BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO
MNFE2O4@C, ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN VITAMIN C

GVHD: TS. LÊ MINH TÂM
TS. ĐỖ MẠNH HUY
SVTH: HUỲNH ĐỨC TUỆ

SKL008861

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
--------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU

NANO MnFe2O4@C, ỨNG DỤNG LÀM
CẢM BIẾN VITAMIN C
SVTH: Huỳnh Đức Tuệ
MSSV: 18128073

GVHD: TS. Lê Minh Tâm
TS. Đỗ Mạnh Huy

Tp. Hồ Chí Minh,
1 tháng 8 năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
--------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU

NANO MnFe2O4@C, ỨNG DỤNG
LÀM CẢM BIẾN VITAMIN C
SVTH: Huỳnh Đức Tuệ
MSSV: 18128073
GVHD: TS. Lê Minh Tâm
TS. Đỗ Mạnh Huy

Tp. Hồ Chí Minh,
2 tháng 8 năm 2022


TĨM TẮT
Trong bài nghiên cứu này có hai nội dung nghiên cứu chính đó là:
- Xây dựng quy trình và chế tạo thành công vật liệu nano MnFe2O4 và MnFe2O4@C.
- Khảo sát tính chọn lọc MnFe2O4 và MnFe2O4@C vật liệu nào có thể làm chất xúc tác

(nanozyme) trong phản ứng giữa TMB và Oxi khơng khí.
- Ứng dụng làm cảm biến vitamin C với cơ chế ngƣợc, cơ chế ngƣợc ở đây là từ có màu
chuyển thành khơng màu dung dịch TMBdạng
TMBban đầu (khơng màu).

i

oxy hóa

(màu xanh lam) chuyển lại dạng


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Lê Minh Tâm và TS.
Đỗ Mạnh Huy những ngƣời Thầy đã hƣớng dẫn em tận tình trong suốt quá trình lựa chọn
và thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cơ ở khoa Cơng Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm,
Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh và các thầy cơ ở phịng Hóa Vơ cơ
- Viện Kỹ Nghiên Cứu Hóa Học- Viện Hàn Lâm Khoa Học đã tạo điều kiện cho em học
tập, thực hành nghiên cứu khoa học để hoàn thiện luận văn. Em cũng xin trân trọng cảm
ơn sự dạy dỗ nhiệt tình tâm huyết của các thầy cơ giáo trong suốt khóa học và thời gian
làm nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ trong
suốt thời gian học tập và thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn.
Do trình độ nghiên cứu, kỹ năng trình bày cịn nhiều hạn chế và những nguyên nhân
khách quan khác nên nội dung của luận văn cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót;
em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cơ giáo, các nhà khoa học.
Em xin trân trọng cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 8 năm 2022

Sinh viên thực hiện đề tài

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên Huỳnh Đức Tuệ, sinh viên khóa 2018 ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học, mã số
sinh viên 18128073.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi với sự hƣớng dẫn của TS. Lê
Minh Tâm và TS. Đỗ Mạnh Huy. Các số liệu và kết quả nêu trong khóa luận nay hồn
tồn là trung thực và chƣa từng đƣợc ông bố trong các cơng trình khác. Các kết quả,
thơng tin tham khảo, hình ảnh từ các nghiên cứu khác đều đƣợc trích dẫn đầy đủ, rõ ràng.
Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về đề tài của mình.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 8 năm 2022
Sinh viên thực hiện đề tài

iii


MỤC LỤC
TÓM TẮT............................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... iii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ x
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1.Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1
2.Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2

3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 2
4. Những đóng góp mới của khóa luận ............................................................................ 2
5. Bố cục khóa luận .......................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về Nanozyme ........................................................................................ 4
1.1.1.

Khái niệm về nanozyme ............................................................................... 4

1.2. Lịch sử phát triển nanozyme ................................................................................... 4
1.3. Nanozyme ............................................................................................................... 5
1.4. Nano Ferrit trong vai trò nanozyme ........................................................................ 5

iv


1.4.1.

Vai trò là một peroxidase .............................................................................. 6

1.4.2.

Vai trò là một oxidase ................................................................................... 7

1.5. Ứng dụng Nanozyme - Nano Ferrite ...................................................................... 7
1.6. Kết luận về vai trò nano ferrite ............................................................................... 8
1.7. Vật liệu nano MnFe2O4 tổng quan và phƣơng pháp chế tạo [2]............................. 9
1.7.1.

Tổng quan nano MnFe2O4 ............................................................................ 9


1.7.2.

Phƣơng pháp chế tạo ................................................................................... 10

1.8. Các kiểu bao bọc hạt nano .................................................................................... 10
1.9. Tìm hiểu về vitamin C .......................................................................................... 12
1.10.

Giới hạn phát hiện (LOD).................................................................................. 13

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................... 14
2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị cho nghiên cứu ....................................................... 14
2.1.1.

Hóa chất, vật tƣ ........................................................................................... 14

2.1.2.

