Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Tổng hợp, khảo sát đặc tính và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite kẽm oxit

2.2.2 Phân tích đặc tính, hình thái và cấu trúc của các vật liệu tổng hợp được 2.2.3 Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của các vật liệu tổng hợp được 2.3 Kết quả và bàn luận 2.4 Kết luận v

TỔNG QUAN

Graphite

Graphite (Gi) là một dạng thù hình của cacbon Gi là chất dẫn điện tốt, mỗi nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon khác hình thành nên mạng phẳng với các ô lục giác, mỗi nguyên tử cacbon trong mạng còn dư một electron và các electron còn lại này có thể chuyển động tự do bên trên và bên dưới mặt mạng góp phần vào tính dẫn điện của Gi [1] Các mạng cacbon này liên kết với nhau bằng lực Van der Waals hình thành nên cấu trúc tinh thể ba chiều như hình 1.1 Tuy nhiên, các electron tự do chỉ có thể chuyển động dọc theo các bề mặt cho nên khả năng dẫn điện của Gi có tính định hướng Trong một vòng sáu cạnh thì khoảng cách giữa nguyên tử cacbon thứ nhất với nguyên tử cacbon thứ ba là 0,245 nm, khoảng cách giữa lớp thứ nhất đến lớp thứ ba là 0,67 nm Độ dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm và khoảng cách giữa các lớp là 0,35 nm [2,3]

Hình 1.1: Cấu trúc của Gi [1]

Graphite oxit

Graphite oxit (GiO) là sản phẩm của quá trình oxy hóa Gi bởi các tác nhân oxy hóa mạnh như H 2 SO 4 , KMnO 4, Nghiên cứu đầu tiên được thực hiện cách đây hơn 150 năm, cho thấy có thể sản xuất vật liệu này trên cơ sở Gi với giá thành tương đối thấp Quá trình oxy hóa làm thay đổi đặc điểm cấu trúc của Gi đáng kể Sản phẩm GiO thu được sau quá trình oxy hóa có rất nhiều các khiếm khuyết về cấu trúc, cụ thể như hệ liên kết π ban đầu bị phá vỡ [3,4]

GiO được tổng hợp từ ba phương pháp chính: Brodie (1859), Staudenmaier (1898), Hummers (1958)

Do quá trình oxy hóa các lớp của Gi sẽ gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH), epoxy (-O-), carbonyl (-C=O), carboxyl (-COOH), trên bề mặt và cạnh của Gi ban đầu Trên bề mặt của tấm Gi có các nhóm (-OH), (-O-) Ở cạnh bên của tấm Gi có gắn các nhóm (-OH), (-O-), (-C=O) và (-COOH) [5]

Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của GiO [4]

1.2.2 Phương pháp tổng hợp GiO

GiO được tổng hợp lần đầu tiên bởi nhà hóa học Benjamin Brodie bằng cách xử lý Gi với một hỗn hợp của KClO 3 và HNO 3 ở 80ºC trong 4 ngày Sản phẩm này có nhược

3 điểm là tốn nhiều hóa chất để rửa sản phẩm và có khí ClO 2 thoát ra khi phản ứng gây ô nhiễm môi trường Sau đó, L Staudenmaier cải tiến phương pháp của Brodie bằng cách thay khoảng hai hoặc ba phần HNO 3 bằng H 2 SO 4 thêm KClO 3 trộn với hỗn hợp

H 2 SO 4 đậm đặc và HNO 3 làm tăng quá trình oxy hóa GiO nhưng cũng có nhược điểm tương tự phương pháp của Brodie như môi trường thí nghiệm độc hại, có khí ClO 2 thoát ra gây ô nhiễm [6]

Vì vậy, để có sự cải thiện những nhược điểm trên và tăng quá trình oxy hóa, gần 60 năm sau phương pháp của L Staudenmaier, Hummers và các nhà hóa học của viện nghiên cứu công nghiệp đã tạo ra GiO có mức độ oxy hóa cao hơn các sản phẩm tổng hợp bằng phương pháp khác

Phương pháp Hummers dùng tác nhân oxy hóa là KMnO4 và NaNO 3 trong H 2 SO 4 để tạo GiO Phương pháp này có ưu điểm là nhiệt độ thấp, phản ứng chỉ mất khoảng vài giờ, KClO 3 được thay thế bằng KMnO 4 không có khí độc ClO 2 , thao tác an toàn tạo được GiO như ở bảng 1.1 Tuy nhiên, có nhược điểm là phức tạp qua nhiều giai đoạn, có khí NO x thoát ra gây ô nhiễm môi trường [7]

Bảng 1.1 Bảng so sánh thành phần của GO [8]

Phương pháp Hummers được cải tiến bằng cách tăng lượng KMnO 4 Ngày nay phương pháp này đang được dùng phổ biến nhất cho việc tổng hợp GO Mức độ và hiệu suất quá trình oxy hóa tăng hơn so với ban đầu [8]

Graphene oxit

Graphene oxit (GO) là sản phẩm có cấu trúc đơn lớp được tạo bằng cách oxy hóa Gi tạo thành GiO và kết hợp siêu âm GiO tạo thành GO Vì thế, GiO và GO có cấu tạo hóa học giống nhau, chỉ khác nhau về mặt cấu trúc Mặt dù GO đã được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ, các cấu trúc hóa học chính xác của GO vẫn còn chưa rõ ràng

Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu khác nhau và có ít nhất sáu cấu trúc được thể hiện ở hình 1.3 [9]

Hình 1.3: Cấu trúc đề xuất của GO [8]

Nhưng trong đó mô hình của Lerf-Klinowski phổ biến hơn cả Theo đó, Gi sau khi bị oxy hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các nhóm hydroxyl, epoxy và trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các nhóm chức carbonyl hoặc carboxylic [9]

GO có chứa các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl, nhóm epoxy và cacbonyl nằm trên mạng lưới cacbon gần như phẳng [10] Trong khi cacbon nối với nhóm -OH hơi

5 lệch so với cấu trúc tứ diện dẫn đến cấu trúc lớp hơi cong [11] Hơn nữa, những nhóm chức này của GO cũng có thể liên kết với các ion kim loại nặng có mặt trong dung dịch Liên kết này thông qua phức bề mặt, hoặc tương tác tĩnh điện giữa bề mặt âm GO và các cation kim loại, chất màu, Do đó, nó cũng có thể sử dụng để tách các ion từ dung dịch Độ dày của đơn lớp tấm GO gần 1 nm [12]

Hình 1.4: Cấu trúc hóa học của GO [13]

Sự phân tán của GO trong dung môi có thể được thực hiện bằng cách khuấy thông thường hoặc dưới sự trợ giúp của thiết bị siêu âm để đạt được nồng độ phân tán cao hơn GO phân tán trong nước với hàm lượng từ 1 - 4 mg/mL Các nhóm chức mang điện tích âm trên bề mặt giúp cho GO phân tán tốt trong nước và có thể tan trong một số dung môi hữu cơ [14] GO là chất không dẫn điện, nhưng khi qua xử lý bằng nhiệt, ánh sáng, khử hóa học thì có hầu hết các tính chất của graphene Dựa vào tỉ số bề dày và chiều dài là rất nhỏ, GO có diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt cao và độ linh động nguyên tử cao GO có liên kết ngang bền vững nên tính chất đẳng hướng của Gi sẽ không còn như lúc ban đầu [15]

6 Hình 1.5: Quy trình tổng hợp GO từ Gi [16]

Trong công nghệ lọc màng: Những tấm GO có thể được kết hợp vào mạng polyme như chất liệu độn nano để tạo thành các màng composite dùng nâng cao nồng độ dung dịch [17]

Trong lĩnh vực y học: GO có ứng dụng trong cảm ứng sinh học, phát hiện bệnh sớm và hỗ trợ trong việc thực hiện phương pháp chữa trị ung thư GO đã được sử dụng thành công trong cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng phát quang để phát hiện DNA và protein, là một tiềm năng của việc phát hiện bệnh HIV tốt hơn Hơn nữa, GO được thử nghiệm như là một loại thuốc chống ung thư GO có khả năng vượt trội hơn so với các loại thuốc chống ung thư khác vì GO không tấn công vào các tế bào khỏe mạnh mà chỉ tấn công vào khối u và có độc tính thấp GO được ứng dụng dẫn truyền thuốc, dẫn truyền gen, chụp ảnh sinh học, cơ bắp nhân tạo, khả năng kháng khuẩn …[18]

Trong công nghệ vật liệu: GO có thể dễ dàng tạo hỗn hợp với nhiều polyme, thành nanocomposite và các tính chất được cải thiện hơn so với polyme ban đầu: mô đun đàn hồi, độ bền kéo và độ ổn định nhiệt Ở dạng rắn các lớp GO có xu hướng dính

7 lại với nhau, tạo thành tấm phim mỏng và có cấu trúc ổn định Các tấm phim đó có thể gấp và kéo dài Phim GO có ứng dụng trong lưu trữ phân tử [18]

