SỬ DỤNG GEMINI (16 6 16) làm tác NHÂN ổn ĐỊNH, PHÂN bố hạt NANO bạc TRONG DUNG DỊCH AgNPS ỨNG DỤNG làm CHẤT DIỆT KHUẨN(1)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

BÁO CÁO HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

SỬ DỤNG GEMINI (16-6-16) LÀM TÁC NHÂN ỔN ĐỊNH,
PHÂN BỐ HẠT NANO BẠC TRONG DUNG DỊCH AgNPS
ỨNG DỤNG LÀM CHẤT DIỆT KHUẨN

GVHD: TS. PHAN NGUYỄN QUỲNH ANH
SVTH: NGUYỄN ANH VIỆT 18139223
Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC
Niên khóa: 2021-2022

Thành phố Hồ Chí Minh, 17 tháng 1 năm 2022

1


Tên đề tài: SỬ DỤNG GEMINI (16-6-16) LÀM TÁC NHÂN ỔN ĐỊNH, PHÂN BỐ
HẠT NANO BẠC TRONG DUNG DỊCH AgNPS ỨNG DỤNG LÀM CHẤT DIỆT
KHUẨN

Thời gian thực hiện:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Việt
MSSV: 18139223 – Điện thoại: 0337570766
Lớp: DH18HD
Khoa/ Bộ mơn: Cơng nghệ hóa học
Giáo viên hướng dẫn: Ts. Phan Nguyễn Quỳnh Anh

i


SỬ DỤNG GEMINI (16-6-16) LÀM TÁC NHÂN ỔN ĐỊNH,
PHÂN BỐ HẠT NANO BẠC TRONG DUNG DỊCH AgNPS
ỨNG DỤNG LÀM CHẤT DIỆT KHUẨN

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Anh Việt

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa Học

Giảng viên hướng dẫn
TS. Phan Nguyễn Quỳnh Anh

17 tháng 1 năm 2022

ii


Mục lục
Contents
Chương 1: Mở đầu ...................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2 Mục đích..............................................................................................................2
1.3 Nội dung ..............................................................................................................2
Chương 2: Tổng quan ..............................................................................................3
2.1 Tổng quan về nano Bạc .....................................................................................3

2.1.1 Tính chất chung của Bạc và AgNPs ..........................................................3
2.1.2 Khả năng kháng khuẩn của AgNPs ..........................................................4
2.1.3 Phân tán hạt nano bạc ................................................................................6
2.2 Tổng quan chất hoạt động bề mặt Gemini ......................................................6
2.2.1 Lịch sử phát triển của Gemini ...................................................................7
2.2.2 Cấu trúc Gemini ..........................................................................................8
2.2.3 Một số tính chất của Gemini ......................................................................9
2.2.3.1 Hoạt tính bề mặt...................................................................................9
2.2.3.2 Hoạt tính tan huyết (Hemolycity) .......................................................9
2.2.3.3 Khả năng chống ăn mòn ....................................................................10
2.2.3.4 Khả năng kháng khuẩn .....................................................................10
2.2.5 Ứng dụng của Gemini ...............................................................................12
2.2.5.1 Chất ổn định hạt nano .......................................................................12
2.2.5.2 Chất hòa tan .......................................................................................12
2.2.5.3 Nâng cao khả năng thu hồi dầu ........................................................12
2.2.6 Tổng quan về độc tính của các chất hoạt động bề mặt Gemini ............13
2.3 Tính chất của Gemini 16-6-16 phù hợp với vai trò làm chất ổn định hạt
AgNPs ......................................................................................................................15
2.3.1 CMC của Gemini 16-6-16.........................................................................16
2.3.2 Khả năng kháng khuẩn ............................................................................16
iii


2.3.3 Độc tính của Gemini 16-6-16....................................................................17
2.4 Tổng hợp Gemini 16-6-16................................................................................18
Chương 3 .................................................................................................................19
Ứng dụng làm chất ổn định AgNPs và chất diệt khuẩn .....................................19
3.1 Ứng dụng làm chất ổn định AgNPs ................................................................19
3.2 Ứng dụng làm chất diệt khuẩn .......................................................................24
Chương 4: Kết luận................................................................................................26

Tài liệu tham khảo .................................................................................................27

iv


Danh mục hình vẽ
Hình 2.1: Tác động của AgNPs khi tiếp xúc với thành tế bào của vi khuẩn.
Hình 2.2: Q trình gây chết tế bào vi khuẩn khi có sự hiện diện của AgNPs.
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của Gemini.
Hình 2.4: Cấu trúc của Gemini. A) Cấu trúc đối xứng B) Cấu trúc bất đối xứng.
Hình 2.5: Micelle của chất hoạt động bề mặt thơng thường và Gemini.
Hình 2.6: Daphnia magna
Hình 2.7: So sánh độc tính đối với Daphnia magna của DTAB và các chất hoạt động bề
mặt Gemini khác.
Hình 2.8: Khả năng kháng khuẩn của Gemini 16-6-16. a) Bacillus subtilis b) E. Coli
Hình 2.9: Quy trình sản xuất Gemini 16-6-16.
Hình 2.10: Quy trình sản xuất Gemini 16-6-16 khơng xúc tác.
Hình 3.1: Cấu trúc micelle của 16-6-16 với AgNPs
Hình 3.2: Phổ UV-vis của AgNPs thí nghiệm 1,2,3
Hình 3.3: Kết quả UV-vis và XRD.
Hình 3.4: Kết quả chụp HR TEM.
Hình 3.5: Kết quả DLS.
Hình 3.6: Kết quả đo điện thế Zeta của AgNPs kết hợp với Gemini 16-6-16 làm chất ổn
định.
Hình 3.7: (A và B) Hiệu quả tiêu diệt E. coli và S. aureus
(C) phụ thuộc vào nồng độcho biết thời gian bị giết bởi AgNPs.

