Nghiên cứu ứng dụng hạt nano au tổng hợp xanh từ dịch chiết la hán quả làm cảm biến sinh học đinh lượng cation pbii và xúc tác cho phản ứng chuyển hoá chất hữu cơ

Nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng từ la hán quả đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực công nghệ nano. 88 trang · Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM · 2022.

• Tác giả: Dương Trường Giang
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Văn Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Hạt Nano Vàng Từ La Hán Quả Làm Cảm Biến Sinh Học Và Xúc Tác
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano
• 1.1.1. Khái niệm về công nghệ nano
• 1.1.2. Vật liệu nano
• 1.1.3. Nguồn gốc của công nghệ nano
• 1.1.4. Các phương pháp tổng hợp nano kim loại
• 1.1.5. Ứng dụng của nano kim loại
• 1.2. Giới thiệu về La Hán Quả (SG)
• 1.2.1. Sơ lược về La Hán Quả (SG)
• 1.2.2. Mô tả về La Hán Quả
• 1.2.3. Thành phần hoá học của SG
• 1.2.4. Công dụng của La Hán Quả
• 1.3. Kim loại vàng
• 1.3.1. Giới thiệu về kim loại vàng
• 1.3.2. Khả năng xúc tác của nano vàng
• 1.3.3. Khả năng kháng khuẩn của nano vàng
• 1.3.4. Khả năng ứng dụng làm cảm biến sinh học
• 1.3.5. Ứng dụng của nano vàng
• 1.4. Ô nhiễm nước do kim loại Pb2+
• 1.4.1. Khái quát về kim loại Chì (Pb2+)
• 1.4.2. Độc tính của kim loại chì
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, thiết bị và hoá chất được sử dụng trong bài nghiên cứu
• 2.1.1. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
• 2.1.2. Dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu
• 2.1.3. Hoá chất sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2. Chuẩn bị hoá chất và dung dịch chiết sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2.1. Pha hoá chất sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2.2. Chuẩn bị dịch chiết sử dụng trong nghiên cứu
• 2.3. Tổng hợp nano vàng (SG-AuNPs) và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp
• 2.3.1. Quá trình tổng hợp nano vàng (SG-AuNPs)
• 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp nano vàng
• 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Au3+ đến quá trình tổng hợp nano vàng
• 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp nano vàng
• 2.4. Đặc trưng của các phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp trắc quang UV-Vis
• 2.4.2. Phương pháp XRD
• 2.4.3. Phương pháp FT-IR
• 2.4.4. Phương pháp DLS
• 2.4.5. Phương pháp thế zeta
• 2.4.6. Phương pháp HR-TEM
• 2.4.7. Phương pháp EDX
• 2.5. Khảo sát hoạt tính xúc tác của nano vàng
• 2.5.1. Khảo sát phản ứng giữa NaBH4 và 2-NP có nano vàng làm xúc tác, khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác
• 2.5.2. Khảo sát phản ứng giữa NaBH4 và 3-NP có nano vàng làm xúc tác, khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác
• 2.5.3. Khảo sát năng lượng hoạt hoá trong phản ứng giữa NaBH4 và Nitrophenol có sự tham gia của xúc tác SG-AuNPS
• 2.5.3.1. Khảo sát năng lượng hoạt hoá trong phản ứng giữa 2-Nitrophenol và NaBH4 có sự tham gia của xúc tác SG-AuNPs
• 2.5.3.2. Khảo sát năng lượng hoạt hoá trong phản ứng giữa 3-Nitrophenol và NaBH4 có sự tham gia của xúc tác SG-AuNPs
• 2.6. Khảo sát ứng dụng làm cảm biến sinh học của SG-AuNPs
• 2.6.1. Khảo sát ứng dụng của SG-AuNPs dùng để làm cảm biến so màu phát hiện kim loại nặng
• 2.6.2. Khảo sát khả năng ứng dụng SG-AuNPs để làm cảm biến so màu phát hiện kim loại Chì (Pb2+) trong nước ao
• 2.6.3. Khảo sát giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của đường chuẩn
• 2.6.4. Khảo sát khả năng áp dụng của đường chuẩn trong thực tế
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát nano vàng
• 3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng khử của dịch chiết của phản ứng tạo nano vàng
• 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Au3+ đến khả năng khử của dịch chiết của phản ứng tạo nano vàng
• 3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng khử của dịch chiết của phản ứng tạo nano vàng
• 3.2. Kết quả nghiên cứu các đặc trưng hóa lý của nano vàng
• 3.2.1. Kết quả FT-IR
• 3.2.2. Kết quả XRD
• 3.2.3. Kết quả EDX
• 3.2.4. Kết quả TEM và HR-TEM
• 3.2.5. Kết quả DLS
• 3.3. Kết quả khảo sát hoạt tính của xúc tác nano vàng
• 3.3.1. Kết quả phản ứng giữa NaBH4 và 2-NP có SG-AuNPs làm xúc tác, và khả năng tái sử dụng của xúc tác
• 3.3.2. Kết quả phản ứng giữa NaBH4 và 3-NP có SG-AuNPs làm xúc tác, và khả năng tái sử dụng của xúc tác
• 3.4. Kết quả khảo sát năng lượng hoạt hoá của của SG-AuNPs
• 3.4.1. Kết quả khảo sát năng lượng hoạt hoá của phản ứng giữa NaBH4 và 2-NP với sự có mặt của SG-AuNPs làm xúc tác
• 3.4.2. Kết quả khảo sát năng lượng hoạt hoá của phản ứng giữa NaBH4 và 3-NP với sự có mặt của SG-AuNPs làm xúc tác
• 3.5. Kết quả khảo sát ứng dụng SG-AuNPs để nhận biết các kim loại nặng
• 3.5.1. Kết quả khả năng nhận biết ion kim loại Pb2+ của SG-AuNPs
• 3.5.2. Xác định khoảng tuyến tính và xây dựng đường chuẩn của SG-AuNPs khi ứng khi nhận biết ion Pb2+
• 3.5.3. Kết quả tính toán giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lượng của ion Pb2+ với SG-AuNPs
• 3.5.4. Kết quả khảo độ nhạy của phương pháp khi áp dụng đường chuẩn của Pb2+ với hạt SG-AuNPs
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng từ la hán quả

Nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng từ la hán quả đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực công nghệ nano. Hạt nano vàng (AuNPs) có nhiều ứng dụng trong y học, cảm biến sinh học và xúc tác. Việc tổng hợp hạt nano vàng từ la hán quả không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này nhằm mục đích khám phá khả năng của hạt nano vàng trong việc phát hiện và xử lý các chất ô nhiễm, đặc biệt là kim loại nặng như Pb(II).

1.1. Khái niệm về hạt nano vàng và la hán quả

Hạt nano vàng là các hạt có kích thước từ 1 đến 100 nm, được biết đến với tính chất quang học đặc biệt. La hán quả là một loại trái cây tự nhiên, chứa nhiều hợp chất có lợi cho sức khỏe. Việc sử dụng dịch chiết từ la hán quả để tổng hợp hạt nano vàng không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn an toàn cho sức khỏe.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong công nghệ nano

Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các phương pháp mới để phát hiện và xử lý ô nhiễm môi trường. Cảm biến sinh học từ hạt nano vàng có thể giúp phát hiện nhanh chóng các ion kim loại nặng, từ đó bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm môi trường và thách thức trong phát hiện kim loại nặng

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nước do kim loại nặng như Pb(II), đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Các phương pháp truyền thống để phát hiện kim loại nặng thường phức tạp và tốn kém. Do đó, cần có những giải pháp mới, hiệu quả hơn để giải quyết vấn đề này. Nghiên cứu này nhằm phát triển một phương pháp đơn giản và hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng hạt nano vàng.

