Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng dân số toàn cầu kéo theo những thách thức nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và sự bùng phát của các bệnh truyền nhiễm do vi sinh vật gây ra. Trong thực tiễn y tế và bảo quản thực phẩm, việc sử dụng các hợp chất kháng sinh và chất khử trùng hóa học là biện pháp phổ biến để kiểm soát các tác nhân gây bệnh. Tuy nhiên, tình trạng lạm dụng kháng sinh đã dẫn đến sự xuất hiện và lây lan nhanh chóng của các chủng vi khuẩn kháng thuốc (kháng kháng sinh), làm suy giảm nghiêm trọng hiệu quả điều trị và đe dọa an toàn sức khỏe cộng đồng.

Trước yêu cầu cấp bách phải tìm kiếm các giải pháp kháng khuẩn thay thế, vật liệu nano kháng khuẩn đã thu hút sự chú ý của giới nghiên cứu nhờ cơ chế tác động đa dạng lên tế bào vi sinh vật, hạn chế tối đa nguy cơ hình thành tính kháng thuốc. Dù vậy, các vật liệu nano kim loại truyền thống—đặc biệt là hạt nano bạc (AgNPs) hay hạt nano kẽm oxide (ZnO)—thường tồn tại nhiều hạn chế: các nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận tính gây độc tế bào, độc tính di truyền (genotoxicity), khả năng gây tổn thương mô ở động vật thí nghiệm, cùng quy trình tiền xử lý ion kim loại phức tạp, tốn kém và nguy cơ tồn dư hóa chất độc hại gây ô nhiễm môi trường.

Trong bối cảnh đó, Graphene Quantum Dots (GQDs)—một dẫn xuất nano carbon—nổi lên như một ứng viên thay thế nhờ nguồn tiền chất dồi dào, khả năng phân tán tốt trong môi trường nước, độ bền hóa lý cao, trơ sinh học và mức độ độc tính tế bào thấp. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu hiện nay chế tạo GQDs bằng phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal), vốn đòi hỏi điều kiện áp suất cao, nhiệt độ lớn (khoảng 180 °C) và thời gian phản ứng kéo dài từ vài giờ đến vài ngày, gây trở ngại lớn cho việc triển khai ở quy mô công nghiệp. Ngược lại, kỹ thuật Plasma lạnh tiếp xúc chất lỏng (Plasma Contacting Liquid - PCL) cho phép tổng hợp vật liệu ngay tại áp suất khí quyển và nhiệt độ thấp (~70 °C), đồng thời tạo ra nhiều khiếm khuyết mạng tinh thể (defects) có lợi cho hoạt tính xúc tác. Mặc dù vậy, đặc tính kháng khuẩn của GQDs chế tạo bằng phương pháp plasma lạnh vẫn chưa được khảo sát đầy đủ.

Từ những cơ sở thực tiễn và khoa học trên, đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của Graphene Quantum Dots được chế tạo bằng phương pháp Plasma lạnh" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng hợp vật liệu Graphene Quantum Dots từ tiền chất Glucosamine bằng phương pháp Plasma lạnh (PCL).
  2. Đánh giá các đặc tính hóa lý, hình thái, cấu trúc và tính chất xúc tác quang của vật liệu GQDs thu được.
  3. Phân tích cơ chế kháng khuẩn của vật liệu GQDs.
  4. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của GQDs đối với hai chủng vi khuẩn kiểm định Escherichia coli và Staphylococcus aureus trong điều kiện kết hợp với hydro peroxide ($H_2O_2$) liều thấp.
  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano Graphene Quantum Dots pha tạp nitơ (N-GQDs) được tổng hợp từ tiền chất hữu cơ glucosamine; hai chủng vi sinh vật kiểm định gồm vi khuẩn Gram âm Escherichia coli và vi khuẩn Gram dương Staphylococcus aureus.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thí nghiệm tổng hợp, đo đạc quang phổ, phân tích vi cấu trúc và thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn in vitro được thực hiện trong phạm vi quy mô phòng thí nghiệm tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 01/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết về vật liệu nano gốc carbon và các nguyên lý tương tác giữa cấu trúc nano với màng tế bào vi khuẩn:

  • Hệ vật liệu nano carbon: Carbon tồn tại ở nhiều dạng thù hình với số chiều không gian khác nhau, bao gồm fullerene (0D), ống nano carbon CNTs (1D), graphene (2D), graphite và nanodiamonds (3D/khối). Trong đó, Graphene Quantum Dots là các mảnh graphene có kích thước dưới 100 nm (thường dưới 10 nm), sở hữu mạng tinh thể carbon lai hóa $sp^2$ dạng tổ ong liên kết với các nguyên tử hydro và oxy dưới dạng các nhóm chức carboxyl (-COOH) và hydroxyl (-OH) ở rìa. Khác với graphene khối có độ rộng vùng cấm bằng 0, GQDs có năng lượng vùng cấm khác không (non-zero bandgap) nhờ hiệu ứng giam cầm lượng tử (quantum confinement) và hiệu ứng biên, mang lại tính chất quang học huỳnh quang ổn định.
  • Tiền chất Glucosamine: Glucosamine ($C_6H_{13}NO_5$) là một amino monosaccharide tự nhiên, cấu trúc gồm khung glucose với nhóm hydroxyl ở nguyên tử carbon số 2 được thay thế bằng nhóm amine ($-NH_2$). Việc lựa chọn glucosamine làm tiền chất giúp tổng hợp trực tiếp dòng GQDs pha tạp nguyên tử nitơ (N-GQDs), làm thay đổi mật độ điện tử và cấu trúc dải cấm của vật liệu, từ đó cải thiện hoạt tính xúc tác.
  • Nguyên lý phương pháp Plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL): Thuộc nhóm phương pháp Bottom-up (từ dưới lên). Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, chứa các hạt tích điện (electron, ion dương), bức xạ tử ngoại (UV), sóng xung kích (shockwave) và các chất oxy hóa bậc cao như gốc hydroxyl (•OH), hydro (•H), oxy nguyên tử (•O), $H_2O_2$. Khi dòng plasma tương tác trực tiếp với bề mặt dung dịch glucosamine ở áp suất thường và nhiệt độ thấp (~70 °C), các thành phần hoạt tính khuếch tán vào pha lỏng, kích hoạt phản ứng khử nước và carbon hóa phân tử nhanh chóng, hình thành các chấm lượng tử graphene chứa nhiều khiếm khuyết cấu trúc (defects).
  • Cơ chế kháng khuẩn: Hoạt tính kháng khuẩn của GQDs được giải thích thông qua hai cơ chế chính:
    1. Tác động cơ học: Các cạnh sắc nano của GQDs va chạm và phá vỡ cấu trúc toàn vẹn của màng tế bào vi khuẩn, gây rò rỉ các thành phần nội bào ra ngoài.
    2. Cơ chế hóa học và xúc tác quang (quang động học/giả peroxidase): Khi kết hợp với $H_2O_2$ liều thấp hoặc dưới kích thích bức xạ thích hợp, GQDs hoạt động như một chất xúc tác dạng peroxidase, thúc đẩy phân hủy $H_2O_2$ giải phóng các gốc oxy hoạt tính (ROS), điển hình là gốc tự do hydroxyl (•OH). Gốc •OH có thế oxy hóa rất cao, nhanh chóng oxy hóa chuỗi lipid màng tế bào (lipid peroxidation), làm biến tính protein/enzyme trao đổi chất và tấn công cắt đứt mạch DNA vi khuẩn, dẫn đến cái chết tế bào không thể hồi phục.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Đề tài sử dụng phối hợp các phương pháp thực nghiệm vật lý, hóa học và vi sinh học chuẩn hóa:

  • Phương pháp tổng hợp GQDs: Tiến hành phản ứng plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL) trên dung dịch glucosamine trong thời gian 10 phút ở điều kiện áp suất khí quyển. Dung dịch sau phản ứng biến đổi màu sắc rõ rệt và được lọc để thu dịch phân tán N-GQDs.
  • Phương pháp xác định đặc tính hình thái và cấu trúc:
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM) được sử dụng để quan sát hình thái học, sự phân bố hạt, xác định kích thước trung bình và các khiếm khuyết mạng tinh thể của hạt nano.
    • Phổ quang học hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis spectroscopy) xác định các vùng chuyển dời điện tử nội tại ($\pi \to \pi^$ và $n \to \pi^$).
    • Quan sát khả năng phát huỳnh quang dưới nguồn kích thích đèn cực tím bước sóng 365 nm.
  • Phương pháp đánh giá tính chất quang xúc tác (định lượng gốc •OH): Sử dụng acid terephthalic (TA) hoặc muối natri terephthalate (NaTA, nồng độ 1 mM) làm chất chỉ thị bắt gốc tự do. Phản ứng giữa NaTA và gốc •OH tạo thành hợp chất huỳnh quang 2-hydroxyterephthalic acid (2-hTA). Đo cường độ phát quang huỳnh quang ở bước sóng kích thích 310 nm theo thời gian phản ứng, sau đó dựng đường chuẩn tương quan để định lượng nồng độ gốc •OH sinh ra trong hệ GQDs + $H_2O_2$ + NaTA.
  • Phương pháp đánh giá khả năng kháng khuẩn: Áp dụng kỹ thuật trải đĩa (spread plate method) trên môi trường thạch dinh dưỡng để xác định số lượng đơn vị hình thành khuẩn lạc (Colony Forming Units - CFU/mL). Bố trí các nghiệm thức thử nghiệm gồm: mẫu đối chứng (Control), mẫu chỉ chứa GQDs, mẫu chỉ chứa $H_2O_2$ ở các dải nồng độ thấp ($10^{-3}\text{ M}$, $10^{-2}\text{ M}$), và mẫu hỗn hợp GQDs + $H_2O_2$ dưới hai điều kiện chiếu sáng (trong tối và chiếu xạ đèn UV 365 nm) trên hai đối tượng vi khuẩn E. coli và S. aureus.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Thu thập dữ liệu lặp lại từ các phép đo quang phổ và đếm khuẩn lạc vi sinh, tính toán tỷ lệ sống sót của vi khuẩn và biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị, biểu đồ cột so sánh tương quan giữa các nghiệm thức.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu thông qua việc phân tích thực trạng kháng kháng sinh trên phạm vi toàn cầu và mối nguy vi sinh trong chuỗi an toàn thực phẩm. Tác giả phân tích các hạn chế cố hữu của hạt nano kim loại (như nano bạc AgNPs gây độc tế bào và độc tính gen theo các công bố của AshaRani và cộng sự) cũng như rào cản công nghệ của phương pháp thủy nhiệt truyền thống khi chế tạo vật liệu nano carbon. Từ đó, chương xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, giới hạn nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, phân chia nội dung nghiên cứu theo 5 đầu việc chính, đồng thời nêu bật ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung dữ liệu chế tạo N-GQDs bằng PCL và ý nghĩa thực tiễn hướng đến tạo ra vật liệu kháng khuẩn thân thiện với hệ sinh thái.

Chương 2. Tổng quan

Chương 2 cung cấp hệ thống cơ sở lý luận chi tiết gồm 5 nội dung trọng tâm:

  1. Tổng quan nano carbon và GQDs: Trình bày từ sự kiện phát hiện graphene đạt giải Nobel năm 2010 của Novoselov và Geim, cấu trúc phân loại vật liệu nano từ 0D đến 3D, đến các đặc trưng lượng tử của GQDs (mảnh graphene < 10 nm, nhóm chức carboxyl/hydroxyl ở biên, tính tan cao trong nước, trơ sinh học).
  2. Nguồn tiền chất và phương pháp tổng hợp: Giới thiệu cấu trúc phân tử của Glucosamine ($C_6H_{13}NO_5$), các dẫn xuất glucosamine hydrochloride, glucosamine sulfate; so sánh chi tiết hai nhánh phương pháp chế tạo Top-down (bóc tách bằng acid mạnh, dung môi/thủy nhiệt cắt GO) và Bottom-up (thủy nhiệt acid citric, thủy nhiệt có hỗ trợ vi sóng MAH, carbon hóa phân tử, và phương pháp plasma lạnh tiếp xúc chất lỏng PCL).
  3. Tính chất quang học và ứng dụng của GQDs: Trình bày đặc trưng hấp thụ UV-Vis (đỉnh ~230 nm của liên kết C=C $sp^2$ và dải ~270–390 nm của liên kết C-O, C-N), tính chất phát quang huỳnh quang phụ thuộc kích thước, bước sóng kích thích, pH và dung môi; tổng hợp các ứng dụng tiềm năng gồm chụp ảnh sinh học (bio-imaging tế bào ung thư MCF-7, tế bào gốc), cảm biến huỳnh quang phát hiện kim loại nặng và độc tố thực phẩm (Bisphenol A), chất mang phân phối thuốc ung thư (DOX, MTX), đi-ốt phát quang (LED) và vật liệu kháng khuẩn.
  4. Cơ chế kháng khuẩn và các yếu tố ảnh hưởng: Phân tích chi tiết cơ chế tổn thương màng tế bào do cạnh sắc nano và cơ chế quang hóa sinh gốc hydroxyl (•OH) khi kết hợp với $H_2O_2$ liều thấp; phân tích vai trò của hình dạng, kích thước (GQDs 15 nm xâm nhập tốt hơn 50 nm), điện tích bề mặt và việc pha tạp nhóm chức amine/nitơ trong việc tăng cường giải phóng ROS.
  5. Tổng quan vi khuẩn kiểm định và tình hình nghiên cứu: Phân tích đặc tính sinh học của Escherichia coli (trực khuẩn Gram âm) và Staphylococcus aureus (cầu khuẩn Gram dương); tổng thuật tình hình nghiên cứu GQDs trên thế giới (từ năm 2012 đến nay) và các hướng nghiên cứu vật liệu plasma PCL tại Việt Nam.

Chương 3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm, bao gồm:

  • Danh mục hóa chất sử dụng: Glucosamine, dung dịch $H_2O_2$, natri terephthalate (NaTA), nước khử ion (DI), môi trường nuôi cấy Luria-Bertani (LB).
  • Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu: Hệ thống nguồn tạo plasma tiếp xúc chất lỏng PCL, máy quang phổ hấp thụ UV-Vis, máy đo quang phổ phát huỳnh quang, kính hiển vi điện tử TEM và HR-TEM, đèn chiếu xạ tia UV bước sóng 365 nm, tủ ấm nuôi cấy vi sinh.
  • Quy trình chế tạo N-GQDs: Bố trí hệ PCL cho plasma tương tác trực tiếp với dung dịch glucosamine trong 10 phút, ghi nhận hiện tượng đổi màu dung dịch và thu hồi sản phẩm qua màng lọc.
  • Thiết kế thí nghiệm định lượng gốc •OH: Xây dựng bảng nồng độ chất phản ứng NaTA (1 mM) kết hợp GQDs và $H_2O_2$, đo phổ huỳnh quang của sản phẩm 2-hTA tại bước sóng kích thích 310 nm theo các mốc thời gian phản ứng.
  • Thiết kế thí nghiệm vi sinh: Quy trình nuôi cấy, pha loãng nồng độ vi khuẩn E. coli và S. aureus, thiết lập bảng bố trí các mẫu trải đĩa thạch kiểm tra đối chứng và nghiệm thức kết hợp GQDs + $H_2O_2$ ở các mức nồng độ khác nhau dưới hai điều kiện chiếu sáng.

Chương 4. Kết quả và bàn luận

Chương 4 công bố và thảo luận các phát hiện thực nghiệm thu được:

  • Đặc tính vi cấu trúc: Ảnh chụp TEM và HR-TEM xác nhận các hạt N-GQDs có dạng hình học phân tán, đường kính trung bình khoảng ~5 nm, trên mạng tinh thể xuất hiện nhiều khuyết tật cấu trúc (defects) do tác động của shockwave và các gốc oxy hóa trong plasma PCL.
  • Đặc tính quang phổ: Phổ UV-Vis ghi nhận các đỉnh hấp thụ quang học rõ nét tại bước sóng ~230 nm (chuyển dời $\pi \to \pi^$ của carbon $sp^2$) và các vai hấp thụ phụ tại ~270 nm và ~350 nm (chuyển dời $n \to \pi^$ của các liên kết C-O, C-N). Dưới ánh sáng đèn UV bước sóng 365 nm, dung dịch phát ra ánh sáng huỳnh quang màu xanh lam đồng nhất.
  • Hoạt tính quang xúc tác sinh gốc •OH: Đồ thị phổ huỳnh quang của dung dịch 2-hTA chứng minh sự xuất hiện và gia tăng liên tục của gốc •OH trong hệ GQDs + $H_2O_2$ + NaTA theo thời gian phản ứng, khẳng định vai trò xúc tác tương tự enzyme peroxidase của GQDs chế tạo bằng PCL.
  • Khả năng kháng khuẩn trên vi khuẩn E. coli: Các biểu đồ tỷ lệ sống sót cho thấy mẫu chỉ có GQDs đơn thuần có hoạt tính kháng khuẩn hạn chế. Tuy nhiên, khi kết hợp GQDs với $H_2O_2$ ở nồng độ thấp ($10^{-3}\text{ M}$), số lượng khuẩn lạc giảm mạnh, đạt hiệu suất tiêu diệt vi khuẩn xấp xỉ 99,99% (giảm mật độ tế bào vi khuẩn khoảng $10^4\text{ CFU/mL}$ so với mẫu đối chứng). Tác động này được gia tăng khi có mặt bức xạ UV 365 nm.
  • Khả năng kháng khuẩn trên vi khuẩn S. aureus: Do cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram dương có lớp peptidoglycan dày hơn, hiệu quả diệt khuẩn tương đương đạt được khi nâng nồng độ $H_2O_2$ kết hợp lên mức $10^{-2}\text{ M}$.

Chương 5. Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tóm tắt toàn bộ kết quả nghiên cứu: tổng hợp thành công GQDs kích thước ~5 nm bằng plasma lạnh PCL trong thời gian ngắn (10 phút); chứng minh khả năng xúc tác phân hủy $H_2O_2$ tạo gốc •OH; ghi nhận hiệu suất diệt khuẩn cao đối với cả E. coli và S. aureus. Chương đề xuất các kiến nghị nhằm tiếp tục hoàn thiện công nghệ, bao gồm việc khảo sát ứng dụng GQDs trên nền mẫu thực phẩm thực tế và đánh giá độc tính sinh học dài hạn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể của khóa luận được tổng hợp trong bảng số liệu dưới đây:

Thông số / Chỉ tiêu khảo sát Phương pháp / Thiết bị đo Kết quả thực nghiệm ghi nhận
Kích thước hạt GQDs TEM, HR-TEM Đường kính trung bình khoảng ~5 nm, mạng tinh thể có nhiều khiếm khuyết (defects)
Đỉnh hấp thụ quang phổ UV-Vis Quang phổ tử ngoại - khả kiến Đỉnh hấp thụ mạnh tại ~230 nm; các dải hấp thụ phụ tại ~270 nm và ~350 nm
Đặc tính phát quang huỳnh quang Đèn chiếu xạ UV (365 nm) Phát xạ ánh sáng màu xanh lam đồng nhất
Khả năng tạo gốc tự do •OH Phản ứng bắt gốc với NaTA (1 mM), đo phát quang 2-hTA ($\lambda_{ex} = 310\text{ nm}$) Cường độ phát quang của 2-hTA và nồng độ gốc •OH tăng tuyến tính theo thời gian
Hiệu suất diệt khuẩn E. coli Phương pháp trải đĩa (kết hợp GQDs + $10^{-3}\text{ M } H_2O_2$) Đạt hiệu suất diệt khuẩn xấp xỉ 99,99% (mật độ vi khuẩn sống giảm khoảng $10^4\text{ CFU/mL}$ so với đối chứng)
Hiệu suất diệt khuẩn S. aureus Phương pháp trải đĩa (kết hợp GQDs + $10^{-2}\text{ M } H_2O_2$) Đạt hiệu suất tiêu diệt vi khuẩn tương đương mức giảm $10^4\text{ CFU/mL}$
Thời gian tổng hợp vật liệu Hệ plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL) Phản ứng hoàn thành trong 10 phút ở nhiệt độ phòng và áp suất thường

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Đề xuất ứng dụng hệ xúc tác GQDs kết hợp hydro peroxide liều thấp ($10^{-3}\text{ M}$ đến $10^{-2}\text{ M}$) như một giải pháp khử khuẩn xanh, thay thế cho các chất tẩy rửa hóa học nồng độ cao và nano kim loại độc hại trong công nghiệp thực phẩm.
  • Kiến nghị nghiên cứu tích hợp vật liệu GQDs vào bao bì thực phẩm hoạt tính (active packaging) hoặc dung dịch rửa bề mặt nông sản nhằm ức chế vi sinh vật gây thối hỏng và ngộ độc thực phẩm.

