Nghiên cứu Tổng hợp Nano Carbon Dots và Ứng dụng Diệt Khuẩn

Nano Carbon Dots (CDs) là vật liệu nano có kích thước dưới 10nm, nổi bật với các… 83 trang · Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh · 2021.

• Tác giả: Trần Lê Quế Thanh
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Nano Carbon Dots Và Ứng Dụng Diệt Khuẩn
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Bố cục đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về CDs
• 2.2. Giới thiệu chung về nano carbon dots
• 2.3. Các tính chất của CDs
• 2.3.1. Tính chất huỳnh quang
• 2.4. Khảo sát độc tính CDs
• 2.5. Phương pháp tổng hợp CDs
• 2.5.1. Cơ chế tổng hợp CDs
• 2.6. Các ứng dụng trong thực phẩm
• 2.7. Tổng quan về chủng Enterohaemorrhagic E.
• 2.8. Tổng quan về hóa chất sử dụng
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Vật liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng
• 3.2. Dung dịch CDs
• 3.3. Môi trường NB (nutrient borth)
• 3.4. Bột rau câu con cá vàng
• 3.5. Thiết bị sử dụng
• 3.6. Quy trình thực hiện
• 3.6.1. Quy trình tổng hợp CDs
• 3.6.2. Quy trình ứng dụng diệt khuẩn E.
• 3.6.3. Quy trình khảo sát độc tính CDs
• 3.7. Các phương pháp phân tích
• 3.7.1. Phương pháp nhiệt phân
• 3.7.2. Phân tích hình thái cấu trúc CDs bằng kỹ thuật TEM
• 3.7.3. Phân tích thành phần nguyên tố qua XPS
• 3.7.4. Phân tích nhóm chức bề mặt bằng quang phổ FTIR
• 3.7.5. Phân tích phổ phát xạ huỳnh quang
• 3.7.6. Năng suất lượng tử
• 3.7.7. Khảo sát độc tính dung dịch CDs bằng cách trồng giá đỗ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Tổng hợp CDs
• 4.2. Tổng hợp và mô tả đặc điểm CDs
• 4.3. Phân tích CDs qua TEM
• 4.4. Phân tích qua XPS
• 4.5. Phân tích quang FTIR
• 4.6. Phân tích quang học
• 4.6.1. Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion đến cường độ phát quang CDs
• 4.7. Khảo sát độc tính dung dịch CDs bằng cách trồng giá
• 4.7.1. Chiều dài thân của giá đỗ
• 4.7.2. Sự phát quang của CDs trong giá đỗ
• 4.8. Đánh giá khả năng diệt khuẩn của dung dịch CDs
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nano Carbon Dots và Ứng dụng Diệt Khuẩn

Nano Carbon Dots (CDs) là vật liệu nano có kích thước dưới 10nm, nổi bật với các tính chất quang học độc đáo. Chúng đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhờ khả năng phát quang ổn định và tính tương thích sinh học cao. CDs có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ứng dụng diệt khuẩn. Việc nghiên cứu và tổng hợp CDs không chỉ giúp phát triển công nghệ mới mà còn mang lại giải pháp hiệu quả cho vấn đề kháng khuẩn hiện nay.

1.1. Định nghĩa và Tính chất của Nano Carbon Dots

Nano Carbon Dots là các hạt carbon có kích thước nano, thường phát quang với màu sắc khác nhau tùy thuộc vào phương pháp tổng hợp. Chúng có khả năng tan tốt trong nước và ít độc hại, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong thực phẩm và y tế.

1.2. Lịch sử và Sự phát triển của Nano Carbon Dots

CDs được phát hiện lần đầu vào năm 2004 và đã nhanh chóng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng CDs có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ và không gây độc tính cho tế bào, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và y tế.

II. Vấn đề Kháng Khuẩn và Thách Thức Hiện Nay

Sự gia tăng vi khuẩn kháng thuốc đã trở thành một thách thức lớn trong y tế và an toàn thực phẩm. Việc sử dụng kháng sinh không kiểm soát đã dẫn đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc, gây khó khăn trong việc điều trị bệnh. Nano Carbon Dots được xem như một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này.