v

Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1: Chất hoạt động bề mặt thử nghiệm độc tố trong môi trường nước.
Bảng 2.2: CMC của Gemini 16-6-16
Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm tỉ lệ mol Ag/Gemini
Bảng 3.2: kết quả phổ UV-vis của thí nghiệm 1,2,3

Danh mục chữ viết tắt
1. AgNPs: Silver nanoparticles
2. CMC: Crictical micelle concentration
3. MIC: Minimum inhibitory concentration
4. DTAB: dodecyltrimethyl ammonium bromide

vi


Chương 1: Mở đầu
1.1 Đặt vấn đề
Những năm gần đây, công nghệ nano ngày càng nhận được nhiều sự chú ý do
những tính năng ưu việt mà nó mang lại so với các loại vật liệu khác. Trong xu hướng
phát triển của công nghệ vật liệu nano, bạc nano (AgNPs) được xem là tác nhân kháng
khuẩn hiệu quả với phổ kháng khuẩn rộng, đặc biệt là trong các ứng dụng vi sinh như:
chất chống vi trùng, chất vận chuyển thuốc. Ngồi ra, nano bạc cịn được ứng dụng vào
một số lĩnh vực công nghiệp như được dùng làm chất phủ bề mặt thiết bị, đầu dò điện tử,
và nền tảng quang điện tử. Hiện nay, phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp AgNPs là
q trình khử hóa học, đưa các phân tử Ag+ về các hạt Ag có kích thước của các hạt nano,
phân tán trong môi trường nước.
Tuy nhiên, Nano bạc sẽ dễ dàng bị kết tụ trở lại với nhau, tạo điều kiện cho quá
trình lắng tự nhiên khi bảo quản ở điều kiện bình thường. Nhiều nghiên cứu đã kết hợp
AgNPs với Chitosan hay PVA tạo thành vật liệu composit để nâng cao khả năng bền
vững của hạt Nano, phân tán đều trong môi trường nước đồng thời nâng cao các đặc tính

của nano bạc1,2. Tuy nhiên hiệu quả phân tán lại không cao. Chất hoạt động bề mặt anion,
SDS đã được sử dụng trong số lượng lớn hơn các cơng trình nghiên cứu để điều chỉnh
hình dạng3. Trong cơng trình trước đây của chúng tơi về chất hoạt động bề mặt không ion
(TX-100)4 và chất hoạt động bề mặt cation CTAC (cetyltrimetylamoni clorua)5 AgNP ổn
định giải thích sự hình thành động học của AgNP hình cầu đơn phân tán thông qua nồng
độ micelle tới hạn (CMC) tuy nhiên lại dẫn đến mất hoạt tính kháng khuẩn6,7.
Gemini 1, 6-Bis (N, N-hexadecyldimethylammonium) adipate, hay (16-6-16) được
gọi là chất hoạt động bề mặt đa chức năng và có nhiều loại các ứng dụng, trong đó bao
gồm việc sử dụng chúng làm chất ổn định để tổng hợp các hạt nano kim loại. Bởi vì hoạt
tính kháng khuẩn cao của chất hoạt động bề mặt gemini, AgNPs được ổn định bởi loại
chất hoạt động bề mặt này có thể sở hữu đặc tính diệt khuẩn độc nhất và mạnh mẽ hơn so
với AgNPs nguyên chất.

1


Vì vậy, việc sử dụng Gemini làm chất hoạt động bề mặt ổn định và phân tán hạt
nano Bạc ngày càng nhận được nhiều sự chú ý và ứng dụng được vào thực tiễn đời sống.
Đó là lý do em chọn đề tài “Sử dụng Gemini làm tác nhân ổn định và phân bố hạt
Nano Bạc trong dung dịch AgNPs và ứng dụng làm chất diệt khuẩn” để có được cái
nhìn tổng qt về lĩnh vực này.
1.2 Mục đích
- Có cái nhìn tổng quát về Gemini: Cấu trúc, tổng hợp, tính năng và áp dụng của
Gemini trong thưc tế
- Nắm bắt sơ lược các tính chất, phương pháp tổng hợp AgNPs
- Tác động của Gemini đến quá trình phân bố hạt nano bạc

1.3 Nội dung
- Tổng quan về nano bạc và hoạt động kháng khuẩn của chúng
- Tổng quan về chất hoạt động bề mặt Gemini

- Phương pháp tổng hợp Gemini 16-6-16 và những tính chất phù hợp với việc ứng
dụng làm chất ổn định và phân tán hạt nano bạc
- Ứng dụng Gemini 16-6-16 làm chất ổn định và phân tán hạt nano bạc
- Ứng dụng làm chất diệt khuẩn

