(Đồ án hcmute) nghiên cứu tổng hợp nano carbon dots và ứng dụng diệt khuẩn

Kết quả về cấu trúc và hình thái CDs được phân tích qua TEM, đặc tính quang học và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát quang của CDs như pH, năng suất lượng tử, tiền chất và hóa chất, ngoài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO CARBON DOTS

VÀ DỨNG DỤNG DIỆT KHUẨN

GVHD: Th.S PHẠM THANH TÙNG SVTH: TRẦN LÊ QUẾ THANH

S KL0 08 4 7 4

i

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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÃ SỐ: 2021-17116124

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO

CARBON DOTS VÀ ỨNG DỤNG DIỆT KHUẨN

GVHD: Th.S PHẠM THANH TÙNG SVTH: TRẦN LÊ QUẾ THANH MSSV: 17116124 TRƯƠNG THỊ NGA 17116097

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 12/2021

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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Trương Thị Nga 17116097

Trần Lê Quế Thanh 17116124

Ngành: Công nghệ Thực phẩm

1 Tên khóa luận: Nghiên cứu tổng hợp nano carbon dots và ứng dụng diệt khuẩn

2 Nhiệm vụ của khoá luận:

- Nghiên cứu xây dựng quy trình tổng hợp nano carbon dots

- Khảo sát độc tính nano carbon dots

- Ứng dụng diệt khuẩn

3 Ngày giao nhiệm vụ khoá luận: 13/03/2021

4 Ngày hoàn thành khoá luận: 10/12/2021

5 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thanh Tùng

Phần hướng dẫn: Toàn bộ nội dung khoá luận

Nội dung và yêu cầu khoá luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Ngành Công Nghệ Thực Phẩm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2021 Trưởng Ngành Người hướng dẫn

Phạm Thanh Tùng

iii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung và quý thầy cô trong Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm nói riêng Trong quá trình học tập suốt 5 năm tại trường, chúng tôi đã được truyền đạt những kiến thức và kỹ năng quý báu về ngành Công nghệ thực phẩm

Đặc biệt, chúng tôi xin được cảm ơn Th.S Phạm Thanh Tùng - Giảng viên Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Thầy luôn hỗ trợ và chỉ dạy chúng tôi rất tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cho chúng tôi từ khi hình thành ý tưởng đến khi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Chúng tôi thật sự rất biết ơn vì điều đó và chúng tôi xin ghi nhớ những lời dạy của thầy

Chúng tôi xin cảm ơn cô Hồ Thị Thu Trang - chuyên viên phụ trách các phòng thí nghiệm

và các xưởng thực hành Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm Khoa Công Nghệ Hóa Học-Thực Phẩm Cô đã hỗ trợ, giúp đỡ chúng tôi rất nhiều về dụng cụ, máy móc, thiết bị trong quá trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

Sau cùng, chúng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ, luôn kề vai sát cánh và tạo điều kiện tốt nhất để chúng tôi có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này Trong quá trình thực hiện đề tài, khó tránh khỏi những sai sót nên chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô để luận văn của chúng tôi được hoàn thiện hơn.Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cảm ơn và kính chúc sức khỏe!

Trân trọng!

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là do chính chúng tôi thực hiện với sự cố vấn của Th.S Phạm Thanh Tùng – Giảng viên Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Chúng tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo quy định