2.1. Tình hình Kháng Khuẩn Toàn Cầu

Kháng khuẩn đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu, với nhiều vi khuẩn phát triển khả năng kháng lại các loại kháng sinh thông thường. Điều này đòi hỏi cần có các giải pháp mới để kiểm soát sự lây lan của vi khuẩn.

2.2. Tác động của Vi Khuẩn Kháng Thuốc đến Sức Khỏe

Vi khuẩn kháng thuốc không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây ra gánh nặng kinh tế lớn cho hệ thống y tế. Việc tìm kiếm các phương pháp điều trị mới là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

III. Phương pháp Tổng hợp Nano Carbon Dots Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp để tổng hợp Nano Carbon Dots, trong đó phương pháp nhiệt rắn với các tiền chất như caffeine, urea và ammonium persulfate được sử dụng phổ biến. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn cho ra sản phẩm có tính chất quang học tốt.

3.1. Quy trình Tổng hợp Nano Carbon Dots

Quy trình tổng hợp CDs bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, xử lý nhiệt và làm sạch sản phẩm. Các yếu tố như nhiệt độ và thời gian xử lý ảnh hưởng lớn đến chất lượng của CDs.

3.2. Đặc điểm Quang Học của Nano Carbon Dots

CDs có khả năng phát quang mạnh mẽ, với năng suất lượng tử cao. Các đặc tính này có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi các điều kiện tổng hợp, giúp tối ưu hóa ứng dụng trong diệt khuẩn.

IV. Ứng dụng Diệt Khuẩn của Nano Carbon Dots

Nano Carbon Dots đã được chứng minh là có khả năng diệt khuẩn hiệu quả, đặc biệt là đối với các vi khuẩn như E. coli. Việc sử dụng CDs trong thực phẩm không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Khả năng Diệt Khuẩn của Nano Carbon Dots

Nghiên cứu cho thấy CDs có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn E. coli ở nồng độ nhất định. Điều này mở ra cơ hội sử dụng CDs như một chất kháng khuẩn tự nhiên trong thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong Ngành Thực Phẩm

CDs có thể được sử dụng để bảo quản thực phẩm, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn gây hại. Việc áp dụng CDs trong ngành thực phẩm không chỉ giúp tăng cường an toàn thực phẩm mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và Tương lai của Nano Carbon Dots

Nano Carbon Dots là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực diệt khuẩn và an toàn thực phẩm. Nghiên cứu và phát triển CDs sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giải quyết các vấn đề kháng khuẩn hiện nay.

5.1. Tóm tắt Lợi ích của Nano Carbon Dots

CDs không chỉ có tính kháng khuẩn mạnh mẽ mà còn an toàn cho sức khỏe con người. Chúng có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến thực phẩm.

5.2. Hướng Nghiên cứu Tương Lai

Nghiên cứu về CDs sẽ tiếp tục được mở rộng để khám phá thêm nhiều ứng dụng mới. Việc cải tiến quy trình tổng hợp và tối ưu hóa tính chất của CDs sẽ là những hướng đi quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh dân số toàn cầu gia tăng nhanh chóng cùng tình trạng ô nhiễm môi trường nước và không khí diễn biến phức tạp, các bệnh truyền nhiễm do vi sinh vật gây ra ngày càng lan rộng. Kháng sinh từ lâu đã được sử dụng như giải pháp chính để kiểm soát vi khuẩn; tuy nhiên, hiện tượng đột biến và gia tăng đề kháng kháng sinh ở nhiều chủng vi sinh vật đang đặt ra thách thức nghiêm trọng cho y tế và công nghệ thực phẩm. Bên cạnh đó, an toàn thực phẩm là yếu tố thiết yếu đối với sức khỏe con người, đòi hỏi các chất kháng khuẩn ứng dụng trong chế biến và bảo quản phải có tính tương thích sinh học cao, không gây độc tính tồn dư.

