Tổng hợp và khảo sát khả năng kháng khuẩn của vật liệu Cu/ZnO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ NGUYỄN LAM UYÊN

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN
CỦA VẬT LIỆU Cu/ZnO

Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số
: 60.52.0301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2019


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Nguyễn Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Nguyễn Quang Long

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày tháng
năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Lê Minh Viễn

2. TS. Nguyễn Tuấn Anh
3. PGS.TS. Nguyễn Quang Long
4. PGS.TS. Nguyễn Đình Thành
5. TS. Nguyễn Quốc Thiết
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và học tập tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa Vô cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học,
Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, được sự giúp quý báu của các Thầy Cô, đồng
nghiệp và gia đình, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cao học. Để đạt được kết quả đó, tôi xin
gửi những lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến những người đã hết lòng giúp đỡ tôi trong thời
gian vừa qua.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ, là người Thầy
hướng dẫn tận tình và luôn giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, giúp tôi nâng cao kiến thức và kinh
nghiêm trong nghiên cứu khoa học.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị đồng nghiệp tại bộ môn Vô cơ, luôn hỗ
trợ và chia sẻ kiến thức, kinh nghiêm quý báu trong suốt quá trình làm luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, là nguồn động viên to lớn, luôn luôn bên cạnh, âm thầm hỗ
trợ tinh thần để tôi có thể hoàn thành luận văn.
Lừi cuối tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô trong Hội đồng chấm luận văn bộ môn Hóa Vô
Cơ đã dành thời gian đọc, chỉnh sửa và đóng góp ý kiến, giúp tôi hoàn thành luận văn. Tuy nhiên
trong quá trình thực hiện luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự
góp ý của Quý Thầy Cô và bạn đọc nhằm bổ sung và hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2019



TÓM TẮT
Những năm qua, nhiều công trình nghiên cứu đã đuợc thục hiện để tổng hợp và đánh
giá về khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano. Trong đó, vật liệu kháng khuẩn dạng nano
vô cơ sử dụng các kim loại nhu Ag, Au, Cu và các oxide ZnO, T1O2, CeŨ2... đuợc công
nhận có khả năng ức chế vi khuẩn và nấm hiệu quả, ngay cả khi dùng với nồng độ thấp.
Đặc biệt, ZnO là oxide thông dụng, không độc hại, có phạm vi ứng dụng rộng, kháng
khuẩn cao, thậm chí không cần ánh sáng. Khả năng kháng khuẩn tốt của ZnO cho cả vi
khuẩn gram âm và vi khuẩn gram duơng. Bên cạnh đó, hạt CU2O cũng là vật liệu đầy hứa
hẹn cho xúc tác quang và kháng khuẩn.
Tuy nhiên, một số loại vi khuẩn không thể bị ức chế bởi Cu hoặc ZnO riêng lẽ. Do đó,
hỗn hợp nano Cu/ZnO đuợc kỳ vọng sẽ tăng cuờng không chỉ khả năng kháng khuẩn mà
còn cải thiện tính ổn định nhiệt và bền hóa học của vật liệu. Trong nghiên cứu này, vật liệu
nanocompozit Cu/ZnO đuợc tổng hợp bằng phuơng pháp sol-gel. Ảnh huởng của nhiệt độ
nung và thời gian nung đến vật liệu nanocompozit Cu/ZnO là yếu tố quan trọng đã đuợc
khảo sát. Vật liệu sau khi kết thúc quá trình sol-gel đuợc sấy và mẫu tro nung trong 2 giờ ở
500°C. Các đặc trung hóa lý của vật liệu nanocompozit Cu/ZnO đuợc xác định bởi nhiễu
xạ tia X, BET, FTIR, kính hiển vi điện tử quét, kính điện tử truyền qua và khả năng kháng
khuẩn của vật liệu đuợc kiểm chứng với vi khuẩn phổ biến gây bệnh ở người là vi khuẩn
Staphylococus aureus (gram dương), Escherichia colỉ (gram âm). Kết quả cho thấy các hạt
của vật liệu Cu/ZnO tồn tại hình cầu có kích thước từ 15-60 nm, có hoạt tính kháng khuẩn
cao đối với cả vi khuẩn gram dương (5. aureus) và vi khuẩn gram âm (E.colí) với nồng độ
ức chế tối thiểu (MIC) là 0,16 mg/ml và 1,25 mg/ml. Tính ổn định khả năng kháng khuẩn
của vật liệu đã được khảo sát. Hoạt tính kháng khuẩn giảm sau 45 ngày khi nanocompozit
Cu/ZnO được bảo quản ở nhiệt độ phòng và tiếp xúc thường xuyên với không khí.

