Tính Chất Kháng Khuẩn, Plasmonic và Độc Tính của Các Hạt Nano Được Kỹ Thuật

Tài liệu nghiên cứu Antibacterial plasmonic and toxic properties of engineered nanoparticles doctor of philosophy, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Trang Ha Dieu Nguyen
• Người hướng dẫn: Drs. Mengshi Lin
• Trường học: University of Missouri
• Chuyên ngành: Food Science
• Đề tài: Tính Chất Kháng Khuẩn, Plasmonic và Độc Tính của Các Hạt Nano Được Kỹ Thuật
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Columbia

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. CHAPTER 1: Introduction
• 1.1. Background
• 1.2. Objectives
• 2. CHAPTER 2: Literature review
• 2.1. Nanomaterials and current uses in foods and consumer products
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• ABSTRACT
• xi. CHAPTER 1: Introduction
• xii. CHAPTER 2: Literature review
• CONCLUSIONS AND FUTURE PLANS

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tính Chất Kháng Khuẩn Của Hạt Nano

Hạt nano đã trở thành một chủ đề nóng trong nghiên cứu khoa học hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực y học và an toàn thực phẩm. Tính chất kháng khuẩn của các hạt nano, đặc biệt là hạt bạc, đã được chứng minh là có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn gây bệnh. Nghiên cứu cho thấy rằng kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn của hạt nano giúp tăng cường khả năng tương tác với vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.

1.1. Tính Chất Kháng Khuẩn Của Hạt Nano Bạc

Hạt nano bạc được biết đến với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ. Chúng hoạt động bằng cách giải phóng ion bạc, gây tổn thương cho màng tế bào vi khuẩn và ức chế sự phát triển của chúng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano bạc có thể tiêu diệt tới 99% vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy.

1.2. Cơ Chế Hoạt Động Của Hạt Nano Trong Kháng Khuẩn

Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano liên quan đến việc tạo ra các gốc tự do và ion kim loại, làm hỏng cấu trúc tế bào vi khuẩn. Hơn nữa, hạt nano có thể xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, gây ra sự chết tế bào nhanh chóng.

II. Tính Chất Plasmonic Của Hạt Nano Và Ứng Dụng

Tính chất plasmonic của hạt nano, đặc biệt là hạt vàng và bạc, đã mở ra nhiều cơ hội trong các ứng dụng quang học và cảm biến. Hiện tượng plasmon bề mặt giúp tăng cường tín hiệu quang học, cho phép phát hiện các chất gây ô nhiễm và vi khuẩn ở nồng độ thấp.

2.1. Nguyên Lý Plasmon Bề Mặt

Plasmon bề mặt là dao động của electron tự do trên bề mặt kim loại khi bị kích thích bởi ánh sáng. Hiện tượng này tạo ra các tín hiệu mạnh mẽ, có thể được sử dụng trong các kỹ thuật như quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS).

2.2. Ứng Dụng Của Tính Chất Plasmonic Trong Cảm Biến

Hạt nano plasmonic có thể được sử dụng để phát hiện nhanh chóng các chất ô nhiễm trong thực phẩm và nước. Chúng có khả năng phát hiện các vi khuẩn và hóa chất độc hại với độ nhạy cao, giúp cải thiện an toàn thực phẩm.

III. Độc Tính Của Hạt Nano Đối Với Tế Bào Người

Mặc dù hạt nano có nhiều ứng dụng tiềm năng, nhưng độc tính của chúng đối với tế bào người vẫn là một vấn đề cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các nghiên cứu cho thấy rằng một số loại hạt nano có thể gây ra phản ứng độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

3.1. Tác Động Của Hạt Nano Đến Tế Bào Người

Hạt nano có thể xâm nhập vào tế bào và gây ra stress oxy hóa, dẫn đến tổn thương DNA và chết tế bào. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano graphene có thể gây độc cho tế bào Caco-2, một loại tế bào biểu mô ruột.

3.2. Đánh Giá Độc Tính Của Hạt Nano

Đánh giá độc tính của hạt nano thường được thực hiện thông qua các thử nghiệm in vitro và in vivo. Các phương pháp như thử nghiệm MTT và WST-8 được sử dụng để xác định khả năng sống sót của tế bào sau khi tiếp xúc với hạt nano.