Dụng cụ và thiết bị ...................................................................................... 14

2.2. Chế tạo vật liệu nano MnFe2O4 bọc cacbon(MnFe2O4@C) ................................. 15
2.2.1.

Quy trình chế tạo MnFe2O4 – bằng phƣơng pháp cơ hóa (nghiền) ............ 15

2.2.2.

Quy trình chế tạo nano MnFe2O4@C – bằng phƣơng pháp cơ hóa (nghiền)


kết hợp với nung thủy nhiệt ........................................................................................ 16
2.3. Quy trình thực hiện khảo sát khả năng phản ứng của TMB trong môi trƣờng O2
với vật liệu nano MnFe2O4 ............................................................................................. 17
2.3.1.

Khảo sát pH ................................................................................................ 17
v


2.3.2.

Khảo sát thời gian phản ứng ....................................................................... 18

2.3.3.

khảo sát phản ứng MnFe2O4 với TMB trong môi trƣờng nitơ .................. 18

2.3.4.

Khảo sát khối lƣợng vật liệu MnFe2O4 ....................................................... 18

2.4. Quy trình thực hiện khảo sát khả năng xúc tác nano MnFe2O4@C với phản ứng
giữa TMB với O2 ............................................................................................................ 18
2.4.1.

Khảo sát pH ................................................................................................ 18

2.4.2.

Khảo sát thời gian phản ứng ....................................................................... 19


2.4.3.

Khảo sát phản ứng MnFe2O4@C với TMB trong môi trƣờng nitơ ............ 19

2.4.4.

Khảo sát phản ứng của TMB với oxi ( không có MnFe2O4@C) ................ 19

2.4.5.

Khảo sát khối lƣợng vật liệu MnFe2O4@C ................................................ 20

2.5. Cảm biến acid ascorbic ( vitamin C) .................................................................... 20
2.5.1.

Khảo sát thời gian phản ứng – nồng độ vitamin C 0.02 mM ..................... 20

2.5.2.

Xây dựng đƣờng chuẩn vitamin C với độ màu 0.347207 ........................... 20

2.5.3.

Giới hạn phát hiện LOD ............................................................................. 20

2.6. Các phƣơng pháp xác định cấu trúc và từ tính của vật liệu .................................. 21
2.6.1.

Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................... 21


2.6.2.

Phƣơng pháp đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................... 22

2.6.3.

Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ UV- Vis ....................................................... 23

CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 26
3.1. Đặc trƣng các tính chất hóa lý của sản phẩm........................................................ 26

vi


3.1.1.

Thành phần hợp thức của oxit MnxFe3-xO4 trong các mẫu sản phẩm: ........ 26

3.1.2.

Cấu trúc tinh thể của sản phẩm: .................................................................. 27

3.1.3.

Hình thái và kích thƣớc sản phẩm: ............................................................. 28

3.1.4.

Chứng minh sự có mặt của lớp vỏ carbon trong mẫu MnFe2O4@C (mẫu B)


bằng các phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA và phổ hồng ngoại FT-IR:
30
3.1.5.

Từ tính của vật liệu ..................................................................................... 33

3.2. Kết quả khả năng phản ứng của TMB trong môi trƣờng O2 với vật liệu nano
MnFe2O4 và MnFe2O4@C .............................................................................................. 33
3.2.1.

Kết quả khảo sát pH .................................................................................... 33

3.2.2.

Kết quả khảo sát thời gian phản ứng .......................................................... 35

3.2.3.

Kết quả phản ứng TMB trong môi trƣờng nitơ .......................................... 39

3.2.4.

Kết quả khảo sát khối lƣợng vật liệu .......................................................... 41

3.2.5.

Đánh giá vai trò của vật liệu nano MnFe2O4@C trong phản ứng giữa TMB

với Oxi khơng khí ....................................................................................................... 45

3.3. Cảm biến acid ascorbic ( vitamin C) .................................................................... 47
3.3.1.

Kết quả khảo sát thời gian phản ứng – nồng độ vitamin C 0.02 mM ......... 47

3.3.2.

Đƣờng chuẩn vitamin C (acid ascorbic) ..................................................... 48

3.3.3.

Giới hạn phát hiện LOD ............................................................................. 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 54

vii


PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 56
PHỤC LỤC 1. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG NGUYÊN TỐ TRONG
CÁC MẪU SẢN PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP XRF .............................................. 56
PHỤC LỤC 2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH XRD CỦA CÁC MẪU SẢN PHẨM ......... 58
PHỤC LỤC 2.1. Phổ XRD của mẫu MnFe2O4 ........................................................ 58
PHỤC LỤC 2.2. Phổ XRD của mẫu MnFe2O4@C ................................................. 59
PHỤC LỤC 3. ẢNH SEM VÀ TEM CỦA CÁC MẪU SẢN PHẨM ........................ 60
PHỤC LỤC 3.1. Ảnh SEM của mẫu MnFe2O4 ....................................................... 60
PHỤC LỤC 3.2. Ảnh SEM của mẫu MnFe2O4@C ................................................. 61
PHỤC LỤC 3.3. Ảnh HR-TEM của mẫu MnFe2O4@C .......................................... 62
PHỤC LỤC 4.