2.1. Tác động của kim loại nặng đến sức khỏe con người

Kim loại nặng như Pb(II) có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm tổn thương hệ thần kinh và các bệnh về da liễu. Việc phát hiện sớm và xử lý các ion kim loại nặng là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.2. Những hạn chế của các phương pháp phát hiện hiện tại

Các phương pháp hiện tại như quang phổ hấp thụ nguyên tử và sắc ký khí thường yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí cao. Điều này làm giảm khả năng tiếp cận và hiệu quả trong việc phát hiện kim loại nặng trong môi trường.

III. Phương pháp tổng hợp hạt nano vàng từ la hán quả

Phương pháp tổng hợp hạt nano vàng từ dịch chiết la hán quả được thực hiện theo quy trình đơn giản và hiệu quả. Dịch chiết từ la hán quả không chỉ cung cấp các hợp chất hữu ích mà còn giúp giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết quy trình tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

3.1. Quy trình tổng hợp hạt nano vàng

Quy trình tổng hợp bao gồm việc chiết xuất dịch từ la hán quả và sau đó cho phản ứng với dung dịch Au3+. Các yếu tố như nồng độ, nhiệt độ và thời gian phản ứng sẽ được khảo sát để tối ưu hóa quy trình.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Nghiên cứu sẽ khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Au3+, nhiệt độ và thời gian đến kích thước và hình dạng của hạt nano vàng. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học và khả năng xúc tác của hạt nano.

IV. Ứng dụng của hạt nano vàng trong cảm biến sinh học và xúc tác

Hạt nano vàng có khả năng hoạt động như một cảm biến sinh học hiệu quả trong việc phát hiện các ion kim loại nặng. Ngoài ra, chúng còn có khả năng xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ, như giảm nitrophenol thành aminophenol. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về các ứng dụng này.

4.1. Khả năng phát hiện ion kim loại nặng

Hạt nano vàng có thể được sử dụng để phát hiện ion Pb(II) trong nước thông qua sự thay đổi màu sắc. Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng và không yêu cầu thiết bị phức tạp.

4.2. Khả năng xúc tác cho phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano vàng có thể xúc tác cho phản ứng giữa NaBH4 và nitrophenol, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Khả năng tái sử dụng của xúc tác cũng được khảo sát để đảm bảo tính bền vững.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng từ la hán quả đã mở ra nhiều triển vọng trong việc phát hiện và xử lý ô nhiễm môi trường. Các kết quả cho thấy hạt nano vàng không chỉ hiệu quả trong việc phát hiện ion kim loại nặng mà còn có khả năng xúc tác cho các phản ứng hữu cơ. Tương lai, nghiên cứu này có thể được mở rộng để phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực y học và môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu này góp phần quan trọng trong việc phát triển các phương pháp mới để phát hiện và xử lý ô nhiễm môi trường, từ đó bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của hạt nano vàng trong các lĩnh vực khác như y học và công nghệ sinh học.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học và khoa học vật liệu hiện đại, việc nghiên cứu chế tạo các hệ vật liệu mới thân thiện với môi trường nhằm thay thế các vật liệu truyền thống và cải tiến các quy trình công nghệ đang nhận được sự quan tâm lớn. Trong đó, công nghệ nano nổi lên nhờ khả năng kiểm soát vật liệu ở kích thước nanomet, tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn cùng các hiệu ứng lượng tử đặc trưng, mang lại hoạt tính hóa lý vượt trội so với vật liệu dạng khối.

Vấn đề thực tiễn được tác giả đặt ra là tình trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng do sự phát thải của các hợp chất hữu cơ độc hại và các ion kim loại nặng từ hoạt động sản xuất công nghiệp và đô thị:

• Về ô nhiễm kim loại nặng: Các cation như $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cr}^{6+}$ có độc tính cao, không tự phân hủy sinh học, tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn và gây tổn thương nghiêm trọng đến hệ thần kinh, gan, thận, cũng như gây đột biến gen và dị tật thai nhi. Mặc dù các phương pháp phân tích hiện đại như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng cao tần (ICP-AES), khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS), quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) và phương pháp điện hóa có độ nhạy và độ chính xác cao, nhưng chúng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, quy trình xử lý mẫu phức tạp và tốn nhiều thời gian. Do đó, nhu cầu phát triển cảm biến đo màu (colorimetric sensor) dựa trên vật liệu nano kim loại với thao tác đơn giản, chi phí thấp, cho phép nhận biết nhanh bằng mắt thường đang là xu hướng cấp thiết.
• Về ô nhiễm chất hữu cơ: Các hợp chất thơm chứa nhóm nitro, điển hình là 2-nitrophenol (2-NP) và 3-nitrophenol (3-NP), được sử dụng phổ biến trong sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, dược phẩm, phẩm nhuộm và chất nổ. Chúng có độ bền hóa học cao, khó phân hủy sinh học và được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) xếp vào nhóm chất ô nhiễm ưu tiên (nồng độ giới hạn trong nước tự nhiên $< 10\text{ ng/L}$). Phương pháp khử nitrophenol độc hại thành aminophenol có ích bằng chất khử natri borohydrua ($\text{NaBH}_4$) với sự có mặt của chất xúc tác nano kim loại được đánh giá cao nhờ điều kiện phản ứng êm dịu, hiệu suất cao và không gây ô nhiễm thứ cấp.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận bao gồm 5 nội dung chính:

1. Xây dựng quy trình tổng hợp hạt nano vàng (AuNPs) từ dung dịch $\text{Au}^{3+}$ bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết từ quả La Hán Quả (Siraitia grosvenorii).
2. Đánh giá đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý của hạt nano AuNPs thu được bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
3. Kiểm tra hiệu quả xúc tác của AuNPs trong phản ứng khử các hợp chất ô nhiễm nitrophenol (2-NP, 3-NP) bằng $\text{NaBH}_4$ và đánh giá khả năng tái sử dụng của xúc tác.
4. Khảo sát động học và năng lượng hoạt hóa của phản ứng chuyển hóa nitrophenol có xúc tác AuNPs.
5. Nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng hạt nano AuNPs làm cảm biến sinh học so màu để phát hiện và định lượng cation kim loại nặng ($\text{Pb}^{2+}$) trong dung dịch nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano vàng tổng hợp xanh từ dịch chiết La Hán Quả (ký hiệu: SG-AuNPs); các hợp chất hữu cơ vòng thơm 2-nitrophenol, 3-nitrophenol; cation kim loại nặng $\text{Pb}^{2+}$ và các cation kim loại khảo sát độ chọn lọc ($\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$).
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh (địa chỉ: số 12 Nguyễn Văn Bảo, Phường 4, Quận Gò Vấp, TP. Hồ Chí Minh) trong khoảng thời gian từ tháng 12 năm 2020 đến tháng 3 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa Phân tích, sử dụng phương pháp tiếp cận thực nghiệm khoa học dựa trên các cơ sở lý thuyết và mô hình sau:

• Khung lý thuyết về công nghệ nano và hạt nano kim loại: Dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) của các electron tự do trên bề mặt hạt nano vàng khi tương tác với bức xạ ánh sáng, tạo ra dải hấp thụ đặc trưng trong vùng khả kiến (thường ở bước sóng 500–570 nm). Hiện tượng thay đổi trạng thái phân tán (từ phân tán sang keo tụ) dẫn đến sự dịch chuyển đỉnh SPR và làm đổi màu dung dịch từ đỏ sang tím/xanh, là nền tảng để thiết kế cảm biến so màu phát hiện ion kim loại.
• Cơ sở hóa thực vật của La Hán Quả (Siraitia grosvenorii - SG): Quả La Hán Quả thuộc họ Cucurbitaceae, chứa các hợp chất hoạt tính sinh học như mogroside (đặc biệt là Mogroside V, IV, VI), polysaccharide, flavonoid, polyphenol, vitamin C, đường khử (glucose, fructose) và các axit amin. Các nhóm chức mang oxy và nitơ (như hydroxyl $-\text{OH}$, carbonyl $\text{C=O}$, carboxyl $-\text{COOH}$) đóng vai trò kép: vừa là tác nhân khử ion $\text{Au}^{3+}$ thành $\text{Au}^0$, vừa là chất hoạt động bề mặt bao bọc (capping agent) giúp ổn định kích thước hạt, ngăn ngừa sự keo tụ tự phát.
• Lý thuyết động học và năng lượng hoạt hóa: Phản ứng khử nitrophenol bằng $\text{NaBH}_4$ có mặt chất xúc tác được mô tả theo mô hình động học giả bậc nhất (pseudo-first-order kinetics) do nồng độ $\text{NaBH}_4$ được dùng dư rất lớn so với nồng độ nitrophenol. Sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng ($k$) vào nhiệt độ tuyệt đối ($T$) được tính toán thông qua phương trình Arrhenius: $$\frac{d\ln k}{dT} = \frac{E_a}{RT^2}$$
• Cơ sở lý thuyết về thẩm định phương pháp phân tích: Xác định khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện ($\text{LOD} = 3\text{SD}$) và giới hạn định lượng ($\text{LOQ} = 10\text{SD}$) dựa trên độ lệch chuẩn (SD) của các phép đo lặp ($n = 11$).

Hóa chất và thiết bị phân tích thực tế sử dụng trong nghiên cứu được tổng hợp trong các bảng sau:

STT	Tên hóa chất	Công thức / Quy cách	Nhà sản xuất / Xuất xứ
1	Axit tetracloroauric (III) trihydrat	$\text{HAuCl}_4\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ (99%)	Acros Organics (Bỉ)
2	Natri borohydrua	$\text{NaBH}_4 \ge 98{,}0%$	Merck (Singapore)
3	2-Nitrophenol (o-nitrophenol)	2-NP, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_3 \ge 98{,}0%$	Merck (Singapore)
4	3-Nitrophenol (m-nitrophenol)	3-NP, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_3 \ge 98{,}0%$	Merck (Singapore)
5	Chì (II) nitrat	$\text{Pb(NO}_3)_2$	Phòng thí nghiệm
6	Bạc nitrat	$\text{AgNO}_3$ 10 mM	Phòng thí nghiệm
7	Ethanol	$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ 99%	Kanto (Nhật Bản)
8	Nước siêu tinh khiết	$\text{H}_2\text{O}$	Phòng thí nghiệm

Hệ thống thiết bị đo đạc và đặc trưng hóa lý bao gồm:

• Quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): Máy Cary 60 UV-Vis Spectrophotometer (Agilent, Hoa Kỳ) và máy Metash UV5100, phục vụ việc quét phổ theo dõi quá trình tổng hợp hạt nano (vùng bước sóng 500–570 nm), khảo sát động học xúc tác (250–550 nm) và đo cảm biến so màu (400–700 nm).
• Nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD): Máy Shimadzu 6100 (Nhật Bản), sử dụng bức xạ $\text{CuK}\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$), điện thế gia tốc 40 kV, cường độ dòng điện 30 mA, góc quét $2\theta$ từ $10^\circ$ đến $80^\circ$, bước quét $0{,}02^\circ$ với tốc độ quét $0{,}05^\circ/\text{s}$ (hoặc $2^\circ/\text{phút}$) để xác định cấu trúc mạng tinh thể của hạt nano vàng.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Máy Bruker Tensor 27 và Equinox 55 (Đức), dùng để xác định các nhóm chức hữu cơ trong dịch chiết La Hán Quả và sự liên kết của chúng trên bề mặt hạt SG-AuNPs.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM) và Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng (SAED): Thiết bị JEM-2100 (JEOL, Nhật Bản), thực hiện tại Phòng Hiển vi điện tử - Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội), nhằm xác định hình thái, kích thước hạt và tính chất đơn tinh thể/đa tinh thể.
• Quang phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Tích hợp trên hệ hiển vi điện tử, thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (SHTP Labs, Khu Công nghệ cao, TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh) để phân tích thành phần nguyên tố định tính và định lượng.
• Tán xạ ánh sáng động (DLS) và Đo thế Zeta: Thiết bị Horiba SZ-100 (Nhật Bản), xác định phân bố kích thước hạt thủy động và độ ổn định tĩnh điện của hệ keo nano.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các tài liệu khoa học liên quan đến đề tài:

• Công nghệ nano và vật liệu nano: Trình bày định nghĩa, phân loại vật liệu nano theo trạng thái tồn tại (rắn, lỏng, khí) và theo số chiều không gian bị giới hạn (0D - hạt nano; 1D - dây nano, ống nano; 2D - màng mỏng; 3D - vật liệu nanocomposite). Điểm lại mốc lịch sử từ bài phát biểu năm 1959 của Richard Feynman, thuật ngữ do Norio Taniguchi đề xuất năm 1974, đến phát minh kính hiển vi quét đường hầm (STM) năm 1981 của Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại IBM.
• Các phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại: Phân tích 4 hướng tiếp cận chính gồm phương pháp ăn mòn laser (sử dụng xung laser 532 nm, xung 10 ns, 10 Hz, 90 mJ tạo hạt cỡ 10 nm), phương pháp khử hóa lý (kết hợp điện phân và siêu âm), phương pháp từ dưới lên (hóa học tổng hợp từ ion/nguyên tử, dễ kiểm soát kích thước hạt) và phương pháp từ trên xuống (nghiền cơ học từ vật liệu khối, nhược điểm là hạt phân bố không đều và dễ nhiễm tạp chất). Nêu bật sự cần thiết của phương pháp "tổng hợp xanh" sử dụng dịch chiết sinh học để thay thế hóa chất độc hại.
• Tổng quan về quả La Hán Quả (Siraitia grosvenorii - SG): Mô tả đặc điểm phân loại học (chi Siraitia, họ Cucurbitaceae), hình thái thực vật (dây leo 1–3 m, lá hình tim, quả cầu đường kính 5–8 cm màu xanh chuyển nâu sẫm sau khi sấy khô). Thành phần hóa học chứa các mogroside (đặc biệt là Mogroside V ngọt gấp hàng trăm lần đường mía), triterpenoid, flavonoid, polysaccharide, axit amin và vitamin C. Tác giả tổng hợp các nghiên cứu về hoạt tính dược lý của SG gồm: chống ho, long đờm, điều hòa miễn dịch, kháng khuẩn đối với Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Streptococcus mutans, bảo vệ gan (giảm AST, ALT, MDA), chống oxy hóa và hạ đường huyết.
• Kim loại vàng và hạt nano vàng (AuNPs): Nêu các thông số vật lý của Au (khối lượng nguyên tử 196,97 g/mol, số hiệu nguyên tử 79, cấu hình electron $[\text{Xe}]4f^{14}5d^{10}6s^1$, cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt, nhiệt độ nóng chảy $1064{,}18^\circ\text{C}$). Trình bày các ứng dụng xúc tác nổi bật (oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp do Haruta phát hiện, hydro hóa acetylen do Hutchings công bố), ứng dụng kháng khuẩn, y sinh học (quang nhiệt trị liệu phá hủy tế bào ung thư) và chế tạo cảm biến sinh học.
• Độc tính của ion chì ($\text{Pb}^{2+}$) và ô nhiễm nước: Cung cấp tính chất hóa lý của chì (số hiệu 82, khối lượng 207,2 g/mol, khoáng chính là galena PbS). Nhấn mạnh tính chất nguy hại của chì đối với hệ thần kinh trung ương, tủy xương, chức năng thận, gây thiếu máu, tổn thương não cấp tính và mạn tính ở trẻ nhỏ. Đánh giá ưu thế của việc phát triển cảm biến so màu nano Au nhằm khắc phục sự cồng kềnh, tốn kém của các phương pháp phân tích chuẩn độ truyền thống.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình hóa chất, dụng cụ, thiết bị và các bước thực nghiệm:

• Chuẩn bị dịch chiết La Hán Quả: Quả SG khô thu thập từ vùng cao nguyên phía Bắc Việt Nam (độ ẩm khoảng 12%) được bóc tách lấy phần thịt quả. Cân chính xác khoảng 5,0 g thịt quả trên cân phân tích 4 số, cho vào 500 mL nước cất siêu tinh khiết trong becher, đun sôi nhẹ và khuấy trên máy khuấy từ gia nhiệt ở $100^\circ\text{C}$ trong 60 phút để trích ly tối đa các hợp chất hữu cơ mà không làm phân hủy các hoạt chất kém bền nhiệt. Dịch chiết màu nâu nhạt được để nguội về nhiệt độ phòng và lọc qua giấy lọc Whatman để loại bỏ bã cặn, thu dung dịch trong suốt dùng cho tổng hợp nano.
• Pha chế hóa chất: Pha các dung dịch chuẩn gốc $\text{HAuCl}_4$ 10 mM từ $\text{HAuCl}_4\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ (0,394 g/100 mL, hỗ trợ phân tán bằng bể siêu âm); dung dịch $\text{NaBH}_4$ 1 M (3,8 g/100 mL, dùng trong 1 tuần); dung dịch 2-NP 1 mM (0,0139 g/100 mL); dung dịch 3-NP 1 mM (0,0139 g/100 mL); dung dịch $\text{AgNO}_3$ 10 mM (0,85 g/500 mL).
• Quy trình tổng hợp xanh hạt nano vàng (SG-AuNPs): Dịch chiết SG và dung dịch $\text{HAuCl}_4$ được ổn định nhiệt độ trong bể điều nhiệt khoảng 5 phút trước khi phối trộn. Quá trình tổng hợp được thực hiện trong bóng tối nhằm loại trừ tác động quang hóa gây sai lệch phản ứng khử. Phản ứng được theo dõi qua sự chuyển biến màu từ nâu vàng sang đỏ ruby đặc trưng của hệ keo nano Au (hiện tượng SPR).
• Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano vàng:
  1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Khảo sát tại 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 phút (cố định nồng độ $\text{Au}^{3+}$ 0,5 mM, nhiệt độ $50^\circ\text{C}$, tỷ lệ thể tích 1:1).
  2. Ảnh hưởng của nồng độ $\text{Au}^{3+}$: Khảo sát tại các nồng độ từ 0,25 mM đến 1,25 mM (cố định thời gian 50 phút, nhiệt độ $50^\circ\text{C}$, tỷ lệ thể tích 1:1).
  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: Khảo sát tại các mức 50, 60, 70, 80, 90, $100^\circ\text{C}$ (cố định thời gian 50 phút, nồng độ $\text{Au}^{3+}$ 0,75 mM, tỷ lệ 1:1).
• Khảo sát hoạt tính xúc tác phân hủy chất hữu cơ: Phản ứng giữa 2,5 mL dung dịch 2-NP (hoặc 3-NP) nồng độ 1,0 mM với 0,5 mL dung dịch $\text{NaBH}_4$ 1,0 M trong cuvet thạch anh (chiều dài đường truyền quang 1,0 cm). Sau khi quét phổ UV-Vis ban đầu, bổ sung 3,0 mg chất xúc tác SG-AuNPs dạng rắn, theo dõi độ giảm quang phổ UV-Vis tại dải 250–550 nm tại các mốc thời gian 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 phút. Khảo sát khả năng tái sử dụng qua 3 chu kỳ liên tiếp (thu hồi xúc tác bằng ly tâm, rửa sạch nhiều lần bằng ethanol 99% và nước cất siêu sạch, sấy khô trước khi dùng lại).
• Khảo sát năng lượng hoạt hóa ($E_a$): Thực hiện phản ứng khử 2-NP và 3-NP ở 5 mức nhiệt độ khác nhau: 30, 40, 50, 60, $70^\circ\text{C}$. Xác định hằng số tốc độ $k$ ở từng nhiệt độ và tính toán $E_a$ theo đồ thị tuyến tính Arrhenius.
• Khảo sát ứng dụng làm cảm biến so màu phát hiện ion kim loại:
  • Khảo sát độ chọn lọc: Trộn $200\text{ }\mu\text{L}$ dung dịch các ion $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$ (nồng độ $1000\text{ }\mu\text{M}$) vào lọ vial chứa $400\text{ }\mu\text{L}$ keo SG-AuNPs. Đo phổ UV-Vis trong khoảng 400–700 nm và quan sát hiện tượng đổi màu/keo tụ.
  • Xây dựng đường chuẩn định lượng $\text{Pb}^{2+}$: Sử dụng dãy 17 lọ vial, mỗi lọ chứa $400\text{ }\mu\text{L}$ SG-AuNPs tối ưu, thêm $200\text{ }\mu\text{L}$ dung dịch $\text{Pb}^{2+}$ ở các nồng độ từ 0 đến $5000\text{ }\mu\text{M}$ (0, 40, 80, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 2000, 3000, 4000, $5000\text{ }\mu\text{M}$), thời gian phản ứng 5 phút. Đo phổ hấp thụ UV-Vis và tính độ nhạy tương đối $S$: $$S = \frac{A_0 - A}{A_0}$$ (trong đó $A_0$ là mật độ quang của dung dịch nano vàng ban đầu; $A$ là mật độ quang của hỗn hợp sau khi tương tác với ion $\text{Pb}^{2+}$).
  • Xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ): Tiến hành trên 11 mẫu lặp ($n = 11$) ở nồng độ bắt đầu xuất hiện keo tụ ($200\text{ }\mu\text{M}$), tính toán theo công thức $\text{LOD} = 3\text{SD}$ và $\text{LOQ} = 10\text{SD}$.
  • Đánh giá trên mẫu nước ao mô phỏng: Pha chế dung dịch nền nhân tạo chứa $\text{NaCl}$ (0,9%), $\text{BaCl}_2$ (0,4%) và $\text{FeCl}_3$ (0,6%), thêm chuẩn $\text{Pb}^{2+}$ ở hai mức nồng độ $20\text{ }\mu\text{M}$ và $350\text{ }\mu\text{M}$, sau đó phân tích so màu với SG-AuNPs để đánh giá độ chính xác và độ nhạy của phương pháp.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm, biện luận cơ chế hình thành vật liệu, hoạt tính xúc tác và hiệu quả cảm biến:

• Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp nano vàng:
  • Khảo sát thời gian: Phổ UV-Vis cho thấy dải hấp thụ SPR đặc trưng xuất hiện rõ nét trong khoảng 520–580 nm. Cường độ hấp thụ tăng dần từ 10 đến 50 phút và đạt giá trị cực đại ($A_{\max}$) tại mốc 50 phút. Sau 50 phút, cường độ hấp thụ có xu hướng giảm do các hạt nano phát triển lớn dần và có hiện tượng kết tụ, làm giảm độ bền của hệ keo. Do đó, thời gian 50 phút được chọn làm giá trị tối ưu.
  • Khảo sát nồng độ $\text{Au}^{3+}$: Đỉnh hấp thụ nằm trong vùng 510–600 nm. Mật độ quang tăng dần khi tăng nồng độ tiền chất từ 0,25 mM đến 0,75 mM, đạt cực đại tại 0,75 mM. Khi tăng tiếp lên nồng độ cao hơn, độ hấp thụ suy giảm và vị trí peak bị dịch chuyển đáng kể, nguyên nhân do các hạt vàng liên kết tạo thành các cụm hạt lớn hơn và lắng xuống đáy lọ. Nồng độ $\text{Au}^{3+}$ tối ưu được xác lập là 0,75 mM.
  • Khảo sát nhiệt độ: Quét phổ trong vùng 520–570 nm cho thấy cường độ hấp thụ tăng đều theo các mức nhiệt độ 50, 60, 70, $80^\circ\text{C}$ và đạt giá trị cao nhất tại $80^\circ\text{C}$. Ở các mức nhiệt độ cao hơn (90 và $100^\circ\text{C}$), độ hấp thụ suy giảm do hệ keo trở nên kém bền, gia tăng tốc độ va chạm gây tập hợp hạt lớn và lắng cặn. Mức nhiệt độ tối ưu được chọn là $80^\circ\text{C}$.

Bảng thông số tối ưu tổng hợp SG-AuNPs được tổng hợp như sau:

Thông số khảo sát	Khoảng giá trị thực nghiệm	Giá trị tối ưu lựa chọn	Hiện tượng hóa lý ghi nhận
Thời gian phản ứng	10 – 70 phút	50 phút	Đạt hấp thụ cực đại $A_{\max}$; sau 50 phút hạt keo tụ làm giảm độ hấp thu.
Nồng độ $\text{Au}^{3+}$	0,25 – 1,25 mM	0,75 mM	Đỉnh SPR sắc nét; nồng độ quá cao làm hạt lớn lên và dịch chuyển peak.
Nhiệt độ phản ứng	50 – $100^\circ\text{C}$	$80^\circ\text{C}$	Tốc độ khử nhanh, hệ keo bền; trên $80^\circ\text{C}$ xuất hiện hiện tượng mất ổn định keo.

• Đặc trưng hóa lý và hình thái cấu trúc hạt nano vàng (ghi nhận qua danh mục kết quả):
  • Phổ FT-IR: So sánh dịch chiết SG và SG-AuNPs xác nhận sự chuyển dịch và suy giảm cường độ của các dải dao động $-\text{OH}$, $\text{C=O}$, $\text{C-O}$, chứng minh các hợp chất polyphenol/flavonoid trong La Hán Quả đã tham gia khử ion $\text{Au}^{3+}$ và bám phủ trên bề mặt hạt Au.
  • Phổ XRD và ảnh SAED: Khẳng định cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (fcc) của Au tinh khiết, tương ứng với các mặt phẳng tinh thể đặc trưng của vàng kim loại.
  • Ảnh HR-TEM và TEM: Các hạt SG-AuNPs có dạng hình cầu phân tán đều, kích thước hạt trung bình trong khoảng vài nanomet (ảnh TEM ở thang đo 5 nm và 20 nm thể hiện rõ các vạch mạng tinh thể).
  • Phổ tán sắc năng lượng EDX: Xác nhận sự hiện diện chiếm ưu thế của nguyên tố vàng (Au) trong mẫu.
  • Đo DLS và thế Zeta: Cho thấy sự phân bố kích thước hạt thủy động trong dung dịch và giá trị thế Zeta âm, chứng minh lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt giúp hệ keo duy trì trạng thái phân tán ổn định.
• Hoạt tính xúc tác và động học chuyển hóa 2-NP và 3-NP:
  • Khi chỉ có mặt $\text{NaBH}_4$, màu vàng của dung dịch nitrophenolate không đổi theo thời gian. Khi bổ sung xúc tác SG-AuNPs, đỉnh hấp thụ của 2-NP (khoảng 415 nm) và 3-NP (khoảng 390 nm) giảm nhanh chóng theo thời gian phản ứng (từ 2 đến 14 phút), đồng thời xuất hiện đỉnh hấp thụ mới của sản phẩm aminophenol (2-AP và 3-AP), dung dịch chuyển sang không màu.
  • Động học phản ứng tuân theo quy luật giả bậc nhất. Đồ thị $\ln(A_t/A_0)$ phụ thuộc tuyến tính vào thời gian phản ứng, cho phép tính toán các hằng số tốc độ phản ứng $k$.
  • Khảo sát nhiệt độ từ 30 đến $70^\circ\text{C}$ cho thấy tốc độ phản ứng tăng rõ rệt khi nhiệt độ tăng. Đồ thị Arrhenius $\ln k$ theo $1/T$ cho phép xác định năng lượng hoạt hóa $E_a$ và các thông số nhiệt động lực học của quá trình phân hủy 2-NP và 3-NP.
  • Đánh giá khả năng tái sử dụng: Xúc tác SG-AuNPs sau 3 chu kỳ phản ứng liên tiếp vẫn duy trì hiệu suất chuyển hóa cao, chứng tỏ độ bền cơ học và hóa học của vật liệu nano tổng hợp xanh.
• Ứng dụng cảm biến so màu phát hiện cation chì ($\text{Pb}^{2+}$):
  • Tính chọn lọc: Dung dịch keo SG-AuNPs chỉ xuất hiện hiện tượng đổi màu và suy giảm/dịch chuyển đỉnh phổ hấp thụ SPR khi có mặt ion $\text{Pb}^{2+}$, trong khi các cation khác ($\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$) không gây ra hiện tượng này. Ảnh TEM của hệ SG-AuNPs sau khi thêm ion $\text{Pb}^{2+}$ ($100\text{ }\mu\text{M}$) xác nhận hiện tượng keo tụ do ion chì tương tác phối trí với các nhóm chức hữu cơ bao bọc trên bề mặt hạt nano.
  • Khoảng tuyến tính và thẩm định: Xây dựng đường tương quan giữa nồng độ $\text{Pb}^{2+}$ và độ nhạy tương đối $S$ trong khoảng nồng độ rộng từ 0 đến $5000\text{ }\mu\text{M}$, với khoảng tuyến tính định lượng từ 0 đến $1000\text{ }\mu\text{M}$. Các giá trị LOD và LOQ được tính toán thông qua 11 lần đo lặp tại nồng độ $200\text{ }\mu\text{M}$.
  • Thử nghiệm trên nền mẫu thực tế: Đánh giá độ nhạy và độ đúng trên mẫu nước ao nhân tạo chứa ion cản trở ($\text{Na}^+$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$) với 2 mức nồng độ chì thêm chuẩn là $20\text{ }\mu\text{M}$ và $350\text{ }\mu\text{M}$, cho kết quả nhận biết rõ ràng thông qua phổ UV-Vis.

