ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ đang phát triển nhanh chóng và có tiềm năng lớn. Trong tương lai sẽ có thêm nhiều sản phẩm và thiết bị mới được ứng dụng công nghệ nano, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học, năng lượng và các sản phẩm tiêu dùng. Trong y sinh học, loại công nghệ này cũng đang dần được sử dụng rộng rãi như mang thuốc, chẩn đoán và điều trị bệnh. Vật liệu nano là một hướng đi được tập trung nghiên cứu và có nhiều thành tựu.
Chúng là những vật liệu có kích thước ở quy mô nano, tức là từ 1 đến 100 nanomet. Các vật liệu này có thể có các đặc tính khác nhau so với cùng loại vật liệu ở quy mô lớn hơn. Trong số những loại vật liệu nano được biết đến, vật liệu Silica hữu cơ xốp rỗng cấu trúc tuần hoàn (PMO) đang được sử dụng rộng rãi với cấu trúc có trật tự cao, kích thước lỗ rỗng đều và sự phân bố đồng nhất của các cầu hữu cơ vào khung silica. Những vật liệu này có ưu điểm là có khả năng điều chỉnh tính chất vật lý (hình thái, độ xốp) và tính chất bề mặt (tính ưa nước/kỵ nước) cũng như độ ổn định cơ học nhờ sự kết hợp của các gốc hữu cơ chức năng khác nhau vào thành lỗ rỗng của chúng [1,2].
Một trong các ứng dụng của vật liệu PMO mà chúng ta có thể kể đến là làm chất nền để cố định enzyme. Các enzyme hiện nay được sử dụng rộng rãi bởi là xúc tác sinh học hiệu quả và hiệu suất cao bởi tính chọn lọc và hoạt động cao. Tuy nhiên, một số ứng dụng của chúng bị cản trở do thiếu tính ổn định, thời gian sử dụng cũng như khả năng phục hồi tái sử dụng [3,4]. Việc cố định enzyme lên các đế vật liệu nano như PMO sẽ giúp thay đổi những hạn chế của enzyme sinh học.
Khi được cố định một cách thích hợp, các enzyme có thể tăng tính ổn định, tăng hoạt tính, và khả năng thu hồi tái sử dụng [3–6]. Nhằm tìm ra ứng dụng mới cho vật liệu PMO cũng như phương pháp thích hợp để gắn cố định enzyme lên vật liệu PMO, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng gắn enzym thủy phân protein” với hai mục tiêu: 1. Tổng hợp vật liệu Micro/nano PMO có nhóm Cacboxyl 2. Thiết kế và tối ưu quy trình gắn Trypsin – enzyme thủy phân protein – lên vật liệu PMO.
Đánh giá hoạt tính enzyme Trypsin sau khi được gắn lên vật liệu PMO. Tổng quan về vật liệu micro/nano 1. Công nghệ micro Công nghệ micro liên quan đến công nghệ có các tính năng, kích thước nhỏ cỡ micromet (một phần triệu mét) hoặc nhỏ hơn. Nó tập trung vào các quá trình vật lý và hóa học cũng như sản xuất hoặc thao tác với các cấu trúc, vật liệu có độ lớn micromet [7].
Công nghệ micro là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm nhiều thuộc tính và đặc điểm khác nhau, đem lại nhiều ưu thế, ứng dụng mới. Một trong những ưu điểm chính của công nghệ này là khả năng thu nhỏ kích thước, cải thiện tính chất, chức năng và độ tin cậy,… Điều này dẫn đến đây là một công nghệ ưu việt mà các ngành khoa học có thể nghiên cứu, ứng dụng sâu vào cuộc sống hiện đại. Khoa học nano và công nghệ nano Khoa học nano là một ngành khoa học mới, chuyên nghiên cứu và ứng dụng về các cấu trúc và phân tử ở kích thước cực kỳ nhỏ từ vài đến vài trăm nanomet, hay thường được gọi là kích thước nano. Khoa học nano có thể liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khoa học như hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật.
Công nghệ nano theo như Tổ chức sáng kiến công nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ (NNI), là “một ngành khoa học, kỹ thuật và công nghệ được tiến hành ở quy mô nano (1 đến 100 nm), nơi các hiện tượng độc đáo cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ hóa học, vật lý và sinh học, đến y học, kỹ thuật và điện tử” [8]. Công nghệ nano bao gồm sản xuất và ứng dụng vật liệu nano. Khoa học nano và công nghệ nano là một trong những hướng đi mới cho khoa học hiện đại, mở ra những kỷ nguyên mới, vượt trội và ứng dụng sâu vào đời sống con người. Nó hứa hẹn sẽ giúp giải quyết nhiều vấn đề mà hiện tại chúng ta chưa thể giải quyết.
Vật liệu Micro/nano Vật liệu nano là những vật liệu có cấu trúc hạt, sợi, ống, tấm mỏng hay mạng lưới có kích thước nano. Loại vật liệu này có thể tồn tại ở dạng rắn, lỏng hay khí. Vật liệu micro cũng tương tự như vậy, chúng có kích thước micro (từ vài micromet đến vài trăm micromet). Khi các vật liệu thu nhỏ đến kích thước nano, các tính chất đặc trưng của vật liệu có thể thay đổi đáng kể so với khi ở kích thước quy mô lớn.