Để giải quyết vấn đề trên, vật liệu nano carbon phát quang – cụ thể là chấm lượng tử carbon (Carbon Dots - CDs) – trở thành đối tượng nghiên cứu tiềm năng nhờ cơ chế kháng khuẩn vật lý/cơ học trực tiếp lên thành và màng tế bào vi khuẩn mà không gây đề kháng, đồng thời sở hữu khả năng tan tốt trong nước, dễ biến tính bề mặt và có độ an toàn sinh học cao. Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Lê Quế Thanh và Trương Thị Nga (2021) tập trung thực hiện ba nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu, xây dựng và thực hiện quy trình tổng hợp vật liệu nano carbon dots từ nguồn tiền chất caffeine phối hợp với urea và ammonium persulfate bằng phương pháp nhiệt phân trạng thái rắn.
2. Nghiên cứu tính chất quang học, thành phần nguyên tố, nhóm chức bề mặt và hình thái cấu trúc của vật liệu CDs thu được; khảo sát ảnh hưởng của pH và nồng độ ion đến cường độ huỳnh quang.
3. Khảo sát độc tính sinh học của nano carbon dots thông qua mô hình thực vật (trồng giá đỗ) và đánh giá hiệu quả ứng dụng diệt khuẩn đối với chủng vi khuẩn đường ruột Escherichia coli (E. coli O157:H7).

Đối tượng nghiên cứu là vật liệu nano carbon dots đồng pha tạp N, S tổng hợp từ caffeine, hạt đậu xanh (Vigna radiata) dùng cho thử nghiệm độc tính sinh học, và chủng vi khuẩn kiểm định Escherichia coli O157:H7. Toàn bộ các nội dung thực nghiệm, tổng hợp và phân tích được triển khai tại hệ thống phòng thí nghiệm và xưởng thực hành thuộc Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trong thời gian từ ngày 13/03/2021 đến ngày 10/12/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về vật liệu nano carbon (Carbon Dots - CDs), cấu trúc hạt nano có kích thước dưới 10 nm với lõi carbon lai hóa $sp^2/sp^3$ (vô định hình hoặc tinh thể) được bao bọc bởi các nhóm chức bề mặt chứa oxy và nitơ (như carboxyl, hydroxyl, carbonyl). Cơ chế hình thành CDs từ dưới lên (bottom-up) trải qua hai giai đoạn chính:

• Quá trình polymer hóa (Polymerization): Sự ngưng tụ và kết hợp giữa phân tử hữu cơ dị vòng tự nhiên (caffeine) với tác nhân cung cấp nitơ (urea) và tác nhân oxy hóa/cung cấp lưu huỳnh (ammonium persulfate) tạo thành chuỗi mạch hoặc mạng lưới oligomer trung gian.
• Quá trình carbon hóa (Carbonization): Phản ứng nhiệt phân diễn ra đồng thời với các quá trình khử hydro, ngưng tụ và chuyển hóa nhiệt, chuyển đổi tiền chất hữu cơ thành lõi carbon phát quang.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống thiết bị phân tích đã được áp dụng bao gồm:

• Phương pháp nhiệt phân trạng thái rắn (nhiệt rắn một nồi): Phối trộn cơ học hỗn hợp bột mịn gồm 1 g caffeine, 2 g ammonium persulfate và 3 g urea trong cối sứ, nung trong chén sứ phủ giấy nhôm ở nhiệt độ 180°C trong thời gian 3 giờ tại lò nung.
• Phương pháp tinh chế: Hòa tan sản phẩm trong 60 mL nước cất, khuấy từ 60 phút, lọc qua giấy lọc thông thường, lọc màng vi lọc 0,22 µm và thẩm tách qua màng lọc có kích thước lỗ 1.000 Da trong 3 giờ để loại bỏ tạp chất và hóa chất chưa phản ứng.
• Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM và HRTEM): Sử dụng thiết bị JEM-2100 (JEOL, Nhật Bản) hoạt động tại điện áp 200 kV để quan sát hình thái, kích thước hạt và cấu trúc tinh thể.
• Phương pháp quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Thực hiện trên hệ thống ESCALB-MKII250 (VG Co., USA) với nguồn phát tia X Al Kα đơn sắc (1486,6 eV) để xác định thành phần nguyên tố và trạng thái liên kết hóa học.
• Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Sử dụng máy Nicolet 4700 (Thermo Electron Corporation) nhằm nhận diện các nhóm chức hóa học trên bề mặt hạt.
• Phương pháp quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) và quang phổ huỳnh quang (PL): Sử dụng máy Hitachi UH 5300 trong dải bước sóng 230–820 nm với cuvet thạch anh đường kính quang học 1 cm để xác định đỉnh hấp thụ, phổ phát xạ huỳnh quang, độ phụ thuộc bước sóng kích thích và đo năng suất lượng tử huỳnh quang (QY) so với chất chuẩn quinine sulfate.
• Phương pháp thử nghiệm độc tính thực vật: Sử dụng 50 hạt đậu xanh/mẫu thử nghiệm tại các dải nồng độ CDs: 0 mg/mL (đối chứng), 0,3 mg/mL, 1,0 mg/mL và 1,5 mg/mL; theo dõi chiều dài thân và khả năng phát quang dưới đèn UV 365 nm.
• Phương pháp đánh giá khả năng diệt khuẩn: Nuôi cấy vi khuẩn E. coli O157:H7 trong môi trường lỏng Nutrient Broth (NB), bổ sung dung dịch CDs ở các nồng độ 5 mg/mL, 10 mg/mL, 15 mg/mL và đo mật độ quang học (OD) qua phổ hấp thụ UV-Vis từ 350–820 nm tại các thời điểm 0 giờ và 2 giờ.

