Nghiên cứu điều chế nano selen từ dịch chiết lá dừa cạn và ứng dụng kháng khuẩn

Nghiên cứu tổng hợp nano selen bằng dịch chiết lá dừa cạn. Khám phá quy trình tối ưu và ứng dụng kháng khuẩn, kháng nấm hiệu quả của vật liệu.

• Tác giả: Trần Thị Diệu Thu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Tự Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư phạm Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu điều chế nano selen bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá cây dừa cạn và ứng dụng kháng khuẩn
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nano Selen và Ứng Dụng Kháng Khuẩn

Nano selen là một vật liệu nanotechnology hiện đại với kích thước hạt cực nhỏ, thường dưới 100 nanômét. Đây là một dạng selen được điều chế thành các hạt siêu nhỏ có diện tích bề mặt lớn, làm tăng đáng kể khả năng hoạt động sinh học. Hạt nano selen sở hữu những tính chất vật lý và hóa học độc đáo so với selen thông thường. Những tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm, thực phẩm chức năng và xử lý y tế. Khả năng kháng khuẩn của nano selen được chứng minh qua nhiều nghiên cứu khoa học. Các hạt nano selen có thể hiệu quả chống lại vi khuẩn Gram dương (Gr+), vi khuẩn Gram âm (Gr-) và thậm chí kháng nấm. Cơ chế kháng khuẩn của nano selen liên quan đến khả năng tạo stress oxy hóa và phá vỡ màng tế bào vi khuẩn.

1.1. Định nghĩa và Đặc tính Vật Lý Nano Selen

Nano selen được định nghĩa là những hạt selen có kích thước từ 1 đến 100 nanômét. Các hạt này có diện tích bề mặt lớn và độ phản ứng cao. Selen ở dạng nano có màu đỏ hoặc đỏ nâu tùy thuộc kích thước hạt. Tính chất quang học, điện và cơ học của nano selen khác biệt so với selen đơn tinh thể. Những đặc tính này giúp nano selen trở thành vật liệu hứa hẹn trong nhiều ứng dụng công nghệ sinh học và môi trường.

1.2. Vai Trò của Nano Selen trong Y Học và Khoa Học Sức Khỏe

Trong lĩnh vực y học, nano selen được sử dụng do có khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ. Nó giúp tăng cường hệ thống miễn dịch và ngăn ngừa sự phát triển của bệnh tật. Nano selen cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong điều trị ung thư và các bệnh mãn tính. Tính an toàn sinh học cao của nano selen làm nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm chăm sóc sức khỏe.

II. Điều Chế Nano Selen từ Lá Dừa Cạn Phương Pháp và Quy Trình

Lá dừa cạn là nguồn nguyên liệu tự nhiên phong phú, dễ kiếm và chi phí thấp cho việc điều chế nano selen. Phương pháp này sử dụng dịch chiết nước từ lá dừa cạn như một tác nhân khử thiên nhiên để biến đổi selen từ dạng ion sang dạng nano. Quy trình điều chế bao gồm các bước chính: chiết tách dịch từ lá dừa cạn, xác định các yếu tố tối ưu và tổng hợp nano selen. Các điều kiện tối ưu để thu được dịch chiết lá dừa cạn là: thời gian chiết 70 phút, tỉ lệ khối lượng lá/thể tích nước là 20 gam/100 mL, và nhiệt độ chiết ở nhiệt độ sôi. Phương pháp này vừa thân thiện với môi trường vừa kinh tế, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

2.1. Quá Trình Chiết Tách Dịch từ Lá Dừa Cạn

Quá trình chiết tách là bước quan trọng để thu được dịch chiết nước lá dừa cạn chứa các chất hoạt động. Lá dừa cạn được tước lông, rửa sạch, sau đó ngâm trong nước nóng. Các điều kiện tối ưu gồm thời gian 70 phút ở nhiệt độ sôi với tỉ lệ 20 gam lá trên 100 mL nước. Dịch chiết thu được chứa các nhóm chất hữu ích như tanin, flavonoid, saponin và alkaloid, đóng vai trò là tác nhân khử tự nhiên.

2.2. Các Yếu Tố Tối Ưu Hóa Tổng Hợp Nano Selen

Để tổng hợp nano selen chất lượng cao, cần kiểm soát các yếu tố: tỉ lệ dịch chiết/H₂SeO₃ (12 mL/20 mL), nồng độ H₂SeO₃ (5 mM), nhiệt độ (80°C), pH (8), và thời gian phản ứng (105 phút). Những điều kiện tối ưu này đảm bảo sự hình thành đều đặn của các hạt nano selen với kích thước và hình dạng mong muốn. Việc kiểm soát chặt chẽ các tham số này giúp tăng hiệu suất tổng hợp.

