Khảo sát tác động của đèn LED 405 nm lên khả năng bất hoạt vi khuẩn Escherichia coli

Khảo sát ảnh hưởng của đèn LED bước sóng 405 nm đến khả năng bất hoạt vi khuẩn Escherichia coli trong luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật.

• Tác giả: Lê Công Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Tấn Thi
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Tác Động Của Đèn LED Bước Sóng 405 Nm Đến Khả Năng Tiêu Diệt Vi Khuẩn E. Coli
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu về Đi-ốt phát quang (Light-Emitting-Diode LED)
• 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.1.2. Vật liệu bán dẫn nhóm III – nitride
• 2.1.3. Cấu trúc LED từ vật liệu InGaN
• 2.1.4. Ưu điểm và ứng dụng của công nghệ LED sợi nano
• 2.2. Phương pháp sử dụng ánh sáng trong bất hoạt vi khuẩn có hại
• 2.2.1. Phương pháp diệt khuẩn
• 2.2.2. Phương pháp bất hoạt vi khuẩn dùng ánh sáng xanh
• 2.3. Thực trạng nhiễm khuẩn (vi khuẩn có hại phổ biến)
• 2.3.1. Đặc điểm sinh học
• 2.3.2. Khả năng gây bệnh
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Kỹ thuật vi sinh
• 3.1.1. Môi trường nuôi cấy
• 3.1.2. Thao tác thực hiện
• 3.2. Hệ thống đèn LED
• 3.2.1. Thiết kế và chế tạo
• 3.2.2. Thông số thực nghiệm
• 3.3. Xây dựng thí nghiệm
• 3.3.1. Thí nghiệm tác dụng của thời gian chiếu và khoảng cách chiếu
• 3.3.2. Thí nghiệm tác dụng của liều chiếu
• 3.4. Thống kê và xử lý số liệu
• 3.4.1. Phương pháp thu nhập số liệu
• 3.4.2. Phương pháp phân tích số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Ảnh hưởng của thời gian và khoảng cách chiếu
• 4.2. Mối quan hệ giữa thời gian và khoảng cách chiếu thông qua năng lượng
• 4.3. Khả năng đáp ứng sinh học trước tác động bất lợi
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đèn LED bước sóng 405 nm

Đèn LED (Light Emitting Diode) bước sóng 405 nm đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu về khả năng tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn Gram âm như E. coli. Nghiên cứu cho thấy, ánh sáng từ đèn LED ở bước sóng này có khả năng tác động mạnh mẽ đến cấu trúc tế bào vi khuẩn, dẫn đến khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả. Việc sử dụng đèn LED trong y tế không chỉ giúp khử trùng không gian mà còn có thể ứng dụng trong kiểm soát các mầm bệnh trong thực phẩm. Theo một nghiên cứu, khả năng tiêu diệt vi khuẩn của đèn LED bước sóng 405 nm có thể đạt tới 90% ở nồng độ vi khuẩn 105 CFU/ml, cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong việc nâng cao an toàn thực phẩm.

II. Tác động của ánh sáng LED đến khả năng kháng khuẩn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ánh sáng LED bước sóng 405 nm có khả năng tiêu diệt vi khuẩn thông qua cơ chế quang động, nơi nhiệt độ ánh sáng và thời gian chiếu là những yếu tố quyết định. Các thí nghiệm cho thấy, khi tăng thời gian chiếu, khả năng tiêu diệt vi khuẩn cũng tăng theo. Điều này có thể giải thích bởi năng lượng tương tác giữa ánh sáng và tế bào vi khuẩn. Một nghiên cứu cho biết, việc điều chỉnh khoảng cách giữa đèn LED và mẫu vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn. Khoảng cách gần cho phép năng lượng ánh sáng tác động mạnh hơn, từ đó nâng cao hiệu quả diệt khuẩn.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả thu được

