Phát hiện nhanh methanol bằng thiết bị cảm biến

Nhóm chuyên gia tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chế tạo thành công cảm biến điện hóa và hệ thiết bị phân tích nhanh, chính xác methanol trong đồ uống có cồn và nhiên liệu xăng. Giải pháp mở ra hướng mới trong việc phân tích hàm lượng methanol đơn giản, với giá thành hợp lý.  
Methanol hay còn gọi là alcol metylic, alcohol gỗ, naphtha gỗ. Đây là loại rượu đơn giản nhất, nhẹ, không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng giống rượu trắng ethanol. Khác với ethanol, methanol có vị ngọt hơn và thơm hơn, gây độc mạnh. Trong các ngành công nghiệp, methanol là chất chống đông, dung môi hòa tan các nguyên liệu sản xuất, dung môi hữu cơ cho sơn, véc-ni, làm nguyên liệu để sản xuất chất dẻo và tổng hợp các chất hữu cơ, được sử dụng để sản xuất nhiên liệu như khí đốt và dầu diesel sinh học.

Methanol là chất độc, khi tiếp xúc trực tiếp có thể gây viêm da, phát ban, vảy nến, gây mờ và mù mắt, nghiêm trọng hơn gây rối loạn cục bộ, kích ứng niêm mạc đường hô hấp, tổn thương nội tạng, rối loạn thần kinh, gây tổn thương dây thần kinh não,… và có thể dẫn đến tử vong khi dùng một lượng lớn. Trong cơ thể người, một lượng nhỏ methanol được đào thải qua hệ bài tiết và hơi thở, phần lớn methanol bị oxi hóa  thành formaldehyde (độc gấp 33 lần methanol) và  sau đó fomanldehyde chuyển hóa thành acid formic (độc gấp 6 lần methanol)  ở gan. Tuy nhiên, trong thực tế, không thể loại bỏ hoàn toàn methanol trong đồ uống có cồn đặc biệt là rượu, bia. Trong bia, lượng methanol có khoảng 6-27 mg/l, trong rượu (mạnh) là 10-220 mg/l. Rượu pha chế có hàm lượng methanol rất cao, dễ gây ngộ độc và gây chết người. Hàm lượng methanol có trong rượu ethylic (rượu uống) phải thấp dưới mức 0,1%.

Ngoài việc pha methanol vào đồ uống có cồn để tăng mùi vị, nhằm mục đích trục lợi cá nhân thì việc pha methanol vào nhiên liệu xăng là vấn đề đáng quan tâm hiện nay  trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Với tỷ lệ 1-2% thì methanol không làm biến chất xăng dầu, không làm ảnh hưởng tới các động cơ và chi tiết máy. Tuy nhiên, với tỷ lệ 10-15% hàm lượng methanol pha vào xăng sẽ gây tác hại rất lớn. Trong khi đó, tại Việt Nam, chưa có quy định về hàm lượng tối đa methanol trong xăng, việc kiểm soát pha chế xăng ở các khâu trung gian còn lỏng lẻo.

Phát hiện nhanh methanol tại hiện trường

Nhằm phân tích nhanh, chính xác và kịp thời hàm lượng methanol trong đồ uống có cồn, xăng nhiên liệu, nhóm chuyên gia, nhà khoa học tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã thực hiện nhiệm vụ khoa học - công nghệ “Chế tạo cảm biến điện hóa và hệ thiết bị phân tích methanol trong đồ uống có cồn và nhiên liệu xăng”. 

Sản phẩm cảm biến methanol hoạt động độc lập không cần nguồn điện ngoài và máy tính

Đại diện nhóm thực hiện, GS.TS Trần Đại Lâm cho biết, mục tiêu của nhiệm vụ là chế tạo được cảm biến điện hóa phân tích trực tiếp methanol trong bia rượu và nhiên liệu xăng có kích thước và độ nhạy cao phù hợp cho các phép đo đạc tại hiện trường. Đồng thời, làm chủ công nghệ chế tạo cảm biến tích hợp máy đo điện hóa phân tích trực tiếp methanol trong môi trường lỏng. 

Sản phẩm điện cực cảm biến SPE

Theo đó, GS. TS Trần Đại Lâm và các cộng sự đã thiết kế, chế tạo điện cực in (SPE) ứng dụng làm cảm biến phân tích MeOH. Đồng thời, thiết lập, tối ưu điều kiện tổng hợp màng PANI và composit (PANI-Graphen, PANI-CNTs) cho điện cực SPE biến tính.