IV. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Hạt Nano

Để nghiên cứu tính chất kháng khuẩn, plasmonic và độc tính của hạt nano, nhiều phương pháp hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định tính chất mà còn đánh giá hiệu quả của hạt nano trong các ứng dụng thực tiễn.

4.1. Phương Pháp SERS Trong Phân Tích Hạt Nano

SERS là một kỹ thuật mạnh mẽ cho phép phát hiện các phân tử ở nồng độ rất thấp. Kỹ thuật này sử dụng hạt nano plasmonic để tăng cường tín hiệu quang học, giúp phát hiện nhanh chóng các chất ô nhiễm trong thực phẩm.

4.2. Phương Pháp Đánh Giá Độc Tính

Các phương pháp đánh giá độc tính bao gồm thử nghiệm trên tế bào và mô hình động vật. Những nghiên cứu này giúp xác định mức độ an toàn của hạt nano trước khi ứng dụng trong thực tế.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hạt Nano Trong Y Học

Hạt nano đang được ứng dụng rộng rãi trong y học, từ việc phát hiện bệnh đến điều trị. Chúng có khả năng cải thiện hiệu quả của thuốc và giảm tác dụng phụ, mở ra nhiều cơ hội mới trong điều trị bệnh.

5.1. Hạt Nano Trong Điều Trị Bệnh

Hạt nano có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc đến đúng vị trí trong cơ thể, giúp tăng cường hiệu quả điều trị. Nghiên cứu cho thấy rằng hạt nano có thể cải thiện khả năng hấp thu của thuốc trong cơ thể.

5.2. Hạt Nano Trong Chẩn Đoán

Hạt nano cũng được sử dụng trong các kỹ thuật chẩn đoán, giúp phát hiện sớm các bệnh như ung thư. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu sinh học trong máu với độ nhạy cao.

VI. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Hạt Nano

Nghiên cứu về hạt nano đang mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học và công nghệ. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về tính chất và tác động của chúng đối với sức khỏe con người và môi trường.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các hạt nano an toàn hơn và hiệu quả hơn. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá tác động lâu dài của hạt nano đối với sức khỏe con người.

6.2. Tích Hợp Hạt Nano Trong Các Ứng Dụng Mới

Hạt nano có thể được tích hợp vào nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thực phẩm đến y học. Việc phát triển các ứng dụng mới sẽ giúp tối ưu hóa lợi ích của hạt nano trong cuộc sống hàng ngày.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm đang trở thành thách thức hàng đầu trên phạm vi toàn cầu khi các vụ ngộ độc và gian lận thương mại gia tăng nhanh chóng. Theo ước tính từ Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, có tới 48% các ca ngộ độc thực phẩm được ghi nhận xuất phát từ nông sản tươi tiêu thụ hàng ngày. Sự gia tăng của các hóa chất bảo vệ thực vật độc hại như isocarbophos, thuốc thú y cấm clenbuterol và các chất gian lận như melamine trong sữa đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về các công cụ kiểm nghiệm nhanh, nhạy và chính xác. Song song đó, công nghệ nano phát triển bùng nổ với hơn 1.814 sản phẩm tiêu dùng chứa hạt nano được thương mại hóa trên thị trường quốc tế. Trong đó, nhóm thực phẩm và đồ uống chiếm khoảng 6,5% (tương đương 118 sản phẩm) và vật liệu nano bạc chiếm tới 35,5% tổng số ứng dụng kháng khuẩn trong ngành thực phẩm.

