Đồ án tốt nghiệp: So sánh chế phẩm nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp mẻ và phương pháp vi dòng sử dụng glucose làm chất khử

Trong bài nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như phương pháp tổng hợp, nồng độ CuSO4, chất bao, thời gian phản ứng để đánh giá các đặc tính hóa lý cũng như khả năng kháng

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2024

SO SÁNH CHẾ PHẨM NANO ĐỒNG ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẺ VÀ PHƯƠNG PHÁP VI DÒNG

SỬ DỤNG GLUCOSE LÀM CHẤT KHỬ

GVHD: PGS.TS TRỊNH KHÁNH SƠN PGS.TS NGUYỄN VINH TIẾN SVTH: NGUYỄN ĐỨC NGUYÊN NGUYỄN HỒNG SƠN

S K L 0 1 3 1 9 1

ii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÃ SỐ: 2024-20116065

SO SÁNH CHẾ PHẨM NANO ĐỒNG ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẺ VÀ PHƯƠNG PHÁP VI DÒNG

SỬ DỤNG GLUCOSE LÀM CHẤT KHỬ

GVHD: PGS TS TRỊNH KHÁNH SƠN PGS.TS NGUYỄN VINH TIẾN

SVTH: NGUYỄN ĐỨC NGUYÊN 20116065

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 07/2024

iii

iv

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp này không chỉ là công sức của mỗi cá nhân chung tôi mà có thể hoàn thành, trong quá trình làm kháo luận tốt nghiệp nhóm chúng tôi đã nhận được sự trợ giúp và hỗ trợ từ rất nhiều người Chúng tôi xin chân gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người Đầu tiên, nhóm chúng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô giảng dạy tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Quý thầy cô đã truyền đạt cho chúng tôi nhiều kiến thức chuyên ngành, các kinh nghiệm thực tiễn và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và trang thiết bị hiện đại để giúp chúng tôi hoàn thành khóa luận thật tốt Trên hết, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS Trịnh Khánh Sơn và thầy PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến – vì đã là người luôn đồng hành, trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người thân và đặc biệt là anh Đào Nhật Kha (cựu sinh viên khóa 2019) và hai em Lê Thị Yến Nhi và Nghiêm Quốc An (các em sinh viên khóa 2021) và các bạn trong nhóm đồ án thầy Sơn đã đồng hành và hỗ trợ chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án

Mặc dù dưới sự hưỡng dẫn và hỗ trợ tận tình từ các thầy và sự hỗ trợ từ mọi người xung quanh nhưng trong quá trình làm khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót do kinh nghiệm và kiến thức của chính bản thân chúng tôi còn hạn hẹp dẫn đến sai sót Chúng tôi rất mong nhận được những góp ý kiến thật lòng của các quý thầy cô để bài nghiên cứu của nhóm chúng tôi có thể được hoàn thiện hơn

Một lần nữa, chúng tôi xin cảm ơn tất cả mọi người!

v

LỜI CAM ĐOAN

vi

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

vii

viii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

ix

x

xi

xii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

xiii

xiv

xv

xvi

xvii

xviii

xix

xx

xxi

xxii

xxiii

xxiv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN vi PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN viii PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN xii MỤC LỤC xxiv DANH MỤC HÌNH xxvi DANH MỤC BẢNG xxviii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xxix TÓM TẮT KHÓA LUẬN xxx CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu của đề tài 3 1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài 3 1.4 Nội dung nghiên cứu 3 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 1.6 Bố cục của báo cáo 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 5

2.1 Giới thiệu chung về công nghệ nano 5 2.1.1 Lịch sử hình thành và khái niệm 5 2.1.2 Cách phân loại vật liệu nano 5 2.2 Giới thiệu về hạt nano từ kim loại 9 2.2.1 Tính chất đặc trưng 9 2.2.2 Ứng dụng của hạt nano 11 2.2.3 Khả năng kháng vi sinh vật 12 2.3 Tổng quan về nano đồng (CuNPs) 14 2.3.1 Giới thiệu 14 2.3.2 Phương pháp tổng hợp 14 2.3.3 Chất bao 16 2.3.4 Chất khử 17

2.3.5 Vi khuẩn Escherichia coli 17 2.3.6 Nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides 18

xxv 2.4 Tổng quan về thiết bị vi dòng 19

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Vật liệu 22 3.2 Thiết bị thực hiện thí nghiệm 22 3.3 Phương pháp nghiên cứu 22

3.3.1 Phương pháp hồi phục chủng giống vi khuẩn Escherichia coli 22 3.3.2 Phương pháp hồi phục chủng giống nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides 23

