THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA MỘT SỐ CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG NUÔI TÔM TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CẢM BIẾN QUANG PHỔ KHÔNG TIẾP XÚC

UBND TỈNH TRÀ VINH
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ SƠ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA MỘT SỐ CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG
NUÔI TÔM TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
VÀ CẢM BIẾN QUANG PHỔ KHÔNG TIẾP XÚC

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia
TPHCM
Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Quang Thái
Cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Trà Vinh

TPHCM, 10/2017
0


Biểu B1-2a-TMĐTCN

THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP TỈNH
I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống kiểm tra một số chỉ số
môi trường nuôi tôm tự động sử dụng hệ thống thông
tin di động và cảm biến quang phổ không tiếp xúc

1a Mã số (được cấp khi Hồ sơ
trúng tuyển)

2

Thời gian thực hiện: 24 tháng
(Từ tháng 11 /2017 đến tháng 11

3

4

/2019)

Quốc gia

Bộ

Tỉnh

Cơ sở

Tổng kinh phí thực hiện: 780.773.000 đồng, trong đó:
Nguồn

Kinh phí (đồng)

Từ Ngân sách nhà nước:

780.773.000

Ngoài ngân sách nhà nước:

5

Cấp quản lý

0

- Từ nguồn tự có của tổ chức

0

- Từ nguồn khác

0

Phương thức khoán chi:
Khoán đến sản phẩm cuối cùng

Khoán từng phần, trong đó:
- Kinh phí khoán: ………….....đồng
- Kinh phí không khoán: ……………….. đồng

6
Thuộc Chương trình (Ghi rõ tên chương trình, nếu có), Mã số:
Thuộc dự án KH&CN
Độc lập
Khác

7

Lĩnh vực khoa học
1


8

Tự nhiên;

Nông, lâm, ngư nghiệp;

Kỹ thuật và công nghệ;

Y dược.

Chủ nhiệm đề tài
Họ và tên: Phạm Quang Thái..................................................................................................
Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1981............................ Giới tính: Nam

/ Nữ:

Học hàm, học vị/ Trình độ chuyên môn: tiến sĩ.....................................................................
Chức danh khoa học: ...................................................Chức vụ: giảng viên..........................
Điện thoại: Tổ chức: (08)38647256 Nhà riêng: .......................... Mobile: 0936686131
Fax:.................................................. E-mail:
Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM
Địa chỉ tổ chức: 268, Lý Thường Kiệt, P14, Q10, TPHCM...................................................
Địa chỉ nhà riêng: S2, Ba Vì, P15, Q10, TPHCM..................................................................
9

Thư ký đề tài
Họ và tên: Nghị Vĩnh Khanh..................................................................................................
Ngày, tháng, năm sinh: 25/06/1979....................... Nam/ Nữ: Nam........................................
Học hàm, học vị/ Trình độ chuyên môn: thạc sĩ......................................................................
Chức danh khoa học: ........................

Chức vụ: Trưởng Ban Phát triển Hệ thống CNTT

Điện thoại: Tổ chức: 0743 855245 -281 Nhà riêng: ................... Mobile: 0908378540......
Fax: .................................................. E-mail:
Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Trà Vinh..........................................................
Địa chỉ tổ chức: 126 Nguyễn Thiện Thành, khóm 4, phường 5, TP Trà Vinh, tỉnh Trà Vinh
Địa chỉ nhà riêng: 112/A1, Trần Phú, P2, TP Trà Vinh........................................................
10 Tổ chức chủ trì đề tài
Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM
Điện thoại: (08)38647256 ............ Fax: (08) 38653823........................................................
Website: www.hcmut.edu.vn.................................................................................................
Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP Hồ Chí Minh.....................................................
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS.TS Vũ Đình Thành...........................................................
Số tài khoản: 3713.0.1056923................................................................................................
Kho bạc nhà nước/Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước TP.HCM................................................
11 Các tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài (nếu có)
1. Tổ chức 1 : Trường Đại học Trà Vinh..............................................................................
2


Tên cơ quan chủ quản: Uỷ Ban Nhân Dân tỉnh Trà Vinh.......................................................
Điện thoại: 0743 855245.................. Fax: ..............................................................................
Địa chỉ: 126 Nguyễn Thiện Thành, khóm 4, phường 5, TP Trà Vinh, tỉnh Trà Vinh............

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: TS. Phạm Tiết Khánh........................................................
Số tài khoản: ..........................................................................................................................
Ngân hàng: .............................................................................................................................
Các cán bộ thực hiện đề tài
(Ghi những người có đóng góp khoa học và chủ trì thực hiện những nội dung chính thuộc tổ
chức chủ trì và tổ chức phối hợp tham gia thực hiện đề tài, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm đề
tài. Những thành viên tham gia khác lập danh sách theo mẫu này và gửi kèm theo hồ sơ khi đăng ký)
Thời gian làm việc
Họ và tên,
Tổ chức
Nội dung,
TT
cho đề tài
học hàm học vị
công tác
công việc chính tham gia
(Số tháng quy đổi2)
1
TS. Phạm
Trường Đại
Chủ nhiệm đề tài, tham gia
6
Quang Thái
học Bách
vào toàn bộ các nội dung của
Khoa
đề tài
TPHCM
12

2

TS. Hà Hoàng
Kha

Trường Đại
học Bách
Khoa
TPHCM

Thành viên nghiên cứu
chính, tham gia vào toàn bộ
các nội dung của đề tài

8

3

TS. Trịnh Xuân
Dũng

Trường Đại
học Bách
Khoa
TPHCM

Thành viên nghiên cứu
chính, tham gia vào toàn bộ
các nội dung của đề tài

7

4

ThS. Nghị Vĩnh
Khanh

Trường Đại
học Trà Vinh

Thư ký khoa học, tham gia
vào toàn bộ các nội dung của
đề tài

12

II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG KH&CN VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
13 Mục tiêu của đề tài (Bám sát và cụ thể hoá định hướng mục tiêu theo đặt hàng)
1. Thiết kế hệ thống cảm biến đo đạc đo đạc 07 chỉ tiêu sau: Ammonia (NH3), Nitrate (NO3-),
Oxy hòa tan (DO), pH, nhiệt độ, độ mặn, H2S. Trong đó, 03 chỉ tiêu là Ammonia, Nitrate và
DO được đo bằng cảm biến quang phổ không tiếp xúc, trường hợp không thể đo thành công
DO bằng cảm biến quang phổ không tiếp xúc thì có thể dùng cảm biến ion để tích hợp, 04
chỉ tiêu còn lại pH, nhiệt độ, độ mặn, H2S sẽ dùng các cảm biến đã có trên thị trường để tích
hợp cho hệ thống.
2. Thiết kế hệ thống kiểm tra một số thông số môi trường nuôi tôm tự động qua hệ thống thông
2 Một (01) tháng quy đổi là tháng làm việc gồm 22 ngày, mỗi ngày làm việc gồm 8 tiếng

3

tin di động hướng tới khả năng nâng cao hàm lượng công nghệ cao trong nông nghiệp, hỗ trợ
khả năng phát triển kinh tế bền vững và kiểm tra chất lượng môi trường nước.

14 Tình trạng đề tài
Mới

Kế tiếp hướng nghiên cứu của chính nhóm tác giả
Kế tiếp nghiên cứu của người khác

15 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải về mục tiêu và những nội dung nghiên cứu
của đề tài
15.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
Ngoài nước (Phân tích đánh giá được những công trình nghiên cứu có liên quan và những kết
quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của đề tài; nêu được những bước tiến về
trình độ KH&CN của những kết quả nghiên cứu đó)
Đối với các hệ thống cảm biến chất lỏng, phương pháp tiếp cận có thể được phân chia thành ba
loại chủ yếu: độ dẫn điện, chỉ thị màu và quang phổ.
Đối với phương pháp tiếp cận đầu tiên, các ion hòa tan trong dung môi sẽ làm thay đổi độ dẫn
điện. Điện áp của môi trường chứa ion sẽ thay đổi tùy thuộc vào hàm mũ của mật độ ion tương
ứng, tuân theo phương trình Nernst. Các cảm biến sử dụng phương pháp này thường là các điện
cực được nhúng trực tiếp vào chất cần đo đạc. Ví dụ, điện cực làm bằng thủy tinh là thiết bị phổ
biến để đo đạc độ pH của dung dịch theo phương pháp này [1]. Điện cực Clark là phương pháp
phổ biến để đo đạc nồng độ oxy trong môi trường [2]. Điện cực Clark, sử dụng vàng và bạch kim
cho cathode và bạc cho anode, có thể dùng để đo đạc trong cả môi trường khí và lỏng (chẳng hạn
như mẫu máu). Việc sử dụng các điện cực này có một số hạn chế nhất định. Điện cực thủy tinh
đo pH có đáp ứng chậm, không phù hợp với nhiệt độ hoạt động cao, dễ bị nhiễu điện từ và có
kích thước lớn. Trong khi đó, điện cực Clark có thể hoạt động ở nhiệt độ cao và kích thước nhỏ
gọn hơn, nhưng lại làm hư hại mẫu dung dịch sau khi đo xong và dễ bị nhiễu bởi các chất như
chlorine, ozone hay nitrogen oxide.
Các cảm biến dùng điện cực có thể được giảm kích thước bằng cách kết hợp với công nghệ điện

tử. Chẳng hạn, linh kiện FET có mức độ dẫn điện tùy thuộc vào điện áp trên chân điều khiển.
Chân điều khiển này được kết nối với các màng mỏng bằng chất nhạy với ion cần đo đạc [3].
Chẳng hạn, màng carbon nanotube dùng để chế tạo cảm biến pH [4] và silicon nanowire dùng để
chế tạo cảm biến Al2O3 [5]. Khi dung dịch cần đo đạc tiếp xúc với chất cách điện tạo nên các
màng mỏng này, các tương tác ion tương ứng sẽ diễn ra và làm thay đổi độ dẫn điện. Điện áp
thay đổi ở chân dẫn sẽ làm thay đổi tương ứng dòng điện qua FET. Các thông số khác như độ
mặn, nitrate và ammonia cũng có thể được đo đạc theo phương pháp đo đạc độ dẫn điện [6].Tuy
nhiên, các thiết bị này bị sai số nếu thời gian sử dụng lâu, mà nguyên nhân chủ yếu là sự thay đổi
độ từ trễ và đáp ứng dòng-áp theo nhiệt độ môi trường.
Nhìn chung, do bản chất là đo đạc điện tích của ion sinh ra trong quá trình tương tác giữa điện
cực và chất cần cảm biến, các hệ thống đo đạc này đều không bền. Hiện tượng ăn mòn điện cực
khiến yêu cầu bảo trì và bảo dưỡng đầu đo rất nghiêm ngặt. Trong các hệ thống đo đạc tự động từ
4


