Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và kỹ thuật hóa học, các hạt nano kim loại như nano bạc (AgNPs) và nano đồng (CuNPs) đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhờ hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm đối với nhiều chủng vi sinh vật gây bệnh, mở ra tiềm năng ứng dụng trong y dược và nông nghiệp. Việc kết hợp đồng thời hai kim loại để tạo thành hệ hạt nano lưỡng kim bạc - đồng (Ag-CuNPs) mang lại ưu thế nâng cao hiệu quả kháng vi sinh vật thông qua tác động tương hỗ, đồng thời giảm thiểu giá thành sản xuất so với việc chỉ sử dụng nano bạc nguyên chất.

Về phương pháp tổng hợp, phương pháp khử hóa học hiện đang được ứng dụng phổ biến nhờ quy trình vận hành đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại nhược điểm lớn do dư lượng các chất khử hóa học độc hại có thể gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và làm giảm độ tinh khiết của chế phẩm nano thu được. Hướng tiếp cận sử dụng tác nhân khử sinh học (dịch chiết thực vật, vi sinh vật) tuy thân thiện với môi trường nhưng gặp trở ngại về tốc độ phản ứng chậm và khó kiểm soát kích thước hạt. Trong khi đó, các kỹ thuật vật lý khác như chiếu xạ vi sóng, tia cực tím, ăn mòn laser hay điện phân kết hợp siêu âm lại khó mở rộng ở quy mô công nghiệp. Phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử (Electron Beam - EB) khắc phục được các hạn chế trên nhờ khả năng tự sinh các tác nhân khử phân tán đồng đều trong hệ phản ứng, sản phẩm đạt độ tinh khiết cao, không tồn dư hóa chất độc hại, dễ kiểm soát kích thước hạt và có khả năng sản xuất ở quy mô lớn với hiệu quả kinh tế cao.

Do các hạt nano có năng lượng bề mặt riêng lớn nên rất dễ kết tụ để giảm năng lượng tự do. Việc sử dụng chất ổn định là polyme sinh học tự nhiên chitosan (CTS) mang lại nhiều ưu điểm: tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, không gây độc môi trường, có sẵn hoạt tính kháng vi sinh vật và kích kháng miễn dịch tự nhiên, đồng thời có ái lực liên kết tốt với các ion kim loại. Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về vật liệu nano lưỡng kim chế tạo bằng công nghệ bức xạ chùm tia điện tử còn rất hạn chế. Xuất phát từ thực tiễn đó, khóa luận tốt nghiệp thực hiện đề tài nhằm khảo sát quy trình công nghệ chế tạo nano lưỡng kim Ag-Cu thân thiện với môi trường và đánh giá khả năng diệt khuẩn thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu chế tạo nano lưỡng kim bạc - đồng bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử dùng chitosan làm chất ổn định và xác định các đặc trưng tính chất của nano lưỡng kim bạc - đồng chế tạo được.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ gồm liều xạ, tổng nồng độ ion $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ và nồng độ chất ổn định CTS tới đặc trưng tính chất của nano lưỡng kim bạc - đồng.
  3. Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của nano lưỡng kim Ag-Cu trên chủng vi khuẩn Aeromonas hydrophila gây bệnh gan thận mủ trên cá tra ở quy mô phòng thí nghiệm.

