Tổng hợp vật liệu nano oxit trên nền cellulose vi khuẩn Định hướng Ứng dụng trong kháng nấm, kháng khuẩn

Tổng hợp vật liệu nano oxit trên nền cellulose vi khuẩn Định hướng Ứng dụng trong kháng nấm, kháng khuẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐÀO QUANG KHẢI

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO OXIT TRÊN NỀN CELLULOSE VI KHUẨN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG KHÁNG NẤM, KHÁNG KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐÀO QUANG KHẢI

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO OXIT TRÊN NỀN CELLULOSE VI KHUẨN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG KHÁNG NẤM, KHÁNG KHUẨN

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 8440130.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Hoàng Dương PGS TS Mai Hồng Hạnh

Hà Nội - 2022

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất tới thầy, cô giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Dương (Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Việt Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và PGS TS Mai Hồng Hạnh (Bộ môn Quang lượng tử, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQGHN) Những kết quả của luận văn này không thể hoàn thành nếu không có sự định hướng, dẫn dắt và chỉ bảo tận tình của thầy, cô Trong thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua, mặc dù còn thiếu kinh nghiệm và đôi khi mắc sai sót nhưng thầy cô đã luôn động viên, hỗ trợ kịp thời và đề xuất phương án giải quyết hợp lý Với sự hướng dẫn tận tình của thầy cô, em đã dần hoàn thiện các kỹ năng nghiên cứu của bản thân Bên cạnh đó, em cũng cảm ơn thầy cô vì những chia sẻ chân thành và những lời khuyên hữu ích, giúp em tìm thấy niềm vui trong nghiên cứu khoa học và định hướng

sự nghiệp cho tương lai

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô, cán bộ thuộc bộ môn Quang lượng tử, khoa Vật lý, trường Quang lượng tử, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN vì sự tận tình, vì những lời khuyên bổ ích và vì những kiến thức chuyên sâu em đã nhận được trong quá trình học tập tại bộ môn Bên cạnh vấn đề học tập,

em xin cảm ơn các thầy, cô, cán bộ trong bộ môn đã luôn hỗ trợ và truyền đạt kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn lãnh đạo và đồng nghiệp tại trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện và hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình em/tôi tham gia khóa cao học, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới các anh chị em đồng nghiệp tại trung tâm Vật lý chất mềm và Vật lý sinh học trực thuộc trung tâm Phát triển Công nghệ cao về những hướng dẫn chuyên môn trong bộ môn vi sinh Những kỹ năng và kiến thức nền tảng này không những giúp tôi thực hiện luận văn này, mà còn mang lại cho tôi tư duy mới mẻ về các hoạt động nghiên cứu, giúp định hình hướng nghiên cứu của tôi trong tương lai

Lời cuối cùng học viên muốn gửi lời cảm ơn vô cùng sâu sắc tới gia đình bao gồm bố, mẹ, em gái và cậu đã luôn dành sự quan tâm đặc biệt họ dành cho tôi, cũng như luôn ủng hộ và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi

Hà Nội, 27 tháng 03 năm 2023

Học viên

Đào Quang Khải

1.1.2 Cấu trúc cellulose vi khuẩn 4

1.1.3 Các tính chất của cellulose vi khuẩn 6

1.1.4 Các phương pháp sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn 7

1.2 Tổng quan về vật liệu nano ZnO 14

1.2.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ZnO 14

1.2.2 Tính chất quang của vật liệu nano ZnO 18

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO 21

1.3 Vật liệu BC-ZnO ứng dụng trong kháng vi sinh vật có hại 23

1.3.1 Tác nhân kháng vi sinh vật có hại 23

1.3.2 Khả năng kháng vi sinh vật có hại của nano ZnO 26

1.3.3 Các cấu trúc BC-ZnO đã được tổng hợp và nghiên cứu 31

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 34

2.1 Dụng cụ và hóa chất 34

2.1.1 Hóa chất 34

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 36

2.2 Phương pháp sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn từ quá trình lên men Kombucha 38

2.3 Phương pháp tổng hợp ZnO trên khung cellulose vi khuẩn 38

2.4 Phương pháp khảo sát hình thái, cấu trúc, và tính chất của vật liệu BC-ZnO 39

2.4.1 Khảo sát hình thái qua hình chụp từ kính hiển vi điện tử (SEM) 39

2.4.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 41

2.4.3 Khảo sát tính chất quang qua phổ quang phát quang (PL) 43

2.5 Phương pháp khảo sát khả năng kháng vi sinh vật có hại của vật liệu ZnO 45

BC-2.5.1 Phương pháp thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật in vitro trong môi trường lỏng 45

2.5.2 Phương pháp hoạt tính kháng nấm mốc in vivo trên mô thực vật sống 462.6 Phương pháp khảo sát khả năng lọc vi sinh vật của vật liệu BC-ZnO 47

2.6.1 Khảo sát lọc vi khuẩn 47

2.6.2 Khảo sát lọc nấm men 47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 Kết quả tổng hợp cấu trúc nano ZnO trên BC 48

3.2 Hình thái, cấu trúc, tính chất quang của vật liệu BC-ZnO nanocomposite 49

3.2.1 Kết quả khảo sát hình thái vi mô của vật liệu thông qua ảnh SEM 49

3.2.2 Kết quả khảo sát cấu trúc tinh thể thông qua phổ XRD 53

3.2.3 Kết quả tính chất quang của BC-ZnO nanocomposite qua phổ PL 55

3.3 Hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu BC-ZnO nanocomposite 57

3.3.1 Kết quả in vitro hoạt tính kháng vi khuẩn trong môi trường lỏng 57

3.3.2 Kết quả in vitro hoạt tính kháng nấm men 59

3.3.3 Kết quả in vivo hoạt tính kháng nấm mốc trên quả táo 62

3.3.4 Thảo luận kết quả kiểm tra hoạt tính kháng vi sinh vật 64

3.4 Ứng dụng vật liệu BC-ZnO nanocomposite trong lọc vi sinh vật 67

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh tính chất của BC và cellulose thực vật

Bảng 1.2:tổng hợp một số mô hình bình phản ứng sinh học tổng hợp BC

Bảng 1.3: Các tính chất của BC thu được từ quá trình lên men kombucha [67]

Bảng 1.4: Hằng số mạng tinh thể các cấu trúc của ZnO

Bảng 1.6: Các phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO

Bảng 1.7: Tổng hợp các dạng vật liệu cấu trúc nano ZnO trên nền BC

Bảng 2.1: Danh mục hóa chất sử dụng tổng hợp BC-ZnO

Bảng 2.2: Danh mục hóa chất dùng trong quy trình kiểm tra hoạt tính kháng vi sinh vật

Bảng 2.3: Danh mục dụng cụ và thiết bị

Bảng 2.4: Khoảng cách dhkl giữa các mặt trong các hệ tinh thể đơn giản

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp các kết quả nghiên cứu về hoạt tính kháng vi sinh vật của vật liệu BC-ZnO được báo cáo gần đây

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc cellulose vi khuẩn a) cấu tạo phân tử của cellulose, b) liên kết hydro trong cấu trúc cellulose Ia (đỏ-liên kết liên phân tử, xanh-liên kết nội phân tử), c) cấu trúc tinh thể ba nghiêng của cellulose Ia, d) liên kết hydro trong cấu trúc cellulose Ib, e) cấu trúc tinh thể đơn nghiêng của cellulose Ib [87]

Hình 1.2: Sự phát triển của vi sinh vật là sự hình thành BC trong phương pháp nuôi cấy tĩnh a) các pha phát triển của vi sinh vật, b) màng BC hình thành trong bình nuôi cấy, c) màng BC được làm sạch bằng nước và NaOH, d) sự phát triển của độ dày màng BC theo thời gian, e-f) ảnh SEM chụp cấu trúc khô của màng BC [101]

Hình 1.3: Quá trình lên men và chuyển hóa các chất trong kombucha [56]

Hình 1.4: Hình ảnh SEM và phân bố kích thước vi sợi của BC thu được từ lên men kombucha a-c) ảnh SEM với độ phóng đại khác nhau, d) phân bố kích thước vi sợi [67]

Hình 1.5: Các cấu trúc tinh thể của ZnO [62]

Hình 1.6: Sự khác biệt trong cấu trúc wurtzite và giả kẽm [62]

Hình 1.7: Cấu trúc vùng điện tử của tinh thể ZnO wurtzite được tính toán bằng phương pháp LDA và các hiệu chỉnh [99]

Hình 1.8: Phổ PL của một số cấu trúc nano ZnO a) trong vùng UV, b) trong dải 350

- 650 nm 1) cấu trúc định nhọn 4 chân, 2) cấu trúc kim, 3) thanh nano, 4) dạng vỏ

sò, 5) thanh nano đa giác, 6) dạng dải ruy băng [26]

Hình 1.9: Mức năng lượng của một số sai hỏng trong tinh thể ZnO [26]

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý tổng hợp cấu trúc nano ZnO bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học sử dụng kim loại hữu cơ với tiền chất là kẽm diethyl [91]

Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các tác nhân kháng vi sinh vật

Hình 1.12: Hiệu quả kháng vi khuẩn E coli và S aureus của mẫu thanh nano ZnO tại các điều kiện khác nhau.(sử dụng phương pháp đo mật độ quang) [4]

Hình 1.13: Các cơ chế kháng vi sinh vật của vật liệu nano ZnO [86]

Hình 1.14: Cơ chế hình thành các gốc oxi hóa dưới hiệu ứng quang xúc tác của ZnO [86].