xa, các yêu cầu như bảo quản trong môi trường khép kín, lau chùi đầu đo và cân chỉnh hệ thống
theo điều kiện thời tiết là rất khó khăn. Một số đầu đo chỉ hoạt động được sau khi mẫu đo đã
được xử lý trước một tuần [7]. Hơn nữa, do tất cả các ion đều dẫn điện, các điện cực này thường
được phủ các lớp màng / hóa chất có tương tác mạnh với chất cần đo đạc để loại đi nhiễu do các
ion không mong muốn sinh ra. Kết quả là mỗi đầu cảm biến chỉ đo được một thông số. Đối với
môi trường nuôi tôm cần nhiều thông số như yêu cầu thực tế, hệ thống sử dụng các cảm biến này
sẽ trở nên cồng kềnh và đắt tiền.
Đối với cách tiếp cận thứ hai, sự thay đổi màu sắc hoặc cường độ ánh sáng do hiện tượng huỳnh
quang của chất chỉ thị được dùng để xác định và ước lượng nồng độ chất cần đo đạc. Hiện tượng
này có thể được giải thích ngắn gọn như sau: một phân tử có thể hấp thụ năng lượng từ một
photon ánh sáng để chuyển sang trạng thái kích thích. Sau một thời gian ngắn, phân tử này trở về
trạng thái bình thường và sinh ra một photon có năng lượng nhỏ hơn photon ban đầu. Sự thay đổi
bước sóng phát xạ này gọi là hiện tượng dịch bước sóng Stokes. Khi chất chỉ thị màu được pha
vào dung dịch cần đo đạc, sự tương tác của chúng khiến tính chất huỳnh quang của chất chỉ thị
màu thay đổi. Sự thay đổi về màu sắc này có thể được quan sát bằng mắt thường hoặc bằng các

cảm biến màu sắc và so sánh với màu sắc chuẩn để ước lượng nồng độ chất đã tương tác với chất
chỉ thị. Đối với cảm biến oxy, một phương pháp đo đạc khác cũng có cùng bản chất là đo đạc sự
giảm cường độ ánh sáng của đầu cảm biến. Tương tác giữa oxy và các phân tử cảm biến khiến
các phân tử này mất năng lượng và giảm đi ánh sáng huỳnh quang hoặc lân tinh quang ban đầu.
Do cần pha chất chỉ thị màu vào dung dịch cần đo đạc, tính chất huỳnh quang của chất chỉ thị có
thể bị thay đổi bởi các yếu tố khác trong dung dịch. Lượng chỉ thị màu cần được xác định chính
xác trước khi pha. Ngoài ra, cường độ màu sẽ thay đổi theo thời gian do mật độ chất chỉ thị
khuếch tán dần trong dung dịch. Để giảm sai số, các đầu đo pH hoặc oxy sử dụng phương pháp
này được bao bọc bởi màng polymer hoặc sol-gel [8]. Các phân tử chất chỉ thị màu bị giam giữ
và chỉ tương tác trong một không gian định trước. Cách làm này tuy giảm được sự thay đổi màu
sắc theo thời gian nhưng lại làm tăng giá thành cảm biến.
Hầu hết việc đo đạc các chất hiện nay cho môi trường thủy sinh nói chung và cho ao tôm nói
riêng sử dụng các test kit. Phương pháp đo đạc bằng test kit này về bản chất chính là phương
pháp dùng chất chỉ thị màu. Nhìn chung, do chất chỉ thị màu sẽ mất đi sau mỗi lần đo, việc sử
dụng cảm biến loại này cho quá trình theo dõi chất lượng nước trong đầm tôm gặp một số trở
ngại. Trở ngại đầu tiên là chất chỉ thị màu phải được mua bổ sung thường xuyên để đo đạc. Dung
dịch sau khi đã qua thêm chất chỉ thị màu cũng phải bỏ đi. Điều này làm tăng chi phí sử dụng và
ảnh hưởng xấu đến môi trường. Một số chất chỉ thị màu có độc tính và có khả năng ảnh hưởng
xấu đến người thực hiện thao tác đo đạc. Trở ngại tiếp theo là việc theo dõi theo thời gian thực
không thể thực hiện được. Cụ thể, sau khi chất chỉ thị màu đã tương tác với chất cần đo đạc,
chẳng hạn như oxy, sự tăng hay giảm lượng oxy sau đó vài phút không xác định được nữa do các
chất chỉ thị màu đã mất đi. Đối với các hệ thống giám sát và kiểm tra từ xa bằng hệ thống điều
khiển tự động, yêu cầu thay đổi chất chỉ thị màu thường xuyên khiến hệ thống trở nên phức tạp
và cồng kềnh. Các đầu đo dùng màng polymer hoặc sol-gel có thể đo đạc được nhiều lần hơn.
Tuy nhiên, do có cùng bản chất là mỗi lần đo đạc một lượng chất chỉ thị màu sẽ mất đi, nên cảm
biến sẽ mất dần độ nhạy theo thời gian.
Như vậy, có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu của các khó khăn khi sử dụng phương pháp tiếp
cận thứ nhất và thứ hai nằm ở việc phần tử dùng để cảm biến cần tiếp xúc trực tiếp với dung dịch
cần cảm biến. Việc tiếp xúc trực tiếp này dẫn đến các thay đổi về tính chất hóa-lý của đầu cảm
5

biến và làm giảm tuổi thọ hoặc làm phức tạp hệ thống.
Phương pháp sử dụng phổ quang dựa vào hai hiện tượng: hiện tượng hấp thụ photon của các liên
kết phân tử và hiện tượng tán xạ Raman. Trong đó, hiện tượng hấp thụ chuyển đổi năng lượng
photon hấp thụ thành nhiệt độ và hiện tượng tán xạ Raman chuyển đổi photon hấp thụ thành
photon Stokes. Về bản chất, hai hiện tượng này đều xuất phát từ quá trình chuyển đổi năng lượng
giữa các trạng thái rung động rời rạc của phân tử [9]. Vùng ánh sáng hồng ngoại (bước sóng từ
750 nm đến 1 mm), có thể được chia ra làm ba vùng chính là vùng hồng ngoại xa (FIR 16000 nm
– 1 mm), hồng ngoại trung (MIR 2500-16000 nm) và hồng ngoại gần (NIR 750-2500 nm). Vùng
bước sóng gần đó là vùng ánh sáng khả kiến (Visible – VIS 450-750 nm) và cực tím (Ultraviolet
– UV 200-450 nm). Tần số căn bản cho các rung động phân tử chủ yếu xảy ra trong vùng MIR.
Các liên kết X-H, X-H2 và X-H3 với X là C, N hoặc O có các rung động không điều hòa và xảy
ra trong vùng NIR. Cường độ rung động trong vùng UV-VIS-NIR thấp hơn nhiều lần vùng MIR
và thường chồng lấn nhau về tần số. Vùng FIR thường ít được xét đến khi đo đạc rung động phân
tử.
Như vậy, phổ hấp thụ ở vùng MIR ít chồng lấn và có thể sử dụng để phân biệt các phân tử dễ
dàng hơn. Tuy nhiên, nước hấp thụ rất mạnh các bước sóng ở vùng này. Do đó, các cảm biến sử
dụng MIR có độ xuyên thấu rất thấp khi sử dụng cho dung dịch. Độ dày của dung dịch đo đạc
cần thấp ở mức vài micromet. Ngoài ra, dung dịch cảm biến cần được loại bớt các thành phần để
giảm độ phức tạp trong đo đạc. Màng polymer cũng được sử dụng để cô lập các thành phần cần
đo đạc như các phương pháp dùng chất chỉ thị màu. Trong vùng UV-VIS-NIR, khả năng hấp thụ
của nước thấp hơn. Do đó, mẫu đo đạc có thể dày hơn và việc đo đạc có thể tiến hành trực tiếp
không cần qua các bước chuẩn bị như vùng MIR. Tuy nhiên, phổ hấp thụ hoặc bức xạ của các
phân tử lại chồng lấn lên nhau trong khu vực này và làm phức tạp quá trình đo đạc. Thông
thường các phương pháp tính toán cho hàm đa biến dựa theo thống kê như multiple linear
regression (MLR), principal component analysis (PCA), và partial least squares regression (PLS)
cần được áp dụng để phân tích và tìm kiếm các thành phần độc lập trong dữ liệu đo đạc. Phổ
Raman không chồng lấn tương tự như vùng MIR nhưng các bước sóng tán xạ Raman lại ít bị hấp
thụ như vùng NIR. Do đó, kỹ thuật cảm biến bằng Raman có thể được dùng để hỗ trợ cho vùng

NIR. Tuy nhiên, hệ thống Raman cần quy định chặt chẽ hơn về chất lượng nguồn phát xạ cũng
như bộ thu [10]. Đo đạc bằng hệ thống Raman thông thường có sai số lớn do hiện tượng huỳnh
quang của các phần tử hữu cơ trong nước. Đo đạc bằng các hệ thống Raman nâng cao có độ
chính xác tốt nhưng lại tốn kém do yêu cầu thiết bị quang học và điện tử có tốc độ đáp ứng nhanh
hoặc do yêu cầu thay đổi liên tục vùng tiếp xúc với dung dịch đo.
Điểm lợi thế đặc biệt của phương pháp đo đạc quang phổ vùng UV-VIS-NIR và Raman và khả
năng đo đạc không tiếp xúc và đo đạc được nhiều thông số cùng một lúc. Chẳng hạn, trong [11],
một hệ thống đo đạc quang phổ Raman đã được dùng để đo đạc nồng độ oxy hòa tan và nitrogen
trong nước. Do đặc thù cần đo đạc trên diện rộng ở các khu vực địa hình phức tạp, nhóm tác giả
trong [11] đã giải quyết vấn đề bằng cách quét laser cường độ cao ở bước sóng 364-390 nm từ
máy bay và thu thập bước sóng tán xạ Stokes. Trong một báo cáo khác [12], nhu cầu oxy hóa học
(Chemical oxygen demand – COD), một trong các thông số quan trọng nhất để khảo sát tình hình
ô nhiễm nước biển, đã được đo đạc bằng phổ UV-VIS và tính toán PLS. Một báo cáo khác [13]
sử dụng phương pháp tương tự đã đo đạc được ba thông số cùng một lúc là nồng độ nitrate, COD
và tổng lượng organic carbon (TOC) của nước biển. Hướng cảm biến tương tự cũng được công
bố cho nước thải để đo COD [14] bằng phổ UV-VIS kết hợp phân tích MLR hay đo dư lượng
6


dầu nhờn và nước tẩy [15] bằng phân tích PCA.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm. Đầu tiên là độ chính xác của
phương pháp thông thường dừng lại ở mức parts per million (mg/l) và phụ thuộc rất nhiều vào
thuật toán phân tích thành phần độc lập. Điểm yếu thứ hai sự chồng lấn phổ trong vùng UV-VISNIR. Phổ rung động trong vùng này phụ thuộc rất nhiều vào liên kết giữa các phân tử vô cơ và
nước. Do đó, nếu như hai chất có dạng liên kết giống nhau (như NaCl và KCl) được hòa tan cùng
một lúc vào nước, phổ của chúng sẽ chồng lấn lên nhau và rất khó để phân biệt. Một số ion
không có bước sóng hấp thụ mạnh trong vùng UV-VIS khiến việc đo đạc rất khó khăn.
Theo như hiểu biết của nhóm tác giả, hiện nay chưa có công bố quốc tế nào về hệ thống kiểm tra
môi trường nước với các điều kiện chuyên biệt cho ứng dụng nuôi tôm sử dụng cảm biến quang
không tiếp xúc. Các nghiên cứu chủ yếu là đo đạc một số chất rời rạc trong các môi trường như
nước biển, nước thải hoặc trong phòng thí nghiệm.

