Phương pháp quang phổ để phát hiện thuốc trừ sâu

Dự đoán thuốc trừ sâu là rất quan trọng vì nhiều lý do ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm, sức khỏe môi trường và các thực tiễn nông nghiệp. Đây là lý do tại sao nó lại quan trọng:

Đảm bảo an toàn thực phẩm:

• Giảm nguy cơ phơi nhiễm: Dự đoán chính xác giúp xác định trái cây, rau và ngũ cốc có dư lượng thuốc trừ sâu vượt quá giới hạn an toàn. Điều này bảo vệ người tiêu dùng khỏi những rủi ro sức khỏe tiềm ẩn liên quan đến việc ăn các thực phẩm có chứa thuốc trừ sâu.
• Cải thiện chất lượng thực phẩm: Dự đoán sự hiện diện của thuốc trừ sâu cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình sản xuất và phân phối thực phẩm, thúc đẩy các sản phẩm thực phẩm an toàn hơn và chất lượng cao hơn.
• Truy xuất nguồn gốc và minh bạch: Dự đoán dựa trên Vis-NIR có thể được sử dụng cho mục đích truy xuất nguồn gốc, cho phép các cơ quan chức năng xác định nguồn ô nhiễm trong trường hợp xảy ra sự cố.

Bảo vệ môi trường:

• Giám sát mức độ thuốc trừ sâu: Các công cụ dự đoán có thể được sử dụng để theo dõi mức độ thuốc trừ sâu trong đất và nước, giúp xác định ô nhiễm tiềm ẩn và ngăn ngừa thiệt hại sinh thái.
• Thúc đẩy các hoạt động bền vững: Bằng cách giám sát việc sử dụng thuốc trừ sâu, nông dân có thể tối ưu hóa áp dụng và giảm thiểu tác động môi trường.

Quang phổ Vis-NIR để dự đoán thuốc trừ sâu

Dự đoán thuốc trừ sâu bằng quang phổ Vis-NIR là một lĩnh vực đang phát triển với tiềm năng thú vị cho ngành công nghiệp thực phẩm và giám sát môi trường. Đây là một cái nhìn sâu hơn về kỹ thuật này:

Ưu điểm của Vis-NIR để dự đoán thuốc trừ sâu:

• Không phá hủy: Các mẫu không cần phải được xử lý hóa học, bảo toàn tính toàn vẹn của chúng.
• Nhanh chóng: Phân tích có thể được thực hiện nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống.
• Di động: Máy quang phổ cầm tay cho phép đo tại chỗ.
• Tiết kiệm chi phí: Máy quang phổ Vis-NIR ít tốn kém hơn một số phương pháp truyền thống.
• Tiềm năng đa phân tích: Kỹ thuật này có khả năng phát hiện và định lượng nhiều loại thuốc trừ sâu trong một lần quét.

Các ứng dụng:

• Giám sát an toàn thực phẩm: Sàng lọc nhanh trái cây, rau và ngũ cốc để tìm dư lượng thuốc trừ sâu.
• Quan trắc môi trường: Phát hiện thuốc bảo vệ thực vật trong mẫu đất và nước.
• Nông nghiệp chính xác: Giám sát việc sử dụng thuốc trừ sâu và tối ưu hóa việc sử dụng trên đồng ruộng.

Nguyên tắc cơ bản của phổ kế Vis-NIR trong dự đoán thuốc trừ sâu trên thực phẩm dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng và thành phần hóa học của mẫu. Dưới đây là phân tích các bước chính:

• Hấp thụ ánh sáng của các phân tử: Thuốc trừ sâu và các hóa chất khác có cấu trúc phân tử độc đáo khiến chúng hấp thụ các bước sóng ánh sáng cụ thể trong vùng ánh sáng khả kiến (Vis, 400-750 nm) và cận hồng ngoại (NIR, 750-1000 nm). Hãy nghĩ về nó giống như ánh sáng mặt trời chiếu vào cửa sổ kính màu - một số màu nhất định (bước sóng) đi qua, trong khi những màu khác được hấp thụ bởi kính màu.
• Đặc trưng phổ: Khi ánh sáng Vis-NIR chiếu vào mẫu thực phẩm, các hóa chất này hấp thụ có chọn lọc các bước sóng cụ thể theo cấu trúc của chúng. Cường độ ánh sáng còn lại sau đó được đo ở các bước sóng khác nhau bằng máy quang phổ Vis-NIR. Dữ liệu này tạo ra một "phổ" duy nhất cho mẫu. Phổ này phản ánh thành phần hóa học tổng thể của mẫu.
• Phát hiện thuốc trừ sâu thông qua phân tích quang phổ: Bằng cách so sánh phổ thu được của mẫu thực phẩm với thư viện phổ thuốc trừ sâu đã biết, các nhà khoa học có thể xác định sự hiện diện của thuốc trừ sâu cụ thể. Mỗi loại thuốc trừ sâu có một dấu vân tay quang phổ đặc trưng do mô hình hấp thụ ánh sáng độc đáo của nó. Nồng độ thuốc trừ sâu trong mẫu càng cao, tác động của nó đối với độ hấp thụ tổng thể ở các bước sóng cụ thể của nó càng lớn. Sự khác biệt về độ hấp thụ ở các bước sóng chính cho phép phát hiện và định lượng thuốc trừ sâu.

Thiết lập đo lường và kết quả

Quang phổ Vis-NIR cung cấp một phương pháp không phá hủy hứa hẹn để dự đoán mức độ dư lượng thuốc trừ sâu. Theo truyền thống, máy quang phổ USB2000 và nguồn sáng LS-1 đã được sử dụng để dự đoán thuốc trừ sâu. Máy quang phổ USB2000 đo ánh sáng trong một dải bước sóng cụ thể để xác định dấu vân tay quang phổ của mẫu. Tuy nhiên, những hạn chế tồn tại, chẳng hạn như dải bước sóng có khả năng bị giới hạn và nguồn sáng kém ổn định hơn.

Hình 1: Máy quang phổ kế USB2000+.

Chúng tôi đề xuất một hệ thống mới với máy quang phổ USB2000+ và nguồn sáng HL-2000. USB2000+ là một máy quang phổ mô-đun nhỏ gọn nổi tiếng với hiệu suất và tính linh hoạt cao. Nó được trang bị một mảng CCD 2048 phần tử thu thập thông tin quang phổ chi tiết trên một dải bước sóng rộng. Đặc điểm này giúp nó đặc biệt hiệu quả trong phát hiện các chất dư lượng thuốc trừ sâu, vốn thường yêu cầu phân tích phổ chính xác để xác định các đặc điểm riêng biệt của các hợp chất hóa học khác nhau.

Hình 2: Nguồn sáng HL-2000.

Mặt khác, nguồn sáng Halogen Tungsten HL-2000 được thiết kế để bổ sung cho phổ kế USB2000+ trong các ứng dụng yêu cầu nguồn sáng ổn định và có phổ rộng. Đầu ra liên tục từ vùng ánh sáng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần đảm bảo nó có thể chiếu sáng nhiều loại mẫu khác nhau, điều này rất quan trọng để phát hiện nhiều loại thuốc trừ sâu có thể có trong mẫu.

Thiết kế của HL-2000 bao gồm màn trập tích hợp, giá đỡ bộ lọc và bộ điều chỉnh cường độ, cung cấp cho người dùng khả năng kiểm soát hoàn chỉnh về cường độ và chất lượng của ánh sáng chiếu vào mẫu. Mức độ kiểm soát này là cần thiết để đạt được độ nhạy cao cần thiết để phát hiện nồng độ thấp của các chất dư lượng thuốc trừ sâu.