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

TRƯƠNG THỊ NGA

TRẦN LÊ QUẾ THANH

v

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

vii

ix

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

xi

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG

XÉT BẢO VỆ

xiii

xv

xvii

xix

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN v

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ix

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG XÉT BẢO VỆ xii

DANH MỤC HÌNH xxii

DANH MỤC BẢNG xxiv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xxv

TÓM TẮT KHÓA LUẬN xxvi

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề 1

Mục tiêu của đề tài 1

Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về CDs 4

2.1.1 Giới thiệu chung về nano carbon dots 4

2.1.2 Cấu trúc 4

2.1.3 Các tính chất của CDs 5

2.1.3.1 Tính chất huỳnh quang 5

2.1.3.2 Khảo sát độc tính CDs 7

2.1.4 Phương pháp tổng hợp CDs 7

2.1.5 Cơ chế tổng hợp CDs 9

2.1.6 Các ứng dụng trong thực phẩm 11

2.2 Tổng quan về chủng Enterohaemorrhagic E.coli 12

2.3 Tổng quan về hóa chất sử dụng 13

2.3.1 Caffeine 13

2.3.2 Urea 15

2.3.3 Ammonium persulfate 16

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 18

3.1 Vật liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng 18

3.1.1 Vật liệu 18

3.1.1.1 Escherichia coli 18

3.1.1.2 Đậu xanh 18

3.1.1.3 Dung dịch CDs 18

3.1.1.4 Môi trường NB (nutrient borth) 18

3.1.1.5 Bột rau câu con cá vàng 18

3.1.2 Hóa chất 19

3.1.3 Thiết bị sử dụng 19

3.2 Quy trình thực hiện 20

3.2.1 Quy trình tổng hợp CDs 20

3.2.2 Quy trình ứng dụng diệt khuẩn E.coli 21

3.2.3 Quy trình khảo sát độc tính CDs 22

3.3 Các phương pháp phân tích 22

3.3.1 Phương pháp nhiệt phân 22

3.3.2 Phân tích hình thái cấu trúc CDs bằng kỹ thuật TEM 23

3.3.3 Phân tích thành phần nguyên tố qua XPS 23

3.3.4 Phân tích nhóm chức bề mặt bằng quang phổ FTIR 23

3.3.5 Đo độ hấp thụ 23

3.3.6 Phân tích phổ phát xạ huỳnh quang 24

3.3.7 Năng suất lượng tử 24

3.3.8 Khảo sát độc tính dung dịch CDs bằng cách trồng giá đỗ 24

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 25

4.1 Tổng hợp CDs 25

4.1.1 Tổng hợp và mô tả đặc điểm CDs 25

4.1.2 Phân tích CDs qua TEM 27

4.1.3 Phân tích qua XPS 28

xxi

4.1.4 Phân tích quang FTIR 31 4.1.5 Phân tích quang học 31 4.1.6 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion đến cường độ phát quang CDs 34 4.2 Khảo sát độc tính dung dịch CDs bằng cách trồng giá 35 4.2.1 Chiều dài thân của giá đỗ 35 4.2.2 Sự phát quang của CDs trong giá đỗ 37 4.3 Đánh giá khả năng diệt khuẩn của dung dịch CDs 39 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 5.1 Kết luận 46 5.2 Kiến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc khái quát của CDs (Gayen và cộng sự, 2019) 5 Hình 2.2 Phương pháp tổng hợp từ dưới lên (Tuerhong và cộng sự, 2017) 9 Hình 2.3 Cơ chế tổng hợp CDs 11 Hình 2.4 Công thức cấu tạo caffeine 14 Hình 2.5 Công thức cấu tạo Urea 15 Hình 2.6 Công thức cấy tạo ammonium persulfate 16 Hình 3.1 Bột rau câu con cá vàng 19 Hình 3.2 đồ quy trình tổng hợp CDs 20 Hình 3.3 Quy trình thực hiện ứng dụng diệt khuẩn của CDs 21 Hình 3.4 Quy trình khảo sát độc tính CDs bằng cách trồng giá đỗ ở các dãy nồng độ khác nhau 22 Hình 4.1 Sơ đồ tổng hợp CDs 25 Hình 4.2 Sản phẩm CDs trước và sau khi soi đèn ở 365 nm 26 Hình 4.3 Sơ đồ quá trình xử lý nhiệt: caffeine (hình trên bên trái); caffeine với urea (hình dưới bên trái); caffeine với amonium persulfate (hình trên bên phải); caffeine với cả urea và amoni persulfat (hình dưới bên phải) 26 Hình 4.4 Hình ảnh TEM của u-CDs và biểu đồ phân bố kích thước hạt của 27

Hình 4.5 Hình ảnh HRTEM của u-CDs 27

Hình 4.6 Phổ khảo sát XPS của u-CDs 28 Hình 4.7 Phổ XPS độ phân giải cao của C1s của u-CDs 29 Hình 4.8 Phổ XPS độ phân giải cao của O1s của u-CDs 29 Hình 4.9 Phổ XPS độ phân giải cao của N1s của u-CDs 30 Hình 4.10 Phổ XPS độ phân giải cao của S2p của u-CDs 30 Hình 4.11 Phổ FTIR của u-CDs 31 Hình 4.12 Phổ phát xạ PL của u-CDs ở các bước sóng kích thích khác nhau 32 Hình 4.13 Phổ hấp thụ UV- vis (trái), kích thích PL chuẩn hóa (giữa) và phổ phát xạ PL chuẩn hóa (phải) của u-CD phân tán trong nước 32 Hình 4.14 Đồ thị cường độ PL tích hợp của u-CD và quinin sulfate ở 360 nm 33

xxiii

Hình 4.15 Phát xạ PL của u-CD ở các giá trị pH khác nhau Nồng độ của u-CDs là 20 μg/mL.

34 Hình 4.16 Cường độ PL của u-CDs ở bước sóng 360 nm khi giá trị pH được thay đổi Nồng độ của u-CDs là 20 μg/mL 35 Hình 4.17 Cường độ PL chuẩn hóa của u-CD (20 μg/mL) ở các cường độ ion khác nhau của NaCl 35 Hình 4.18 Giá được trồng với CDs ở nồng độ 0 mg/mL (trên bên trái); 0,3 mg/mL (trên bên phải); 1mg/mL (dưới bên trái); 1,5mg/mL (dưới bên phải) 36 Hình 4.19 Cây giá được trồng bằng nước cất trước và sau khi soi đèn 37 Hình 4.20 Cây giá được trồng bằng dung dịch CDs với nồng độ 0,3 mg/mL trước và sau khi soi đèn 38 Hình 4.21 Cây giá được trồng bằng dung dịch CDs với nồng độ 1,0 mg/mL trước và sau khi soi đèn 38

Hình 4.22 Cây giá được trồng bằng dung dịch CDs với nồng độ 1,5 mg/mL trước và sau khi soi đèn 39

Hình 4.23 Đồ thị thể hiện sự sinh trưởng của E.coli ở 0h từ 350 đến 820 nm 40 Hình 4.24 Đồ thị thể hiện sự sinh trưởng của E.coli ở 2h từ 350 đến 820 nm 40 Hình 4.25 Đồ thị thể hiện sự sinh trưởng của E.coli ở 2h từ 350 đến 820 nm 41

