TỔNG QUAN
Cellulose
Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D- Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật [5]
Là chất màu trắng, không mùi, không vị Cellulose không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và các acid thông thường Tan trong một số dung dịch acid vô cơ mạnh như: HCl, HNO3, một số dung dịch bazơ: ZnCl2, PbCl2,
Là thành phần chính tạo nên lớp màng tế bào động vật, giúp cho các mô động vật có độ bền cơ học và tính phản Bông có hàm lượng cellulose cao nhất trong các loại thực vật với khoảng 90% cellulose, so với gỗ có hàm lượng cellulose khoảng 40% - 50%, chẳng hạn như lanh, gai hoặc ramie, có hàm lượng cellulose khoảng 70% - 80% [6] Bên cạnh gỗ và thực vật, cellulose cũng có thể được tìm thấy trong các loài vi khuẩn, tảo và tunicates khác nhau, một động vật biển bao gồm protein và carbohydrate
Hình 2.1 Các mức độ khác nhau của cấu trúc cellulose
(i) cấu trúc phân tử của polymer cellulose, (ii) các polymer được đặt vào microfibrils với các vùng kết tinh và không kết tinh, (iii) một số microfibril được ghép lại với nhau để tạo thành một macrofibril và (iv) các lớp khác nhau trong thành tế bào Các số (ii) và (v) lần lượt hiển thị các vi sợi cellulose (CMF) và các tinh thể nanocellulose (CNC) [7] Hình 2.1 thể hiện các cấp độ khác nhau của cấu trúc cellulose như thực vật, thành tế bào, polymer cellulose, macrofibril, microfibril, nano cellulose Các tính chất như độ bền và độ cứng của sợi tự nhiên trong sợi cellulose đến từ sự hình thành của các vi sợi (ii) Microfibrils có phạm vi rộng từ 2 đến 30nm tùy thuộc vào nguồn cellulose và chiều dài có thể là vài micromet Các fibril được tập hợp thành các bó sợi dài của các phân tử cellulose được ổn định bởi các liên kết hydro [8, 9]
Cellulose được xem như nguồn nguyên liệu vô tận cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế và sản xuất các nhiên liệu, vật liệu mới [10] Từ thế kỉ XIX, công nghệ sinh học đã được ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học Sau đó, nhiên liệu sinh học dần bi thay thế bởi nguồn nhiên liệu sắn có như dầu thô, than đá để phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp hiện đại [11] Tuy nhiên, nguyên liệu hóa thạch là nguồn không tái tạo, gây phát sinh khí thải nhà kính, làm biến đổi khí hậu Do đó, nền công nghiệp dựa vào nhiên liệu từ nguồn sinh khối phổ biến như cellulose hay lignocellulose là xu hướng phát triển bền vững cả về mặt kinh tế và môi trường [12] Để sử dụng hiệu quả nguồn sinh khối cellulose, nhiều enzyme đã và đang được nghiên cứu để thủy phân cellulose thay cho việc sử dụng hóa chất như các acid mạnh Phương pháp thủy phân sinh khối cellulose bằng enzyme có lợi thế như chi phí thiết bị thấp hơn, không gây ô nhiễm môi trường, năng suất tạo ra glucose cao hơn [13].
Nano Cellulose
− Chất rắn nhẹ thu từ thực vật gồm sợi nano mảnh nhỏ
− Là vật liệu giả nhựa và sở hữu đặc tính của các loại chất lỏng hoặc gel, đặc biệt thường dày ở điều kiện bình thường
− Chiều ngang từ 5-20 nm và chiều dài từ 10 nm đến vài μm
− CNC thu được từ quá trình thủy phân acid của sợi cellulose, đã được nhận thấy là một lĩnh vực mới của vật liệu nano So với các sợi cellulose, CNC sở hữu nhiều thuận lợi, chẳng hạn như kích thước nano, độ bền cao và ứng suất cao, diện tích bề mặt, tính chất quang học độc đáo,… [7].
Hình 2.2 Một phần của sợi cellulose nơi hiển thị các vùng kết tinh và không kết tinh
Thủy phân acid loại bỏ các vùng không kết tinh và chỉ còn lại các phần tinh thể (CNC) Hình 2.2 thể hiện cấu trúc của tinh thể nano cellulose có trong sợi cellulose, bao gồm cả phần tinh thể và phần vô định hình Sau khi thủy phân cellulsoe bằng acid sẽ loại bỏ các vùng vô định hình từ đó thu được CNC
− Dạng tinh thể trong suốt và không thấm khí
− Được sản xuất với số lượng lớn một cách hiệu quả
− Độ bền kéo rất cao, gấp 8 lần thép
− Khả năng hấp thu cao khi được sử dụng làm cơ sở cho bọt
− Nguyên liệu thô là cellulose-polymer có nhiều nhất trên Trái đất
Các tinh thể nanocellulose được thủy phân thường từ bột gỗ và các nguồn nguyên liệu chứa cellulose Khi nguyên liệu cellulose được xử lý bằng acid, nó sẽ bắt đầu bị phá vỡ Sự phá vỡ sẽ bắt đầu với các phần dễ tiếp cận nhất của sợi, tiếp theo là các nhóm kết thúc giảm và bề mặt tinh thể Nồng độ acid, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng là một số thông số quan trọng nhất để kiểm soát quá trình thủy phân acid Nhiệt độ và thời gian phản ứng tương quan với nhau và nhiệt độ phản ứng cao hơn, rút ngắn thời gian phản ứng Không chỉ thời gian và nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất của nanocellulose, mà còn cả nồng độ acid và tỷ lệ acid so với bột giấy [14] Sau khi thủy phân và được tinh chế qua lọc, các hạt nhỏ giống như tinh thể que sẽ được thu được trong một huyền phù nước Các tinh thể nanocellulose được hình thành thông qua xử lý acid có kích thước nhỏ và tạo thành một huyền phù khi ổn định [15] Các loại nguồn cellulose khác nhau cung cấp một số cấu trúc khác nhau của các tinh thể nano và tỷ lệ khung hình sẽ khác nhau đối với các nguồn khác nhau Kích thước và tỷ lệ trục cho một số nguồn cellulose khác nhau được thể hiện trong Bảng 1
Bảng 1 Đặc điểm hình học của tinh thể nano từ các nguồn cellulose khác nhau
Tảo (Valonia) 100nm đến àm 10-20 N/A [15, 18, 19] Cellulose vi khuẩn 100nm đến àm 5-10 N/A [15, 20]
Cú vỏ cellulose 100nm đến àm 10-20 67 [15, 16, 21]
Nanocellulose có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực có thể thấy thông qua Hình 2.3
Hình 2.3 Một số ứng dụng của nanocellulose
Nanocellulose có thể thay thế một số sản phẩm dựa trên hóa dầu và chi phí có thể rẻ hơn so với các vật liệu nano hiệu suất cao khác
• Giấy, bìa và bao bì: Một trong những ứng dụng cho nanocellulose trong ngành công nghiệp giấy và bìa là tăng cường độ bền của sợi quang và có tác dụng tăng cường cho vật liệu giấy [22]
• Vật liệu tổng hợp: Nanocellulose có nhiều đặc tính có lợi và độc đáo và thường được sử dụng làm chất độn hoặc gia cố trong vật liệu sinh học
• Công nghiệp thực phẩm: Nanocellulose có thể tạo thành nhũ tương và phân tán và thích hợp để sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm dưới dạng chất làm đặc hoặc chất ổn định [ 23]
• Các sản phẩm y tế và vệ sinh: Nanocellulose có đặc tính hấp thụ tốt và có thể được sử dụng trong, ví dụ như khăn giấy, sản phẩm không dệt hoặc tã lót
• Các ứng dụng khác: Phim, sơn, mỹ phẩm, ô tô, v.v
2.2.5 Phản ứng thủy phân thu CNC
Bản chất của quá trình thủy phân là sự cắt mạch cellulose, việc lựa chọn tác chất cũng như các điều kiện thủy phân ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc của vi sợi Hiện nay có nhiều phương pháp thủy phân cellulose bằng enzyme, acid,…
Quá trình thủy phân cellulose rất phức tạp, các điều kiện ảnh hưởng lẫn nhau, qua các nghiên cứu được thực hiện, người ta thấy khi tăng nhiệt độ, nồng độ, thời gian thì quá trình thủy phân diễn ra mạnh mẽ, kích thước vi sợi giảm đến mức tối thiểu Tuy nhiên nếu không kiểm soát được các điều kiện, dễ làm cellulose bị thủy phân hoàn toàn thành các hợp chất thấp phân tử, dẫn đến năng suất vi sợi thấp
Về mặt hóa học, thủy phân cellulose là quá trình phá vỡ liên kết β – 1,4 glycosidic hoặc các oxy nằm trong các đơn vị cấu trúc của cellulose bởi quá trình proton hóa bởi
H + từ acid, theo sau đó là sự cắt mạch các liên kết này trong môi trường nước
Bên cạnh giải phóng các phân tử glucose thì quá trình thủy phân còn giải phóng các oligomers dưới dạng là sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân và thường oligomers này ở dạng liên kết của 2 – 3 phân tử glucose
Trong quá trình thủy phân còn diễn ra sulfate hóa bề mặt vi sợi cellulose các nhóm
OH, chính điều này tạo ra các bề mặt có điện tích cùng giữa các vi sợi, giúp chúng phân tán vào trong dung dịch, tránh được quá trình keo tụ [24]
Thủy phân bằng acid được xem là phương pháp truyền thống trong quá trình thủy phân và lên men lignocellulose Năm 1819, Bracconet khám phá ra quá trình xử lí gỗ với acid sulfuric đậm đặc cho ra glucose Các năm sau đó, các nước đã triển khai việc nghiên cứu và tối ưu quá trình thủy phân Trong đó hai nước Đức và Mỹ được xem là dẫn đầu trong lĩnh vực này
• Cơ chế quá trình thủy phân bằng acid
Cơ chế thủy phân cellulose bằng acid được thể hiện ở Hình 2.4
Hình 2.4 a) Cơ chế quá trình thủy phân cellulose bằng acid b) Phản ứng sulfate hóa trên bề mặt cellulose [25]
Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau:
Bước 1: acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của cellulose
Chất xúc tác chính là các ion hydrogen có kích thước 4 Å Trong khi đó kích thước các lỗ trong vi sợi cho phép các phần tử có kích thước 51 Å đi vào Do đó các ion hydrogen dễ dàng len lỏi vào mạng lưới vi sợi của cấu trúc cellulose
Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân Acid thủy phân cellulose theo cơ chế như sau:
Có 2 khuynh hướng tấn công của ion hydrogen vào mạch cellulose:
Cellulose vi khuẩn (bacterial cellulose)
Cellulose vi khuẩn là chuỗi polymer do các glucopyranose nối với nhau bằng liên kết β – 1, 4 – glucan Những chuỗi glucan được vi khuẩn tổng hợp nối lại với nhau bằng những sợi thứ cấp, có bề rộng 1,5 nm Những thứ cấp sợi này là sợi mảnh hơn nhiều khi so sánh với sợi cellulose sơ cấp ở thực vật Các sợi thứ cấp này lại kết thành những vi sợi, từ vi sợi thành bó sợi Từ bó sợi tạo thành dải có chiều dày 3 – 4 nm và chiều dài
130 – 177 nm [26] Các dải có chiều dày 1 – 9 μm tạo thành cấu trúc mắt lưới dày đặc là màng được ổn định bởi các liên kết hydro [27] Cellulose vi khuẩn (BC) chủ yếu là màng bảo vệ tế bào được thu từ quần thể vi khuẩn lên men các hỗn hợp dinh dưỡng BC có hàm lượng cellulose rất cao, thường chỉ lẫn một số tạp chất như protein, đường và các dư chất của quá trình trao đổi chất
Hình 2.5 Hình chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) màng BC cho thấy cấu trúc thuần túy các sợi cellulose vi khuẩn [28]
Hình 2.5 cho thấy mạng cấu trúc dày đặc các sợi của BC thông qua hình chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM), từ đó cho thấy khả năng giữ lại các hạt nano Bạc
Các tính chất đáng lưu ý của cellulose vi khuẩn:
- BC là cellulose rất trong suốt, cấu trúc mạng tinh thể mịn, thành phần tỉ lệ Iα cao
- Kích thước ổn định, sức căng và độ bền sinh học cao, đặc biệt là cellulose I
- Khả năng giữ nước và hấp thụ nước cực tốt, tính xốp chọn lọc
- Có độ tinh sạch cao so với các loại cellulose khác, không chứa lignin và hemicellulose
- Có thể bị phân hủy hoàn toàn bởi một số vi sinh vật, là nguồn tài nguyên có thể phục hồi
- Khả năng kết sợi, tạo tinh thể tốt
- Tính bền cơ tốt, khả năng chịu nhiệt tốt: tinh thể BC có độ bền cao, ứng suất dài lớn, trọng lượng nhẹ, tính bền rất cao [29]
2.3.3 Ưu điểm của cellulose vi khuẩn so với cellulose thực vật
Cấu trúc cellulose vi khuẩn rất giống với cấu trúc cellulose thực vật, tuy nhiên chúng khác biệt ở số lượng đơn phân D – glucose trong một chuỗi dẫn đến khác biệt về mức độ polymer hóa (degree of polymerization) Phân tích cấu trúc bằng tia X cho thấy phân tử cellulose vi khuẩn có dạng vi sợi, các vi sợi này kết hợp với nhau tạo thành các bó sợi, các bó sợi kết hợp tạo các thớ sợi có đường kính từ 1,5 – 2 nm với chiều dài microfibril tầm 50 – 100 àm Cỏc sợi macrofibril cellulose cú kớch thước nhỏ hơn nhiều nếu so với kích thước của các sợi cellulose thực vật Độ kết tinh là một trong những tính chất quan trọng của cellulose [30]
Khả năng ngậm nước của cellulose vi khuẩn cao từ 96 – 98,2 % Khi nuôi cấy ở môi trường tĩnh sẽ tạo màng, nuôi cấy lắc sẽ tạo thành các hạt với kích thước tùy thuộc tốc độ khuấy Các sợi cellulose có thể ở dạng I và I, đây là loại cellulose có trong thành tế bào thực vật và tảo Màng thu được bằng phương pháp nuôi cấy tĩnh có chứa nhiều I hơn là nuôi cấy lắc Cellulose I tạo cấu trúc bền hơn I Cellulose vi khuẩn có chứa đến gần 60 % là I trong khi ở thực vật chỉ tầm 30 % Ở thực vật cellulose I chiếm phần lớn [31]
Cellulose vi khuẩn có khả năng hút nước mạnh, trơ về mặt hóa học, độ bền vật lý cao (khi độ ẩm không quá 30 %), hình dạng linh hoạt Độ trong suốt của cellulose vi khuẩn được xác định chủ yếu dựa vào lượng cellulose Iα có trong cấu trúc, làm cho màng cellulose vi khuẩn đục hơn so với cellulose thực vật Màng thu được trên môi trường nuôi cấy tĩnh có mạng lưới các sợi đan xen nhau, các bó sợi microfibril này có chiều dài khoảng 500 nm và độ dày 10 nm Các bó sợi này được cấu tạo từ các vi sợi có đường kính cắt ngang 16 x 58 Å, dày 3 – 4 nm với đường kính 24 – 86 nm Kích thước đường kính fibrils trong khoảng từ 72 – 175 nm và 70 – 130 nm Do cellulose vi khuẩn được cấu tạo từ các sợi cellulose có kích thước nano, do vậy tính chất của sản phẩm thu được phụ thuộc vào cấu trúc của sợi nano, cũng chính vì lý do này mà polymer cellulose còn được gọi là nanocellulose Theo tính chất, cellulose vi khuẩn khác biệt so với cellulose thực vật được thể hiện trong Bảng 2
Bảng 2 Tính chất cellulose vi khuẩn khác biệt cellulose thực vật
Tính chất Cellulose thực vật Cellulose vi khuẩn
Bề ngang của sợi 1,4 – 4,0 x 10 -2 mm 70 – 80 nm Độ kết tinh 56 – 65 % 65 – 79 %
Young’s module Cotton 5,5 – 13 Pa Đay 27 GPa Lanh 28 Gpa
Lá 15 – 30 GPa Sợi 120 GPa Tinh thể 138 GPa
Cellulose vi khuẩn có những tính chất vô cùng độc đáo như nó có độ tinh khiết rất cao, độ tinh thể hóa cao, mật độ đạt 300 – 900 kg/m 3 , độ bền kéo đứt lớn, khả năng hấp thụ, khả năng giữ nước cao, đồng thời có độ co giãn, đàn hồi và độ dẻo tốt Ngoài ra, cellulose vi khuẩn hoàn toàn không độc hại, là một polymer phân hủy sinh học, trơ đối với các quá trình trao đổi chất của con người [32] Thêm vào đó, tốc độ sinh trưởng sinh khối khi vi khuẩn lên men dưỡng chất để tạo BC là vượt trội nhiều lần so với tốc độ sinh trưởng của cellulose thực vật Vì vậy, trong đề tài này, BC được dùng làm nguyên liệu nanocomposite sinh học để cố định các nano bạc
2.3.4 Ứng dụng của bacterial cellulose
BC đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thương mại của ngành công nghiệp thực phẩm, sản phẩm chăm sóc cá nhân, hóa chất giữ nhà, y sinh, dệt may, vật liệu composite,…
• Ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm: BC đã được FDA coi là phụ gia thực phẩm được công nhận là an toàn Nó có những ứng dụng tiềm năng trong món tráng miệng truyền thống, chế độ ăn kiêng ít cholesterol, thịt chay, phụ gia thực phẩm ,đồ uống và bao bì thực phẩm,
• Ứng dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân và hóa chất gia dụng: BC là một sản phẩm tự nhiên có tính tương thích sinh học cao được ứng dụng làm mặt nạ, sử dụng trong thẩm mỹ và điều trị các bệnh da nhẹ Ngoài ra còn có ứng dụng giặt nước, chất tẩy rửa và các lĩnh vực chăm sóc cá nhân
• Ứng dụng trong lĩnh vực y sinh: BC có tiềm năng to lớn trong các ứng dụng y sinh học đa dạng bao gồm băng vết thương, da nhân tạo, cấy ghép nha khoa, phân phối thuốc, vật liệu cầm máu, ghép mạch máu, giá đỡ cho kỹ thuật mô, cảm biến sinh học và chẩn đoán
• Ứng dụng trong dệt may: BC cũng đã được khai thác thương mại như một nguồn nguyên liệu thô cho vải và rayon không có thực vật
• Ứng dụng trong vật liệu composite: BC có thể được điều chế thành nhiều loại khác nhau bằng cách thêm polymer, hạt nano và các thành phần khác trong quá trình lên men, và sau đó các nguyên liệu thô với các đặc tính hóa lý khác nhau có thể được khai thác thêm cho nhiều ứng dụng [33]
Một số ứng dụng của BC được liệt kê thể hiện thông qua Hình 2.6
Hình 2.6 Một số ứng dụng của BC 2.3.5 Các phương pháp để tạo ra cellulose vi khuẩn
Tổng quan về các vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose được tổng hợp qua Bảng 3 [34]
Bảng 3 Bảng tổng quan về các vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose
Vi sinh vật Cấu trúc cellulose Vai trò sinh học
Acetobacter Lớp màng ngoại bào
Giữ vi khuẩn trong môi trường hiếu khí
Achromobacter Sợi cellulose Kết bông trong nước thải
Aerobacter Sợi cellulose Kết bông trong nước thải
Agrobacterium Sợi ngắn Tham gia vào mô thực vật
Alcaligenes Sợi cellulose Kết bông trong nước thải
Pseudomonas Các sợi không tách biệt Kết bông trong nước thải
Rhizobium Sợi ngắn Tham gia hầu hết vào thực vật
Zoogloea Kết bông trong nước thải
Cellulose vi khuẩn được tổng hợp từ chủng A xylium được biết đến nhiều nhất, đây cũng là vi sinh tổng hợp cellulose hiệu quả nhất và được tập trung nghiên cứu nhiều nhất Cấu trúc của cellulose được tổng hợp bởi các vi sinh vật khác nhau.
Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
2.4.1 Giới thiệu sơ lược về kim loại nặng
Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5 g/cm 3 so với nước Kim loại nặng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,…) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật)
Kim loại nặng có thể chia làm 4 nhóm chính dựa trên tầm quan trọng đối với sức khỏe con người:
− Kim loại cần thiết như Cu, Zn, Co, Cr, Mn và Fe
− Kim loại không cần thiết như Ba, Al, Li và Zr
− Kim loại ít độc hại như Sn, As
− Kim loại có tính độc hại cao như Hg, Cd và Pb
2.4.2 Nguồn gốc và tác hại của nước nhiễm kim loại nặng
Các ảnh hưởng của một số kim loại nặng đến sức khỏe được thể hiện qua Hình 2.7, bao gồm các kim loại nặng thường gặp như: Asen, Crom, Thủy ngân, Chì, Đồng, Cadimi
Kim loại nặng có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong một số ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế và ứng dụng kỹ thuật Cũng có thể gây độc với cơ thể sống khi phơi nhiễm ở hàm lượng rất thấp Dựa vào mức độ đe dọa tức thời đến sức khỏe con người và môi trường; As, Pd, Cd, Cr và Hg là những kim loại nặng được WHO và cộng đồng quan tâm xem xét và nghiên cứu [35] Những kim loại này đều có tác hại nhất định như As có thể gây ung thư; Cd có thể gây ra cao huyết áp, đau thận phá hủy các mô và tế bào máu,… Các kim loại này khi thải vào nước làm cho nước bị nhiễm bẩn và mất đi một số tính chất hóa lý đặc biệt cũng như những tính chất và thành phần thay đổi sẽ làm ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người
Theo tài liệu của Cơ quan Năng lượng và Nguyên tử Quốc tế IAEA thì hiện nay, hàng năm độc tố gây ra bởi các kim loại nặng do hoạt động của con người đã vượt quá tổng số độc tố gây ra bởi chất thải phóng xạ và chất thải hữu cơ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và cơ quan Quốc tế Nghiên cứu về Ung thư (IARC) coi kim loại nặng là tác nhân gây ung thư ở người [36]
Khi nước chứa hàm lượng kim loại nặng vượt mức cho phép sẽ là mối nguy hại cho sức khỏe con người về lâu dài Nếu cơ thể tích lũy hàm lượng lớn kim loại nặng sẽ dẫn đến nhiều biến chứng nặng nề, gây tổn thương não, co rút các bó cơ, kim loại nặng có thể tiếp xúc với màng tế bào, ảnh hưởng đến quá trình phân chia DNA, dẫn đến thai chết, quái thai của các thế hệ sau
Việc sử dụng nước chứa tạp chất kim loại nặng là nguyên nhân của các căn bệnh ung thư: cổ tử cung, vòm họng, dạ dày,.… Khi kim loại nặng bị lẫn vào trong nước sẽ làm mất đi các thành phần tự nhiên của nước, thay vào đó làm nguồn nước tạo ra nhiều độc tố có hại hơn Sử dụng nước chứa kim loại nặng sẽ gây cản trở quá trình trao đổi chất trong có thể, việc hấp thu chất dinh dưỡng và quá trình bài tiết cũng trở nên khó khăn, kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển, làm rối loạn tiêu hóa, rối loạn tim mạch, rối loạn chức năng hệ thống thần kinh,… Kim loại nặng trong nước còn làm kích ứng da, tích tụ về lâu dài sẽ gây viêm da, các bệnh về da [37]
Hình 2.7 Ảnh hưởng của một số kim loại nặng đến sức khỏe [38]
2.4.3 Tình trạng ô nhiễm nguồn nước bởi kim loại nặng
Mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách, pháp luật về bảo vệ môi trường nhưng tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước vẫn còn tồn tại và ngày càng trở nên nghiêm trọng ở Việt Nam Nguồn nước mặt ở một số nơi bị ô nhiễm, nhất là trong các khu đô thị, xung quanh các khu công nghiệp, làng nghề Tại các lưu vực sông, ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước tập trung ở vùng trung lưu và hạ lưu, nhiều nơi ô nhiễm nghiêm trọng, như ở lưu vực sông Nhuệ- Đáy, sông Cầu, hệ thống sông Đồng Nai Trong đó phổ biến là ô nhiễm hữu cơ tại các lưu vực sông như sông Ngũ Huyện Khê (Bắc Ninh), sông Sài Gòn đoạn chảy qua Bình Dương, Thành phố Hồ Chí Minh,… Ô nhiễm chất dinh dưỡng, kim loại nặng trong nước dưới đất tại vùng Đồng bằng Bắc bộ như: khu vực sông Hà Đông, Hoài Đức (Hà Nội), Ý Yên, thành phố Thái Bình,…[36]
Nhất là những năm gần đây, do nền kinh tế nước ta phát triển đi lên công nghiệp hóa- hiện đại hóa đất nước, nhiều đô thị và thành phố được hình thành thì tình hình ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng Nước thải từ các nhà máy và khu dân cư đô thị làm ô nhiễm nguồn nước, nước bị ô nhiễm thì đất cũng bị ô nhiễm nặng nề Tại các vùng ven các đô thị lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh hoặc các vùng tập trung các hoạt động sản xuất công nghiệp, khai khoáng như Thái Nguyên, Đồng Nai ô nhiễm đất do chất thải từ các hoạt động công nghiệp, xây dựng, sinh hoạt thể hiện rõ nhất, hàm lượng kim loại nặng trong đất có xu hướng gia tăng Và theo dự báo của các cơ quan nghiên cứu thì mức độ ô nhiễm môi trường đất vào năm 2022 sẽ tăng lên từ 2-3 lần so với hiện tại và các chỉ số ô nhiễm sẽ tịnh tiến với tốc độ phát triển công nghiệp và đô thị hóa Nếu không có những giải pháp chính sách và quản lý thì chất lượng môi trường đất của Việt Nam sẽ bị suy giảm đến mức báo động và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng [37, 39]
Các kim loại nặng đi vào cơ thể qua con đường hô hấp, tiêu hóa và qua da Khi đó nó sẽ tác dụng sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đến hậu quả nghiêm trọng Về mặt sinh hóa, các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH, –SCH3 của các nhóm enzyme trong cơ thể Vì thế các enzyme mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp của protein của cơ thể
Giá trị cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) về nồng độ các kim loại nặng có trong nước sinh hoạt cụ thể như sau:
Bảng 4 Giá trị giới hạn nồng độ các kim loại nặng trong nước [40]
STT Kim loại Đơn vị Giá trị giới hạn
Trước thực trạng các vấn đề ô nhiễm môi trường và cách khắc phục hậu quả hiện là vấn đề cấp thiết và được giới khoa học tập trung nghiên cứu Trên tinh thần đó, đề tài mong muốn tạo ra một vật liệu hạn chế ô nhiễm môi trường do kim loại năng, với hiệu quả cao và có khả năng phân hủy sinh học bảo vệ môi trường
2.4.4 Ô nhiễm Chì (Pb) a) Giới thiệu chung về Chì
Chì (Pb) là kim loại thuộc phân nhóm chính nhóm IVA, chu kỳ 6, đứng thứ 82 trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev, có khối lượng riêng d = 11,35 g/cm 3 , khối lượng nguyên tử 209,2, là một kim loại nặng độc hại có sẵn trong tự nhiên, là mối nguy hiểm cho môi trường và con người Chì có khả năng hòa tan kém, ở trong nước chì tồn tại chủ yếu ở dạng ion Pb 2+ Trong tự nhiên chì tồn tại dưới dạng quặng PbS, PbCO3, PbSO4 Chì trong nước thải có thể ở dạng tan hoặc muối khó tan như cacbon, sulfua,
Chì là nguyên tố có độc tính cao, tương đối bền, có ái lực mạnh nên có thể thế chỗ cho các kim loại khác trong cấu trúc enzyme Phần lớn các muối vô cơ của kim loại này (PbS, Pb(OH)2,…) đều là chất ít tan nên hàm lượng chì trong nước ngầm là rất ít Tồn tại chủ yếu ở dạng phức cacbonat, trong nước biển chủ yếu ở dạng các phức clorua,… Đặc biệt chì có khả năng tích trữ lâu dài trong cơ thể mà ít bị đào thải [40] b) Nguồn gốc ô nhiễm Chì
Chì chủ yếu có trong nước thải của các cơ sở sản xuất năng lượng, sản xuất pin acquy, luyện kim hay cơ sở tái chế phế liệu từ các linh kiện điện tử,… Chì còn được đưa vào môi trường nước từ nguồn không khí bị ô nhiễm do sử dụng xăng pha chì trong các động cơ của phương tiện giao thông Ngoài ra trong đồ gốm sứ tráng men có chì, thuốc nhuộm có chì, đồ chơi trẻ em có chì, đây cũng là nguồn gốc gây ô nhiễm độc chì Đối với nước tự nhiên hàm lượng chì rất nhỏ chỉ khoảng 0,001 – 0,002 mg/l, nhưng đối với nước thải thì hàm lượng chì có thể lên đến 6 – 7 mg/l [40] c) Tác động của Chì đến sức khỏe con người
Chì xâm nhập vào cơ thể con người thông qua nguồn nước, không khí bị ô nhiễm, thức ăn Khi lượng chì trong cơ thể tích tụ đến một mức độ nào đó sẽ gây độc hại cho sức khỏe con người Chì ảnh hưởng đến hệ sinh sản, dẫn đến vô sinh Chì tác động mạnh vào hệ thần kinh đặc biệt là đối với trẻ sơ sinh và trẻ em Nhiễm độc chì làm hệ thần kinh luôn căng thẳng, làm cản trở chuyển hóa canxi,… Độc tính của chì gây ra chủ yếu do việc ức chế một số enzyme trong quá trình tổng hợp máu ngăn chặn quá trình tạo hồng cầu Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì sẽ làm cơ thể mệt mỏi do quá trình sử dụng oxi để oxi hóa glucozo tạo năng lượng bị ngăn cản Với nồng độ chì lớn hơn 0,8 ppm sẽ gây thiếu máu nghiêm trọng do không tổng hợp được hemoglobin [40]
2.4.5 Các phương pháp loại bỏ kim loại nặng trong nước
Loại bỏ kim loại nặng là một bước quan trọng để đảm bảo nước sinh hoạt ăn uống an toàn Một số phương pháp phổ biến được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng trong nước thường được sử dụng như: kết tủa hóa học, keo tụ - tạo bông, màng lọc, trao đổi ion, điện hóa và hấp phụ [41] Tuy nhiên, để lựa chọn một công nghệ thích hợp có thể đáp ứng được các mục tiêu đặt ra cần phải phân tích và hiểu rõ các phương pháp, kỹ thuật đang được áp dụng hiện nay a) Kết tủa hóa học
Vật liệu nanocomposite
Thuật ngữ “nanocomposite” mô tả một nhóm vật liệu composite ở đó pha tăng cường chỉ có kích thước ở mức nanômét Sự có mặt của pha tăng cường này đã tạo ra những cải tiến lớn về bản chất vật lý và cơ học của vật liệu nanocomposite Vật liệu nanocomposite vừa kết hợp được những tính chất đặc biệt của vật liệu nano, vừa có tính chất riêng của từng cấu từ hợp thành Trong vật liệu composite dựa vào mục tiêu chế tạo mà người ta sử dụng những nguyên liệu khác nhau Sự có mặt của pha tăng cường tạo ra cho sản phẩm những tính chất mà bản thân các thành phần ban đầu không có Vật liệu nanocomposite là một vật liệu có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite là một hướng quan trọng đang được phát triển mạnh Pha tăng cường trong vật liệu thương là các hạt nano, các hạt keo nano, màng nano, sợi,… Chất mang trong vật vật thường là các polymer, sợi cacbon, các muối, zeolite, silica và bentonite,…
