Xử lý vi khuẩn lao trong nước sử dụng hạt nano gắn enzyme

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Quang Đạo

XỬ LÝ VI KHUẨN LAO TRONG NƢỚC SỬ DỤNG
HẠT NANO GẮN ENZYME

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Quang Đạo

XỬ LÝ VI KHUẨN LAO TRONG NƢỚC SỬ DỤNG
HẠT NANO GẮN ENZYME

Chuyên ngành: Sinh học Thực nghiệm
Mã số: 60420114

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts. Phạm Bảo Yên

Hà Nội - 2016

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Phạm Bảo Yên,
cán bộ phòng Enzyme học và phân tích hoạt tính sinh học – Phòng thí nghiệm trọng
điểm công nghệ Enzyme - Protein Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc
gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và
chỉnh sửa luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Khoa học Vật liệu, khoa Vật lý, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Bệnh viện Phổi Hà Nội; đã giúp
đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin gửi làm cảm ơn chân thành đến cán bộ và nghiên cứu sinh tại phòng thí
nghiệm Enzyme học và phân tích hoạt tính sinh học, những người luôn luôn bên cạnh
giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi học tập và làm việc.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ và gia đình vì đã luôn ở bên con động viên,
ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành tốt khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Hà Nội, 25 tháng 11 năm 2016

Nguyễn Quang Đạo

1


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Mục lục
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................................... 7
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN. ........................................................................................................................... 8
1.1.

Nƣớc thải và các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải ...................................................................... 8

1.1.1.

Khái niệm và phân loại nƣớc thải ................................................................................... 8

1.1.2.

Thực trạng xử lý nƣớc thải ở các bệnh viện và trung tâm thu nhận bệnh nhân hiện nay 9

1.1.3.

Các phƣơng pháp xử lý vi sinh vật trong nƣớc thải....................................................... 10

1.1.3.1.

Phƣơng pháp vật lý ................................................................................................... 11

1.1.3.2.

Phƣơng pháp hóa học ................................................................................................ 12

1.1.3.3.

Phƣơng pháp sinh học ............................................................................................... 13

1.2.

Bệnh lao ............................................................................................................................... 15

1.2.1.

Bệnh lý học ................................................................................................................... 15

1.2.2.

Dịch tễ học .................................................................................................................... 16

1.3.

Vi khuẩn lao ......................................................................................................................... 18

1.3.1.

Đặc điểm của vi khuẩn lao ............................................................................................ 18

1.3.2.

Hệ gen vi khuẩn lao ...................................................................................................... 20

1.4.

Hạt nano và ứng dụng .......................................................................................................... 21

1.4.1.

Các tính chất của hạt nano............................................................................................ 21

1.4.2.

Hạt nano từ tính ........................................................................................................... 23

1.4.3.

Phức hệ và phƣơng pháp tạo phức hệ với hạt nano. ...................................................... 24

1.4.4.

Ứng dụng của hạt nano ................................................................................................. 26

1.5.

Enzyme và ứng dụng trong xử lý nƣớc thải .......................................................................... 28

1.5.1.

Ứng dụng của enzyme trong xử lý nƣớc thải ................................................................. 28

1.5.2.

Lysozyme ...................................................................................................................... 29

1.5.3.

Lipase ........................................................................................................................... 29

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. .................................................... 32
2.1.

Nguyên liệu .......................................................................................................................... 32

2.1.1.

Vắc xin BCG và mẫu nƣớc thải bổ sung vắc xin............................................................ 32

2.1.2.

Hạt từ nano amino (NP-NH2) và chất xúc tác tạo phức hệ EDC .................................... 33

2.1.3.

Cặp mồi đặc hiệu nhân đoạn chèn 6110 ........................................................................ 33

2.1.4.

Enzyme lipase, lysozyme và kháng thể kháng lao ............................................................ 35

2


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

2.1.5.
2.2.

Nguyễn Quang Đạo

Các dung dịch đệm và hóa chất khác ............................................................................... 36

Phƣơng pháp ........................................................................................................................ 36

2.2.1.

Tạo phức hệ hạt nano từ amino-kháng thể/enzyme ........................................................ 36

2.2.2.

Thử độ bền vững của phức hệ ........................................................................................ 37

2.2.3.

Làm giàu và ly giải vi khuẩn lao ....................................................................................... 37

2.2.4.

Phân tích kết quả điện di bằng phần mềm Image J .......................................................... 38

2.2.5.

Xây dựng mô hình nước thải chứa vắc xin BCG thử nghiệm phức hệ ............................... 38

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................................. 39

3.1.

Tối ƣu điều kiện phản ứng gắn ............................................................................................. 39

3.1.1.

Tối ƣu nồng độ hạt từ nano amino ................................................................................ 39

3.1.2.

Tối ƣu nồng độ EDC và thời gian phản ứng .................................................................. 41

3.1.3.

Thử nghiệm độ bền phức hệ hạt từ - kháng thể. ............................................................ 42

3.2.

Hiệu quả của các phức hệ trong việc bắt giữ và ly giải tế bào vi khuẩn trong vắc xin BCG .. 44

3.2.1.

Sử dụng phức hệ đơn .................................................................................................... 44

3.2.2.

Sử dụng phức hệ kép từ phản ứng một bƣớc ................................................................ 46

3.2.3.

Sử dụng phức hệ kép từ phản ứng hai bƣớc .................................................................. 48

3.3.

Thử nghiệm các phức hệ trong mẫu nƣớc thải bổ sung vắc xin BCG ................................... 51

3.3.1.

Thử nghiệm phức hệ hạt từ kháng thể trong mẫu nƣớc thải bổ sung vắc xin BCG ....... 51

3.3.2.
Sử dụng phức hệ đơn và phức hệ kép bắt giữ và ly giải tế bào vi khuẩn trong mẫu nƣớc
thải bổ sung vắc xin BCG. ........................................................................................................... 52
Kết luận .......................................................................................................................................................... 56

3


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Bảng ký hiệu các chữ viết tắt
AP

Alkaline Phosphatase

BCG

Bacillus Calmette Guerin

EDC

1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride

EDTA

Ethylene Diamine Tetraacetic Acid

IS6110

Insert Sequence 6110

MTB

Mycobacterium tuberculosis

NHS

N-hydroxysuccinimide

NP-NH2

Nano amino Particles

PBS

Phosphate buffered saline

PCR

Polymerase Chain Reaction

SEM

Scan Electron Microscope

SMCC

Succinimidyl 4-(N-maleimidomethyl) cyclohexan – 1 –
carboxylate

TAE

Tris base-Acetic Acid-EDTA

TB

Tuberculosis

TE

Tris-HCl-EDTA

WHO

World Health Organization

4

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Danh mục bảng:
Bảng 1.1

Một số tác nhân gây bệnh truyền nhiễm có mặt trong nước thải.

