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). Trong vòng một năm, các CDs hòa tan trong nước được thụ động bề mặt với poly- propionylethylenimine- co -ethylenimine đã được công bố.
(Sun và cộng sự, 2006) Các CDs cho thấy phổ phát quang từ hai photon cảm ứng và được sử dụng để phát hiện tế bào MCF-7 ung thư vú ở người (L. Cao và cộng sự, 2007). Theo Anand và cộng sự (2018) đã đưa ra các ứng dụng kháng khuẩn của vật liệu nano carbon chức năng (GO và C-Dots), cơ chế kháng khuẩn, các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ kháng khuẩn như các nhóm amin được thay thế bằng lauryl betaine trên bề mặt CDs sẽ giúp phát hiện và tiêu diệt vi khuẩn gram dương trong quần thể vi khuẩn có cả gram âm và gram dương, nguyên liệu để tổng hợp sẽ ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của CDs. Ngoài ra còn có nghiên cứu thử nghiệm trên chuột cho thấy CDs hoàn toàn không có độc tính.
Theo Wang và cộng sự (2018) đã tiến hành thí nghiệm trồng giá bằng CDs với các nồng độ là 0,2 mg/mL, 0,4 mg/mL thì thấy rễ của các cây này dài hơn rễ của cây giá trồng với nước 2 29,9% và 13,8% và khả năng hút nước tăng lên với nồng độ CDs là 0,2 mg/mL. Điều này chứng minh rằng CDs không có độc tố mà còn giúp cây sinh trưởng và phát triển tốt hơn. Vì vậy CDs có thể được nghiên cứu để làm phân bón cho cây. Theo Ciu và cộng sự (2020) đã đề cập đến những tiến bộ trong cơ chế phát hiện huỳnh quang và các ứng dụng của CDs để theo dõi vi khuẩn gây bệnh.
CDs huỳnh quang từ tính có thể giảm sự nhiễu khi giám sát các mẫu có vi khuẩn trong thực tế như huyết thanh, thực phẩm, môi trường. CDs huỳnh quang từ tính được tạo ra bằng cách thêm một số phần tử. Bên cạnh đó, các CDs có thể bị phân huỷ thành H2O, CO và CO2 ở 37°C sau 20 ngày hoặc dưới ánh sáng nhìn thấy trong không khí. Ngoài ra CDs còn có nhiều ứng dụng khác trong thực phẩm như phát hiện được đường, vi sinh vật gây bệnh.
Theo Liang và cộng sự (2021) nghiên cứu và công bố về hoạt tính kháng khuẩn của CDs tổng hợp từ levofloxacin hydrochloride. CDs thu được có kích thước trung bình 1,27 nm có đặc tính kháng khuẩn mạnh đối với cả vi khuẩn gram dương và gram âm, với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) là 64, 128, 64 và 128 μg/mL đối với Escherichia coli (E.coli), Pseudomonas aeruginosa (P.aeruginosa), Staphylococcus aureus (S.aureus) và Bacillus subtilis (B. Năm 2021 Liang và cộng sự cho rằng, CDs không có độc tính mà ở nồng độ thích hợp còn thúc đẩy tăng trưởng đồng thời thúc đẩy quá trình quang hợp của cây và tăng hàm lượng carbohydrat trong cây. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng CDs làm tăng hiệu quả hoạt động của ribose- 1,5-diphosphate carboxylase (Rubisco) giúp tích lũy nhiều chất bột đường của cây đậu xanh giúp cây phát triển tốt hơn.
Bố cục đề tài Nghiên cứu, xây dựng quy trình tổng hợp nano carbon dots từ caffein, urea và amonium persunfate. Khảo sát độc tính CDs. Ứng dụng CDs để diệt khuẩn. 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.