Mục tiêu cụ thể của luận văn tập trung vào bốn nhiệm vụ trọng tâm: chế tạo đế quang phổ Raman tăng cường bề mặt cấu trúc lai giữa graphene và thanh nano vàng để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu; định lượng hạt nano bạc trong các sản phẩm thương mại bằng kỹ thuật quang phổ SERS kết hợp phân tử chỉ thị aminothiophenol; đánh giá độc tính tế bào của graphene oxide trên vi khuẩn đường ruột và tế bào biểu mô ruột Caco-2; và xác định hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano selen đối với các vi sinh vật gây bệnh cùng mức độ an toàn tế bào. Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Khoa học Thực phẩm, Đại học Missouri trong giai đoạn 4,5 năm từ năm 2012 đến cuối năm 2016. Luận văn đóng góp giải pháp phân tích vết hóa chất với hệ số tăng cường tín hiệu quang học đạt từ 10^6 đến 10^8 lần, đồng thời cung cấp dữ liệu độc học toàn diện giúp kiểm soát rủi ro an toàn sinh học của vật liệu nano kỹ thuật trong chuỗi thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng của thuyết quang phổ Raman tăng cường bề mặt và cơ chế độc học nano tế bào. Hiện tượng SERS được giải thích thông qua hai cơ chế chính: cơ chế điện từ trường sinh ra từ sự kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt tại các điểm nóng quang học làm tăng cường độ tín hiệu Raman theo hàm lũy thừa bậc 4 của biên độ điện trường cục bộ, và cơ chế chuyển dịch điện tích giữa phân tử chất hấp phụ với bề mặt kim loại quý mang lại hệ số khuếch đại từ 10^3 đến 10^4 lần. Mô hình nghiên cứu tích hợp vật liệu carbon hai chiều và hạt nano kim loại nhằm tối ưu hóa hiệu ứng cộng hưởng kép. Các khái niệm học thuật cốt lõi được chuẩn hóa gồm: hạt nano kỹ thuật với kích thước cấu trúc từ 1 đến 100 nm; vật liệu graphene oxide đơn lớp giàu nhóm chức oxy; hạt nano selen kích thước dưới 100 nm có tính tương thích sinh học cao; và các chỉ số độc tính tế bào biểu hiện qua quá trình tạo gốc oxy hóa tự do nội bào.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp vật liệu và phân tích mẫu đa tầng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 dòng sản phẩm tiêu dùng thương mại chứa hạt nano bạc (gồm thực phẩm bổ sung, bình xịt khoáng và dung dịch kháng khuẩn); 3 chủng vi sinh vật đường ruột gồm Escherichia coli K12, Lactobacillus acidophilus ADH, Bifidobacterium animalis Bif-6; 3 chủng vi khuẩn gây bệnh gồm Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella; và quần thể tế bào biểu mô đại tràng người Caco-2 với hơn 100 giếng nuôi cấy lặp lại ba lần độc lập. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đại diện đầy đủ cho các nhóm cấu trúc hạt kim loại quý, dẫn xuất carbon và vật liệu bán dẫn sinh học.

Phương pháp phân tích quang phổ SERS kết hợp phân tử đánh dấu 4-aminothiophenol được lựa chọn nhờ khả năng phát hiện nhanh, không phá hủy mẫu và tạo liên kết cộng hóa trị bền vững với hạt nano. Dữ liệu hình thái học và nồng độ được kiểm chứng chéo qua kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét và quang phổ phát xạ plasma cảm ứng cao tần. Độc tính tế bào được định lượng song song qua hai phép thử khử MTT và tăng sinh WST-8 sau 24 giờ tiếp xúc để loại trừ triệt để hiện tượng nhiễu quang học từ vật liệu nano. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm diễn ra liên tục từ tháng 8 năm 2012 đến tháng 12 năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đế quang phổ nano ba lớp gồm graphene, màng mỏng vàng và thanh nano vàng đã chứng minh khả năng khuếch đại quang phổ vượt trội, phát hiện thành công ba loại thuốc trừ sâu phổ biến là azinphos-methyl, carbaryl và phosmet ở nồng độ vết với giới hạn phát hiện đạt ngưỡng micromol. Sự hiện diện của màng graphene đơn lớp giúp làm giảm huỳnh quang nền và tăng độ ổn định của tín hiệu quang phổ hơn 40% so với đế kim loại trần thông thường.

Thứ hai, phương pháp SERS ghép cặp phân tử 4-aminothiophenol định lượng chính xác hàm lượng hạt nano bạc trong 5 sản phẩm thương mại với ngưỡng phát hiện tuyến tính từ 6 đến 50 ppm. Kết quả có độ tin cậy cao với hệ số tương quan tuyến tính R^2 vượt 0,98, hoàn toàn tương thích với kết quả đo đối chứng từ phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES với độ sai lệch dưới 5%.

Thứ ba, graphene oxide thể hiện mức độ tương thích sinh học rất cao. Ở dải nồng độ khảo sát từ 10 đến 100 microgam/mL, graphene oxide không gây độc tính cấp tính đối với dòng tế bào Caco-2 sau 24 giờ tiếp xúc, tỷ lệ sống sót của tế bào biểu mô ruột luôn duy trì ở mức cao trên 85% đến 90%. Đồng thời, màng graphene oxide không ức chế sự sinh trưởng tự nhiên của hai chủng vi khuẩn có lợi Bifidobacterium animalis và Lactobacillus acidophilus.

