Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Tổng hợp các vật liệu nano đơn, lưỡng kim loại Au, Ag và ứng dụng" thuộc chuyên ngành Hóa học (Vật liệu nano / Hóa lý thuyết và Hóa lý). Nghiên cứu được triển khai theo định hướng thực nghiệm định lượng kết hợp phân tích cấu trúc, khảo sát động học và thử nghiệm hoạt tính sinh học.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

  • Các phương pháp vật lý tổng hợp dung dịch keo nano kim loại quý như bức xạ tia cực tím (UV), vi sóng (microwave), bức xạ tia X, ánh sáng mặt trời, ăn mòn laser hay điện phân kết hợp siêu âm tuy thân thiện với môi trường và tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao nhưng không thể tổng hợp với lượng lớn.
  • Quá trình xử lý các hợp chất nitro thơm (nitroaromatic) độc hại như nitrobenzen bằng phương pháp oxy hóa thường tạo ra các sản phẩm thứ cấp độc hại (như axit picolinic); trong khi phương pháp khử điện hóa tạo ra hỗn hợp nhiều chất phức tạp (anilin, phenylhydroxylamin, azoxybenzen, azobenzen, nitrosobenzen). Do đó, việc phát triển một hệ xúc tác có khả năng khử chọn lọc nitrobenzen thành anilin (chất có độc tính thấp nhất và khả năng phân hủy sinh học cao) là yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
  • Tình trạng kháng thuốc kháng sinh gia tăng trên phạm vi toàn cầu đòi hỏi các vật liệu diệt khuẩn thế hệ mới. Các hạt nano kim loại quý có xu hướng kết tụ do năng lượng bề mặt lớn, đòi hỏi phải sử dụng các chất ổn định tương thích sinh học như chitosan biến tính tan trong nước và dextran.
  • Vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) gây bệnh bạc lá và nấm Magnaporthe grisea (M. grisea hay Magnaporthe oryzae) gây bệnh đạo ôn trên cây lúa là các tác nhân gây thiệt hại nông nghiệp nghiêm trọng. Mặc dù nano kim loại quý đã được nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực, các đặc tính kháng Xoo và M. grisea của hạt nano bạc, nano vàng và đặc biệt là hệ nano lưỡng kim Ag-Au trên nền dextran chưa từng được khảo sát một cách có hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Tổng hợp nano bạc (AgNP) hình cầu bằng phương pháp khử hóa học và phương pháp chiếu xạ gamma Co-60, sử dụng chitosan (CTS) làm chất ổn định; tổng hợp AgNP với nhiều hình thái khác nhau (hình hoa, thanh nano) bằng phương pháp khử hóa học; thử nghiệm ứng dụng kháng khuẩn.
  2. Tổng hợp nano vàng (AuNP) hình cầu bằng phương pháp khử hóa học và phương pháp chiếu xạ gamma Co-60, sử dụng dextran làm chất ổn định; tổng hợp nano vàng đa nhánh bằng phương pháp hóa học sử dụng chất đồng ổn định; thử nghiệm ứng dụng trong xúc tác.
  3. Tổng hợp nano lưỡng kim Ag-Au bằng phương pháp khử hóa học / thủy nhiệt, sử dụng dextran vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định; thử nghiệm ứng dụng trong xúc tác và kháng khuẩn, kháng nấm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano bạc (AgNP), hạt nano vàng (AuNP), hạt nano lưỡng kim Ag-Au; các polymer tự nhiên làm chất khử và chất ổn định (chitosan biến tính tan trong nước, dextran); các tác nhân định hướng và khử khác (axit ascorbic - AA, axit xitric - CA, cetyltrimethylammonium bromide - CTAB, NaBH4).
  • Phạm vi thử nghiệm ứng dụng: Hoạt tính xúc tác trong phản ứng khử 4-nitrophenol (4-NP) thành 4-aminophenol (4-AP) bằng NaBH4; hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn Staphylococcus aureus (S. aureus) trên nền vải cotton; hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) và hoạt tính kháng nấm đối với Magnaporthe grisea (M. grisea).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả điểm lại

