Tổng hợp, khảo sát đặc tính và khả năng kháng escherichia coli của vật liệu nanocomposite kẽm oxit:graphene Tổng hợp, khảo sát đặc tính và khả năng kháng escherichia coli của vật liệu nanocomposite kẽm oxit:graphene
Tính cấp thiết của đề tài
Bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn đang trở thành vấn đề nghiêm trọng do sự tăng trưởng nhanh chóng, khả năng kháng thuốc và thiếu vắc xin đặc trị, đặc biệt ở các nước đang phát triển Việc bổ sung các tác nhân diệt khuẩn vào băng vải dùng để băng vết thương là rất cần thiết để ức chế sự phát triển của vi khuẩn Nhiều vi khuẩn hiện nay đã kháng lại các kháng sinh thông thường, vì vậy cần nghiên cứu các tác nhân kháng khuẩn mới hiệu quả Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các tác nhân kháng khuẩn nano như nanocomposite kẽm oxit/graphene (ZnO/Ge) và kẽm oxit/graphene oxit (ZnO/GO) có tiềm năng diệt khuẩn với cơ chế an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường.
GO tạo vật liệu mới có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kháng khuẩn là hướng mà các nhà nghiên cứu đang thực hiện.
Cơ sở lý luận
Vật liệu nanocomposite được hình thành từ sự kết hợp giữa các hạt nano ZnO và tấm graphene oxide (GO) hoặc germanium (Ge), tạo ra một loại vật liệu mới với nhiều tính chất vượt trội hơn so với các thành phần riêng lẻ như ZnO, GO và Ge.
Lớp GO với cấu trúc màng mỏng sắc bén có khả năng cắt xuyên và gây tổn thương cho màng tế bào vi khuẩn E coli Tấm Ge cũng thể hiện tính kháng khuẩn tương tự như GO, cho thấy hiệu quả trong việc chống lại vi khuẩn.
Ge có khả năng kháng khuẩn đặc biệt khi được kích thích bởi ánh sáng, tạo ra các tác nhân diệt khuẩn mạnh Tuy nhiên, cả hai vật liệu này đều có nhược điểm là dễ bị tụ lại với kích thước lớn hơn, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kháng khuẩn của chúng.
Hạt nano ZnO có đặc tính bán dẫn và khi được kích thích bằng tia UV, chúng có khả năng xúc tác quang hóa để tạo ra các tác nhân diệt khuẩn mạnh Tuy nhiên, quá trình tái tổ hợp các cặp điện tử e- và h+ có thể dẫn đến thất thoát tác nhân, làm giảm hiệu suất diệt khuẩn Ngoài ra, các hạt nano ZnO còn có cơ chế diệt khuẩn khác bằng cách gắn điện tích âm lên màng tế bào, khiến các hạt ZnO tích điện dương và tạo ra lực hút Coulomb, gây đóng băng màng tế bào hoặc biến đổi DNA, dẫn đến cái chết của vi khuẩn (Amna et al 2015).
Sự tương tác giữa hạt ZnO và tấm GO tạo ra các liên kết Zn 2+ cùng với các nhóm chức oxy, giúp cải thiện khả năng phân tán và tăng cường đặc tính kháng khuẩn Khi kết hợp cơ chế hóa học của nano ZnO với cơ học của tấm GO, vật liệu này thể hiện khả năng diệt khuẩn vượt trội nhờ cấu trúc đặc biệt của tấm GO, cho phép bề mặt tiếp xúc lớn hơn so với chỉ sử dụng ZnO hoặc GO (P.Jayabal et al 2014).
Vật liệu nanocomposite ZnO/Ge được tạo ra bằng cách kết hợp các hạt ZnO lên tấm Ge, giúp hình thành các liên kết C-Zn-O trên bề mặt Ge Cấu trúc này không chỉ cải thiện đặc tính xúc tác quang hóa mà còn tăng cường khả năng diệt khuẩn của vật liệu Đặc biệt, cấu trúc của tấm Ge có khả năng cắt nhỏ tế bào vi khuẩn, nâng cao hiệu quả diệt khuẩn (Li et al 2016).
Trên bề mặt Ge có lượng rất lớn electron cung cấp cho hợp chất ZnO gắn trên tấm
Ge khi được xúc tác quang hóa làm tăng tối ưu quá trình hình thành các (O 2 * ) theo Các quá trình sau:
Các hạt nano ZnO được gắn trên nền Ge có tính dẫn điện cao có tác dụng trực tiếp lên các hạt nano ZnO, thúc đẩy quá trình ngăn cản tái tổ hợp cặp electron (e-) và lỗ trống (h+) Các electron e- trên bề mặt Ge oxy hóa các phân tử O2 và hơi nước, tạo ra ion O2- Sau đó, các ion O2- kết hợp với nước để tạo thành hợp chất.
H2O2 và HO Các ion H+ trên bề mặt ZnO có khả năng oxy hóa các nhóm OH thành HO., một chất oxy hóa mạnh mẽ có khả năng tiêu diệt tế bào vi khuẩn (Li et al 2016).
Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo thành công vật liệu nanocomposite ZnO/GO và ZnO/Ge có tính kháng khuẩn cao đối với E coli.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm 2 phần:
Phần 1: Chế tạo và khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính của vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge
Phần 2: Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge đối với E coli.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tổng hợp vật liệu
- ZnO/GO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (S Gayathri et al 2014)
- ZnO/Ge được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa có hỗ trợ vi sóng (Li et al
Phương pháp khảo sát hình thái, đặc tính và cấu trúc của vật liệu
- Phổ nhiễu xạ tia X (X Ray Diffaction-XRD)
- Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy - FTIR)
- Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy-TEM) biểu diễn hình thái và kích thước nanocomposite
Diện tích bề mặt riêng (BET) của vật liệu nanocomposite đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng, cũng như khả năng hấp phụ oxy và hơi nước từ không khí.
Phương pháp kháng khuẩn
Vật liệu tổng hợp được thử nghiệm kháng khuẩn với E coli theo phương pháp khuếch tán qua lỗ thạch (Linlin et al 2015).
TỔNG QUAN
Graphite
Graphite (Gi) là một dạng thù hình của cacbon với cấu trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 tạo liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử xung quanh, hình thành các vòng sáu cạnh Các vòng này liên kết với nhau để tạo thành một lớp vô tận, và các lớp này được kết nối bằng liên kết Van der Waals.
Do đó, các lớp Gi rất dễ trượt lên nhau dẫn đến dễ tách lớp và có tính bôi trơn khô ở lõi bút chì, chổi than (M.M Tang et al 1964)
Tùy theo cách sắp xếp các lớp với nhau, than chì có hai dạng tinh thể: lục phương hoặc mặt thoi (M.M Tang et al 1964)
Trong một vòng sáu cạnh, khoảng cách giữa nguyên tử cacbon thứ nhất và thứ ba là 0,245 nm, trong khi khoảng cách giữa lớp thứ nhất và lớp thứ ba là 0,67 nm Độ dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm và khoảng cách giữa các lớp là 0,34 nm (M.M Tang et al 1964).
Graphite oxit
Graphite oxit (GiO) là sản phẩm từ quá trình oxy hóa graphite (Gi) bằng các tác nhân oxy hóa mạnh như H2SO4, HNO3, KClO3, NaNO3 và KMnO4 Quá trình này làm thay đổi đáng kể cấu trúc của Gi, dẫn đến sự hình thành GiO với nhiều khuyết tật, trong đó hệ liên kết π ban đầu bị phá vỡ (Pan et al 2012) Nhiều mô hình như Hofmann, Reuss và Boehm đã được đề xuất để giải thích hiện tượng này.
Nakajima chỉ ra rằng các mô hình hiện có chưa phản ánh chính xác các khuyết tật của GiO, do chúng được phát triển từ các quy trình thực nghiệm khác nhau và áp dụng cho các loại Gi cũng như tác nhân oxy hóa khác nhau (Pan et al 2012).
Hình 1.2 Các cấu trúc hóa học khác nhau của GiO đƣợc công bố
GiO được tổng hợp lần đầu tiên bởi nhà hóa học Benjamin Brodie bằng cách xử lý
L Staudenmaier enhanced Brodie's method by mixing KClO3 with a concentrated H2SO4 and HNO3 solution Alternatively, the Hummers method employs a combination of H2SO4, NaNO3, and KMnO4 (Pan et al.).
Quá trình oxy hóa các lớp của Gi dẫn đến việc gắn thêm các nhóm chức chứa oxy, bao gồm các nhóm -OH và -O- trên bề mặt của tấm GiO, cũng như các nhóm -C=O và -COOH ở cạnh bên của tấm GiO (Daniel et al 2010).
Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của GiO (Garg et al 2014)
Graphene oxit
Graphene oxit (GO), còn gọi là axit graphite, là sản phẩm trung gian giữa graphite oxit và graphene, được tạo ra từ quá trình oxy hóa graphene hoặc tách lớp cơ học GO có cấu trúc tương tự như các tấm graphene, với các nhóm chứa oxy như -OH, -O- và -COOH, giúp tăng tính ưa nước và khả năng phân tán trong nước cũng như các dung môi khác Với diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt và độ linh động nguyên tử cao, GO có liên kết ngang bền vững, làm thay đổi tính chất đẳng hướng của graphene so với trạng thái ban đầu (Zhang et al 2012).
Hình 1.4 Quy trình tổng hợp GO từ Gi (Garg et al 2014)
Trong công nghệ lọc màng, các tấm graphene oxide (GO) được kết hợp vào mạng polymer để tạo ra các màng composite, giúp nâng cao nồng độ phân tán Tính chất rào cản của các lớp GO dạng tấm phẳng cho phép các màng polymer composite ngăn chặn hiệu quả quá trình vận chuyển của các phân tử lớn trong quá trình khuếch tán qua màng.
