Tuy nhiên các thiết bị hiện nay mặc dù hiện đại nhưng rất đắt tiền, chỉ có thể đầu tư để thực hiện ở phòng thí nghiệm và không thể ứng dụng cũng như thích hợp cho yêu cầu đo/kiểm nghiệm tại hiện trường và cũng không thể dùng để theo dõi liên tục một số lượng lớn mẫu. Còn đối với một số thiết bị của các công ty như Merck, Hach, Peters Engineering thực tế cho thấy không có độ chính xác cao trong các khoảng nồng độ 50 và 10 ppb, mặc dù đủ dùng để phát hiện ô nhiễm ở nồng độ cao, có hiệu quả để cảnh báo nguồn nước nguy hiểm để theo dõi, xử lý. Ngoài ra các thiết bị này cần sử dụng các axit đậm đặc và khi phân tích thì sinh ra khí độc arsine, là khí rất độc với con người và môi trường.
Để khắc phục các nhược điểm của các phương pháp hiện nay, thiết bị nano (cảm biến nano) hoạt động theo nguyên lý điện hóa là một giải pháp đầy hứa hẹn bởi vì các cảm biến nano có khả năng phát hiện siêu nhạy (đến nồng độ < 1 ppb), thời gian phân tích nhanh (3-5 phút), có kích thước gọn nhẹ (dạng cầm tay). Hơn nữa cảm biến dạng này được chế tạo đồng loạt, cho phép hạ giá thành chế tạo, thích hợp cho việc trang bị rộng để phân tích tại hiện trường, thậm chí đến từng hộ gia đình. Hơn nữa ở Việt Nam, lĩnh vực cảm biến sợi nano đang ngày càng nghiên cứu rộng và hoàn thiện công nghệ để hướng tới thương mại hóa. Nhằm chế tạo được thiết bị phân tích thạch tín (As) sử dụng phép đo điện hóa trên điện cực sợi nano vàng (Au nanowires), có khả năng đo nồng độ As trong các nguồn nước ngầm và nước bề mặt với tiêu chuẩn ≤ 10 µg/l (≤ 10 ppb) và có kích thước nhỏ gọn có thể mang đi thực hiện tại hiện trường với số lượng mẫu lớn, nhóm nghiên cứu do TS Tống Duy Hiển, Phòng Thí nghiệm công nghệ nano, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị phân tích tại hiện trường xác định As trong môi trường nước sử dụng điện cực dây nano vàng”. Các kết quả nghiên cứu sẽ tạo tiềm năng và góp phần to lớn trong việc hoàn thiện hướng nghiên cứu cảm biến sợi nano vàng dùng trong phát hiện thạch tín trong nguồn nước ngầm và nước bề mặt.
Đề tài nghiên cứu được thực hiện từ tháng 12/2011- 12/2013 (24 tháng) tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG TP HCM.
Nhóm nghiên cứu đã đưa ra phương pháp chế tạo phù hợp với điều kiện của PTN Công Nghệ Nano, ĐHQG TP.HCM để chế tạo được chip sợi nano vàng (Au), có kích thước và tính chất phù hợp sử dụng làm cảm biến điện hóa trong xác định As.
Quy trình công nghệ chế tạo theo Phương pháp lắng đọng và ăn mòn dưới góc nghiêng gồm:
- Tạo lớp cách điện SiO2 khoảng 50nm bằng phương pháp ôxy hóa nhiệt - thiết bị lò ôxy hóa: PEO-601, ATV - Technologie GmbH (Đức);
- Quang khắc để tạo cửa sổ ăn mòn (Mask aligner, SUSS);
- Đánh giá bề mặt sợi nano bằng thiết bị kính hiển điện tử quét SEM, JSM-6480LV (Nhật Bản);
- Quang khắc, bốc bay tạo đường dẫn Pt cho điện cực sợi nano vàng (Ebeam evaporator, Leybold, Mỹ);
- Tạo lớp cách điện silic nitride (SiN) bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma - Thiết bị PECVD Plasmalab80Plus, Anh;
- Cắt đế silic thành các chip nhỏ, Thiết bị dicing, Normal Dicing Saw M/C, Mode: NDS-150 (Hàn Quốc).
Với quy trình công nghệ này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công chip sợi nano vàng có kích thước chiều dài 400µm và 1000µm, chiều dày 50nm và chiều rộng 100nm. Bên cạnh đó chip được thiết kế với điện cực tích hợp điện cực đối Pt để thuận lợi cho việc đo đạc điện hóa.
- Quy trình phân tích đánh giá As trong môi trường nước
Chip sau khi chế tạo thành công được kiểm tra đặc tính điện I-V và đặc tính điện hóa theo phương pháp quét thế tuyến tính bằng thiết bị điện hóa Autolab - Hà Lan với kết quả đáp ứng tốt phù hợp để sử dụng chế tạo cảm biến điện hóa.
Dựa trên nguyên lý hoạt động cảm biến As (III) theo phương pháp Von-Ampe hòa tan, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm đo đạc trên hệ đo điện hóa để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến phân tích As trong môi trường nước DI và nước giếng khoan. Kết quả khảo sát giới hạn đo của chip là 2ppp.
