Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc bằng phương pháp xanh định hướng ứng dụng trong y sinh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ HÀ PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP XANH ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN - 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ HÀ PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP XANH ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo, TS Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô, tập thể cán bộ khoa Vật lý và Công nghệ (nay là Viện Khoa học và Công nghệ), trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong học tập và truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo, Tổ chuyên môn trường THPT Lương Tài đã giúp đỡ và tạo điều kiện để em được tham gia khoá học, cũng như hoàn thành luận văn này

Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập

Thái Nguyên, ngày 08 tháng 12 năm 2021

Học viên

Phạm Thị Hà Phương

1.1 Giới thiệu về vật liệu nano kim loại 3

1.1.1 Phân loại vật liệu nano 3

1.1.2 Tính chất quang học trong vật liệu nano 5

1.3 Tổng quan về tổng hợp nano bạc bằng chiết xuất thực vật 14

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 17

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20

2.1 Vật liệu và dụng cụ trong thực nghiệm 20

2.1.1 Vật liệu 20

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 20

2.2 Chế tạo nano bạc 20

2.2.1 Chế tạo dịch chiết búp mít 20

2.2.2 Chế tạo nano bạc từ AgNO3 bằng phương pháp xanh 20

2.3 Các phương pháp phân tích tính chất hạt nano bạc 21

2.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV – Vis 21

2.3.2 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét 24

2.3.3 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua 27

2.3.4 Phương pháp phân tích cấu trúc XRD 29

2.3.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại 29

2.3.6 Phương pháp quang phổ Raman 31

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch AgNO3 33

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ dịch chiết 35

3.3 Ảnh hưởng của độ pH 36

3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 38

3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 39

3.6 Nghiên cứu các đặc trưng của hạt nano bạc 40

3.6.1 Phổ hấp thụ của nano bạc 40

3.6.2 Kết quả phân tích ảnh TEM 41

3.6.3 Kết quả phân tích cấu trúc tinh thể 42

3.6.4 Phân tích các liên kết hoá học 43

3.7 Kết quả đánh giá khả năng kháng khuẩn của nano bạc 45

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

SPR Surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề

LSP Localized surface plasmon Plasmon bề mặt định xứ LSPR Localized Surface Plasmon

Resonance

Cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ

S aureus Staphylococcus aureus P aeruginosa Pseudomonas aeruginosa E Coli Escherichia coli

Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

FE-SEM Field Emission Scanning Electron Microscopes

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

BSE Back-scattered electrons Điện tử tán xạ ngược SE Secondary electronics Điện tử thứ cấp EDS X-ray energy dispersive

spectrum

Phổ tán sắc năng lượng tia X

TEM Transmission Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

FTIR Fourrier Transformation InfraRed

Quang phổ hấp thụ hồng ngoại

CCD Charge Coupled Device Cảm biến quang-điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Phân loại vật liệu nano dựa trên kích thước 0D: Chấm lượng

tử, hạt nano, lõi-vỏ 1D: Thanh nano, sợi nano, ống nano 2D: Tấm nano, vách

nano, mảnh nano 3D: Bóng nano, Nón nano, hoa nano 4

Hình 1.2: Hiệu ứng giam giữ lượng tử Sự chuyển đổi từ các mức năng lượng liên tục trong các vật liệu bán dẫn khối sang các mức năng lượng rời rạc trong các chấm lượng tử bằng cách giảm kích thước hạt………5

Hình 1.3: Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt cục bộ của các hạt nano kim loại……… 7

Hình 1.4 Phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại có kích thước nhỏ và dạng hình cầu của a) AuNP và b) AgNP với SPR tương ứng khoảng 520 nm và 400 nm 7

Hình 1.5 Các phương pháp chế tạo nano bạc phổ biến: a) phương pháp vật lý, (b) phương pháp hoá học và (c) phương pháp sinh học 11

Hình 1.6 Phương pháp chế tạo nano bạc hoá học………13

Hình 1.7 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 14

Hình 1.8 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 15

Hình 1.9 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 16

Hình 1.10 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 16

Hình 1.11 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 17

Hình 1.12 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 18

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình chế tạo nano bạc từ dịch chiết………20

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch……… 22

Hình 2.3 Sơ đồ quang học của hệ đo Jasco-V770……… 23

Hình 2.4 Hệ đo UV-VIS-NIR Absorption Spectrophotometer (Jasco-V770)……… 24

Hình 2.5 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét……….26

Hình 2.6 Hệ đo FE-SEM S-4800………27

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị hiển vi điện tử truyền qua……… 28

Hình 2.8 Các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn……….29

Hình 2.9 Hệ đo phổ FTIR IR-Prestige-21 (Shimadzu)………30

Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo quang phổ Raman……… 31

Hình 2.11 Hệ phân tích quang phổ Raman Renishaw, UK……….32

Hình 3.1 Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano bạc được chế tạo ở các nồng độ khác nhau của dung dịch tiền chất AgNO3 ………34