3.3.3 Phương pháp tổng hợp chế phẩm nano đồng 24 3.3.4 Xây dựng mối quan hệ giữa mật độ tế bào và mật độ quang 28 3.3.5 Tính toán các thông số động học sinh trưởng của vi khuẩn 29 3.3.6 Phương pháp đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn của CuNPs 29 3.3.7 Phương pháp đánh giá khả năng kháng nấm mốc của dung dịch CuNPs 31 3.3.8 Phương pháp dùng để xác định các tính chất hóa lý của CuNPs 33 3.3.9 Phương pháp xử lý số liệu 36

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37

4.1 Các đặc tính của CuNPs 37 4.1.1 Màu sắc 37 4.1.2 EDX – Quang phổ tia X phân tán năng lượng 39 4.1.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) 40 4.1.4 Thế Zeta của các mẫu CuNPs 43 4.1.5 Phân bố kích thước hạt theo phép đo DLS của các mẫu CuNPs 45 4.1.6 Kích thước và hình thái của CuNPs (chụp SEM) 47

4.2 Khả năng ức chế E.coli của các mẫu CuNPs 53

4.3 Đánh giá khả năng kháng nấm mốc của chế phẩm nano đồng 58

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

xxvi

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Phân loại các vật liệu cấu trúc nano theo chiều, hình thái, thành phần, tính đồng

nhất và trạng thái kết tụ 6 Hình 2 2 Vật liệu nano được phân loại dựa theo cấu trúc không gian 6 Hình 2.3 Ứng dụng của một số loại vật liệu nano một chiều (1D) trong việc lưu trữ năng lượng điện hóa 7 Hình 2.4 Ứng dụng của một số loại vật liệu nano hai chiều (2D) trong lĩnh vực sinh học 8 Hình 2.5 Cơ chế kháng khuẩn của các hạt nano đồng 13 Hình 2.6 Quy trình tổng hợp vật liệu nano theo phương pháp Top - down và Bottom – up 15

Hình 2.7 Hình thái bào tử Colletotrichum gloeosporioides dưới kính hiển vi quang học (mũi

tên chỉ chiều dài của bào tử) 18 Hình 2.8 Triệu chứng bệnh thán thư điển hình trên (A) đu đủ, (B) xoài và (C) thanh long 19 Hình 2.9 Phương pháp tổng hợp nano theo phương pháp tiếp cận thông thường (A) và theo thiết bị vi dòng (B) với các thiết kế khác nhau 20

Hình 3.1 Quy trình hồi phục, nhân giống và xác định mật độ sinh khối vi khuẩn E Coli 23 Hình 3.2 Quy trình hồi phục chủng giống nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides 24

Hình 3 3 Tổng hợp chế phẩm nano đồng theo phương pháp mẻ (Batch.0,05) 25 Hình 3 4 Sơ đồ mô tả quá trình tổng hợp CuNPs bằng phương pháp mẻ (Batch.0,05) 26 Hình 3.5 Cơ chế phản ứng khử giữa glucose và Cu2+ trong môi trường kiềm 26 Hình 3 6 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp CuNPs theo phương pháp vi dòng 27 Hình 3.7 Cấu tạo và kích thước thiết bị vi dòng 27 Hình 3.8 Đường chuẩn mô tả mật độ vi khuẩn (CFU/mL) so với mật độ quang học (OD625)

28

Hình 3.9 (a) Đường cong tăng trưởng của vi sinh vật; (b) Đồ thị log của số lượng tế bào

theo thời gian trong quá trình tăng trưởng theo cấp số nhân 29

Hình 3 10 Quy trình đánh giá khả năng kháng E Coli của CuNPs bằng phương pháp đo

mật độ quang 30

Hình 3.11 Sơ đồ quy trình kháng nấm mốc C gloeosporioides trong môi trường lỏng CDB

của chế phẩm CuNPs 31 Hình 3.12 Sự dao động theo lý thuyết về cường độ tán xạ của các hạt lớn và nhỏ trong dung dịch 33 Hình 4.1 Màu sắc các mẫu CuNPs theo phương pháp khác nhau 37 Hình 4 2 Quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) của các mẫu chế phẩm CuNPs 39 Hình 4 3 Đồ thị nhiễu xạ tia X của các mẫu nano đồng 40 Hình 4 4 Phản ứng khử Cu2O thành Cu 41 Hình 4 5 (A) Các mặt phẳng tinh thể; (B) Hình thái của các hạt nano bát diện cắt góc 42 Hình 4 6 Thế zeta của các mẫu CuNPs 43 Hình 4 7 Kích thước trung bình của các hạt CuNPs khác nhau 46 Hình 4 8 Mô phỏng chế độ dòng chảy "parabolic velocity" 49

xxvii Hình 4 9 Sự phân bố kích thước hạt của CuNPs từ hình chụp SEM 50 Hình 4 10 Hình ảnh chụp SEM các mẫu CuNPs khác nhau 52