Thông số / Thành phần	Chi tiết thực nghiệm trong khóa luận
Tiền chất tổng hợp CDs	1 g Caffeine : 2 g Ammonium persulfate : 3 g Urea
Chế độ xử lý nhiệt	180°C trong 3 giờ (trạng thái rắn)
Kỹ thuật màng lọc tinh chế	Màng lọc vi xốp 0,22 µm và màng thẩm tách 1.000 Da (3 giờ)
Thành phần môi trường NB (1L)	1,0 g Chiết xuất thịt bò; 5,0 g Peptone; 2,0 g Chiết xuất men; 5,0 g NaCl
Chủng vi sinh vật kiểm định	Escherichia coli O157:H7 (Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM)
Nồng độ CDs khảo sát độc tính	0 mg/mL; 0,3 mg/mL; 1,0 mg/mL; 1,5 mg/mL
Nồng độ CDs khảo sát diệt khuẩn	5 mg/mL; 10 mg/mL; 15 mg/mL

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp thiết của đề tài. Tác giả phân tích tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn gây bệnh và nhu cầu cấp bách về các chất kháng khuẩn nguồn gốc nano an toàn cho thực phẩm. Mục tiêu tổng quát là tổng hợp CDs phát quang cao từ tiền chất hữu cơ dị vòng (caffeine), khảo sát các tính chất hóa lý, đánh giá an toàn sinh học trên cây mầm và ứng dụng ức chế vi khuẩn E. coli O157:H7. Chương 1 cũng xác định rõ giới hạn phạm vi nghiên cứu, đối tượng thực nghiệm, ý nghĩa thực tiễn cùng bố cục tổng thể gồm 5 chương của khóa luận.

Chương 2: Tổng quan

Tác giả tổng hợp hệ thống tài liệu chuyên khảo về hạt nano carbon dots, cấu trúc hình thái lõi vô định hình/tinh thể $sp^2/sp^3$ cùng lớp vỏ nhóm chức bề mặt. Chương này phân tích chi tiết:

• Tính chất huỳnh quang: Sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ vào bước sóng kích thích, ảnh hưởng của độ pH môi trường và nồng độ ion đến hiệu ứng bật/tắt (on/off) huỳnh quang.
• Cơ chế tổng hợp: So sánh con đường cắt nhỏ từ trên xuống (top-down) và con đường tổng hợp hữu cơ từ dưới lên (bottom-up) thông qua hai pha chính là polymer hóa và carbon hóa.
• Ứng dụng của CDs trong thực phẩm: Phát hiện ion kim loại nặng ($Hg^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cu^{2+}$), dư lượng kháng sinh (tetracycline, ciprofloxacin), độc tố vi nấm và vi sinh vật gây bệnh.
• Tổng quan sinh học về vi khuẩn Escherichia coli O157:H7: Đặc điểm gram âm, hình que, khả năng sinh độc tố Verotoxin gây xuất huyết đại tràng, điều kiện sinh trưởng và sức chịu đựng môi trường acid.
• Đặc tính hóa lý của các chất phản ứng: Cấu trúc phân tử, khối lượng mol và tính chất của Caffeine ($C_8H_{10}N_4O_2$), Urea ($CO(NH_2)_2$) và Ammonium persulfate ($(NH_4)_2S_2O_8$).

