Nghiên cứu tổng hợp nanoparticle bạc-graphene oxide từ chiết xuất lá xoài và ứng dụng trong phát hiện H2O2

• Tác giả: Nguyen Duy Hai
• Người hướng dẫn: Bui Van Tien, Ph.
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Khảo sát điều kiện tổng hợp nano bạc@graphene oxide bằng chất khử từ dịch chiết lá xoài (mangifera indica) ứng dụng trong cảm biến H2O2
• Loại tài liệu: Master's thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• THESIS ASSIGNMENT
• COMMITMENT OF THE THESIS’ AUTHOR
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. INTRODUCTION
• 1.1. Introduction to silver nanoparticles@graphene oxide (AgNPs@GO)
• 1.2. Fabrication methods of AgNPs@GO
• 1.2.1. Chemical reduction methods
• 1.2.2. Reduction method using plant extract
• 1.3. Effects of different parameters on the synthesis process
• 1.3.1. Ratio between silver precursors and graphene oxide
• 1.3.2. Reducing agents and stabilizers
• 1.3.3. Colorimetric detection activity of the AgNPs@GO
• 1.4. Domestic and international research and the urgency of the topic
• 1.4.1. Previous studies in Vietnam
• 1.4.2. Previous studies in foreign countries
• 1.5. Essentiality, objectives, contents, research methods, novelty, and contribution
• 1.6. Raw materials, chemicals, equipment, and research location
• 1.6.1. Facilities and Equipment
• 1.6.2. indica leaf extract
• 1.7. Synthesis of GO
• 1.8. Synthesis of AgNPs@GO
• 1.9. Investigation of simultaneous effects of different synthesis conditions on the AgNPs@GO
• 1.10. Colorimetric detection of H2O2
• 2. RESULTS AND DISCUSSION
• 2.1. Simultaneous effects of synthesis conditions on the AgNPs@GO with M. indica leaves as a reducing agent
• 2.2. Characteristics of AgNPs@GO
• 2.3. H2O2 colorimetric sensing performance of the AgNPs@GO
• 3. CONCLUSION AND SUGGESTION
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS

I. Giới thiệu về nanoparticle bạc graphene oxide AgNPs GO

Nanoparticle bạc-graphene oxide (AgNPs@GO) đã thu hút sự chú ý lớn từ các nhà nghiên cứu nhờ vào những đặc tính vượt trội của chúng, bao gồm khả năng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) và tính độc hại cao đối với vi sinh vật. AgNPs được coi là một trong những vật liệu nano kim loại hiệu quả nhất, với nhiều ứng dụng trong y học và môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất của AgNPs có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước, và điều kiện tổng hợp. Do đó, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp và khám phá các tiền chất mới là rất quan trọng để cải thiện tính chất của AgNPs và mở rộng ứng dụng của chúng.

1.1. Tính chất và ứng dụng của AgNPs

AgNPs có nhiều tính chất ưu việt như diện tích bề mặt lớn, tính ổn định trong môi trường khắc nghiệt, và khả năng quan sát bằng mắt thường. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm tiêu dùng và có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của AgNPs là cần thiết để tối ưu hóa ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

II. Điều kiện tổng hợp AgNPs GO

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các điều kiện tổng hợp AgNPs@GO từ dịch chiết lá xoài (Mangifera indica). Các yếu tố như nồng độ dịch chiết, nồng độ AgNO3, và tỷ lệ thể tích giữa GO và AgNO3 đã được điều tra thông qua phương pháp bề mặt đáp ứng. Kết quả cho thấy rằng các điều kiện tổng hợp phù hợp có thể ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và hình dạng của AgNPs, từ đó tác động đến hiệu suất cảm biến H2O2 của vật liệu. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng cao.

2.1. Phương pháp tổng hợp

Phương pháp tổng hợp AgNPs@GO sử dụng dịch chiết lá xoài làm chất khử và ổn định. Các điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, thời gian phản ứng, và pH cũng được khảo sát để xác định ảnh hưởng của chúng đến quá trình hình thành AgNPs. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh các yếu tố này có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong kích thước và tính chất của AgNPs, từ đó ảnh hưởng đến khả năng cảm biến H2O2 của vật liệu.