Hình 2.1: Các thiết bị sử dụng trong quy trình test hoạt tính kháng vi sinh vật Lần lượt theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống dưới là nồi hấp tiệt trùng, tủ cấy sinh học, tủ ấm lắc, tủ ấm

Hình 2.2: Quy trình tổng hợp nano ZnO trên nền BC

Hình 2.3: Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) NANOSEM 450

Hình 2.4: Máy đo phổ nhiễu xạ tia X

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo hệ khảo sát phổ quang phát quang

Hình 2.6: Máy quang phổ SP 2500i

Hình 3.1: Hình chụp BC và BC-ZnO, a) góc nhìn từ trên xuống, b) góc nghiêng.Hình 3.2: Ảnh SEM của a) kombucha BC, b) BC-ZnO nanocomposite, c,d,e,f) biểu

đồ tần suất (với không gian mẫu 𝑁 = 100) lần lượt của kích thước vi sợi BC, kích thước vi cấu trúc BC-ZnO nanocomposite, kích thước các lỗ của BC và các lỗ được hình thành trong khung BC sau quá trình tổng hợp ZnO

Hình 3.3: Mô phỏng cấu trúc của BC-ZnO nanocomposite

Hình 3.4: Phổ XRD của a) kombucha BC, b) BC-ZnO nano composite

Hình 3.5: Phổ PL của mẫu BC-ZnO nanocomposite được kích thích bằng laser

He-Cd với bước sóng 325nm tại nhiệt độ phòng

Hình 3.6: Đường phát triển của vi khuẩn E coli trong các điều kiện xử lý khác nhau,

màu đen- mẫu đối chứng không qua xử lý, màu đỏ-xử lý với BC, màu xanh- xử lý bằng BC-ZnO trong điều kiện tối, màu hồng-xử lý bằng BC-ZnO trong điều kiện có chiếu sáng

Hình 3.7: Hình chụp qua kính hiển vi của các mẫu vi khuẩn E coli tại các mốc thời

gian thử nghiệm khác nhau

Hình 3.8: Đường phát triển của nấm men C albicans trong các điều kiện xử lý khác

nhau, màu đen- mẫu đối chứng không qua xử lý, màu đỏ-xử lý với BC, màu xanh- xử

lý bằng BC-ZnO trong điều kiện tối, màu hồng-xử lý bằng BC-ZnO trong điều kiện

có chiếu sáng

Hình 3.9: Hình chụp qua kính hiển vi của các mẫu nấm men C albicans tại các mốc

thời gian thử nghiệm khác nhau

Hình 3.10: Kết quả thí nghiệm kháng nấm A niger trên quả táo của vật liệu BC-ZnO

nanocomposite

Hình 3.11: Kết quả lọc vi sinh vật bằng màng BC và màng BC-ZnO nanocomposite

đối với hai chủng vi sinh vật a) E coli, b) C albicans

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BC – Bacterial cellulose, cellulose vi khuẩn

CB – Conduction band, vùng dẫn

CVD – Chemical vapor deposition, phương pháp lắng đọng hơi hóa học

Fcc – face-centered cubic, lập phương tâm mặt

H2O2 – hydrogen peroxide, oxi già

Hcp – hexagonal close packed, hình lục phương đóng kín

LDA – Local density approximation, phương pháp xấp xỉ mật độ cục bộ

MOCVD – metal-organic Chemical vapor deposition, phương pháp lắng đọng hơi hóa học sử dụng kim loại hữu cơ

PL – photoluminescence, phát xạ kích thích quang học

RHEED – Reflection high-energy electron diffraction, nhiễu xạ từ phản xạ electron năng lượng cao

ROS – reactive oxygen species, các gốc oxi hóa

SCOBY – symbiotic culture of bacteria and yeast, môi trường cộng sinh giữa nấm men và bi khuẩn

SEM – Scanning electron microscopy, kính hiển vi điện tử quét

SIC-PP – self-interaction corrected pseudopotential, trường thế hiệu dụng được hiệu chỉnh bởi sự tự tương tác

SIRC-PP – self-interaction relaxation corrected pseudopotential, trường thế hiệu dụng được hiệu chỉnh bởi sự tự tương tác và tái tổ hợp electron lỗ trống

TEM – Transmission electron microscopy, kính hiển vi điện tử truyền qua

UV – ultraviolet, tia cực tím

VB – Valence band, vùng hóa trị

XRD – X-ray diffraction, nhiễu xạ tia X,

ZnO – Kẽm oxide, kẽm oxit

MỞ ĐẦU

Theo số liệu của WHO ước tính 829.000 người chết mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến nguồn nước Ngay cả tại các nước phát triển ở châu âu mỗi ngày cũng có đến 14 người chết do các nguồn nước có vệ sinh kém Một số bệnh có khả năng bùng phát cao nhất có thể kể đến như viêm dạ dày do virus, viêm gan A và tiêu

chảy do E coli Theo những dữ liệu đã được công bố thì gần 1/5 số vụ bùng phát các

dịch bệnh có liên quan đến vệ sinh nguồn nước Cũng theo WHO ước tính có thể giảm 25–35% số lượng các ca tiêu chảy, cũng như các bệnh khác nếu áp dụng một số biện pháp tẩy rửa cũng như xử lý nước bẩn Tại Việt Nam vấn đề xử lý nước thải cũng đang là một vấn đề bức thiết Theo thống kê của Bộ Xây dựng, hiện tại cả nước chỉ có 48/778 đô thị là có hệ thống thoát nước; trong đó chỉ có 30 đô thị có nhà máy

xử lý nước thải với tổng công suất 926,000 m3/ngày, mới chỉ đáp ứng được 13% tổng lượng nước thải cần xử lý Nước sạch hiện nay đang trở thành vấn đề bức thiết, nhận được sự quan tâm không chỉ ở phạm vi một quốc gia, một khu vực mà đang là vấn đề được quan tâm trên phạm vi toàn cầu Cùng với sự gia tăng dân số nhanh chóng, nhu cầu về việc xử lý nước thải sinh hoạt, hoặc nước bị ô nhiễm, trong đó có việc khử những vi sinh vật có hại trong nước ngày càng gia tăng Vì vậy yêu cầu cấp thiết hiện tại là phải có các loại vật liệu có tác dụng xử lý nhanh nguồn nước, đặc biệt là xử lý các loại vi sinh vật có hại có thể gây bệnh trong nguồn nước Các loại vật liệu này cũng cần phải có giá thành hợp lý, thân thiện với môi trường cũng như để có thể áp dụng trên quy mô lớn ngay cả tại vùng sâu vùng xa

Hoạt tính kháng các vi sinh vật có hại của ZnO đã được thử nghiệm và công nhận rộng rãi Hiệu quả kháng vi sinh vật có hại của nano ZnO cũng tương đương như nano Ag, nhưng có giá thành rẻ hơn và dễ hoạt hóa trên các bề mặt vật liệu khác hơn Vật liệu cellulose vi khuẩn (BC) có tính chất bền, cấu trúc vi mô tinh vi, rất thích hợp để làm giá thể hoạt hóa những vật liệu nano Cấu trúc xốp ba chiều của BC cũng thể hiện ưu điểm nổi trội hơn rất nhiều so với các tấm nền hai chiều truyền thống, khi

mà khung BC ba chiều có thể tổng hợp được vật liệu nano với lượng nhiều hơn, cấu

trúc 3D cũng giúp tăng diện tích bề mặt của vật liệu nano qua đó tăng cường các hiệu ứng của vật liệu nano BC là sản phẩm phụ trong quá trình lên men trà thủy sâm, nên

có ưu thế giá thành rẻ, nuôi trồng dễ dàng và nhanh chóng BC còn là sản phẩm hoàn toàn tự nhiên do vi khuẩn tổng hợp thành nên hoàn toàn thân thiện với môi trường, cũng như các tế bào sống Tiềm năng của BC-ZnO là rất lớn, không chỉ trong lĩnh vực kháng vi sinh vật có hại, mà còn trong nhiều lĩnh vực khác