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc sử dụng đèn LED bước sóng 405 nm để chiếu sáng trực tiếp lên mẫu vi khuẩn E. coli. Kết quả cho thấy, khả năng kháng khuẩn của ánh sáng này không chỉ phụ thuộc vào thời gian chiếu mà còn vào cường độ ánh sáng. Các thí nghiệm chỉ ra rằng đèn LED có thể sử dụng trong các ứng dụng thực tế như khử trùng bề mặt, không khí và thực phẩm. Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy, khả năng tiêu diệt vi khuẩn đạt hiệu quả cao nhất khi kết hợp giữa thời gian chiếu dài và khoảng cách gần, mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc ứng dụng đèn LED trong y tế và an toàn thực phẩm.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về tác động của đèn LED bước sóng 405 nm đến khả năng tiêu diệt vi khuẩn E. coli có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các phương pháp diệt khuẩn an toàn và hiệu quả. Việc ứng dụng đèn LED trong bảo quản thực phẩm không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, công nghệ này còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như y tế, nơi mà việc kiểm soát nhiễm khuẩn là rất quan trọng. Việc sử dụng đèn LED cũng giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, đồng thời mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và ứng dụng mới trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm toàn cầu ghi nhận hơn 600 triệu ca mắc bệnh do thực phẩm không an toàn với khoảng 420.000 ca tử vong, gây tổn thất kinh tế ước tính lên tới 95,2 tỷ USD tại các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình. Tại Việt Nam, tình trạng nhiễm khuẩn chéo trong chuỗi cung ứng thực phẩm và môi trường y tế đang ở mức đáng báo động. Kết quả phân tích tại các chợ và lò mổ cho thấy tỷ lệ nhiễm khuẩn Escherichia coli (E. coli) trên các mẫu thịt tươi sống đạt mức 100%, trong khi tỷ lệ nhiễm khuẩn bệnh viện chiếm trung bình 10% tổng số bệnh nhân nội trú. Đáng lo ngại hơn, tỷ lệ vi khuẩn E. coli kháng các loại kháng sinh mạnh như colistin đã tăng lên mức 30% đến 40%, thậm chí vượt 74% tại một số cơ sở y tế.

Các phương pháp khử khuẩn truyền thống như hóa chất, xử lý nhiệt hoặc chiếu xạ ion hóa (tia gamma từ Cobalt-60, tia X) thường để lại dư lượng độc hại, gây biến đổi mùi vị, làm thất thoát vitamin A, C, E và phá vỡ cấu trúc tự nhiên của sản phẩm. Trước thực trạng đó, việc ứng dụng bức xạ không ion hóa thuộc dải ánh sáng khả kiến trở thành hướng đi đột phá.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng bất hoạt chủng vi khuẩn E. coli ATCC 25922 bằng hệ thống đi-ốt phát quang (LED) bước sóng 405 nm cấu trúc sợi nano InGaN tiên tiến. Mục tiêu cụ thể là xác định cơ chế hiệu ứng quang động, khảo sát tác động của thời gian chiếu, khoảng cách chiếu và liều năng lượng bức xạ lên mức độ suy giảm của vi khuẩn. Đề tài được triển khai thực nghiệm từ tháng 02/2022 đến tháng 12/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM phối hợp với Khoa Y – ĐHQG-HCM. Kết quả nghiên cứu xác lập hiệu suất vô hiệu hóa vi khuẩn đạt 90% ở mật độ 10^5 CFU/ml, mang lại giá trị thực tiễn cao trong công nghệ bảo quản nông sản và kiểm soát vô trùng y tế mà không làm gia tăng nhiệt độ sinh lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết quang học và sinh học phân tử cốt lõi:

Thứ nhất là lý thuyết liệu pháp quang động kháng khuẩn (Photodynamic Therapy - PDT hay Antimicrobial Blue Light - aBL). Khác với PDT truyền thống cần bổ sung chất nhạy quang ngoại sinh, phương pháp aBL bước sóng xanh tím trong khoảng 400 nm đến 470 nm (đặc biệt là 405 nm đến 415 nm) kích hoạt trực tiếp các phân tử nhạy quang nội sinh porphyrin có sẵn trong tế bào vi khuẩn. Khi hấp thụ photon ánh sáng 405 nm, phân tử porphyrin chuyển từ trạng thái cơ bản S0 lên trạng thái kích thích S1, sau đó chuyển dịch sang trạng thái bộ ba T1 có thời gian sống khoảng 10^-3 giây.