10

Bảng 2.1

Thành phần phản ứng PCR

32

Danh mục hình:
Hình 1.1

Sử dụng màng lọc để bắt giữ vi khuẩn trong nước thải.

11

Hình 1.2

Chu trình phát triển của Bdellovibrio bacteriovorus

14

Hình 1.3

Con đường lây nhiễm chính bệnh lao

17

Hình 1.4

Hình ảnh SEM của vi khuẩn lao (MTB)

19

Hình 1.5

Hệ gen vi khuẩn lao

20

Hình 1.6

Hạt nano từ bọc silica

24

Hình 1.7

Cấu trúc phân tử SMCC

25

Hình 1.8

Cấu trúc phân tử của EDC

25

Hình 1.9

Phản ứng tạo liên kết amide xúc tác bởi EDC

26

Hình 2.1

Vắc-xin BCG

30

Hình 2.2

Đoạn chèn IS6110 đặc trưng cho vi khuẩn lao và cặp mồi sử dụng cho
PCR

32

Hình 2.3

Chu trình nhiệt cho phản ứng PCR

33

Hình 2.4

Phần mềm phân tích ảnh ImageJ

36

Hình 3.1

Tối ưu thể tích hạt nano từ tính trong phản ứng gắn

38

Hình 3.2

a Thời gian gắn kháng thể lên hạt nano từ tạo phức hệ bắt giữ

39

b Phân tích độ sáng băng ADN trong hình 3.2a bằng phần mềm
ImageJ
Hình 3.3

a Thử nghiệm độ bền phức hệ hạt từ - kháng thể

Hình 3.4

b Phân tích độ sáng băng ADN trong hình 3.3a bằng phần mềm
ImageJ

Phức hệ đơn.

Hình 3.5

a Sử dụng phức hệ đơn bắt giữ và ly giải vi khuẩn trong vắc xin BCG.

39
41
41
43
44

5


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

b Phân tích độ sáng băng ADN trong hình 3.5a bằng phần mềm
ImageJ

44

Hình 3.6

Phức hệ kép tạo thành qua 1 bước phản ứng

45

Hình 3.7

a Sử dụng phức hệ kép từ phản ứng một bước bắt giữ và ly giải vi
khuẩn trong mẫu vắc xin BCG

Hình 3.8

b Phân tích độ sáng băng ADN trong hình 3.7a bằng phần mềm
ImageJ
Phức hệ kép hình thành qua hai bước phản ứng

Hình 3.9

a Sử dụng phức hệ kép từ phản ứng hai bước so sánh với phức hệ kép
từ phản ứng một bước

46
46
47
48

b Phân tích độ sáng băng ADN trong hình 3.9a bằng phần mềm
ImageJ
Hình 3.10

Kiểm tra khả năng bắt giữ vi khuẩn của phức hệ hạt từ kháng thể

Hình 3.11

a quả sử dụng phức hệ đơn, phức hệ kép bắt giữ và ly giải tế bào vi

khuẩn trong mẫu nước thải bổ sung vắc xin BCG

48
50
51

b Phân tích độ sáng băng tương ứng trên hình 3.11a bằng phần mềm
imageJ Các mẫu 1-6 tương ứng với mẫu từ 1-6 trên hình 3.11a
Hình 3.12

Kiểm tra khả năng bắt giữ và ly giải tế bào của phức hệ đơn

51
53

6


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

MỞ ĐẦU
Hiện nay, các cơ sở như bệnh viện, các trung tâm thu nhận người mắc bệnh
truyền nhiễm là nơi tập trung lượng lớn vi sinh vật gây bệnh. Nước thải từ các cơ sở
này chứa nhiều các tác nhân vi khuẩn, virus có khả năng lây nhiễm, nếu không có
phương pháp xử lý thích hợp sẽ trở thành nguy cơ lây lan các bệnh truyền nhiễm. Các
vi sinh vật có trong nước thải bao gồm nhiều loài khác nhau, đề tài này tập trung vào
đối tượng nghiên cứu là vi khuẩn gây bệnh lao Mycobacterium tuberculosis (MTB).
Lao là bệnh truyền nhiễm có tỉ lệ bệnh nhân tử vong cao thứ hai hiện nay. Theo

ước tính của Tổ chức Y tế thế giới WHO, đến năm 2015 khoảng một phần ba dân số
toàn cầu đã nhiễm vi khuẩn lao dạng tiềm tàng, mỗi năm có khoảng 10 triệu ca nhiễm
lao mới (10,4 triệu ca năm 2015), gây tử vong cho hơn 2 triệu người mỗi năm và hầu
hết ở các nước đang phát triển [2][3]. Ở Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của các
chủng lao đa kháng thuốc đã làm cho việc chữa trị lao trở nên phức tạp hơn, theo số
liệu điều tra từ chương trình chống lao quốc gia Việt Nam, khoảng 40% số bệnh nhân
ở Việt Nam đã cho kết quả kháng thuốc với Rifampin, một loại thuốc kháng sinh hàng
1 quan trọng [4]. Vi khuẩn lao là một chủng nguy hiểm không chỉ bởi khả năng gây
bệnh mà còn bởi khả năng sống sót cao trong môi trường tự nhiên. Vi khuẩn lao có thể
tồn tại trong đất (ẩm hoặc khô) trong 4 tuần, và nếu được bảo vệ khỏi tiếp xúc với ánh
sáng, có thể duy trì sự sống tới 74 ngày và lâu hơn nữa trong chất thải động vật.[5]
Hiện nay, để xử lý vi sinh vật trong nước thải các phương pháp thường được sử
dụng có thể chia vào ba nhóm chính: các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học, tuy
nhiên, các phương pháp vật lý, hóa học khá tốn kém để lắp đặt hệ thống xử lý và duy
trì trong thời gian dài, hơn nữa một số phương pháp có nguy cơ tái nhiễm vi khuẩn
cao. Từ những lí do nêu trên, để tiêu diệt vi khuẩn lao trong nước thải và góp phần
ngăn chặn nguy cơ lây nhiễm (đặc biệt là những chủng lao kháng thuốc), tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài “Phát triển một phương pháp xử lý vi khuẩn lao trong nước” sử dụng
công nghệ nano kết hợp với công nghệ protein enzyme.

