Nghiên cứu chế tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của các vật liệu nano bạc tổ hợp Ag-polymer, Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu chế tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của các vật liệu nano bạc tổ hợp Ag-polymer, Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO

1. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong xu thế bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, công nghệ nano đã và đang được đầu tư nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và sản xuất. Ở Việt Nam, công nghệ nano là một lĩnh vực thuộc Danh mục các công nghệ cao được nhà nước ưu tiên đầu tư và phát triển. Vật liệu nano nhận được nhiều sự quan tâm ở trong và ngoài nước do chúng thể hiện nhiều các đặc tính ưu việt khi so sánh với các vật liệu khối truyền thống, ngoài ra do kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn chúng có thể dễ dàng phát triển mở rộng phạm vi ứng dụng rất linh hoạt nhằm đáp ứng các nhu cầu đa dạng từ sản xuất. Trong số các vật liệu nano, cho đến nay vật liệu nano bạc là một vật liệu được quan tâm nghiên cứu và đã được thương mại hóa lớn nhất ở trên thế giới. Vật liệu nano bạc đã được đưa vào ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống gồm y tế, dược mỹ phẩm, dệt may, điện tử, Với một ý tưởng thiết kế các hệ vật liệu nano tổ hợp đa chức năng và đồng thời có thể giải quyết được các thách thức công nghệ nêu trên, chúng tôi đề xuất nghiên cứu phát triển và làm chủ công nghệ chế tạo 03 hệ vật liệu nano bạc tổ hợp bao gồm: Ag-polymer, Ag-TiO2-GO và Ag-CoFe2O4-GO. Các hệ vật liệu nano bạc tổ hợp sẽ thể hiện được các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học tiên tiến do kết hợp các đặc tính ưu việt của từng vật liệu như (i) khả năng phân tán, ổn định cấu trúc và tương tác dễ dàng với các phần tử hóa học, sinh học của các polymer, (ii) khả năng phân tán trong nước và hấp phụ mạnh của vật liệu GO, (iii) khả năng tương thích sinh học và điều khiển dễ dàng bằng từ trường ngoài của hạt nano CoFe2O4, (iv) khả năng diệt khuẩn mạnh và đặc trưng cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano bạc. Các hệ vật liệu nano bạc tổ hợp chế tạo hứa hẹn sẽ mở ra những triển vọng ứng dụng thực tế cho nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau. Trên cơ sở các vấn đề đã nêu, đề tài của luận án là “Nghiên cứu chế tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của các vật liệu nano bạc tổ hợp Ag-polymer, Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO”. 2. Mục tiêu của luận án Với đề tài nghiên cứu trên, mục tiêu của luận án đặt ra là: 1. Nghiên cứu chế tạo được các vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer (Hệ I), Ag-TiO2-GO (Hệ II), Ag- CoFe2O4-GO (Hệ III) và khảo sát các đặc trưng, tính chất của chúng. 2. Thử nghiệm khả năng ứng dụng của các vật liệu nano tổ hợp chế tạo được trong y sinh và môi trường: Cảm biến đo màu (Hệ I), quang xúc tác (Hệ II) và kháng khuẩn, mang thuốc (Hệ III) 3. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng các quy trình công nghệ chế tạo và khảo sát các đặc trưng, tính chất của các vật liệu nano tổ hợp gồm: Ag-polymer, Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO. Nội dung 2: Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer cho cảm biến đo màu phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram. Nội dung 3: Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO cho quang xúc tác phân hủy chất màu MB. Nội dung 4: Nghiên cứu thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO cho kháng khuẩn và mang thuốc kháng sinh CAP. 4. Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu: Ag-polymer, Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO - Chất ô nhiễm: Thiram, ion Mn2+, xanh methylene (MB) - Vi khuẩn E. coli và S. aureus, thuốc kháng sinh Chloramphenicol (CAP) 1
2. 5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ➢ Cách tiếp cận: Nghiên cứu được tiếp cận từ các kết quả thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết và tham khảo từ các công bố của các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước trước đó nhằm luận giải, đánh giá quá trình thực nghiệm. ➢ Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng một số phương pháp thực nghiệm sau: - Phương pháp tổng hợp vật liệu: Phương pháp hóa học ướt - Phương pháp khảo sát đặc trưng tính chất của vật liệu nano tổ hợp: Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), phổ hấp thụ UV-vis, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), từ kế mẫu rung (VSM). 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Làm chủ được công nghệ chế tạo 03 loại vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer, Ag-TiO2-GO và Ag- CoFe2O4-GO. Đã đưa ra quy trình công nghệ phù hợp để chế tạo các hệ vật liệu nano tổ hợp bằng phương pháp hóa học ướt. - Vật liệu nano tổ hợp có khả năng tăng cường và kết hợp được các đặc tính quý giá so với từng vật liệu nano đơn lẻ. Ý nghĩa thực tiễn: - Khả năng ổn định theo thời gian của vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer giúp cho vật liệu duy trì, ổn định được đặc tính có được. Vật liệu có khả năng ứng dụng trong cảm biến đo màu nhằm phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram. Đây là tiền đề cho việc phát triển các bộ Kit phát hiện nhanh sự có mặt của các chất ô nhiễm trong nước. - Hoạt tính quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến được tăng cường bởi quá trình hấp phụ của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong xử lý môi trường. - Kết quả thử nghiệm khả năng ứng dụng hệ vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO trong kháng khuẩn và mang thuốc cho thấy đây là một hệ vật liệu đa chức năng tiềm năng. Kết quả khảo sát cho thấy vật liệu có khả năng kháng khuẩn đối với 02 chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương (E. coli và S. aureus) và mang thuốc kháng sinh CAP. Đây là một cách tiếp cận mới nhằm tạo ra một hệ vật liệu có khả năng mang thuốc và điều khiển dễ dàng bằng từ trường ngoài cho điều trị bệnh. 7. Những đóng góp mới của luận án - Giải thích được cơ chế tạo nên sự ổn định theo thời