  • Tổng hợp AgNP bằng chitosan: Huang và cộng sự đã sử dụng nồng độ Ag+ khoảng 40 mM dẫn đến hiện tượng gel hóa giữa Ag+ và chitosan trong quá trình chuẩn bị dung dịch. Du và cộng sự công bố việc sử dụng polyvinyl ancol ở nồng độ tới hạn 2-4% để bảo vệ tạo AgNP 20 mM có kích thước nhỏ nhất (~10 nm) bằng chiếu xạ gamma Co-60. Đặng Văn Phú và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của pH (pH 3 và pH 6 tạo hạt có kích thước lần lượt là 15,3 nm và 4,1 nm) trong tổng hợp bức xạ hạt nano bạc ổn định bằng chitosan.
  • Tổng hợp và kiểm soát hình thái hạt AgNP: Nikhil R. Jana và cộng sự tổng hợp thanh nano và dây nano Ag trong dung môi nước thông qua phương pháp phát triển từ mầm trung gian nhằm điều chỉnh tỉ lệ cạnh của thanh nano.
  • Tổng hợp AuNP trên nền polymer sinh học: Anh và cộng sự công bố về AuNP trong alginate; Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự nghiên cứu hệ AuNP/hyaluronan; Li và cộng sự khảo sát AuNP và AgNP trong polyvinylpyrrolidone (PVP); Huang và cộng sự sử dụng PVP làm chất ổn định khi tổng hợp nano vàng bằng bức xạ; Lanh và cộng sự sử dụng chitosan đồng thời làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp AuNP.
  • Bột hóa keo nano vàng: Quá trình tinh chế và bảo quản nano vàng dạng bột thông qua các phương pháp sấy phun, đông tụ và ly tâm tốc độ cao (30.000 vòng/phút).
  • Xúc tác khử 4-nitrophenol (4-NP): Baruah và cộng sự, Cai và cộng sự xác định sự hình thành sản phẩm 4-aminophenol (4-AP) qua cực đại hấp thụ ở bước sóng 298 nm / 293 nm; Kuroda công bố năng lượng hoạt hóa của phản ứng là 31 kJ/mol; Panigrahi công bố năng lượng hoạt hóa là 38 kJ/mol.
  • Nano lưỡng kim Ag-Au và phổ XRD: Alishah và cộng sự ghi nhận sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ liên quan đến AgCl trong quá trình tổng hợp hạt nano Ag; Gopinath và cộng sự chỉ ra cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nano Ag-Au có tính chất tương tự với các đơn kim loại thành phần do thông số mạng của Ag (0,409 nm) và Au (0,408 nm) gần như trùng khớp.
  • Ứng dụng kháng khuẩn trên vải: Zhang và cộng sự thử nghiệm vải cotton gắn nano bạc kháng khuẩn S. aureus ở nồng độ vi khuẩn 10^6 CFU/ml đạt hiệu suất gần 100% tại mật độ nano bạc trên 158 mg/kg.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

  • Khắc phục hiện tượng gel hóa ở nồng độ ion kim loại cao khi dùng chitosan và tìm ra nồng độ tới hạn của chất ổn định polymer tự nhiên để tạo hệ keo đơn phân tán.
  • Khảo sát cơ chế hình thành các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng (hình hoa, thanh nano) dựa trên việc kiểm soát nồng độ chất định hướng (axit xitric) và giá trị pH kiểm soát trạng thái ion hóa của chất khử (axit ascorbic).
  • Đánh giá có hệ thống các phương pháp chuyển hóa hệ keo AuNP/dextran thành dạng bột khô tái phân tán (sấy phun, đông tụ, ly tâm) nhằm phục vụ bảo quản dài hạn chống nhiễm nấm.
  • Khảo sát toàn diện hoạt tính kháng khuẩn đối với Xoo và kháng nấm đối với M. grisea của hệ nano đơn kim (Ag, Au) và lưỡng kim Ag-Au trên nền dextran theo sự biến thiên tỉ lệ thành phần hai kim loại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình phân tích

  • Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Dải hấp thụ quang học đặc trưng trong vùng tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) của các hạt nano kim loại quý tự do (AgNP hình cầu có SPR tại 390-430 nm; AuNP hình cầu có SPR tại 518-540 nm; thanh nano Ag có 2 dải SPR: dọc - LSPR và ngang - TSPR).
  • Cơ chế chín muồi Ostwald (Ostwald Ripening): Sự hòa tan của các hạt nhỏ có năng lượng bề mặt cao và tái kết tinh trên bề mặt các hạt lớn khi dung dịch đạt trạng thái siêu bão hòa dưới điều kiện dư nồng độ ion kim loại.
  • Mô hình động học Langmuir-Hinshelwood: Mô tả cơ chế xúc tác không đồng thể của phản ứng khử 4-NP thành 4-AP trên bề mặt hạt nano Au, trong đó ion BH4- và phân tử 4-NP cùng bị hấp phụ lên bề mặt xúc tác trước khi diễn ra quá trình truyền electron và hydro.
  • Phương trình động học bậc 1 biểu kiến và phương trình Arrhenius: $$\ln\left(\frac{C_0}{C_t}\right) \approx \ln\left(\frac{A_0}{A_t}\right) = kt$$ $$\ln\left(\frac{k_{T_2}}{k_{T_1}}\right) = \frac{E(T_2 - T_1)}{R \cdot T_1 \cdot T_2}$$ với $R = 8,314\text{ J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{mol}^{-1}$.
  • Cấu trúc tinh thể học: Cấu trúc lập phương tâm diện (face-centered cubic - fcc) của Ag và Au xác định qua các mặt phản xạ Bragg (111), (200), (220), (311), (222) đối chiếu thẻ chuẩn JCPDS.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Phương pháp chế tạo:
    • Phương pháp chiếu xạ gamma Co-60: Khử ion kim loại bằng các gốc tự do ($e_{aq}^-$, $H^\bullet$) sinh ra từ quá trình xạ phân dung môi nước; polymer (chitosan, dextran) đóng vai trò chất dập gốc $^\bullet OH$ và ổn định hạt.
    • Phương pháp hóa học / Thủy nhiệt: Sử dụng chitosan biến tính tan trong nước hoặc dextran vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định ở các mức nhiệt độ (70-150 °C); phương pháp phát triển từ mầm (seed-mediated growth) sử dụng chất định hướng CA, CTAB và chất khử AA.
  • Kỹ thuật đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) xác định vị trí $\lambda_{max}$, cường độ hấp thụ (OD/A) và tính chất SPR.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) xác định kích thước, độ phân tán và hình thái học.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định pha tinh thể, độ tinh khiết và thông số mạng tinh thể.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và hiển vi huỳnh quang xác định thành phần nguyên tố định tính và định lượng.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác định các nhóm chức tham gia tương tác liên kết và khử ion kim loại.
  • Quy trình thử nghiệm hoạt tính sinh học và cơ lý:
    • Thử nghiệm độ bền cơ lý của vải cotton: Đo độ bền kéo ($F_b$, đơn vị N) và độ giãn dài khi đứt ($\varepsilon_b$, đơn vị %).
    • Khảo sát sự rửa trôi hạt nano sau 5, 10, 20 chu kỳ giặt.
    • Thử nghiệm kháng khuẩn S. aureus: Đếm số lượng khuẩn lạc sống (CFU/ml) và tính hiệu suất diệt khuẩn $\eta$ (%).
    • Thử nghiệm kháng khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo): Ủ mẫu trong môi trường MB trong 72 giờ, đánh giá độ đục và sự phát triển khuẩn lạc.
    • Thử nghiệm kháng nấm Magnaporthe grisea: Đo đường kính tản nấm (cm) sau 5 ngày nuôi cấy trên đĩa thạch và tính hiệu quả ức chế phần trăm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 tổng hợp cơ sở lý thuyết về vật liệu nano kim loại quý (vàng, bạc), bao gồm các tính chất quang học đặc thù như hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) và phát huỳnh quang. Tác giả điểm luận các phương pháp điều chế hệ keo nano kim loại, nguyên lý tổng hợp tinh thể nano lưỡng kim, cơ chế tạo mầm và phát triển hạt dưới tác dụng của bức xạ gamma Co-60. Bên cạnh đó, chương này phân tích cấu trúc hóa học, hoạt tính sinh học và khả năng tạo phức của hai polymer tự nhiên là chitosan và dextran khi đóng vai trò chất ổn định và chất khử thân thiện với môi trường.

Chương 2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp

Chương 2 trình bày chi tiết mục tiêu nghiên cứu, các nội dung triển khai thực nghiệm và hệ thống phương pháp luận:

  • Quy trình tổng hợp AgNP dạng hình cầu, hình thanh, hình hoa và gắn kết lên vải cotton.
  • Quy trình tổng hợp AuNP hình cầu, hình phân nhánh và kỹ thuật bột hóa bằng sấy phun, đông tụ, ly tâm.
  • Quy trình tổng hợp hệ nano lưỡng kim Ag-Au với các tỉ lệ thể tích ion $Ag^+/Au^{3+}$ khác nhau (3/7, 5/5, 7/3) bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng dextran.
  • Các quy trình phân tích phổ (UV-Vis, FTIR, XRD, EDX), ảnh hiển vi (SEM, TEM, HRTEM), quy trình khảo sát động học xúc tác phản ứng khử 4-NP bằng NaBH4 và quy trình nuôi cấy vi sinh vật kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

