NGHIÊN CỨU TẠO VI VẬT LIỆU LDHs (LAYERED DOUBLE HYDROXIDES) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA LÀM CHẤT MANG HOẠT CHẤT SINH HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU TẠO VI VẬT LIỆU LDHs (LAYERED DOUBLE
HYDROXIDES) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA
LÀM CHẤT MANG HOẠT CHẤT SINH HỌC

Ngành học

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện : LÊ THỊ ÁNH
Niên khóa

: 2007 – 2011

Tháng 7/2011

 


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TẠO VI VẬT LIỆU LDHs (LAYERED DOUBLE
HYDROXIDES) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA

LÀM CHẤT MANG HOẠT CHẤT SINH HỌC

Hướng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

ThS. NGUYỄN THỊ NHƯ QUỲNH

LÊ THỊ ÁNH

Tháng 7/2011

 


LỜI CẢM ƠN
Trước hết con xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, những người đã sinh con ra
trên đời và nuôi dưỡng con thành như ngày hôm nay. Cảm ơn những người thân trong
gia đình, những người bạn thân của tôi luôn bên cạnh ủng hộ và cổ vũ tôi, giúp tôi
đứng dậy mỗi khi tôi gục ngã.
Em xin chân thành cám ơn ban Giám Hiệu trường đại học Nông Lâm thành phố
Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm bộ môn Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả các thầy cô
giáo đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tại trường.
Em xin cám ơn chị Nguyễn Thị Như Quỳnh đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện tốt nhất giúp em hoàn thành tốt khóa luận này.
Em cũng xin cám ơn các thầy cô và các anh chị trong Viện sinh học Nhiệt Đới
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập tại Viện.
Cuối cùng, cảm ơn các bạn trong lớp DH07SH đã giúp đỡ và chia sẻ những
niềm vui, nỗi buồn cùng tôi trong suốt 4 năm qua.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7/2011
Lê Thị Ánh

 

i


TÓM TẮT KHÓA LUẬN
 
Đề tài nhằm tìm phương pháp tổng hợp vi hạt LDHs làm chất mang các hợp
chất sinh học với hiệu quả cao. Để tổng hợp vi hạt đáp ứng mục đích sử dụng, điều
kiện phản ứng được điều chỉnh sao cho phù hợp. Theo kết quả từ ảnh TEM, SEM vi
hạt LDHs được tổng hợp có dạng bản mỏng, hình bát diện, mỗi mặt là dạng lục giác.
Mẫu hạt LDHs được tổng hợp tốt nhất ở điều kiện: tỉ lệ nồng độ CM MgCl2/AlCl3 =
2:1, pH 12,55, đánh sóng siêu âm ở nhiệt độ 50oC, nung mẫu tại 550oC. Dùng mẫu tốt
nhất này gắn enzyme cellulase, hiệu quả gắn tốt nhất với thời gian gắn là 30 phút. Kết
quả thu được vi hạt LDHs gắn cellulase với hàm lượng gắn đạt 3,268 mg cellulase/g
LDHs, hiệu suất cố định enzyme cellulase trên bề mặt hạt đạt trên 70% và tỉ lệ phần
trăm hoạt tính enzyme còn lại sau khi gắn đạt 80%. Áp dụng quy trình hấp phụ
enzyme cellulase để tiến hành cố định chất phát huỳnh quang FITC–avidin lên vi hạt
LDHs, với hiệu suất hấp phụ đạt 72,97% và cho ảnh quan sát rõ dưới kính hiển vi
huỳnh quang.
Qua các kết quả thu được, có thể ứng dụng LDHs để làm chất mang các hợp
chất sinh học khác nhằm phát triển các mục tiêu trong nông nghiệp và nhiều lĩnh vực
khác.

 

ii

SUMMARY

The title: “Research nanoparticles LDHs (Layered Double Hydroxides) by
coprecipitation method to take bioactive compound”.
The main purpose of thing study is finding out the condition for synthesizing
micro – LDHs particles for immobilizing bio – components with high effect. The
results from TEM images SEM synthesized LDHs particles form a thin, bowl area,
each face is hexagonal form. The best LDHs particle form were synthesized at
conditions: concentration ratio CM MgCl2 / AlCl3 = 2:1, pH = 12,55, dissolving them
by sonofication in 50oC, heating samples at 550oC. The best form was used for
immobilizing cellulases and the highest effect of immobilization was found at 30
minutes.
Results obtained LDHs particles associated with levels of cellulases associated
cellulases reached 3,268 mg / g LDHs, the performance of fixed enzyme cellulases on
the surface of over 70% and the percentage of remaining enzyme activity after nearly
80%. Application of the enzyme adsorbed cellulases to conduct fixed fluorescent
substance FITC-avidin onto LDHs particles, the adsorption efficiency reached 72,97%
and the picture clearly observed under fluorescent microscope.
Through the results obtained, LDHs can be applied to carriers of biological
compounds for development objectives in agriculture and other fields.
Key words: Layered Double Hydroxides, coprecipitation method, hexagonal,
adsorption.

