Chế tạo và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của một số cấu trúc nano bạc (ag)

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN THỊ THANH TUYỀN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA MỘT SỐ CẤU TRÚC NANO BẠC Ag Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Trang 2 Tôi xin ca

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

PHAN THỊ THANH TUYỀN

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN

CỦA MỘT SỐ CẤU TRÚC NANO BẠC (Ag)

Ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: TS HOÀNG NHẬT HIẾU

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi, chưa được công bố và sử dụng ở bất cứ một công trình nghiên cứu nào khác

Các tài liệu tham khảo và số liệu được trình bày trong đề án đều trung thực và có trích dẫn nguồn gốc rõ ràng Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội dung trong đề tài nghiên cứu của mình

Bình Định, ngày 28 tháng 11 năm 2023

Học viên

Phan Thị Thanh Tuyền

Trước hết, Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Hoàng Nhật Hiếu, giảng viên Bộ môn Vật lý - Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, thầy đã nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn chuyên ngành cho em để em có thể hoàn thành luận án này

Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TSKH Nguyễn Thị Mộng Điệp, Trưởng bộ môn sinh học ứng dụng- Nông nghiệp, Khoa Khoa học Tự Nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã hướng dẫn rất nhiệt tình cho em biết các phương pháp thực nghiệm kiểm tra khả năng kháng khuẩn của vật liệu

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô thuộc Bộ môn Vật lý- Khoa học vật liệu, thuộc Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy nhơn đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho em được thực hành tại phòng thực hành thí nghiệm, giúp em hoàn thành tốt luận án

Em xin chân thành cảm ơn!

Bình Định, ngày 28 tháng 11 năm 2023

Học viên

Phan Thị Thanh Tuyền

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: 3

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1.Tổng quan về các hạt nano 5

1.1.1 Các hạt vi cầu 5

1.1.2 Chấm lượng tử 5

1.1.3 Các hạt kim loại 7

1.2 Giới thiệu hạt nano bạc 8

1.2.1 Cấu trúc của vật liệu nano bạc 8

1.2.2 Tính chất của vật liệu nano bạc 10

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu nano bạc 12

1.3 Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc 13

1.3.1 Phương pháp khử hóa học 14

1.3.2 Phương pháp khử sinh học 15

1.3.3 Phương pháp khử vật lý 16

1.4 Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và chất bảo vệ đến hình dạng các hạt nano bạc 17

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 19

2.1 Quy trình chế tạo mẫu bằng phương pháp khử ion 19

2.1.2 Quy trình chế tạo bạc nano 19

2.2 Một số phương pháp khảo sát mẫu 22

2.2.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV – Vis 22

2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 24

2.2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 26

2.2.4 Kiểm tra đường kính vòng kháng khuẩn bằng phương pháp đục

lỗ thạch 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Khảo sát tính chất quang và cấu trúc vật liệu nano bạc 30

3.1.1 Khảo sát hình thái ảnh SEM………

3.1.2.Khảo sát phổ XRD………

3.1.3 Khảo sát tính chất quang học của vật liệu nano bạc dựa vào Phổ UV-Vis

3.2 Khảo sát thuộc tính kháng khuẩn 34

3.2.1 Khảo sát thuộc tính kháng nấm Aspergillus của nano bạc……

3.2.2 Khảo sát thuộc tính kháng vi khuẩn E coli của nano bạc……

3.2.3 Khảo sát thuộc tính kháng vi khuẩn S aureus của nano bạc KẾT LUẬN CHUNG 39

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AgNPs Silver nanoparticles Nano bạc

XRD X- ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

UV-Vis Ultraviolet – Visible Máy đo quang phổ hấp thụ

SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét S.au Staphylococcus aureus Vi khuẩn S.au

E coli Escherichia coli Vi khuẩn E coli

Hình 1.1 Chấm lượng tử làm từ vật liệu bán dẫn, kích thước mỗi chấm

khoảng 2 -20 nm cấu thành từ hàng ngàn nguyên tử 6

Hình 1.2 Cấu trúc điện tử của kim loại Bạc 8

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của kim loại Bạc 8

Hình 1.4 Cấu trúc của nano Bạc 10

Hình 1.5 Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc 12

Hình 2.1 Sản phẩm nano bạc được điều chế ở nồng độ 60mM AgNO3, vi sóng trong thời gian 0,5 phút; 1 phút; 1,5 phút; 2 phút 20