KẾT QUẢ PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƢỢNG (TGA) VÀ

PHÂN TÍCH QUANG PHỔ FT-IR CỦA MẪU MnFe2O4@C ..................................... 63
PHỤC LỤC 4.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) của mẫu MnFe2O4@C
63
PHỤC LỤC 4.2. Kết quả phân tích quang phổ FT-IR của mẫu MnFe2O4@C ........ 64
PHỤC LỤC 5.

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TỪ TÍNH CỦA CÁC MẪU SẢN PHẨM

BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỪ KẾ MẪU RUNG (VSM) ................................................ 64

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Nồng độ tƣơng ứng mật độ quang A ................................................................. 25
Bảng 3. 1 Hàm lƣợng nguyên tố và thành phần hợp thức của các mẫu sản phẩm ............. 26
Bảng 3. 2 Giá trị đo UV – Vis khảo sát pH vật liệu MnFe2O4 ........................................... 34
Bảng 3. 3 Giá trị đo UV – Vis khảo sát pH vật liệu MnFe2O4@C .................................... 34
Bảng 3. 4 Kết quả UV- Vis khảo sát thời gian phản ứng của vật liệu MnFe2O4 ............... 36
Bảng 3. 5 Kết quả UV – Vis khảo sát thời gian phản ứng của TMB, vật liệu MnFe2O4@C
............................................................................................................................................ 36
Bảng 3. 6 Kết quả UV – Vis phản ứng của MnFe2O4 trong môi trƣờng nito ..................... 40
Bảng 3. 7 Kết quả UV – Vis phản ứng của MnFe2O4@C trong môi trƣờng nito .............. 40
Bảng 3. 8 Kết quả UV – Vis khảo sát khối lƣợng vật liệu MnFe2O4 là 0.005 gam ........... 42
Bảng 3. 9 Kết quả UV – Vis khảo sát khối lƣợng vật liệu MnFe2O4 là 0.02 gam ............. 42
Bảng 3. 10 Kết quả khảo sát thay đổi khối lƣợng vật liệu MnFe2O4@C phản ứng 2 giờ. . 44
Bảng 3. 11 Kết quả khảo sát thay đổi khối lƣợng vật liệu MnFe2O4@C phản ứng 3 giờ. . 44

Bảng 3. 12 Kết quả UV – Vis khảo sát thời gian phản ứng vitamin C với dung dịch TMB
oxi hóa

(màu xanh). ................................................................................................................ 47

Bảng 3. 13 Kết quả UV – Vis phản ứng giữa vitamin C và dung dịch TMB

oxi hóa

(màu

xanh) ................................................................................................................................... 49
Bảng 3. 14 Tổng hợp hàm lƣợng vitamin có trong thực phẩm đƣợc xác định bởi phƣơng
pháp HPLC. ........................................................................................................................ 51
Bảng 3. 15 Kết quả UV- Vis ở bƣớc sóng 652nm của phản ứng giữa Vitamin C – 0,02mM
và dung dịch TMB dạng oxy hóa có độ màu là 0.347207.................................................. 52
ix


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Cơ chế tạo màu TMB có mặt H2O2 xúc tác HRP ................................................. 8
Hình 1. 2 Cấu trúc tinh thể của nano MnFe2O4 , Fe3+ các cation nằm trong các vị trí bát
diện và đƣợc phối trí 6 anion oxy, trong khi các Mn2+ nằm trong các vị trí tứ diện .......... 10
Hình 1. 3 Hình dạng điển hình của các tiểu cầu có chứa các hạt nano. ............................. 11
Hình 1. 4 Cơ chế phát hiện vitamin C bằng TMB có mặt H2O2 xúc tác nano Fe3O4/CoFeLDH .................................................................................................................................... 12
Hình 2. 1 Quy trình chế tạo vật liệu MnFe2O4 bằng phƣơng pháp nghiền ....................... 16
Hình 2. 2 Quy trình chế tạo vật liệu MnFe2O4@C bằng phƣơng pháp nghiền .................. 17
Hình 3. 1 Phổ đồ XRD của các mẫu sản phẩm ................................................................. 27
Hình 3. 2 Ảnh SEM mẫu MnxFe3-xO4 (a) và mẫu MnxFe3-xO4@C .................................... 28
Hình 3. 3 Ảnh HR-TEM của sản phẩm MnxFe3-xO4@C ................................................... 29