2


Chương 2: Tổng quan
2.1 Tổng quan về nano Bạc
Kim loại bạc được người Caldians biết đến đầu tiên vào 4000 TCN, và là kim loại
được sử dụng rộng rãi thứ 3 sau vàng và đồng8. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật,
đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu, Bạc khơng chỉ là trang sức mà cịn được biết đến với
khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ. Sự gia tăng nhanh chóng các bệnh nhiễm trùng và bệnh
do vi sinh vật gây khiến cho nano bạc càng nhận được nhiều sự chú ý từ các nhà khoa
học. Nano Bạc có nhiều tính chất đặc trưng và hữu ích mà con người đã biết từ lâu như
tính xúc tác, tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt, phụ thuộc nhiều vào kích thước, hình dáng, và
hóa bề mặt.
Nano bạc bao gồm các hạt bạc có kích thước nano khoảng từ 1- 100 nanomet,
thơng thường kích thước các hạt trong dung dịch nano bạc đo được khoảng 25 nanomet.
Bạc tồn tại ở kích thước nano làm tăng diện tích tiếp xúc, từ đó làm tăng khả năng kháng
khuẩn, virus và nấm.
2.1.1 Tính chất chung của Bạc và AgNPs
Bạc là một kim loại dẫn điện rất tốt, do mật độ điện tử tự do cao dẫn đến điện trở
của kim loại nhỏ. Đặc biệt khi kích thước hạt càng nhỏ sẽ làm tăng tính dẫn điện của kim
loại, vì vậy Nano bạc thường được dùng làm linh kiện dẫn điện trong bảng mạch điện tử
Các nguyên tử trong mạng tinh thể bạc sẽ liên kết với các nguyên tử lân cận tạo
nên liên kết bền, số nguyên tử tham gia liên kết được gọi là số phối vị. Số phối vị càng
lớn tức là nguyên tử càng có nhiều liên kết bền với nguyên tử lân cận, từ đó làm tăng
nhiệt độ nóng chảy của vật liệu. Tuy nhiên, số phối vị có sự thay đổi khi vị trí của nguyên

tử thay đổi. Nguyên tử ở bề mặt của vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn so với các nguyên
tử ở trung tâm vật liệu. vì vậy, khi tăng diện tích bề mặt thì sẽ làm giảm nhiệt độ nóng
chảy của vật liệu
Khi các hạt nano bạc tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng cụ thể, trường điện từ
của ánh sang sẽ làm dao động các điện tử tự do của kim loại. Từ đó gây ra sự phân tách

3


điện tích đối với mạng tinh thể ion, tạo ra sự dao động lưỡng cực dọc theo phương điện
trường ánh sáng. Biên độ dao động đạt cực đại ở một tần số cụ thể, được gọi là hiện
tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon resonance)
Trong trường hợp tần số của ánh sáng tới cộng hưởng với tần số nội tại của các
electron dẫn tại vùng gần bề mặt của hạt thì ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ mạnh. Trong
phổ hấp thụ và tán xạ của hạt nano xuất hiện dải có cường độ cực đại gọi là dải cộng
hưởng plasmon bề mặt. Tính chất quang của hạt nano bạc chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố
như mật độ hạt nano bạc, hình dáng, kích thước hạt, mơi trường xung quanh. Đỉnh phổ
hấp thụ của hạt nano sẽ dịch về phía bước sóng ngắn khi kích thước hạt giảm và dịch về
phía bước sóng dài khi kích thước hạt nano tăng lên.
Chính vì vậy, hạt nano bạc được ứng dụng trong chế tạo các bộ phận cảm ứng và
lọc quang học trong các thiết quang học.
2.1.2 Khả năng kháng khuẩn của AgNPs
Ngồi các tính chất cơ bản kể trên, nano bạc được biết đến và ứng dụng nhiều nhất
trong việc sử dụng làm chất diệt khuẩn nhờ đặc tính kháng khuẩn tuyệt vời của nó. Các
đặc tính kháng khuẩn của AgNPs chủ yếu phụ thuộc vào kích thước, độ pH và nồng độ
ion của môi trường. Bạc tồn tại ở dạng nano làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của chúng
đối với vi khuẩn, nấm, từ đó làm tăng hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc.
AgNPs giải phóng các ion Ag+ đóng vai trị là một trong những cơ chế kháng
khuẩn đằng sau hoạt động diệt khuẩn của AgNPs. Vì vậy, để duy trì được hoạt động
kháng khuẩn cũng như là độc tính đối với vi sinh vật thì về cơ bản Ag phải ở trạng thái

ion hóa9. Người ta nhận thấy rằng các ion Ag+ tạo phức với nucleic acid cũng như các
nhóm photphat, nó có tương tác đặc biệt đối với các nucleoside của nucleic acid 10. Trong
một số nghiên cứu chỉ ra rằng đặc tính kháng khuẩn của nano bạc bắt nguồn từ việc hình
thành lực hút tĩnh điện giữa tế bào vi sinh vật tích điện âm với hạt nano bạc tích điện
dương11. Từ đó tạo liên kết với peptidoglycan, là thành phần cấu tạo tế bào vi khuẩn, ức
chế chức năng vận chuyển qua màng tế bào, làm tê liệt vi khuẩn. Tuy nhiên, đối với con

4


người và động vật bậc cao thì thành tế bào được bao bọc bởi hai lớp lipoprotein bền
vững, không cho phép các ion bạc xâm nhập. vì vậy AgNPs khơng gây hại cho con người
và động vật bậc cao.

Hình 2.1: Tác động của AgNPs khi tiếp xúc với thành tế bào của vi khuẩn12.
Khi các ion Ag+ tự do được tế bào hấp thụ, các enzym hô hấp sẽ ngưng hoạt động,
dẫn đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS) và gián đoạn q trình giải phóng
adenosine triphosphat (ATP)13. Các ion Ag+ cịn có khả năng liên kết với các base của
DNA và trung hồ điện tích của gốc phosphate, ngăn chặn quá trình sao chép DNA dẫn
đến các vi sinh vật bị kiềm chế hoặc bị chết.