Đóng góp khoa học

  • Cung cấp dẫn liệu thực nghiệm về việc ứng dụng thành công phương pháp Plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL) để tổng hợp chấm lượng tử graphene pha tạp nitơ (N-GQDs) từ tiền chất glucosamine ở điều kiện nhiệt độ thấp (~70 °C) và áp suất khí quyển. Phương pháp này khắc phục nhược điểm về thời gian phản ứng kéo dài, nhiệt độ và áp suất cao của phương pháp thủy nhiệt truyền thống.
  • Bổ sung cơ sở dữ liệu định lượng về cơ chế tạo gốc hydroxyl (•OH) xúc tác bởi GQDs và chứng minh hiệu quả diệt khuẩn hiệp đồng giữa GQDs với $H_2O_2$ nồng độ thấp trên cả hai nhóm vi khuẩn đại diện Gram âm (E. coli) và Gram dương (S. aureus).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các thử nghiệm kháng khuẩn mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (in vitro) trên môi trường nuôi cấy lỏng nhân tạo và đĩa thạch dinh dưỡng tiêu chuẩn, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên các nền mẫu ma trận thực phẩm thực tế vốn có cấu trúc hữu cơ phức tạp.
  • Đề tài chưa khảo sát đầy đủ ảnh hưởng của các thông số vận hành plasma (như điện áp phóng điện, lưu lượng khí, khoảng cách điện cực) đến hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PLQY) và mật độ khiếm khuyết bề mặt của GQDs.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu GQDs + $H_2O_2$ trực tiếp trên bề mặt các sản phẩm thực phẩm tươi sống (thịt, thủy sản, rau quả) và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng cảm quan thực phẩm sau xử lý.
  • Nghiên cứu chế tạo màng bao sinh học có gắn GQDs để định hướng phát triển bao bì thực phẩm thông minh có khả năng vừa kháng khuẩn vừa phát hiện biến chất thông qua cảm biến quang học.
  • Đánh giá độc tính tế bào chuyên sâu và độc tính trường diễn của dòng GQDs chế tạo từ PCL trên các dòng tế bào động vật có vú để củng cố mức độ an toàn trước khi ứng dụng thực tiễn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo quy trình kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn in vitro, phương pháp đếm khuẩn lạc CFU/mL và giải pháp xử lý vi sinh bằng vật liệu mới thân thiện môi trường thay thế hóa chất truyền thống.
  • Người nghiên cứu ngành Khoa học Vật liệu, Hóa học và Công nghệ Nano: Cung cấp thông số vận hành thực nghiệm chi tiết về phương pháp tổng hợp nano carbon Bottom-up bằng plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL), phương pháp phân tích TEM/HR-TEM, và kỹ thuật định lượng gốc tự do hydroxyl (•OH) bằng quang phổ huỳnh quang chất chỉ thị NaTA/2-hTA.
  • Các nhóm nghiên cứu về an toàn thực phẩm và xử lý môi trường: Cung cấp dữ liệu tham khảo về nồng độ phối hợp tối ưu giữa GQDs và $H_2O_2$ liều thấp nhằm đạt hiệu quả diệt khuẩn cao mà không cần dùng hóa chất nồng độ đậm đặc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền chất và kỹ thuật được sử dụng để chế tạo Graphene Quantum Dots trong khóa luận là gì?
Khóa luận sử dụng tiền chất hữu cơ là Glucosamine ($C_6H_{13}NO_5$) và tổng hợp theo phương pháp Bottom-up bằng kỹ thuật Plasma tiếp xúc chất lỏng (Plasma Contacting Liquid - PCL). Quá trình diễn ra tại áp suất thường và nhiệt độ phòng/nhiệt độ thấp (~70 °C) trong thời gian phản ứng 10 phút.