Thứ hai là lý thuyết tương tác quang hóa tạo gốc oxy phản ứng (Reactive Oxygen Species - ROS). Quá trình này diễn ra qua hai con đường: Phản ứng Loại I tạo ra các gốc tự do như superoxide (O2-), hydro peroxide (H2O2) và gốc hydroxyl (OH-) có thời gian bán hủy chỉ 10^-9 giây; Phản ứng Loại II kích hoạt oxy phân tử thành oxy đơn bội (singlet oxygen, 1O2). Singlet oxygen có bán kính khuếch tán khoảng 100 nm, tấn công trực tiếp vào lớp màng ngoài lipopolysaccharide dày 2 nm, gây peroxy hóa lipid và phân mảnh chuỗi xoắn kép DNA, dẫn đến sự chết tế bào theo cơ chế tự hủy hoặc hoại tử.

Nghiên cứu ứng dụng các khái niệm kỹ thuật vật liệu bán dẫn nhóm III-nitride (hợp chất AlxGayInzN), cấu trúc phát xạ sợi nano InGaN có đường kính vài nanomet, mật độ công suất bức xạ (mW/cm2) và liều chiếu năng lượng tổng (J/cm2).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình nuôi cấy vi sinh vật chuẩn hóa. Chủng vi khuẩn sử dụng là Escherichia coli ATCC 25922 thuần chủng, được nuôi cấy trên môi trường thạch MacConkey agar và dung dịch dinh dưỡng Nutrient Broth (NB). Mật độ vi khuẩn ban đầu được chuẩn hóa ở nồng độ 10^5 CFU/ml bằng dung dịch muối đệm phosphate (PBS).

Hệ thống thiết bị gồm 6 chip LED sợi nano InGaN phát xạ bước sóng đỉnh 404,2 nm đến 410 nm, hoạt động với nguồn điện áp một chiều ổn định 12V. Đặc tính quang phổ và đường cong phân bố ánh sáng tọa độ cực của hệ LED được đo kiểm chuẩn xác tại Phòng thí nghiệm Chất lượng Thiết bị Chiếu Sáng VILAS 317 trực thuộc Công ty Cổ phần Bóng đèn Điện Quang.

Quy trình chọn mẫu và phân tích sử dụng phương pháp pha loãng thập phân liên tiếp, kết hợp kỹ thuật đổ đĩa thạch đường kính 90 mm và cấy gạt đếm khuẩn lạc hình thành (Colony Forming Unit - CFU). Lý do lựa chọn phương pháp này là vì đếm CFU chuẩn thức cho phép định lượng trực tiếp và chính xác số lượng vi khuẩn còn sống sót, loại bỏ sai số so với các phương pháp đo độ đục quang học gián tiếp. Mỗi nghiệm thức được lặp lại tối thiểu 3 lần độc lập để lấy giá trị trung bình thống kê. Toàn bộ quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu diễn ra xuyên suốt 10 tháng, từ ngày 14/02/2022 đến ngày 10/12/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã chứng minh các phát hiện định lượng quan trọng về tác động của ánh sáng 405 nm lên vi khuẩn E. coli ATCC 25922:

Thứ nhất, hệ thống LED 405 nm đạt hiệu suất bất hoạt vi khuẩn khoảng 90% (tương đương mức giảm 1 log10 CFU/ml) từ mật độ ban đầu 10^5 CFU/ml. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc vô hiệu hóa vi khuẩn gram âm mà không cần sử dụng bất kỳ hóa chất cảm quang bổ trợ nào.

Thứ hai, thời gian chiếu sáng là yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến tỷ lệ sống sót của vi khuẩn. Khi kéo dài thời gian phát xạ từ 10 phút lên các mốc thời gian cao hơn, mật độ khuẩn lạc trên đĩa thạch MacConkey giảm rõ rệt theo hàm mũ nghịch đảo. Khả năng vô hiệu hóa phụ thuộc nhiều vào thời gian phơi sáng hơn là cự ly phơi sáng.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện mối quan hệ tối ưu hóa giữa khoảng cách và năng lượng. Việc đặt mẫu ở một khoảng cách phù hợp kết hợp với thời gian chiếu đủ dài cho phép đạt hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn tương đương, nhưng lại tiêu hao mức năng lượng bức xạ tổng thể thấp hơn nhiều so với việc chiếu ở khoảng cách cực gần trong thời gian ngắn.