Do đó, hiệu quả của quá trình lọc tách có thể được cải thiện (Salimeh et al 2015)
Trong lĩnh vực y tế: GO được dùng làm chất dẫn truyền thuốc để chữa bệnh ung thư, bệnh về máu (Wenbin et al 2011)
Trong công nghệ sinh học: GO được ứng dụng dẫn truyền gen, chụp ảnh sinh học, cơ bắp nhân tạo, khả năng kháng khuẩn (Salimeh et al 2015)
Trong công nghệ vật liệu: GO khi được thêm vào thành phần của composite có khả năng cải thiện tính chất của composite (Salimeh et al 2015)
Trong lĩnh vực môi trường, GO được sử dụng như chất xúc tác quang hóa, chất hấp phụ và màng lọc để loại bỏ các chất màu hữu cơ, ion kim loại nặng, hợp chất vòng và vi khuẩn gây bệnh trong nước thải Nghiên cứu về ứng dụng GO trong màng siêu lọc đang được đẩy mạnh, nhờ vào tính siêu mỏng, bền và hiệu suất lọc cao của màng, mang lại hiệu quả xử lý nước thải với chi phí thấp và dễ chế tạo (Lukas et al 2013).
GO có khả năng kết hợp với các oxit kim loại như TiO2 và Fe3O4 để tạo ra vật liệu nanocomposite, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xử lý ô nhiễm môi trường và kháng khuẩn (Lukas et al 2013).
1.3.3 Tính kháng khuẩn của GO
GO có khả năng kháng khuẩn hiệu quả, và nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước cùng hình thái của các tấm GO ảnh hưởng đáng kể đến khả năng này (Ravi et al 2014).
Hình 1.5 Tính kháng khuẩn của GO (Ning et al 2015)
Cơ chế kháng khuẩn của graphene oxide (GO) được thể hiện qua khả năng cắt xuyên và gây tổn thương cho màng tế bào vi khuẩn E coli nhờ vào cấu trúc đặc biệt của nó Hình 1.5 minh họa rõ nét những đặc điểm này, cho thấy GO như một màng mỏng sắc bén có khả năng tấn công vi khuẩn hiệu quả (Ravi et al 2014).
GO có khả năng phân tán tốt, giúp tăng cường hoạt tính kháng khuẩn nhờ vào diện tích bề mặt tiếp xúc lớn Hơn nữa, sự hiện diện của các nhóm chức hoạt động như -COOH đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.
OH làm tăng độ nhám bề mặt, từ đó nâng cao khả năng kháng khuẩn thông qua cơ chế mài mòn và cọ xát, gây tổn thương cho màng ngoài tế bào (Ravi et al 2014).
GO đã được chứng minh là cản trở hoạt động của vi khuẩn oxy hóa ammonia và các sinh vật tích lũy polyphosphate, từ đó giúp loại bỏ hai chất dinh dưỡng quan trọng là nitơ (NH3-N) và phốt pho (PO4) (Ravi et al 2014).
1.3.4 Phương pháp tổng hợp của GO
Sử dụng hỗn hợp H2SO4, NaNO3 và KMnO4 giúp tăng cường mức độ oxy hóa của sản phẩm GO so với các phương pháp tổng hợp trước đây Mặc dù KMnO4 là chất oxy hóa chính, nhưng Mn2O7 thực sự là tác nhân chủ yếu trong quá trình oxy hóa Gi thành GO (Lukas et al 2015).
Sản phẩm cuối có công thức C11H4O5 được phân tích bằng phương pháp phân tích nguyên tố và phân tử, cho thấy tính axit nhẹ và khả năng phân tán trong môi trường kiềm Các phương pháp tổng hợp graphene oxide (GO) hiện tại vẫn chưa hoàn hảo (Ning et al 2016) Một trong những phương pháp tổng hợp đáng chú ý là phương pháp Staudenmaier.
Phương pháp Staudenmaier đã cải tiến so với phương pháp Brodie bằng cách sử dụng tác nhân oxy hóa KClO3, nhằm tăng cường mức độ oxy hóa của graphene oxide (GO) Tuy nhiên, phương pháp này tiềm ẩn nhiều rủi ro do KClO3 là chất dễ gây nổ, và sản phẩm khí ClO2 được sinh ra có nguy cơ cháy nổ cao (Daniel et al 2010).
Phương pháp Hummers là phương pháp phổ biến nhất trong ba phương pháp hiện có Trong những năm qua, phương pháp này đã được cải tiến để loại bỏ việc sử dụng NaNO3, từ đó ngăn ngừa sự hình thành khí độc hại trong quá trình tổng hợp Các cải tiến này được gọi là phương pháp Hummers biến tính (Modified Hummers).
Graphene
Graphene (Ge) là một vật liệu có cấu trúc lớp hai chiều, được hình thành từ việc khử các nhóm chức oxy trên tấm graphene oxide (GO) hoặc từ các dạng nano cacbon như ống nano cacbon và sợi cacbon Ge cấu tạo từ lớp cacbon lai hóa sp² với cấu trúc hình lục giác phẳng và liên kết sigma, cùng với các obitan p tạo thành liên kết π bất định (Xiang et al 2012) Năm 2014, Geim và Novoselov đã phát hiện ra đơn lớp Ge thông qua “phương pháp băng dính” (Geim và Novoselov, 2007) Graphene nổi bật với các đặc tính ưu việt, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.
Độ dẫn điện và dẫn nhiệt của chất liệu 2D được xác định bởi công thức s = enm, trong đó độ linh động lý thuyết bị giới hạn ở mức m = 200 cm² V⁻¹ s⁻¹ do ảnh hưởng của phonon âm học với mật độ hạt mang n = 10¹² cm⁻² Điện trở tấm 2D, hay còn gọi là điện trở trên bình phương, có giá trị là 31 W Khi xem xét bề dày lớp, độ dẫn khối đạt 0,96 x 10⁻⁶.
Giá trị độ dẫn nhiệt của germanium (Ge) là 5000 Wm -1 K -1, cao hơn nhiều so với đồng, chỉ đạt 401 Wm -1 K -1 ở nhiệt độ phòng Điều này cho thấy Ge dẫn nhiệt tốt hơn đồng khoảng 12,5 lần (Lee et al 2009) Sự dẫn nhiệt của Ge chủ yếu bị chi phối bởi các phonon, giúp nó phát tán nhiệt nhanh chóng và hiệu quả hơn so với đồng, có độ dẫn nhiệt là 0,60x10 -6 W -1 m -1 (Lee et al 2009).
Ge có sức bền 42 N/m², trong khi thép có sức bền dao động từ 250-1200 MPa (0,25-1,2x10⁹ N/m²) Với một tấm thép có bề dày tương đương với Ge (3.35 Å = 3.35x10⁻¹⁰ m), sức bền 2D đạt từ 0,084-0,40 N/m Điều này cho thấy Ge bền hơn thép cứng gấp 100 lần (Lee et al.).
Ge có tính trong suốt cao, hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng mà không phụ thuộc vào bước sóng trong vùng quang học Con số này được tính bằng pa, trong đó a là hằng số cấu trúc tinh thể Do đó, các lớp Ge lơ lửng sẽ không có màu sắc.
Hình 1.6 Cấu trúc 2 chiều tổ ong của Ge (Xiang et al 2012)
Trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, germanium (Ge) nổi bật với tính chất vượt trội trong xúc tác quang bán dẫn Vật liệu này ứng dụng các công nghệ tiên tiến, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước siêu nhỏ, độ mỏng vượt trội và độ bền cao (Xiang et al 2012).
Trong lĩnh vực môi trường, các yếu tố như thay đổi cấu trúc, khoáng hóa chất ô nhiễm, nhiệt độ và áp suất thường có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tự làm sạch của hệ sinh thái (Jalal et al.).
Trong công nghệ lọc màng: Được ứng dụng nhiều trong việc làm sạch môi trường, lọc nước, hấp thụ các kim loại nặng (Seil et al 2012)
Trong công nghệ quang điện tử: Màn hình cảm ứng, tinh thể lỏng nhờ tính chất truyền electron tốc độ cao (Xiang et al 2012)
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại pin năng lượng mặt trời thế hệ mới, phục vụ cho thiết bị di động và xe hơi điện, với khả năng nạp đầy chỉ trong vài giây (Prusty et al 2013).
Trong y học: Ge được ứng dụng dẫn truyền thuốc, chụp ảnh sinh học Đặc biệt,
Gẽ được biết đến như một chất kháng khuẩn, được áp dụng phổ biến trong nhiều vật liệu như bao bì kháng khuẩn, quần áo cho người bị thương, băng và lưới băng bó (Emami et al 2011).
1.4.3 Tính kháng khuẩn của Ge
Hình 1.9 Tính kháng khuẩn của Ge (Heiwei et al 2016)
Quá trình diệt khuẩn của Ge được thể hiện qua cơ chế sau:
Cơ chế 1 hoạt động tương tự như GO, khi các tấm Ge tiếp xúc trực tiếp với tế bào vi khuẩn Cấu trúc đặc biệt của Ge sẽ tác động đồng thời vào ba giai đoạn: bắt giữ vi khuẩn, phủ hoàn toàn chúng và sử dụng cắt quang nhiệt để phá hủy màng tế bào.
Cơ chế thứ hai của các tấm Ge là khả năng kháng khuẩn đặc trưng, khác với GO, nhờ vào việc tạo ra các ion gốc oxy hoạt hóa (ROS) qua quá trình oxy hóa của cặp điện tử e- và h+ trong trạng thái kích thích Quá trình này xảy ra khi phân hủy lượng nước tồn tại trong không khí, dẫn đến sự hình thành tác nhân HO Tác nhân này gây đóng băng màng photpho lipit kép, biến đổi DNA và tấn công trực tiếp vào màng tế bào vi khuẩn, gây thủng tế bào vi khuẩn (Heiwei et al.).