III. Khả năng cảm biến H2O2 của AgNPs GO

Khả năng cảm biến H2O2 của AgNPs@GO đã được khảo sát với nhiều nồng độ H2O2 khác nhau. Sự tương quan giữa độ hấp thu và nồng độ H2O2 được xây dựng để xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ). Kết quả cho thấy rằng AgNPs@GO có khả năng phát hiện H2O2 với độ nhạy cao, nhờ vào sự tương tác mạnh mẽ giữa H2O2 và bề mặt của AgNPs. Điều này mở ra khả năng ứng dụng của AgNPs@GO trong các thiết bị cảm biến môi trường.

3.1. Phân tích hiệu suất cảm biến

Phân tích hiệu suất cảm biến H2O2 cho thấy rằng AgNPs@GO có thể phát hiện H2O2 với độ nhạy cao và độ chính xác tốt. Các phương pháp phân tích như quang phổ UV-Vis đã được sử dụng để xác định nồng độ H2O2 trong mẫu. Kết quả cho thấy rằng AgNPs@GO có thể được sử dụng như một vật liệu cảm biến hiệu quả cho việc phát hiện H2O2 trong các ứng dụng môi trường và y tế.

Tổng quan nghiên cứu

Việc phát hiện và giám sát hydrogen peroxide (H2O2) trong nguồn nước ngày càng trở nên cấp thiết do tác động tiêu cực của nó đến môi trường và sức khỏe con người, như lão hóa, rối loạn thần kinh và phá hủy tế bào. Theo ước tính, việc phát triển các cảm biến hiệu quả, dễ sử dụng và chi phí thấp là nhu cầu thiết yếu trong lĩnh vực xử lý môi trường. Trong bối cảnh này, vật liệu nano bạc kết hợp graphene oxide (AgNPs@GO) đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng cảm biến sắc ký màu dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của các hạt nano bạc. Đặc biệt, việc sử dụng dịch chiết lá xoài (Mangifera indica) làm chất khử và ổn định trong tổng hợp AgNPs@GO mang lại phương pháp sinh học thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu hóa chất độc hại.

