Tổng quan luận án

Bản luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu chế tạo nanocomposite trên cơ sở nano ôxít từ tính với nano bạc và nano cacbon định hướng ứng dụng trong y sinh và môi trường" do nghiên cứu sinh Lê Thành Huy thực hiện tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn gồm TS. Lê Thị Tâm, GS. Lê Anh Tuấn, GS. Trần Trung và TS. Vũ Ngọc Phan, hoàn thành năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vật liệu nano bạc (Ag-NPs) sở hữu các đặc tính vật lý và hoạt tính sinh học cao như khả năng kháng vi sinh vật, diện tích bề mặt riêng lớn và hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Tuy nhiên, việc ứng dụng nano bạc trong thực tế gặp trở ngại do sự phát tán ion bạc gây ôxy hóa mạnh, khó thu hồi sau khi xử lý và nguy cơ tích tụ tồn dư trong môi trường chưa được kiểm soát. Tương tự, các vật liệu nano cacbon như ống nano cacbon (CNTs), graphen (G) hay graphen ôxít (GO) có diện tích bề mặt lớn và dung lượng hấp phụ cao nhưng khi sử dụng ở dạng bột phân tán trong môi trường nước lại rất khó tách lọc, làm tăng chi phí vận hành công nghiệp và tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp cho nguồn nước sau xử lý.

Để khắc phục các nhược điểm trên, xu hướng phát triển hệ vật liệu nano tổ hợp (nanocomposite) kết hợp giữa nano bạc, nano cacbon với chất mang nano từ tính (MONPs) như hạt nano ôxít sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (FO-NPs) và hạt nano măngan ferit $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ (MFO-NPs) đã được hình thành. Các hạt nano từ tính có độ cảm ứng từ cao, tính tương thích sinh học và khả năng định hướng, thu hồi nhanh chóng dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ với sự hiện diện của cation $\text{Mn}^{2+}$ trong mạng tinh thể spinel còn có khả năng tham gia phản ứng ôxy hóa – khử, hỗ trợ quá trình hấp phụ ion kim loại nặng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định gồm:

  • Các quy trình chế tạo nanocomposite từ tính - bạc và từ tính - cacbon trước đây thường phức tạp, trải qua nhiều công đoạn, sử dụng hóa chất độc hại, tiêu tốn năng lượng và chưa khảo sát một cách có hệ thống các thông số công nghệ ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vật liệu.
  • Hoạt tính và cơ chế kháng khuẩn của hệ vật liệu tổ hợp dạng này đối với vi sinh vật chưa được làm rõ ở cấp độ cấu trúc dưới kính hiển vi điện tử.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo và khảo sát các đặc tính cấu trúc, hình thái học, tính chất hóa lý và từ tính của các hệ vật liệu nano tổ hợp trên cơ sở hạt nano ôxít từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{MnFe}_2\text{O}_4$) kết hợp với hạt nano bạc (Ag-NPs) và nano cacbon (C).
  2. Thử nghiệm khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu nano tổ hợp chế tạo được trong lĩnh vực y sinh (kháng khuẩn gây bệnh) và xử lý môi trường (hấp phụ ion kim loại nặng trong nước).

Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài được triển khai theo 4 nhóm nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu quy trình công nghệ tổng hợp các vật liệu nano đơn lẻ và tổ hợp: Ag-NPs, FO-NPs, MFO-NPs, FO-Ag, MFO-Ag và MFO-C.
  2. Khảo sát đặc tính hóa lý, cấu trúc tinh thể, tính chất từ và đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ chế tạo (độ pH, nồng độ muối tiền chất, thời gian phản ứng, chất hoạt động bề mặt) đến cấu trúc và độ ổn định của vật liệu.
  3. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano tổ hợp đối với các chủng vi khuẩn thực nghiệm; nghiên cứu cơ chế tương tác giữa vật liệu nano tổ hợp và tế bào vi khuẩn bằng kỹ thuật lát cắt siêu mỏng dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
  4. Khảo sát khả năng hấp phụ ion $\text{As(V)}$ trong môi trường nước của vật liệu nano tổ hợp MFO-C thông qua các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Hệ vật liệu nano chức năng: Hạt nano bạc Ag-NPs, hạt nano ôxít sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ (FO-NPs), hạt nano măngan ferit $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ (MFO-NPs), vật liệu nano tổ hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ (FO-Ag), vật liệu nano tổ hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ (MFO-Ag), vật liệu nano tổ hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ (MFO-C).
    • Đối tượng thử nghiệm sinh học: Các chủng vi khuẩn gây bệnh gồm Staphylococcus aureus (S. aureus), Salmonella enteritidis (S. enteritidis) và Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae).
    • Đối tượng thử nghiệm môi trường: Ion kim loại nặng Asen hóa trị năm [$\text{As(V)}$] hòa tan trong môi trường nước.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án thực hiện tổng hợp và khảo sát thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm tại Viện AIST – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, công bố kết quả vào năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Tổng quan tài liệu của luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về phương pháp chế tạo, đặc trưng cấu trúc và ứng dụng của hạt nano từ tính, nano bạc, nano cacbon và các hệ nanocomposite:

  1. Tổng hợp hạt nano ferit từ tính đơn lẻ:

    • Lazarevic và cs (2011) sử dụng phương pháp nghiền bi cơ học hỗn hợp $\text{Mn(OH)}_2$ và $\text{Fe(OH)}_3$ trong 25 giờ, thu được tinh thể $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ kích thước 50 nm, độ từ hóa bão hòa ($M_s$) đạt 71,1 emu/g.
    • Gruskiene và cs (2014) tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và $\gamma\text{-Fe}_2\text{O}_3$ bằng phương pháp đồng kết tủa với sự hỗ trợ của các chất hoạt động bề mặt axit citric, axit ascorbic, axit gallic và axit glucuronic ở 95 °C trong 90 phút, kích thước hạt đạt 9,8 – 12,8 nm.
    • Ibrahim Sharifi và cs (2012) chế tạo $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ bằng phương pháp mixen thường (kích thước 5 nm) và mixen đảo (kích thước 8 nm).
    • Jungang Cao và cs (2010) dùng phương pháp sol-gel chế tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ kích thước 10 – 40 nm, xử lý nhiệt ở 600 °C, $M_s = 14,5\text{ emu/g}$. Rimi Sharma và cs (2013) tổng hợp $\text{MFe}_2\text{O}_4$ ($\text{M} = \text{Cu, Co, Ni, Zn}$) qua sol-gel xử lý nhiệt 400 °C và 1000 °C với kích thước tinh thể 10 – 30 nm.
    • Q. Chen và cs (2014) tổng hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ bằng thủy nhiệt ở 200 °C trong 10 giờ, kích thước hạt 100 – 600 nm, $M_s = 20,3\text{ emu/g}$. Q. Fang và cs (2009) chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4$ kích thước 200 – 300 nm bằng thủy nhiệt, $M_s = 47,1\text{ emu/g}$.
    • K. Jardim và cs (2018) dùng phương pháp phân hủy nhiệt ở 400 °C trong 3 giờ tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ kích thước 12 nm, $M_s = 41,1\text{ emu/g}$.
    • Tại Việt Nam, I. Hương và cs (2015) chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4$ bằng phương pháp đồng kết tủa đạt kích thước xấp xỉ 20 nm, $M_s = 60\text{ emu/g}$. Nhóm N. Hiếu (2014) tổng hợp măngan ferit bằng đồng kết tủa từ $\text{FeCl}_2$, $\text{FeCl}_3$ trong môi trường $\text{NaOH 4 M}$.
  2. Hệ vật liệu nano tổ hợp từ tính – bạc (Ag-MONPs):

    • Amir và cs (2016) tổng hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{@PANi@Ag}$ làm xúc tác phân hủy thuốc nhuộm azo (MB, MO, EY, RhB).
    • Zhang và cs chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{–SiO}_2\text{–Ag}$ có hạt bạc 10 nm trên hạt mang $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{–SiO}_2$ (60 – 70 nm), $M_s = 74,5\text{ emu/g}$, có hoạt tính kháng khuẩn E. coli.
    • S. Li và cs chế tạo cấu trúc $\text{Ag@MFe}_2\text{O}_4$ ($\text{M} = \text{Ni, Co, Mg, Zn}$) kích thước 170 nm, $M_s = 15,7\text{ emu/g}$, có hoạt tính kháng E. coli tương đương kháng sinh Streptomycin.
    • Sharif và cs (2019) tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@EDTA-Ag}$ qua 3 bước (thủy nhiệt tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4$, gắn EDTA, khử bạc hóa học), hạt tổ hợp đạt 165 nm, $M_s = 67\text{ emu/g}$. H. Veisi và cs (2018) tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@TA/Ag}$ với axit tannic làm chất khử và cầu nối, kích thước hạt 10 – 15 nm, $M_s = 37,8\text{ emu/g}$.
    • S. Muntean và cs (2014) dùng phương pháp một bước nung ở 400 °C tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{/Ag/C}$ dạng xốp ($M_s = 2,6\text{ emu/g}$). W. Fang và cs (2013) dùng thủy nhiệt một bước tạo $\text{Ag@Fe}_3\text{O}_4$ kích thước 100 – 130 nm, $M_s \sim 40\text{ emu/g}$. Chudasama và cs (2013) dùng phân hủy nhiệt tạo $\text{Ag-Fe}_3\text{O}_4$ cấu trúc lõi – vỏ 14,1 nm.
    • Tại Việt Nam, Trần Đại Lâm và cs (2015) chế tạo $\text{Ag/Fe}_3\text{O}_4\text{-CS}$ trên nền chitosan (20 – 50 nm, $M_s = 67,5\text{ emu/g}$) kháng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa. Nguyễn Tuấn Anh và cs (2016) tổng hợp $\text{FAgNPs/NR/PE}$ phân tán trên cao su thiên nhiên/PE. N. Linh và cs (2017) chế tạo $\text{ACPU/Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ trên màng polyurethane kháng E. coli.
  3. Hệ vật liệu nano tổ hợp từ tính – cacbon (C-MONPs):