Thứ tư, hệ thống LED duy trì tính ổn định nhiệt vượt trội. Nhiệt độ đo tại tâm bảng LED trong tủ cấy vi sinh duy trì ổn định ở mức 33 độ C, hoàn toàn không gây hiện tượng tích tụ nhiệt vượt quá ngưỡng sinh lý của vi khuẩn (nhiệt độ tối ưu của E. coli là 37 độ C), chứng minh cơ chế tiêu diệt vi khuẩn hoàn toàn bắt nguồn từ hiệu ứng quang hóa chứ không phải do nhiệt độ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế bất hoạt E. coli được giải thích thông qua sự hấp thụ photon năng lượng của porphyrin nội sinh, dẫn đến việc sản sinh ồ ạt các gốc ROS nội bào. Đối với vi khuẩn gram âm, lớp màng ngoài có cấu trúc phức tạp liên kết bởi Braun’s lipoprotein và màng mỏng peptidoglycan 2 nm tạo ra rào cản tự nhiên. Tuy nhiên, dưới tác động của singlet oxygen và gốc hydroxyl sinh ra từ ánh sáng 405 nm, các liên kết lipid bị oxy hóa nhanh chóng, làm tăng tính thấm màng tế bào và dẫn đến rò rỉ tế bào chất.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế tiêu biểu. Nghiên cứu của Maclean và cộng sự (2009) từng ghi nhận bước sóng 405 nm làm giảm đáng kể mật độ vi khuẩn tụ cầu vàng. Trong khi đó, các thử nghiệm của Sinari Alfat và cộng sự (2017) với diode laser 405 nm ở liều 20 J/cm2 đạt tỷ lệ diệt khuẩn 95,9%, hay công trình của Jeong-Eun Hyun (2020) sử dụng LED 460 nm - 470 nm cần liều chiếu lên tới 286,8 J/cm2 để giảm 3,3 log10. Điều này chứng minh dải bước sóng 404,2 nm - 410 nm của hệ LED sợi nano có độ nhạy quang vượt trội hơn dải bước sóng xanh lam thông thường.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn thông qua biểu đồ phân bố cường độ sáng theo tọa độ cực tại phòng kiểm định VILAS 317, đường cong hồi quy biểu diễn sự suy giảm mật độ vi khuẩn (CFU/ml) theo trục thời gian (phút), và bảng đối sánh tỷ lệ sống sót ở các mức liều năng lượng khác nhau giữa mẫu được chiếu LED và mẫu đối chứng không chiếu sáng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và thương mại hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, thiết kế và chế tạo các module đèn LED sợi nano InGaN 405 nm tích hợp vào hệ thống bảo quản nông sản và kho lạnh thực phẩm. Mục tiêu là giảm 85% đến 95% tải lượng vi sinh vật bề mặt đối với thịt gia súc, gia cầm và rau củ quả trong thời gian bảo quản từ 3 đến 7 ngày. Thời gian triển khai mô hình thử nghiệm là 12 tháng, do các doanh nghiệp chế biến thực phẩm phối hợp cùng các viện nghiên cứu vật lý ứng dụng thực hiện.

Thứ hai, triển khai lắp đặt hệ thống khử khuẩn quang học liên tục bước sóng 405 nm tại các khu vực vô trùng y tế, bao gồm phòng phẫu thuật, phòng hồi sức tích cực (ICU) và buồng chế biến dinh dưỡng. Mục tiêu là hạ thấp 25% đến 30% tỷ lệ nhiễm khuẩn bệnh viện (HAI) trong vòng 24 tháng. Chủ thể thực hiện là Hội đồng Kiểm soát Nhiễm khuẩn tại các bệnh viện trung ương và địa phương.

Thứ ba, chuẩn hóa các tiêu chuẩn kỹ thuật về liều chiếu an toàn và mật độ quang thông theo hệ thống đo lường quốc gia và chứng nhận VILAS 317 trong vòng 6 tháng. Cơ quan chủ trì là Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng kết hợp cùng các phòng thí nghiệm chuyên ngành nhằm ban hành hướng dẫn sử dụng ánh sáng xanh kháng khuẩn an toàn cho mắt và da người vận hành.

Thứ tư, nghiên cứu phát triển các cảm biến sinh học quang điện tử tích hợp chip LED nano để phát hiện nhanh các chủng E. coli sinh độc tố nguy hiểm như STEC O157:H7 ngay tại điểm kiểm nghiệm thực địa. Thời gian nghiên cứu và hoàn thiện mẫu thử nghiệm là 18 tháng, do các nhóm nghiên cứu liên ngành Công nghệ Sinh học và Vật lý Kỹ thuật đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Vật lý Kỹ thuật, Quang tử học và Khoa học Vật liệu: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo mảng 6 chip LED sợi nano InGaN, nguyên lý phân bố quang thông theo tọa độ cực và phương pháp đo kiểm quang phổ tại phòng thí nghiệm đạt chuẩn VILAS 317.