gian của hệ vật liệu nano Ag-polymer trên cơ sở thay đổi các polymer bề mặt (polyhexamethylene biguanide (PHMB), polyvinyl pyrrolidone (PVP), Tween 80). Đề xuất được mô hình tạo nên sự ổn định nhằm cung cấp các hiểu biết đầy đủ hơn về sự hình thành và ổn định của hệ vật liệu nano bạc tổ hợp với polymer. Vật liệu nano tổ hợp AgNPs/PHMB có khả năng ổn định lên tới 180 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng. - Xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO, Ag-CoFe2O4-GO bằng phương pháp hóa học ướt. Vật liệu nano tổ hợp kết hợp được các đặc tính của từng vật liệu nano đơn lẻ, một số tính chất như khả năng hấp thụ, khả năng quang xúc tác được tăng cường. - Đã thử nghiệm thành công các hệ vật liệu nano tổ hợp cho cảm biến đo màu để phát hiện ion Mn2+ (LOD = 0,22 mM) và thuốc bảo vệ thực vật Thiram (LOD = 0,036 µM); quang xúc tác phân hủy chất màu xanh methylen trong nước (hiệu suất phân hủy đạt ~100% trong thời gian 85 phút, tốc độ phân hủy 0,0483 phút-1); kháng khuẩn đối với 02 chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương (E. coli và S. aureus) và mang thuốc kháng sinh CAP với dung lượng mang đạt 33,1 mg/g. 2
3. 8. Cấu trúc của luận án Luận án được chia thành 4 chương, gồm: Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Vật liệu nano tổ hợp Ag- polymer và thử nghiệm khả năng ứng dụng trong cảm biến đo màu; Chương 3: Vật liệu nano tổ hợp Ag- TiO2-GO và ứng dụng quang xúc tác phân hủy chất màu xanh methylen trong vùng ánh sáng khả kiến; Chương 4: Vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn, mang thuốc Chloramphenicol; Kết luận và kiến nghị. Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về hạt nano bạc Hạt nano bạc (AgNPs) là một trong những vật liệu nano có mức độ thương mại hóa cao nhất do có nhiều ứng dụng tiềm năng trong cảm biến, hình ảnh y sinh, chất khử trùng, sản phẩm chăm sóc sức khỏe, chất tẩy rửa, bảo quản thực phẩm, vật liệu dệt và thiết bị y tế. Hạt nano bạc biểu hiện những tính chất khác biệt về căn bản và nổi trội hơn so với vật liệu bạc khối như: khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng mạnh dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả năng kháng vi sinh vật (vi khuẩn, vi nấm, vi rút) nổi trội. 1.2. Vật liệu nano bạc tổ hợp với polymer (Ag-polymer) 1.2.1. Giới thiệu 1.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu Ag-polymer 1.2.2.1. Phương pháp In-situ Nguyên tắc chung của phương pháp In-situ là các hạt nano được chế tạo từ quá trình khử tiền chất muối kim loại đã được phân tán bên vào polymer bởi tác nhân khử hóa học, sinh học hoặc quang hóa. Phương pháp In-situ được coi là phương pháp phổ biến sử dụng trong chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag- polymer. 1.2.2.2. Phương pháp Ex-situ Trong phương pháp Ex-situ, các hạt nano được chế tạo trước bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học, sau đó được phân tán vào khuôn polymer (polymer matrix) sử dụng kỹ thuật khuấy, kết hợp với rung siêu âm. 1.2.3. Tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu Ag-polymer Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thành phần polymer trong cấu trúc của vật liệu nano tổ hợp Ag- polymer có vai trò quan trọng trong việc tạo ra trạng thái ổn định giúp AgNPs không bị kết lắng. Sự biến tính bề mặt các hạt nano với các nhóm chức giúp cải thiện độ nhạy, tính chọn lọc của cảm biến đo màu thông qua cải thiện khả năng tương tác của các hạt nano chức năng hóa với phân tử đích 1.3. Vật liệu nano bạc tổ hợp với titan ôxít và graphene ôxít (Ag-TiO2-GO) 1.3.1. Giới thiệu 1.3.2. Phương pháp chế tạo vật liệu Ag-TiO2-GO Hiện nay, để chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO, một số phương pháp thường được sử dụng phổ biến như: phương pháp nhiệt thủy phân, phương pháp sol-gel kết hợp vi sóng, phương pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt, phương pháp khử hóa học kết hợp thủy nhiệt, 1.3.3. Tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu Ag-TiO2-GO Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO có khả năng thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao ở điều kiện vùng ánh sáng khả kiến. Nguyên nhân dẫn đến việc vật liệu nano tổ hợp thể hiện được hoạt tính quang xúc tác cao ở vùng ánh sáng khả kiến được tác giả giải thích là do hiện tượng plasmon bề mặt của Ag NPs có trong cấu trúc của vật liệu, làm cho vật liệu có khả năng hấp thụ được nguồn ánh sáng nhìn thấy. 3
4. 1.4. Vật liệu nano bạc tổ hợp với coban ferrit và graphene ôxít (Ag-CoFe2O4-GO) 1.4.1. Giới thiệu 1.4.2. Phương pháp chế tạo vật liệu Ag-CoFe2O4-GO Có 02 hướng tiếp cận chủ yếu được lựa chọn là (i) phương pháp tổng hợp 1 bước, sử dụng các muối tiền chất của các ion kim loại như Co2+, Fe3+, Ag+ và (ii) quy trình tổng hợp nhiều bước bằng việc chế tạo trước hạt nano CoFe2O4 để kiểm soát kích thước, từ tính của vật liệu trước khi tổ hợp. 1.4.3. Tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu Ag-CoFe2O4-GO Do tích hợp được các đặc tính ưu việt của các vật liệu đơn lẻ trong cùng hệ tổ hợp nên vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO thể hiện tính chất của một vật liệu tổ hợp đa chức năng với diện tích bề mặt lớn, có thể dễ dàng điều khiển bằng từ trường ngoài, khả năng kháng khuẩn phổ rộng, hiệu ứng tán xạ raman tăng cường bề mặt (SERS). Do vậy, vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO cho thấy là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng liên quan đến xử lý môi trường và y sinh. Chương 2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP Ag-POLYMER VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐO MÀU 2.2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer theo phương pháp khử hóa học Vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer được chế tạo theo phương pháp khử hóa học sử dụng tác nhân khử là NaBH4 (Hình 2.1). Bảng 2.1. Tổng hợp các điều kiện chế tạo mẫu của Ag-polymer Polymer AgNO NaBH Mẫu 3 4 (mg/mL) (mM) mg/mL PHMB PVP Tween 80 1 1 0,8 0,01 0 0 2 1 0,8 0,02 0 0 3 1 0,8 0,03 0 0 4 1 0,8 0,04 0 0 5 1 0,8 0 0,02 0 6 1 0,8 0 0 0,02 2.2.2. Quy trình thực nghiên cứu nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer trong cảm biến đo màu phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram. Khả năng phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram sử dụng vật liệu nano tổ hợp Ag- polymer như một dầu dò cho cảm biến đo màu được trình bày trong hình 2.2. Hình 2.1. Quy trình chế tạo hệ vật liệu nano tổ hợp Ag- Hình 2.2. Quy trình phát hiện ion Mn2+ và polymer Thiram 4