Vì các lý do trên nên đề tài “Tổng hợp vật liệu nano oxit trên nền cellulose vi khuẩn định hướng ứng dụng trong kháng nấm, kháng khuẩn” đã được lựa chọn cho luận văn tốt nghiệp này Đề tài được lựa chọn có ba mục tiêu chính là:

• Tổng hợp được cấu trúc nano ZnO trên nền BC

• Khảo sát các tính chất cơ bản của vật liệu BC-ZnO

• Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu BC-ZnO

Đề tài này là bước tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo bao gồm: tối ưu và kiểm soát hình thái, cấu trúc của nano ZnO trên nền BC, tối ưu hóa khả năng kháng vi khuẩn

và nấm của vật liệu BC-ZnO, nghiên cứu những tính chất chất khác của vật liệu này như tính chất cơ học, quang học và tính chất điện từ Qua đó có thể đa dạng hóa ứng dụng của vật liệu BC-ZnO

Luận văn có cấu trúc gồm 3 chương với các nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương đầu tiên trình bày về các thông tin, kiến thức chung về đề tài của luận văn bao gồm: vi sinh vật, tổng quan về vật liệu BC, tổng quan về vật liệu ZnO, và hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu BC-ZnO nanocomposite

Chương 2: Thực nghiệm

Trong chương này, các hóa chất, thiết bị thí nghiệm cùng các phép đo sẽ được liệt kê và mô tả chi tiết Bên cạnh đó, các phương pháp thực nghiệm bao gồm: chế tạo mẫu BC-ZnO, các phương pháp khảo sát hình thái, tính chất vật liệu đã được chế tạo, và các phương pháp khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 sẽ trình bày các kết quả thực nghiệm đã thu được của đề tài bao gồm: khảo sát về cấu trúc và tính chất quang của vật liệu BC-ZnO, kết quả kháng các chủng vi sinh vật điển hình bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm mốc, cuối cùng là kết quả ứng dụng việt liệu BC-ZnO vào lọc nấm men và vi khuẩn Bên cạnh đó, những bàn luận và phân tích về cơ chế kháng vi sinh vật cũng được phân tích trong phần này

Cuối cùng là phần Kết luận: tóm lược ngắn gọn các nội dung và kết quả thu được của luận văn và định hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về cellulose vi khuẩn

1.1.1 Cellulose vi khuẩn là gì?

Năm 1838, cellulose được phát hiện là một loại polysaccharide thẳng không

bị hòa tan trong nước và thể hiện tính ưa nước Khi được xử lý qua acid đặc tại nhiệt

độ cao cấu trúc phân tử đối xứng của cellulose bị thủy phân thành các đơn phân glucose [9] Cellulose ngày nay được biết đến là thành phần chính cấu tạo nên thành

tế bào của thực vật, những nguồn cung cấp cellulose chủ yếu bao gồm sợi bông, cây gai dầu khô, và gỗ chứa lần lượt 90%, 40–50% và 60% cellulose Cellulose có vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp giấy, dệt may và trong sản xuất bột giấy cho nhiều mục đích khác nhau [22, 48, 113]

Ngoài nguồn gốc thực vật, cellulose ngày nay còn được biết tới là sản phẩm của một số vi sinh vật như nấm men, vi khuẩn và tảo Năm 1886, Brown đã lần đầu

phát hiện ra một loại cellulose được sinh ra bởi vi khuẩn Acetobacter xylinum [14]

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng cellulose có thể được tổng hợp bởi nhiều loại

vi khuẩn khác nhau bao gồm cả vi khuẩn gram âm như Acetobacter, Azotobacter, Rhizobium, Agrobacterium, Pseudomonas, Salmonella, Alcaligenes và vi khuẩn gram dương như Sarcina ventriculi [44] Cellulose được tổng hợp bởi các vi khuẩn khác

nhau thì có cấu trúc, hình thái và tính chất khác nhau và chúng cũng được sử dụng với các mục đích khác nhau

1.1.2 Cấu trúc cellulose vi khuẩn

Giống như cellulose thực vật, phân tử cellulose vi khuẩn (BC) là một chuỗi các đơn phân b-D-glucose được trùng hợp với nhau thông qua liên kết b-1,4-glucan, nghĩa là liên kết giữa nhóm OH tại C4 của đơn phân này liên kết với carbon

C1 của đơn phân liền kề BC được cấu tạo bởi cấu trúc vi sợi độc đáo, mỗi vi sợi này lại được cấu tạo bởi nhiều vi sợi nhỏ hơn xoắn vào nhau [15] Kích thước của vi sợi phụ thuộc vào kích thước tinh thể của từng vi sợi được đo đạc bằng nhiễu xạ tia X [65] BC còn có một tính chất tinh thể độc đáo khi mà chúng được kết tinh thành hai

dạng tinh thể riêng biệt là cellulose Ia và cellulose Ib [7, 97] Trong cấu trúc cellulose

Ia có tồn tại liên kết hydro nội phân tử O3-H®O5’ và liên kết hydro liên phân tử O6H®O3’, trong cấu trúc cellulose Ib thì liên kết hydro nội và liên phân tử đều là O6’-H®O3’ [16] Năm 1991 Sugiyama và nhóm nghiên cứu đã đề xuất rằng các ô tinh thể ba nghiêng được cấu tạo bởi một chuỗi cellulose Ia trong khi đó các ô tinh thể đơn nghiêng được cấu tạo bởi hai chuỗi cellulose Ib [88]

-Hình 1.1: Cấu trúc cellulose vi khuẩn a) cấu tạo phân tử của cellulose, b) liên kết hydro trong cấu trúc cellulose Ia (đỏ-liên kết liên phân tử, xanh-liên kết nội phân

tử), c) cấu trúc tinh thể ba nghiêng của cellulose Ia, d) liên kết hydro trong cấu trúc

cellulose Ib, e) cấu trúc tinh thể đơn nghiêng của cellulose Ib [88]

Thành phần cellulose Ia trong BC chiếm tới gần 60% và phần còn lại là cellulose Ib Trong khi đó cellulose thực vật chỉ chứa khoảng 30% là cellulose Ia [7,

97] Sợi bông, sợi gai và gỗ có thành phần chủ yếu là cellulose Ib Dù sự chiếm ưu thế của cellulose Ia trong BC đã được khẳng định qua các nghiên cứu, tuy nhiên có rất ít báo cáo về sự liên hệ giữa cấu trúc tinh thể và tính chất của BC Tỷ trọng của cellulose Ia được tính toán trên một ô mạng đơn vị có giá trị nhỏ hơn của cellulose

Ib, cellulose Ia cũng được biết là dạng nửa bền của cellulose, chúng có thể chuyển đổi thành cellulose Ib thông qua xử lý nhiệt [109]

1.1.3 Các tính chất của cellulose vi khuẩn

So với cellulose thực vật cellulose vi khuẩn có nhiều ưu điểm vượt trội bao gồm độ trùng hợp cao, độ kết tinh cao, module Young vượt trội, độ bền kéo cao, độ tinh khiết cao (không chứa linhin và hemicellulose) và tính tương thích sinh học cao khi không có độc tính lên các tế bào sống Đặc biệt, BC thân thiện với môi trường khi được sinh tổng hợp cũng như dễ dàng phân hủy sinh học nhanh trong đất, dễ dàng bị thủy phân nhờ sự hoạt động của các vi sinh vật và enzyme phân hủy cellulose