 

iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cảm ơn ............................................................................................................................ i
Tóm tắt khóa luận ................................................................................................................ ii
Summary ............................................................................................................................. iii
Mục lục ............................................................................................................................... iv
Danh sách các chữ viết tắt ................................................................................................ viii
Danh sách các bảng ............................................................................................................ ix
Danh sách các hình .............................................................................................................. x
Chương 1. MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1.1 ........................................................................................................................... Đ
ặt vấn đề ......................................................................................................................... 1
1.2 ........................................................................................................................... Y
êu cầu của đề tài............................................................................................................. 1
1.3 ........................................................................................................................... N
ội dung thực hiện ........................................................................................................... 2
Chương 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 3
2.1 Giới thiệu về công nghệ sinh học nano ......................................................................... 3
2.1.1 Công nghệ sinh học .................................................................................................... 3
2.1.2 Công nghệ nano .......................................................................................................... 3
2.1.3 Công nghệ sinh học nano ........................................................................................... 3
2.2 Phân loại vật liệu nano .................................................................................................. 3

 

iv


2.2.1 Phân loại theo hình dáng ............................................................................................ 3

2.2.2 Phân loại theo tính chất .............................................................................................. 3
2.3 Chế tạo vật liệu nano ..................................................................................................... 4
2.4 Ứng dụng của vật liệu nano ........................................................................................... 5
2.4.1 Trong công nghiệp quốc phòng và hàng không vũ trụ ............................................... 5
2.4.2 Giảm kích thước, tăng dung lượng thiết bị điện tử .................................................... 5
2.4.3 Năng lượng xanh, môi trường sạch ........................................................................... 5
2.4.4 Ứng dụng vật liệu nano trong y sinh .......................................................................... 6
2.4.4.1 Sử dụng trực tiếp hạt nano....................................................................................... 6
2.4.4.2 Chức năng hóa bề mặt nano từ tính để đếm tế bào bạch cầu CD4+ T ..................... 6
2.4.4.3 Tách DNA của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính .............................................. 6
2.4.4.4 Làm giàu DNA của siêu vi viêm gan B bằng hạt nano từ tính bọc SiO2 ................ 6
2.4.4.5 Hạt nano vàng để phát hiện tế bào ung thư vú ........................................................ 7
2.5 LDHs (Layered Double Hydroxides) ............................................................................ 7
2.5.1 Định nghĩa và tính chất của LDHs ............................................................................. 7
2.5.2 Đặc tính của LDHs .................................................................................................... 8
2.5.3 Phương pháp tổng hợp LDHs ..................................................................................... 9
2.5.3.1 Phương pháp đồng kết tủa ....................................................................................... 9
2.5.3.2 Phương pháp trao đổi ion ...................................................................................... 10
2.5.3.3 Sử dụng hiệu ứng nhớ............................................................................................ 11
2.5.4 Ứng dụng của LDHs ................................................................................................. 12

 

v


2.5.4.1 Ứng dụng trong xúc tác ......................................................................................... 12
2.5.4.2 Ứng dụng trong trao đổi và hấp phụ ion ............................................................... 13
2.5.4.3 Ứng dụng trong dược phẩm................................................................................... 13
2.5.4.4 Ứng dụng trong Hóa sinh ...................................................................................... 15

2.5.4.5 Các ứng dụng như là chất phụ gia trong Vật liệu Polymer chức năng................. 16
2.5.4.6 Ứng dụng khác ...................................................................................................... 16
2.6 Enzyme cellulase ......................................................................................................... 17
2.6.1 Định nghĩa ................................................................................................................ 17
2.6.2 Ứng dụng của enzyme cellulase ............................................................................... 17
Chương 3.VẬT LIỆU - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................... 19
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu. .............................................................................. 19
3.2 Vật liệu thí nghiệm ...................................................................................................... 19
3.2.1 Thiết bị và dụng cụ ................................................................................................... 19
3.2.1.1 Thiết bị.................................................................................................................. 19
3.2.1.2 Dụng cụ.................................................................................................................. 19
3.2.2 Hóa chất .................................................................................................................... 19
3.2.2.1 Hóa chất dùng để tạo vật liệu LDHs ..................................................................... 19
3.2.2.2 Hóa chất để xác định hàm lượng và hoạt tính của cellulase sau khi hấp phụ ....... 19
3.3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 20
3.3.1 Phương pháp tạo vật liệu LDHs bằng phương pháp đồng kết tủa ........................... 20
3.3.2 Phương pháp chuẩn bị cellulase ............................................................................... 21
3.3.3. Phương pháp hấp phụ lên vi hạt LDHs ................................................................... 21
3.3.4 Phương pháp quan sát đặc điểm hình thái vi hạt LDHs ........................................... 21

 

vi


3.4 Bố trí thí nghiệm .......................................................................................................... 22
3.4.1 Thí nghiệm1: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình tạo vi hạt LDHs .... 22
3.4.1.1 Thí nghiệm 1.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ MgCl2 /AlCl3 ............................... 22
3.4.1.2 Thí nghiệm 1.2: Ảnh hưởng của pH lên quá trình tạo vi hạt LDHs ..................... 23
3.4.1.3 Thí nghiệm 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .............................................. 24