1. Tổng hợp nano bạc và ứng dụng kháng khuẩn

  • Chế tạo AgNP/CTS bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60: Phổ UV-Vis của dung dịch AgNP 2 mM có các đỉnh hấp thụ sắc nhọn tại bước sóng 405-408 nm. Khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5% lên 2,0%, độ hấp thụ quang học tăng từ 1,70 lên 2,58 trong khi đường kính hạt trung bình giảm từ 8,8 nm xuống 6,8 nm.
Mẫu thực nghiệm Nồng độ Ag+ (mM) Nồng độ CTS (%) Độ hấp thụ (OD) $\lambda_{max}$ (nm) Đường kính hạt $d$ (nm)
AgNP 2 mM / CTS 0,5% 2,0 0,5 1,70 408 8,8 ± 0,8
AgNP 2 mM / CTS 1,0% 2,0 1,0 2,09 406 7,1 ± 0,3
AgNP 2 mM / CTS 2,0% 2,0 2,0 2,58 405 6,8 ± 0,5
  • Chế tạo AgNP sử dụng CTS vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định:
    • Nồng độ CTS: Tại nồng độ CTS 0,25%, hạt có kích thước 8-20 nm; nồng độ CTS tối ưu là 0,003% cho hệ hạt đơn phân tán có đường kính $d = 4,4 \pm 1,6\text{ nm}$.
    • Nồng độ Ag+: Khảo sát từ 0,01% đến 0,8%. Ở nồng độ Ag+ cao (0,8%), ion Ag+ dư làm hạt tăng kích thước do cơ chế chín muồi Ostwald. Điều kiện tối ưu được chọn là $[CTS] = 0,003%$ và $[Ag^+] = 0,1%$.
    • Nhiệt độ và thời gian: Nhiệt độ 105 °C trong 12 giờ tạo hạt nhỏ và đồng đều nhất. Ở 150 °C, chitosan bị than hóa thành carbon làm kết tủa tinh thể. Ở 120-135 °C, chitosan bị cắt mạch làm giảm khả năng ổn định keo.
    • Cấu trúc XRD và FTIR: Giản đồ XRD xuất hiện 4 đỉnh tại $2\theta = 38,2^\circ; 44,2^\circ; 64,4^\circ; 77,54^\circ$ ứng với các mặt (111), (200), (220), (311) của tinh thể Ag lập phương tâm diện. Phổ FTIR cho thấy sự dịch chuyển các đỉnh của nhóm $-OH$ ($3410\text{ cm}^{-1}$), amide I $-NH_2$ ($1650\text{ cm}^{-1}$) và xuất hiện đỉnh mới tại $1759\text{ cm}^{-1}$ của nhóm $-COOH$ do CTS bị oxy hóa mở vòng.
  • Tổng hợp tinh thể bạc hình hoa và thanh nano bạc:
    • Axit xitric (CA) ở các nồng độ từ 0,00 đến 100 mM (mẫu M1 đến M6) đóng vai trò chất định hướng tạo tinh thể hình hoa với mặt ưu tiên (111) (chuẩn JCPDS 03-065-2871).
    • Thanh nano bạc được chế tạo bằng phương pháp mầm với sự có mặt của CTAB và chất khử axit ascorbic (AA). Phổ UV-Vis xuất hiện hai dải hấp thụ LSPR (744 nm) và TSPR (430 nm) khi dùng 0,06 mL mầm. Điều chỉnh pH kiểm soát dạng tồn tại của AA: ở $\text{pH} \approx 3,8 < pK_{a1}$ (4,1), ion hydroascorbat có tính khử yếu ưu tiên phát triển bất đẳng hướng thành thanh nano (chiều dài 2,5-3,8 µm); ở $\text{pH} \approx 12 > pK_{a2}$ (11,8), ion ascorbat có tính khử mạnh tạo hạt cầu hoặc tam giác. Giản đồ XRD phù hợp thẻ chuẩn JCPDS 01-087-0720.
  • Đặc tính AgNP/CTS trên vải cotton và hoạt tính kháng khuẩn S. aureus:
    • Sau 20 chu kỳ giặt, lượng AgNP bị rửa trôi trên mẫu vải xử lý bằng CTS 0,5% và 1,0% chỉ khoảng ~30%, trong khi mẫu dùng CTS 2,0% bị rửa trôi ~44% do lượng polymer dư thừa bị bong tách.
    • Tính chất cơ lý của vải sau xử lý biến đổi không đáng kể so với vải ban đầu.
Mẫu vải cotton Lực kéo đứt $F_b$ (N) Độ giãn dài khi đứt $\varepsilon_b$ (%) Mật độ AgNP (mg/kg vải) Lượng tế bào sống sau thử nghiệm (CFU/ml) Hiệu suất diệt khuẩn $\eta$ (%)
Vải chưa xử lý 299,4 ± 6,5 24,3 ± 1,4 0 $1,13 \times 10^7$ -
Vải xử lý AgNP / CTS 0,5% 289,1 ± 14,8 21,7 ± 2,9 245 (Mẫu 1) $2,70 \times 10^3$ 99,98
Vải xử lý AgNP / CTS 1,0% 289,9 ± 9,7 23,3 ± 1,5 204 (Mẫu 2) $1,25 \times 10^4$ 99,89
Vải xử lý AgNP / CTS 2,0% 270,4 ± 7,4 23,3 ± 2,8 177 (Mẫu 3) $1,35 \times 10^5$ 98,81
Vải xử lý AgNP (Mẫu 4) - - 124 (Mẫu 4) $2,21 \times 10^5$ 98,04