Tính chất độc đáo nhất của cellulose vi khuẩn so với các nguồn cellulose khác

là tính siêu xốp Các vi sợi cellulose có cấu trúc nano trong BC đan chéo ngẫu nhiên vào nhau tạo thành một cấu trúc khung tinh vi Điều này biến BC trở thành vật liệu

có tính siêu xốp, kết hợp với tính ưa nước vốn có của sợi cellulose khiến BC có khả năng giữ nước cao, đồng nghĩa với độ thấu khí cao ở dạng khô BC có khả năng giữ một khối lượng nước gấp cả trăm lần khối lượng của chính nó Điều này làm tăng cường tính tương thích sinh học của BC, khiến BC trở thành giá thế thích hợp để nuôi cấy nấm và các mô tế bào Ngoài ra, BC cũng có tổng diện tích bề mặt lớn, nên khung

ba chiều BC là dạng đế rất thích hợp cho vật liệu nano Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các tính chất của BC như độ kết tinh, tính chất cơ học và tính chất điện học thay đổi khi thay đổi chủng vi khuẩn, môi trường nuôi cấy, nguồn carbon và các điều kiện

khác trong quá trình sinh tổng hợp [80] Ví dụ chủng K xylinus được nuôi trong môi

trường có sự xuất hiện của ethanol khiến BC giảm độ bền cơ học nhưng lại thể hiện tính chất điện môi vượt trội [45] BC sau khi được đông khô thể hiện tính chất như một aerogel khi có tính xốp, siêu nhẹ và chứa chủ yếu là không khí, vẫn giữ được các

đặc tính quý ở dạng ướt Nhờ các đặc tính trên mà BC được ưa chuộng hơn cellulose thực vật trong một số ứng dụng đặc thù Bảng 1.1 tổng hợp và so sánh các thông số vật lý của BC và cellulose thực vật

Bảng 1.1: So sánh tính chất của BC và cellulose thực vật

thực vật

Nguồn tham khảo

1.1.4 Các phương pháp sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn

Các phương pháp tổng hợp BC bao gồm tổng hợp trong môi trường tĩnh, trong môi trường lắc, và trong bình phản ứng sinh học Ứng với mỗi phương pháp trên BC thu được có thể có các hình thái, cấu trúc vi mô và các tính chất khác nhau Các điều kiện môi trường bao gồm chủng vi sinh vật, chất dinh dưỡng, pH, và hàm lượng bổ

sung oxi cũng có ảnh hưởng đến tính chất của BC Vai trò của các chủng vi sinh vật trong các điều kiện dinh dưỡng khác nhau đã được nghiên cứu [73, 111] Trong tất

cả các chủng vi khuẩn tạo BC, A xylinum có khả năng tổng hợp BC với hiệu suất cao

nhất Chủng vi khuẩn hiếu khí này có thể biến đổi glucose và một số chất hữu cơ khác thành cellulose trong vài ngày nuôi cấy Một số nghiên cứu đã quan sát thấy trong một giờ một vi khuẩn có thể chuyển đổi đến 108 phân tử glucose thành cellulose Ngoài ra, vòng đời của vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến năng suất tổng hợp BC Thông thường trong môi trường nuôi cấy tĩnh, sự phát triển của vi khuẩn được chia thành bốn pha riêng biệt bao gồm pha tiềm phát, pha tăng sinh, pha cân bằng, pha suy thoái Hiệu suất tổng hợp BC cao nhất ở pha tăng sinh và pha cân bằng

BC có thể được sinh tổng hợp trong các môi trường khác nhau, tuy nhiên quá trình hình thành BC tương đối giống nhau Cùng với sự phát triển của quần thể vi khuẩn, hình thái của BC chuyển từ các sợi nhỏ thành tấm màng bằng cách đan xen vào nhau tạo thành một mạng lưới các sợi rất tinh vi Nguồn dinh dưỡng cơ bản và thiết yếu cho các vi sinh vật tổng hợp BC thường là glucose và acid acetic Tuy nhiên trong điều kiện nuôi cấy ban đầu lượng glucose thường vượt trội so với acid acetic, nên vi sinh vật trong giai đoạn này thường chuyển đổi glucose thành acid gluconic qua đó làm giảm độ pH Độ pH thích hợp để hình thành BC thường có giá trị 4 <

pH < 7 [50, 96]

1.1.4.1 Phương pháp tổng hợp BC từ nuôi cấy tĩnh

Phương pháp nuôi cấy tĩnh là cách tiếp cận truyền thống để tổng hợp BC và được sử dụng rộng rãi Trong phương pháp này, dinh dưỡng và vi sinh vật để trong một bình chứa tại nhiệt độ thích hợp 28-30 ˚C BC được tổng hợp trong điều kiện môi trường tĩnh sẽ có dạng màng hydrogel Màng BC thu được từ quá trình nuôi cấy tĩnh được thể hiện qua hình 1.2 Sau khi thu hoạch BC sẽ có màu vàng do bên trong

BC vẫn còn chứa dung dịch môi trường (Hình 1.2b) Sau khi được làm sạch bằng NaOH và được xử lý qua nước để đạt pH trung tính, BC sẽ có màu trắng như hình 1.2c Trong môi trường nuôi cấy tĩnh, BC sẽ được hình thành trên giao diện khí-lỏng,

nên sẽ giam giữ carbon dioxide được tạo ra từ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Cũng vì thế nên năng suất sản sinh BC sẽ phụ thuộc trực tiếp vào tiết diện tiếp xúc giữa môi trường lỏng và không khí Độ dày của màng BC phụ thuộc vào thời gian nuôi cấy được ghi lại ở đồ thị hình 1.2d Vì các phân tử cellulose được vi sinh vật sinh ra từ các lỗ nhỏ trên màng tế bào, sau đó được kết tinh lại thành các vi sợi, nên màng BC sau khi hình thành đóng vai trò như một giá thể cho vi sinh vật Hình 1.2f

ta có thể thấy vi khuẩn bị giữ lại trong màng BC Hình 1.2e thể hiện rõ cấu trúc khung

ba chiều tinh vi của BC với độ xốp cao Phương pháp nuôi cấy tĩnh là phương pháp nuôi cấy đơn giản là chi phí thấp, nên được sử dụng rộng rãi để tổng hợp BC trong phòng thí nghiệm

Hình 1.2: Sự phát triển của vi sinh vật là sự hình thành BC trong phương pháp nuôi cấy tĩnh a) các pha phát triển của vi sinh vật, b) màng BC hình thành trong bình nuôi cấy, c) màng BC được làm sạch bằng nước và NaOH, d) sự phát triển của độ dày màng BC theo thời gian, e-f) ảnh SEM chụp cấu trúc khô của màng BC [102]

1.1.4.2 Phương pháp tổng hợp BC từ nuôi cấy lắc

Trên thực tế nuôi cấy lắc cung cấp thêm oxygen cho quá trình phát triển của

vi sinh vật, qua đó giúp vi sinh vật phát triển nhanh hơn Tuy nhiên các nghiên cứu

đã chỉ ra rằng năng suất tổng hợp BC khi sử dụng phương pháp nuôi lắc và nuôi tĩnh

là tương đồng, không có sự khác biệt đáng kể Không những vậy, chất lượng BC thu được từ nuôi lắc cũng được báo cáo là thấp hơn so với nuôi tĩnh [21] Các yếu tố gây nên hiện tượng này bao gồm sự có mặt của các tạp chất không phải cellulose trong cấu trúc BC cũng như sự thiếu ổn định trong cấu trúc gen của vi sinh vật trong quá trình nuôi lắc [43] Mặc dù phương pháp nuôi lắc có các nhược điểm nêu trên cũng như được chứng minh là không phù hợp cho một số chủng vi sinh vật, tuy nhiên phương pháp này lại cho phép vi sinh vật tổng hợp BC thành các hạt có kích thước khác nhau có bán kính 10 μm – 10 mm Và thu được các hình dạng khác nhau từ hình cầu, hình ellipsoid, hình sao, hệ gel sợi và dạng viên Kích thước cũng như hình dáng của BC thu được có liên hệ mật thiết với tốc độ lắc, thời gian nuôi cấy và các chất phụ gia trong môi trường [103] Phương pháp nuôi cấy lắc có thể được xem như là một phương pháp thay thế để điều chỉnh các tính chất của BC cho các mục đích sử dụng khác nhau

1.1.4.3 Phương pháp tổng hợp BC trong bình phản ứng sinh học

Đề khắc phục nhược điểm năm suất thấp của hai phương pháp tổng hợp BC ở trên, phương pháp tổng hợp trong bình phản ứng sinh học được đề xuất Bình phản ứng sinh học có cấu tạo như một hệ lên men khép kín khi mà nguồn dinh dưỡng cũng như các điều kiện cần thiết khác cho quá trình phát triển của vi sinh vật được kiểm soát chặt chẽ thông qua hệ thống cảm biến Các thông tin này sau đó được sử dụng

