Với thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và thao tác đơn giản, cảm biến điện hóa này đặc biệt phù hợp với các đơn vị quản lý môi trường ở địa phương. Không cần hệ thống máy móc cồng kềnh hay nhân lực trình độ cao, cán bộ kỹ thuật vẫn có thể sử dụng thiết bị để kiểm tra nhanh chất lượng nước.

Ngoài ra, việc triển khai rộng rãi các thiết bị như vậy còn giúp giảm tải cho các phòng thí nghiệm, đồng thời cung cấp dữ liệu kịp thời cho cơ quan quản lý trong việc giám sát và kiểm soát ô nhiễm.

Ý nghĩa khoa học và triển vọng ứng dụng

Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị ứng dụng thực tiễn mà còn mang ý nghĩa khoa học quan trọng. Việc làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu MOF và tích hợp nano vàng cho thấy năng lực nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam đã đạt đến trình độ cao, có thể cạnh tranh trên trường quốc tế.

Công trình đã được công bố trên nhiều tạp chí khoa học uy tín, góp phần khẳng định vị thế của Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tiên tiến và cảm biến môi trường.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục tối ưu hóa cảm biến nhằm nâng cao độ bền, kéo dài thời gian bảo quản và mở rộng khả năng phát hiện sang các loại hóa chất độc hại khác.

Hướng tới nền nông nghiệp an toàn và bền vững

Sự ra đời của cảm biến điện hóa phát hiện glyphosate không chỉ là một bước tiến về công nghệ mà còn là giải pháp thiết thực góp phần xây dựng nền nông nghiệp an toàn và bền vững.

Trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh chuyển đổi sang mô hình nông nghiệp xanh, giảm thiểu hóa chất độc hại, việc có công cụ giám sát hiệu quả sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và tăng khả năng cạnh tranh của nông sản trên thị trường quốc tế.

Đồng thời, thiết bị cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các cơ quan chức năng thực thi các quy định về bảo vệ môi trường, từ đó góp phần xây dựng một hệ sinh thái cân bằng và bền vững.

Nguồn: Tổng hợp