7


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN.
1.1. Nƣớc thải và các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải
1.1.1.

Khái niệm và phân loại nƣớc thải
Nước là nguồn tài nguyên đặc biệt, không chất nào có thể thay thế được do vậy

cần được sử dụng tiết kiệm, hợp lý. Tổng trữ lượng nước trên trái đất vào khoảng
1.386 triệu km3 [6], nhưng nước ngọt và nước sạch dùng cho con người thì có hạn vì
sự tái tạo lại dường như phân bố không đều và không kịp cho nhu cầu sử dụng. Nước
ngọt chỉ chiếm khoảng 2,7% tổng lượng nước trên trái đất; trong đó nằm dạng băng
77,22%, nước ngầm 22,42%, hồ đầm 0,35%, sống suối 0,01% lượng nước ngọt.
Nguồn nước ngầm thường có xu hướng giảm do khai thác nhiều mà không được bổ
sung kịp thời [7]. Do vậy việc tái sử dụng nước thải sao cho an toàn là một vấn đề cấp
thiết đang được quan tâm.
Theo Tilley và các cộng sự nước thải được định nghĩa là nước mà chất lượng đã bị
ảnh hưởng xấu bởi các tác động của con người. Nước thải là bao gồm chất thải dạng
lỏng từ các hoạt động sinh hoạt, công nghiệp, thương mại, nông nghiệp và cả nước
mưa khi đổ vào hệ thống cống [8]. Người ta còn định nghĩa nước thải là chất lỏng
được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu
của chúng. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh, đó cũng
là cơ sở trong việclựa chọn các biện pháp giải quyết hoặc công nghệ xử lý [9].
Hệ thống nước thải phổ biến nhất được chia làm năm loại. Đầu tiên là nước thải
sinh hoạt: bắt nguồn từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thươngmại, khu vực công
sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. Tiếp đó là nước thải công nghiệp (hay còn
gọi là nước thải sản xuất): từ các nhà máy đang hoạt động hoặc trong đó nước thải
công nghiệp là chủ yếu. Thứ ba là nước thấm qua: là lượng nước thấm vào hệ thống
ống bằng nhiều cách khác nhau, qua các khớp nối, các đường ống rò rỉ hoặc thành hố
ga. Thứ tư là nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên ở những
thành phố hiện đại, được thu gom theo hệ thống riêng. Cuối cùng là nước thải đô thị:
là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố, thị

8

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

xã; đó là hỗn hợp của các loại trên. Nước thải bệnh viện được xếp loại vào nước thải
sinh hoạt nhưng có sự khác biệt là có chứa các tác nhân gây bệnh ở nồng độ cao.
1.1.2.

Thực trạng xử lý nƣớc thải ở các bệnh viện và trung tâm thu nhận bệnh

nhân hiện nay
Nước thải sinh hoạt hàng ngày và nước thải y tế từ các bệnh viện, cơ sở tiếp nhận
người mắc bệnh truyền nhiễm, thường chứa nhiều các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm
nguy hiểm với sức khỏe con người. Các tác nhân này bao gồm các vi sinh vật gây bệnh
khác nhau được thống kê trong Bảng 1 [10-13]. Mỗi loại vi sinh vật khác nhau lại yêu
cầu các phương pháp xử lý khác nhau. Mặc dù ở nồng độ thấp hơn nhiều so với các
chất hóa học, do khả năng lây lan các tác nhân sinh học có thể gây ra bệnh truyền
nhiễm và tiềm tàng khả năng phát triển thành dịch. Nhiều tác nhân sinh học không tồn
tại được lâu trong môi trường và có thể bị tiêu diệt khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Tuy nhiên, có một số vi khuẩn, virus vẫn có thể tồn tại trong điều kiện bất lợi và phát
tán khi thải trực tiếp ra ngoài môi trường. Thậm chí chúng có thể phát tán từ trong quá
trình đi qua các hệ thống thu gom nước thải khi xảy ra hiện tượng tràn cống. Do vậy
việc xử lý nước thải y tế trước khi nhập vào hệ thống xử lý nước thải chung hoặc đưa
ra môi trường là bắt buộc. Tuy nhiên theo một điều tra mới đây của Bộ Y tế chỉ 54%
số bệnh viện ở nước ta có hệ thống xử lý nước thải. Trong số này lại có một số hệ
thống đã sử dụng trong thời gian dài và hoạt động không còn hiệu quả, hoặc ở nhiều
bệnh viện do chi phí duy trì vận hành cao nên hệ thống xử lý nước không hoạt động
thường xuyên. Chính điều này đã góp phần phát tán các chất độc hại sử dụng trong y

tế và các tác nhân gây bệnh ra ngoài môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc xử
lý tác nhân gây bệnh lao mà cụ thể là vi khuẩn lao có trong nước thải, nhằm ngăn chặn
sự lây lan bệnh.

9


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Bảng 1.1: Một số tác nhân gây bệnh truyền nhiễm có mặt trong nước thải.
Tác nhân sinh học

Bệnh gây ra

Thời gian tồn tại

Escherichia coli

Viêm dạ dày ruột

42 ngày

Xoắn khuẩn

Bệnh truyền

Có thể tồn tại lâu dài

Leptospira

nhiễm cấp tính

trong điều kiện thích

Leptospirosis

hợp nhưng không phân

Vi khuẩn

chia.
Salmonella

Bệnh thương hàn

56 ngày ở dạng tự do

Nhiễm khuẩn

và có thể tồn tại lâu dài

đường ruột

khi hình thành biofilm

Shigella

Kiết lỵ

56 ngày

Vibrio cholerae

Bệnh tả

700 ngày

Enterovirus (72

Viêm dạ dày

35 ngày tùy theo nhiệt

loại, ví dụ,

ruột,dị tật

độ và độ ẩm

virusbại liệt,

tim,viêm màng

virus coxsackie)

não

Virus viêm gan

Viêm gan A

Virus

A (Hepatitis A

30 ngày trong chất thải
động vật, nước thải

virus)

1.1.3.

