Tổng hợp nano phát quang và khảo sát sự ảnh hưởng của chúng lên sự sinh trưởng của e coli

1 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN/ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tổng hợp Nano phát quang khảo sát ảnh hưởng chúng lên sinh trưởng E Coli Người hướng dẫn: Ths BÙI LÊ THANH KHIẾT Người thực hiện: TRẦN KHẮC DUY Lớp : 14060301 Khoá : 2014-2019 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN/ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tổng hợp Nano phát quang khảo sát ảnh hưởng chúng lên sinh trưởng E Coli Người hướng dẫn: ThS BÙI LÊ THANH KHIẾT Người thực hiện: TRẦN KHẮC DUY Lớp : 14060301 Khoá : 2014-2019 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN DÀNH CHO BẬC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học ThS BÙI LÊ THANH KHIẾT ; Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá chình tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Tơn Đức Thắng khơng liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng…năm … Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý Thầy cô giảng viên trường Đại học Tôn Đức Thắng, Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, hỗ trợ, bảo em suốt trình học tập trường Để hồn thành khóa luận này, em nhận nhiều giúp đỡ, hỗ trợ thầy cô, gia đình bạn bè Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Th.S Bùi Lê Thanh Khiết, Người thầy hướng dẫn tận tình bảo, tạo điều kiện, hỗ trợ em tốt để hồn thành khóa luận Cảm ơn bạn Ngọc Tình giúp đỡ kiến thức phần Nano phát quang Cảm ơn bạn sinh viên trường Đại học Tôn Đức Thắng hỗ trợ lúc khối lượng cơng việc q nhiều để hồn thành tốt mục tiêu đề Tóm Tắt Chấm lượng tử đã, nghiên cứu mang tính đột phá nhiều năm trở lại toàn giới Việc ứng dụng chấm lượng tử sản xuất đặc biệt ứng dụng cảm biến sinh học sử dụng báo cáo vô đáng kể Trong nghiên cứu này, báo cáo phương pháp tổng hợp chấm lượng tử có lõi nguyên tố kẽm thay cho Cadimi vốn nguyên tố kim loại độc tiến hành khảo sát hai chủng vi khuẩn Escherichia coli nhằm xác định tính gây độc hạt nano Kết cho thấy, chấm lượng tử có cấu trúc lập phương tinh thể Chấm lượng tử có pha tạp Mn có khả phát quang ổn định thời gian sống phát huỳnh quang dài Các chấm lượng tử có nhóm chức -COOH bề mặt nên có tương hợp với tế bào sinh học tốt hơn, giúp tăng khả ứng dụng sinh học Tuy nhiên cần tiến hành nhiều thực nghiệm để xác định nồng độ phù hợp cho chấm lượng tử tương tác ứng dụng để phát vi sinh vật DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT E.coli Escherichia coli IR Infrared Spectroscopy LED Light-Emitting Diodes MnCl2 Manganese(II) chloride MPA Acid 3-mercaptopropionic NA Nutrient agar NaBH4 Sodium borohydride QDs Quantum dots TEM Transmission Electron Microscopy TSA Trypton soy agar UV Ultraviolet XRD X-Ray Diffraction Zn(OAC)2 Zinc acetate ZnCl2 Zinc chloride Danh mục hình Hình 1.1 E.coli sinh trưởng môi trường TSA com 13 Hình 1.2: Sự phát quang chấm tử lượng ánh sáng đèn UV 15 Hình 1.3: Cơ chế phát quang chấm lượng tử 17 Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ đo PL 25 Hình 1.5.: Phổ PL ZnS: 0.5%Mn2+ với lexc=337nm 26 Hình 1.6.: Quang phổ ánh sáng 27 Hình 1.7.: Sơ đồ hệ thống hấp thu đo phổ UV-Vis 29 Hình 1.8.: Mơ tả ngun lý hoạt động kính hiển vi điện tử truyền qua 30 Hình 1.9.: Đề xuất hệ thống “ba một” sử dụng Cu2(OH)PO4/PAA QDs [5] 31 Hình 1.10 Bước sóng ánh sáng phát quang QDs thay đổi theo kích thước 33 Hình 1.11 QDs cải thiện đáng kể tính hình sử dụng phosphor 33 Hình 1.12.: Minh họa mềm dẻo kích thước QDs [10] 34 Hình 2.1.: Sơ đồ quy trình tổng hợp nano phát quang cấu trúc ZnSe:Mn .38 Hình 2.2 Sơ đồ dãy pha lỗng quantum dots theo bậc 10 .42 Hình 2.3 Sơ đồ bước tiến hành tăng sinh, trải vi khuẩn 42 Hình 3.1.: Phổ UV-Vis QDs ZnSe:Mn nhiệt độ phản ứng khác 45 Hình 3.2.: Phổ PL QDs ZnSe:Mn nhiệt độ phản ứng khác 46 Hình 3.3.: Hình ảnh QDs ZnSe:Mn đèn UV thay đổi nhiệt độ phản ứng 47 Hình 3.4.: Phổ IR MPA QD ZnSe:Mn nhiệt độ phản ứng khác .48 Hình 3.5.: Giản đồ XRD QDs ZnSe:Mn nhiệt độ phản ứng khác 49 Hình 3.6.: Phổ UV – Vis QDs ZnSe:Mn pH khác 51 Hình 3.7.: Phổ PL QDs ZnSe:Mn pH khác 52 Hình 3.8.: Hình ảnh QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác soi qua đèn UV 53 Hình 3.9.: Phổ IR QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác 54 Hình 3.10.: Giản đồ XRD QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác 55 Hình 3.11.: Hình chụp TEM mẫu QD ZnSe:Mn tổng hợp 700C pH = 56 Hình 3.12.: Biểu đồ thể cường độ quang mẫu QDs nồng độ từ 10-1-10-7 63 8 Mục Lục Chương 1: Tổng Quan Nguyên Liệu 11 1.1 Tình hình chung .11 1.2 Tổng quan vi khuẩn 12 1.3 Vật liệu nano phát quang (chấm lượng tử) 14 1.3.1 Chấm lượng tử phát quang 14 1.3.2 Cơ chế phát quang chấm lượng tử (QDs) 16 1.3.2.1 Hiện tượng phát quang .16 1.3.2.2 Cơ chế phát quang chấm lượng tử 17 1.4 1.5 1.6 Phương pháp tổng hợp chấm tử lượng phát quang 18 1.4.1 Tổng hợp phương pháp vật lí .18 1.4.2 Tổng hợp phương pháp hóa học 18 1.4.3 Vật liệu nano phát quang dựa nguyên tố kẽm 21 Chất ổn định bề mặt 22 1.5.1 Tác dụng chất ổn định bề mặt 22 1.5.2 Acid 3-mercaptopropionic (MPA) .23 Phương pháp xác định tính chất hóa cấu trúc vật liệu 23 1.6.1 Chiếu đèn UV .23 1.6.2 Phương pháp quang phổ huỳnh quang (Photoluminescence, PL) 24 1.7 1.6.3 Phương pháp đo phổ hấp thu hồng ngoại (IR) 26 1.6.4 Phổ tử ngoại – khả kiến (Phổ kích thích electron – UV-Vis) .27 1.6.5 Kính hiển vi điện tử qua (TEM) 29 Ứng dụng chấm lượng tử 31 1.7.1 Chụp ảnh huỳnh quang .31 1.7.2 Dẫn truyền thuốc 32 1.7.3 Màn hình chấm tử lượng .32 1.7.4 Cảm biến sinh học 34 1.7.4.1 Cảm biến sàn lọc chuẩn đoán ung thư 34 10 1.7.4.2 Cảm biến phát kí sinh trùng 35 1.7.4.3 Cảm biến hạn chế vi khuẩn gây hại cho thực phẩm 35 Chương 2: Thực nghiệm .36 2.1 Tổng hợp nano phát quang 36 2.1.1 Tổng hợp Nano phát quang ZnSe pha tạp Mn 36 2.1.1.1 Hóa chất thiết bị .36 2.1.1.