5


Hình 2.2: Quá trình gây chết tế bào vi khuẩn khi có sự hiện diện của AgNPs12.
Kết quả của nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy hạt nano bạc có tính diệt nhiều
loại vi khuẩn bao gồm các chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus, Pseudomonas
aeruginosa. Vì vậy, hạt nano bạc được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế và trong
các dược phẩm.
2.1.3 Phân tán hạt nano bạc

Hạt Nano phải tồn tại kích thước nhỏ hơn 100nm, việc phân tán các hạt AgNPs
trong môi trường là rất quan trọng, nhằm tránh sự kết tụ ảnh hưởng đến các tính năng của
nano bạc. Vì vậy, ngày càng có nhiều sự chú ý đến việc sử dụng chất hoạt động bề mặt
nào để không chỉ hỗ trợ phân tán hạt nano mà cịn nâng cao các tính năng của nano bạc.
2.2 Tổng quan chất hoạt động bề mặt Gemini
Các muối alkylammonium bậc bốn dimeric, được Menger và Littau đặt tên là
gemini, là loại hoạt động bề mặt hiện đại14. Những hợp chất này bao gồm hai nhóm thế
alkyl dài và hai đầu cation được nối với nhau bằng một trình liên kết. Đầu nối có thể có
các cấu trúc khác nhau: ngắn - dài, linh hoạt – cố định, phân cực (ví dụ, được chức năng
hóa bởi dị ngun tử), hay khơng phân cực (ví dụ, chuỗi hoặc vịng hydrocacbon)15,16.
Xem xét cấu trúc của chất hoạt động bề mặt gemini, chúng thể hiện hiệu quả cao hơn trái

6


ngược với các chất hoạt động bề mặt đơn phân (thông thường), chẳng hạn như giảm nồng
độ micelle tới hạn (CMC), khả năng giảm sức căng bề mặt lớn hơn hoặc thúc đẩy hoạt
động kháng khuẩn17.
Ngày nay, thế giới đang phải đối mặt với sự biến đổi khí hậu, đối mặt với thiên tai,
bão lũ, hạn hán trên khắp các lục địa, vì vậy những loại vật liệu có khả năng phân hủy
sinh học ngày càng được chú trọng để giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường. Phương pháp hóa
học xanh tổng hợp AgNPs bằnh cách sử dụng dịch chiết của thực vật làm tác nhân khử,
hạn chế tối đa việc ô nhiễm môi trường (ví dụ như dịch chiết cỏ mực18, dịch chiết lá húng
chanh19,…). Vì vậy, khả năng phân hủy sinh học của Gemini càng dành nhiều sự chú ý
của các nhà khoa học trong việc ứng dụng làm chất phân tán hạt nano20.
Xem xét các thuộc tính trên, và thực tế là việc sử dụng chất hoạt động bề mặt
gemini mang lại hiệu quả mong muốn ở nồng độ thấp hơn so với các chất tương tự đơn
phân. Chất hoạt động bề mặt Gemini, do đặc tính kháng khuẩn của chúng chống lại vi
khuẩn21 và nấm22, có thể nâng cao khả năng kháng khuẩn của nano bạc, trong nhiều lĩnh
vực đời sống và công nghiệp.

2.2.1 Lịch sử phát triển của Gemini
Báo cáo đầu tiên về chất hoạt động bề mặt gemini đã được thảo luận bởi Bunton23,
trong đó chất hoạt động bề mặt amoni bromua bậc bốn được tổng hợp và các đặc tính hấp
phụ của chúng trong pha nước. Tiếp theo là các nghiên cứu về một loạt các chất hoạt
động bề mặt amoni gemini bậc bốn cation của Devinsky24 và cấu trúc chất hoạt động bề
mặt gemini anion của Okahara25. Năm 1991, Menger và cộng sự26,27 đã gán thuật ngữ
‘‘ gemini ”cho mô tả các loại chất hoạt động bề mặt bậc hai.
Thuật ngữ này đã được xa hơn được mở rộng cho các họ chất hoạt động bề mặt
kép và hai đuôi khác, bất kể bản chất của nhóm đầu, chuỗi đi hoặc bộ đệm. Sau đó,
Menger28 cũng nghiên cứu ảnh hưởng của dị vịng đầu và thủy tinh thể axetylen về hành
vi micellization của chất hoạt động bề mặt cation gemini. Cho đến nay, nhiều loại chất
hoạt động bề mặt gemini với các điện tích ion khác nhau và các nhóm chất đệm có được
tổng hợp bởi các nhà nghiên cứu và nhà hóa học, tùy thuộc vào loại ứng dụng.