2. Tổng hợp nano vàng và ứng dụng trong xúc tác

  • Tổng hợp AuNP/dextran bằng chiếu xạ gamma Co-60:
    • Ảnh hưởng của pH: Kích thước AuNP giảm khi tăng pH: ở pH 5,5 hạt đạt 35,5 nm; pH 6,5 đạt 4,1 nm; pH 7,5 tối ưu đạt kích thước $6,2 \pm 0,4\text{ nm}$ với phân bố kích thước hẹp.
    • Ảnh hưởng nồng độ Au3+ (tại 1% dextran, pH 7,5): $[Au^{3+}] = 0,5\text{ mM}$ cho $\lambda_{max} = 519,5\text{ nm}$, $d = 5,8 \pm 1,2\text{ nm}$; $1,0\text{ mM}$ cho $\lambda_{max} = 520,5\text{ nm}$, $d = 6,4 \pm 1,7\text{ nm}$; $2,0\text{ mM}$ cho $\lambda_{max} = 524,0\text{ nm}$, $d = 11,9 \pm 3,8\text{ nm}$.
    • Ảnh hưởng nồng độ dextran (tại 1 mM Au3+, pH 7,5): Tăng [dextran] từ 0,5% lên 1,0% và 2,0% làm kích thước giảm tương ứng từ $8,0 \pm 1,2\text{ nm}$ xuống $6,4 \pm 1,7\text{ nm}$ và $5,2 \pm 2,1\text{ nm}$. Nồng độ dextran 1% là nồng độ tới hạn.
  • Đặc tính bột AuNP/dextran sau tinh chế:
    • Phương pháp đông tụ: $\lambda_{max} = 522,5\text{ nm}$, $d = 8,0 \pm 0,3\text{ nm}$, phổ EDX không chứa tạp chất clo.
    • Phương pháp sấy phun: $\lambda_{max} = 522,0\text{ nm}$, $d = 7,5 \pm 0,5\text{ nm}$, phổ EDX cho thấy bị lẫn 5,7% nguyên tố clo.
    • Phương pháp ly tâm (30.000 vòng/phút): $\lambda_{max} = 523,5\text{ nm}$, $d = 11,2 \pm 0,5\text{ nm}$ do lực ly tâm mạnh gây kết tụ hạt, không chứa clo.
Phương pháp chế tạo bột $\lambda_{max}$ (nm) Đường kính hạt $d$ (nm) Tạp chất Clo qua EDX (%)
Dung dịch keo ban đầu 520,5 6,2 ± 0,4 Không xác định
Sấy phun 522,0 7,5 ± 0,5 5,7
Đông tụ 522,5 8,0 ± 0,3 0
Ly tâm (30.000 vòng/phút) 523,5 11,2 ± 0,5 0
  • Tổng hợp AuNP sử dụng dextran vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định (thủy nhiệt):
    • Nhiệt độ: Khảo sát độ bền qua 4 tháng lưu trữ: mẫu tổng hợp ở 90 °C có độ hấp thụ cực đại duy trì ổn định nhất ($A_{max}$ ban đầu 0,883; sau 4 tháng là 0,867; xử lý thống kê: $N = 3$, $S = 0,007$, $t_{TN} = -1,895$ nằm trong khoảng $t_{LT} = \pm 2,920$). Mẫu ở 100 °C bị kết tụ và sa lắng sau 4 tháng.
    • Nồng độ: Điều kiện tối ưu gồm $[Au^{3+}] = 0,2\text{ mM}$, $[\text{dextran}] = 0,5%$, $\text{pH} = 11$, nhiệt độ 90 °C, thời gian phản ứng 30 phút.
    • Đặc trưng: XRD khớp chuẩn fcc JCPDS 04-0784 ($2\theta = 38,2^\circ; 44,2^\circ; 64,4^\circ; 77,54^\circ$). EDX chứa C (85,22%), O (12,39%) và Au. FTIR ghi nhận dải $C=O$ dịch từ $1647\text{ cm}^{-1}$ sang $1639\text{ cm}^{-1}$ chứng minh tương tác liên kết giữa dextran và AuNP.
  • Hoạt tính xúc tác phản ứng khử 4-NP thành 4-AP bằng NaBH4:
    • Khi có NaBH4, phổ hấp thụ của 4-NP ($\lambda_{max} = 317\text{ nm}$) dịch sang ion 4-nitrophenolat ($\lambda_{max} = 400\text{ nm}$, $pK_a = 7,15$). Khi bổ sung xúc tác AuNP, đỉnh 400 nm giảm dần và xuất hiện đỉnh duy nhất của 4-AP tại $298\text{ nm}$ ($293\text{ nm}$).
    • Động học tuân theo bậc 1 biểu kiến: Hằng số tốc độ $k_{298} = 0,141\text{ phút}^{-1}$ (ở 25 °C) và $k_{308} = 0,2155\text{ phút}^{-1}$ (ở 35 °C).
    • Năng lượng hoạt hóa Arrhenius xác định được là $E = 32,37\text{ kJ/mol}$ (kết luận ghi nhận $30,9\text{ kJ/mol}$).

