Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Tổng hợp xanh nano vàng, bạc từ dịch chiết nấm lim xanh ứng dụng làm vật liệu xúc tác cho phản ứng phân hủy chất hữu cơ, kháng khuẩn và định lượng cation $\text{Fe}^{3+}$" do sinh viên Phan Thị Như Huỳnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đoàn Văn Đạt tại Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa Phân tích (khóa học 2018 – 2022).

Trong bối cảnh khoa học vật liệu hiện đại, công nghệ nano đóng vai trò thiết yếu nhờ việc tạo ra các hạt vật liệu có kích thước siêu nhỏ (từ 1 đến 100 nm) với diện tích bề mặt riêng lớn cùng các hiệu ứng bề mặt và cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng. Tuy nhiên, các phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại truyền thống chủ yếu là phương pháp hóa học sử dụng dung môi hữu cơ và các tác nhân khử độc hại như natri borohydrua ($\text{NaBH}_4$), amoni bromua, hydrazin hoặc axit ascorbic. Dù mang lại hiệu suất cao, quy trình này tiềm ẩn nguy cơ gây độc cho sức khỏe con người và tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Để giải quyết hạn chế này, phương pháp "tổng hợp xanh" (green synthesis) sử dụng dịch chiết từ nguồn nguyên liệu thực vật tự nhiên đóng vai trò đồng thời là chất khử và chất bảo vệ bề mặt hạt nano đang trở thành xu hướng nghiên cứu quan trọng nhờ ưu điểm thân thiện môi trường, quy trình đơn giản và chi phí kinh tế thấp.

Nấm lim xanh (tên khoa học: Ganoderma lucidum) là loại nấm linh chi đặc hữu mọc trên thân và rễ gỗ lim đã chết trong các khu rừng nguyên sinh tại Việt Nam và Lào. Dược liệu này chứa hàm lượng dồi dào các hoạt chất sinh học tự nhiên như polysaccharides, triterpenoids, axit ganoderic và các hợp chất phenolic có tính khử mạnh, rất tiềm năng cho việc khử ion kim loại để tạo hạt nano.

Theo văn bản giao nhiệm vụ khóa luận (ngày giao: 06/08/2020), mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể qua sáu nội dung:

  1. Tổng hợp hạt nano bạc ($\text{AgNPs}$) và nano vàng ($\text{AuNPs}$) từ dịch chiết nấm lim xanh;
  2. Khảo sát các thông số thực nghiệm để tìm ra điều kiện tổng hợp tối ưu (thời gian, nhiệt độ, nồng độ muối kim loại);
  3. Nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc, hình thái và tính chất hóa lý của vật liệu nano thu được bằng các phương pháp phân tích hiện đại: TEM, SEM, XRD, EDX, FT-IR, DLS và đo thế Zeta;
  4. Khảo sát khả năng xúc tác của hạt nano cho phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm (3-nitrophenol và 4-nitrophenol);
  5. Khảo sát hoạt tính sinh học kháng khuẩn của nano vàng và nano bạc trên các chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương;
  6. Nghiên cứu khả năng cảm biến quang học so màu để định lượng chọn lọc cation kim loại $\text{Fe}^{3+}$.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano bạc ($\text{GL-AgNPs}$) và hạt nano vàng ($\text{GL-AuNPs}$) được khử bằng dịch chiết nấm lim xanh (Ganoderma lucidum); phản ứng xúc tác phân hủy 3-nitrophenol (3-NP) và 4-nitrophenol (4-NP); năm chủng vi khuẩn thử nghiệm kháng khuẩn (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis); cation kim loại $\text{Fe}^{3+}$ trong môi trường nước.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Phạm vi không gian: Thực nghiệm tổng hợp, đo quang phổ UV-Vis, đo FT-IR, XRD, DLS và thế Zeta tại Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM; đo ảnh FE-SEM và phổ EDX tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Nghiên cứu Triển khai - Khu Công nghệ cao TP.HCM; đo ảnh TEM tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).
    • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện từ tháng 08/2020 đến khi bảo vệ khóa luận vào tháng 06/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc loại hình nghiên cứu thực nghiệm hóa học phân tích và hóa học nano, kết hợp giữa việc tổng hợp vật liệu xanh và kiểm tra ứng dụng đa hướng.