Trong lĩnh vực môi trường: GO được dùng như chất xúc tác quang hóa, chất hấp phụ, màng lọc nhằm loại các chất màu hữu cơ, ion kim loại nặng, các hợp chất vòng, vi khuẩn gây bệnh ra khỏi nước thải Việc ứng dụng GO trong màng siêu lọc hiện cũng đang được đẩy mạnh nghiên cứu Tính siêu mỏng, bền, hiệu suất lọc cao của màng đem lại hiệu quả trong xử lý nước thải với chi phí thấp và dễ chế tạo GO có thể kết hợp với các oxit kim loại như TiO 2 , Fe 3 O 4 , ZnO để tạo vật liệu nanocomposite trên cơ sở GO và có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực: xử lý ô nhiễm môi trường, kháng khuẩn,

1.3.3 Tính kháng khuẩn của GO

GO cũng đã được phát hiện có khả năng kháng khuẩn Quan sát thấy rằng kích thước và hình thái của các tấm GO đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả kháng khuẩn Với tấm GO có kích thước lớn thì hoạt tính kháng khuẩn cao hơn do độ bao phủ bề mặt tế bào lớn hơn so với các tấm nhỏ Bao phủ hoàn toàn màng của tế bào vi khuẩn bằng tấm GO lớn hơn 0,4 mm 2 chặn tất cả các tăng sinh tế bào Mặt khác, tấm GO có kích thước nhỏ hơn 0,2 mm 2 dính vào màng tế bào nhưng không có khả năng chiếm và cô lập toàn bộ bề mặt tế bào, do đó hiệu quả giảm đáng kể [19]

Hình 1.6: Cơ chế kháng khuẩn của GO trên vi khuẩn E.coli [19]

Cơ chế kháng khuẩn của GO được minh họa ở hình 1.6 Nhờ những đặc điểm cấu trúc đặc biệt của GO, các tấm GO như những tấm mỏng sắt bén sẽ cắt xuyên và gây tổn thương màng tế bào của vi khuẩn GO được quan tâm vì có hoạt chất kháng khuẩn

8 mạnh và ít độc hại hơn các nano cacbon Và nó cũng có tính tương thích sinh học cao [20]

Sự tích tụ của các tấm GO có thể cản trở hoạt tính kháng khuẩn của GO Các tấm GO phân tán tốt có thể thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn bởi diện tích bề mặt tiếp xúc cao

Như vậy, sự thay đổi bề mặt GO khi có các phân tử và các nhóm chức có thể ngăn chặn sự gấp lại của tấm GO và giúp duy trì việc phân tán tấm GO ổn định điều này là rất quan trọng Ngoài ra, sự hiện diện của nhóm hoạt động nhất định như -COOH và - OH, làm tăng độ nhám bề mặt Qua đó, tăng cường các hoạt động kháng khuẩn bằng cách gây tổn thương màng ngoài của tế bào thông qua mài mòn và cọ xát [19]

Kẽm oxit

Kẽm oxit (ZnO) là hợp chất vô cơ, thường xuất hiện dạng bột màu trắng, gần như không hòa tan trong nước ZnO là vật liệu bán dẫn Chất bán dẫn này có vài đặc tính tốt như: độ truyền qua tốt, electron linh động cao, độ rộng vùng cấm lớn, phát quang tại nhiệt độ phòng mạnh,…[21] ZnO có nhiều tính chất như:

Tính chất vật lý : Tinh thể ZnO tồn tại ở 2 dạng chủ yếu là lục giác, lập phương như hình 1.7 Các cấu trúc wurtzite là ổn định nhất và vì vậy nên phổ biến nhất ở điều kiện môi trường xung quanh Dạng cấu trúc zincblende có thể hình thành bằng cách phát triển ZnO trên đế với cấu trúc mạng lập phương [23]

9 Hình 1.7: Cấu trúc lục giác (a), cấu trúc lập phương (b) của ZnO [22]

Tính chất cơ học: ZnO là vật liệu tương đối mềm, với độ cứng gần 4,5 (tính trong thang độ cứng Moha) Nhiệt dung và tính dẫn nhiệt cao, độ giãn nở nhiệt thấp và nhiệt nóng chảy của ZnO cao là những thuận lợi cho kỹ thuật làm gốm [24]

Tính chất điện: ZnO có độ rộng vùng cấm trực tiếp tương đối lớn khoảng 3,3 eV tại nhiệt độ phòng Độ rộng vùng cấm lớn có đặc tính tốt như: điện áp đánh thủng cao hơn, khả năng duy trì điện trường lớn, nhiễu điện thấp hơn, nhiệt độ cao, hoạt động có công suất lớn [24]

Tính chất quang xúc tác: Trong tinh thể ZnO có chia làm vùng dẫn và vùng hóa trị, khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là Eg Khi chiếu ánh sáng tới UV mang năng lượng bằng hoặc lớn hơn E g , năng lượng này sẽ kích thích các e - nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Vậy vùng dẫn toàn e - mang điện tích âm (e - ) và vùng hóa trị là lỗ trống mang điện tích dương (h + )

Lúc này, tại vùng dẫn các e - sẽ khử O2 hấp thụ thành các gốc O 2- , và ở vùng hóa trị, lỗ trống h + tương tác với các phân tử H 2 O tạo ra các gốc hydroxit OH - hoặc sự kết hợp tạo ra H 2 O 2

Các gốc này có đặc tính oxy hóa rất mạnh, mạnh hơn nhiều lần so với clo và ozone Nhờ khả năng oxy hóa mạnh này, nó có thể phân hủy hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu thành các chất vô hại như CO 2 và H 2 O [25]

1.4.2 Phương pháp tổng hợp 1.4.2.1 Phương pháp đồng kết tủa (in-situ)

Theo phương pháp đồng kết tủa dung dịch các muối được chọn đúng với tỉ lệ như trong sản phẩm, rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalat, ) sản phẩm rắn kết tủa thu được sẽ được tiến hành nhiệt phân để thu được sản phẩm mong muốn Ưu điểm: các chất tham gia phản ứng đã được phân tán ở mức độ phân tử, tỉ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của chất cần tổng hợp

Nhược điểm: có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết tủa của các hydroxit như nồng độ, pH của dung dịch, tỉ lệ các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ Do đó, cần xác định được pH để quá trình đồng kết tủa xảy ra và tính toán được chính xác tỉ lệ muối các kim loại cân bằng trong dung dịch để được sản phẩm kết tủa như mong muốn [26]

Phương pháp này không sử dụng dung môi, công nghệ đơn giản và thân thiện với môi trường Quy trình này tổng hợp ở nhiệt độ thấp, kích thước của tinh thể phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp ban đầu, nhiệt độ và áp suất ban đầu Nguyên liệu đạt được có độ tinh khiết cao [27]

Phản ứng trong dung dịch nước xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao gọi là phản ứng thủy nhiệt Thành công của quá trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt phụ thuộc vào sự lựa chọn tiền chất, nhiệt độ, pH và nồng độ của chất phản ứng Trong

11 phương pháp này thường sử dụng một số chất hữu cơ làm chất hoạt động bề mặt như cetyl trimetyl amoni bromua (CTAB), natri dodecyl sunfat (SDS), poly etylen glycol (PEG) và etylen diamin (EDA) [28]

Trong quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxy hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng giữa hợp chất hay hỗn hợp oxy hóa khử,… Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu mới với chi phí thấp nhất so với các phương pháp truyền thống [30] Một số ưu điểm của phương pháp đốt cháy là thiết bị công nghệ tương đối đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể dễ dàng điều khiển được hình dạng và kích thước của sản phẩm

Trong luận văn này, ZnO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa vì thiết bị tương đối đơn giản, có thể tạo ra oxit nano ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt ngay sản phẩm cuối cùng mà không cần phải xử lí nhiệt thêm nên hạn chế được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng

Do tính chất đa dạng của ZnO, cả tính chất vật lý và hóa học, kẽm oxit được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Trong công nghiệp cao su: Độ dẫn nhiệt của cao su là tương đối thấp, tuy nhiên nó có thể được cải thiện bằng cách thêm một số chất độn dẫn nhiệt như bột kim loại, oxit kim loại [31]

Vật liệu nanocomposite kẽm oxit/graphene oxit

Vật liệu nanocomposite kẽm oxit/graphene oxit (ZnO/GO) là vật liệu được tổng hợp từ hai vật liệu ZnO và GO có kích thước nano nhằm mục tiêu tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn so với các vật liệu đầu khi những vật liệu này làm việc riêng lẻ

Hình 1.10: Sơ đồ minh họa phản ứng tổng hợp ZnO/GO [38]

Sơ đồ minh họa phản ứng tổng hợp ZnO/GO được thể hiện ở hình 1.10 Đầu tiên Gi sẽ được oxy hóa bằng chất oxy hóa mạnh Sau đó, thu được GiO siêu âm tách lớp được GO Cuối cùng GO cho phản ứng với (CH3COO) 2 Zn.2H 2 O để tạo vật liệu nanocomposite ZnO/GO theo phương pháp đồng kết tủa (in-situ)

1.5.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite kẽm oxit/graphene oxit 1.5.2.1 Phương pháp đồng kết tủa (in-situ)

Nguyên tắc: Các ion sẽ được khuếch tán vào nhau đến mức độ nguyên tử, khoảng cách giữa các ion trong hệ phản ứng giảm xuống chỉ còn khoảng vài Å dễ dàng phản ứng với nhau [39] Ưu điểm: Tăng khả năng phản ứng của các cấu tử, cho phép tạo được sản phẩm hạt mịn, đơn pha và có độ đồng nhất cao ở nhiệt độ tương đối thấp