2. Hạt GQDs thu được có kích thước và đặc tính quang học như thế nào?
Hạt N-GQDs thu được có dạng hình học nano với kích thước trung bình khoảng ~5 nm và chứa nhiều khiếm khuyết mạng tinh thể (defects) theo kết quả đo TEM và HR-TEM. Về quang học, vật liệu có đỉnh hấp thụ UV-Vis mạnh tại ~230 nm (chuyển dời $\pi \to \pi^$) và các dải tại ~270 nm, ~350 nm (chuyển dời $n \to \pi^$), đồng thời phát quang màu xanh lam dưới nguồn bức xạ tử ngoại bước sóng 365 nm.

3. Khóa luận định lượng gốc hydroxyl (•OH) sinh ra từ GQDs bằng phương pháp nào?
Khóa luận sử dụng muối natri terephthalate (NaTA, 1 mM) làm chất thu bắt gốc tự do trong dung dịch hỗn hợp chứa GQDs và $H_2O_2$. Phản ứng giữa NaTA và gốc •OH tạo thành dẫn xuất phát huỳnh quang là 2-hydroxyterephthalic acid (2-hTA). Nồng độ gốc •OH được xác định thông qua việc đo cường độ phổ phát quang huỳnh quang tại bước sóng kích thích 310 nm theo thời gian phản ứng.

4. Hiệu quả kháng khuẩn của hệ GQDs kết hợp $H_2O_2$ trên hai chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus đạt mức bao nhiêu?
Đối với vi khuẩn Gram âm Escherichia coli, khi kết hợp GQDs với $H_2O_2$ ở nồng độ $10^{-3}\text{ M}$, hiệu suất diệt khuẩn đạt xấp xỉ 99,99%, tương đương mật độ tế bào sống sót giảm khoảng $10^4\text{ CFU/mL}$ so với mẫu đối chứng. Đối với vi khuẩn Gram dương Staphylococcus aureus, do thành tế bào peptidoglycan dày hơn, hiệu quả diệt khuẩn tương đương đạt được khi kết hợp GQDs với $H_2O_2$ ở mức nồng độ cao hơn là $10^{-2}\text{ M}$.

5. Vì sao phương pháp Plasma lạnh (PCL) được đánh giá vượt trội hơn phương pháp thủy nhiệt truyền thống trong nghiên cứu này?
Phương pháp thủy nhiệt truyền thống đòi hỏi nhiệt độ cao (~180 °C), áp suất lớn và thời gian phản ứng dài từ vài giờ đến vài ngày mỗi mẻ, rất khó mở rộng quy mô công nghiệp. Trong khi đó, phương pháp PCL diễn ra ngay tại áp suất khí quyển, nhiệt độ thấp (~70 °C), chỉ mất khoảng 10 phút phản ứng và tận dụng được các hạt mang điện, shockwave, tia cực tím nội tại để tạo ra GQDs chứa nhiều khiếm khuyết mạng có hoạt tính xúc tác cao.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành việc chế tạo vật liệu Graphene Quantum Dots pha tạp nitơ từ tiền chất glucosamine bằng phương pháp plasma tiếp xúc chất lỏng (PCL) ở áp suất khí quyển. Vật liệu thu được có kích thước siêu nhỏ khoảng 5 nm, cấu trúc nhiều khuyết tật bề mặt, khả năng phân tán tốt trong nước và phát huỳnh quang màu xanh lam ổn định dưới tia cực tím 365 nm. Đặc biệt, nghiên cứu đã chứng minh cơ chế quang xúc tác tạo gốc tự do hydroxyl (•OH) mạnh mẽ khi phối hợp GQDs với hydro peroxide liều thấp, đạt hiệu suất tiêu diệt vi khuẩn E. coli lên đến 99,99% ở nồng độ $H_2O_2$ $10^{-3}\text{ M}$ và ức chế hiệu quả vi khuẩn S. aureus ở nồng độ $10^{-2}\text{ M}$. Kết quả này mở ra hướng phát triển các giải pháp khử khuẩn nano carbon an toàn, thân thiện với môi trường, hướng tới ứng dụng bảo quản và chế biến trong ngành công nghệ thực phẩm.