Trong nước (Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước thuộc lĩnh vực nghiên cứu
của đề tài, đặc biệt phải nêu cụ thể được những kết quả KH&CN liên quan đến đề tài mà các cán
bộ tham gia đề tài đã thực hiện. Nếu có các đề tài cùng bản chất đã và đang được thực hiện ở
cấp khác, nơi khác thì phải giải trình rõ các nội dung kỹ thuật liên quan đến đề tài này; Nếu
phát hiện có đề tài đang tiến hành mà đề tài này có thể phối hợp nghiên cứu được thì cần ghi rõ
Tên đề tài, Tên Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì đề tài đó)
Theo số liệu tổng hợp của Trung tâm tin học và thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông
thôn (NN&PTNT), diện tích nuôi trồng thủy sản ở nước ta hiện nay khoảng hơn 1 triệu ha, với
sản lượng ước đạt 3,2 triệu tấn năm 2013. Trong chiến lược phát triển của ngành thủy sản đến
năm 2020, tôm nước lợ (tôm sú, tôm chân trắng) được xem là những đối tượng chủ lực do có lợi
thế về xuất khẩu sản phẩm sang thị trường quốc tế.
Theo Hiệp hội chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), diện tích nuôi tôm nước lợ ở
nước ta năm 2013 ước đạt 666 nghìn ha với sản lượng tôm nuôi khoảng 541 nghìn tấn. Việt Nam
hiện nay là một trong 5 quốc gia đứng đầu trên thế giới về sản lượng tôm nuôi và giá trị xuất
khẩu từ mặt hàng tôm đông lạnh của nước ta năm 2013 đạt hơn 3 tỷ USD.
Phần lớn diện tích nuôi tôm nước lợ ở nước ta là ở dạng quảng canh cải tiến và nuôi kết hợp. Xu
thế thâm canh hóa ở các trang trại nuôi tôm đang tăng dần trong những năm qua, nhằm tăng năng
suất, sản lượng tôm nuôi. Đến năm 2020, diện tích nuôi tôm công nghiệp dự kiến đạt khoảng 140
nghìn ha, chiếm khoảng 21 % so với tổng diện tích nuôi tôm nước lợ hiện tại. Trong quá trình
nuôi trồng thủy sản này, thức ăn chiếm khoảng 50% chi phí và thuốc, hóa chất, chế phẩm sinh
học chiếm thêm 25% chi phí. Thức ăn sử dụng cho nuôi tôm chủ yếu là thức ăn công nghiệp.
Thuốc, hóa chất và chế phẩm sinh học để quản lý môi trường, dịch bệnh và tăng cao sức đề
kháng cho tôm nuôi.
Điều này dẫn đến các nguy hiểm tiềm tàng về ô nhiễm môi trường như chất thải dinh dưỡng dư
thừa, thuốc, hóa chất và mầm bệnh [16]. Về chất dinh dưỡng dư thừa, một lượng lớn các chất
dinh dưỡng trong thức ăn tôm không được hấp thụ vào cơ thể chúng mà bị thải ra môi trường
xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải. Mỗi tấn tôm sẽ thải khoảng 16,8 –
157,2 kg nitrogen và 2,3 – 45,9 kg phosphorus ra môi trường dẫn đến gia tăng nồng độ ammonia,
7

nitrite, nitrate v.v.
Các kết quả điều tra cho thấy có ít nhất 186 loại (32 kháng sinh) dùng trong nuôi tôm và 98 loại
(39 kháng sinh) dùng trong sản xuất tôm giống. Có 74 loại thuốc và hóa chất được sử dụng trong
nuôi tôm tại 2 tỉnh Sóc Trăng và Bạc Liêu, trong đó có 20 loại thuốc và hóa chất dùng cho diệt
tạp và tẩy trùng; 19 loại kháng sinh; 10 loại hóa chất dùng để xử lý đất và nước; 10 loại men vi
sinh và một số loại thuốc và hóa chất khác như phân bón, sản phẩm dùng để tăng cường hệ miễn
dịch bổ sung vào thức ăn cho tôm. Việc này có thể gây ra những rủi ro về tác động gây độc, gây
chết cho các sinh vật tự nhiên, tạo nên những dòng vi sinh vật kháng thuốc, ảnh hưởng tới sức
khỏe của công nhân làm việc trực tiếp cũng như sức khỏe người tiêu dùng.
Tại Việt Nam, dựa vào điều kiện khí hậu và tình hình khảo sát giống vật nuôi, bộ Nông nghiệp và
phát triển nông thôn (NNPTNT) đã ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về cơ sở nuôi tôm
nước lợ - Điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ môi trường và an toàn thực phẩm [17]. Trong
đó, các quy định về địa điểm nuôi, cơ sở hạ tầng, hoạt động nuôi trồng và quy định về chất thải
đều có các thông số cụ thể. Bảng chuẩn quy định chất lượng nước trong ao nuôi như sau [17]:
Bảng 1:
TT

Thông số

Đơn vị

Giá trị cho phép

1

Oxy hòa tan

mg/l

>3.5

2

pH

3

Độ mặn

Phần nghìn

5-35

4

Độ kiềm

mg/l

60-180

5

Độ trong

Cm

20-50

6

NH3

mg/l

<0.3

7

H2 S

mg/l

<0.05

8

Nhiệt độ

7-9, dao động trong
ngày không quá 0.5

o

C

18-33

Thực tế, mỗi thông số chủ yếu trên được đo đạc bằng một thiết bị riêng. Do hệ thống trong đề tài

này được thiết kế để đo đạc các thông số là oxy hòa tan, độ mặn, NH3, NO2, pH, H2S và nhiệt độ,
phương pháp đo đạc thực tế hiện nay của các yếu tố này sẽ được trình bày chi tiết.
Độ mặn: đo đạc bằng khúc xạ kế, thường có thang đo 0 - 100‰, nhỏ gọn, giá vài triệu đồng,
giúp hộ nuôi nắm được độ mặn nước trong ao nuôi để điều chỉnh hợp lý, tránh gây sốc cho tôm.
Khúc xạ kế thường được chọn từ những hãng uy tín của Nhật, Đức sản xuất.
Cách đo đạc bằng khúc xạ kế:
Trước khi đo, dùng dung dịch nước cất nhỏ lên mặt kính khúc xạ kế rồi đậy nắp kính lại.
Quan sát và hiệu chỉnh vạch phân cách trở về vị trí không.
Nhỏ 1, 2 giọt dung dịch cần đo lên lăng kính
Đậy tấm chắn sáng, bảo đảm rằng nước phải phủ đều trên lăng kính
8


Đưa lên mắt ngắm và đọc số trên thang đo, chỉnh tiêu cự sao cho số thấy rõ nhất.
Sau khi đo xong lấy giấy thấm chậm lên bề mặt cho khô trước khi bảo quản máy hoặc thực
hiện lần đo khác
Khi nồng độ muối của dung dịch quá cao, trên màn hình quan sát chỉ xuất hiện màu trắng.
Độ chính xác từ 0.1-1‰. Nước thông thường do có nhiều tạp chất, nên khi xem trên khúc
xạ kế sẽ có nồng độ nhỏ hơn 0.
Bảo quản khúc xạ kế trong hộp kèm theo và để nơi thoáng mát, không được để vô nước.
Oxy hòa tan (DO): các hộ nuôi thường chọn mua các loại máy đo oxy cầm tay hoặc bỏ túi. Loại
máy này có độ phân giải cao (0.1mg/lít), song giá cũng cao từ vài triệu đến vài chục triệu, lại khó
sử dụng và bảo quản. Ngoài ra, các hộ nuôi cũng có thể mua hộp test oxy sử dụng để đo hằng
ngày, tuy độ chính xác không cao bằng máy nhưng dễ sử dụng, rẻ tiền khoảng vài trăm nghìn và
dễ bảo quản.
Cách đo đạc DO bằng test kit:
Rửa lọ thủy tinh nhiều lần bằng mẫu nước cần kiểm tra, sau đó đổ đầy mẫu nước đến mép
lọ. Lau khô bên ngoài lọ.
Lắc đều chai thuốc thử trước khi sử dụng. Nhỏ 6 giọt thuốc thử số 1 và 6 giọt thuốc thử số 2
vào lọ chứa mẫu nước cần kiểm tra, đậy nắp lọ thử ngay sau khi nhỏ (phải đảm bảo không

có bất kỳ bọt khí nào trong lọ), lắc đều, sau đó mở nắp lọ ra.
Đặt lọ thử nơi nền trắng của bảng so màu, so sánh màu kết tủa của lọ với các cột màu và
xác định nồng độ oxy (mg/l). Nên thực hiện việc so màu dưới ánh sáng tự nhiên, tránh ánh
sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào.
Làm sạch trong và ngoài lọ thủy tinh bằng nước máy trước và sau mỗi lần kiểm tra.
Các giá trị đo rời rạc là: 2 mg/l, 4 mg/l, 6 – 8 mg/l. Như vậy không có giá trị cụ thể ở mức
ngưỡng 3.5 mg/l. Ở các mức lân cận sai số đo đạc là 2 mg/l.
Bảo quản: đóng nắp chai thuốc thử ngay sau khi sử dụng, lưu trữ nơi thoáng mát và để tránh
xa tầm tay trẻ em.
pH: trên thị trường cung cấp chủ yếu 3 loại thiết bị đo là máy đo 3 chỉ tiêu (nhiệt độ, pH và DO),
bút đo pH và hộp test pH. Đối với các hộ nuôi tôm, để thuận tiện cho việc sử dụng, tốn ít tiền mà
vẫn đảm bảo độ chính xác thường dùng bút đo pH (giá khoảng một triệu đồng một chiếc) hoặc
hộp test pH của các hãng trong và ngoài nước (giá vài trăm nghìn đồng một hộp).
Cách đo pH dùng bút đo:
Ngâm đầu bút vào nước cất và lau khô bằng giấy.
Ngâm đầu bút pH vào dung dịch cần đo. Khuấy nhẹ và đợi cho tới khi thông số ổn định
(khoảng 30 giây).
Sau khi sử dụng xong, vệ sinh đầu bút bằng nước sạch rồi lau khô và đóng nắp lại.
Đầu bút đo cần được chỉnh lại sau một số lần đo bằng cách calip trong dung dịch chuẩn pH
6.86 và pH 4.0.
Độ sai số khoảng 0.1 đơn vị.
9