11



ABSTRACT
Recently, the rapid development of nano technology with controlled particles size and
shape led to many results of new antibacterial materials have been published. Among
nanoparticles, various kinds of antibacterial inorgamic nanomaterials such as transition metals
(e.g Ag, Cu and Au) and theữ oxides (e.g. ZnO, T1O2 and CeCh) have been recognized to
effectively inhibit both bacteria and fungi, even using a low concentration of nanoparticles. In
particular, ZnO, which is a common and nontoxic oxide, has a wide range of applications and
a high antibacterial property even without light. Several previous studies proved that ZnO can
be killed both negative and positive grams. Besides, CU2O nanoparticles which have highly
efficient, broadspectrum and economical is a promising material for solar energy conversion,
catalysis and antibacterial.
However, some kinds of bacteria cannot be inhibited by Cu or ZnO separately.
Therefore, a nanocomposite of Cu and ZnO is expected not only to enhance its antibacterial
property but also to improve its chemical and thermal stability. In this work, the Cu/ZnO
nanocomposite was synthesized using a sol-gel methol. Thecalcination conditions, i.e.,
temperature and duration, on the crystallization of Cu/ZnO composite were carefully
investigated. The most suitable condition was found to be a calcination at 500°C within 2 hours.
Synthesized Cu/ZnO nanocomposite was were characterized by powder X-Ray Diffraction,
BET nitrogen adsorption isotherms, FTIR, field emission scanning electton microscopy,
transmission electron microscopy, and evaluated its antibacterial against human pathogenic
bacteria such as Staphylococcus aureus (gram-positive bacteria) and Escherichia coli (gramnegative bacteria). The results showed that the particles of Cu/ZnO composite existed spherical
shapes with a wide variation in the size of 15 - 60 nm. Cu/ZnO nanocomposite had the high
antibacterial activity against both the gram-positive bacteria (5. aureus) and

iii

the gram-negative bacteria (E. coll) with the values of minimum inhibitory concentration (MIC)
of 0.16 mg.mT1 and 1.25 mg.ml'1, respectively. Antibacterial activity and stability of sample
was also surveyed. The antibacterial activity of Cu/ZnO nanocomposite was reduced after a
storage for 45 days at ambient conditions.

IV


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thục sụ của cá nhân tôi, đuợc
thục hiện duới sụ huớng dẫn của Thầy PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phuơng Hạ thuộc bộ môn Hóa Vô
cơ, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, truờng Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Các số liệu, những kết quả và kết luận nghiên cứu trong luận văn này là trung thục.
Các tài liệu tham khảo đuợc trích dẫn đầy đủ, trung thục theo các quy định hiện hành.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên Cao học

Võ Nguyễn Lam Uyên

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ đầy đủ

Nghĩa

AFM

Atomic Force Microscope

Kính hiển vi nguyên tử lực

BET

Brunauer-Emmett-Teller

FTIR

Fourier Transform Infrared

Quang phổ hồng ngoại

Spectroscopy
MBC

Minimal Bactericidal Concentration

Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu

MIC

Minimal Inhibitory Concentration

Nồng độ ức chế tối thiểu

ROS

Reactive Oxigen Spcecies

Gốc oxi hóa tự do

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscopy

TGA

Thermo Gravimetric Analysis

Phân tích nhiệt

uv

Ultraviolet

Tia cực tím

XRD

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

6

Kính hiển vi điện tử truyền qua


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. Vật liệu nano .................................................................................................... 1
1.1.1.1 Giới thiệu vật liệu nano ...................................................................... 1
1.1.1.2.

Tính chất và ứng dụng vật liệu nano ............................................... 1

1.2. Vật liệu nano trong kháng khuẩn ..................................................................... 2
1.2.1. Vật liệu ZnO .............................................................................................. 2
1.2.1.1 Khả năng kháng khuẩn của ZnO ....................................................... 2
1.2.1.2 Cơ chế kháng khuẩn của ZnO ........................................................... 3
1.2.2. Vật liệu Cu và hợp chất của Cu ................................................................. 7
1.2.2.1. Khả năng kháng khuẩn của Cu .......................................................... 8
1.2.2.2.

Khả năng kháng khuẩn của CU2Ơ ................................................... 9

1.2.2.3.

Khả năng kháng khuẩn của CuO ...................................................... 9

1.2.2.4.