    • Yamaguchi và cs (2016) chế tạo $\text{MnFe}_2\text{O}4\text{–G}$ bằng thủy nhiệt một bước, dung lượng hấp phụ Glyphosat cực đại $q{max} = 39\text{ mg/g}$.
    • Kumar và cs (2014) tổng hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{–GO}$ bằng phương pháp đồng kết tủa, hấp phụ $\text{Pb(II)}$ đạt 673 mg/g, $\text{As(III)}$ đạt 146 mg/g, $\text{As(V)}$ đạt 207 mg/g.
    • K. Cheng và cs (2014) tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@C}$ qua 3 bước sử dụng ferrocene và silica, $M_s = 55,93\text{ emu/g}$. Ren và cs (2012) dùng thủy nhiệt một bước ở 200 °C trong 12 giờ tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@C}$ kích thước 10 – 30 nm.
    • Tại Việt Nam, Nguyễn Hữu Hiếu và cs (2016) chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}4\text{/GO}$ hấp phụ $\text{Pb}^{2+}$ ($q{max} = 54,64\text{ mg/g}$). Nguyễn Ngọc Thịnh và cs (2016) tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}4\text{/CS}$ xử lý $\text{Cr(VI)}$ ($q{max} = 55,8\text{ mg/g}$). Lê Minh Tùng và cs (2019) dùng thủy nhiệt một bước từ ferrocene chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}4\text{@C}$ hấp phụ $\text{As(V)}$ đạt $q{max} = 18,39\text{ mg/g}$, $M_s = 24,9\text{ emu/g}$.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Từ việc phân tích tài liệu, luận án tập trung giải quyết các vấn đề:

  • Phát triển quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ và $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ bằng phương pháp hóa học ướt (đồng kết tủa kết hợp quang hóa biến tính dưới tia UV) sử dụng glucozơ làm tác nhân khử thân thiện môi trường và các chất hoạt động bề mặt (Axit oleic, PVP, Tween 80) làm chất liên kết (linker), thay thế các lớp vỏ bọc trơ $\text{SiO}_2$ hay cacbon phức tạp.
  • Phát triển quy trình thủy nhiệt một bước đơn giản, tối ưu hóa các thông số công nghệ (pH, nồng độ tiền chất, thời gian) để tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$.
  • Tổng hợp $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ bằng quy trình hai bước (đồng kết tủa và thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp 180 °C với nguồn cacbon là glucozơ) nhằm nâng cao hiệu quả xử lý $\text{As(V)}$ trong môi trường nước.
  • Ứng dụng kỹ thuật lát cắt siêu mỏng hiển vi điện tử truyền qua (Ultra-thin sectioning TEM) để quan sát trực tiếp các biến đổi vi cấu trúc của tế bào vi khuẩn khi tiếp xúc với nanocomposite.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình phân tích