1.4.4 Các phương pháp tổng hợp Ge
Có nhiều phương pháp chế tạo tấm Ge, trong đó phổ biến nhất là phương pháp Hummers, phương pháp tách lớp vi cơ học của Gi, phương pháp băng dính và phương pháp epitaxy.
Quá trình khử GO bằng hydrazine tạo ra khí lớn, tạo áp suất cao làm lỏng lẻo lực liên kết, sau đó các lớp được tách bằng siêu âm (Heiwei et al 2016) Phương pháp này hiệu quả và dễ thực hiện.
Nhƣợc điểm: Trong cấu trúc Ge xuất hiện các khuyết tật
1.4.4.2 Phương pháp tách lớp vi cơ học
Phương pháp này sử dụng các lực cơ học tác động từ bên ngoài để tách vật liệu
Giới thiệu về việc tách lớp graphene từ khối ban đầu cho thấy năng lượng tương tác Van der Waals giữa các lớp khoảng 2 eV/nm², với lực cần thiết để tách lớp graphene khoảng 300 nN/µm² Lực này tương đối yếu, dễ dàng đạt được bằng cách cọ xát mẫu graphene trên bề mặt SiO₂ hoặc Si, hoặc sử dụng băng keo dính Phương pháp này có ưu điểm là chi phí thấp, dễ thực hiện và không yêu cầu thiết bị đặc biệt.
Phương pháp chế tạo Ge có nhược điểm là kết quả không ổn định, mang tính chất ngẫu nhiên, và bề mặt sản phẩm không phẳng Phương pháp này yêu cầu tính tỉ mỉ, không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn trong công nghiệp Ngoài ra, việc sử dụng băng dính hoặc điện cực để tách lớp Gi có thể dẫn đến sự bám dính của tạp chất lên bề mặt Ge, ảnh hưởng đến độ linh động của hạt tải điện Để giảm thiểu lượng keo thừa, người ta đã áp dụng phương pháp gắn kết bằng lực tĩnh điện của các điện cực.
Kẽm oxit
Kẽm oxit (ZnO) là một chất bán dẫn thuộc nhóm II-IV, với dải năng lượng rộng 3,37 eV và năng lượng kích thích liên kết lớn 60 meV, cho phép nó hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng ZnO có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, quang điện tử và công nghệ laser Hiệu ứng áp điện và khả năng tạo điện khi thay đổi nhiệt độ của ZnO mở ra cơ hội ứng dụng trong các bộ cảm biến, chuyển đổi năng lượng điện, và xúc tác quang trong sản xuất hydro ZnO tồn tại dưới ba cấu trúc tinh thể chính là wurtzite, blende và rocksalt.
Hình 1.10 Cấu trúc tinh thể của ZnO (S Gayathri et al 2014)
ZnO là một chất xúc tác quang hiệu quả, có khả năng thay thế với chi phí thấp, hấp thụ ánh sáng lượng tử và xử lý các chất hữu cơ ô nhiễm trong môi trường axit và trung tính Để nâng cao hoạt tính quang hóa của các cấu trúc nano ZnO, nhiều giải pháp phát triển đã được đề xuất, bao gồm việc thay đổi cấu trúc và đặc điểm hình thái Với độ cứng cao và hiệu ứng áp điện ổn định, ZnO trở thành nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp gốm sứ nhờ vào độc tính thấp, tính tương hợp sinh học và khả năng tiêu diệt vi khuẩn, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng trong ứng dụng kháng khuẩn Tùy theo phương pháp tổng hợp, ZnO có thể có nhiều hình dạng, kích thước và cấu trúc không gian khác nhau như nano cầu, nano que, cấu trúc nano đa chiều hình zig zag và hình bông hoa.
Công nghiệp cao su: Chất độn, chất hoạt hóa của các hợp chất cao su
Công nghiệp dƣợc và mỹ phẩm: Thành phần của các loại kem, bột, bột nhão nha khoa,…
Công nghiệp dệt may: Hấp thụ bức xạ UV
Công nghiệp kỹ thuật điện và thiết bị điện tử: Quang điện, cảm biến, tia UV, tế bào quang điện,…
Các ứng dụng khác: Kháng khuẩn, Biosensor, sản xuất và đóng gói,…
1.5.3 Tính kháng khuẩn của ZnO
Hoạt tính kháng khuẩn của ZnO chủ yếu đến từ khả năng hình thành các gốc tự do phản ứng (ROS) trên bề mặt oxit, giúp phá hủy tế bào vi khuẩn dưới tác động của ánh sáng mặt trời Ngoài ra, ZnO còn gây tổn thương cho màng tế bào vi khuẩn, dẫn đến việc làm mất khả năng sinh trưởng của chúng.
Hình 1.11 Tính kháng khuẩn của ZnO (Nishanth Kumar et al 2015)
Hạt nano ZnO có khả năng kháng khuẩn nhờ vào tính chất quang học và khả năng xúc tác dưới ánh sáng UV Khi hấp thụ bức xạ photon có năng lượng lớn hơn 3,3 eV, electron di chuyển từ vùng dẫn đến vùng hóa trị, khởi động các quá trình quang hóa Quá trình này tạo ra lỗ h + trong vùng dẫn và electron tự do ở vùng hóa trị, dẫn đến oxy hóa oxy và hình thành các gốc hydroxy hoạt tính mạnh ( OH -, O2 -) Những gốc này thẩm thấu qua màng tế bào, làm biến đổi protein và photpholipit, gây ra cái chết cho vi khuẩn (Nishanth Kumar et al.).
Việc sử dụng oxit vô cơ như chất kháng sinh mang lại nhiều lợi thế, bởi chúng chứa các khoáng chất an toàn cho môi trường và có hiệu quả mạnh mẽ ngay cả khi sử dụng với liều lượng nhỏ.
ZnO là vật liệu gắn trên nền polymer, hình thành liên kết với các nhóm chức chứa oxy trên tấm GO, tạo ra hợp chất nanocomposite với nhiều tính chất ưu việt, đặc biệt trong ứng dụng kháng khuẩn Mặc dù ZnO là tác nhân diệt khuẩn ổn định, nhưng nhược điểm của nó là khả năng tái tổ hợp cặp electron e- và h+ hạn chế hiệu quả kháng khuẩn Khi kết hợp với tấm GO, ZnO không chỉ phát huy cơ chế diệt khuẩn mà còn có khả năng xúc tác quang hóa.
Ge sẽ tác động mạnh mẽ làm cho các đặc tính của cả hai vật liệu trở nên ưu việt hơn
1.5.4 Phương pháp tổng hợp của ZnO
1.5.4.1 Phương pháp đồng kết tủa
Khi nồng độ chất đạt trạng thái bão hòa, sẽ xuất hiện những mầm kết tụ trong dung dịch Những mầm này phát triển thông qua quá trình khuyếch tán vật chất từ dung dịch lên bề mặt mầm cho đến khi chúng trở thành hạt nanô Để đảm bảo hạt có độ đồng nhất cao, cần phân tách rõ ràng hai giai đoạn hình thành và phát triển mầm Trong giai đoạn phát triển, việc hạn chế hình thành mầm mới là cần thiết (B Gopal et al 2015).
Các hạt nano được hình thành từ dung dịch muối kim loại kết hợp với polyol, đóng vai trò như dung môi và chất khử ion kim loại Tiền chất hòa tan trong polyol được đun nóng đến nhiệt độ sôi để chuyển đổi ion kim loại thành kim loại Bằng cách điều chỉnh động học kết tủa, chúng ta có thể tạo ra hạt kim loại với kích thước và hình dáng mong muốn Ngoài ra, việc thêm các mầm kết tinh bên ngoài vào dung dịch giúp tách biệt quá trình tạo mầm và phát triển hạt, từ đó làm cho hạt trở nên đồng nhất hơn (Amna et al 2015).
1.5.4.3 Phương pháp vi nhũ (microemulsion)
Dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động là trong suốt và đẳng hướng, giúp hạn chế sự hình thành và phát triển của các hạt nano, từ đó tạo ra các hạt nano đồng nhất Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu đủ lực tác động, hai hạt nhỏ (A, B) có thể kết hợp để tạo thành một hạt lớn hơn (C) Quá trình này cho phép các chất phản ứng trong hai hạt nhỏ hòa trộn và phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn, dẫn đến sản phẩm mong muốn được hình thành (Emami et al 2011).
Vật liệu nanocomposite ZnO/GO và ZnO/Ge
Vật liệu nanocomposite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau với kích thước nano, tạo ra một loại vật liệu mới có tính năng vượt trội so với các vật liệu ban đầu khi hoạt động độc lập.
GO là graphene oxide đơn lớp, nổi bật với bề mặt chứa các nhóm chức oxy, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng nhờ vào tính chất bề mặt và cấu trúc phân lớp Tuy nhiên, GO dễ dàng tụ lại thành GiO, gây ra vấn đề trong việc sử dụng Để khắc phục hiện tượng này và tận dụng cấu trúc bề mặt của GO, các nhà nghiên cứu đã kết hợp GO với các oxit kim loại, tạo ra vật liệu nanocomposite Một ví dụ điển hình là sự kết hợp giữa ZnO và GO, tạo thành vật liệu nanocomposite ZnO/GO với ứng dụng trong kháng khuẩn.
Vật liệu nanocomposite ZnO/Ge được tổng hợp từ ZnO/GO, mang lại nhiều đặc tính vượt trội Quá trình hình thành ZnO/Ge diễn ra khi khử các nhóm chức chứa oxy trên cấu trúc ZnO/GO Các hạt nano ZnO tác động mạnh mẽ lên vị trí C liên kết với ZnO trên tấm Ge, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và thúc đẩy quá trình xúc tác quang hóa Kết quả là khả năng kháng khuẩn của ZnO/Ge vượt trội hơn so với ZnO, Ge và cả ZnO/GO.