Kết hợp lại, phổ kế USB2000+ và nguồn sáng HL-2000 cung cấp một giải pháp mạnh mẽ để phát hiện chất dư lượng thuốc trừ sâu, đảm bảo các phân tích được chính xác và hiệu quả. Khả năng kết hợp của chúng tạo điều kiện để xác định và định lượng chất dư lượng thuốc trừ sâu, góp phần đảm bảo an toàn và kiểm soát chất lượng các sản phẩm nông nghiệp.

Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa các mẫu dưa chuột nguyên vẹn có và không có thuốc trừ sâu:

Hình 3: Quang phổ của dưa chuột không có thuốc trừ sâu (AP) và sự hiện diện của thuốc trừ sâu (PP).

Hình 3 mô tả phổ hấp thụ (Log (1 / R)) của hai mẫu dưa chuột: một mẫu không có thuốc trừ sâu và một mẫu được xử lý bằng thuốc trừ sâu diazinon. Sự hiện diện của thuốc trừ sâu gây ra sự khác biệt quang phổ ở cả vùng ánh sáng khả kiến và NIR.

Trong vùng ánh sáng khả kiến, cả hai mẫu đều hiển thị đỉnh khoảng 680 nm, do sự hấp thụ chất diệp lục, một sắc tố tự nhiên trong dưa chuột. Tuy nhiên, sự hiện diện của thuốc trừ sâu dẫn đến giảm độ hấp thụ của đỉnh này so với mẫu không có thuốc trừ sâu.

Chuyển sang vùng hồng ngoại gần (bước sóng vượt quá 900 nm), cả hai mẫu đều cho thấy sự gia tăng hấp thụ. Điều này có thể được quy cho dao động bậc 2 của liên kết O-H hoặc dao động bậc 3 của liên kết C-H trong dưa chuột. Đáng chú ý, sự gia tăng hấp thụ trong vùng hồng ngoại gần này rõ rệt hơn ở mẫu bị nhiễm chất dư lượng thuốc trừ sâu so với mẫu không chứa chất dư lượng. Sự gia tăng hấp thụ hồng ngoại gần này là do dao động liên kết C-H, có thể chỉ ra sự tương tác giữa chất dư lượng thuốc trừ sâu và thành phần hóa học của dưa chuột.

KẾT LUẬN

Các kỹ thuật quang phổ, đặc biệt là quang phổ Vis-NIR (Visible-Near Infrared), đang trở thành một công cụ có giá trị để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu trên thực phẩm do khả năng phân tích sự tương tác giữa ánh sáng và thành phần hóa học của mẫu. Thuốc trừ sâu có dấu vân tay quang phổ độc đáo, hấp thụ các bước sóng cụ thể của ánh sáng Vis-NIR. Bằng cách đo cường độ ánh sáng còn lại (phân tích quang phổ), một hồ sơ được tạo ra phản ánh hóa học tổng thể của thực phẩm. Hồ sơ này sau đó có thể được so sánh với một thư viện phổ thuốc trừ sâu đã biết để xác định và có khả năng định lượng sự hiện diện của chúng. Sự khác biệt trong các mô hình hấp thụ, như giảm hấp thụ chất diệp lục (vùng nhìn thấy được) và tăng hấp thụ NIR mạnh hơn (có khả năng liên quan đến liên kết C-H) trong các mẫu bị nhiễm thuốc trừ sâu, cung cấp thông tin quan trọng. Trong khi những hạn chế tồn tại do ma trận thực phẩm phức tạp và chất lượng cơ sở dữ liệu tham chiếu, các kỹ thuật quang phổ cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn để sàng lọc thuốc trừ sâu nhanh chóng, không phá hủy trên thực phẩm. Khi tiến bộ công nghệ và cơ sở dữ liệu được cải thiện, độ chính xác và độ tin cậy của quang phổ Vis-NIR trong dự đoán thuốc trừ sâu dự kiến sẽ tiếp tục tăng, góp phần đáng kể vào an toàn thực phẩm và bảo vệ người tiêu dùng.