Hình 2.2 Sản phẩm đối chứng AgNO3 hòa tan trong nước cất 22

Hình 2.3 Sơ đồ khối thực nghiệm điều chế nano bạc 22

Hình 2.4 Tiến hành khảo sát phổ UV - Vis 24

Hình 2.5 Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg 25

Hình 2.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM), hãng sản xuất: Jeol, Nhật Bản 27

Hình 2.7 Các sản phẩm nano bạc được sử dụng để kiểm tra khả năng kháng khuẩn 27

Hình 2.8 Vi khuẩn E coli, vi khuẩn S.aureus, và nấm Aspergillus 28

Hình 2.9 Nấu môi trường LB nuôi vi khuẩn và đục lỗ thạch 28

Hình 2.10 Sản phẩm đục lỗ thạch kiểm tra khả năng kháng khuẩn của nano bạc được điều chế 29

Hình 3.1 Ảnh SEM của các mẫu nano bạc được điều chế 30

Hình 3.2 Giản đồ XRD của nano bạc được tổng hợp từ AgNO3/NaCl/ PVP/EG ở nồng độ AgNO3 là 60mM sau khi chiếu xạ 2 phút 31

Hình 3.3 Phổ UV-Vis của nano bạc được tổng hợp từ AgNO3/NaCl/ PVP/ EG ở nồng độ AgNO3 là 40 mM, 60 mM, 80 mM được vi sóng trong thời gian 1 phút 32

Hình 3.4 Phổ UV-Vis của nano bạc được tổng hợp từ AgNO3/NaCl/ PVP/ EG ở nồng độ AgNO3 là 60mM sau khi chiếu xạ MW trong thời gian 0,5 phút, 1,5 phút và 2 phút 33

Hình 3.6 Kết quả hoạt tính kháng vi khuẩn E Coli của nano bạc 36 Hình 3.7 Kết quả hoạt tính kháng vi khuẩn S aureus của nano bạc 37

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Kháng khuẩn là nhu cầu tự nhiên và tồn tại cùng với con người Thời xưa thuyết tự sinh vốn in sâu trong tư tưởng các nhà khoa học lúc bấy giờ, do đó con người chưa có giải pháp để bảo vệ sức khỏe và sống mê tín, … Đến năm

1864 Louis Pasteur đã phát minh ra phương pháp khử khuẩn, khử virus, thuyết tự sinh cũng không còn tồn tại trong đời sống khoa học nữa Có thể nói Louis Pasteur đã đặt nền móng cho tư tưởng kháng khuẩn, kháng virus để bảo

vệ sức khỏe, chống bệnh truyền nhiễm cho con người Ngày nay vật liệu nano

có nhiều ưu điểm vượt trội về kích thước, tính ổn định và không độc hại so với vật liệu thông thường đã thu hút đông đảo các nhà khoa học quan tâm Qua đó chứng tỏ con người luôn khát khao sáng tạo trong việc tìm ra vật liệu mới dùng cho chế tạo chất kháng khuẩn ngày càng tốt hơn [8][22]

Sự bùng nổ trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng chất kháng khuẩn đã kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học Vật liệu, Y học, Dược học, đặc biệt trong lĩnh vực chăn nuôi và sản xuất nông nghiệp sạch Trong quá trình phát triển nhanh chóng của khoa học Vật liệu, lĩnh vực vật liệu kháng khuẩn, kháng virus sử dụng trong y tế, trong nông nghiệp đã đặc biệt quan tâm đến tính kháng khuẩn phổ rộng, hoạt tính kháng khuẩn cao, thân thiện với môi trường Có lẽ một trong các hướng giải quyết vấn đề trên là nghiên cứu phát triển vật liệu kháng khuẩn mới