2.5.1 Vật liệu nano oxit sắt từ (Fe 3 O 4 ) a) Cấu trúc tinh thể
Oxit sắt từ Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferit có công thức tổng quát MO.Fe2O3 (M là kim loại hóa trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Mg hoặc Cu) Trong loại vật liệu ferit các ion oxi có bán kính khoảng 1,32 Å lớn hơn rất nhiều so với bán kính ion kim loại (0,6÷0,8 Å), vì vậy ở nhiệt độ phòng các tinh thể khối magnetit Fe3O4 (FeO.Fe2O3) có cấu trúc spin đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt với các nguyên tử sắt, chiếm các vị trí nút ngoài
Công thức phân tử: FeO.Fe2O3 = Fe.Fe2O4
Mô hình ion: [Fe 3+ ]A[Fe 3+ Fe 2+ ]B O4 2-
Các ion O 2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng α = 8,398 Å Các ion Fe 3+ , Fe 2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O 2- Các ion kim loại Fe 3+ , Fe 2+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferit Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion Fe 2+ nằm ở vị trí A còn toàn bộ các ion Fe 3+ nằm ở các vị trí B Cấu trúc này đảm bảo hóa trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxi bao quanh các ion Fe 3+ , Fe 2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc spinel thuận Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo [42] Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe 3+ cùng toàn bộ số ion Fe 2+ nằm ở vị trí B, một nửa số ion Fe 3+ còn lại nằm ở các vị trí A Oxit sắt từ Fe3O4 là một ferit có cấu trúc spinel đảo điển hình Chính cấu trúc spinel đảo đa quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất ferit từ b) Tính chất vật lý
Các tinh thể magnetite (Fe3O4) ở kích thước micro trong tự nhiên và tổng hợp thể hiện tính ánh kim và màu đen mờ (Hình 2.8) Mật độ của Fe3O4 là 5,18 g/cm 3 , nhẹ hơn một chút so với hematite màu nâu đổ (α-Fe2O3; 5,26 g/cm 3 ) và nặng hơn so với feroxyhite màu vàng cam (α-FeOOH; 4,26 g/cm 3 ); sắt nguyên chất (α-Fe) có mật độ 7,87 g/cm 3 Ở nhiệt độ môi trường các hạt từ tính thể hiện độ cứng 5,5 giống với thủy tinh [43]
Diện tích bề mặt hiệu dụng của Fe3O4 thay đổi theo phương pháp tổng hợp tuy nhiờn cỏc hạt ở kớch thước micro điển hỡnh với đường kớnh gần 0,2àm cú diện tớch bề mặt khoảng 6 m 2 /g Các hạt Fe3O4 không xốp [43]
Hình 2.8 Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn c) Tính chất nhiệt Điểm nóng chảy/sôi của oxit sắt từ được quan sát thấy tương ứng ở 1590 o C và
2623 o C Nhiệt lượng của nhiệt hạch, phân hủy và hóa hơi tương ứng là 138,16 kJ/mol; 605,0 kJ/mol và 298,0 kJ/mol (ở 2623 o C) d) Tính chất điện
Các vị trí bát diện trong cấu trúc Fe3O4 có chứa các ion Fe 3+ , Fe 2+ các electron phối hợp với các ion sắt này được định vị bằng nhiệt và di chuyển trong cấu trúc Fe3O4 Fe3O4 gây ra sự trao đổi độ dẫn cao từ 28 J.K đến 3 J.K giữa các vị trí tứ diện/bát diện và các vị trí bát diện/bát diện Độ dẫn điện nằm trong khoảng từ 102 – 103 Ω -1 cm -1 [43] e) Tính chất từ
Nhiệt độ Curie của Fe3O4 được quan sát ở 850 K Dưới nhiệt độ Curie, các momen từ trên các vị trí tứ diện bị chiếm giữ bởi các ion Fe 3+ được sắp xếp bằng sắt từ trong khi các momen từ trên vị trí bát diện bị chiếm giữ bởi các ion Fe 3+ , Fe 2+ trạng thái kết hợp như vậy được gọi là sắt từ (ferromagnetic) [43] Do đó, ở nhiệt độ phòng từ tính là sắt từ Hiện nay người ta quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe3O4 có kích thước nano bởi vì về mặt từ tính thì khí ở kích thước nhỏ như vậy vật liệu này thể hiện tính chất hoàn toàn khác so với khi ở dạng khối đó là tính chất siêu thuận từ Vật liệu Fe3O4 kích thước
< 20nm là vật liệu siêu thuận từ
Fe3O4 thuộc loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tính thể Tuy nhiên, nếu kích thước vật liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ f) Vật liệu Fe3O4 dạng hạt kích thước nano mét
Các nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe3O4 ở kích thước nano có cấu trúc tinh thể không đổi thay đổi so với vật liệu khối Kết quả khảo sát đặc trưng bằng nhiễu xạ tia X chứng minh các hạt nano Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo Tuy nhiên, giá trị các thông số mạng có thay đổi so với vật liệu khối, giá trị hằng số mạng α thường nhỏ hơn so với hằng số mạng mẫu khối Điều này được giải thích bởi tỷ phần các nguyên tử và ion bề mặt so với toàn bộ thể tích là tương đối lớn và sự oxi hóa của các ion Fe 2+ trên bề mặt hạt thành ion Fe 3+ dẫn đến thay đổi tỷ lệ sắp xếp ion trong hai phân mạng tứ diện và bát diện [44] Hình 2.9 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano Fe3O4 kích thước 15 nm
Hình 2.9 Ảnh nhiễu xạ tia X của các hạt nano Fe3O4 [45]
Tính chất liên quan đến hiệu ứng bề mặt: khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét thì số nguyên tử trên bề mặt là lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ Hiệu ứng bề mặt làm giảm momen từ bão hòa và là nguyên nhân chính đóng góp vào giá trị dị hướng tổng cộng trong các hạt nano Fe3O4
Sự suy giảm của độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệm trong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ (lớp chết từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặt hạt [46] Theo tác giả Gangopadhyay và cộng sự [47], sự suy giảm momen từ bảo hòa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với mẫu khối Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong khi đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự so các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ góp phần đáng kể vào toàn bộ thể tích hạt làm momen từ giảm Đối với vật liệu từ cỡ nano mét thì hiệu ứng bề mặt là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng do sự đóng góp đáng kể của dị hướng từ bề mặt
Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước: các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano từ là giới hạn đơn momen và giới hạn siêu thuận từ Thông thường trạng thái từ của vật liệu được quyết định bởi sự cạnh tranh của các dạng năng lượng như: năng lượng dị hướng, năng lượng tĩnh từ, năng lượng Zeman, năng lượng trao đổi Các dạng năng lượng này cạnh tranh với nhau theo xu hướng làm cực tiểu năng lượng toàn hệ, do vậy cấu hình của vật liệu giảm tới một giá trị tới hạn nào đó, sự hình thành vách đơn đômen sẽ trở nên không thuận lợi về mặt năng lượng và vật liệu sẽ có cấu trúc đơn đômen Trong hạt đơn đômen các spin được xếp theo cùng một hướng
2.5.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano sắt từ a) Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ, dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,… Trong những nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt từ Fe3O4 được nghiên cứu cùng với chất hoạt hóa bề mặt (acid oleic) và dung môi (dầu, hexan) Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt keo tụ với nhau Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất
Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn việc thay đổi hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo Nhược điểm là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano b) Phương pháp hóa học
Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu tan rã Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi các mầm trở thành hạt nano Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành mầm mới Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: phương pháp đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt,…
Nhu cầu kháng khuẩn và vật liệu kháng khuẩn
Quản lý bệnh truyền nhiễm đã trở thành một thách thức ngày càng tăng trong những năm gần đây Theo Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh và Tổ chức Y tế Thế giới, sự lây lan và nhiễm vi khuẩn là mối quan tâm hàng đầu Các vi sinh vật gây bệnh là mối quan tâm chính trong bệnh viện và các địa điểm chăm sóc sức khỏe khác, vì chúng ảnh hưởng đến hoạt động tối ưu của các thiết bị y tế, thiết bị phẫu thuật, xi măng sinh học, Chống nhiễm trùng do vi khuẩn đã trở thành một mối quan tâm sức khỏe nghiêm trọng và là vấn đề thách thức lớn do tình trạng kháng kháng sinh hoặc kháng đa thuốc và đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học và y học Kháng kháng sinh là hiện tượng vi sinh vật có được hoặc bẩm sinh có khả năng kháng lại các tác nhân kháng vi sinh vật Các vật liệu mới đưa ra một chiến lược kháng khuẩn đầy hứa hẹn vì chúng có thể tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật trên bề mặt của chúng hoặc trong môi trường xung quanh với hiệu quả vượt trội, độc tính thấp và giảm thiểu các vấn đề về môi trường
Vật liệu có thể cung cấp hoạt tính kháng khuẩn đang được khám phá để sử dụng trong y sinh nhằm giảm nhiễm trùng bệnh viện Các chất khử trùng như hydrogen peroxide, hypochlorite, có thời gian tác dụng ngắn và gây độc hại cho môi trường Vật liệu kháng khuẩn có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt vi khuẩn trên bề mặt hoặc trong môi trường xung quanh, nhưng về mặt lâm sàng chúng có những thiếu sót đáng kể như hoạt tính kháng khuẩn kém, các vấn đề kháng vi khuẩn và khó hoạt động trong môi trường năng động Vì vậy, cần có các vật liệu kháng khuẩn và ngăn ngừa màng sinh học hiệu quả và lâu dài để đáp ứng nhu cầu trong y sinh học Màng sinh học là một cơ chế bảo vệ vi khuẩn giúp bảo vệ vi khuẩn khỏi bị rửa trôi và làm cho vi khuẩn ít nhạy cảm hơn hoặc kém hiệu quả hơn đối với độc tố
Một vật liệu kháng khuẩn lý tưởng phải có các đặc điểm sau: có tính ổn định cao trong thời gian dài; tổng hợp dễ dàng và rẻ tiền; không được phân hủy hoặc thải ra các sản phẩm độc hại; nên không tan trong nước để khử trùng nước; nên có phổ hoạt động kháng khuẩn rộng; nên không độc hại và không gây kích ứng [50].