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn 38 2.1.2 Phương pháp phân tích sản phẩm 39 2.2 Phương pháp đánh giá QDs lên E Coli 40 2.2.1 Chuẩn bị mẫu vi khuẩn .40 2.2.1.1 Hóa chất dụng cụ 40 2.2.1.2 Thực 41 2.2.2 Chuẩn bị mẫu QDs .41 2.2.2.1 Dụng cụ hóa chất 41 2.2.2.2 Thực 41 2.2.3 Tiến hành Khảo sát QDs E Coli 42 3.1 QUANTUM DOTS ZnSe:Mn 44 3.1.1 Khảo sát nhiệt độ phản ứng 44 3.1.2 Khảo sát pH 50 3.2 Khảo sát QDs lên E Coli .57 3.3 Biện Luận Kết 64 4.1 Kết luận 65 4.2 Kiến nghị 65 Tài liệu tham khảo .66 10 54 Mẫu ZnSe:Mn cho phản ứng điều kiện pH khác 70 C cho phát xạ màu hình 3.8, chiếu đèn UV với bước sóng 365 nm Cường độ phát quang quan sát đèn UV trùng khớp với kết đo PL phản ứng thực pH = đạt cường độ phát quang cao Hình 3.8.: Hình ảnh QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác soi qua đèn UV Phổ hồng ngoại IR sử dụng để xác định xem MPA có phủ lên bề mặt tinh thể ZnSe hay khơng Hình 3.9 cho kết nhóm phổ IR MPA QDs ZnSe:Mn thực phản ứng điều kiện pH khác Nhóm chức -S-H MPA khơng chứng tỏ hình thành liên kết bề mặt tinh thể ZnSe Đồng thời mũi -OH C=O nhóm –COOH MPA nên chứng tỏ nhóm –COOH còn, nhờ làm tăng khả phân tán nước giúp cho hạt nano dễ tương thìch với tế bào sinh học [43–44] 54 55 Hình 3.9.: Phổ IR QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác Cấu trúc tinh thể ZnSe:Mn điều kiện pH khác xác định giản đồ XRD hình 3.10 Kết giản đồ cho thấy, tổng hợp điều kiện pH khác tinh thể hình thành có cấu trúc lập phương tinh thể (cấu trúc giả kẽm - Zinc Blende) ví có mũi nhiễu xạ 27.37 , 0 45.47 54.17 tương ứng với mặt phẳng (111), (220) (311) [35] 55 56 Hình 3.10.: Giản đồ XRD QDs ZnSe:Mn điều kiện pH khác Kích thước hạt nano phát quang ZnSe:Mn tổng hợp điều kiện tối ưu 70 C pH = chụp máy TEM (hình 3.11) thu kết kìch thước hạt trung bính 4.2 nm ± 0.5 nm 56 57 Hình 3.11.: Hình chụp TEM mẫu QD ZnSe:Mn tổng hợp 700C pH = 57 58 3.2 Khảo sát QDs lên E Coli Sau 24h sau 48h QDs nồng độ 10-1, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-1, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-2, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-2, độ pha loãng 10-9 58 59 QDs nồng độ 10-3, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-3, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-4, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-4, độ pha loãng 10-9 59 60 QDs nồng độ 10-5, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-5, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-6, độ pha loãng 10-9 QDs nồng độ 10-6, độ pha loãng 10-9 60 61 QDs nồng độ 10-7, độ pha loãng 10-9 24h QDs nồng độ 10-7, độ pha loãng 10-9 48h 61 62 E Coli độ pha loãng 10-9 E E Coli độ pha loãng 10-9 E Coli bổ sung MPA độ pha loãng 10-9 E Coli bổ sung MPA độ pha loãng 10-9 62 63 Hình 3.12.: Biểu đồ thể cường độ quang mẫu QDs nồng độ từ 10-1-10-7 63 64 3.3 Biện Luận Kết Từ kết trải đĩa thu nhận sau 24h 48h thấy được, hạn chế sinh trưởng đĩa có bổ sung QDs so với đĩa không bổ sung QDs Điều chứng tỏ tốc độ sinh trưởng E Coli bị ảnh hưởng phần QDs Có thể Thấy nồng độ từ 10-1 đến 10-5 lượng khuẩn lạc rời xuất Khuẩn lạc đủ kích thước, nồng độ 