Hình 4 11 Ảnh hưởng của nồng độ CuNPs đến sự phát triển của E coli được xác định theo

phương pháp đo mật độ quang 53 Hình 4 12 Sinh khối nấm mốc thu nhận trên giấy lọc ở các mẫu với các nồng độ dung dịch CuNPs khác nhau 58 Hình 4 13 Hoạt lực ức chế nấm mốc tại các nồng độ CuNPs khác nhau giữa các mẫu 59

xxviii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước 2 Bảng 2.1 Một số tính chất vật lý và hóa học của các hạt nano kim loại 10 Bảng 2.2 Các hạt nano được tổng hợp theo các hướng khác nhau 14 Bảng 3 1 Bảng mã hóa mẫu của các dung dịch CuNPs 24 Bảng 3.2 Thành phần tỉ lệ giống, môi trường nuôi cấy và dung dịch CuNPs trong dung dịch

Bảng 4 7 Ảnh hưởng của nồng độ CuNPs khác nhau đến động học sinh trưởng E coli 57

Bảng 4 8 Sinh khối nấm mốc (mg/100 mL) thu nhận ở các mẫu với các nồng độ dung dịch CuNPs 58

xxix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Số thứ tự

Từ viết tắt

Từ gốc tiếng anh Từ gốc tiếng việt

2 DLS Dynamic light scattering Tán xạ ánh sáng động 3 EDX The Energy Dispersive X-ray Quang phổ tia X phân tán năng

lượng

10 BGBL Brilliant Green Bile Broth

bằng phương pháp vi dòng

bằng phương pháp mẻ

xxx

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong những năm gần đây, chế phẩm CuNPs được biết đến với khả năng kháng vi khuẩn và nấm mốc hiệu quả cùng với giá thành hợp lý và độc tính thấp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y học và thực thẩm Các chế phẩm CuNPs được sử dụng kết hợp với các loại màng bao thực phẩm và các lớp phủ bề mặt để bảo quản thực phẩm, bảo vệ thực phẩm khỏi các tác nhân vật lý hóa học và sinh học gây ảnh hưởng xấu đến thực phẩm từ đó giúp thời gian sử dụng được kéo dài hơn Các tính chất hóa lý của CuNPs ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn và nấm mốc của chúng Trong bài nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như phương pháp tổng hợp, nồng độ CuSO4, chất bao, thời gian phản ứng để đánh giá các đặc tính hóa lý cũng như khả năng kháng vi sinh vật và nấm mốc của các mẫu CuNPs

Thông qua phương pháp chụp SEM cho thấy kích thước hạt nano đồng dao động trong khoảng 48 – 74 nm Cả 2 phương pháp tổng hợp đều cho thấy hình thái kích thước hạt nano đồng không có hình thái rõ rệt, có cấu trúc gần giống hình cầu Trong kết quả XRD thu được cho thấy tất cả các mẫu đều có tỷ lệ cường độ của đỉnh (200) : (111) trong khoảng 0,43 – 0,51, điều này biểu thị các mẫu đều hình thái bát diện bị cắt góc Góc nhiễu xạ cho thấy, chế phẩm nano tổng hợp là hỗn hợp gồm Cu2O và Cu Kết quả ức chế Escherichia coli ghi nhận

ở các mẫu tổng hợp theo phương pháp mẻ có hiệu quả ức chế tốt hơn so với phương pháp vi dòng Các mẫu giảm nồng độ CuSO4, tinh bột và thời gian phản ứng có hiệu quả ức chế yếu hơn các mẫu giữ nguyên nồng độ và thời gian phản ứng Khả năng kháng nấm mốc trong môi trường lỏng của các chế phẩm nano đồng cho thấy hoạt lực ức chế cao nhất ở 400 ppm với các mẫu không giảm thời gian phản ứng ghi nhận hoạt lực ức chế cao hơn so với mẫu giảm thời gian phản ứng

Colletotrichum - một chi lớn bao gồm một số loài nấm mốc gây nên những bệnh phổ biến

nhất trên nhiều loại rau quả nhiệt đới và cận nhiệt đới Hầu hết mọi loại cây trồng đều mẫn

cảm với một hoặc nhiều loài nấm mốc thuộc chi Colletotrichum Trong đó phải kể đến