Các phƣơng pháp xử lý vi sinh vật trong nƣớc thải

Trên thế giới và ở Việt Nam có nhiều phương pháp được đưa ra nhằm xử lý tác
nhân gây bệnh trong nước thải. Các phương pháp này có thể được chia thành 3 nhóm:
vật lý, hóa học và sinh học với những ưu nhược điểm riêng.Trong đó, nhóm các
phương pháp vật lý và hóa học được sử dụng phổ biến nhất.

10


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

1.1.3.1. Phƣơng pháp vật lý
Phương pháp vật lý xử lý vi sinh vật hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng hệ thống

chiếu tia cực tím (UV) tác động tới vật liệu di truyền của sinh vật (ADN và ARN).
Bức xạ UV khi thâm nhập vào các tế bào của một sinh vật, sẽ phá hủy khả năng tái tạo
của tế bào. Hiệu quả của một hệ thống khử trùng UV phụ thuộc vào các đặc tính của
nước thải, cường độ bức xạ UV, lượng thời gian vi sinh vật tiếp xúc với bức xạ, và cấu
trúc lò phản ứng.
Sử dụng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím có một số ưu điểm như có hiệu quả bất
hoạt hầu hết các virus, bào tử, sau xử lý không sinh ra các hóa chất độc hại và quá
trình này không gây ăn mòn hệ thống ống dẫn nước thải, đồng thời diễn ra trong thời
gian ngắn (khoảng 20-30 giây với đèn áp thấp). Tuy vậy phương pháp này có một số
nhược điểm như phụ thuộc độ đục và tổng chất rắn lơ lửng trong nước thải có thể làm
giảm hiệu quả khử trùng. Ngoài ra các sinh vật đôi khi có thể sửa chữa và đảo ngược
lại những tác động của tia cực tím thông qua "cơ chế sửa chữa". Hệ thống phải được
bảo trì thường xuyên để tránh tắc nghẽn ống dẫn đến chi phí lắp đặt và vận hành hệ
thống tốn kém [14].

Hình 1.1: Sử dụng màng lọc để bắt giữ vi khuẩn trong nước thải.
(Nguồn: eawag.ch)

11


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Một phương pháp vật lý đang được áp dụng ở một số nước phát triển hiện nay là
sử dụng hệ thống các màng lọc vi khuẩn. Tuy vậy việc liên tục thay, bỏ màng lọc cũng
yêu cầu chi phí cao, đối với loại màng lọc có thể tái sử dụng lại yêu cầu được xử lý bởi
các nhân viên có tay nghề cao để tránh tái nhiễm vi khuẩn vào nước.
1.1.3.2. Phƣơng pháp hóa học

Phương pháp xử lý vi sinh vật trong nước thải phổ biến nhất hiện này chính là sử
dụng clo oxi hóa tế bào vi khuẩn. Ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi
clo tác dụng với nước đều sinh ra các phân tử axit hypoclorit (HClO), một hợp chất có
khả năng khử trùng rất mạnh. HClO không phân ly là thành phần khử trùng chính
trong nước, thành phần này chỉ có giá trị cao ở pH thấp, điều đó cũng nói lên rằng quá
trình dùng clo để khử trùng trong nước chỉ có được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH
thấp. Tốc độ quá trình khử trùng còn phụ thuộc vào cả hàm lượng các chất hữu cơ, các
cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khi trong nước có hàm lượng cao của các chất này
thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đi đáng kể.
Phương pháp sử dụng clo khử trùng có một số ưu điểm như dễ sử dụng, có thể áp
dụng ở nhiều nơi, độ tin cậy cao và có khả năng tiêu diệt một dải rộng các tác nhân
gây bệnh truyền nhiễm. Tuy vậy phương pháp này còn tồn tại các nhược điểm sau. Dư
lượng clo trong nước ngay cả ở nồng độ thấp vẫn gây hại tới các sinh vật thủy sinh khi
thải ra ngoài môi trường. Clo là một chất ăn mòn mạnh và gây độc, do vậy trong quá
trình bảo quản, vận chuyển và sử dụng đều đòi hỏi nhân viên có tay nghề cao thực
hiện. Clo còn có thể phản ứng với một số hợp chất hữu cơ trong nước sinh ra các chất
độc hại (ví dụ: Trihalomethanes) [15].
Một phương pháp hóa học khác cũng được sử dụng phổ biến ở châu âu và ở một vài
tiểu bang ở Mỹ là sử dụng khí ôzôn. Khí ôzon được tạo ra bằng cách sử dụng nguồn
điện cao thế tách ôxy phân tử (O2) thành ôxy nguyên tử (O), sau đó lại cho ôxy nguyên
tử tiếp xúc với oxi phân tử tạo thành ôzôn (O3). Khí ôzon phải được tạo ra ngay tại các
điểm xử lý nước thải do tính chất không bền và nhanh chóng phân giải về dạng oxy
phân tử. Ôzôn là một chất oxy hóa mạnh, có khả năng khử trùng cao. Ôzôn tác động
trực tiếp, oxi hóa thành tế bào vi khuẩn, đồng thời gây thiệt hại lên các thành phần của

12


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

axit nucleic (purin và pyrimidin). Cơ chế chủ yếu của quá trình này xảy ra do khi ôzôn
phân giải trong nước sẽ sinh ra các nhóm hydrogen peroxy (HO2) và hydroxyl (OH).
Hiệu quả của quá trình khử trùng phụ thuộc vào các yếu tố như sự nhạy cảm của vi
khuẩn, thời gian tiếp xúc và nồng độ ôzôn.
Phương pháp sử dụng ôzôn có một số ưu điểm như sử dụng ôzon khử trùng cho
hiệu quả tốt hơn clo, thời gian khử trùng ngắn (10-30 phút) đồng thời không tạo thành
dư lượng hóa chất độc hại sau khử trùng. Mặc dù vậy phương pháp sử dụng ôzon vẫn
không được sử dụng rộng rãi do việc lắp đặt hệ thống phức tạp. Do đặc tính oxy hóa
cao gây ăn mòn đường ống dẫn nên chi phí bảo trì hệ thống khử trùng ôzon thường
cao [16].
1.1.3.3. Phƣơng pháp sinh học
Các quá trình sinh học được ứng dụng trong xử lý nước thải hiện nay chủ yếu là để
xử lý các chất thải hữu cơ, các hợp chất của nitơ và phốt pho. Sự tồn tại của các chất
thải hữu cơ làm giảm độ hòa tan của oxi trong nước gây hại tới đời sống của các sinh
vật thủy sinh do vậy cần phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Phương
pháp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng vi sinh vật hiếu khí để loại bỏ các
tạp chất hữu cơ này trong nước thải. Các vi sinh vật hiếu khí được nuôi và tạo thành
màng trên các giá thể có trong các bồn sinh học hay các bể chứa nước thải. Các vi sinh
vật này sẽ phân hủy các tạp chất hữu cơ bằng cách tiết ra enzyme phân hủy giúp loại
bỏ các tạp chất này ra khỏi nước thải. Một nghiên cứu gần đây nhất được thực hiện tại
Việt Nam cho thấy sự hiệu quả của vi khuẩn khi tạo thành màng biofilm có khả năng
phân hủy một phổ rộng các chất hữu cơ bao gồm L-arginine, gelatin, D-glucose, Dmannose v.v. Nghiên cứu này mở ra một triển vọng ứng dụng các loại vi sinh vật sẵn
có trong tự nhiên trong quá trình xử lý nước thải [1].
Tuy được ứng dụng hết sức hiệu quả nhưng cho đến nay phương pháp sinh học vẫn
chưa được sử dụng nhiều để tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh có trong nước thải.Một
phương pháp sinh học từng được nghiên cứu trước đây là sử dụng vi khuẩn hiếu khí
gram âm Bdellovibrio bacteriovorus có khả năng tồn tại trong nước thải [17]. Vi

