Vật liệu nano và nanocomposite đã và đang được quan tâm bởi những ứng dụng tiềm năng của chúng trong thiết bị điện tử, sinh y, mỹ phẩm, trợ lọc thực phẩm, quang xúc tác và xử lý kháng khuẩn trong môi trường… Bài viết trình bày khảo sát các đặc trưng của vật liệu nanocomposite – bạc nano diatomite chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử.
KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE – BẠC NANO/DIATOMITE CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHIẾU XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ TRƢƠNG THỊ HẠNH, NGUYỄN THỊ THU, LÊ ANH QUỐC Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Công nghệ Bức xạ 202A, Đường 11, P Linh Xuân, Q Thủ Đức, TP HCM Email: truongthihanh05@yahoo.com Tóm tắt: Chiếu xạ chùm tia điện tử (EB) huyền phù diatomite (DA) dung dịch AgNO3/chitosan, bạc nano (AgNPs) đƣợc tạo thành khử in situ ion Ag+ tạo Ag nguyên tử keo tụ diatomite Hạt bạc nano hình cầu có đƣờng kính 5-10 nm đạt đƣợc chiếu liều xạ từ đến 25 kGy nhƣ quan sát thấy ảnh TEM Nanocomposite - AgNPs/DA thể đặc trƣng qua phổ UV-Vis với đỉnh phổ bƣớc sóng 417- 422 nm Phổ tán sắc lƣợng tia X (EDX) DA nanocomposite AgNPs/DA xác nhận hợp phần nguyên tố DA AgNPs Hoạt tính kháng khuẩn vật liệu với chủng vi khuẩn gây bệnh cá Tra nhƣ Aeromonas hydrophila Edwardsiella ictaluri đƣợc khảo sát Từ khóa: Chùm tia điện tử, bạc nano, diatomite, nanocomposite, chitosan, hoạt tính kháng khuẩn I MỞ ĐẦU Vật liệu nano nanocomposite đƣợc quan tâm ứng dụng tiềm chúng thiết bị điện tử, sinh y, mỹ phẩm, trợ lọc thực phẩm, quang xúc tác xử lý kháng khuẩn môi trƣờng… [1, 2] Hơn nữa, chúng đồng thời đạt đƣợc cải tiến tình chất vật lý, tƣơng tác hóa học hiệu ứng sinh học [3] Sự phát triển vật liệu nano cách kết hợp với polyme với hạt vô trở thành hƣớng nghiên cứu [4] Những vật liệu có đặc tình thành phần cấu thành nhƣ hiệu ứng cộng hợp phát sinh từ tƣơng tác hợp phần nanocomposite [5] Do tình chất kháng khuẩn hiệu độc tình thấp tế bào động vật, bạc nano (AgNPs) trở thành vật liệu nano đƣợc sử dụng phổ biến sản phẩm tiêu dùng [6] Đặc biệt, AgNPs liên kết với silica xốp nhƣ gốm, montmorillonite, zeolite, diatomite… đƣợc sử dụng nhƣ chất diệt khuẩn lọc nƣớc, chất chống gỉ, chất xúc tác chất khử trùng…[7] Hỗn hợp chứa AgNPs có hoạt tình kháng khuẩn cao kể vi khuẩn đa kháng thuốc nhƣ đƣợc công bố số nhà khoa học [8, 9] Hiện nay, AgNPs đƣợc coi chất diệt khuẩn “xanh” chống lại vi khuẩn môi trƣờng thủy sinh nhƣ Lactococcus garvieae, Streptococuss iniaea đƣợc phân lập từ cá hồi nhiễm bệnh ao nuôi [8] Nếu đƣợc ổn định polyme nhƣ chitosan thí tạo đƣợc vật liệu ƣu việt hoạt tình kháng khuẩn thân thiện môi trƣờng chitosan Những đặc điểm xuất phát từ nhóm amin proton hóa R-NH3+ chitosan môi trƣờng pH 56 [9, 10] Ngồi ra, chitosan cịn chất kết dình - “binder” AgNPs với chất nhƣ silica diatomite zeolite [11] Nghiên cứu, chế tạo composite gồm AgNPs/chitosan cố định chất nhƣ silica kiểm soát tác nhân gây nhiễm môi trƣờng thay đổi cần thiết thay cho việc sử dụng hóa chất [12] Ở nƣớc ta, nuôi trồng thủy hải sản đƣợc xác định ngành kinh tế mũi nhọn, đạt kim ngạch xuất cao Tuy nhiên, thiệt hại dịch bệnh gây từ môi trƣờng bất lợi Hiện bệnh vi khuẩn nhƣ Edwardsiella ictaluri (gây bệnh gan thận mủ cá), Edwardsiella tarda (gây bệnh nhiễm khuẩn máu), Aeromonas hydrophila (gây bệnh đốm đỏ) gây thiệt hại lớn cho ngƣời nuôi cá thâm canh Tỷ lệ cá chết nhiễm bệnh cao Việc phát xử lý sớm môi trƣờng nƣớc bị nhiễm khuẩn vô cần thiết tránh gây thiệt hại kinh tế Tuy nhiên, lạm dụng kháng sinh nuôi trồng thủy, hải sản dẫn đến kháng thuốc vi khuẩn, tồn dƣ môi trƣờng khơng an tồn cho ngƣời sử dụng [13] Ví vây, cơng trính này, chúng tơi sử dụng kỹ thuật chiếu xạ chùm tia điện tử (EB) để chế tạo vật liệu nanocomposite (bạc nano/diatomite) từ nguồn nguyên liệu tự nhiên diatomite (DA) chứa 63% silica Hoạt tình kháng khuẩn vật liệu đựợc thực nghiệm in vitro hai chủng vi khuẩn gây bênh gồm Edwardsiella ictaluri (gây bệnh gan thận mủ cá) Aeromonas hydrophila (gây bệnh đốm đỏ) cá Tra II NỘI DUNG II.1 Đối tƣợng phƣơng pháp Diatomite đƣợc mua từ công ty diatomite Phu Yen với hàm lƣợng SiO2 ~ 63%, kích thƣớc hạt trung bình 70 µm.Chitosan sử dụng với độ deacetyl (DD) ~ 80% and Mw = 1,06 × 105 Các hóa chất nhƣ bạc nitrate (AgNO3), (S)-lactic acid (90%), sodium hydroxide (NaOH) hóa chất tinh khiết Nƣớc cất đƣợc sử dụng cho thí nghiệm Trong nghiên cứu này, bạc nano cố định silica diatomite đạt đƣợc phƣơng pháp tổng hợp in-situ Ở đây,những ion Ag+đã hấp phụ silica đƣợc khử tạo thành Ag0 nguyên tử điện tử solvate hóa (e-aq) gốc tự •H sinh chiếu xạ, đồng thời liên kết silica Nanocomposite AgNPs/DA đƣợc chế tạo từ hỗn hợp huyền phù gồm AgNO3 10 mM/DA/chitosan 1% với tỉ lệ DA/Ag+= 1:5 (m/v, g/ml) cách chiếu xạ Mẫu đƣợc đóng gói túi PE đƣợc chiếu xạ máy gia tốc UELR-10-15S2 Các đặc trƣng vật liệu AgNPs/DA đƣợc đánh giá từ kết ghi đo phổ UV-Vis, ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Micrography), phổ tán sắc lƣợng tia X- EDX (Energy dispersive X-ray) Xác định hàm lƣợng bạc nano DA qua phép phân tích phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng plasma (Inductively couple plasma atomic emission spectroscopy, ICP-AES) Đánh giá hoạt tình kháng khuẩn qua giảm số khuẩn lạc sống sót mơi trƣờng BHIA (Brain Heart Infusion Agar) mẫu AgNPs/DA so với mẫu đối chứng (nƣớc khử trùng) nhƣ công thức chuẩn AATCC Test Method 100-2004 [14] Dịch nuôi cấy vi khuẩn Edwardsiella ictaluri Aeromonas hydrophila đƣợc pha lỗng mơi trƣờng LB đến mật độ 104 103CFU/ml, tƣơng ứng Cho lƣợng mẫu vào dịch khuẩn với tỉ lệ 0,2 g/10 ml, lắc đều, sau 24 tiếp xúc, hỗn dịch đƣợc trải đĩa ủ Đếm số vi khuẩn môi trƣờng BHIA sau 24 Hiệu ứng kháng khuẩn đƣợc xác định dựa số khuẩn lạc sống sót đĩa sau thời điểm tiếp xúc giờ, 24 tƣơng ứng II.2 Kết - Đã chế tạo đƣợc nanocomposite AgNPs/DA, với kìch thƣớc hạt AgNPs từ 5-10 nm ứng với liều xạ hấp thụ từ 5-25 kGy phƣơng pháp chiếu xạ chùm tia điện tử huyền phù gồm AgNO310mM/DA/dung dịch chitosan 1% - Đặc trƣng AgNPs nanocomposite đƣợc biểu thị qua kết phép đo UV-Vis, ảnh chụp TEM phổ EDX - Hiệu ứng kháng khuẩn Edwardsiella ictalurivà Aeromonas hydrophila gây bệnh cho cá Tra mơi trƣờng BHIA có AgNPs/DA so với đối chứng (nƣớc khử trùng) 100 % điều kiện thực nghiệm II.3 Bàn luận II.3.1 Hiệu suất khử xạ ly(G) ion Ag+ tạo Ag nano hệ dị thể silic - dioxite /nƣớc: Trƣớc chiếu xạ dung dịch AgNO3 diatomite, hỗn hợp đƣợc khuấy mạnh để hấp phụ ion Ag+ bề mặt gắn vùng vơ định hính silic dioxit (SiO2) diatomite Những sản phẩm xạ ly nƣớc nhƣ sau: H2O (EB) (e-aq → • OH + e-aq + •H + H2O2 + H2 + … • o (H2O/e-aq)= o (1) + • Electron hydrate ) với E - 2.87 VNHE gốc H với E (H / H) = - 2.3 VNHE đƣợc phát sinh xạ ly nƣớc khử ion Ag+ hấp phụ DA tạo Ag nguyên tử keo tụ tạo Ag nano hiệu ứng xạ dung dịch huyền phù [15] Ngƣợc lại, gốc•OH chất oxy hóa mạnh với Eo(•OH/H2O) = + 2.7 VNHE oxy hóa nguyên tử Ag, nhiên hỗn hợp huyền phù,các phân tử chitosan bắt gốc •OH tạo gốc tự [16] Phần tử đóng góp vào khử Ag+ chitosan thành Ag0 Ví vậy, chitosan ngồi vai trị chất ổn định cịn chất bắt gốc•OH thay ethanol Phổ UV-vis dung dịch keo AgNPs từ huyền phù AgNO3/DA chiếu xạ đƣợc thể hính 1a Các dung dịch keo AgNP hiển thị cực đại pic ( max) khoảng từ 417- 422 nm với độ hấp thụ tăng tƣơng ứng với liều xạ EB từ 6,5 đến 20,2 kGy Tuy nhiên, liều cao 20,2 kGy (25,9 30,8 kGy), hấp thụ quang thay đổi khơng