LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn được biết đến từ sự tăng trưởng, tốc độ lây lan nhanh chóng, khả năng kháng thuốc của chúng dẫn đến sự xuất hiện đột biến sinh học và thiếu vắc xin đặc trị là vấn đề nghiêm trọng đã thúc đẩy nghiên cứu đối với các nhà khoa học trên toàn thế giới. Ở các nước đang phát triển, không có nhiều thuốc kháng sinh đặc trị các chủng vi khuẩn mới, khám bệnh định kỳ và quy trình khám bệnh nhanh chóng là điều không thể. Vì thế, bổ sung các tác nhân diệt khuẩn trong các loại băng vải dùng băng vết thương để ức chế sự phát triển của vi khuẩn ở vết thương là điều hết sức quan trọng (Dizaj et al.
Hầu hết các vi khuẩn có thể kháng thuốc kháng sinh thường được sử dụng khi bị nhiễm trùng. Từ vấn đề đó, các nhà khoa học cần thiết nghiên cứu các tác nhân kháng khuẩn mới hiệu quả trong việc ức chế sự tăng sinh của vi sinh vật (Dizaj et al. Nhiều tác nhân kháng khuẩn có kích thước nano như kim loại và oxit kim loại đã được các nhà nghiên cứu công bố trong những năm gần đây. Vật liệu nanocomposite kẽm oxit/graphene (ZnO/Ge) hoặc kẽm oxit/graphene oxit (ZnO/GO) là các tác nhân diệt khuẩn tiềm năng với cơ chế an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường.
Sự kết hợp giữa ZnO và Ge hoặc ZnO và GO tạo vật liệu mới có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kháng khuẩn là hướng mà các nhà nghiên cứu đang thực hiện. Cơ sở lý luận Vật liệu nanocomposite được kết hợp từ các hạt nano (ZnO) gắn trên tấm (GO) hoặc (Ge) tạo thành vật liệu mới có nhiều tính chất hơn các vật liệu ZnO, GO và Ge. Lớp GO có cấu trúc đặc biệt như màng mỏng sắc bén sẽ cắt xuyên và gây tổn thương màng tế bào vi khuẩn E. Tấm Ge có tính kháng khuẩn tương tự như GO, Ge còn có tính kháng khuẩn đặc trưng khi được ánh sáng kích thích tạo ra tác nhân diệt khuẩn mạnh.
Nhưng cả hai vật liệu đều gặp nhược điểm là rất dễ tụ lại với kích thước lớn hơn ảnh hưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn. Hạt nano ZnO được các nhà nghiên cứu khẳng định có đặc tính bán dẫn, khi được kích thích bằng tia UV có khả năng xúc tác quang hóa sẽ tạo ra các tác nhân diệt khuẩn mạnh, đặc tính này có nhược điểm lớn là quá trình tái tổ hợp các cặp điện tử e-, 2 h+ gây thất thoát tác nhân làm giảm hiệu suất diệt khuẩn. Ngoài ra, còn có cơ chế diệt khuẩn khác: các hạt nano ZnO gắn điện tích âm lên màng tế bào. Khi đó, các hạt ZnO tích điện dương và nhờ lực hút Coulumb gây đóng băng màng tế bào hoặc gây biến đổi DNA làm chết vi khuẩn (Amna et al.
Sự tương tác của hạt ZnO lên tấm GO sẽ xuất hiện các liên kết Zn2+ và các nhóm chức chứa oxy trên tấm GO giúp vật liệu phân tán tốt hơn và làm tăng đặc tính kháng khuẩn khi kết hợp cơ chế hóa học của các hạt nano ZnO với cơ học của tấm GO. Đồng thời, cấu trúc đặc biệt các tấm GO phủ trên bề mặt vi khuẩn, bề mặt tiếp xúc lớn giúp cho vật liệu có khả năng diệt khuẩn vượt trội hơn hẳn so với vật liệu ZnO và GO (P.Jayabal et al. Tương tự, vật liệu nanocomposite ZnO/Ge được kết hợp từ các hạt ZnO lên các tấm Ge. Khi đó, trên cấu trúc hình thành các liên kết (C-Zn-O) trên tấm Ge cải thiện vượt trội đặc tính xúc tác quang hóa tốt hơn giúp cơ chế diệt khuẩn của vật liệu mạnh hơn.
