Có lẽ không ai ngờ rằng, ly nước cam mà mình uống hằng ngày rất có thể sẽ trở thành nguyên liệu đầu vào để tạo ra một loại vật liệu kỳ diệu, chấm lượng tử carbon có khả năng phát quang và diệt khuẩn.
Chấm lượng tử carbon, một vật liệu đa năng
Các chấm lượng tử carbon (carbon quantum dots) là một loại vật liệu nano đặc biệt, nó là các hạt có kích thước dưới 10 nano mét, mang nhiều tính chất hấp dẫn như độ bền cao, dẫn điện tốt, độc tính thấp, thân thiện với môi trường, khả năng tương thích sinh học cao cũng như nhiều tính chất quang học như các loại chấm lượng tử khác. Loại vật liệu này còn một ưu điểm đáng chú ý khác là thụ động hóa bề mặt, nghĩa là nó hầu như không bị ảnh hưởng hoặc bị ăn mòn trong môi trường sử dụng.
Thông thường, các chấm lượng tử carbon được coi là ứng viên cho các ứng dụng trong lĩnh vực truyền dẫn thuốc, hình ảnh sinh học, cảm biến sinh học, sản xuất thiết bị quang điện… Thậm chí, chấm lượng tử carbon còn được coi là nhỉnh hơn các hạt nano kim loại phổ biến như nano bạc, nano đồng về khả năng sử dụng trong lĩnh vực y sinh do độc tính thấp hơn, khả năng gây độc tế bào cũng nhỏ hơn.
Với loại vật liệu mới như chấm lượng tử carbon, vẫn còn nhiều điểm cần được tối ưu để có thể mở rộng phạm vi sử dụng trong đời sống xã hội, đặc biệt ở các phương pháp chế tạo. Bởi hiện tại, nhiều phương pháp chế tạo vẫn cần sử dụng các hóa chất độc hại hoặc những điều kiện nghiêm ngặt như nhiệt độ xử lý cao, thời gian kéo dài, quy trình phức tạp, đòi hỏi người tham gia có nhiều kỹ năng kiểm soát tình huống…
Ước mơ về một phương pháp chế tạo mới có thể tăng cường các đặc tính tốt, giảm lượng hóa chất gây độc, “xanh hóa” quy trình… đang đưa các nhà khoa học đến với vi plasma – một dạng plasma có kích thước phóng điện nhỏ ở phạm vi từ vài chục đến vài trăm micro mét (1 mico mét bằng 1/1 triệu mét), có thể được tạo ra trong điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng. Vi plasma hứa hẹn vào khả năng có thể góp phần làm quá trình chế tạo các chấm lượng tử carbon trở nên dễ dàng hơn, thúc đẩy đưa vật liệu này vào quá trình áp dụng ở quy mô thương mại trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong y sinh.
Nước cam làm “xanh hóa” quá trình chế tạo
Các nhà khoa học tại Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), ĐH Công nghệ (ĐHQGHN), ĐH Duy Tân, ĐH Phú Yên và ĐH Huế nhận thấy một vấn đề tồn tại trong quá trình sử dụng vi plasma chế tạo các chấm lượng tử carbon: sử dụng những nguyên liệu tiền chất chưa thực sự thân thiện với môi trường mà chưa quan tâm nhiều đến các nguyên liệu xanh tồn tại trong tự nhiên.
Vì vậy, các nhà khoa học mong muốn thử nghiệm các nguyên liệu tự nhiên cho việc tạo ra các chấm lượng tử carbon không độc hại từ nước cam bằng công nghệ vi plasma. Cách tiếp cận thân thiện với môi trường này sẽ đem lại các chấm lượng tử carbon với kích thước tùy chỉnh, qua đó giúp cho chúng phù hợp với các ứng dụng trong chụp ảnh sinh học và dán nhãn tế bào do khả năng tương thích sinh học của chúng. Mặt khác, nếu thiết lập được một quy trình chế tạo tối ưu với các điều kiện bớt nghiêm ngặt hơn thì khả năng áp dụng của các chấm lượng tử carbon thân thiện với môi trường ngày một được mở rộng. Thậm chí các nhà khoa học còn dự đoán, nếu thành công, “đột phá này sẽ đem lại nhiều cơ hội hứa hẹn cho các ứng dụng tương lai trải rộng trên nhiều lĩnh vực hơn”.