Kỹ sư công nghệ thực phẩm và các doanh nghiệp chế biến nông sản: Tài liệu là cẩm nang hữu ích để xây dựng giải pháp khử khuẩn bề mặt không nhiệt, giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm tươi sống, ngăn chặn vi khuẩn E. coli gây ngộ độc mà vẫn giữ nguyên 100% hàm lượng vitamin và cấu trúc cảm quan tự nhiên.

Bác sĩ, cán bộ y tế và chuyên viên kiểm soát nhiễm khuẩn tại các bệnh viện: Đề tài mang đến bằng chứng khoa học về giải pháp thay thế hóa chất tẩy rửa độc hại, hỗ trợ ngăn chặn các chủng vi khuẩn đa kháng thuốc như E. coli kháng colistin trong không gian điều trị nội trú.

Kỹ sư thiết kế thiết bị gia dụng và chiếu sáng thông minh: Cung cấp thông số vận hành nguồn áp một chiều 12V và kiểm soát nhiệt độ ở mức 33 độ C, hỗ trợ phát triển các dòng tủ lạnh kháng khuẩn, máy khử trùng đồ dùng y tế và thiết bị làm sạch không khí thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Ánh sáng LED bước sóng 405 nm có gây nguy hiểm cho con người như tia cực tím (UVC) không? Ánh sáng 405 nm thuộc vùng ánh sáng khả kiến với mức năng lượng photon thấp hơn nhiều so với tia UVC (260 nm đến 280 nm). Cơ chế của tia UVC là phá hủy trực tiếp DNA của mọi tế bào sống bao gồm tế bào người, trong khi ánh sáng 405 nm kích hoạt chọn lọc porphyrin nội sinh của vi khuẩn nên an toàn hơn cho người tiếp xúc ở các liều chiếu quy định.

Tại sao vi khuẩn E. coli bị tiêu diệt bởi ánh sáng 405 nm mà không cần bổ sung hóa chất nhạy quang? Trong cấu trúc tự nhiên của E. coli tồn tại các phân tử porphyrin nội sinh. Khi tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng từ 404,2 nm đến 410 nm đúng đỉnh hấp thụ cực đại của porphyrin, năng lượng photon kích hoạt chuỗi phản ứng quang hóa tạo ra các gốc oxy hóa mạnh (ROS), tiêu diệt vi khuẩn từ bên trong mà không cần chất hóa học ngoại sinh.

Tỷ lệ bất hoạt 90% đạt được trong những điều kiện kỹ thuật cụ thể nào? Hiệu suất giảm 90% (tương đương 1 log10) được ghi nhận trên chủng chuẩn E. coli ATCC 25922 ở nồng độ ban đầu 10^5 CFU/ml, nuôi cấy trên đĩa thạch MacConkey agar 90 mm, sử dụng hệ thống 6 chip LED sợi nano InGaN phát xạ bước sóng 405 nm chạy điện áp 12V với khoảng cách và thời gian chiếu được tối ưu hóa.

Giữa thời gian chiếu và khoảng cách từ đèn tới mẫu, yếu tố nào ảnh hưởng nhiều hơn đến kết quả? Kết quả thực nghiệm cho thấy thời gian chiếu đóng vai trò quyết định hơn. Kéo dài thời gian chiếu ở một cự ly hợp lý giúp tích lũy đủ liều năng lượng quang học để tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả, đồng thời tiêu hao năng lượng tổng thể thấp hơn so với việc chiếu ở khoảng cách quá gần trong thời gian ngắn.

Công nghệ LED sợi nano InGaN mang lại ưu thế gì so với cấu trúc LED phẳng truyền thống? Cấu trúc sợi nano với đường kính vài nanomet giúp tăng diện tích tiếp xúc quang học, giảm thiểu tối đa sự thất thoát năng lượng do phản xạ nội và tản nhiệt. Hệ thống vận hành ổn định ở nhiệt độ 33 độ C, nâng cao độ bền linh kiện và tăng hiệu suất phát xạ photon ở dải sóng hẹp 404,2 nm đến 410 nm.