Colletotrichum gloeosporioides, một loại nấm mốc gây ra bệnh thán thư trên các sản phẩm

nông nghiệp và đang là mối đe dọa đối với nền nông nghiệp toàn cầu nói chung và Việt Nam

nói riêng Bệnh thán thư do nấm mốc C gloeosporioides có thể xuất hiện và lây lan nhanh

chóng trong quá trình sinh trưởng, thu hoạch, vận chuyển và bảo quản sau thu hoạch trái cây (Siddiqui & Ali, 2014)

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, một số công nghệ mới đang được khám phá với mục tiêu kiểm soát bệnh thán thư hiệu quả trên các loại trái cây dễ hư hỏng như là sử dụng các hợp chất được công nhận là an toàn (GRAS – Generally Recognized as Safe Compounds), chất khử trùng, kiểm soát sinh học, chất cảm ứng tự nhiên, lớp phủ bề mặt (chitosan, gum arabic ) và tinh dầu (từ xả, hạt thầu dầu, ) cho thấy hiệu quả trong việc ức chế sự lây lan của bệnh thán thư và giảm tổn thất trong bảo quản trái cây (Siddiqui & Ali, 2014) Tuy nhiên, những công nghệ này cũng có những ưu và nhược điểm riêng Trong những công nghệ được nêu trên, sử dụng lớp phủ bề mặt đặc biệt là lớp phủ có bổ sung thêm chất kháng khuẩn là một phương pháp khá nổi bật Trong đó phải nói đến nghiên cứu của Nguyễn Vinh Tiến và các cộng sự (năm 2020) đã sử dụng lớp phủ có bổ sung thêm nano

đồng để chống lại tác nhân gây nên bệnh thán thư trên quả xoài - nấm mốc C

gloeosporioides (Nguyen et al., 2020)

2 Bảng 1 1 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu ngoài nước STT Tên bài báo khoa học Tên tác giả Nội dung

1 Tổng hợp “xanh” và xác định đặc tính của vật liệu nano tổng hợp Cu 2 O/PVA (Journal et al., 2012)

Thiết lập, xây dựng quy trình mới trong tổng hợp nano Cu 2 O nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng các chất hóa học cũng như các sản phẩm phụ độc hại ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người

2 Chất hoạt động bề mặt hỗ trợ trong quá trình tổng hợp các hạt nano Cu 2 O dưới tác dụng của nhiệt độ

(M A Khan, 2015)

Đánh giá vai trò chất hoạt động bề mặt Polyvinylpyrrolidone (PVP K-30) trong tổng hợp các hạt nano Cu 2 O bằng cách khử CuSO 4 5H 2 O với D-glucose làm chất khử ở các thời gian và nhiệt độ phản ứng khác nhau

3 Quá trình tổng hợp có kiểm soát hình thái các hạt tinh thể nano đồng trong dung dịch với Glucose làm chất khử và Hexadecylamine làm chất bao

(Jin et al., 2011)

Ứng dụng của của chất bao Hexadecylamine (HDA) trong kiểm soát sự hình thành của tinh thể nano đồng, cùng như đồng thời ngăn chúng khỏi bị oxy hóa bởi không khí 4

Tổng hợp, đặc tính và khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano đồng oxit theo cấu trúc cụ thể

(Ananth et al., 2015)

Nghiên cứu quá trình tổng hợp hóa học ướt của các hạt nano CuO với hình thái khác nhau đến hiệu quả kháng khuẩn của chúng

5 Hoạt tính xúc tác, kháng khuẩn, gây độc tế bào và chống oxy hóa của các hạt nano trong tổng hợp “xanh”

(Din et al., 2017)

Sử dụng quy trình tổng hợp “xanh” tạo ra các hạt nano thay thế cho các phương pháp vật lý và hóa học để giảm thiểu chi phí cũng như các sản phẩm phụ độc hại ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người

Nghiên cứu trong nước STT Tên bài báo Tên tác giả Nội dung

1 Hoạt tính kháng khuẩn của vải lọc polyeste gắn nano đồng

(Nguyen & Trinh, 2018)

Nghiên cứu phương pháp gắn CuNPs lên vải lọc polyeste từ vật liệu polyetylene terephthalate (PET) và đánh giá hiệu quả kháng khuẩn của vật

liệu đối với vi khuẩn E coli trong môi

trường sữa

2 Ảnh hưởng của quy trình tổng hợp và pH đến hình thái, kích thước và hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano đồng (I) oxit

(Nguyen & Trinh, 2020)

Các hạt nano đồng (I) oxit sau khi được tổng hợp dựa trên quá trình khử giữa glucose và Cu 2+ trong môi trường kiềm với rượu polyvinyl (PVA) làm chất bao Các hạt nano Cu 2 O tạo thành sau đó được ủ trong hai dung dịch đệm có độ pH là 6,0 và 8,0 để đánh giá mức độ ảnh hưởng của pH đến sự phân bố kích thước, hình dạng và hiệu quả kháng khuẩn của các hạt nano Cu 2 O