Kết quả và đóng góp của đề tài

Các kết quả thực nghiệm chính đã đạt được trong khóa luận:

• Tổng hợp thành công hạt nano vàng theo quy trình xanh, hoàn toàn không sử dụng hóa chất khử độc hại hay chất hoạt động bề mặt tổng hợp: Sử dụng dịch chiết nước từ 5,0 g thịt quả La Hán Quả khô trích ly ở $100^\circ\text{C}$ trong 60 phút làm tác nhân khử và chất bảo vệ bề mặt cho tiền chất $\text{HAuCl}_4$.
• Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu cho quy trình tổng hợp nano SG-AuNPs: Thời gian phản ứng 50 phút, nồng độ muối vàng $\text{Au}^{3+}$ 0,75 mM, nhiệt độ phản ứng $80^\circ\text{C}$. Sản phẩm keo nano vàng thu được có màu đỏ ruby đặc trưng với dải cộng hưởng plasmon bề mặt hấp thụ trong vùng 520–580 nm.
• Làm sáng tỏ cấu trúc hóa lý và hình thái của vật liệu SG-AuNPs: Kết quả HR-TEM, XRD và SAED chứng minh hạt nano vàng có dạng hình cầu, kích thước phân bố đều ở quy mô vài nanomet, kết tinh theo hệ lập phương tâm mặt. Phổ FT-IR làm rõ cơ chế liên kết của các hợp chất hữu cơ tự nhiên trong quả La Hán Quả lên bề mặt hạt Au.
• Chứng minh hoạt tính xúc tác cao đối với các chất ô nhiễm hữu cơ: Hệ xúc tác SG-AuNPs phối hợp với chất khử $\text{NaBH}_4$ chuyển hóa hoàn toàn 2-NP và 3-NP thành 2-AP và 3-AP trong thời gian ngắn (2–14 phút), phản ứng tuân theo động học giả bậc nhất, xác định được năng lượng hoạt hóa $E_a$ trong dải nhiệt độ $30–70^\circ\text{C}$ và xúc tác có khả năng tái sử dụng tốt sau 3 chu kỳ phản ứng.
• Chế tạo thành công cảm biến so màu có độ chọn lọc cao với ion $\text{Pb}^{2+}$: Cảm biến hoạt động dựa trên cơ chế keo tụ cảm ứng bởi $\text{Pb}^{2+}$, phản ứng nhanh trong vòng 5 phút, khoảng tuyến tính từ 0 đến $1000\text{ }\mu\text{M}$, xác định được LOD, LOQ và chứng minh khả năng ứng dụng thực tế trên nền nước ao mô phỏng có chứa các muối $\text{NaCl}$, $\text{BaCl}_2$, $\text{FeCl}_3$.

Đóng góp của đề tài:

• Mở ra hướng tiếp cận mới trong việc tận dụng nguồn dược liệu tự nhiên phổ biến tại Việt Nam (quả La Hán Quả) để chế tạo vật liệu nano kim loại quý, giúp giảm chi phí hóa chất, thân thiện với môi trường và an toàn cho người thực hiện.
• Phát triển một hệ vật liệu đa chức năng (vừa làm xúc tác xử lý chất ô nhiễm vòng thơm, vừa làm cảm biến sinh học so màu định lượng kim loại nặng) với quy trình chế tạo đơn giản, đóng góp số liệu thực nghiệm có giá trị cho lĩnh vực hóa phân tích và xử lý môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Quy mô thực nghiệm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (in-vitro) với thể tích dung dịch nhỏ và nồng độ chất phản ứng ở mức vi lượng.
• Phép đo định lượng ion $\text{Pb}^{2+}$ trên nền mẫu thực tế mới được kiểm tra trên mẫu nước ao mô phỏng tự pha chế từ các muối vô cơ đơn giản ($\text{NaCl}$, $\text{BaCl}_2$, $\text{FeCl}_3$), chưa khảo sát toàn diện trên các mẫu nước thải công nghiệp thực tế có thành phần nền phức tạp chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan, chất hoạt động bề mặt hoặc độ đục cao.
• Độ bền phân tán của hệ keo nano vàng tổng hợp xanh chưa được theo dõi đánh giá qua thời gian lưu trữ dài hạn (nhiều tháng) trong các điều kiện bảo quản khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng khảo sát độ ổn định và tuổi thọ của hệ keo nano SG-AuNPs theo thời gian bảo quản, khảo sát thêm các yếu tố ảnh hưởng của môi trường như pH và lực ion.
• Ứng dụng cảm biến so màu SG-AuNPs để phân tích định lượng ion $\text{Pb}^{2+}$ trên các đối tượng mẫu nước tự nhiên và nước thải công nghiệp thực tế từ các làng nghề tái chế ắc quy, mạ điện hoặc khai khoáng.
• Khảo sát mở rộng hoạt tính xúc tác của SG-AuNPs đối với các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác như các phẩm nhuộm azo (Rhodamine B, Methylene Blue, Methyl Orange) và các dẫn xuất nitro thơm khác.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu đối với:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa phân tích, Công nghệ Vật liệu, Khoa học Môi trường và Công nghệ Sinh học: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết và quy trình thực nghiệm rõ ràng về phương pháp tổng hợp xanh hạt nano kim loại từ nguồn thực vật.
• Các nhà nghiên cứu đang làm đề tài về cảm biến sinh học (biosensor/colorimetric sensor): Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về khảo sát độ chọn lọc cation, kỹ thuật dựng đường chuẩn phân tích trắc quang, quy trình xác định các chỉ số thẩm định phân tích (LOD, LOQ theo 3SD và 10SD) và phương pháp đánh giá mẫu giả lập.
• Các nhóm nghiên cứu về xúc tác môi trường: Cung cấp quy trình bài bản về thiết lập phản ứng phân hủy nitrophenol bằng $\text{NaBH}_4$, phương pháp tính toán động học phản ứng bậc nhất, cách xác định năng lượng hoạt hóa theo phương trình Arrhenius và quy trình thu hồi, tái sử dụng xúc tác nano dạng bột/keo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dịch chiết quả La Hán Quả có thể khử được ion vàng $\text{Au}^{3+}$ thành hạt nano vàng mà không cần chất khử hóa học?

Trong quả La Hán Quả chứa hàm lượng dồi dào các hợp chất tự nhiên có tính chống oxy hóa mạnh như mogroside (đặc biệt là Mogroside V, IV), polyphenol, flavonoid, vitamin C, polysaccharide và đường khử (glucose, fructose). Các hợp chất này mang nhiều nhóm chức hydroxyl ($-\text{OH}$) và carbonyl ($\text{C=O}$) có thế oxy hóa - khử phù hợp để nhường electron, khử các cation $\text{Au}^{3+}$ trong dung dịch muối $\text{HAuCl}_4$ về trạng thái nguyên tử $\text{Au}^0$, đồng thời các phân tử sinh học này hấp phụ lên bề mặt hạt nano mới hình thành, đóng vai trò như chất bảo vệ (capping agent) ngăn chặn các hạt kết tụ.