13


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

khuẩn này bám vào màng tế bào của các vi khuẩn gram âm tiết ra enzyme phân hủy
màng tế bào, đi qua màng plasma rồi sửa chữa lại màng tế bào của vật chủ. Sau đó
Bdellovibrio bacteriovorus sẽ tiết ra các enzyme thủy phân vào trong tế bào chất của
vật chủ nhằm sản xuất các chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự tăng trưởng. Khi đã hấp
thu đầy dủ dinh dưỡng từ tế bào chất, vi khuẩn bắt đầu tiến hành phân chia rồi cuối
cùng phá vỡ tế bào vật chủ và thoát ra ngoài [18] Chu trình này được thể hiện như
Hình 1.2.

Hình 1.2: Chu trình phát triển của Bdellovibrio bacteriovorus
Phương pháp sinh học này có những ưu điểm như không phải xây dựng hệ thống xử
lý phức tạp, không sử dụng hóa chất độc hại. Tuy vậy nhược điểm làm giảm tính ứng
dụng của phương pháp là Bdellovibrio bacteriovorus chỉ có khả năng tiêu diệt các vi
khuẩn gram âm.[19,20]
Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển xa hơn tiến tới tiêu diệt các tác nhân gây
bệnh trước tiên là vi khuẩn lao sau khi bắt giữ bằng cách bổ sung các phức hệ ly giải
có gắn enzyme. Đáng chú ý là trong năm 2015, nhóm nghiên cứu Chử Lương Luân và
các cộng sự đã tạo được phức hệ hạt từ kháng thể kháng lao. Như vậy theo nguyên lý
này những phức hệ tương tự có thể được tổng hợp. Đối tượng nghiên cứu là vi khuẩn

14


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

lao vì các lý do bệnh lý học và dịch tễ học của bệnh lao và bởi bản thân vi khuẩn lao là
một vi khuẩn nguy hiểm có khả năng lây nhiễm và khả năng sống sót cao ngoài môi
trường.
1.2. Bệnh lao
Bệnh lao là bệnh truyền nhiễm chết người phổ biến gây ra bởi các chủng khác
nhau của mycobacteria, thường là Mycobacterium tuberculosis. Bệnh lao đã có mặt
trong xã hội loài người từ thời cổ đại. Trong suốt lịch sử, bệnh lao đã được biết đến
dưới nhiều tên gọi khác nhau như: bệnh ho lao, bệnh Pott, và bệnh dịch trắng. Bệnh
lao đạt tỷ lệ dịch bệnh cao nhất ở châu Âu và Bắc Mỹ trong thế kỷ 18 và 19.
1.2.1.

Bệnh lý học
Bệnh lao phổ biến nhất là lao phổi, tuy nhiên trong 15-20% các trường hợp nhiễm

lao, nhiễm trùng lây lan ra bên ngoài cơ quan hô hấp, gây ra bệnh lao trên các phần
khác của cơ thể [21]. Những trường hợp mắc bệnh như vậy được gọi chung là "bệnh
lao ngoài phổi". Lao ngoài phổi xảy ra phổ biến hơn ở những người suy giảm miễn
dịch và trẻ em. Trong những người có HIV, điều này xảy ra trong hơn 50% các trường
hợp. Bệnh lao là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu cho các bệnh nhân nhiễm
HIV/AIDS, với 90% bệnh nhân HIV/AIDS sẽ tử vong trong vòng vài tháng bị đồng
nhiễm lao nếu không được chữa trị kịp thời [22]. Lao ngoài phổi bao gồm một số
trường hợp như lao màng não, lao bạch huyết (trong bệnh tràng nhạc cổ ), lao niệu
sinh dục, và lao xương và khớp (bệnh của cột sống của Pott).
Khi đã vào tới phổi, vi khuẩn bị đại thực bào tấn công, và các nốt nhỏ được
hình thành thông qua phản ứng quá mẫn gọi là nốt sần. Quá trình bệnh thường chỉ
dừng lại ở giai đoạn này, nhưng vi khuẩn thường vẫn tồn tại trong các thể thực bào của
đại thực bào (macrophage phagosome). Kháng lại quá trình oxy hóa, ức chế sự thực

bào của lysosome, và ức chế sự khuếch tán của các enzyme trong lysosome là một số
trong những cơ chế có thể giải thích sự tồn tại của vi khuẩn lao bên trong đại thực bào.
Trong thời gian này các nốt sần có thể thay đổi thành dạng nhầy được gọi là
một tổn thương caseous. Nếu tổn thương được phân loại, chúng được gọi là phức hợp

15


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Ghon, phức hệ này có thể quan sát được dễ dàng khi chụp x-quang phổi. Thường thì
các tổn thương chính được gọi là nốt sần Ghon hoặc điểm tập trung Ghon. Các tổn
thương chính thường nằm ở phần trên của thùy dưới hoặc phần dưới của thùy trên
[23].
Những người tiếp xúc thường xuyên với bệnh nhân lao trong thời gian dài có
khả năng lây nhiễm cao hơn 22% so với những người khác [24]. Một người mắc lao đã
phát triển thành bệnh nhưng không được điều trị có thể lây cho 10-15 người (có thể
nhiều hơn) mỗi năm. Sự lây nhiễm chỉ xảy ra ở những người bị nhiễm lao hoạt động
đã phát triển thành bệnh (không phải lao tiềm ẩn), phụ thuộc vào mức độ nhiễm lao,
phơi nhiễm với môi trường, thời gian tiếp xúc, và độc lực của các chủng vi khuẩn.
Thông thường phải mất 3-4 tuần trước khi những người mới nhiễm lao có thể lây
truyền bệnh cho người khác [25]. Chuỗi lây truyền có thể được ngừng lại bằng cách
cách ly các bệnh nhân trong giai đoạn hoạt động của bệnh và áp dụng điều trị hiệu quả.
1.2.2.