7 MCF-7 (Michigan Cancer Foundation-7): tế bào ung thư vú

8 PL (Photoluminescence): huỳnh quang

9 QY (Quantum Yields): năng suất lượng tử

10 SWCNTs (Single – Wall Carbon Nanotube): ống nano carbon đơn vách

11 TEM (Transmission Electron Microscope): ảnh hiển vi điện tử truyền qua

12 UV-VIS (Ultraviolet–visible spectroscopy): quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến

13 WL (wavelength): bước sóng

14 XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy): quang phổ quang điện tử tia X

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp nano carbon dots và ứng dụng diệt khuẩn” được thực hiện nhằm mục đích: Thứ nhất là, nghiên cứu, xây dựng, thực hiện tổng hợp nano carbon dots; thứ hai là, khảo sát ảnh hưởng độc tính của nano carbon dots; thứ ba là, ứng dụng nano carbon dots cho diệt khuẩn

Kết quả cho thấy khi tổng hợp nano carbondots bằng caffein, urea và amonium persunfate thành công trong việc phát quang, chất CDs thu được phát quang màu xanh lam sáng, năng suất lượng tử là 69% khá cao Kết quả về cấu trúc và hình thái CDs được phân tích qua TEM, đặc tính quang học và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát quang của CDs như pH, năng suất lượng tử, tiền chất và hóa chất, ngoài ra còn có phương pháp để tổng hợp CDs Sử dụng

CDs vừa tổng hợp được để diệt khuẩn là E.coli bằng phương pháp đo độ hấp thụ UV-VIS từ

bước sóng 230-820 nm ở các nồng độ 5 mg/mL, 10 mg/mL, 15 mg/mL thì ở mức 10 mg/mL là khả năng diệt khuẩn tuyệt vời nhất Đánh giá được độc tính của CDs vừa tổng hợp qua phương pháp trồng giá để xem sự sinh trưởng và phát triển của giá khi trồng với CDs ở các nồng độ là 0,3 mg/mL, 1 mg/mL, 1,5 mg/mL, và khi tiến hành xong nghiên cứu cho thấy ở các nồng độ trên giá vẫn sinh trưởng, phát triển bình thường, CDs được rễ hút vận chuyển vào thân bình thường, chứng mình được độc tính của CDs là không có ở các nồng độ trên

CDs ức chế vi khuẩn phát triển và phá hủy tế bào thông qua cơ chế làm tổn thương vật

lí hoặc cơ học đến thành tế bào vi khuẩn, làm cho vi khuẩn bị rối loạn chức năng sinh lí tổng thể dẫn đến bị tiêu diệt Mặt khác, thực phẩm an toàn cũng là một yếu tố quan trọng quyết định đến sức khỏe con người Mà thực phẩm là yếu tố liên quan đến sức khỏe nên một số lo ngại về sức khỏe liên quan đến tính tương thích sinh học vẫn còn Nên trong số các chất kháng khuẩn khác nhau tổng hợp từ vật liệu nano thì carbon dots (CDs) là tiềm năng cho sản xuất, đa dạng

về chức năng, khả năng tan tốt trong môi trường nước

Đặc tính kháng khuẩn của CDs có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách tác động lên bề mặt CDs là vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong tương lai diệt vi khuẩn bằng cách phá vỡ màng vi sinh vật giúp cho thực phẩm an toàn hơn Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng CDs không có độc tính

Chính vì công dụng tuyệt vời và lợi thế của CDs nên nhóm chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và tổng hợp nano carbon dots và ứng dụng diệt khuẩn”, hi vọng qua đề tài này có thể cung cấp cho mọi người nhiều hơn về CDs cũng như ứng dụng của nó trong thực phẩm

Mục tiêu của đề tài

Tổng hợp carbon dots bằng phương pháp nhiệt rắn với tiền chất là caffeine, ure và ammonium persulfate

Nghiên cứu tính chất quang của CDs: phổ hấp thụ UV-Vis, phổ phát xạ huỳnh quang PL, phổ hồng ngoại FT-IR, nghiên cứu hình thái cấu trúc qua kinh hiển vi điện tử truyền qua TEM Ứng dụng diệt khuẩn của CDs trong thực phẩm là diệt Ecoli, kiểm tra tính độc của CDs thông qua việc trồng giá đỗ

Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Thực hiện nghiên cứu để tổng hợp thành công vật liệu nano carbon dots Sau đó, tiến hành đánh giá hiệu suất tổng hợp, khảo sát độc tính của CDs tổng hợp được, ứng dụng để diệt khuẩn tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

1.4 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan tài liệu : phương pháp tổng hợp và cơ chế hình thành CDs từ caffein, urea và amonium persunfate

Đặc trưng cấu trúc CDs thu được bằng phương pháp phổ FTIR, ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua TEM

Nghiên cứu cấu trúc quang của CDs thu được sử dụng quang phổ hấp thụ UV-VIS, quang phổ phát xạ huỳnh quang (PL)

Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của CDs thu được sử dụng phổ hấp thụ UV-VIS Khảo sát độc tính của CDs thu được bằng cách trồng giá

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CDs được tình cờ phát hiện vào năm 2004 tại thời điểm tinh chế các nano carbon một vách ngăn (SWCNTs) bởi Xu (Xu và cộng sự, 2004)

Hai năm sau, tức 2006, Sun và cộng sự lần đầu tiên tổng hợp các hạt nano carbon phát quang ổn định có kích thước khác nhau và đặt tên cho chúng là “chấm lượng tử carbon” (CQD) Trong vòng một năm, các CDs hòa tan trong nước được thụ động bề mặt với poly-

propionylethylenimine- co -ethylenimine đã được công bố (Sun và cộng sự, 2006)

Các CDs cho thấy phổ phát quang từ hai photon cảm ứng và được sử dụng để phát hiện

tế bào MCF-7 ung thư vú ở người (L Cao và cộng sự, 2007)