để bổ sung chất dinh dưỡng cũng như điều chỉnh các điều kiện nuôi cấy sao cho phù hợp Vì vậy nên phương pháp sử dụng bình phản ứng sinh học có thể giúp sản phẩm

vi sinh được tổng hợp liên tục với tốc độ tối ưu và được đảm bảo trong một thời gian dài, qua đó tối ưu năng suất Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để cải tiến phương pháp này bao gồm tích hợp thêm bộ phận cung cấp oxygen, chất dinh dưỡng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật Năng suất sinh BC tăng lên một cách đáng kể khi

mà có thể nuôi cấy liên tục với tốc độ trao đổi khí oxi cũng như chất dinh dưỡng cao Những năm gần đây, một vài nghiên cứu đã đề xuất một số mô hình bình phản ứng sinh học khác nhau để tổng hợp BC Một số mô hình bình phản ứng sinh học tổng hợp BC đã được nghiên cứu và phát triển gần đây được trình bày tại Bảng 1.2

Bảng 1.2:tổng hợp một số mô hình bình phản ứng sinh học tổng hợp BC

tham khảo Bình phản ứng

• Quá trình tổng hợp nửa liên tục

• Năng suất cao: 0.24g/L/ngày

• Tăng cường các tính chất sinh hóa

• Có khả năng điều khiển cấu trúc micro và độ xốp của BC

1.1.4.4 Sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn từ quá trình lên men Kombucha

Kombucha là đồ uống lâu đời hiện nay đã được phổ biến trên khắp thế giới nhờ nhiều lợi ích đem đến cho sức khỏe Kombucha thu được khi lên men nước trà

có bổ sung thêm đường chủ yếu là sucrose và một hệ cộng sinh giữa vi khuẩn acetic acid và nấm men được gọi là SCOBY (symbiotic culture of bacteria and yeast) Nhờ

sự có mặt của các chủng vi khuẩn Acetobacters và Glucanobacters trong môi trường

lên men kombucha giúp sinh ra sản phẩm phụ là cellulose vi khuẩn Quá trình lên men và chuyển hóa các chất trong kombucha được thể hiện ở hình 1.3 Quá trình lên men bắt đầu bằng sự hoạt động của nấm men, một quá trình gọi là thủy phân đường bằng enzyme ngoại bào xảy ra chuyển hóa sucrose (một dạng đường đôi) thành các đơn phân là glucose và fructose Các đơn phân này sau đó được chính nấm men tiêu thụ nội bào sản sinh ra ethanol và carbon dioxide, song song với đó vi khuẩn acid acetic lại chuyển hóa các đơn phân đường thành acid gluconic và glucuronic Các tế bào nấm men sản sinh ethanol thông qua quá trình đường phân, điều này làm thúc đẩy sự sinh trưởng của các vi khuẩn acid acetic trong hệ Sự hoạt động song song của

cả vi khuẩn và nấm men sinh ra sản phẩm cuối cùng là nước kombucha lên men và màng sinh học chính là BC [56]

Hình 1.3: Quá trình lên men và chuyển hóa các chất trong kombucha [56]

Thông thường phương pháp lên men kombucha phổ biến là lên men tĩnh với thời gian 14-21 ngày tùy vào yêu cầu sản phẩm đầu ra Có thể coi SCOBY trong

kombucha là một hệ cộng sinh vô cùng phức tạp, tuy nhiên việc lưu giữ các chủng vi sinh vật rất đơn giản Sản phẩm BC đóng vai trò là giá thể tự nhiên lưu giữ các chủng

vi khuẩn và nấm men với tỷ lệ phù hợp Vậy nên, việc cấy truyền trở nên vô cùng đơn giản, đây cũng là lý do khiến kombucha có thể sản xuất trên quy mô lớn Ngoài

ra BC cũng đóng vai trò như một màng bảo vệ dung dịch kombucha lên men khỏi sự xâm lấn của các chủng vi sinh vật khác, cũng như bụi bẩn và côn trùng Điều này khiến cho nuôi cấy kombucha trở nên đơn giản do tỷ lệ bị tạp nhiễm thấp Kombucha

là một nguồn cung cấp BC khổng lồ, hiện tại đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp Phương pháp thu BC từ kombucha cũng là một phương pháp có chi phí thấp, nguyên liệu sẵn có, điều kiện nuôi cấy đơn giản Do phương pháp nuôi cấy tĩnh nên chất lượng BC từ kombucha không thua kém so với các sản phẩm BC từ nuôi cấy chuyên biệt từ một chủng vi sinh vật Các tính chất của kombucha BC như độ kết tinh cao, kích thước vi sợi tinh vi, độ xốp cao, các tính chất cơ học ưu việt vẫn được đảm bảo

Bảng 1.3: Các tính chất của BC thu được từ quá trình lên men kombucha [68]

Bảng 1.3 thống kê một vài tính chất của BC từ kombucha Hình 1.4 thể hiện cấu trúc

vi sợi tinh vi của kombucha BC Tuy có những lợi thế vượt trội như vậy nhưng hiện tại kombucha BC thường chỉ được coi như sản phẩm phụ trong quá trình lên men

kombucha, và thường bị thải bỏ sau sản xuất Đã có một vài nghiên cứu tận dụng nguồn kombucha BC dồi dào này vào một số mục đích khác nhau, nhưng nhìn chung những nghiên cứu này còn tương đối ít và tiềm năng ứng dụng hạn chế

Hình 1.4: Hình ảnh SEM và phân bố kích thước vi sợi của BC thu được từ lên men kombucha a-c) ảnh SEM với độ phóng đại khác nhau, d) phân bố kích thước vi sợi

[68]

1.2 Tổng quan về vật liệu nano ZnO

1.2.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ZnO

Hầu hết các chất bán dẫn hợp chất hai nguyên tử nhóm II–VI đều kết tinh trong cấu trúc lập phương giả kẽm hoặc lục phương wurtzite, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi bốn cation ở các góc của một tứ diện và ngược lại Sự phối trí tứ diện này

điển hình cho liên kết cộng hóa trị có sự tham gia của lai hóa sp3, nhưng những liên kết này cũng có đặc tính ion vượt trội nên nó làm mở rộng vùng cấm hơn các chất có liên kết cộng hóa trị thông thường ZnO là chất bán dẫn hợp chất II – VI bản chất liên kết nằm ở ranh giới giữa cộng hóa trị và ion Các cấu trúc tinh thể của ZnO bao gồm wurtzite (B4), cấu trúc giả kẽm (B3), và rocksalt (hoặc muối Rochelle (B1) như thể hiện trong hình 1.5 B1, B3 và B4 biểu thị các ký hiệu Strukturbericht cho ba cấu trúc Trong điều kiện môi thường, pha ổn định về mặt nhiệt động lực học là pha wurtzite Cấu trúc ZnO giả kẽm chỉ có thể được ổn định bằng cách tổng hợp trên chất nền cũng có cấu trúc lập phương, và cấu trúc rocksalt hay Rochelle (NaCl) có thể thu được ở áp suất tương đối cao

Hình 1.5: Các cấu trúc tinh thể của ZnO [63]

Cấu trúc wurtzite có một ô đơn vị lục giác với hai hằng số mạng 𝑎 và 𝑐 theo

tỷ lệ trong tinh thể lý tưởng là 𝑐/𝑎 = √8/3 = 1.633 và thuộc nhóm không gian 𝐶6𝜈4theo ký hiệu Schoenflies và 𝑃63𝑚𝑐 theo kí hiệu Hermann–Mauguin Cấu trúc bao gồm hai tiểu cấu hình lục giá đóng kín (hcp) đan xen nhau, mỗi tiểu cấu bao gồm một loại nguyên tử và được sắp xếp dọc theo trục c với khoảng cách ba lần với lượng 𝑢 =3/8 = 0.375 (trong cấu trúc wurtzite lý tưởng) ở dạng tọa độ phân số Tham số nội tinh thể 𝑢 được định nghĩa là độ dài của liên kết song song với trục c (độ dài liên kết

anion-cation hoặc khoảng cách với nguyên tử gần nhất) chia cho tham số mạng 𝑐 Hằng số mạng tinh thể mặt phẳng cơ sở (độ dài cạnh của hình lục giác trong mặt phẳng cơ sở) được ký hiệu 𝑎; hằng số mạng tinh thể trục (chiều cao ô đơn vị), vuông góc với mặt phẳng cơ sở, được ký hiệu là 𝑐 Mỗi tiểu cấu bao gồm bốn nguyên tử trên mỗi ô đơn vị, và mọi nguyên tử của một loại (nguyên tử nhóm II) được bao quanh bởi bốn nguyên tử của loại kia (nhóm VI) và ngược lại, chúng được phối trí ở các đỉnh của một tứ diện Các vector tinh thể học của wurtzite là 𝑎⃗ = 𝑎(1/2, √3/2,0), 𝑏⃗⃗ = 𝑎(1/2, −√3/2,0) và 𝑐⃗ = 𝑎(0,0, 𝑐/𝑎) Trong hệ trục Descaries, vị trí của các nguyên tử cơ sở trong ô mạng là (0,0,0), (0,0, 𝑢𝑐), 𝑎(1/2, √3/6, 𝑐/2𝑎) và 𝑎(1 2⁄ , √3 6⁄ , [𝑢 + 1/2]𝑐/𝑎) [63] Các hằng số mạng chủ yếu nằm trong khoảng từ 3.2475 đến 3.2501Å với hằng số 𝑎 và từ 5.2042 đến 5.2075Å với hằng số số 𝑐 Dữ liệu được Reeber tổng hợp năm 1970 [78] Tỷ lệ 𝑐/𝑎 và tham số u thay đổi trong phạm vi rộng hơn một chút, tương ứng từ 1.593 đến 1.6035 và từ 0.383 đến 0.3856