Chương 3: Vật liệu và phương pháp

Chương 3 trình bày chi tiết toàn bộ quy trình công nghệ và phương pháp bố trí thí nghiệm:

• Nguồn gốc nguyên vật liệu: Chủng vi khuẩn E. coli O157:H7 từ Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM; hạt đậu xanh và bột rau câu Con Cá Vàng mua tại Siêu thị Co.op Mart; các hóa chất tinh khiết từ Trung tâm Hóa chất Bách Khoa.
• Quy trình tổng hợp nhiệt phân: Mô tả chính xác tỷ lệ phối trộn (1 g caffeine : 2 g ammonium persulfate : 3 g urea), nhiệt độ nung 180°C trong 3 giờ, quy trình phân tán vào 60 mL nước cất, các bước lọc qua màng 0,22 µm và thẩm tách lọc màng 1.000 Da.
• Quy trình phân tích hóa lý: Chuẩn bị mẫu và thông số hoạt động của thiết bị TEM (200 kV), HRTEM, phổ kế XPS (1486,6 eV), FTIR, UV-Vis (Hitachi UH 5300) và phương pháp xác định năng suất lượng tử huỳnh quang.
• Quy trình thử nghiệm sinh học: Quy trình gieo 50 hạt đậu xanh/nồng độ để đánh giá chiều dài thân mầm và sự dịch chuyển huỳnh quang trong mô thực vật; quy trình nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong môi trường NB và đo độ hấp thụ quang học UV-Vis để đánh giá hiệu lực ức chế sinh trưởng.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 cung cấp toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và thảo luận kết quả:

• Đặc trưng cấu trúc và quang học: Vật liệu CDs thu được sau khi nung và tinh chế có màu vàng nhạt, phát xạ huỳnh quang màu xanh lam sáng dưới bức xạ tử ngoại 365 nm. Khi kết hợp caffeine với cả urea và ammonium persulfate, năng suất lượng tử huỳnh quang (QY) đạt mức 69% (cao hơn đáng kể so với mẫu chỉ phối trộn caffeine và ammonium persulfate đạt 38%).
• Phân tích hình thái và liên kết bề mặt: Kết quả TEM và HRTEM chứng minh sự hình thành các hạt nano phân tán đồng đều. Phổ XPS xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố Carbon (C1s), Oxy (O1s), Nitơ (N1s) và Lưu huỳnh (S2p), chứng minh CDs đã được đồng pha tạp N và S thành công. Phổ FTIR thể hiện rõ các dao động đặc trưng của các nhóm chức ưa nước trên bề mặt hạt.
• Độ ổn định quang học: Cường độ huỳnh quang của CDs biến thiên khi thay đổi pH dung dịch và duy trì độ ổn định tương đối dưới các nồng độ ion NaCl khác nhau.
• Khảo sát độc tính thực vật: Thử nghiệm trồng giá đỗ ở các nồng độ 0,3 mg/mL; 1,0 mg/mL và 1,5 mg/mL cho thấy mầm đậu xanh vẫn nảy mầm và phát triển chiều dài thân bình thường tương đương mẫu đối chứng (0 mg/mL). Dưới đèn soi UV 365 nm, các hạt CDs được hệ thống rễ hấp thụ và vận chuyển phân bố đều dọc theo thân cây giá mà không gây ức chế sinh trưởng, khẳng định tính an toàn sinh học của vật liệu ở các nồng độ này.
• Hiệu quả diệt khuẩn: Phổ hấp thụ UV-Vis của dịch nuôi cấy E. coli O157:H7 trong dải bước sóng 350–820 nm sau 0 giờ và 2 giờ xử lý với CDs ở các mức 5 mg/mL, 10 mg/mL và 15 mg/mL cho thấy mật độ vi khuẩn giảm rõ rệt. Trong đó, mức nồng độ 10 mg/mL thể hiện khả năng ức chế và diệt khuẩn tối ưu nhất.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tác giả tổng kết lại các kết quả đạt được: Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp nano carbon dots đồng pha tạp N, S bằng phương pháp nhiệt rắn một nồi với tiền chất caffeine, urea và ammonium persulfate; sản phẩm đạt hiệu suất lượng tử 69%, phát quang xanh lam sáng; chứng minh vật liệu không thể hiện độc tính trên mô hình thực vật ở nồng độ đến 1,5 mg/mL và có hoạt tính kháng khuẩn E. coli hiệu quả nhất tại nồng độ 10 mg/mL. Khóa luận kiến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng cơ chế diệt khuẩn trên nhiều chủng vi sinh vật khác và ứng dụng vào màng bao gói bảo quản thực phẩm.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận ghi nhận các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