Theo Anand và cộng sự (2018) đã đưa ra các ứng dụng kháng khuẩn của vật liệu nano carbon chức năng (GO và C-Dots), cơ chế kháng khuẩn, các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ kháng khuẩn như các nhóm amin được thay thế bằng lauryl betaine trên bề mặt CDs sẽ giúp phát hiện và tiêu diệt vi khuẩn gram dương trong quần thể vi khuẩn có cả gram âm và gram dương, nguyên liệu để tổng hợp sẽ ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của CDs Ngoài ra còn có nghiên cứu thử nghiệm trên chuột cho thấy CDs hoàn toàn không có độc tính

Theo Wang và cộng sự (2018) đã tiến hành thí nghiệm trồng giá bằng CDs với các nồng

độ là 0,2 mg/mL, 0,4 mg/mL thì thấy rễ của các cây này dài hơn rễ của cây giá trồng với nước

3

29,9% và 13,8% và khả năng hút nước tăng lên với nồng độ CDs là 0,2 mg/mL Điều này chứng minh rằng CDs không có độc tố mà còn giúp cây sinh trưởng và phát triển tốt hơn Vì vậy CDs

có thể được nghiên cứu để làm phân bón cho cây

Theo Ciu và cộng sự (2020) đã đề cập đến những tiến bộ trong cơ chế phát hiện huỳnh quang và các ứng dụng của CDs để theo dõi vi khuẩn gây bệnh CDs huỳnh quang từ tính có thể giảm sự nhiễu khi giám sát các mẫu có vi khuẩn trong thực tế như huyết thanh, thực phẩm, môi trường CDs huỳnh quang từ tính được tạo ra bằng cách thêm một số phần tử Bên cạnh đó, các CDs có thể bị phân huỷ thành H2O, CO và CO2 ở 37°C sau 20 ngày hoặc dưới ánh sáng nhìn thấy trong không khí Ngoài ra CDs còn có nhiều ứng dụng khác trong thực phẩm như phát hiện được đường, vi sinh vật gây bệnh

Theo Liang và cộng sự (2021) nghiên cứu và công bố về hoạt tính kháng khuẩn của CDs tổng hợp từ levofloxacin hydrochloride CDs thu được có kích thước trung bình 1,27 nm có đặc tính kháng khuẩn mạnh đối với cả vi khuẩn gram dương và gram âm, với nồng độ ức chế tối

thiểu (MIC) là 64, 128, 64 và 128 μg/mL đối với Escherichia coli (E.coli), Pseudomonas

aeruginosa (P.aeruginosa), Staphylococcus aureus (S.aureus) và Bacillus subtilis (B.subtilis)

Năm 2021 Liang và cộng sự cho rằng, CDs không có độc tính mà ở nồng độ thích hợp còn thúc đẩy tăng trưởng đồng thời thúc đẩy quá trình quang hợp của cây và tăng hàm lượng carbohydrat trong cây Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng CDs làm tăng hiệu quả hoạt động của ribose-1,5-diphosphate carboxylase (Rubisco) giúp tích lũy nhiều chất bột đường của cây đậu xanh giúp cây phát triển tốt hơn

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về CDs

2.1.1 Giới thiệu chung về nano carbon dots

Carbon dots (CDs) hay chấm lượng tử carbon, có kích thước dưới 10nm Gồm các tính chất quang học độc đáo, là vật liệu tiềm năng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như quang học, y học, sinh học,… (Jia-Huan Qu và cộng sự, 2018) CDs thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học nhờ các đặc tính nổi bật như cường độ phát quang ổn định, quang phổ kích thích rộng, huỳnh quang nhiều màu

và khả năng tan tốt trong nước Ngoài ra CDs thể hiện độc tính tế bào thấp, khả năng tương thích sinh học cao, ít ảnh hưởng đến môi trường và chi phí thấp cũng như tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực (Baker & Baker, 2010; Tao và cộng sự, 2012)

Đặc tính quang học, chức năng bề mặt và hình thái của CDs sẽ được thể hiện thông qua các kĩ thuật phổ biến như UV-Vis, huỳnh quang, hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS), lực nguyên tử (AFM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Các phương pháp tiếp cận gần đây để phát hiện các ion kim loại nặng bao gồm phép đo khối phổ plasma - cảm ứng (Barriada và cộng sự 2007), phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (Chamsaz và cộng sự, 2008) và phép đo điện áp dải , là những quy trình khá tốn kém và phức tạp bao gồm các bước tiền xử lý mẫu tốn thời gian và cũng không di chuyển được, điều này hạn chế các ứng dụng của chúng, mặc dù chúng cung cấp độ nhạy tuyệt vời và phân tích đa yếu tố Cảm biến huỳnh quang ngày càng thu hút sự chú ý vì hoạt động đơn giản, tiết kiệm chi phí, độ nhạy cao, phản ứng trực quan và nhanh chóng (Yiqun Zhou và cộng sự, 2019) Ngoài ra, CDs còn có các ứng dụng trong an toàn thực phẩm trong việc xác định các ion/anion kim loại, thuốc trừ sâu, thuốc thú y, vi khuẩn, các chất phụ gia bị cấm bởi cơ chế phát quang (Shi và cộng sự,

2018)