Dịch tễ học
Ngày nay, bệnh lao là bệnh truyền nhiễm phổ biến nhất, ảnh hưởng đến khoảng 2-

3 tỷ người (tức là 1/3 dân số thế giới trong năm 2015), với 10 triệu trường hợp mới
được chẩn đoán mỗi năm. Số lượng tuyệt đối của các trường hợp bệnh lao đã được
giảm từ năm 2006, và các trường hợp mắc mới đã giảm kể từ năm 2002. Tuy nhiên sự
phân bố của bệnh lao không thống nhất trên toàn cầu; khoảng 80% dân số ở nhiều
nước châu Á và châu Phi xét nghiệm dương tính trong các xét nghiệm tuberculin trong
khi đó chỉ có 5-10% dân số Hoa Kỳ cho kết quả tương tự [2]. Lao là bệnh truyền
nhiễm gây tử vong cao thứ hai trên thế giới gây ra 2 triệu ca tử vong trong năm 2010,
chủ yếu ở các nước đang phát triển. Theo báo cáo WHO năm 2015 Việt Nam xếp thứ
14 trong 22 nước có số bệnh nhân lao cao nhất trên thế giới, với khảng 104.000 ca mỗi
năm và ước tính khoảng 56% dân số nước ta đã bị nhiễm vi khuẩn lao [4].
Vi khuẩn lao có thể nhập vào cơ thể nếu chúng ta ăn thực phẩm bị nhiễm vi khuẩn.
Vi khuẩn cũng lây truyền qua các vết cắt hoặc vết trầy xước trên da hoặc niêm mạc
mắt và cổ họng và từ mẹ sang thai nhi thông qua các tĩnh mạch rốn gây bệnh lao bẩm

16


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

sinh. Tuy nhiên, thông thường, lao lây truyền qua đường hô hấp (hình 1.3). Khi những
người mắc lao phổi hắt hơi, nói chuyện, hay khạc nhổ, họ phát tán ra các giọt đường
kính 0,5-5,0 mm, và trong không khí bình thường chúng có thể được giữ trong khoảng
thời gian kéo dài và lây lan cho những người khỏe mạnh trong cùng một phòng hoặc
trong cùng tòa nhà. Một cái hắt hơi duy nhất có thể giải phóng tới 40.000 giọt, mỗi
giọt đều có thể lây truyền bệnh. Người khỏe mạnh hít vào ít hơn 10 vi khuẩn cũng có
khả năng bị nhiễm bệnh [26].

Hình 1.3: Con đường lây nhiễm chính bệnh lao

Nguồn http: //www.slideshare.net/Hamdi0Alturkey/pulmonary-tuberculosis-34642377

Khả năng tồn tại của vi khuẩn lao
Một yếu tố quan trọng góp phần trong sự lây lan của bệnh lao là khả năng tồn
tại của vi khuẩn gây bệnh. Vi khuẩn lao có thể chịu được các chất khử trùng yếu và có
thể tồn tại trong trạng thái khô trong nhiều tuần. Một nghiên cứu mới đây được thực
hiện ở Michigan Hoa Kỳ cho thấy vi khuẩn lao có khả năng sống sót cao trong môi
trường. Vi khuẩn lao có khả năng tồn tại lên đến 88 ngày trong đất (74 ngày trong một
nghiên cứu trước đó) , 58 ngày trong nước và cỏ khô, và 43 ngày trên ngô [27]. Tuy

17


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

vậy khả năng tồn tại của vi khuẩn lao trong môi trường ngắn hơn đáng kể trong mùa
xuân / hè, bởi đây là thời gian có nhiệt độ trung bình hàng ngày cao nhất trong thời
gian 12 tháng của năm. Các nghiên cứu chứng minh rằng vi khuẩn lao tồn tại đủ lâu
trong môi trường để lây nhiễm và truyền bệnh sang người và động vật.
1.3.

Vi khuẩn lao

1.3.1.Đặc điểm của vi khuẩn lao
Đã hơn 140 năm kể từ khi chủng Mycobacterium đầu tiên được phân lập bởi
Hansen (1874). Đó là vi khuẩn bệnh phong, Mycobacterium leprae, cho đến tận ngày
nay vi khuẩn này vẫn còn chống lại tất cả nỗ lực để nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.
Các vi khuẩn lao, Mycobacterium tuberculosis (MTB) được phát hiện tám năm sau đó

vào năm 1882 bởi Robert Koch, người sau đó đã nhận được giải thưởng Nobel về sinh
lý học hay y học cho khám phá này vào năm 1905; để tưởng nhớ, vi khuẩn lao còn
được gọi là "vi khuẩn Koch". [28] Phát hiện Kock đã được khẳng định bởi phương
pháp nhuộm hiệu quả hơn của Ehrlich (1887) và Ziehl-Neelsen (1883).
Dưới kính hiển vi trường sáng, vi khuẩn lao thường xuất hiện có dạng que
thẳng hoặc hơi cong. Dựa theo các điều kiện tăng trưởng và thời gian nuôi cấy, vi
khuẩn có thể thay đổi kích thước và hình dạng từ bầu dục đến dạng gậy dài. Các kích
thước của vi khuẩn đã được báo cáo là 1-10 µm chiều dài (thường là 3-5 µm), và 0,20,6 µm chiều rộng. Khả năng biến đổi hình thái của vi khuẩn đã được đề xuất bởi một
vài nghiên cứu như Malassez và Vignal (1883), Lubarsch (1899), Fischel (1893), và
Vera và Rettger (1939) tuy nhiên vì những giới hạn về kỹ thuật khi đó vẫn diễn ra
nhiều tranh cãi về hình dạng vi khuẩn. Ngày nay với những tiến bộ trong kỹ thuật hiển
vi bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và
kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), phần lớn các nhà nghiên cứu đã đồng ý rằng vi
khuẩn lao biểu hiện nhiều hình dạng trong điều kiện khác nhau [29]. Vi khuẩn trở nên
ngắn hơn ở các môi trường nuối cấy cũ lâu ngày, dạng sợi bên trong đại thực bào và có
hình trứng trong điều kiện thiếu dinh dưỡng. Tuy nhiên, hình dạng que vẫn là hình thái
cổ điển cơ bản của vi khuẩn lao (Hình 1.4).