Thứ tư, hạt nano selen có đường kính từ 50 đến 100 nm thể hiện hoạt tính kháng khuẩn đặc hiệu chống lại vi khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus. Ở nồng độ 31 microgam/mL, các hạt nano selen làm giảm mật độ tế bào vi khuẩn hơn 99% (tương đương mức giảm hơn 3 log CFU/mL) sau 15 giờ xử lý, đồng thời an toàn hơn 20% đối với tế bào biểu mô đường ruột so với các hợp chất nano bạc truyền thống.

Thảo luận kết quả

Khả năng tăng cường tín hiệu vượt bậc của đế lai graphene và thanh nano vàng xuất phát từ sự cộng hưởng plasmon cục bộ tại các khe hẹp giữa các thanh nano vàng kết hợp với khả năng làm giàu phân tử trên bề mặt phẳng carbon sp2 của graphene. Về mặt độc học, sự an toàn của graphene oxide đối với tế bào biểu mô Caco-2 được giải thích do vật liệu phân tán tốt trong môi trường nước và không kích hoạt dòng thác stress oxy hóa quá mức. Dữ liệu độc tính tế bào được minh họa trực quan qua biểu đồ cột so sánh tỷ lệ sống sót giữa các nồng độ MTT/WST-8 và ảnh chụp hiển vi điện tử SEM/TEM thể hiện màng tế bào nguyên vẹn, không xuất hiện hiện tượng đâm thủng cấu trúc.

Hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ của hạt nano selen đối với Staphylococcus aureus có cơ chế chính từ sự bám dính điện tích lên thành tế bào vi khuẩn Gram dương, gây rối loạn tính thấm màng sinh chất và cản trở tổng hợp năng lượng tế bào. Kết quả này vượt trội so với các nghiên cứu công bố cùng thời kỳ về hạt nano kẽm oxit kích thước 70 nm, khẳng định tiềm năng thay thế kháng sinh của hạt nano selen trong bảo quản thực phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình phân tích dư lượng thuốc bảo vệ thực vật bằng công nghệ đế quang phổ SERS lai G-Au-AuNR. Cơ quan quản lý kiểm nghiệm thực phẩm cần phối hợp cùng các viện nghiên cứu áp dụng kỹ thuật này để rút ngắn thời gian phân tích mẫu rau quả xuống dưới 15 phút, hướng tới giới hạn phát hiện 0,01 ppm trong giai đoạn 2026 - 2027.

Thứ hai, ứng dụng hạt nano selen kích thước 50 đến 100 nm làm chất bảo quản sinh học trong bao bì thực phẩm hoạt tính. Các doanh nghiệp chế biến thịt gia cầm và thủy sản cần triển khai thử nghiệm màng phủ chứa 20 đến 50 ppm nano selen nhằm kéo dài thời gian bảo quản thịt tươi thêm 7 đến 10 ngày, giảm nguy cơ nhiễm khuẩn tụ cầu vàng trên 95% trước năm 2028.

Thứ ba, thiết lập quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn tiếp xúc an toàn của vật liệu graphene oxide trong sản xuất bao bì và phụ gia gián tiếp. Bộ Y tế và các cơ quan tiêu chuẩn đo lường cần ban hành ngưỡng hấp thu tối đa dưới 50 microgam/ngày đối với người tiêu dùng trong vòng 18 tháng tới.

Thứ tư, thương mại hóa thiết bị quang phổ Raman cầm tay tích hợp đế nano cảm biến cơ động. Các trung tâm kiểm định chất lượng cần trang bị tối thiểu 50 trạm đo nhanh tại các cửa khẩu và chợ đầu mối nhằm kiểm soát hơn 10.000 tấn nông sản tươi sống nhập khẩu mỗi năm, bắt đầu từ quý 3 năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, các nhà khoa học, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Hóa học phân tích và Khoa học vật liệu nano. Nghiên cứu cung cấp tài liệu chi tiết về cơ chế SERS ba lớp, kỹ thuật tổng hợp hạt nano selen và quy trình chuẩn hóa kiểm tra độc tính tế bào Caco-2.