• Hiệu suất quang học: Tổng hợp thành công CDs đồng pha tạp N, S phát quang màu xanh lam sáng với năng suất lượng tử huỳnh quang (Quantum Yield - QY) đạt 69% ở bước sóng kích thích 360 nm, cao hơn đáng kể so với mẫu chỉ dùng phụ gia ammonium persulfate (38%).
• Đặc tính cấu trúc: Xác lập đầy đủ các thông số cấu trúc vi mô qua HRTEM, nhận diện thành công các liên kết nguyên tố C, O, N, S qua phổ XPS và các nhóm chức bề mặt qua phổ FTIR.
• Độ an toàn sinh học: Khẳng định dung dịch CDs ở các nồng độ 0,3 mg/mL, 1,0 mg/mL và 1,5 mg/mL không gây độc tính đối với sự sinh trưởng của giá đỗ; cây hấp thụ và vận chuyển hạt nano vào mô thân bình thường.
• Khả năng kháng khuẩn: Xác định nồng độ 10 mg/mL là nồng độ tối ưu nhất để ức chế và tiêu diệt chủng vi khuẩn đường ruột E. coli O157:H7 thông qua phép đo độ hấp thụ UV-Vis dải 350–820 nm sau 2 giờ tiếp xúc.

Về mặt đóng góp khoa học, đề tài đã phát triển một quy trình tổng hợp trạng thái rắn đơn giản, chi phí thấp, một nồi từ tiền chất purine tự nhiên (caffeine) kết hợp xúc tác oxy hóa và phụ gia phổ biến, không đòi hỏi dung môi hữu cơ độc hại hay thiết bị thủy nhiệt phức tạp, tạo ra vật liệu nano phát quang cao phục vụ định hướng kiểm soát an toàn vi sinh trong công nghệ thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tồn tại một số giới hạn thực nghiệm được ghi nhận từ phạm vi nghiên cứu:

• Thử nghiệm độc tính sinh học trực tiếp mới dừng lại ở mô hình thực vật (in vivo trên giá đỗ đậu xanh) và tổng quan lý thuyết trên mô hình động vật (chuột), chưa tiến hành thử nghiệm độc tính tế bào chuyên sâu (in vitro cytotoxicity assay).
• Ứng dụng diệt khuẩn mới khảo sát trên một chủng vi khuẩn gram âm duy nhất là Escherichia coli O157:H7, chưa mở rộng đánh giá đối chứng trên các chủng vi khuẩn gram dương (như Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis) hoặc nấm mốc thực phẩm.
• Khóa luận chưa thử nghiệm ứng dụng CDs trực tiếp trên nền mẫu thực phẩm thực tế hoặc tạo màng bao sinh học bảo quản thực phẩm trong điều kiện bảo quản kéo dài.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

• Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của CDs đối với phổ vi sinh vật rộng hơn (vi khuẩn gram dương, vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm khác).
• Nghiên cứu cơ chế tương tác màng chi tiết giữa CDs và tế bào vi khuẩn dưới kính hiển vi điện tử quét/truyền qua.
• Thử nghiệm phối trộn CDs vào các màng polymer sinh học (chitosan, alginate, agar) để phát triển màng bao thông minh và kháng khuẩn ứng dụng trong bảo quản nông sản, thực phẩm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị cho:

• Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Hóa học, Công nghệ Vật liệu, Công nghệ Sinh học đang thực hiện đề tài nghiên cứu về chấm lượng tử carbon, vật liệu nano huỳnh quang hoặc các chất kháng khuẩn sinh học.
• Phần nội dung đáng tham khảo:
  • Quy trình kỹ thuật tổng hợp nhiệt rắn một nồi từ caffeine, urea và ammonium persulfate (tỷ lệ 1:3:2 ở 180°C trong 3 giờ).
  • Phương pháp xử lý mẫu và phân tích đặc trưng vật liệu qua tổ hợp kỹ thuật TEM, XPS, FTIR và xác định năng suất lượng tử huỳnh quang (QY).
  • Quy trình bố trí thí nghiệm đánh giá độc tính thực vật kết hợp theo dõi phát quang quang học và phương pháp kiểm tra mật độ vi khuẩn quang phổ UV-Vis.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền chất và tỷ lệ phối trộn cụ thể để tổng hợp nano carbon dots trong khóa luận là gì?
Tác giả sử dụng 1 g caffeine phối hợp với 2 g ammonium persulfate ($(NH_4)_2S_2O_8$) và 3 g urea ($CO(NH_2)_2$). Hỗn hợp rắn được nghiền mịn trong cối sứ và xử lý nhiệt ở 180°C trong thời gian 3 giờ.

2. Năng suất lượng tử huỳnh quang (QY) của CDs tổng hợp được đạt bao nhiêu phần trăm?
Khi kết hợp caffeine với cả hai phụ gia urea và ammonium persulfate, CDs thu được phát xạ ánh sáng màu xanh lam sáng với năng suất lượng tử huỳnh quang đạt 69% (so với mức 38% khi chỉ sử dụng phụ gia ammonium persulfate).

3. Khóa luận sử dụng thiết bị và kỹ thuật nào để chứng minh CDs được pha tạp nguyên tố Nitơ và Lưu huỳnh?
Tác giả sử dụng phương pháp quang phổ quang điện tử tia X (XPS) trên thiết bị ESCALB-MKII250 với nguồn bức xạ tia X Al Kα đơn sắc (1486,6 eV), phân tích các mức năng lượng liên kết độ phân giải cao của C1s, O1s, N1s và S2p.

4. Khảo sát độc tính của CDs trên cây giá đỗ được tiến hành ở những nồng độ nào và kết quả ra sao?
Thử nghiệm được thực hiện trên 50 hạt đậu xanh/nồng độ ở các mức 0 mg/mL, 0,3 mg/mL, 1,0 mg/mL và 1,5 mg/mL. Kết quả cho thấy ở tất cả các nồng độ trên, cây giá vẫn sinh trưởng và phát triển chiều dài thân bình thường; CDs được hệ rễ hấp thụ và vận chuyển lên thân phát huỳnh quang dưới đèn 365 nm mà không gây độc tính.

5. Nồng độ CDs nào cho hiệu quả diệt khuẩn Escherichia coli O157:H7 tốt nhất trong nghiên cứu?
Trong các dải nồng độ khảo sát (5 mg/mL, 10 mg/mL và 15 mg/mL) được theo dõi qua phổ hấp thụ UV-Vis dải bước sóng 350–820 nm ở mốc 0 giờ và 2 giờ, mức nồng độ 10 mg/mL thể hiện khả năng ức chế và diệt khuẩn tối ưu nhất.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Lê Quế Thanh và Trương Thị Nga đã xây dựng thành công quy trình nhiệt phân trạng thái rắn đơn giản để tổng hợp vật liệu nano carbon dots đồng pha tạp N, S từ caffeine, urea và ammonium persulfate với năng suất lượng tử huỳnh quang đạt 69%. Các phân tích cấu trúc vi mô qua TEM, XPS và FTIR đã làm sáng tỏ hình thái hạt nano và các nhóm chức bề mặt ưa nước đặc trưng. Đề tài đã chứng minh tính an toàn sinh học của vật liệu trên mô hình sinh trưởng thực vật ở nồng độ đến 1,5 mg/mL và xác định nồng độ tối ưu 10 mg/mL trong việc ức chế vi khuẩn đường ruột Escherichia coli O157:H7, đóng góp dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho hướng ứng dụng vật liệu nano trong an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Do dân số toàn cầu ngày càng tăng, ô nhiễm nước và không khí ngày càng nan giải, các bệnh truyền nhiễm lan rộng, vi sinh vật tồn tại khắp mọi nơi vì vậy kháng sinh được sử dụng rộng rãi như một loại thuốc kháng khuẩn chính. Tuy nhiên do đột biến theo thời gian nhiều vi khuẩn phát triển có khả năng chống lại kháng sinh. Do đó là một chất thay thế cho kháng sinh, vật liệu nano kháng khuẩn đã thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu bởi những đặc tính có lợi và cơ chế hoạt động độc đáo của chúng đối với vi khuẩn. CDs ức chế vi khuẩn phát triển và phá hủy tế bào thông qua cơ chế làm tổn thương vật lí hoặc cơ học đến thành tế bào vi khuẩn, làm cho vi khuẩn bị rối loạn chức năng sinh lí tổng thể dẫn đến bị tiêu diệt.