Bạc NanoParticles (AgNPs)
2.7.1 Giới thiệu về nano Bạc
Hạt nano bạc (AgNPs) là một trong những hạt kim loại được sử dụng phổ biến nhất, có khả năng kháng khuẩn mạnh và kháng nấm AgNPs đã được sử dụng rộng rãi như một chất chống vi khuẩn trong mỹ phẩm, dệt may và ngành công nghiệp thực phẩm, cũng như chất khử trùng cho thiết bị y tế và để phủ ứng dụng tại nhà [51]
Nano bạc có khả năng kháng khuẩn hiệu quả với phổ kháng khuẩn rất rộng, khoảng
650 chủng vi sinh vật gây bệnh ở người, kể cả các chủng vi khuẩn kháng kháng sinh Do đó, nano bạc được xem như là kháng sinh thế hệ mới [52]
Có rất nhiều nghiên cứu chứng minh đặc tính kháng khuẩn của nano bạc, bạc có thể diệt được Staphylococcus aureus, E coli [53] và nhiều chủng vi khuẩn khác Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nano bạc có tính kháng khuẩn mạnh hơn ion bạc [54] Hơn nữa, những hạt bạc nano có đường kính 5 – 20 nm có khả năng ức chế sự sao chép của virus HIV-1 [55]
Mặt khác, nano bạc với vai trò chất sát trùng thì bạc không bị các chủng vi sinh gây bệnh thích nghi như nhiều hóa chất sát trùng khác Điều này đã thúc đẩy hướng nghiên cứu sử dụng nano bạc trong nhiều lĩnh vực
2.7.3 Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc
Mặc dù các cơ chế đằng sau hoạt động của nano bạc trên vi khuẩn vẫn chưa hoàn toàn được làm sáng tỏ, ba cơ chế phổ biến nhất của tính độc hại được đề xuất cho đến nay là:
(1) hạt nano bạc và bạc tạo ion của ROS
(2) hạt nano bạc gây hại trực tiếp cho màng tế bào
(3) hấp thụ bạc tự do tiếp theo là sự gián đoạn sản xuất ATP và sao chép DNA
Sự đa dạng các tương tác được quan sát và giả thuyết giữa vật liệu nano bạc và tế bào vi khuẩn được minh họa về mặt khái niệm trong Hình 2.10
Hình 2.10 Sơ đồ tóm tắt tương tác bạc tỷ lệ nano với tế bào vi khuẩn
Nano bạc có thể (1) giải phóng bạc ion và tạo ra ROS; (2) tương tác với các protein màng ảnh hưởng đến chức năng chính xác của chúng; (3) tích lũy trong ô màng ảnh hưởng đến tính thấm của màng; và (4) nhập vào tế bào nơi nó có thể tạo ra ROS, giải phóng các ion bạc và ảnh hưởng đến DNA ROS được tạo ra cũng có thể ảnh hưởng đến DNA, tế bào màng, và các protein màng, và sự giải phóng ion bạc sẽ có khả năng ảnh hưởng đến DNA và protein màng Hình ảnh tương tự đã được xuất bản trong [56]
Cơ chế hạt bạc xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn làm rối loạn quá trình trao đổi chất thì chưa được rõ ràng hoàn toàn nhưng quá trình nghiên cứu cho thấy rằng E Coli khi được xử lý với nano bạc thì hình thái của màng sinh chất thay đổi làm tăng tính thấm qua màng tế bào vi sinh vật, phá vỡ chuỗi vận chuyển điện tử làm ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển các chất qua màng sinh chất Tế bào mất đi khả năng điều khiển quá trình vận chuyển các chất qua màng sinh chất Vì thế, tế bào sẽ bị tiêu diệt [57]
Trong đề tài này, tính kháng khuẩn sẽ được thực hiện trên vi khuẩn E Coli
2.7.4 Ứng dụng của nano bạc
Bạc có hai đặc điểm nổi bật là tính dẫn điện tốt và tính kháng khuẩn cao Theo đó, nano bạc cũng có hai ứng dụng quan trọng làm vật liệu dẫn điện và làm chất khử trùng
Về vật liệu dẫn điện, nano bạc thường được sử dụng làm keo dẫn điện, vải dẫn điện, chống tĩnh điện, lớp bảo vệ điện từ,… Về tính khử trùng, nano bạc thường được ứng dụng làm chất tiệt trùng, kháng khuẩn, khử mùi hôi,…
Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất nhiều sản phẩm tiêu dùng có chứa nano bạc như:
- Cung cấp các thiết bị cho trẻ em: những đồ dùng cho trẻ em được làm từ nhựa có chứa thêm thành phần nano bạc có tác dụng khử trùng Qua kiểm tra xác định cho thấy chúng có khả năng tiêu diệt được trên 99,9% vi khuẩn [58]
- Sản xuất kem đánh răng và các chất tẩy rửa: các loại kem đánh răng có chứa nano bạc có tác dụng làm trắng răng, làm chắc và làm sạch cả những lỗ hổng của răng, ngăn chặn sâu răng và mùi hôi Đặc biệt, chúng có khả năng loại bỏ các bựa răng và loại trừ các bệnh về răng miệng Ngoài ra, các sản phẩm có chứa nano bạc như bột giặt, nước xả làm mềm vải, xà phòng tắm, sữa tắm,… [58]
- Trang phục: các nhà khoa học của trung tâm nghiên cứu NanoHorizons (Hoa Kỳ) đã nghiên cứu đưa nano bạc vào trong bít tất để khử mùi hôi và khử trùng, quần áo để chống bẩn, khẩu trang,… [58, 59]
- Sản xuất thuốc chữa bệnh: hiện nay một số hãng dược phẩm trên thế giới đã đưa ra các loại thuốc dạng viên hoặc dạng thuốc nước chứa nano bạc Bên cạnh đó, hướng sử dụng bạc nano cố định vào các màng cellulose đang được quan tâm đặc biệt Các sản phẩm bạc nano tồn tại dưới dạng gel cũng đang được nghiên cứu và hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong y học [60, 61]
Các ứng dụng của nano Bạc được thể hiện thông qua Hình 2.11
Hình 2.11 Một số ứng dụng của nano bạc
2.7.5 Các phương pháp tạo nano bạc a Phương pháp từ trên xuống (top – down)
Nguyên lý của phương pháp này là dùng kĩ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là phương pháp đơn giản rẻ tiền, nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng quá đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiên lắc, nhìn đứng hoặc nghỉ quay (còn gọi là kiểu nghỉ hành tinh) Các viên bi cứ va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kĩ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cỡ lớn (có thể lớn hơn 10 lần) mà không làm phá hủy vật liệu Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tin lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại gọi là biến dạng nguội
Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khác để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp
Vật liệu màng cellulose nanocomposite sinh học có tính năng diệt khuẩn (BC-AgNPs)
Mặc dù có một số tranh luận về độc tính của các ion bạc được giải phóng chống lại vi sinh vật, hầu hết các các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nó an toàn với mức tối đa cho phép liều lượng [66] BC có đặc điểm cụ thể là độ xốp và nước cao thẩm thấu thuận lợi hơn [67], chứa một lượng đáng kể số lượng các nhóm hydroxyl bề mặt, các ion Ag + có thể dễ dàng được gắn vào các sợi nano BC bằng liên kết hóa học, có thể đóng vai trò là hạt giống cho quá trình khử Ag [64] Chính vì lý do này, đề tài này đã ứng dụng vào việc sản xuất vật liệu BC-AgNPs mang tính kháng khuẩn.
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ QUY TRÌNH THỰC HIỆN
Phương pháp phân tích
3.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tía X (X-Ray Diffraction)
Kỹ thuật phân tích đặc tính cấu trúc tinh thể của vật liệu thông qua nhiễu xạ tia X (XRD) Mẫu được phân tích trên thiết bị B8 Bruker Advance (Đức), dùng tia đơn sắc Cu-Kα (λ = 1,5406 A o ), hiệu thế 40kV, cường độ dòng 40 mA, tốc độ quét 0,1 o /phút và góc quét 2θ thay đổi từ 5 – 80 o , đo tại PTN Biomass Chỉ số tinh thể IC là một đại lượng đánh giá độ tinh thể của vật liệu Qua đó, tính được sự thay đổi độ tinh thể giữa NC thu được Theo phương pháp chiều cao peak, chỉ số tinh thể IC được tính theo công thức sau [68]:
Trong đó: I0,0,2 là cường độ của peak đại diện cho vùng tinh thể của cellulose, có vị trí 2θ = 22 – 24 o và I non-cr là cường độ peak đại diện cho vùng vô định hình, ở vị trí 2θ 18 o
Hình 3.1 Phổ XRD của cellulose [68]
Hình 3.2 Thiết bị phân tích XRD
3.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Quang phổ hồng ngoại được đo bằng Fourier Transform Infrared (FTIR) Phương pháp này dùng để định danh các nhóm chức trong sản phẩm, sử dụng bức xạ hồng ngoại chiếu vào bề mặt mẫu Một phần bức xạ có năng lượng bằng với năng lượng dao động liên kết của phân tử hay nguyên tử trong phân tử sẽ bị hấp thu Các mẫu được sấy khô ở
105 o C trong 4-5 h, trộn với KBr và ép chân không để tạo thành bột viên Phổ FTIR của các mẫu được ghi nhận ở chế độ truyền trong khoảng 4000-400 cm -1 Kết quả được đo trên máy BRUKER TENSOR 27, Đức tại Viện Công nghệ hóa học TP Hồ Chí Minh
3.1.3 Phương pháp hiển vi điện từ quét (SEM)
Hình thái bề mặt của sợi cellulose được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM) Hình ảnh cho thấy hình thái bề mặt của cellulose và các tinh thể nano được chụp tại nhiều độ phóng đại khác nhau Hình ảnh được đo bằng thiết bị JSM-IT200 tại trường Đại học Tài nguyên và môi trường
3.1.4 Phương pháp hiển vi điện từ truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một kỹ thuật kính hiển vi trong đó một chùm electron được truyền qua mẫu vật để tạo thành hình ảnh Mẫu thử thường là phần siêu mỏng có độ dày dưới 100 nm hoặc huyền phù trên lưới Một hình ảnh được hình thành từ sự tương tác của các electron với mẫu khi chùm tia được truyền qua mẫu vật Sau đó, hình ảnh được phóng to và tập trung vào một thiết bị hình ảnh, chẳng hạn như màn hình huỳnh quang, một lớp phim chụp ảnh hoặc một cảm biến như một máy tán xạ gắn vào thiết bị kết nối sạc
Hình ảnh được chụp trên máy JEM1010-JEOL TEM của Phòng xét nghiệm siêu kết cấu Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Hà Nội Mẫu được phân tán trong nước với nồng độ 0,5 mg/mL H2O
3.1.5 Quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES)
Phương pháp quang phổ phát xa ̣nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES) cho phép phân tích những nồng độ từ ppb tới %, không phải pha loãng và cũng không thay đổi các điều kiện phân tích
Công nghệ ICP-OES là một kỹ thuật phân tích nguyên tố lấy dữ liệu nhờ phân tích phổ phát xạ của các nguyên tố được kích thích trong hệ thống tạo plasma nhiệt độ cao Mẫu (chất lỏng) được đưa vào plasma và hệ thống quang học (máy quang phổ) được sử dụng để tách các bước sóng ánh sáng đặc trưng của nguyên tố, tập trung ánh sáng phân giải vào máy dò một cách hiệu quả nhất có thể Máy quang phổ bao gồm hai phần thiết bị trước quang và bộ tách đơn sắc hoặc đa sắc Khi ánh sáng thoát ra khỏi bộ tách đơn sắc hoặc đa sắc, được tập trung vào máy dò và các tín hiệu dẫn xuất được xử lý để định lượng thành phần nguyên tố
Nồng độ Chì sau hấp phụ được đo trên Máy đo phổ phát xạ Optima 4300DV, tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích và Thí nghiệm (CASE) ở Thành phố Hồ Chí Minh
3.1.6 Phương pháp khuếch tán trong thạch
Hoạt tính kháng khuẩn của BC-AgNPs được đánh giá với chủng vi khuẩn gây bệnh gram âm E coli và bằng phương pháp khuếch tán trong thạch theo tiêu chuẩn của viện CLSI [9] Theo đó, hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định được đánh giá bằng cách xác định vùng ức chế vi sinh vật (ZOI) theo công thức (1)
Trong đó: D: đường kính vùng ức chế, (mm), d: đường kính giếng thạch (mm)
Phương pháp được thực hiện trên vi khuẩn E Coli tại phòng công nghệ vi sinh, khoa Dược, trường Đại học Y Dược TP.HCM
3.1.7 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
− Máy ly tâm tốc độ cao, Hermle – Germany, model Z 32 HK
− Bể đánh siêu âm Elma, Đức
− Máy đo độ pH Schott Lab 850 SI Nabertherm, Đức
− Hệ thống lọc chân không
− Bếp khuấy từ, cá từ
− Một số dụng cụ thí nghiệm cần thiết khác: Cốc thủy tinh, Ống đong, Nhiệt kế, vải lọc,….