7


2.2.2 Cấu trúc Gemini

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của Gemini.
Chất hoạt động bề mặt Gemini là tên gọi đại diện cho một nhóm chất hoạt động bề
mặt bao gồm của hai phần tử lưỡng tính giống nhau hoặc khác nhau được kết nối với một
chuỗi đệm. Chất đệm có thể kỵ nước (béo / thơm) hoặc ưa nước (polyete), ngắn (2–4
nhóm metyl) hoặc dài (5 nhóm metyl), cứng (stilbene) hoặc dẻo (polymethylene). Những
chất hoạt động bề mặt này đang nhanh chóng thu hút sự quan tâm do để vượt trội về chức
năng của chúng so với các chất hoạt động bề mặt monome tương ứng, có chứa một đầu
và một đuôi. Ý tưởng cơ bản đằng sau gemini thiết kế chất hoạt động bề mặt là việc liên
kết hai chất hoạt động bề mặt có thể cung cấp lộ trình mới để kiểm sốt hình dạng của
các tập hợp chất hoạt động bề mặt. Các đặc tính hóa lý của chất hoạt động bề mặt gemini

có thể được điều chỉnh cho một mục đích cụ thể bằng cách thay đổi các yếu tố cấu trúc
của chúng. Cấu trúc phân tử của một phân tử chất hoạt động bề mặt gemini được hiển thị
trong Hình 2.4, được chia làm 2 dạng chính

A

B

Hình 2.4: Cấu trúc của Gemini. A) Cấu trúc đối xứng B) Cấu trúc bất đối xứng29

8


2.2.3 Một số tính chất của Gemini
2.2.3.1 Hoạt tính bề mặt
Một trong những tính chất cơ bản của chất hoạt động bề mặt là xu hướng hấp phụ
tại các bề mặt của chúng. Nó ảnh hưởng đến sự giảm sức căng bề mặt vì bản chất hóa học
kép của chúng. Khả năng làm giảm nó bằng các chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào sự
thay thế các phân tử dung môi tại bề mặt phân cách bằng các phân tử chất hoạt động bề
mặt. Cơ chế hoạt động của chất hoạt động bề mặt cation gemini dựa trên sự hấp phụ các
nhóm ưa nước (ngun tử nitơ tích điện dương) vào pha phân cực và các nhóm kỵ nước
trong một pha không phân cực. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng chất hoạt động bề mặt
Gemini thể hiện giá trị CMC thấp, các muối amoni bậc bốn đơn lượng có nồng độ
micelle tới hạn cao hơn so với muối dimeric30,31. Vì vậy, các chất hoạt động bề mặt
Gemini tốt hơn trong việc giảm sức căng bề mặt so với các chất tương tự đơn lượng của
chúng.

Hình 2.5: Micelle của chất hoạt động bề mặt thơng thường và Gemini.
2.2.3.2 Hoạt tính tan huyết (Hemolycity)
Chất hoạt động bề mặt Gemini alkylamoni có đặc tính amphiphilic và có thể tương

tác với nhiều bề mặt khác nhau, cũng như với màng của hồng cầu. Łuczyński và cộng sự.
báo cáo rằng chuỗi hydrocacbon của chất hoạt động bề mặt gemini thâm nhập vào lớp
kép lipid kỵ nước của màng hồng cầu, gây ra sự tương tác giữa các phân tử lipid, dẫn đến

9


ly giải tế bào32. Hoạt tính tan huyết của các chất hoạt động bề mặt thường được biểu thị
bằng HC50, nghĩa là, nồng độ gây ra sự tan máu của 50% tổng số hồng cầu, và nó phụ
thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc của chất hoạt động bề mặt.
Łuczyński và cộng sự cũng đã cho thấy rằng tan máu hoạt động phụ thuộc vào
chiều dài chuỗi alkyl, trong khi các hợp chất có 10 và 12 nguyên tử cacbon thể hiện hoạt
tính tan máu cao nhất. Chất hoạt động bề mặt ngắn hơn chuỗi alkyl chỉ gây ra hiện tượng
tan máu ở nồng độ rất cao. Cũng tương tự chuỗi đơn cho thấy hoạt tính tan huyết tương
đương với gemini có cùng chiều dài của chuỗi alkyl.
2.2.3.3 Khả năng chống ăn mịn
Ăn mịn là một q trình suy giảm (xuống cấp) các đặc tính của vật liệu do tương
tác giữa bề mặt và môi trường, dẫn đến những thay đổi trong vật liệu đặc tính vì sự phân
hủy cấu trúc của vật liệu. Vấn đề ăn mòn ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, dầu
mỏ và khí đốt, điện tử, thực phẩm, sơn, chất phủ, hàng hải, hóa chất, ô tô và trong cuộc
sống hàng ngày. Để hạn chế quá trình này người ta sử dụng các chất ức chế ăn mịn, là
các chất hóa học mà khi được thêm vào, với một lượng nhỏ, vào môi trường ăn mòn, sẽ
giảm đáng kể tốc độ ăn mòn của kim loại33. Cơ chế hoạt động chung của ăn mòn hữu cơ
chất ức chế dựa trên sự hấp phụ các phân tử của chất ức chế lên bề mặt kim loại bằng
cách dịch chuyển phân tử nước và tạo thành một lớp màng bảo vệ. Vì vậy, việc sử dụng
các chất ức chế ăn mòn hữu cơ, đặc biệt là các chất hoạt động bề mặt cation gemini, là
phương pháp hiệu quả và thiết thực nhất34, đặc biệt để kiểm soát sự ăn mòn do axit gây
ra35.
2.2.3.4 Khả năng kháng khuẩn
Vi sinh vật cần thiết cho một số lượng lớn các q trình trao đổi chất và cơng nghệ

sinh học. Tuy nhiên, chúng cũng là nguyên nhân gây ra các bệnh tật, cũng như sự suy
giảm sinh học của vật liệu kỹ thuật như gỗ, giấy, dệt, sơn, đồ đá, kim loại,... Để giảm
thiểu rủi ro từ hoạt động vi sinh, các hợp chất hóa học có hoạt tính diệt khuẩn, diệt vi sinh
đã thường được sử dụng bao gồm một số phenol và các dẫn xuất của chúng, hợp chất
halogen, chất oxi hóa, hợp chất amoni bậc bốn, rượu, andehit và axit hữu cơ và vô cơ36,37.