10 -6 10-7 số lượng khuẩn lạc tăng lên, kích thước khuẩn lạc tăng, điều chứng tỏ tương thích E Coli với nồng độ khác QDs khác Cường độ quang QDs cho thấy không ổn định sản phẩm làm cường độ quang nồng độ QDs 10-4 10-5 lại thấp cường độ quang nồng độ QDs 10-6 Điều nhiều làm ảnh hưởng đến độ chình xác thích ứng vào vi khuẩn 64 65 Chương 4: Kết Luận kiến nghị 4.1 Kết luận Nghiên cứu chế tạo thành công chấm lượng tử phát quang ZnSe:M chất ổn định bề mặt MPA môi trường nước Từ kết nghiên cứu thực nghiệm, rút số kết luận: Xây dựng thành cơng hai quy trình chế tạo chấm lượng tử phát quang ZnSe:Mn phương pháp tổng hợp xanh - tổng hợp pha nước có sử dụng chất ổn định MPA để hỗ trợ trình phân tán Với điều kiện tổng hợp trình bày trên, tơi tổng hợp chấm lượng tử phát quang có cấu trúc lập phương tinh thể Chấm lượng tử có pha tạp Mn có khả phát quang ổn định thời gian sống phát huỳnh quang dài Các chấm lượng tử có nhóm chức -COOH bề mặt nên có tương hợp với tế bào sinh học tốt hơn, giúp tăng khả ứng dụng sinh học Quá trình khảo sát QDs lên mơi trường có tăng sinh E Coli cho thấy hạn chế sinh trưởng nồng độ khác nhau, hạt QDs kiểm soát làm vi khuẩn khơng thể sinh trưởng bình thường 4.2 Kiến nghị Cần tiếp tục thí nghiệm sâu để khảo sát tương thích chấm lượng tử để ứng dụng việc phòng ngừa phát vi sinh vật Xem xét thay đổi, điều chỉnh việc sử dụng chất khuyếch tán hạt nano để tăng khả tác dụng hạt nano lên vi khuẩn mạnh Tiếp tục khảo sát QDs lên loại vi khuẩn khác : Nấm, đại diện vi khuẩn gram dương, để đẩy mạnh ứng dụng ngành công nghiệp thực phẩm tương lai 65 66 Tài liệu tham khảo [1] P Q P Phùng Hồ, Vật liệu bán dẫn, Hà Nội: Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2008 [2] P Zinin, "Advanced Techniques in Geophysics and Materials Science," Honolulu, USA [3] T M F T T P O M C P C I L M Cristian T Matea, "Quantum dots in imaging, drug delivery and sensor applications," International Journal of Nanomedicine, 2017 [4] H D A M M S N Andrew M Smith, "Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging," Advanced Drug Delivery Reviews 60, pp 1226-1240, 2008 [5] Z Q C G D D T L F W J S N Z a S L Wei Guo, "Multifunctional Theranostic Agent of Cu2(OH)PO4 Quantum Dots for Photoacoustic ImageGuided Photothermal/Photodynamic Combination Cancer Therapy," Applied Materials and Interfaces, 2017 [6] Y L W Z D D a Y L Xiaoli Cai, "pH-Sensitive ZnO quantum dots– doxorubicin nanoparticles for lung cancer targeted drug delivery," Applies Materials and Interfaces, 2016 [7] F M N A Y J A N B A M Z H N A N E M N N N R Z S K Y Ibrahim Birma Bwatanglang, "In vivo tumor targeting and anti-tumor effects of 5-fluororacil loaded, folic acid targeted quantum dot system," Journal of Colloid and Interface Science, pp 146-158, 2016 [8] S G R K Pragati Malik, "Quantum dots for diagnosis of cancers," Advanced materials letters, 2013 [9] X G J Z S a S N Mingyong Han, "Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules," 2001 [10] M F Frasco and N