Cơ chế kháng khuẩn của Cu và hợp chất của Cu ........................... 10

1.2.3. Hiệu quả kháng khuẩn của vật liệu ZnO tăng lên khi bổ sung Cu 12
1.3. Các phương pháp tổng hợp ............................................................................. 14
1.3.1. Phương pháp nghiền................................................................................ 14
1.3.2. Phương pháp vi sóng ............................................................................... 14
1.3.3. Phương pháp thủy nhiệt .......................................................................... 15
1.3.4. Phương pháp đồng kết tủa ....................................................................... 17
1.3.5. Phương pháp sol-gel................................................................................ 18
1.4. Tính cấp thiết .................................................................................................. 21
1.5. Mục tiêu đề tài ................................................................................................ 21
1.6. Phương pháp giải quyết .................................................................................. 22
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM .................................................... 23

viii


2.1. Nguyên liệu .................................................................................................... 23
2.2. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................... 23
2.3. Quy trình tổng hợp .......................................................................................... 24
2.3.1.

Sơ đồ bố trí thí nghiêm ............................................................................ 24

2.3.2.

Thuyết minh quy trình ............................................................................. 24

2.3.3.

Các yếu tố ảnh hưởng.............................................................................. 25

2.3.3.1.

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol Cu2+/Zn2+ ....................................... 25

2.3.3.2.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung ................................................ 26

2.3.3.3.

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung............................................... 26

2.3.3.4.

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất phân tán ........................................ 26

2.3.3.5.

Khảo sát ảnh hưởng của pH ................................................................. 27

2.4. Các phương pháp phân tích............................................................................. 28
2.4.1.

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................ 28

2.4.2.

Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) ....................................................... 29

2.4.3.

Phân tích hình ảnh qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).... 29

2.4.4.

Phân tích hình ảnh qua kính hiển vi điện tử truyền qua (SEM) .... 30

2.5. Tính chất hóa lý của vật liệu .......................................................................... 31
2.5.1.

Xác định độ ẩm (tham khảo theo AASHTO T 265-93 (2004) ................ 31

2.5.2.

Xác định cấu trúc vật liệu (FTIR) ........................................................... 32

2.6. Đánh giá khả năng kháng khuẩn ..................................................................... 32
2.6.1.

Giới thiệu................................................................................................. 32

2.6.2.

Tiêu chuẩn trích dẫn ................................................................................ 33

2.6.3.

Các bước tiến hành .................................................................................. 33

viii


2.6.4.

Ghi nhận và xử lý kết quả phân tích kháng khuẩn ..................................34

2.6.5.

Chủng vi khuẩn được chọn để đánh giá ..................................................34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 36
3.1. Cấu trúc vật liệu .............................................................................................. 36
3.1.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung ................................................................. 36

3.1.2.

Ảnh hưởng của thời gian nung ............................................................... 39

3.1.3.

Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu Cu2+/Zn2+ ...........................................40

3.1.4.

Ảnh hưởng của tỷ lệ chất phân tán .........................................................41

3.1.5.

Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 42

3.2. Kích thước vật liệu ......................................................................................... 43
3.3. Diện tích bề mặt .............................................................................................. 44
3.4. Tính chất hóa lý .............................................................................................. 46
3.4.1.
3.4.2.

Độ ẩm ..................................................................................................... 46
Cấu trúc vật liệu (FTIR) .........................................................................47

3.5. Đánh giá khả năng kháng khuẩn ..................................................................... 48
3.5.1.

Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) .............................................................. 48

3.5.2.

Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) ...................................................... 52

3.5.3.

Đánh giá tính bền của vật liệu ................................................................ 53

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 56

CHƯƠNG 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................... 58

IX


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các cơ chế kháng khuẩn của ZnO ......................................................................... 7
Hình 1.2: Các cơ chế kháng khuẩn của nano kim loại Cu ..................................................... 10
Hình 1.3: Sơ đồ quy trình tổng hợp bằng phương pháp sol-gel của vật liệu nano.. 18
Hình 2.1: Thiết bị lò nung khí trơ sử dụng trong thực nghiêm .............................................. 23
Hình 2.2: Sơ đồ khối quy trình tổng hợp vật liệu Cu/ZnO .................................................... 24
Hình 3.1: Kết quả khảo sát TGA của mẫu sau quá trình sol-gel ............................................ 36
Hình

3.2: Kết quả XRD khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung .................................. 37

Hình

3.3: Kết quả XRD khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung.................................. 39

Hình

3.4: Kết quả XRD khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Cu2+/Zn2+ ................................. 40

Hình

3.5: Kết quả XRD khảo sát ảnh hưởng của chất phân tán................................... 41

Hình

3.6: Kết quả XRD khảo sát ảnh hưởng của pH ........................................... 42