Thông thường vật liệu kháng khuẩn gồm hai thành phần mạng nền và tâm kháng khuẩn Trong đó mạng nền tương đối phong phú, đa dạng ở thể lỏng hoặc rắn Tâm kháng khuẩn đòi hỏi đạt kích thước nano, diện tích bề mặt của hạt lớn để đáp ứng gia tăng tiếp xúc của chúng với vi khuẩn, virus Bên cạnh

đó, tiêu chí về thời gian kháng khuẩn hiệu quả đủ dài, tính không độc hại và

thân thiện với môi trường của tâm kháng khuẩn luôn được quan tâm đặc biệt Trong những hạt đạt kích thước nano, hạt nano bạc với các tiêu chí về tính kháng khuẩn, kháng virus, chống viêm, kháng nấm và tính không độc hại có nhiều ưu điểm vượt trội, thích hợp cho nhiều đòi hỏi ứng dụng thực tế, đặc biệt là dùng trong vật liệu kháng khuẩn, kháng virus được ứng dụng trong y

tế, trong nông nghiệp, trong chăn nuôi

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu như phương pháp tổng hợp vật lý, phương pháp tổng hợp sinh học và phương pháp tổng hợp hóa học Trong đó phương pháp tổng hợp hóa học có nhiều ưu điểm phù hợp chế tạo vật liệu kháng khuẩn, kháng virus tại phòng thí nghiệm

Tóm lại, vật liệu kháng khuẩn, kháng virus có vai trò to lớn trong chăm sóc sức khỏe y tế, trong nông nghiệp, trong trồng trọt và chăn nuôi Làm sao

để tăng phổ kháng khuẩn, tăng hoạt tính kháng khuẩn đó là một bài toán luôn mang tính thời sự Có lẽ thay đổi môi trường, thay đổi cấu trúc, thay đổi hình dạng tồn tại để cơ chế vật lý, hóa học, sinh học xảy ra dẫn đến xuất hiện cấu trúc phù hợp cho việc định hướng chế tạo vật liệu áp dụng vào thực tiễn luôn

là một trong các hướng nghiên cứu Đây cũng chính là một trong các vấn đề đang được quan tâm, nghiên cứu tại bộ môn Khoa học vật liệu, Khoa khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn

Trên cơ sở đó, tôi đã chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của một số cấu trúc nano Bạc (Ag)”

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Là một vật liệu diệt khuẩn hiệu quả, bạc đã được sử dụng trong lĩnh vực y

tế hàng ngàn năm do đặc tính kháng khuẩn phổ rộng của nó, không độc hại với con người ở nồng độ thấp Công nghệ nano giúp làm tăng thêm tỉ lệ bề mặt trên thể tích và hoạt tính xúc tác của nano bạc, dẫn đến tăng cường đáng

kể hoạt tính kháng khuẩn của chúng AgNPs có thể gắn vào màng tế bào và tương tác với các phân tử trên màng, làm hỏng màng tế bào và phản ứng với các phân tử trong protein chức năng và DNA, tất cả những tổn thương này cuối cùng dẫn đến cái chết của tế bào Các nghiên cứu đã cho thấy rằng hình dạng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano bạc Ba loại nano bạc có hình dạng điển hình là nanocubes (khối nano),nanospheres (hạt cầu nano) và nano-wires (dây nano), các nghiên cứu trên vi khuẩn Escherichia coli cho thấy tại cùng một nồng độ vi khuẩn thì các nano-wires (dây nano) thể hiện hoạt tính kháng khuẩn yếu nhất so với các nanocubes (khối nano) và nanospheres (hạt cầu nano) Bên cạnh đó, các mặt tinh thể khác nhau của các nano bạc có hình dạng khác nhau cũng ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn của chúng, các khối nano bạc được bao phủ chủ yếu bởi các mặt {100} có hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn so với khối cầu nano được bao phủ bởi các mặt {111} Các cấu trúc nano bạc có diện tích tiếp xúc hiệu quả lớn hơn và các mặt phản ứng cao hơn thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn.[1]