1.6.2 Tổng hợp vật liệu nanocomposite
Phương pháp đồng kết tủa (insitu )
Các ion khuếch tán vào nhau đến mức độ nguyên tử, giảm khoảng cách giữa các ion trong hệ phản ứng xuống chỉ còn vài Å, giúp chúng dễ dàng phản ứng (S Gayathri et al 2014) Ƣu điểm của quá trình này là tăng khả năng phản ứng của các cấu tử, cho phép tạo ra sản phẩm hạt mịn, đơn pha với độ đồng nhất cao ở nhiệt độ tương đối thấp.
Nhược điểm của quá trình kết tủa là do sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tích số tan, lực ion và khả năng tạo phức của các cation kim loại với các tác nhân kết tủa Điều này dẫn đến việc các kết tủa thu được thường khó đạt được thành phần xác định như mong muốn.
Phương pháp thủy nhiệt là một quá trình tổng hợp, trong đó nước đóng vai trò xúc tác, diễn ra ở nhiệt độ cao trên 1000 độ C và áp suất lớn (Yoshimura et al 2001).
Nguyên tắc chính trong quá trình tổng hợp là tận dụng khả năng hòa tan trong nước của các chất vô cơ ở nhiệt độ cao và áp suất lớn (Yoshimura et al 2001) Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc sản xuất các hạt có độ tinh khiết cao, phân tán tốt và tinh thể chất lượng cao, đồng thời chi phí sản xuất cũng được giảm thiểu.
Nhƣợc điểm: Kiểu kết tinh của vật liệu tự do, định hướng chưa tốt
Phương pháp sol gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo giúp tạo ra vật liệu với hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp Kỹ thuật này dựa trên phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các tiền chất (Sakka et al 2002).
Quá trình hình thành gel diễn ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như oxit hoặc muối kim loại thông qua phản ứng thủy phân và ngưng tụ, tạo ra một pha mới Gel được định nghĩa là hệ phân tán dị thể, trong đó các hạt pha rắn tạo thành khung ba chiều và pha lỏng nằm trong khoảng trống của khung này (Sakka et al 2002) Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tổng hợp vật liệu có kích thước nanomet với tính đồng nhất cao, sản phẩm đạt độ tinh khiết cao và không yêu cầu nhiệt độ tổng hợp quá cao.
Nhƣợc điểm: Dễ rạn nứt trong quá trình nung sấy
Do GO chứa các nhóm chức oxy dễ mất ở nhiệt độ cao (>100 o C), việc tổng hợp vật liệu nên thực hiện ở nhiệt độ dưới 100 o C Quy trình tổng hợp đơn giản, dễ thực hiện và không cần hóa chất độc hại Vì vậy, phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp nanocomposite ZnO/GO trong nghiên cứu này.
Trên cơ sở đó, tác giả chọn phương pháp đồng kết tủa để thực hiện tổng hợp
Cơ chế kết hợp của ZnO và GO
Quá trình phản ứng tạo ra vật liệu nanocomposite ZnO/GO theo phương pháp đồng kết tủa gồm 2 bước:
Quá trình pha trộn (CH3COO)2Zn vào hệ huyền phù GO trong nước diễn ra khi ion Zn2+ tấn công vào các vị trí H+ và các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO.
Bước 2: Quá trình thủy phân trong môi trường pH = 9 10, hình thành ion
ZnOH và Zn(OH)2 tạo ra các mầm hình thành ZnO Khi được gia nhiệt ở 120°C, các mầm hình thành ZnO sẽ chuyển hóa hoàn toàn thành các liên kết C-Zn-O (Jianjiang et al.).
Hình 1.12 Cơ chế kết hợp của ZnO/GO (Jianjiang et al 2014)
Phương pháp đồng kết tủa kết hợp vi sóng cho phép các ion khuếch tán vào nhau ở mức độ nguyên tử, làm giảm khoảng cách giữa các ion trong hệ phản ứng xuống chỉ còn vài Å, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng Tiếp theo, quá trình khử các nhóm chức chứa oxy được thực hiện bằng vi sóng và khử nhiệt mà không cần tác nhân khử.
(Li et al 2016; S Gayathri et al 2014)
Phương pháp ngâm tẩm (ex-situ) sử dụng hạt nano ZnO được tổng hợp trước, sau đó phân tán vào dung dịch ethylene glycol để tiến hành trùng hợp Để tránh sự lắng đọng và ổn định mầm tinh thể, hạt nano ZnO được chuẩn bị kỹ lưỡng Quá trình này thực hiện thông qua việc khử dung dịch muối trong môi trường thích hợp, nhằm ngăn chặn sự kết tụ của các hạt.
Hạt nano ZnO được trộn với ethylene glycol để tạo ra composite, nhưng quá trình này gặp khó khăn do sự phân tán không đồng đều Hệ thống này thường dẫn đến tình trạng kết tụ, làm giảm hiệu quả của composite.
Các phương pháp phân tích hình thái, đặc tính và cấu trúc vật liệu
Khi sóng điện tử tiếp cận bề mặt tinh thể rắn, chúng sẽ bị tán xạ theo một hướng cụ thể Sự giao thoa giữa các sóng này dẫn đến việc tăng cường lẫn nhau, tạo ra hiện tượng nhiễu xạ.
Mỗi mạng tinh thể có phương trình khoảng cách riêng giữa các mặt, thường được phân loại thành 7 mô hình chính: đơn tà, tam tà, hình thoi, lục giác, lập phương, trực giác và tứ giác.
Phương trình khoảng cách giữa các mặt:
= 2dsin( ) Trong đó: λ: bước sóng tia X, nm; d: khoảng cách giữa 2 lớp, nm;
: góc tới của tia X đối với pháp tuyến mặt phẳng mang vật liệu
Từ phương trình khoảng cách giữa các mặt của mỗi hệ mạng cho thấy:
Các hướng nhiễu xạ chỉ có thể được xác định dựa trên hình dạng và kích thước ô mạng cơ sở Ngược lại, một tinh thể chưa biết có thể được xác định thông qua việc đo các hướng (góc Bragg) của chùm tia nhiễu xạ Ứng dụng của phương pháp này bao gồm việc xác định cấu trúc tinh thể của các vật liệu như ZnO, GO, Ge, và ZnO/GO.
Nguyên tắc: Máy quang phổ thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier
Các loại phổ kế tự ghi hoạt động bằng cách chia chùm tia hồng ngoại từ nguồn thành hai phần: một phần đi qua mẫu và một phần qua môi trường đo Sau đó, bộ tạo đơn sắc tách các bức xạ theo tần số khác nhau và chuyển đến đầu cảm biến Tại đây, cường độ hai chùm tia được so sánh và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với bức xạ hấp thụ bởi mẫu Do dòng điện có cường độ rất nhỏ, cần có bộ khuếch đại để tăng cường tín hiệu trước khi gửi đến bộ phận tự ghi để vẽ bản phổ hoặc xử lý và in ra kết quả.
Máy đo FTIR hoạt động dựa trên nguyên lý phân tích phổ hồng ngoại, cho phép xác định cấu trúc phân tử của các mẫu ở nhiều trạng thái khác nhau, bao gồm thể rắn, lỏng tinh khiết, dung dịch và thể hơi Phổ FTIR là công cụ hữu ích trong việc phân tích và nhận diện thành phần hóa học của các mẫu.
Trong kính hiển vi Raman, thiết bị bao gồm kính hiển vi quang học, kích thích laser và phổ kế, cho phép thu thập dữ liệu hình ảnh và phổ đồ Raman từ mẫu với giới hạn nhiễu xạ khoảng 1 micron Hình ảnh và quang phổ được kết hợp để tạo ra "ảnh khối phổ Raman", cung cấp dữ liệu 3 chiều với thông tin từ mỗi điểm ảnh Kính hiển vi 2D có khả năng tự động ghi lại dữ liệu phổ, tạo ra hình ảnh Raman và bộ phổ Raman từ các điểm đã chọn Phần mềm hỗ trợ xây dựng phổ đồ nhanh chóng, dễ dàng tạo ra hình ảnh hai chiều và ba chiều của mẫu.
Hình 1.16 Sơ đồ máy quang phổ Raman Ứng dụng: Phổ Raman giúp xác định cấu trúc vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và
Nguyên tắc: Dùng 1 chùm tia điện tử hẹp được phát ra từ súng phóng điện
Trong quá trình tạo ra chùm tia điện tử, các catot thường được đốt nóng để giải phóng điện tử, thường là từ các kim loại như W hoặc Pt Sau khi rời khỏi catot, điện tử di chuyển tới anot rỗng, được gia tốc và tập trung thành chùm tia hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ, cho phép chúng xuyên qua vật rắn Chùm tia sau đó được hội tụ một lần nữa bằng các vật kính điện từ và được phóng đại qua một số thấu kính trung gian với độ phóng đại lớn, kết quả cuối cùng được hiển thị trên màn hình quan sát Việc sử dụng thấu kính điện từ là cần thiết trong phương pháp này vì chùm điện tử thay thế cho ánh sáng nhìn thấy, do đó không thể sử dụng thấu kính thủy tinh Ứng dụng của phương pháp này bao gồm xác định kích thước và sự phân bố của ZnO trong vật liệu nanocomposite ZnO/GO và ZnO/Ge.
Hình 1.18 Mô tả nguyên lý hoạt động máy đo TEM
Mẫu được phân tích bằng máy BET sau khi được đặt trong các tế bào thủy tinh đã được khử khí Để giảm thiểu thể tích khí dư, thanh thủy tinh được đặt bên trong ngăn chứa, có kích thước 6, 9 và 12 mm với hình dạng khác nhau Ngăn 6 mm thường dùng cho bột mịn, ngăn 9 mm cho bột viên nhỏ, và ngăn 12 mm cho hạt mẫu lớn Các ngăn chứa này được kết nối với cổng phun khí của máy và đặt vào bình gia nhiệt.
