Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite nio chitosan Ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn

Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite nio chitosan Ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite nio chitosan Ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM HÀ NGÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ NANOCOMPOSITE

NiO/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU KHÁNG KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM HÀ NGÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ NANOCOMPOSITE

NiO/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU KHÁNG KHUẨN

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Phạm Hà Ngân, học viên lớp K28 – Khoa học môi trường,

thực hiện đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite NiO/Chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn” dưới sự hướng dẫn của

TS Nguyễn Thị Hương và TS Nguyễn Thị Hạnh Luận văn được thực hiện tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự trong thời gian từ tháng 01/2022 đến tháng 08/2022

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2022

Học viên

PHẠM HÀ NGÂN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Hương và TS Nguyễn Thị Hạnh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp này, được sự hướng dẫn nhiệt tình từ thầy cô và những lời động viên, chia sẻ chân thành của gia đình, bạn

bè đã giúp tôi có được rất nhiều kiến thức và là hành trang quý báu để tôi hoàn thiện luận văn tốt nghiệp của mình

Tôi xin được gửi lời cám ơn đến trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, cũng như khoa Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có cơ hội được thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình trong điều kiện tốt nhất

Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn đến Phòng Hoá Hữu cơ, Viện Hoá học - Vật liệu đã tạo điều kiện điều kiện để tôi có cơ hội được thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình tại đơn vị

Cuối cùng, tôi cũng xin được gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2022

Học viên

PHẠM HÀ NGÂN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Những đóng góp mới của luận văn 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Sự nhiễm khuẩn trong môi trường 3

1.2 Giới thiệu chung về các phế phẩm nông nghiệp 5

1.2.1 Phế phẩm nông ngiệp 5

1.2.2 Vỏ quả măng cụt 7

1.3 Vật liệu nano NiO và nano composit NiO/Chitosan 9

1.3.1 Giới thiệu chung về vật liệu nano NiO 9

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu NiO 11

1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite 12

1.4.1 Tổng hợp vật liệu nano composite bằng phương pháp vật lý 12

1.4.2 Tổng hợp vật liệu nano composite bằng phương pháp hóa học 13

1.4.3 Tổng hợp vật liệu nanocomposite bằng phương pháp xanh 16

1.5 Chitosan và nanocomposite trên nền oxit kim loại và chitosan 17

1.5.1 Tổng quan về chitosan 17

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 21

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu: 21

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu: 21

2.2 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 21

2.3 Phương pháp nghiên cứu 22

2.3.1 Tổng hợp nano NiO 22

2.3.2 Chế tạo hệ nanocomposite NiO/Chitosan 23

2.4 Đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu NiO/CS 24

2.5 Khảo sát khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu NiO/Chitosan 25

2.5.1 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu 25

2.5.2 Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của vật liệu NiO/CS 27

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Tổng hợp vật liệu nano NiO bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết từ vỏ quả măng cụt 28

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi chiết đến hình thái học của hạt nano NiO 28

3.1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 30

3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian nung 31

3.2 Kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ nanocomposite NiO/CS 35

3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ chitosan đến tính chất từ và hình thái bề mặt của vật liệu NiO/CS 35

3.2.2 Đánh giá tính chất cấu trúc đặc trưng của hệ nano nanocomposite NiO/CS 39 3.3 Khảo sát khả năng kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite NiO/CS 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp nano 16

Bảng 3.1: Đường kính vòng kháng khuẩn của chitosan và NiO/CS đối với các vi khuẩn khảo sát 47 Bảng 3.2: Kết quả so sánh tính kháng khuẩn của vật liệu đã được công bố trước đó 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quả và vỏ quả măng cụt 7

Hình 1.2 Cấu trúc của tinh thể niken (II) oxit 9

Hình 1.7.1 Cấu trúc của chitosan 17

Hình 1.7.2 Tổng hợp chitosan từ chitin 18

Hình 2.1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu NiO/CS 24

Hình 3.1: Ảnh FESEM của nano NiO tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 29

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu NiO nung ở nhiệt độ 250-550oC 30 Hình 3.3: Ảnh FESEM của nano NiO/CS ở các điều kiện thời gian nung khác nhau 32

Hình 3.4: Ảnh HR-TEM của mẫu nano NiO ở nhiệt độ nung 450 oC, thời gian nung 4 giờ 34

Hình 3.5: Đường cong M-H của mẫu nano NiO ở nhiệt độ nung 450 oC, thời gian nung 4 giờ 34

Hình 3.6: Phổ Xray của mẫu NiO/CS với các nồng độ CS khác nhau: 1: CS 3%; 2: CS: 5%; 3: CS 10%; 4: CS: 20% 36

Hình 3.7: Ảnh FESEM của mẫu nghiên cứu NiO/CS ở các nồng độ CS khác nhau 38

Hình 3.8: Phổ FT-IR chitosan (a) và mẫu NiO/CS (b) 39

Hình 3.9: Đường cong M-H của mẫu NiO/CS (10%) 41

Hình 3.10: Ảnh TEM của mẫu NiO/CS (10%) 41

Hình 3.11: Giản đồ phân bố cỡ hạt của vật liệu NiO/CS (10%) 42

Hình 3.12: Giản đồ thế Zeta của mẫu NiO/CS (10%) 42

Hình 3.13: Cơ chế phản ứng hóa học để hình thành tổ hợp nano NiO/CS 43

Hình 3.14 Khảo sát khả năng sống sót của vi sinh vật 44

Hình 3.15 Thử nghiệm rắc mẫu CS đối với ba chủng vi khuẩn 45

Hình 3.16 Khảo sát khả năng kháng khuẩn đối với E.coli 46

Hình 3.17 Khảo sát khả năng kháng khuẩn đối với Bacillus subtilis 46

Hình 3.18 Khảo sát khả năng kháng khuẩn đối với S.cerevisiae 47

Hình 3.19: Nồng độ kháng khuẩn tối thiểu MIC của mẫu NiO/CS 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU – CHỮ VIẾT TẮT

CMC Carboxylmethyl Cellulose

CS Chitosan

DETA Diethylenetriamine

DLS Dynamic Light Scattering (Phương pháp tán xạ ánh sáng động)

EDX Energy Dispersive X-Ray (Phương pháp tán xạ năng lượng tia

X)

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy (Phương pháp

hiển vi điện tử quét phát xạ trường)

FIR Far-Infrared Radiation (Vùng hồng ngoại xa)

FT-IR Fourier Tranform InfraRed (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier)

IR Infrared Radiation (Tia hồng ngoại)

MIC Minimum Inhibitory Concentrations (Nồng độ ức chế tối thiểu)

MIR Middle-Infrared Radiation (Vùng hồng ngoại trung)

NP(s) Nanoparticle(s) (Hạt nano)

