Luận án: Tổng hợp vật liệu nano đa chức năng trên nền Chitosan Oligosaccharide

Luận án trình bày quy trình tổng hợp vật liệu nano đa chức năng nền COS và đánh giá hiệu quả ức chế nấm gây bệnh đạo ôn, khô vằn trên cây lúa.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Huế
• Chuyên ngành: Hóa Lý Thuyết Và Hóa Lý
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Nano Đa Chức Năng Trên Nền Chitosan Oligosaccharide Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Khái niệm và tổng quan về vật liệu nano COS

Vật liệu nano COS (Chitosan Oligosaccharide) là một loại vật liệu nano đa chức năng được tổng hợp trên nền chitosan oligosaccharide, một polymuer sinh học có tính chất ổn định và an toàn cao. Đây là kết quả của những nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực công nghệ nano và khoa học vật liệu nano. Vật liệu này kết hợp những tính chất vượt trội của chitosan với cấu trúc nano, tạo ra những đặc tính mới giúp tăng cường hiệu quả ứng dụng. COS được biết đến nhờ khả năng kháng khuẩn, kháng nấm mạnh mẽ và khả năng kích thích quá trình sinh lý của cây trồng. Các nghiên cứu cho thấy vật liệu nano dựa trên COS có tiềm năng lớn trong phòng chống bệnh cây trồng một cách hiệu quả và bền vững.

1.1. Định nghĩa chitosan oligosaccharide

Chitosan oligosaccharide (COS) là một chất macromolecule sinh học được tạo ra từ chitosan thông qua quá trình khử acetyl hóa. COS có cấu trúc đặc biệt với độ đề acetyl hóa (DDA) cao, giúp tăng khả năng hòa tan và sinh học hoạt động. So với chitosan truyền thống, COS có trọng lượng phân tử thấp hơn, dễ dàng thẩm thấu vào tế bào cây, từ đó phát huy tác dụng bảo vệ và kích thích quá trình sinh trưởng của cây trồng.

1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano COS

Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano dựa trên COS bao gồm: phương pháp khử hóa học, đồng沉tích, và phương pháp môi trường nước. Những phương pháp này giúp tạo ra những hạt nano ổn định với kích thước kiểm soát chính xác. Việc sử dụng COS làm chất ổn định trong quá trình tổng hợp giúp ngăn chặn tập hợp hạt nano và cải thiện phân tán đều của các hạt trong dung dịch.

II. Ứng dụng vật liệu nano COS trong trị bệnh cây trồng

Vật liệu nano COS đã được chứng minh có khả năng phòng chống bệnh cây trồng vô cùng hiệu quả thông qua các thí nghiệm lâm sàng. Những bệnh gây hại chính trên cây lúa như bệnh đạo ôn (gây nên bởi nấm Magnaporthe oryzae) và bệnh khô vằn (gây nên bởi nấm Rhizoctonia solani) có thể được ức chế mạnh mẽ bằng cách sử dụng vật liệu nano có chứa COS. Ngoài ra, bệnh chết nhanh và bệnh chết chậm trên cây tiêu cũng được kiểm soát hiệu quả. Việc ứng dụng công nghệ nano trong phòng trừ bệnh giúp giảm thiểu sử dụng thuốc hóa học và bảo vệ môi trường nông nghiệp một cách bền vững.

2.1. Khả năng kháng nấm gây bệnh đạo ôn

Các vật liệu nano dựa trên COS thể hiện khả năng ức chế mạnh mẽ đối với nấm Magnaporthe oryzae gây bệnh đạo ôn. Thông qua kỹ thuật mô phỏng lắp ghép phân tử (docking), các nhà khoa học đã xác định được những cơ chế tương tác giữa vật liệu nano và protein nấm. Các vật liệu nano bạc (AgNPs) và vật liệu nano đồng (CuNPs) khi kết hợp với COS cho hiệu lực ức chế cao nhất.

2.2. Tác động bảo vệ cây trồng và kích thích sinh trưởng

Ngoài khả năng kháng nấm, vật liệu nano COS còn có tác dụng kích thích quá trình nảy mầm hạt giống, tăng cường sức sống và khả năng chống bệnh của cây. Nghiên cứu trên hạt đậu nành cho thấy COS làm tăng tỷ lệ nảy mầm (GP) và năng lượng nảy mầm (GE). Đây là một ứng dụng đa chức năng quan trọng trong nông nghiệp hiện đại.