Hình 3.7: Hình ảnh phân tích qua SEM , TEM của vật liệu Cu/ZnO .................................... 43
Hình 3.8: Kết quả BET của vật liệu Cu/ZnO ........................................................................ 45
Hình 3.9: Kết quả phân tích IR của vật liệu Cu/ZnO ............................................................ 47
Hình 3.10: Hình ảnh thử nghiệm MIC trên vi khuẩn Gram dương Staphylococcus
aureus và vi khuẩn Gram âm Escherichia coli ................................................. 49
Hình 3.11: Hình ảnh thử nghiệm MIC trên 5 vi khuẩn ......................................................... 51
Hình 3.12: Hình ảnh thử nghiệm MIC trên vi khuẩn Gram dương Staphylococcus
aureus và vi khuẩn Gram âm Escherichia coli sau 45 ngày ............................ 54

X


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Cơ chế kháng khuẩn của hợp chất nano Cu ........................................................... 11
Bảng 2.1: Tỷ lệ khảo sát mol nguyên liệu Cu2+/Zn2+ ............................................................. 25
Bảng 2.2: Tỷ lệ khảo sát chất phân tán theo thể tích so với dung dịch ban đầu .................... 27
Bảng 3.1: So sánh kích thước hạt nano với một số nghiên cứu khác ..................................... 44
Bảng 3.2: So sánh diện tích bề mặt vật liệu với một số nghiên cứu khác .............................. 45
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm MIC trên vi khuẩn Gram dương Staphylococcus aureus và vi
khuẩn Gram âm Escherichia colỉ ........................................................................................... 48
Bảng 3.4: Kết luận thử nghiệm MIC trên vật liệu nano Cu/ZnO ........................................... 49
Bảng 3.5: So sánh kết quả nồng độ ức chế tối thiểu MIC với vi khuẩn gram dương
Staphylococcus aureus và vi khuẩn gram âm Escherichia colỉ .......................... 49
Bảng 3.6: Kết quả thử nghiệm MIC trên 5 vi khuẩn .............................................................. 50
Bảng 3.7: Kết luận thử nghiệm MIC trên 5 vi khuẩn ............................................................. 51
Bảng 3.8: Kết quả thử nghiệm xác định nồng độ diệt khuẩn tối thiểu MBC của mẫu bột kim
loại Cu/ZnO trên vi khuẩn Staphylococcus aureus và Escherichia

colỉ ....................................................................................................................... 52
Bảng 3.9: Kết luận thử nghiệm MBC trên vật liệu nano Cu/ZnO .......................................... 52
Bảng 3.10: So sánh kết quả thử nghiệm xác định nồng độ diệt khuẩn tối thiểu MBC của mẫu
bột kim loại Cu2O-ZnO trên vi khuẩn Staphylococcus aureus và
Escherichia coli với các nhóm nghiên cứu khác ................................................ 53
Bảng 3.11: Kết quả thử nghiệm MIC trên vi khuẩn Gram dương Staphylococcus
aureus trong 45 ngày .............................................................................................................. 54

XI


MỞ ĐẦU
Sự phát triển xã hội không bền vững để lại nhiều vấn đề mà khoa học cần giải quyết như ô
nhiễm môi trường và lạm dụng chất kháng sinh gây nhiều hậu quả đáng tiếc, mà hậu quả lớn nhất dẫn
đến việc con người liên tục phải tìm kiếm các loại vật liệu có tính kháng khuẩn mới để thay thế. Đơn
cử là dòng Staphylococcus aureus kháng lại Methicillin, Enterococcus kháng lại Vancomycin,... Các
nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu vào các loại vật liệu có khả năng kháng khuẩn, trong tương lai
gần việc sử dụng vật liệu kháng khuẩn có nguồn gốc hữu cơ hay vi sinh vật khó phát triển mạnh mẽ,
do vậy, ngành chế tạo vật liệu kháng khuẩn đang nghiêng sang các vật liệu có nguồn gốc vô cơ. Phương
pháp kháng khuẩn truyền thống thường sử dụng kim loại như bạc và đồng trong việc xử lý vết thương
nhiễm trùng, xử lý nước. Tuy nhiên, các kim loại này có nhược điểm như đắt tiền, độ bền vật liệu chưa
cao và nếu sử dụng nồng độ không thích hợp sẽ gây nguy hiểm cho chính con người. Nhiều nghiên
cứu gần đây đã dùng tác nhân là một số oxide kim loại có kích thước nano, có khả năng kháng khuẩn
cao, mở ra nhiều hướng nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực kháng khuẩn.
Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nhưng kiểm soát chưa tốt, vấn đề ô nhiễm
làm cho đời sống con người cũng gặp thêm nhiều khó khăn vì các loại vi khuẩn phát triển mạnh mẽ,
đe dọa sức khỏe và sự phát triển của loài người. Nhiều ngành công nghiệp tiêu dùng, sản xuất và chế
biến thực phẩm đã thải vào không khí, nguồn nước các chất độc hủy hoại môi trường sinh sống cho cả
con người và vi sinh vật gây bệnh hiểm nghèo cho con người. Để giải quyết bài toán khó đó, các nhà
khoa học kỳ vọng vào khả năng giải quyết của công nghệ nano vào vấn đề môi trường.