Hình 3. 4 Kết quả phân tích TGA trong mơi trƣờng khơng khí của mẫu sản phẩm
MnFe2O4@C (mẫu B)......................................................................................................... 30
Hình 3. 5 Kết quả FT-IR của mẫu MnFe2O4@C (mẫu B) ................................................. 32
Hình 3. 6 Đƣờng cong VSM của mẫu MnFe2O4 và mẫu MnFe2O4@C ............................ 33
Hình 3. 7 Kết quả khảo sát pH vật liệu MnFe2O4 và MnFe2O4@C ................................... 35
Hình 3. 8 kết quả khảo sát thời gian phản ứng giữa TMB và Oxi không khí của vật liệu
MnFe2O4 và MnFe2O4@C .................................................................................................. 37
Hình 3. 9 Phổ UV-Vis của mẫu vật liệu MnFe2O4 ở thời gian phản ứng 60 phút.............. 38
Hình 3. 10 Phổ UV- Vis của mẫu vật liệu MnFe2O4 ở thời gian phản ứng 120 phút......... 38

x


Hình 3. 11 Phổ UV- Vis của mẫu vật liệu MnFe2O4@C ở thời gian phản ứng 360 phút .. 39
Hình 3. 12 Kết quả phản ứng MnFe2O4 và MnFe2O4@C với TMB trong mơi trƣờng nitơ.
............................................................................................................................................ 41
Hình 3. 13 Kết quả khảo sát khối lƣợng vật liệu MnFe2O4 lần lƣợt khối lƣợng là 0,005
gam; 0,01 gam và 0,02 gam................................................................................................ 43
Hình 3. 14 Kết quả khảo sát thay đổi khối lƣợng vật liệu MnFe2O4@C ........................... 45
Hình 3. 15 kết quả vai trị của vật liệu nano MnFe2O4@C trong phản ứng giữa TMB với
oxi khơng khí. ..................................................................................................................... 46
Hình 3. 16 Dung dịch TMB dạng oxy hóa có độ màu khi đo UV- Vis = 0.347207 .......... 47
Hình 3. 17 Kết quả khảo sát thời gian phản ứng của vitamin C với dung dịch TMB dạng
oxy hóa – nồng độ vitamin C 0.02 mM .............................................................................. 48
Hình 3. 18 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nồng độ quang với nồng độ vitamin C. ........... 50

xi


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT


Ký hiệu

Viết đầy đủ và dịch ra tiếng Việt

Nghĩa tiếng Việt

HRP

Horseradish peroxidase

Một loại enzym peroxidase

TMB

3,3’,5,5’-tertramethylbenzidine

3,3’,5,5’-tertramethylbenzidine

EG

Ethylenglycol

Ethylenglycol

NPs

Nanoparticles

Hạt nano


UV-Vis

Ultraviolet–visible spectroscopy

Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả
kiến

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử truyền qua

ROS

Reactive oxygen species


Oxy phản ứng

HPLC

High Performance Liquid
Chromatography

λ

Bƣớc sóng

Wavelength

xii


MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
Enyme tự nhiên là chất xúc tác sinh học phổ biến đóng vai trị trung tâm trong hầu hết các
phản ứng sinh học trong các hệ thống sống. Ví dụ chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong y
sinh, phịng khám, mơi trƣờng và trong cơng nghiệp. Nhƣng chúng có nhiều nhƣợc điểm
nhƣ dễ biến tính, khó chuẩn bị, chi phí cao, khó tái chế,… những nhƣợc điểm này đã hạn
chế các ứng dụng thực tế của chúng. Từ đó các nhóm nghiên cứu đã tạo ra các enzyme
nhân tạo để thay thế các enzyme tự nhiên, và thuật ngữ “Nanozyme” đã ra đời.
Nanozyme là thế hệ mới của enzyme nhân tạo, các enzyme nano có ƣu điểm là hoạt tính
xúc tác cao, độ ổn định tốt, chi phí thấp và các hoạt tính khác của vật liệu nano. Do có
nhiều ứng dụng tiềm năng, nên trở thành một cầu nối giữa công nghệ nano và sinh học,
thu hút các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau để thiết kế và tổng hợp các
nanozyme có hoạt tính xúc tác cao. Nổi bật nhất phải nói đến đó là các ứng dụng trong y
sinh bao gồm cảm biến sinh học, kháng khuẩn và các phƣơng pháp điều trị bệnh, chẳng

hạn nhƣ liệu pháp điều trị ung thƣ, liệu pháp tủy xƣơng và chữa lành vết thƣơng, và
phƣơng pháp chẩn đoán xúc tác dựa trên nanozyme. Tuy nhiên, sự hiểu biết về các hiện
tƣợng thực nghiệm và các cơ chế trong các ứng dụng của nanozyme còn hạn chế nên đã
hạn chế sự phát triển nhanh chóng của chúng.
Trong nhóm nanozyme có một loại vật liệu nano có từ tính đó là nano ferrit là các dạng
oxit sắt từ, chúng đã đƣợc nghiên cứu với nhiều ứng dụng nổi bật nhƣ cảm biến sinh học,
cao hơn đó là dùng để chẩn đốn y khoa, điều trị bệnh ung thƣ. Nano ferrit dễ dàng chế
tạo chi phí thấp, có khả năng thu hồi cao, với từ tính đặc biệt do sự sắp xếp trong cấu trúc
tạo thành nên cịn nhiều khám phá cho nano này và nó đã đƣợc nghiên cứu nhiều gần đây.
Trong đó nano ferrite mangan, với mangan là hợp chất có nhiều mức oxi hóa khác nhau
nên trong mỗi cấu trúc sẽ thể hiện tính chất khác, cấu trúc của vật liệu nano ảnh hƣởng rất
nhiều bởi cách phƣơng pháp chế tạo. Mỗi cách chế tạo vật liệu nano khác nhau sẽ cho