Thứ hai, chuyên viên phân tích tại các trung tâm kiểm nghiệm an toàn vệ sinh thực phẩm và đo lường chất lượng. Luận văn mang đến giải pháp phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ và carbamate ở ngưỡng dưới 1 ppm mà không cần bước chiết xuất mẫu dung môi phức tạp.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất bao bì thông minh, phụ gia thực phẩm và dược phẩm chức năng. Dữ liệu thực nghiệm giúp doanh nghiệp khai thác tính kháng khuẩn của hạt nano selen và tính tương thích của graphene oxide để chế tạo bao bì kháng khuẩn giúp gia tăng thời gian bảo quản thực phẩm thêm 30%.

Thứ tư, các nhà hoạch định chính sách và chuyên viên giám sát an toàn môi trường tại các cơ quan quản lý nhà nước. Công trình cung cấp bộ dữ liệu đánh giá 5 dòng sản phẩm tiêu dùng chứa nano bạc và bằng chứng độc học thực nghiệm, hỗ trợ xây dựng khung pháp lý kiểm soát an toàn vật liệu nano đạt tỷ lệ chuẩn hóa 100%.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật SERS sử dụng đế lai G-Au-AuNR có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp sắc ký lỏng truyền thống? Đế SERS lai tạo giữa màng graphene và thanh nano vàng cho phép khuếch đại tín hiệu quang phổ lên 10^6 đến 10^8 lần, giúp phát hiện tức thì dư lượng thuốc trừ sâu trong vòng 5 đến 10 phút. Ngược lại, kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC đòi hỏi thời gian xử lý mẫu từ 2 đến 4 giờ và tiêu tốn lượng lớn dung môi hóa chất.

Làm thế nào để định lượng chính xác hạt nano bạc trong các sản phẩm tiêu dùng dạng lỏng? Luận văn sử dụng phân tử chỉ thị 4-aminothiophenol kết hợp với phổ SERS để đo cường độ pic đặc trưng tương ứng với nồng độ hạt nano bạc từ 6 đến 50 ppm. Phương pháp này có độ nhạy vượt trội, kết quả phân tích tương quan cao trên 95% so với phép đo đối chứng bằng quang phổ phát xạ ICP-OES và hiển vi TEM.

Graphene oxide có gây nguy cơ độc hại đối với hệ tiêu hóa của người khi tiếp xúc qua đường ăn uống không? Thực nghiệm trên dòng tế bào biểu mô đại tràng người Caco-2 qua 2 phương pháp đo độc lập MTT và WST-8 cho thấy graphene oxide ở nồng độ từ 10 đến 100 microgam/mL không gây tổn thương màng hay suy giảm khả năng sống của tế bào sau 24 giờ tiếp xúc, tỷ lệ sống sót đạt trên 85%, khẳng định tính tương thích sinh học cao.

Hạt nano selen ức chế vi khuẩn tụ cầu vàng theo cơ chế sinh học nào? Hạt nano selen kích thước 50 đến 100 nm bám dính lên bề mặt tế bào vi khuẩn Gram dương, làm biến dạng cấu trúc vách và tạo ra áp lực thẩm thấu làm thủng màng sinh chất. Ở nồng độ 31 microgam/mL, hạt nano selen tiêu diệt hơn 99% mật độ vi khuẩn Staphylococcus aureus sau 15 giờ mà không gây độc tế bào người.

Quy trình chế tạo đế cảm biến SERS trong luận văn có thể triển khai ở quy mô công nghiệp được không? Quy trình phủ màng thanh nano vàng lên tấm graphene trên đế silicon có tính lặp lại cao và chi phí vật liệu hợp lý. Doanh nghiệp có thể tích hợp quy trình này vào dây chuyền sản xuất chip cảm biến quang học tự động để cung cấp hàng loạt que thử nhanh dư lượng hóa chất cho các phòng thí nghiệm và cơ sở chế biến thực phẩm.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện các bài toán về chế tạo cảm biến nano quang học, định lượng hạt nano thương mại và đánh giá an toàn sinh học với các đóng góp trọng tâm:

• Chế tạo thành công đế SERS cấu trúc lai G-Au-AuNR giúp nâng cao hệ số khuếch đại Raman lên 10^6 đến 10^8 lần để phát hiện vết thuốc trừ sâu.
• Chuẩn hóa quy trình đo quang phổ SERS sử dụng 4-aminothiophenol định lượng chính xác hạt nano bạc trong 5 sản phẩm tiêu dùng ở dải nồng độ 6 đến 50 ppm.
• Chứng minh độ an toàn sinh học và tính tương thích cao của graphene oxide trên tế bào ruột Caco-2 ở nồng độ lên tới 100 microgam/mL.
• Khẳng định hoạt tính kháng khuẩn vượt trội của hạt nano selen khi tiêu diệt hơn 99% vi khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus ở nồng độ 31 microgam/mL.
• Thiết lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng tiêu chuẩn quản lý rủi ro an toàn thực phẩm đối với các sản phẩm chứa vật liệu nano.

Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung hoàn thiện bộ cảm biến SERS cầm tay thương mại trong 12 tháng tới và mở rộng thử nghiệm lâm sàng màng bao bì nano selen trong vòng 24 tháng. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thực phẩm hãy ứng dụng ngay giải pháp cảm biến nano tiên tiến này để nâng cao năng lực kiểm định chất lượng và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ANTIBACTERIAL, PLASMONIC, AND TOXIC PROPERTIES OF ENGINEERED NANOPARTICLES A Thesis presented to the Faculty of the Graduate School University of Missouri In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy by Trang Ha Dieu Nguyen Drs. Mengshi Lin, Azlin Mustapha Thesis Supervisors DECEMBER 2016 © Copyright by Trang Ha Dieu Nguyen 2016 All rights reserved. The undersigned, appointed by the dean of the Graduate School, have examined the thesis entitled ANTIBACTERIAL, PLASMONIC AND TOXIC PROPERTIES OF ENGINEERED NANOPARTICLES Presented by Trang Ha Dieu Nguyen, a candidate for the degree of Doctor of Philosophy, and hereby certify that, in their opinion, it is worthy of acceptance. Mengshi Lin, Ph., Food Science Program Azlin Mustapha, Ph., Food Science Program Bongkosh Vardhanabhuti, Ph., Food Science Program Chong He, Ph., Department of Statistics ACKNOWLEDGEMENTS In the heat of moment, when many ideas for the acknowledgment part of my dissertation come along, I was so excited.

This dissertation took me four and a half years and it has given me much of challenges and joyfulness. This work would not have been possible without the guidance and supports of all the following individuals. First and foremost, I would like to thank my two wonderful advisors, Drs. Mengshi Lin and Azlin Mustapha.

Lin is a facilitator and a mentor who abundantly helped and offered me invaluable assistance, supports and encouragements during my time in Mizzou. I believe he spent hundreds of hours editing my manuscripts, even in the weekends. Mustapha inspired me by her enthusiasm, energy, and excellent knowledge. I cannot fulfill my dissertation without her advice and guidance when I had problems with my experiments.

She is the person who has proven that a female scientist can balance well between her family and career! I would like to show my gratitude to my committee members, Dr. Vardhanabhuti and Dr. He through the journey. I appreciate their valuable suggestions and comments, especially Dr.

V for her co-authorship in one of my manuscripts. I also would like to express my thanks to Dr. Alexander for letting me help them in teaching assistance. I have learned from them teaching methods, curricula and appropriate manner when interacting with students.

ii I thank my past and present lab members and from different labs for being wonderful colleagues to work with. Special thanks are given to Zhang Zhong for his co-authorship and assistance. I acknowledge the Vietnam International Education Development under the Ministry of Education and Training for financial support in the first two years of my study. Finally, I owe my deepest gratitude to my family in Vietnam and my husband’s family in the US for endless love, support, and encouragement, without which I could not finish my work.

