Việc thiết kế cấu trúc vật liệu tổng hợp trong cảm biến là công đoạn quan trọng nhất. Ảnh: NX.

Cầm mẫu rau muống được rửa qua nước, TS Thu đem đi xay nhuyễn, lấy một lượng nhỏ và đặt vào cảm biến. Chưa đến 30 phút sau, kết quả được đưa ra từ một thiết kế kết nối khác, báo mẫu rau này có chứa lân hữu cơ, một loại thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) ảnh hưởng tới thần kinh.

Chị kể, cảm biến này được chị và nhóm nghiên cứu Khoa học Vật liệu Tiên tiến và Công nghệ nano, Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội làm từ năm 2017 khi xuất hiện nhiều trường hợp ngộ độc do dư lượng thuốc BVTV, mọi người lo lắng về độ an toàn của thực phẩm, nguồn nước.

Nhận thấy các phương pháp thường sử dụng để xác định thuốc BVTV trải qua nhiều bước kỹ thuật, quy trình mất đến vài giờ, như vậy khó áp dụng trực tiếp trong từng hộ gia đình. Chị và cộng sự chế tạo loại cảm biến nhỏ gọn, kích thước 1x3 cm, chỉ cần lượng mẫu 50 microlit có thể cho kết quả trong khoảng thời gian 10-30 phút.

TS Thu cho biết, thuốc BVTV làm ảnh hưởng quá trình thủy phân giữa enzyme AchE và chất dẫn truyền thần kinh ATCh, gây triệu chứng đau bụng, buồn nôn. Dựa vào cơ chế này, TS Thu và cộng sự tạo ra nguyên lý hoạt động của cảm biến. AchE được gắn trên bề mặt, nếu thành phần trong mẫu thực phẩm làm ức chế hoạt động enzyme này, kết luận chứa dư lượng thuốc BVTV và ngược lại.

Để định lượng thuốc có trong mẫu, phản ứng được chuyển thành tín hiệu điện đo được thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng. "Cụ thể, thiết bị này đo thay đổi cường độ dòng điện nhằm xác định mức độ ức chế enzyme. Tín hiệu càng giảm thì lượng thuốc BVTV trong mẫu càng cao, tín hiệu càng tăng thì lượng thuốc càng ít", TS Thu nói.

Để quá trình chuyển đổi tín hiệu dòng điện mạnh lên, giúp việc xác định dư lượng chính xác hơn, TS Thu và nhóm thiết kế một loại vật liệu tổng hợp từ polymer, oxide sắt (Fe3O4) và graphene.

Chị cho biết, graphene có ưu điểm mỏng nhẹ, dẫn điện tốt. Polymer cải thiện sự bám dính của enzyme và oxide sắt giúp phản ứng trên cảm biến xảy ra mạnh hơn, hỗ trợ đo dòng điện hiệu quả. Ba thành phần này nếu kết hợp với cấu trúc tối ưu, độ nhạy của cảm biến được cải thiện.

Vì vậy, việc thiết kế cấu trúc và chế tạo các thành phần này của vật liệu là công đoạn quan trọng mà nhóm dành nhiều thời gian nhất, bởi từng phần có yêu cầu khác nhau để tổng hợp. "Ví dụ như tấm graphene phải được tổng hợp ở điều kiện nhiệt độ, áp suất cao. Hạt oxide sắt và polymer được tổng hợp trực tiếp lên tấm graphene bằng phương pháp điện hóa", chị nói.

Mất hơn 6 tháng, vật liệu mới được hoàn chỉnh gồm graphene đặt dưới cùng, phía trên liên kết các hạt oxide sắt và polymer. Đưa vào thử nghiệm, vật liệu tổng hợp này giúp độ nhạy của cảm biến tăng gấp 40 lần.

TS Thu cho biết, thiết bị chưa hoàn thiện kỹ thuật, cảm biến định lượng thuốc BVTV với sai số dưới 20%. "Cảm biến này có thể hỗ trợ chuyên gia nông nghiệp nghiên cứu, phân tích. Nhóm tiếp tục làm đơn giản các quy trình để từng hộ gia đình có thể sử dụng được", chị nói.