1


hình thái, trạng thái vật liệu khác, có nhiều phƣơng pháp nhƣ thủy nhiệt, đồng kết tủa, cơ
hóa, vi sóng, phân hủy nhiệt,… với phƣơng pháp cơ hóa - nghiền dễ thực hiện, trong quá
trình nghiền trải qua quá trình phân tách hạt phức tạp nên có hạt tƣơng đối đồng nhất và
chất trợ nghiền etylen glycol sẽ tránh hạt kết tụ lại với nhau.
Trên cơ sở của các nghiên cứu trƣớc là cảm biến H2O2 hoặc glucose, các nano ferrit là
chất xúc tác để oxi hóa TMB về trạng thái màu đặc trƣng. Trong bài này em sẽ dùng nano
ferrit mangan để oxi hóa TMB khơng có mặt H2O2. Trong dịch TMB ở trạng thái oxi hóa
(màu xanh), nếu trong mơi trƣờng có H2O2 có thể sẽ sinh ra sản phẩm phụ hoặc lƣợng
H2O2 còn ảnh hƣởng đến kết quả (có thể lƣợng H2O2 cịn, sẽ oxi hóa trực tiếp axit
ascorbic (vitamin C)) .
2.Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo thành cơng và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu MnFe2O4@C
- Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá khả năng tạo màu với TMB với vai trò là chất xúc tác, từ
đó làm cảm biến vitamin C.

3. Nội dung nghiên cứu
- Xây dựng thành cơng quy trình cơng nghệ để chế tạo vật liệu MnFe2O4 bằng phƣơng
pháp cơ hóa, MnFe2O4@C bằng phƣơng pháp cơ hóa kết hợp thủy nhiệt.
- Nghiên cứu khảo sát tính chất của vật liệu MnFe2O4, MnFe2O4@C chế tạo đƣợc.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng xúc tác tạo màu của phản ứng TMB với Oxi trong khơng
khí, từ đó ứng dụng làm cảm biến với vitamin C.
4. Những đóng góp mới của khóa luận
- Đã chế tạo thành công vật liệu nano tổ hợp MnFe2O4@C với quy trình ổn định, độ lập
lại cao bằng phƣơng pháp cơ hóa kết hóa với thủy nhiệt. Nghiên cứu vật liệu nano
MnFe2O4@C vai trò là nanozyme, ứng dụng cảm biến vitamin C.

2


5. Bố cục khóa luận
Chƣơng 1: Tổng quan : tổng quan nanozyme, vai trò nano ferrite trong nanoezym , tổng
quan và phƣơng pháp chế tạo, tính chất vật liệu nano MnFe2O4 và MnFe2O4@C.
Chƣơng 2 : Thực nghiệm và phƣơng pháp nghiên cứu: trình bày thực nghiệm chế tạo vật
liệu MnFe2O4 và MnFe2O4@C bằng phƣơng pháp cơ hóa - nghiền. Trình bày các phƣơng
pháp khảo sát và khả năng cảm biến vitamin C.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả phân tích và nghiên cứu về vật
liệu nano MnFe2O4 và MnFe2O4@C bao gồm hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, liên kết.
tính chất từ.

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về Nanozyme
1.1.1.


Khái niệm về nanozyme

Các enzym tự nhiên, chủ yếu là protein, có các ứng dụng đáng kể trong y học, nông
nghiệp, công nghiệp hóa chất và chế biến thực phẩm vì chúng có độ đặc trƣng cao của cơ
chất và hiệu suất xúc tác cho phản ứng sinh học. Tuy nhiên, sau tiếp xúc với pH và nhiệt
độ cao, hoạt tính xúc tác của các enzyme là thƣờng mất. Các enzyme cũng dễ bị tiêu hóa
bởi protease. Những vấn đề này ln là hạn chế cản trở đáng kể các ứng dụng thực tế của
enzyme. Vì vậy , nỗ lực to lớn đã đƣợc dành cho sự phát triển enzyme nhân tạo để có hiệu
quả nhƣ enzyme tự nhiên.[19]
Nanozyme là nói đến vật liệu nano (1-100 nm) có hoạt động nhƣ một enzyme. Nó có thể
xúc tác phản ứng cơ chất enzyme trong điều kiện sinh lý, và nó có hiệu suất xúc tác và
khả năng enzyme tƣơng tự các enzyme tự nhiên. [24]
Nanozyme một loại vật liệu có hoạt tính xúc tác cụ thể hƣớng tới một số phản ứng hóa
học quá trình oxy hóa TMB khơng màu thành TMBoxi hóa màu xanh lam.[21]
Nano ferrite là những nano có cơng thức MFe2O4(M = Fe, Mn, Ni, Co...) là những hạt
nano có từ tính.
1.2. Lịch sử phát triển nanozyme
Vào năm 1990, các nhà khoa học đã tìm thấy một số vật liệu nano cho thấy hoạt động
giống nhƣ enzyme và Scrimin và đồng nghiệp đã đặt thuật ngữ “Nanozyme” vào năm
2004. Năm 2007, Yan và các đồng nghiệp đã xác minh hoạt tính giống peroxidase vốn có
của các hạt nano Fe3O4 . Từ sau đó, nanozyme đã nhận đƣợc sự chú ý ngày càng tăng
trong các lĩnh vực khác nhau, và một số lƣợng lớn các vật liệu nano có các đặc điểm
giống nhƣ enzyme đã đƣợc đề xuất.[20]

