Nghiên cứu chế tạo thiết bị cầm tay xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật tích hợp cảm biến nano sinh học và công nghệ truyền dữ liệu không dây GPRS

Tóm tắt
Trong sản xuất nông nghiệp, 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, việc kiểm soát sử dụng thuốc BVTV đặc biệt trong các sản phẩm nông sản đã trở thành một vấn đề có tính toàn cầu. Do đó, bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu phát triển thiết bị cầm tay xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật tích hợp cảm biến nano sinh học và công nghệ truyền dữ liệu không dây GPRS.

Hình 1. Mô tả một số kit thử nhanh

1. Cảm biến sinh học là gì?

Năm 1962, lần đầu tiên khái niệm về cảm biến sinh học hiện đại đã được Giáo sư 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. Từ đó tới nay, chủ điểm cảm biến sinh học đã trở thành một trong những nội dung nghiên cứu nổi bật thu hút được nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển công nghệ thuộc nhiều lĩnh vực tham gia.

Một cách cơ bản có thể hiểu cảm biến sinh học hoạt động dựa trên việc đo (trực tiếp hoặc gián tiếp) các tương tác giữa thành phần sinh học (phần từ dò) được gắn kết trên bề mặt cảm biến với tác nhân cần phát hiện (phần tử đích). Thành phần sinh học được sử dụng chủ yếu là enzym, ADN, ARN, kháng nguyên-kháng thể. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết một loại đối tượng phân tích; nếu không phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. Chính vì vậy mà cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao. Dựa vào bản chất của thành phần nhận biết sinh học mà có thể phân biệt các loại cảm biến đó là cảm biến enzym (enzyme sensor), cảm biến ADN (DNA sensor), cảm biến miễn dịch (immunosensor) hay cảm biến aptame (aptasensor). Tương tác giữa thành phần sinh học và tác nhân cần phát hiện sẽ gây ra sự thay đổi các tín hiệu hoá-sinh và được nhận biết bằng các kỹ thuật vật lý khác nhau như quang học, điện hóa, khối lượng, từ trường... Đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhạy và tính hiệu quả của cảm biến. Mỗi kỹ thuật đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào những điều kiện cụ thể mà có thể áp dụng riêng rẽ các kỹ thuật hoặc kết hợp chúng lại để đem lại hiệu quả tối ưu [1].

Nguyên lý đo điện hóa và nguyên lý quang học là hai cách tiếp cận khá thành công trong chế tạo cảm biến sinh học dân dụng. Sản phẩm que thử nhanh dựa theo nguyên lý chỉ thị màu có thể quan sát được bằng mắt thường là một dạng cảm biến đơn giản mà hiệu quả đã được ứng dụng như sản phẩm thương mại. Que thử dạng kiểm tra nhanh có cấu tạo và cách sử dụng rất đơn giản chỉ dưới dạng một “que nhúng” có kích thước 2x7cm, cho kết quả nhanh từ 5-10 phút, có thể sử dụng để kiểm tra tại hiện trường.

2. Ứng dụng cảm biến nano sinh học trong xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật

Việc kiểm soát dư lượng thuốc bảo vệ thực vật (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 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.

Hình 2. Mô hình nguyên lý của cảm biến sinh học

Năm 1962, mô hình cảm biến sinh học (biosensor) đầu tiên được giáo sư L.C. Clark và C. Lyons giới thiệu ứng dụng trong phân tích hàm lượng glucose. Mô hình cảm biến sinh học (hình 2) có thể được mô tả gồm 2 thành phần cốt lõi đó là phần tử nhận biết sinh học  (bio-regconition elements) được gắn kết với phần tử chuyển đổi tín hiệu vật lý (transducer). Phần tử nhận biết sinh học ở đây có thể là enzyme, kháng nguyên-kháng thể hoặc axit nucleic.

Ưu điểm nổi bật của cảm biến sinh học đó là khả năng phân tích nhanh chóng, có độ nhạy, độ đặc hiệu cao, kích thước nhỏ gọn, tiện dụng, có thể không cần sử dụng chất đánh dấu (label-free), rất ít hoặc không cần sử dụng thêm dung môi-hóa chất khi tiến hành phân tích, đặc biệt thích hợp trong phân tích hiện trường.

