Bước đột phá trong an toàn thực phẩm: CEO KINGPO, Chao Zhang, hướng dẫn sinh viên cao học công bố bài báo trên tạp chí SCI Q2 về phương pháp phát hiện thuốc trừ sâu nhanh chóng trong trà.

Đông Quan, Trung Quốc – 25 tháng 10 năm 2024 – Trong một bước tiến quan trọng về công nghệ an toàn thực phẩm, Chao Zhang (còn được biết đến với tên Bruce Zhang), Giám đốc điều hành của KINGPO và là người hướng dẫn luận văn tốt nghiệp tại Trường Kỹ thuật Điện tử và Trí tuệ Nhân tạo, Đại học Công nghệ Đông Quan, đã dẫn dắt nhóm nghiên cứu của mình công bố một bài báo đột phá trên tạp chí khoa học. Tạp chí Phân tích và Thành phần Thực phẩm (SCI Q2, Hệ số ảnh hưởng ~3.8). Nghiên cứu có tiêu đề “Phát hiện nhanh chóng và nhạy bén dư lượng thuốc trừ sâu trong trà thật bằng đầu dò SERS sợi quang” đã chứng minh một phương pháp đột phá để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trực tiếp trong trà mà không cần chuẩn bị mẫu phức tạp. Công trình này làm nổi bật chuyên môn của Zhang trong lĩnh vực quang điện tử và cam kết của ông trong việc hướng dẫn thế hệ các nhà khoa học tiếp theo, kết hợp tính nghiêm túc trong học thuật với các ứng dụng thực tiễn trong kiểm soát chất lượng thực phẩm.

Là một nhà lãnh đạo giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử và trí tuệ nhân tạo, Chao Zhang đã hướng dẫn nhiều nghiên cứu sinh, thúc đẩy nghiên cứu liên ngành nhằm giải quyết các thách thức thực tiễn. Trong dự án này, Zhang hợp tác với tác giả chính Chengbin Cai và các đồng tác giả bao gồm Fei Zhou, Rang Chu, Hai Ye, Lingling Shui và Ye Liu, tất cả đều thuộc Đại học Công nghệ Đông Quan và các tổ chức liên quan. Nghiên cứu này, được chấp nhận vào ngày 8 tháng 7 năm 2024 và được công bố trực tuyến ngay sau đó, nhấn mạnh vai trò của trường đại học trong việc thúc đẩy các công nghệ kỹ thuật cơ sở hạ tầng đô thị thông qua Phòng thí nghiệm trọng điểm cấp tỉnh Quảng Đông.

Những đổi mới cốt lõi và phương pháp luận

Bài báo này đề cập đến một vấn đề quan trọng trong việc tiêu thụ trà: sự hiện diện của dư lượng thuốc trừ sâu trong nước trà, có thể gây ra rủi ro cho sức khỏe bất chấp những lợi ích dinh dưỡng của trà như polyphenol và caffeine. Các phương pháp phát hiện truyền thống, chẳng hạn như sắc ký khí khối phổ (GC-MS) hoặc sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), đòi hỏi quá trình xử lý mẫu tốn thời gian và chuyên môn cao, hạn chế việc sử dụng chúng cho việc kiểm tra nhanh chóng tại chỗ.

Nhóm nghiên cứu của Zhang đã giới thiệu một phương pháp phát hiện tại chỗ mới sử dụng quang phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) tích hợp với đầu dò sợi quang. Những điểm nổi bật chính bao gồm:

Chế tạo đầu dò:

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các đầu dò SERS sợi quang hiệu suất cao được tạo hình bằng các cụm nanorod vàng (AuNR) bằng phương pháp tự lắp ráp bay hơi cảm ứng laser (LIESAM). Quá trình tự động này bao gồm việc nhúng và kéo các sợi silica đa mode qua dung dịch keo AuNR dưới tác động của laser, được tối ưu hóa ở 17 chu kỳ để đạt được số điểm nóng SERS tối đa. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) đã xác nhận sự phân bố đồng đều của các cụm AuNR, cung cấp nhiều vị trí tăng cường cho tín hiệu Raman. (Hình 2c cho thấy hình ảnh SEM điển hình của mặt sợi được tối ưu hóa với các cụm AuNR được đóng gói dày đặc.)