Nhược điểm: Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tích số tan, lực ion, khả năng tạo phức của các cation kim loại với các tác nhân kết tủa, các kết tủa thu được thường khó có thành phần xác định như ý muốn

Phương pháp thủy nhiệt là quá trình tổng hợp có nước tham gia với vai trò xúc tác xảy ra ở nhiệt độ cao (hơn 1000 o C) và áp suất lớn [39]

Nguyên tắc: sử dụng khả năng hòa tan trong nước của hầu hết các chất vô cơ ở nhiệt độ cao và áp suất lớn [39] Ưu điểm: các hạt được tổng hợp có độ tinh khiết cao, phân tán tốt, tinh thể tốt, có thể được kiểm soát và chi phí sản xuất thấp

Nhược điểm: kiểu kết tinh của vật liệu tự do và định hướng chưa tốt

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp Nó được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các tiền chất [40]

Nguyên tắc: Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxit hoặc các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành một pha mới (sol) Gel là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo thành khung 3 chiều và pha lỏng nằm ở khoảng trống của khung 3 chiều này [40]

16 Ưu điểm: Có thể tổng hợp vật liệu kích thước nanomet, có tính đồng nhất cao và sản phẩm có độ tinh khiết cao

Nhược điểm: quy trình phức tạp

Vì GO có các nhóm chức chứa oxy mà các nhóm này dễ mất đi khi nhiệt độ lên cao (> 150 o C) nên việc tổng hợp vật liệu sẽ phù hợp với các phương pháp ở nhiệt độ dưới 150 o C Ngoài ra, quy trình tổng hợp vật liệu đơn giản, dễ làm và không cần sử dụng các hóa chất độc hại, khó tìm Nên trong luận văn này, việc tổng hợp nanocomposite ZnO/GO được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa (in-situ)

1.5.3 Cơ chế kết hợp của ZnO/GO

Cơ chế kết hợp của ZnO và GO trong quá trình tổng hợp vật liệu nanocomposite ZnO/GO được thể hiện ở hình 1.11 Các hạt ZnO được đính trên tấm GO thông qua phản ứng giữa ion Zn 2+ và ion OH - trong dung dịch Bề mặt của tấm GO có các nhóm chức chứa oxy Những nhóm chức này như vị trí để gắn các hạt ZnO trên tấm GO

Quá trình hình thành nanocomposite ZnO/GO trải qua 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Khi phân tán (COOH) 2 Zn.2H 2 O trong huyền phù GO, ion Zn 2+ sẽ được hấp phụ trên bề mặt của tấm GO vì các liên kết của tấm GO với các nguyên tử O của các nhóm chức chứa oxy mang điện tích âm bằng lực tĩnh điện

Giai đoạn 2: Sau khi thêm NaOH, Zn(OH) 4 2- và ZnO 2- có thể kết hợp với những nhóm chức của tấm GO bằng lực liên kết hydro nội phân tử và liên kết phối trí Với nhiệt độ 90 o C, số lượng lớn các hạt ZnO hình thành trong thời gian ngắn vì phản ứng thủy phân Zn(OH) 4 2- [41]

17 Hình 1.11: Cơ chế kết hợp của ZnO/GO [41]

Sự kết hợp ZnO và GO tạo nên vật liệu nanocomposite ZnO/GO làm tăng khả năng ứng dụng của ZnO và GO trong các lĩnh vực khác nhau khi một mình như: cải thiện đáng kể hoạt tính quang hóa Trong điện tử làm các siêu tụ điện, tăng cường hiệu suất điện Trong y học tăng khả năng các cảm biến sinh học, dẫn truyền thuốc, khả năng kháng khuẩn tốt hơn, Trong số nhiều ứng dụng, ứng dụng khả năng kháng khuẩn đang được thử nghiệm trong luận văn này

1.5.4 Cơ chế kháng khuẩn của nanocomposite ZnO/GO

Các ion Zn 2+ gắn một điện tích âm trên màng vi khuẩn, điểm đó được liên hợp chặt chẽ bởi sự hút của lực Coulomb như ở hình 1.12 Các protein trên màng bị đóng rắn và enzym synthetase bị phá hủy, làm mất khả năng tăng trưởng tế bào ở vi khuẩn

Kèm theo đó là cấu trúc hai chiều đặc biệt của GO tương tác mạnh với lớp lipid kép và làm cho các phân tử lipid tách màng lớp kép đồng thời bị các tấm GO bắt giữ, từ đó màng vi khuẩn bị phá hủy Cơ chế đặc trưng nhất của nanocomposite ZnO/GO là sự dịch chuyển nhanh chóng của các electron giữa các hạt ZnO và GO Các electron trên GO có thể tương tác với oxy trên bề mặt để tạo thành các oxy hoạt động ROS và sau quá trình này tạo thành lipid peroxide, làm tổn hại màng vi khuẩn [42]

18 Hình 1.12: Cơ chế kháng khuẩn của ZnO/GO

Đặc tính của hai vi khuẩn

Vi khuẩn có 2 nhóm Gram âm (Samonella, Shigella, Escherichia coli, ) và Gram dương (Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Peptococcus, ) Luận văn này nghiên cứu về hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu đối với hai vi khuẩn tiêu biểu cho hai nhóm là Escherichia coli và Staphylococcus aureus

1.6.1 Đặc tính của chủng vi khuẩn Escherichia coli

Escherichia coli (E coli) hay còn được gọi là vi khuẩn đại tràng là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng (bao gồm chim và động vật có vú) Chúng gây bệnh khi gặp điều kiện cho sự phát triển của chúng E coli thuộc họ vi khuẩn Enterobacteriaceae [43]

Hình thể: Vi khuẩn thuộc loài trực khuẩn Gram âm, di động bằng tiêm mao qua thành tế bao Trực khuẩn hình que thẳng, kích thước dài ngắn khác nhau, trung bình từ 2 – 3 àm, rộng 0,5 àm Trực khuẩn cú thể cú vỏ, cú lụng, di động (cú thể một số chủng không di động), không sinh nha bào và bắt màu Gram âm [43]

19 Hình 1.13: Vi khuẩn Escherichia coli (E coli)

Tính chất nuôi cấy: Vi khuẩn hiếu khí, phát triển được ở nhiệt độ 15 - 40 o C, tốt nhất là 37 o C, pH từ 7 – 7,2 Trong môi trường lỏng, sau 4 – 5 giờ, E coli đã làm đục nhẹ môi trường, càng để lâu càng đục nhiều và sau vài ngày có thể có váng mỏng trên mặt môi trường Vi khuẩn lắng xuống đáy ống Trên môi trường thường, sau 18 - 24 giờ khuẩn lạc tròn, không màu hay màu xám nhẹ, đường kính 2 – 3 mm Trên môi trường phân lập, vi khuẩn thường làm thay đổi màu của môi trường vì lên men lactose, khuẩn có màu vàng trên môi trường Istrati [43]

Sức đề kháng: E coli có sức đề kháng yếu Các chất sát khuẩn thông thường như nước Javel 1/200, phenol 1/200 giết chết vi khuẩn sau 2 – 4 phút Nhiệt độ 55 o C giết vi khuẩn sau 1 giờ và 60 o C sau 30 phút [43] Đặc tính kháng nguyên và nhiễm độc: E coli có đủ 4 loại kháng nguyên O, H, K, F và nội độc tố gây tiêu chảy, ngoại độc tố gây tan huyết và phù thủng Độc tố của

E.coli: Loại E.coli có giáp mô (kháng nguyên K) gây ngộ độc mạnh hơn loại không giáp mô Kháng nguyên O: là kháng nguyên thân, có 142 loại Kháng nguyên K: là kháng nguyên bề mặt, có 3 loại A, B, L Kháng nguyên H: là kháng nguyên lông có 48 loại [43]

Khả năng gây bệnh: E.coli là vi khuẩn chiếm nhiều nhất trong số các vi khuẩn hiếu khí sống trong đường tiêu hóa Tuy là vi khuẩn cộng sinh với người nhưng E.coli có thể gây bệnh cơ hội Chúng có thể gây viêm đường tiêu hóa, tiết niệu, sinh dục, đường mật, đường hô hấp và nhiễm khuẩn huyết Nhưng nhiễm khuẩn quan trọng nhất là viêm dạ dày ruột ở trẻ em

E coli là vi khuẩn chiếm nhiều nhất trong số các vi khuẩn hiếu khí sống ở đường tiêu hóa [43]

1.6.2 Đặc tính của chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus

Staphylococcus aureus (S aureus) là một trong những chi thể quan trọng của họ

Staphylococci và là một trong những tác nhân gây bệnh chủ yếu liên quan đến ngộ độc thực phẩm hoặc nhiễm trùng ở cộng đồng [43]

Hỡnh thể: Hỡnh cầu, cú đường kớnh từ 0,7 – 1 àm, khụng sinh nha bào, lụng, một số chủng có giáp mô Trong bệnh phẩm vi khuẩn thường xếp thành từng đôi, từng đám nhỏ, hay gặp vi khuẩn xếp thành từng đám giống một chùm nho Và phát quang Gram dương [43]

Hình 1.14: Vi khuẩn Staphylococcus aureu (S aureus)