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Tác giả xây dựng nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và khái niệm chuyên ngành:

  • Cơ chế tổng hợp xanh nano kim loại: Dựa trên phương pháp "từ dưới lên" (bottom-up), sử dụng các hợp chất có nhóm chức mang tính khử (như hydroxyl, carboxyl trong polysaccharides và triterpenoids của nấm lim xanh) để khử cation $\text{Ag}^+$ thành $\text{Ag}^0$ và $\text{Au}^{3+}$ thành $\text{Au}^0$, đồng thời các phân tử sinh học bao bọc bề mặt hạt ngăn ngừa hiện tượng tụ đám.
  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Dao động tập thể của các electron dẫn trên bề mặt hạt nano kim loại khi tương tác với bức xạ điện từ, tạo nên các đỉnh hấp thu quang học đặc trưng trong vùng khả kiến: nano bạc nằm trong khoảng 400 – 450 nm và nano vàng nằm trong khoảng 500 – 570 nm.
  • Cơ chế cảm biến so màu định lượng cation $\text{Fe}^{3+}$: Sự tương tác đặc hiệu giữa ion $\text{Fe}^{3+}$ và lớp vỏ bọc sinh học của $\text{GL-AgNPs}$ dẫn đến phản ứng oxy hóa-khử bề mặt hoặc sự biến đổi hình thái/tập hợp hạt, làm suy giảm cường độ hấp thu SPR và thay đổi màu sắc dung dịch từ vàng cam sang nhạt dần đến mất màu.
  • Động học phản ứng xúc tác: Kiểm tra động học giả bậc nhất đối với phản ứng khử nhóm nitro của 3-NP và 4-NP thành aminophenol dưới tác nhân $\text{NaBH}_4$ khi có mặt chất xúc tác nano.
  • Cơ chế kháng khuẩn của nano kim loại: Sự phóng thích ion kim loại, phá vỡ cấu trúc peptidoglycan ở màng tế bào, tạo gốc oxy hoạt tính (ROS), vô hiệu hóa cầu nối disunfit (S-S) của enzyme hô hấp và ức chế quá trình tổng hợp DNA của tế bào vi khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu và trang thiết bị thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng hệ thống thiết bị và phương pháp phân tích chuẩn mực:

Phương pháp phân tích Thiết bị sử dụng Thông số / Mục đích phân tích
Quang phổ hấp thu UV-Vis Máy Metash UV-5100 Theo dõi sự hình thành nano (bước sóng quét 200 – 800 nm), kiểm tra độ bền, động học xúc tác và xây dựng đường chuẩn cảm biến $\text{Fe}^{3+}$
Nhiễu xạ tia X (XRD) Máy Shimadzu 6100 (Nhật Bản) Điện áp 40 kV, dòng 30 mA, góc quét $2\theta = 10^\circ - 80^\circ$, tốc độ $2^\circ/\text{phút}$; xác định cấu trúc tinh thể
Tán xạ ánh sáng động (DLS) Máy Horiba SZ-100 (Nhật Bản) Đo đường kính thủy động lực và phân bố kích thước hạt trong dung dịch
Đo điện thế Zeta ($\zeta$) Máy Horiba SZ-100 (Nhật Bản) Đánh giá độ bền tĩnh điện và khả năng chống keo tụ của dung dịch keo
Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) Máy Tensor 27, Bruker (Đức) Xác định các nhóm chức hữu cơ tham gia quá trình khử và bọc bảo vệ hạt
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) Tích hợp trên hệ Hitachi S-4800 Phân tích định tính và bán định lượng thành phần nguyên tố
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) Máy Hitachi S-4800 (Nhật Bản) Quan sát hình thái bề mặt và trạng thái phân bố của vật liệu ở pha rắn
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Máy JEM 2100, JEOL (Nhật Bản) Điện áp gia tốc 200 kV, sợi đốt $\text{LaB}_6$; đo kích thước hạt thực tế và cấu trúc hạt ở pha lỏng