Mặt khác, thực phẩm an toàn cũng là một yếu tố quan trọng quyết định đến sức khỏe con người. Mà thực phẩm là yếu tố liên quan đến sức khỏe nên một số lo ngại về sức khỏe liên quan đến tính tương thích sinh học vẫn còn. Nên trong số các chất kháng khuẩn khác nhau tổng hợp từ vật liệu nano thì carbon dots (CDs) là tiềm năng cho sản xuất, đa dạng về chức năng, khả năng tan tốt trong môi trường nước. Đặc tính kháng khuẩn của CDs có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách tác động lên bề mặt.

CDs là vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong tương lai diệt vi khuẩn bằng cách phá vỡ màng vi sinh vật giúp cho thực phẩm an toàn hơn. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng CDs không có độc tính. Chính vì công dụng tuyệt vời và lợi thế của CDs nên nhóm chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và tổng hợp nano carbon dots và ứng dụng diệt khuẩn”, hi vọng qua đề tài này có thể cung cấp cho mọi người nhiều hơn về CDs cũng như ứng dụng của nó trong thực phẩm. Mục tiêu của đề tài Tổng hợp carbon dots bằng phương pháp nhiệt rắn với tiền chất là caffeine, ure và ammonium persulfate.

Nghiên cứu tính chất quang của CDs: phổ hấp thụ UV-Vis, phổ phát xạ huỳnh quang PL, phổ hồng ngoại FT-IR, nghiên cứu hình thái cấu trúc qua kinh hiển vi điện tử truyền qua TEM. Ứng dụng diệt khuẩn của CDs trong thực phẩm là diệt Ecoli, kiểm tra tính độc của CDs thông qua việc trồng giá đỗ. 1 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài Thực hiện nghiên cứu để tổng hợp thành công vật liệu nano carbon dots. Sau đó, tiến hành đánh giá hiệu suất tổng hợp, khảo sát độc tính của CDs tổng hợp được, ứng dụng để diệt khuẩn tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Nội dung nghiên cứu Tổng quan tài liệu : phương pháp tổng hợp và cơ chế hình thành CDs từ caffein, urea và amonium persunfate. Đặc trưng cấu trúc CDs thu được bằng phương pháp phổ FTIR, ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Nghiên cứu cấu trúc quang của CDs thu được sử dụng quang phổ hấp thụ UV-VIS, quang phổ phát xạ huỳnh quang (PL). Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của CDs thu được sử dụng phổ hấp thụ UV-VIS.

Khảo sát độc tính của CDs thu được bằng cách trồng giá. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài CDs được tình cờ phát hiện vào năm 2004 tại thời điểm tinh chế các nano carbon một vách ngăn (SWCNTs) bởi Xu (Xu và cộng sự, 2004). Hai năm sau, tức 2006, Sun và cộng sự lần đầu tiên tổng hợp các hạt nano carbon phát quang ổn định có kích thước khác nhau và đặt tên cho chúng là “chấm lượng tử carbon” (CQD).