2.1.2 Cấu trúc

Có kích thước nano, cấu trúc vật liệu CDs gồm lõi là khối cầu carbon lai hóa sp 2/sp3 ở dạng vô định hình hoặc tinh thể, bao bọc bên ngoài là các nhóm chức như carboxyl, hydroxyl, carbonxylic acid, carbonyl như hình 2.1 Với sự xuất hiện đa dạng các nhóm chức bao quanh,

sự xuất hiện của các dị nguyên tử (như nitơ và oxy ) cũng dẫn đến sự dịch chuyển màu đỏ của bước sóng phát xạ Gần đây, các CDs phát quang đỏ đã được tổng hợp dễ dàng bằng cách tạo thành một hệ thống liên hợp lớn π Ví dụ, P-phenylenediamine và 1,3-dihydroxynaphthalene được sử dụng để tổng hợp CDs phát huỳnh quang đỏ với hiệu suất lượng tử cao (QY) (Sun và cộng sự, 2018; Wang và cộng sự, 2018) Ngoài ra, sử dụng phloroglucinol đối xứng gấp ba lần làm tiền chất, Yuan và các đồng nghiệp đã điều chế các CDs phát quang cao từ xanh lam sang

đỏ bằng cách mở rộng hệ liên hợp π trong các điều kiện được kiểm soát (Yuan và cộng sự, 2018)

 Huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích

Có thể đạt được sự phát huỳnh quang khác nhau bằng cách điều chỉnh bước sóng kích thích Ví dụ, Liu và các đồng nghiệp nhận thấy rằng bước sóng phát xạ cực đại tăng từ 450 nm lên 550 nm khi bước sóng kích thích thay đổi từ 340 nm đến 480 nm (Liu và cộng sự,2011)

 Ảnh hưởng của pH

Cường độ huỳnh quang rất nhạy cảm với pH, do đó môi trường bề mặt cục bộ có thể bị ảnh hưởng bởi sự ion hóa của các nhóm acid carboxylic Do đó, PL có thể được tắt và bật bằng

cách thay đổi các giá trị pH từ trung tính đến acid mạnh hoặc kiềm (Li và cộng sự, 2011) Jia và công sự đã tổng hợp một loại CDs bằng cách đun nóng trực tiếp dung dịch acid ascorbic, nó thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang và giá trị pH (4,0 - 8,0) của dung dịch thu được Điều này cũng cho thấy tiềm năng sử dụng CDs để đo pH (Jia và cộng sự, 2012)

 Ảnh hưởng của tiền chất

Để nâng cao năng suất lượng tử (QY) và cải thiện thuộc tính PL của các CDs, để chúng

có thể được điều chỉnh tốt hơn với các ứng dụng khác nhau, quá trình tác động có thể được thực hiện trên bề mặt của các CDs thông qua liên kết với các nhóm hóa học khác Các nhóm hóa học khác nhau chẳng hạn như diamine, alkylamine và hydrazide có thể được gắn vào bề mặt của CDs trong hoặc sau khi tổng hợp Bên cạnh đó, bằng cách kiểm soát mức độ oxy hóa với acid mạnh, các CDs với các nhóm chứa oxy đa dạng như carboxyl, hydroxyl và epoxyl có thể được điều chế với các vị trí phản ứng hóa học vì chúng có khả năng phân tán nước tuyệt vời và cải thiện hiệu suất PL Mặt khác, các nguyên tử khác được thêm vào, bao gồm N, S và P, thường được sử dụng để điều chỉnh PL, có thể được thực hiện bằng cách thêm các tiền chất nitơ trong quá trình tổng hợp liên quan đến ethanediamine, amoni hydroxide, trimethylamine, v.v (Zhu và cộng sự, 2015a; Zuo và cộng sự, 2016)

 Năng suất lượng tử (QY)

QY là số lượng photon phát ra đề cập đến số lượng photon bị hấp thụ và nó được sử

dụng để đánh giá hiệu suất phát huỳnh quang của các CDs đã chuẩn bị (Jia-Huan Qu và cộng

sự, 2018) CDs đồng pha tạp N và S bằng cách sử dụng một tiền chất mới, caffein, là một purine

tự nhiên Với cấu trúc thơm dị vòng gồm một vòng pyrimidine được hợp nhất với một vòng imidazole, caffeine có thể là một tiền chất hữu hiệu để tổng hợp CDs Bằng cách chọn một phụ gia thích hợp như ammonium persulfate, CDs phát ra bức xạ màu xanh đậm với hiệu suất lượng

tử là 38% đã được tổng hợp Hơn nữa, khi kết hợp hai chất phụ gia, ammonium persulfate ((NH4)2S2O8) là 1 chất oxy hóa mạnh được sử dụng như một chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp của các hợp chất hữu cơ và urea (CO(NH2)2), CDs đã được tổng hợp thể hiện các đặc tính quang học tốt hơn, cho thấy sự phát xạ màu xanh lam sáng với hiệu suất lượng tử tuyệt vời lên tới 69% Với hiệu suất lượng tử tuyệt vời, các CDs có thể được ứng dụng để phát hiện huỳnh quang của các ion kim loại nặng mà không cần sửa đổi thêm về mặt hóa học hoặc chức năng hóa bề mặt (Dinh Khoi Dang và cộng sự, 2018)

7

2.1.3.2 Khảo sát độc tính CDs

Các nghiên cứu về độ tính của CDs được thực hiện với thực vật và động vật

Giá đỗ có thể trồng trong dung dịch CDs với nồng độ 1,5 mg/mL, CDs có thể thấm qua toàn bộ các tế bào thực vật nhưng không độc hại và không cản trở sự phát triển của chúng (Wang

và cộng sự, 2012)