3.4.1.4 Thí nghiệm 1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên quá trình tạo vi hạt LDHs ...... 24
3.4.2 Thí nghiệm 2: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ cellulase ......... 25
3.4.2.1 Thí nghiệm 2.1: Ảnh hưởng của nồng độ pha loãng enzyme ............................... 25
3.4.2.2 Thí nghiệm 2.2: Ảnh hưởng của thời gian ............................................................ 26
3.4.3 Thí nghiệm 3: Tìm điều kiện hấp phụ FITC – avidin lên vi hạt LDHs ................... 26
3.5 Chỉ tiêu theo dõi đánh giá ............................................................................................ 27
3.5.1 Chỉ tiêu theo dõi về đặc điểm hình thái vi hạt LDHs ............................................... 27
3.5.2 Các chỉ tiêu theo dõi hàm lượng, hoạt tính cellulase gắn lên vi hạt LDHs .............. 27
3.5.2.1 Xác định hàm lượng cellulase theo phương pháp Bradford .................................. 27
3.5.2.2 Xác định hoạt tính cellulase .................................................................................. 28
3.6 Xử lý số liệu ................................................................................................................ 29
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 30
4.1 Thí nghiệm 1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình tạo vi hạt ................... 30
4.1.1 Thí nghiệm 1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ CM MgCl2 /AlCl3 ............................. 30
4.1.2 Thí nghiệm 1.2: Ảnh hưởng của pH ......................................................................... 32
4.1.3 Thí nghiệm 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng................................................. 34
4.1.4 Thí nghiệm 1.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ nung........................................................ 36

 

vii


4.2 Thí nghiệm 2: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ cellulase ............ 39
4.2.1 Thí nghiệm 2.1: Ảnh hưởng của nồng độ pha loãng enzyme .................................. 39
4.2.2 Thí nghiệm 2.2: Ảnh hưởng của thời gian ............................................................... 40
4.3 Thí nghiệm 3: Tìm điều kiện gắn FITC – avidin lên vi hạt LDHs .............................. 42
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 45
5.1 Kết luận........................................................................................................................ 45
5.2 Đề nghị ........................................................................................................................ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 46

 

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CBB: Coomassie Brilliant Blue
CMC: Sodium carboxymethyl cellulose
DNA: Deoxyribonucleic acid
DNS: acid 2 – hydroxyl – 3,5 – dinitrobenzoic
FITC – avidin: avidin fluorescien iso thiocyanate
LDHs: Layered double hydroxides
Mg – Al LDHs: Magnesium and Aluminum based LDHs
PVC: poly vinyl clorua
SEM: Scanning Electron Microscope
TEM: Transmission Electron Microscopy

 

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tran
g
Bảng 2.1 Phân loại vật liệu nano theo hình dáng ........................................................ 3

Bảng 2.1 Phân loại vật liệu nano theo tính chất .......................................................... 4
Bảng 3.1 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 1.1 ......................................................... 23
Bảng 3.2 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 1.2 ......................................................... 24
Bảng 3.3 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 1.3 ......................................................... 24
Bảng 3.4 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 1.4 ......................................................... 25
Bảng 3.5 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 2.1 ......................................................... 26
Bảng 3.6 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 2.2 ......................................................... 26
Bảng 3.7 Phân bố nghiệm thức thí nghiệm 3 ............................................................ 27
Bảng 4.1 Hiệu suất tổng hợp vi hạt LDHs ở thí nghiệm 1.1. .................................... 31
Bảng 4.2 Hiệu suất tổng hợp vi hạt LDHs ở thí nghiệm 1.2 ..................................... 33
Bảng 4.3 Hiệu suất tổng hợp vi hạt LDHs ở thí nghiệm 1.3 ..................................... 36
Bảng 4.4 Hiệu suất tổng hợp vi hạt LDHs ở thí nghiệm 1.4 ..................................... 39
Bảng 4.5 Hiệu suất hàm lượng enzyme cellulase hấp phụ lên vi hạt LDHs 1 .......... 41
Bảng 4.6 Hiệu suất hoạt tính enzyme cellulase hấp phụ lên vi hạt LDHs 1 ............. 42
Bảng 4.7 Hiệu suất hàm lượng enzyme cellulase hấp phụ lên vi hạt LDHs 2 .......... 43
Bảng 4.8 Hiệu suất hoạt tính enzyme cellulase hấp phụ lên vi hạt LDHs 2 ............. 43
Bảng 4.9 Hiệu suất cố định FITC – avidin lên vi hạt LDHS .................................... 45
Bảng 4.10 Tổng hợp kết quả ..................................................................................... 46

 

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang
Hình 2.1 Cấu trúc của LDHs với anion lớp xen là cacbonate ................................ 9
Hình 2.2 Sơ đồ cơ chế lai các phân tử lai sinh học - LDHs vào tế bào ................ 16
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp LDHs ............................................................. 21

Hình 4.1 Vi hạt LDHs sau khi tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa............ 31
Hình 4.2 Hình SEM của LDHs ở các tỷ lệ CM MgCl2 /AlCl3 khác nhau .............. 32
Hình 4.3 Hình TEM của LDHs ở các tỷ lệ CM MgCl2 /AlCl3 khác nhau.............. 32
Hình 4.4 Hình SEM của LDHs được tổng hợp ở các pH khác nhau .................... 34
Hình 4.5 Hình TEM của LDHs được tổng hợp ở các pH khác nhau .................... 35
Hình 4.6 Hình SEM của LDHs được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ............ 37
Hình 4.7 Hình TEM của LDHs được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ............ 37
Hình 4.8 Hình SEM của LDHs được tổng hợp ở các nhiệt độ nung khác nhau ... 39
Hình 4.9 Hình TEM của LDHs được tổng hợp ở các nhiệt độ nung khác nhau... 40
Hình 4.10 Hình dưới kính huỳnh quang của LDHs sau khi gắn FITC – avidin ... 44