Quy trình thí nghiệm với vật liệu nanocomposite Fe 3 O 4 /CNC
Nanocellulose: Cellulose Nanocrystal được mua từ công ty Nanografi có đường kính hạt D: 10-20 nm, L: 300-900 nm
NH4OH 25%, Ethanol 99,9 %, ferric chloride (FeCl3.6H2O) 99 %, ferrous chloride (FeCl2.4H2O) 97 % và chì nitrate Pb(NO3)2 có xuất xứ từ Trung Quốc
Trong tất cả các thí nghiệm đều sử dụng nước cất b Quy trình thí nghiệm
Hình 3.3 Chuẩn bị vật liệu nanocomposite từ tính
- t = 1 h Quy trình tổng hợp vật liệu nano Fe3O4/CNC được thực hiện như sau:
CNC/Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp in-situ với các tỷ lệ mol CNC/Fe3O4 khác nhau Đầu tiên, cellulose nanocrystal (CNC) được phân tán hoàn toàn trong nước cất trong 30 phút ở nhiệt độ 30 ℃ trong bể siêu âm Tiếp đến, FeCl3.6H2O được thêm vào huyền phù trên và khuấy đều trên bếp từ trong một giờ, tiếp theo là thêm 0,45 g FeCl2.4H2O vào hỗn hợp phản ứng, sau đó được khuấy thêm một giờ nữa dưới dòng khí argon ở nhiệt độ phòng để thu được một dung dịch màu vàng sáng Sau đó, dung dịch
Bột nano Fe3O4/CNC amoni hydroxit được thêm từ từ vào dung dịch đến khi pH = 10 Phản ứng được duy trì trong một giờ Sau khi phản ứng hoàn toàn, các hạt oxit sắt từ được hình thành và màu của hỗn hợp chuyển sang màu đen Các tinh thể nanocellulose từ tính (MCNC) được rửa nhiều lần bằng nước và etanol bằng máy ly tâm ở tốc độ 15.000 vòng/phút trong 15 phút đến pH = 7, cuối cùng được làm khô trong tủ sấy chân không ở 85 ℃ trong một giờ Các bước được thực hiện tương tự với mẫu bột nano Fe3O4 làm đối chứng
3.2.1 Khảo sát nồng độ của CNC đối với Fe 3 O 4 /CNC và ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Nồng độ của CNC trong mỗi mẫu được giữ không đổi ở 0,7% w/v nanocellulose tinh thể trong nước cất Với thể tích nước cất khác nhau trong mỗi mẫu lần lượt là 10 mL, 25 mL và 50 mL, 75 mL phân tán nano cellulose được sử dụng để tạo ra các mẫu từ
1 đến 4, trong khi tỷ lệ mol của [Fe 3+ ]/[Fe 2+ ] được giữ không đổi bằng 2 ở tất cả các thí nghiệm và được thực hiện ở nhiệt độ phòng [69]
Sau đó sẽ phân tích 4 mẫu thông qua XRD và FTIR
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Pb 2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Nồng độ dung dịch khảo sát trong khoảng từ 50 ppm đến 250 ppm dung dịch ion
Pb 2+ Quá trình hấp phụ được thực hiện như sau: cân 0,05 g Fe3O4/CNC cho vào dung dịch ion Pb 2+ đã được điều chỉnh đến pH = 5,5 – 6 [70] Quá trình hấp phụ diễn ra trong một giờ Nam châm được sử dụng để tách Fe3O4/CNC ra khỏi dung dịch sau đó Nồng độ Pb 2+ trong dung dịch nước được đo bằng kỹ thuật quang phổ phát xạ nguyên tử plasma ghép cảm ứng (ICP-OES) sau khi xử lý Mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được sử dụng để mô tả sự hấp phụ pha nước, đã được sử dụng để đánh giá dữ liệu cân bằng hấp phụ thực nghiệm đối với ion Pb 2+ trên Fe3O4/CNC [71].
Quy trình thí nghiệm với vật liệu nanocomposite BC-AgNPs
Nguyên liệu chính được sử dụng trong đề tài này là Cellulose vi khuẩn (Bacterial Cellulose – BC) phế phẩm được lấy từ Cơ sở sản xuất Thạch dừa Trường Quang BC được lên men từ nước dừa nhờ vi khuẩn A xylium, được bảo quản trong tủ mát và được xử lý bằng dung dịch NaOH BC trước và sau xử lý được thể hiện ở Hình 3.4
Hình 3.4 BC (a) trước và (b) sau xử lý b Hóa chất:
Silver Nitrat (AgNO3) có xuất xứ từ Đức
Amoni hydroxide (NH4OH) 25% khối lượng, Glucose (C6H12O6) 98 %, Ethanol (C2H5OH) 99,9 %, Sodium Hydroxide (NaOH) 98% có xuất xứ từ Trung Quốc
Trong tất cả các thí nghiệm đã sử dụng nước cất
BC sau khi được lên men sẽ được rửa sạch với nước cất Sau đó, đun sôi trong dung dịch NaOH 0,5M để loại bỏ các phần không cần thiết
Sau đó rửa lại và ngâm với nước khoảng 12 giờ
Vật liệu được tổng hợp BC-AgNPs theo phương pháp in-situ, quy trình được thực hiện như sau:
Thuyết minh quy trình: Đầu tiên, BC được xử lý thô bằng việc xay nhỏ
Pha dung dịch AgNO3/NH3 bằng cách: Cân AgNO3 sau đó nhỏ từ từ dung dịch
NH3 đến khi các kết tủa trong bình tan ra hết thì dừng lại Tiếp tục định mức dung dịch trong bình định mức 100 ml tạo thành dung dịch AgNO3/NH3
Cân BC đã được sấy khô cho vào trong 100 ml dung dịch AgNO3/NH3 trong erlen và siêu âm ở nhiệt độ thường trong 20 phút
Sau đó, 50 ml dung dịch glucose được thêm vào hỗn hợp để thực hiện phản ứng, được khuấy ở 60°C trong 2 giờ để tạo các hạt kết tủa bạc bám dính vào mạng tinh thể của BC Phản ứng được thực hiện trong tủ hút khí độc
Sau phản ứng, làm lạnh hỗn hợp dung dịch đến nhiệt độ phòng sau đó, được lọc bằng vải lọc và giấy lọc với hệ thống lọc chân không (Lấy phần chất rắn, bỏ phần dung dịch)
Mẫu vật liệu sau khi lọc được định hình và sấy khô ở 50 o C
Tỉ lệ khối lượng giữa AgNO3 và BC được khảo sát trong Bảng 5
Bảng 5 Khảo sát tỉ lệ khối lượng giữa AgNO3 và BC
2.2.4 Phân tích hoạt động kháng khuẩn
Chọn một khuẩn lạc của chủng vi khuẩn Gram âm nuôi cấy trong canh môi trường
LB, nuôi cấy trên máy lắc với tốc độ lắc 120 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng, trong 24 giờ Tiến hành pha loãng và đo OD dịch vi khuẩn ở bước sóng 625nm sao cho giá trị OD đạt 0,08-0,1 tương đương 108 CFU/ml Pha loãng dịch vi khuẩn có số tế bào đạt 105 CFU/ml, tiến hành cấy trải lên đĩa thạch
Vi khuẩn có mật độ 105 CFU/ml được cấy trải trên đĩa thạch Sau đó, đặt composite chế tạo với dung dịch nano bạc ở các nồng độ khác nhau lên bề mặt thạch với mẫu đối chứng là BC không gắn nano bạc Sau thời gian ủ 24 giờ, tiến hành đo bán kính vòng kháng khuẩn của composite
2.2.5 Kiểm tra sự bong tróc bạc trong Ag/BC
• Kiểm tra khả năng giữ bạc của màng BC bằng phương pháp cơ học: Sử dụng
0,3g BC-AgNPs hòa tan vào 150 mL nước cất Sau đó khảo sát ở 2 tốc độ khuấy lần lượt là 100 rpm và 1500 rpm với cùng điều kiện thí nghiệm như nhau Tính số Reynolds xác định chế độ dòng chảy và phân tích bằng giản đồ XRD.