đáng kể Do đó, liều 20,2 kGy xem tối ƣu để chuyển hóa hoàn toàn 10 mM AgNO3 thành AgNPs theo tỷ lệ hỗn hợp ban đầu DA/Ag+ = 1: (m/v, g/ml Hàm lƣợng AgNPs DA đƣợc xác định 0,13% phƣơng pháp phân tìch ICP-AES Hình 1: a) Phổ UV-Vis keo AgNPs: a) 6,5 kGy, b) 13,4 kGy, c) 20,2 kGy 25,9 kGy b) Mối liên quan độ hấp thụ quang cực đại liều xạ Mối liên quan hấp thụ quang liều xạ đƣợc thể hình 1b Hệ số tắt phân tử keo bạc nano = 420 nm suy từ độ hấp thụ quang ổn định nồng độ nguyên tử Ag 10 mM (10-2 M) 20,2 kGy: ε20,2 (Agn) = 3,4 × 103 l mol-1cm-1 Nếu hệ số tắt phân tử đƣợc sử dụng liều hiệu suất khử xạ ly (Gred) 20,2 kGy đƣợc xác định Gred = 0,49 µmol.J-1 Giá trị thấp Gred = 0,57 µmol.J-1 10 mM AgNO3 dung dịch chitosan 1% khơng có diatomite 17,6 kGy [16] Sự chênh lệch đƣợc giải thích rằng, hệ dị thể chiếu xạ, hai pha thành phần đáng kể khối lƣợng lƣợng ion hóa đƣợc hấp thụ hai pha Do đó, Gred nƣớc hấp phụ hệ dị thể gồm silica/nƣớc thấp Gred nƣớc “tự do” Le Caër nghiên cứu xạ nƣớc hấp phụ oxit khác cho thấy rằng, khác lƣợng gắn kết lƣợng truyền pha rắn dung dịch hấp phụ tƣơng ứng với thay đổi liều hấp thụ nhƣ hiệu suất khử xạ [17 ] II.3.2 Những đặc trƣng hóa lý nanocomposite AgNPs/DA Trong trính chiếu xạ EB dung dịch huyền phù AgNO3/chitosan diatomite, nguyên tử Ag0 đƣợc hính thành khử ion Ag+ điện tử solvat hóa (e-aq) gốc • H Sự khử liên tục ion Ag+ keo tụ thành nhóm hạt“cluster” AgNPs đồng thời gắn lên silic dioxit (SiO2) DA theo phƣơng pháp khử in-situ Ở đây, liều hấp thụ đóng vai trị quan trọng hính thành phát triển kìch thƣớc hạt AgNPs Các hạt bạc nano tăng kìch thƣớc với gia tăng liều hấp thụ, thông số nhƣ lƣợng chùm tia, cƣờng độ dòng nồng độ ban đầu dung dịch chiếu xạ tƣơng tự Mật độ e-aqvà •H tăng theo liều xạ phản ứng khử Ag+ keo tụ tạo AgNPs liều cao có ƣu so với liều thấp [18] Hình 2: Ảnh TEM nanocomposite - AgNPs/DA liều xạ a) 6,5; b) 13,4; c) 20,2 d) 25,9 kGy ứng với kìch thƣớc hạt: 5,5; 6,9; 9,3 8,9 nm Ảnh TEM nanocomposites - AgNPs/DA đƣợc hính thành từ 10mM AgNO3 liều xạ EB khác Kết cho thấy AgNPs có dạng hính cầu đƣợc phân tán tốt khơng keo tụ bề mặt diatomite, kìch thƣớc hạt đồng Đƣờng kình trung bính AgNPs đƣợc xác định từ ảnh TEM là: 5,5 ± 1,0 nm; 6,9 ± 1,2 nm; 9,3 ± 1,3 nm 8,9 ± 1,0 nm tƣơng ứng với liều xạ: 6,5; 13,4; 20,2 25,9 kGy Ở liều cao (25,9 kGy), chiếu xạ cắt mạch chitosan tăng số chuỗi mạch chitosan ức chế keo tụ Hơn nữa, hạt AgNPs DA (silica) phân tán tốt, ví đƣờng kình hạt đƣợc xác định