Kết luận

Những đóng góp chính và định hướng ứng dụng của luận văn bao gồm:

• Khẳng định thành công khả năng bất hoạt 90% vi khuẩn E. coli ATCC 25922 ở nồng độ 10^5 CFU/ml bằng hệ thống LED bước sóng 405 nm.
• Xác lập mối quan hệ định lượng giữa thời gian chiếu, khoảng cách đặt mẫu và liều năng lượng bức xạ đối với hiệu quả diệt khuẩn.
• Làm sáng tỏ cơ chế quang động học thông qua kích thích porphyrin nội sinh sinh ra các gốc tự do ROS phá hủy màng tế bào mỏng 2 nm.
• Chế tạo và kiểm định thành công module 6 chip LED sợi nano InGaN hoạt động ổn định ở điện áp 12V và nhiệt độ an toàn 33 độ C.
• Mở ra giải pháp khử khuẩn không hóa chất, không ion hóa, ứng dụng trực tiếp trong bảo quản nông sản và kiểm soát nhiễm khuẩn y tế.

Luận văn đã đóng góp một nền tảng khoa học vững chắc về công nghệ quang sinh học, giải quyết thách thức ô nhiễm vi sinh vật và vi khuẩn kháng kháng sinh đang diễn biến phức tạp tại Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo trong 12 tháng tới là mở rộng thử nghiệm trên các chủng vi khuẩn gram dương đa kháng như MRSA và ứng dụng thực tế trên dây chuyền đóng gói thực phẩm tươi sống. Hãy khai thác ngay các dữ liệu và giải pháp kỹ thuật từ luận văn này để phát triển các hệ thống chiếu sáng khử khuẩn tiên tiến cho doanh nghiệp và dự án của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay tình trạng nhiễm trùng sau nhập viện tại các bệnh viện và thực phẩm nhiễm khuẩn trong quá trình bảo quản và chế biến đang ở trong tình trạng báo động. Nhiễm khuẩn bệnh viện gây ra hệ lụy cho cả người bệnh và hệ thống y tế như kéo dài thời gian, tăng chi phí điều trị, tăng khả năng kháng kháng sinh do phải dùng kết hợp, có thể xảy ra biến chứng gây tử vong. Nhiễm khuẩn thực phẩm luôn là vấn đề quan tâm của cả xã hội đặt biệt là ở các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. coli đặc biệt phát triển mạnh mẽ ở khí hậu nhiệt đới ẩm là nguyên nhân hàng đầu gây ngộ độc thực phẩm cũng như nhiễm khuẩn môi trường bệnh viện do tính phổ biến của mình.

coli là một nhóm loại vi khuẩn thường sống trong đường ruột người và động vật. Một số loại có thể gây ra nhiễm trùng đường ruột là căn bệnh nguy hiểm có thê dẫn đến tử vong. Triệu chứng và diễn biến có thể từ nhẹ dến nặng như tiêu chảy, mất nước đến sốt, suy thận hay biến chứng liên quan đến nhiễm trùng máu. Trước sự nguy hiểm tiểm ẩn từ các chủng khuẩn có hại các biện pháp kiềm chế hay tiêu diệt vi khuẩn đã được nghiên cứu trong suốt một quá trình dài.

Khử trùng hay diệt khuẩn hiện tại được áp dụng bằng nhiều phương pháp, chẳng hạn phương pháp vật lý (nhiệt độ, nhiệt ẩm, chiếu bức xạ ,,.), phương pháp hóa học (phenol và các hợp chất của phenol, cồn, clo và các hợp chất của clo, formaldehyde,.), phương pháp về vật liệu (bạc, đồng và hợp kim của đồng,…), phương pháp kháng sinh, việc chọn lựa phương pháp nêu trên phụ thuộc vào mục tiêu và điều kiện thực tế. Việc lạm dụng hay vượt liều trong một số phương pháp có thể gây ra tác hại. Kháng kháng sinh- Antimicrobial resistance (AMR) là một thách thức đối với sức khỏe cộng đồng toàn cầu, nó đã tăng tốc do lạm dụng kháng sinh trên toàn thế giới. Trang 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Tăng kháng kháng sinh là nguyên nhân gây nhiễm trùng nặng, biến chứng, thời gian nằm viện lâu hơn và tăng tỷ lệ tử vong.