Các anion clorua đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển tinh thể của các cấu trúc nano bạc khác nhau Các nghiên cứu cho thấy các cấu trúc nano bạc khác nhau được điều chế bằng cách khử AgNO3 trong EG với sự có mặt của PVP và NaCl, các thông số như nồng độ của NaCl được thêm vào, nhiệt độ dung dịch phản ứng, nhiệt độ bơm NaCl vào dung dịch AgNO3/PVP/EG ban đầu có thể điều chỉnh hình thái và kích thước của các cấu trúc nano bạc Vai trò của anion clorua cùng với các thông số nồng độ, nhiệt độ, trong việc thay đổi cấu trúc các hạt nano bạc đang mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc.[1][2]

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu:

- Chế tạo vật liệu nano Ag có các hình dạng cấu trúc khác nhau

- Khảo sát tính chất quang và đặc trưng cấu trúc của nano Ag

- Khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano Ag theo sự thay đổi hình dạng cấu trúc nano

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu Ag có cấu trúc nano

- Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo và khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano Ag theo sự thay đổi hình dạng cấu trúc

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các hạt nano

Hạt nano là các hạt có kích thước vật lý ở thang đo nano, tức là từ 1 tới

100 nanomet (nm) Một nanomet bằng một phần triệu của một milimet, hay là một phần tỷ của một mét Các hạt này rất nhỏ, vì vậy chúng có các tính chất đặc biệt khác so với các hạt có kích thước lớn hơn Với kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn, hạt nano có thể tương tác mạnh mẽ với môi trường xung quanh Hạt nano có thể có ảnh hưởng đến các quá trình hóa học, sinh học và vật lý mà chúng tham gia Do đó, hạt nano được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và y tế.[7]

1.1.1 Các hạt vi cầu

Các hạt vi cầu là những hạt nano trên nền polymer hoặc silica chứa các chất màu hữu cơ hoặc vô cơ Chất màu có thể được gắn trên bề mặt hoặc đưa vào trong hạt vi cầu bằng liên kết hóa trị hay liên kết không hóa trị So với các chất màu hữu cơ thì các hạt vi cầu có độ bền quang cao hơn vì nền polymer và silica bảo vệ các chất màu hữu cơ khỏi oxi hóa Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của vi cầu có thể được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi

vi cầu với mật độ chất màu lớn nhất được giới hạn bởi chỉ sự dập tắt huỳnh

quang, vì vậy hạt vi cầu có thể có độ bền quang tương đối tốt.[5]

1.1.2 Chấm lượng tử

Chấm lượng tử ( quantum dots) là một chất bán dẫn ở cấp độ nano Bằng cách áp dụng một điện trường hoặc áp suất ánh sáng cho vật liệu bán dẫn có kích thước nano, chúng phát ra ánh sáng với tần số thay đổi theo kích thước của chất bán dẫn Bằng cách điều chỉnh kích thước của chất bán dẫn nano, màu sắc của ánh sáng phát ra có thể được kiểm soát Chất bán dẫn nano này

có đặc tính giới hạn các electron và lỗ Electron Tính chất này tương tự như

các nguyên tử hoặc phân tử trong tự nhiên và do đó được gọi là chấm lượng tử.[4]

Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những electron và

lỗ trống trong vật chất (lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một electron; chúng hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi Khi ta kích thích một chấm lượng tử, chấm càng nhỏ thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng Vì vậy mà chấm lượng tử là cửa ngõ cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới

Các chấm lượng tử thường có dạng hình cầu, với đường kính trong khoảng 2-20nm Các chấm lượng tử phổ biến bao gồm các nhóm nguyên tố

IV, II – VI, IV - VI hoặc III - V trong bảng tuần hoàn Chẳng hạn như chấm lượng tử silicon (Si), chấm lượng tử Germanium (Ge), chấm lượng tử cadmium sulfide (CdS), chấm lượng tử cadmium selenide (CdSe), chấm lượng tử cadmium Telluride (CdTe), chấm lượng tử kẽm (PbS) chấm lượng tử, chấm lượng tử chì selenide (PbSe), chấm lượng tử indium phosphide (InP)

và chấm lượng tử indium arsenide (InAs).[4]