 

xi


Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Bên cạnh công nghệ sinh học được xem là công nghệ của thế kỷ 21, công nghệ
nano - ngành công nghệ mới nghiên cứu vật liệu ở mức vi mô cũng đang được quan
tâm. Sự kết hợp giữa công nghệ sinh học và công nghệ nano hứa hẹn mang lại nhiều
sự thay đổi mạnh mẽ cho khoa học và đời sống. Tuy nhiên, lĩnh vực này còn quá mới
và các nghiên cứu còn chưa sâu rộng, đặc biệt là ở Việt Nam.
Việt Nam là một nước nông nghiệp nên việc sử dụng các chế phẩm bảo vệ thực
vật rất rộng rãi. Tuy nhiên tàn dư của các sản phẩm phân bón, thuốc trừ sâu hóa học lại
làm ô nhiễm môi trường trầm trọng, đặc biệt là các mạch nước ngầm. Sự phát triển của
khoa học, đặc biệt là công nghệ sinh học tạo ra các chế phẩm sinh học mới đã giảm
thiểu được vấn đề trên. Mặc dầu vậy, các sản phẩm sinh học lại có nhược điểm là thời
gian tồn tại bên ngoài môi trường rất ngắn, dễ bị tác động bởi các tác nhân môi trường
dẫn tới hiệu quả sử dụng không cao. Do đó nghiên cứu giải quyết tăng hiệu suất phân

phối thuốc trừ sâu, phân bón sinh học trong nông nghiệp nhằm nâng cao năng suất cây
trồng có ý nghĩa cực kì quan trọng.
LDHs là một hợp chất nano đã được biết tới với nhiều đặc tính trong đó có khả
năng hấp phụ và trao đổi ion. Nó có thể được ứng dụng làm chất mang để hấp phụ các
hoạt chất sinh học trong việc phân phối thuốc trừ sâu, phân bón sinh học.
Với tầm quan trọng và ứng dụng trên của LDHs, đề tài “Nghiên cứu tạo vi vật liệu
LDHs (Layered Double Hydroxides) bằng phương pháp đồng kết tủa làm chất mang
hoạt chất sinh học” được thực hiện.
1.2. Yêu cầu của đề tài
•

Tổng hợp được vi hạt LDHs.

•

Thử nghiệm dùng vi hạt LDHs để hấp phụ: enzyme cellulase.

•

Hàm lượng cellulase sau khi hấp phụ lên hạt đạt trên 60% so với lượng ban đầu
cho vào phản ứng.

•

Hoạt tính của cellulase đạt trên 70% so với cellulase trước khi hấp phụ lên vi hạt
LDHs.

 

1

•

Từ phương pháp hấp phụ cellulase ở trên áp dụng vào việc hấp phụ một loại
protein khác, ở đây chọn protein có khả năng phát huỳnh quang FITC–avidin.

1.3. Nội dung thực hiện
•

Nghiên cứu tạo vật liệu LDHs bằng phương pháp đồng kết tủa.

•

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo hạt: tỷ lệ nồng độ CM MgCl2/AlCl3,
pH, nhiệt độ phản ứng, nhiệt độ nung.

•

Nghiên cứu khả năng hấp phụ một hoạt chất sinh học: enzyme cellulase, FITCavidin.

•

 

Xác định hiệu suất hấp phụ enzyme cellulase, FITC–avidin.

2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Giới thiệu về công nghệ sinh học nano
2.1.1. Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia
của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào hoặc dưới tế bào) dựa trên các
thành tựu to lớn của nhiều ngành khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của
xã hội và bảo vệ lợi ích của con người (Nguyễn Văn Uyển và Nguyễn Tiến Thắng,
2004).
2.1.2. Công nghệ nano
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế,
phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển
hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm) (Grunwald, 2004).
2.1.3. Công nghệ sinh học nano
Theo NIH-National Institutes of Health-Viện y tế quốc gia Mỹ, công nghệ sinh
học nano là “Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và sử dụng hệ
thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano” (Goodsell,
2004).
2.2. Phân loại vật liệu nano
2.2.1. Phân loại theo tính chất
Căn cứ vào tính chất vật liệu người ta chia ra làm các loại như bảng sau
Bảng 2.1 Phân loại vật liệu nano theo tính chất
Tên gọi

Vật liệu nano Vật liệu nano bán Vật liệu nano Vật
kim loại

Ví dụ

Nano

dẫn
vàng, Indiumarsenid

bạc, sắt,vv.

(chế tạo từ indium

liệu

từ tính

sinh học

Fe3O4

Nano

nano

chitosan,vv.

và vàng)
(http: //www. nano2life. org).

2.2.2. Phân loại theo hình dáng
Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một trong ba chiều có kích thước nano. Dựa
trên sự khác biệt đó có thể chia làm các loại với các đặc điểm ở bảng sau
 

3

Bảng 2.2 Phân loại vật liệu nano theo hình dáng
Tên

Vật liệu nano Vật liệu nano một Vật liệu nano Vật liệu nano ba

gọi

không chiều

Đặc

Cả ba chiều đều Hai chiều có kích Một chiều có Chỉ có một phần của

điểm

có kích thước thước nano, điện kích

chiều

hai chiều

chiều

thước vật liệu có kích

nano, không còn tử được tự do trên nano, hai chiều thước nm, hoặc cấu
tự do

chiều tự do nào một chiều
cho

điện

trúc của nó có nano
không chiều, một

tử,

chiều hoặc hai chiều

dạng cầu

đan xen lẫn nhau
Ví dụ

Đám nano, hạt Dây nano, ống Màng nano
nano,vv.