Do đó, vật liệu nano có thể mang lại các bước đột phá, ứng dụng mới cho khoa học và con người. Vật liệu Periodic mesoporous organosilicas (PMO) 1. Sự ra đời của PMOs Sau những nỗ lực nhằm tăng cường chức năng của các vật liệu silica xốp, vào năm 1999 đã có 3 nhóm nghiên cứu đã phát triển một cách độc lập một loại vật liệu tổng hợp nano hữu cơ - vô cơ mới được gọi là Silica hữu cơ xốp rỗng cấu trúc tuần hoàn (PMO). Trong PMO, các nhóm hữu cơ nằm trong thành kênh như cầu nối giữa các trung tâm Si (( R ′O) 3 Si-R-Si(O R ′) 3 ( R ′=metyl hoặc etyl, r= các nhóm hữu cơ bắc cầu)).
Chức năng hóa hữu cơ của các chất rắn này cho phép điều chỉnh các đặc tính bề mặt (tính ưa nước, kỵ nước và liên kết với các phân tử khách), thay đổi khả năng phản ứng bề mặt; bảo vệ bề mặt khỏi bị tấn công; và sửa đổi các đặc tính khối (ví dụ: đặc tính cơ học hoặc quang học) của vật liệu [9]. PMO bảo toàn được những chức năng cơ bản của silica trung tính như diện tích bề mặt và thể tích lỗ cao, kích thước lỗ có thể điều chỉnh, cấu trúc trung gian có trật tự cao, ngoài ra vật liệu này còn thể hiện được một số ưu điểm đặc biệt là tính ổn định cơ học cao so với các gốc silica của chúng do kết hợp nhiều chất hữu cơ vào khung của chúng [1]. Ngày nay, PMO được coi là một loại vật liệu nano đầy hứa hẹn cho các ứng dụng tiềm năng, chẳng hạn như xúc tác, sắc ký, điện tử, hấp phụ kim loại, cố định hoặc đóng gói các phân tử sinh học và y sinh. Cấu trúc và tính chất của vật liệu PMO Vật liệu nano/micro PMO là vật liệu silic hữu cơ cấu trúc lỗ xốp tuần hoàn có kích thước hạt cỡ nanomet hoặc micromet và kích thước lỗ cỡ nanomet.
Chúng bao gồm các thành phần chính như khung và lỗ rỗng. Cấu trúc vật liệu PMO [10] Vật liệu nano/micro PMO được đặc trưng bởi các thông số như: diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ, kích thước lỗ. Những thông số này được đo và tính toán từ đường đẳng nhiệt hấp phụ khí nitơ. 3 Kích thước của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của lỗ xốp.
Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia ra làm ba loại: micropore có kích thước bé hơn 2 nm, mesopore có kích thước từ 2-50 nm và macropore có kích thước từ 50 nm trở lên. Đối với PMO, lỗ xốp có kích thước từ 2-50 nm (thuộc loại mesopore) [11]. Diện tích bề mặt riêng được tính bằng m²/g, cho biết khả năng hấp phụ vật liệu. Diện tích bề mặt của PMO thường cao hơn so với các vật liệu silica khác, diện tích bề mặt cao nhất của PMO từng được báo cáo là 1880 m2/g vẫn thấp hơn nhiều so với các loại vật liệu xốp khác, chẳng hạn như cacbon vi xốp (2000 - 5000 m2/g).
Diện tích bề mặt này bị ảnh hưởng bởi mức độ trùng hợp của vật liệu, điều này phụ thuộc vào các yếu tố như pH của dung môi và tỷ lệ các chất phản ứng [11]. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu PMO Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp chính: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt có kích thước micro/nano từ kích thước lớn hơn trong khi đó phương pháp từ dưới lên là hình thành hạt micro/nano từ các nguyên tử (kích thước angstrom). Phương pháp từ trên xuống bao gồm các kỹ thuật như nghiền, nghiền bi năng lượng cao, in thạch bản, hợp kim cơ học, lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và lắng đọng pha hơi vật lý (PVD),.
Phương pháp từ dưới lên chủ yếu được thực hiện bằng con đường hóa học như sol – gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, epitaxy chùm phân tử,. Ngoài ra, tổng hợp PMO còn được phân loại dựa vào các con đường khác nhau như con đường vật lý, hóa học, cơ học, sinh học được minh họa dưới đây. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano [12] Vật liệu PMO chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp sol – gel. Dùng phương pháp sol-gel để tổng hợp các hạt nano do phương pháp này có rất nhiều ưu 4 điểm nổi bật như: vật liệu được tổng hợp ở nhiệt độ thấp, chế tạo được vật liệu lai hóa vô cơ - hữu cơ, dễ pha tạp, chế tạo được các vật liệu có hình dạng khác nhau như bột, khối, màng, sợi và vật liệu có cấu trúc nano/micro, có thể điều khiển được độ xốp và độ bền cơ học thông qua việc xử lý nhiệt, hoá chất sử dụng thường là không độc.
Phương pháp sol - gel có ba cách tiếp cận để tạo ra khối sol – gel [13]. Phương pháp 1: Gel hóa dung dịch keo, Phương pháp 2: Thủy phân và ngưng tụ tiền chất sau đó sấy khô siêu tới hạn gel, Phương pháp 3: Thủy phân và ngưng tụ tiền chất tiếp theo là lão hóa cuối cùng làm khô trong không khí. Silica gel có thể được tạo thành từ các hạt keo rời rạc (phương pháp 1) hoặc bằng cách hình thành mạng lưới liên kết 3D nhờ vào sự thủy phân và sự ngưng tụ của tiền chất (phương pháp 2 và 3). Gel được hiểu là khi nước được loại hết hoàn toàn khỏi vật liệu [13].