Hình 1.1 Chấm lượng tử làm từ vật liệu bán dẫn, kích thước mỗi chấm khoảng 2 -20

nm cấu thành từ hàng ngàn nguyên tử

Hầu hết các hiệu ứng điện tử quan trọng trong hạt nano bán dẫn là độ rộng của khe hở giữa trạng thái điện tử cao nhất (đỉnh vùng hóa trị) và trạng thái thấp nhất (đáy vùng dẫn) Sự hoạt động này theo sự giam cầm lượng tử do các hạt có đường kính nhỏ, mà ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất quang học của các hạt bán dẫn so với vật liệu khối Năng lượng tối thiểu cần để gây ra một cặp hố điện tử (electron – hole pair) trong hạt nano bán dẫn được quyết định bởi khe dải (Band gap Eg) Ánh sáng với năng lượng thấp hơn Eg không thể bị hấp thu bởi hạt nano, sự hấp thu ánh sáng cũng phụ thuộc vào kích thước hạt Khi kích thước hạt giảm phổ hấp thụ đối với những hạt nhỏ hơn được dịch chuyển về phía bước sóng ngắn.[5]

1.1.3 Các hạt kim loại

Các hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,…được điều chế theo nguyên tắc khử các ion kim loại để tạo thành nguyên tử, các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano

Các hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối, đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước

Hiệu ứng bề mặt thể hiện ở hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt, do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào, các điện tử tự do này

sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Khi kích thước kim loại nhỏ thì điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Do vậy, tính chất quang của hạt nano kim loại có được do sự dao động tập thể của các điện tử Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành lưỡng cực điện,

do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng, độ lớn hạt nano, và môi trường xung quanh Mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang.[6]

1.2 Giới thiệu hạt nano bạc

1.2.1 Cấu trúc của vật liệu nano bạc

Bạc là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký

hiệu Ag (từ tiếng Latin: Argentum) và số hiệu nguyên tử bằng 47, thuộc chu

kì 5, phân nhóm IB, là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, mềm, dẻo, dễ uốn, có hóa trị một, nó có tính dẫn điện cao nhất trong bất kỳ nguyên tố nào

và có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả kim loại Kim loại bạc xuất hiện trong tự nhiên ở dạng nguyên chất, như bạc tự sinh, và ở dạng hợp kim với vàng và các kim loại khác, và ở trong các khoáng vật như argentit và chlorargyrit[7]

Hình 1.2 Cấu trúc điện tử của kim loại Bạc

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của kim loại Bạc

Tính chất vật lý của kim loại Bạc

Khối lượng riêng : 10,49 g/cm3 ( ở 0oC, 101,325 kPa)

Nhiệt lượng nóng chảy: 11,28 KJ/mol

Nhiệt bay hơi: 250,28 KJ/ mol

Phần lõi gồm các nguyên tử bạc sắp xếp dạng tinh thể khối với số lượng tùy thuộc vào kích thước và hình dáng của AgNPs, chẳng hạn một hạt nano bạc hình cầu kích thước hạt 20nm có thể chứa đến 125.000 nguyên tử bạc Phần bề mặt AgNPs là các nguyên tử bạc và ion Ag+ xen kẽ nhau, tại đó liên tục diễn ra quá trình cân bằng động chuyển đổi giữa nguyên tử Ag và ion

Ag+ Khi gặp các bề mặt có tính oxi hóa như bề mặt virus, vi khuẩn thì ion

Ag+ sẽ được tạo ra liên tục từ hạt nano bạc cho hiệu quả tiêu diệt virus, vi

khuẩn hiệu quả

Lớp vỏ gồm các phân tử bảo vệ giúp ổn định bề mặt hạt, giữ hạt nano bạc

ở kích thước quy định, tránh lắng và kết tụ

Dung dịch nano bạc có màu sắc thay đổi từ vàng tới đỏ thẫm và có thể có màu gần như đen khi đạt nồng độ 5000 ppm

Nano Bạc có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn kim loại bạc hàng triệu lần Nhờ đó, giúp gia tăng tiếp xúc với các vi khuẩn hoặc nấm và có khả năng diệt khuẩn tức thì khi tiếp xúc Dung dịch nano bạc sẽ có độ nhớt tương đương như nước thông thường và Nano Bạc không tồn tại ở thể rắn