III. Các loại vật liệu nano tổng hợp trên nền COS

Các vật liệu nano đa chức năng được tổng hợp trên nền COS bao gồm nhiều loại khác nhau, mỗi loại có những tính chất riêng biệt phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Nano silica (SiO₂NPs) được sử dụng làm chất ổn định và tăng cường độ bền cơ học của vật liệu nano. Nano đồng (CuNPs) và nano bạc (AgNPs) là những chất kháng khuẩn mạnh với khả năng ức chế vi khuẩn và nấm bệnh. Vật liệu nano Cu-Ag kết hợp những ưu điểm của cả hai, tạo ra những tác dụng synergy giúp nâng cao hiệu quả phòng chống bệnh. Việc tổng hợp những vật liệu nano đa thành phần này trên nền COS giúp cải thiện khả năng phân tán, độ ổn định và hiệu quả ứng dụng.

3.1. Vật liệu nano silica và ứng dụng

Nano silica được tổng hợp thông qua phương pháp sol-gel hoặc phương pháp khử hóa học. Vật liệu nano SiO₂ có kích thước hạt nhỏ và bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng tương tác với các nấm bệnh. Khi kết hợp với COS, nano silica giúp cải thiện tính chất cơ học và khả năng phân tán của vật liệu nano trong dung dịch áp dụng.

3.2. Vật liệu nano Cu Ag trên nền COS

Vật liệu nano Cu-Ag được tạo thành từ sự kết hợp giữa hạt nano đồng và hạt nano bạc trên nền COS. Các tham số như tỉ lệ nồng độ Cu²⁺/Ag⁺, nồng độ alginate, pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng được tối ưu hóa để đạt hiệu lực ức chế tối đa. Vật liệu nano Cu-Ag thể hiện tác dụng synergy vượt trội trong phòng chống bệnh nấm.

IV. Đánh giá hiệu lực và triển vọng ứng dụng thực tế

Các vật liệu nano được tổng hợp từ COS đã được đánh giá hiệu lực trong cả điều kiện phòng thí nghiệm (in vitro) và điều kiện nhà lưới (in vivo). Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ức chế các nấm gây bệnh đạo ôn và bệnh khô vằn đạt mức cao, vượt trội so với các phương pháp phòng trừ truyền thống. Các vật liệu nano này có độ an toàn cao, không độc hại đối với môi trường và con người. Triển vọng ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp là rất lớn, giúp phát triển phương pháp phòng chống bệnh hiện đại, bền vững và thân thiện môi trường.

4.1. Kết quả thí nghiệm in vitro trên cây lúa

Các thí nghiệm in vitro đã chứng minh khả năng ức chế của vật liệu nano COS đối với nấm Magnaporthe oryzae và nấm Rhizoctonia solani. Chỉ số bệnh (CSB) giảm đáng kể khi sử dụng vật liệu nano, đặc biệt là nano Cu-Ag trên nền COS. Các vật liệu nano thể hiện hoạt tính kháng nấm ổn định trong điều kiện phòng thí nghiệm kiểm soát.

4.2. Triển vọng phát triển công nghệ nano trong nông nghiệp

Công nghệ nano COS có triển vọng trở thành giải pháp toàn diện trong quản lý bệnh cây trồng bền vững. Vật liệu nano này có thể được phát triển thành sản phẩm thương mại dưới dạng dung dịch pha loãng, bột khô hoặc viên nén để nông dân dễ sử dụng. Sự kết hợp công nghệ nano với quản lý nông nghiệp thông minh sẽ giúp tăng năng suất cây trồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu - Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu - Chƣơng 2: Mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận - Danh mục các công trình có liên quan đến luận án - Tài liệu tham khảo 3. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đã sử dụng phƣơng pháp mô phỏng docking phân tử để nghiên cứu lý thuyết khả năng ức chế của một số phức chất chứa bạc và đồng đối với một số protein của các loại nấm gây bệnh trên thực vật từ đó định hƣớng cho ckết ác nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể nhƣ sau:  Đánh giá khả năng ức chế của các phức bạc đơn nhân bạc- tetrylene và phức bạc đa nhân bis-bạc-tetrylene, gồm Ag-E và bis-Ag-E với E là C và Si đối với protein 4G9M của nấm Rhizoctonia solani và protein 6JBR của nấm Magnaporthe oryzae gây bệnh khô vằn và đạo ôn trên cây lúa.  Đánh giá khả năng ức chế của các phức COS-Cu, COS-Ag, Ag-COS-Cu đối với protein 6KD3 của nấm Phytophthora capsici và protein 1JFA của nấm Fusarium sporotrichioides gây bệnh chết nhanh và chết chậm trên cây tiêu. 4 - Đã nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu nano đa chức năng Cu-Ag/silica trên nền COS với quy trình đơn giản và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp nhằm ức chế sự phát triển của các loại nấm Magnaporthe oryzae, Rhizoctonia solani và Phytophthora capsici gây bệnh trên cây trồng.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ KHOA HỌC NANO, CÔNG NGHỆ NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu ở các cấp độ nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các cấp độ đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các cấp độ lớn hơn [11]. Công nghệ nano là một lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu hiện đại liên quan đến việc thiết kế, chế tạo, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thƣớc trên cấp độ nanomet.