Chiếu xạ năng lượng cao (bức xạ ion hóa) hiện nay trong bảo quản các sản phẩm nông nghiệp hiện đang được xem về việc ảnh hưởng lên vật chủ đang và tạo nên các lưu ý khi sử dụng,. Bức xạ có thể làm thay đổi mùi, vị, kết cấu, có thể khiến thịt heo chuyển màu đỏ, rau quả bị nhũn, trứng mất màu…. Tất cả loại chất bị chiếu xạ đều bị ảnh hưởng, tạo thành các chất mới gọi là "sản phẩm bức xạ" vốn không có trong thực phẩm tự nhiên. Phương pháp dùng ánh sáng (bức xạ không ion hóa) đã được xem xét là phương pháp có cơ sở và hiểu quả rõ ràng.

Mục đích Mục tiêu hàng đầu của nghiên cứu là sử dụng thành công hệ đèn bao gồm các chip LED tiên tiến có cấu trúc sợi nano trong bất hoạt E. coli trong điều kiện thí nghiệm. Trong đó: - Xác định được một phần tác động cơ chế hiệu ứng quang động trong bất hoạt vi khuẩn. - Khảo sát các thông số ảnh hưởng lên tính bất hoạt vi khuẩn dựa trên yếu tố về liều trong phòng thí nghiệm như thời gian chiếu, khoảng cách chiếu.

- Tìm hiểu, nghiên cứu các kết quả đặc trưng và giải thích trong điều kiện thí nghiệm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tương tác giữa ánh sáng xanh (LED có cấu trúc sợi nano bước sóng 405 nm) và tế bào sinh học (vi khuẩn E.coli) sẽ sinh ra hệ quả có thể quan sát và ghi nhận làm kết quả sử dụng cho luận văn. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn sẽ sử dụng các chip LED tiên tiến có cấu trúc sợi nano phát xạ ánh sáng xanh từ vùng 404.2 nm để thực nghiệm trên các loại vi khuẩn có hại. Chủng vi khuẩn được lựa chọn trong thí nghiệm mang các tính chất là vi khuẩn gây hại, phổ biến và có giống thuần chủng phục vụ trong nghiên cứu.

coli chủng ATCC 25922 dược dùng trong thực nghiệm thỏa mãn yêu cầu trên. Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Do tính chất gây hại và nguy hiểm nên đòi hỏi khả năng thực hành và kinh nghiệm trong an toàn sinh học nên cần được ưu tiên. Ý nghĩa khoa học của đề tài Liệu pháp quang động- photodynamic therapy (PDT) là một kỹ thuật kháng khuẩn dùng để tiêu diệt các tế bào và phá hủy các mô sử dụng chất nhạy quang (PS) được kích hoạt bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp thường là ánh sáng khả kiến [1]. Trạng thái tập hợp kích thích ban đầu của PS trải qua sự trao đổi năng lượng có thể tạo thành trạng thái bộ ba kích thích tồn tại lâu dài và hoạt động như một chất trung gian phản ứng để tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS).

ROS được hình thành như một sản phẩm tự nhiên trong chu trình chuyển hóa của oxy có vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu tế bào và cân bằng nội mô. Với việc làm tăng ROS sẽ gây thiệt đáng kể cho cấu trúc tế bào và PDT là yếu tố gây ra sự gia tăng này. Về mặt khoa học, nghiên cứu về LED sợi nano giúp cải thiện hiểu biết về các tính chất vật liệu và quá trình điều khiển tín hiệu trong các thiết bị quang điện. Điều này là cần thiết để phát triển các ứng dụng mới cho các loại đèn LED.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ánh sáng xanh có thể kích hoạt các phản ứng sinh học quan trọng, bao gồm việc kích thích sự sản xuất collagen và tăng cường quá trình tái tạo tế bào. Ngoài ra, ánh sáng xanh còn có khả năng tiêu diệt các vi khuẩn, virus và tế bào ung thư. Trong khoảng một thập kỷ trở về đây, đã có một lượng đáng kể các nghiên cứu báo cáo về việc dùng ánh sáng xanh trong bất hoạt các chủng vi khuẩn (antimicrobial blue light -aBL) như một phân nhánh được quan tâm trong PDT với bước sóng thuộc vùng ánh sáng xanh 400 -470nm. Một loạt xuất bản nhằm mục đích cập nhật những phát hiện từ các nghiên cứu mới, bao gồm hiệu quả của việc bất hoạt aBL trên các chủng vi khuẩn khác nhau, cơ chế hoạt động của nó, sự hỗ trợ của aBL với các chất kháng khuẩn khác hay ảnh hưởng của nó đối với tế bào và mô vật chủ, ….