Nghiên cứu độc tính động vật được thực hiện trên chuột Mười con chuột với một lượng thức ăn bình thường và đã được cho uống dung dịch nước của CDs có nồng độ 0,7 mg/mL, trong năm tuần Tất cả những con chuột sống sót sau khoảng thời gian năm tuần của thí nghiệm

và không có con nào biểu hiện bất kỳ triệu chứng chán ăn hoặc các triệu chứng lâm sàng khác, chẳng hạn như rụng tóc, đóng vảy, nôn mửa hoặc tiêu chảy Những con chuột hoạt động bình thường, không có bất kỳ hành vi nào bất thường trong khoảng thời gian 5 tuần và tương tự như một nhóm chuột đối chứng được cho uống nước bình thường Hiện tượng huỳnh quang phụ thuộc bước sóng kích thích có thể được quan sát thấy trong nước tiểu của những con chuột được cho uống dung dịch CDs, trong khi không quan sát thấy huỳnh quang phụ thuộc bước sóng kích thích trong máu lấy từ động mạch mắt của mỗi con chuột Sau khi những con chuột thử nghiệm được cho uống nước bình thường trong bốn tuần, phổ PL trong nước tiểu của chúng trở lại bình thường, tương tự như nhóm đối chứng (Wang và cộng sự, 2012)

Những kết quả này cho thấy rằng CDs thể hiện mức thấp hoặc không có độc tính đối với

cả thực vật và động vật (Yang và cộng sự, 2009)

Ngoài ra CDs có thể được sử dụng như một loại mực huỳnh quang tương thích sinh học mới Các ký tự huỳnh quang CDs trên da người có thể dễ dàng rửa sạch bằng nước Hơn nữa, mực huỳnh quang gốc CDs hòa tan trong nước có thể thay thế các loại mực truyền thống để tạo

ra các dấu vân tay huỳnh quang dạng adelomorphic rõ ràng, một cách an toàn và không còn làm bẩn tay

2.1.4 Phương pháp tổng hợp CDs

Cho đến nay có nhiều phương pháp tổng hợp CDs từ các nguyên tố hóa học cũng như các tiền chất có nguồn gốc tự nhiên như khoai lang (J Shen và cộng sự, 2017), nước cam (S Sahu và cộng sự, 2012) Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày phương pháp tổng hợp vật liệu hạt nano carbon từ caffein bằng phương pháp nhiệt phân đơn giản, chi phí thấp, thân thiện với môi trường

CDs có thể được tổng hợp theo hai con đường: con đường cắt nano từ trên xuống và con đường hữu cơ từ dưới lên Cắt nano từ trên xuống đề cập đến việc cắt vật liệu carbon thành các hạt nano carbon Mặt khác, con đường hữu cơ từ dưới lên chứa quá trình khử nước và kết tụ carbon từ các phân tử nhỏ được gọi là tiền chất Các điều kiện phản ứng và hoạt động tinh chế ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố kích thước của các CDs được tổng hợp Bên cạnh đó, chức năng hóa bề mặt và pha tạp thường được sử dụng để điều chỉnh và nâng cao các đặc tính của PL cũng như để sửa đổi các đặc tính hóa lý cho các ứng dụng cụ thể (Georgakilas và cộng sự, 2015)

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp tổng hợp trạng thái rắn, một nồi, các CDs đồng pha tạp N và S bằng cách sử dụng một tiền chất mới, caffein, là một purine tự nhiên Với cấu trúc thơm dị vòng bao gồm một vòng pyrimidine được hợp nhất với một vòng imidazole, caffeine có thể là một tiền chất hữu hiệu để tổng hợp CDs Bằng cách chọn một chất phụ gia thích hợp, trong nghiên cứu này chúng tôi chọn ammonium persulfate, các CDs phát ra bức xạ màu xanh đậm với hiệu suất lượng tử là 38% đã được tổng hợp Hơn nữa, khi kết hợp hai chất phụ gia, ammonium persulfate ((NH4)2S2O8) (là 1 chất oxy hóa mạnh được sử dụng như một chất xúc tác trong các phản ứng tổng hợp của các hợp chất hữu cơ) và urea (CO(NH2)2), các CDs đã tổng hợp thể hiện các đặc tính quang học tốt hơn, cho thấy sự phát xạ màu xanh lam sáng với hiệu suất lượng tử tuyệt vời lên tới 69% Hiệu suất lượng tử thu được trong nghiên cứu này cao hơn so với các công bố trước đây và thậm chí có thể so sánh với năng suất của các CDs được tổng hợp bằng phương pháp xử lý thủy nhiệt của các chất phụ gia với acid citric, là một phân tử duy nhất để tổng hợp các CDs phát quang cao (Zhu và cộng sự, 2013)

Hiện nay phương pháp nhiệt phân là phương pháp tối ưu dùng để tổng hợp CDs, phương pháp này thường làm nóng các tiền chất lên đến từ 160oC đến 200oC trong nồi hấp kín hoặc với ống sinh hàn hồi lưu (Zuo và cộng sự, 2016), các CDs được tổng hợp theo cách này sẽ có khả năng phân tán trong nước cao Nói chung cơ chế của quá trình này là ion hóa tiền chất, sau đó

là phản ứng trùng hợp và cuối cùng là carbon hóa thành CDs (Hu và cộng sự, 2010; Wang và cộng sự, 2014)

Ưu điểm của phương pháp này là thao tác chính xác sự phân bố kích thước của CDs bằng cách chọn các tiền chất hữu cơ thích hợp và kiểm soát các điều kiện phản ứng Ngoài ra phương pháp nhiệt phân còn vận hành đơn giản, thân thiện với môi trường, tiêu thụ năng lượng

và chi phí thấp (Pan và cộng sự, 2020)