18


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Hình 1.4: Hình ảnh SEM của vi khuẩn lao (MTB)
(Nguồn: textbookofbacteriology.net)
Vi khuẩn lao cần oxy để phát triển; phân chia mỗi 15-20 giờ, tốc độ này là rất
chậm so với các vi khuẩn khác có thời gian phân chia tính bằng phút (Escherichia coli
có thể chia khoảng mỗi 20 phút). Thành tế bào vi khuẩn lao có giàu chất béo (ví dụ,

acid mycolic), nhờ có thành tế bào đặc biệt mà vi khuẩn lao có khả năng kháng lại một
số loại kháng sinh thông thường đồng thời đây cũng là yếu tố độc lực chính của vi
khuẩn [30]. Do hàm lượng lipid cao thành tế bào của vi khuẩn lao cũng không bắt màu
với các thuốc nhuộm thông thường, vậy nên không phân biệt là Gram dương hay Gram
âm; Do đó, để quan sát vi khuẩn phải tiến hành nhuộm Ziehl-Neelsen hoặc nhuộm
kháng axit. Trong khi mycobacteria dường như không phù hợp với những loại vi
khuẩn Gram dương từ một quan điểm thực nghiệm (tức là, chúng không giữ lại màu
tím tinh thể), chúng vẫn được phân loại như các vi khuẩn kháng axit Gram dương
(AFB) do chúng thiếu một lớp màng tế bào bên ngoài.
Trong những năm gần đây các chủng lao kháng đa thuốc đang phát triển và lây
lan. Một chủng lao đa kháng thuốc được định nghĩa là chủng kháng lại cả 2 lọai kháng
sinh hàng một isoniazid và rifampin, có thể có hoặc không kháng lại các loại thuốc
khác. Theo ước tính của WHO năm 2011 trên toàn thế giới có khoảng 310.000 ca mắc

19


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

lao đa kháng thuốc. Sự gia tăng nhanh chóng của các chủng lao đa kháng thuốc càng
làm phức tạp tình hình bệnh lao trên thế giới [31].
1.3.2.Hệ gen vi khuẩn lao
Có rất nhiều chủng vi khuẩn lao trong đó các bộ gen của chủng H37Rv được
công bố vào năm 1998 [32]. Kích thước là 4 triệu cặp base, với 3.959 gen; các chức
năng đặc trưng của các gen này (40%) đã được nghiên cứu, chức năng giả thuyết đã
được mặc nhiên công nhận cho 44%. Bộ gen chứa 250 gen liên quan đến sự chuyển
hóa acid béo, 39 trong số này tham gia vào quá trình chuyển hóa polyketide tạo lớp
sáp. Số lượng lớn như vậy của các gen được bảo tồn cho thấy tầm quan trọng tiến hóa

của áo sáp đối với khả năng tồn tại của vi khuẩn lao.

Hình 1.5: Hệ gen vi khuẩn lao (Nguồn: Natural.com)
Bản đồ dạng tròn của nhiễm sắc thể Mycobacterium tuberculosis chủng H37Rv. Vòng ngoài cùng chỉ ra tỉ lệ
theo Mb, 0 là vị trí khởi đầu sao chép. Vòng đầu tiên sau vòng ngoài cùng chỉ ra vị trí của các gene mã cho ARN
(tARN màu xanh dương, những loại khác màu hồng), vùng lặp trực tiếp (ô vuông hồng). Vòng tiếp theo chỉ ra
các trình tự mã hóa (thuận chiều kim đồng hồ, xanh đậm; ngược chiều kim đồng hồ, xanh nhạt), vòng thứ ba chỉ
ra các đoạn ADN lặp (trình tự lặp IS, màu cam; 13E12, họ REP, hồng đậm; prophage, xanh dương. Vòng thứ tư
chỉ ra vị trí của các thành viên trong họ PPE (xanh lá cây). Vòng thứ năm là họ PE (tím, trừ PGRS). Vòng thứ
sáu vị trí của PGRS (đỏ đậm) . Biểu đồ trong cùng chỉ ra hàm lượng G+C, <65% màu vàng, >65% màu đỏ.

20


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

Nhờ có thành tế bào kỵ nước hoạt động như một rào cản chọn lọc thẩm thấu vi
khuẩn lao có thể kháng lại nhiều loại thuốc. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố quyết định
khả năng kháng thuốc được mã hóa trong hệ gen của MTB, bao gồm các enzyme thủy
phân, các enzyme ảnh hưởng đến tác dụng của thuốc: β-lactamase, aminoglycoside
acetyl transferase. Trong hệ gen của vi khuẩn lao còn có chứa các đoạn trình tự đặc
trưng được sử dụng trong một số xét nghiệm chẩn đoán lao. Trong đó, được sử dụng
rộng rãi nhất là đoạn trình tự chèn 6110 (IS6110) dài 249bp. Số bản sao của đoạn
IS6110 có thể lên tới 25 trong genome của MTB, tuy nhiên cũng có một số chủng chỉ
có 1 bản sao [33,34]. Bằng cách nhân lên đoạn trình tự này trong phản ứng PCR đặc
hiệu, người ta có thể phát hiện được sự có mặt của vi khuẩn lao trong mẫu.
1.4.

