Luận án tiến sĩ: Tương tác heteroaggregation giữa vật liệu nano và hạt hematite trong môi trường nước

• Tác giả: Khanh An Huynh
• Người hướng dẫn: Kai Loon Chen
• Trường học: Johns Hopkins University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Heteroaggregation Between Engineered Nanomaterials and Hematite Nanoparticles in Aquatic Environments
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Baltimore

• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• 1. Two Popular Engineered Nanomaterials: Carbon Nanotubes and Silver Nanoparticles
• 2. Fate and Transport of Carbon Nanotubes and Silver Nanoparticles Aquatic Environments
• 3. Toxicity of Carbon Nanotubes and Silver Nanoparticles
• 4. Objectives and Scopes of Dissertation
• 5. HETEROAGGREGATION OF MULTIWALLED CARBON NANOTUBES AND HEMATITE NANOPARTICLES: RATES AND MECHANISMS
• 5.1. Materials and Methods
• 5.1.1. Preparation of Carbon-Based Nanomaterials and Hematite Nanoparticles
• 5.1.2. Characterization of Carbon-Based Nanomaterials and HemNPs
• 5.1.3. Time-Resolved Dynamic Light Scattering
• 5.1.4. Determination of Homoaggregation Kinetics
• 5.1.5. Determination of Heteroaggregation Rates
• 5.1.6. Cryogenic Transmission Electron Microscopy
• 5.2. Results and Discussion
• 5.2.1. Physicochemical Properties of Carbon-Based Nanomaterials and HemNPs
• 5.2.2. Electrokinetic Properties of Carbon-Based Nanomaterials and HemNPs
• 5.2.3. Homoaggregation Kinetics of Carbon-Based Nanomaterials and HemNPs
• 5.2.4. CNTs and HemNPs Undergo Exclusive Heteroaggregation at Low NaCl Concentration
• 5.2.5. Influence of CNT/HemNP Ratio on Rates of Heteroaggregation
• 5.2.6. Cryogenic TEM Imaging of CNT–HemNP Heteroaggregates
• 5.2.7. Proposed Heteroaggregation Mechanisms of CNTs and HemNPs
• 5.2.8. Influence of Humic Acid on Heteroaggregation Rates of CNTs and HemNPs
• 5.2.9. Heteroaggregation Behavior of GO Nanosheets and C60 Nanoparticles with HemNPs
• 6. DISAGGREGATION OF HETEROAGGREGATES COMPOSED OF MULTIWALLED CARBON NANOTUBES AND HEMATITE NANOPARTICLES
• 6.1. Materials and Methods
• 6.1.1. Preparation and characterization of CNTs and HemNPs
• 6.1.2. Time-Resolved Dynamic Light Scattering
• 6.1.3. Determination of Power Delivered by Ultrasonication Bath
• 6.1.4. Determination of Degree of Disaggregation
• 6.2. Results and Discussion
• 6.2.1. Power of Ultrasonication Bath
• 6.2.2. Disaggregation of CNT Homoaggregates at pH 5
• 6.2.3. Disaggregation of CNT–HemNP Heteroaggregates at pH 5
• 6.2.4. Disaggregation of CNT–HemNP Heteroaggregates at Elevated pH
• 6.2.5. Disaggregation of CNT–HemNP Heteroaggregates in the Presence of Humic Acid
• 7. AGGREGATION KINETICS OF CITRATE AND POLYVINYLPYRROLIDONE COATED SILVER NANOPARTICLES IN MONOVALENT AND DIVALENT ELECTROLYTE SOLUTIONS
• 7.1. Materials and Methods
• 7.1.1. Silver Nanoparticle Synthesis and Characterization
• 7.1.2. Determination of Silver Nanoparticle and Dissolved Silver Concentrations
• 7.1.3. Electrophoretic Mobility Measurements
• 7.1.4. Time-Resolved Dynamic Light Scattering
• 7.1.5. Determination of Aggregation Kinetics
• 7.1.6. Detection of AgNP Dissolution
• 7.2. Results and Discussion
• 7.2.1. Physicochemical Properties of Citrate- and PVP-Coated AgNPs
• 7.2.2. Electrokinetic Properties of Citrate- and PVP-Coated AgNPs
• 7.2.3. Dissolution of Citrate- and PVP-Coated AgNPs at High Electrolyte Concentrations
• 7.2.4. Aggregation Kinetics of Citrate-Coated AgNPs in Monovalent Electrolyte Solution
• 7.2.5. Comparing Citrate-Coated AgNP Aggregation Kinetics with DLVO Theory
• 7.2.6. Aggregation Kinetics of Citrate-Coated AgNPs in Divalent Electrolyte Solutions
• 7.2.7. Comparing Aggregation Kinetics of PVP-Coated AgNPs with Citrate-Coated AgNPs
• 7.2.8. Influence of Humic Acid on Aggregation Kinetics of Citrate- and PVP-Coated AgNPs
• 8. HETEROAGGREGATION REDUCES ANTIBACTERIAL ACTIVITY OF SILVER NANOPARTICLES: EVIDENCE FOR NANOPARTICLE–CELL PROXIMITY EFFECTS
• 8.1. Materials and Methods
• 8.1.1. Preparation of Nanoparticles
• 8.1.2. Electrophoretic Mobility Measurements
• 8.1.3. Heteroaggregation of AgNPs and HemNPs
• 8.1.4. Preparation of Bacteria
• 8.1.5. Evaluation of the Effects of Heteroaggregation on Antimicrobial Activity of AgNPs
• 8.1.6. Determination of Dissolved Silver Concentrations at the Beginning and End of Incubation in the Absence of Bacteria
• 8.1.7. Cryo-TEM Imaging of Heteroaggregates
• 8.2. Results and Discussion
• 8.2.1. AgNPs Completely Inhibit Bacterial Growth at Sub-Lethal Concentration of Dissolved Silver in Bulk Solution
• 8.2.2. Heteroaggregation with HemNPs Reduces Antibacterial Activity of AgNPs
• 8.2.3. Heteroaggregation Inhibits Direct Contact or Close Proximity between AgNPs and Bacterial Cells
• 9. CONCLUSIONS AND KEY CONTRIBUTIONS
• LIST OF FIGURES