9

Hình 2.2 Phương pháp tổng hợp từ dưới lên (Tuerhong và cộng sự, 2017)

2.1.5 Cơ chế tổng hợp CDs

Có hai quá trình tổng hợp CDs là polymer hóa và carbon hóa

Polymerrization: Quá trình polymerr hóa tác chất tạo thành mạch dài

Trong hóa học polymerr, polymerrization là một quá trình phản ứng các phân tử monome với nhau trong một phản ứng hóa học để tạo thành chuỗi polymerr hoặc mạng ba chiều Có nhiều dạng trùng hợp Trong các hợp chất hóa học, phản ứng trùng hợp có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế phản ứng khác nhau về mức độ phức tạp do các nhóm chức có trong chất phản ứng

và hiệu ứng steric vốn có của chúng Trong các phản ứng trùng hợp đơn giản hơn, anken tạo thành polymerr thông qua các phản ứng gốc tương đối đơn giản, ngược lại, các phản ứng liên quan đến sự thay thế ở một nhóm carbonyl đòi hỏi sự tổng hợp phức tạp hơn do cách mà các chất phản ứng trùng hợp Các ankan cũng có thể được trùng hợp, nhưng chỉ với sự trợ giúp của acid mạnh (Clayden và cộng sự, 2000)

Vì anken có thể trùng hợp trong các phản ứng gốc hơi đơn giản, chúng tạo thành các hợp chất hữu ích như polyetylen và polyvinyl clorua, được sản xuất với số lượng lớn mỗi năm do tính hữu ích của chúng trong quá trình sản xuất các sản phẩm thương mại, chẳng hạn như làm đường ống, cách nhiệt và đóng gói Nói chung, các polymer như PVC được gọi là

"homopolymer", vì chúng bao gồm các chuỗi dài lặp lại hoặc cấu trúc của cùng một đơn vị monome, trong khi các polymer bao gồm nhiều hơn một đơn vị monome được gọi

là copolymer (hoặc đồng polymer)

Các đơn vị monome khác, chẳng hạn như hydrate formaldehyde hoặc andehyde đơn giản, có thể tự trùng hợp ở nhiệt độ khá thấp (khoảng -80°C) để tạo thành trime; phân tử bao gồm 3 đơn vị monome, có thể tuần hoàn để tạo thành cấu trúc mạch vòng, hoặc trải qua các phản ứng tiếp theo để tạo thành tetrame, hoặc 4 hợp chất đơn chức Những polymer nhỏ như

vậy được gọi là oligomer Nói chung, vì formaldehyde là một electrophin phản ứng đặc biệt nên

nó cho phép bổ sung hemiacetal nucleophin chất trung gian, nói chung là các hợp chất "giai đoạn giữa" tồn tại ngắn và tương đối không ổn định, phản ứng với các phân tử khác có mặt để tạo thành các hợp chất cao phân tử ổn định hơn

Carbonization: Quá trình carbon hóa tạo thành các hạt nano carbon

Carbon hóa là một phản ứng nhiệt phân, do đó, được coi là một quá trình phức tạp trong

đó nhiều phản ứng diễn ra đồng thời như khử hydro, ngưng tụ, chuyển hydro và đồng phân hóa Quá trình carbon hóa khác với quá trình than hóa ở chỗ nó xảy ra nhanh hơn nhiều, do tốc độ phản ứng của nó nhanh hơn theo nhiều bậc của độ lớn

Đối với nhiệt độ nhiệt phân cuối cùng, lượng nhiệt sử dụng sẽ kiểm soát mức độ carbon hóa và hàm lượng còn lại của các nguyên tố bên ngoài được bổ sung vào Ví dụ, ở T ∼ 1200 K, hàm lượng carbon của cặn vượt quá 90% trọng lượng, trong khi ở T ∼ 1600 K nhiều hơn 99% trọng lượng carbon được tìm thấy Quá trình carbon hóa thường tỏa nhiệt, có nghĩa là về nguyên tắc, nó có thể tự duy trì và được sử dụng như một nguồn năng lượng không tạo ra carbon đioxit (Richard Lovett và cộng sự, 2008) Trong trường hợp của glucose, phản ứng giải phóng khoảng

237 calo mỗi gam

Khi vật liệu sinh học tiếp xúc với nhiệt độ nóng đột ngột (ví dụ như trong trường hợp nổ hạt nhân hoặc dòng chảy nhiệt phân từ núi lửa ), vật liệu sinh học có thể bị carbon hóa cực kỳ nhanh chóng, biến nó thành carbon rắn

HClO4- cũng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng CDs Các loại cảm biến này rất có tính chọn lọc và độc lập với sự hiện diện của các ion khác (Zhou và cộng sự, 2012)

Sử dụng quá nhiều thuốc cho gia cầm có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho cơ thể động vật Thuốc kháng sinh được sử dụng cho gia súc gia cầm có thể để lại dư lượng

ở mức nguy hiểm trong các sản phẩm thực phẩm (Zhou và cộng sự, 2018) Kháng sinh tàn dư được xác định bằng cảm biến tổng hợp dựa trên CDs, nơi quan sát được quá trình dập tắt PL (tắt) hoặc tăng cường (bật) Kháng sinh hoặc dư lượng của chúng như tetracycline, cephalexin, ciprofloxacin, norfloxacin, oxytetracycline và chlortetracycline đã được phát hiện từ sữa tươi, trứng, thịt và mẫu nước tiểu của con người Các loại thuốc estrogen được sử dụng trên động vật, chim, để tăng trưởng nhanh cũng có thể được phát hiện bằng cảm biến dựa trên CDs rất hiệu quả (Zhao và cộng sự, 2018)