10


Nhóm quan trọng nhất của chất diệt khuẩn là các hợp chất amoni bậc bốn vì phổ rộng của
chúng của hoạt động diệt khuẩn, sự an toàn của các ứng dụng và chi phí thấp.
Cơ chế hoạt động diệt khuẩn của chúng bắt đầu bằng sự hấp phụ của cation amoni
bậc bốn trên bề mặt tế bào tích điện âm. Sau đó, các chuỗi hydrocacbon dài có thể khuếch
tán qua lớp kép của tế bào, làm tăng tính kỵ nước của màng tế bào vi khuẩn và kích thích
sự phá vỡ của màng tế bào. Sự hư hỏng của màng dẫn đến giải phóng các ion kali và các
thành phần cấu tạo tế bào có trọng lượng phân tử thấp khác, cuối cùng dẫn đến cái chết
của tế bào vi sinh vật38,39. Hoạt động diệt khuẩn của chất diệt khuẩn thường được thực
hiện với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC), tức là nồng độ tối thiểu của hợp chất ức chế sự
phát triển của vi sinh vật. MIC bị ảnh hưởng bởi một số các yếu tố như nồng độ của chất
diệt khuẩn, thời gian tiếp xúc, pH, nhiệt độ, sự hiện diện của chất hữu cơ hoặc các hợp
chất khác. Hơn nữa MIC phụ thuộc rất nhiều vào bản chất, con số, vị trí và tình trạng của
vi sinh vật40.
Hoạt tính diệt khuẩn của chất hoạt động bề mặt gemini phụ thuộc vào loại vi sinh
vật. Gram dương vi khuẩn nhạy cảm hơn vi khuẩn Gram âm với chất diệt khuẩn amoni.
Đây là do hình thái của màng tế bào, màng tế bào vi khuẩn gram dương được cấu tạo
của các lớp peptidoglycan, có thể dễ dàng bị xâm nhập bởi chất hoạt động bề mặt, trong
khi Gram âm màng tế bào được cấu tạo chủ yếu bởi lipopolysaccharid và protein hạn chế
lối vào của chất diệt vi sinh41. Nói chung, sự nhạy cảm của vi sinh vật với gemini
alkylammonium microbiocide giảm dần theo thứ tự: Vi khuẩn gram dương> nấm> vi
khuẩn gram âm42. Hoạt tính diệt khuẩn cũng phụ thuộc vào chủng vi sinh vật. Các

các chủng mơi trường có khả năng chống chịu cao hơn các chủng trong phịng thí
nghiệm43.
Cấu trúc của chất diệt khuẩn là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hoạt động
kháng khuẩn. Các muối Gemini alkylamonium là chất diệt vi sinh tốt hơn nhiều so với
các chất tương tự đơn phân của chúng. Giá trị MIC của đá quý thường thấp hơn từ 17–70
lần so với MIC của QAC tương tự đơn lẻ. Ví dụ, MIC chống lại Staphylococcus aureus là
0,0036 [μM] đối với gemini [12-6-12] và 0,252[μM] đối với dodecyltrimethyl
ammonium bromide (DTAB). Điều này là do thực tế rằng chất hoạt động bề mặt gemini

11


khơng chỉ sở hữu hai ngun tử nitơ tích điện dương mà cịn có hai ngun tử dài nhóm
thế ưa béo. Sự hấp phụ trên thành tế bào vi sinh vật và sự thâm nhập sau đó của lớp kép
hiệu quả hơn.

2.2.5 Ứng dụng của Gemini
2.2.5.1 Chất ổn định hạt nano
Hạt nano (NP) có rất nhiều ứng dụng trong y học, vật lý, quang học và điện tử.
Các kích thước và hình thái của các hạt nano quyết định ở mức độ cao các đặc tính và
ứng dụng của chúng. Các thơng số này chủ yếu có thể được điều chỉnh bởi các chất hoạt
động bề mặt hoạt động như các khuôn mẫu mềm hoặc bộ điều khiển nano. Việc chuẩn bị
các hạt nano vàng, bạc và hợp kim vàng-bạc bằng phương pháp xử lý hạt sử dụng chất
hoạt động bề mặt gemini đã được mô tả bởi Tiwari et al.44 . Các NPs thu được ổn định và
được đặc trưng bởi UV-vis, XPS, TEM, phân tán năng lượng kỹ thuật quang phổ (EDS)
và điện thế zeta.

2.2.5.2 Chất hòa tan
Chất hoạt động bề mặt Gemini là chất hòa tan rất tốt45. Các hydrocacbon thơm đa
vòng (PAHs) như anthracen, naphtalen, flo hoặc pyren46,47, là chất hữu cơ chất ơ nhiễm,

có thể dễ dàng loại bỏ khỏi dung dịch nước bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt
gemini. Nó giảm đáng kể rủi ro đối với môi trường do các hợp chất này gây ra48. Chất
hoạt động bề mặt Gemini cũng có hiệu quả như chất hịa tan của thuốc nhuộm hữu cơ,
được sử dụng để tạo màu cho hàng dệt, sáp hoặc dầu.