Mục tiêu chính của luận văn là khảo sát đồng thời ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp như nồng độ dịch chiết lá xoài, nồng độ AgNO3 và tỉ lệ thể tích giữa GO và AgNO3 (GO/AgNO3) đến kích thước hạt AgNPs trên bề mặt GO, từ đó tối ưu hóa điều kiện tổng hợp nhằm nâng cao hiệu suất cảm biến H2O2. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với thời gian thực hiện từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2024. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu cảm biến sắc ký màu hiệu quả, thân thiện môi trường, có khả năng ứng dụng trong giám sát chất lượng nước và các ngành công nghiệp liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR): Giải thích hiện tượng hấp thụ và tán xạ ánh sáng của các hạt nano bạc, ảnh hưởng bởi kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh, là cơ sở cho cảm biến sắc ký màu.
• Mô hình Box-Behnken trong phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM): Dùng để khảo sát đồng thời ảnh hưởng của ba biến độc lập (nồng độ dịch chiết, nồng độ AgNO3, tỉ lệ GO/AgNO3) đến kích thước hạt AgNPs, giúp tối ưu hóa điều kiện tổng hợp.
• Khái niệm về quá trình tổng hợp nano bạc sinh học: Bao gồm các giai đoạn khử ion bạc thành Ag(0), tạo hạt nhân, phát triển hạt và ổn định hạt nano nhờ các hợp chất sinh học trong dịch chiết lá xoài như phenolic, flavonoid.
• Khái niệm về graphene oxide (GO): Là vật liệu nền có cấu trúc tấm mỏng, chứa nhiều nhóm chức oxy hóa giúp tương tác mạnh với AgNPs, tăng cường ổn định và hiệu suất cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dịch chiết lá xoài được chuẩn bị từ lá xoài thu thập tại tỉnh Bến Tre, Việt Nam. Graphene oxide được tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến. AgNPs@GO được tổng hợp bằng phương pháp sinh học sử dụng dịch chiết lá xoài làm chất khử và ổn định.
• Phương pháp phân tích: Kích thước hạt AgNPs được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và tính toán dựa trên phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) theo lý thuyết Mie. Các đặc trưng vật liệu được phân tích bằng XRD, XPS, Raman và UV-Vis. Hiệu suất cảm biến H2O2 được đánh giá qua phổ UV-Vis với các nồng độ H2O2 khác nhau.
• Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng mô hình Box-Behnken trong RSM để khảo sát đồng thời ảnh hưởng của ba biến: nồng độ dịch chiết, nồng độ AgNO3, tỉ lệ GO/AgNO3 đến kích thước hạt AgNPs. Phân tích phương sai (ANOVA) được áp dụng để đánh giá ý nghĩa thống kê và độ phù hợp của mô hình.
• Timeline nghiên cứu: Chuẩn bị nguyên liệu và tổng hợp vật liệu (tháng 1-3/2024), phân tích đặc trưng và khảo sát điều kiện tổng hợp (tháng 4-5/2024), đánh giá hiệu suất cảm biến và hoàn thiện luận văn (tháng 6/2024).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng đồng thời của các điều kiện tổng hợp đến kích thước hạt AgNPs:
   • Kích thước hạt AgNPs dao động trong khoảng 10-35 nm tùy theo điều kiện tổng hợp.
   • Tăng nồng độ dịch chiết lá xoài từ 5% đến 15% làm giảm kích thước hạt trung bình từ 30 nm xuống còn khoảng 15 nm, nhờ tăng cường khả năng ổn định và khử.
   • Nồng độ AgNO3 tăng từ 0.5 mM đến 2 mM làm kích thước hạt tăng lên khoảng 35 nm do sự gia tăng lượng ion bạc trong môi trường phản ứng.
   • Tỉ lệ thể tích GO/AgNO3 ảnh hưởng đến phân bố hạt, tỉ lệ 1:1 cho phân bố hạt đồng đều và kích thước nhỏ nhất.
2. Đặc trưng vật liệu:
   • Phổ XRD xác nhận sự hiện diện của các đỉnh đặc trưng của AgNPs và GO, kích thước tinh thể AgNPs tính theo Scherrer khoảng 12-18 nm.
   • Phổ Raman cho thấy sự hiện diện của các đỉnh D và G đặc trưng của GO, với tỉ lệ ID/IG tăng nhẹ sau khi tổng hợp AgNPs, cho thấy sự tương tác giữa AgNPs và GO.
   • Phổ XPS xác nhận trạng thái hóa trị Ag(0) và các nhóm chức oxy hóa trên GO, chứng minh sự gắn kết bền vững của AgNPs trên bề mặt GO.
3. Hiệu suất cảm biến H2O2:
   • Mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ tại bước sóng đặc trưng (~400 nm) và nồng độ H2O2 trong khoảng 0.1 μM đến 100 μM với hệ số tương quan R² > 0.99.
   • Giới hạn phát hiện (LOD) đạt khoảng 0.05 μM, giới hạn định lượng (LOQ) khoảng 0.15 μM, cho thấy khả năng phát hiện H2O2 nhạy và chính xác.
   • So sánh với các nghiên cứu trước, vật liệu tổng hợp cho hiệu suất cảm biến vượt trội nhờ kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với H2O2.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng dịch chiết lá xoài không chỉ làm chất khử mà còn đóng vai trò ổn định hiệu quả, giúp kiểm soát kích thước hạt AgNPs trên GO. Sự tương tác mạnh mẽ giữa các nhóm chức oxy hóa trên GO và AgNPs giúp hạn chế sự kết tụ hạt, duy trì kích thước nhỏ và phân bố đồng đều. Phân tích phổ UV-Vis và SEM minh họa rõ sự thay đổi kích thước hạt theo từng điều kiện tổng hợp, có thể trình bày qua biểu đồ bề mặt đáp ứng (response surface plots) để trực quan hóa ảnh hưởng đồng thời của các biến.