Tính chất nuôi cấy: S aureus phát triển dễ dàng ở môi trường thông thường, là vi khuẩn kị khí Phát triển được ở nhiệt độ 10 - 45°C, mọc tốt ở 37°C nhưng tạo sắc tố tốt ở 20°C Sau 5 - 6 giờ làm đục môi trường, sau 24 giờ thì làm đục rõ, để lâu có thể lắng cặn Ở môi trường thạch, khuẩn lạc tròn lồi, bóng láng, óng ánh, đường kính khoảng 1 – 2 mm, có thể có màu vàng đậm, màu vàng cam hoặc màu trắng, tương đối lớn sau 24 giờ Ở môi trường thạch máu, tụ cầu vàng phát triển nhanh, tạo tan máu hoàn toàn Tụ cầu vàng tiết ra năm loại dung huyết tố (hemolysin): α, β, δ, ε [43]

Cấu tạo kháng nguyên: Vách tế bào của S Aureus bao gồm một peptidoglycan Gram dương điển hình xen kẽ với các phân tử của một axit ribitolteichoic [43]

21 Khả năng đề kháng: Tụ cầu vàng có khả năng đề kháng với nhiệt độ và hóa chất cao hơn các vi khuẩn không có nha bào khác và bị diệt ở 80°C trong một giờ Có thể sống ở môi trường có nồng độ NaCl cao (9%) Khả năng đề kháng với nhiệt độ thường phụ thuộc khả năng thích ứng nhiệt độ tối đa (45°C) mà vi khuẩn có thể phát triển, tụ cầu vàng cũng có thể gây bệnh sau một thời gian dài tồn tại ở môi trường [43]

Khả năng gây bệnh: Trên mặt da có những vết xây xát, tụ cầu xuống tổ chức dưới da gây các bệnh mụn nhọt, viêm da Nhiễm khuẩn huyết do tụ cầu thường xảy ra ở những người có sức đề kháng yếu hoặc trẻ em Thường mắc sau các nhiễm khuẩn địa phương, bệnh thường nặng có thể gây chết người hoặc trở thành mạn tính gây nên viêm xương, viêm khớp, viêm phổi, viêm cơ Nhiễm độc thức ăn và viêm ruột cấp tính bệnh xảy ra nhanh, trầm trọng với các dấu hiệu nôn mữa dữ dội

Nhạy cảm thay đổi với kháng sinh, nhiều chủng đề kháng sinh với penicillin và các kháng sinh khác [43].

Các phương pháp thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu

1.7.1 Phương pháp đếm khuẩn lạc

Nguyên tắc: Một số tế bào có thể phân chia theo cấp số nhân cho đến khi hình thành một khuẩn lạc có thể trông thấy được Đây là cơ sở của việc định hướng lượng tế bào trên thạch đĩa, bởi vì số lượng khuẩn lạc sinh ra từ một thể tích giống vi sinh vật nhất định chỉ số lượng tế bào sống có trong thể tích giống nó Thông thường, tất cả các tế bào ở pha tăng trưởng hay ở giai đoạn sớm của pha ổn định đều có khả năng hình thành khuẩn lạc Vì vậy, số lượng khuẩn lạc đếm được gần như tương đương với số lượng tế bào sống Để định lượng chính xác, cần phải thực hiện sao cho mỗi một khuẩn lạc chỉ được hình thành từ 1 tế bào Do dịch tế bào sử dụng trong các phòng thí nghiệm có nồng độ cao, thường nhiều hơn 10 6 tế bào trên 1 mL, nên cần thiết phải được pha loãng trước khi cấy Phương pháp khuẩn là thực hiện các bước pha loãng để giảm nồng độ tế bào từ 10 đến 100 lần cho đến khi đạt được vài nghìn tế bào trên 1 mL [44] Ưu điểm: Cho biết số lượng vi sinh vật

22 Nhược điểm: Dễ nhầm lẫn, hạn chế đối với huyền phù có mật độ thấp do lượng dung dịch đem đếm nhỏ, độ chính xác không cao

1.7.2 Phương pháp khuếch tán qua giếng thạch

Nguyên tắc: Phương pháp khuếch tán kháng sinh trên thạch là phương pháp định tính và là một kỹ thuật có thể áp dụng cho tất cả các phòng thí nghiệm vi sinh trong các bệnh viện và cho các trung tâm y tế dự phòng tuyến tỉnh Phương pháp dựa theo tính nhạy cảm của vi khuẩn đối với kháng sinh Kháng sinh được đặt trong giếng trên môi trường thạch đã trải vi khuẩn Kháng sinh sẽ hấp thu nước từ môi trường thạch, kháng sinh hòa tan và bắt đầu khuếch tán vào môi trường thạch, thực tế, sự khuếch tán phụ thuộc vào khối lượng phân tử, bản chất hóa học của kháng sinh và thành phần của môi trường nuôi cấy Sau khi đem ủ, quan sát xung quanh giếng thạch để theo dõi vòng ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn đối với kháng sinh, dựa theo đường kính của vòng để xác định mức độ nhạy cảm của chủng đối với từng loại kháng sinh khác nhau [44] Ưu điểm: Độ chính xác cao

Nhược điểm: Quy trình phức tạp, hạn chế một số vật liệu

Nguyên tắc: Phương pháp thử nghiệm này được đưa ra để đánh giá sức đề kháng của kháng sinh điều trị các bệnh đến sự tăng trưởng của vi khuẩn trong những điều kiện tác động Thử nghiệm tác động này đã được phát triển để kiểm soát chất lượng và thường xét nghiệm để khắc phục khó khăn trong việc sử dụng phương pháp thử nghiệm kháng sinh cổ điển để đánh giá chất kháng khuẩn khác nhau Những khó khăn này bao gồm đảm bảo tiếp xúc nguồn bệnh để xử lý bề mặt, tính linh động của việc thu hồi ở các thời gian tiếp xúc khác nhau, sử dụng không thích hợp áp dụng các điều kiện tĩnh, độ nhạy và độ lặp lại Thử nghiệm này cũng cho thấy tính linh động của những việc kiểm tra bị nhiễm nước cứng, protein, máu, huyết thanh, hóa chất khác nhau, và chất bẩn khác Hoạt tính kháng khuẩn được xác định bằng cách

23 so sánh kết quả từ các mẫu thử nghiệm với các mẫu đối chứng trong cùng một thời gian

Tiêu chuẩn này có thể liên quan đến nguyên liệu, hoạt động và các trang thiết bị gây nguy hiểm Tiêu chuẩn này không nhằm mục đích để giải quyết tất cả các vấn đề an toàn, nếu có kết hợp với việc sử dụng Để đảm bảo trách nhiệm của người sử dụng tiêu chuẩn này nên thiết lập thực hành an toàn và sức khỏe phù hợp Xác định khả năng áp dụng có giới hạn quy định trước khi sử dụng [45]

1.7.4 Phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu

Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) được xác định là nồng độ thấp nhất của một chất kháng vi khuẩn mà tại nồng độ đó sẽ ức chế sự phát triển của các vi khuẩn đang được thử nghiệm Có hai phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu:

 Phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu trong trường đặc

Nguyên tắc: Chuẩn bị thạch trên đĩa petri để se mặt thạch trong tủ ấm 37 o C trong 30 phút rồi cấy vi khuẩn Sau đó đặt vật liệu lên các đĩa thạch với các nồng độ khác nhau Đánh dấu vị trí trên dưới hoặc trái phải của đĩa thạch Chờ cho đĩa thạch khô cất vào tủ ấm 37 o C trong 24 giờ Đọc kết quả lần lượt từ đĩa thạch có nồng độ kháng sinh thấp nhất Nồng độ MIC được xác định ở đĩa môi trường mà ở đó các vi khuẩn bị ức chế phát triển Ở nồng độ thấp nhất không có vi khuẩn mọc thì kết quả được ghi nhận là nhỏ hơn hoặc bằng nồng độ đó Trong trường hợp đến nồng độ cao nhất mà vẫn thấy vi khuẩn mọc thì kết quả được ghi nhận là lớn hơn nồng độ đó

 Phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu trong trường lỏng

Nguyên tắc: Pha loãng dung dịch vi khuẩn ở nồng độ xác định Chia vào các ống nghiệm Thêm nước cất hoặc nước muối sinh lý vô trùng vào một ống nghiệm Thêm kháng sinh đã pha ở các nồng độ khác nhau vào mỗi ống nghiệm Phân bố từ nồng độ thấp đến cao Đặt vào tủ ấm 37 o C trong 24 giờ Đọc kết quả bắt đầu từ ống nghiệm có nồng độ kháng sinh thấp nhất Nồng độ MIC được tính ở ống nghiệm có nồng độ kháng sinh thấp nhất có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn Ở nồng độ thấp nhất không có vi khuẩn mọc thì kết quả được ghi nhận là nhỏ hơn hoặc bằng nồng độ đó