SEM Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)

TEM Transmitting Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, thực trạng ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí ở nước

ta đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Vì vậy, việc đề xuất những giải pháp phòng ngừa và ngăn chặn sự ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp bách hiện nay Trong lĩnh vực chế tạo vật liệu, đặc biệt là các vật liệu mới sử dụng các tác nhân có sẵn trong tự nhiên là các sản phẩm phụ của các quá trình công nghiệp, nông nghiệp,… làm giảm quá trình ô nhiễm môi trường và hạn chế sử dụng hoá chất độc hại, đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Trong đó, một xu hướng nghiên cứu nhiều loại vật liệu mới, đó là những oxit kim loại với kích thước nano bằng các phương pháp xanh, sử dụng các tác nhân ổn định, tác nhân khử-oxi hoá là các dịch chiết từ cây, quả và một số loại vi khuẩn [14] ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn, vật liệu hấp phụ - cảm biến và ứng dụng trong y học đang được quan tâm trong những năm gần đây Đối tượng nghiên cứu chính của những vật liệu này tập trung vào dải kích thước từ 1nm tới 100nm, có tính chất từ hoặc là các oxit kim loại có tính chất quang Một trong những loại vật liệu đó là nano oxit NiO với Eg = 3,6 - 4 eV,

có tính chất độc đáo của quang học và từ tính, hoạt động như một chất bán dẫn với ứng dụng trong nhiều công nghệ như cảm biến [1], pin lithium-ion [2], xúc tác quang [3], Vì vậy, khi kết hợp oxit NiO với một polymer sinh học như chitosan được thu thập từ tự nhiên với khả năng kháng khuẩn sẵn có

sẽ hứa hẹn tạo ra một loại vật liệu nanocomposite có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Ngoài ra, việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu nano oxit kim loại ứng dụng trong lĩnh vực môi trường mà vật liệu xúc tác quang, y học, vật liệu kháng khuẩn [6, 8] có giá thành thấp, thân thiện với môi trường với các tác nhân phản ứng đi từ các phế phẩm nông nghiệp, polymer sinh học có sẵn trong tự nhiên các loại vỏ chôm chôm, vỏ măng cụt,… giúp đưa ra được các phương pháp tổng hợp xanh, thân thiện môi trường và phát triển bền vững

Do đó, luận văn chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite NiO/chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn" nhằm chế tạo được vật liệu

nanocompostie NiO/Chitosan (CS) sử dụng tác nhân phản ứng là dịch chiết từ

vỏ quả măng cụt và đánh giá được khả năng kháng khuẩn của vật liệu

2 Mục tiêu nghiên cứu

-Tổng hợp được và đánh giá đặc trưng và cấu trúc của hệ vật liệu

nanocomposite NiO/chitosan

- Đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu nanocomposite NiO/CS

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp vật liệu nano NiO bằng phương pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết từ vỏ quả măng cụt

- Tổng hợp hệ vật liệu nanocomposite NiO/Chitosan với sự hỗ trợ của sóng siêu âm

- Đánh giá đặc trưng cấu trúc và đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu đã tổng hợp

Kết quả đạt được:

- Vật liệu nano NiO và hệ nanocomposite NiO/Chitosan

- Kết quả đánh giá đặc trưng cấu trúc vật liệu

- Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của hệ vật liệu trên nấm men

Sacharomyces cerevisiae và hai chủng vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis) và Gram âm (E coli) bằng phương pháp khuếch tán đĩa

4 Những đóng góp mới của luận văn

Tổng hợp được các hạt nano NiO/chitosan (NiO/CS) được tổng hợp từ niken nitrat hexahydrat làm tiền chất và dịch chiết từ vỏ măng cụt như một

chất khử bằng phương pháp đồng kết tủa với sự hỗ trợ của siêu âm

Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu NiO/CS đối với các chủng vi khuẩn Gram dương, Gram âm

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Sự nhiễm khuẩn trong môi trường

Hiện nay, sự nhiễm khuẩn trong môi trường được biết đến đối với các đối tượng khác nhau như môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí Trong đó, một trong những nguyên nhân chính gây nhiễm khuẩn vào môi trường là các chất thải từ quá trình chăn nuôi, nước thải bệnh viện có chứa các

vi sinh vật gây bệnh bị phát tán vào môi trường đất và nước Đây cũng chính

là nguyên nhân gây nên các nhóm truyền bệnh khác nhau từ đất, nước và chuỗi thức ăn đến con người, động vật Trong đó, một số nguồn thải chính ngây nhiễm khuẩn trong môi trường bao gồm:

Đối với nguồn nước thải: từ các khu dân cư, từ các trang trại chăn nuôi

gia súc, gia cầm, nước thải từ các bệnh viện, … chứa nhiều các vi sinh vật gây bệnh, nếu không được xử lý sẽ gây hại sức khỏe cho con người Các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm các vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, động vật nguyên sinh, … Nước thải chứa một lượng khá lớn các sinh vật gây bệnh như

vi khuẩn, virus, động vật nguyên sinh và các loại trùng

Nguồn chất thải rắn: chất thải rắn từ các bệnh viện và chất thải rắn sinh

hoạt, chăn nuôi là các nguồn chính gây nhiễm khuẩn vào môi trường Trong đó, tại các bãi rác, bãi chôn lấp chất thải rắn không hợp vệ sinh, các hệ thống thu gom nước rỉ rác chưa đạt tiêu chuẩn và chưa được xử lý triệt để dẫn đến hoá chất và vi sinh vật từ chất thải rắn dễ dàng thâm nhập gây ô nhiễm môi trường đất Theo kết quả báo cáo môi trường của Viện Y học Lao động và Vệ sinh môi trường, các mẫu đất tại bãi rác Nam Sơn đều bị ô nhiễm trứng giun và coliform Theo các kết quả thống kê cũng cho thấy, người dân sống gần bãi rác không hợp vệ sinh có tỷ lệ mắc các bệnh da liễu, viêm phế quản, đau xương khớp cao hơn các nơi khác Theo kết quả thu thập của Sở TN&MT Cao Bằng,

tỷ lệ người ốm và mắc các bệnh như tiêu chảy, da liễu, hô hấp tại khu vực chịu ảnh hưởng của bãi rác cao hơn từ 1,1 đến 2,0 lần so với khu vực khác

Một số loại vi sinh vật kiểm định trong quá trình nghiên cứu:

Các vi khuẩn trong nước thải là các vi khuẩn Gram âm và Gram dương Các vi khuẩn có khả năng gây bệnh còn được sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm môi trường bởi các vi sinh vật Như các vi sinh vật chỉ thị

việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân, đó là E Coli (Gram âm) Do đó số lượng E coli được coi là một chỉ tiêu thích hợp cho việc quản lý nguồn nước