Sau khi khử khí, các tế bào được chuyển đến cửa phân tích, nơi bồn chứa nitơ lỏng được sử dụng để làm mát và duy trì nhiệt độ ổn định Việc duy trì nhiệt độ thấp là cần thiết để tăng cường tương tác giữa các phân tử khí và bề mặt mẫu, giúp hấp phụ hiệu quả Khí nitơ được tiêm vào ngăn chứa mẫu để hỗ trợ quá trình hấp phụ thông qua một piston hiệu chỉnh Đồng thời, khối lượng khí dư trong ngăn chứa mẫu cần được hiệu chuẩn trước và sau mỗi lần đo bằng khí heli, đảm bảo không xảy ra hiện tượng hấp phụ.
Hình 1.17 Sơ đồ hoạt động của các thiết bị BET Ứng dụng: Xác định diện tích bề mặt của các vật liệu nanocomposite ZnO/GO và
Phương pháp khảo sát tính kháng khuẩn với E coli
1.8.1 Phương pháp khuếch tán qua lỗ thạch (Kenneth et al 2014)
Phương pháp này dựa vào sự tăng trưởng và khả năng đề kháng của vi khuẩn trong môi trường thạch agar có bổ sung điều kiện tối ưu cho vi khuẩn phát triển Vi khuẩn kháng lại tác nhân kháng khuẩn sẽ có độ tăng trưởng ổn định, tạo ra vòng kháng khuẩn xung quanh lỗ thạch Đơn vị đo lường được sử dụng là mm.
Phương pháp khuếch tán được thực hiện bằng cách kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật, sau đó đo các vùng ức chế vi khuẩn Hiệu số giữa đường kính vùng ức chế và đường kính lỗ được ghi nhận để đánh giá hiệu quả (Kenneth et al 2014).
Cách tiến hành phương pháp này gồm hai bước chính như sau:
+ Bước 1: Chuẩn bị môi trường thạch
Chuẩn bị đĩa petri và tăm bông vô trùng, sau đó đổ 20 ml môi trường thạch bổ sung dinh dưỡng lên đĩa petri Tiến hành đục các lỗ có đường kính 8 mm theo phương pháp của Kenneth et al (2014).
Chủng Escherichia coli gây bệnh được nuôi cấy trên môi trường dinh dưỡng agar, với 100 ml được phân bố đều tại bốn góc khác nhau của đĩa (Kenneth et al 2014).
+ Bước 3: Nạp vật liệu và quan sát
Các mẫu được nạp với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) vào lỗ thạch trên các đĩa Các đĩa được ủ ở nhiệt độ phòng từ 19 - 24 giờ (Kenneth et al 2014)
+ Bước 4: Đo và phân tích vòng ức chế
Sự phát triển của vi khuẩn và khả năng kháng khuẩn của vật liệu được đánh giá thông qua việc đo đường kính vùng ức chế (Kenneth et al 2014) Cụ thể, nếu đường kính vòng kháng khuẩn nhỏ hơn 5 mm, vật liệu được coi là có tính kháng yếu Đường kính từ 5 đến 10 mm cho thấy tính kháng trung bình, trong khi đường kính lớn hơn 10 mm cho thấy tính kháng mạnh.
Tiến hành phân tích thống kê và phân tích phương sai để đảm bảo các kết quả về sự khác biệt nằm trong khoảng P < 0,05 (Kenneth et al 2014)
1.8.2 Đặc tính của chủng vi khuẩn Escherichia coli
Escherichia coli (E coli), hay còn gọi là vi khuẩn đại tràng, là một trong những loài vi khuẩn chủ yếu sống ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng, bao gồm cả chim và động vật có vú E coli thuộc họ vi khuẩn Enterobacteriaceae.
Trực khuẩn là vi khuẩn hình que thẳng, có kích thước thay đổi, trung bình từ 2 - 3 µm chiều dài và 0,5 µm chiều rộng, nhưng có thể dài đến 6 - 8 µm trong môi trường nuôi cấy Chúng có thể có vỏ và lông, cho phép di động, mặc dù một số chủng không di động Trực khuẩn không sinh nha bào và bắt màu gram âm (Kenneth et al 2014).
Hình 1.19 Khuẩn E coli quan sát qua kính hiển vi điện tử quét
Vi khuẩn hiếu khí, đặc biệt là E coli, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 37 o C và pH từ 7 đến 7.2 Trong môi trường lỏng, sau 4 - 5 giờ, E coli gây đục nhẹ và có thể tạo váng sau vài ngày Sau 18 - 24 giờ trên môi trường thường, khuẩn lạc có hình tròn, không màu hoặc màu xám nhẹ, đường kính từ 2 - 3 mm Khi được nuôi cấy trên môi trường phân lập, vi khuẩn này thường làm thay đổi màu sắc do quá trình lên men lactose, với màu vàng xuất hiện trên môi trường Istrati (Kenneth et al 2014).
E coli có sức đề kháng yếu, dễ bị tiêu diệt bởi các chất sát khuẩn thông thường như nước Javel 1/200 và phenol 1/200, chỉ sau 2 - 4 phút Nhiệt độ 55°C có thể tiêu diệt vi khuẩn sau 1 giờ, trong khi nhiệt độ 60°C giết chết chúng chỉ sau 30 phút (Kenneth et al 2014).
Cấu tạo kháng nguyên của E coli rất phức tạp với ba loại kháng nguyên chính: O, H và K Kháng nguyên O là kháng nguyên thân, gồm 142 loại khác nhau Kháng nguyên K là kháng nguyên bề mặt, được chia thành ba loại A, B và L Trong khi đó, kháng nguyên H là kháng nguyên lông, có 48 loại Dựa vào các kháng nguyên O, K và H, E coli được phân chia thành nhiều nhóm và loại khác nhau (Kenneth et al 2014).
E coli là một loại vi khuẩn hiếu khí chủ yếu trong đường tiêu hóa của con người, thường hoạt động như vi khuẩn cộng sinh Tuy nhiên, khi có điều kiện thuận lợi, E coli có thể gây ra nhiều bệnh lý, bao gồm viêm đường tiêu hóa, nhiễm trùng đường tiết niệu, bệnh lý sinh dục, nhiễm trùng đường hô hấp, và nhiễm khuẩn huyết (Kenneth et al 2014).
Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Các vật liệu kháng khuẩn kích thước nano đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là việc gắn các oxit kim loại lên tấm GO và Ge Điều này không chỉ giúp tăng cường hoạt động kháng khuẩn mà còn mang lại hiệu quả lâu dài và giảm chi phí sản xuất vật liệu.
1.9.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năm 2015, Linlin Zhong và Kyusik Yun đã tổng hợp thành công ZnO/GO có khả năng kháng khuẩn mạnh với chủng vi khuẩn E coli và Staphyloccus Aureus
Năm 2015, Chen Hao và các cộng sự đã phát triển thành công vật liệu nanocomposite ZnO/Ge với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ đối với E coli và Salmonella Typhi, nhờ vào quá trình xúc tác quang hóa dưới ánh sáng mặt trời.
1.9.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Năm 2012, tác giả Nguyễn Quang Khởi cùng các cộng sự đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu ZnO/Ge, đồng thời tăng cường cường độ phát quang trong cấu trúc lai hóa.
Năm 2015, tác giả Vũ Đình Ngọ cùng Ngô Quang Bình đã tổng hợp thành công vật liệu graphene, graphene oxit có khả năng hấp thụ Asen.
THỰC NGHIỆM
Hóa chất, thiết bị, dụng cụ và địa điểm nghiên cứu
Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng
STT Hóa chất Ký hiệu hóa học Trạng thái Đặc tính Nguồn gốc
1 Graphite Rắn Dh < 20 àm Sigma Aldrich
2 Axit sulfuric H 2 SO 4 Lỏng 98 % Trung Quốc
3 Natri nitrat NaNO 3 Rắn > 99% Trung Quốc
4 Kali permaganate KMnO 4 Rắn > 9 % Việt Nam
6 Hydro peroxit H 2 O 2 Lỏng 85 % Trung Quốc
7 Dung dịch ammoniac NH 4 OH Lỏng d = 8,8 g/ml Việt Nam
8 Ethanol C 2 H 5 OH Lỏng >99,7 % Việt Nam
9 Ethylene glycol C 2 H 4 OH Lỏng 99 % Việt Nam
10 Zinc acetate Zn(O 2 CCH 3 ) 2 2 (H 2 O) Rắn 99 % Trung Quốc
13 Papaic digest of soybeans Rắn 99% Ấn Độ
14 Sodium chloride NaCl Rắn 99% Trung Quốc
16 Escherichia coli Viện công nghệ sinh học Các hóa chất được sử dụng trực tiếp mà không qua bất kỳ giai đoạn tinh chế nào khác
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
Trong phòng thí nghiệm, các dụng cụ thiết yếu bao gồm beaker với dung tích 100ml, 250ml và 500ml, pipet 10ml, bóp cao su, pipet Pasteur, và đũa thủy tinh Ngoài ra, máy khuấy từ, cá từ, nhiệt kế, đĩa Petri, ống đong 20ml, và cân phân tích 4 số cũng rất quan trọng Các thiết bị như bể siêu âm Sonic 410 (40 kHz), tủ sấy, máy đo OD, tủ lắc, tủ ủ, tủ cấy vô trùng, máy vortex, kính hiển vi, hệ thống vi sóng và lò nung là những công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu và thí nghiệm.
Phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG TP.HCM công nghệ hóa học và dầu khí, Trường Đại Học Bách Khoa.