24 Trong trường hợp đến nồng độ cao nhất mà vẫn thấy vi khuẩn mọc thì kết quả được ghi nhận là lớn hơn nồng độ đó.

Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu luận văn

Vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quá trình đổi mới công nghệ Đẩy mạnh nghiên cứu lĩnh vực vật liệu có ý nghĩa hết sức quan trọng đem lại sự phát triển công nghệ, đặc biệt cần thiết cho các nước đang phát triển như Việt Nam hiện nay Ngoài ra, để tạo ra những lợi ích từ những công nghệ mới, các nước đang phát triển phải có những hoạch định chiến lược để tiếp cận được với các kỹ thuật công nghệ mới, các lọai vật liệu mới Vấn đề về an toàn sức khỏe của con người ngày được nâng cao bên cạnh đó các thuốc kháng sinh ngày càng được cải tiến Do đó kiểm soát các tác động có hại của nó dường như là tiêu chí quan trọng nhất Để giải quyết vấn đề này hiện nay các bác sĩ đã khuyến cáo rất nhiều kỹ thuật và các loại thuốc như kanamycin, spectinomycin và penicillin Tuy nhiên, việc sử dụng thường xuyên của các thuốc làm các vi khuẩn trở nên đề kháng chống lại những loại thuốc này Vật liệu nano đã nghiên cứu tập trung quan tâm trong thập kỷ qua Gần đây những vật liệu kháng khuẩn như các kim loại và oxit kim loại hạt nano gồm có: bạc (Ag), oxit bạc (Ag 2 O), titanium dioxit (TiO 2 ), vàng (Au), canxi oxit (CaO), silic (Si), oxit đồng (CuO) và magiê oxit (MgO) đã được báo cáo là có hoạt tính kháng khuẩn Ngoài ra, các nguyên liệu cacbon như GO, ống nano cacbon cũng có hoạt tính kháng khuẩn Tuy nhiên, các hạt nano này dễ tụ lại Sự kết hợp giữa kim loại, oxit kim loại với GO tạo vật liệu nanocomposite làm giảm sự tụ lại của các hạt nano kim loại, oxit kim loại và GO có tác dụng nâng cao hoạt tính diệt khuẩn mạnh mẽ với các cơ chế an toàn về sức khỏe và thân thiện với môi trường Vì vậy, đề tài nghiên cứu “Tổng hợp, khảo sát, đặc tính và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite ZnO/GO” sẽ góp phần tạo ra vật liệu mới trong ứng dụng kháng khuẩn

Tổng hợp thành công và đánh giá khả năng kháng khuẩn của các vật liệu nanocomposite ZnO/GO trên hai loại vi khuẩn E coli và S Aureus

Nội dung 1: Tổng hợp vật liệu GO, các nanocomposite ZnO/GO và ZnO

Nội dung 2: Khảo sát đặc tính, hình thái và cấu trúc của vật liệu tổng hợp được bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, diện tích bề mặt riêng theo BET và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Nội dung 3: Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO trên vi khuẩn E.coli và S.aureu

1.8.4 Phương pháp nghiên cứu 1.8.4.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu

- GO được tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến [5]

- ZnO/GO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (in-situ) [39]

- ZnO được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa [26]

1.8.4.2 Các phương pháp khảo sát đặc tính, hình thái và cấu trúc của vật liệu

Nguyên tắc: Máy quang phổ thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier

Các loại phổ kế này là loại tự ghi, hoạt động theo nguyên tắc như sau: chùm tia hồng ngoại phát ra từ nguồn (1) được chia thành hai phần, một đi qua mẫu (2) và một môi trường đo (2’) rồi được bộ tạo đơn sắc (3) tách thành từng bức xạ có tần số khác nhau và chuyển đến đầu cảm biến Đầu cảm biến so sánh cường độ hai chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu Dòng điện có cường độ rất nhỏ nên phải nhờ bộ khuếch đại (5) tăng lên nhiều lần trước khi chuyển sang bộ phận tự ghi (6) vẽ lên bản phổ hoặc đưa vào máy tính để xử lý rồi in ra phổ

26 Hình 1.15: Hình mô tả nguyên lý hoạt động của máy FT-IR Ứng dụng: Xác định sự có mặt của ZnO và của các nhóm chức chứa oxy trên vật liệu GO và các vật liệu ZnO/GO

Nguyên tắc: Có thể xem nhiễu xạ là sự thay đổi tính chất ánh sáng hoặc sóng do sự xuyên sâu vào vật thể, xem xét sự nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể Nếu chiếu một chùm tia X tới nguyên tử, thì các electron trong nguyên tử sẽ dao động quanh vị trí cân bằng của nó Một photon tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử thì có một photon khác phát ra với cùng mức năng lượng Khi không có sự thay đổi năng lượng giữa photon tới và photon phát ra, ta nói bức xạ là tán xạ đàn hồi Nếu photon bị mất năng lượng thì tán xạ không đàn hồi

Hình 1.16: Sơ đồ tán xạ tia X bởi nguyên tử

Hình 1.17: Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể

27 Ứng dụng: Xác định các cực đại nhiễu xạ đặc trưng của ZnO, GO và các vật liệu ZnO/GO

Nguyên tắc: Quang phổ Raman xuất hiện do tương tác giữa ánh sáng với các phân tử Do sự tương tác này mà lớp vỏ electron của các nguyên tử trong phân tử bị biến dạng tuần hoàn và sẽ dẫn đến làm sai lệch vị trí của các hạt nhân nguyên tử trong phân tử Hay nói cách khác là các nguyên tử trong phân tử bị dao động Sự dao động này cần năng lượng từ năng lượng của bức xạ kích thích ban đầu, nhưng khi dao động thì phân tử cũng bức xạ năng lượng trở lại, nhưng năng lượng bức xạ (bức xạ tán xạ Ranman) có thể bằng (tán xạ Rayleigh), nhỏ hơn (tia Stockes) hay lớn hơn (tia antistokes) năng lượng của bức xạ kích thích E o =h vo đã cấp

Hình 1.18: Sự tán xạ Raman Ứng dụng: Xác định các đỉnh đặc trưng D, G, độ khuyết tật của GO và các vật liệu ZnO/GO

 Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ theo Brunauer - Emmett -Teller (BET)

Nguyên tắc: Phổ biến để xác định diện tích bề mặt riêng của một chất rắn là do sự hấp phụ của N 2 hoặc một số khí khác có khả năng thâm nhập vào tất cả các mao quản và tính toán diện tích bề mặt riêng dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ

Phương pháp BET được dử dụng rộng rãi nhất để xác định diện tích bề mặt của vật liệu thông qua phương trình BET:

Xuất phát từ phương trình BET nếu dựng đồ thị phụ thuộc thì đường biểu diễn là một thẳng có hệ số góc s và hệ số tự do i được tính như sau:

Vì vậy thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử Vm có thể được suy ra từ (1.7) và (1.8):

Nếu cho rằng một phân tử bị hấp phụ có mặt cắt ngang che phủ một diện tích Acs và

V m là thể tích hấp phụ cực đại ứng với sự che phủ đơn lớp trên toàn bộ 1 gam chất hấp phụ (khi đó nó có thứ nguyên là cm 3 /g) thì diện tích bề mặt riêng S (m 2 /g) của chất hấp phụ được tính như sau:

Trong đó: N= 6,022×10 23 là số Avogadro 22414 là thể tích chiếm bởi 1 mol phân tử chất bị hấp phụ (cm 3 ) Ứng dụng: Đo diện tích bề mặt riêng của các vật liệu nanocomposite ZnO/GO

Nguyên tắc: Dùng một chùm tia điện tử hẹp, được phát ra từ súng phóng điện (thường là các catot bị đốt nóng để cung cấp cho điện tử động năng thoát ra khỏi liên kết với kim loại catot thường là W, Pt) Sau khi ra khỏi catot điện tử di chuyển tới anot rỗng và được gia tốc lên, sau đó tập trung lại tạo thành chùm tia hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ và chiếu xuyên qua vật rắn Sau đó, chùm tia lại được hội tụ một lần nữa nhờ vào các vật kính cũng là các thấu kính điện từ Cuối cùng, chúng được phóng đại thông qua một số thấu kính trung gian với độ phóng đại lớn và kết quả được thể hiện trên màn hình quan sát Các thấu kính và vật kính được sử dụng đều là kính điện từ vì

29 trong phương pháp này sử dụng chùm điện tử để thay thế cho ánh sáng nhìn thấy nên không thể sử dụng thấu kính thủy tinh được Ứng dụng: xác định kích thước hạt ZnO và sự phân bố ZnO trong các vật liệu nanocomposite ZnO/GO

Hình 1.19: Mô tả nguyên lý hoạt động máy TEM

1.8.4.3 Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu

Khả năng kháng khuẩn của ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO được khảo sát bằng phương pháp: khuếch tán qua giếng thạch, ASTM 2149:2010 và nồng độ ức chế tối thiểu trong môi trường lỏng [44, 45]

THỰC NGHIỆM

Tổng hợp vật liệu

Quy trình tổng hợp GO theo phương pháp Hummers được trình bày ở hình 2.1

Hình 2.1: Quy trình tổng hợp GO

Thuyết minh quy trình: Lấy 2,5 g Gi và 1,25 g NaNO 3 trong 120 mL H 2 SO 4 đậm đặc đem khuấy ở nhiệt độ nhỏ hơn 10ºC trong 20 phút Oxi hóa lần 1 bằng 7,5 g KMnO 4 (cho từ từ), nhiệt độ không quá 20ºC, cho hết KMnO 4 để khuấy khoảng 15 phút và đem siêu âm trong 2 giờ ở 35 o C Sau đó, oxi hóa lần hai bằng

7,5 g KMnO 4 (cho từ từ) rồi tiếp tục siêu âm dung dịch thêm 4 giờ ở 35 o C Thêm 400 mL nước cất Làm nguội hỗn hợp về nhiệt độ phòng, thêm H2O 2 30% đến khi hỗn hợp có màu vàng sáng Ly tâm, rửa đến khi pH = 7, sấy khô ở 60 o C để thu được GiO GiO màu nâu đen được phân tán trong nước tạo hệ huyền phù với tỷ lệ