5. 2.3. Đặc trưng hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer 2.3.1. Đặc trưng hình thái, cấu trúc Cơ chế hình thành và chỉnh sửa bề mặt hạt nano bạc bởi các chất hoạt động bề mặt PVP, Tween 80 và PHMB được chỉ ra trong hình 2.3. Đặc trưng cấu trúc và tính chất quang của vật liệu nano bạc tổ hợp với các polymer khác nhau được đánh giá bởi các phép phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (Hình 2.4), phổ UV-vis (Hình 2.5) và phổ FTIR (Hình 2.6). Kết quả cho thấy, đã chế tạo thành công vật liệu nano bạc tổ hợp với các polymer khác nhau gồm PVP, Tween 80 và PHMB. Kích thước tinh thể trung bình của AgNPs/PVP, AgNPs/Tween 80, AgNPs PHMB lần lượt là 15, 20 và 25 nm. Phổ hấp thụ cực đại đặc trưng tương ứng là ƛmax = 390 nm, 420 nm và 425 nm. Hình 2. 3. Cơ chế tạo thành và chỉnh sửa bề Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano bạc được chức mặt hạt nano bạc bởi chất hoạt động bề mặt (a) năng hóa bởi (a) PVP, (b) Tween 80, (c) PHMB PVP, (b) Tween 80 và (c) PHMB Hình 2.5. Phổ UV-vis của dung dịch nano bạc được Hình 2.6. Phổ FTIR của (a) AgNPs/PVP, (b) chức năng hóa bởi (a) PVP, (b) Tween 80, (c) PHMB AgNPs/Tween 80, và (c) AgNPs/PHMB 2.3.2. Đánh giá độ ổn định theo thời gian Kết quả đánh giá độ ổn định theo thời gian sử dụng các phép đo phổ hấp thụ UV-vis và phép đo thế zeta cũng như phân bố kích thước hạt (dựa trên hiện tượng tán xạ ánh sáng động - DLS) cho thấy AgNPs/PHMB có độ ổn định tốt hơn AgNPs/PVP và AgNPs/Tween 80. AgNPs/PHMB có độ ổn định sau 180 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng. Trong các mẫu chế tạo, mẫu sử dụng nồng độ PHMB với tỷ lệ 0,02 mg/ml cho thấy khả năng ổn định tốt hơn các mẫu còn lại. Vị trí đỉnh hấp thụ cực đại không có sự dịch chuyển và sự suy giảm cường độ dải SPR là không đáng kể. 5
6. Bảng 2.2. Sự thay đổi thế zeta của các mẫu AgNPs/Tween 80, AgNPs/PVP, AgNPs/PHMB sau 180 ngày Thế Zeta (mV) Mẫu 2h 180 ngày ± (%) sự thay đổi sau 180 ngày AgNPs/Tween 80 -7,9 -0,02 -99,75 AgNPs/PVP -14,7 -3,82 -74,01 AgNPs/PHMB 31,5 26,5 -15,87 Hình 2.7. Phổ UV-vis của mẫu (a) AgNPs/PVP, (b) AgNPs/Tween 80, và (c) AgNPs/PHMB sau 180 ngày Hình 2.8. Phổ Phân bố kích thước thủy động của hạt nano Ag trong mẫu AgNPs/PHMB (a) 2h, (b) 180 ngày Hình 2.9. Phổ UV-vis của mẫu AgNPs/PHMB với các nồng độ PHMB thay đổi (a) 0,01; (b) 0,02; (c) 0,03; (d) 0,04 mg/ml sau 2h và 30 ngày 6
7. Bảng 2.3. So sánh khả năng ổn định của một số dung dịch keo nano bạc sử dụng các chất ổn định khác nhau Phương Tiền Chất ổn định Điều kiện bảo quản/chỉ Thời gian ổn pháp chế tạo chất/chất tiêu theo dõi định (ngày) khử Tổng hợp hóa AgNO / Citrate/ - Nhiệt độ phòng; 3 118 học Citrate Gelatin - UV-vis, zeta, TEM, DLS Tổng hợp hóa AgNO / - Nhiệt độ phòng; 3 Aminosilanes 30 học NaBH4 - UV-vis, quan sát màu Tổng hợp hóa AgNO / β-cyclodextrin, - Nhiệt độ phòng; 3 14 học NaBH4 adamantine - UV-vis Tổng hợp hóa AgNO / - Nhiệt độ phòng; 3 Dodecanethiol 60 học NaBH4 - UV-vis, TEM Tổng hợp AgNO / - Nhiệt độ phòng; 3 L-cysteine 60 xanh NaBH4 - TEM Tổng hợp AgNO / 3 Sinh khối vi - Nhiệt độ phòng; sinh học Sinh khối 90 khuẩn vi khuẩn - UV-vis, zeta, TEM Tổng hợp hóa AgNO / - Nhiệt độ phòng; 3 PHMB 180 (luận án) học NaBH4 - UV-vis, zeta, DLS 2.3.3. Cơ chế ổn định hạt nano bạc bởi PHMB Cơ chế ổn định lâu dài của các hạt nano bạc bởi PHMB được đề xuất như trong mô tả trên hình 2.10. Các phân tử PHMB sẽ bao bọc xung quanh hạt nano bạc như trên hình 2.10a thông qua liên kết phối trí hình thành giữa nguyên tử bạc và nguyên tử nito của PHMB (hình 2.10b) và tạo thành lớp chắn tích điện dương bao phủ trên bề mặt hạt nano bạc. Các hạt nano AgNPs/PHMB sẽ có xu hướng đẩy nhau và tồn tại độc lập trong dung dịch thông qua lực đẩy tĩnh điện (hình 2.10c). Hình 2.10. Cơ chế hình thành và ổn định theo thời gian của AgNPs/PHMB. 2.4. Thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano bạc tổ hợp với PHMB trong phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram 2.4.1. Thử nghiệm vật liệu nano tổ hợp AgNPs/PHMB cho phát hiện ion Mn2+ Kết quả đánh giá độ chọn lọc của phương pháp đề xuất sử dụng AgNPs/PHMB cho phát hiện ion Mn2+ (Hình 2.13), khảo sát ảnh hưởng của pH (Hình 2.11) và nồng độ ion Mn2+ (Hình 2.12a) đến độ nhạy của phép thử cho thấy sử dụng AgNPs/PHMB cho thấy khả năng phát hiện ion Mn2+ với độ chọn lọc tốt, dải nồng độ tuyến tính xác định được trong khoảng 0-100 mM tại pH 7,5 với giới hạn phát hiện (LOD) xác định được vào khoảng 0,22 mM (hình 2.12b). Các kết quả này cho thấy AgNPs/PHMB có thể được dùng trong các thử nghiệm đo màu nhằm phát hiện nhanh các ion Mn2+. 7
8. Hình 2.13. Phổ UV-vis của AgNPs/PHMB với các Hình 2.11. Ảnh hưởng của pH đến sự kết tụ của loại ion khác (Ni2+, Co2+, Mn2+) với nồng độ 10 mM AgNPs/PHMB khi bổ sung ion Mn2+ Cơ chế phát hiện ion Mn2+ dựa trên các thử nghiệm đo màu dùng Ag/PHMB được chỉ ra trên Hình 2.14. Trong đó, AgNPs đóng vai trò là một bộ phận cảm nhận chuyển đổi tín hiệu dựa trên hiệu ứng plasmon 2+ bề mặt và các nhóm chức (–NH2) của phân tử PHMB đóng vai trò bắt cặp với ion Mn thông qua sự hình thành liên kết phối trí trên cơ sở cặp electron độc thân của nguyên tử nitơ. Sự bắt cặp này dẫn đến sự hình thành các liên kết kiểu gọng kìm kéo gần khoảng cách giữa các hạt nano bạc gây ra sự dịch đỉnh phổ hấp thụ của Ag/PHMB. Hình 2.12. (a) phổ UV-Vis của dung dịch AgNPs/PHMB chứa nồng độ ion Mn2+ khác nhau từ 0 đến 100 2+ mM và (b) đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ cường độ đỉnh hấp thụ (Ao/A) theo nồng độ ion Mn Hình 2. 14. Mô hình đề xuất cơ chế kết tụ của AgNPs/PHMB trong sự có mặt của ion Mn2+ Bảng 2.4. Khả năng phát hiện ion Mn2+ trong mẫu thực Nồng độ Mn2+ (mM) Mẫu % phát hiện RSD (%) (n=3) Bổ sung Phát hiện 1 0,5 0,44 88 0,09 8