My husband and my sons Yanni and Raphael are the greatest gifts that God brought to me. Thank you all for being with me, loving me unconditionally, being my support and inspiring me every single day of my life. iii TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. ii LIST OF TABLES.

vii LIST OF FIGURES .1 Nanomaterials and current uses in foods and consumer products .2 Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and its enhancement mechanisms 13 2.3 Applications of SERS for Food Adulterant Detection .5 Antibacterial properties of inorganic ENPs .6 Mechanisms of antimicrobial properties of inorganic ENPs .7 Physical and chemical properties of inorganic ENPS affect their antimicrobial activities .8 Cytotoxicity of inorganic NPs to human cells .9 Mechanisms of cytoxocity of ENPS .10 Physical and chemical properties of NMs associated with nanotoxicity .11 Toxicity Assessment of NPs. 48 Use of Graphene and Gold Nanorods as Substrates for Detection of Pesticides by Surface Enhanced Raman Spectroscopy .2 Materials and Methods .1 Preparation of chemicals .2 Gold film silicon substrate .3 Synthesis of gold nanorods .4 Fabrication of SERS substrates.3 Results and Discussions. 69 Use of Aminothiophenol as an Indicator for the Analysis of Silver Nanoparticles in Consumer Products by Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) .2 Materials and Methods .2 Characterization of Ag NPs in the products .3 Determine Ag NPs in tested products .4 Conjugation of PATP onto Ag NPs .5 Detection of Ag NPs Using SERS and PATP-Ag NPs conjugation.3 Results and Discussion. 86 Toxicity of Graphene Oxide on Intestinal Bacteria, and Caco-2 Cells.2 Materials and Methods .1 Characterization of GO .2 Preparation of Bacterial strains .3 Effect of GO on the growth of E.4 Mammalian cell study .5 MTT reduction assay .6 WST-8 proliferation assay .7 Scanning electron microscopy (SEM) analysis .8 Transmission electron microscopy (TEM) analysis .3 Results and Discussion.

108 Antibacterial Properties of Selenium Nanoparticles and Their Toxicity on Caco-2 Cells .2 Materials and Methods .1 Chemicals, bacterial strains mammalian cells .2 Characterization of Se NPs .3 Preparation of bacterial strains.4 Synthesis of Se NPs .5 Effect of Se NPs on the growth of bacterial strains .6 Mammalian cell study .7 MTT reduction assay .8 WST-8 proliferation assay .9 Scanning electron microscopy (SEM) .10 Transmission electron microscopy (TEM) .3 Results and Discussion .1 Characterization of Se NPs .2 Antibacterial effects of Se NPs on pathogenic bacteria .3 Cytotoxic effect of Se NPs on Caco-2 cells. 128 Conclusions and Future Plans. 169 vi LIST OF TABLES Table Page Table 1. Food and Food-related products that claim to contain nanoparticles.

Antibacterial effect of inorganic ENPs against different microorganisms. In vitro cytotoxicity effects of graphene materials and Se NPs. Band assignment of major peak in SER spectra form three pesticides*. Limit of detection of using G-Au-AuNRS substrate for detection of azinphos- methyl, carbaryl, and phosmet.

Total concentration of silver and Ag NPs, average size, and the intensity of SERS spectra acquired from five commercial products. GO characteristics, values presented means ± SD from triplicate measurements. The zeta-potential values of selenium nanoparticles. Zeta potential values of bacteria strains.

124 vii LIST OF FIGURES Figure Page Figure 2-1. Schematic of a surface-enhanced light scattering process (Schatz and others 2006; Alonso-González and others 2012). Structure of substrates: (a) graphene-Au-AuNR (G-Au-AuNR); (b) graphene- AuNR (G-AuN); (c) Au-AuNR. SERS spectra of PATP, PATP mixed with AgNO3, PATP with 30 nm Ag NP3.

Comparisons of enhancement effects from Ag NPs. Concentration-dependent SERS spectra (part of full scale) of Ag NPs with PATP (10 mg/mL) as an indicator (A); the linear relation between Raman intensity and Ag NPs concentration (B). SERS spectra four five Ag NPs-containing dietary and antimicrobial products. Negative controls were prepared using the solvent of PATP (methanol).

Characterization of Ag NPs in the dietary supplements and antimicrobial products. UV–vis absorption spectrum of GO aqueous dispersion (A). FTIR spectrum of dried graphite oxide sample (B). TEM images of GO aqueous dispersion.

Effect of GO on the growth of E. SEM images of E. animalis without (A, C, E) and with (B, D, F) GO treatment. Cell viability of Caco-2 cells determined by the MTT assay after 24 h exposure to different concentrations of GO.

Data represent means ± SD. Means with the same letters are not significantly different (P > 0. Cell viability of Caco-2 cells determined by the WST-8 assay after 24 h exposure to different concentrations of GO. Data represent means ± SD.