1 mg GiO/mL H 2 O Hệ huyền phù được siêu âm trong 10 giờ để phân tán GiO hoàn toàn thành đơn lớp GiO hay còn gọi là GO, GO phân tán trong nước tạo

33 thành huyền phù màu vàng nâu GO sản phẩm được thu lại bằng cách ly tâm và để khô tự nhiên

2.2.2 Tổng hợp các nanocomposite ZnO/GO

Quy trình tổng hợp ZnO/GO theo phương pháp đồng kết tuả (in-situ) được trình bày ở hình 2.2 và khảo sát với các tỉ lệ khối lượng ZnO và GO lần lượt là 0,5:1; 1:1 và 2:1; và được ký hiệu lần lượt là ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1

Hình 2.2: Quy tình tổng hợp ZnO/GO

34 Bảng 2.3: Thành phần khối lượng các chất tổng hợp vật liệu ZnO/GO

Thuyết minh quy trình: GO và (CH 3 COO) 2 Zn.2H 2 O lần lượt được cho vào trong dung dịch C 2 H 4 OH được siêu âm trong 2 giờ Sau đó, hỗn hợp này khuấy liên tục ở nhiệt độ 120 o C và thêm dung dịch NaOH vào hỗn hợp Sau khi khuấy 2 giờ, hỗn hợp được để nguội ở nhiệt độ phòng sẽ được ly tâm và rửa bằng dung dịch C 2 H 5 OH và nước cất một vài lần Phần rắn đem đi sấy ở nhiệt độ 60 o C trong 24 giờ thu được vật liệu naonocomposite ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1

Quy trình tổng hợp ZnO theo phương pháp đồng kết tủa được trình bày ở hình 2.3

Hình 2.3: Quy tình tổng hợp ZnO

Thuyết minh quy trình: 140 mL H 2 O cất với 3,66 g (CH 3 COO) 2 Zn.2H 2 O khuấy trong 20 phút rồi cho 4 g NaOH và 20 mL H 2 O trong 45phút , pH = 12 sau đó rửa bằng cồn với nước về pH = 7 đem đi lọc và sấy ở nhiệt độ 80 o C cho mẫu khô rồi đem đi nung ở 500 o C trong 1 giờ tạo thành ZnO

Phân tích đặc tính, hình thái và cấu trúc của vật liệu

 FTIR: Mẫu ZnO, GO và các vật liệu ZnO/GO được đo với máy Nicolet 6700 FTIR, hãng sản xuất Thermo xuất xứ tại Mỹ ở trung tâm kiểm định cục hải quan Tp

Hồ Chí Minh Mẫu được đo ở bước sóng từ 400 - 4000 cm -1 Mẫu vật liệu khô được trộn lẫn với bột KBr rồi được nén thành dạng tấm trước khi được chiếu xạ bằng tia hồng ngoại

 XRD: Mẫu ZnO, GO và các vật liệu ZnO/GO được đo với máy D2 Phaser, hãng sản xuất Brucker AXS xuất xứ tại Đức ở trung tâm kiểm định cục hải quan Tp

Hồ Chí Minh có nguồn phát tia X là đồng, bước sóng λx = 0,154 nm, mẫu được trãi đều lên đĩa và ép mẫu để loại bỏ khí, giảm sai lệch khi đo và được nhiễu xạ dưới dạng màng

 Phổ Raman: Mẫu GO và các vật liệu ZnO/GO được chụp với máy

MicroRaman, model LABRAM, hãng sản xuất Horiba Joninyvon ở phòng thí nghiệm nano Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Nguồn laser He-Ne 632,8 nm, mẫu được đo dưới dạng bột

 Diện tích bề mặt riêng theo BET: Các vật liệu ZnO/GO được đo với máy

Nova 3200e, hãng sản xuất Quantachrome, xuất xứ Mỹ ở trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano và phân tử Mẫu được đem đi hoạt hóa trước khi đo và đo ở nhiệt độ môi trường

 TEM: Mẫu GO và các vật liệu ZnO/GO được chụp với máy JEM-1400, hãng sản xuất JEOL, xuất xứ Nhật ở PTN Trọng Điểm Vật liêu Polime và Composite – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Mẫu bột được hòa tan vào dung môi thích hợp và rung siêu âm từ 15 phút tới 2 giờ tùy theo vật liệu Sau đó, nhỏ một giọt dung dịch chứa mẫu lên trên lưới đồng đã phủ màng cacbon Để khô tự nhiên trong không khí và quan sát dưới TEM

Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn

2.4.1 Bằng phương pháp khuếch tán qua giếng thạch

Khả năng kháng khuẩn của ZnO, GO và các ZnO/GO được thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học 4, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh bằng phương pháp khuếch tán qua giếng thạch như trình bày ở hình 2.4

Hình 2.4: Quy trình kháng khuẩn

Nạp vật liệu Đo và phân tích vòng ức chế

Chuẩn bị môi trường Ủ ở 37 o C, 24 giờ Vi khuẩn tăng sinh

Chuẩn bị mẫu: Mẫu ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO được pha loãng bằng DMSO 5% với nồng độ 500 àg/mL rồi đi đỏnh siờu õm 3 giờ

Cách tiến hành theo phương pháp gồm các bước như sau:

Bước 1: Chuẩn bị môi trường

- Cân 19 g môi trường Mueller-Hinton Agar (MHA)

- Hòa tan vào 500 ml nước cất hai lần Đun sôi để hòa tan hoàn toàn môi trường

- Kiểm tra và điều chỉnh pH khoảng 7,2 – 7,4

- Hấp khử trùng ở 121 o C trong vòng 15 phút Sau khi hấp khử trùng, làm nguội đến nhiệt độ 45 o C – 50 o C

- Đổ môi trường vào đĩa petri với độ dày khoảng 4 mm, tương đương với 60 – 70 ml cho đĩa có đường kính 150 mm, 25 – 30 mL cho đĩa có đường kính 100 mm

- Để môi trường đông lại ở nhiệt độ phòng Bảo quản trong tủ lạnh với nhiệt độ khoảng 2 – 8 o C

- Mẫu đại diện của mỗi lô môi trường được ủ trong tủ cấy có nhiệt độ 30 – 37 o C trong vòng 24 giờ (hoặc hơn) để kiểm tra độ vô trùng

- Các chủng vi khuẩn thử nghiệm từ ống chủng gốc trên môi trường LB rắn được tăng sinh trong môi trường LB lỏng đạt mật độ 10 8 CFU/mL (đo độ đục ở bước sóng 600 nm có giá trị 0,5)

- Đem pha loãng dịch khuẩn 1/10 để có mật độ vi khuẩn 10 7 CFU/mL

- Bề mặt môi trường thạch trong petri phải khô Đặt đầu gạc lên bề mặt thạch, trải nhẹ trên mặt thạch Lặp lại thao tác trên hai lần, mỗi lần xoay đĩa một góc 60 o , để dịch mẫu trải đều trên mặt thạch

39 - Đậy hờ nắp petri từ khoảng 3 - 5 phút để mặt thạch sau khi trải đạt độ ẩm nhất định nhưng không được quá 15 phút

- Các thao tác này phải được thực hiện trong tủ cấy vô trùng để không bị tạp nhiễm bởi các vi sinh vật tồn tại trong không khí

- Hỳt 20 àL cỏc mẫu được nạp vào lỗ thạch cú đường kớnh 3 mm trờn cỏc đĩa Cỏc đĩa được ủ ở nhiệt độ 37 o C từ 19 - 24 giờ

Bước 4: Đo và phân tích vòng ức chế

- Đường kính của vòng kháng khuẩn (có thể đánh giá bằng mắt) được đo và ghi lại, tính luôn cả đường kính giếng Vòng kháng khuẩn được đo bằng compa hoặc thước trượt với đơn vị đo là millimet

- Đặt đĩa petri lên một nền đen với ánh sáng thích hợp và tiến hành đo đường kính ở mặt sau đĩa petri, bỏ nắp trên của đĩa petri

- Cạnh của vòng kháng khuẩn được xác định là gờ không có sự sinh trưởng có thể thấy bằng mắt thường Những khuẩn lạc nhỏ nhìn thấy bằng kính lúp ở mép vòng kháng khuẩn có thể bỏ qua

- Quan sát sự phát triển của vi khuẩn, khả năng kháng khuẩn của vật liệu được xác định bằng cách đo đường kính vùng ức chế

Chọn mẫu có khả năng kháng khuẩn tốt nhất để gửi đi thử nghiệm khả năng kháng khuẩn đối với E coli và S aureus ở Phòng kiểm nghiệm hóa lý - vi sinh của viện Pasteur thành phố Hồ Chí Minh với thời gian tiếp xúc 1 giờ, thời gian nuôi cấy 48 giờ trong môi trường thử nghiệm Baird Parker, EMB

2.4.3 Xác định nồng độ ức chế tối thiểu

Mẫu vật liệu nanocomposite có khả năng kháng khuẩn tốt thông qua hai phương pháp kiểm tra qua giếng thạch và ASTM 2149:2010 được chọn để khảo sát nồng độ ức chế tối thiểu tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học 4, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Trình tự tiến hành như sau:

- Pha dung dịch thử nghiệm có nồng độ 640 g/mL sau đó pha loãng dung dịch ra với 12 nồng độ khác nhau lần lượt là 640, 320, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 2,5, 1,25, 0,625, 0,3125 g/mL

- Các chủng vi khuẩn thử nghiệm từ ống chủng gốc trên môi trường LB rắn được tăng sinh trong môi trường LB lỏng đạt mật độ 10 8 CFU/mL (đo độ đục ở bước sóng 600 nm có giá trị 0,5)

- Đem pha loãng dịch khuẩn 1/10 để có mật độ vi khuẩn 10 7 CFU/mL

- Chuẩn bị đĩa 96 giếng được đánh số từ 1 - 12 theo hàng ngang, hàng dọc từ A - H

- Hút 100 L dung dịch môi trường cho vào 36 giếng ở 3 hàng A, B và C

- Hút 100 L mẫu nồng độ 640 g/mL vào giếng số A 1 Tiếp tục hút 100 L dung dịch ở giếng số A 1 cho vào giếng số A 2 Tiếp tục thao tác pha loãng như vậy cho đến giếng số A 12 sẽ được nồng độ tại các giếng từ A 1 đến A 12 là 640, 320, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 2,5, 1,25, 0,625, 0,3125 g/mL

- Hút 25 L vi khuẩn cho vào giếng số A 1 đến A 12 và B 1 đến B 12 Cấy dịch khuẩn đã được ủ qua đêm vào các giếng Lượng dịch cấy vào các giếng phải bằng nhau vào khoảng 10 7 CFU/mL

41 Hình 2.5: Phương pháp pha loãng trong canh thang - Ủ đĩa trong tủ ủ ở nhiệt độ 37 o C trong 18 - 24 giờ, tùy chủng thử nghiệm đã dùng

- Giếng ở vị trí C 1 đến C 12 để làm mẫu chuẩn xác định sự ức chế hoàn toàn

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Đặc tính, hình thái và cấu trúc vật liệu

Hình 3.1 trình bày phổ FTIR của vật liệu Gi, GO, ZnO, ZnO/GO 1:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 Kết quả này cho thấy Gi hầu như không chứa các nhóm chức chứa oxy Ngược lại, mẫu GO cho thấy sự tồn tại của các nhóm chức chứa oxy khác nhau:

-OH, -C=O, C=C và C-O tại các bước sóng tương ứng 3415 cm -1 , 1735 cm -1 , 1627 cm -

1 và 1060 cm -1 vì quá trình oxy hóa Gi Phổ ZnO cho thấy đỉnh đặc trưng ở bước sóng

444 cm -1 [47] Phổ FTIR của ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 được thể hiện cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của các nhóm chức chứa oxy như: tại các vị trí trong khoảng 3414-3416 cm -1 đặc trưng cho nhóm –OH, -C=O trong khoảng 1700-1730 cm -1 , các đỉnh nằm trong khoảng 1500-1600 cm -1 đặc trưng cho sự tồn tại của liên kết C=C trong các hợp chất aromatic, các đỉnh nằm trong khoảng 1200-1250 cm -1 đặc trưng cho sự tồn tại của liên kết C-O tương thích với phổ FTIR của GO [48,49] Ngoài ra, Phổ FTIR của ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 cho thấy hình thành đỉnh đặc trưng của nhóm Zn-O lần lượt tại 463 cm -1 , 443 cm -1 và 441 cm -1 [48] Kết quả này cho thấy Gi đã bị oxy hóa tạo nên các nhóm chức chứa oxy trên vật liệu GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1

43 Hình 3.1: Phổ FTIR của Gi, ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO

Giản đồ XRD được thể hiện ở hình 3.2 cho thấy các đỉnh nhiễu xạ theo Bragg ở góc 2θ: 31,7 o , 34,4 o , 36,2 o , 47,5 o , 56,5 o , 62,8 o và 67,9 o tương ứng các mặt (100), (002), (101), (102), (110), (200) và (201) trong cấu trúc tinh thể Kết quả này phù hợp với số liệu chuẩn cho cấu trúc Wurtzite của ZnO (JCPDs No.36-1451) Theo đó giản đồ XRD của Gi cho thấy đỉnh nhiễu xạ ở góc 2θ là 26 o đặc trưng cho sự sắp xếp cấu trúc lớp cao với khoảng cách giữa các lớp là 0,34 nm [48], giản đồ XRD của GO cho thấy đỉnh nhiễu xạ ở 2θ là 11,6º và khoảng cách giữa các lớp tăng lên từ 0,34 nm đến 0,756 nm

Sự biến mất đỉnh 2θ ở 26º xuất hiện ở 11,6º và khoảng cách giữa các lớp tăng lên cho thấy sản phẩm được oxy hóa hoàn toàn Giản đồ XRD của ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 đều chứa các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các giá trị 2θ: 31,7 o , 34,4 o , 36,2 o , 47,5 o , 56,5 o , 62,8 o và 67,9 o tương ứng các cấu trúc tinh thể (100), (002),

44 (101), (102), (110), (200) và (201) Kết quả này cho thấy sự tồn tại của các hạt nano

ZnO trong vật liệu nanocomposite ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 Đối với mẫu tổng hợp ở nhiệt độ 30 o C các đỉnh nhiễu xạ không được rõ ràng, tuy vậy quan sát giản đồ XRD của cả ba mẫu ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 đều thấy ở 2θ = 11,6 o không còn xuất hiện đỉnh nhiễu xạ Lý giải về sự biến mất của đỉnh phổ 2θ = 11,6 o là do các hạt nano ZnO được phân tán trên tấm GO nhiều hơn làm cho cường độ các đỉnh tương ứng với cacbon giảm đi Kết quả này phù hợp với nghiên cứu đã công bố trước đây [48,49] Vậy thông qua giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite ZnO/GO cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của ZnO và sự tách lớp của GO

Hình 3.2: Phổ XRD của Gi, ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO

Phổ Raman của Gi, GO và các nanocomposite ZnO/GO được thể hiện ở hình 3.3

Phổ Raman của mẫu Gi có 3 đỉnh đặc trưng là D có giá trị 1332 cm -1 , đỉnh G có giá trị

1584 cm -1 và đỉnh 2D có giá trị 2700 cm -1 Đỉnh D đặc trưng cho sự sai hỏng mạng hay mất trật tự mạng và biểu thị cho liên kết sp 3 trong mạng lưới nguyên tử cacbon, đỉnh G do dao động phẳng lai hóa sp 2 của nguyên tử cacbon lân cận trong mạng lục giác cacbon và đặc trưng cho Gi tạo thành thể hiện cấu trúc lai hóa sp 2 của cacbon trong mạng Gi [50,51] Đỉnh 2D đặc trưng cho vật liệu sp 2 thuộc graphitic, phụ thuộc mạnh vào tần số của năng lượng laser kích thích Từ hình trên ta thấy phổ Raman của GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1, và ZnO/GO 2:1 có hai đỉnh đặc trưng là đỉnh D

(1332), đỉnh G (1584) và kèm theo đỉnh đặc trưng của ZnO ở giá trị 438 cm -1 Cấu trúc hình thành của vật liệu được xác định bằng giá trị I D /I G và giá trị này là 1,04; 1,06;

1,09; 1,14 lần lượt của GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 Tỉ lệ I D /I G của các vật liệu nanocomposite tăng lên so với GO Điều này cho rằng lỗi cấu trúc tăng lên trong cấu trúc mạng của GO trong quá trình hình thành vật liệu nanocomposite ZnO/GO [51] Những khuyết tật này sẽ làm giảm sự kết tụ của các hạt nano ZnO và cũng cho thấy sự tác động mạnh hơn của hạt ZnO với những vị trí khuyết tật của những lớp GO [47] Kết quả này cho thấy đã tổng hợp được GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 [52]

46 Hình 3.3: Phổ Raman của Gi, GO và các nanocomposite ZnO/GO

3.1.4 Diện tích bề mặt riêng theo BET

Bảng 3.1 cho thấy vật liệu nanocomposite ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 tổng hợp được có diện tích bề mặt riêng lớn hơn so với các vật liệu đã được tổng hợp ở một số nghiên cứu trước đây [53,54] Trong đó ZnO/GO 1:1 có diện tích bề mặt riêng lớn nhất vì ZnO/GO 1:1 xuất hiện nhiều lỗ trống, ZnO/GO 0,5:1 có lượng ZnO ít hơn nên xuất hiện ít lỗ trống, ZnO/GO 2:1 có lượng ZnO quá nhiều nên các hạt ZnO tụ lại Mặt khác, sự hấp phụ của N 2 chỉ nhạy với các lỗ nhỏ hoặc vi lỗ nên kết quả đo BET của ZnO/GO 1:1 lớn hơn so với ZnO/GO 0,5:1 và ZnO/GO 2:1 [55]

47 Bảng 3.1: Diện tích bề mặt riêng BET của các vật liệu

STT Vật liệu Diện tích bề mặt riêng BET

1 ZnO/GO 0,5:1 8,438 Luận văn này

2 ZnO/GO 1:1 65,158 Luận văn này

3 ZnO/GO 2:1 31,441 Luận văn này

Từ ảnh TEM đại diện của GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 được thể hiện ở hình 3.4 với thang đo khác nhau ở 50 nm và 200 nm cho thấy trong ảnh