  1. Cấu trúc tinh thể spinel của hạt nano ferit từ tính:
    • Công thức tổng quát là $\text{AB}2\text{O}4$ hoặc $\text{M}x^{2+}\text{Fe}{1-x}^{3+}[\text{M}{1-x}^{2+}\text{Fe}{1+x}^{3+}]\text{O}_4^{2-}$, trong đó $\text{M}$ là cation kim loại hóa trị 2 ($\text{Fe}^{2+}, \text{Mn}^{2+}, \text{Zn}^{2+}, \text{Co}^{2+}, \text{Ni}^{2+}$...), $x$ là độ nghịch đảo. Tế bào mạng gồm 32 ion $\text{O}^{2-}$ lập phương tâm mặt, 8 hốc tứ diện và 16 hốc bát diện do các cation chiếm đóng. Cấu trúc chia thành spinel thuận ($\text{A}[\text{BB}]\text{O}4$), spinel nghịch đảo ($\text{B}[\text{AB}]\text{O}4$) và spinel trung gian. $\text{MnFe}2\text{O}4$ có cấu trúc spinel trung gian gần thuận ($\text{Mn}{0,8}\text{Fe}{0,2}[\text{Mn}{0,2}\text{Fe}{1,8}]\text{O}_4$) hoặc gần nghịch tùy thuộc điều kiện chế tạo.
  2. Tính chất từ và hiệu ứng kích thước/bề mặt:
    • Trạng thái siêu thuận từ xuất hiện khi kích thước hạt nhỏ hơn giới hạn đơn đômen, rào năng lượng dị hướng từ $E(\theta) = K_{eff}V \le k_B T$, thời gian hồi phục từ độ tuân theo định luật Arrhenius: $\tau = \tau_0 \exp\left(\frac{K_{eff}V}{k_B T}\right)$. Khi đó, lực kháng từ $H_c = 0$, không xuất hiện hiện tượng trễ từ tại nhiệt độ phòng.
    • Hiệu ứng bề mặt: Tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích lớn tạo lớp vỏ có spin bất trật tự (dead layer), làm suy giảm độ từ hóa bão hòa ($M_s$) so với vật liệu khối.
  3. Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc:
    • Tác động vật lý: Kích thước hạt nano nhỏ cho phép đâm xuyên, làm thủng màng tế bào, rò rỉ dịch nội bào.
    • Tác động hóa học: Phát sinh các gốc tự do chứa oxy hoạt tính (ROS) và phóng thích ion $\text{Ag}^+$, liên kết với nhóm photphat/sunfuhydryl của DNA và enzym, ức chế quá trình tái bản và trao đổi chất.
    • Hiệu ứng quang học: Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt đặc trưng cho cấu trúc nano bạc.
  4. Lý thuyết và mô hình hấp phụ:
    • Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (Lagergren) và biểu kiến bậc 2 (Ho & McKay).
    • Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (hấp phụ đơn lớp trên các tâm hoạt động đồng nhất) và Freundlich (hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Tổng hợp vật liệu:
    • Phương pháp đồng kết tủa: Kết tủa dung dịch muối cation kim loại ($\text{Fe}^{2+}, \text{Fe}^{3+}, \text{Mn}^{2+}$) trong môi trường kiềm ($\text{NaOH}, \text{NH}_4\text{OH}$).
    • Phương pháp quang hóa: Sử dụng phản ứng Tollens cải biến khử phức bạc $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ bằng glucozơ dưới bức xạ tử ngoại (UV).
    • Phương pháp thủy nhiệt: Thực hiện trong bình phản ứng lót Teflon chịu nhiệt độ và áp suất cao.
  • Kỹ thuật phân tích đặc trưng hóa lý:
    • Nhiễu xạ tia X bột (XRD): Xác định pha tinh thể, độ kết tinh và kích thước hạt tinh thể theo công thức Scherrer.
    • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM): Khảo sát hình thái, kích thước hạt và cấu trúc mạng tinh thể.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Xác định các nhóm chức bề mặt và liên kết phối trí.
    • Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis): Xác định đỉnh hấp thụ Plasmon của nano bạc.
    • Từ kế mẫu rung (VSM): Đo đường cong từ hóa, xác định độ từ hóa bão hòa ($M_s$), từ dư ($M_r$) và lực kháng từ ($H_c$).
    • Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Định lượng nồng độ ion $\text{As(V)}$ trước và sau quá trình hấp phụ.
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học:
    • Phương pháp khuếch tán đĩa thạch (Disc diffusion method) và phương pháp khuếch tán nhỏ giọt trực tiếp (Direct-drop diffusion method): Đo đường kính vòng ức chế sinh trưởng (ZOI).
    • Phương pháp pha loãng chuẩn (Standard microdilution method): Khảo sát sự sinh trưởng khuẩn lạc và nồng độ ức chế.
    • Phương pháp lát cắt siêu mỏng (Ultra-thin sectioning method): Cắt mẫu tế bào vi khuẩn sau xử lý bằng dao kim cương và chụp TEM để quan sát tổn thương siêu cấu trúc màng và tế bào chất.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu kết hợp giữa các hạt nano từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{MnFe}_2\text{O}_4$) với nano bạc và nano cacbon; nêu rõ mục đích, nội dung nghiên cứu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn cùng cấu trúc tổng thể của bản luận án.

Chương 1. Hạt nano ôxít sắt từ tính Fe3O4 (FO-NPs) và hạt nano ferit từ tính (MFe2O4-NPs) (M là kim loại chuyển tiếp)

Chương này tổng kết cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến đối tượng vật liệu của luận án:

  • Phân tích cấu trúc mạng spinel thuận, nghịch và trung gian của ferit từ tính; các phương pháp chế tạo phổ biến gồm nghiền cơ học, đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, thủy nhiệt và phân hủy nhiệt.
  • Phân tích cơ chế siêu thuận từ, dị hướng từ, hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt lên mômen từ của hạt nano; tính tương thích sinh học và ứng dụng của hạt nano từ tính trong phân tách tế bào, dẫn truyền thuốc, tăng thân nhiệt cục bộ điều trị ung thư và tăng tương phản ảnh cộng hưởng từ (MRI).
  • Trình bày đặc điểm, các phương pháp chế tạo (vật lý, hóa học, quang hóa Tollens, khử sinh học) và cơ chế kháng khuẩn (vật lý qua màng, hóa học qua ROS và $\text{Ag}^+$) của hạt nano bạc.
  • Giới thiệu các cấu trúc nano cacbon (CNTs, GO, rGO) và cơ sở lý thuyết hấp phụ ion kim loại trong môi trường nước.
  • Phân tích các dạng cấu trúc nanocomposite (lõi – vỏ, gắn kết bề mặt, xốp) và các nghiên cứu chế tạo nanocomposite từ tính - bạc, từ tính - cacbon theo quy trình đa bước hoặc một bước.
Phương pháp chế tạo Vật liệu Kích thước (nm) $M_s$ (emu/g) Nguồn tham khảo
Nghiền hành tinh $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ 30 – 40 71,7 – 72,0 Lazarevic và cs (2011)
Vi nhũ tương $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ 5 – 8 29,2 Ibrahim Sharifi và cs (2012)
Sol-gel $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ 10 – 40 14,5 Jungang Cao và cs (2010)
Sol-gel $\text{ZnFe}_2\text{O}_4$ 10 – 30 6,0 Rimi Sharma và cs (2013)
Sol-gel $\text{NiFe}_2\text{O}_4$ 10 – 30 19,0 Rimi Sharma và cs (2013)
Sol-gel $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ 10 – 30 60,0 Rimi Sharma và cs (2013)
Sol-gel $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ 10 – 30 65,0 Rimi Sharma và cs (2013)
Thủy nhiệt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ 100 – 600 20,3 Q. Chen và cs (2014)
Thủy nhiệt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ 20 68,0 Buhe Bateer và cs (2014)

Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết danh mục hóa chất sử dụng ($\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$, $\text{FeCl}_2\cdot4\text{H}_2\text{O}$, $\text{MnCl}_2\cdot4\text{H}_2\text{O}$, $\text{AgNO}_3$, glucozơ, PVP, Tween 80, axit oleic, $\text{NaOH}$, $\text{NH}_4\text{OH}$...) và dụng cụ thực nghiệm:

  • Trình bày quy trình chế tạo $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ bằng quy trình hai bước (đồng kết tủa hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$, sau đó quang hóa gắn bạc) và quy trình thủy nhiệt một bước.
  • Trình bày quy trình chế tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ bằng quy trình hai bước (đồng kết tủa $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ và quang hóa gắn bạc với các chất hoạt động bề mặt khác nhau).
  • Trình bày quy trình chế tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ bằng quy trình hai bước (đồng kết tủa hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$, phối trộn glucozơ và xử lý thủy nhiệt ở 180 °C).
  • Trình bày quy trình thử nghiệm kháng khuẩn trên 3 chủng vi khuẩn (S. aureus, S. enteritidis, K. pneumoniae) và quy trình đo hấp phụ ion $\text{As(V)}$.
  • Mô tả nguyên lý và thông số hoạt động của các thiết bị phân tích XRD, TEM, HRTEM, FTIR, UV-Vis, VSM và AAS.

Chương 3. Kết quả nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu nano tổ hợp FO-Ag

Trình bày kết quả nghiên cứu đối với hệ nanocomposite $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$:

  • Quy trình 2 bước (đồng kết tủa + quang hóa): Giản đồ XRD chứng minh sự cùng tồn tại của pha spinel $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và pha lập phương tâm mặt của Ag kim loại. Ảnh TEM và HRTEM cho thấy các hạt nano bạc phân bố bám trên bề mặt hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$. Phổ UV-Vis xuất hiện đỉnh cộng hưởng Plasmon của nano bạc. Đường cong từ hóa VSM xác nhận vật liệu có tính chất siêu thuận từ. Thử nghiệm vi sinh bằng phương pháp khuếch tán đĩa và pha loãng chuẩn chứng minh vật liệu có hoạt tính ức chế vi khuẩn S. aureus.
  • Phân tích cơ chế kháng khuẩn qua lát cắt TEM: Ảnh chụp TEM siêu cấu trúc lát cắt tế bào S. aureus tại các thời điểm tương tác (0 phút, 15 phút...) ghi nhận hiện tượng các hạt nano bám dính màng tế bào, làm biến dạng vỏ tế bào, đâm xuyên màng dẫn đến thoát dịch nội bào và làm tan rã tế bào vi khuẩn.
  • Quy trình 1 bước (thủy nhiệt): Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ:
    • Nồng độ muối tiền chất $\text{AgNO}_3$ (2,5 mM, 5 mM, 10 mM).
    • Độ pH dung dịch phản ứng ($\text{pH} = 9, 10, 11$).
    • Thời gian phản ứng thủy nhiệt ($t = 90\text{ phút}, 120\text{ phút}, 150\text{ phút}$).
    • Xác định được bộ thông số tối ưu: $\text{pH} = 10$, $[\text{AgNO}_3] = 5\text{ mM}$, thời gian phản ứng 120 phút giúp vật liệu đạt độ kết tinh cao, phân bố kích thước đồng đều và giữ được độ từ hóa bão hòa tốt.