I. Tương tác heteroaggregation giữa vật liệu nano và hạt hematite

Nghiên cứu tập trung vào tương tác heteroaggregation giữa vật liệu nano và hạt hematite trong môi trường nước. Heteroaggregation là quá trình kết tụ giữa các hạt nano khác loại, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định số phận và vận chuyển của vật liệu nano trong môi trường tự nhiên. Nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ heteroaggregation giữa ống nano carbon (CNTs) và hạt hematite (HemNPs) phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ giữa chúng. Tốc độ này tăng lên khi tỷ lệ CNT/HemNP tăng, đạt giá trị tối đa ở một tỷ lệ tối ưu, sau đó giảm khi tỷ lệ tiếp tục tăng. Sự có mặt của axit humic làm giảm tốc độ heteroaggregation.

1.1. Cơ chế tương tác heteroaggregation

Cơ chế tương tác heteroaggregation giữa CNTs và HemNPs được phân tích thông qua các thí nghiệm kết hợp với kính hiển vi điện tử truyền qua nhiệt độ thấp (cryo-TEM). Kết quả cho thấy sự hình thành các hạt nano kết tụ phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ giữa CNTs và HemNPs. Ở tỷ lệ thấp, các hạt HemNPs bao phủ bề mặt CNTs, trong khi ở tỷ lệ cao, CNTs tạo thành mạng lưới bao quanh HemNPs. Sự thay đổi trong cơ chế này ảnh hưởng đến độ bền của các hạt kết tụ và khả năng phân tách của chúng.

1.2. Ảnh hưởng của axit humic

Axit humic, một chất hữu cơ tự nhiên, có tác động đáng kể đến quá trình heteroaggregation. Khi nồng độ axit humic tăng, tốc độ heteroaggregation giảm do sự gia tăng lực đẩy điện tích và điện động học giữa các hạt nano. Điều này làm suy yếu liên kết giữa CNTs và HemNPs, khiến các hạt kết tụ dễ bị phân tách hơn.

II. Nghiên cứu vật liệu nano trong môi trường nước

Nghiên cứu cũng khám phá hành vi của các vật liệu nano khác như graphene oxide (GO) và fullerene (C60) trong quá trình heteroaggregation với HemNPs. Kết quả cho thấy rằng tốc độ heteroaggregation của GO và C60 với HemNPs thấp hơn so với CNTs, điều này có thể liên quan đến sự khác biệt về tính chất vật liệu và tương tác bề mặt. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tương tác giữa các loại vật liệu nano khác nhau trong môi trường nước.

2.1. So sánh hành vi kết tụ

Hành vi kết tụ của GO và C60 với HemNPs được so sánh với CNTs. Kết quả chỉ ra rằng GO và C60 có tốc độ heteroaggregation thấp hơn, điều này có thể do sự khác biệt về cấu trúc bề mặt và khả năng tương tác với HemNPs. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của tính chất vật liệu trong việc xác định hành vi kết tụ.

2.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc dự đoán số phận của vật liệu nano trong môi trường nước. Hiểu biết về tương tác heteroaggregation giúp đánh giá rủi ro môi trường và phát triển các chiến lược quản lý hiệu quả.

III. Tác động của heteroaggregation đến hoạt tính kháng khuẩn

Nghiên cứu cũng khám phá tác động của heteroaggregation đến hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc (AgNPs). Kết quả cho thấy rằng heteroaggregation giữa AgNPs và HemNPs làm giảm hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs đối với vi khuẩn Escherichia coli. Điều này được giải thích bởi sự giảm tiếp xúc trực tiếp hoặc gần gũi giữa AgNPs và tế bào vi khuẩn do sự hình thành các hạt kết tụ.

3.1. Cơ chế giảm hoạt tính

Heteroaggregation giữa AgNPs và HemNPs làm giảm khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa AgNPs và tế bào vi khuẩn. Điều này dẫn đến việc giảm hiệu quả kháng khuẩn của AgNPs. Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng về tác động của tương tác hạt đến hoạt tính sinh học của vật liệu nano.

3.2. Ý nghĩa trong y học và môi trường

Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng AgNPs trong các ứng dụng y tế và môi trường. Hiểu biết về tác động của heteroaggregation giúp tối ưu hóa hiệu quả kháng khuẩn của AgNPs trong các điều kiện môi trường khác nhau.