Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nano ZnO Pha Tạp Eu và Ứng Dụng Trong Phân Tích Kháng Sinh Quinolone

Nano ZnO là vật liệu oxit kẽm có kích thước ở cấp độ nanomet, mang lại các tính chất đặc biệt so với vật liệu ZnO thông thường. Việc pha tạp Europium (Eu) vào cấu trúc nano ZnO là quá trình đưa các ion Eu vào mạng lưới tinh thể ZnO, tạo ra các trung tâm phát quang. Eu3+ trong mạng nền ZnO cho phép mở nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế bởi hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và bền trong các điều kiện ứng dụng khác nhau, theo nghiên cứu của Vũ Bảo Trung (2022). Sự pha tạp này có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ phương pháp hóa học ướt đến phương pháp lắng đọng pha hơi.

Vật liệu nano ZnO pha tạp Eu sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với ZnO thông thường. Đầu tiên, nó có khả năng phát quang mạnh mẽ ở vùng ánh sáng nhìn thấy, do các ion Eu phát ra ánh sáng đặc trưng khi bị kích thích. Thứ hai, việc pha tạp Eu có thể cải thiện độ ổn định của ZnO và giảm thiểu các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể. Cuối cùng, vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học và hấp phụ. Như vậy, nano ZnO pha tạp Eu là một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hiện nay có một số nghiên cứu sử dụng nano oxit kẽm cũng như Eu3+ để tăng độ nhạy của phương pháp khi phân tích một số loại kháng sinh.

Việc phát hiện dư lượng kháng sinh Quinolone trong các mẫu phức tạp như nước thải, đất, hoặc mẫu sinh học gặp nhiều khó khăn do nồng độ kháng sinh thường rất thấp. Các chất nền trong mẫu có thể gây nhiễu và ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Ngoài ra, một số kháng sinh Quinolone có cấu trúc tương tự nhau, gây khó khăn trong việc phân biệt và định lượng chính xác từng chất. Vì vậy, cần có các phương pháp phân tích có độ nhạy và độ chọn lọc cao để giải quyết vấn đề này. Theo Vũ Bảo Trung (2022), sự hiện diện dư lượng kháng sinh trong môi trường đã tạo thành một mối đe dọa mới đối với sức khỏe và sinh thái của con người, vật nuôi, đặc biệt là những kháng sinh không có nguồn gốc tự nhiên khó phân hủy sinh học như nhóm quinolone.

Các phương pháp phân tích Quinolone hiện nay, như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký khí khối phổ (GC-MS), có những hạn chế nhất định. HPLC đòi hỏi quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp và sử dụng dung môi hữu cơ đắt tiền. GC-MS có độ nhạy cao hơn, nhưng đòi hỏi quá trình derivat hóa mẫu và có thể không phù hợp với các kháng sinh Quinolone có độ bền nhiệt kém. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp phân tích thay thế, đơn giản hơn, và hiệu quả hơn là một nhu cầu cấp thiết.

Phương pháp sol-gel là một phương pháp phổ biến để tổng hợp nano ZnO pha tạp Eu do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng kiểm soát kích thước hạt tốt. Quy trình bao gồm việc hòa tan các tiền chất của ZnO (ví dụ, kẽm axetat) và Eu (ví dụ, europium nitrat) trong dung môi, sau đó tạo gel bằng cách điều chỉnh pH hoặc nhiệt độ. Gel sau đó được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu nano. Xi Chen, Qi Wang và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các hạt nano ZnO bằng phương pháp sol-gel (Chen et al., 20XX). Các hạt nano ZnO được tổng hợp có kích thước 7,4 nm, kết tinh tốt, phân tán tốt trong nước và ổn định ánh sáng, có khả năng phát quang.

Phương pháp nhiệt phân là một phương pháp khác để tổng hợp nano ZnO pha tạp Eu, trong đó các tiền chất được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường kiểm soát. Phương pháp này có thể tạo ra các hạt nano có độ tinh khiết cao và kích thước đồng đều. Tuy nhiên, việc kiểm soát nhiệt độ và thành phần khí quyển là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của sản phẩm. Nhóm các tác giả Yousheng Zhang, Lisheng Wang, Xiaohua Liu, Yunjie Yan, Changqiang Chen và Jing Zhu đã thực hiện tổng hợp các thanh và mảng oxit nano/micro kẽm bằng phương pháp bốc hơi nhiệt (Zhang et al., 20XX).

Cơ chế tăng cường huỳnh quang của Quinolone bởi nano ZnO pha tạp Eu có thể được giải thích bằng hiệu ứng cộng hưởng năng lượng (Förster resonance energy transfer - FRET). Các ion Eu trong ZnO hấp thụ năng lượng từ ánh sáng kích thích và chuyển năng lượng này đến các phân tử Quinolone, làm tăng cường độ huỳnh quang của chúng. Ngoài ra, nano ZnO có thể hấp phụ Quinolone trên bề mặt, tạo điều kiện cho quá trình FRET diễn ra hiệu quả hơn.

Để đánh giá tính ứng dụng thực tế, nano ZnO pha tạp Eu đã được sử dụng để phân tích các mẫu nước bị ô nhiễm bởi kháng sinh Quinolone. Kết quả cho thấy phương pháp này có độ chính xác và độ nhạy cao, có thể phát hiện Quinolone ở nồng độ thấp hơn so với các phương pháp truyền thống. Các thử nghiệm cũng cho thấy phương pháp này có khả năng loại bỏ nhiễu từ các chất nền trong mẫu, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và đánh giá tính chất của vật liệu nano ZnO pha tạp Eu. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng tăng cường huỳnh quang của kháng sinh Quinolone, cho phép phát hiện và định lượng các chất này ở nồng độ rất thấp. Nghiên cứu cũng đã chứng minh tính ứng dụng thực tế của vật liệu trong việc phân tích các mẫu nước bị ô nhiễm, mở ra tiềm năng cho việc phát triển các phương pháp phân tích nhanh chóng, hiệu quả và độ nhạy cao.

Trong tương lai, nghiên cứu về vật liệu nano ZnO pha tạp Eu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp để tạo ra vật liệu có kích thước, hình dạng và thành phần đồng đều hơn. Nghiên cứu cũng có thể khám phá các ứng dụng mới của vật liệu trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, quang điện tử, và y học. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp phân tích sử dụng nano ZnO pha tạp Eu có thể giúp cải thiện việc kiểm soát chất lượng nước và đảm bảo an toàn thực phẩm.