4


1.3. Nanozyme
Với những ƣu điểm nhƣ hiệu suất xúc tác cao, độ ổn định cao, an toàn sinh học, chi phí

thấp và dễ dàng điều chế, nanozyme đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công
nghiệp, y tế, sinh học và trong xử lý môi trƣờng. Nổi bật nhất phải nói đến đó là các ứng
dụng trong y sinh bao gồm cảm biến sinh học, kháng khuẩn và các phƣơng pháp điều trị
bệnh, chẳng hạn nhƣ liệu pháp điều trị ung thƣ, liệu pháp tủy xƣơng và chữa lành vết
thƣơng, và phƣơng pháp chẩn đoán xúc tác dựa trên nanozyme.
Ví dụ nhƣ ứng dụng nanozyme trong bệnh ung thƣ, mức ROS tăng bất thƣờng sẽ phá hủy
cân bằng nội mơi của q trình oxy hóa khử trong cơ thể, và gây ra stress oxy hóa, các
nanozyme thƣờng biểu hiện nhiều hoạt động của enzyme. Nanozyme có thể đóng vai trò
quan trọng trong việc bảo vệ tế bào hoặc kích thích sản xuất ROS và thúc đẩy q trình
apoptosis nhƣ trong tế bào ung thƣ .[24]
Các nano nano oxit sắt từ đã có nhiều nghiên cứu về việc ứng dụng cho cảm biến sinh
học, chẩn đoán bệnh và điều trị bệnh. Nó có thể thay thế và một số có những đặc tính
vƣợt trội hơn so với enzyme tự nhiên. Có khả năng thu hồi cao và dễ chế tạo, độ lặp lại
cao. Nano ferrit mangan đã và đang có những nghiên cứu, mangan có nhiều mức oxi hóa
khác nhau nên việc trong nghiên cứu với mỗi hình thái và trạng thái khác nhau sẽ thể hiện
nhiều tính chất khác nhau.
Để duy trì hiệu suất hoạt động tốt, việc tăng độ ổn định hạt nano là quan trọng. Có nhiều
phƣơng pháp khác nhau đƣợc đề xuất để ức chế sự hòa tan nguyên tử của hạt nano và sự
kết tụ của chúng, chẳng hạn nhƣ lõi @ vỏ, pha tạp, hợp chất liên kim loại, kiểm sát hình
dạng và giam giữ hạt nano.
1.4. Nano Ferrit trong vai trò nanozyme
Các hạt nano từ tính có các ứng dụng y sinh đầy hứa hẹn, đặc biệt là trong chuẩn đoán và
trong phân phối thuốc, và nano ferrit có thể hoạt động nhƣ một peroxit. Ngày càng có
nhiều bằng chứng cho thấy trên thực tế, các hạt nano magnetit sở hữu một loại enzyme
nội tại hoạt động bắt chƣớc tƣơng tự hoạt động đƣợc tìm thấy trong peroxidase tự nhiên,
5


đƣợc sử dụng rộng rãi để oxy hóa chất hữu cơ trong xử lý nƣớc thải hoặc nhƣ cảm biến
phát hiện. Với các phƣơng pháp dễ chế tạo, chi phí thấp và có khả năng thu hồi cao. Nano