Để đạt được các mục tiêu trên, khóa luận triển khai bốn nội dung nghiên cứu cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu xác định liều xạ chuyển hóa bão hòa dung dịch $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ thành hỗn hợp nano lưỡng kim.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của tổng nồng độ ion $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ ở các mức 100 mg/l, 250 mg/l, 500 mg/l, 750 mg/l, 1000 mg/l tại cùng tỉ lệ phần mol $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ là 1:1 đến đặc trưng tính chất (kích thước hạt, phân bố kích thước hạt, độ ổn định) của nano lưỡng kim bạc - đồng.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định chitosan ở các mức 0,5%; 1%; 1,5% và 2% đến đặc trưng tính chất của nano lưỡng kim bạc - đồng.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của nano lưỡng kim Ag-Cu trên chủng vi khuẩn Aeromonas hydrophila gây bệnh gan thận mủ trên cá tra ở quy mô phòng thí nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu là hệ hạt nano lưỡng kim bạc - đồng được ổn định trong môi trường dung dịch chitosan và chủng vi khuẩn Gram âm Aeromonas hydrophila. Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (VINAGAMMA), hoàn thành vào tháng 8 năm 2023 ở quy mô phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, nano lưỡng kim cấu thành từ hai nguyên tố kim loại có thể tồn tại dưới bốn cấu trúc sắp xếp nguyên tử: dạng hợp kim hỗn hợp ngẫu nhiên (mixed alloyed), dạng cụm phụ phân tách (sub-cluster segregated), dạng lõi - vỏ (core-shell) và dạng nhiều lõi - vỏ (multiple core-shell). Cơ chế tổng hợp hạt nano bằng chiếu xạ chùm tia điện tử dựa trên quá trình xạ ly của nước trong dung dịch dưới tác dụng của bức xạ ion hóa:

$$\text{H}2\text{O} \xrightarrow{\text{bức xạ}} \text{e}^-{\text{aq}}, \text{H}^\bullet, \text{OH}^\bullet, \text{H}_2, \text{H}_2\text{O}_2, \text{H}_3\text{O}^+$$

Trong hệ phản ứng này, các gốc khử mạnh sinh ra gồm điện tử solvat hóa ($\text{e}^-_{\text{aq}}$) và nguyên tử hydro ($\text{H}^\bullet$) sẽ trực tiếp khử các ion kim loại về trạng thái nguyên tử có mức oxy hóa bằng 0:

$$\text{Ag}^+ + \text{e}^-_{\text{aq}} (\text{H}^\bullet) \rightarrow \text{Ag}^0$$

$$\text{Cu}^{2+} + \text{e}^-{\text{aq}} (\text{H}^\bullet) \rightarrow \text{Cu}^+ \xrightarrow{\text{e}^-{\text{aq}} (\text{H}^\bullet)} \text{Cu}^0$$

Đồng thời, trong dung dịch xảy ra phản ứng cạnh tranh và thay thế do chênh lệch thế điện cực chuẩn:

$$2\text{Ag}^+ + \text{Cu}^0 \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag}^0$$

Để ngăn chặn các nguyên tử $\text{Ag}^0$ và $\text{Cu}^0$ mới sinh kết tụ thành các khối hạt lớn và ngăn chặn gốc oxy hóa $\text{OH}^\bullet$ phá hủy hạt, chitosan (CTS) đóng vai trò chất ổn định nhờ các nhóm chức hoạt động $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$ và $-\text{NHCOCH}_3$. Các nhóm chức này phối trí với ion kim loại trước khi chiếu xạ, tạo khung mạng cồng kềnh gây hiệu ứng ức chế không gian bao bọc mầm tinh thể, đồng thời hỗ trợ bắt gốc tự do $\text{OH}^\bullet$.

Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu gồm: muối bạc nitrat ($\text{AgNO}_3$), muối đồng(II) sunfat ngậm nước ($\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$), axit lactic ($\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$) được cung cấp bởi Shanghai Chemical Co (Trung Quốc); chitosan có độ khử acetyl ($\text{DDA}$) $> 90%$ và nước cất do Trung tâm VINAGAMMA cung cấp. Nguồn chiếu xạ là máy gia tốc chùm tia điện tử UEL-10-15S2 có năng lượng electron 10 MeV đặt tại Trung tâm VINAGAMMA.

Quy trình thực nghiệm gồm các bước:

  1. Chế tạo dung dịch chitosan 2%: Ngâm trương 22 g chitosan (dư 10%) trong 500 ml nước trong 24 giờ, hòa tan bằng 11 ml axit lactic, định mức bằng nước đến nồng độ 2%, khuấy đều trong 30 phút và lọc qua lưới thép không gỉ 100 mesh.
  2. Pha chế dung dịch tiền chất: Hòa tan $\text{AgNO}_3$ và $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$ vào nước, trộn đều với dung dịch chitosan theo các tỷ lệ khảo sát, đóng túi zip chuyên dụng.
  3. Chiếu xạ chùm tia điện tử: Chiếu xạ mẫu trên máy gia tốc UEL-10-15S2 ở các liều hấp thụ từ 40 kGy đến 100 kGy.
  4. Phân tích cấu trúc và hình thái: Đo quang phổ UV-Vis (Shimadzu UV-2401PC, bước sóng 200–800 nm, pha loãng 1/10 v/v); đo tán xạ ánh sáng động DLS xác định phân bố kích thước hạt (nhiệt độ 25 °C, góc đo 173°); đo nhiễu xạ tia X (XRD) dựa trên định luật Bragg ($n\lambda = 2d\sin\theta$) xác định pha tinh thể; đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác định tương tác liên kết; phân tích kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX) đánh giá thành phần nguyên tố.
  5. Thử nghiệm hoạt tính sinh học: Khảo sát khả năng kháng khuẩn đối với vi khuẩn Aeromonas hydrophila trên môi trường lỏng Tryptic Soy Broth (TSB, 3 g/100 ml) và môi trường rắn Tryptic Soy Agar (TSA, 6 g/150 ml). Mật độ vi khuẩn cấy khoảng $10^7\text{ CFU/ml}$. Khảo sát dãy nồng độ chế phẩm từ 5 ppm đến 70 ppm để xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC).
Nhóm phương pháp Thiết bị / Kỹ thuật Thông số kỹ thuật / Điều kiện thực nghiệm Mục đích phân tích
Chiếu xạ tổng hợp Máy gia tốc UEL-10-15S2 Năng lượng electron 10 MeV; dải liều 40–100 kGy Tạo gốc khử tự do, khử ion kim loại thành nano
Quang phổ hấp thụ Máy Shimadzu UV-2401PC Dải quét 200–800 nm, cuvet thạch anh 1 cm Xác định $\lambda_{\max}$, mật độ quang (OD), liều bão hòa
Phân tích kích thước Thiết bị đo tán xạ DLS Nhiệt độ đo 25 °C, góc tán xạ cố định 173° Đo đường kính thủy động và độ phân tán kích thước hạt
Nhiễu xạ tia X Hệ thống máy đo XRD Quét góc $2\theta$, phân tích theo định luật Bragg Xác định thành phần pha và cấu trúc tinh thể Ag, Cu
Quang phổ hồng ngoại Thiết bị đo FTIR Ghi nhận dao động các nhóm chức liên kết Kiểm tra biến đổi nhóm chức của chitosan trước và sau tạo nano
Vi cấu trúc & Thành phần Thiết bị đo SEM-EDX Quét chùm điện tử, ghi phổ tia X đặc trưng Quan sát hình thái bề mặt và định tính/định lượng nguyên tố
Đánh giá vi sinh Môi trường lỏng TSB, thạch TSA Hấp vô trùng 1,5 giờ, ủ $10^7\text{ CFU/ml}$ trong 24 giờ Xác định giá trị MIC và MBC trên A. hydrophila

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu nano, phân loại theo số chiều không gian (nano 0 chiều như hạt nano, 1 chiều như dây nano/ống nano, 2 chiều như màng mỏng) và theo tính chất vật liệu. Tác giả trình bày hai hướng tiếp cận chế tạo: phương pháp từ trên xuống (top-down gồm nghiền cơ học, ăn mòn laser, điện phân siêu âm) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up gồm hóa học, vật lý, hóa lý, sinh học). Tiếp đó, chương tổng quan phân tích sâu công nghệ bức xạ ion hóa, cấu tạo các nguồn bức xạ và máy gia tốc chùm tia điện tử, cơ chế phân ly bức xạ của phân tử nước tạo các gốc hoạt động ($\text{e}^-_{\text{aq}}, \text{H}^\bullet, \text{OH}^\bullet$) và động học phản ứng khử ion bạc, ion đồng.