9. 2 1 0,95 95 0,15 3 10 9,3 93 1,70 4 30 30,4 101 2,2 5 50 51,0 102 3,1 2.4.2. Thử nghiệm vật liệu nano tổ hợp AgNPs/PHMB cho phát hiện Thiram Hình 2.15 thể hiện phổ UV-vis của các mẫu AgNPs/PHMB với pH khác Hình 2.15. Ảnh nhau khi thêm 5 µM Thiram. Ta thấy hưởng của pH đến rằng khi pH tăng từ 3.5 đến 11 thì sự kết tụ của cường độ hấp thụ của dải SPR giảm AgNPs/PHMB khi bổ sung 5 µM dần, đỉnh hấp thụ cực đại dịch dần về Thiram phía bước sóng dài hơn. Chúng tôi lựa chọn pH 6,5 cho các thử nghiệm tiếp theo. Hình 2.16. (a) thể hiện phổ UV-vis của AgNPs/PHMB sau khi thêm Thiram với các nồng độ khác nhau (0,1-100 µM). Tính toán giới hạn phát hiện Thiram chúng tôi thu được giá trị LOD = 0,036 µM với dải nồng độ tuyến tính xác định được trong khoảng 5 – 50 µM. Hình 2.16. (a) Phổ UV-vis của A gNPs/PHMB với các nồng độ Thiram khác nhau (0,1-100 µM), (b) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỉ lệ độ hấp thụ (A550/A425) theo nồng độ Thiram, (c) Hình ảnh của AgNPs/PHMB sau khi thêm Thiram với các nồng độ khác nhau Bảng 2.5. Một số kết quả phát hiện Thiram sử dụng kỹ thuật phân tích khác nhau Kỹ thuật phân tích Tác nhân bắt giữ Khoảng tuyến tính (M) LOD (M) Điện hóa - 5,9 x10-4 – 9,9 x10-7 4,12 x10-7 LC-MS - 4,1 x10-6 – 8,3 x10-8 2,49 x10-6 HPLC - 2,1 x10-8 – 2,1 x10-9 4,15 x10-9 AuNPs-SERS HSU-GNPs 5 x10-4 – 5 x10-7 0,5 x10-7 Kỹ thuật đo màu Cyclen 10 x10-6 – 20 x10-6 2,81 x10-6 AgNPs/CDC dithiocarbamate Kỹ thuật đo màu PHMB 0,1 x10-6 – 50 x10-6 3,60 x10-8 AgNPs/PHMB (luận án) 9
10. Đánh giá độ chọn lọc Độ chọn lọc của phương pháp được đánh giá khi thêm một số các loại thuốc bảo vệ thực vật khác như carbaryl, tricyclazole, diafenthiuron, deltamethrin với nồng độ 5 µM. Hình 2.17. Cấu trúc hóa học của thiram, carbaryl, tricyclazole, diafenthiuron, deltamethrin Như chỉ ra trên hình 2.18, cảm biến dựa trên AgNPs/PHMB cho phát hiện Thiram có khả năng chống nhiễu tốt với sự hiện diện của các loại thuốc trừ sâu khác nhau. Vì vậy, phương pháp này có độ đặc hiệu đủ để sử dụng trong phát hiện Thiram trong các mẫu nước thực. Hình 2.18. (a) phổ UV-vis và (b) biểu đồ biểu thị sự thay đổi phổ hấp thụ (A425) của AgNPs/PHMB với các loại thuốc bảo vệ thực vật khác nhau (diafenthiuron, thiram, carbaryl, tricyclazole, deltamethrin) với nồng độ 5 µM Thử nghiệm khả năng phát hiện Thiram trong mẫu thực Khả năng phát hiện trung bình hàm lượng Thiram trong mẫu nước hồ tính toán được giao động ở mức từ 90 – 102% với độ lệch chuẩn (RSD) < 2,5% (n=3). Kết quả này thể hiện rằng, Ag/PHMB có tiềm năng ứng dụng làm đầu dò cho cảm biến đo màu nhằm phát hiện Thiram trong với độ nhạy và độ đặc hiệu tốt. Bảng 2.6. Thử nghiệm khả năng phát hiện Thiram trong mẫu nước hồ Nồng độ Thiram (µM) Mẫu % phát hiện RSD (%) (n=3) Bổ sung Phát hiện 1 5 4,5 90 1,9 2 10 9,2 92 1,5 3 15 14,7 98 2,1 4 20 20,2 101 2,8 5 50 50,8 102 2,5 Cơ chế phát hiện Thiram của AgNPs/PHMB 10
11. Cơ chế phát hiện Thiram của AgNPs/PHMB được đề xuất như miêu tả trong hình 2.19. Bề mặt của vật liệu AgNPs/PHMB tích điện dương, do vậy khi có mặt của Thiram, các phân tử của Thiram (bề mặt ngoài Thiram có -OH tích điện âm do vậy Thiram có ai lực lớn với các hạt nano có điện tích bề mặt dương) có xu hướng hấp phụ lên bề mặt của PHMB do tương tác tĩnh điện giữa 2 thành phần mang điện tích trái dấu là nguyên nhân phá vỡ trạng thái ổn định của hệ AgNPs/PHMB dẫn đến các hạt nano Ag có xu hướng kết đám lại gần nhau. Ngoài ra, các hạt Hình 2.19. Ảnh TEM của dung dịch AgNPs/PHMB (a) nano bạc có khả năng tương tác mạnh với các trước và (b) sau khi bổ sung Thiram ở nồng độ 10 µM, nhóm chứa lưu huỳnh dẫn đến làm giảm pH 6,5; (c) mô hình cơ chế đề xuất cho tương tác giữa khoảng cách giữa các hạt, gây ra hiện tượng AgNPs/PHMB và Thiram dịch đỏ trong phổ hấp thụ của của AgNPs/PHMB. 2.5. Kết luận chương 2 - Đã chế tạo được vật liệu nano bạc tổ hợp với các polymer khác nhau như, PVP, Tween 80 và PHMB theo phương pháp hóa học. Đã nghiên cứu khảo sát các đặc trưng cấu trúc, tính chất và độ ổn định theo thời gian của vật liệu chế tạo được. Vật liệu nano bạc tổ hợp với PHMB cho các hạt nano bạc có kích thước khoảng 25 nm. So với các polymer khác như PVP và Tween 80, PHMB liên kết mạnh với AgNPs và tạo thành lớp điện tích dương trên bề mặt chúng qua đó tăng cường khả năng ổn định của hạt nano bạc với khả năng ổn định lên tới 180 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng. - Đã thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp AgNPs/PHMB trong cảm biến đo màu để phát hiện ion Mn2+ và thuốc bảo vệ thực vật Thiram. Vật liệu có khả năng phát hiện ion Mn2+ trong khoảng tuyến tính 5-100 mM, LOD đạt 0,22 mM và Thiram trong khoảng tuyến tính 5-50 µM, LOD đạt 0,036 µM. Chương 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP Ag-TiO2-GO VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG QUANG XÚC TÁC PHÂN HỦY CHẤT MÀU XANH METHYLEN TRONG VÙNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN 3.2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 3.2.2. Chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO Vật liệu nano TiO2 (dạng hạt, pha anatase, kích thước hạt 15-35 nm, đỉnh hấp thụ cực đại λmax = 320 nm) và GO (cấu trúc dạng lớp, số lớp = 16, khoảng cách giữa 2 lớp = 0,81 nm; ID/IG = 0,78) sử dụng trong luận án được chế tạo theo quy trình miêu tả trong hình 3.1 và 3.2. Vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO được chế tạo theo quy trình tổng hợp 2 bước như miêu tả trong hình 3.3. Các điều kiện thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Tổng hợp các điều kiện chế tạo mẫu của Ag-TiO2-GO TiO GO AgNO NaBH Mẫu 2 3 4 (g) (g) (g) (g) Ag-TiO2-GO-1 0,1 0,004 0,125 0,117 Ag-TiO2-GO-2 0,1 0,005 0,125 0,117 Ag-TiO2-GO-3 0,1 0,006 0,125 0,117 Ag-TiO2-GO-4 0,1 0,007 0,125 0,117 Ag-TiO2-GO-5 0,1 0,008 0,125 0,117 11