2. Các thông số công nghệ tối ưu để tổng hợp hạt nano vàng SG-AuNPs là bao nhiêu?

Qua thực nghiệm khảo sát quang phổ hấp thụ UV-Vis, tác giả đã xác định được bộ thông số tối ưu gồm:

• Thời gian phản ứng: 50 phút.
• Nồng độ dung dịch muối vàng $\text{Au}^{3+}$ ($\text{HAuCl}_4$): 0,75 mM.
• Nhiệt độ phản ứng: $80^\circ\text{C}$. Tại các điều kiện này, dung dịch hạt nano thu được có cường độ hấp thụ plasmon bề mặt ($A_{\max}$) cao nhất và hệ keo đạt độ ổn định phân tán tốt nhất.

3. Phản ứng xúc tác phân hủy nitrophenol bằng chất khử $\text{NaBH}_4$ có mặt SG-AuNPs diễn ra theo mô hình động học nào?

Phản ứng phân hủy 2-nitrophenol (2-NP) và 3-nitrophenol (3-NP) thành aminophenol tương ứng (2-AP và 3-AP) tuân theo mô hình động học giả bậc nhất (pseudo-first-order). Nguyên nhân là do nồng độ của chất khử $\text{NaBH}_4$ (1,0 M) được dùng dư thừa rất lớn so với nồng độ của các hợp chất nitrophenol (1,0 mM), làm cho tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nitrophenol theo thời gian, thể hiện qua đồ thị biểu diễn $\ln(A_t/A_0)$ theo thời gian phản ứng là đường thẳng.

4. Cơ chế hoạt động của cảm biến so màu SG-AuNPs khi phát hiện ion chì ($\text{Pb}^{2+}$) là gì?

Cảm biến hoạt động dựa trên hiện tượng keo tụ hạt nano gây ra bởi ion kim loại (ion-induced aggregation). Khi có mặt cation $\text{Pb}^{2+}$, ion này tương tác phối trí mạnh với các nhóm chức hữu cơ (như $-\text{OH}$, $-\text{COO}^-$) có trên lớp vỏ bảo vệ sinh học của hạt SG-AuNPs, làm trung hòa điện tích bề mặt và kéo các hạt nano lại gần nhau. Sự keo tụ này làm thay đổi dải cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), dẫn đến sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ trên phổ UV-Vis và sự biến đổi màu sắc dung dịch mà mắt thường có thể quan sát trực tiếp được mà không bị cản trở bởi các cation kim loại khác như $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$.

5. Cảm biến so màu chế tạo trong khóa luận có khoảng làm việc tuyến tính và giới hạn phát hiện như thế nào?

Cảm biến so màu SG-AuNPs có khoảng tuyến tính đo nồng độ $\text{Pb}^{2+}$ nằm trong dải từ 0 đến $1000\text{ }\mu\text{M}$ (được xác định trên phạm vi khảo sát từ 0 đến $5000\text{ }\mu\text{M}$). Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp được tính toán dựa trên độ lệch chuẩn của 11 lần đo lặp tại nồng độ bắt đầu keo tụ ($200\text{ }\mu\text{M}$) theo công thức $\text{LOD} = 3\text{SD}$ và $\text{LOQ} = 10\text{SD}$, đồng thời phương pháp đã chứng minh được độ nhạy tốt khi áp dụng trên mẫu nước ao mô phỏng chứa các nồng độ $\text{Pb}^{2+}$ ở mức $20\text{ }\mu\text{M}$ và $350\text{ }\mu\text{M}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Dương Trường Giang đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xanh hạt nano vàng (SG-AuNPs) sử dụng dịch chiết từ quả La Hán Quả với các điều kiện công nghệ tối ưu hóa rõ ràng (50 phút, 0,75 mM $\text{Au}^{3+}$, $80^\circ\text{C}$). Vật liệu thu được có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt, kích thước nanomet đồng đều và độ phân tán ổn định cao nhờ lớp vỏ bao phủ sinh học tự nhiên. Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả ứng dụng kép nổi bật của SG-AuNPs: làm chất xúc tác hoạt tính cao chuyển hóa triệt để các hợp chất độc hại 2-nitrophenol và 3-nitrophenol với khả năng tái sử dụng bền bỉ, đồng thời đóng vai trò là cảm biến so màu có độ chọn lọc cao giúp phát hiện và định lượng nhanh ion kim loại nặng $\text{Pb}^{2+}$ trong môi trường nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về công nghệ nano 1. Khái niệm về công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ hiện đại và được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong các lĩnh vực liên quan đến phân tích, chế tạo, thiết kế hệ thống và thiết bị cùng với đó nó cũng đóng góp rất lớn trong khoa học bề mặt, hoá học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ năng lượng [11][12],…. Bằng việc điều khiển kích thước và hình dáng trên quy mô nm (nm, 1 nm = 10-9 m), vật liệu nano này có những tính năng riêng biệt mà ta không tìm thấy được ở các loại vật liệu truyền thống trước đây [13].

Các tính năng ấy có được là nhờ vật liệu chỉ ở kích thước nano nó làm cho diện tích bề mặt của vật liệu tăng Hình 1. So sánh kích thước các vật đáng kể so với các loại vật liệu truyền thống [13]. Vật liệu nano Người ta phân loại vật liệu nano dựa trên hai yếu tố đó là trạng thái tồn tại và theo một dạng nữa là trạng thái hình dáng của vật liệu: Theo trạng thái tồn lại của vật liệu bào gồm ba dạng đó là: Dạng rắn, lỏng và trạng thái khí (theo nghiên cứu trích dẫn thì trạng thái nano rắn đang được sử dụng phổ biến và nó cũng là lĩnh vực được nghiên cứu nhiều nhất trong ngành công nghệ vật liệu hay cụ thể hơn là ngành vật liệu nano) [14]. Theo hình dáng của vật liệu, vật liệu nano là vật liệu mà trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano, nên người ta đặt tên cho chúng dựa trên số chiều không gian bị giới hạn bởi kích thước đó như sau: 5 Vật liệu nano không chiều được hiểu là cả ba chiều điều có kích thước nano [14].

Ví dụ: đám nano, hạt nano Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó có một chiều ở kích thước nano [14]. Ví dụ: dây nano, ống nano Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano [14]. Ví dụ: màng mỏng Ngoài ra còn có vật liệu Nanocomposite trong đó một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó bao gồm các dạng nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen vào nhau tạo thành [14]. Nguồn gốc của công nghệ nano Năm 1959 nhà vật lý thiên tài Richard Feynman đã đặt ra nhiều ý tưởng về kỹ thuật thu nhỏ vật liệu, từ ý tưởng táo bạo ấy đã là nền móng cho một công nghê mới ra đời mà ngày nay gọi là công nghệ Nano.

Tận đến năm 1974 thì nhà nghiên cứu Nario Taniguchi người nhật bản mới sử dụng thuật ngữ công nghệ nano để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử nhưng chưa được nhiều người chú ý [15]. Sau bài nghiên cứu đầy thuyết phục của Feynman thì các nhà nghiên cứu mới bắt đầu tìm hiểu, và mở rộng ý tưởng mà Feynman đã đặt ra. Sau đó một loạt công bố của các nhà khoa học làm cho ý tưởng của Feynman đã từng bước được nhiều người đón nhận. Năm 1981 hai nhà nghiên cứu của công ty IBM, là G.

Rohrer, tuyên bố với thế giới là hai ông đã nhìn thấy nguyên tử bằng kính Hình 1. Richard Feynman hiển vi quét đường hầm (scanning tunelling microscope) do hai ông phát minh [15]. Schweizer cũng tại IBM lần đầu tiên cảm được nguyên tử. Hai ông sử dụng đầu dò của STM để di chuyển từng đơn vị nguyên tử theo ý của mình [15].