Sự sai lệch so với tinh thể wurtzite lý tưởng được đề xuất là do tính ổn định của mạng tinh thể và tính ion Điện tích tự do là yếu tố chi phối gây ra việc mở rộng mạng tinh thể và thế biến dạng Các sai hỏng điểm như chất thiếu kẽm, thiếu oxy, và các sai hỏng trong cấu trúc khác cũng là một phần nguyên nhân

Cấu trúc ZnO dạng giả kẽm có tính nửa bền và chỉ có thể ổn định khi được tổng hợp trên tấm nền cũng có dạng tinh thể lập phương, chẳng hạn như ZnS [49], GaAs/ZnS [3] và Pt/Ti/SiO2/Si [47], các chất nền này làm tăng tương thích tôpô và chống lại xu hướng nội tại của ZnO hình thành pha wurtzite Trong trường hợp chất nền không phù hợp, thường tồn tại một lượng nhất định pha giả kẽm của ZnO đóng vai trò như sai hỏng tinh thể của pha wurtzite Tính đối xứng của cấu trúc giả kẽm thuộc nhóm không gian 𝐹4̅3𝑚 trong ký hiệu Hermann-Mauguin và 𝑇𝑑2 trong ký hiệu Schoenflies và bao gồm hai tiểu khối lập phương tâm mặt (fcc) đan xen nhau được xếp dọc theo đường chéo với khoảng cách bằng một phần tư chiều dài của đường chéo chính Có bốn nguyên tử trên một ô đơn vị và mọi nguyên tử của một loại (nhóm II) đều được phối trí tứ diện với bốn nguyên tử thuộc loại khác (nhóm VI) và ngược

lại Hằng số mạng được ước tính là 4.463, 4.37 và 4.47Å bằng cách sử mẫu hình nhiễu xạ tư phản xạ electron năng lượng cao (RHEED), so sánh vị trí đỉnh với các mẫu hình XRD và hình ảnh từ hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [3]

Hình 1.6: Sự khác biệt trong cấu trúc wurtzite và giả kẽm [63]

Do sự phối trí tứ diện của cấu trúc wurtzite và giả kẽm, bốn nguyên tử láng giềng gần nhất và 12 láng giềng tiếp theo có cùng khoảng cách liên kết trong cả hai cấu trúc Chúng chỉ khác nhau về góc liên kết của các nguyên tử láng giềng hàng thứ

3 trở đi và do đó dẫn đến sự khác biệt của các mặt phẳng tinh thể xếp chồng Sự khác biệt được thể hiện trên hình 1.6 Trong cấu trúc wurtzite các lớp nguyên tử Zn và O được phân bố trùng khớp theo chiều dọc nên các lợp được bố trí theo dạng AaBaAaBb…với các chữ in hoa thể hiện lớp nguyên tử Zn và chữ in thường thể hiện lớp nguyên tử O hoặc ngược lại Trái lại trong cấu trúc giả kẽm các lớp nguyên tử Zn

và O bị quay một góc 60˚ dẫn đến phân bố các lớp nguyên tử có dạng AaBbCcAa…

Giống như các chất bán dẫn II–VI khác, wurtzite ZnO có thể chuyển đổi thành cấu trúc rocksalt (NaCl) ở áp suất cao Lý do cho điều này là sự giảm kích thước của

mạng tinh thể do áp suất gây ra khiến tăng cường tương tác Coulomb dẫn đến sự chiếm ưu thế của tính ion trong các liên kết Đối xứng nhóm không gian của kiểu cấu trúc rocksalt là 𝐹𝑚3𝑚 trong ký hiệu Hermann–Mauguin và 𝑂ℎ5 trong ký hiệu Schoenflies Không thể thu được cấu trúc rocksalt bằng các phương pháp tổng hợp thông thường, chúng chỉ có thể thu được khi chuyển hóa cấu trúc wurtzite trong áp suất cao Phản ứng chuyển hóa bắt đầu khi tăng áp suất lên 10 GPa tương ứng với sự sụt giảm thể đi 17% Pha rocksalt đã được phát hiện là có thể duy trì trong thời gian dài ngay cả ở áp suất thường tại nhiệt độ trên 100 ˚C [8] Phép đo nhiễu xạ tia X phân tán năng lượng (EDXD) sử dụng bức xạ synctron đã chỉ ra rằng cấu trúc wurtzite của ZnO bắt đầu quá trình chuyển pha cấu trúc với áp suất chuyển tiếp 10GPa và chuyển tiếp hoàn toàn ở khoảng 15 GPa [33, 76] Sự chuyển pha áp suất cao từ wurtzite sang cấu trúc stonealt làm giảm hằng số mạng xuống khoảng 4.271 − 4.294 Å

Bảng 1.4: Hằng số mạng tinh thể các cấu trúc của ZnO

1.2.2 Tính chất quang của vật liệu nano ZnO

Tính toán lý thuyết về cấu trúc vùng điện tử của ZnO chủ yếu sử dụng phương pháp xấp xỉ mật độ (LDA) cục bộ [83, 93, 104, 108], các tính toán này gặp khó khăn khi xử lý các electron phân lớp d của cation Nếu các điện tử d được coi như các điện

tử lõi, hằng số mạng được tính toán sẽ thấp các giá trị thực nghiệm tới 18% đối với wurtzite ZnO, trong khi việc đưa các điện tử d vào vùng hóa trị tạo ra các hằng số mạng rất chính xác Tuy nhiên, ngay cả khi các electron d được tính đến một cách

thích hợp, kết quả của các phép tính LDA tiêu chuẩn cho thấy những thiếu sót rõ rệt, như dải tần bị đánh giá thấp và đánh giá quá thấp dải d cation bị chiếm đóng, có năng lượng cao hơn khoảng 3 eV so với kết quả thực nghiệm khiến cho độ rộng vùng cấm chỉ còn 𝐸𝑔 = 0.23 𝑒𝑉 rất thấp so với thực nghiệm

Hình 1.7: Cấu trúc vùng điện tử của tinh thể ZnO wurtzite được tính toán bằng

phương pháp LDA và các hiệu chỉnh [100]

Để thu được kết chính xác hơn hiệu chỉnh tự tương tác đã được tính đến và kết quả thu được độ rộng vùng cấm có thể so sánh được với thực nghiệm 𝐸𝑔 = 3.77 𝑒𝑉 tuy rằng vẫn cao hơn thực nghiệm 𝐸𝑔 = 3.437 𝑒𝑉 Sự khác biệt này được đề xuất là

do chưa tính đến tương tác điện tử lỗ trống khi chuyển mức hay nói cách khác là năng lượng của exciton Điều này dẫn đến một tính toán chính xác hơn khi tính đến cả tương tác này, kết quả thu được 𝐸𝑔 = 3.5 𝑒𝑉 rất gần với thực nghiệm [100] Ngoài

ra, các hằng số mạng cũng bị mở rộng hơn tại nhiệt độ cao dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc vùng điện tử và làm độ rộng vùng cấm thay đổi, liên hệ giữa độ rộng vùng cấm và nhiệt độ được thể hiện qua công thức sau [98]:

𝐸𝑔(𝑇) = 𝐸𝑔(𝑇 = 0) − 𝛼𝑇

2

𝑇 + 𝛽 (1)

Với ZnO các tham số 𝛼 = −5.5 × 104 𝑒𝑉𝐾−1, 𝑏 = −900 𝐾 Điều này dẫn đến độ rộng vùng cấm của ZnO tại nhiệt độ phòng chỉ còn 𝐸𝑔 ≈ 3.37 𝑒𝑉