Quy trình phát hiện tại chỗ:

Các đầu dò được nhúng trực tiếp vào các mẫu nước trà bị nhiễm bẩn được pha chế bằng cách ngâm lá trà xanh đã phun thuốc trừ sâu. Không cần các bước chiết xuất hoặc cô đặc, cho phép thực hiện phép đo “nhúng-sấy khô-nhúng” bằng máy quang phổ Raman cầm tay (kích thích 785 nm, thời gian tích hợp 500 ms). (Hình 1a minh họa sơ đồ chuẩn bị các mẫu nước trà bị nhiễm bẩn; Hình 1b cho thấy thiết lập thí nghiệm để phát hiện SERS.)

Thuốc trừ sâu mục tiêu:

Phương pháp này đã được thử nghiệm trên thiram (một loại thuốc diệt nấm) và paraquat (một loại thuốc diệt cỏ), thường được sử dụng trong sản xuất trà. Phổ SERS cho thấy các đỉnh đặc trưng riêng biệt, cho phép nhận dạng chọn lọc trong ma trận phức tạp các chất dinh dưỡng như caffeine và catechin của nước trà. (Hình 3a so sánh phổ SERS của nước trà sạch và nước trà bị nhiễm paraquat, làm nổi bật các đỉnh ở 837, 1191, 1292, 1534 và 1647 cm⁻¹ đối với paraquat; Hình 3b chứng minh khả năng tái tạo phổ với RSD là 6.1% ở 1647 cm⁻¹.)

Kỹ thuật này tận dụng khả năng thu tín hiệu tích hợp của các đầu dò sợi quang, giảm thiểu nhiễu từ các thành phần trong trà đồng thời khuếch đại tín hiệu thuốc trừ sâu thông qua tăng cường điện từ từ các điểm nóng AuNR.

Kết quả và hiệu suất chính

Nghiên cứu đã đạt được độ nhạy và độ tin cậy ấn tượng:

Giới hạn phát hiện (DL):

Giới hạn phát hiện là 1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) đối với thiram và 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) đối với paraquat, vượt trội hơn nhiều phương pháp SERS trước đây dựa trên chiết xuất từ ​​lá trà hoặc bột trà. Các giới hạn này được xác định là nồng độ thấp nhất mà các đỉnh đặc trưng (ví dụ: 1369 cm⁻¹ đối với thiram, 1647 cm⁻¹ đối với paraquat) vẫn có thể nhận biết được. (Hình 4a và 4c hiển thị phổ SERS phụ thuộc vào nồng độ của paraquat và thiram; Hình 4b và 4d hiển thị đường cong hiệu chuẩn log-log.)

Phân tích định lượng:

Đường cong hiệu chuẩn log-log cho thấy tính tuyến tính mạnh (R² = 0.990 đối với paraquat, 0.982 đối với thiram) trên phạm vi nồng độ 0.01–0.2 mg/kg đối với paraquat và 0.001–0.1 mg/kg đối với thiram, cho phép định lượng chính xác. (Bảng 1 so sánh điều này với các tài liệu tham khảo, lưu ý rằng giới hạn phát hiện (DL) thấp hơn và thời gian tích hợp ngắn hơn so với các công trình như của Chen et al., 2020 và He et al., 2021.)