2.2.5.3 Nâng cao khả năng thu hồi dầu
Các phương pháp khai thác dầu truyền thống tạo ra các hồ chứa cạn kiệt chứa
khoảng 20–40% dầu bị mắc kẹt49. Dầu cịn lại bị giữ lại trong mơi trường xốp do nhớt, bề
mặt và các lực giao thoa, dẫn đến hiệu quả dịch chuyển kém50. Việc thực hiện các
phương pháp tiên tiến hoặc sự kết hợp của chúng để cho phép thu hồi dầu dư là được gọi

12


là phục hồi dầu tăng cường (EOR). Một số kỹ thuật có thể được phân biệt: hơi nước nhiệt
ngập lụt (đối với dầu thô nặng và đặc biệt nặng), ngập lụt do khí trộn (đối với các hồ
chứa dầu nhẹ, cơ đặc và dễ bay hơi) và ngập lụt hóa học (đối với các hồ chứa vừa hoặc
nhẹ). Làm ngập bằng hóa chất là một trong những phương pháp thành công, đặc biệt là
sử dụng chất hoạt động bề mặt. Điều chỉnh lực mao dẫn của dầu bị kẹt và để đạt được độ
trộn hoàn toàn, sức căng bề mặt phải được giảm đến giá trị thấp nhất có thể51. Do các đặc
tính hoạt động bề mặt tuyệt vời của chúng, gemini cation chất hoạt động bề mặt rất tốt
trong việc giảm sức căng bề mặt và thay đổi tính thấm ướt. Vì vậy, Chất hoạt động bề
mặt gemini đã được thử nghiệm cho phép đạt được phần trăm dầu tương tự
thu hồi ở nồng độ thấp hơn làm cho q trình hiệu quả hơn52.
2.2.6 Tổng quan về độc tính của các chất hoạt động bề mặt Gemini
Việc sử dụng ngày càng nhiều các chất hoạt động bề mặt gemini alkylamonium
dẫn đến nhu cầu xác định hồ sơ sinh học của chúng, đặc biệt là độc tính đối với các sinh
vật sống dưới nước. Vì mục đích này, các sinh vật mơ hình được chọn rất nhạy cảm với ơ
nhiễm được sử dụng. Thông số thường được xác định là IC50, tức là nồng độ của chất
hoạt động bề mặt để cố định 50% sinh vật. Garcia và cộng sự đã nghiên cứu độc tính

dưới nước đối với Daphnia magna (Hình 2.6) của một số chất hoạt động bề mặt gemini
với nhóm thế dodecyl và các chất đệm khác nhau (Hình 2.7) bao gồm:
dodecyltrimethylammonium bromide; 1,6-hexamethylene-bis (N-dodecyl-N, N-dimethy
lammonium) dibromide; 3-oxa-1,5-pentametylen-bis (N-dodecyl-N, N-đimetylaminnium)
diclorua, 12-O-12; 3-azametyl-1,5-bis (N-dodecyl-N, N-đimetylamoni) dibromit; 1,4-bis[N- (1-dodecyl) -N, N-dimetylamonimetyl] benzen dibromit; và 1,6-hexametylen-bis (Ndodecyl-N-hydroxyetyl-N-metylamoni) dibromit.

13


Bảng 2.1: Chất hoạt động bề mặt thử nghiệm độc tố trong môi trường nước.
STT Tên thông thường

Tên thông dụng

1

dodecyltrimethylammonium bromide

DTAB

2

1,6-hexamethylene-bis (N-dodecyl-N, N-dimethy

Gemini 12-6-12

lammonium) dibromide
3

3-oxa-1,5-pentametylen-bis (N-dodecyl-N, N-

Gemini 12-O-12

đimetylaminnium) diclorua
4

3-azametyl-1,5-bis (N-dodecyl-N, N-

Gemini 3N-12

đimetylamoni) dibromit
5

1,4-bis- [N- (1-dodecyl) -N, N-

Gemini QSB2-12

dimetylamonimetyl] benzen dibromit
6

1,6-hexametylen-bis (N-dodecyl-N-hydroxyetylN-metylamoni) dibromit

Hình 2.6: Daphnia magna

14

Gemini G6-MOH-12


Hình 2.7: So sánh độc tính đối với Daphnia magna của DTAB và các chất hoạt động bề

mặt Gemini khác53.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, độc tính đối với thủy sinh giảm khi tăng tính ưa
nước của chất hoạt động bề mặt phân tử. Cấu trúc của miếng đệm (spacer), cứng (vịng
benzen) hoặc linh hoạt (chuỗi alkyl), khơng có ảnh hưởng đáng kể đến độc tính cấp tính
đối với D. magna. So sánh độc tính cấp tính của gemini chất hoạt động bề mặt với của
chất hoạt động bề mặt đơn phân DTAB (IC50 = 0,35 mg / l), chất hoạt động bề mặt dạng
dime là ít độc hơn chất hoạt động bề mặt đơn chất53.