Tổng hợp vật liệu
2.2.1.1 Quy trình tổng hợp GO
GO được chế tạo theo phương pháp Hummers cải tiến (Nguyen et al 2013)
Thuyết minh quy trình: Hòa tan hỗn hợp của 2,5 g Gi và 1,25 g NaNO3 trong
Để thực hiện phản ứng oxy hóa, khuấy 60 ml H2SO4 đậm đặc ở nhiệt độ dưới 10ºC Tiến hành oxy hóa lần 1 với 7,5 g KMnO4, thêm từ từ và giữ nhiệt độ không quá 20ºC, khuấy trong 15 phút và siêu âm trong 2 giờ ở 35ºC Tiếp theo, thực hiện oxy hóa lần 2 với 7,5 g KMnO4, thêm từ từ và siêu âm trong 4 giờ ở 35ºC Cuối cùng, thêm 400 ml nước cất, làm nguội hỗn hợp về nhiệt độ phòng, và thêm H2O2 30% cho đến khi hỗn hợp chuyển sang màu vàng sáng.
Ly tâm và rửa cho đến khi đạt độ pH trung tính, sau đó sấy ở 60°C để thu được GiO GiO màu nâu đen được phân tán trong nước với tỷ lệ 0,25 mg GiO/ml H2O, sau đó hệ huyền phù này được siêu âm trong 12 giờ để phân tán hoàn toàn thành đơn lớp GiO, hay còn gọi là GO GO phân tán trong nước tạo thành huyền phù màu vàng nâu và sản phẩm GO được thu lại bằng cách ly tâm và để khô tự nhiên.
Hình 2.1 Quy trình tổng hợp GO
2.2.1.2 Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/GO
ZnO/GO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (S Gayathri et al 2014)
Quy trình thực hiện bao gồm việc cân 2,5g kẽm axetat và hòa tan trong 80 ml etylen glycol ở 120ºC trong 30 phút cho đến khi kẽm axetat hoàn toàn hòa tan Tiếp theo, bổ sung 2,5g NaOH vào dung dịch và khuấy trong 2 phút để tạo ra kết tủa trắng Sau đó, thêm 100 ml/mg GO đã được siêu âm trong etylen glycol trong 4 giờ vào dung dịch và khuấy ở 120ºC trong 2,5 giờ Cuối cùng, hệ phản ứng để nguội ở nhiệt độ phòng, siêu âm ở 30ºC trong 2 giờ, sau đó ly tâm, rửa bằng nước cất và etanol đến khi trung tính, và sấy ở 60ºC.
8 giờ và thu được ZnO/GO
Hình 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu ZnO/GO
2.2.2.1 Quy trình tổng hợp Ge
Ge được chế tạo theo phương pháp Hummers cải tiến (Nguyen et al 2013)
Thuyết minh quy trình: Cân 0,1 g GO phân tán vào 100 ml nước cất siêu âm trong
Sau 12 giờ, tiến hành khử bằng 10 ml hydrazine và khuấy trong 1 giờ, hệ phân tán sẽ có màu đen Sau đó, lọc chân không và rửa bằng nước cũng như etanol cho đến khi đạt độ trung tính, cuối cùng sấy nhanh ở 60ºC để thu được Ge.
Hình 2.3 Quy trình tổng hợp Ge
2.2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/Ge
ZnO/Ge được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ vi sóng (Li et al 2016)
Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/Ge bắt đầu bằng cách cân 0,1 g GO và phân tán vào etylen glycol, sau đó siêu âm ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ Tiếp theo, thêm 2,25 g kẽm axetat vào hệ và tiếp tục siêu âm trong 2 giờ Sau đó, cho vào 2,1 g NaOH và khuấy trong 2 giờ, rồi đưa hỗn hợp vào lò vi sóng để thực hiện phản ứng ở 180ºC trong 40 phút Sau khi phản ứng, hệ có màu đen, được để nguội ở nhiệt độ phòng, ly tâm, rửa bằng nước cất và etanol cho đến khi trung tính Cuối cùng, vật liệu được sấy ở 70ºC trong 6 giờ và nung ở 150ºC trong 20 phút để thu được sản phẩm cuối cùng.
Khử nhóm chức chứa oxy
Hình 2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu ZnO/Ge
2.2.3 Phân tích hình thái, cấu trúc và đặc tính
- Giản đồ XRD: Được đo trên máy D2 PHARSER, Bruker, ở Trung Tâm Phân Tích Phân Loại Hàng Hóa Xuất Nhập Khẩu Chi Nhánh Tại TP Hồ Chí Minh – Tổng
Thực hiện phản ứng vi sóng
Cục Hải Quan Mẫu được chuẩn bị ở dạng rắn đã được nghiền mịn với khối lượng 0,02g Được thực hiện ở bước sóng λ X = 0,154 nm
Phổ FTIR được thực hiện trên máy Tensor 27 của Bruker tại Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng, Tp Hồ Chí Minh Mẫu thử nghiệm ở dạng rắn, đã được nghiền mịn với khối lượng 0,05g.
Phổ Raman được đo bằng máy Micro Raman Labram Horiba Joninyvon, sử dụng nguồn laser He-Ne 632,81 nm tại Phòng Thí Nghiệm Nano – Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Mẫu huyền phù có nồng độ 0,5 mg/ml và mẫu rắn được chuẩn bị bằng cách nghiền mịn với khối lượng 0,02g.
Bức ảnh TEM được chụp bằng máy JEM-1400 với điện thế 100kV và camera CCD 200k tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Vật Liệu Polyme & Composite, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Mẫu bột mịn được quan sát dưới kính hiển vi điện tử với điện thế gia tốc khoảng 100kV.
Diện tích bề mặt riêng BET được đo bằng máy NOVA 2200e tại Trung tâm nghiên cứu Công Nghệ Lọc Hóa Dầu thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Mẫu thử có khối lượng 0,0868g được xác định thông qua quá trình hấp phụ N2 ở nhiệt độ 77,35 K và áp suất 765 mmHg, với dạng rắn đã được nghiền mịn.
Quy trình kháng khuẩn
Môi trường dùng để nuôi cấy vi khuẩn: Môi trường Tryptone casein soy agar (TSA) và môi trường TSA, nước muối sinh lý
Môi trường TSA: 15 g tryptone, 5 g NaCl, 5 g papaic digest of soybeans trên 1000 ml nước cất
Môi trường TSA: 15 g tryptone, 5 g papaic digest of soybeans, 15 g agar trên 1000 ml nước cất
Nước muối sinh lý: NaCl 0,9%
Chuẩn bị vi khuẩn E coli bằng cách cấy chuyền vào môi trường TSA lỏng, ủ ở 37ºC qua đêm để tăng sinh Mục tiêu là đạt mật độ tế bào E coli lên đến 10^8 cfu/ml.
Để chuẩn bị môi trường thạch, cần cân chính xác 40 g bột thạch hòa tan trong 1000 ml nước cất, sau đó đun nóng từ từ cho đến khi sôi và khuấy liên tục để đạt được dung dịch đồng nhất Tiếp theo, đổ 10 ml dung dịch vào mỗi đĩa petri và đục lỗ, sau đó tiệt trùng các đĩa petri trong nồi hấp ở nhiệt độ 121ºC trong 15 phút.
Cấy vi khuẩn E coli với mật độ 10^8 cfu/ml lên bề mặt đĩa thạch TSA bằng que trải thủy tinh tiệt trùng, sau đó ủ ở nhiệt độ 32,5 ± 2,5ºC trong 18 – 24 giờ.
Nạp vật liệu vào các lỗ thạch là quá trình quan trọng, trong đó vật liệu được phân tán trong nước muối sinh lý với nồng độ 0,01 g/ml bằng phương pháp siêu âm trong 40 phút Sau đó, 0,1 ml dung dịch được lấy ra để pha loãng với dung dịch 10.
Nạp 10^2, 10^3, 10^4, 10^5 lần vào lỗ để khảo sát, sau đó để các đĩa thạch ở nhiệt độ phòng trong 30 phút cho vật liệu khuếch tán, và ủ các đĩa thạch ở 37ºC trong 18 – 20 giờ Sau khi ủ, lấy đĩa thạch ra khỏi tủ ấm, dùng thước đo từ mặt sau để ghi lại vòng ức chế và so sánh với bảng chuẩn Cuối cùng, dụng cụ được hấp vô trùng, vệ sinh và sấy khô để chuẩn bị cho các thí nghiệm tiếp theo, với mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
Hình 2.5 Quy trình kháng khuẩn
Trang, dải Đánh giá và phân tích kết quả Điều chỉnh độ đục
Nạp vật liệu Đo vòng kháng khuẩn Tạo huyền dịch
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Hình thái, đặc tính và cấu trúc của vật liệu
Hình 3.1 trình bày giản đồ XRD của các vật liệu ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge Đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của Ge xuất hiện tại 2θ: 43°, tương ứng với cấu trúc tinh thể (001) của Ge Đối với ZnO/Ge, các đỉnh nhiễu xạ được ghi nhận tại 2θ: 31,9°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,9°, 62,7° và 68°, tương ứng với các cấu trúc tinh thể (100), (002), (101), (102), (110), (200) và (201) khi ZnO gắn trực tiếp vào Ge (Wang et al 2016) Các đỉnh nhiễu xạ của nanocomposite ZnO/Ge tương ứng với cấu trúc tinh thể (100) của ZnO Ngoài ra, ZnO/GO cũng thể hiện các đỉnh nhiễu xạ tại 2θ: 31,7°, 34,4°, 36,3°, 47,5°, 56,5°, 62,8° và 68°, tương ứng với các cấu trúc tinh thể đặc trưng.
Các hợp chất ZnO như (100), (002), (101), (102), (110), (200) và (201) đã được gắn trực tiếp lên tấm graphene oxide (GO) (Wenbin et al 2011) Đặc biệt, không có đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của GO tại 2θ = 10,8° cho thấy sự tách lớp hoàn toàn của GO Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây (Lua et al 2011; Wang et al 2016).
Hình 3.1 Giản đồ XRD của ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge
Phổ FTIR của các vật liệu sau tổng hợp được trình bày trong Hình 3.2, trong đó phổ GO cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của các nhóm chức chứa oxy như -OH, -C=O, C=C và C-O tại các vị trí 3415 cm -1, 1581 cm -1, 1411 cm -1 và 1217 cm -1, phù hợp với phổ FTIR của GO Đặc biệt, phổ FTIR của ZnO/GO cũng cho thấy sự hình thành đỉnh đặc trưng của nhóm ZnO tại 440 cm -1 và nhóm -OH tại 3415 cm -1, trong khi các đỉnh của C-O và -C=O không còn xuất hiện.