Khả năng tái tạo và độ chính xác:

Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) của cường độ đỉnh thấp hơn 10% trên nhiều đầu dò, cho thấy tính nhất quán cao. Thí nghiệm tỷ lệ thu hồi trên các mẫu được thêm chất chuẩn (paraquat ở nồng độ 0.15 và 0.08 mg/kg; thiram ở nồng độ 0.08 và 0.03 mg/kg) cho độ chính xác từ 86.7–110.0%, với RSD dưới 10%, xác nhận độ chính xác của phương pháp trong súp trà thực tế. Tỷ lệ thu hồi cụ thể bao gồm 91.3–108.7% đối với paraquat ở nồng độ 0.15 mg/kg (RSD 7.1%) và 86.7–110.0% đối với thiram ở nồng độ 0.03 mg/kg (RSD 9.8%). (Hình 5a–d hiển thị phổ SERS từ các thử nghiệm thu hồi cho mỗi nồng độ được thêm vào; Bảng 2 trình bày chi tiết nồng độ dự đoán, tỷ lệ thu hồi và RSD.)

Phát hiện đồng thời:

Phương pháp này đã phát hiện thành công dư lượng hỗn hợp thiram và paraquat ở nồng độ 0.1 mg/kg mỗi loại, với các đỉnh đặc trưng vẫn hiển thị mặc dù có sự cạnh tranh hấp phụ, tuy nhiên cường độ bị giảm (ví dụ: đỉnh 1647 cm⁻¹ của paraquat giảm từ 4355 xuống 3249 số đếm). Điều này chứng tỏ có đủ điểm nóng để phân tích đa dư lượng trong chất lỏng phức tạp. (Hình 6 so sánh phổ SERS của dư lượng hỗn hợp (màu đen) với paraquat đơn lẻ (màu đỏ) và thiram (màu xanh); Bảng 3 tóm tắt hiệu suất, bao gồm RSD 6.1% đối với paraquat, phạm vi tuyến tính và tỷ lệ thu hồi.)

So sánh với các tài liệu nghiên cứu cho thấy ưu điểm vượt trội của phương pháp này: giới hạn phát hiện thấp hơn, thời gian phát hiện ngắn hơn và không cần xử lý sơ bộ, lý tưởng cho các ứng dụng thực địa.

Kết luận và tác động rộng hơn

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng phương pháp đầu dò SERS sợi quang này cung cấp một giải pháp nhanh chóng, không cần chất đánh dấu và có độ nhạy cao để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trong các thực phẩm dạng lỏng phức tạp như súp trà. Bằng cách loại bỏ quá trình chiết xuất mẫu, phương pháp này giúp giảm thời gian phân tích và cải thiện độ tin cậy, có khả năng mở rộng sang các loại đồ uống khác hoặc giám sát môi trường. Công trình này nhấn mạnh tính phổ quát của đầu dò đối với nhiều chất phân tích khác nhau và tính khả thi trong việc phát hiện đồng thời nhiều dư lượng, mở đường cho các công cụ thực tiễn trong việc thực thi an toàn thực phẩm. Hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm kết hợp trí tuệ nhân tạo với Ứng dụng SERS để tăng cường khả năng nhận dạng nhiều gốc dư lượng trong hệ thống phức tạp.s.

Dưới sự hướng dẫn của ông Chao Zhang, ấn phẩm này không chỉ thúc đẩy công nghệ SERS mà còn trang bị cho sinh viên cao học kinh nghiệm thực tiễn trong nghiên cứu đổi mới. Là Giám đốc điều hành của KINGPO, ông Zhang đóng vai trò cầu nối giữa giới học thuật và công nghiệp, ứng dụng những đột phá này để phát triển các thiết bị phát hiện thông minh. Thành tựu này phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm toàn cầu, chẳng hạn như của Tổ chức Y tế Thế giới, và thể hiện những đóng góp có uy tín của Đại học Công nghệ Đông Quan trong công tác phòng chống thiên tai thông minh và kỹ thuật đô thị.

Để biết thêm chi tiết, toàn văn bài báo có sẵn tại DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. Sự hướng dẫn liên tục của Zhang hứa hẹn sẽ mang lại những đổi mới hơn nữa trong lĩnh vực cảm biến quang điện tử, củng cố niềm tin vào các giải pháp an toàn thực phẩm dựa trên khoa học.

Phát hiện nhanh chóng và nhạy bén dư lượng thuốc trừ sâu trong nước dùng trà thực tế bằng đầu dò SERS sợi quang.