Tính chất quang học của nhiều dạng ZnO, bao gồm của cả cấu trúc nano ZnO,

đã được nghiên cứu thông qua phổ phát xạ kích thích quang học (PL) Các nghiên cứu chủ yếu thực hiện ở nhiệt độ phòng mặc dù một số mẫu được đo ở các dải nhiệt

độ khác Phổ PL ở nhiệt độ phòng của ZnO thường bao gồm phát xạ UV và có thể là một hoặc nhiều dải trong vùng nhìn thấy do các sai hỏng trong tinh thể và tạp chất Phổ PL của các cấu trúc nano ZnO khác nhau như dây nano, màng nano, hạt nano, thanh nano và nano dạng hoa đã được nghiên cứu Nhìn chung đỉnh phổ ZnO ở vùng

UV có bản chất là sự tái tổ hợp excitons Đỉnh này có sự dịch chuyển quanh bước sóng 380 nm tùy thuộc vào dạng cấu trúc nano

Hình 1.8: Phổ PL của một số cấu trúc nano ZnO a) trong vùng UV, b) trong dải 350 - 650 nm 1) cấu trúc định nhọn 4 chân, 2) cấu trúc kim, 3) thanh nano, 4)

dạng vỏ sò, 5) thanh nano đa giác, 6) dạng dải ruy băng [26]

Hình 1.8 thể hiện phổ PL của một số cấu trúc nano ZnO [26] Có thể nhận thấy

vị trí các đỉnh trong vùng UV của các cấu trúc khác nhau là khác nhau trong khoảng 373-390 nm Sự khác biệt này có thể được giải thích dựa trên hiệu ứng giam giữ lượng tự trong các cấu trúc có kích thước nhỏ cỡ nanometer, hiệu ứng sẽ gây ra sự dịch xanh trong phổ PL Một lý do khác có thể giải thích sự thay đổi vị trí các đỉnh vùng UV là mật độ các sai hỏng tự nhiên là khác nhau Do mật độ sai hỏng trên bề mặt cao hơn so với trong long tinh thể, mà các hình thái nano khác nhau lại cho tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích là khác nhau Nên sự dịch chuyển các đỉnh phổ của các

hình thái nano ZnO khác nhau là khác nhau Phổ PL ở nhiệt độ phòng từ ZnO có thể biểu hiện một số bước sóng khác nhau trong vùng phổ khả kiến, được cho sự phát xạ của các sai hỏng Các vạch phát xạ ở 405, 420, 446, 466, 485, 510, 544, 583 và 640

nm đã được báo cáo [25] Một số tính toán về mức năng lượng của các sai hỏng tự nhiên trong tinh thể ZnO đã đã được báo cáo [54, 107], như được tóm tắt trong hình 1.9 Tùy vào mức độ sai hỏng cũng như loại sai hỏng mà phổ huỳnh quang của vật liệu nano ZnO cho các màu sắc khác nhau Ví dụ phát xạ màu lục chủ yếu do thiếu các nút mạng là các ion oxi (𝑉𝑂), phát xạ màu vàng thừa các ion oxi (𝑂𝑖)

Hình 1.9: Mức năng lượng của một số sai hỏng trong tinh thể ZnO [26]

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO

Có hai loại phương pháp phổ biến được sử dụng trong tổng hợp vật liệu nano

là phương pháp tiếp cận từ dưới lên và từ trên xuống [67] Phương pháp tiếp cận từ dưới lên sử dụng các nguyên tử và phân tử để tạo ra cấu trúc nano có thể thu được bằng tổng hợp hóa học, phương pháp sinh học hoặc sự lắng đọng và kết tinh có kiểm soát Ngược lại, cách tiếp cận từ trên xuống sử dụng các kích thích để phá dạng khối

để thu được các cấu trúc có kích thước nano [91] Cả hai phương pháp này đều có khả năng ứng dụng tổng hợp các cấu trúc nano trên quy mô lớn, công nghiệp Rõ ràng

là mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm như kỹ thuật từ trên xuống có thể gây

ra thiệt hại nghiêm trọng cho cấu trúc tinh thể của vật liệu nano, ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất hóa lý của chúng Một thách thức trong cả hai cách tiếp cận là tìm

ra phương thức điều khiển hình dạng và kích thước của cấu trúc nano Các đặc điểm

này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất quang học của cấu trúc nano, vì vậy điều quan trọng là phải lựa chọn phương pháp tổng hợp thích hợp nhất Hơn nữa, cũng có thể chọn phương pháp đơn giản nhất, hiệu quả nhất và thân thiện với môi trường nhất để sản xuất vật liệu nanocompozite

Bảng 1.5: Các phương pháp tổng hợp cấu trúc nano ZnO

Phương pháp vật lý Phương pháp hóa học Phương pháp sinh học

− Phương pháp thủy nhiệt

− Phương pháp dung môi nhiệt

và đang được phát triển

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý tổng hợp cấu trúc nano ZnO bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học sử dụng kim loại hữu cơ với tiền chất là kẽm diethyl [92]

1.3 Vật liệu BC-ZnO ứng dụng trong kháng vi sinh vật có hại

1.3.1 Tác nhân kháng vi sinh vật có hại

1.3.1.1 Định nghĩa tác nhân kháng vi sinh vật có hại

Thế giới mà chúng ta đang sống là một thế giới phức tạp và đa dạng chứa nhiều loài và cộng đồng sinh vật khác nhau Người ta ước tính rằng có khoảng 4-6 × 10^30 sinh vật nhân sơ trên thế giới (đây là những sinh vật không có nhân tế bào bao gồm

vi khuẩn và vi khuẩn cổ) [105], trong khi đó con người chỉ với khoản 8 tỷ người May mắn thay, rất ít vi sinh vật gây bệnh; người ta ước tính rằng có 1407 loài sinh vật gây bệnh, trong đó có 538 loài vi khuẩn, 307 loài nấm, 287 loài giun sán, 208 loài vi rút

và 57 loài động vật nguyên sinh [106] Một số trong số này, vào khoảng 816 loài có thể ký sinh trên cả người và động vật động vật, chúng được gọi là bệnh lây truyền từ động vật sang người Có khoảng 13% là mầm bệnh mới hoặc tái xuất hiện

Hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa chung cho khái niệm “tác nhân kháng vi sinh vật”, nhưng có thể coi chúng là bất kỳ loại hợp chất hóa học hoặc tác nhân vật

lý nào được sử dụng để tiêu diệt vi sinh vật hoặc ngăn chặn sự phát triển của vi sinh

vật Hiện nay, thuật ngữ kháng sinh được sử dụng phổ biến để chỉ các loại thuốc chống lại vi khuẩn, nhưng nói đúng ra, nó chỉ đề cập đến các loại thuốc tiêu diệt hoặc

ức chế vi khuẩn

1.3.1.2 Phân loại các tác nhân kháng vi sinh vật

a Phân loại theo loại vi sinh vật mục tiêu

Vi sinh vật gây hại được chia thành nhiều loại bao gồm vi khuẩn và vi rút (thường được gọi là vi trùng), nấm men hoặc ký sinh trùng Mỗi loại vi sinh vật có cấu tạo, thành phần tế bào và hoạt động sinh học khác nhau Nên nhìn chung với mỗi nhánh vi sinh vật khác nhau thì cần các tác nhân khác nhau để tạo điều kiện ức chế

sự phát triển hoặc tiêu diệt chúng Theo các phân loại này các tác nhân kháng vi sinh vật có thể được chia thành, kháng vi khuẩn (hay kháng sinh), kháng vi rút, kháng nấm

và kháng ký sinh trùng

Tác nhân kháng khuẩn được sử dụng để điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn Thuốc kháng sinh được phân loại chung là beta-lactam, macrolide, quinolone, tetracycline hoặc aminoglycoside Việc phân loại chúng trong các loại này phụ thuộc vào phổ kháng khuẩn, dược lực học và thành phần hóa học của chúng [35] Việc phát hiện, phát triển và sử dụng thuốc kháng khuẩn trong thế kỷ 20 đã làm giảm tỷ lệ tử vong do nhiễm vi khuẩn Kỷ nguyên kháng sinh bắt đầu với ứng dụng điều trị của thuốc sulfonamid vào năm 1936, sau đó là giai đoạn khám phá "vàng" từ khoảng năm