Nanocomposite

nano,vv.

(http: //www. nano2life. org).

2.3. Chế tạo vật liệu nano
Theo Leslie và ctv (2005), vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp:
phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up).
Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích

thước lớn hơn, phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các
nguyên tử.
¾

Phương pháp từ trên xuống
Nguyên lý: dùng kĩ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức

hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng

 

4


rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng
làm vật liệu kết cấu).
¾

Phương pháp từ dưới lên
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ

dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm
cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ
phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc
kết hợp cả hai phương pháp hóa - lý.
2.4 . Ứng dụng của vật liệu nano
2.4.1. Trong công nghiệp quốc phòng và hàng không vũ trụ
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, các vật liệu cấu trúc nano có thể giúp tạo ra
những thế hệ máy bay bền hơn, nhẹ hơn, có khả năng chống sét và chống cháy tốt hơn.
Trong công nghiệp quốc phòng, từ thiết bị giám sát, chất nổ, đến quân phục, chip xác

định tần số radio, mạch tích hợp, cảm biến sinh học cực nhỏ và các loại vải, màng
“thông minh” (http: //www. nano2life. org).
2.4.2. Giảm kích thước, tăng dung lượng thiết bị điện tử
Điện tử dân dụng và máy tính là những lĩnh vực sớm biết tận dụng ưu điểm của vật
liệu nano vào sản phẩm, nổi bật có thể kể đến là nâng cao chất lượng màn hình và khả
năng dẫn điện (http: //www. nano2life. org).
2.4.3. Năng lượng xanh, môi trường sạch
Vật liệu nano đã bắt đầu được sử dụng để làm sạch rác thải, thay thế các nguồn năng
lượng không tái tạo bằng năng lượng tái tạo, giảm ô nhiễm, tăng hiệu suất của pin mặt
trời. Vật liệu nano còn được sử dụng để chế tạo các loại bao bì từ rác thải, dùng thay
thế các loại vật liệu tráng phủ truyền thống sản xuất từ nguyên liệu dầu mỏ không tái
tạo.
Trong tương lai, vật liệu nano có thể giúp tạo ra các dạng năng lượng thay thế. Sử
dụng các chất xúc tác nano, người ta có thể sản xuất hyđro (một dạng năng lượng thay
thế) từ nước. Hệ thống lọc và khử mặn nước ứng dụng công nghệ nano cho phép các
phân tử nước đi qua nhưng giữ lại các phân tử có kích thước lớn hơn như ion muối và
các tạp chất như vi khuẩn, virus, kim loại nặng, vật chất hữu cơ (http: //www.
nano2life. org).

 

5


2.4.4. Ứng dụng vật liệu nano trong y sinh
2.4.4.1. Sử dụng trực tiếp hạt nano
Sử dụng trực tiếp hạt nano không qua xử lí trung gian là ứng dụng đơn giản nhất
của vật liệu nano. Hạt nano từ tính ô xít sắt có bề mặt tích điện âm ở pH trung tính có
khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng như As. Kết hợp hạt nano với phèn chua tạo ra
cách để làm sạch nước đơn giản và hiệu quả. Hạt nano bạc có khả năng diệt khuẩn cao,

có thể sử dụng để tẩm lên than hoạt tính tạo khẩu trang diệt khuẩn phòng chống các
bệnh lây qua đường hô hấp (Rohan và ctv, 2007).
2.4.4.2. Chức năng hóa bề mặt nano từ tính để đếm tế bào bạch cầu CD4+ T
Để ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần phải được chức năng hóa bề mặt để
có thể liên kết được với các đối tượng sinh học như DNA, kháng thể, enzyme. Các
nhóm chức thường gặp là nhóm amino, biotin, steptavidin, carboxyl, thiol, silica hoặc
các bề mặt có điện tích âm hoặc dương. Người ta đã thành công trong việc chức năng
hóa nhóm amino các hạt nano từ tính để đánh dấu và phân tách tế bào bạch cầu CD4+ T
giúp việc điều trị bệnh nhân nhiễm HIV dễ dàng hơn (Rohan và ctv, 2007).
2.4.4.3. Tách DNA của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính
Hạt nano từ tính chức năng hóa amino còn được sử dụng để tách DNA của siêu vi
Herpes gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục. Bằng cách chức năng hóa amino
hạt nano ô xít sắt để gắn kết với một đoạn DNA dò đặc trưng cho siêu vi Herpes, DNA
đích trong bệnh phẩm cần xét nghiệm sẽ gắn kết với hạt nano có DNA dò được phân
tách bằng một nam châm. Nồng độ của DNA sau phân tách tăng hàng trăm lần so với
ban đầu. Kết hợp với một cảm biến điện hóa đơn giản, độ nhạy vừa phải, quy trình làm
giàu DNA giúp nồng độ DNA đạt đến mức mà cảm biến có thể phát hiện ra (Rohan và
ctv, 2007).
2.4.4.4. Làm giàu DNA của siêu vi viêm gan B bằng hạt nano từ tính bọc SiO2
Nguyên tắc làm giàu DNA của hạt nano từ tính như sau: bề mặt của silica bị
hydroxide hoá, hấp phụ một proton làm cho bề mặt có thể tích điện dương. Các DNA
với khung P tích điện âm sẽ có xu hướng hút vào hạt nano từ tính bọc silica. Sử dụng
từ trường ngoài để tách tất cả các DNA ra khỏi các vật phẩm sinh học khác, do vậy
bằng từ trường sẽ thu được các DNA có dính các hạt nano từ tính. Sử dụng dung môi