Cấu trúc đặc biệt của tấm Ge sẽ cắt nhỏ tế bào vi khuẩn (Li et al. Trên bề mặt Ge có lượng rất lớn electron cung cấp cho hợp chất ZnO gắn trên tấm Ge khi được xúc tác quang hóa làm tăng tối ưu quá trình hình thành các (O2*) theo Các quá trình sau: Ge-ZnO + h Ge (e-) + ZnO (h+) (1) e - + O2. Các điện tử e- trên tấm Ge sẽ oxy hóa các phân tử O2 và hơi nước trên bề mặt tạo thành ion. Tiếp theo các ion .O2- sẽ kết hợp với nước tạo hợp chất H2O2 và HO.
Trong khi đó, các h+ trên bề mặt ZnO oxy hóa các nhóm OH thành HO. là chất oxy hóa rất mạnh để phá hủy tế bào vi khuẩn (Li et al. Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo thành công vật liệu nanocomposite ZnO/GO và ZnO/Ge có tính kháng khuẩn cao đối với E. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm 2 phần: Phần 1: Chế tạo và khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính của vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge.
Phần 2: Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge đối với E. Phƣơng pháp nghiên cứu 5. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu - ZnO/GO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (S. Gayathri et al.
- ZnO/Ge được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ vi sóng (Li et al. Phƣơng pháp khảo sát hình thái, đặc tính và cấu trúc của vật liệu nanocomposite - Phổ nhiễu xạ tia X (X Ray Diffaction-XRD) - Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy - FTIR) - Phổ tán xạ Raman - Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy-TEM) biểu diễn hình thái và kích thước nanocomposite. - Diện tích bề mặt riêng (Brunauer-Emmett-Teller - BET) thể hiện độ hấp thụ ánh sáng và khả năng hấp phụ oxy và hơi nước trong không khí của vật liệu nanocomposite. Phƣơng pháp kháng khuẩn Vật liệu tổng hợp được thử nghiệm kháng khuẩn với E.
coli theo phương pháp khuếch tán qua lỗ thạch (Linlin et al. Graphite Graphite (Gi) là một dạng thù hình của cacbon. Gi có cấu trúc lớp, trên đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử xung quanh cùng nằm trên một lớp tạo thành vòng sáu cạnh. Những vòng này liên kết với nhau tạo thành một lớp vô tận, các lớp liên kết với nhau bằng liên kết Van der Waals.
Do đó, các lớp Gi rất dễ trượt lên nhau dẫn đến dễ tách lớp và có tính bôi trơn khô ở lõi bút chì, chổi than (M.M Tang et al. Tùy theo cách sắp xếp các lớp với nhau, than chì có hai dạng tinh thể: lục phương hoặc mặt thoi (M.M Tang et al. Trong một vòng sáu cạnh thì khoảng cách giữa nguyên tử cacbon thứ nhất với nguyên tử cacbon thứ 3 là 0,245 nm, khoảng cách giữa lớp thứ nhất đến lớp thứ ba là 0,67 nm. Độ dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm và khoảng cách giữa các lớp là 0,34 nm (M.M Tang et al.
Cấu trúc của Gi (M.M Tang et al. Graphite oxit Graphite oxit (GiO) là sản phẩm của quá trình oxy hóa Gi bởi các tác nhân oxy hóa mạnh như H2SO4, HNO3, KClO3, NaNO3, KMnO4,… Quá trình oxy hóa làm thay đổi đáng kể đặc điểm cấu trúc của Gi. Sản phẩm GiO thu được sau quá trình oxy hóa, trong cấu trúc có nhiều khuyết tật, cụ thể như hệ liên kết π ban đầu bị phá vỡ (Pan et al. Có rất nhiều mô hình được nêu ra như Hofmann, Reuss, Boehm, 5 Nakajima…Vì những mô hình này thu được từ những quy trình thực nghiệm khác nhau đối với các loại Gi khác nhau, tác nhân oxy hóa khác nhau nên chưa có mô hình nào phản ánh chính xác các khuyết tật của GiO (Pan et al.