Số Reynolds thường được ký hiệu là Re và được tính theo công thức:
• 𝜌 là mật độ vật chất của môi trường đang xét (đơn vị kg /m 3 )
• u là vận tốc đặc trưng của dòng chảy (m/s)
• l là quy mô tuyến tính (độ dài) đặc trưng của dòng chảy (m)
• 𝜇 là độ nhớt động lực học của môi trường
• 𝑣 là độ nhớt động học của môi trường
• Kiểm tra sự bong tróc bạc bằng phương pháp đo ICP (OES): Sử dụng 0,3g BC- AgNPs hòa tan vào 150 mL nước cất để đánh giá sự bong tróc của Bạc trong môi trường nước Khảo sát đo nồng độ Ag trong dung dịch tại các thời điểm trong khoảng thời gian từ 6 giờ đến 72 giờ bằng phương pháp quang phổ phát xa ̣nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-OES).
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả phân tích vật liệu nanocomposite Fe 3 O 4 /CNC
4.1.1 Kết quả phân tích đặc tính cấu trúc vật liệu Fe 3 O 4 /CNC a) Giản đồ XRD
Hình 4.1 Giản đồ XRD của tinh thể nanocellulose
Kết quả phân tích mẫu nhiễu xạ XRD cho các mẫu CNC được thể hiện trong Hình 4.1 Nguyên liệu thô CNC có các đỉnh nhiễu xạ 2θ = 34,3°, 22,8°, 17,1°, and 14,3° với độ tinh thể CrI= 92,8% Các mũi này được gán cho các mặt phẳng tinh thể của (040), (002), (101̅), and (101) tương ứng
Hình 4.2 Giản đồ XRD của hạt nano Fe3O4
Kết quả phân tích mẫu nhiễu xạ XRD cho các mẫu nano Fe3O4 được thể hiện trong Hình 4.2 Quy trình tạo hạt nano Fe3O4 được thực hiện tương tự như quy trình thí nghiệm tạo CNC/Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa và thu được kết quả năm đỉnh nhiễu xạ đặc trưng riêng biệt của Fe3O4 với 2θ = 30,8°, 36,2°, 44,1°, 53,9°, 57,5° và 62,5° Từ đó làm cơ sở đánh giá vật liệu hấp phụ CNC/Fe3O4
Hình 4.3 Giản đồ XRD của CNC/Fe3O4 với các tỉ lệ mol khác nhau
Kết quả phân tích mẫu nhiễu xạ XRD cho các mẫu CNC/Fe3O4 với các tỉ lệ mol khác nhau được thể hiện trong Hình 4.3 Các phổ XRD của tinh thể nanocellulose gắn với oxit sắt có sáu đỉnh khác biệt 2θ = 30,15 °, 36,27 °, 43,32 °, 53,89 °, 57,13 ° và 62,29 °, được gán cho các mặt phẳng tinh thể học (220), (311), (400), (422), (511), và (440) tương ứng với cấu trúc oxit sắt tinh thể [72] Đỉnh ở khoảng 2θ = 22,6 ° được gán cho mặt phẳng tinh thể (002), tương quan với tính đa hình cellulose I điển hình và có thể được nhìn thấy trong tất cả các mẫu, mặc dù với các cường độ khác nhau Tuy nhiên, tín hiệu Fe3O4 cao có thể đã làm giảm cường độ của đỉnh này Điều này chứng tỏ Fe3O4 đã được tổng hợp thành công trên bề mặt CNC và cấu trúc tinh thể của cellulose vẫn được bảo toàn, như đã được chứng minh bằng kết quả FTIR
(002) b) Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FTIR)
Hình 4.4 Phổ FTIR của Fe3O4/CNC FTIR được sử dụng để mô tả cấu trúc của vật liệu được sản xuất cụ thể là CNC/Fe3O4 với các tỉ lệ mol 1:1 hiển thị trong Hình 4.4 FTIR của bột MCNC với phổ ở 3492,30 cm -1 , đặc trưng cho dao động kéo dài của các nhóm hydroxyl (-OH) trong cellulose nội phân tử Các dao động kéo giãn C-H được biểu thị bằng các dải truyền tại
2952,11 cm -1 và 2833,47 cm -1 Dải ở 1390,74 cm -1 được giả thiết là một dao động CH2 đối xứng giảm Các dải truyền qua có thể nhìn thấy trong mẫu CNC Các nhóm hydroxyl trên bề mặt của CNC cung cấp khả năng tải cao cho các ion kim loại Tất cả các đỉnh truyền CNC bổ sung được giữ lại trong các mẫu MCNC, chứng tỏ rằng thành phần CNC được bảo toàn sau khi các hạt nano Fe3O4 được tổng hợp c) Ảnh SEM
Hình 4.5 Ảnh SEM của CNC/Fe3O4 với các tỉ lệ lần lượt là a) 0,5:1 b) 1:1 c) 1,5:1 d) 2:1 Hình 4.5 cho thấy ảnh SEM của vật liệu CNC/Fe3O4 từ các mẫu 1 - 4 với các tỷ lệ
CNC/Fe3O4 khác nhau, chứng minh rằng Fe3O4 có dạng hình cầu với kích thước khoảng
5 - 15 nm và tinh thể nanocellulose có chiều dài 250 - 300 nm và đường kính 20 - 30 nm
Vật liệu có sự phân bố nhất quán giữa CNC và Fe3O4 theo hình trên với tỷ lệ 1: 1 Sự kết hợp của Fe3O4 và CNC có thể được giải thích dựa trên liên kết tĩnh điện của các hạt
Fe3O4 với các nhóm chức hydroxyl (–OH) và epoxy (–O–) của CNC Nhờ các liên kết này, nó đã giúp cố định hoặc xen kẽ các hạt Fe3O4 với các hạt nanocellulose [74] d) Ảnh TEM a) b) d) c)
Hình 4.6 Ảnh TEM của CNC/ Fe3O4
Hình 4.6 trình bày ảnh TEM của vật liệu Fe3O4/CNC với tỉ lệ mol 1:1, qua đó cho thấy Fe3O4 có dạng hình cầu với kích thước khoảng 10 nm Ảnh TEM cũng cho thấy các mảng hạt sọc là hạt nanocellulose crystal, các hạt sắt từ phân tán rải rác xen kẽ các hạt CNC Tuy nhiên, các hạt sắt từ kết tụ khá nhiều che lấp hình dáng của CNC nên độ dàn trải thấp, có nhiều chỗ có mật độ dày đặc hơn Nhưng trên tổng thể vẫn thấy rõ vật liệu nền (CNC) và vật liệu độn (Fe3O4) Sự phân bố kích thước hạt nano ít đồng đều Nguyên nhân chính nằm ở quá trình hình thành mầm và phát triển mầm thành hạt nano Khi nồng độ của các phân tử Fe3O4 đạt tới trạng thái bão hòa tới hạn, quá trình hình thành mầm xảy ra, sau đó mầm phát triển thành các hạt nano thông qua sự khuếch tán của các phân tử Fe3O4 lên bề mặt của mầm Nguyên nhân chính dẫn đến hạt nano được hình thành có kích thước ít đồng đều được cho là tốc độ phản ứng xảy ra nhanh và do đó số mầm mới được hình thành song song với quá trình phát triển mầm Các mầm được hình thành ở giai đoạn đầu sẽ phát triển thành các hạt nano có kích thước lớn hơn so với kích thước của các hạt nano được hình thành từ những mầm được tạo ở giai đoạn sau [75]
4.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol chất hấp phụ CNC/Fe 3 O 4 đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Với cùng nồng độ Pb 2+ trong nước là 200 ppm, các mẫu có tỷ lệ mol CNC/Fe3O4 khác nhau cho kết quả hấp phụ như trong Bảng 6
Bảng 6 Bảng kết quả về ảnh hưởng của tỷ lệ mol CNC/Fe3O4 đến sự hấp phụ
Tỷ lệ mol của CNC/Fe3O4 0,5:1 1:1 1,5:1 2:1
Sau khi hấp phụ với cùng nồng độ Pb 2+ trong mỗi mẫu, nồng độ Pb 2+ trong mẫu theo tỉ lệ mol 1: 1 là nhỏ nhất tương ứng với vật liệu CNC/Fe3O4 bị hấp phụ nhiều nhất Kết quả có thể được giải thích cùng với kết quả của hình ảnh XRD và SEM Do tỷ lệ 1:
1 này nên các hạt Fe3O4 và CNC có cấu trúc phân bố đồng đều nhất nên khả năng hấp phụ của Pb 2+ cao hơn các tỷ lệ còn lại ghi trong Bảng 6 Với tỷ lệ xác định như trên, so với sự thay đổi nồng độ của Pb 2+ trong nước, sự hấp phụ sẽ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt
4.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ Pb 2+ ban đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Khảo sát quá trình hấp phụ Pb 2+ trong nước ở nồng độ 200 ppm bằng CNC/Fe3O4 tỉ lệ mol 1:1 trong thời gian từ 10 đến 120 phút xác định trạng thái cân bằng của quá trình hấp phụ và thời gian cố định của các thí nghiệm hấp phụ tiếp theo Quá trình hấp phụ từ 10 phút đến 60 phút, cả dung lượng hấp phụ qt và H% đều tăng dần vì ban đầu các vị trí hấp phụ trên CCN-Fe3O4 chưa bị chiếm hoàn toàn, tuy nhiên sau đó gần như giữ nguyên đến 120 phút Từ đó cho thấy sự hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 1 giờ (Hình 4.7)
Hình 4.7 Khả năng hấp phụ chì theo thời gian
Với kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng sau 1 giờ, tiếp tục tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của ion Pb 2+ Kết quả được thể hiện qua Bảng 7
Bảng 7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của ion Pb 2+ đến sự hấp phụ
Hình 4.8 Khả năng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ Pb 2+
Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất của quá trình hấp phụ vào nồng độ chất bị hấp phụ ban đầu được thể hiện trên Hình 4.8 Qua khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu thì khi tăng nồng độ Pb 2+ trong dung dịch thì dung lượng hấp phụ của vật liệu tăng, đồng thời hiệu suất hấp phụ lại giảm dần Điều này được giải thích là do khi nồng độ Pb 2+ ban đầu còn thấp, các tâm hoạt động trên bề mặt vật liệu hấp phụ vẫn chưa được hấp phụ bởi các ion Pb 2+ Vì thế khi nồng độ Pb 2+ tăng thì hiệu suất hấp phụ phải tăng lên, nhưng đến một thời điểm nhất định, các tâm hoạt động đó đã được che phủ hết bởi Pb 2+ thì khả năng hấp phụ của vật liệu sẽ bắt đầu giảm mạnh, bề mặt vật liệu hấp phụ trở nên bão hòa Khi nồng độ 50 mg/L thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu đồng kết tủa đạt đến 60% Chứng tỏ nồng độ có sự ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hấp phụ