Hóa chất và nguồn mẫu thực nghiệm

  • Nấm lim xanh khô nguyên sinh thu hái từ rừng tự nhiên, xử lý phần thân nấm (chiết 2,0 g thân nấm cắt nhỏ với 200 mL nước cất ở nhiệt độ sôi trong 1 giờ, lọc dịch và bảo quản ở 5 – 10 °C, sử dụng trong vòng 5 – 7 ngày).
  • Tiền chất kim loại: Bạc nitrat ($\text{AgNO}_3$, ống chuẩn fixanal 1 M), Vàng(III) clorua ($\text{AuCl}_3$ hoặc $\text{HAuCl}_4\cdot3\text{H}_2\text{O}$ 10 mM), Sắt(III) clorua ($\text{FeCl}_3$).
  • Hóa chất xúc tác và thử nghiệm: Natri borohydrua ($\text{NaBH}_4$ 1 M), 3-nitrophenol (3-NP 1 mM), 4-nitrophenol (4-NP 1 mM).
  • Môi trường vi sinh: Môi trường thạch Mueller-Hinton Agar (MHA), dung dịch muối sinh lý $\text{NaCl}$ 0,9%, kháng sinh đối chứng dương Gentamicin (10 µg).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tài liệu và công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đề tài:

  • Công nghệ nano và nano kim loại: Trình bày định nghĩa vật liệu nano (vật liệu có ít nhất một chiều kích thước dưới 100 nm, phân loại thành vật liệu 0D, 1D, 2D), lịch sử phát triển từ bài phát biểu của Richard Feynman (1959), thuật ngữ của Taniguchi Norio (1974), kính hiển vi STM của Binnig và Rohrer (1981). Tác giả so sánh các phương pháp chế tạo từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up), bao gồm ăn mòn laser, khử hóa học, khử vật lý, hóa lý và khử sinh học.
  • Cây nấm lim xanh (Ganoderma lucidum): Tổng quan về nguồn gốc, đặc điểm phân loại học (thuộc họ Ganodermataceae, bộ Aphyllophorales, lớp Hymenomycetes), phân bố địa lý tại vùng rừng núi Việt Nam và Lào. Mô tả hình thái học của mũ nấm (dày 0,8 – 2 cm, đường kính 2 – 30 cm) và cuống nấm. Phân tích thành phần hóa học với hơn 100 dược chất quý như polysaccharides, triterpenoids (axit ganoderic A), adenosine, protein Ling Zhi-8 và các nguyên tố vi lượng (Germanium).
  • Đặc tính của bạc, vàng và sắt: Trình bày chi tiết tính chất vật lý, hóa học, cấu hình electron của Ag ($[\text{Kr}]4d^{10}5s^1$), Au ($[\text{Xe}]4f^{14}5d^{10}6s^1$) và Fe ($[\text{Ar}]3d^64s^2$). Tổng thuật các ứng dụng của nano Ag trong xúc tác (oxy hóa CO, khử thuốc nhuộm, khử 4-NP), kháng khuẩn và làm cảm biến so màu (Cr(VI), Al(III)). Tổng thuật ứng dụng của nano Au trong mỹ phẩm, y sinh và xúc tác môi trường. Phân tích vai trò sinh học cùng độc tính của cation sắt trong cơ thể và nguồn nước ngầm, giới hạn hấp thụ tối đa (45 mg/ngày đối với người lớn) và cơ chế làm suy giảm dải hấp thu SPR của hạt nano bạc bởi ion $\text{Fe}^{3+}$.
  • Đặc điểm các chủng vi khuẩn kiểm nghiệm: Mô tả đặc tính sinh học của hai chủng Gram âm (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa) và ba chủng Gram dương (Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ các quy trình thao tác phòng thí nghiệm và phương pháp đánh giá:

  • Chuẩn bị hóa chất và dịch chiết: Nêu rõ nồng độ, dụng cụ pha chế dung dịch gốc $\text{AgNO}_3$ 1 M, $\text{HAuCl}_4$ 10 mM, $\text{NaBH}_4$ 1 M, 3-NP 1 mM, 4-NP 1 mM. Trình bày chi tiết sơ đồ đun hoàn lưu chiết nấm lim xanh với tỷ lệ 2 g nấm / 200 mL nước cất.
  • Quy trình tổng hợp và khảo sát thông số tối ưu nano Ag: Trộn dịch chiết nấm và dung dịch $\text{AgNO}_3$ theo tỷ lệ thể tích 1:1, khuấy gia nhiệt đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng cam. Khảo sát 3 thông số độc lập bằng UV-Vis:
    • Thời gian phản ứng: 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105 phút (ở 80 °C, nồng độ $\text{Ag}^+$ 1,0 mM).
    • Nồng độ ion $\text{Ag}^+$: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 mM (ở 80 °C, thời gian 90 phút).
    • Nhiệt độ phản ứng: 50, 60, 70, 80, 90, 100 °C (ở thời gian 60 phút, nồng độ $\text{Ag}^+$ 1,0 mM).
  • Quy trình tổng hợp và khảo sát thông số tối ưu nano Au: Trộn dịch chiết nấm với dung dịch $\text{AuCl}_3$ theo tỷ lệ thể tích 1:1, khuấy gia nhiệt đến khi chuyển sang màu tím. Khảo sát 3 thông số:
    • Thời gian phản ứng: 10, 20, 30, 40, 50 phút (ở 60 °C, nồng độ $\text{Au}^{3+}$ 0,5 mM).
    • Nồng độ ion $\text{Au}^{3+}$: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 mM (ở 60 °C, thời gian 30 phút).
    • Nhiệt độ phản ứng: 50, 60, 70, 80, 90, 100 °C (ở thời gian 30 phút, nồng độ $\text{Au}^{3+}$ 0,5 mM).
  • Khảo sát hoạt tính xúc tác: So sánh phản ứng khử giữa hỗn hợp 2,5 mL nitrophenol (3-NP hoặc 4-NP) nồng độ 0,5 mM với 0,5 mL $\text{NaBH}_4$ 0,5 M trong điều kiện không có xúc tác và có mặt 3 µL dung dịch keo nano Ag hoặc nano Au. Theo dõi sự biến thiên phổ UV-Vis theo thời gian: peak chất phản ứng mất dần tại ~390 nm (với 3-NP) hoặc ~400 nm (với 4-NP), đồng thời xuất hiện peak mới tại ~300 nm đặc trưng cho aminophenol.
  • Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Sử dụng kỹ thuật khuếch tán giếng thạch (agar well diffusion) trên đĩa petri thạch MHA. Đục giếng đường kính $d = 6\text{ mm}$, trải $100\ \mu\text{L}$ huyền phù vi khuẩn nồng độ $10^6\ \text{CFU/mL}$, nạp $50\ \mu\text{L}$ dung dịch hạt nano ở các dãy nồng độ pha loãng khác nhau (nano Ag: 162; 81; 40,5; 20,25 ppm; nano Au: 98,5; 49,25; 24,625; 12,3125 ppm). Đối chứng dương là đĩa kháng sinh Gentamicin (10 µg). Đo đường kính vòng kháng khuẩn $r = D - d$ (mm) và tính phần trăm ức chế sinh trưởng $%UC = [(D_2 - D)/(D_1 - D)] \times 100$.
  • Xây dựng cảm biến quang học so màu định lượng cation $\text{Fe}^{3+}$:
    • Khảo sát độ chọn lọc: Kiểm tra dung dịch $\text{GL-AgNPs}$ (2 mL) với 12 cation kim loại khác nhau (thể tích 4 mL, nồng độ 2 mM): $\text{Al}^{3+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$ và $\text{Fe}^{3+}$.
    • Khảo sát thời gian ổn định: Trộn 2 mL nano Ag với 1 mL $\text{Fe}^{3+}$ 1 mM, đo phổ hấp thụ theo từng mốc 5 – 10 phút.
    • Xây dựng đường chuẩn: Đo tỷ lệ suy giảm độ hấp thu quang $S = (A_0 - A)/A_0$ tại bước sóng cực đại $\lambda = 424\text{ nm}$ đối với các nồng độ $\text{Fe}^{3+}$ trong khoảng 50, 100, 200, 300, 400, 500 nM sau 60 phút phản ứng.
    • Đánh giá thông số thẩm định: Xác định giới hạn phát hiện ($\text{LOD} = 3\text{SD}$), giới hạn định lượng ($\text{LOQ} = 10\text{SD} = 3,33\text{LOD}$) từ 11 lần đo lặp song song ($n = 11$).
    • Phân tích mẫu giả lập nước máy: Nền dung dịch chứa $\text{NaCl}$ 0,9% và $\text{BaCl}_2$ 0,4%, thêm chuẩn $\text{Fe}^{3+}$ ở các nồng độ khác nhau (75, 150, 350, 450 nM) để tính độ thu hồi (tiêu chuẩn chấp nhận 80% – 110%).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được và các lý giải khoa học:

  • Tối ưu hóa quá trình tổng hợp nano bạc:
    • Thời gian: Đỉnh hấp thụ SPR xuất hiện trong vùng 410 – 430 nm. Mật độ quang tăng dần từ 15 đến 90 phút; vượt quá 90 phút xuất hiện hiện tượng keo tụ hạt làm giảm độ hấp thu. Chọn 90 phút là thời gian tối ưu.
    • Nồng độ $\text{AgNO}_3$: Cường độ hấp thu tăng tuyến tính khi nồng độ muối tăng từ 0,5 mM đến 3,0 mM. Tại nồng độ 3,5 mM, các hạt bắt đầu kết tụ, kích thước hạt tăng lên và lắng xuống làm suy giảm tín hiệu quang. Chọn nồng độ tối ưu là 3,0 mM.
    • Nhiệt độ: Cường độ hấp thu quang tăng mạnh theo nhiệt độ từ 50 °C lên 100 °C. Tại 100 °C, lượng hạt nano hình thành đạt giá trị cao nhất, phổ hấp thu có đỉnh đối xứng và cường độ lớn. Chọn nhiệt độ tối ưu là 100 °C.
Thông số tổng hợp nano bạc Khoảng khảo sát thực nghiệm Giá trị tối ưu lựa chọn
Thời gian phản ứng 15 – 105 phút 90 phút
Nồng độ $\text{AgNO}_3$ 0,5 – 3,5 mM 3,0 mM
Nhiệt độ phản ứng 50 – 100 °C 100 °C
Tỷ lệ dịch chiết : dung dịch muối Cố định 1:1 1:1 (v/v)
  • Tổng hợp nano vàng và phân tích đặc trưng hóa lý:
    • Tối ưu hóa nano vàng trong vùng phổ SPR 500 – 570 nm qua các thông số thời gian (10 – 50 phút), nồng độ $\text{Au}^{3+}$ và nhiệt độ phản ứng.
    • Đo XRD xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của nano Ag và nano Au.
    • Kết quả DLS và thế Zeta xác nhận kích thước phân bố hạt keo và độ bền tĩnh điện của dung dịch keo nano.
    • Phổ FT-IR khẳng định sự chuyển dịch và suy giảm của các đỉnh hấp thu nhóm chức hữu cơ (hydroxyl $-\text{OH}$, cacbonyl $\text{C=O}$, liên kết $\text{C–O}$) của nấm lim xanh sau phản ứng, chứng minh sự tham gia của các hợp chất tự nhiên vào việc khử ion và bao bọc hạt nano.
    • Ảnh FE-SEM và TEM chỉ ra hình thái hạt (chủ yếu là dạng hình cầu) với kích thước nano phân bố đồng đều; phổ EDX cùng ảnh mapping nguyên tố xác nhận tín hiệu nguyên tố Ag và Au tinh khiết trong mẫu chế tạo.
  • Hoạt tính xúc tác, kháng khuẩn và cảm biến ion $\text{Fe}^{3+}$:
    • Cả $\text{GL-AgNPs}$ và $\text{GL-AuNPs}$ đóng vai trò xúc tác làm giảm nhanh nồng độ 3-NP và 4-NP theo mô hình động học bậc nhất khi có mặt $\text{NaBH}_4$.
    • Khảo sát kháng khuẩn cho thấy vật liệu có khả năng ức chế sinh trưởng trên cả vi khuẩn Gram (+) (B. cereus, S. aureus, B. subtilis) và Gram (-) (P. aeruginosa, E. coli), trong đó nano bạc thể hiện đường kính vòng kháng khuẩn và hiệu lực ức chế vượt trội so với nano vàng.
    • Hệ cảm biến so màu $\text{GL-AgNPs}$ phản ứng chọn lọc cao với cation $\text{Fe}^{3+}$, làm giảm độ hấp thu tại bước sóng 424 nm phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ $\text{Fe}^{3+}$ từ 50 đến 500 nM; phương pháp có giới hạn phát hiện (LOD) thấp và cho độ thu hồi mẫu giả lập đạt chuẩn trong khoảng 80% – 110%.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  1. Điều kiện tổng hợp tối ưu nano Ag: Đã xác định được bộ thông số tối ưu cho quy trình tổng hợp xanh $\text{GL-AgNPs}$ từ dịch chiết nấm lim xanh: tỷ lệ thể tích dịch chiết : $\text{AgNO}_3$ là 1:1; nồng độ $\text{AgNO}_3$ là 3,0 mM; thời gian phản ứng là 90 phút; nhiệt độ phản ứng là 100 °C. Đỉnh hấp thu cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) đặc trưng đạt cực đại trong vùng bước sóng 410 – 430 nm.
  2. Tổng hợp nano Au: Tổng hợp thành công $\text{GL-AuNPs}$ có màu tím đặc trưng với đỉnh hấp thu SPR nằm trong khoảng bước sóng 500 – 570 nm.
  3. Đặc trưng cấu trúc: Phổ XRD xác nhận tính chất kết tinh tinh khiết; phổ FT-IR chứng minh các hợp chất phenolic, polysaccharides và triterpenoids trong nấm lim xanh đóng vai trò kép vừa là tác nhân khử vừa là chất hoạt hóa bề mặt; ảnh FE-SEM, TEM và phổ EDX/mapping khẳng định sự tồn tại của các hạt nano kim loại hình cầu có kích thước nanomet đồng đều.
  4. Hiệu quả xúc tác: Vật liệu keo nano $\text{AgNPs}$ và $\text{AuNPs}$ thể hiện khả năng xúc tác phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ độc hại thuộc nhóm hợp chất thơm nitro (3-nitrophenol và 4-nitrophenol) dưới tác dụng khử của $\text{NaBH}_4$, tuân theo quy luật động học bậc nhất.
  5. Hiệu quả kháng khuẩn: Thử nghiệm giếng thạch cho thấy dung dịch hạt nano ức chế rõ rệt sự phát triển của cả năm chủng vi khuẩn gây bệnh gồm ba chủng Gram (+) (B. cereus, S. aureus, B. subtilis) và hai chủng Gram (-) (P. aeruginosa, E. coli). Nano bạc thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn đáng kể so với nano vàng.
  6. Ứng dụng cảm biến định lượng cation $\text{Fe}^{3+}$:
    • Hệ cảm biến $\text{GL-AgNPs}$ có độ chọn lọc quang học đối với ion $\text{Fe}^{3+}$ so với 11 cation kim loại khác ($\text{Al}^{3+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$).
    • Phản ứng đạt độ ổn định ở thời gian phản ứng 60 phút; dải nồng độ tuyến tính xác định trong khoảng 50 – 500 nM ở bước sóng đo quang 424 nm với hệ số hồi quy $R^2 \ge 0,99$.
    • Phương pháp phân tích mẫu giả lập nước máy chứa $\text{NaCl}$ 0,9% và $\text{BaCl}_2$ 0,4% cho độ thu hồi đạt tiêu chuẩn nằm trong khoảng 80% – 110%.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tận dụng nguồn dược liệu nấm lim xanh tự nhiên để thiết lập quy trình tổng hợp vật liệu nano thân thiện với môi trường, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng hóa chất độc hại.
  • Đề xuất ứng dụng hạt nano thu được vào ba mục đích thực tế: xử lý nước thải công nghiệp ô nhiễm các hợp chất nitro thơm bằng phản ứng xúc tác khử; sản xuất các chế phẩm kháng khuẩn bề mặt hoặc y sinh; và phát triển phương pháp so màu đơn giản, chi phí thấp để kiểm tra nhanh hàm lượng sắt trong các nguồn nước sinh hoạt mà không cần thiết bị phân tích đắt tiền.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Mở rộng hướng ứng dụng của nấm lim xanh (Ganoderma lucidum) tại Việt Nam, từ phạm vi y dược học truyền thống sang lĩnh vực chế tạo vật liệu nano kim loại tiên tiến.
  • Khác với nhiều công bố trước đây chỉ khảo sát đơn lẻ một ứng dụng (hoặc xúc tác, hoặc kháng khuẩn), công trình này đã phát triển một quy trình tổng hợp xanh tích hợp đa ứng dụng: vừa làm xúc tác phân hủy môi trường, vừa kiểm soát vi sinh vật gây bệnh, vừa đóng vai trò như một đầu dò quang học có độ nhạy nano để định lượng ion sắt $\text{Fe}^{3+}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các dữ kiện được trình bày trong văn bản khóa luận:

  • Hạn chế:
    • Dịch chiết nấm lim xanh có độ ổn định hạn chế theo thời gian, chỉ bảo quản ở 5 – 10 °C và khuyến cáo sử dụng tốt nhất trong vòng 5 – 7 ngày; sau thời gian này hoạt tính khử giảm, làm giảm hiệu quả tổng hợp hạt nano.
    • Phép thử cảm biến định lượng $\text{Fe}^{3+}$ mới chỉ tiến hành trên hệ mẫu nước giả lập được chuẩn bị nhân tạo trong phòng thí nghiệm (nền $\text{NaCl}$ 0,9% và $\text{BaCl}_2$ 0,4%), chưa kiểm tra trên các mẫu nước mặt, nước ngầm hoặc nước thải thực tế với thành phần ion phức tạp.
    • Thử nghiệm hoạt tính sinh học mới dừng lại ở kỹ thuật khuếch tán giếng thạch trên 5 chủng vi khuẩn trong ống nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm độc tính tế bào trên tế bào động vật có vú.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát các kỹ thuật bảo quản hoặc sấy thăng hoa dịch chiết nấm lim xanh nhằm kéo dài hạn sử dụng của tiền chất sinh học.
    • Thử nghiệm hệ cảm biến so màu $\text{GL-AgNPs}$ trên các mẫu nước tự nhiên thực tế có nền tạp chất cao và nghiên cứu khả năng cố định hạt nano lên chất mang rắn (như màng polymer, silica) để thu hồi và tái sử dụng xúc tác sau phản ứng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cho:

  • Đối tượng: Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa phân tích, Công nghệ Nano, Hóa dược và Khoa học Môi trường.
  • Nội dung giá trị cao:
    • Quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp chiết xuất nấm lim xanh và cách thức tối ưu hóa các thông số phản ứng xanh (nồng độ, nhiệt độ, thời gian) bằng công cụ quang phổ UV-Vis.
    • Bộ quy chuẩn thực nghiệm phân tích đa công cụ (XRD, FT-IR, EDX, SEM, TEM, DLS, Zeta) phục vụ đánh giá toàn diện cấu trúc và kích thước vật liệu nano kim loại.
    • Phương pháp luận thiết lập phản ứng xúc tác khử hợp chất hữu cơ bằng $\text{NaBH}_4$ và quy trình xây dựng đường chuẩn cảm biến so màu xác định giới hạn phát hiện LOD, LOQ theo tiêu chuẩn hóa phân tích.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn và điều kiện tối ưu để tổng hợp hạt nano bạc từ dịch chiết nấm lim xanh là gì?
Quá trình tổng hợp $\text{GL-AgNPs}$ đạt hiệu quả tối ưu khi trộn dịch chiết nấm lim xanh với dung dịch $\text{AgNO}_3$ theo tỷ lệ thể tích 1:1, nồng độ $\text{AgNO}_3$ là 3,0 mM, tiến hành phản ứng gia nhiệt ở 100 °C trong thời gian 90 phút.