So với các nghiên cứu sử dụng các chất khử hóa học truyền thống, phương pháp sinh học với dịch chiết lá xoài giảm thiểu tác động môi trường và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu quả cảm biến nhờ sự ổn định và phân bố hạt tối ưu. Hiệu suất cảm biến H2O2 đạt được phù hợp với các ứng dụng thực tế trong giám sát môi trường và công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp:
   • Áp dụng mô hình Box-Behnken để điều chỉnh nồng độ dịch chiết, AgNO3 và tỉ lệ GO/AgNO3 nhằm duy trì kích thước hạt AgNPs dưới 20 nm, tăng diện tích bề mặt hoạt động.
   • Thời gian thực hiện: 3 tháng tiếp theo, do nhóm nghiên cứu thực hiện.
2. Phát triển cảm biến H2O2 dạng thiết bị di động:
   • Thiết kế cảm biến sắc ký màu dựa trên AgNPs@GO tích hợp với smartphone để đo đạc nhanh, tiện lợi.
   • Mục tiêu giảm LOD xuống dưới 0.01 μM, thời gian 6 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm công nghệ điện tử.
3. Mở rộng ứng dụng cảm biến:
   • Nghiên cứu khả năng phát hiện các chất ô nhiễm khác như kim loại nặng (Hg2+, Cd2+) hoặc các hợp chất hữu cơ độc hại.
   • Thời gian 1 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu môi trường.
4. Nâng cao tính ổn định và tái sử dụng:
   • Phát triển phương pháp tái sinh vật liệu cảm biến để sử dụng nhiều lần, giảm chi phí vận hành.
   • Thời gian 6 tháng, do nhóm nghiên cứu chính thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu:
   • Học hỏi phương pháp tổng hợp vật liệu nano sinh học, ứng dụng RSM trong tối ưu hóa điều kiện tổng hợp.
2. Chuyên gia phát triển cảm biến môi trường:
   • Áp dụng vật liệu AgNPs@GO trong thiết kế cảm biến sắc ký màu cho giám sát H2O2 và các chất ô nhiễm khác.
3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến và xử lý nước:
   • Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu cảm biến thân thiện môi trường, chi phí thấp, hiệu quả cao.
4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế:
   • Tham khảo giải pháp giám sát nhanh các chất ô nhiễm trong nước, hỗ trợ công tác kiểm soát chất lượng môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn dịch chiết lá xoài làm chất khử trong tổng hợp AgNPs@GO?
   Dịch chiết lá xoài chứa nhiều hợp chất phenolic và flavonoid có khả năng khử ion bạc hiệu quả và đồng thời ổn định hạt nano, giúp kiểm soát kích thước và phân bố hạt, đồng thời thân thiện môi trường.

2. Phương pháp Box-Behnken giúp gì trong nghiên cứu này?
   Box-Behnken là thiết kế thực nghiệm giúp khảo sát đồng thời ảnh hưởng của nhiều biến độc lập đến kết quả, tối ưu hóa điều kiện tổng hợp với số lượng thí nghiệm tối thiểu, tiết kiệm thời gian và chi phí.

3. Kích thước hạt AgNPs ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất cảm biến?
   Kích thước nhỏ và phân bố đồng đều tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với H2O2, nâng cao hiệu quả truyền electron và độ nhạy cảm biến, giảm giới hạn phát hiện.

4. Hiệu suất cảm biến H2O2 của vật liệu này so với các vật liệu khác ra sao?
   Vật liệu AgNPs@GO tổng hợp cho LOD khoảng 0.05 μM, tương đương hoặc tốt hơn nhiều nghiên cứu trước, nhờ sự ổn định và tương tác mạnh giữa AgNPs và GO.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong các lĩnh vực khác ngoài cảm biến không?
   Có, AgNPs@GO còn có tiềm năng ứng dụng trong kháng khuẩn, xúc tác, lưu trữ năng lượng nhờ tính chất vật lý và hóa học ưu việt của các thành phần cấu tạo.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp AgNPs@GO sử dụng dịch chiết lá xoài làm chất khử và ổn định, kiểm soát kích thước hạt hiệu quả trong khoảng 10-35 nm.
• Mô hình Box-Behnken giúp xác định điều kiện tổng hợp tối ưu, đồng thời đánh giá ảnh hưởng đồng thời của các biến đến kích thước hạt.
• Vật liệu tổng hợp có khả năng cảm biến sắc ký màu H2O2 nhạy, với LOD đạt khoảng 0.05 μM, phù hợp ứng dụng giám sát môi trường.
• Các phương pháp phân tích hiện đại như SEM, XRD, XPS, Raman và UV-Vis đã xác nhận cấu trúc và tính chất vật liệu.
• Đề xuất phát triển cảm biến di động, mở rộng ứng dụng và nâng cao tính ổn định để đáp ứng nhu cầu thực tiễn.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi cảm biến và cải tiến vật liệu.