3 Tác dụng kháng vi sinh vật của các hạt nano đồng được tạo ra trong hệ thống điện

hóa sinh học được hỗ trợ bởi Shewanella

đối với các mầm bệnh vi khuẩn thực vật

(Luong et al., 2022)

Ứng dụng của Shewanella trong điện

hóa để khử ion Cu 2+ bằng phương pháp sinh học thay thế cho các phương pháp khác trong tổng hợp các hạt nano để đánh giá hình thái và cấu trúc hóa học của hạt nano Cu tổng hợp được cũng như hiệu quả kháng khuẩn của hạt nano

Thời gian gần đây, ngành công nghệ nano đã nhanh chóng phát triển và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống (một số nghiên cứu trong và ngoài nước được tóm tắt trong bảng 1.1) Trong đó, các hạt nano bạc là một trong những loại nano được nghiên cứu nhiều nhất với tác

3 dụng diệt khuẩn cao, tiêu diệt cả nấm và virus (Rai et al., 2014) Tuy nhiên để sản xuất đại trà nano bạc và sử dụng với số lượng lớn thì yêu cầu chi phí rất cao do giá bạc và các hợp chất liên quan đến bạc đều cáo giá thành cao Chính vì thế cần tìm một loại kim loại có giá thành thấp hơn và hoạt tính kháng khuẩn cao để thay thế bạc Theo nhiều nghiên cứu, từ lâu kim loại đồng và các hợp chất chứa đồng đã được sử dụng làm chất kháng khuẩn và kháng nấm trong nông nghiệp và y học, ngoài ra đồng còn là một kim loại phổ biến với giá thành thấp, nên việc sử dụng các hạt nano đồng thay thế để thay thế nano bạc là một điều rất hợp lý Trong các phương pháp tổng hợp nano đồng hiện nay, phương pháp khử khóa học là một phương pháp phổ biến và khá dễ thực hiện và mang lại hiệu quả tốt (Nguyen et al., 2020)

Chính vì thế, chúng tôi đã quyết định chọn nội dung và thực hiện đề tài “So sánh chế

phẩm nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp vi dòng và phương pháp mẻ sử dụng glucose làm chất khử”

1.2 Mục tiêu của đề tài

Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi sẽ so sánh việc tổng hợp chế phẩm nano đồng bằng hai phương pháp: mẻ và vi dòng sử dụng glucose làm chất khử Chúng tôi sẽ thực hiện khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp CuNPs và so sánh giữa hai phương pháp để tìm ra cách thu được dung dịch CuNPs có các đặc tính hóa lý và khả năng kháng khuẩn tốt nhất

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chúng tôi sẽ tổng hợp CuNPs bằng phương pháp khử hóa học sử dụng CuSO₄.5H₂O làm tiền chất, tinh bột làm chất bao và glucose làm chất khử Chúng tôi sẽ tổng hợp các mẫu CuNPs bằng cả phương pháp mẻ và phương pháp vi dòng (sử dụng chip vi dòng) Sau đó, chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CuSO₄.5H₂O, chất bao ban đầu, thời gian phản ứng và phương pháp tổng hợp đến các tính chất hóa lý của các mẫu nano đồng Cuối cùng,

chúng tôi sẽ sử dụng các mẫu nano đồng để kiểm tra khả năng kháng vi khuẩn với E coli và nấm mốc C gloeosporioides để xác định điều kiện tổng hợp nano đồng có hiệu quả kháng

khuẩn tốt nhất

1.4 Nội dung nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ thực hiện các nội dung sau: - Sử dụng hai phương pháp để tổng hợp dung dịch nano đồng (I) oxide: phương pháp mẻ (Batch) và phương pháp vi dòng (MF) sử dụng chip vi lưu dạng zigzag

4 - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như nồng độ CuSO₄.5H₂O và tinh bột ban đầu, thời gian

phản ứng, và cùng với phương pháp tổng hợp đến khả năng ức chế vi khuẩn E coli và nấm mốc C gloeosporioides của dung dịch nano đồng (I) oxide

- Đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn E coli (ở các nồng độ 75, 100, 125, 150 ppm) và nấm mốc C gloeosporioides (ở các nồng độ 100, 200, 300, 400 ppm) của CuNPs

- Sử dụng các phương pháp đo như thế zeta, DLS, XRD, chụp SEM và EDX để đánh giá tính chất hóa lý, kích thước và hình thái của CuNPs