2.3 Tính chất của Gemini 16-6-16 phù hợp với vai trò làm chất ổn định hạt AgNPs
Vì Gemini là tên gọi của một nhóm lớn các chất hoạt động bề mặt, nên việc lựa
chọn chất hoạt động bề mặt cho quá trình ổn định và phân tán hạt nano bạc cần được cụ
thể. Trong một số nghiên cứu mới đây đã chỉ ra rằng 1, 6-Bis (N, Nhexadecyldimethylammonium) adipate, hay16-6-16 là chất hoạt động bề mặt Gemini
được sử dụng trong việc ổn định AgNPs mang lại hiểu quả cao về mặt kinh tế cũng như

15


mơi trường. Ngồi ra, hoạt động bề mặt hiệu quả gấp 10 đến 100, CMC thấp hơn (CMC
thấp hơn ít nhất một bậc độ lớn, khả năng hòa tan (tốt hơn hòa tan), nhiệt độ Kraft thấp,
v.v.) so với các chất hoạt động bề mặt thông thường tương đương54.

2.3.1 CMC của Gemini 16-6-16
Keystone của tất cả các nghiên cứu về chất hoạt động bề mặt là xác định nồng độ
micelle tới hạn của chúng55, nồng độ thấp nhất mà tại đó các hạt nhanh chóng kết tụ
thành các mixen. Thực tế là các muối dimeric alkylamonium có giá trị CMC thấp hơn
nhiều so với các muối monome, tạo ra các khả năng ứng dụng tuyệt vời cho chúng.
Bảng 2.2: CMC của Gemini 16-6-16
Chất hoạt động

CMC (mM)





𝑜
Δ𝐺𝑚𝑖𝑐
(kJ/mol)

0.034

0.55

0.45

-50.16

bề mặt
16-6-16

2.3.2 Khả năng kháng khuẩn
Hoạt động chống vi khuẩn của chất hoạt động bề mặt gemini COCO, 16-6-16
được kiểm tra trên cả vi khuẩn gram âm và gram dương. Chủng Bacillus subtilis được sử
dụng làm vi khuẩn gram dương và Tế bào E. coli được sử dụng làm vi khuẩn gram âm.
Các kết quả được cung cấp trong Hình 2.8. Khả năng tồn tại tế bào của Bacillus subtilis
bị ảnh hưởng bởi liều lượng cách thức phụ thuộc như 60% khả năng sống sót của tế bào
được quan sát thấy khi tế bào được xử lý bằng 4 μM COCO Gemini, 16-6-16. Trong khi
đó, 20% khả năng sống sót được quan sát thấy khi các tế bào được xử lý bằng chất hoạt
động bề mặt gemini 8 μM COCO, 16–6-16. Mặt khác, tác dụng độc hại của COCO
Gemini, 16-6-16 trên vi khuẩn gram âm (E. coli) chỉ được quan sát ở nồng độ trên 8 μM.

Tác dụng chống vi khuẩn được quan sát thấy rõ ràng hơn ở vi khuẩn gram dương khi so
sánh với vi khuẩn gram âm E coli. Kết quả chỉ ra rằng khả năng tồn tại của vi khuẩn gram

16


dương là giảm đáng kể so với vi sinh vật gram âm khi điều trị bằng COCO Gemini 16-616. Vi khuẩn gram dương có độc lực mạnh hơn vi khuẩn gram âm do sự hiện diện của
peptidoglycan trên thành tế bào của chúng.

Hình 2.8: Khả năng kháng khuẩn của Gemini 16-6-16. a) Bacillus subtilis b) E. Coli 56
Các kết quả trên chỉ ra rằng chất hoạt động bề mặt gemini COCO, 16-6-16 sẽ là
một chất chất hoạt động bề mặt có đặc tính chống vi khuẩn để sử dụng cho mục đích
nâng cao khả năng kháng khuẩn của AgNPs.

2.3.3 Độc tính của Gemini 16-6-16
Năm 2019, Alam và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của gemini 16-6-16, đối
với khả năng tồn tại của tế bào và độc tính tế bào đã được phân tích bằng thử nghiệm
MTT57. Kết quả cho thấy rằng chất hoạt động bề mặt không ảnh hưởng đến khả năng tồn
tại của các tế bào lên đến 10 μM. Kết quả cho thấy chất hoạt động bề mặt không gây ra
bất kỳ tác dụng độc hại nào trong tế bào ở nồng độ khoảng 6–8 μM trong khi ở nồng độ
này, nó gây chết tế bào vi sinh vật đáng kể. Kết quả đầy hứa hẹn vì nồng độ mà sự phát
triển của vi sinh vật bị bắt giữ khơng ảnh hưởng đến động vật có vú khả năng tồn tại của
tế bào do đó chất hoạt động bề mặt có thể thể hiện các đặc tính ưu việt khi được sử dụng
trong các ứng dụng công nghiệp.

17


2.4 Tổng hợp Gemini 16-6-16
Để tổng hợp Gemini 16-6-16, 5,2 mmol N, N-dimetylhexadecylamin và 2,5 mmol

adipoyl clorua được hòa tan riêng biệt trong 70 và 30 ml THF. Sau đó, cho hỗn hợp
N, N-dimetylhexadecylamin vs THF vào 1 bình cầu 3 cổ đáy trịn, khơ. Thêm từng giọt
dung dịch adipoyl clorua qua một phễu chiết gắn vào bình phản ứng, trong khi vẫn giữ
khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ. Phản ứng được tiếp tục trong 24 giờ ở 35 ° C.

Hình 2.9: Quy trình sản xuất Gemini 16-6-16.
Ngồi ra, người ta còn tổng hợp chất hoạt động bề mặt Gemini bằng phương pháp
không sử dụng chất xúc tác, tạo điều kiện cho quá trình tổng hợp xanh, hạn chế ô nhiễm
môi trường.

Hình 2.10: Quy trình sản xuất Gemini 16-6-16 không xúc tác.

18