Điện cực in SPE được chế tạo từ các nguyên liệu (đế bản mạch in, mực in) đã được thương mại hóa và có giá thành hợp lý. Với công nghệ chế tạo đơn giản bằng phương pháp in lụa, sản phẩm điện cực in do nhóm nghiên cứu chế tạo có chất lượng tương đương nhưng giá thành rẻ hơn rất nhiều so với sản phẩm thương mại. Ngoài ra, việc lựa chọn và xây dựng quy trình biến tính điện cực với polymer dẫn điện polyaniline và các xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp (CuO, NiO) giúp nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc của cảm biến so với việc sử dụng xúc tác là các kim loại quý như Au, Pt, từ đó giúp giảm giá thành của sản phẩm điện cực. 

Qua đó, nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã chế tạo thành công thiết bị điện hóa xách tay với 2 phiên bản, đó là: (1) Thiết bị điện hóa xách tay tích hợp màn hình hiển thị PLC, ắc quy cho phép thực hiện các phép đo hiện trường không cần kết nối máy tính và nguồn điện ngoài; (2) Thiết bị hóa xách tay kết nối máy tính, nguồn điện ngoài có thể ứng dụng lắp đặt tại các trạm phân tích với đầy đủ các chức năng đo và phân tích điện hóa. Đồng thời, kết nối thành công hai hệ điện hóa trên với điện cực SPE, tạo hệ cảm biến methanol, cho phép phân tích hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm.

Sử dụng các thiết bị điện hóa xách tay và điện cực cảm biến đã chế tạo, nhóm cũng đã kết nối thành công điện cực và thiết bị tạo cảm biến điện hóa methanol có độ chọn lọc cao với methanol; giới hạn phát hiện thấp (1 mg/l); vùng tuyến tính rộng (1 mg/l đến 10.000 mg/l); thời gian đáp ứng dưới 3 giây, và độ lặp lại tốt. Các thiết bị này có độ bền tối thiểu 5 năm. 

So sánh hoạt động của cảm biến so với phương pháp GC/MS (Sắc ký khí ghép đầu dò khối phổ) cho thấy, kết quả phân tích đối chứng mẫu rượu chưng cất (rượu trắng) được thêm chuẩn 2.000 ppm methanol và mẫu xăng A95 thêm chuẩn 10.000 ppm methanol cho kết quả khá tương đồng. Nhóm tác giả khẳng định, ưu điểm của phương pháp cảm biến là phân tích trực tiếp, trả kết quả nhanh trong khi phương pháp GC/MS đòi hỏi pha loãng mẫu và thời gian phân tích khá lâu. Ngoài ra, sử dụng cảm biến phân tích hàm lượng methanol trong một số mẫu đồ uống có cồn và nhiên liệu xăng, cho thấy hàm lượng methanol nằm trong ngưỡng cho phép theo TCVN và nằm dưới ngưỡng phát hiện của cảm biến.   

Phân tích methanol trong các mẫu bia rượu bằng cảm biến điện hóa

Thay thế phương pháp truyền thống

Theo lời GS.TS Trần Đại Lâm, để định lượng methanol trong đồ uống có cồn có thể sử dụng các thiết bị phân tích hóa lý trong phòng thí nghiệm như phương pháp sắc ký sử dụng chuẩn nội n-butanol, bột kít để phân tích định tính methanol, dùng cảm biến sinh học,... 

"Tuy nhiên, để phân tích định lượng methanol cần thực hiện bằng các phân tích chuyên sâu, tốn nhiều thời gian từ khi lấy mẫu đến khi có kết quả. Ngoài ra, các phương pháp trên tuy chính xác nhưng phức tạp, chi phí cao", GS.TS Trần Đại Lâm đánh giá.

Do đó, sử dụng các bộ kit tuy đơn giản, giá thành thấp nhưng chỉ định tính khi có mặt methanol trong rượu với giới hạn phát hiện đòi hỏi nồng độ methanol cao và không phát hiện được khi trong mẫu có lẫn các chất khác vốn có trong đồ uống có cồn (rượu giả, rượu kém chất lượng,….). Vì vậy, để định tính, định lượng methanol một các nhanh chóng hiệu quả, việc sử dụng các cảm biến điện hóa trong lĩnh vực này đã có những bước tiến quan trọng. 

Vì thế, có thể khẳng định rằng, với việc chế tạo thành công cảm biến điện hóa và hệ thiết bị phân tích methanol trong đồ uống có cồn và nhiên liệu xăng của nhóm tác giả, đã có thể khắc phục các hạn chế và thay thế các phương pháp nói trên.