III. Khả Năng Kháng Khuẩn của Nano Selen Điều Chế

Nano selen được tổng hợp từ lá dừa cạn thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội chống lại nhiều loại vi khuẩn nguy hiểm. Các nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng hạt nano selen có thể tiêu diệt hiệu quả vi khuẩn Staphylococcus aureus (Gr+) và vi khuẩn Escherichia coli (Gr-). Ngoài ra, nano selen còn có khả năng kháng nấm mạnh mẽ. Cơ chế kháng khuẩn của nano selen liên quan đến: (1) Tạo các phân tử gốc tự do gây stress oxy hóa cho tế bào vi khuẩn; (2) Phá vỡ và làm rối loạn màng tế bào của vi khuẩn; (3) Ức chế các enzyme quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Những tính chất này làm cho nano selen trở thành một chất kháng khuẩn tự nhiên hứa hẹn cho ứng dụng lâm sàng.

3.1. Cơ Chế Kháng Khuẩn Gram Dương và Gram Âm

Nano selen hiệu quả chống lại cả vi khuẩn Gram dương (Gr+) như Staphylococcus aureus và vi khuẩn Gram âm (Gr-) như Escherichia coli. Sự khác biệt cấu trúc màng tế bào giữa hai loại vi khuẩn này không làm giảm hiệu quả của hạt nano selen. Nano selen xâm nhập qua màng tế bào và gây ra stress oxy hóa, dẫn đến phá vỡ các cấu trúc bên trong tế bào vi khuẩn.

3.2. Ứng Dụng Kháng Nấm và Các Chủng Vi Sinh Vật Khác

Bên cạnh khả năng kháng khuẩn, nano selen còn thể hiện hoạt tính kháng nấm đáng kể. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của nano selen trong điều trị các nhiễm nấm trên da và niêm mạc. Khả năng kháng các loại vi sinh vật khác nhau làm cho nano selen trở thành một chất kháng vi sinh đa năng, có tiềm năng cao trong phát triển thuốc kháng sinh tự nhiên.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Triển Vọng Phát Triển Nano Selen

Nano selen từ lá dừa cạn có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành dược phẩm, nano selen có thể được sử dụng để phát triển các loại thuốc kháng sinh tự nhiên với hiệu quả cao và tác dụng phụ thấp. Trong lĩnh vực thực phẩm chức năng, nano selen được bổ sung vào các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, từ viên uống đến kem bôi, nhằm tăng cường khả năng chống oxy hóa và miễn dịch. Ứng dụng trong vệ sinh và sát trùng cũng đang được quan tâm, từ sản phẩm vệ sinh cá nhân đến vệ sinh bệnh viện. Phương pháp điều chế nano selen từ lá dừa cạn cũng mang lại giá trị kinh tế cao do sử dụng nguyên liệu tự nhiên, chi phí thấp và quy trình sản xuất bền vững. Tương lai sẽ chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này trong các ứng dụng công nghiệp và y tế.

4.1. Ứng Dụng trong Dược Phẩm và Chăm Sóc Sức Khỏe

Nano selen có khả năng phát triển thành các thuốc kháng sinh tự nhiên hiệu quả. Các sản phẩm dược phẩm chứa hạt nano selen có thể được sử dụng để điều trị các nhiễm trùng vi khuẩn và nhiễm nấm với hiệu quả cao hơn so với các thuốc truyền thống. Tính an toàn sinh học và không độc tính của nano selen từ lá dừa cạn làm nó trở thành lựa chọn tối ưu cho các sản phẩm chăm sóc sức khỏe từ kem chữa vết thương đến dung dịch sát trùng.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Công Nghiệp và Bền Vững

Phương pháp điều chế nano selen từ lá dừa cạn hứa hẹn phát triển lên quy mô công nghiệp. Sử dụng nguyên liệu tự nhiên từ dừa cạn giúp giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường. Quy trình này phù hợp với phát triển bền vững, giảm phụ thuộc vào hóa chất tổng hợp. Tiềm năng xuất khẩu các sản phẩm nano selen có giá trị kinh tế cao, đặc biệt cho ngành công nghệ sinh học và dược phẩm trong tương lai gần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1. Nguồn gốc của công nghệ nano [8] Cha đẻ của công nghệ nano chính là Richard Feynman. Năm 1959, Feynman có bài phát biểu nổi tiếng “There is plenty room at the bottom” (Còn những khoảng trống ở cấp vi mô).