- Quy trình chế tạo hệ điện tử phân tích As trong nước
Dựa trên nhu cầu thực tiễn của đề tài là ứng dụng đo đạc tại thực địa và nguyên lý điện hóa theo phương pháp Von-Ampe hòa tan cũng như các thông số kỹ thuật đo đạc khảo sát trên hệ đo điện hóa chuần (Autolab). Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế và chế tạo 3 thế hệ đo điện tử định lượng As với kích thước nhỏ, gọn và dễ sử dụng. Đối với hế hệ điện tử thứ 1 và thứ 2 do sử dụng bộ tích hợp ADC và DAC nên còn nhiều nhược điểm. Các kết quả phân tích đưa ra không tốt. Đối với hệ điện tử thế hệ thứ 3, nhóm nghiên cứu sử dụng vi điều khiển công nghiệp nên có ưu việt và nhiều chức năng hơn. Kết quả thiết kế và chế tạo hệ điện tử thế hệ tạo ra sản phẩm hoàn thiện hơn, các kết quả đánh giá mạch điều khiển hoạt động tốt thông qua đồ thị I-V đo đạc thực tế so sánh điện thế tính toán lý thuyết có sai số thấp.
Để tiến hành đo nồng độ As, nhóm nghiên cứu xây dựng đường chuẩn với hệ điện hóa bao gồm chip tích hợp 2 điện cực (điện cực làm việc: sợi nano vàng, điệc cực đối: platinium), điện cực so sánh Ag/AgCl được gắn vào đế mang và cho vào dung dịch As cần đo. Dữ liệu đo đạc ghi nhận bằng phần mềm được viết trên nền Labview theo phương pháp quét thế tuyến tính I-V với các thông số thiết lập tương thích với hệ đo trong dung dịch nền H3PO4 với nồng độ 0,1M pha trong nước DI.
Đường chuẩn thể hiện mối tương quan giữa nồng độ As và biến thiên cường độ dòng điện theo mô hình tuyến tính: y = 0,0026x - 0,037 có hệ số tương quan R2 = 0,96 được xây dựng ở khoảng thế 200-300mV (vị trí thể hiện peak nồng độ As) với độ sai số thiết bị 15,8%.
Kết quả đo đạc và phân tích nồng độ As trong các mẫu nước giếng khoan cho thấy, khi phân tích As của 11 mẫu nước thực địa kết quả chỉ tính toán được 5 mẫu, 6 mẫu nước còn lại không tính toán được nồng độ As theo phương trình đường chuẩn đã dựng và nằm trong khoảng sai số của thiết bị như mẫu M1 và M10. Ngoài ra khi so sánh với kết quả phân tích ở Công ty Eurofins Sắc Ký Hải Đăng bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử theo tiêu chuẩn SMEWW 3030E/ SMEWW 3113B với kết quả sai khác hoàn toàn. Trong tổng số 11 mẫu nước được phân tích As tại Công ty Sắc Ký Hải Đăng, kết quả 11 mẫu đều không phát hiện As với ngưỡng phát hiện là 3 ppb. Điều này cho thấy, hệ cảm biến As sau khi chế tạo có những hạn chế nhất định như chỉ phân tích nồng độ As ở ngưỡng phát hiện cao (>25ppb), độ sai số của hệ khi đo tương đối cao do đó dẫn đến kết quả chưa chính xác có thể do mạch điều khiển chưa ghi nhận tín hiệu cường độ dòng ở mức thấp. Do vậy, nhóm nghiên cứu cần tiến hành nghiên cứu thêm nên chưa đưa ra được kết quả phân tích giới hạn nồng độ As đối cũng như giá trị kinh tế mà hệ cảm biến đem lại. Ngoài ra hệ cảm biến As cần nghiên cứu thêm bộ lọc tín hiện nhiễu hạn chế ảnh hưởng của các ion khác trong mẫu phân tích thực địa nhằm hạn chế sai số khi ghi nhận tín hiệu đo đạc quá trình điện hóa.
Như vậy, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được 01 quy trình chế tạo điện cực và thiết bị cầm tay và 01quy trình sử dụng thiết bị phân tích thạch tín trong nước. Đã thiết kế thành công 03 thiết bị phân tích xác định thạch tín trong nước hoàn chỉnh với các đặc tính như sau: Kích thước sợi: 100 nm x 50 nm x 400 và 1000 µm (không bị hạn chế trong quá trình chế tạo); Kích thước chip: 3 mm × 25 mm, số lượng 400; Sợi nano vàng có cạnh tương đối thẳng, bề mặt mịn; Đặc trưng điện tuyến tính với tiếp xúc Ohmic; Chip chế tạo đều có đường dẫn để kết nối ra mạch điều khiển bên ngoài, tạo sự thuận tiện trong việc xây dựng cảm biến hoàn chỉnh; Chip được thiết kế bao gồm các dãy sợi để tăng cường khả năng ghi nhận tín hiệu peak As (III); Khối lượng ≤ 4 kgs và 400 chip với sai số là 15,8%; Hàm lượng thạch tín trong nước có thể xác định là ≥25 µg/l (≥25ppb); Thời gian phân tích < 10 phút.
Tuy nhiên, do thiết bị phân tích As trong môi trường nước sử dụng điện cực sợi nano vàng vẫn còn sai số cao nên nhóm nghiên cứu hiện cần tiến hành các thử nghiệm cải tiến hệ đo.
Do đây mới chỉ là nghiên cứu bước đầu nhằm làm chủ quy trình công nghệ nên chưa đánh giá được tiềm năng kinh tế hoặc lợi nhuận đem lại từ sản phẩm này mà chỉ có ý nghĩa trong việc tác động đến xã hội. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ sớm tối ưu hóa hệ đo và lên kế hoạch chuyển giao phát triển thành sản phẩm thương mại.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 12742 -2016) tại Cục Thông tin KH&CN quốc gia.