12. Hình 3.1. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano TiO2 Hình 3.3. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO Hình 3.2. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu GO 3.2.3. Quy trình thực nghiệm nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO trong quang xúc tác phân hủy MB trong vùng ánh sáng khả kiến Nồng độ vật liệu ban đầu được cố định ở mức 0,03 mg/100 mL dung dịch MB (15 ppm), thời gian chiếu sáng 85 phút. Giá trị pH thay đổi từ 3-11 được điều chỉnh bằng dung dịch HCl (1%) và dung dịch NaOH (40%) thông qua máy đo pH. Sau thời gian chiếu, mẫu được lấy ra lọc, ly tâm và đo độ hấp thụ của mẫu nước ở bước sóng 660 nm (bước sóng hấp thụ cực đại của MB) bằng máy quang phổ UV-Vis Dr6000. 3.3. Đặc trưng hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO 3.3.1. Đặc trưng hình thái, cấu trúc Hình 3.4. trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của (a) hạt nano TiO2 và (b) vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO. Từ giản đồ có thể cho thấy dễ dàng quang sát được các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của TiO2 và Ag (hình 3.4b). Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO b) 12
13. Hình 3.5. trình bày ảnh TEM của hạt nano TiO2 (a), ảnh TEM (b), ảnh SEM (c) và phổ EDS (d) của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO. Kết quả cho thấy hạt nano TiO2 có kích thước phân bố trong khoảng từ 15-35 nm. Các hạt nano bạc có kích thước hình cầu khoảng 10- 25 nm được phân tán trên bề mặt của tổ hợp TiO2-GO. Kết quả phân tích phổ EDS (d) đã chỉ ra sự có mặt của các thành phần TiO2, GO và Ag trong tổ hợp chế tạo được với tỷ lệ phần trăm phù hợp với điều kiện chế tạo mẫu. Hình 3.5. Ảnh TEM của (a) hạt nano TiO2, (b) vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO; (c) ảnh SEM và phổ EDS của Ag-TiO2-GO Từ các kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X, ảnh TEM, SEM, phổ EDS ở trên đã chứng tỏ vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO đã được chế tạo thành công theo quy trình tổng hợp 2 bước sử dụng phương pháp hóa học ướt và phương pháp khử hóa học. 3.3.2. Đặc trưng liên kết Để làm rõ sự tương tác giữa cá hạt nano TiO2, nano Ag với các nhóm chức trên bề mặt GO, chúng tôi thực hiện phân tích phổ FTIR của các mẫu TiO2-GO và vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO tại nhiệt độ phòng trong vùng từ 450 – 4000 cm-1, kết quả được chỉ ra trong hình 3.6. Các kết quả phân tích này đã ghi nhận thêm sự hình thành tinh thể bạc kim loại cấu trúc lập phương tâm mặt và sự tạo thành liên kết giữa các thành phần trong vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO. Hình 3.6. Phổ FTIR của (a) TiO2-GO và (b) vật liệu nano tổ hợp TiO2-GO-Ag 3.3.3. Tính chất quang của vật liệu Trong hình 3.7, có thể dễ dàng nhận thấy rằng, vùng hấp thụ từ 400 – 800 nm được tăng cường và chuyển dịch về vùng ánh sáng nhìn thấy khi sự có mặt của GO và Ag trong cấu trúc tổ hợp. Điều này được giải thích là do sự tương tác giữa các hạt nano TiO2 với tấm GO và do hiệu ứng plasmon bề mặt của hạt nano Ag. Hình 3.7. Phổ UV-vis của TiO2, TiO2-GO và Ag-TiO2-GO 13
14. 3.4. Thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO trong quang xúc tác phân hủy chất màu MB trong vùng ánh sáng khả kiến 3.4.1. Ảnh hưởng của pH Hình 3.8 chỉ ra kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị pH khác nhau trong khoảng từ 3 – 11 đến hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO. Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất phân hủy Hình 3.9. Hiệu suất phân hủy MB ở các giá trị nồng MB trong khoảng pH từ 3 – 11 độ MB ban đầu khác nhau tại pH= 6,8 Có thể dễ dàng nhận thấy rằng, hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB tăng tỷ lệ thuận với giá trị pH trong khoảng từ 3 đến 8, sau đó giảm dần. Điều này được giải thích là do giá trị pH ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại điện tích của MB và bề mặt GO. Trong khoảng giá trị pH thấp đến trung tính, phân tử MB tồn tại ở dạng cation tích điện dương (pKa = 3,8), bề mặt GO tích điện âm. Tại đây, các phân tử MB được hấp phụ mạnh lên bề mặt của tấm GO thông qua tương tác tĩnh điện giữa 2 thành phần. Do vậy, làm tăng hiệu suất của phản ứng quang xúc tác. Ngoài ra, hiệu suất phản ứng quang xúc tác còn được tăng cường do sự hình thành nhiều gốc hydroxyl và đạt cực đạt ở giá trị pH = 8, H = 85%. Do hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB ở các giá trị pH trung tính (6, 6,8 và 8) tương ứng với 82, 83 và 85% nên chúng tôi chọn giá trị pH = 6,8 (giá trị pH tự sinh của dung dịch) làm điều kiện cho các thí nghiệm tiếp theo. 3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ MB Cùng với giá trị pH, nồng độ MB ban đầu cũng chính là một trong những thông số công nghệ quan trọng trong các nghiên cứu về xử lý môi trường nói chung và quá trình quang xúc tác nói riêng. Khi nồng độ chất ô nhiễm lớn dung lượng xử lý của vật liệu thì sẽ làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý. Bên cạnh đó, sự hấp thụ năng lượng photon kích thích cho phản ứng quang xúc tác cũng sẽ bị giảm do hiệu ứng che chắn bề mặt khi ở nồng độ chất ô nhiễm cao. Các nhận định trên phù hợp với kết quả được chỉ ra trong hình 3.9. Hiệu suất phân hủy MB (thể hiện qua tỷ lệ C/Co) giảm dần cùng với sự tăng nồng độ MB đầu vào. Giá trị nồng độ MB ban đầu thích hợp cho các nghiên cứu tiếp theo được lựa chọn ở mức Co = 20 ppm. 3.4.3. Ảnh hưởng tỷ lệ GO Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các mẫu GO có hàm lượng khác nhau được chỉ ra trong Hình 3.10. Từ kết quả trong Hình 3.10 cho thấy, hiệu suất phân hủy MB tăng khi tăng hàm lượng GO, đạt giá trị cực đại ở tỷ lệ GO-3, tương ứng với 6% (theo khối lượng) lượng GO sử dụng trong chế tạo vật liệu. Điều này có được là do GO có diện tích bề mặt lớn, do vậy khi tăng GO thì khả năng hấp phụ MB của vật liệu tăng do đó làm tăng cường hiệu suất phân hủy của vật liệu. 14