Cách đo pH dùng test kit:
Làm sạch lọ thủy tinh bằng mẫu nước trong hồ cần kiểm tra, sau đó đổ đầy 5ml mẫu nước
trong hồ vào lọ. Lau khô bên ngoài lọ.
Lắc đều chai thuốc thử trước khi sử dụng. Nhỏ 4 giọt thuốc thử vào lọ thủy tinh chứa mẫu
nước cần kiểm tra, đóng nắp lọ, lắc nhẹ rồi mở nắp ra.
So sánh kết quả thử nghiệm với bảng so màu: đặt lọ thủy tinh vào vùng trắng của bảng so

màu, đối chiếu giữa kết quả thử nghiệm với bảng so màu rồi xem giá trị pH tương ứng. Sai
số là 0.5 đơn vị.
Làm sạch trong và ngoài lọ thủy tinh bằng nước máy trước và sau mỗi lần kiểm tra.
Bảo quản: đóng nắp chai thuốc thử ngay sau khi sử dụng, lưu trữ nơi thoáng mát và để tránh
xa tầm tay trẻ em.
Nhiệt độ thông thường được đo bằng nhiệt kế (giá vài chục nghìn đồng một chiếc). Tầm sai số
khoảng 0.1-0.2 độ.
NH3 (ammonia) là khí độc sinh ra quá trình bài tiết của tôm và quá trình phân hủy các hợp chất
hữu cơ như sinh vật chết, thức ăn thừa... trong nước. Amoniac tồn tại dưới dạng NH4+ và NH3;
trong đó chỉ có NH3 gây độc cho tôm. Cụ thể việc đo đạc như sau:
Đo đạc ammonia bằng test kit:
Làm sạch trong và ngoài lọ thủy tinh bằng nước máy trước và sau mỗi lần kiểm tra. Lắc đều
các chai thuốc thử trước khi sử dụng.
Rửa lọ thủy tinh nhiều lần bằng mẫu nước cần kiểm tra, sau đó đổ đầy 5ml mẫu nước vào
lọ. Lau khô bên ngoài lọ.
Cho 6 giọt thuốc thử của chai thuốc thử 1 vào lọ thủy tinh chứa mẫu nước cần kiểm tra,
đóng nắp và lắc đều.
Mở nắp, cho 6 giọt thuốc thử của chai thuốc thử 2 vào lọ, đóng nắp và lắc đều rồi mở nắp
ra.
Cho tiếp 6 giọt thuốc thử của chai thuốc thử 3 vào lọ, đóng nắp lọ, lắc đều. Nếu mẫu thử là
nước ngọt thì chỉ dùng 3 giọt ở mỗi chai thuốc thử 1, 2 và 3.
Sau 5 phút, đối chiếu màu của dung dịch với bảng màu.
Việc tính toán nồng độ NH3 chỉ thực hiện được khi biết độ pH và đối chiếu với giá trị NH4+,
các giá trị rời rạc đo đạc được như bảng 2. Trong đó, tầm sai số ở mốc 0.3 mg/l do sai số
liền kề của pH và NH4+ trong tầm -0.25 mg/l đến +0.45 mg/l. Để dung hòa, chúng tôi chọn
giá trị sai số là 0.25 mg/l.
Bảng 2: giá trị ammonia đo đạc bằng test kit [18]
Độ pH

Giá trị NH4+

sau khi so màu

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

0,5

0,003

0,009

0,03

0,08

0,18

10

Giá trị NH3
thực tế

1,0

0,006

0,02

0,05

0,15

0,36

1,5

0,01

0,03

0,11

0,30

0,72

5,0

0,03

0,09

0,27

0,75

1,80

10,0

0,06

0,17

0,53

1,51

3,60

Bảo quản: đóng nắp chai thuốc thử ngay sau khi sử dụng, lưu trữ nơi thoáng mát, tránh ánh
nắng mặt trời và để tránh xa tầm tay trẻ em.
Thuốc thử số 3 có chứa sodium hydroxide và sodium hypochlorite dể cháy và rất hại cho
mắt. Tránh tiếp xúc trực tiếp vào mắt, da và quần áo. Trường hợp thuốc thử này tiếp xúc với
mắt, nên rửa ngay với thật nhiều nước và nên làm theo lời khuyên của bác sĩ.
NO2 chủ yếu sinh ra do quá trình phân hủy chất thải của tôm và lượng thức ăn thừa. Trong nước,
NO2 luôn tồn tại dưới dạng ion và có thể gây độc cho tôm. Lựa chọn hiện nay để đo NO2 là các
bộ test kit của các hãng sản xuất trong và ngoài nước với giá vài trăm nghìn đồng một hộp.
Đo đạc nitrate bằng test kit:
Làm sạch trong và ngoài lọ thủy tinh bằng nước máy trước và sau mỗi lần kiểm tra. Lắc đều
chai thuốc thử trước khi sử dụng.
Rửa lọ thủy tinh nhiều lần bằng mẫu nước cần kiểm tra, sau đó đổ 5ml mẫu nước vào lọ.

Lau khô bên ngoài lọ.
Nhỏ 5 giọt thuốc thử số 1 và 5 giọt thuốc thử số 2 vào lọ chứa mẫu nứơc cần kiểm tra.
Đóng nắp lọ và lắc nhẹ. Mở nắp ra.
Chờ 3-5 phút, sau đó đem đối chiếu với bảng so màu. Nên thực hiện việc so màu dưới ánh
sáng tự nhiên, tránh ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào.
Hàm lượng nitrate sau khi so màu chỉ phân biệt được một số mức: 5.0 mg/l, 1.0 mg/l, 0.5
mg/l, 0.3 mg/l và nhỏ hơn 0.1 mg/l. Như vậy, sai số đo đạc ở vùng 0.3 mg/l là 0.2 mg/l.
Bảo quản: đóng nắp chai thuốc thử ngay sau khi sử dụng, lưu trữ nơi thoáng mát và để tránh
xa tầm tay trẻ em.
Thuốc thử số 1 có chứa hydrochloric acid gây kích thích mắt, hệ hô hấp và da, rất có hại
cho mắt. Trường hợp thuốc thử này tiếp xúc với mắt, nên rửa ngay với thật nhiều nước và
nên làm theo lời khuyên của bác sĩ.
Đo đạc H2S bằng test kit
Cho 5 ml nước vào ống nghiệm. Thêm 7 giọt Thuốc thử 1 và 7 giọt Thuốc thử 2. Đậy nắp.
Lật ngược ống. Nước chuyển sang màu hồng, rồi màu vàng nhạt hay màu xanh nếu có H2S.
Chờ 3 phút. Thêm 7 giọt Thuốc thử 3. Kết tủa trắng xuất hiện. Lắc kỹ cho kết tủa tan hết.
Đưa ống mẫu vào ống so màu. Tháo nắp. Hướng ống so màu ra ngoài sáng, đồng thời để
đáy ống nghiệm chiếu trên gương giữa bảng màu.
Tìm màu giống nhất. Ghi nhận nồng độ sunphua tổng. Tra bảng để xem nồng độ H2S.
11


Đối với phương pháp đo đạc dùng cảm biến ion, các thiết bị chủ yếu được cung cấp bởi các hãng
chuyên về thiết bị quan trắc môi trường nước ngoài thông qua các công ty kinh doanh sản phẩm
trong nước. Một số sản phẩm chỉ tập trung vào việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến, báo động và
quản lý dữ liệu. Loại thiết bị này không kèm cảm biến mà chỉ tập trung vào việc truyền dẫn và hệ
thống vi xử lý. Một trong các thiết bị có mặt trên thị trường là YSI 5200A Multiparameter
Monitoring and Control Instrument [19]. Thiết bị này cho phép kết nối với các cảm biến DO, pH,
ORP, độ dẫn điện, nhiệt độ (người dùng phải tự cấu hình giao tiếp thiết bị).

Hình 1: thiết bị YSI 5200A Multiparameter Monitoring and Control Instrument [19]
Một số sản phẩm khác tích hợp nhiều cảm biến ion vào một thiết bị đo và người dùng cần nhúng
trực tiếp thiết bị vào nước để tiến hành đo đạc. Một số sản phẩm hiện có trên thị trường là hệ
thống đo đạc đa chỉ tiêu chất lượng nước EXO của YSI (Mỹ) [20] hoặc hệ thống đo chất lượng
nước đa chỉ tiêu – Aquaread [21]. Trong đó, các cảm biến đo được tích hợp vào cùng một bộ thu
xử lý dữ liệu đa thông số và hoạt đông độc lập. Bộ thiết bị được thiết kế cho quan trắc nước mặt,
ngước ngầm và cả nước biển với khả năng quan trắc nhiều chỉ tiêu theo độ sâu. Tất cả các đầu đo
tiếp xúc trực tiếp với dòng nước.

Hình 2: Hệ thống Giám sát đa chỉ tiêu chất lượng môi trường nước EXO [20]

12


Hình 3: Hệ thống đo chất lượng nước đa chỉ tiêu - Aquaread [21]
Giá thành của các hệ thống trên không được công bố trên các trang web bán hàng tại Việt Nam.
Tuy nhiên, trong các công bố ngoài nước, giá thành các hệ thống trên dao động từ EUR 400012000 (khoảng 100-300 triệu VND) tùy vào số lượng thông số có thể đo đạc [22]. Khi mua tại
Việt Nam, giá thành dự kiến của các hệ thống này sẽ cao hơn khoảng 2-3 lần con số trên do các
khoảng khác như thuế, tiền dịch vụ và tiền bảo trì, bảo hành.
Như vậy, có thể thấy rằng việc kiểm tra và kiểm soát môi trường nước là yêu cầu hết sức quan
trọng để quyết định chất lượng cũng như bảo đảm lợi nhuận cho người nuôi trồng. Tuy nhiên,
thực tế đo đạc lại đòi hỏi quá nhiều thiết bị khác nhau. Hơn nữa, đa phần các phương thức đo đạc
đang sử dụng hiện nay dùng phương pháp chỉ thị màu hoặc đo nồng độ ion. Như đã trình bày
phía trên, phương pháp dùng chỉ thị màu làm thay đổi cả chất chỉ thị lẫn mẫu thử và không thể
dùng để theo dõi tự động từ xa theo thời gian. Đồng thời, chất chỉ thị màu cần được mua mới
thường xuyên trong quá trình đo đạc. Các cảm biến đo điện áp dựa trên nồng độ ion yêu cầu bảo
trì, bảo quản thường xuyên và có giá thành rất cao. Độ nhạy của các cảm biến này cũng giảm dần
theo thời gian do ion hóa khi tiếp xúc trực tiếp với dung dịch cần đo đạc.
Về các đề tài nghiên cứu trong nước, có rất nhiều đề tài nghiên cứu về môi trường nuôi tôm cũng
như ảnh hưởng của môi trường lên chất lượng và sức khỏe của tôm. Về hệ thống cảm biến, hầu

hết các hệ thống nghiên cứu trong nước hoặc sản phẩm trong nước bán trên thị trường đều tập
trung vào thiết kế phần mạch điều khiển, giao tiếp với cảm biến có sẵn hoặc tập trung vào phần
mềm truyền nhận dữ liệu cảm biến đã đo đạc [23, 24]. Điều này cũng dễ hiểu vì việc thiết kế
mạch giao tiếp với một loại tín hiệu vật lý duy nhất là dòng điện / điện áp từ các cảm biến tương
đối dễ dàng. Việc truyền nhận tín hiệu là bài toán chung cho tất cả các hệ thống điều khiển và đã
được chuẩn hóa trên rất nhiều hệ thống viễn thông sẵn có. Ví dụ, bộ phận Nghiên cứu & Triển
khai, Phòng thí nghiệm công nghệ Nano – ĐH Quốc gia TP.HCM đã chế tạo thiết bị kiểm tra
nguồn nước tự động, có thể kiểm tra chất lượng nước trong vòng vài phút, giúp người nuôi tôm
có thể dễ dàng hơn trong việc kiểm soát quá trình nuôi tôm của mình [25]. Thiết bị được thiết kế
có hình dạng như một con rùa nước, được trang bị các đầu dò cảm biến cùng hệ thống phân tích
các chỉ số nước tự động như oxy hòa tan, độ dẫn điện, độ mặn, nồng độ NH3, NO2 trong nước.
Khi sử dụng, thiết bị sẽ được thả trên mặt nước ao nuôi để đo và lấy nước ở nhiều vị trí khác
nhau. Với nhiều đầu dò cảm biến, thiết bị có thể đo được nhiều thông số nguồn nước trong cùng
13