Nghiên cứu sắp tiến hành sẽ cố gắng tìm hiểu sâu tương tác này và làm rõ hệ quả của tương tác với tế bào vi khuẩn trên cơ sở kế thừa một số thành quả đã được kiểm chứng. Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Khảo sát yếu tố ảnh hưởng của hệ LED bước sóng 405 nm lên khả năng bất hoạt vi khuẩn Escherichia coli đóng góp cơ sở ứng dụng cho việc dùng ánh sáng như một yếu tố trong kiểm soát vi sinh vật nói chung và vi khuẩn có hại nói riêng. Việc ứng dụng trong bảo quản thực phẩm ở một quốc gia mà giá trị nông sản ngày càng được nâng cao như Việt Nam thực sự là một hướng đi thực tế hoàn toàn có thể xem xét. Ngoài ra, kiểm soát vi khuẩn trong không gian vô trùng trong y tế hay ứng dụng trong cảm biến sinh học liên quan đến nhận diện: mầm bệnh vi khuẩn, độc tố hay độ tươi trong an toàn thực phẩm cũng là một hướng đi có thể được quan tâm trong tương lai.

Cuối cùng, trong việc sử dụng ánh sáng khi thiết kế hệ thống có thể mang tính phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Kết quả của đề tài hướng đến là yếu tố phù hợp, khi thực sự dùng trong các trường hợp thực tế. Trong đó, việc lựa chọn giữa yếu tố ảnh hưởng khác nhau có thể cho ra kết quả không giống nhau cho từng một đích sử dụng. Tóm lại, việc sử dụng LED bước sóng 405 nm có thể mang lại nhiều lợi ích thực tiễn trong lĩnh vực an toàn vệ sinh thực phẩm, giúp tiết kiệm chi phí, tăng cường khả năng diệt khuẩn, không gây ô nhiễm môi trường và tăng cường hiệu quả trong quá trình sản xuất.

Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM TỔNG QUAN Giới thiệu về Đi-ốt phát quang (Light-Emitting-Diode LED) 2. Lịch sử Đi-ốt phát quang (LED) là một công nghệ đèn chiếu sáng hiện đại, được phát minh vào những năm 1960. Từ khi được phát minh đến nay, LED đã trải qua nhiều chặng đường và tiến hóa để trở thành một trong những công nghệ chiếu sáng tiên tiến nhất hiện nay. LED đầu tiên được phát minh vào năm 1962 bởi Nick Holonyak Jr tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ.

LED đầu tiên có màu đỏ, được sản xuất bằng vật liệu bán dẫn GaAsP. Sau đó, vào năm 1972, LED màu lam được phát minh bởi M. George Craford, một sinh viên nghiên cứu của Holonyak. Đây là một bước tiến lớn trong việc phát triển LED, vì màu lam là một trong những màu khó phát ra bởi các vật liệu bán dẫn.

[2] Trong những năm tiếp theo, LED màu đỏ và màu lam đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng. Đến những năm 1990, LED màu lục đã được phát minh bởi Shuji Nakamura tại Nhật Bản, bằng cách sử dụng vật liệu bán dẫn InGaN [3]. LED màu lục này có khả năng phát ra ánh sáng mạnh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với các loại LED trước đó. LED màu trắng có thể được sản xuất bằng cách pha trộn các loại vật liệu bán dẫn khác nhau để tạo ra ánh sáng trắng.

Đây là một bước tiến lớn trong việc sử dụng LED trong các ứng dụng chiếu sáng chính thức. Tóm lại, LED đã trải qua một quá trình phát triển dài và liên tục trong suốt hơn nửa thế kỷ, từ khi được phát minh đến nay. Các bước tiến lớn như phát minh LED màu lam, màu lục và màu trắng đã mở ra nhiều cơ hội cho sử dụng LED trong các ứng dụng chiếu sáng và công nghiệp. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Một cách cơ bản để mô tả cấu tạo đèn LED là đặt lớp bán dẫn trên một đế (thường là Silicon).

Giữa các lớp bán dẫn loại p và loại n là một vùng tích cực (vùng Trang 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM hoạt động) phát ra ánh sáng khi một electron và lỗ trống tái hợp (Hình 1).