Hình 3.2 Phổ hấp thụ UV-Vis của nano bạc ở các lượng dịch chiết Ext khác nhau……….35

Hình 3.3 Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano bạc ở các độ pH khác nhau của dung dịch……… 37

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới độ hấp thụ của nano bạc……… …38

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên phổ hấp thụ của nano bạc………40

Hình 3.6 Phổ hấp thụ UV-Vis của nano bạc và dịch chiết Ext (a) và hình ảnh dung dịch AgNPs chế tạo được (b)……… 41

Hình 3.7 Ảnh TEM của các hạt nano bạc được chế tạo bằng dịch chiết

Hình 3.11 Vùng ức chế của các hạt nano bạc chống lại các vi khuẩn gây bệnh Bacillus cereus và Staphylococcus aureus (TCV)………45

MỞ ĐẦU

Công nghệ nano hiện nay đang phát triển một cách mạnh mẽ làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa học Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong ứng dụng y sinh học nhờ khả năng giúp con người can thiệp vào kích thước nano mét Lý sinh học nano đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nano, đặc biệt là ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh Cụ thể, việc sử dụng vật liệu nano phát quang làm chất đánh dấu sinh học có những ưu điểm vượt trội so với các chất đánh dấu cổ điển như: khả năng thâm nhập, độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường trong môi trường sinh học Các hạt nano bạc (AgNPs) được phát hiện có tác dụng mạnh chống lại các vi sinh vật kháng thuốc kháng sinh Các ứng dụng khác nhau của bạc và các hạt nano của nó được biết đến như trong chăm sóc vết thương, nha khoa, thiết bị y tế và hệ thống lọc, nơi sự xâm nhập của mầm bệnh gây nguy hiểm cho sức khỏe [6-9] Sức mạnh của các bạc và AgNPs phát sinh từ cơ chế hoạt động kháng khuẩn nhiều mặt của nó Chúng có thể liên kết với các nhóm lưu huỳnh của protein trong màng tế bào vi khuẩn, do đó gây ra những thay đổi về tính thấm và tính toàn vẹn của màng dẫn đến chết tế bào [10] Hơn nữa, việc sản xuất các hạt nano bạc có tầm quan trọng lớn vì chúng có nhiều ứng dụng như trong xúc tác, cảm biến, điện tử, dược phẩm, quang tử và quang điện tử [11, 12]

Trên thực tế, hầu hết các quá trình tổng hợp thông thường của AgNPs đòi hỏi phải sử dụng các hóa chất độc hại và tạo ra chất thải hữu cơ độc hại Do đó, trong những năm gần đây, các chất tổng hợp có nguồn gốc từ thực vật và phân tử sinh học đã thu hút được nhiều sự chú ý Việc sử dụng phương pháp thân thiện với môi trường để tổng hợp các hạt nano bạc, tránh sử dụng các hóa chất độc hại và có giá đắt đỏ là rất cần thiết và cấp bách [13-15] Kết quả là, các phương pháp hóa học xanh sử dụng nhiều thực vật và vi sinh vật đã được quan tâm đáng kể do tính đơn giản và thân thiện với môi trường của chúng Trên thực tế, con đường qua trung gian thực vật ưu việt hơn phương pháp vi sinh

vật, vì nó có một số ưu điểm, ví dụ: hiệu quả chi phí, tổng hợp nhanh chóng và cải thiện tính ổn định Vì vậy, việc sử dụng các chất chiết xuất từ thực vật để sinh tổng hợp AgNPs đã trở thành tiêu điểm chính cho các nhà khoa học vật

liệu sinh học Do đó, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano

bạc bằng phương pháp xanh định hướng ứng dụng trong y sinh” làm đề tài luận

văn

Mục tiêu của luận văn

- Nghiên cứu tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết từ búp mít

- Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vật liệu chế tạo được

Bố cục của luận văn

Ngoài phần Mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và phần Kết luận về những kết quả đã đạt được, luận văn được cấu trúc trong 3 Chương:

Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu nano bạc, các phương pháp chế

tạo; tổng quan về tình hình nghiên cứu chế tạo nano bạc bằng dịch chiết thực vật

Chương 2 trình bày thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc sử dụng dịch

chiết búp mít, các tính chất đặc trưng của vật liệu chế tạo và khả năng kháng khuẩn của nó

CHƯƠNG I TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu về vật liệu nano kim loại