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bệnh thán thư trên rau quả do nấm mốc C gloeosporioides tạo ra gây ảnh hưởng rất lớn

đến năng suất thu hoạch và giá trị của nông sản, việc sử dụng nano đồng nhằm mục đích diệt khuẩn và kháng nấm được đánh giá là mang lại hiệu quả tốt Việc nghiên cứu, so sánh chế phẩm nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp mẻ (Batch) và vi dòng (MF) đồng thời thay đổi nồng độ CuSO4 và tinh bột, thời gian phản ứng để từ đó chọn ra được cách tổng hợp

tối ưu nhất mang lại hiệu quả kháng khuẩn và kháng nấm mốc C gloeosporioides tốt nhất

Ngoài ra, nano đồng được tổng hợp với chi phí rẻ, đơn giản, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất nên chúng tôi quyết định cọn thực hiện nội dung đề tài này

1.6 Bố cục của báo cáo

Bài báo cáo gồm 5 chương: Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Cho đến năm 1974, thuật ngữ “Công nghệ nano” hay “Nanotechnology” lần đầu tiên được Giáo sư Norio Taniguchi của Đại học Khoa học Tokyo đưa vào giới khoa học tại hội nghị quốc tế, nhằm mô tả các tác động lên vật liệu ở trạng thái cấp độ nguyên tử hoặc phân tử Công nghệ nano được xem là một trong số lĩnh vực chuyên nghiên cứu chế tạo và tổng hợp ra những vật liệu có cấu trúc ở dạng nano (Nanomarteial) với chức năng và cấu trúc chuyên biệt (Sharon, 2009) Vật liệu nano có nhiều kích thước và hình thái khác nhau như hình cầu, hình trụ, hình ống, hình nón, lõi rỗng, xoắn ốc, có kích thước từ 1 - 100 nanometer (Ealias & Saravanakumar, 2017) Ở cấp độ nano, vật liệu có các đặc tính độc đáo về mặt hóa học và vật lý, ngày nay, vật liệu nano đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, sinh học, môi trường và các ngành công nghiệp chế tạo vật liệu

2.1.2 Cách phân loại vật liệu nano

Có nhiều cách phân loại vật liệu nano khác nhau như vào kích thước, nguồn gốc, chức năng cũng như vật liệu cấu thành của chúng (Andreas Öchsner et al., 2017; Dolez, 2015) Theo nguồn gốc của chúng, việc phân loại vật liệu được chia thành hai nhóm chính gồm vật liệu nano với nguồn gốc từ tự nhiên như virus, protein, enzyme và khoáng chất và vật liệu nano nhân tạo Trong các nghiên cứu gần đây, việc phân loại vật liệu nano chủ yếu dựa trên hình thái cấu trúc của chúng (Nadaroglu et al., 2017)

6

Hình 2.1 Phân loại các vật liệu cấu trúc nano theo chiều, hình thái, thành phần, tính đồng

nhất và trạng thái kết tụ (Andreas Öchsner et al., 2017)

a) Cấu trúc không gian – Dimensionality

Theo một nghiên cứu trước đó đã được công bố, dựa theo cấu trúc trạng thái không gian mà vật liệu nano được chia thành các nhóm sau: vật liệu nano không chiều (0D), vật liệu nano một chiều (1D), vật liệu nano hai chiều (2D) và vật liệu nano ba chiều (3D) (Pokropivny & Skorokhod, 2007)

Hình 2 2 Vật liệu nano được phân loại dựa theo cấu trúc không gian (Paras et al., 2023)

7

● Vật liệu nano không chiều (0D): các electron nằm cố định, với kích thước từ 1 –

100 nm Chúng có thể được sử dụng riêng lẻ cho từng mục đích khác nhau như: làm chất đánh dấu tế bào (cell marker), chất nhũ hóa hoặc đóng vai trò như một chất độn (Dolez, 2015) Ngoài ra, vật liệu nano không chiều (0D) được xem là có tiềm năng trong phát hiện ra sự hiện diện của các ion, nhận dạng phân tử sinh học, cũng như trong việc chẩn đoán các mầm bệnh Ngày nay, việc tạo ra các cảm biến sinh học cũng đang được nghiên cứu và triển khai trực tiếp trên vật liệu nano không chiều (0D) với mục đích ứng dụng trong y học (Wang et al., 2020)