ferrit là một đối tƣợng có tiềm năng phát triển trong nanozyme để thay thế các vật liệu
nano có giá thành cao hơn nhƣ vàng (Au), bạc (Ag),… hoặc thay thế các nano với cách
chế tạo có điều kiện khó khăn hơn.
1.4.1. Vai trò là một peroxidase
Peroxidase bao gồm một họ lớn các enzyme, xúc tác q trình oxy hóa cơ chất bằng (hầu
hết đều dùng hydrogen perox-ide) (AH2 + ROOH->A + ROH + H2O). Thơng qua các
phản ứng, peroxidase đóng nhiều vai trị quan trọng trong cơng nghệ sinh học, chẳng hạn
nhƣ khử độc các loại oxy phản ứng ( ví dụ: glutathione peroxidase) và bảo vệ chống lại
mềm bệnh (ví dụ: myeloperoxidase). Peroxidase (đặc biệt là HPR) đƣợc sử dụng rộng rãi
trong phân tích sinh học và hóa học lâm sàng, nó đƣợc sử dụng nhƣ một chất liên hợp với
một kháng thể đối với enzyme xúc tác nền đo màu cho tín hiệu hoặc hình ảnh.
Những nghiên cứu đã cảm biến cho cả H2O2 và glucose bằng các hạt nano Fe3O4 nhƣ một
peroxidase. Dƣới sự xúc tác của Fe3O4 và sự có mặt H2O2 sẽ oxi hóa TMB thành dạng có
màu xanh đặc trƣng.
Gu và các cộng sự, đa nghiên cứu cho thấy, các hạt nano oxit sắt (cả hai Fe3O4 và gFe3O4) thể hiện cơ chế là một enzyme kép catalase và peroxidase
a. Fe3+ + H2O2 -> FeOOH2+ + H+,
FeOOH2+ ->Fe2+ + H2O
Fe2+ + H2O2 -> Fe3+ + OH + H
b. Fe3+ + H2O2 -> FeOOH2+ + H+
FeOOH2+ -> Fe2+ + HO2
HO2 ->H+ +O2
HO + HO2/ O2- -> H2O + O2

[8]

6


1.4.2. Vai trị là một oxidase
Edward Hermosilla và cơng sự đã cho thấy q trình oxy hóa MBTH/DMAB có độ nhạy

cao bởi các hạt nano MnFe2O4 ,ở nghiên cứu này Mn2+ bị oxy hóa thành Mn4+ bằng cách
khử oxy phân tử thành nƣớc, đồng thời quá trình tái sinh Mn2+ trong q trình oxy hóa
MBTH (khơng màu) [9].
Monunith A và cộng sự đã nghiên cứu ra MnFe2O4 để cảm biến glucose không enzyme.
Trong nghiên cứu Monunith A và cộng sự đã sử dụng polyethylene glycol (PEG) ghép
với có hạt nano mangan (PEG- MnFe2O4) vào điện cực thủy tinh (GCE), kết quả cho thấy
với sự hiện diện của GOx (cảm biến có enzyme) đã hiển thị độ nhạy cao hơn 1,9 lần với
phạm vi tuyến tính gấp đơi khi so sánh với cảm biến PEG- MnFe2O4 (cảm biến không
enzyme). Phát hiện glucose là một phƣơng pháp đầy hứa hẹn trong lâm sàng và phân tích
thực phẩm [15] .
Các dây nano Fe3O4 đƣợc khám phá nhƣ một cảm biến cho phát hiện glucose bằng cách
sử dụng hoạt tính giống nhƣ oxidase [8].
1.5.

Ứng dụng Nanozyme - Nano Ferrite

Bệnh chuyển hóa là bệnh do rối loạn chuyển hóa và trao đổi chất mạnh mẽ, bao gồm tiểu
đƣờng, bệnh ketoa- cidosis do tiểu đƣờng và thiếu vitamin D. Trong phƣơng pháp đo hàm
lƣợng glucose trong máu, những nano ferrite thay thế HRP, xúc tác phản ứng 3,3,5,5-tet
ramethylbenzidine (TMB) với H2O2 tạo ra dung dịch màu xanh [3] .
Nano ZnFe2O4 đƣợc sử dụng xúc tác cho sự kết hợp N-ethyl-N-(3-sulfopropyl)-3methylaniline sodium salt (TOPS) và 4-amino-antipyrine (4-AAP) với sự có mặt H2O2 tạo
thành màu tím đặc trƣng và đỉnh hấp phụ nằm ở bƣớc sóng 550nm. Phƣơng pháp này áp
dụng thành cơng trong phân tích axit uric trong huyết thanh ngƣời [3].
Các hạt nano ferrite (SPION) là một nền tảng nano quan trọng và linh hoạt do hoạt tính
peroxidase của chúng. Huang và cộng sự. đã sử dụng hoạt động peroxidase của SPION để
tạo ra ROS và kết hợp chúng với b-lapachone (b-lap), một loại thuốc chống ung thƣ mới

7



tạo ra ROS, để tạo ra tác dụng hiệp đồng trong việc điều trị các khối u, làm tăng chỉ số
peutic của b-lap 10 lần bằng cách tăng cƣờng stress oxy hóa trong tế bào ung thƣ . Một vi
mơi trƣờng khối u cung cấp các điều kiện vật lý và hóa học độc đáo cho liệu pháp điều trị
khối u có chọn lọc. Ở đây, Shi et al. đƣa ra khái niệm về thuốc nano xúc tác tuần tự. [24]
1.6.