Chương 4. Kết quả nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu nano tổ hợp MFO-Ag

Trình bày các kết quả tổng hợp măngan ferit và nanocomposite $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$:

  • Tối ưu hóa chế tạo hạt nano $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ bằng phương pháp đồng kết tủa:
    • Khảo sát ảnh hưởng của pH (từ $\text{pH} = 11$ đến $\text{pH} = 14$): XRD và TEM chỉ ra ở $\text{pH} = 13$, hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ có độ kết tinh cao nhất, dạng hình cầu đồng đều và giá trị $M_s$ đạt cực đại.
    • Khảo sát nồng độ tiền chất $[\text{Mn}^{2+}]$: Xác định nồng độ tối ưu là $0,4\text{ M}$.
    • Khảo sát thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng tối ưu xác định là $t = 105\text{ phút}$.
  • Chế tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ bằng phương pháp quang hóa:
    • Khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt (PVP, Tween 80, Axit oleic) làm cầu nối liên kết. Phổ FTIR chứng minh sự xuất hiện liên kết phối trí giữa chất hoạt động bề mặt với bề mặt hạt oxit và hạt bạc. Ảnh HRTEM và đường cong từ hóa xác nhận tính siêu thuận từ của hạt tổ hợp.
  • Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn:
    • Đánh giá khả năng ức chế đối với hai chủng vi khuẩn Gram âm là Salmonella enteritidis (S. enteritidis) và Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) bằng phương pháp khuếch tán đĩa và khuếch tán nhỏ giọt trực tiếp. Kết quả cho thấy kích thước vùng vô khuẩn (ZOI) mở rộng rõ rệt khi tăng nồng độ nanocomposite, chứng minh hiệu quả ức chế mạnh của vật liệu tổ hợp so với mẫu đối chứng.

Chương 5. Kết quả nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khả năng hấp phụ của hệ vật liệu nano tổ hợp MFO-C

Trình bày kết quả nghiên cứu hệ nanocomposite $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ định hướng xử lý ion $\text{As(V)}$:

  • Đặc trưng cấu trúc: Vật liệu được tổng hợp qua hai bước (đồng kết tủa tạo $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ và thủy nhiệt ở 180 °C với glucozơ). Giản đồ XRD, ảnh TEM và phổ FTIR xác nhận hạt nano $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ được bao bọc bởi lớp vỏ cacbon mỏng chứa các nhóm chức hoạt động bề mặt. Đường cong từ hóa VSM cho thấy vật liệu duy trì từ tính cao, cho phép tách nhanh bằng nam châm vĩnh cửu.
  • Động học và dung lượng hấp phụ $\text{As(V)}$:
    • Khảo sát hiệu suất hấp phụ $\text{As(V)}$ theo thời gian, thiết lập đường hồi quy tuyến tính theo mô hình động học bậc một và bậc hai biểu kiến. Kết quả thực nghiệm tương thích với mô hình động học bậc hai biểu kiến, phản ánh quá trình hấp phụ hóa học chiếm ưu thế.
    • Dữ liệu cân bằng hấp phụ được xử lý theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Dung lượng hấp phụ cực đại ($q_{max}$) tính toán từ mô hình Langmuir của $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ đạt giá trị cao hơn so với hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ đơn lẻ và vượt trội so với nhiều hệ vật liệu đối chứng được công bố trước đó.
Hệ vật liệu Phương pháp tổng hợp Đối tượng xử lý Dung lượng hấp phụ cực đại $q_{max}$ (mg/g) Nguồn tham khảo
$\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@C}$ Thủy nhiệt 1 bước $\text{As(V)}$ 18,39 Lê Minh Tùng và cs (2019)
$\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-G}$ Thủy nhiệt 1 bước Glyphosat 39,00 Yamaguchi và cs (2016)
$\text{Fe}_3\text{O}_4\text{/GO}$ Đồng kết tủa $\text{Pb(II)}$ 54,64 Nguyễn Hữu Hiếu và cs (2016)
$\text{Fe}_3\text{O}_4\text{/CS}$ Đồng kết tủa $\text{Cr(VI)}$ 55,80 Nguyễn Ngọc Thịnh và cs (2016)
$\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-GO}$ Đồng kết tủa $\text{As(V)}$ 207,00 Kumar và cs (2014)
$\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ Đồng kết tủa + Thủy nhiệt $\text{As(V)}$ Đạt giá trị cao (khảo sát tại chương 5) Luận án Lê Thành Huy (2020)