Công nghệ tổng hợp vật liệu nano đang là một hướng công nghệ mũi nhọn của thế giới. Việc
tổng hợp vật liệu mới, có kích thước nano đặc biệt có khả năng ức chế vi sinh vật đã và đang được
nghiên cứu tập trung. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano vô cơ bao gồm các phương pháp hóa
học, vật lý, sinh học... cũng thu hút sự chú ý của nhiều nước trên thế giới. Ưu điểm của các phương
pháp này là tạo ra được vật liệu thân thiện với môi trường, hiệu quả kinh tế và không gây nguy hiểm
cho con người.
Trên cơ sở đó, việc sử dụng các kim loại trong việc tạo ra vật liệu nano đang mở ra hướng
phù hợp cho việc đầu tư nghiên cứu, cải tiến vật liệu kháng khuẩn. Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn
cũng như sự phát triển lĩnh vực nghiên cứu này, luận văn đề xuất nghiên cứu tổng hợp vật liệu
Cu/ZnO có tính kháng khuẩn. Loại vật liệu này có ưu điểm là kích thước khá đồng nhất, cỡ nanomet,

xii


hoạt tính kháng khuẩn tốt và có thể định hướng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau chẳng hạn
vật liệu xây dựng, vật liệu gia dụng, vật liệu trang trí và đặc biệt trong lĩnh vực y tế cộng đồng.

xiii


CHƯƠNG1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Giới thiệu:
Vật liệu nano được định nghĩa là vật liệu có kích thước rất nhỏ, có ít nhất một chiều kích thước
nanomet (1 - 100 nm). về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và
khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn. về hình dáng, vật liệu
nano được chia thành các loại sau:
+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nanomet) như dạng hạt. + Vật liệu
nano một chiều (hai chiều kích thước nanomet) như dạng sợi, dạng ống. + Vật liệu nano hai
chiều (một chiều kích thước nanomet) như dạng tấm mỏng.

Bên cạnh đó cũng có vật liệu nano, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nanomet
hay vật liệu nanocomposite, cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn
nhau.
1.1.2. Tính chất và ứng dụng
Trong khi đa số vật liệu cấu trúc micro có những tính chất tương tự dạng khối thì vật liệu nano
lại có những tính chất khác biệt do kích thước nanomet của chúng. Tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích
rất lớn nên gần như toàn bộ vật liệu đều bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bề mặt, ví dụ như hạt nano kim loại
có thể ứng dụng làm chất xúc tác rất hoạt động. Giảm số lượng khuyết tật cũng là một trong những khả
năng khác biệt của vật liệu nano, tạp chất và khuyết tật dễ dàng bị đẩy lên bề mặt nên bị loại bỏ trong
quá trình nung, điều này làm tăng tính đồng đều và ổn định cho vật liệu. Kích thước nanomet còn tác
động lên hiệu ứng không gian của vật liệu dẫn đến hiệu ứng lượng tử.
Nhờ có kích thước nanomet mà vật liệu nano có các tính chất khác với dạng khối như nhiệt độ
nóng chảy thấp, khả năng phản ứng hóa học tốt hơn và đặc biệt màu sắc của hạt nano thay đổi theo
kích thước.



Các hạt nano vô cơ (kích thước, thành phần, hình dạng) cho phép vật liệu đễ thâm nhập vào tế
bào vi sinh vật và thời gian sử dụng dài, mang lại nhiều lợi thế có tính kháng khuẩn tốt với chi phí rẻ
hơn chất kháng khuẩn hữu cơ thông thường.
1.2. Vật liệu nano trong kháng khuẩn
1.2.1. Vật liệu ZnO
1.2.1.1. Khả năng kháng khuẩn trên hệ ZnO
ZnO có các tính chất đặc trưng như năng lượng band gap lớn (3,37 eV), tính chất điện và nhiệt
ổn định, năng lượng liên kết vật lý lớn (60 meV), vận tốc bão hòa lớn (3,2.10 7 cm.s'1). Do đó, nano
ZnO được ứng dụng trong diode phát quang, diode laser, pin mặt trời, vi điện tử, các thiết bị sóng âm,
thiết bị lưu trữ hydro, điện cực trong suốt, transistor màng mỏng, lớp phủ kháng khuẩn, chất bảo vệ
chống tia cực tím và cảm biến. ZnO là chất kháng khuẩn vô cơ có nhiều ưu điểm như khả năng tương
thích sinh học, có thể chống lại vi khuẩn tại điều kiện trung tính (pH=7) và trong bóng tối, không gây
độc hại với con người, chịu được điều kiện khắc nghiệt và bền hơn so với các vật liệu hữu cơ thông