Hình 1.4 Cấu trúc của nano Bạc

1.2.2 Tính chất của vật liệu nano bạc

1.2.2.1 Tính chất quang

Cũng như các kim loại quý khác như vàng, đồng, bạch kim, Bạc có một hiệu ứng đặc biệt ở kích thước nano – hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt, chính do hiệu ứng này, nano bạc phân tán trong dung môi hấp thụ mạnh bước sóng nằm trong khoảng từ tử ngoại đến nhìn thấy tùy thuộc vào kích

thước và hình dáng của hạt.[5][9][10]

1.2.2.2 Tính chất điện

Bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất trong tự nhiên, và nano bạc cũng vậy, nhờ đó hạt nano bạc được dùng làm mực in nano hoặc các kim dẫn điện trong các mạch điện tử.[5][9][10]

Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc:

Ion bạc (Ag+) có tác dụng diệt khuẩn theo hai cách: ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn thông qua sự cản trở các kênh dinh dưỡng ở màng tế bào

và tiêu diệt vi khuẩn bằng cách phá hỏng màng tế bào của chúng

Ion bạc (Ag+) có lực hút rất mạnh đối với các nhóm chức mang điện tích âm trong cấu tạo sinh học phân tử của tế bào vi khuẩn, như nhóm -SH, -COOH,… nhờ đó nó có thể phá vỡ liên kết và làm thay đổi cấu trúc của tế bào vi khuẩn, ngăn cản quá trình trao đổi chất với môi trường sinh trưởng Với các sinh vật đơn bào như vi khuẩn, vi rút, tính sát khuẩn của bạc xảy ra gần như ngay lập tức

Hình 1.5 Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu nano bạc

Ứng dụng của Bạc đã được biết đến từ thời xưa khi người ta dùng bình bằng bạc đựng nước hay dùng đồng xu bằng kim loại Bạc để kháng khuẩn Từ thế kỷ thứ XVII, con người cũng dùng kim loại Bạc cho nhiều ứng dụng khác nhau trong chữa bệnh Từ 1980 đến 2010, thế giới có khoảng 7500 phát minh, sáng chế liên quan đến nano Ag Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của nano Ag là rất lớn Trong số các ứng dụng của nano Ag thì chủ yếu là đến từ khả năng kháng khuẩn của nano Ag, sau đó là đặc tính quang học cho cảm biến, và ứng dụng cho tính xúc tác

Nano Ag diệt khuẩn có thể tiêu diệt hơn 650 loại vi khuẩn trong vài phút, và có khả năng siêu thẩm thấu, có thể nhanh chóng thâm nhập 2mm dưới da để khử trùng, vì vậy nano bạc là chất khử trùng mạnh mẽ

1.2.3.2 Ứng dụng làm xúc tác và vật liệu dẫn điện

Ag được dùng làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học để điều chế các hóa chất hữu cơ phân tử nhỏ có giá trị cao, hay để phá hủy các chất ô nhiễm màu nhuộm

Ag cũng được dùng kết hợp với TiO2 để tăng cường hoạt tính xúc tác quang của TiO2, Ag đóng vai trò hạn chế hiện tượng kết tụ phá hủy hạt điện

tự do và làm tăng hiệu quả xúc tác quang của hệ

Bạc dạng micro được sử dụng phổ biến làm keo dẫn điện ứng dụng trong công nghiệp sản xuất hàng điện tử hay các bo mạch điện tử co giãn được

Bằng cách kiểm soát cấu trúc của hạt nano Ag sao cho tạo ra các hiệu ứng thích hợp như làm cảm biến hay sử dụng cho thiết bị lọc ánh sáng Hiện tượng cộng hưởng plasmon ở bề mặt của Ag trong vùng sáng nhìn thấy làm cho vật liệu này trở nên quan trọng cho các ứng dụng để nhận biết các hóa chất, đặc biệt là hạt siêu nhỏ (<2nm) Vì các hạt siêu nhỏ có một số tính chất đặc trưng, như hiện tượng tích điện lượng tử, từ tính và phát quang, mà các hạt có kích thước lớn hơn không có hoặc không quan sát được