một thời điểm. Các chỉ số phân tích này có thể thay đổi được tùy theo yêu cầu và tùy chỉnh của
mỗi người dân. Sau khi phân tích về tình trạng nguồn nước, dữ liệu sẽ được ghi lại và truyền về
máy tính thông qua mạng di động không dây để người sử dụng theo dõi tình trạng nguồn nước.
Trong một đề tài tương tự của Đại học Trà Vinh, “Ứng dụng công nghệ điện tử và thông tin để
quản lý một số chỉ số môi trường trong ao nuôi tôm nước 1ợ ở tỉnh Sóc Trăng”, một hệ thống
kiểm tra môi trường nước cũng đã được thiết kế. Trong hệ thống này, thay vì nhúng trực tiếp vào
ao nuôi, nước trong ao sẽ được bơm với khối lượng nhỏ và trữ vào một bình lọc tạm thời. Trong
bình lọc này, các cảm biến oxy hòa tan, độ đục, độ pH v.v sẽ đo đạc các thông tin tương ứng và
truyền về cho máy tính trung tâm cũng thông qua hệ thống thông tin di động. Chủ nhiệm đề tài là
TS. Nguyễn Thiện Nghĩa và một trong các thành viên tham gia thực hiện là ThS. Nghi Vĩnh
Khanh. ThS. Nghi Vĩnh Khanh đồng thời cũng là thành viên nghiên cứu của đề tài trong thuyết
minh này. Hệ thống được phát triển ở đại học Trà Vinh đã nhận thấy được điểm yếu trong việc
nhúng trực tiếp thiết bị đo đạc vào ao tôm là độ bền của cảm biến không bảo đảm. Tuy nhiên, do
vẫn sử dụng phương pháp đo đạc ion, các cảm biến này vẫn cần nhúng trực tiếp vào nước. Bằng

cách bơm nước vào một bình kín để đo đạc, sau đó bơm nước cất vào ngâm giữ cảm biến giữa
các lần đo, thời gian sử dụng và độ nhạy của cảm biến đã được cải thiện so với cách giữ nguyên
hệ thống nhúng vào nước ao tôm như cách thiết kế của Phòng thí nghiệm công nghệ Nano. Tuy
nhiên, cách làm này lại đòi hỏi phải bổ sung nước cất trong quá trình hoạt động, cũng như chỉ có
thể kéo dài chứ không tránh được hiện tượng ion hóa đầu đo.
15.2 Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của đề tài
(Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình
nghiên cứu có liên quan, những kết quả mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu đề tài, đánh giá
những khác biệt về trình độ KH&CN trong nước và thế giới, những vấn đề đã được giải quyết,
cần nêu rõ những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những hạn chế cụ thể, từ đó nêu được hướng giải
quyết mới - luận giải và cụ thể hoá mục tiêu đặt ra của đề tài và những nội dung cần thực hiện
trong đề tài để đạt được mục tiêu)
Qua các đánh giá và tổng hợp về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước, có thể rút ra
một số ý sau:
-Việc kiểm tra chất lượng môi trường nước trong ao nuôi tôm là hết sức cần thiết. Trong
quá trình chuẩn bị cơ sở nuôi tôm, các thông số môi trường giúp người đầu tư quyết định
được các khoản cần cải thiện và mức độ cải thiện môi trường cho phù hợp. Trong quá trình
nuôi tôm, việc theo dõi thông số môi trường thường xuyên là liên tục giúp phát hiện kịp thời
các biến đổi xấu trong đầm tôm và hỗ trợ người nuôi trồng có được các quyết định cụ thể,
kịp thời và chính xác. Trong quá trình thu hoạch và tiêu thụ sản phẩm, hệ thống dữ liệu môi
trường đo đạc và thu thập được là các yếu tố định lượng giúp người nuôi tôm bảo đảm chất
lượng sản phẩm.
-Có rất nhiều thông số cần kiểm tra theo yêu cầu thực tế, với các tính chất về hóa lý khác
nhau. Chẳng hạn, các chỉ tiêu cần kiểm tra bao gồm cả các chất hữu cơ (như NH3) và vô cơ
(như độ mặn). Trong môi trường nước, ammonia bao gồm cả dạng không ion hóa (NH3) và
cả ion hóa (NH4+). Nitrate (NO3) có thể là ion của nhiều loại muối nitrate khác nhau như
NaNO3, KNO3, NH4NO3 v.v. với các đặc tính cảm biến gần tương tự nhau. pH là tổng nồng
14

độ ion H+ và OH-, xuất hiện từ rất nhiều chất khác nhau hòa tan trong nước. Độ mặn của
nước lại được đo đạc chủ yếu qua ion Cl-. Trong khi đó, nhiệt độ nước tăng giảm có thể làm
thay đổi gần như tất cả các yếu tố trên. Điểm khó khăn này thể hiện rõ ràng bằng việc thống
kê các nghiên cứu ngoài nước về cảm biến chất lượng nước đã đề cập. Trong đó, các hệ
thống chỉ dừng lại ở việc đo đạc một số chất nhất định ở điều kiện ổn định về nhiệt độ, pH
và độ đục của dung dịch, chứ không bao gồm tất cả các yếu tố cần thiết cho nuôi tôm.
-Các phương pháp đo đạc sử dụng trên thực tế hiện nay gặp khó khăn trong điều kiện nuôi
tôm ở Việt Nam. Trong cả các nghiên cứu khoa học và thực tế sử dụng, các cảm biến hiện
nay ứng dụng cho việc nuôi tôm chủ yếu tập trung vào dùng chất chỉ thị. Đối chiếu với các
yếu tố cần đo đạc theo yêu cầu của bộ NNPTNT, nồng độ NH3, NO3 và pH đều cần đến
chất chỉ thị màu. Nồng độ oxy hòa tan dùng cách đo đạc điện áp ion và độ mặn dùng cách
đo đạc chiết xuất qua khúc xạ kế. Cách làm này tuy có giá thành thấp nhưng dẫn đến nhiều
bất cập trong quá trình sử dụng. Cụ thể, người dân cần mua sắm nhiều bộ đo khác nhau cho
mỗi thông số đo đạc. Đối với mỗi loại thiết bị, người dùng cần được hướng dẫn cách sử
dụng và bảo quản khác nhau. Việc phụ thuộc quá nhiều vào con người dẫn đến các bất cập
khác như tốn chi phí nhân lực, đào tạo và thời gian, trong khi các sai số chủ quan tăng lên
bởi các sai sót trong quá trình đo thủ công vào bảo quản thiết bị. Điểm bất lợi tiếp theo là
chi phí mua sắm thiết bị đo tăng theo thời gian do lệ thuộc nhiều vào việc dùng chất chỉ thị
màu vốn không thể tái sử dụng. Việc dùng chất chỉ thị màu còn tiềm ẩn nguy cơ khác về
mặt rác thải hóa chất và độc tính trong quá trình đo. Cách làm hiện nay cũng gặp trở ngại
cho việc theo dõi tự động và từ xa. Để có thể theo dõi từ xa và tự động theo thời gian, các
phương pháp dùng hộp test như hiện nay là không phù hợp. Ngược lại, phương pháp đo đạc
dùng cảm biến ion có độ chính xác cao và có thể hỗ trợ đo đạc từ xa. Tuy nhiên, các
phương pháp đo điện áp ion đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng liên tục trong quá trình vận hành.
Các hệ thống đo đạc dùng ion thường là thiết bị chuyên dùng cho công nghiệp hoặc quan
trắc môi trường và có giá thành cao nếu sử dụng sẽ làm tăng giá thành và giảm khả năng
cạnh tranh của sản phẩm nông nghiệp. Các điểm yếu này thể hiện rõ qua các hệ thống đo
đạc môi trường đầm tôm tự động đã sử dụng và công bố ở Việt Nam.
Như vậy, có thể thấy rằng một hệ thống kiểm tra môi trường nước nuôi tôm cần hai yếu tố sau để
có thể đáp ứng được nhu cầu đo đạc và kiểm soát tự động từ xa: (i) đo đạc đa số các chất theo

yêu cầu của bộ NNPTNT chỉ dùng một tính chất hóa / lý chung nhất và (ii) hạn chế tối đa việc đo
đạc bằng chất chỉ thị màu hoặc đo điện tích ion.
Việc đo đạc các chất dựa trên một tính chất duy nhất giúp giảm được độ phức tạp về mặt phần
cứng của hệ thống. Việc hoạt động dựa trên một nguyên lý đồng thời giúp quá trình triển khai,
hướng dẫn và sử dụng đơn giản hơn. Hạn chế đo đạc bằng chất chỉ thị màu hoặc điện tích ion tạo
điều kiện thuận lợi cho hoạt động tự động và theo dõi liên tục theo thời gian.
Từ các lập luận trên, nhóm tác giả đề tài đề xuất một hệ thống đo đạc mới, chưa từng được công
bố trước đây cho việc kiểm soát chất lượng nước ao tôm: hệ thống kiểm tra một số thông số môi
trường nuôi tôm tự động sử dụng hệ thống thông tin di động và cảm biến quang phổ không tiếp
xúc.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cảm biến này dựa trên phương pháp đo đạc quang phổ hấp thụ
hoặc tán xạ như đã trình bày trong mục trước. Bằng cách chiếu chùm sáng cường độ cao và có
bước sóng phù hợp vào dung dịch cần đo đạc rồi đo cường độ ánh sáng từ dung dịch, thông tin
15


vật lý về phổ hấp thụ và tán xạ tổng cộng của dung dịch có thể được chuyển về dạng logic và
truyền về máy tính điều khiển trung tâm ở dạng số. Dựa vào đặc tính hấp thụ và tán xạ ánh sáng
của các liên kết hữu cơ và vô cơ hòa tan trong môi trường nước, thành phần các chất cần đo đạc
có thể được cô lập và trích xuất dựa vào các thuật toán tìm thành phần độc lập. Sau đó, bằng cách
áp dụng định luật Beer-Lambert về mối tương quan giữa mức độ hấp thụ và nồng độ, nồng độ
các các thành phần trên sẽ được ước lượng thành thông số cụ thể.
Điểm mạnh của việc sử dụng phổ quang làm dữ liệu cảm biến là tính đồng nhất về mặt phương
pháp của hệ thống. Trong đề tài này, yêu cầu đặt ra là đo đạc độ pH, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt
độ, nồng độ nitrate nitrogen, nồng độ ammonia nitrogen, H2S và độ mặn. Trong đó, phổ quang
hấp thụ hoặc phổ bước sóng tán xạ Stokes của đa số các thành phần trên đều có những vùng hấp
thụ đặc trưng trong phổ UV-VIS-NIR. Như vậy, hệ thống cảm biến chỉ cần dùng nguồn sáng và
bộ thu thích hợp để có thể thu được gần hết thông tin cho phân tích cảm biến. Do hạn chế tối đa
sử dụng các phương pháp khác nhau cho việc đo đạc các chất khác nhau, hệ thống trở nên đơn
giản. Hơn nữa, hệ thống có thể được mở rộng để phân tích cho các chất khác nếu cần thiết trong