Theo Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) định nghĩa về vật liệu nano là các

cụm nguyên tử hoặc phân tử có kích thước nano nằm trong phạm vi khoảng từ 1 nm đến 100 nm (ISO 2015a) Trong giới hạn dưới (< 1 nm) của kích thước nano, các nguyên tử và phân tử tồn tại riêng lẻ và không được coi là vật thể nano (nano-objects) Trong các giới hạn trên, các vật thể vượt quá kích thước nano đo được từ 100 nm đến 1 µm được phân loại là các hạt siêu nhỏ Vật thể nano sở hữu ít nhất một chiều bên ngoài (có nghĩa là chiều cao, chiều dài và chiều rộng), tất cả đều được đo trong phạm vi nano (< 100 nm) Trong những điều kiện này, các vật thể nano có thể tồn tại ở các kích thước và hình dạng khác nhau

1.1.1 Phân loại vật liệu nano

Hình dạng cơ bản của vật thể nano bao gồm tấm nano (một chiều bên ngoài), sợi nano (hai chiều bên ngoài) và hạt nano (ba chiều bên ngoài) (ISO 2015b) Phân loại vật liệu nano dựa trên việc xác định kích thước lần đầu tiên được phát triển bởi Gleiter năm 2000 [16] Vì việc xác định kích thước của vật liệu nano không tính đến các cấu trúc như fulleren, ống nano và hoa nano, nên việc xác định kích thước của vật liệu nano sau đó đã được mở rộng thành các cấu trúc nano 0D, 1D, 2D và 3D Vật liệu nano được phân loại dựa trên kích thước của chúng, chứa các cấu trúc hạt nano sau:

 Cấu trúc nano 0D là các chấm lượng tử (các hạt được xếp thành mảng đồng nhất), các hạt nano không đồng nhất, lõi - vỏ, hình cầu rỗng, và fulleren

 Cấu trúc nano 1D là dây nano

 Cấu trúc nano 2D là các tấm nano Các cấu trúc nano này chỉ có một chiều trong kích thước nano

 Cấu trúc nano 3D là các quả cầu nano Tăng diện tích bề mặt so với vật liệu nano 0D, 1D và 2D, do các hạt có độ xốp cao

Một số cấu trúc hình thái của vật liệu nano cho từng kích thước được trình bày dưới đây trong hình 1.1

Tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào kích thước của chúng Sự gia tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích, làm bộc lộ các nguyên tử trên bề mặt, dẫn đến khả năng phản ứng cao hơn và do đó cải thiện tính chất vật liệu Đây cũng là điều làm cho vật liệu nano trở nên độc đáo so với các vật liệu dạng khối của

chúng Những cải tiến chủ yếu được quan sát thấy ở các đặc tính liên quan đến

Hình 1.1: Phân loại vật liệu nano dựa trên kích thước 0D: Chấm lượng tử, hạt nano,

lõi-vỏ 1D: Thanh nano, sợi nano, ống nano 2D: Tấm nano, vách nano, mảnh nano 3D: Bóng nano, Nón nano, hoa nano

1.1.2 Tính chất quang học trong vật liệu nano

Trong cơ học lượng tử, các đặc tính phụ thuộc vào kích thước của vật liệu nano được giải thích bằng hiệu ứng giam giữ lượng tử Hiệu ứng này được quan sát thấy trong những gì tương ứng với các chấm lượng tử, dây lượng tử và giếng lượng tử, là chất trung gian của vật liệu bán dẫn khối và các phân tử hoặc nguyên tử đơn lẻ Các điện tử của giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử lần lượt bị giới hạn trong một, hai hoặc ba chiều [17] Năng lượng điện tử tăng lên làm tăng cường độ giam giữ điện tử và đồng ý với 1D > 2D > 3D, vì sự giam giữ điện tử của giếng lượng tử là yếu nhất Mức năng lượng điện tử trong chấm lượng tử là rời rạc và không liên tục như trong vật liệu bán dẫn khối

Hình 1.2: Hiệu ứng giam giữ lượng tử Sự chuyển đổi từ các mức năng lượng liên

tục trong các vật liệu bán dẫn khối sang các mức năng lượng rời rạc trong các chấm lượng tử bằng cách giảm kích thước hạt

Như thể hiện trên hình 1.2, sự chuyển đổi từ sự giam giữ điện tử liên tục sang rời rạc làm tăng khoảng cách vùng cấm của điện tử, và do đó hạn chế sự chuyển động của các điện tử Do đó, khi kích thước tinh thể nano giảm, năng

lượng vùng cấm tăng, và do đó phát ra năng lượng lớn hơn do sự tái kết hợp lỗ trống điện tử