3. Tổng hợp nano lưỡng kim Ag-Au và ứng dụng kháng khuẩn, kháng nấm

  • Đặc trưng hóa lý hệ nano lưỡng kim Ag-Au/dextran:
    • Chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với dextran ở 90 °C trong 30 phút. Các mẫu S3, S5, S7 tương ứng với tỉ lệ thể tích dung dịch ion $Ag^+/Au^{3+}$ lần lượt là 3/7, 5/5 và 7/3.
    • Phổ UV-Vis: Mẫu AgNP/dextran có $\lambda_{max} = 424\text{ nm}$, AuNP/dextran có $\lambda_{max} = 557\text{ nm}$. Các mẫu lưỡng kim chỉ xuất hiện một đỉnh SPR duy nhất chuyển dịch theo tỉ lệ thành phần: S7 (518 nm), S5 (530 nm), S3 (542 nm), tuân theo quy luật $\lambda_{max}(Ag) < \lambda_{max}(Ag-Au) < \lambda_{max}(Au)$.
    • Kích thước hạt (SEM/TEM): AgNP có kích thước 5-55 nm (trung bình ~17,5 nm); nano lưỡng kim có đường kính trung bình ~5 nm (mẫu S3 phân bố hẹp từ 3-25 nm; mẫu S7 có nhiều hạt lớn từ 20-40 nm).
    • Phân tích HRTEM-EDX: Mẫu S3 có cấu trúc vỏ vàng bao phủ bề mặt đồng nhất với tỉ lệ nguyên tố Au 87% và Ag 13%. Mẫu S7 có thành phần bề mặt gồm Ag 63% và Au 37%.
    • Giản đồ XRD: Tinh thể fcc đồng nhất, xuất hiện thêm các đỉnh phụ của pha AgCl tại $2\theta = 32,4^\circ; 46,4^\circ; 54,6^\circ; 57,7^\circ$ (JCPDS 031-1238).
    • Phổ FTIR: Xuất hiện các đỉnh đặc trưng của dextran ở $3471\text{ cm}^{-1}$ ($-OH$), $2972\text{ cm}^{-1}$ / $2927\text{ cm}^{-1}$ ($-C-H$), $1658\text{ cm}^{-1}$ ($-COOH$), $1159\text{ cm}^{-1}$, $1112\text{ cm}^{-1}$ ($C-O-C$), $1008\text{ cm}^{-1}$ và $909\text{ cm}^{-1}$ (liên kết $\alpha$-glycosidic).
  • Hoạt tính kháng vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo):
    • Sau 72 giờ nuôi cấy trong môi trường MB, mẫu đối chứng và mẫu AuNP/dextran bị vẩn đục (AuNP ức chế khuẩn rất yếu).
    • Mẫu AgNP/dextran, S7 và S5 ức chế gần như hoàn toàn sự phát triển của vi khuẩn Xoo (môi trường trong, không có khuẩn lạc). Mẫu S3 có hoạt tính kháng khuẩn trung bình.
  • Hoạt tính kháng nấm Magnaporthe grisea (M. grisea):
    • Đánh giá đường kính tản nấm sau 5 ngày nuôi cấy trên đĩa thạch.
Mẫu vật liệu thử nghiệm Tỉ lệ $Ag^+/Au^{3+}$ Hàm lượng Ag ước tính ($\mu\text{g/mL}$) Đường kính tản nấm (cm) Hiệu quả ức chế nấm $\eta$ (%)
Mẫu đối chứng (Blank) - 0 3,60 ± 0,08 0,00
AuNP / dextran 0/10 0 3,43 ± 0,10 4,72
S3 (Hợp kim Ag-Au) 3/7 - 2,93 ± 0,11 18,61
S5 (Hợp kim Ag-Au) 5/5 ~3,1 2,48 ± 0,09 31,11
S7 (Hợp kim Ag-Au) 7/3 ~4,4 2,21 ± 0,08 38,61
AgNP / dextran 10/0 - 1,09 ± 0,12 69,72

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học và lý luận

  • Thiết lập quy trình tổng hợp "xanh" chế tạo các hạt nano đơn kim (Ag, Au) và lưỡng kim (Ag-Au) trong pha nước sử dụng polymer tự nhiên biến tính (chitosan, dextran) đóng vai trò kép: vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định, hoặc kết hợp với phương pháp chiếu xạ gamma Co-60.
  • Xác định được nồng độ tới hạn của chất ổn định sinh học trong dung dịch để kiểm soát kích thước hạt ở ngưỡng dưới 10 nm mà không làm keo tụ hay gel hóa hệ keo.
  • Làm sáng tỏ cơ chế phát triển dị hướng của tinh thể nano bạc: kiểm soát nồng độ axit xitric để định hướng tạo cấu trúc hình hoa qua mặt tinh thể (111); kiểm soát pH để chi phối dạng phân ly của axit ascorbic ($pK_{a1} \approx 4,1$ và $pK_{a2} \approx 11,8$) nhằm chuyển đổi cấu trúc giữa thanh nano (nanorods) và hạt nano cầu/tam giác (nanotriangles).
  • Chứng minh hạt nano lưỡng kim Ag-Au/dextran hình thành cấu trúc hợp kim/vỏ bọc đồng nhất có vị trí dải SPR đơn chuyển dịch tuyến tính theo tỉ lệ thành phần nguyên tố, giải thích sự khuếch tán bề mặt bằng kỹ thuật HRTEM kết hợp EDX.
  • Xác định phản ứng khử 4-NP thành 4-AP bằng NaBH4 trên xúc tác nano vàng tuân theo mô hình Langmuir-Hinshelwood với động học bậc 1 biểu kiến và năng lượng hoạt hóa $E = 32,37\text{ kJ/mol}$ ($30,9\text{ kJ/mol}$).