Vậy nước nước cam được chuẩn bị như thế nào? Các nhà khoa học đã mua những quả cam Vinh chín ngoài chợ rồi rửa sạch trước khi vắt bằng máy ép vô trùng. Nước cam thu được từ quá trình ép vô trùng này tiếp tục được đưa vào hệ vi plasma áp suất khí quyển nhiệt độ thấp xử lý với ba mẫu trong vòng 15, 20 và 30 phút và nhiệt độ dưới 600. Plasma đã tạo ra một lượng lớn electron tự do phản ứng với nước cam, dẫn đến sự phân lập các thành phần trong nước cam như các loại axit citric, sucrose và glucose, tạo ra các loại loài carbon hoạt tính cao C2 và gốc tự do gốc tự do CH, tạo điều kiện hình thành chấm carbon.
Các nhà khoa học tiếp tục lọc và ly tâm để phân lập được chấm lượng tử carbon lắng đọng với kích thước từ 2,06 đến 3,9 nano mét (kích thước khác nhau do phụ thuộc vào thời gian xử lý plasma).
Chấm lượng tử carbon diệt tụ cầu vàng và E. Coli
Các chấm lượng tử carbon mà các nhà khoa học chế tạo ra đều có lõi vòng thơm – nổi tiếng bởi tính bền và các đặc tính điện tử độc đáo – và các nhóm hydroxyl (OH), carbonyl (C=O), and hydrocarbon (C H) trên bề mặt. Không chỉ góp phần làm gia tăng tính tan trong nước của chấm lượng tử carbon, các nhóm chức đều là những vũ khí đặc biệt của thứ vật liệu đặc biệt này trong cuộc chiến với vi khuẩn. Mặt khác, khi chiếu tia cực tím vào dung dịch có chấm lượng tử carbon, dung dịch phát ra màu xanh lam do hiệu ứng giam hãm lượng tử.
Để thử nghiệm khả năng kháng khuẩn, các nhà nghiên cứu chuẩn bị các mẫu chứa tụ cầu vàng và E.coli nuôi cấy trong vòng 24 giờ ở mức nhiệt 370C, đủ sức hình thành các màng sinh học. Sau đó, dung dịch chấm lượng tử carbon được nhỏ vào các mẫu nuôi cấy cũng trong thời gian và mức nhiệt độ tương tự. Kết quả cho thấy, chỉ sau 5 giây tiếp xúc, chấm lượng tử carbon đã tiêu diệt được 57,0% tụ cầu vàng và sau 5 phút là 62,1% E. Coli.
Trong quá trình tiếp xúc với vi khuẩn, các chấm lượng tử carbon đã gây ra stress oxy hóa bằng các loại oxy hoạt hóa (ROS): vô hiệu hóa protein, gây tổn thương axit nucleic và thúc đẩy quá trình các gốc tự do làm thoái hóa các chất béo (peroxy hóa lipid). Do đó, các thành tế bào vi khuẩn bị phá vỡ và làm suy yếu ma trận màng sinh học.
Với kết quả này, các chấm lượng tử carbon đã chứng tỏ tiềm năng kháng khuẩn hiệu quả mà không cần bổ sung thêm các điều kiện khác như ánh sáng, chất oxy hóa. Và giống như mơ ước của các nhà khoa học, các chấm lượng tử carbon này đang tràn trề hy vọng trở thành ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học và xử lý môi trường.
Quy trình chế tạo chấm lượng tử carbon từ nước cam với những điều kiện mà họ thiết lập như đặc tính quang học phụ thuộc vào kích thước… cũng có nhiều tiềm năng mở rộng quy mô chế tạo, bắt đầu tiến thêm một bước trên con đường sản xuất công nghiệp.
————————————————
Tài liệu tham khảo:
“Size-Dependent Optical Properties and Exciton Self-Trapping Emission in Carbon Quantum Dots”. ChemistrySelect. 2024
“A Comprehensive Study on the Antibacterial Activities of Carbon Quantum Dots Derived from Orange Juice against Escherichia coli”. Applied Sciences. 2024
“Đánh giá tính kháng khuẩn của chấm lượng tử carbon được chế tạo từ nước cam”. Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học tự nhiên. 2024