Bacillus thuộc loại trực khuẩn Gram dương, đặc biệt Bacillus có khả năng sinh nội bào tử ở trung tâm, khi đó các vi khuẩn như Bacillus tạo ra một

loại tế bào ngừng hoạt động gọi là nội bảo tử, có thể tránh bất kỳ sự tấn công nào có thể phá huỷ thành tế bào Như tại điều kiện 100oC, bào tử Bacillus có

thể chịu đến 180 phút và ổn định cao với nhiệt độ thấp, tác động của hóa chất,

tia bức xạ Bacillus hình thành bào tử khi môi trường biến đổi đột ngột, cũng

như có thể tồn tại trong thời gian dài dưới những điều kiện bất lợi như khan

hiếm chất dinh dưỡng Hầu hết các loài thuộc Bacillus đều có khả năng sinh

nội bào tử hiếu khí, chúng được phân lập dễ dàng từ đất, nước hoặc không khí Khi xử lý mẫu bằng nhiệt độ từ 50-80oC, trong thời gian từ 0 đến 30 phút, các tế bào sinh dưỡng thường bị nhiệt độ phá hủy trong khi nhiều bào tử còn

sống sót Bacillus cũng có thể phản ứng với sự thiếu dinh dưỡng theo cách

thức di chuyển cơ thể từ các điều kiện nghèo dinh dưỡng đến nơi tốt hơn nhờ vào các lông roi hoặc tạo bào tử

Trong y học, Bacillus sbutilis có lợi được ứng dụng để chế tạo các chế

phẩm tăng cường hệ tiêu hóa cho cả người và động vật, điều trị các chứng viêm ruột, đại tràng, chống tiêu chảy do lạm dụng kháng sinh hoặc loạn khuẩn

đường ruột Bacillus subtilis cũng được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy

sản, để xử lý môi trường nước Vi khuẩn Lactobacillus, có thể sống trong môi

trường pH thấp, nên được bổ sung vào trong các chế phẩm men vi sinh

Ngoài các vi khuẩn Bacillus có lợi thì cũng rất nhiều loại vi khuẩn Bacillus gây bệnh, như vi khuẩn gây bệnh than Bacillu anthracis, vì vậy đã từng được sử dụng làm vũ khí sinh học trong chiến tranh Trong quá trình

nghiên cứu diệt bào tử có hại thì sự kết hợp giữa xử lý vật lý và xử lý hoá học như xử lý áp suất cao, điện trường, cực tím, ánh sáng cường độ cao cũng như các chất kháng khuẩn tự nhiên thường được sử dụng để diệt bào tử gây bệnh

trong thực phẩm Trong công nghệ thực phẩm, bào tử Bacillus từ đất có thể đi

vào các sản phẩm như sữa, nước ép trái cây,… Tuy nhiên, với việc tiệt trùng

để xử lý các bào tử này bằng nhiệt hay tia cực tím cũng gây ảnh hưởng không

ít đối với chất lượng của các sản phẩm do sự xảy ra sự biến tính protein, enzyme hoặc phân huỷ các chất dinh dưỡng ở nhiệt độ cao Trong một số thức

ăn nguội không được bảo quản cận thận, khi bị nhiễm bảo từ Bacillus cereus

cũng gây ra ói mửa và tiêu chảy

Saccharomyces cerevisiae là một loài nấm men thuộc chi Saccharomyces lớp Ascomycetes ngành nấm Loài này có thể xem là loài nấm hữu dụng nhất trong đời sống con người từ trước tới nay Nó được dùng rộng rãi trong quá trình lên men làm bánh mì, rượu và bia Saccharomyces cerevisiae là một

trong những loài sinh vật nhân chuẩn được khoa học dùng nhiều nhất cùng

với E.coli là hai loài sinh vật mô hình phổ biến nhất

1.2 Giới thiệu chung về các phế phẩm nông nghiệp

1.2.1 Phế phẩm nông ngiệp

Ngành nông nghiệp ở nước ta, bao gồm trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản

và lâm nghiệp, với sản lượng nông nghiệp ngày càng tăng, kèm theo là các ngành chế biến sau thu hoạch phát triển Ngoài ra, trong quá trình sản xuất cũng tạo ra nguồn phế, phụ phẩm lớn, với xu thế ngày một tăng về khối

lượng Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn phế, phẩm phụ này sẽ đem lại hiệu quả kinh tế, đồng thời góp phần quan trọng giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường Phế phẩm nông nghiệp là những phần còn lại sau chế biến, như rơm

rạ của cây lúa, phần lá, bã của cây mía còn sau khi chế biến đường, vỏ dứa, ngô, vỏ và bã các loại quả sau khi chế biến sản phẩm nước ép và sấy khô,… Với thực trạng hiện nay, tại những vùng chuyên sản xuất lúa, một lượng đáng

kể rơm được đốt ngay tại ruộng gây ô nhiễm không khí, cản trở giao thông, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Trong khi đó, ngành chức năng vẫn chưa thể thống kê hết được số liệu phế phẩm nông nghiệp thải ra từ các loại nông sản Theo ước tính, lượng phế phẩm thải ra bằng hoặc nhiều hơn so với sản lượng nông sản tạo thành Nếu chúng được tận dụng, tái chế không những tạo thêm việc làm cho nhiều lao động nông thôn mà còn góp phần nâng cao giá trị sản phẩm, bảo vệ môi trường Có nhiều mô hình áp dụng nguyên lý kinh tế tuần hoàn gắn với tăng trưởng xanh, sử dụng phụ phẩm trong nông, lâm, thủy sản là nguồn tài nguyên tái tạo Như một số nơi, hộ nông dân đã xử lý rơm rạ tại đồng ruộng bằng chế phẩm sinh học để dùng làm phân bón, để hạn chế sử dụng phân hóa học Các phụ phẩm trong trồng trọt được dùng sản xuất cồn công nghiệp, phát điện sinh khối, làm đệm lót sinh học chăn nuôi, phân hữu

cơ Đối với chất thải chăn nuôi có được chuyển hoá bằng nhiều cách như: Ủ phân compost, xử lý bằng chế phẩm vi sinh vật, công trình khí sinh học Với lĩnh vực thủy sản, tận dụng vỏ các các loài giáp xác được thải bỏ như vỏ tôm,

là nguồn nguyên liệu đầu để tổng hợp các chitin Hàm lượng chitin trong chất thải của tôm trong khoảng từ 14 đến 30% so với chất khô, tùy thuộc vào phương pháp khai thác Chitin được biết là một polysaccharide được coi là chất tạo màng sinh học phổ biến sau cellulose Chitin là một chất tạo sinh học của β-1,4-N-acetyl glucosamine, là nguồn nguyên liệu quan trọng để chế tạo chitosan Trong đó, chitosan được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, dược phẩm, công nghệ chế biến thực phẩm, nông nghiệp và thức ăn cho thủy sản