15. Hình 3.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ GO đến hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO (điều kiện: V = 100 mL, Co(MB) = 20 ppm, mvật liệu = 0,04 g, pH = 6,8) 3.4.4. Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng Trong điều kiện không chiếu sáng, có thể dễ dàng nhận thấy, dung lượng hấp phụ của MB tăng lên khi có mặt của GO trong hệ vật liệu nano tổ hợp TiO2-GO và Ag-TiO2-GO. Trong điều kiện có chiếu sáng bằng nguồn ánh sáng khả kiến, quá trình quang xúc tác xảy ra do các điện tử được kích thích. Trong điều kiện này, dễ dàng nhận thấy hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB tăng lên đang kể đối với mẫu sử dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO. Điều này được giải thích là do vật liệu có khả năng hấp thụ nguồn ánh sáng nhìn thấy do hiệu ứng plasmon bề mặt của hạt nano bạc. Hiệu xuất phân hủy MB của vật liệu thử nghiệm sau 85 phút chiếu lần lượt là 25%, 75% và 100% tương ứng với nano TiO2, TiO2-GO và Ag-TiO2-GO. Hình 3.11. Ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng đến hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO (điều kiện: V = 100 mL, Co(MB) = 20 ppm, mvật liệu = 0,04 g, pH = 6,8) Hình 3.12 biểu diễn đồ thị thể hiện mối tương quan giữa ln(Co/Ct) theo thời gian của mẫu TiO2, TiO2- GO và Ag-TiO2-GO. Hằng số tốc độ phản ứng (k) của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO xác định được là -1 -1 -1 0,0483 (phút ), cao gấp 4,7 lần so với TiO2-GO (k = 0,0102 phút ) và 34,5 lần so với TiO2 (0,0014 phút ). Kết quả đánh giá hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất màu MB trong điều kiện ánh sáng khả kiến của chúng tôi tương đồng, và cao hơn 1 số kết quả đã công bố trước đây như số liệu so sánh chỉ ra trong bảng 3.2. Hình 3.1. Động học phương trình bậc 1 của phản ứng quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu TiO2, TiO2-GO và Ag-TiO2-GO dưới điều kiện ánh sáng khả kiến 15
16. Bảng 3.2. So sánh hiệu quả quang xúc tác chất màu MB của một số vật liệu Hiệu suất Vật liệu Nguồn sáng Điều kiện thí nghiệm k (phút-1) (%) -6 TiO2 Cực tím, UV 15W - C: 18.10 M 76,6 - - T: 270 phút TiO2-Graphen Khả kiến, xenon - C: 10 mg/L 96 0,0032 50W - M: 30 mg/100 mL MB - T: 150 phút Ag-TiO2-GO Cực tím, UV 22W - C: 30 ppm 80 0,0049 - M: 30 mg/100 mL MB - T: 150 phút Ag-TiO2-GO Khả kiến, - C: 10 mg/L 91,2 0,017 xenon 300W - T: 120 Ag-TiO2-GO Khả kiến, xenon - C: 10 mg/L 79 - 200W - M: 24 mg/200 mL MB - T: 240 phút Ag-TiO2-GO Khả kiến, Led - C: 0,04 g 99 0,0483 RGB 50W - M: 20 mg/ 100 mL MB (luận án) - T: 85 phút Ghi chú: C- nồng độ MB ban đầu; M- khối lượng vật liệu; T- thời gian chiếu Cơ chế quá trình quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO phân hủy chất màu MB trong điều kiện ánh sáng khả kiến được mô tả trong hình 3.13. quá trình phân hủy MB trải phương trình phản ứng sau: - + + . + Ag + hv = Ag (e + h ) (1) TiO2 (h ) + H2O = OH + H (7) - - -. + . Ag (e ) + TiO2 = Ag + TiO2 (e ) (2) O2 + H = HO2 (8) - - . TiO2 (e ) + GO = TiO2 + GO (e ) (3) 2 HO2 = H2O2 + O2 (9) - -. -. . - GO (e ) + O2 = GO + O2 (4) H2O2 + O2 = OH + OH + O2 (10) - -. + - . TiO2 (e ) + O2 = Ag + O2 (5) Ag (h ) + OH = Ag + OH (11) -. . . O2 + H2O = OH (6) OH + MB = CO2 + H2O (12) Hình 3.2. Mô hình cơ chế đề xuất cho quá trình quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO 3.5. Kết luận Chương 3 - Đã chế tạo được vật liệu nano bạc tổ hợp với hạt nano TiO2 và GO theo quy trình tổng hợp 2 bước sử dụng phương pháp hóa học ướt. Đã nghiên cứu khảo sát đặc trưng cấu trúc, tính chất quang của vật liệu 16
17. TiO2, TiO2-GO và Ag-TiO2-GO. Vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO có khả năng hấp thụ ánh sáng ở vùng khả kiến. - Đã thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO trong quang xúc tác phân hủy chất màu MB trong điều kiện chiếu ánh sáng khả kiến. Vật liệu có khả năng phân hủy gần như hoàn toàn MB (H = ~ 100%) trong thời gian chiếu 85 phút, hằng số tốc độ phản ứng k = 0,0483 phút-1. Chương 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP Ag-CoFe2O4-GO VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN, MANG THUỐC CHLORAMPHENICOL 4.2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 4.2.2. Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO o Các hạt nano CoFe2O4 được chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa ở điều kiện 80 C trong 1,5 giờ, pH = 9 - 10. Sản phẩm thu được sau đó được ủ nhiệt ở 600oC trong 10h để sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. Quy trình chế tạo CoFe2O4 theo các bước chi tiết được chỉ rõ trên hình 4.1 Hình 4. 1. Quy trình chế tạo hạt nano CoFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa Hạt nano CoFe2O4 được chức hóa bề mặt bởi polymer PHMB và tạo liên kết bền với tấm graphene ôxít, sau đó được tổ hợp với hạt nano bạc bằng phương pháp khử ion bạc trên bề mặt tổ hợp CoFe2O4-GO bởi chất khử mạnh NaBH4. Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO được chỉ ra trên hình 4.2. Hình 4. 2. Quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO sử dụng hạt nano CoFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 4.2.4. Quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng kháng khuẩn Khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO được đánh giá sử dụng phương pháp khuếch tán đĩa thạch trên 2 đối tượng vi khuẩn Escherichia coli, ATCC 25922 và Staphylococus aureus, ATCC 25923. 17
18. Bước 1: Đĩa thạch chứa môi trường dinh dưỡng cho nuôi cấy vi khuẩn được đục lỗ và phết vi khuẩn lên trên bề mặt thạch trong điều kiện vô trùng. Vi khuẩn được nuôi cấy đạt nồng độ 105-106 CFU/ml cho các thử nghiệm tiếp theo. Bước 2: Nhỏ các dung dịch CoFe2O4, GO, CoFe2O4-GO và Ag-CoFe2O4-GO có nồng độ 50 µg/ml vào các lỗ thạch và để tủ lạnh 4-5 giờ cho vật liệu khuếch tán vào môi trường thạch. Bước 3: Đặt các đĩa thạch vào tủ nuối cấy ở nhiệt độ 37 oC trong 24 giờ Bước 4: Quang sát, chụp ảnh và xác định đường kính vòng vô khuẩn (mm) hình thành xung quanh lỗ thạch. 4.2.5. Quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng mang thuốc CAP 4.2.5.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mang thuốc CAP Quy trình thực nghiệm được miêu tả trong hình 4.4. Khả năng mang thuốc CAP của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO được tính toán theo công thức (4.1). HL, % = (Co – C)/Co (4.1) Trong đó: HL là khả năng mang thuốc, %; Co và C (mg/L) là nồng độ CAP ban đầu và lượng CAP còn lại trong dung dịch được xác định từ phương trình đường chuẩn Hình 4. 3. (a) Phổ UV- vis của CAP với nồng độ từ 2.5-50 mg/l, (b) đường chuẩn sự phụ thuộc của cường độ đỉnh hấp thụ tại 280 nm theo nồng độ CAP Hình 4.4. Quy trình nghiên cứu khả năng mang thuốc CAP 4.2.4.2. Khảo sát khả năng nhả thuốc CAP Quy trình thực nghiệm nghiên cứu khả năng nhả CAP của vật liệu được tiến hành như miêu tả trong hình 4.5 ở điều kiện 37 oC, tốc độ lắc 120 vòng/phút. Khả năng nhả thuốc của vật liệu mang CAP được tính toán theo công thức (4.2) HR = (CL – CR)/CL (4.2) Trong đó: HR (%) là lượng CAP được giải phóng; CL là lượng CAP được mang trên vật liệu; CR là lượng CAP giải phóng ra dung dịch PBS 18