Chương này cũng tổng hợp đặc tính lý hóa của hai nguyên tố Ag, Cu, cơ chế kháng khuẩn của AgNPs và CuNPs thông qua việc phá vỡ màng tế bào vi khuẩn, tạo các gốc oxy hóa phản ứng (ROS) và gây tổn thương cấu trúc DNA. Phần chất ổn định tập trung vào cấu trúc phân tử, cơ chế ức chế không gian của chitosan và khả năng tạo phức của các nhóm amin, hydroxyl với ion kim loại. Đánh giá tình hình nghiên cứu chỉ ra rằng ở trong nước, nghiên cứu của Nguyễn Tấn Lượng và cộng sự (2020) chế tạo nano Ag-Cu bằng phương pháp khử hóa học dùng chất khử hydrazine monohydrate và chất bảo vệ alginate; trên thế giới, các tác giả như Taner (2011), Valodkar (2011), Said-Galiev (2011), Wen và Tian (2016), Bakina (2021), Malik (2021) đã chế tạo nano Ag-Cu qua khử hóa học, chiết xuất thực vật hoặc nổ điện dây kim loại. Qua đó, tác giả khẳng định việc ứng dụng chiếu xạ EB kết hợp chitosan là hướng đi mới chưa từng được công bố trên thế giới.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, danh mục hóa chất, nguồn gốc vật liệu và các hệ thống thiết bị đo kiểm. Tác giả thiết lập quy trình chuẩn bị dung dịch chitosan 2% trong môi trường axit lactic và quy trình phối trộn muối $\text{AgNO}_3$ và $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$.

Nội dung thực nghiệm được phân tách thành bốn quy trình nghiên cứu chính:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của liều xạ từ 40 kGy đến 100 kGy (bước nhảy 10 kGy) đối với mẫu dung dịch muối nồng độ 500 ppm nhằm xác định liều chuyển hóa bão hòa.
  2. Khảo sát ảnh hưởng của tổng nồng độ ion $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ ở các mức 100, 250, 500, 750 và 1000 ppm trong dung dịch CTS cố định 1,5% tại liều xạ bão hòa.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định CTS ở các mức 0,5%; 1,0%; 1,5% và 2,0% với tổng nồng độ ion kim loại cố định 500 ppm.
  4. Quy trình thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp pha loãng trong môi trường dinh dưỡng TSB/TSA với chủng vi khuẩn gây bệnh Aeromonas hydrophila ở dãy nồng độ thử nghiệm 5, 10, 20, 40, 50 và 70 ppm. Chương 2 cũng trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động, quy chuẩn lấy mẫu và thông số cài đặt của các thiết bị phân tích gồm UV-Vis, DLS, XRD, FTIR và SEM-EDX.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được và thảo luận bản chất lý hóa của hệ vật liệu. Dung dịch sau chiếu xạ có sự biến đổi màu sắc rõ rệt so với trước chiếu xạ, chứng minh các ion kim loại đã bị khử thành kim loại dạng nano. Phổ UV-Vis của dung dịch Ag-CuNPs xuất hiện đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt cực đại ($\lambda_{\max}$) trong khoảng 400–420 nm đặc trưng cho nano bạc và vùng hấp thụ trong khoảng 580–620 nm đặc trưng cho nano đồng. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ghi nhận hai đỉnh nhiễu xạ tinh thể điển hình: đỉnh tại góc $2\theta = 38,1^\circ$ (khoảng cách mặt mạng $d_{111} = 2,360\text{ \AA}$) tương ứng với mặt phẳng (111) của cấu trúc lập phương tâm diện (fcc) kim loại Ag; đỉnh tại góc $2\theta = 43,4^\circ$ ($d_{111} = 2,087\text{ \AA}$) tương ứng với mặt phẳng (111) cấu trúc lập phương tâm diện của kim loại Cu.

Phổ FTIR ghi nhận các dịch chuyển số sóng và thay đổi cường độ của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{OH}$ trên mạch chitosan, chứng minh tương tác phối trí và liên kết bề mặt giữa polyme và các hạt nano kim loại. Phổ SEM-EDX xác nhận thành phần mẫu chỉ bao gồm các nguyên tố C, O, Ag và Cu, khẳng định độ tinh khiết cao của chế phẩm khi không dùng chất khử hóa học ngoài.