Hiệu ứng quang học cũng được quan sát thấy trong các hạt nano kim loại,

và được gọi là cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) Hiện tượng này xảy ra khi

một điện trường bên ngoài (ví dụ như các photon) được đặt vào, do đó làm phát sinh các dao động chung của các điện tử hóa trị tự do Vì các electron là các hạt cơ bản mang điện, các dao động từ các electron hóa trị sẽ tạo ra điện trường Do đó, sự cộng hưởng của điện trường từ nguồn sáng và các điện tử hóa trị gây ra cái gọi là SPR trên bề mặt hạt nano kim loại Việc chiếu xạ các hạt nano có kích thước nhỏ hơn bước sóng của chùm ánh sáng tới sẽ làm lệch điện trường gây ra sự phân cực bề mặt của các hạt nano kim loại Đây được gọi là hiệu ứng

cộng hưởng Plasmon bề mặt cục bộ (LSPR), được minh họa trên hình 1.3

Hình 1.3: Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt cục bộ của các hạt nano kim loại

SPR phụ thuộc vào tính chất điện môi của kim loại, môi trường phân tán, mức độ kết tụ của các hạt cũng như kích thước và hình dạng của hạt SPR trong các hạt nano kim loại xảy ra chủ yếu trong vùng cực tím (UV) của phổ điện từ, trong khi ở một số kim loại (ví dụ như vàng (Au), bạc (Ag) và đồng (Cu)), SPR dịch chuyển về phía vùng khả kiến Trong trường hợp hạt nano vàng hình cầu, SPR xuất hiện trong khoảng 520 - 550 nm, tương ứng với màu đỏ ở ánh sáng nhìn thấy Đối với các hạt nano bạc hình cầu, SPR xuất hiện ở khoảng 400 nm,

tương ứng với màu vàng ở ánh sáng nhìn thấy Phổ hấp thụ của các dung dịch keo vàng và bạc được trình bày trong hình 1.4, cho thấy đỉnh SPR của các hạt nano hình cầu và có kích thước nhỏ

Hình 1.4: Phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại có kích thước nhỏ và dạng hình cầu

của a) AuNP và b) AgNP với SPR tương ứng khoảng 520 nm và 400 nm

LSPR có thể được sử dụng để giải thích các thuộc tính tán xạ và hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano vàng và bạc Bằng cách thay đổi kích thước của hạt nano, vị trí đỉnh LSPR có thể được dịch chuyển đáng kể, điều này sẽ ảnh hưởng đến màu sắc quan sát của hạt và đặc tính tán xạ Raman của các hạt nano kim loại này Vị trí đỉnh LSPR là bước sóng mà tại đó sự hấp thụ và tán xạ tăng cường được quan sát cho các hạt nano kim loại Tăng cường điện từ và tăng cường tán xạ ánh sáng sẽ xảy ra khi bước sóng kích thích ở gần đỉnh LSPR Điều quan trọng là tối ưu hóa các hạt SERS cho một bước sóng kích thích cụ thể Việc tối ưu hóa này có thể được thực hiện bằng cách chế tạo các hạt nano với các kích thước có thể tạo ra một đỉnh LSPR ở bước sóng kích thích

Các dự đoán lý thuyết về vị trí đỉnh LSPR có thể được thực hiện bằng lý thuyết tán xạ Mie Lý thuyết tán xạ Mie là một phương pháp áp dụng hệ phương trình Maxwell cho sự lan truyền điện từ đến các hạt hình cầu đẳng hướng đồng nhất Kết quả này có thể được sử dụng để dự đoán các vị trí đỉnh LSPR cho các

hạt nano có kích thước, hình dạng và tính chất điện môi khác nhau Phương trình sau sử dụng lý thuyết tán xạ Mie và có thể được sử dụng để ước tính các đặc tính dập tắt phụ thuộc bước sóng của một hạt nano có giới hạn lưỡng cực tĩnh điện

𝐸(𝜆) =24𝜋𝑁𝑎𝑎3𝜀𝑚3 2⁄

𝜆𝐿𝑛(10) [ 𝜀𝑖

(𝜀𝑟+𝑋.𝜀𝑚)2+𝜀𝑖2] (1.1)

Trong phương trình này 𝐸(𝜆) là sự dập tắt ánh sáng phụ thuộc bước sóng là một tổng của hấp thụ và tán xạ Na là mật độ diện tích của các hạt nano, a là bán kính của các hạt nano, 𝜀𝑚là hằng số điện môi của môi trường xung quanh hạt nanovà 𝜀𝑟, 𝜀𝑖 là phần thực và ảo của các hàm điện môi của các hạt nano, X là chỉ số hình dạng hạt Chỉ số hình dạng hạt có thể được thay đổi theo mô phỏng lí thuyết Mie với hình dạng và tỉ lệ khác nhau của hạt

1.1.3 Lý thuyết Mie

Lý thuyết Mie giải thích mầu đỏ của dung dịch hạt nano vàng bằng cách giải phương trình Maxwell cho một sóng điện từ tương tác với một quả cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số giống như vật liệu khối

Đối với các hạt nanô kim loại có kích thước d nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng tới (2r , hoặc một các gần đúng 2rmax /10) thì dao động của điện tử được coi là dao động lưỡng cực và thiết diện tắt được viết dưới dạng

Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được thiết diện tán xạ Csca và thiết diện hấp thụ Cabs với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dưới dạng:

Trong đó V là thể tích của hạt,  là tần số của ánh sáng tới, c vận tốc ánh sáng, k là số sóng, m và 1 i2  là hàm điện môi của môi trường bao quanh và của vật liệu hạt Đầu tiên ta giả thiết là biểu thức độc lập với tần số và là một hàm phức phụ thuộc vào năng lượng, điều kiện cộng hưởng được

thỏa mãn khi 1 2mnếu như 2nhỏ hoặc phụ thuộc yếu vào Phương trình trên đã được sử dụng để giải thích tổng quát phổ hấp thụ của hạt nano kim loại nhỏ một cách định tính cũng như định lượng Ngoài ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa thiết diện tán xạ (thiết diện dập tắt, thiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca(hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabs) plasmon

Tuy nhiên đối với các hạt nano lớn hơn (lớn hơn khoảng 20 nm trong trường hợp của vàng) khi đó gần đúng lưỡng cực không còn hợp lệ, cộng hưởng

plasmon bề mặt phụ thuộc rõ ràng vào kích thước của hạt r Kích thước hạt

càng lớn thì các mode dao động càng cao hơn do ánh sáng lúc đó không còn phân cực hạt một cách đồng nhất được nữa Các mode dao động cao này có vị trí đỉnh phổ ở năng lượng thấp hơn và do đó tần số dao động của plasmon bề mặt cũng giảm khi kích thước hạt tăng Điều này được mô tả thực nghiệm như trong hình 1.3 và cũng tuân theo lý thuyết Mie Phổ hấp thụ quang phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt được coi như các hiệu ứng ngoài

Lý thuyết Mie chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thước hạt đối với trường hợp các hạt có kích thước nhỏ hơn 20 nm

Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt phụ thuộc vào kích thước  ,r  với các hạt có đường kính trung bình nhỏ hơn 20 nm Kreibig và Von Fragstein đề xướng tán xạ điện tử trên bề mặt tăng lên đối với các hạt nhỏ khi mà quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị giới hạn bởi kích thước vật lý của hạt Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bề mặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động ngẫu nhiên bị mất Sự va chạm không đàn hồi với điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi pha

Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh Điện tử sau đó có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là trong hạt

có kích thước lớn hơn Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm Drude đã đưa ra công thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào

  là tần số của plasmon khối trong ngôn ngữ mật độ điện tử tự do n và điện tích e, 0 là hằng số điện môi trong chân không và meff là khối lượng điện tử hiệu dụng  là hàm của bán kính hạt r như sau:

Trong đó 0 là hằng số tắt của vật liệu khối, A là một tham số phụ thuộc vào chi tiết các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuyếch tán) và F là vận tốc của điện tử có năng lượng bằng mức Fermi

Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ plasmon như hàm

của kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cực trong vùng kích thước nội “intrinsic” (r < 20 nm) Thông số A được sử dụng như một thông số “làm khớp các giá trị thực nghiệm” Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết này là đã đưa ra một mô hình mô tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt vào kích thước

1.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano bạc

Có nhiều phương pháp để tổng hợp và chế tạo các hạt nano kim loại như phương pháp vật lý, hóa học, sinh học, Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể quy về hai phương pháp chính đó là phương pháp từ trên xuống (Top down) và phương pháp từ dưới lên (Bottom up) Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu bằng cách dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Phương pháp từ dưới lên là phương pháp khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano Phương pháp này được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng sản phẩm cuối cùng

Hình 1.5 Các phương pháp chế tạo nano bạc phổ biến: a) phương pháp vật lý,

(b) phương pháp hoá học và (c) phương pháp sinh học

1.2.1 Phương pháp vật lý

Trong phương pháp vật lý, tổng hợp AgNPs bay hơi và ngưng tụ có tầm quan trọng lớn Gradient nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng trong việc làm mát hơi ở tốc độ mong muốn Khả năng nhiễm bẩn bởi dung môi đã được loại bỏ bằng phương pháp vật lý vì không có dung môi nào được sử dụng trong phương pháp vật lý và thu được chính xác sự phân bố đồng đều của kích thước hạt Có thể dễ dàng đạt được nồng độ ức chế tối thiểu trong nghiên cứu độc tính bằng cách tạo ra các hạt nano ở nồng độ cao AgNPs cũng được tổng hợp bằng cách ăn mòn laser từ kim loại Một ưu điểm quan trọng của kỹ thuật ăn mòn laser so với các phương pháp sản xuất keo kim loại khác là không có thuốc thử hóa học trong dung dịch Do đó, chất keo kim loại nguyên chất và không bị nhiễm bẩn cho các ứng dụng tiếp theo có thể được điều chế bằng kỹ thuật này