Phổ ZnO/Ge cho thấy các đỉnh đặc trưng của Ge, đồng thời xuất hiện thêm đỉnh đặc trưng của ZnO tại 442 cm -1, cho thấy các hạt nano ZnO được gắn trực tiếp lên tấm Ge (Kang et al 2016) Ngoài ra, phổ ZnO còn thể hiện các đỉnh đặc trưng của nhóm ZnO và -OH ở 436 cm -1 và 3452 cm -1, cùng với đỉnh đặc trưng của nhóm C=C tại 1552 cm -1 (Kang et al 2016).
Kết quả phổ FTIR của GO cho thấy các đỉnh đặc trưng của nhóm chức chứa oxy như C=O, -OH, và C-O, chứng tỏ quá trình oxy hóa hoàn toàn Gi Trong khi đó, phổ của Ge, ZnO/GO, và ZnO/Ge có sự tương đồng, với các đỉnh C-O và -C=O không còn xuất hiện do quá trình khử bằng hydrazine ở Ge và NaOH ở nhiệt độ cao của ZnO/GO và ZnO/Ge (Kang et al 2016; F.S Ghoreishi et al 2013).
Hình 3.2 Phổ FTIR của ZnO, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge
Phổ Raman là phương pháp quan trọng để phân tích cấu trúc và mức độ khuyết tật của vật liệu từ than chì, cho phép xác định đặc điểm của các vật liệu như Gi, Ge, GO, ZnO/GO và ZnO/Ge Các đỉnh D rộng phản ánh mức độ khuyết tật, với vị trí 1318 cm -1 cho Ge và ZnO/Ge, so với đỉnh D được công bố trước đây ở 1345 cm -1 Đỉnh G, thể hiện liên kết C-C trong cấu trúc sp2 của ZnO/Ge, nằm ở 1587 cm -1, gần với giá trị 1580 cm -1 đã được công bố Sự khử oxy trên tấm Ge thông qua vi sóng và nhiệt độ đã làm tăng cường độ dao động của electron tại các vị trí C Đối với GO và ZnO/GO, đỉnh D ở 1313 cm -1 và G ở 1581 cm -1 cho thấy cấu trúc lớp liên quan đến liên kết sp3 Vị trí đỉnh 2D cung cấp thông tin về số lượng lớp của vật liệu, với Ge đơn lớp ở 2690 cm -1 và Ge có 5 lớp ở 2728 cm -1 Kết quả cho thấy đỉnh 2D của Ge là 2708 cm -1 và GO là 2703 cm -1, phản ánh cấu trúc dưới 5 lớp.
Hình 3.3 Phổ Raman của Gi, GO, Ge, ZnO/GO và ZnO/Ge
Kết quả TEM cho thấy hạt nano ZnO gắn trên tấm GO và Ge có sự phân bố và kích thước khác nhau Vật liệu ZnO/Ge, sau khi tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, được khử các nhóm chức chứa oxy bằng tia vi sóng và nhiệt độ cao, ngăn chặn sự tích tụ của các hạt ZnO Quá trình này cũng kích thích các ion trong dung môi tấn công vào các nhóm chức trên tấm GO, tạo ra các mầm liên kết Zn²⁺, hình thành ZnO trên nền GO Kết quả cho thấy kích thước hạt nano ZnO trên tấm GO là 16 nm và phân bố không đều, trong khi trên tấm Ge, hạt nano ZnO có kích thước 12 nm và phân bố đồng đều hơn với mật độ cao hơn.
Hình 3.4 Ảnh TEM của ZnO/GO và ZnO/Ge
Bảng 3.1 So sánh diện tích bề mặt riêng (BET) của ZnO/GO và ZnO/Ge
STT Vật liệu Diện tích bề mặt riêng BET (m 2 /g)
Diện tích bề mặt riêng đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện đặc tính xúc tác quang của vật liệu Vật liệu nanocomposite với diện tích bề mặt riêng lớn sẽ có hiệu suất xúc tác quang mạnh mẽ hơn Việc gắn các hạt nano ZnO lên tấm Ge hoặc GO giúp tăng cường hiệu quả xúc tác quang, giảm hiện tượng tái tổ hợp các cặp điện tử (e - ), (h + ) và cải thiện khả năng hấp thụ O2, H2O, hν Diện tích bề mặt riêng của ZnO/GO đạt 12,478 m²/g và ZnO/Ge là 50,357 m²/g, cao hơn so với các nghiên cứu trước đây (G-ZnO-20: 47 m²/g và RGO-ZnO: 9,72 m²/g) Vật liệu ZnO/Ge trải qua hai quá trình khử bằng vi sóng và khử nhiệt, ảnh hưởng đến cả hạt ZnO và các lớp Ge Sự xuất hiện của nhiều liên kết C-Zn-O trên tấm Ge tạo khoảng cách lớn giữa các lớp Ge, kích thước hạt ZnO nhỏ và mật độ phân bố cao của chúng, dẫn đến diện tích bề mặt của ZnO/Ge gấp bốn lần so với ZnO/GO, vượt trội hơn so với các vật liệu được xử lý bằng vi sóng hoặc khử nhiệt trước đó.
Khả năng kháng E coli của vật liệu
Hình 3.5 Kết quả kháng khuẩn E coli của vật liệu: Ge, GO, ZnO, ZnO/GO và
Từ kết quả Hình 3.5 thể hiện khả năng kháng khuẩn của vật liệu ZnO/GO và ZnO/Ge cao hơn hẳn vật liệu GO, Ge và ZnO
Nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng ở nồng độ 0,1 g/mL và 0,05 g/mL, vật liệu ZnO/Ge có khả năng kháng E coli Hình 3.6 cho thấy, tại nồng độ 0,1 mg/mL, ZnO/Ge tạo ra hai đường kính kháng khuẩn, trong khi khuẩn E coli vẫn tồn tại ở trạng thái bị ức chế Sự xuất hiện của đường kính thứ hai được giải thích bởi quá trình khuếch tán vật liệu ở kích thước nano, dẫn đến nồng độ không đồng đều trong môi trường thạch Với diện tích bề mặt riêng lớn gấp 4 lần so với ZnO/GO, ZnO/Ge khi dịch chuyển sẽ tụ lại, hình thành đường kính kháng khuẩn lớn hơn Khu vực giữa hai đường kính tồn tại ở nồng độ rất thấp, cho phép E coli sống sót nhưng vẫn bị ức chế sự tăng trưởng bởi vật liệu ZnO/Ge.
Vật liệu ZnO/GO cho thấy hoạt tính kháng khuẩn cao và ổn định, hoàn toàn ức chế vi khuẩn E coli Mặc dù khu vực bên ngoài vùng ức chế của ZnO/GO có một vài điểm diệt khuẩn mờ, nhưng chúng cho thấy sự khuếch tán yếu hơn so với chiều dài đường kính ngoài của ZnO/Ge.
Ở nồng độ 0,04 g/mL, khả năng kháng khuẩn của vật liệu giảm đáng kể, cho thấy vi khuẩn có thể bị tiêu diệt nhưng vẫn tồn tại ở vùng ức chế với nồng độ thấp Kết quả cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của ZnO/Ge cao hơn ZnO/GO, trong khi vi khuẩn E coli chỉ có thể tồn tại với độ đục thấp ở rìa vùng ức chế của ZnO/Ge, nơi có nồng độ tác nhân thấp.
Bên cạnh đó, sự tăng trưởng thể hiện rõ ở vùng ức chế xuất hiện vài chấm đục cho thấy hoạt tính của ZnO/GO giảm mạnh về hoạt tính
Cả hai vật liệu naocomposite ZnO/GO và ZnO/Ge đều có khả năng bắt giữ và cắt bề mặt vi khuẩn, đồng thời tạo ra các ion gốc oxy hoạt hóa dưới ánh sáng kích thích Tuy nhiên, ZnO/Ge sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn gấp 4 lần so với ZnO/GO, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng vượt trội hơn Các hạt nano ZnO trên nền Ge có kích thước nhỏ hơn và phân bố đồng đều với mật độ lớn, kết hợp với tính dẫn điện cao của Ge, điều này tác động tích cực đến các hạt nano ZnO và thúc đẩy các quá trình liên quan.
(2) và (3) ngăn cản quá trình tái tổ hợp cặp (e - ), (h + ) hiệu quả hơn so với ZnO trên tấm
Kết quả từ Bảng 3.2 chỉ ra rằng đường kính vòng kháng khuẩn của vật liệu ở nồng độ 0,04 là 10,17 mm đối với ZnO/Ge và 9,12 mm đối với ZnO/GO Điều này cho thấy khả năng kháng khuẩn E coli của ZnO/Ge vượt trội hơn so với ZnO/GO.
Bảng 3.2 Bảng kết quả kháng khuẩn E coli giữa hai vật liệu ZnO/GO và ZnO/Ge
Vật liệu Đường kính kháng khuẩn (mm)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/GO thông qua phương pháp đồng kết tủa, đồng thời ZnO/Ge cũng được tổng hợp thành công bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp vi sóng.
Giản đồ XRD cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của ZnO trên nền GO và Ge, với cấu trúc tinh thể nhiễu xạ (100) của ZnO, trong khi đỉnh nhiễu xạ của GO không xuất hiện tại 2θ = 10,8° Phổ FTIR chỉ ra các đỉnh đặc trưng cho ZnO và nhóm chức chứa oxy của GO, đồng thời cho thấy mức độ khử nhóm chức chứa oxy trên nền Ge trong vật liệu nanocomposite ZnO/Ge, với đỉnh ZnO xuất hiện ở 442 cm⁻¹ và ZnO/GO tại 440 cm⁻¹ Phổ Raman xác định hai đỉnh đặc trưng của vật liệu nanocomposite.