Nếu dựa trên sự phân loại phần tử nhận biết sinh học (bio-recognition elements) thì cảm biến sinh học gồm: 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. Trong đó, cảm biến với đầu dò enzyme và cảm biến miễn dịch được quan tâm nhiều hơn cả, trong đó cảm biến miễn dịch được chú trọng phát triển bởi tính đặc hiệu cao của liên kết kháng nguyên-kháng thể; từ đo thiết bị phân tích có độ chọn lọc cao, độ nhạy cao và dễ dàng giảm kích thước hoạt động.

Cảm biến miễn dịch: sử dụng kháng thể để nhận biết và liên kết đặc hiệu với từng nhóm chất BVTV giúp khắc phục các nhược điểm trên của cảm biến enzyme. Hơn nữa, phức hợp kháng-nguyên kháng thể có thể phân ly khi sử dụng tác nhân thích hợp; vì vậy, giống như enzyme, thành phần sinh học của cảm biến có thể phục hồi, cho phép giám sát môi trường liên tục theo thời gian thực.

Hình 3. Sơ đồ nguyên tắc của cảm biến miễn dịch

Nguyên lý hoạt động của cảm biến miễn dịch trong phân tích chất BVTV là dựa trên cơ chế chọn lọc hoặc thay thế, trong đó các phân tử chất BVTV tự do sẽ cạnh tranh hoặc thế chỗ các cơ chất khi tương tác với kháng thể hoặc enzyme. Một số kết quả nghiên cứu gần đây liên quan đến cảm biến miễn dịch phân tích thuốc BVTV đó là phân tích thuốc diệt cỏ atrazine, hoạt chất Paraoxon, chlorpyrifos, carbaryl.

Nguyên lý đo tương tác sinh học của cảm biến:  Để đo các tín hiệu tạo ra do sự tương tác của các chất BVTV (chất phân tích) với thành phần sinh học (enzyme, kháng thể,…) cần thông qua bộ phận chuyển đổi tín hiệu (hình 8). Dựa trên nguyên lý của bộ phận chuyển đổi tín hiệu có thể phân biệt dưới dạng điện hóa, quang học, vi cân khối lượng hoặc nhiệt lượng… Trong đó, cảm biến sinh học phân tích chất BVTV theo nguyên lý điện hóa và quang học thường được sử dụng. Một số lượng lớn nghiên cứu đã chọn nguyên lý điện hóa để dò tìm tín hiệu sinh học bởi thiết kế đơn giản, giá thành chế tạo thấp, dễ dàng tích hợp và thu gọn thiết bị [2].

Các nghiên cứu trên thế giới chế tạo các hệ cảm biến nhỏ gọn ứng dụng trong phân tích nhanh tại hiện trường thường sử dụng nguyên lý điện hóa để đo tín hiệu. Các điện cực điện hóa chế tạo ngày một nhanh, rẻ và đồng nhất hơn. Tuy nhiên, để ứng dụng trong cảm biến sinh học đòi hỏi phải biến tính điện cực bằng các vật liệu tương tích sinh học. Đây là một trong những tiêu điểm quan trọng quyết định độ nhạy và độ ổn định của cảm biến sinh học.

3. Thiết kế module truyền dữ liệu không dây GPRS

Một trong những ưu điểm của thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV là khả năng truyền dữ liệu không dây theo thời gian thực (online) về máy chủ webserver. Do đó, module truyền dữ liệu GPRS được thiết kế gọn nhẹ, tiêu thụ năng lượng thấp và tin cậy phù hợp với ứng dụng thiết bị cầm tay. Trong đó, module GPRS được tích hợp vào hệ thiết bị như sau [3]:

Hình 4. Sơ đồ khối tích hợp module GPRS trong thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV

Trong đó, các thành phần chính của module GPRS gồm:

- Khối nguồn (PS): cung cấp các điện áp một chiều (DC) với khả năng cấp dòng điện phù hợp cho các linh kiện điện tử trên mạch

- Khối xử lý trung tâm (CPU): thực hiện các chức năng điều khiển và xử lý trung tâm cho toàn bộ thiết bị. Khối vi điều khiển có hạt nhân là chíp vi điều khiển PSOC CY8C29466.