Nhiều loại vật liệu có thể được tổng hợp dưới dạng các hạt nano bằng phương pháp vật lý như Au, Au và PbS Tổng hợp AgNPs bằng lò ống có nhiều nhược điểm như đòi hỏi không gian lớn hơn, công suất lớn, nhiệt độ môi trường tăng nhanh, v.v Tổng hợp AgNPs bằng ăn mòn laser phụ thuộc mạnh mẽ vào bước sóng laser, thời gian xung laser, năng lượng laser, khoảng thời gian ăn mòn và môi trường lỏng hiệu quả Sự phóng ra các AgNP được tổng hợp bằng cách ăn mòn laser đòi hỏi ít năng lượng và kích thước hạt phụ thuộc chính xác vào độ thông thạo của tia laser Tuy nhiên, hình thái, kích thước và hình dạng của AgNPs chủ yếu phụ thuộc vào sự tiếp xúc của ánh sáng laser đi qua Ngoài ra, sự hình thành các hạt nano bằng phương pháp ăn mòn laser được chấm dứt bởi lớp phủ chất hoạt động bề mặt Các hạt nano được hình thành trong dung dịch có nồng độ chất hoạt động bề mặt cao nhỏ hơn các hạt được tạo thành trong dung dịch có nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp Một ưu điểm của phương pháp ăn mòn laser so với các phương pháp điều chế keo kim loại thông thường khác là không có thuốc thử hóa học trong dung dịch Do đó, chất keo nguyên chất, sẽ hữu ích cho các ứng dụng tiếp theo, có thể được sản xuất bằng phương pháp này

1.2.2 Phương pháp hóa học

Khử hóa học là phương pháp được áp dụng thường xuyên nhất để tổng hợp AgNPs vì nó ổn định, phân tán ở dạng keo trong nước hoặc dung môi hữu cơ Chất khử thường được sử dụng nhất là citrate Trong dung dịch nước xảy ra quá trình khử ion bạc và tạo ra các nguyên tử bạc dạng keo có kích thước nano Tính ổn định của bất kỳ sự phân tán keo nào cũng có tầm quan trọng hàng đầu và điều này có thể đạt được nhờ chất ổn định (dodecanethiol) hấp thụ trên bề mặt và tạo ra lớp vỏ bảo vệ Nó có thể tránh sự kết tụ và phát triển tinh thể của hệ Trong quá trình tổng hợp AgNPs những thay đổi nhỏ trong các thông số (Polyme) làm thay đổi mạnh mẽ về kích thước, hình dạng, hình thái, chỉ số phân tán, tự lắp ráp và điện thế zeta (Tính ổn định)

Hình 1.6 Phương pháp chế tạo nano bạc hoá học

Các thành phần thường được sử dụng trong tổng hợp AgNPs và AuNPs là các dẫn xuất của glycol như Polyvinyl pyrrolidone (PVP) và Polyethylene glycol (PEG) Polyacrylamide đóng chức năng kép như tác nhân khử và ổn định trong tổng hợp AuNPs Các chất hoạt động bề mặt có chứa các nhóm chức như amin, thoils và axit đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của sự phân tán keo, bảo vệ hệ thống khỏi sự phát triển tinh thể, liên kết và kết tụ Hiện tại AuNP được phát triển bằng phương pháp tollens sửa đổi sử dụng saccharide và hydrosol bạc và chất khử tạo ra AgNPs trong khoảng 50–200 nm và 20–50 nm tương ứng

1.2.3 Phương pháp sinh học

Công nghệ sinh học là một công cụ mới nổi để phát triển tổng hợp sinh học của AgNPs Bên cạnh đó, các hạt nano từ tính này có khả năng kháng khuẩn rất lớn do diện tích bề mặt được cải thiện để xử lý vi sinh vật được nâng cao khả năng chống lại nhiều loại thuốc kháng sinh và thuốc chữa bệnh Hiện nay, kỹ thuật hóa học xanh

đang phát triển nhanh chóng được sử dụng để tổng hợp AgNPs với các chất ổn định, khử và bao bọc tự nhiên để tổng hợp AgNPs mà không có tác dụng phụ độc hại Sự khử các ion kim loại bằng nỗ lực kết hợp của các loại thảo mộc và một số enzym, protein, vi sinh vật, vi khuẩn và nấm, v.v trong tổng hợp sinh học đã được báo cáo thành công Sơ đồ phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc như được trình bày trong hình 1.7

Hình 1.7 Phương pháp sinh học cho chế tạo nano bạc 1.3 Tổng quan về tổng hợp nano bạc bằng chiết xuất thực vật 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Phương pháp tổng hợp xanh (hóa học xanh) được biết là an toàn hơn so với các phương pháp hóa học Điều này là do tính bền vững hơn và cung cấp một cách tiếp cận an toàn hơn với môi trường trong quá trình tổng hợp các hạt nano Một số phương pháp hóa học xanh mới như công nghệ nano xanh đang phát triển đã được chứng minh là quan trọng trong các kỹ thuật tổng hợp hạt nano

mới hơn Các phương pháp thay thế này sử dụng vi sinh vật và các chất chiết xuất từ thực vật và đã cho thấy hiệu quả hơn trong việc tổng hợp hạt nano