Mức độ khuyết tật và đặc điểm số lượng của các vật liệu Ge và ZnO/Ge được thể hiện qua hai đỉnh D và G tại các vị trí 1318 cm -1 và 1587 cm -1 Đỉnh G liên quan đến sự thể hiện của liên kết C-C trong mặt phẳng trạng thái sp2 của ZnO/Ge Hai đỉnh đặc trưng cũng xuất hiện ở các mẫu GO và ZnO/GO với vị trí D là 1313 cm -1 và G là 1581 cm -1 Hình ảnh TEM cho thấy các hạt nano ZnO có kích thước 12 nm gắn trên tấm Ge với mật độ cao hơn và kích thước nhỏ hơn so với các hạt nano ZnO có kích thước 16 nm.
GO Két quả BET của ZnO/Ge là 50,357 g/m 2 và ZnO/GO là 12,478 g/m 2
Nghiên cứu đã thử nghiệm hoạt tính kháng vi khuẩn E coli của nanocomposite ZnO/Ge và ZnO/GO bằng phương pháp khuếch tán qua lỗ thạch Kết quả cho thấy vật liệu ZnO/Ge có khả năng diệt khuẩn E coli cao hơn, đạt 10,17mm, so với ZnO/GO.
Bài viết này so sánh khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite ZnO/Ge và ZnO/GO Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc khảo sát ứng dụng của các vật liệu này trong việc phủ lên sản phẩm nhằm đánh giá hiệu quả diệt khuẩn E coli.
Cần thử nghiệm vật liệu này trên nhiều chủng vi khuẩn và nồng độ khác nhau như: Salmonella typhy, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, …
Hữu Hiếu Nguyễn, N.B.S.L., “Chế tạo và khảo sát đặc tính của màng nano composite Nafion – graphene oxide” Tạp chí phân tích hóa lý và sinh học, 18 (4),
The review article by Amna Sirelkhatim et al (2015) explores the antibacterial activity and toxicity mechanisms of zinc oxide nanoparticles Published in volume 7, issue 3, pages 219-242, the study highlights the effectiveness of zinc oxide nanoparticles in combating bacterial infections while also addressing potential toxicity concerns associated with their use.
B Gopal Krishna, M Jagannadha Rao., Biosynthesis and measurement of thermal conductivity of ZnO material, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), ISSN: 2231-5381, 2015
Chen Hao, Yinglu Yang, Yuru Shen, Feng Feng, Xiaohong Wang, Yutao Zhao, and Cunwang Ge conducted research on the liquid phase-based ultrasonic-assisted synthesis of G-ZnO nanocomposite Their study, published in the Journal of Chemical Technology and Biotechnology in 2016, highlights the photocatalytic activity of the synthesized nanocomposite under sunlight exposure.
Daniel R Dreyer, S.P., Christopher W Bielawski and Rodney S Ruoff , The chemist ry of graphene oxide Chem Soc Rev., 39, 224-240, 2010
Dizaj, S.M.,Afsaneh, M.,Samira, J.,Khadejeh, K., Khosro, A., Antimicrobial Activity of Carbon-Based Nanoparticles Adv Pharm Bull 5: 19-23, 2015
Emami-Karvani, Z., Chehrazi, P., Antibacterial activity of ZnO nanoparticle on gram-positive and gram-negative bacteria Afr J Microbiol Res 5: 1368–1373, 2011
F S Ghoreishi, V.A., M Samadpour, Synthesis and Characterization of
Graphene-ZnO Nanocompositeand its Application in Photovoltaic Cells Journal of Nanostructures, 3, 453- 459,2013
Ferrari, A.C., Robertson, J., Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon, Phys Rev B 61: 14095-14107, 2000
Garg, Bhaskar, Bisht, Tanuja, Ling, Yong-Chien, 2014 Molecules 19
Heiwei Ji, Hanjun Sun, Xiaogang Qu, Antibacterial applications of graphene- based nanomaterial: Recent achievements and challenges, 2016
Jalal, R., Goharshadi, E.K., Abareshi, M., Moosavi, M., Yousefi, A., Nancarrow, P., ZnO nanofluids: green synthesis, characterization, and antibacterial activity Mater Chem Phys 121: 198-201, 2010
Jeong H.K., Lee Y.P., Layhaye R.J.W.E., Park M.H., An K.H., Kim I.J, Yang
C.W., Park C.Y., Ruoff R.S., Lee Y.H., “Evidence of Graphitic AB Stacking Order of Graphite Oxides” Chem Soc., 130,1362-1366 (2008)
Jianjiang He, Chunge Niu, Chao Yang, Jide Wang, Xintai Su Reduced graphene oxide anchored with zinc oxide nanoparticles with enhanced photocatalytic activity and gas sensing properties RSC Adv., 2014,4, 60253-60259
Kang, W., Jimeng, X., Xitao, W., The Effects of ZnO Morphology on Photocatalytic Efficiency of ZnO/RGO nanocomposites 360: 270-275, 2016
Kenneth J.Ryan, MD , C George Ray, MD, 4TH Edition Sherris Medical Microbiology, DOI: 10.1036/0838585299
Lee V., Whittaker L., Jaye C., Baroudi K.M., Fischer D.A., Banerjee S., “Large-
Area Chemically Modified Graphene Films:Electrophoretic Deposition and
Characterization by Soft X-ray Absorption Spectroscopy”, Chem Mater, 21.3905
Li, P., Chen, X., Zeng, J., Gan, L., Wang, M., Enhancement of the interfacial interaction between poly(vinyl chloride) and zinc oxide modified reduced graphene oxide, RSC Adv 6: 5784–579, 2016
Linlin Zhong, Kyusik Yun, Graphene oxide-modified ZnO particles: synthesis, characterization and antibacterial properties International Journal of Nanomedicine 2015:10, 79-92
Lua, T., Pana, L., Lia, H., Zhua, G., Lva, T., Liua, X., Suna, Z., Chen, T., Daniel H.C Microwave-assisted synthesis of graphene–ZnO nanocomposite for electrochemical supercapacitors Journal of Alloys and Compounds, 509: 5488–5492,
The study conducted by Lukas Richtera, Dagmar Chudobova, Kristyna Cihalova, Monika Kremplova, Vedran Milosavljevic, Pavel Kopel, Iva Blazkova, David Hynek, Vojtech Adam, and Rene Kizek, published in Materials in 2015, explores the composites of graphene oxide combined with metal or semimetal nanoparticles The research highlights their significant effects on pathogenic microorganisms, providing valuable insights into potential applications in antimicrobial materials.
M.M Tang, R.B., Carbonization of cellulose fibers - I (1964), Low temperature pyrolysis Carbon, 2 (3), 211-214
A study by Ning Zhang et al (2016) demonstrated the rapid assessment of antibacterial properties of graphene oxide using mass spectrometry-based metabolite fingerprinting The research highlights the potential of graphene, as discussed by Novoselov K.S., emphasizing its unique flat carbon structure and its promising applications in antibacterial treatments.
P Jayabal, S.G., V Sasirekha, J Mayandi, V Ramakrishnan Preparation and characterization of ZnO/graphene nanocomposite for improved photovoltaic performance J Nanopart Res, 16, 2640-2649,2014
P Suyana,S Nishanth Kumar,Nimisha Madhavan,B S Dileep Kumar,Balagopal
N Nair,A Peer Mohamed,K G K Warrieradand U S Hareesh Reactive Oxygen Species (ROS) Mediated Enhanced Anti-candidal Activity of ZnS-ZnO Nanocomposites with Low Inhibitory Concentrations RSC Adv.,2015,5,76718
Pan, Y., N.G Sahoo, and L Li The application of graphene oxide in drug delivery Expert Opin Drug Deliv., 9, 1365-1376,2012
Prusty, T.K.D.a.S Graphene-Based Polymer Composites and Their Applications Polymer-Plastics Technolo gy and Engineering, 52, 319–331, 2013
Ravi Kant Up adhyay, N.S.a.S.S.R Role of graphene/metal oxide composites as photocatalysts, adsorbents and disinfectants in water treatment: a review RSC Adv., 4, 3823–3851,2014
Roberts, R.B., Studies of biosynthesis in Escherichia coli Washington, Carnegie
S Gayathri, P.J., M Kottaisamy, and V Ramakrishnan, Synthesis of ZnO decorated graphene nanocomposite for enhanced photocatalytic properties Journal of Applied Physics, 115 (17), 2014
Sakka, S., Handbook of Sol–Gel Science and Technology: Processing, Characterization and Applications Vol I 2002, New York: Kluwer Academic Publishers,2002
Salimeh Kimiagar , Nasim Rashidi, MIC and MBC of grapheme oxide, International Journal of Advanced Research Volume 3, Issue 2, 153-158,2015
Seil, J.T., Webster, T.J Antimicrobial applications of nanotechnology: methods and literature Int J Nanomed 7: 2767-2781, 2012
Somani PR, Somani SP, Umeno M, Planer nano-graphenes from camphor by CVD Chem Phys Lett, 430, 56-59 (2006)
Szabó T., Berkesi O., Forgó P., Josepovits K., Sanakis Y., Petridis D., Dékány I.: Evolution of Surface Functional Groups in a Series of Progressively Oxidized
In their 2011 study published in the Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Ting Lu and colleagues explored the microwave-assisted synthesis of a graphene-ZnO nanocomposite specifically designed for use in electrochemical supercapacitors This innovative approach highlights the potential of combining graphene and zinc oxide to enhance the performance of energy storage devices.
Wenbin Zou, J.Z.a.X.W Preparation and characterization of Graphene oxide-ZnO nanocomposites Materials Science Forum, 668, 228, 2011
Xiang, Q., J Yu and M Jaroniec, Chem Soc Rev 41: 782-796, 2012