● Vật liệu nano một chiều (1D Là các loại vật liệu nano có cấu trúc hai chiều không

gian với kích thước 1 – 100 nm chiều thứ ba có kích thước lớn hơn 100 nm Bao gồm các sợi nano (nanofibers), ống nano (nanotubes), dây nano (nanowires) và thanh nano (nanorods) Vật liệu nano 1D có độ kết tinh cao, độ đồng nhất, độ phân tán tốt và dễ tổng hợp (Paras et al., 2023) Nhờ vào tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính lớn nên chúng có các đặc tính về điện, cơ học, hóa học và từ tính vượt trội so với các vật liệu khối Trong đó, sợi nano thường được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực về điện tử do tỷ lệ kích thước giữa chiều dài và rộng lớn hơn đối với các vật liệu nano một chiều khác có khả năng giữ các electron theo chiều ngang tốt hơn nên thường được sử dụng làm chất bản chất Ngoài ra, các thanh nano có khả năng thay đổi góc phản xạ khi thay đổi điện trường và nhiệt trong quá trình hấp thụ bức xạ hồng ngoại (Dolez, 2015)

Hình 2.3 Ứng dụng của một số loại vật liệu nano một chiều (1D) trong việc lưu trữ năng

lượng điện hóa (Wei et al., 2017)

8

• Vật liệu nano hai chiều (2D): có các đặc tính hóa lý khác thường nhờ vào tỷ lệ kích

thước lớn, hiệu ứng kích thước lượng tử và tính chất bề mặt độc đáo (Chen et al., 2018; F Yang et al., 2019) Vật liệu 2D nổi bật với độ bền cơ học và độ dẻo cao Nhờ vào cấu trúc đa lớp được tạo thành từ các mặt phẳng nguyên tử siêu mỏng, các mặt phẳng liên kết với nhau thông qua lực Van der waals, và sự hiện diện của liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử bên trong mặt phẳng (Paras et al., 2023) Với những ưu điểm đáng chú ý như độ bền cơ học cao, cấu trúc hình học siêu mỏng, kích thước mặt ngang lớn thuận lợi cho các hoạt động xúc tác từ đó, chúng trở thành điểm nóng được ứng dụng nghiên cứu rộng rãi trong các ngành khoa học như hóa học, sinh học, vật lý (F Yang et al., 2019)

Hình 2.4 Ứng dụng của một số loại vật liệu nano hai chiều (2D) trong lĩnh vực sinh học

(Chimene et al., 2015)

● Vật liệu nano ba chiều (3D): có kích thước > 100 nm, chúng có thể được tổng hợp

dựa trên sự sắp xếp và tái tổ hợp cấu trúc của vật liệu nano 0D, 1D, và 2D Hình dạng của vật liệu nano 3D rất đa dang như hình que, hình khối, hình cầu, quả cầu xốp, thanh nano liên kết ngang,… (Paras et al., 2023) Chúng có diện tích bề mặt riêng lớn kèm với đó là các đặc tính vượt trội khác so với số lượng mà chúng tạo ra từ hiệu ứng kích thước lượng tử (Tiwari et al., 2012) Một số loại vật liệu 3D có cấu trúc xốp với các kênh dẫn bên trong thường được ứng dụng trong việc vận chuyển thuốc, xúc

tác hóa học hoặc chế tạo các bộ cảm biến (Verma et al., 2023)

b) Hình thái học – Morphology

Sự khác biệt của vật liệu nano khi phân loại theo hình thái học chủ yếu được chia thành hai nhóm chính chủ yếu liên quan đến kích thước của hạt nano Đối với các hạt nano có tỉ

9 lệ kích thước lớn có thể có các hình dạng khác nhau như nano dạng dây, dạng xoắn ốc, dạng zigzag, dạng trụ, dạng ống, dạng đai Trong khi đó, các hạt nano có tỉ lệ kích thước nhỏ có các hình dạng như hình cầu, xoắn ốc, dạng cột, hình chóp, hình khối (Andreas Öchsner et al., 2017)

c) Thành phần – Composition

Hạt nano có thể được tạo thành từ một vật liệu thành phần duy nhất hoặc là hỗn hợp của một số vật liệu Các vật liệu nano có nguồn gốc bản chất từ thiên nhiên thường được cấu thành từ nhiều thành phần khác nhau trên một loại vật liệu Trong khi đó, các vật liệu nano nhân tạo được cấu thành từ một loại vật liệu duy nhất có thể dễ dàng tổng hợp với nhiều phương pháp khác nhau (Benelmekki, 2015) Về quá trình tổng hợp ra các vật liệu nano, cấu trúc hạt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng liên quan tới các tính chất cơ học, độ ổn định kích thước, độ ổn định nhiệt/hóa học cũng như về tính dẫn điện của loại vật liệu đó (Sahay et al., 2014) Các hạt nano có thể được tạo thành từ một loại vật liệu duy nhất hoặc kết hợp nhiều loại vật liệu Ngày nay, chúng có thể dễ dàng được tạo ra từ các vật liệu tổng hợp theo các phương pháp khác nhau như lắng đọng hơi vật lý, liên quan đến các thay đổi về sự chuyển động và nhiệt độ của cơ các chất (Andreas Öchsner et al., 2017)