TEM của GO có bề mặt trong suốt màu xám nhạt, một phần tấm GO có những vết nhăn và cuộn lại như ở hình 3.4 Ảnh TEM của các vật liệu ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 tương ứng so với ảnh TEM của tấm GO nguyên sơ Điều này có thể được thấy rõ ràng rằng có những vùng đen trên nền GO Những ảnh TEM này được cho rằng vì có mặt các hạt nano ZnO Các hạt nano ZnO có hình cầu với kích thước từ 12 - 18 nm phân bố trên bề mặt của tấm GO Khi kết hợp ZnO với GO cho thấy ảnh TEM của ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 có các hạt ZnO đính lên GO nên làm giảm kết tụ so với GO Ngoài ra, ảnh TEM của ZnO/GO 0,5:1 có các hạt ZnO đính lên nhưng ít hơn so với ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1, với ZnO/GO 2:1 thì rất nhiều các hạt ZnO nên còn có một số hạt ZnO không đính lên tấm GO bị tụ lại ở ngoài bề mặt GO, ZnO/GO 1:1 có các hạt ZnO phân tán đều trên tấm GO và các hạt

48 ZnO không bị tụ lại bên ngoài Đây là kết quả của quá trình phản ứng theo phương pháp đồng kết tủa [56]

49 Hình 3.4: Ảnh TEM của GO và các nanocomposite ZnO/GO

Khả năng kháng khuẩn

3.2.1 Khả năng kháng khuẩn theo phương pháp khuếch tán qua giếng thạch

Từ bảng 3.3 và hình 3.5 (a) cho thấy kết quả đường kính vòng kháng khuẩn của

ZnO, GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 ở cựng nồng độ 500 àg/mL và mật độ vi khuẩn là 10 7 CFU/mL với vi khuẩn E coli Cả ZnO và GO đều có hoạt tính kháng khuẩn Zn 2+ được vận chuyển qua màng vi khuẩn thông qua các đường dẫn ion, mất nhiều năng lượng và làm ảnh hưởng đến điều kiện sống của các vi khuẩn Ngoài ra, GO có tác dụng kháng khuẩn bằng cách làm vỡ màng tế bào, kích thích và tăng sản xuất các oxy hoạt hóa ZnO và GO có đường kính vòng kháng khuẩn nhỏ hơn so với

ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 Kết quả này cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite cao hơn ZnO và GO Điều này có thể giải thích vì ZnO/GO có sự kết hợp các cạnh sắc nhọn của GO và độ mài mòn của ZnO dẫn đến gây hại các màng vi khuẩn, và nồng độ tương đối cao của Zn 2+ cuối cùng có thể gây ra chết vi khuẩn [56,57]

Từ bảng 3.3 và hình 3.5 (b) cho thấy kết quả đường kính vòng kháng khuẩn của ZnO, GO, ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1 và ZnO/GO 2:1 ở cựng nồng độ 500 àg/mL và mật độ vi khuẩn là 10 7 CFU/mL với vi khuẩn S aureus ZnO và GO cũng có hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn S aureus Nhưng đường kính vòng kháng khuẩn của

ZnO và GO đều nhỏ hơn so với ZnO/GO 0,5:1, ZnO/GO 1:1, ZnO/GO 2:1; và ZnO/GO 1:1 có đường kính vòng kháng khuẩn lớn nhất Vì vậy, hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnO/GO 1:1 cũng có hoạt tính là mạnh nhất đối với S aureus

51 Hình 3.5: Đĩa petri thể hiện vòng kháng khuẩn của vật liệu ZnO, GO và các nanocomposite ZnO/GO với E coli (a) và S aureus (b) Đối với hai vi khuẩn E coli và S aureus thì ZnO/GO 1:1 có đường kính vòng kháng khuẩn lớn nhất Mặt khác, ZnO/GO 1:1 có diện tích bề mặt riêng lớn nhất nên khả năng tiếp xúc với màng vi khuẩn lớn hơn Kết quả này cho thấy ZnO/GO 1:1 có hoạt tính kháng khuẩn cao hơn ZnO/GO 0,5:1 và ZnO/GO 2:1 Ngoài ra, đường kính vòng kháng khuẩn của ZnO/GO 1:1 đối với E coli lớn hơn so với S aureus Điều này cho thấy vật liệu ZnO/GO 1:1 có hoạt tính kháng khuẩn đối với E coli là cao hơn so với S aureus Và vật liệu ZnO/GO 1:1 được chọn để gửi đi Phòng thí nghiệm vi sinh – hóa lý của Viện Pasteur thành phố Hồ Chí Minh thử nghiệm khả năng kháng khuẩn nhằm khẳng định và so sánh hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu này đối với E Coli, S aureus

52 Bảng 3.2: Kết quả đường kính vòng kháng khuẩn của ZnO, GO và các nanocomposite

STT Vật liệu Đường kính (mm)

3.2.2 Khả năng kháng khuẩn của ZnO/GO 1:1 theo ASTM 2149:2010

Kết quả thử nghiệm kháng khuẩn được thể hiện ở hình 3.6 và bảng 3.3 cho thấy khả năng kháng khuẩn của vật liệu ZnO/GO 1:1 với vi khuẩn E coli và S aureus trong thời gian tiếp xúc 1 giờ, thời gian nuôi cấy 48 giờ trong môi trường thử nghiệm Baird Parker, EMB bằng phương pháp ASTM 2149:2010 thì ZnO/GO 1:1 đều cho tỉ lệ diệt khuẩn cao Ở các nồng độ vi khuẩn khác nhau ở hai vi khuẩn thì cho số con còn sống khác nhau Điều này cho thấy ZnO/GO 1:1 có khả năng kháng khuẩn đối với vi khuẩn E coli và S aureus Đồng thời, tỷ lệ diệt khuẩn của vật liệu ZnO/GO 1:1 với vi khuẩn E coli cao hơn so với S aureus Kết quả này tương đồng với kết quả thử nghiệm bằng phương pháp khuếch tán qua giếng thạch như đã trình bày ở trên

53 Hình 3.6: Đĩa petri với vi khuẩn E.coli (a) và S.aureus (b) Bảng 3.3: Kết quả kiểm tra kháng khuẩn bằng phương pháp ASTM 2149:2010

Nồng độ vi khuẩn thử nghiệm

Sau khi tiếp xúc 01 giờ Vi khuẩn còn sống (CFU/mL)

3.2.3 Nồng độ ức chế tối thiểu của vật liệu ZnO/GO 1:1

Từ kết quả thử nghiệm kháng khuẩn, vật liệu ZnO/GO 1:1 được xác định nồng độ ức chế tối thiểu như ở hình 3.6 Kết quả cho thấy trên đĩa 96 giếng với các nồng độ khỏc nhau từ 640 đến 0,3125 àg/mL ở vị trớ số A 1 giảm đến nồng độ thấp nhất ở vị trớ A 12 Hàng B 1 đến B 12 cú chứa 100 àL mụi trường và 25 àl vi khuẩn là đặc trưng cho chứng dương và hàng C 1 đến C 12 chỉ chứa 100 àL mụi trường đặc trưng cho chứng õm

Từ hình 3.6 cho thấy đối với vi khuẩn E coli hàng A 1 đến A 12 với các nồng độ khác nhau cho thấy ở vị trí A 12 đến A 1 các giếng dần dần trong lên bắt đầu từ vị trí A 4 với

54 nồng độ 80 àg/mL Tại vị trớ A 4 vi khuẩn bị ức chế là nồng độ ức chế tối thiểu đối với vi khuẩn E coli Đối với hàng F, G, H được khảo sát nồng độ với vi khuẩn S aureus

Kết quả cho thấy hàng F 12 đến F 4 giếng vẫn còn đục đối chứng với giếng ở hàng G 1 đến G12 chỉ có môi trường và vi khuẩn Đến vị trí F 3 thì giếng bắt đầu trong lại dần dần đối chứng với giếng ở hàng H 1 đến H 12 chỉ chứa môi trường Kết quả cho thấy tại giếng F 3 thỡ ZnO/GO 1:1 với nồng độ 160 àg/ml đó ức chế vi khuẩn S aureus và cú nồng độ ức chế cao hơn so với E coli [57,58]

Kết hợp kết quả kháng khuẩn và nồng độ ức chế tối thiểu cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của ZnO/GO 1:1 đối với E coli cao hơn so với S aureus Vì sự khác nhau của vách tế bào giữa cả hai loại vi khuẩn Gram âm có một lớp peptidoglycan mỏng với một lớp cấu trúc được gọi là màng lipopolysaccharide ngoài (LPS) trong khi vi khuẩn Gram dương có một lớp peptidoglycan dày và không có màng lipopolysaccharide ngoài Vách tế bào có chức năng rất quan trọng bởi vì nó như một rào cản kháng với một số phần tử và các tế bào khác hoặc nó có thể như là một mục tiêu cho nhiều thuốc kháng sinh Một vách tế bào cho phép một tế bào vi khuẩn có hình xác định của nó Các kết quả cho thấy rằng ZnO/GO 1:1 có hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn trên vi khuẩn E coli so với vi khuẩn S aureus [58]

Hình 3.7: Khảo sát nồng độ ức chế tối thiểu của ZnO/GO 1:1 với 2 vi khuẩn E coli và

55 Bảng 3.4: Nồng độ ức chế tối thiểu của ZnO/GO 1:1