thường. Vì vậy, ZnO được coi như là một tác nhân kháng khuẩn tiềm năng và thích hợp ứng dụng
trong công nghiệp [1]. ZnO được sử dụng rộng rãi vì có khả năng chống lại vi khuẩn gram âm và vi
khuẩn gram dương. Hơn nữa ZnO nano ít độc hơn nano Ag trong phạm vi nồng độ rộng 20-100 mg/1
nên đây cũng là một trong những lợi thế của nano ZnO khi lựa chọn vật liệu kháng khuẩn trong thực
phẩm [2]
Hongbo Ma và cộng sự, năm 2013 [3] đã đánh giá đầy đủ về độc tính của các hạt nano ZnO
trên vi khuẩn, tảo và thực vật, động vật không xương sống dưới nước và trên cạn. Đồng thời nhóm tác
giả này tập trung vào việc làm sáng tỏ các cơ chế kháng khuẩn hoạt động và cách thức các cơ chế này
liên quan đến các tính chất hóa lý (ví dụ như sự hòa tan, kích thước hạt, photoreactivity...).
Hiện nay, tổng hợp sinh học của các hạt nano đang ngày càng trở nên quan trọng do sự đơn
giản, thân thiện với sinh thái và kháng khuẩn tốt. Việc sử dụng các nguồn tài nguyên thực vật khác
nhau để tổng hợp các hạt nano kim loại đã được nhóm tác giả A. Chinnammal Janaki và cộng sự vào
năm 2015 [4] nghiên cứu, tổng hợp thành công nano oxide kẽm (ZnO NPs) có khả năng kháng khuẩn
với việc sử dụng các chất sinh học của bột chiết xuất gừng khô và kẽm cacbonat. Hoạt tính kháng
khuẩn của các hạt nano ZnO được thực hiện bằng phương pháp khuếch tán đối với các sinh vật gây
2


bệnh như viêm phổi Klebsiella, Staphylococcus aureus và Candida albicans và Penỉcỉllỉum notation.
Các hạt nano ZnO ngày càng được công nhận vì tính hữu ích của chúng trong các ứng dụng
sinh học bao gồm nano học và an toàn thực phẩm. Vào năm 2015 Mahboubeh Mữhosseini và Fatemeh
B Fữouzabadi [5] đã nghiên cứu và tiến hành đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của ZnO khi xét nghiêm
đối với vi khuẩn gram (-) Escherichia colỉs cũng như vi khuẩn gram (+) Staphylococcus aureus, và
hiệu quả được ghi nhận với gram (+) tốt hơn so với vi khuẩn gram (-). Trong nghiên cứu này, ZnO ở
dạng bột đã được điều chế và tiến hành các thí nghiệm kháng khuẩn trong môi trường nuôi cấy và sữa.
Mục tiêu là đánh giá các cách tiếp cận khác nhau, bổ sung các ứng dụng tiềm năng của ZnO trong việc
ức chế mầm bệnh đối với thực phẩm. Nghiên cứu này gợi ý rằng việc áp dụng ZnO NPs như là các
chất kháng khuẩn trong hệ thống thực phẩm và thuốc hiệu quả trong việc ức chế một số mầm bệnh
nhất định.
Rashmữekha Pati và cộng sự, năm 2014 [6] đã nghiên cứu cơ chế miễn dịch và kháng khuẩn