Tuy nhiên, việc sử dụng, chế biến phế, phụ phẩm nông nghiệp hiện nay còn chưa đồng bộ, hiệu quả, lãng phí, chưa tạo ra những sản phẩm giá trị gia tăng cao, chưa nhiều sản phẩm xây dựng được thương hiệu có uy tín trên thị trường Nếu có thể khai khai thác tốt phụ phẩm nông nghiệp sẽ là tiền đề để thúc đẩy nền nông nghiệp Việt Nam tăng tốc chuyển đổi sang mô hình nông nghiệp tuần hoàn, hướng đến nền nông nghiệp tăng trưởng xanh Vì vậy, cần nâng cao năng lực tái chế, tái sử dụng phụ, phế phẩm nông nghiệp góp phần bảo vệ môi trường và tăng hiệu quả kinh tế là việc làm rất cần thiết Trong luận văn này, sử dụng phế phẩm nông nghiệp là dịch chiết từ vỏ quả măng cụt làm chất phản ứng, tác nhân bền hóa chế tạo hệ vật liệu có tính kháng khuẩn cao hứa hẹn sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới hữu ích trong lĩnh vực môi trường và lĩnh vực khác

1.2.2 Vỏ quả măng cụt

Cây măng cụt có tên khoa học là Garcinia mangostana, thuộc họ cây

Bứa Măng cụt là loại cây được trồng ở vùng nhiệt đới, có nguồn gốc từ các

nước Đông Nam Á, Tây Nam Ấn Độ và các khu vực nhiệt đới khác như Colombia, Puerto Rico và Florida Cây sống thích hợp với khí hậu ấm nóng nên được trồng nhiều ở các tỉnh miền Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam

Hình 1.1 Quả và vỏ quả măng cụt

Măng cụt cao từ 6 đến 25 m Quả khi chín có vỏ ngoài dày, màu đỏ tím đậm, vỏ chát, không ăn được Ruột trắng ngà, mọng nước, nhiều xơ và chia thành nhiều múi, có vị chua ngọt thanh thanh và có mùi thơm Trong mỗi quả, phần thịt có mùi thơm, bao quanh mỗi hạt là vỏ quả, là lớp bên trong của bầu nhụy Hạt có hình quả hạnh và kích thước nhỏ

Thành phần của vỏ măng cụt:

Vỏ măng cụt có chứa hợp chất phenolic như tannins, flavonoids, xanthones, và các hoạt chất sinh học khác [17] Thành phần chính của vỏ đã được xác định là một loạt xanthone mà những chất chính là mangostin, α-mangostin, β-mangostin, γ-mangostin, các isomangostin, normangostin, bên cạnh trioxyxanthon, pyranoxanthon, dihydroxy methyl butenyl xanthon, trihydroxy methyl butenyl xanthon, pyrano xanthenon Các garcinon A, B, C,

D, E, mangostinon, garcimangoson A, B, C, gartanin, egonol, epicatechin, procyanidin, benzophenon glucosid tuy số lượng ít cũng đã được tìm ra Trong số các hợp chất xanthone từ vỏ quả măng cụt, hợp chất α- mangostin được chứng minh là có hàm lượng cao nhất chiếm khoảng 0,02 - 0,2 % Nhiều nghiên cứu đã chứng minh, hoạt chất α- mangostin có hoạt tính kháng khuẩn, chống viêm, chống oxy hóa và chống ung thư Hoạt chất α- mangostin được tinh sạch từ vỏ của quả măng cụt, có độ sạch đạt 98,6% (HPLC), hàm lượng chiếm 0,1% so với nguyên liệu ban đầu Hoạt chất α- mangostin đã được thử nghiệm có hoạt tính kháng khuẩn đối với một số

chủng vi khuẩn kiểm định như E coli, Bacillus, Pseudomonas và Staphylococcus aureus Kết quả đã chỉ ra rằng hoạt chất α- mangostin có hoạt tính kháng khuẩn cao đối với E coli DH5α và Staphylococcus aureus Nồng

độ ức chế tối thiểu của hoạt chất α- mangostin đối với chủng E coli và

Staphylococcus aureus tương ứng là 800 µg/ml và 15 µg/ml Ở nồng độ 1000

µg/ml, hoạt chất α- mangostin đã ức chế được hơn 80 % sự sinh trưởng và

phát triển của chủng vi khuẩn B subtilis XL62 và 70 % đối với chủng P aeruginosa

Chiết xuất vỏ măng cụt có chất chống oxy hóa và tính diệt khuẩn tốt [20–22] Với thành phần của dịch chiết từ vỏ quả măng cụt chứa hàm lượng lớn hoạt chất mangostin, đây là một trong những polyol, là tác nhân có thể tạo phức với các ion kim loại, từ đó thể hiện vai trò làm tác nhân phản ứng hoặc tác nhân bền hoá trong quá trình tổng hợp nano oxit kim loại bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết vỏ quả măng cụt [15, 18] Karthiga và cộng sự đã sử dụng thành công chiết xuất vỏ măng cụt trong quá trình tổng hợp nano Ag dạng hình cầu và kết tinh với kích thước hạt trung bình 30 nm [15] Như năm 2018, nhóm tác giả Mohammod đã sử dụng dịch chiết từ vỏ quả măng cụt để tổng hợp nano ZnO và ứng dụng nano ZnO làm vật liệu xúc tác quang hoá Kết quả công bố cho thấy, vỏ quả măng cụt được chiết trong dung môi nước ở 70-80 oC trong 20 phút được sử dụng để làm tác nhân phản ứng tổng hợp nano ZnO, chất rắn sau phản ứng được lọc, sấy và nung ở 400 oC trong 2h, sẽ thu thu được nano oxi ZnO có kích thước trung bình là 21 nm và có khả năng xúc tác quang tốt đối với tác nhân xanh methylen trong môi trường nước [16]

1.3 Vật liệu nano NiO và nano composit NiO/Chitosan

1.3.1 Giới thiệu chung về vật liệu nano NiO

Niken (II) oxit là hợp chất hóa học với công thức NiO; màu xanh lá cây, dạng tinh thể rắn

Hình 1.2 Cấu trúc của tinh thể niken (II) oxit

* Cấu trúc tinh thể của NiO

NiO là oxit có công thức chung MO, kiểu cấu trúc tinh thể MO phụ thuộc vào tỷ số bán kính ion kim loại so với bán kính ion oxi (nếu

nằm trong khoảng từ 0,414 đến 0,732 thì có mạng lưới tinh thể của NaCl, nếu

nằm giữa 0,225 và 0,414 có cấu trúc kiểu ZnS) Trong công thức

NiO có tỷ lệ bán kính ion = 0,493 Do vậy, oxit NiO có liên kết ion

thuộc cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương tâm mặt (kiểu NaCl)