 

6

thích hợp, bề mặt của silica có thể hấp phụ một gốc hydroxyl làm cho tích điện âm.
Lúc này DNA sẽ rời khỏi hạt nano từ tính do chúng có cùng điện tích. Loại bỏ hạt
nano từ tính bằng từ trường ngoài sẽ thu được dung dịch gồm toàn các DNA. Nhân
bản DNA của siêu vi viêm gan bằng PCR rồi xác định sự có mặt của chúng bằng phép
đo diện di (Rohan và ctv, 2007).
2.4.4.5. Hạt nano vàng để phát hiện tế bào ung thư vú
Hạt nano vàng, bạc được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nhờ kích
thước của hạt nano nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng chiếu vào mà xuất hiện hiện
tượng cộng hưởng plasmon bề mặt làm cho khả năng tán xạ ánh sáng của các hạt nano
kim loại rất mạnh (Rohan và ctv, 2007).
2.5. LDHs (Layered Double Hydroxides)
2.5.1. Định nghĩa và tính chất của LDHs
Theo Duan và ctv (2005), LDHs thuộc nhóm có tên gọi là anionic clay minerals
(khoáng ion âm). Công thức hóa học tổng quát của clay LDHs có dạng [MII1-x
MIIIx(OH)2]x+ [An–]x/n.yH2O, trong đó MII là ion kim loại hóa trị 2 như: Mg2+, Ca2+,
Zn2+,vv, MIII là ion kim loại hóa trị 3 như: Al3+, Fe3+, Cr3+,vv và An- là ion âm như: Cl-,
CO32-, NO3-, vv, những ion âm này hiện diện ở giữa các lớp vật liệu mạng tinh thể, giá
trị của x là tỷ lệ phân tử của M2+/(M2+ + M3+) và thường trong khoảng 0,2 - 0,33.
LDHs có thể được tổng hợp hoặc có nguồn gốc tự nhiên. Phổ biến nhất là loại clay
LDHs tự nhiên có công thức hóa học là Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O.
Cấu trúc LDHs có thể được hiểu là một dạng cấu trúc có những đặc tính tương đồng
với cấu trúc của các lớp hidroxide kim loại trong khoáng bruxit. Bruxit bao gồm tám
mặt, mỗi mặt có dạng hình lục giác mà mỗi đỉnh là một ion hydroxide gói chặt các ion
Mg2+ bên trong. Hydroxide kim loại trong tinh thể khoáng bruxit thì trung hòa về điện
tích và xếp thành một khối bởi lực liên kết Van der Waal’s, khoảng cách giữa hai lớp
hydroxide của bruxit là 0,48 nm.

 

7

Hình 2.1 Cấu trúc của LDHs với anion lớp xen
là cacbonate (Duan và ctv, 2005).
Còn ở LDHs một vài cation hóa trị 2 của những dạng tấm tương tự brucite thì được
thay thế bởi những ion hóa trị 3 và nằm lẫn với lớp hydroxide kim loại, hình thành
mạng điện tích dương. Sự dư điện tích ở lớp bề mặt hydroxide kim loại được trung hòa
bởi những ion âm tập trung ở khe giữa hai lớp hydroxide. Vùng này ở LDHs cũng
chứa một vài phân tử nước để ổn định cấu trúc tinh thể. Sự hiện diện của các ion âm và
những phân tử nước làm tăng vùng trung gian từ 0,48 nm ở brucite lên 0,77 nm ở MgAl LDHs.
Độ dày của LDHs thường được tính bằng cách lấy khoảng cách cơ sở (xác định
bằng XRD) trừ đi độ dày của các lớp tương tự brucite (giả định là 0,48 nm), tức là
dcơ sở = 0,48 + lanion (nm).
Nhiều dạng vật liệu LDHs có hiện tượng rất đặc biệt gọi là “hiệu ứng nhớ”, cho
phép tự hồi phục cấu trúc lớp tinh thể từ dạng hóa tro của chúng, khi hòa tan vào dung
dịch có những ion âm phù hợp. Đặc tính này được dùng để tổng hợp và cải biến LDHs
với những loại ion âm nằm ở lớp giữa khác nhau.
2.5.2. Đặc tính của LDHs
•

Diện tích bề mặt lớn (100 – 300 m2/g).

•

Sự phân bố đồng nhất của các ion kim loại ở dạng tinh thể vững chắc rất nhỏ
giúp chúng ổn định với nhiệt độ ngay cả ở điều kiện khử.

 

8

•

Những tác động tương hỗ giữa những yếu tố là động lực thúc đẩy sự phát triển
các đặc tính base hay hydrogen hóa chuyên biệt.

•

“Hiệu ứng nhớ” là hiệu ứng cho phép tái cấu trúc lại mạng tinh thể trong điều
kiện nung ở nhiệt độ cao và tương tác với dung dịch chứa những loại ion âm
khác nhau.