19. Hình 4.5. Quy trình nghiên cứu khả năng nhả thuốc CAP 4.3. Đặc trưng hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO 4.3.1. Đặc trưng hình thái, cấu trúc Hình 4.6 trình bày ảnh TEM của hạt nano CoFe2O4 (a), ảnh TEM (b) và ảnh SEM (c), phổ EDS (d) của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO. Kết quả cho thấy hạt nano CoFe2O4 có kích thước được phân bố trong khoảng 20-40 nm. Sự hình thành hạt nano bạc trên bề mặt của tổ hợp CoFe2O4-GO có thể được quan sát thấy trên ảnh TEM và SEM của mẫu Ag-CoFe2O4-GO. Như chỉ ra trên Hình 4.6 (c), các hạt nano bạc với dạng cầu có kích thước trung bình trong khoảng 15-25 nm được phân tán trên bề mặt của tổ hợp CoFe2O4- GO. Hình 4.7 miêu tả giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano CoFe2O4 và vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4- GO. Kết quả cho thấy rằng giản đồ XRD của mẫu hạt nano CoFe2O4 và mẫu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO xuất hiện các đỉnh đặc trưng của CoFe2O4 và tinh thể bạc kim loại. Các kết quả phân tích từ ảnh TEM, SEM, phổ EDS và giản đồ nhiễu xạ tia X ở trên đã chứng tỏ hạt nano CoFe2O4 với kích thước trong khoảng 20-40 nm và hạt nano bạc với kích thước trong khoảng 15-25 nm được tổ hợp thành công với GO bằng quy trình ba bước sử dụng phương pháp đồng kết tủa và phương pháp khử hóa học. Hình 4.6. (a) Ảnh TEM của hạt nano CoFe2O4, (b) vật liệu nano tổ hợp Ag- CoFe2O4-GO, (c) Ảnh SEM và (d) phổ EDS của Ag-CoFe2O4-GO 4.3.2. Đặc trưng liên kết Để phân tích sự hình thành liên kết giữa các thành phần trong vật liệu nano tổ hợp, chúng tôi sử dụng phép phân tích FTIR. Phổ FTIR của các mẫu CoFe2O4-GO và vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO tại nhiệt độ phòng trong vùng từ 450 – 4000 cm-1 được thể hiện trong Hình 4.8. Có thể thấy rằng phổ FTIR của mẫu CoFe2O4-GO và Ag-CoFe2O4-GO đều xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng từ 580-615 cm-1 tương ứng với dao động kéo dãn của liên kết của ion kim loại ở vị trí tứ diện với oxy (M-O), từ 1040-1075 cm-1 tương ứng với dao động của liên kết C-O, tại 1380 cm-1 tương ứng với dao động của liên kết C-OH, tại 1647 cm-1 tương ứng với dao động kéo dãn của liên kết đôi C=C trong cấu trúc vòng thơm của mạng nền graphene ôxít. Chú ý rằng có sự dịch đỉnh phổ từ 615 về 598 cm-1 đối với mẫu Ag- -1 CoFe2O4-GO và sự giảm cường độ của dải hấp thụ tại 3355 cm tương ứng với dao động của liên kết O-H. 19
20. Các kết quả phân tích FTIR đã xác nhận thêm sự hình thành tinh thể của CoFe2O4 với cấu trúc spinel lập phương và xác nhận sự tạo thành liên kết giữa các thành phần trong vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO. Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano Hình 4.8. Phổ FTIR của (a) CoFe2O4-GO và (b) vật liệu nano tổ hợp CoFe2O4-GO-Ag CoFe2O4 và vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO 4.3.2. Tính chất từ của vật liệu Hình 4.9 biểu diễn đường cong từ trễ (M-H) của hạt nano CoFe2O4 và vật liệu nano tổ hợp Ag- CoFe2O4-GO tại nhiệt độ phòng. Các thông số về từ tính của các mẫu nghiên cứu được trình bày trong Bảng 4.1. Kết quả tính toán cho thấy độ từ hóa bão hòa của hạt nano CoFe2O4 vào khoảng 68 emu/g, giá trị giảm về 37 emu/g khi tổ hợp với GO và AgNPs. Kết quả tính toán lực kháng từ của cả hai mẫu cũng cho kết quả tương ứng là 1420 và 1425 Oe. Các kết quả đo từ tính của hệ vật liệu cũng gợi ý rằng hạt nano CoFe2O4 được tổ hợp thành công với graphene ôxít và hạt nano bạc. Với các thông số về từ tính như trên vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO hoàn toàn có thể được tách từ khỏi dung dịch một cách đơn giản sau 5 phút (Hình chèn trong hình 4.9). Hình 4.9. Đường cong từ trễ của hạt nano CoFe2O4 và vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO tại nhiệt độ phòng Bảng 4.1. Các thông số về từ tính của hạt nano CoFe2O4 và vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO Mẫu Ms (emu/g) Hc (Oe) CoFe2O4 68 1420 Ag-CoFe2O4-GO 37 1425 20
21. 4.4. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn và mang thuốc chloramphenicol của vật liệu nano tổ hợp Ag- CoFe2O4-GO 4.4.1. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn của các vật liệu CoFe2O4, GO, CoFe2O4-GO và Ag-CoFe2O4- GO (50 µg/ml) đối với vi khuẩn E. coli và S. aureus được chỉ ra trên hình 4.10. Kích thước vòng vô khuẩn của các mẫu CoFe2O4, GO, CoFe2O4-GO và Ag-CoFe2O4-GO được chỉ ra trong bảng 4.2 lần lượt là 14,2; 15,3; 20,0; 31,0 mm đối với vi khuẩn E. coli và N/A, 18,5; 19,2; 25,7 đối với vi khuẩn S. aureus. Theo kết quả đã tính toán, vật liệu Ag-CoFe2O4-GO thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội so với các vật liệu CoFe2O4, GO, CoFe2O4-GO ở cùng nồng độ đối với cả hai chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus. Ngoài ra, khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO đối với vi khuẩn E. coli cao hơn so với vi khuẩn S. aureus. Hình 4.10. Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn của vật liệu (1) CoFe2O4, (2) GO, (3) CoFe2O4-GO và (4) Ag- CoFe2O4-GO đối với vi khuẩn E. coli (a) và S. aureus (b) sử dụng phương pháp đục lỗ thạch Bảng 4.2. Kích thước vòng vô khuẩn của vật liệu CoFe2O4, GO, CoFe2O4-GO và Ag-CoFe2O4-GO đối với vi khuẩn E. coli và S. aureus Kích thước vòng vô khuẩn (mm) Vật liệu E. coli S. aureus CoFe2O4 14,2 N/A GO 15,3 18,5 CoFe2O4-GO 20,0 19,2 Ag-CoFe2O4-GO 31,0 25,7 N/A: Không phát hiện theo ngưỡng phát hiện của phương pháp 4.4.2. Thử nghiệm khả năng mang thuốc a) Khảo sát khả năng mang thuốc CAP Đầu tiên, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng mang thuốc kháng sinh CAP của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO. Kết quả tính toán hiệu suất mang thuốc kháng sinh CAP của hệ vật liệu trong các điều kiện pH khác nhau (pH=3-9) được chỉ ra trên hình 4.11. Kết quả cho thấy hiệu suất mang thuốc kháng sinh CAP của vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO phụ thuộc mạnh vào pH của dung dịch. Khả năng mang thuốc của vật liệu đạt hiệu suất cao trong môi trường axít, đạt cực đại trong khoảng pH=3,5-4 (~80%). Ngược lại, trong môi trường trung tính (pH=7) và bazơ (pH=9), hiệu suất mang thuốc của vật liệu rất thấp, chỉ đạt khoảng (7-8%). Bởi vậy, pH = 4, được chọn làm điều kiện cho các thử nghiệm tiếp theo. Hiệu suất mang thuốc tăng dần theo thời gian lắc và đạt trạng thái bão hòa ở khoảng 48h (Hình 4.12). Bởi vậy, chúng tôi chọn thời gian lắc khoảng 48h cho các thử nghiệm tiếp theo. 21