Ô mạng cơ sở của oxit NiO được biểu diễn như trên hình, có thể xem như đây là sự lồng vào nhau của hai phân mạng lập phương tâm mặt của cation Ni2+ (Ni2+ ở các đỉnh và tâm của các mặt lập phương) và phân mạng anion O2- (anion O2- ở tâm tất cả các cạnh của hình lập phương), tịnh tiến với một khoảng cách bằng ½ cạnh của lập phương Mỗi ô mạng cơ sở gồm 4 phân

là khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện cũng tăng Với đặc điểm này, oxit NiO có khả năng trở thành vật liệu xúc tác oxi hóa khí thải ở vùng nhiệt độ làm việc nhất định

4Ni2+ + O2 → 4Ni3+ + 2OMặt khác, theo kết quả nghiên cứu oxit NiO được xếp vào nhóm chất bán dẫn loại p với sự thiếu hụt oxi trong mạng tinh thể, do đó oxit NiO hấp phụ oxi theo phương trình trên Quá trình này tạo oxi hoạt động O2-, khi đó

2-công thức của oxit NiO có dạng N1-xO Hiện tượng này xảy ra trên bề mặt vật liệu oxit, người ta đã chứng minh được hoạt tính xúc tác oxit NiO tăng khi diện tích bề mặt vật liệu oxit tăng và xúc tác có khả năng hoặt động ở vùng nhiệt độ thấp

Khi nghiên cứu tổng hợp NiO hay NiO dạng nano, kết quả ghi tín hiệu XRD trên máy XRD-D8 (JCP2.2CA:00-004-093), cho thấy trong quá trình tổng hợp pha tinh thể NiO hình thành đã kết tinh tinh thể với đặc trưng mạng lưới lập phương

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu NiO

Quá trình làm sạch nước thải bằng xúc tác quang sử dụng các vật liệu nano bán dẫn như NiO, ZnO, TiO2, CuO, ngày nay đã thu hút được sự quan tâm rất lớn do tính không độc hại, hiệu quả xúc tác quang cao, tính ổn định vật lý, hóa học tốt và khi kết hợp với các chất mang khác thì thuận lợi cho quá trình tái sinh vật liệu [13] Trong đó, NiO là chất bán dẫn loại p linh hoạt với tính ổn định hóa học và nhiệt tuyệt vời với độ rộng vùng Eg = 3,6 - 4 eV Do

đó, nó được coi là một trong những chất xúc tác quang tiềm năng để phân hủy các chất ô nhiễm khác nhau trong môi trường Thêm vào đó, khả năng kháng khuẩn của NiO cũng đã được nghiên cứu và thử nghiệm

Đối với khả năng hoạt tính quang xúc tác của NiO có thể tăng cường bằng cách sử dụng NiO có kích thước nano ở các hình dạng khác nhau như hạt nano, thanh nano, ống nano, …Khi việc giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt, do đó tăng cường hoạt động quang xúc tác của NiO Ví dụ, một

số phương pháp vật lý và hóa học có sẵn để tổng hợp các hạt nano NiO (NiO NPs) như bằng phương pháp nghiền bi, phương pháp ngưng tụ, phương pháp siêu âm, phương pháp sol-gel, phương pháp vi nhũ tương, phương pháp đồng kết tủa, Mặc dù các phương pháp vật lý/hóa học này có hiệu quả để tổng hợp các NiO NPs với các kích thước và hình thái khác nhau, nhưng thường

phải sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại, tác nhân phản ứng, chất ổn định không phân hủy sinh học và đôi khi sử dụng các thiết bị, dụng cụ đắt tiền Vì vậy, xu hướng sử dụng các phương pháp xanh sử dụng dịch chiết từ vỏ quả làm tác nhân phản ứng để tổng hợp các hệ nano oxit kim loại trong đó có NiO hạn chế được việc sử dụng các chất hoá học, đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường [13]

1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite

1.4.1 Tổng hợp vật liệu nano composite bằng phương pháp vật lý

- Phương pháp nghiền bi

Phương pháp nghiền bi là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ

sự va đập của các bi thép không gỉ với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được quay li tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/phút đến vài ngàn vòng/phút) Buồng chứa vật liệu được bao kín Quá trình hợp kim hóa được diễn ra nhờ sự va đập và nhào trộn khi buồng được quay với tốc độ cao Nhờ quá trình này, vật liệu khối được nghiền nhỏ tới kích thước nano

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, hạt từ có thể phân tán như mong muốn, có thể sử dụng vật liệu khác (magie, coban, niken, sắt) với nhiều bazo khác và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều tới quá trình chế tạo

Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano Hạt chế tạo theo phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý

- Phương pháp ngưng tụ

+ Phương pháp cacbonyl

Phương pháp cacbonyl dựa vào sự phân rã của cacbonyl kim loại Cacbonyl kim loại được đặt trong bình chứa, được pha loãng với khí trơ (Nito, Argon) và được đun nóng tới nhiệt độ khoảng 250oC Khi đó quá trình

rã ngưng tụ diễn ra và nguyên tử kim loại hình thành nên hạt tử Hạt thu được

có kích thước từ 2 đến 30 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ số dung môi và chất hoạt động bề mặt…[11]

+ Phương pháp ngưng tụ điện phân

Hạt nano được ngưng tụ điện phân từ dung dịch của muối kim loại được phân tán trong chất lỏng với sự có mặt của chất kích hoạt bề mặt Quá trình được chạy trong buồng điện phân hai tầng với catot quay ở tầng thấp chứa dung dịch chất điện phân, tầng trên là dung dịch chất kích hoạt bề mặt trong chất lỏng Chất điện phân sau khi ngưng tụ vào đến bề mặt catot đang quay nhanh, hạt kim loại rơi vào môi trường phân tán và được phủ bởi một lớp tạo

bề mặt Kích thước của hạt kim loại thu được phụ thuộc vào tốc độ quay catot, nhiệt độ điện phân…[11]

+ Phương pháp ngưng tụ chân không

Để chế tạo hạt vật liệu mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng tới nhiệt độ cao trong chân không Quá trình ngưng tụ được diễn ra chủ yếu tại thành của bình chứa luôn được giữ trong chân không Phương pháp này có thể thu được hạt có kích thước rất nhỏ [11]