Các cấu trúc hóa học khác nhau của GiO đƣợc công bố (Szabó et al. 2006) GiO được tổng hợp lần đầu tiên bởi nhà hóa học Benjamin Brodie bằng cách xử lý Gi với một hỗn hợp KClO3 và HNO3. Staudenmaier cải tiến phương pháp của Brodie bằng cách dùng KClO3 trộn với hỗn hợp H2SO4 đậm đặc và HNO3. Hoặc theo phương pháp Hummers sử dụng hỗn hợp H2SO4, NaNO3 và KMnO4 (Pan et al.
Do ảnh hưởng của quá trình oxy hóa các lớp của Gi sẽ gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như: trên bề mặt của tấm GiO có các nhóm (-OH), (-O-) và cạnh bên của tấm GiO có gắn các nhóm (-C=O), (-COOH) (Daniel et al. Cấu trúc hóa học của GiO (Garg et al. Khái niệm Graphene oxit (GO) hay còn gọi là axit graphite, là sản phẩm trung gian giữa graphite oxit và graphene, là một tiền thân quan trọng của graphene thu được bằng cách oxy hóa Gi hoặc tách lớp cơ học. GO có cấu trúc tương tự như các tấm Ge và trên tấm có chứa các nhóm chứa oxy như -OH, -O- và -COOH.
Các nhóm này tạo tính ưa nước cao giúp phân tán tốt trong nước và các nhóm dung môi khác dưới dạng màng mỏng hay mạng lưới. GO có diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt cao và độ linh động nguyên tử cao. GO có liên kết ngang bền vững nên tính chất đẳng hướng của Gi sẽ không còn như lúc ban đầu (Zhang et al. Quy trình tổng hợp GO từ Gi (Garg et al.
Ứng dụng của GO Trong công nghệ lọc màng: Các tấm GO có thể được kết hợp vào mạng polymer tạo thành các màng composite dùng nâng cao nồng độ phân tán. Tính chất rào cản dạng tấm phẳng của các lớp GO làm cho các màng polymer composite có thể ngăn chặn quá trình vận chuyển của các phân tử có kích thước lớn khi khuếch tán qua màng. Do đó, hiệu quả của quá trình lọc tách có thể được cải thiện (Salimeh et al. Trong lĩnh vực y tế: GO được dùng làm chất dẫn truyền thuốc để chữa bệnh ung thư, bệnh về máu (Wenbin et al.
Trong công nghệ sinh học: GO được ứng dụng dẫn truyền gen, chụp ảnh sinh học, cơ bắp nhân tạo, khả năng kháng khuẩn (Salimeh et al. 7 Trong công nghệ vật liệu: GO khi được thêm vào thành phần của composite có khả năng cải thiện tính chất của composite (Salimeh et al. Trong lĩnh vực môi trƣờng: GO được dùng như chất xúc tác quang hóa, chất hấp phụ, màng lọc nhằm loại các chất màu hữu cơ, ion kim loại nặng, các hợp chất vòng, vi khuẩn gây bệnh ra khỏi nước thải. Việc ứng dụng GO trong màng siêu lọc hiện nay cũng đang được đẩy mạnh nghiên cứu.
Tính siêu mỏng, bền, hiệu suất lọc cao của màng đem lại hiệu quả trong xử lý nước thải với chi phí thấp và dễ chế tạo (Lukas et al. GO có thể kết hợp với các oxit kim loại khác như TiO2, Fe3O4 để tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở GO và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: xử lý ô nhiễm môi trường, kháng khuẩn,…( Lukas et al. Tính kháng khuẩn của GO GO có khả năng kháng khuẩn.