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của đề tài

  1. Tối ưu hóa thông số công nghệ chế tạo hạt nano $\text{MnFe}_2\text{O}_4$:
    • Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho phương pháp đồng kết tủa: $\text{pH} = 13$, nồng độ muối tiền chất $[\text{Mn}^{2+}] = 0,4\text{ M}$, thời gian phản ứng $t = 105\text{ phút}$, giúp kiểm soát kích thước, hình thái và nâng cao độ từ hóa bão hòa của hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$.
  2. Phát triển quy trình 2 bước (đồng kết tủa + quang hóa) chế tạo FO-Ag và MFO-Ag:
    • Ứng dụng phản ứng quang hóa dưới bức xạ UV sử dụng glucozơ làm tác nhân khử bạc thân thiện môi trường và các phân tử hoạt động bề mặt (Axit oleic, PVP, Tween 80) làm cầu nối liên kết bền vững giữa Ag-NPs và bề mặt hạt oxit từ tính, tăng cường độ ổn định phân tán trong môi trường nước mà không cần tạo vỏ bọc silica hay cacbon phức tạp.
  3. Phát triển quy trình 1 bước (thủy nhiệt) chế tạo FO-Ag:
    • Thiết lập quy trình tổng hợp một bước rút ngắn thời gian và xác định bộ thông số tối ưu: $\text{pH} = 10$, nồng độ muối tiền chất $[\text{AgNO}_3] = 5\text{ mM}$, thời gian phản ứng thủy nhiệt 120 phút.
  4. Phát triển quy trình 2 bước chế tạo MFO-C thân thiện môi trường:
    • Tổng hợp thành công nanocomposite $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ bằng phương pháp kết hợp đồng kết tủa và thủy nhiệt ở nhiệt độ tương đối thấp (180 °C) trong môi trường nước, dùng glucozơ làm nguồn cacbon mà không cần bổ sung tác nhân khử độc hại.
  5. Cung cấp bằng chứng thực nghiệm về cơ chế diệt khuẩn:
    • Ứng dụng thành công kỹ thuật lát cắt siêu mỏng kết hợp hiển vi điện tử truyền qua (Ultra-thin sectioning TEM) để quan sát trực tiếp sự phá hủy màng và rò rỉ tế bào chất của vi khuẩn S. aureus, S. enteritidis và K. pneumoniae dưới tác động của nanocomposite từ tính - bạc.
  6. Đánh giá hiệu quả xử lý kim loại nặng:
    • Chứng minh vật liệu $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ có dung lượng hấp phụ $\text{As(V)}$ cao trong nước, đồng thời dễ dàng thu hồi bằng từ trường ngoài để tái sử dụng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng quy trình quang hóa và thủy nhiệt nhiệt độ thấp vào sản xuất thử nghiệm vật liệu nanocomposite từ tính nhằm giảm chi phí năng lượng và hóa chất độc hại.
  • Kiến nghị tích hợp các hệ vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ và $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-Ag}$ vào các màng phủ kháng khuẩn ứng dụng trong thiết bị y tế và dân dụng.
  • Khai thác vật liệu $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ trong các module lọc và xử lý nước ngầm nhiễm Asen quy mô thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các khảo sát hoạt tính kháng khuẩn mới tập trung trên 3 chủng vi khuẩn gây bệnh đại diện (S. aureus, S. enteritidis, K. pneumoniae), chưa mở rộng trên các phổ vi sinh vật khác như nấm, bào tử hoặc virus.
  • Đánh giá khả năng xử lý môi trường của $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ mới giới hạn ở đối tượng ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ trong dung dịch nhân tạo ở điều kiện tĩnh quy mô phòng thí nghiệm, chưa khảo sát trên các nguồn nước thải thực tế chứa đồng thời nhiều cation và anion cạnh tranh.
  • Chưa khảo sát chi tiết số chu kỳ tái sinh và độ suy giảm từ tính sau nhiều lần tái sử dụng liên tục trong hệ thống dòng chảy động.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thử nghiệm phổ kháng khuẩn trên nhiều chủng vi sinh vật kháng thuốc và đánh giá chi tiết hơn về độc tính tế bào dài hạn của nanocomposite đối với sinh vật bậc cao.
  • Khảo sát khả năng hấp phụ đa cấu tử (hỗn hợp các ion kim loại nặng $\text{Pb}^{2+}, \text{Cd}^{2+}, \text{Cr}^{6+}$ và các hợp chất hữu cơ) của vật liệu $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$.
  • Thiết kế hệ thống cột lọc liên tục có tích hợp bộ tách thu hồi từ tính để kiểm tra độ bền cơ lý, khả năng tái sinh và tính khả thi công nghệ khi triển khai xử lý nước ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Khoa học Vật liệu, Hóa học vô cơ, Vật lý chất rắn, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Môi trường: Tham khảo quy trình thực nghiệm tổng hợp nanocomposite, phương pháp quang hóa Tollens biến tính và phương pháp thủy nhiệt một bước.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Tham khảo phương pháp luận kết hợp phân tích đặc trưng hóa lý (XRD, VSM, FTIR, TEM, HRTEM) với kỹ thuật lát cắt siêu mỏng TEM trong đánh giá cơ chế tương tác màng sinh học và các mô hình động học hấp phụ.
  • Kỹ sư và nhà phát triển công nghệ: Tham khảo các thông số công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu lọc nước từ tính và vật liệu phủ kháng khuẩn có khả năng thu hồi tách lọc bằng từ trường ngoài.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã xác định bộ thông số công nghệ tối ưu nào để chế tạo hạt nano MnFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa?