tương lai, trong khi các phương pháp truyền thống sử dụng chất chỉ thị màu hoặc điện áp ion rất
đặc thù cho từng chất và chỉ có thể đo đạc một thông số tại một thời điểm.
Điểm mạnh thứ hai của hệ thống chúng tôi đề nghị nằm ở khả năng đo đạc không tiếp xúc. Trong
cách đo đạc sử dụng quang phổ, ánh sáng chỉ xuyên qua dung dịch cần đo đạc mà không làm thay
đổi bất cứ thành phần hóa học nào. Việc đo đạc cũng có thể được thực hiện bằng các cảm biến
quang nằm phía ngoài không gian chứa dung dịch. Bằng cách hạn chế tối đa tiếp xúc vật lý cũng
như tương tác hóa học giữa hệ thống đo đạc và dung dịch cần đo đạc, việc bảo trì, bảo dưỡng
cũng như yêu cầu thay thế thiết bị hao mòn được giảm đến mức tối thiểu. Ngoài ra, cách đo đạc
bằng quang phổ này có thể được lặp lại theo thời gian đơn giản bằng cách đo lại quang phổ mà
không cần phải sử dụng lại chất chỉ thị màu hoặc ngâm giữ đầu cảm biến trong dung môi trung
tính.
Như vậy, cả yêu cầu (i) về đồng nhất phương pháp và yêu cầu (ii) về hạn chế đo đạc tiếp xúc đều
có thể thỏa mãn trong hệ thống chúng tôi đề nghị.
Tuy nhiên, việc sử dụng đo đạc không tiếp xúc cũng có một số hạn chế. Như đã trình bày, về
phương pháp đo đạc phổ quang, có hai cách tiếp cận là đo đạc hiện tượng hấp thụ photon của các
liên kết phân tử và đo đạc hiện tượng tán xạ Raman. Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc
rất nhiều vào chất cần đo đạc. Cụ thể như sau:
-Độ oxy hòa tan: phân tử oxy có hai vùng hấp thụ chính trong phổ tần UV-VIS, một nằm
sâu trong vùng cực tím và một nằm ở biên của vùng khả kiến. Trong [26], phổ hấp thụ vùng
cực tím của oxy đã được xác định nằm ở 145 nm. Tuy nhiên, hơi nước cũng như các liên kết
carbon dioxide khác gây can nhiễu rất nhiều lên vùng này. Trong [27], vùng hấp thụ ở 760
nm đã được sử dụng để cảm biến oxy. Tuy nhiên, độ hấp thụ ở bước sóng 760 nm rất yếu.
Do đó, cảm biến trong vùng này chỉ phát hiện được mật độ oxy cao, chẳng hạn như trong
các ứng dụng về đo đạc nồng độ oxy trong khí quyển. Một số công bố khác [28, 29] dùng
phổ hấp thụ này để đo đạc nồng độ oxy trong các môi trường khí khắc nghiệt có nhiệt độ
cao chẳng hạn như khí thải động cơ hoặc lò đốt. Các thiết bị đo oxy không tiếp xúc bằng
phổ hấp thụ thường yêu cầu laser công suất lớn, không gian đo đạc lớn và bộ thu có độ nhạy
cao. Trong phương pháp đo đạc bằng tán xạ Raman, liên kết oxy có bước sóng Stokes nằm
gần nước sóng Stokes của liên kết H-O-H, có độ dịch Stokes khoảng 1556 cm-1. Do đó,
16

đỉnh tán xạ này có thể được dùng để ước lượng nồng độ oxy hòa tan [11]. Trong [11] bước
sóng Raman là 388 nm và công suất là 1W. Tuy nhiên, giới hạn dưới đo đạc được của nồng
độ oxy là 10 mg/l.
-Nồng độ ammonia (NH3): ammonia hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím (UV) và vùng
hồng ngoại gần (NIR). Trong vùng cực tím, hấp thụ suất phát từ tương tác giữa các electron
của phân tử ammonia với photon. Vùng hấp thụ trải rộng trong khoảng 180-210 nm với
nhiều đỉnh hấp thụ liên tiếp rất đặc trưng [30, 31]. Khả năng hấp thụ ở vùng này khá lớn và
đã được lợi dụng để cảm biến khí NH3 trong một số công bố [32, 33]. Trong vùng hồng
ngoại gần, việc hấp thụ xảy ra chủ yếu cho tương tác giữa photon với cấu trúc phân tử của
NH3, trong đó, các rung động do hấp thụ làm thay đổi khoảng cách giữa nguyên tử nitrogen
và các nguyên tử hydrogen trong cấu trúc hình kim tự tháp của NH3. Do NH3 có một số
mode dao động và xoay, nên các bước sóng hấp thụ sẽ ứng với một số bước sóng chính và
các thành phần hài. Các vùng hấp thụ này nằm tập trung vào các vùng 2000 nm, 3000 nm
và 5000-8000 nm. Tuy nhiên, phổ hấp thụ của vùng này rất yếu, bộ thu ánh sáng cho vùng
này cũng đắt tiền và ít được sử dụng để làm cảm biến. Phương pháp Raman cũng đã được
ứng dụng cho việc cảm biến NH3. Trong [34], nguồn laser công suất 400 mW ở bước sóng
458 nm đã được sử dụng để đo đạc tán xạ Stokes của khí NH3. Tuy nhiên, tùy thuộc vào sự
hiện diện của các tạp chất khác trong hỗn hợp, đỉnh phản xạ Stokes của NH3 bị thay đổi. Sự
thay đổi này có thể được dùng để xác định sự hiện diện của NH3 trong nước tại khoảng cách
tán xạ 1040 cm-1 hoặc 1641 cm-1. Các đỉnh tán xạ ở vùng 3231-3398 cm-1 có thể dùng để
cảm biến khí NH3 dù bị lẫn vào tán xạ của hơi nước.
-Nitrate (NO3): các cảm biến quang phổ cho nitrate thường lợi dụng vùng hấp thụ cực tím
tập trung ở 220 nm [35, 36]. Các cảm biến này có khả năng cung cấp thông số nhanh tại
điểm đo, nhưng có độ nhạy tối đa khoảng 210 nM. Nguyên nhân gây nhiễu chủ yếu đến từ
các hợp chất hữu cơ và các anion khác như bromide và carbonate. Ngược lại, các hệ thống
sử dụng tán xạ Raman ít ảnh hưởng bởi nhiễu hơn. Chẳng hạn, trong [37] một số nitrite,
nitrate và sulfate dạng rắn và dạng lỏng có thể được cảm biến bằng bước sóng tán xạ
Stokes. Trong đó, đỉnh của tán xạ do nitrate nằm ở 1050 cm-1 có độ rộng và vị trí thay đổi

theo mật độ. Nhiều công bố khác [38, 39] cũng xác định được vùng tán xạ Stokes của các
loại muối Clorides, Nitrates, Sulfates và Phosphates nằm tập trung trong vùng 1000 cm-1,
cách xa khỏi bước sóng tán xạ Stokes của nước nằm trong vùng 3400 cm-1.
-Độ mặn (NaCl): đặc điểm khác biệt của NaCl là hòa tan vào nước sẽ tạo thành các ion đơn
nguyên không có liên kết. Do đó, bản thân NaCl khi hòa tan vào nước không tạo nên các
đỉnh hấp thụ đặc trưng. Tuy nhiên, các ion này làm thay đổi ma trận liên kết cũng như các
mode dao động cơ bản của nước và làm đặc tính hấp thụ ánh sáng của nước thay đổi. Như
vậy, có thể xem phổ của nước mặn là tổng hợp của phổ nước cất và nước bị thay đổi đặc
tính hấp thụ. Hấp thụ trong vùng cực tím của nước thay đổi rõ ràng nhất theo độ mặn ở 212
nm [40]. Trong các công bố về đo đạc độ mặn ở vùng VIS-NIR [41-43], kết luận chung là
bước sóng của nước có độ thay đổi mạnh nhất nằm ở vùng lớn hơn 650 nm. Các bước sóng
có thể dùng để ước lượng là 720 nm và 755 nm. Các thông số hấp thụ cho toàn vùng VISNIR từ 400-14000 nm có thể được tham khảo trong [44]. Việc sử dụng tán xạ Raman cho
đo đạc độ mặn gặp khá nhiều trở ngại do liên kết ion NaCl không tán xạ Raman. Hơn nữa,
khi hòa tan vào nước, NaCl chuyển thành dạng ion Na+ và Cl-, cũng không tán xạ Raman.
Các công bố đo đạc độ mặn bằng Raman [45], do đó, dựa vào sự thay đổi về đỉnh tán xạ
17


Stokes của nước ở vùng 3400 cm-1. Cụ thể, bước sóng tán xạ Stokes ở 3450 cm-1 ở dạng
lỏng sẽ thay đổi phi tuyến theo nồng độ NaCl. Về lý thuyết, đỉnh tán xạ yếu của nước ở
1640 cm-1 cũng có thể được sử dụng để ước lượng nồng độ NaCl. Tuy nhiên, nhóm tác giả
chưa tìm được công bố nào sử dụng khu vực này. Trong đề tài này, độ mặn sẽ được đo đạc
bằng các cảm biến ion có trên thị trường.
-Độ pH (ion H+ và OH-): các ion H+ và OH- trong dung dịch nước không có đỉnh hấp thụ
đặc trưng trong vùng UV-VIS. Theo tìm hiểu của nhóm tác giả, chỉ có một số ít công bố
ước lượng trực tiếp độ pH từ quang phổ hấp thụ. Trong [46], phổ hấp thụ vùng NIR (10002500 nm) của dung dịch đã được sử dụng để ước lượng gần đúng độ pH thông qua sự thay
đổi của phổ hấp thụ nước tương tự như trong trường hợp của NaCl. Nhóm tác giả cũng
chưa tìm được công bố nào về việc đo đạc pH trực tiếp sử dụng tán xạ Raman. Theo hướng
đo đạc phổ UV-VIS, hầu hết các công bố về đo đạc pH lợi dụng sự chuyển đổi màu sắc của
chất chỉ thị màu và đo đạc sự chuyển đổi trong quang phổ của chất chỉ thị. Theo hướng đo