Trong phạm vi kích thƣớc này, các vật liệu tƣơng ứng đều thay đổi tất cả các tính chất (hóa học, vật lý và sinh học) theo những cách cơ bản. Các ứng dụng mới của các hạt nano và vật liệu nano đang phát triển nhanh chóng trên nhiều phƣơng diện khác nhau do các tính chất hoàn toàn mới hoặc đƣợc tăng cƣờng dựa trên kích thƣớc, sự phân bố và hình thái của chúng. Từ đó, công nghệ nano nhanh chóng đƣợc ứng dụng và cải tiến trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ: chăm sóc sức khỏe, mỹ phẩm, y sinh, thực phẩm, dẫn thuốc, môi trƣờng, y tế, cơ học, quang học, công nghiệp hóa học, điện tử, công nghiệp vũ trụ, khoa học năng lƣợng, xúc tác, các bộ bức xạ ánh sáng, bóng bán dẫn điện tử đơn, các thiết bị quang phi tuyến và các ứng dụng quang điện hóa. Sự phát triển to lớn trong các công nghệ mở rộng này đã mở ra các biên giới ứng dụng và các nguyên tắc cơ bản mới.

Tổng quan về vật liệu nano kim loại Vật liệu nano (NPs) đã đƣợc Liên minh Châu Âu xác định là các hạt có một hay nhiều chiều với kích thƣớc nhỏ hơn 100 nm [57]. 5 Vật liệu kim loại nano đã nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc do những tính chất ƣu việt nhƣ: quang, điện, từ, tính chất cơ, xúc tác, … [200]. So với vật liệu ở dạng khối, các hạt nano có độ bền cao hơn cũng nhƣ độ dẫn điện và độ phản ứng vƣợt trội [13]. Số lƣợng lớn các nguyên tử bề mặt làm thay đổi các đặc tính liên quan đến bề mặt của hạt khi chúng ở kích thƣớc nano.

Các nguyên tử bề mặt này làm cho các hạt nano rất dễ phản ứng do đó vật liệu nano thƣờng đƣợc sử dụng làm chất xúc tác. Ngoài ra, năng lƣợng bề mặt cao và các đặc tính hạn chế trong không gian của các nano hỗ trợ hiệu ứng lƣợng tử. Sự giam giữ lƣợng tử làm thay đổi cấu trúc dải năng lƣợng và mật độ hạt tải điện, do đó làm thay đổi các đặc tính quang học và điện tử [27]. Những ứng dụng này phụ thuộc rất lớn vào kích thƣớc và hình dạng của các hạt nano.

Do đó, sự tổng hợp có kiểm soát về kích thƣớc và hình dạng khác nhau trở nên rất quan trọng trong sự phát triển công nghệ nano hiện nay [174]. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Vật liệu nano đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp: từ trên xuống và từ dƣới lên. Hai cách tiếp cận này có thể đƣợc phân loại thành các kỹ thuật tổng hợp rất đa dạng [20].  Phƣơng pháp từ trên xuống (top-down): sử dụng các phƣơng pháp cơ học nhƣ kỹ thuật nghiền và biến dạng để đƣa các vật liệu khối kim loại có kích thƣớc lớn thành các vật liệu có kích thƣớc nm [174], [130].

Đây là các phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu).  Phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom- up): Là phƣơng pháp hình thành hạt nano bằng cách tự lắp ráp các nguyên tử hoặc phân tử [208]. Tổng hợp các hạt nano với cách tiếp cận từ dƣới lên tốt hơn so với cách tiếp cận từ trên xuống do các hạt nano thu đƣợc sẽ đồng đều về thành phần và ít khuyết tật [20]. Ngoài ra, cách tiếp cận từ dƣới lên cũng giúp dễ dàng kiểm soát quá trình tổng hợp các hạt nano với sự phân bố hẹp về kích thƣớc và hình dạng [29].

Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối 6 cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta sử dụng hiện nay đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai.  Phƣơng pháp vật lý: Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.

Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình-tinh thể (kết tinh) (phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano.  Phƣơng pháp hóa học: Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion.

Phƣơng pháp này có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel, .) và từ pha khí (nhiệt phân,. Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano.  Phƣơng pháp kết hợp: Là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,.

Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,. Trong số các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano, phƣơng pháp khử hóa học đƣợc sử dụng phổ biến nhất do có nhiều ƣu điểm nhƣ: thiết bị đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, có thể điều chỉnh kích thƣớc và hình dạng của các hạt nano bằng các thông số thực nghiệm [89]. Ngoài ra, phƣơng pháp này có tiềm năng ứng dụng ở quy mô lớn, đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt [174]. Trong luận án này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp khử hóa học để tổng hợp các vật liệu nano.

Cơ chế hình thành hạt nano kim loại bằng phương pháp khử hóa học Sự hình thành các hạt nano kim loại bằng phƣơng pháp khử hóa học gồm 2 giai đoạn: tạo mầm và tăng trƣởng mầm. Trong giai đoạn tạo mầm, các cation trong dung dịch muối kim loại bị khử để tạo thành các nguyên tử kim loại. Các nguyên tử kim loại này di chuyển ngẫu nhiên trong dung dịch và sự va chạm giữa các cation và nguyên tử đã dẫn đến sự hình thành các cụm. Hạt nhân hình thành thông qua sự va chạm liên tục của các cation, nguyên tử và cụm.

Hạt nhân sau đó tăng trƣởng đến một kích thƣớc tới hạn và cuối cùng hình thành nên hạt nano [174]. Tuy nhiên, cơ chế này không đủ để hiểu về lý thuyết hình thành của hạt nano kim loại, và do đó cần thêm các quan điểm khác. Về bản chất, nhiệt động lực học và tốc độ động học (kinetic rate) là hai lý thuyết tốt nhất để khắc phục những điểm yếu của cơ chế nói trên. Nhiệt động học xem rào cản năng lƣợng tự do cần phải đƣợc vƣợt qua trong giai đoạn tạo mầm trƣớc khi sự tăng trƣởng có thể tiếp tục tự phát (Hình 1.

Sự biến thiên tổng năng lƣợng tự do ΔG với sự tăng trƣởng kích thƣớc hạt [207] Sự biến thiên tổng năng lƣợng tự do (ΔG) là tổng năng lƣợng tự do do sự hình thành khối lƣợng mới và năng lƣợng tự do do bề mặt mới đƣợc tạo ra. Phƣơng trình (1.1) là phƣơng trình nhiệt động lực học đƣợc sử dụng để tính sự biến thiên tổng năng lƣợng tự do trong quá trình hình thành các hạt hình cầu [26].1) 8 trong đó: ΔGv là năng lƣợng tự do của thể tích mới đƣợc hình thành; r là bán kính của hạt nhân và là năng lƣợng tự do bề mặt trên một đơn vị diện tích bề mặt.1 cho thấy, tổng năng lƣợng tự do có giá trị cực đại dƣơng ở kích thƣớc tới hạn (r*), đƣợc gọi là năng lƣợng tự do cực đại (ΔG*). Năng lƣợng tự do cực đại này là năng lƣợng kích hoạt cho quá trình tạo mầm và do đó phải đƣợc vƣợt qua trong quá trình tạo mầm. Các hạt nhân lớn hơn kích thƣớc tới hạn sẽ làm giảm thêm năng lƣợng tự do của chúng cho sự phát triển tiếp theo thành các hạt nano.

Hạ thấp năng lƣợng tự do cho thấy quá trình tăng trƣởng hạt nano đã trở thành quá trình tự phát. Ngoài ra, kích thƣớc tới hạn của hạt nhân r* có thể tính đƣợc bằng cách đặt dΔG/Δdr = 0 và suy ra đƣợc Phƣơng trình (1. Bất kỳ hạt nhân nào có r > r* sẽ phát triển thành các hạt nano và hạt nhân với r < r * sẽ bị hòa tan.