của các ZnO NPs chống lại các mầm bệnh của con người. ZnO NPs cho thấy có hoạt tính kháng tốt
Staphylococcus aureus và Mycobacterium bovis-BCG. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới
về các hoạt động kháng khuẩn của ZnO NPs và đã khẳng định đây là một chất chống nhiễm trùng tại
chỗ để điều trị các bệnh nhiễm trùng da, nhiễm trùng đường ruột.
Vật liệu nano ZnO có khả năng chống lại MRSA, kháng methicillin, s. cholermidis (MRSE),
K.pneumoaniae, Listeria monocytogenes, Salmonella enteritidis, Streptococcus mutans, Lactobacillus,
E.coli. Còn với vật liệu nano từ đồng có hiệu quả chống nhiễm trùng bệnh viện và được sử dụng như
nanocompozites để tăng hiệu quả kháng sinh [7]
1.2.1.2. Cơ chế kháng khuẩn của ZnO
Vào năm 2016, Alireza Samavati và cộng sự [1] đã công bố tổng hợp thành công vật liệu hạt
nano Zni-xCuxO bằng phương pháp sol-gel với tiền chất là gelatin và nitrate. Tác động của nồng độ
Cu lên các đặc tính cấu trúc, quang học và kháng khuẩn của hạt nano đã được nghiên cứu. Hình ảnh
của vật liệu qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ chứng tỏ vật liệu có hình dạng gần như là hình cầu
với kích thước trong khoảng 30-52 nm. Khi pha tạp Cu tạo ra Cu bổ sung ZnO lên bề mặt làm giảm
kích thước tinh thể. Các hoạt động kháng khuẩn của các vật liệu nano được kiểm tra đối với Escherichia
colỉ (vi khuẩn gram -) và cho kết quả tính kháng khuẩn của ZnO tăng lên khi pha tạp thêm nano Cu.
3


Tính chất của ZnO sẽ thay đổi khi tạo khuyết tật trong mạng tinh thể như thêm ion kim loại
chuyển tiếp (Cu2+, Ni2+, Co2+, Mn2+ và Fe2+) hay ion đất hiếm. Cu là kim loại chuyển tiếp có tính chất
vật lý và hóa học gần giống với Zn, vì có bán kính nguyên tử gần bằng nhau nên chúng có thể dễ dàng
thay thế nhau trong mạng tinh thể. Hơn thế nữa Cu có chi phí thấp hơn các kim loại còn lại nên Cu
được chọn để kết hợp với ZnO. Neena Prasad 2017 [8], bằng phương pháp đồng kết tủa đã tổng hợp
thành công Cu bổ sung ZnO với khoảng band gap nhỏ hơn của ZnO, làm gia tăng hiệu quả xúc tác
quang giúp vật liệu có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện ánh sáng trắng. Khi so sánh
tổng hợp tại điều kiện phòng và tại nhiệt độ nung 600°C trong 3 giờ, cho thấy số lượng oxi có tính oxi
hóa tăng lên đáng kể sau khi nung.
ZnO được cho là một tác nhân kháng khuẩn rất tiềm năng do khả năng chống vi khuẩn và
tương thích sinh học tốt. ZnO thể hiện khả năng kháng khuẩn tốt với cả vi khuẩn gram (+) và vi khuẩn

gram (-). Tuy nhiên cơ chế kháng khuẩn chính xác của ZnO vẫn còn chưa được hiểu rõ ràng, vẫn còn
có rất nhiều tranh cãi. Cho đến nay cơ chế kháng khuẩn của ZnO chủ yếu được chia thành bốn hướng
chính tạo ra ROS (Reactive Oxigen Species), giải phóng ion Zn2+, rối loạn chức năng của màng tế bào,
sự tấn công vào tế bào của hạt nano.
• Cơ chế tạo ra ROS
Đa số các nghiên cứu khoa học đều chỉ ra cơ chế gây độc của ZnO lên vi khuẩn là do ROS,
ROS chủ yếu bao gồm anion superoxit (’Ơ2), gốc hydroxil (*OH ). ROS gây hại đến tế bào bằng cách
phá hoại các bộ phận của chúng như DNA, lipid, protein. Sản sinh ROS được xem là yếu tố kháng
khuẩn chính với các phản ứng quang trên bề mặt ZnO. Khi ZnO được chiếu xạ bởi ánh sáng với năng
lượng thích hợp, e' kích thích nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại h+. Sau đây là phương trình phản
ứng để tạo ra ROS.
ZnO+hv^e +h+
e

(1.1)

+O2—> 'O2

(1.2)

h+ + OH~ ^'OH

(1.3)

h+ +H2O—>’OH+ H+

(1.4)

4

'O2+H+ -+HO2’

(1.5)

’O2 + H2O HO2’ + OH

(1.6)

HO2’ + H,o H2O2 + 'OH

(1.7)

H2O2—>2.’OH

(1.8)

Gốc hydroxil 'OH được cho là ROS có tính oxi hóa mạnh nhất bởi vì nó phản ứng mạnh mẽ
với các chất hữu cơ, thành phần sinh học của vi khuẩn như nucleic acid, lipid, carbohydrate, protein,
DNA và amino acid. Oxi singlet Ọo2 ) là một tác nhân oxi hóa được sinh ra do phản ứng trong nước
của 'O~, 'o? có thể oxi hóa phá hủy màng sinh chất tế bào và các mô bên trong vi khuẩn. Còn lại 'O~
có thể gây ra các hiệu ứng sinh học đáng kể, mặc dù 'O~ là tiền chất của 'Oỉỉ và 'o? nhưng tính oxi hóa
thì lại không bằng [2,9].
•