- Module SIM900A: kết hợp với IC PSOC CY8C29466 tạo thành  DCE của thiết bị Client do đó phần mạch điều khiển ghép nối với mạch SIM900A sẽ đảm nhận việc chuyển đổi tín hiệu từ người sử dụng thành tín hiệu vật lý sẽ được gửi đi trên đường truyền GPRS

- Khối giao tiếp UART: 02 khối UART của PSoC được nối với IC MAX232 nhằm kết nối với hai đối tượng: Cổng RS232 của thiết bị đo, cổng RS232 của module SIM900A

	Thông số kỹ thuật + Nguồn cung cấp: 5V + Hỗ trợ 3 băng tần: EGSM 900, DCS 1800 và PCS 1900 + Công suất phát: Class 4 (2W) ở dải tần EGSM900,  Class 1 (1W) ở dải tần DCS1800 và PCS 1900 + Kết nối dữ liệu kiểu GPRS + Tốc độ đường xuống của dữ liệu (data downlink  transfer): tối đa là 85,6 kbps   + Cổng kết nối truyền thông ngoại vi: chuẩn nối tiếp RS232 + Kích thước: 10 cm x 10 cm x 3 cm
Hình 5. Module GPRS

4. Phát triển thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV

Hình 6. Mô hình truyền dữ liệu không dây GSM/GPRS của thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV

Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống

Thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV được thiết kế với  cảm biến sinh học cung cấp tín hiệu điện thông qua các cực R, C, E của Potentiostat. Potentiostat tổng hợp và tính toán ra nồng độ thuốc trừ sâu, sau đó truyền kết quả ra module GPRS, module này sẽ phát tín hiệu vào không gian. Ta có thể trích xuất số liệu đo thông qua một phần mềm chạy trên máy tính có kết nối internet. Trong đó, mô hình hệ thống kết nối như sau [4]:

Trong đó, thiết bị phần cứng có thể hoạt động độc lập tại hiện trường theo thời gian thực và có khả năng tích hợp với các thiết bị số, khả năng tùy biến cấu hình - nâng cấp đa dạng theo yêu cầu. Trong đó, thông số kỹ thuật của thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV như sau:
- Kích thước: 15x19x26 (cm).
- Khối lượng: 2Kg.
- Dải đo: 1nA ÷ 1000µA.
- Dải điện áp làm việc: -2V ÷ 2V.
- Tốc độ quét : có thể điều chỉnh trong khoảng 10-1000 mV/s với bước quét 10 mV/s.
- Thời gian trễ : có thể điều chỉnh trong khoảng 0-3600 s với bước 1s. 
- Lựa chọn được 3 thang hệ số khuếch đại
Gain1: dải đo từ 100µA ÷ 850μA
Gain2: dải đo từ 1A ÷ 100μA
Gain3: dải đo từ 1nA ÷ 1000nA
- Tính năng: Thiết bị dùng để quét CV, nguyên lý cơ bản của kỹ thuật Von-Ampe vòng (CV, Cyclic Voltammetry) là áp một điện thế thay đổi tuyến tính vào điện cực làm việc. Đặc trưng cho sự thay đổi điện thế là vận tốc quét v (V/s). Điện thế điện cực được so sánh với một điện cực chuẩn, phụ thuộc vào thế ban đầu Ei (initial potential), thế kết thúc Ef (final potential) và vận tốc quét v.

5. Kết luận
Bài báo trình bày các kết quả ban đầu về nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị phân tích dư lượng thuốc BVTV nhỏ gọn, có khả năng tích hợp 3 modun: cảm biến; xử lý và khuếch đại tín hiệu;  truyền dẫn tín hiệu không dây GSM/GPRS và xây dựng phần mềm thu thập, xử lý số liệu từ trạm quan trắc. Đây có lẽ là 1 trong những đề tài đầu tiên nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu, kỹ thuật điện tử-viễn thông trong việc ghép nối cảm biến sinh học với các modun khác để đưa ra được bộ thiết bị phân tích nhanh dư lượng thuốc BVTV trong các sản phẩm nông sản tại Hà Nội.

Lời cảm ơn

Các tác giả xin gửi lời cảm ơn Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã tài trợ kinh phí cho đề tài 01C-02/03-2014-2 “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu cácbon nano, có khả năng truyền dữ liệu không dây để phân tích nhanh dư lượng một số thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản” cùng sự hỗ trợ nghiên cứu của các đơn vị trực thuộc Viện Hàn lâm KH và CN VN: Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành sản phẩm này.

Hình 8. Thiết bị xác định dư lượng thuốc BVTV