Khi khảo sát ảnh hưởng của liều xạ, mật độ quang hấp thụ tăng dần theo liều và đạt trạng thái ổn định tối ưu tại liều 80 kGy đối với dung dịch 500 ppm; đây được xác định là liều chuyển hóa bão hòa. Khảo sát biến thiên tổng nồng độ ion $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ (từ 100 ppm đến 1000 ppm) bằng DLS cho thấy khi tăng nồng độ ion ban đầu thì kích thước hạt nano có xu hướng tăng lên do mật độ tâm mầm kết tinh dày đặc thúc đẩy sự va chạm và phát triển tinh thể. Ngược lại, khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5% lên 2,0%, kích thước hạt nano Ag-Cu giảm xuống do độ nhớt tăng và hiệu ứng ức chế không gian của mạch polyme chitosan phát huy hiệu quả cao hơn trong việc ngăn chặn các hạt kết tụ.

Thử nghiệm vi sinh ghi nhận vi khuẩn Aeromonas hydrophila bị ức chế hoàn toàn trên môi trường lỏng ở nồng độ 50 ppm (MIC = 50 ppm) và bị tiêu diệt hoàn toàn khi cấy chuyển sang đĩa thạch TSA ở nồng độ 70 ppm (MBC = 70 ppm).

Thông số / Yếu tố khảo sát Điều kiện thực nghiệm Dữ liệu ghi nhận / Kết quả phân tích
Đỉnh hấp thụ UV-Vis của Ag-CuNPs Sau chiếu xạ EB, dung môi nước $\lambda_{\max}$ xuất hiện tại vùng 400–420 nm (Ag) và 580–620 nm (Cu)
Đỉnh nhiễu xạ XRD pha Ag Quét góc $2\theta$ $2\theta = 38,1^\circ$ ($d_{111} = 2,360\text{ \AA}$), mặt (111) lập phương tâm diện
Đỉnh nhiễu xạ XRD pha Cu Quét góc $2\theta$ $2\theta = 43,4^\circ$ ($d_{111} = 2,087\text{ \AA}$), mặt (111) lập phương tâm diện
Thành phần nguyên tố (EDX) Đo trên mẫu rắn sau sấy Chỉ xuất hiện các nguyên tố C, O, Ag, Cu; độ sạch cao
Liều xạ chuyển hóa bão hòa Mẫu tổng nồng độ muối 500 ppm 80 kGy (khử hoàn toàn ion thành kim loại nano)
Ảnh hưởng của tổng nồng độ ion Tăng dần từ 100 lên 1000 ppm Kích thước hạt nano tăng dần theo nồng độ (đo bằng DLS)
Ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định CTS Tăng dần từ 0,5% lên 2,0% Kích thước hạt nano giảm dần theo nồng độ CTS (đo bằng DLS)
Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) Vi khuẩn A. hydrophila, môi trường TSB 50 ppm
Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) Vi khuẩn A. hydrophila, môi trường TSA 70 ppm

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

  • Xác định được liều chuyển hóa bão hòa tối ưu để khử hoàn toàn ion $\text{Ag}^+$ và $\text{Cu}^{2+}$ thành hạt nano kim loại trong dung dịch nồng độ 500 ppm là 80 kGy trên nguồn máy gia tốc chùm tia điện tử 10 MeV.
  • Xác định đặc trưng quang phổ hấp thụ plasmon bề mặt của dung dịch keo Ag-CuNPs có cực đại hấp thụ $\lambda_{\max}$ tại 400–420 nm đối với nano bạc và 580–620 nm đối với nano đồng.
  • Cấu trúc tinh thể của vật liệu được định danh chính xác qua giản đồ XRD với các đỉnh tinh thể đặc trưng của mạng lập phương tâm diện tại góc $2\theta = 38,1^\circ$ tương ứng mặt (111) của kim loại Ag và $2\theta = 43,4^\circ$ tương ứng mặt (111) của kim loại Cu.
  • Phổ EDX khẳng định chế phẩm nano có độ tinh khiết cao, chỉ chứa các nguyên tố C, O, Ag và Cu.
  • Thiết lập quy luật kiểm soát kích thước hạt qua phân tích DLS: kích thước hạt tỷ lệ thuận với tổng nồng độ ion $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+}$ và tỷ lệ nghịch với nồng độ chất ổn định chitosan.
  • Xác định hoạt tính kháng khuẩn của chế phẩm nano Ag-Cu đối với chủng vi khuẩn gây bệnh gan thận mủ trên cá tra Aeromonas hydrophila với nồng độ ức chế tối thiểu MIC đạt 50 ppm và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu MBC đạt 70 ppm.

Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất một quy trình công nghệ xanh khép kín chế tạo chế phẩm nano lưỡng kim Ag-Cu sử dụng nguồn chiếu xạ chùm tia điện tử kết hợp dung dịch chitosan hòa tan trong axit lactic. Quy trình này loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng các chất khử hóa học độc hại như hydrazine monohydrate hay $\text{NaBH}_4$, giải quyết triệt để nguy cơ tồn dư hóa chất gây hại cho vật nuôi thủy sản và môi trường nước.

Đóng góp mới mà tác giả tự khẳng định trong công trình là:

  • Đã chế tạo thành công vật liệu nano lưỡng kim bạc - đồng bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử sử dụng chitosan làm chất ổn định với quy trình công nghệ ổn định và độ lặp lại cao.
  • Đây là nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên ứng dụng chùm tia điện tử để tổng hợp nano lưỡng kim Ag-Cu có độ tinh khiết cao, mở ra hướng ứng dụng vật liệu nano bức xạ trong phòng trừ bệnh nhiễm khuẩn do Aeromonas hydrophila trên cá tra.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế gắn liền với điều kiện thực hiện đề tài:

  • Do thời gian nghiên cứu có hạn và đề tài còn tương đối mới, nghiên cứu mới dừng lại ở việc thử nghiệm in vitro hoạt tính kháng khuẩn ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa khảo sát độc tính sinh thái và hiệu lực điều trị bệnh gan thận mủ thực tế in vivo trên cá tra nuôi trong ao hồ.
  • Các khảo sát về tổng nồng độ ion mới chỉ cố định tại một tỷ lệ mol duy nhất là $\text{Ag}^+/\text{Cu}^{2+} = 1:1$, chưa đánh giá toàn diện các tỷ lệ phối trộn mol khác nhau nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  • Tiến hành các thử nghiệm in vivo đánh giá hiệu quả phòng trị bệnh gan thận mủ do Aeromonas hydrophila trên cá tra thực tế, khảo sát độ an toàn sinh học và sự tích lũy sinh học của hạt nano trong mô cá.
  • Khảo sát các tỷ lệ phần mol khác nhau giữa Ag và Cu để tìm ra tỷ lệ tối ưu giữa hoạt tính kháng khuẩn và giá thành nguyên liệu.
  • Đánh giá độ ổn định keo, thế zeta và thời hạn bảo quản của chế phẩm nano bạc - đồng trong điều kiện môi trường lưu trữ thực tế theo thời gian.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp này cung cấp nguồn tư liệu thực nghiệm hữu ích cho:

  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hạt nhân/Bức xạ, Công nghệ Sinh học và Nuôi trồng Thủy sản có định hướng nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano xanh.
  • Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm đến quy trình vận hành công nghệ bức xạ ion hóa, đặc biệt là phương pháp sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử (EB) để chế tạo vật liệu nano kim loại và hợp kim.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất của tài liệu là quy trình thực nghiệm hòa tan chitosan nồng độ 2% bằng axit lactic đạt độ đồng nhất cao, phương pháp thiết lập thí nghiệm chiếu xạ chùm tia điện tử và bộ thông số thực nghiệm xác định liều hấp thụ bão hòa thông qua trắc quang UV-Vis. Ngoài ra, phương pháp bố trí thí nghiệm vi sinh xác định chỉ số MIC và MBC trên vi khuẩn thủy sản Aeromonas hydrophila cung cấp quy trình chuẩn hóa có thể tái lập cho các nghiên cứu đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Liều xạ chuyển hóa bão hòa của dung dịch nano bạc - đồng nồng độ 500 ppm là bao nhiêu và được xác định bằng phương pháp nào?
Liều xạ chuyển hóa bão hòa của dung dịch nano bạc - đồng nồng độ 500 ppm được xác định là 80 kGy. Giá trị này được xác định thông qua phương pháp đo quang phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu chiếu xạ ở dãy liều từ 40 kGy đến 100 kGy; tại liều 80 kGy, mật độ quang (OD) tại bước sóng hấp thụ cực đại đạt giá trị bão hòa, biểu thị toàn bộ ion $\text{Ag}^+$ và $\text{Cu}^{2+}$ đã chuyển hóa hoàn toàn thành $\text{Ag}^0$ và $\text{Cu}^0$.