•

Khả năng trao đổi anion tốt (Duan và ctv, 2005).
2.5.3. Phương pháp tổng hợp LDHs
Theo Duan và ctv (2005), một số phương pháp tổng hợp đã được sử dụng để tổng

hợp LDHs. Phổ biến nhất là phương pháp đồng kết tủa (coprecipitation), phương pháp
thứ hai dựa trên quá trình trao đổi ion, thứ ba dựa trên các "hiệu ứng nhớ" để tái tạo lại
cấu trúc.
Một số phương pháp khác, chẳng hạn như tổng hợp sol-gel bằng cách sử dụng
dung dịch ethanol và aceton,vv cũng được sử dụng.
2.5.3.1. Phương pháp đồng kết tủa
Trong phương pháp đồng kết tủa, các dung dịch muối của M2+ và M3+ được cho
phản ứng với nhau theo một tỉ lệ nhất định về số mol.
Một ưu điểm của phương pháp tổng hợp này là có thể xen trực tiếp nhiều loại
anion vào giữa các lớp hydroxides. Để đảm bảo sự kết tủa đồng thời của các cation,
phản ứng tổng hợp cần thiết phải thực hiện trong điều kiện bão hòa. Nói chung, điều

kiện bão hòa đạt được bằng cách kiểm soát độ pH của quá trình, pH phải cao hơn hoặc
bằng pH mà tại đó làm kết tủa hydroxide.
Sau phản ứng đồng kết tủa, sản phẩm phản ứng được nung ở nhiệt độ cao (thường
từ 273 – 373oK trong một vài giờ hoặc một vài ngày) để tăng hiệu suất kết tinh các vật
liệu. Hai phương pháp đồng kết tủa thường được sử dụng: kết tủa tại độ bão hòa thấp
và kết tủa tại độ bão hòa cao.
Kết tủa tại độ bão hòa thấp được tạo ra bằng cách bổ sung chậm các hỗn hợp
dung dịch muối kim loại hóa trị hai, ba với một tỷ lệ nhất định vào một dung dịch
anion, dung dịch kiềm được thêm vào phản ứng để duy trì độ pH. Một ưu điểm của
phương pháp này là cho phép kiểm soát mật độ khoảng cách của lớp đôi hydroxide (tỷ
lệ MII/MIII) nhờ việc điều chỉnh pH. Ưu điểm thứ hai là điều kiện bão hòa thấp thường
tăng lượng kết tủa với nhiều tinh thể hơn so với điều kiện bão hòa cao.

 

9


Kết tủa tại độ bão hòa cao: Cho một hỗn hợp dung dịch muối MII/MIII vào một
dung dịch kiềm có chứa các anion, sau phản ứng thường tạo ít tinh thể. Bởi vì phương
pháp này có một sự thay đổi liên tục pH dung dịch, do đó sản phẩm có tỷ lệ MII/MIII
không như mong muốn. Xử lý nhiệt sau phản ứng đồng kết tủa có thể giúp tăng lượng
tinh thể vô định hình.
2.5.3.2. Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion đặc biệt hữu ích khi không thể áp dụng được phương
pháp đồng kết tủa, như khi các cation kim loại hóa trị hai, ba hoặc các anion không ổn
định trong dung dịch kiềm, hoặc khi phản ứng trực tiếp giữa các ion kim loại và anion
lạ thuận lợi hơn. Trong phương pháp này, những anion lạ được trao đổi với các anion
có mặt trong không gian các lớp xen của LDHs.
Thông thường, phương pháp trao đổi ion được thực hiện theo một trong hai quy

trình như sau
LDH.Am- + Xn- → LDH.(Xn-)m/n + Amhoặc
LDH.Am- + Xn- + mH+ → LDH.(Xn-)m/n + HmA.
Có một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi ion
•

Thứ tự trao đổi
Nói chung, khả năng trao đổi anion tỉ lệ thuận với sự tăng mật độ điện tích,
giảm bán kính ion. Trình tự trao đổi anion vô cơ giảm theo thứ tự: CO32- >
HPO42- > SO42- và OH- >F- > Cl- > Br- > NO3- > I-. Vì nitrate được trao đổi một
cách dễ dàng nhất, do đó nitrate LDHs thường được sử dụng như là tiền chất để
trao đổi ion.

•

Dung môi trao đổi ion
Không gian lớp xen của LDHs có thể được mở rộng đến mức độ nào đó cho phù
hợp với quá trình trao đổi ion. Trong môi trường nước thì thuận lợi cho trao đổi
các anion vô cơ, trong khi một dung môi hữu cơ lại dễ dàng cho trao đổi các
anion hữu cơ.

•

Giá trị pH
Đối với các anion có tính acid yếu giả sử như terephthalate hoặc benzoate, pH
thấp hơn độ pH của dung dịch phản ứng thì có sự tương tác yếu giữa các lớp

 

10

hydroxide và anion lớp xen. Tuy nhiên giá trị pH không được thấp hơn 4, vì khi
đó cấu trúc LDHs sẽ bắt đầu bị phá hủy.
•

Thành phần hóa học của các lớp
Thành phần hóa học của các lớp LDHs ảnh hưởng đến mật độ các tấm của