d) Trạng thái đồng nhất và kết tụ – Uniformity & agglomeration State

Dựa trên đặc tính hóa học và điện từ của các hạt nano, chúng có thể tồn tại dưới dạng phân tán, huyền phù/chất keo hoặc ở trạng thái kết tụ Thực tế cho thấy, các hạt nano có xu hướng dính vào nhau và tạo thành các khối kết tụ do tương tác lực Van der Waals tác dụng ở khoảng cách ngắn, tương tác từ, lực tĩnh điện có trong các hạt và lực bám dính liên quan đến chất lỏng hấp phụ trên bề mặt của chúng (Benelmekki, 2015) Khi ở trong chất lỏng, sự kết tụ của các hạt nano phụ thuộc vào hình thái bề mặt và chức năng của chúng, điều này có

thể tạo ra tính kỵ nước hoặc tính ưa nước (Andreas Öchsner et al., 2017)

2.2 Giới thiệu về hạt nano từ kim loại 2.2.1 Tính chất đặc trưng

Tính chất của các hạt nano thể hiện thông qua các tính chất hóa lý như diện tích bề mặt, độ bền cơ học, hoạt tính quang học và phản ứng hóa học làm cho chúng trở nên độc đáo và phù hợp với từng ứng dụng khác nhau (I Khan et al., 2019; Saleh, 2020)

10 Bảng 2.1 Một số tính chất vật lý và hóa học của các hạt nano kim loại (Ealias &

Saravanakumar, 2017)

Hạt nano kim loại Đặc tính

Sắt Dễ tham gia phản ứng, không bền, nhạy với không khí (khí oxy) và nước Nhôm Dễ tham gia vào các phản ứng, nhạy cảm với nhiệt độ, độ ẩm và sánh sáng Bạc Kháng khuẩn, khử trùng, hấp thụ và tán xạ ánh sáng, ổn định

Vàng Tương tác với ánh sáng khả kiến Coban Có từ tính, không ổn định, hấp thụ vi sóng và độc hại Cadimi Chất bán dẫn, khó hòa tan

Đồng Dễ uốn, dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt Kẽm Kháng khuẩn, kháng nấm mốc, chống ăn mòn, loại bỏ tia cực tím

❖ Tính chất điện tử và quang học Các tính chất độc đáo này lần đầu được ứng dụng làm thuốc nhuộm cho hàng dệt cũng như bột màu cho cửa sổ kính màu, đồ thủy tinh và sơn tường Ở cấp độ nano, vật liệu sẽ thể hiện màu sắc đặc trưng tùy thuộc vào kích thước của chúng ví dụ: các hạt nano vàng chuyển sang màu xanh lam hoặc đỏ tùy thuộc vào đường kính và độ dày cạnh của chúng Do ở các kích thước khác nhau vật liệu có các trạng thái cộng hưởng plasmon khác nhau dẫn đến vật liệu sẽ có khả năng tán xạ các bước sóng khác nhau (Dolez, 2015; I Khan et al., 2019)

❖ Tính chất từ Các hạt nano từ tính bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt của chúng và cho thấy hiệu suất tốt nhất khi chúng có kích thước nhỏ hơn 35 nm được ứng dụng trong lĩnh vực y tế và môi trường (Dolez, 2015) Các đặc tính này cũng phụ thuộc vào quy trình tổng hợp và các phương pháp tổng hợp khác nhau như loại dung môi, đồng kết tủa, vi nhũ tương, phân hủy nhiệt để có thể để điều chế ra chúng (I Khan et al., 2019) Thành phần cấu tạo cũng đóng một vai trò quan trọng liên quan đến tính chất từ tính của hạt nano (Kolhatkar et al., 2013)

❖ Tính chất cơ học Các vật liệu nano cung cấp diện tích bề mặt lớn và dễ chỉnh sửa, dẫn đến làm tăng tính chất cơ học như độ cứng, độ bám dính, ứng suất và biến dạng cũng như mô đun đàn hồi Các vật liệu nano thuộc nhóm hợp chất vô cơ thể hiện tính chất cơ học tốt hơn so với các hợp chất hữu cơ (Saleh, 2020) Việc khảo sát liên quan đến các thông số cơ học khác nhau như đàn hồi, độ cứng, ứng suất và biến dạng, độ bám dính và ma sát có thể giúp ích trong việc xác định tính chất cơ học của từng loại vật liệu nano để có thể cái thiện tốt các đặc tính vốn