Hình 1.8 Ảnh TEM của hạt nano bạc chế tạo bằng dịch chiết lá húng quế [2]

Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo các hạt nano bạc bằng phương pháp xanh sử dụng dịch chiết từ lá bàng, lá húng quế đã được thực hiện với nhóm của PGS TS Lê Tự Hải, Huỳnh Thị Mỹ Linh và Lê Thị Cẩm Châu tại Đại học Đà Nẵng Các hạt nano bạc được chế tạo bằng dịch chiết lá bàng cho kích thước từ 9 – 26 nm với dạng hình cầu [1] hoặc bằng lá húng quế cho kích thước hạt từ 6 – 11 nm (Hình 1.8) và có khả năng ức chế vi khuẩn Bacillus subtillis [2] Một cách tiếp cận tương tự, năm 2017 nhóm của TS Tôn Nữ Liên Hương, Phan Minh Phục và Nguyễn Hoàng Kim Ngân ở Đại học Cần Thơ cũng đã nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc bằng dịch chiết từ lá bằng lăng nước và hạnh [3, 4] Các hạt nano bạc chế tạo với dịch chiết lá bằng lăng nước có kích thước từ 20

- 35 nm, dạng hình cầu và có khả năng ức chế vi khuẩn S aureus và P

aeruginosa trong khi có kích thước trung bình 21,6 nm và có khả năng ức chế

vi khuẩn Staphylococcus aureus và E Coli đối với hạt được chế tạo bằng dịch

chiết hạnh (Hình 1.9)

Hình 1.9 Ảnh TEM của hạt nano bạc chế tạo bằng dịch chiết hạnh [4]

Tương tự, nhóm của TS Trịnh Đình Khá ở Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên cũng đã tổng hợp được các hạt nano bạc bằng dịch chiết

lá đào Prunus persica năm 2017 [18] Kết quả thu được các hạt có kích thước

từ 9,09 - 27,4 nm (Hình 1.10) và chủ yếu là hình cầu Hoạt tính kháng khuẩn

của nano bạc tổng hợp đã được khảo sát chống lại Escherichia coli và

Staphylococcus aureus Năm 2019, nhóm của TS Đoàn Quang Đạt và Phùng

Minh Tân ở Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tổng hợp thành công các hạt nano vàng và bạc bằng dịch chiết vỏ quả dừa nước [5] Kết quả cho thấy, nano bạc có dạng hình cầu với kích thước 10 - 15 nm, nano vàng có

kích thước 15 - 20 nm Khi thử khả năng ức chế các vi khuẩn Bacillus subtillis,

Staphylococcus, Salmonella Typhimurium thì chỉ có AgNPs cho khả năng ức

chế vi khuẩn Bacillus subtillis, trong khi AuNPs không thể hiện hoạt tính

Hình 1.10 Ảnh TEM của hạt nano bạc chế tạo bằng dịch chiết đào [18]

Gần đây hơn, nhóm của Lê Ngọc Thuỳ Trang ở Đại học Duy Tân, Đà Nẵng

năm 2020 đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc với Achyranthes aspera and lá Scoparia dulcis cho kích thước hạt từ 8 - 52 nm và 5 - 45 nm, và có hiệu

quả chống lại nấm mốc [19] Thêm nữa, nhóm của Lưu Thị Lan Anh ở Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng đã tổng hợp được các hạt nano bạc bằng chiết xuất nước chanh và giấm gạo thương mại ở nhiệt độ phòng cho các hạt với kích thước cỡ 40 nm [20]

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Sử dụng công nghệ xanh hoặc chiết xuất từ lá cây có các hợp chất quan trọng như viz flavonoid, alkaloid, tanin, saponin và axit phenolic để sinh tổng hợp các hạt nano bạc là một chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm hiện nay Các hợp chất này hoạt động như một chất hoạt động bề mặt và cũng chịu trách nhiệm cho việc khử ion bạc kim loại (Ag+) thành các hạt nano kim loại (Ag0) với rất ít độc tính

Tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp sinh học hoặc xanh đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu do chi phí thấp, cách tiếp cận thân thiện với môi trường, độ ổn định nhiệt cao và các ứng dụng sinh học khác nhau trong y học và dược phẩm [21-22]

Hình 1.11 Ảnh TEM của hạt nano bạc chế tạo bằng dịch chiết hoa Moringa

oleifera [21]