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  • Chế tạo thành công vải cotton biến tính gắn AgNP/CTS có độ bền dính cao (duy trì sau 20 chu kỳ giặt chỉ rửa trôi ~30% với CTS 0,5-1,0%) mà không làm suy giảm tính chất cơ lý của sợi vải ($F_b$ và $\varepsilon_b$ tương đương vải ban đầu), đạt hiệu suất diệt khuẩn S. aureus trên 98% ở mật độ AgNP từ 124-245 ppm.
  • Xây dựng phương pháp tinh chế bột khô AuNP/dextran tái phân tán bằng phương pháp đông tụ không chứa tạp chất clo, khắc phục hạn chế nhiễm nấm mốc khi bảo quản dung dịch keo lỏng ở điều kiện thường.
  • Ứng dụng thành công hệ vật liệu keo nano AgNP/dextran và nano lưỡng kim Ag-Au/dextran (đặc biệt là mẫu S7 và S5) trong việc ức chế vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae gây bệnh bạc lá và nấm Magnaporthe grisea gây bệnh đạo ôn trên cây lúa.
  • Việc kết hợp Au vào cấu trúc Ag-Au giúp giảm thiểu hàm lượng Ag tự do phóng thích (hàm lượng Ag trong S5 và S7 chỉ từ 3,1-4,4 µg/mL) nhưng vẫn duy trì hoạt tính diệt vi sinh vật, mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu nano tương thích sinh học cao trong y học và nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phương pháp sấy phun tạo bột AuNP/dextran vẫn còn tồn dư hàm lượng clo (5,7%), trong khi phương pháp ly tâm tốc độ cao (30.000 vòng/phút) làm tăng kích thước hạt ($d = 11,2\text{ nm}$) do lực cơ học gây kết tụ.
  • Văn bản luận án chỉ ra hàm lượng clo trong bột nano vàng cần được phân tích bằng các phương pháp định lượng có độ chính xác cao hơn EDX.
  • Các khảo sát hoạt tính kháng khuẩn Xoo và kháng nấm M. grisea mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (in vitro) trên môi trường đĩa thạch và dung dịch nuôi cấy nhân tạo, chưa thử nghiệm trực tiếp trên thực địa đồng ruộng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tối ưu hóa quy trình rửa và tinh chế bột nano kim loại để loại bỏ hoàn toàn tạp chất ion clorua trong phương pháp sấy phun.
  • Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế giảm độc tính tế bào của hệ nano lưỡng kim Ag-Au/dextran hướng đến các thử nghiệm tiền lâm sàng trong y sinh học.
  • Mở rộng thử nghiệm thực tế chế phẩm nano Ag-Au/dextran trong phòng trừ dịch bệnh bạc lá và đạo ôn trên các giống lúa canh tác ngoài đồng ruộng.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu chuyên ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Nano: Cung cấp thông số thực nghiệm chi tiết về động học phản ứng, các giản đồ nhiễu xạ XRD (JCPDS 89-3722, 04-0784, 03-065-2871, 01-087-0720, 031-1238), phổ FTIR phân tích tương tác polymer - kim loại và cơ chế điều khiển hình thái hạt nano.
  • Đối với các nhà nghiên cứu Nông nghiệp và Bảo vệ thực vật: Cung cấp số liệu định lượng về nồng độ ức chế tối thiểu và hiệu quả xử lý hai tác nhân gây bệnh lúa nguy hiểm (Xanthomonas oryzae pv. oryzae và Magnaporthe grisea) của hạt nano bạc và nano lưỡng kim Ag-Au trên nền polymer phân hủy sinh học.
  • Đối với ngành Công nghệ Dệt may và Y tế: Cung cấp quy trình công nghệ xử lý vải cotton kháng khuẩn bền giặt bằng hệ phân tán AgNP/chitosan nồng độ thấp (0,5-1,0%) giữ nguyên tính chất cơ lý của sợi dệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nồng độ chitosan cao (2,0%) lại làm tăng lượng nano bạc bị rửa trôi trên vải cotton sau 20 lần giặt so với nồng độ 0,5% và 1,0%?

Theo kết quả phân tích trong luận án, chitosan ở nồng độ cao (2,0%) dẫn đến tình trạng dư thừa polymer không thể bám dính trực tiếp và bền vững vào các sợi cotton. Trong quá trình giặt, phần chitosan dư thừa này dễ dàng bị hòa tan và rửa trôi kéo theo các hạt AgNP phân bố bên trong, làm giảm mật độ AgNP còn lại trên vải (mức độ rửa trôi đạt ~44% so với ~30% ở các mẫu sử dụng chitosan 0,5% và 1,0%).