1.3 Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc

Tính chất của hạt nano bạc phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hình dáng, kích thước và sự phân bố kích thước hạt Do đó để kiểm soát tốt tính chất của vật liệu, nhiều phương pháp tổng hợp được phát triển Hạt nano bạc được tổng hợp theo hai hướng từ các nguyên tử kết hợp lại thành hạt nhỏ, rồi kết dính lại với nhau tạo ra hạt lớn hơn ( gọi là bottom-up) và đi từ vật liệu khối lớn, phân

chia nhỏ ra thành các hạt có kích thước nano ( gọi là top-down) Tùy theo phương pháp tiến hành, ta lại chia ra phương pháp hóa học, phương pháp vật

lý và phương pháp sinh học

1.3.1 Phương pháp khử hóa học

Nguyên tắc của phương pháp này là chuyển electron lên ion Ag+ để đưa ion về nguyên tử Ag0 Các nguyên tử Ag0 này kết dính với nhau tạo ra hạt nano bạc.[11][12]

Theo phương pháp này, các chất sử dụng gồm nguyên liệu đầu vào chứa ion Ag+ như AgNO3, Ag2SO4, và chất khử như ethylene glycol, muối citrate, borohydride, ascorbic acid hay dung dịch chiết từ cây.[13][14]

Thông thường kim loại bạc được điều chế từ muối bạc (thường là AgNO3) bằng phản ứng khử

Phương trình khử Ag+ bằng chất khử ethylene glycol

Sự hình thành hạt nano Ag diễn ra theo trình tự từ ion Ag+ đến nguyên tử Ag0 và kết dính lại tạo ra hạt Ag có kích thước vài nm Nếu trong dung dịch không có tác nhân làm bền thì các hạt nhỏ này sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt lớn hơn và có thể tách ra khỏi dung dịch Để duy trì dung dịch nano Ag ta phải sử dụng các chất làm bền, thông thường là các chất hoạt động bề mặt, ion citrate, polyvinyl-pyrrolidone, polyvinyl alcohol Các nhóm chất này ngăn cản

sự kết dính của các hạt Ag, duy trì kích thước nhỏ của hạt Ag và như vậy sẽ làm cho dung dịch nano Ag bền trong thời gian dài hơn

Phương pháp hóa học là phương pháp truyền thống và được ứng dụng nhiều nhất trong tổng hợp nano bạc Ưu thế của phương pháp hóa học là dễ thực hiện, chi phí thấp, hiệu suất tổng hợp cao, có thể điều khiển được kích thước các hạt nano bạc bằng cách thay đổi linh hoạt các hóa chất sử dụng về nồng độ, hàm lượng các chất tham gia phản ứng, loại hóa chất khử với độ khử mạnh yếu khác nhau, loại chất ổn định Ngoài ra, kích thước các hạt nano bạc tạo ra cũng có thể được điều khiển bằng cách thay đổi các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, tốc độ nhỏ giọt hay thời gian khử Tuy nhiên phương pháp này sử dụng các hóa chất có thể gây ô nhiễm môi trường, độc hại Để hạn chế sử dụng các chất độc hại, những năm gần đây các chất khử này được thay thế bằng các hóa chất thân thiện môi trường hơn như ascorbic acid, glucose, amino acids, dung dịch chiết từ cây, tinh bột, …

1.3.2 Phương pháp khử sinh học

Phương pháp này sử dụng các vi khuẩn, nấm, tảo, peptide để tổng hợp tạo hạt Ag Ưu điểm của phương pháp này là thực hiện đơn giản, chi phí thấp, thân thiện môi trường Ví dụ một số loài vi khuẩn có thể tổng hợp nano Ag cả bên trong lẫn bên ngoài mặt màng tế bào vi khuẩn Nguyên lý dựa trên phương pháp khử, các protein của vi khuẩn có khả năng khử đưa ion Ag+ về dạng nguyên tử tạo tâm kết tinh, phát triển và kết nối tạo hạt nano Ag Và để sử dụng được phương pháp này, ta cần nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường chứa nhiều ion Ag+ Đối với nấm, cơ chế tổng hợp nano Ag diễn ra dựa trên khả năng khử của enzyme do nấm tạo ra Enzyme khử các ion Ag+ và tạo ra nano Ag Khi ở trong môi trường chứa nhiều Ag+, các ion này sẽ bám lên tế bào nấm nhờ lực hút tĩnh điện giữa màng tế bào tích điện âm và ion Ag+ tích điện dương Và các enzyme trên màng tế bào sẽ khử ion Ag+ để tạo nguyên tử, và dần dần tạo ra nano Ag Các nghiên cứu cho thấy nấm tạo ra nano Ag