1.4.2 Tổng hợp vật liệu nano composite bằng phương pháp hóa học

- Phương pháp siêu âm

Phương pháp này liên quan đến quá trình tạo bọt trong chất lỏng Sự tạo bọt được mô tả như sự hình thành, phát triển và vỡ tan của các bọt dưới một áp suất và nhiệt cao trong một khoảng thời gian rất ngắn để tạo ra các hạt nano Nhược điểm của phương pháp này là sản phẩm tạo ra thường bị kết tụ lại gây khó khăn trong việc xác định được kích thước theo ý muốn

- Phương pháp sol-gel

Từ Sol là từ đầu của danh từ “solution”, còn từ Gel là từ đầu của

“gelation” Sử dụng phương pháp sol-gel ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở

dạng khối, siêu mịn, màng mỏng và sợi Một cách đơn giản nhất, phương pháp này được mô tả với hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phân và polime hóa ngưng tụ Hạt được tạo thành tồn tại ở dạng gel [4]

Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất nhỏ, vật liệu nano

Phương pháp sol-gel được thực hiện theo quy trình sau:

Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc các muối kim loại vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các huyền phù trở nên chất keo lỏng Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự ngưng tụ Gel sấy khô sẽ chuyển thành xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân các chất hữu cơ Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel để tạo thành tinh thể bột

Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn…Tuy nhiên, phương pháp này còn tồn tại nhiều hạn chế: do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn [4]

Dung dịch

HCHC+H 2 O

Gel (dung dich keo đặc)

Sol (dung dịch keo lỏng)

Xerogel (keo khô)

Tinh thể bột

- Phương pháp vi nhũ tương

Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nano Vi nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng màng phân cách của các hoạt tính bề mặt Vi nhũ tương là một chất lỏng không màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học Vi nhũ tương được chia làm hai loại: vi nhũ tương nước trong dầu hay dầu trong nước

Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử hoạt hóa bề mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục Các hốc hoạt hóa bề mặt tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triển các hạt nano bị hạn chế Do đó, các hạt nano được tạo thành rất đồng nhất

- Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp cực kì đa năng để chế tạo hạt ferrite có kích thước rất nhỏ và tính chất từ có thể được điều chế đơn giản bằng việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4…được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazo hydroxit như KOH, NaOH, NH4OH…để tạo kết tủa Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ 60oC trong chân không Các hạt được tổng hợp có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet Kích thước hạt có thể được kiểm soát thông qua nhiều yếu tố như tỷ lệ vật liệu ban đầu, trang thái oxy hóa, độ pH dung dịch…[12]

Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy hóa…và gây ra sự xen lẫn nhiều pha khác nhau Các hạt kết

tụ này làm hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt

Phương pháp này có những ưu điểm khá quan trọng: chế tạo đơn giản, phản ứng xảy ra nhanh, có thể tạo ra hạt nano với độ đồng nhất, độ phân tán khá cao Nhưng phương pháp này có nhược điểm là độ từ hóa thấp, các hạt nano sau khi hình thành sẽ kết tụ mạnh Tuy nhiên, còn tùy thuộc vào những ứng dụng cụ thể, những nhược điểm này thì không đáng kể so với những thuận lợi mà phương pháp mang lại Vì thế nó được sử dụng khá phổ biến

1.4.3 Tổng hợp vật liệu nanocomposite bằng phương pháp xanh

Các phương pháp tổng hợp vật lý và phương pháp hóa học để tạo ra các vật liệu nano phải sử dụng các hóa chất độc hại và nguy hiểm có thể dẫn đến rủi ro không may Các sản phẩm tổng hợp được cũng phải chịu một mức phí cao Ngược với hai phương pháp trên, sử dụng phương pháp tổng hợp xanh đang trở thành một phương pháp rất được ưa chuộng do tiết kiệm chi phí, sử dụng hóa chất sinh học thân thiện với môi trường, ít độc Bảng 1.1 là Bảng so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite bán dẫn

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp nano

Ưu điểm/

Nhược

điểm

Phương pháp hóa học

Phương pháp vật lý

Phương pháp tổng hợp xanh

Ưu điểm

- Có nhiều hóa chất, các tiền chất tỏng hợp ở các điều kiện khác nhau: nhiệt độ, thời gian, nồng độ chất phản ứng, v.v thu được các hạt nano có hình dạng,

- Hóa chất không gây ô nhiễm môi trường

- sử dụng các dung môi thân thiện với môi trường

- Không tốn kém

- An toàn

cấu trúc khác nhau

Nhược điểm

- Tốn kém

- Các hợp chất hóa học/dung môi hữu

cơ làm chất khử độc hại

- Hóa chất gây ô nhiễm môi trường

- Sử dụng các thiết bị tốn kém, nhiệt độ và áp suất cao,

- Diện tích không gian rộng để thiết lập máy móc Phương pháp tổng hợp xanh là phương pháp sử dụng các hóa chất sinh học Phương pháp này bao gồm việc sử dụng các dung môi thân thiện với môi trường và an toàn như nước, chiết xuất từ thực vật, vi khuẩn, vi tảo, rong biển, nấm và các nguồn khác từ tự nhiên có chứa các nhóm chất polysacarit, hợp chất polyphenolic, vitamin, axit amin, alkaloids, terpenoids được tiết ra từ cây Chúng cho phép tổng hợp được các vật liệu với quy mô lớn không có tạp chất

1.5 Chitosan và nanocomposite trên nền oxit kim loại và chitosan

1.5.1 Tổng quan về chitosan

Chitosan là một vật liệu bán tổng hợp thu được bằng cách khử chitin và bao gồm các monome glucosamin (monome đã khử amin) và N-acetyl-glucosamin (monome được acetyl hóa) được liên kết thông qua liên kết β- 1,4 glycosid

Hình 1.7.1 Cấu trúc của chitosan

Hình 1.7.2 Tổng hợp chitosan từ chitin

Chitosan là một chất tạo màng sinh học, không độc hại, được tạo thành

từ các phân tử glucosamine Chitosan đã được dùng làm chất bảo vệ bề mặt cho ION trong những năm gần đây Ngoài khả năng tương hợp sinh học, khả năng phân hủy sinh học và khả năng hấp phụ, chitosan với các nhóm amin cũng cho thấy khả năng kiểm soát sự giải phóng thuốc, cải thiện sự khuếch tán thuốc và tăng cường thẩm thấu thuốc [23] Hơn nữa, chitosan đã nổi lên như một chất kháng khuẩn và kháng virus do mang điện tích dương giúp nó bám dính vào các bề mặt tích điện âm và tương tác với các polyanion để tạo thành cấu trúc gel