Cơ chế giải phóng ion Zn2+

ZnO có thể bị hòa tan một phần, Zn2+ thường được giải phóng ương dung dịch. Nhờ sự tương
tác giữa Zn2+ với màng tế bào vi khuẩn mà nó có thể dễ dàng đi vào bên trong vi khuẩn và tấn công
các nhóm chức năng của vi khuẩn như sulfhydryl (-SH), amino (NH2), hydroxyl (-OH) làm thay đổi

cấu trúc và chức năng của protein, vi khuẩn không thể trao đổi chất bình thường và chết. Theo cơ chế
này khả năng kháng khuẩn của ZnO phụ thuộc vào nồng độ Zn2+ được giải phóng, tuy nhiên nồng độ
này rất nhỏ, do đó đây không phải là cơ chế kháng khuẩn chính [10].
•

Gây rối loạn chức năng của màng tế bào

Nano ZnO mang điện tích dương sẽ hút tĩnh điện với màng tế bào vi khuẩn tích điện âm, do
đó ZnO có thể hấp thụ mạnh mẽ lên màng vi khuẩn. Điều này làm thay đổi cân bằng điện tích của vi
khuẩn, làm thay đổi cấu trúc và hình dạng tế bào và làm vi khuẩn bị tiêu diệt. Do đó, theo cơ chế này,
ZnO có thể gây hại cho vi khuẩn là do tương tác của nó với thành tế bào vi khuẩn. Tương tác này
không những có lực hút tĩnh điện kể trên, mà còn bao gồm các liên kết yếu như lực Vai de Waals,
tương tác kị nước hay receptor-ligand. Ngoài ra, khi hạt nano ZnO hấp thụ lên bề mặt vi khuẩn, chúng
bào mòn thành tế bào làm vi khuẩn dần bị tiêu diệt. Stoimenov và cộng sự, 2002 cũng đã cho thấy có

5


thể tiêu diệt vi khuẩn bằng cơ chế này. Tuy nhiên có nhiều nghiên cứu cho rằng độc tính của ZnO
không đến từ sự hấp thụ hạt nano lên bề mặt vi khuẩn mà đến từ các ROS xâm nhập vào vi khuẩn
[9,10].
•

Sự xâm nhập của hạt nano ZnO

Sau khi ZnO làm rối loạn và gián đoạn chức năng của màng tế bào thì chúng sẽ tấn công vào
bên trong vi khuẩn. Một khi hạt nano ZnO vào bên trong tế bào vi khuẩn, chúng sẽ ức chế và ngăn
chặn sự trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài của vi khuẩn. Hơn thế nữa, nano ZnO
có diện tích bề mặt riêng, năng lượng bề mặt lớn sẽ hỗ trợ sự hấp thụ của ZnO lên vi khuẩn. K.B.Cheng
và cộng sự 2017 đã chứng minh rằng có thể ức chế vi khuẩn E.coli và s. agalactiae bằng cơ chế này

như hình 1.1 [9].

6


ROS generation

Nanomaterials accumulation on
membrane surface
Hình 1.1: Các cơ chế kháng khuẩn của ZnO [9].
1.2,2, Cu và các hợp chất của nó
Cu là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Các ỉon tan trong nước với hàm lượng
rất thấp cũng cỏ thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ. Với hàm lượng
đủ lớn các ỉon này cố thể là chất độc cho các sinh vật bậc cao hơn.
CUỈO là một trong hai dạng oxide của Cu, nó rất bền nhiệt (nóng chảy ở 1240°C). Trong
không khí ẩm CUỈO đễ dàng bị oxy hóa thành CuO. CU2Ũ là chất bán dẫn loại p, có năng lượng
vùng cấm là 2,14 eV và hấp thu bước sóng 580 nm, tính chất này làm CU2O nổi trội hơn một số
oxide khác. Cu2Ơ có hệ số hấp thu quang cao và tính quang đỉện tốt, ngoài ra nó cũng là chất
xúc tác oxy hốa khử, xúc tác quang [11-13]
Các đơn chất Cu, CU2O, CuO cũng như vật liệu tổng hợp CU/CU2O, Cu2Ũ/Cu thường được
gọi hạt nano dựa trên Cu đã thu hút rất nhiều sự chú ý và được sử dụng rộng rãi trong điện tử, quang
7