2. Giá trị pH quyết định như thế nào đến việc tạo thành thanh nano bạc (nanorods) so với hạt nano bạc hình cầu/tam giác khi sử dụng chất khử axit ascorbic?

Axit ascorbic (AA) là một điaxit có hai nấc phân ly với hằng số axit $pK_{a1} \approx 4,1$ và $pK_{a2} \approx 11,8$. Khi điều chỉnh $\text{pH} \approx 3,8 < pK_{a1}$, dung dịch chủ yếu tồn tại ở dạng phân tử AA và ion monoanion hydroascorbat có thế khử yếu ($E_1^0 = 0,076\text{ V}$), làm tốc độ phản ứng chậm lại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển bất đẳng hướng thành thanh nano bạc. Khi $\text{pH} \approx 12 > pK_{a2}$, cân bằng chuyển dịch tạo dianion ascorbat có thế khử mạnh ($E_2^0 = 0,766\text{ V}$), phản ứng xảy ra nhanh tạo các hạt nano dạng cầu hoặc tam giác.

3. Phương pháp nào là tối ưu nhất để chuyển hóa dung dịch keo AuNP/dextran thành dạng bột khô tái phân tán?

Phương pháp đông tụ là phương pháp tối ưu nhất. Kết quả phân tích cho thấy bột AuNP tạo ra từ phương pháp đông tụ giữ được kích thước hạt ($d = 8,0 \pm 0,3\text{ nm}$) và bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{max} = 522,5\text{ nm}$) gần như tương đương dung dịch keo ban đầu ($d = 6,2 \pm 0,4\text{ nm}$, $\lambda_{max} = 520,5\text{ nm}$), đồng thời phổ EDX xác nhận sản phẩm hoàn toàn không bị nhiễm tạp chất clo như phương pháp sấy phun (nhiễm 5,7% Cl) và không bị kết tụ tăng kích thước như phương pháp ly tâm tốc độ cao ($d = 11,2\text{ nm}$).

4. Động học và năng lượng hoạt hóa của phản ứng khử 4-nitrophenol (4-NP) thành 4-aminophenol (4-AP) trên xúc tác AuNP được xác định bằng những thông số nào?

Phản ứng khử 4-NP bằng NaBH4 khi có dư NaBH4 tuân theo phương trình động học bậc 1 biểu kiến theo mô hình Langmuir-Hinshelwood. Hằng số tốc độ phản ứng xác định được là $k_{298} = 0,141\text{ phút}^{-1}$ ở nhiệt độ 298 K (25 °C) và $k_{308} = 0,2155\text{ phút}^{-1}$ ở nhiệt độ 308 K (35 °C). Dựa vào phương trình Arrhenius, năng lượng hoạt hóa của phản ứng tính toán được là $E = 32,37\text{ kJ/mol}$ (kết luận ghi nhận $30,9\text{ kJ/mol}$).

5. Khả năng kháng khuẩn Xoo và kháng nấm M. grisea của hệ nano lưỡng kim Ag-Au/dextran biến thiên như thế nào theo tỉ lệ thành phần hai kim loại?

Hoạt tính ức chế vi sinh vật của hệ keo nano tỉ lệ thuận với hàm lượng bạc trong cấu trúc lưỡng kim. Mẫu AgNP/dextran đơn kim cho hiệu quả ức chế nấm M. grisea cao nhất (69,72%), tiếp theo là các mẫu lưỡng kim S7 (38,61% với ~4,4 µg/mL Ag), S5 (31,11% với ~3,1 µg/mL Ag) và S3 (18,61%), trong khi AuNP/dextran chỉ đạt 4,72%. Đối với vi khuẩn Xoo, các mẫu AgNP, S7 và S5 ức chế hoàn toàn sự phát triển của khuẩn sau 72 giờ, trong khi mẫu S3 ức chế trung bình và AuNP thể hiện hoạt tính rất yếu.

Kết luận

Luận án đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xanh các hệ vật liệu nano đơn kim (Ag, Au) và lưỡng kim (Ag-Au) có kích thước kiểm soát dưới 10 nm trên nền polymer tự nhiên chitosan và dextran bằng phương pháp hóa học, thủy nhiệt và chiếu xạ gamma Co-60. Nghiên cứu đã làm rõ cơ chế kiểm soát hình thái tinh thể nano bạc (hình hoa, thanh nano) thông qua chất định hướng axit xitric và giá trị pH điều khiển tính khử của axit ascorbic. Hệ vật liệu tạo thành thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng khử chọn lọc 4-nitrophenol thành 4-aminophenol, đồng thời thể hiện khả năng kháng khuẩn Staphylococcus aureus bền giặt trên vải cotton và ức chế hiệu quả hai tác nhân gây bệnh lúa là vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae và nấm Magnaporthe grisea.