1945 đến năm 1970, khi một số tác nhân có cấu trúc đa dạng và hiệu quả cao được phát hiện và phát triển Kể từ năm 1980, chứng kiện sự sụt giảm đáng kể trong việc phát triển các tác nhân kháng vi trùng loại mới, một phần là do chi phí phát triển và thử nghiệm các loại thuốc mới rất lớn [99]

Tác nhân chống nấm được sử dụng để tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của nấm Trong y học, chúng được sử dụng để điều trị các bệnh nhiễm trùng như nấm

da chân, nấm ngoài da và tưa miệng và hoạt động bằng cách khai thác sự khác biệt giữa tế bào động vật có vú và tế bào nấm Không giống như vi khuẩn, cả nấm và con người đều là sinh vật nhân chuẩn Do đó, tế bào nấm và tế bào người tương tự nhau

ở cấp độ phân tử, khiến việc tìm ra mục tiêu tấn công của một loại thuốc chống nấm

không tồn tại trong cơ thể vật chủ trở nên khó khăn hơn Do đó, chúng thường có tác dụng phụ đối với vật chủ Một số tác dụng phụ này có thể đe dọa tính mạng nếu thuốc không được sử dụng đúng cách

Tác nhân kháng vi rút là một nhóm thuốc được sử dụng đặc biệt để điều trị nhiễm vi rút Giống như thuốc kháng sinh, thuốc kháng vi rút cụ thể được sử dụng cho các loại vi rút cụ thể Chúng nên được phân biệt với thuốc diệt vi rút, loại thuốc chủ động vô hiệu hóa các phần tử vi rút bên ngoài cơ thể Thuốc chống ký sinh trùng

là một nhóm thuốc được chỉ định để điều trị các bệnh truyền nhiễm như bệnh leishmania, sốt rét và bệnh Chagas, gây ra bởi các ký sinh trùng như tuyến trùng, cestodes, sán lá và động vật nguyên sinh truyền nhiễm Thuốc trị ký sinh trùng bao gồm metronidazole, iodoquinol và albendazole [35]

b Phân loại theo cơ chế kháng vi sinh vật

Các loại vi sinh vật phần lớn là các sinh vật đơn bào, các hoạt động sống của chúng phụ thuộc chủ yếu việc trao đổi chất thông qua màng tế bào và sự hoạt động của các bào quan Mỗi bào quan lại có nhiệm vụ khác nhau, ví dụ như ribosome có chức năng tổng hợp các polipeptit từ RNA, hay nhân hoặc vùng nhân có chứa vật chất di truyền của tế bào Tương tác của các tác nhân kháng vi sinh vật sẽ tác động lên một nhiều bào quan khác nhau, khiến các chu trình sống của vi sinh vật bị gián đoạn hoặc đứt gãy hẳn Qua đó làm kìm hãm sự phát triển của quần thể vi sinh vật hoặc tiêu diệt chúng Dựa trên các tương tác trên có thể phân loại các tác nhân theo

cơ chế tác động vào vi sinh vật Có thể phân chia thành, tác nhân tác động đến sự tổng hợp thành tế bào, tác nhân ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp protein, tác nhân tác động đến quá trình tổng hợp axit nucleic, và tác nhân làm thay đổi màng tế bào

Tế bào động vật không có thành tế bào, nó chỉ tồn tại ở một số loài vi khuẩn, nấm và tảo Chúng có tác dụng hỗ trợ và bảo vệ tế bào khỏi các tác nhân vật lý, và lọc các chất đi vào trong tế bào, ngoài ra nó còn ngăn sự giãn nở quá mức của tế bào dẫn đến vỡ tế bào Nên các tác nhân ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp thành tế bào vừa có khả năng kìm hãm các vi sinh vật có hại nhưng cũng ít ảnh hướng đến tế bào của vật chủ [52] Các tác nhân ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp protein thì lại thường

tấn công vào ribosome khiến chúng đọc sai hoặc không thể đọc được tín hiệu từ mRNA [51] Các tác nhân liên quan đến axit nucleic thì tác động vào cả các tiền chất của axit nucleic như axit p-aminobenzoic [40] hay tấn công vào các enzyme như topioisomerase có tác dụng tháo xoắn chuỗi axit nucleic trong quá trình tổng hợp mạch mới [42] Các tác nhân thay đổi màng tế bào làm thay đổi điện tích hoặc độ phân cực của thành tế bào khiến hoạt động trao đổi chất của tế bào bị ảnh hưởng Sơ

đồ phân loại các tác nhân kháng vi sinh vật được thể hiện ở hình 1.11

Hình 1.11: Sơ đồ phân loại các tác nhân kháng vi sinh vật

1.3.2 Khả năng kháng vi sinh vật có hại của nano ZnO

Oxit kẽm (ZnO), titan dioxit và bạc được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau

để kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật Tuy nhiên, các dạng vật liệu ZnO có những

ưu điểm hơn vì chúng có hiệu suất quang xúc tác cao nhất trong số tất cả các vật liệu xúc tác quang vô cơ và có tính tương thích sinh học cao hơn titan dioxit Ngoài ra, ZnO có tính chọn lọc cao, độ bền và khả năng chịu nhiệt tốt hơn, nó có thể được sử

dụng để chống lại nhiều loại vi sinh vật, như S aureus, E coli và C albicans Hình

1.12 thể hiện hoạt tính của ZnO được kiểm tra bằng phương pháp đo mật độ quang

[4].Tính chất kháng vi sinh vật có hại của các cấu trúc micro và nano ZnO đã được nghiên cứu rộng rãi Sự giảm kích thước của cấu trúc tinh thể ZnO gây ra những thay đổi về tính chất điện, quang và hóa học; một số tác giả tin rằng những thay đổi này là

do bề mặt giam cầm lượng tử gây ra, tạo tiền đề các ứng dụng mới Ví dụ, khi kích thước của ZnO giảm xuống cấp độ nano, hoạt tính chống lại vi sinh vật tăng lên Đặc biệt về các ứng dụng kháng vi sinh vật, vật liệu nano ZnO được hưởng lợi từ một trong những ưu điểm của vật liệu vô cơ so với vật liệu hữu cơ là độc tính thấp, độ bền cao và có độ chọn lọc tốt

Hình 1.12: Hiệu quả kháng vi khuẩn E coli và S aureus của mẫu thanh nano ZnO tại các điều kiện khác nhau.(sử dụng phương pháp đo mật độ quang) [4]

Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào giải thích cơ diệt vi sinh vật có hại của cấu trúc nano ZnO Tuy nhiên môi trường tương tác của ZnO với vi sinh vật thường rất phức tạp do sự có mặt của nhiều chất hóa học cũng như môi trường có khả năng

tự biến đổi theo thời gian dưới hoạt động của vi sinh vật Vật nên có thể có nhiều cơ chế đóng góp vào khả năng kháng vi sinh vật có hại của vật liệu nano ZnO, và cũng

rất khó để xác định cơ chế chủ đạo Sau đây, sẽ đề cập một số đề suất gần đây về cơ chế kháng vi sinh vật có hại của vật liệu nano ZnO Cấu trúc nano ZnO tương tác với nước trong môi trường sống của vi sinh vật cho phép xảy ra các phản ứng hóa học giữa hydrogen peroxide hoặc các sản phẩm của ZnO và protein của màng tế bào Các sản phẩm hóa học khác nhau của ZnO sẽ cho ta một cơ chế giải thích hiện tượng khác nhau Các cơ chế được đề xuất gồm 4 cơ chế chính:

• Sản sinh ra các gốc oxi hóa (ROS) [6, 38, 82]

• Vật liệu nano ZnO làm mất tính toàn vẹn của màng tế bào [13, 112]

• Sản sinh ra ion Zn2+ [17, 53]

• Sự xâm nhập của chính vật liệu nano ZnO vào tế bào chất [13]

Hình 1.13: Các cơ chế kháng vi sinh vật của vật liệu nano ZnO [87]

Sự hình thành của các sản phẩm ROS là cơ chế được chấp nhận rộng rãi nhất giải thích cho hiện tượng khác các vi sinh vật của nano ZnO Các gốc oxi hóa gồm superoxide anions (O2 −), gốc hydroxyl (HO2 −) and hydrogen peroxide (H2O2) [38] có tác dụng gây ra các tổn thương với các thành phần của tế bào như DNA, protein và liqid [6, 82].Cơ chế sản sinh ra các gốc oxi hóa được mô tả ở hình 1.14 Là một chất bán dẫn, cấu trúc vùng năng lượng của ZnO bao gồm vùng dẫn (CB) và vùng hóa trị