22. Hình 4.11. Hiệu suất mang thuốc của Ag-CoFe2O4- Hình 4.4. Hiệu suất mang thuốc của Ag-CoFe2O4- GO trong khoảng từ pH=3 đến pH=9 GO theo các khoảng thời gian lắc khác nhau từ 6 – 60 giờ Chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nồng độ thuốc kháng sinh CAP ban đầu đến hiệu suất mang thuốc của vật liệu trong khoảng nồng độ CAP từ 5-30 mg/l (nồng độ vật liệu là 0,05 g/200 mL dung dịch CAP) tại điều kiện pH=4 và thời gian lắc 48h. Kết quả tính toán hiệu suất mang thuốc theo nồng độ CAP ban đầu được chỉ ra trên hình 4.13. Hiệu suất mang thuốc đạt giá trị H = 82,9 % (tương đương khoảng 33,1 mg/g) tại nồng độ CAP là 10 mg/l và giảm dần về khoảng 26% khi nồng độ CAP tăng lên tới 30 mg/l. Hình 4. 5. Hiệu suất mang thuốc của Ag- CoFe2O4-GO theo nồng độ CAP ban đầu ở điều kiện pH4, thời gian lắc 48h, nhiệt độ lắc 37oC Bảng 4.3. So sánh khả năng mang thuốc CAP của một số hệ vật liệu Hệ vật liệu Chất nền Khả năng mang CAP, % Ag-PVP poly(vinylpyrrolidone) 81 HAP-PLA Polylactide 57 DS-Cm NPs Chondroitin sulfate và 65 Dextran sulfate CAM-PCL-P NPs poly-ε-caprolactone- 98,3 pluronic Ag-CoFe2O4-GO GO, PHMB 82,9 (luận án) Chúng tôi đề xuất một vài cơ chế mang thuốc có thể của hệ vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO (Hình 4.14). CAP hấp phụ lên bề mặt vật liệu nano tổ hợp theo tương tác tĩnh điện. 22
23. Hình 4.6. Mô hình cơ chế đề xuất cho khả năng mang thuốc CAP của hệ vật liệu nano tổ hợp Ag- CoFe2O4-GO b) Khảo sát khả năng giải phóng thuốc CAP Để đánh giá khả năng giải phóng thuốc kháng sinh CAP của hệ vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO, chúng tôi khảo sát quá trình giải phóng thuốc của hệ theo thời gian trong các môi trường axit (pH=4), trung tính (pH=7,4), và bazơ (pH=9). Kết quả khảo sát được trình bày trên hình 4.15. Sự giải phóng thuốc diễn ra rất mạnh trong môi trường có pH = 7,4 và pH = 9, tương ứng đạt khoảng 88% và 92%. Ngược lại trong môi trường axit (pH = 4), khả năng giải phóng thuốc của hệ chỉ đạt khoảng 52%. Hình 4.7. Khả năng nhả thuốc CAP của hệ vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO ở pH = 4,0; 7,4; 9,0 4.5. Kết luận chương 4 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đạt được, sau khi phân tích, so sánh, đối chứng với các nghiên cứu trước đó, chúng tôi có thể rút ra một số kết luận như sau: - Đã chế tạo được vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO với kích thước hạt nano CoFe2O4 trong khoảng 20-40 nm và hạt nano bạc trong khoảng 15-25 nm theo quy trình ba bước sử dụng phương pháp đồng kết tủa, chất kết nối polymer PHMB và phương pháp khử hóa học. Đã nghiên cứu khảo sát các đặc trưng cấu trúc hình thái, tính chất từ của vật liệu nano tổ hợp chế tạo được. Vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO thể hiện từ tính cao với từ độ bão hòa Ms = 37 emu/g. - Đã thử nghiệm khả năng ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO trong kháng khuẩn và mang thuốc kháng sinh CAP. Vật liệu có khả năng kháng khuẩn đối với 02 chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương (E. coli và S. aureus) và mang thuốc kháng sinh CAP với dung lượng đạt 33,1 mg/g. 23
24. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua quá trình thực hiện luận án, chúng tôi đưa ra một số kết luận chung như sau: 1. Đã làm chủ quy trình công nghệ và chế tạo được các hệ vật liệu nano tổ hợp Ag-polymer; Ag-TiO2- GO; Ag-CoFe2O4-GO với các thông số kỹ thuật đạt được như sau: + Ag-polymer: Vật liệu nano bạc tổ hợp PHMB cho các hạt nano bạc có kích thước khoảng 25 nm, với khả năng ổn định lên tới 180 ngày trong điều kiện bảo quản tại nhiệt độ phòng. + Ag-TiO2-GO: Vật liệu nano tổ hợp Ag-TiO2-GO với hạt nano bạc (kích thước khoảng 10-25 nm) và hạt nano TiO2 (kích thước khoảng 15-35 nm), chất kết nối polymer PHMB, được phân tán đều trên tấm GO có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh ở vùng khả kiến. + Ag-CoFe2O4-GO: Vật liệu nano tổ hợp Ag-CoFe2O4-GO với kích thước hạt nano CoFe2O4 (kích thước khoảng 20-40 nm) và hạt nano bạc (kích thước khoảng 15-25 nm), chất kết nối polymer PHMB, thể hiện từ tính cao với giá trị từ độ bão hòa Ms = 37 emu/g. 2. Đã đánh giá khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu nano tổ hợp chế tạo được trong y sinh và môi trường, cụ thể: + Trong ứng dụng cho cảm biến đo màu, hệ vật liệu Ag-polymer (AgNPs/PHMB) có khả năng phát hiện ion Mn2+ trong khoảng tuyến tính 5-100 µM với giá trị LOD đạt 0,22 mM và phát hiện thuốc bảo vệ thực vật Thiram trong khoảng tuyến tính 5-50 µM với giá trị LOD đạt 0,036 µM. + Trong ứng dụng cho quang xúc tác, hệ vật liệu Ag-TiO2-GO có khả năng phân hủy gần như hoàn toàn chất màu MB (H = ~ 100%) trong thời gian chiếu 85 phút, hằng số tốc độ phản ứng k = 0,0483 phút-1. + Trong ứng dụng kháng khuẩn và mang thuốc, hệ vật liệu Ag-CoFe2O4-GO có khả năng kháng khuẩn đối với 02 chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương (E. coli và S. aureus) và mang thuốc kháng sinh CAP với dung lương mang đạt 33,1 mg/g. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục phát triển các hệ nano tổ hợp Ag-polymer cho các ứng dụng trong cảm biến màu phát hiện các hóa chất thuộc danh mục cấm của Việt nam, dư lượng thuốc kháng sinh trong các mẫu thực phẩm. - Nghiên cứu thử nghiệm các hệ nano tổ hợp trên cơ sở bạc, nano từ tính và các vật liệu cấu trúc 2D trong điều trị bệnh. 24