Kết luận về vai trị nano ferrite

Sự chuyển hóa của các phân tử có mặt của nanozyme, oxy sau hàng loạt quá trình khử
điện tử sẽ hình thành các loại oxy phản ứng (ROS), bao gồm O2·−, O2·2-, OH·, OOH· , ….
Những oxy phản ứng (ROS) này sẽ chuyển hóa TMB, MBTH/DMAB, …. Chuyển về
dạng oxy hóa có màu đặc trƣng.
Trong các cơng trình đã nghiên cứu, phƣơng pháp làm của nghiên cứu đều dùng H2O2 để
tạo ra oxy phản ứng (ROS), trong bài nghiên cứu này em sẽ dùng oxi từ khơng khí để làm
tác nhân phản với sự xúc tác của nano MnFe2O4@C để tạo ra màu xanh đặc trƣng của
TMB ở dạng oxy hóa.
Cơ chế tạo màu TMB (ví dụ do HRP là chất xúc tác có mặt H2O2)[11]

Hình 1. 1 Cơ chế tạo màu TMB có mặt H 2 O 2 xúc tác HRP
8


1.7.

Vật liệu nano MnFe2O4 tổng quan và phƣơng pháp chế tạo [2]

1.7.1. Tổng quan nano MnFe2O4
MnFe2O4 có cấu trúc spinel hỗn hợp, trong đó các cation kim loại Mn2+ và Fe3+ có cấu
trúc tứ diện và bát diện, hình thành bằng cách sắp xếp vào tâm của các anion oxy [Mn2+1-i
Fe3+i ] [Mn2+i Fe3+2-i]O4 . Trong công thức này, i đƣợc gọi là là tham số nghịch đảo và

tham chiếu đến mức độ nghịch đảo . Trong spinels bình thƣờng (i=0), tất cả các cation
Mn đều ở các vị trí tứ diện, trong khi các spinel nghịch đảo (i=1) chúng chiếm vị trí bát
diện. Đáng chú ý, tính chất từ của nano MnFe2O4, nhƣ từ hóa, dị hƣớng nung và nhiệt độ
có tƣơng quan với mức độ nghịch đảo. Nói cách khác, mức độ nghịch đảo thấp có thể dẫn
đến sự hình thành nano MnFe2O4 có độ từ hóa cao. Thực tế, mức độ nghịch đảo, đƣợc cho
là do các phƣơng pháp tổng hợp, đặc biệt là nhiệt độ ủ khác nhau và tốc độ làm lạnh.

9


Hình 1. 2 Cấu trúc tinh thể của nano MnFe 2 O 4 , Fe 3+ các cation nằm trong các
vị trí bát diện và được phối trí 6 anion oxy, trong khi các Mn 2+ nằm trong các
vị trí tứ diện
1.7.2. Phương pháp chế tạo
MnFe2O4 có tính chất hóa lý khác nhau đã đƣợc tổng hợp qua nhiều phƣơng pháp khác
nhau. Phổ biến nhất trong đó bao gồm nhiệt dịch, thủy nhiệt, sol gel, đồng kết tủa, phân
hủy nhiệt, phƣơng pháp đốt cháy, vi nhũ tƣơng, polyol, phun nhiệt phân, tổng hợp mẫu,
đốt do vi sóng gây ra, sonochemical và các phƣơng pháp trạng cơ hóa. Tính chất vật lý
của MnFe2O4 có thể đƣợc kiểm sốt bằng cách lựa chọn một phƣơng pháp tổng hợp thích
hợp.
Ở bài này em sẽ chọn phƣơng pháp cơ hóa bằng cách nghiền vật liệu ở trạng thái rắn.
-

Cơ chế phản ứng tổng hợp nano MnFe2O4 bằng phƣơng pháp cơ hóa (nghiền)
Fe2+ + OH-



Fe(OH)2


Fe(OH)2 + O2 + OH-  Fe(OH)3 +H2O
Mn2+ + OH-



Mn(OH)2

Fe(OH)2 + Fe(OH)3 + Mn(OH)2  MnxFe1-xFe2(OH)4
MnxFe1-xFe2(OH)4
1.8.

Δ



MnxFe1-xFe2O4 +H2O

Các kiểu bao bọc hạt nano

Hạt nano từ tính thƣờng đƣợc bao bọc trong một vỏ hoặc nền phi từ tính có kích thƣớc vài
trăm nm (còn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nano), để tránh kết tụ khi khơng có mặt của từ
trƣờng ngoài. Việc bao bọc nhƣ thế tạo ra một bề mặt có tính tƣơng hợp sinh học và dễ
dàng hóa chức năng. Việc chế tạo các tiểu cầu bên trong có kích thƣớc micro hoặc nano là
một q trình trong đó các chất ở thể khí, lỏng, rắn có chứa muối sắt đƣợc bọc bên trong
các lớp vỏ tạo bởi vật liệu thứ hai (có thể là polymer hữu cơ hoặc vơ cơ), lớp vỏ này có
tác dụng bảo vệ và cách ly vật liệu làm lõi với môi trƣờng đồng thời cũng quyết định các
tính chất của lõi cho phù với những đòi hỏi đặt ra ( chẳng hạn phân ly đƣợc trong nƣớc,
bền trong mơi trƣờng ngồi…)[13] Các tiểu cầu (microencapsulations) có thể có cấu trúc

10