Quá trình khảo sát thực nghiệm hệ thống tại Chương 4 đã xác định bộ thông số tối ưu cho quy trình đồng kết tủa hạt nano $\text{MnFe}_2\text{O}_4$ gồm: độ kiềm $\text{pH} = 13$, nồng độ muối tiền chất $[\text{Mn}^{2+}] = 0,4\text{ M}$ và thời gian phản ứng $t = 105\text{ phút}$. Ở điều kiện này, hạt thu được có cấu trúc spinel đồng nhất, kích thước phân bố đều và độ từ hóa bão hòa đạt giá trị cao.

2. Quy trình quang hóa chế tạo vật liệu tổ hợp FO-Ag và MFO-Ag có đặc điểm gì nổi bật so với các nghiên cứu trước?

Quy trình quang hóa 2 bước của luận án sử dụng bức xạ tử ngoại (UV) kết hợp phản ứng Tollens cải biến với glucozơ làm tác nhân khử thân thiện môi trường để khử ion phức bạc lên bề mặt hạt nano từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4$ hoặc $\text{MnFe}_2\text{O}_4$). Các phân tử hữu cơ như PVP, Tween 80 hoặc Axit oleic đóng vai trò là cầu nối liên kết (linker) và chất ổn định bề mặt, giúp đơn giản hóa quy trình, không cần bọc lớp vỏ trung gian $\text{SiO}_2$ hay cacbon và giúp hạt nano tổ hợp phân tán ổn định trong môi trường nước.

3. Bộ thông số tối ưu cho quy trình thủy nhiệt 1 bước chế tạo hệ nanocomposite FO-Ag được xác định như thế nào?

Tại Chương 3, luận án đã khảo sát thực nghiệm và xác định bộ thông số tối ưu cho quy trình thủy nhiệt 1 bước gồm: độ $\text{pH} = 10$, nồng độ muối tiền chất $[\text{AgNO}_3] = 5\text{ mM}$ và thời gian phản ứng thủy nhiệt $t = 120\text{ phút}$.

4. Kỹ thuật nào đã được tác giả sử dụng để làm sáng tỏ cơ chế tương tác kháng khuẩn của vật liệu nano tổ hợp?

Tác giả đã sử dụng kỹ thuật lát cắt siêu mỏng (Ultra-thin sectioning method) kết hợp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát sự biến đổi hình thái và siêu cấu trúc của tế bào vi khuẩn (S. aureus) tại các thời điểm tiếp xúc khác nhau. Hình ảnh TEM cung cấp bằng chứng trực tiếp về quá trình bám dính màng, làm rách vỏ tế bào, đâm xuyên và gây rò rỉ tế bào chất.

5. Hệ vật liệu nano tổ hợp MFO-C được tổng hợp bằng phương pháp nào và ứng dụng cho mục đích gì?

Nanocomposite $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$ được tổng hợp bằng quy trình hai bước: đồng kết tủa tạo hạt $\text{MnFe}_2\text{O}_4$, sau đó thủy nhiệt ở 180 °C với nguồn cacbon là glucozơ trong môi trường nước. Vật liệu được ứng dụng để hấp phụ ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ trong môi trường nước, tuân theo mô hình động học bậc hai biểu kiến và mô hình đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng hấp phụ cao cùng khả năng thu hồi bằng từ trường.


Kết luận

Bản luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thành Huy đã phát triển thành công các quy trình công nghệ đơn giản, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường để chế tạo các hệ vật liệu nanocomposite trên cơ sở hạt nano oxit từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4$, $\text{MnFe}_2\text{O}_4$) kết hợp với nano bạc và nano cacbon. Các hệ vật liệu chế tạo được đã được làm rõ về cấu trúc tinh thể, hình thái học, tính chất từ và liên kết bề mặt thông qua hệ thống phân tích hóa lý toàn diện. Luận án đã chứng minh khả năng ức chế kháng khuẩn mạnh trên các chủng S. aureus, S. enteritidis, K. pneumoniae và làm sáng tỏ cơ chế qua ảnh lát cắt siêu mỏng TEM, đồng thời khẳng định hiệu quả hấp phụ ion kim loại nặng $\text{As(V)}$ của vật liệu $\text{MnFe}_2\text{O}_4\text{-C}$. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc định hướng ứng dụng các hệ nanocomposite từ tính đa chức năng trong y sinh và xử lý môi trường.