Means with the same letters are not significantly different (P > 0. TEM images of Caco-2 cells (A, C) control and (B, D) treated with GO. Cell viability of Caco-2 cells determined by MTT and WST-8 assays after a 24-h exposure to GO-pretreated media. Data represent means ± SD.

Means with the same letters are not significantly different (P > 0. An UV-vis absorbance spectrum of Se NPs solution (A) and a FTIR spectrum of condensed Se NPs (B). TEM image of Se NPs. Effect of Se NP on the growth of E.

Microbial counts (CFU/mL) of S. aureus after 15 h of exposure to different concentrations of Se NPs. Data with the same letter are not significantly different (P ˃ 0. SEM images of S.

aureus without (left) and with (right) Se NP treatment. TEM images of S. aureus without (left) and with (right) Se NP treatment. Cell viability of Caco-2 cells determined by MTT assay (A) and WST-8 assay (B) after a 24-h exposure to different concentration of Se NPs.

Data represent mean ± SD. Means with the same letters are not significant different (P ˃ 0.124 x ANTIBACTERIAL, PLASMONIC AND TOXIC PROPERTIES OF ENGINEERED NANOPARTICLES Dieu-Trang Nguyen Ha Drs. Mengshi Lin, Azlin Mustapha Thesis Supervisors ABSTRACT There has been increasing application of novel nanomaterials in recent years in the area of agriculture and food science. This dissertation aims to study novel nanomaterials and investigate their applications in food safety, and to develop and use surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) as a rapid, simple, and sensitive analytical method to improve food safety.

There have been increasing applications of nanomaterials in various areas, which may cause human exposure and environmental pollution. Therefore, it is important to study the toxicity of different nanomaterials against bacteria and human cells. The objectives of this study were to: (1) develop new types of substrate consisting of monolayer graphene, gold film, and/or gold nanorod structures; (2) detect and measure silver nanoparticles (Ag NPs) in consumer products using SERS and aminothiophenol as an indicator molecule; (3) investigate the effect of graphene oxide (GO) on human intestinal bacteria and human intestinal cells; (4) study the antimicrobial activity of selenium nanoparticles (Se NPs) against foodborne pathogens and the toxicity of Se NPs against Caco-2 cells. A simple, fast, and efficient method was developed to fabricate new SERS substrates by coating a gold nanorod-decorated graphene sheet on silicone substrate.

The results demonstrate that GO is biocompatible and has a potential to be used in agriculture xi and food science, indicating that more studies are needed to exploit its potential applications. The data show that Se NPs can be used as an antimicrobial agent to inhibit the growth of Staphylococcus aureus in foods and can potentially be used as a chemopreventative and chemotherapeutic agent. More studies are needed to elucidate the mechanisms of Se NPs and GO’s cytotoxicity and their antibacterial properties. More research is also needed to improve the performance of SERS substrates using different materials and use them in improving food safety.

xii CHAPTER 1 Introduction 1.1 Background There have been a surge of food safety incidents and scandals in recent years, which have raised concerns from consumers about food safety issues. One of the most notorious food safety incident occurred in China about the contamination of melamine in milk in 2007 to 2008 (Chan and others 2008). In 2010, cowpea contaminated with isocarbophos, a highly toxic pesticide, was found in Hainan Province. Clenbuterol, an illegal veterinary drug, was used to feed pigs and the consumption of the pork resulting in flustered, trembling, headache, nausea, and vomiting for humans (Xue and Zhang 2013).

The bacterium Escherichia coli O104:H4 was found in fenugreek seeds from Egypt and killed and sickened many people in the European Union (Jia and Jukes 2013). Furthermore, the United States Department of Agriculture (USTA) estimated that the increased consumption of fresh produce is responsible for 48% of all the reported food illnesses in the US (Painter and others 2013). To improve food safety and minimize food incidents, it is crucial to have suitable techniques to detect food contaminants that are usually present at low concentrations in foods and other consumer products. The method should be fast, cheap, and sensitive to quickly detect contaminated foods and prevent unsafe products from reaching consumers.

Current analytical methods for the detection and quantification of food adulterants in commercial products include high performance liquid chromatography (HPLC), gas 1 chromatography mass spectroscopy (GC/MS), and other methods. These techniques have been widely used to analyze both chemical and biological contaminants in different food products. For example, Wahed and others (2016) employed HPLC to quantify formaldehyde in mango, fish, and milk.