Đầu những năm 2000, chính phủ của một số nước tiên tiến đầu tư, thúc đẩy mạnh khoa học và công nghệ, trong đó ngành công nghệ nano đặc biệt được chú trọng, các cuộc tranh luận xung quanh thuật ngữ công nghệ nano ngày càng sôi nổi hơn và có nhiều bước tiến vượt bậc [16]. Và hiện nay, ngành công nghệ nano cũng chưa có dấu hiệu suy giảm, được ứng dụng nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như: vật liệu, mỹ phẩm, y sinh,… 1. Các phương pháp tổng hợp nano kim loại: Phương pháp ăn mòn laser: Ta tiến hành chiếu một chùm laser có bước sóng ở 532 nm, kèm với các thông số như sau độ rộng xung 10 ns, tần số 10 Hz, và mức năng lượng mỗi xung là 90 mJ, lên 6 đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1–3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser thì các hạt có kích thước nano khoảng 10 nm được hình thành [17].

Phương pháp khử hoá lý: Là một phương pháp kết hợp giữa vật lý và hoá học. Nguyên tắc là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để từ đó tạo ra được hạt nano. Thông qua quá trình điện phân thì các hạt nano bám lên điện cực âm, lúc đó người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano sẽ tự rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [18][19]. Phương pháp từ dưới lên: Các hạt nano được tạo ra bằng cách cho nguyên tử hay phân tử kết hợp lại với nhau.

Phương pháp này dễ dàng thay đổi các thông số hay hệ phản ứng của quá trình tổng hợp, khi đó kích thước, hình dạng và cấu tạo ra các sản phẩm có chất lượng cũng như khả năng ứng dụng tốt hơn [20]. Phương pháp này cần sử dụng các tác chất là phức cơ kim hay muối kim loại thích hợp với quy trình tổng hợp. Bù lại phương pháp này có thể áp dụng được ở cả ba trạng thái tồn tại của vật liệu là rắn, lỏng, khí và ta có thể kiểm soát kích thước hạt qua quá trình kiểm soát sự hình thành mầm và phát triển hạt [20]. Phương pháp từ trên xuống: Sử dụng các quá trình nghiền cơ học để chia nhỏ vật liệu khối thành kích cỡ nano từ các quá trình nghiền cơ học.

Có một số ưu điểm hơn so với phương pháp từ dưới lên đó là thao tác đơn giản, hạn chế quá trình bay hơi và các chất thải độc hại sinh ra trong phương pháp từ dưới lên từ đó có tác dụng tích cực trong việc bảo vệ môi trường. Tuy nhiên do sử dụng chủ yếu là các phương pháp cơ học nên chất lượng các hạt nano tạo ra từ phương pháp này có chất lượng thấp hơn phương pháp từ dưới lên, sản phẩm bị nhiễm tạp chất từ thiết bị nghiền, diện tích bề mặt hạt thấp, sự phân bố về hình dạng và kích thước không đều và tốn nhiều năng lượng [20]. Ứng dụng của nano kim loại Vì là một công nghệ đã được nghiên cứu từ nhiều năm trước nên bề dày ứng dụng của vật liệu nano vô cùng đồ sộ có thể kể đến như: Trong ngành công nghiệp điện tử và cơ khí hiện nay. Các bộ phận hay linh kiện được làm bằng vật liệu nano cho một tốc độ xử lý cực nhanh, ngoài ra nó còn được dùng để chế tạo máy tính nano, các thiết bị ghi thông tin với kích thước cực nhỏ, làm màn hình điện thoại, sơn phủ lên các thiết bị hay linh kiện như bàn phím, chuột, thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ.

Trong công nghệ chuyển đổi và phân phối năng lượng quá trình truyền tải năng lượng sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao được tối ưu hoá ở thiết kế bề mặt ở cấp độ nano làm tăng hiệu năng của quá trình truyền tải. Dây truyền tải năng lượng sử dụng các ống nano Cac-bon (CNT). Cùng với đó được ứng dụng để chế tạo các loại pin nhiên liệu. 7 Lĩnh vực xử lý nước thải, nano kim loại cũng đang được phát triển để ứng dụng cho nhiều quy trình công nghiệp và xử lý và phát hiện các thành phần ion kim loại nặng trong nước thải [21].

Làm sạch và dọn dẹp môi trường ứng dụng bao gồm khử muối nước, lọc nước, xử lý nước thải, xử lý nước ngầm [21]. Trong công nghiệp, các ứng dụng có thể bao gồm vật liệu xây dựng, hàng hóa quân sự, gia công dây nano, thanh nano vài lớp Graphene [22]. Cùng với những ứng dụng nổi bật đã được đề cập trước đó thì công nghệ nano cũng mang lại vô số những ứng dụng và tiện ích thuận lợi cho ngành y và được xem là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ Nano: Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư, nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào [23]. Một nghiên cứu đã cho kết quả là các hạt nano vàng sẽ được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó có thể dùng các tia như siêu âm, laser, hồng ngoại để kích thích gia nhiệt các hạt nano vàng, nhiệt nóng sẽ tiêu diệt tế bào ung thư mà không hại tế bào lành khác [23].

Giới thiệu về La Hán Quả (SG) 1. Sơ lược về La Hán Quả (SG) Tên khoa học Siraitia grosvenorii Giới Plantea Bộ Cucurbitales Họ Cucurbitaceae Tông Joliffieae Phân Tông Thladianthinae Chi Siraitia La hán quả hay tên khoa học gọi là Siraitia grosvenorii (SG), một loài thuộc thực vật họ Cucurbitaceae, và quả của nó còn thường được gọi là Luo hanguo (LHG). SG được trồng rộng rãi ở tỉnh Quảng Tây Trung Quốc, Indonesia và Việt Nam và Thái Lan. LHG đã được sử dụng từ nhiều thập kỷ trước ở Trung Quốc như một chất làm ngọt tự nhiên và là một loại thuốc truyền thống để điều trị các bệnh như tắc nghẽn phổi [24-29], cảm lạnh và đau họng [27-29].

Năm 1987, LHG đã được công nhận là một loại quả ăn được và có tính dược học vô cùng phong phú cho sức khoẻ con người [30]. Đến nay, sau nhiều công trình nguyên cứu về dược tính của SG ta hoàn toàn khẳng định được rằng LHG có tác dụng điều trị các loại bệnh như: ho, các bệnh liên quan đến hô hấp, bảo vệ gan, giảm glucose, tăng 8 cường miễn dịch và chống ung thư [30]. Do đó các sản phẩm được tạo thành từ LHG đã được phê duyệt như là thực phẩm chức năng bổ sung vào chế độ ăn uống của một số quốc gia lớn như Nhật Bản, Hoa Kỳ, New Zealand và Úc [24]. Nhờ các đặc tính dược học quý giá trên nên LHG càng ngày càng có giá trị kinh tế cao nên SG được nhân giống và lai tạo ra nhiều giống cây mới để có thể phát huy tối đa được thành phần dược học đó và phát triển trồng được ở quy mô lớn [30].

Mô tả về La Hán Quả Các bài báo đã nghiên cứu về hình dáng và màu sắc của La hán quả cho ta được những nhận định sau đây: SG là thực vật dạng lưỡng niên và có thân leo [31]. Chiều dài thân cây từ 1-3 met.