LDHs và tình trạng hydrate hóa, do đó ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion. Một số
yếu tố khác như nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion, nhiệt độ cao
hơn có lợi cho trao đổi ion, tuy nhiên nhiệt độ quá cao có thể có ảnh hưởng xấu đến sự
toàn vẹn cấu trúc của LDHs.
Phương pháp trao đổi ion là đặc biệt hữu ích cho việc chuẩn bị noncarbonate
LDHs. Các anion hữu cơ xen bao gồm carboxylates, các ion bề mặt, phosphonates,
detratives β-cyclodextrin, dẫn xuất poly (ethylene oxide), polystyrene sulfonate, phân
tử sinh học, các acid amin, anion glyphosate, và anion thuốc nhuộm. Anion vô cơ được
xen vào bao gồm: polyoxometalates, ion phosphate, và ion phức hợp kim loại.
2.5.3.3. Sử dụng hiệu ứng nhớ
Nung LDHs để loại bỏ các phân tử nước, anion lớp xen và nhóm hydroxyl, kết
quả tạo ra một hỗn hợp oxide kim loại. Điều đặc biệt ở LDHs nung là khả năng tái tạo
lại cấu trúc lớp khi nó được tiếp xúc với nước và các anion. Các anion không nhất
thiết phải là các anion trong LDHs gốc, do đó đây là một phương pháp quan trọng để
có được nhiều dạng LDHs với các anion vô cơ và hữu cơ khác nhau. Hợp chất hữu cơ
chromophores, chất hoạt động bề mặt, ε-caprolactam, thuốc nhuộm spiropyran
sunfonat hóa, các loại thuốc diệt cỏ glyphosate, naphthalenedisulphonates, anion kim
loại phức tạp, acid amin, peptide, hexose đã được xen vào LDHs thông qua quy trình
bù nước đó. Phương pháp này thường được sử dụng khi các anion cần xen có kích
thước lớn, nó cũng tránh được sự cạnh tranh của các anion vô cơ ban đầu phát sinh từ
các muối kim loại. Phương pháp này phức tạp hơn phương pháp đồng kết tủa hoặc trao

đổi ion.
Cần lưu ý rằng cả hai yếu tố: nhiệt độ nung và thành phần hóa học của tấm LDHs
có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tái tạo cấu trúc. Muốn sử dụng "hiệu ứng nhớ" thì
phải giảm nhiệt độ nung của LDHs cha mẹ, bởi vì sự tăng nhiệt độ nung gây ra sự
khuếch tán trạng thái rắn của các cation hóa trị hai vào vị trí tứ diện, kết quả là hình
thành cấu trúc ổn định. Sau khi tái tạo cấu trúc nhờ quá trình bù nước, cơ cấu lớp

 

11


LDHs được hồi phục với mức độ khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ nung trước đây,
cũng như thời gian cộng nước ở 25oC. Tái thiết được hoàn tất sau khi bù nước trong
24h khi mẫu đã được nung ở nhiệt độ bằng hoặc thấp hơn 550oC, trong khi cần 3 ngày
để tái tạo lại mẫu trước đó nung tại 750oC, chỉ có một phần nhỏ được tái tạo lại sau khi
nung ở 1000oC.
2.5.4. Ứng dụng của LDHs
LDHs được ứng dụng trong xúc tác, hấp thụ, dược phẩm, điện hóa, quang hóa, và
nhiều lĩnh vực khác, đó là do tính linh hoạt cao, dễ dàng thay đổi các thuộc tính của
LDHs.
2.5.4.1. Ứng dụng trong xúc tác
LDHs có thể được dùng làm chất hỗ trợ xúc tác, tiền xúc tác hoặc các chất xúc tác.
Năm 1971, người ta phát hiện ra LDHs có chứa các cation kim loại khác nhau (như
Mg, Zn, Ni, Cr, Co, Mn và Al) với anion lớp xen là cacbonate, nung ở 473 - 7230K và
được clo hóa một phần hoặc hoàn toàn có hiệu quả hỗ trợ cho chất xúc tác Ziegler
trong việc trùng hợp từ olefin.
Gần đây LDHs và các sản phẩm có nguồn gốc hữu cơ đã được báo cáo là hỗ trợ
cho việc cố định các enzyme. Ví dụ, Duan và ctv (2005) đã nghiên cứu sự cố định của
acylase penicillin G trong khoảng không gian lớp hydroxide của một LDHs Mg/Al

nhờ các ion glutamate, hiệu suất hoạt động của các enzym sau cố định còn 90%. Ngoài
ra người ta cũng đã thành công trong việc cố định acylase penicillin G bằng cách hấp
phụ vật lý lên LDHs Mg/Al-CO3 nung. Hoạt động của các enzym cố định chèn trong
LDHs đạt tối đa khi nung LDHs ở nhiệt độ từ 723 và 823oK, LDHs Mg/Al-CO3 không
nung đã cho ái lực với các enzyme cao hơn so với LDHs Zn/Al–CO3 nung, nhưng tỷ
lệ phần trăm hoạt động lại thấp hơn.
Cả hai loại LDHs nung và không nung được chứng minh đều có hiệu quả hỗ trợ
cho các chất xúc tác kim loại. Các LDHs không nung được sử dụng trong các phản
ứng xúc tác, bao gồm các phản ứng epoxidation của styrene sử dụng Mg/Al LDHs,
Knoevenagel ngưng tụ sử dụng Ni/Al LDHs hay LDHs chứa fluoride, hydro hóa của
phenol trong Co/Ni/Al LDHs, và carbon hóa pha lỏng của methanol để methyl acetate
xúc tác trên Ni/Al LDHs. Tiền thân của LDHs: hỗn hợp oxit hình thành bởi sự phân
hủy nhiệt cũng được dùng làm chất xúc tác.

 

12