Nhiều nghiên cứu báo cáo về việc sử dụng các chất chiết xuất từ thực vật để tổng hợp AgNPs với các hoạt tính kháng khuẩn đáng kể như [23]: chất chiết xuất từ lá của cây Acalypha indica, Solidago altissima, Xanthium strumerium L, Murraya koenigii (lá cà ri), Ocimum sanctum (lá Tulsi), chiết xuất từ hạt của Acacia farnesiana, Macrotyloma uniflorum, chiết xuất từ rễ của Trianthema decandra, chiết xuất từ thân của Ocimum sanctum, và thậm chí cả chiết xuất từ quả của Musa vỏ paradisiaca (chuối) và vỏ đu đủ Carica Trong những nghiên cứu này, hợp chất phytocompounds trong chiết xuất thực vật đóng vai trò như chất khử và / hoặc đóng vai trò là chất bao bọc, có vai trò phản ứng với bạc nitrat (AgNO3), một tiền chất thường được sử dụng trong tổng hợp hạt nano bạc Bảng 1.1 là tổng hợp của một số nghiên cứu tiêu biểu ngoài nước liên quan đến tổng hợp nano bạc bằng thực vật và tảo

Hình 1.12 Ảnh SEM và EDX của hạt nano bạc chế tạo bằng dịch chiết lá Moringa oleifera [23]

Bảng 1.1 Các hạt nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp xanh gần

Chiết xuất rễ cây

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu và dụng cụ trong thực nghiệm

2.1.1 Vật liệu

Búp mít được thu lượm ở khuôn viên trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Chọn các búp mít tươi, nhỏ của cành mít Sau đó, làm sạch, sấy khô rồi cắt nhỏ và say thành bột

Các hoá chất sử dụng trong chế tạo nano bạc trong khuôn khổ luận văn này bao gồm: AgNO3, NaOH, HCl, H2SO4, nước cất 2 lần, thạch agar, cao nấm men, NaCl và C2H5OH Các hoá chất trên đều có xuất xứ từ Trung Quốc ngoại trừ muối AgNO3 đến từ hãng Merck của Đức

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị

Dụng cụ: Cốc thuỷ tinh 50 ml, 100 ml, 250 ml; pipet 5 ml, 10 ml và 20 ml; phễu chiết, nhiệt kế, bình định mức dung tích 50 ml, 100 ml, giấy lọc Whatman và con từ

Thiết bị: Buồng cấy vô trùng, nồi hấp tiệt trùng, tủ sấy, que tra, đĩa peptry, giấy bạc, que cấy, máy li tâm và máy khuấy từ gia nhiệt

2.2 Chế tạo nano bạc

2.2.1 Chế tạo dịch chiết búp mít

Búp mít sau thu lượm ở trong vườn trường, được làm sạch, sấy khô, nghiền nhỏ thành bột Cân 10 g bột búp mít cho vào 150 ml nước cất trong một cốc thuỷ tinh 250 ml, đun ở 80 – 90oC trong thời gian 40 phút Sau đó để nguội, ly tâm ở tốc độ 6000 vòng/phút trong 20 phút và được lọc 2 lần để loại bỏ cặn bã Dịch chiết búp mít được bảo quản ở 4oC trong tủ lạnh để dùng dần

2.2.2 Chế tạo nano bạc từ AgNO3 bằng phương pháp xanh

Cân chính xác 0,85 g muối AgNO3 pha với 100 ml nước cất 2 lần thu được 100 ml dung dịch AgNO3 0,05 M Các nồng độ thấp hơn được pha loãng từ dung dịch gốc này

Các dung dịch AgNO3 ở các nồng độ 1 mM, 2 mM, 3 mM, 5 mM, 10 mM được trộn với dịch chiết búp mít theo tỷ lệ khác nhau trong một bình chứa Bình được bọc bằng giấy bạc và sau đó được đun nóng trên máy khuấy từ gia nhiệt ở 60 °C trong 1 giờ Sau đó, hỗn hợp được bảo quản trong tủ lạnh để kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn và được phân tích thêm bằng cách sử dụng máy quang phổ UV-Vis và TEM Quy trình chế tạo các hạt nano bạc bằng dịch chiết được tóm tắt trong sơ đồ như Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình chế tạo nano bạc từ dịch chiết

Nguyên tắc của phương pháp xanh để khử muối kim loại:

M+ + phân tử sinh học = M0 (2.1)

Ưu điểm chính của phương pháp tổng hợp xanh các nano kim loại sử dụng dịch chiết từ thực vật là dễ dàng, an toàn, giá rẻ và thân thiện môi trường

2.3 Các phương pháp phân tích tính chất hạt nano bạc 2.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV – Vis

Phương pháp đo phổ hấp thụ là phương pháp phân tích định lượng dựa trên hiện tượng hấp thụ xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ Máy đo phổ hấp thụ dựa trên cơ sở đo độ hấp thụ ánh sáng đặc trưng cũng như