Tổng quan về CDs 2. Giới thiệu chung về nano carbon dots Carbon dots (CDs) hay chấm lượng tử carbon, có kích thước dưới 10nm. Gồm các tính chất quang học độc đáo, là vật liệu tiềm năng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như quang học, y học, sinh học,… (Jia- Huan Qu và cộng sự, 2018). CDs thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học nhờ các đặc tính nổi bật như cường độ phát quang ổn định, quang phổ kích thích rộng, huỳnh quang nhiều màu và khả năng tan tốt trong nước.
Ngoài ra CDs thể hiện độc tính tế bào thấp, khả năng tương thích sinh học cao, ít ảnh hưởng đến môi trường và chi phí thấp cũng như tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực. Các phương pháp tiếp cận gần đây để phát hiện các ion kim loại nặng bao gồm phép đo khối phổ plasma - cảm ứng (Barriada và cộng sự 2007), phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (Chamsaz và cộng sự, 2008) và phép đo điện áp dải , là những quy trình khá tốn kém và phức tạp bao gồm các bước tiền xử lý mẫu tốn thời gian và cũng không di chuyển được, điều này hạn chế các ứng dụng của chúng, mặc dù chúng cung cấp độ nhạy tuyệt vời và phân tích đa yếu tố. Cảm biến huỳnh quang ngày càng thu hút sự chú ý vì hoạt động đơn giản, tiết kiệm chi phí, độ nhạy cao, phản ứng trực quan và nhanh chóng (Yiqun Zhou và cộng sự, 2019). Ngoài ra, CDs còn có các ứng dụng trong an toàn thực phẩm trong việc xác định các ion/anion kim loại, thuốc trừ sâu, thuốc thú y, vi khuẩn, các chất phụ gia bị cấm bởi cơ chế phát quang.
Cấu trúc Có kích thước nano, cấu trúc vật liệu CDs gồm lõi là khối cầu carbon lai hóa sp2/sp3 ở dạng vô định hình hoặc tinh thể, bao bọc bên ngoài là các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, carbonxylic acid, carbonyl như hình 2. Với sự xuất hiện đa dạng các nhóm chức bao quanh, 4 vật liệu C-dots có khả năng tan tốt trong nước và dễ dàng kết hợp với các cơ chất để ứng dụng cho các mục đích cụ thể. Cấu trúc khái quát của CDs (Gayen và cộng sự, 2019). Các tính chất của CDs 2.
Tính chất huỳnh quang Màu sắc phát xạ PL của CDs cũng được quan tâm. Các CDs thường có phát xạ xanh lam hoặc xanh lục (400-500 nm). Tùy vào các tiền chất và cách tổng hợp mà CDs sẽ phát xạ huỳnh quang khác nhau. Sự thay đổi của huỳnh quang từ xanh lam sang xanh lục / vàng cho thấy rằng sự xuất hiện của các dị nguyên tử (như nitơ và oxy ) cũng dẫn đến sự dịch chuyển màu đỏ của bước sóng phát xạ.
Gần đây, các CDs phát quang đỏ đã được tổng hợp dễ dàng bằng cách tạo thành một hệ thống liên hợp lớn π. Ví dụ, P-phenylenediamine và 1,3-dihydroxynaphthalene được sử dụng để tổng hợp CDs phát huỳnh quang đỏ với hiệu suất lượng tử cao (QY) (Sun và cộng sự, 2018; Wang và cộng sự, 2018). Ngoài ra, sử dụng phloroglucinol đối xứng gấp ba lần làm tiền chất, Yuan và các đồng nghiệp đã điều chế các CDs phát quang cao từ xanh lam sang đỏ bằng cách mở rộng hệ liên hợp π trong các điều kiện được kiểm soát (Yuan và cộng sự, 2018). Huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích Có thể đạt được sự phát huỳnh quang khác nhau bằng cách điều chỉnh bước sóng kích thích.
Ví dụ, Liu và các đồng nghiệp nhận thấy rằng bước sóng phát xạ cực đại tăng từ 450 nm lên 550 nm khi bước sóng kích thích thay đổi từ 340 nm đến 480 nm (Liu và cộng sự,2011).