đạc tán xạ Raman, hầu hết các công bố sử dụng thiết bị Raman với đầu đo bao phủ bằng các
chất chỉ thị và đo đạc tán xạ của chất chỉ thị này. Các nguyên cứu về độ pH trong ao hồ [47]
chỉ ra rằng: độ pH trong nước thay đổi tùy thuộc vào lượng CO2 trong nước. Vào ban ngày,
các thành phần thực vật trong nước quang hợp và lượng CO2 giảm dần khiến độ pH của
nước tăng dần. Về đêm, hiện tượng quang hợp ngưng lại nhưng quá trình hô hấp của các
thành phần động vật vẫn diễn ra. Kết quả là nồng độ CO2 tăng lên và độ pH giảm xuống.
Quá trình này lặp lại có tính chu kỳ và làm độ pH của nước ao hồ thay đổi trong ngày.
Trong vùng UV, CO2 có một đỉnh hấp thụ chính ở 185 nm và một đỉnh hấp thụ nhỏ ở 235
nm. Tùy thuộc vào quang trình, các bước sóng trong vùng 212-232 nm có thể được dùng để
tìm CO2 [48]. Tuy nhiên, do đặc tính hấp thụ của nước mặn có dạng gần giống CO2 trong
vùng này, việc phân tích sử dụng thuật toán tách tương quan thông thường gặp sai số lớn.
Trong một số công bố khác, độ pH được đo đạc gián tiếp từ nồng độ oxy hòa tan [49] hoặc
nitrate [50]. Ngoài ra, có sự tương quan giữa nồng độ ammonia [51] và pH. Các yếu tố này
có thể được lợi dụng để ước lượng gián tiếp pH trong nước ao hoặc nước biển. Trong đề tài
này, độ pH sẽ được đo đạc bằng các cảm biến ion có trên thị trường
-Nhiệt độ: sự thay đổi nhiệt độ làm thay đổi hầu như toàn bộ các thông số cần đo đạc phía
trên. Trong rất nhiều công bố về ảnh hưởng của nhiệt độ đến phổ hấp thụ, các thay đổi xảy
ra trong vùng VIS [52] và NIR cho cả nước ngọt và nước mặn [53, 54]. Tán xạ Raman của
nước ở 3200 cm-1 cũng có thể được dùng để ước lượng gián tiếp nhiệt độ [55]. Trong đề tài
này, nhiệt độ sẽ được đo đạc bằng các cảm biến có trên thị trường
Tóm tắt ngắn gọn về khả năng đo đạc các thông số theo yêu cầu của bộ NNPTNN bằng quang
phổ như sau:
Bảng 3:
Thông số

Hấp thụ UV
(nm)

Hấp thụ VIS
(nm)

Oxy hòa tan

Tán xạ Raman
(cm-1)
1556

Ammonia

200-210

1650-3313

Nitrate

220

1050
18


Độ mặn

212

720 và 755

3450

pH

Nhiệt độ
Như vậy, có thể thấy rằng việc đo đạc các thông số về chất lượng nước của đầm tôm không tiếp
xúc có các vấn đề trở ngại sau:
-Phổ hấp thụ hoặc tán xạ của các chất chồng lấn lên nhau.
-Độ oxy hòa tan rất khó đo đạc bằng phổ hấp thụ do rất khó tìm kiếm được nguồn sáng hoạt
động thời gian dài và thủy tinh (ống đựng dung dịch, thấu kính) trong suốt tại 145 nm.
Trong khi đó, độ hấp thụ tại 760 nm rất yếu.
-Ngược lại, độ mặn rất khó đo đạc bằng tán xạ do bản thân ion Na+ và Cl- không tán xạ
Raman.
-Việc đo đạc bằng Raman có sai số lớn với giới hạn dưới khi đo đạc lớn hơn 10 mg/l. Như
vậy, các nồng độ quá nhỏ như DO (3.5 mg/l), H2S (0.05 mg/l), NH3 và NO2 (0.3 mg/l) gần
như không thể đo đạc được bằng hệ thống Raman thông thường. Các phương pháp khác
như Raman trong miền thời gian cần thiết bị với tốc độ hoạt động dưới nano giây trong khi
Raman tăng cường tán xạ phải thay đổi bề mặt tăng cường liên tục đều không phù hợp với
yêu cầu và giá thành hệ thống.
-Độ pH không thể đo đạc trực tiếp bằng quang phổ.
-Nhiệt độ ảnh hưởng lên tất cả các thành phần cần đo đạc.
Trong đề tài này, chúng tôi đề nghị phương pháp giải quyết như sau:
-Sử dụng tính chất hấp thụ ở vùng phổ UV. Việc lựa chọn sẽ tùy thuộc vào khả năng tìm
kiếm thiết bị, độ chính xác cũng như giá thành thiết bị. Trong đề tài này, mục đích hướng
đến là một hệ thống đo đạc tích hợp đủ rẻ tiền để có thể phát triển thành sản phẩm cho các
hộ nuôi tôm. Do đó, các linh kiện hoặc thiết bị quá đắt tiền không được sử dụng. Cách làm
này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác, tuy nhiên, đây là tương nhượng có thể chấp nhận được.
-Xây dựng thuật toán phân tích phổ. Như thể hiện trong bảng 2, vùng UV có sự chồng lấn
phổ của khá nhiều chất cần đo như ammonia, nitrate và muối. Ngoài ra, các bộ thu và thủy
tinh làm ống đựng dung dịch phổ biến chỉ hoạt động ở bước sóng từ 200 nm trở lên. Tuy
nhiên, nhờ các đỉnh hấp thụ đặc trưng, các chất trong vùng này có thể phân biệt được bằng
cách phân tích tương quan và tách tương quan tín hiệu. Đối với DO, chỉ có thể đo đạc với
nồng độ tối thiểu khoảng 10mg/l bằng tán xạ Raman. Để có độ chính xác thấp hơn, cần pha
thêm một lượng chất chỉ thị màu và theo dõi sự thay đổi phổ của chất chỉ thị màu hoặc dùng

đo đạc ion. Do đó, nếu không thể phân tích phổ, DO sẽ được đo đạc bằng cảm biến ion có
trên thị trường.
-Độ pH, độ mặn và H2S sẽ được ước lượng bằng cảm biến ion.
- Nếu xét về mặt toán học, nhiệt độ là biến số nằm trong phương trình ước lượng của tất cả
các chất đã nêu. Như vậy, để giảm bậc bài toán và tăng độ chính xác trong ước lượng,
chúng tôi sẽ sử dụng cảm biến nhiệt độ chịu ăn mòn cao cho hệ thống. Cách giải quyết đơn
19


giản này sẽ giúp giảm đáng kể độ phức tạp tính toán, độ phức tạp cũng như giá thành xây
dựng phần mềm hệ thống.

16 Liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài đã trích dẫn
khi đánh giá tổng quan
(Tên công trình, tác giả, nơi và năm công bố, chỉ nêu những danh mục đã được trích dẫn để luận
giải cho sự cần thiết nghiên cứu đề tài).
[1]. Jyotirmoy Bhardwaj; Karunesh K Gupta; Rajiv Gupta,"A review of emerging trends on
water quality measurement sensors", 2015 International Conference on Technologies for
Sustainable Development (ICTSD) Pages: 1 - 6, DOI: 10.1109/ICTSD.2015.7095919,
2015
[2]. Xu-dong Wanga, Otto S. Wolfbeis, "Optical methods for sensing and imaging oxygen:
materials, spectroscopies and applications", Chem. Soc. Rev., 2014,43, 3666-3761, DOI:
10.1039/C4CS00039K, 2014
[3]. Z. Dong, U. Wejinya, J. Vaughan, and A. Albrecht, ‘Fabrication and testing of ISFET
based pH sensor for microliter scale solution targets’, 2012 IEEE Nanotechnology
Materials and Devices Conference (NMDC2012), Jan. 2012.
[4]. K. Besteman, J.-O. Lee, F. Wiertz, H. Heering, and C. Dekker, ‘Enzyme-Coated Carbon
Nanotubes as Single-Molecule Biosensors’, Nano Letters, vol. 3, no. 6, pp. 727–730, Jan.
2003.
[5]. J. Y. Oh, H.-J. Jang, W.-J. Cho, and S. Islam, ‘Highly sensitive electrolyte-insulatorsemiconductor pH sensors enabled by silicon nanowires with Al2O3/SiO2 sensing

membrane’, Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 171–172, pp. 238–243, Jan. 2012.
[6]. K. N. A. K. Adnan; N. Yusuf; H. N. Maamor; F. N. A. Rashid; S. W. M. Ismail; R.
Thriumani; A. Zakaria; L. M. Kamarudin; A. Y. M. Shakaff; M. N. Jaafar; M. N.
Ahmad, "Water quality classification and monitoring using e-nose and e-tongue in
aquaculture farming", 2014 2nd International Conference on Electronic Design (ICED),
Pages: 343 - 346, DOI: 10.1109/ICED.2014.7015827, 2014
[7]. S. G. Honan; B. E. Bishop, "Low-Cost Salinity Sensor Increases Profitability and
Environmental Sustainability for Small Plot Shrimp Farmers", 2011 IEEE Global
Humanitarian Technology Conference, Pages: 56 - 61, DOI: 10.1109/GHTC.2011.90,
2011
[8]. J. Lin, “Recent development and applications of optical and fiber-optic pH sensors”,
Trends Anal. Chem. 19 (2000) 541–552.
[9]. Gowen, R. Tsenkova, M. Bruen, and C. O’donnell, "Vibrational Spectroscopy for
Analysis of Water for Human Use and in Aquatic Ecosystems", Critical Reviews In
Environmental Science And Technology Vol. 42 , Iss. 23,2012
[10]. Li Z, Deen MJ, Kumar S, Selvaganapathy PR., "Raman spectroscopy for in-line water
20


quality monitoring--instrumentation and potential", Sensors (Basel). 2014 Sep
16;14(9):17275-303. doi: 10.3390/s140917275.
[11]. De Young, R.; Ganoe, R., "Remote Sensing of Dissolved Oxygen and Nitrogen in Water
using Raman Spectroscopy", American Geophysical Union, Fall Meeting 2013, abstract
#OS53C-1708, 2013
[12]. L. L. Wang, X. H. Liu, X. X. Shi, Y. R. Lu, Y. Qi, M. Y. Wang, "Study on Real-Time
Monitoring of Seawater COD by UV-Vis Spectroscopy", Advanced Materials Research,
Vols. 726-731, pp. 1534-1537, 2013
[13]. Yingtian Hu; Yizhang Wen; Xiaoping Wang, "Detection of water quality multiparameters in seawater based on UV-Vis spectrometry", OCEANS 2016 - Shanghai,
Pages: 1 - 4, DOI: 10.1109/OCEANSAP.2016.7485737, 2016
[14]. Tasnim Alam; Babak Rezania; Behraad Bahreyni, "A portable system for estimation of

chemical oxygen demand in wastewater using ultraviolet-visible spectroscopy", 2015
IEEE SENSORS, Pages: 1 - 4, DOI: 10.1109/ICSENS.2015.7370460, 2015
[15]. N.D. Lourençoa, C.L. Chavesb, J.M. Novaisa, J.C. Menezesa, H.M. Pinheiroa, D.
Dinizb, ""UV spectra analysis for water quality monitoring in a fuel park wastewater
treatment plant", Chemosphere Volume 65, Issue 5, October 2006, Pages 786–791
[16]. Viện nghiên cứu nuôi trồng thủy sản 1, Đề án kiểm soát ô nhiễm môi trường nuôi trồng
thủy sản (tôm, cá tra) đến năm 2020, 2013
[17]. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về cơ sở nuôi tôm nước lợ - Điều kiện bảo đảm vệ sinh thú
y, bảo vệ môi trường và an toàn thực phẩm, QCVN 02-19: 2014, BNNPTNT, 2014
[18]. Sera, 2017, Sera ammonium/ammonia-Test (NH4/NH3) (website),
/>
Available:

[19]. Xylem, 2017, YSI 5200A Multiparameter Monitoring and Control Instrument (website).
Available:
/>[20]. ReecoTech, 2017, Hệ thống Giám sát đa chỉ tiêu chất lượng môi trường nước (website).
Available: Xylem, 2017, YSI 5200A Multiparameter Monitoring and Control Instrument
(website). Available: />[21]. QteTech, 2017, Thiết bị đo chất lượng nước đa chỉ tiêu - Aquaread (website). Available:
/>[22]. Dương Thái Bình và Võ Minh Trí, "Mô hình trường 3D thông số môi trường ao nuôi
thủy sản", Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 43, pp. 102-108, 2016
[23]. Jordi Raich, Review of sensors to monitor water quality, ERNCIP thematic area
'Chemical & biological risks in the water sector', deliverable D1 - task 1, 2013
[24]. Nguyễn Văn Khanh, Nguyễn Văn Sắt, Nguyễn Tô Cương, Huỳnh Phú Châu, Trần Gia
Bảo, "Hệ thống đo lường, giám sát và phân tích môi trường ao nuôi tôm công nghiệp",
Hội nghị Toàn quốc lần thứ 8 về Cơ điện tử VCM2016, Đại học Cần Thơ, pp. 254-259,
2016
21


[25]. Đại học Quốc gia TPHCM - Phòng thí nghiệm công nghệ Nano, 2017, Giới thiệu phòng

thí
nghiệm
công
nghệ
Nano
(website),
Available:
/>[26]. P. B. Arnoudse, H. L. Pardue, J. D. Bourland, R. Miller and L. A. Geddes, Anal. Chem.,
1992, 64, 200–204.
[27]. L. Gianfrani, A. Sasso and G. M. Tino, Sens. Actuators, B, 1997, 39, 283–285.
[28]. V. Weldon, J. O’Gorman, J. J. Pe ´rez-Camacho, J. Hegarty, J. C. Connolly and N. A.
Morris, Sens. Actuators, B, 1997, 42, 163–168.
[29]. C. Jia, H. Andreas, S. Rainer, F. Maximilian and A. Markus-Christian, Conference on
Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference, 2009.
[30]. Cheng, B.-M., Lu1, H.-C., Chen, H.-K., Bahou, M., Lee, Y.-P., Mebel, A. M., Lee, L. C.,
Liang, M.-C. & Yung, Y. L. (2006). “Absorption cross sections of NH3 , NH2D, NHD2 ,
and ND3 in the spectral range 140-220 nm and implications for planetary isotopic
fractionation”, The Astrophysical Journal 647(2): 1535.
[31]. Chambers, P., Lyons, W. B., Lewis, E., Sun, T. & Grattan, K. T. V. (2007). “The
potential for development of an NH 3 optical fibre gas sensor”, Journal of Physics:
Conference Series, Third International Conference on Optical and Laser Diagnostics,
Vol. 012015
[32]. Manap, H., Muda, R., O’Keeffe, S. &Lewis, E. (2009). “Ammonia sensing and a
crosssensitivity evaluation with atmosphere gases using optical fiber sensor”, Procedia
Chemistry, Proceedings of the Eurosensors XXIII conference, Vol. 1, pp. 959–962.
[33]. Eckhardt, H. S., Klein, K.-F., Spangenberg, B., Sun, T. & Grattan, K. T. V. (2007).
“Fibre-optic uv systems for gas and vapour analysis”, J. Phys.: Conf. 85: 012018.
[34]. K. J. Schmidt, K. H. Michaelian, and G. R. Loppnow, "Identification of Major Species in
Industrial Metal-Refining Solutions with Raman Spectroscopy", Applied Spectroscopy
Vol. 53, Issue 2, pp. 139-143 (1999)

[35]. M.S. Finch, D.J. Hydes, C.H. Clayson, W. Bernhard, J. Dakin, P. Gwilliam, Anal. Chim.
Acta 377 (1998) 167.
[36]. K.S. Johnson, L.J. Coletti, Deep-Sea Res. I 49 (2002) 129
[37]. Rogelio Rodríguez et al, "Determination of lead ion removal from a flowing electrolyte
in the presence of a magnetic field using Raman spectroscopy", 2015 Medical Physics,
42, 6182
[38]. Marc D. Fontana, Kawther Ben Mabrouk and Thomas H. Kauffmann, "Raman
spectroscopic sensors for inorganic salts", Spectroscopic Properties of Inorganic and
Organometallic Compounds : Techniques, Materials and Applications, Volume 44, 2013
[39]. Thomas H. Kauffmann; Kawther Ben Mabrouk; Marc D. Fontana, "Raman probe for the
simultaneous measurement of anion concentration in mixtures of salt solutions",
SENSORS, 2013 IEEE, Pages: 1 - 4, DOI: 10.1109/ICSENS.2013.6688293, 2013
[40]. Vito Di Noto and Mauro Mecozzi, "Determination of Seawater Salinity by Ultraviolet
22


Spectroscopic Measurements," Appl. Spectrosc. 51, 1294-1302 (1997)
[41]. W. S. Pegau, D. Gray, and J. R. V. Zaneveld, “Absorption and attenuation of visible and
near-infrared light in water: dependence on temperature and salinity,” Appl. Opt. 36(24),
6035–6046 (1997).
[42]. J. M. Sullivan, M. S. Twardowski, J. R. V. Zaneveld, C. M. Moore, A. H. Barnard, P. L.
Donaghay, and B. Rhoades, “Hyperspectral temperature and salt dependencies of
absorption by water and heavy water in the 400- 750 nm spectral range,” Appl. Opt.
45(21), 5294–5309 (2006).
[43]. R. Röttgers and R. Doerffer, “Measurements of optical absorption by chromophoric
dissolved organic matter using a point-source integrating-cavity absorption meter,”
Limnol. Oceanogr. Methods 5, 126–135 (2007).
[44]. Rüdiger Röttgers, David McKee, and Christian Utschig, "Temperature and salinity
correction coefficients for light absorption by water in the visible to infrared spectral
region," Opt. Express 22, 25093-25108 (2014)

[45]. Ivana Đuričković, Mario Marchetti, Rémy Claverie, Patrice Bourson, Jean-Marie
Chassot, and Marc D. Fontana, "Experimental Study of NaCl Aqueous Solutions by
Raman Spectroscopy: Towards a New Optical Sensor," Appl. Spectrosc. 64, 853-857
(2010)
[46]. Molt, K.; Cho, Y. J., "Analysis of aqueous solutions by near-infrared spectrometry
(NIRS). I. Titrations of strong acids with strong bases", Journal of Molecular Structure,
Volume 349, p. 345-348., 1995
[47]. William A. Wurts, "Pond pH and Ammonia Toxicity", World Aquaculture, 34(2): 20-21
[48]. Todd R. Martz, , Hans W. Jannasch, Kenneth S. Johnson, "Determination of carbonate
ion concentration and inner sphere carbonate ion pairs in seawater by ultraviolet
spectrophotometric titration", Marine Chemistry, Volume 115, Issues 3–4, 20 August
2009, Pages 145–154
[49]. L. W. Juranek, R. A. Feely, Denis Gilbert, Lisa A. Miller, "Real-time estimation of pH
and aragonite saturation state from Argo profiling floats: Prospects for an autonomous
carbon observing strategy", Geophysical Research Letters 38:L17603, DOI:
10.1029/2011GL048580, 2011
[50]. N. L. Williams, L. W. Juranek, K. S. Johnson, R. A. Feely, S. C. Riser, L. D. Talley, J. L.
Russell, J. L. Sarmiento, R. Wanninkhof, "Empirical algorithms to estimate water
column pH in the Southern Ocean", Geophysical Research Letters, Volume 43, Issue 7,
2016, Pages 3415–3422
[51]. Sasha D. HafnerEmail authorJohn J. MeisingerWalter MulbryShannon K. Ingram, "A
pH-based method for measuring gaseous ammonia", Nutrient Cycling in
Agroecosystems, March 2012, Volume 92, Issue 2, pp 195–205
[52]. James M. Sullivan, Michael S. Twardowski, J. Ronald V. Zaneveld, Casey M. Moore,
Andrew H. Barnard, Percy L. Donaghay, and Bruce Rhoades, "Hyperspectral
temperature and salt dependencies of absorption by water and heavy water in the 40023


750 nm spectral range," Appl. Opt. 45, 5294-5309 (2006)
[53]. W. Scott Pegau, Deric Gray, and J. Ronald V. Zaneveld, "Absorption and attenuation of

visible and near-infrared light in water: dependence on temperature and salinity," Appl.
Opt. 36, 6035-6046 (1997)
[54]. Trabjerg L, Højerslev NK., "Temperature influence on light absorption by fresh water
and seawater in the visible and near-infrared spectrum", Appl Opt. 1996 May
20;35(15):2653-8. doi: 10.1364/AO.35.002653
[55]. C. P. Artlett and H. M. Pask, "Raman spectral analysis for remote measurement of water
temperature", Proc. SPIE 8532, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters,
and Large Water Regions 2012, 85320C (October 2012); doi:10.1117/12.974569
17 Nội dung nghiên cứu khoa học và triển khai thực nghiệm của đề tài và phương án thực
hiện
(Liệt kê và mô tả chi tiết những nội dung nghiên cứu và triển khai thực nghiệm phù hợp cần thực
hiện để giải quyết vấn đề đặt ra kèm theo các nhu cầu về nhân lực, tài chính và nguyên vật liệu
trong đó chỉ rõ những nội dung mới , những nội dung kế thừa kết quả nghiên cứu của các đề tài
trước đó; dự kiến những nội dung có tính rủi ro và giải pháp khắc phục – nếu có).
Yêu cầu hệ thống cảm biến đo đạc 07 chỉ tiêu sau: Ammonia (NH3), Nitrate (NO3-), Oxy hòa tan
(DO), pH, nhiệt độ, độ mặn, H2S. Trong đó, 03 chỉ tiêu là Ammonia, Nitrate và DO được đo
bằng cảm biến quang phổ không tiếp xúc, trường hợp không thể đo thành công DO bằng cảm
biến quang phổ không tiếp xúc thì có thể dùng cảm biến ion để tích hợp, 04 chỉ tiêu còn lại pH,
nhiệt độ, độ mặn, H2S sẽ dùng các cảm biến đã có trên thị trường để tích hợp cho hệ thống.
Thang đo của các chỉ tiêu phải đủ lớn sao cho có thể quan sát được giá trị các chỉ tiêu khi vượt
khoảng giá trị cho phép về chất lượng nước ao nuôi tôm sú và tôm chân trắng quy định tại QCVN
02 - 19 : 2014/BNNPTNT, cụ thể giá trị thang đo và sai số tối đa được đề nghị như sau:
Bảng 4:
Thông số

TT

Đơn
vị

Giá trị thang đo tối
thiểu

Sai số tối
đa

Giá tri cho
phép
̣
theo QCVN 02 - 19 :
2014/BNNPTNT
< 0.3
-

0.00 ÷ 9.99 mg/l
0.00 ÷ 30 mg/l

±0.05 mg/l
±0.5 mg/l

mg/l

≥3.5

0.0 ÷ 19.9 mg/l

±0.5 mg/l

0 ÷ 14 pH

±0.1 pH

0 ÷ 100 oC

±0.4 °C

1
2

Ammonia (NH3) mg/l
Nitrate (NO3-)
mg/l

3

Oxy hoà tan
(DO)

5

Nhiệt độ

oC

7 ÷ 9, dao động trong
ngày không quá 0.5
18 ÷ 33

6

Độ mặn

‰

5 ÷ 35

0 ÷ 100 ‰

±1‰

7

H2 S

mg/l

< 0.05

0 ÷ 50 ppm

± 1.5ppm

4

pH

24