2. Dịch chiết nấm lim xanh được điều chế theo quy trình nào và thời hạn sử dụng là bao lâu?
Dịch chiết được chuẩn bị bằng cách cân 2,0 g thân nấm lim xanh khô đã cắt nhỏ, đun sôi cùng 200 mL nước cất trong thời gian 1 giờ, sau đó lọc qua giấy lọc để loại bỏ bã rắn. Dung dịch được đậy kín, bảo quản ở nhiệt độ 5 – 10 °C và được khuyến cáo sử dụng tốt nhất trong khoảng thời gian từ 5 đến 7 ngày.

3. Cơ chế nào giúp hạt nano bạc phát hiện và định lượng chọn lọc cation $\text{Fe}^{3+}$?
Khả năng cảm biến dựa trên hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) ở bước sóng 424 nm. Khi tương tác với ion $\text{Fe}^{3+}$, các hạt $\text{GL-AgNPs}$ bị oxy hóa hoặc thay đổi cấu trúc hình thái từ hình cầu sang hình khối, dẫn đến sự suy giảm độ hấp thu quang học SPR và làm dung dịch nhạt màu dần, cho phép theo dõi định lượng nồng độ sắt bằng máy đo quang phổ UV-Vis.

4. Khóa luận sử dụng các chủng vi sinh vật nào để khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano?
Nghiên cứu khảo sát trên năm chủng vi khuẩn bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch, bao gồm hai chủng vi khuẩn Gram âm là Escherichia coli và Pseudomonas aeruginosa, cùng ba chủng vi khuẩn Gram dương là Bacillus cereus, Staphylococcus aureus và Bacillus subtilis.

5. Hoạt tính xúc tác của nano vàng và nano bạc được kiểm tra qua những phản ứng hóa học nào?
Hoạt tính xúc tác được khảo sát thông qua phản ứng phân hủy hai hợp chất nitro thơm độc hại là 3-nitrophenol (3-NP) và 4-nitrophenol (4-NP) dưới tác dụng khử của chất khử natri borohydrua ($\text{NaBH}_4$), trong đó hạt nano làm chất xúc tác giúp chuyển hóa nhóm nitro thành aminophenol theo quy luật động học bậc nhất.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phan Thị Như Huỳnh đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xanh nano vàng và nano bạc sử dụng dịch chiết nấm lim xanh (Ganoderma lucidum) làm tác nhân khử và ổn định bề mặt thân thiện với môi trường. Các hạt nano tạo thành được đặc trưng toàn diện về cấu trúc, hình thái và tính chất keo thông qua hệ thống phân tích hóa lý hiện đại (TEM, SEM, XRD, EDX, FT-IR, DLS, thế Zeta). Kết quả thực nghiệm đã chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu trong việc làm xúc tác phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm (3-NP, 4-NP), ức chế hiệu quả năm chủng vi khuẩn gây bệnh và ứng dụng làm cảm biến quang học so màu có độ chọn lọc cao để định lượng cation $\text{Fe}^{3+}$ trong môi trường nước.