Hạt nano và ứng dụng
Công nghệ nano là ngành khoa học về các vật chất ở tỷ lệ 1 phần tỷ của một mét
(10-9 m = 1 nm), và cũng là nghiên cứu về thao tác các vật chất ở quy mô nguyên tử và
phân tử. Nhìn chung, kích thước của một hạt nano nằm trong phạm vi từ 1 đến 100
nm. Hạt nano kim loại có tính chất vật lý và hóa học khác hơn rất nhiều so với kim
loại ban đầu (ví dụ: điểm nóng chảy thấp hơn, diện tích bề mặt lớn, tính chất quang
học khác, có độ bền cơ học, và có từ tính), các tính chất này có thể được ứng dụng
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

1.4.1.Các tính chất của hạt nano
Tính chất quang học là một tính chất đặc biệt của hạt nano, xét về mặt khoa học sở dĩ
hạt nano có tính chất này bới chúng có kích thước đủ nhỏ để có thể ảnh hưởng tới các
electron của chúng và tạo ra các hiệu ứng lượng tử. Các điện tử tự do trong kim loại sẽ
dao động dưới tác động của từ trường bên ngoài trong đó bao gồm cả tác động của các
photon ánh sáng. Các dao động này thông thường sẽ bị dập tắt rất nhanh do hiệu ứng
của các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường dao động tự do trung bình
nhở hơn kích thước. Nhưng khi kim loại ở dạng rất nhỏ mà ở đây là dạng các hạt có
kích thước nano, hiện tượng dập tắt sẽ mất đi và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với
ánh sáng kích thích. Dao động này sẽ dẫn đến sự phân bố lại các điện tử của hạt nano

21


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

và làm cho hạt bị phân cực tạo thành lưỡng cực điện. Do tính chất là dao động cộng
hưởng nên tần số của dao động này phụ thuộc vào các yêu tố về hình dạng kích thước
hạt và bước sóng của ánh sáng kích thích. Ngoài ra mật độ hạt cũng là một yếu tố ảnh

hưởng tới tính chất quang, nếu mật độ loãng có thể coi các hạt nano đang ở dạng tự do,
nếu mật độ cao thì còn phải tính đến cả tương tác giữa các hạt trong quá trình dao
động của điện tử.
Tính chất điện cũng là một yếu tố quan trọng của hạt nano. Kim loại có mật độ điện
tử tự do cao do đó điện trở của kim loại thường thấp nên chúng dẫn điện rất tốt. Tuy
vậy điện trở của một dây dẫn kim loại còn phụ thuộc vào tiết diện của dây hay nói các
khác điện trở của một khối kim loại còn phụ thuộc vào kích thước.
Thông thường dưới tác dụng của một hiệu điện thế U các điện tử trong kim loại sẽ
chuyển động tuân theo định luật Ohm: U = IR với I là cường độ dòng và R là điện trở.
Với R không đổi U và I sẽ thay đổi tuyến tính với nhau. Tuy nhiên khi kích thước của
vật liệu giảm dần tới cỡ nano mét, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu
trúc vùng năng lượng. Kết quả của quá trình lượng tử hóa này là với các hạt nano I và
U không còn tuyến tính với nhau nữa mà thay đổi tuân theo hiệu ứng chắn Coulomb
(Coulomb blockade). Hiệu ứng này làm đường U-I thay đổi, nhảy bậc với giá trị mỗi
bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử,
C là điện dung, R là điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.
Một tính chất quan trọng khác giúp mở rộng các ứng dụng của hạt nano là tính từ.
Các kim loại quý như vàng bạc ở trạng thái khối thông thường có tính nghịch từ do sự
bù trừ cặp điện tử. Tuy nhiên khi thu nhỏ kích thước vật liệu thì sự bù trừ này sẽ không
còn hoàn thiện nữa và khi đó vật liệu có từ tính. Các kim loại ở trạng thái khối có tính
sắt từ như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, niken thì khi kích thước thu nhỏ lại cỡ
nano mét cũng sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận
từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường, và không có từ
tính khi ngắt từ trường, tức là dư lực và lực kháng từ hoàn toàn bằng không.
Tính chất cuối cùng là tính chất nhiệt. Nhiệt độ nóng chảy (Tm) của vật liệu phụ
thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi

22

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Nguyễn Quang Đạo

một nguyên tử có một số phối vị đó là các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh với
nguyên tử đó. Ở trạng thái khối, các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ
hơn các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể tái sắp xếp để có thể chuyển sang
trạng thái khác. Như vậy với các hạt nano khi kích thước của chúng càng nhỏ, các
nguyên tử trong hạt sẽ có số phối vị thấp, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm xuống. Ví dụ,
hạt vàng kích thước 6nm có Tm = 950oC, 2nm có Tm = 500oC
1.4.2.Hạt nano từ tính
Ngày nay, các hạt nano được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực như công nghệ, y
học và công nghiệp. Bằng cách kết hợp các phối tử ái lực lên các hạt nano hay hạt
micro đã được áp dụng trong xét nghiệm chẩn đoán và rất nhiều các quy trình nghiên
cứu. Các hạt nano vàng có lẽ đã được sử dụng sớm nhất cho những mục đích này [35].
Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp hạt nano tuy nhiên có thể chia các
phương pháp này vào hai phương pháp chính. Phương pháp đầu tiên gọi là phương
pháp “phá vỡ” (Breakdown hay còn gọi là top down ) phương pháp này sử dụng ngoại
lực tác động lên một khối chất rắn dẫn đến bị vỡ ra thành hạt nhỏ hơn. Thứ hai là xây
dựng (Built-up hay bottom-up) phương pháp sản xuất hạt nano bắt đầu từ các nguyên
tử dạng khí hoặc lỏng dựa trên biến đổi nguyên tử hoặc thay đổi mật độ phân tử. Với
cuộc cách mạng khoa học vật liệu trong công nghệ nano, hình dạng và kích thước hạt
là gần như là không giới hạn, từ đó ứng dụng của hạt nano mở rộng đáng kể.
Trong nghiên cứu này, các hạt nano được sử dụng là oxit sắt từ một hỗn hợp bao
gồm sắt III (Fe3) và sắt II (Fe2). Các hạt oxit sắt được phủ một lớp bảo vệ bằng silica.
Lớp phủ silica này có 2 tác dụng, một là giúp bảo vệ hạt trong các loại dung môi khác
nhau ở các pH khác nhau do tính trơ về mặt hóa học của silica, hai là lớp phủ silica
bên ngoài mỗi hạt sẽ tích điện âm cùng dấu do đó các hạt sẽ đẩy nhau và không bị vón
lại với nhau. Như chúng ta đã biết, kích thước hạt, thành phần bề mặt, và mật độ hạt
trực tiếp ảnh hưởng đến hoạt động của hạt trong dung dịch. Với bề mặt được bao phủ

bởi silica hạt nano khá ổn định trong các bộ đệm khác nhau. Mặt khác, các hạt lớn hơn
kích thước micron thường sẽ bị lắng xuống theo thời gian trong do trọng lực, các hạt

23