2. Cơ chế và tác nhân khử trực tiếp các ion kim loại trong phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử là gì?
Dưới tác dụng của chùm tia điện tử gia tốc, các phân tử nước trong dung dịch bị phân ly bức xạ (xạ ly) tạo ra các sản phẩm trung gian gồm $\text{e}^-_{\text{aq}}, \text{H}^\bullet, \text{OH}^\bullet, \text{H}_2, \text{H}_2\text{O}_2, \text{H}3\text{O}^+$. Trong đó, điện tử solvat hóa ($\text{e}^-{\text{aq}}$) và nguyên tử hydro ($\text{H}^\bullet$) đóng vai trò là các tác nhân khử trực tiếp khử ion $\text{Ag}^+$ và $\text{Cu}^{2+}$ về trạng thái kim loại không hóa trị $\text{Ag}^0$ và $\text{Cu}^0$.

3. Vai trò của chitosan (CTS) trong việc ổn định hệ hạt nano Ag-Cu được thể hiện như thế nào trong khóa luận?
Chitosan đóng vai trò kép: các nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{OH}$ tạo liên kết phối trí với ion kim loại trước chiếu xạ, tạo khung mạng cồng kềnh ngăn cản các hạt nano kết tụ thông qua hiệu ứng ức chế không gian; đồng thời chitosan hỗ trợ bắt các gốc oxy hóa $\text{OH}^\bullet$. Kết quả FTIR cho thấy sự dịch chuyển số sóng và thay đổi cường độ của các nhóm chức này khi có mặt nano kim loại, và kết quả DLS chứng minh việc tăng nồng độ chitosan từ 0,5% lên 2% giúp giảm kích thước hạt nano.

4. Dữ liệu phổ nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận những pha tinh thể kim loại nào trong chế phẩm nano?
Giản đồ XRD xác nhận sự xuất hiện của cấu trúc lập phương tâm diện (fcc) của cả hai kim loại riêng biệt: một đỉnh nhiễu xạ tại góc $2\theta = 38,1^\circ$ tương ứng với mặt phẳng (111) của tinh thể kim loại Ag ($d_{111} = 2,360\text{ \AA}$) và một đỉnh nhiễu xạ tại góc $2\theta = 43,4^\circ$ tương ứng với mặt phẳng (111) của tinh thể kim loại Cu ($d_{111} = 2,087\text{ \AA}$).

5. Hoạt tính kháng khuẩn của chế phẩm nano Ag-Cu đối với vi khuẩn Aeromonas hydrophila đạt hiệu quả ở nồng độ bao nhiêu?
Qua thử nghiệm gây độc môi trường dinh dưỡng TSB và TSA đối với vi khuẩn Gram âm Aeromonas hydrophila ở mật độ khoảng $10^7\text{ CFU/ml}$, chế phẩm nano Ag-Cu đạt nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) là 50 ppm và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) là 70 ppm.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Ngọc Đạt đã nghiên cứu và chế tạo thành công chế phẩm nano lưỡng kim bạc - đồng bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử sử dụng chất ổn định sinh học chitosan. Công trình đã làm rõ các thông số công nghệ quan trọng, xác định liều chuyển hóa bão hòa 80 kGy cho hệ dung dịch 500 ppm, đồng thời xác lập quy luật biến đổi kích thước hạt phụ thuộc vào nồng độ ion tiền chất và nồng độ polyme bảo vệ. Các kết quả phân tích cấu trúc tinh thể qua XRD, phổ hấp thụ UV-Vis, phổ FTIR và EDX đã chứng minh độ sạch và tính ổn định của hệ hạt nano lưỡng kim tạo thành. Đặc biệt, hoạt tính diệt khuẩn thực nghiệm với giá trị MIC 50 ppm và MBC 70 ppm trên vi khuẩn Aeromonas hydrophila khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu trong việc kiểm soát bệnh gan thận mủ ở cá tra trong ngành nuôi trồng thủy sản.