Trong đó, ông cho biết quan điểm về khả năng nghiên cứu và thao tác ở cấp độ nguyên tử. Với tầm nhìn tương lai rằng chúng ta có thể chế tạo, sắp xếp cấu trúc các nguyên tử để tạo nên những vật liệu mới và những cấu trúc siêu nhỏ. Chính Feynman cũng là người đặt nền móng cho công nghệ nanorobot. Trong một bài tiểu luận của mình sau đó, ông đề cập đến những khái niệm “swallowing the doctor” với một đội ngũ robot siêu nhỏ để có thể đưa vào cơ thể người bệnh và tiến hành phẫu thuật hoặc điều trị ngay từ bên trong.

Cũng chính Richard Feynman là người có ý tưởng chế tạo những robot nano để sử dụng trong việc chữa bệnh từ bên trong cơ thể. Mặc dù là người đề xướng ra lí thuyết công nghệ nano, nhưng vào lúc đó Feynman vẫn chưa thể tiến hành nghiên cứu và ứng dụng nó vào thực tế. Vì có hai thách thức rất lớn mà ông không thể giải quyết với khoa học công nghệ thời đó. Thứ nhất là các động cơ siêu nhỏ và thứ hai là năng lượng cung cấp cho các nanorobot.

Đến năm 1974, thuật ngữ “công nghệ nano” được giáo sư Norio Taniguchi của Đại học Khoa học Tokyo định nghĩa và sử dụng để đề cập đến khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử, mặc dù nó vẫn chưa được biết đến rộng rãi. Ông định nghĩa như sau: “Công nghệ nano chủ yếu bao gồm việc xử lí, tách, hợp nhất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng một nguyên tử hoặc một phân tử”. Dựa trên tiền đề về công nghệ nano của Richard Feynman, định nghĩa về công nghệ nano đã được tiến sĩ K.Eric Drexler khai thác sâu hơn trong cuốn sách “Engines of Creation: The coming Era of Nanotechnology” (1986) và cuốn “Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.” Từ đây, thuật ngữ công nghệ nano bắt đầu trở nên phổ biến, hàng loạt phát minh đã ra đời, phục vụ đắc lực cho cuộc sống. Khái niệm về công nghệ nano [12] Thuật ngữ “công nghệ nano” được biết đến từ những năm 70 của thế kỉ XX.

Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần (10-9). Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ của gam; nanomet = 1 phần tỷ mét. Công nghệ nano là công nghệ xử lí vật chất ở mức nanomet. So sánh kích thước của một số vật [12].

Micromet µm = 103nm nm Độ dài sợi tóc 80 – 200 80.000 Vi khuẩn ecoli 1 1.000 λ ánh sáng thấy được 400 – 750 Virus đậu mùa 0,2 – 0,3 200 – 300 Đường kính AND 2 4 1 nguyên tử 0,1 Công nghệ nano selen bao gồm các vấn đề chính sau đây: • Cơ sở khoa học nano • Phương pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet • Chế tạo vật liệu nano • Ứng dụng vật liệu nano 1. Vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia ra thành ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.

Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: ✓ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano. ✓ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tủ), ví dụ: dây nano, ống nano. ✓ Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng. Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.

Cơ sở khoa học của công nghệ nano [6] Công nghệ nano chủ yếu dự trên ba cơ sở khoa học sau: a. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ, một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.

Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa các nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng (gọi là tỉ số f). Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi 5 là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại.

Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano là tương đối dễ dàng. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [6]. Đường Tỉ số nguyên Năng lượng Năng lượng bề Số nguyên kính hạt tử trên bề mặt bề mặt mặt/năng lượng tử nano (nm) (%) (erg/mol) tổng (%) 11 10 30. Kích thước tới hạn Các tính chất vật lí, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước.

Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi, người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chất về vật lí, hóa học khi ở dạng khối. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thẻ so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hằng ngày.

Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn dùng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có nhiều kích thước tới hạn ứng với tính chất khác nhau của chúng. Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là gì.

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [6]. Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử 10 – 100 Quãng đường tự do trung Tính chất điện 1 – 100 bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm 1 – 10 Độ dài vách đômen 10 – 100 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 1 – 100 Hố lượng tử 1 – 100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 10 – 100 6 Độ sâu bề mặt kim loại 10 – 100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1 – 100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1 – 100 Tương tác bất định xứ 1 – 1000 Biên hại 1 – 10 Tính chất cơ Bán kính khởi động đứt vở 1 – 100 Sai hỏng mầm 0,1 – 10 Độ nhăn bề mặt 1 – 10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1 – 10 Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1 - 100 1.

Ứng dụng của vật liệu nano Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội. Trong y sinh học: các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào. Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư… Năng lượng: nâng cao chất lượng của pin năng lượng mặt trời, tăng tính hiệu quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện, tạo ra chất siêu dẫn làm dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài,… Điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… Môi trường: chế tạo ra màng lọc nano lọc được các phân tử gây ô nhiễm; các chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn… Hình 1.