Hình 4.9 Phương trình hấp phụ mô hình đẳng nhiệt theo Langmuir (a), Freundlich (b)
Các thông số đẳng nhiệt của hai mô hình đối với sự hấp phụ Pb 2+ bởi MCNC có thể được đánh giá thông qua độ dốc và giao của biểu đồ tuyến tính Ce/qe so với Ce đối với mô hình Langmuir (Hình 4.9) và log Ce so với log qe so với đối với mô hình Pb 2+ từ mô hình Langmuir là 241,6 mg/g, lớn hơn giá trị thực nghiệm (112 mg/g) So với hệ số tương quan của mô hình Langmuir (R 2 = 0,33813), giá trị R 2 của mô hình Freundlich (R 2
Kết quả phân tích vật liệu nanocomposite BC-AgNPs
4.2.1 Cấu trúc, hình thái và đặc tính của vật liệu a) Phổ FTIR
Hình 4.11 Phổ FTIR của BC và BC-AgNPs
Phổ FTIR của vật liệu BC và BC-AgNPs với tỉ lệ 1:1 được thể hiện ở Hình 4.11 Kết quả cho thấy sự xuất hiện các nhóm chức chính đặc trưng của BC-AgNPs tương tự như của BC Ở BC, trong dải bước sóng 3500 - 3543 cm -1 có O – H sự kéo dài của các nhóm hydroxyl và nhóm C – O – C ở bước sóng 1060,23 cm -1 cho thấy sự hiện diện của liên kết glycosid và C – O – C trong vòng cellulose [65]
Có một dải ở bước sóng 2891 cm -1 với dao động của nhóm C – H và CH2 Ở bước sóng 2891,58 cm -1 là nhóm C – H kéo dài và 1430,08 cm -1 nhóm C – H uốn liên kết Sự hấp thụ của nhóm C = O ở bước sóng 1668,31 cm -1 [65]
Trong kết quả này, nhóm O – H xảy ra sự hấp thụ ở bước sóng 3543,88 cm -1 trong đó có diện tích lớn nhất Tuy nhiên, trong BC-AgNPs diện tích của nhóm O – H đã thay đổi, điều này có thể là do sự hiện diện của các ion bạc liên kết với ma trận BC để nhóm
O sẽ liên kết với ion Ag + b) Giản đồ XRD
Hình 4.12 Giản đồ XRD của BC và BC-AgNPs
Giản đồ XRD của BC và BC-AgNPs với các tỉ lệ khác nhau được trình bày ở Hình 4.12 Đối với mẫu đối chứng XRD của BC cho thấy sự xuất hiện của các cực đại nhiễu xạ mạnh tại 2θ của 14,69° 𝑣à 22,83 ° có thể được quy cho các chỉ số Miller của mặt phẳng nhiễu xạ của (101), (002)
XRD của BC-AgNPs 1:1 cho thấy sự xuất hiện của các cực đại nhiễu xạ mạnh tại 2θ của 38,1°, 44,3°, 64,4° 𝑣à 78,1 ° có thể được quy cho các chỉ số Miller của mặt phẳng nhiễu xạ của (111), (200), (220) và (311) Những đỉnh này gợi ý cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt trong các hạt nano bạc [81] Kết quả chỉ ra rằng Ag hình thành trong ma trận BC
XRD của BC-AgNPs 1:2 cho thấy sự xuất hiện của các cực đại nhiễu xạ mạnh tại 2θ của 38,1°, 44,3° 𝑣à 64,4° có thể được quy cho các chỉ số Miller của mặt phẳng nhiễu xạ của (111), (200) và (220) Kết quả này chỉ xuất hiện 3 nhiễu xạ cực đại có thể là do hàm lượng tinh thể nano bạc trong vật liệu quá thấp
XRD của BC-AgNPs 1:5 chỉ thấy sự xuất hiện của các cực đại nhiễu xạ gần giống với mẫu đối chứng BC, mà không xuất hiện các cực đại nhiễu xạ của Ag Kết quả này có thể do hàm lượng tinh thể nano bạc trong vật liệu quá thấp nên có thể bị các đường nhiễu vô định hình che mất c) Ảnh SEM
1 Ảnh SEM của mẫu BC và BC-AgNPs tỉ lệ 1:1 được thể hiện ở Hình 4.13 Ảnh chụp cho thấy các sợi BC được phân bố và kết nối với nhau để tạo thành một cấu trúc xốp 3D Đặc tính đặc biệt này đã giúp các ion bạc dễ khuếch tán vào cấu trúc xốp và phân phối đồng đều xuyên qua vật liệu cũng như dọc theo sợi cellulose ở các bề mặt Các hạt nano bạc tập hợp bên trong mạng tinh thể bacterial cellulose Kích thước của hạt nano bạc tạo thành có dạng hình cầu có kích thước khoảng 20 - 50 nm và tương đối đồng nhất, không bị kết tụ lại thành đám, có thể nhìn thấy rõ ở Hình 4.13 c – d
Hình 4.13 Ảnh SEM của vật liệu BC (a), (b) và BC-AgNPs 1:1 (c), (d) ở các độ phân giải khác nhau
4.2.2 Kết quả xác định khả năng kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán trong thạch
Hình 4.14 Khả năng kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán trong thạch của các mẫu (a) BC, (b) BC-AgNPs 1:1, (c) BC-AgNPs 1:2, (d) BC-AgNPs 1:5
Khả năng kháng khuẩn được định tính bằng phương pháp khuếch tán trong thạch, kết quả thu được trình bày trong Bảng 9
Bảng 9 Khả năng kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán trong thạch
(đường kính vòng kháng khuẩn, mm)
Mẫu thử Đường kính vòng kháng khuẩn, mm
BC-AgNPs 1:1 19,8 BC-AgNPs 1:2 19,2 BC-AgNPs 1:5 18,9
Ghi chú: “ – ” là không có hoạt tính kháng khuẩn, đường kính vòng kháng khuẩn bao gồm cả đường kính mẫu là 10 mm
Khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite BC-AgNPs với các tỉ lệ được thể hiện trong Hình 4.14 BC tinh khiết được sử dụng làm đối chứng Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano tổng hợp bacterial cellulose- bạc đã được đo đối với E coli E coli là vi khuẩn thông thường được tìm thấy trên vết thương bị ô nhiễm Thông qua Hình
4.14 đã phát hiện ra rằng các vật liệu nanocomposite BC-AgNPs thể hiện một vùng ức chế Vùng ức chế của vật liệu nano nanocomposite BC-AgNPs với các tỉ lệ 1:1, 1:2, 1:5 có nồng độ thấp đối với E coli lần lượt là 9,8 mm và 9,2 mm và 8,9 mm, những kết quả này đã chứng minh rõ ràng rằng vật liệu nanocomposite BC-AgNPs có hoạt tính kháng khuẩn tốt đối với E coli (Gram âm) Từ các hình ảnh, không quan sát thấy vùng ức chế đối với BC làm đối chứng (Hình 4.14.a), chứng minh BC không có bất kỳ đặc tính kháng khuẩn nào Những kết quả này chỉ ra rõ ràng rằng hoạt tính kháng khuẩn chỉ là do các hạt nano bạc được ngâm tẩm bên trong BC chứ không phải do BC
So sánh khả năng kháng khuẩn của vật liệu BC-AgNPs với vật liệu nano Bạc tổng hợp từ dịch chiết lá Huyết dụ [82] được thể hiện qua Bảng 10 Kết quả cho thấy khả năng kháng khuẩn của Ag trong vật liệu BC-AgNPs vẫn được giữ nguyên khi kết hợp với BC
Bảng 10 So sánh khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano composite BC-AgNPs với nano Bạc Vật liệu Độ rộng vùng ức chế, ZOI (mm)
4.2.3 Kết quả kháng khuẩn của các mẫu thử nghiệm bằng phương pháp xác định khả năng tăng trưởng của vi khuẩn trong môi trường lỏng
Kết quả thu được trình bày trong Bảng 11
Bảng 11 Khả năng tăng trưởng của vi khuẩn trong môi trường lỏng
Mẫu thử Hệ số pha loãng OD 600
Chứng vi khuẩn + môi trường 2 2,100/ 2,032
Ghi chú: “ – ” không ghi nhận sự phát triển của vi khuẩn
Hình 4.15 Khả năng tăng trưởng của vi khuẩn trong môi trường lỏng
2 (a) Mẫu chứng, (b) BC, (c) BC-AgNPs 1:1, (d) BC-AgNPs 1:2, (e) BC-AgNPs 1:5
Trong kết quả này, tương tự như dạng thạch, BC nguyên chất không cho thấy bất kỳ hoạt động kháng khuẩn nào, ở đó vi khuẩn phát triển liên tục và không có vùng ức chế nào được hình thành
Trong khi đó, vật liệu được tổng hợp BC-AgNPs ngay cả với lượng Ag thấp, cũng cho thấy khả năng kháng khuẩn tốt Mặc dù, cơ chế đằng sau hoạt động của nano bạc trên vi khuẩn vẫn chưa hoàn toàn được làm sáng tỏ hoàn toàn và còn nhiều cuộc tranh luận trong vấn đề này [83] Tuy nhiên, nhìn vào kết quả có thể xác định lại rằng hiệu quả kháng khuẩn của bạc rất tốt cho dù ở nồng độ thấp Ở kết quả thí nghiệm này, vật liệu BC-AgNPs với tỉ lệ 1:1 cho kết quả kháng khuẩn tốt nhất
4.2.4 Kiểm tra sự giải phóng bạc của màng BC-AgNPs a) Kiểm tra khả năng giữ bạc của màng BC bằng phương pháp cơ học
Chuẩn số Reynolds đặc trưng cho quá trình khuấy:
Với 2 tốc độ khuấy khác nhau, kết quả XRD được thể hiện như Hình 4.16
Hình 4.16 Giản đồ XRD của 2 mẫu BC-AgNPs
Kết quả cho thấy, ở cả 2 mẫu BC-AgNPs 1:1 vẫn xuất hiện được tín hiệu rõ rệt của tinh thể nano bạc Điều này có thể xác định rằng, cấu trúc màng của BC gắn nano bạc vào là một cấu trúc khá bền chắc b) Kiểm tra bằng phương pháp ICP – OES
Hàm lượng bạc giải phóng bạc bằng việc ngâm trong nước cất và đo nồng độ bằng phương pháp ICP – OES (của vật liệu BC-AgNPs 1:1) được thể hiện trong Hình 4.17
Hình 4.17 Sự bong tróc bạc trong khoảng thời gian ngâm trong môi trường nước