Sự hiện diện của các vi khuẩn như Escherichia Coli, Bacillus Subtilis , Listeria

Monocytogenes, và Salmonella Typhimurium trong thực phẩm cũng được phát hiện bằng

CDs Các chất phụ gia thực phẩm khác như đường, vitamin, acid amin và màu tổng hợp khác nhau được sử dụng trong thực phẩm cũng được phát hiện bởi CDs (Shi và cộng sự, 2018)

CDs đã đạt được những thành tựu trong lĩnh vực đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm với độ nhạy và tính chọn lọc cao, liên quan đến việc đo lường các chất dinh dưỡng (Liu

và cộng sự, 2015), thuốc trừ sâu (Li và cộng sự, 2016), vi sinh vật gây bệnh ( Wang và cộng sự, 2015a), độc tố nấm mốc (Wang và cộng sự, 2016a), chất phụ gia bị cấm (Xu và cộng sự, 2015), v.v

Gần đây, CDs đã được tạo ra bằng vật liệu carbon tự nhiên sử dụng quy trình “xanh” Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá chất lượng và an toàn thực phẩm, liên quan đến chất dinh dưỡng, dư lượng thuốc trừ sâu, chất phụ gia được sử dụng trái phép, sinh vật hoặc độc tố vi sinh vật gây bệnh (Du & Guo, 2016; Li và cộng sự, 2013; Zheng và cộng sự, 2015)

2.2 Tổng quan về chủng Enterohaemorrhagic E.coli

E.coli là loài đặc trưng thuộc giống Escherichia, họ Enterobacteriaceae (họ vi khuẩn

đường ruột) Là vi khuẩn có khả năng lên men, gram âm, hình que, ngắn, không sinh bào tử, có khả năng sinh trưởng và phát triển trong điều kiện có oxi

E.coli rất phổ biến sống cộng sinh trong đường tiêu hóa của con người, nó có thể gây ra

một số bệnh như viêm đường tiết niệu, viêm phổi ở bệnh nhân bị ức chế miễn dịch và viêm

13

màng não ở trẻ sơ sinh E.coli là vi khuẩn ưa ấm (mesophile) điển hình, phát triển từ 7-10°C đến

50°C và phát triển tốt nhất ở 37°C, không có khả năng chịu nhiệt nhưng có thể tồn tại trong tủ lạnh hoặc tủ đông trong thời gian dài

pH trung tính là tối ưu cho sự tăng trưởng nhưng vẫn có thể sinh trưởng trong điều kiện

pH xuống đến 4,4 trong một số điều kiện khác Hoạt độ nước tối thiểu cho sự sinh trưởng là 0,95

Tuy nhiên trong thực phẩm thì chủng Enterohaemorrhagic E.coli (EHEC) xuất hiện khá

nhiều - đặc biệt gắn với huyết thanh (serotype) E.coli O157:H7 được thừa nhận là nguyên nhân

của hội chứng xuất huyết đại tràng và tăng urea máu O157:H7 là E.coli sản xuất độc tố Verotoxin (giống độc tố của Shigella), cực kì phổ biến Loại E.coli này thường gây viêm đại

tràng xuất huyết (thường là tự khỏi); tiêu chảy cấp tính và tiêu chảy ra máu kéo dài 4-10 ngày Các triệu chứng bắt đầu là co thắt dạ dày (stomach cramps) và tiêu chảy ồ ạt 1-2 ngày (đôi khi 3-8 ngày) sau khi ăn thực phẩm bị ô nhiễm Trong hầu hết các trường hợp, tiến triển trong vòng 1-2 ngày tiếp theo là tiêu chảy ra máu và đau bụng dữ dội (Welinder-Olsson và cộng sự, 2005)

Các chủng EHEC sản sinh độc tố gây độc tế bào được gọi là Verotoxin tương tự như độc

tố của Shigella EHEC có vật chủ là bò, do đó sự bùng phát thường là do ăn thịt bò nấu chưa

chín, cũng có nhiều thực phẩm khác (như sản phẩm tươi, sữa tươi) và các nguồn bệnh khác (ví dụ, tiếp xúc trực tiếp với động vật)

Sự bùng phát do các loại thực phẩm có tính acid như nước ép táo, xúc xích lên men và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với mayonnaise, cho thấy tiềm năng sống sót của vi khuẩn trong thời gian dài khi pH không phù hợp cho sự tăng trưởng, đặc biệt khi sản phẩm được giữ lạnh, O157:H7 là loại vi khuẩn không chịu được nhiệt nên thanh trùng sữa (72°C; 16,2s) cũng

đã được xác định là một phương pháp hiệu quả để tiêu diệt E.coli (D'Aoust và cộng sự, 1988)

EHEC dường như có khả năng sống sót cao hơn ở giá trị pH thấp, khả năng chịu được

môi trường acid cao nên có thể sống sót trong các thực phẩm có tính acid (Cheville và cộng sự, 1996; Leyer và cộng sự, 1995), nồng độ gây độc tương đối thấp, 2-2000 tế bào, được ghi nhận trong các vụ ngộ độc

2.3 Tổng quan về hóa chất sử dụng

2.3.1 Caffeine

Công thức phân tử: C8H10N4O2