1.5.2 Ứng dụng của nano oxit kim loại/chitosan trong lĩnh vực môi trường

Loại bỏ kim loại nặng trong nước thải bằng vật liệu oxit kim loại/chitosan

Các hạt nano kim loại chitosan đang được sử dụng để loại bỏ kim loại khỏi nước thải bằng phương pháp hấp phụ Trước tiên, trong quá trình này,

hạt nano kim loại trên nền chitosan được tổng hợp bằng phương pháp in-situ hoặc ex-situ Sau đó, các hạt nano này được sử dụng để tạo màng bằng

phương pháp đúc dung dịch Những màng này được làm khô trên các tấm teflon Sau đó, các màng này được cắt theo các kích thước cố định và sau đó

được nhúng vào dung dịch gốc kim loại có nồng độ khác nhau Để kiểm tra ảnh hưởng của kim loại và nồng độ chitosan đến sự hấp phụ, các điều kiện phản ứng được đảm bảo như nhau Cr (IV) được loại bỏ bằng kỹ thuật hấp phụ sử dụng các hạt nano từ tính dựa trên chitosan, các điều kiện tối ưu được

áp dụng để xem ảnh hưởng của pH và thời gian hấp phụ Trong hầu hết các trường hợp, người ta nhận thấy rằng sự gia tăng tỷ lệ chitosan và nồng độ biopolymer làm tăng sự hấp phụ các kim loại nặng Các hạt

Fe3O4/C18/Chitosan/DETA (FCCD) được sử dụng để loại bỏ Dy3+

, Nd3+ và

Er3+ ở 25°C và môi trường pH = 7 Các hạt nano này đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp ghép từng bước lắng đọng bề mặt Dữ liệu động học được sử dụng để tính toán bậc của phản ứng hấp phụ, người ta tìm thấy phản ứng giả bậc hai và phương trình Langmuir phù hợp với các đường đẳng nhiệt hấp phụ

Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano oxit kim loại/chitosan

Các hạt nano kim loại ổn định chitosan thu hút được sự chú ý lớn của các nhà khoa học vì bản thân chitosan đã có hoạt tính kháng khuẩn, khi các hạt nano kim loại được gắn với chitosan, hoạt tính này được tăng lên rất nhiều Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều cơ chế hoạt động kháng khuẩn của chitosan, một trong những cơ chế nói rằng chitosan là chất tạo phức rất tốt và khi nó tiếp xúc với tế bào vi sinh vật; nó liên kết với các kim loại của tế bào

Vì vậy chức năng tế bào bị ngừng lại và vi khuẩn bị tiêu diệt Hợp chất nano

Chitosan/CMC/Ag thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt chống lại Escherichia coli, Staphylococcus aurous và Pseudomonas aeruginosa Các hạt nano Ag

trên nền chitosan đã được phát hiện có khả năng kháng khuẩn, cả vi khuẩn

gram dương (Bacillus sp Và Staphylococcus) và vi khuẩn gram âm (Pseudomonas) Một loại hạt nano Cu trên nền chitosan đã được tổng hợp và

thử hoạt tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn gram dương và gram âm Kết

quả cho thấy các hạt nano Cu/chitosan có hiệu quả trên vi khuẩn gram âm hơn gram dương Điều này có thể là do sự khác biệt trong thành phần thành tế bào

Nhận xét chung

Từ các kiến thức khái quát nêu trên, và tiềm năng của vật liệu

nanocomposit oxit kim loại/chitosan, luận văn đã lựa chọn hiện đề tài Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposit có từ tính NiO/Chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn Trong nghiên cứu này, nano NiO được tổng hợp bằng

phương pháp xanh sử dụng dịch chiết vở quả măng cụt là tác nhân phản ứng

Hệ NiO/Chitosan được tổng hợp từ nano NiO và chitosan dưới sự hỗ trợ của

kỹ thuật siêu âm

Trong quá trình thực hiện, luận án đồng thời khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chitosan đến tính chất từ và đặc trưng hình thái bề mặt của vật liệu, đánh giá đặc trưng cấu trúc của hệ nanocomposit thông qua các phương pháp phân tích hiện đại (FT-IR, SEM, TEM, VMS, DLS) và nghiên cứu khảo sát hoạt tính kháng khuẩn đối với hai chủng vi khuẩn gram dương và gram

âm, nấm men

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ vật liệu NiO/Chitosan được chế tạo từ nano NiO và chitosan

- Khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu đối với 3 chủng vi sinh vật: + Escherichia coli (E coli, Gram âm)

+ Bacillus subtilis (Gram dương)

+ Sacharomyces cerevisiae (S cerevisiae)

Dung dịch amoni hydroxit (NH4OH) 25-28%

Dung dịch chitosan 1%: 0,5 g chitosan được phân tán trong 50 ml dung dịch axit axetic 1N và siêu âm trong 15 phút

Các hoá chất sử dụng trong nghiên cứu đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu: môi trường làm giàu có chứa các dinh dưỡng, chiết xuất nấm men, peptone, glucose và một số muối khoáng đã được sử dụng để nuôi cấy vi sinh

Các chủng vi sinh vật nghiên cứu khảo sát: gram âm (E coli ATCC 25922), gram dương (Bacillus subtilis ATCC 9/58) và nấm men S Cerevisiae

được phân lập

Thiết bị dùng trong chế tạo vật liệu: thiết bị siêu âm đầu dò Sonics & materials – VCX500; 500 w, 20 kHz, bếp khuấy từ gia nhiệt, máy đo pH, tủ sấy, các dụng cụ thuỷ tinh dùng để thực hiện phản ứng

Dịch chiết vỏ quả măng cụt được chuẩn bị theo quy trình sau: Vỏ quả

Măng cụt thô (Garcinia mangostana L.) được thu hái từ các tỉnh miền nam

Việt Nam, sau đó được rửa sạch bằng nước khử ion và được sấy khô ở nhiệt độ 60°C trong môi trường chân không Vỏ quả măng cụt khô được cắt thành từng miếng nhỏ, cân 30 g vỏ khô vào bình chiết và thêm 300 ml etanol/nước deion (1:1, v/v), dịch chiết thu được sau thời gian chiết 60 phút Dịch chiết được làm lạnh và lọc, và bảo quản ở 8 – 10oC để sử dụng trong vòng một tuần [40]

Thiết bị dùng trong đánh giá đặc trưng cấu trúc của vật liệu: máy đo nhiễu xạ tia X (PANalytical), thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR (Bruker), kính viển vi điện tử quét-tán xạ năng lượng tia X (Jeol-JMS 6490), thiết bị từ kết mẫu rung Magnet B-10 Vibrating

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Tổng hợp nano NiO

Quá trình tổng hợp nano NiO từ được tiến hành bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết vỏ quả măng cụt, quy trình tổng hợp được thực hiện theo các bước sau:

Lấy 50 mL Nikel (II) nitrate hexahydrate (Ni(NO3)2.6H2O) 0,1M được hòa tan bằng nước deion, bổ sung 50 mL dịch chiết từ vỏ quả măng cụt Điều chỉnh độ

pH của hệ phản ứng trong khoảng 8 đến 9 bằng dung dịch NH3 25-28% Hỗn hợp phản ứng được khuấy từ 15 phút ở nhiệt độ phòng, sau hệ phản ứng tiếp tục được siêu âm (50 W, 20 kHz) trong 1 giờ Sau phản ứng hỗn hợp được li tâm 20 phút với tốc độ 7000 vòng/phút, thu được sản phẩm là chất rắn dạng keo, sản phẩm tiếp tục được rửa lại 2-3 lần bằng nước cất khi pH dịch sau li tâm đạt trung tính Chất rắn được sấy 100oC trong 2 giờ, cuối cùng nung sản phẩm thu được nano NiO

Quá trình tổng hợp nano NiO được luận văn nghiên cứu, khảo sát các điều kiện sau:

Khảo sát lựa chọn dung môi chiết vỏ quả măng cụt gồm hệ nước, ethanol và hệ nước:ethanol

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung, nhiệt độ nung đến sự hình thành và hình thái học của nano NiO

2.3.2 Chế tạo hệ nanocomposite NiO/Chitosan

Hệ vật liệu nanocomposite NiO/Chitosan được tổng hợp từ nano NiO thu được ở mục 2.3.1 và chitosan sử dụng kỹ thuật siêu âm Quy trình tổng hợp được thực hiện theo các bước sau:

Chuẩn bị dung dịch chitosan: Cân 0,5 g chitosan hòa tan vào 50 ml acetic acid 1 M, hỗn hợp được hoà tan trong 6 giờ bằng máy khuấy từ thu được dung dịch 1% chitosan/axit axetic [5]

Tổng hợp hệ nano composite NiO/Chitosan: Bổ sung 2,5g nano NiO được tổng hợp được vào dung dịch chitosan ở các nồng độ khảo sát khác nhau Hỗn hợp tiếp tục được siêu âm 30 phút ở 60 oC Sản phẩm cuối thu được được làm khô trên đĩa Petri thuỷ tinh ở 60 °C trong 24 giờ

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chitosan lên đặc tính vật liệu: mẫu vật liệu nanocomposit NiO/CS được tổng hợp tương ứng với hàm lượng chitosan theo khối lượng từ 3-15% Các mẫu vật liệu sau khi tổng hợp được xác định các đặc trưng tính chất thông qua các phương pháp phân tích công cụ

Tiến trình tổng hợp và đánh giá vật liệu được tiến hành theo các bước tại hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng kháng

khuẩn của vật liệu NiO/CS

Hệ vật liệu nanocomposite NiO/CS được nghiên cứu đánh giá đặc trưng cấu trúc bằng các phương pháp phân tích công cụ và xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) đối với hai loại vi khuẩn gram âm và gram dương

2.4 Đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu NiO/CS

Đặc trưng cấu trúc và hình thái học của vật liệu nano NiO và nanocomposite NiO/CS được đánh giá bằng các phương pháp phân tích công cụ: Xray, FTIR, SEM-EDX, TEM, DLS, FESEM

Antibacterial Test NiO/CS

Nanocomposite

Ultrasonic wave

NiO NPs

Ultrasonic wave Shoxlet extraction

+ Phổ FT–IR: Nhằm xác định các dao động đặc trưng của các liên kết hình thành trong vật liệu Phổ FT–IR được đo trên thiết bị FT–IR (Bruker) tại Viện Hoá học - Vật liệu, Viện Khoa học và công nghệ quân sự

+ Phổ XRD: Xác định các góc nhiễu xạ đặc trưng của vật liệu, từ đó kết luận được về thông số mạng của vật liệu thu được Phổ XRD được đo trên máy đo nhiễu xạ tia X (PANalytical) tại Viện Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

+ Ảnh FESEM: Nhằm quan sát hình dạng bề mặt vật liệu và đánh giá

sơ bộ về kích thước hạt nano Ảnh FESEM được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét – tán xạ năng lượng tia X (Jeol-JMS 6490) tại Viện Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

+ Độ từ tính của vật liệu được đo trên thiết bị từ kết mẫu rung Magnet B-10 Vibrating tại Viện Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Sau khi đánh giá được các đặc trưng cấu trúc, vật liệu được đem đi thử hoạt tính kháng khuẩn với 3 chủng vi sinh vật được trình bày tại mục 2.2 Quá trình nghiên cứu đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu được tiến hành tại Viện Hoá học-Vật liệu và Viện Công nghệ sinh học

2.5 Khảo sát khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu NiO/Chitosan

2.5.1 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu

Chuẩn bị các đĩa petri có chứa môi trường để nuôi cấy 3 chủng vi sinh vật kiểm định (mục 2.2):

- Chuẩn bị đĩa thạch dinh dưỡng: đĩa thạch dinh dưỡng được chuẩn bị bằng cách sử dụng 37,0 gam môi trường thạch dinh dưỡng được hòa tan trong

1000 mL nước cất, và sau đó được khử trùng bằng cách hấp ở nhiệt độ 121o

C / 15 lbs trong 20 phút Sau khi khử trùng, môi trường thạch dinh dưỡng được

đổ vào các đĩa Petri vô trùng, để đông đặc, sau đó nuôi cấy môi trường trưởng

thành của các chủng vi khuẩn gây bệnh riêng lẻ trong môi trường dinh dưỡng đồng thời phết lên khắp bề mặt của đĩa thạch bằng đũa thủy tinh hình chữ L

đã khử trùng

Đánh giá khả năng sống sót của vi sinh vật bám dính trên mẫu:

- Rắc mẫu vật liệu thử nghiệm NiO/Chitosan và mẫu vật liệu so sánh

CS lên trên các đĩa petri có chứa môi trường dinh dưỡng, qua đó đánh giá khả năng sống sót của vi sinh vật thử nghiệm

Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu trong dung dịch huyền phù:

- Cấy trải dịch huyền phù 3 chủng vi sinh vật kiểm định trên các đĩa petri có chứa môi trường thích hợp

- Cách đánh giá: so sánh mẫu đối chứng và mẫu rắc điểm các vật liệu thử nghiệm lên trên đĩa môi trường đã cấy trải dịch huyền phù vi sinh vật kiểm định

- Phương pháp thử nghiệm: cho một lượng mẫu kiểm tra vào các ống ependof Hút huyền phù vi sinh vật vào các ống ependof có chứa mẫu thử và lắc đều trong vòng 20 phút sau đó hút 1 lượng nhỏ dịch vi sinh vật trải đều lên các đĩa petri có chứa môi trường để đánh giá khả năng diệt vi sinh vật của mẫu thử Các mẫu được ủ trong tủ ấm 37oC trong vòng 24 giờ đến 72 giờ