có hình cầu, khá đồng nhất Khác với vi khuẩn – loại có thể tạo ra nano Ag

với nhiều kích thước và hình dáng khác nhau Tảo biển cũng được sử dụng để tổng hợp nano Ag Tuy nhiên, với phương pháp sinh học thì khó có thể đạt được khối lượng lớn nano Ag Vì vậy khả năng nâng cấp để sản xuất ở quy

mô công nghiệp là khó khả thi hơn so với phương pháp vật lý và hóa học .[15][16][17]

Phương pháp ăn mòn laser: Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt

trong một dung dịch có một lớp chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laser dạng xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 nm, tần số là 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng là 1 - 3 mm Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10

nm được hình thành Dung dịch nano Ag tạo ra theo phương pháp này bền đến nhiều tháng mà không cần sử dụng chất làm bền.[18]

Phương pháp bay hơi – ngưng tụ: Kim loại Ag được đưa đến nhiệt độ

cao (hơn 20000C) và bay hơi Hơi này sẽ ngưng tụ thành hạt kim loại nano Ag khi gặp môi trường lạnh (dòng khí lạnh trơ hay dùng dung môi) Hạt Ag thu được theo phương pháp này có kích thước tầm 10 – 20nm.[19][20]

Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ: Dung dịch hỗn hợp ban đầu gồm bạc

ion, chất khử và chất ổn định được chiếu xạ vi sóng điện từ Dưới tác dụng của

sóng ngắn và nhiệt nóng phân bố đều trong dung dịch sẽ xúc tiến quá trình khử

và phát triển thành hạt bạc kim loại nhanh chóng Dung dịch keo bạc thu được

có kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng.[19][20]

1.4 Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và chất bảo vệ đến hình dạng các hạt nano bạc

Bạc nano được tổng hợp bằng quy trình Polyol trong ethylene glycol (EG) làm chất khử, poly vinylpyrrolidone (PVP) làm chất ổn định, sử dụng kĩ thuật vi sóng Người ta nhận thấy rằng hình thái và cấu trúc của cấu trúc nano bạc phụ thuộc rất nhiều vào các thông số thí nghiệm như nồng độ tiền chất AgNO3, nồng độ chất khử PVP, nồng độ NaCl, thời gian vi sóng

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tiền chất AgNO3 cho thấy hình dạng, kích thước của nano bạc phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ AgNO3 Ở nồng độ AgNO3 thấp sản phẩm chiếm ưu thế là dạng cầu Khi nồng độ AgNO3 tăng thì sản phẩm chiếm ưu thế là dây và que [3]

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất bảo vệ PVP đến hình thái cấu trúc nano Ag cho thấy ở nồng độ PVP thấp, sự kết tụ xảy ra sao cho các hạt hình cầu lớn là sản phẩm chính, khi nồng độ PVP tăng lên thì sản phẩm dây nano tăng lên đáng kể.[3]

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến sự phát triển hình thái cấu trúc nano bạc cho thấy đối với các sản phẩm keo được điều chế không có NaCl sự có mặt của AgNPs tinh khiết gần như hạt cầu, và đối với sản phẩm keo được điều chế có NaCl, sản phẩm dây nano chiếm đa số [3]

Trong số các hoạt tính hóa lý của nano bạc, hình dạng là một thông số quan trọng liên quan đến hoạt tính kháng khuẩn Ba loại nano bạc có hình dạng điển hình là hạt cầu nano (silver nanospheres), khối nano (silver