Chaniotakis, "Semiconductor Quantum Dots in Chemical Sensors and Biosensor," Sensor, 2009 [11] N S Chan WCW, "Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection," Science, p 281, 1998 [12] Z C Y Z C L a J L Huan Li, "Simultaneous detection of two lung cancer 66 67 biomarkers using dual-color," Analyst, 2011 [13] M T W B P T B M ( D W V M Rafael E Jimenez, "Determination of Her-2/Neu Status in Breast Carcinoma: Comparative Analysis of Immunohistochemistry and Fluorescent In Situ Hybridization" [14] S J S K E M J L E J L R R Bhaswati Barat, "Cys-diabody Quantum Dot Conjugates (ImmunoQdots) for Cancer Marker Detection," Bioconjugate Chem, 2009 [15] D D W R.E AMBROSIO, "Diagnosis of parasitic disease," Scientific and Technical Review of the Office International des Epizooties, 1990 [16] R M & M.-J S., "Progress in the immunoprophylaxis of hemoparasitic diseases of cattle," Agribusiness Worldwide, 1987 [17] V A & D S D., "Diagnostic serology of tropical parasitic diseases," J Immunol Methods, pp 1-29, 1981 [18] K H a V C W Tsang, "Development and optimization of the FAST-ELISA for detecting antibodies to Schistosoma mansoni," Journal of Immunological Methods, 1986 [19] R H a W T H M G Pappas, "Dot enzyme-linked immunosorbent assay (Dot-ELISA): a micro technique for the rapid diagnosis of visceral leishmaniasis," Journal of Immunological Methods, 1983 [20] J A G.-F B R W G M Juan Beltran-Huarac, "Biocompatible ZnS:Mn quantum dots for reactive oxygen generation and detection in aqueous media," JOURNAL OF NANOPARTICLE RESEARCH, 2015 [21] M A Maryia Hardzei, "Influence of pH on luminescence from water-soluble colloidal Mn-doped ZnSe quantum dots capped with different mercaptoacids," Journal of luminescence, 2011 [22] I Y S L K a F M R Massimiliano Tomasulo, "pH-Sensitive Ligand for Luminescent Quantum Dots," 2006 [23] T S K a V K.Senthilkumar, "Synthesis of Starch-capped ZnSe nanoparticles and its Characterization Studies" [24] Y L H H B Y a Y W Xiaoran Sun, "Synthesis and application of a targeting diagnosis system via quantum dots coated by amphiphilic polymer for the 67 68 detection of liver cancer cells," pp 831-836, 2013 [25] M G L B J G G M R S Abdelhay Aboulaich, "Water-based route to colloidal Mn-doped ZnSe and core/shell ZnSe/ZnS quantum dots" [26] M Ndao, "Diagnosis of Parasitic Diseases: Old and New Approaches," Interdisciplinary Perspectives on Infectious Diseases, 2009 68 ... hexylphosphonic acid(HPA) Zinc acetate, manganese Diethyl zinc, mangane acetate, Se, NaBH4, Nguồn Zn, Se, Mn S, sestearate, TOP selenide, Na2S, Copper (II), Cu Hexamethyldisilathiane, Chloride... UV, ) - Điện phát quang (Electroluminescence): phát quang xảy chất phát quang kìch thìch cách đặt điện trường - Âm cực phát quang (Cathodoluminescence): phát quang xảy chất phát quang kìch thìch... .36 2.1 Tổng hợp nano phát quang 36 2.1.1 Tổng hợp Nano phát quang ZnSe pha tạp Mn 36 2.1.1.1 Hóa chất thiết bị .36 2.1.1.2 Tổng hợp nano phát quang ZnSe:Mn 38 2.1.2